DE4014479A1

DE4014479A1 - Measurement of distance between two relatively movable parts - using optical binary code tracks with light source, receiver detectors, and analogue vernier track for intermediate values

Info

Publication number: DE4014479A1
Application number: DE19904014479
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Lange
Original assignee: Volkswagen AG
Current assignee: Volkswagen AG
Priority date: 1989-05-11
Filing date: 1990-05-07
Publication date: 1990-11-15

Abstract

One of two mutually relatively movable parts carries an optical digital code track and the other a detector with a light source and receiver connected to a measurement value interpolating signal processor. Binary code tracks (21-2n) arranged in the direction of the relative motion have individually associated detectors (31-3n). At least one analogue, vernier type track (41-4n) arranged adjacent to the digital tracks has a further dedicated detector (5,6). USE/ADVANTAGE - For measuring relative displacement of two mutually relatively movable parts e.g. for machining tool or as angle detector at acceleration pedal or throttle valve of vehicle DC engine. Enables intermediate values between digital track measurement values to be displayed.

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.

Einrichtungen dieser Art finden in einer Vielzahl unterschied licher Anwendungsfälle Einsatz. Beispielsweise können sie als Weggeber an Werkzeugmaschinen oder als Winkelgeber am Gaspedal oder der Drosselklappe einer Fahrzeug-Brennkraftmaschine Verwendung finden. Sie können aber auch im Sinne der DE-OS 19 49 725 zur Speichersteuerung von Brennkraftmaschinen Ver wendung finden, wobei in Abhängigkeit von der durch Maschinen parameter hervorgerufenen Stellung des Codeträgers Bereiche unterschiedlicher Schwärzung in eine Lichtschranke bewegt werden. Die Schwärzungsgrade sind ein Maß für andere Parameter, die den erwähnten Maschinenparametern zugeordnet sind, und über die Lichtschranke wird dann ein dem jeweils gewünschten Parameterwert entsprechendes Ansteuersignal an eine Steuer oder Regeleinrichtung der Maschine gegeben.There are many different types of facilities of this type Use cases. For example, they can as a position encoder on machine tools or as an angle encoder on Accelerator pedal or the throttle valve of a vehicle internal combustion engine Find use. But you can also in the sense of DE-OS 19 49 725 for memory control of internal combustion engines Ver find application, depending on the machine parameter-induced position of the code carrier areas different blackening moved into a light barrier will. The degrees of blackening are a measure of other parameters, which are assigned to the machine parameters mentioned, and The light barrier then becomes the one you want Parameter value corresponding control signal to a control or control device of the machine.

Einrichtungen zur fotoelektrischen Wegmessung mit hoher digitaler Auflösung, die die Merkmale des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 zeigen, sind aus einer Arbeit von Schuch in msr 18 (1975), Heft 2, Seiten 66 bis 70, bekannt. Die dort beschriebene, nach einem inkrementalen Verfahren arbeitende Einrichtung besitzt an dem einen der beiden Relativbewegungen ausführen den Teile ein Raster mit quer zur Bewegungsrichtung ausgerichteten Linien sowie ortsfest ein Gegenraster, das zwei um eine Viertel periode gegeneinander verschobene Teilungen gleicher Teilungs konstanten wie das Raster besitzt; jedem dieser beiden Teile oder Bereiche des Gegenrasters ist ein Strahlungsempfänger zugeordnet. Dieses Gegenraster dient gleichsam noniusartig zur Erhöhung der Auflösung der durch das Hauptraster erzeugten Meßwertintervalle. Nachteile dieser bekannten Anordnung sind in der Notwendigkeit einer sehr präzisen Herstellung des Gegenrasters sowie in dem relativ hohen Aufwand von als Empfänger dienenden Fotodioden zu sehen.Devices for photoelectric displacement measurement with high digital Resolution, the features of the preamble of claim 1 show are from a work by Schuch in msr 18 (1975), Issue 2, pages 66 to 70, known. The one described there Institution working according to an incremental procedure owns one of the two relative movements the parts a grid with transverse to the direction of movement Lines as well as a fixed grid, the two by a quarter Periods of mutually shifted divisions of the same division constant as the grid has; each of these two parts or areas of the counter-grid is a radiation receiver assigned. This counter grid serves as a nonius to increase the resolution of those generated by the main grid Measured value intervals. Disadvantages of this known arrangement are in need of a very precise manufacture of the Counter grid and in the relatively high effort of as a receiver serving photodiodes.

Zum Stande der Technik - DE-OS 27 29 697 und 30 24 716 gehören auch Interpolationsverfahren für Längen- und Winkelmeß systeme, bei denen ein elektrisches Analogsignal digitalisiert und die Digitalwerte einem Digitalrechner zur Errechnung von Interpolationswerten zugeführt werden. Insbesondere ge schieht dies in der Weise, daß zwei um 90° gegeneinander versetzte Sinusspannungen erzeugt und weiterverarbeitet werden. Hinsichtlich der technischen Merkmale zur Erzeugung der beiden gegeneinander phasenverschobenen elektrischen Analogsignale machen die Offenlegungsschriften keine Angaben; es ist daher davon auszugehen, daß auch bei diesen Verfahren das bereits beschriebene Gegenraster mit seinen dargelegten Nachteilen Einsatz findet.To the state of the art - DE-OS 27 29 697 and 30 24 716 also include interpolation methods for length and angle measuring systems in which an electrical analog signal is digitized and the digital values are fed to a digital computer to calculate interpolation values. In particular, this happens in such a way that two 90 ° offset sine voltages are generated and processed. With regard to the technical features for generating the two electrical analog signals which are phase-shifted with respect to one another, the laid-open specifications do not provide any information; It can therefore be assumed that the counter-grid already described with its disadvantages will also be used in these processes.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine gattungsgemäße Einrichtung zu schaffen, die trotz geringen Herstellungs und Bauteileaufwands Zwischenwerte zwischen den von den Digi talspuren gelieferten Meßwerten anzuzeigen gestattet.The invention has for its object a generic To create facility that despite low manufacturing and component cost intermediate values between those of the Digi allowed to display the traces of the measurements.

Die erfindungsgemäße Lösung besteht in den kennzeichnenden Merkmalen des Hauptanspruchs, vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung beschreiben die Unteransprüche.The solution according to the invention consists in the characteristic Features of the main claim, advantageous embodiments the invention describe the subclaims.

Durch Verwendung von Binärcodespuren, also insofern Anwendung eines Absolutverfahrens anstelle des beim Stand der Technik verwendeten inkrementalen Verfahrens, wobei die Spuren in Richtung der Relativbewegungen verlaufen, ergibt sich die Möglichkeit, neben diesen Digitalspuren zumindest eine Analog spur vorzusehen, die beispielsweise blendenartige oder reflek tierende Elemente aufweist, und zwar in solcher Anordnung bezüglich der Binärcodespuren, daß die zumindest eine Analogspur mit ihren Elementen gleichsam als Nonius wirkt. Dabei kommt man grundsätzlich mit nur einem Detektor für die Analogspur aus, nämlich dann, wenn deren Elemente so gestaltet sind, daß ihre zur Auswertung herangezogene optische Eigenschaft - Lichtdurchlässigkeit, Reflexionsgrad - sich einsinnig in Richtung der Relativbewegungen ändert. Sieht man jedoch eine andere Ausgestaltung der Elemente der Analogspur vor, beispiels weise so, daß diese durch linsenförmige, durch Kreisbögen begrenzte Ausnehmungen gebildet sind, ist es erforderlich, unter Verwendung von zwei in Richtung der Relativbewegungen gegeneinander versetzten und demgemäß phasenverschobene Signale liefernden Detektoren in einem angeschlossenen Rechner oder dergleichen die Mehrdeutigkeit der empfangenen Signale zu beseitigen.By using binary code traces, i.e. using an absolute method instead of the incremental method used in the prior art, with the traces running in the direction of the relative movements, it is possible to provide at least one analog trace in addition to these digital traces, for example the diaphragm-like or reflecting elements has, and in such an arrangement with respect to the binary code tracks that the at least one analog track with its elements acts as a vernier. Basically, you only need one detector for the analog track, namely if its elements are designed in such a way that their optical properties used for evaluation - light transmission, reflectance - change unilaterally in the direction of the relative movements. However, if another embodiment of the elements of the analog track is provided, for example in such a way that they are formed by lenticular recesses delimited by circular arcs, it is necessary, using two detectors offset in relation to one another in the direction of the relative movements and accordingly providing phase-shifted signals in one connected computers or the like to eliminate the ambiguity of the received signals.

An dieser Stelle sei eingefügt, daß Schaltungen zur Signalver arbeitung und -auswertung einschließlich Möglichkeiten zur Beseitigung von Fehlern (beispielsweise hervorgerufen durch überlagerte Gleichspannungen) insbesondere aus den eingangs genannten Offenlegungsschriften bekannt sind, so daß der Hinweis auf diesen Stand der Technik eine ins einzelne gehende Beschreibung an dieser Stelle überflüssig macht.At this point it should be inserted that circuits for signal ver work and evaluation including opportunities for Elimination of errors (e.g. caused by superimposed DC voltages) especially from the input mentioned publications are known, so that the Reference to this state of the art in detail Description at this point is superfluous.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung erläutert, die eine Draufsicht auf den Codeträger sowie in schematischer Darstellung die Anordnung der verschie denen Detektoren enthält.An embodiment of the invention is described below the drawing explains a top view of the code carrier and in a schematic representation the arrangement of the various which contains detectors.

Der allgemein mit 1 bezeichnete Codeträger trägt in diesem Ausführungsbeispiel durch linienförmige Ausnehmungen gebildete Binärcodespuren 2 ₁, 2₂ 2_n, die in üblicher Weise unter schiedliche Längen besitzen. Diese Spuren verlaufen in Richtung der Relativbewegung zwischen den beiden Teilen, worunter bei dem angenommenen Winkelgeber einerseits ein Gaspedal eines Kraftfahrzeugs zu verstehen ist, während das andere Teil durch irgendein raumfestes Teil gebildet ist. Der Codeträger 1 befindet sich also in dem angenommenen Einsatzfall der Erfindung am Gaspedal, so daß er an dessen Winkelbewegungen bei Gaspedal bewegungen zum Zwecke der Änderung der Kraftstoffzufuhr zur Brennkraftmaschine teilnimmt. Jeder dieser Binärcodespuren ist eine individuelle Lichtschranke 3 ₁, 3₂ ... 3_n zugeordnet; diese ortsfest angeordneten Lichtschranken liegen in einer quer zur Richtung der Relativbewegung verlaufenden Reihe. In Abhängigkeit von der jeweiligen Stellung des Codeträgers ergibt sich eine für den jeweils vorliegenden und zu messenden Winkelwert charakteristische Kombination von Lichtschranken, bei denen die von ihrer Strahlungsquelle (Leuchtdiode) emittierte Strahlung durch die zugehörige Binärcodespur zum zugehörigen Strahlungsempfänger (Fotodiode) gelangt, und solchen Licht schranken, bei denen das Material des Codeträgers 1 diesen Lichtweg unterbricht.The code carrier, generally designated 1, carries in this exemplary embodiment binary code tracks 2 ₁ , 2 ₂ 2 _n formed by linear recesses, which in the usual way have different lengths. These tracks run in the direction of the relative movement between the two parts, which, in the case of the assumed angle transmitter, means on the one hand an accelerator pedal of a motor vehicle, while the other part is formed by some spatially fixed part. The code carrier 1 is thus in the assumed use of the invention on the accelerator pedal, so that it participates in the angular movements of the accelerator pedal movements for the purpose of changing the fuel supply to the internal combustion engine. Each of these binary code tracks is assigned an individual light barrier 3 ₁ , 3 ₂ ... 3 _n ; these stationary light barriers are located in a row running transversely to the direction of the relative movement. Depending on the respective position of the code carrier, there is a combination of light barriers which is characteristic of the respective angle value to be measured and in which the radiation emitted by its radiation source (light-emitting diode) reaches the associated radiation receiver (photodiode) through the associated binary code track, and such light barriers in which the material of the code carrier 1 interrupts this light path.

Betrachtet man den in Fig. 1 angenommenen Fall, so ist das Gaspedal um weniger als 1° aus seiner Ruhestellung verschwenkt worden. Die Auflösung des durch die Binärcodespuren dargestellten digitalen Speichers ist jedoch so klein, daß Winkelwerte unter 1° bzw. zwischen vollen Gradwerten nicht angezeigt werden können. Es sei darauf hingewiesen, daß es sich hierbei verständlicherweise um ein fiktives Zahlenbeispiel handelt, das lediglich der Anschauung dient.Looking at the case assumed in FIG. 1, the accelerator pedal has been pivoted out of its rest position by less than 1 °. However, the resolution of the digital memory represented by the binary code tracks is so small that angle values below 1 ° or between full degree values cannot be displayed. It should be pointed out that this is understandably a fictitious numerical example, which is only for illustrative purposes.

Um nun mit möglichst geringem Aufwand eine wesentliche Erhöhung der Auflösung zu erhalten, ist neben den Binärcodespuren 2 ₁, 2₂ ... 2_n und damit ebenfalls in Richtung der Relativbewegungen verlaufend die Analogspur 4 angeordnet, die mehrere sich jeweils über einen Winkelbereich von 1° erstreckende Elemente 4 ₁, 4₂, 4₃ ... 4_n enthält. Je Winkelbereich können auch mehrere Elemente vorhanden sein; ebenso ist die Erstreckung eines Elements über mehr als einen Winkelbereich möglich. In dem angenommenen Ausführungsbeispiel sind auch diese Elemente Ausnehmungen im Material des aus Blech oder einer Kunststoff platte bestehenden Codeträgers 1, so daß von der Strahlungs quelle der weiteren Lichtschranke 5, die der Analogspur 4 zugeordnet ist, ausgehendes Licht zum zugehörigen Empfänger gelangt. Jedes Element besitzt etwa Linsenform, gewonnen durch zwei Kreisbögen. Dadurch gelangt bei Vergrößerung des Winkels, ausgehend vom Wert 0, zunehmend mehr Licht von der Strahlungsquelle zum Stahlungsempfänger des weiteren Detektors 5, bis ein Wert von 0,5° (bzw. 1,5°, 2,5° usf.) erreicht ist. Anschließend verringert sich die zum Strahlungsempfänger gelangende Lichtmenge wieder, so daß der von diesem abgegebene Meßwert doppeldeutig ist. Daher ist der Analogspur 4 außer dem Detektor 5 der zweite Detektor 6 zugeordnet, der so angeord net ist, daß er ein gegenüber dem Ausgangssignal des Detektors 5 um 90° verschobenes Sinussignal erzeugt, so daß einer der Detektoren 5 und 6 ein Sinussignal, dagegen der andere ein Kosinussignal erzeugt. Aus diesen beiden phasenverschobenen Ausgangssignalen der Detektoren 5 und 6 kann dann in der aus der eingangs erwähnten DE-OS 27 29 697 bekannten Weise die Mehrdeutigkeit eliminiert werden, und aus der Gesamtheit der Ausgangssignale der Strahlungsempfänger der Detektoren 3 ₁, 3₂ ... 3_n sowie 5 und 6 kann die nachgeschaltete Signalverarbei tungsschaltung den exakten Winkelwert ermitteln.In order to obtain a significant increase in resolution with as little effort as possible, the analog track 4 is arranged in addition to the binary code tracks 2 ₁ , 2 ₂ ... 2 _n and thus also in the direction of the relative movements, each of which has several over an angular range of 1 ° extending elements 4 ₁ , 4 ₂ , 4 ₃ ... 4 _n contains. Several elements can also be present per angular range; it is also possible to extend an element over more than one angular range. In the assumed embodiment, these elements are recesses in the material of the plate or a plastic plate existing code carrier 1 , so that from the radiation source of the further light barrier 5 , which is assigned to the analog track 4 , outgoing light reaches the associated receiver. Each element has approximately the shape of a lens, obtained by two arcs. As the angle increases, starting from the value 0 , more and more light from the radiation source reaches the radiation receiver of the further detector 5 until a value of 0.5 ° (or 1.5 °, 2.5 ° etc.) is reached . Then the amount of light reaching the radiation receiver is reduced again, so that the measured value emitted by the latter is ambiguous. Therefore, the analog track 4 is assigned to the second detector 6 in addition to the detector 5 , which is so arranged that it generates a sine signal shifted by 90 ° with respect to the output signal of the detector 5 , so that one of the detectors 5 and 6 generates a sine signal, whereas the another generates a cosine signal. The ambiguity can then be eliminated from these two phase-shifted output signals of the detectors 5 and 6 in the manner known from the aforementioned DE-OS 27 29 697, and from the totality of the output signals of the radiation receivers of the detectors 3 ₁ , 3 ₂ ... 3 _n as well as 5 and 6, the downstream signal processing circuit can determine the exact angle value.

Damit Schwankungen der Helligkeit der Strahlungserzeuger der Detektoren oder andere Einflußgrößen, wie unterschiedliche Amplituden der Ausgangssignale der weiteren Detektoren 5 und 6, keinen Einfluß auf das Meßergebnis haben, ist in diesem Ausführungsbeispiel auf dem Codeträger 1 eine Referenzspur 7 vorgesehen, die über die gesamte genutzte Länge des Codeträgers 1 eine konstante Lichtdurchlässigkeit aufweist. Spannungsänderun gen oder dergleichen werden daher über den ihr zugeordneten, ebenfalls als Lichtschranke ausgebildeten Detektor 8 erfaßt und an die Signalauswertung zwecks Berücksichtigung übertragen.So that fluctuations in the brightness of the radiation generators of the detectors or other influencing variables, such as different amplitudes of the output signals of the further detectors 5 and 6 , have no influence on the measurement result, a reference track 7 is provided in this exemplary embodiment on the code carrier 1 , over the entire length used of the code carrier 1 has a constant light transmittance. Voltage changes or the like are therefore detected via their associated detector 8 , which is also designed as a light barrier, and transmitted to the signal evaluation for consideration.

Der guten Ordnung halber sei nochmals angeführt, daß geeignete Signalauswertungsschaltungen aus den eingangs genannten Offen legungsschriften bekannt sind. For the sake of good order, it should be mentioned again that suitable Signal evaluation circuits from the aforementioned Open filings are known.

Wie bei 9 angedeutet, können die Elemente 4 ₁ . . . 4 _n auch als Strichcode ausgebildet sein, wobei zwischen den einzelnen Querstrichen unterschiedliche Abstände vorliegen. Ebenso ist es möglich, die Elemente mit konstanter Breite, aber zonenweise unterschiedlicher Transparenz auszubilden, etwa in der im Prinzip aus der ebenfalls eingangs genannten DE-OS 19 49 725 bekannten Weise.As indicated at 9 , the elements 4 ₁ . . . 4 _{n can} also be designed as a bar code, different distances being present between the individual cross bars. It is also possible to form the elements with a constant width, but different transparency in zones, for example in the manner known in principle from the DE-OS 19 49 725 also mentioned at the beginning.

Mit der Erfindung ist demgemäß eine gattungsgemäße Einrichtung geschaffen, die mit geringem Aufwand eine genaue Interpolation von Weg- oder Winkelsignalen ermöglicht.With the invention is accordingly a generic device created an accurate interpolation with little effort of path or angle signals.

Claims

1. Device for determining the movement distance between two relative movements executing parts, one of which carries a digital trace optical code carrier and the other has a radiation source and a radiation receiver containing detector, which is followed by a signal processing, with means for measured value interpolation, characterized in that the Digital tracks in the direction of the relative movements are binary code tracks ( 2 ₁ , 2 ₂ ... 2 _n ) to which detectors ( 3 ₁ , 3 ₂ ... 3 _n ) are individually assigned, and that in addition to the binary code tracks ( 2 ₁ , 2 ₂ ... 2 _n ) in a vernier-like arrangement, at least one analog track ( 4 ) runs on the code carrier ( 1 ) and at least one further detector ( 5 , 6 ) is assigned to it.

2. Device according to claim 1, characterized in that the elements ( 4 ₁ , 4 ₂ ... 4 _n ) of the analog track ( 4 ) have an optical property which changes in the direction of the relative movements and the analog track ( 4 ) is assigned a detector is.

3. Device according to claim 1, characterized in that the elements ( 4 ₁ , 4 ₂ ... 4 _n ) of the analog track ( 4 ) have an ambiguously changing optical property in the direction of the relative movement and the analog track ( 4 ) two in the direction the relative movements of mutually offset detectors ( 5 , 6 ) are assigned.

4. Device according to claim 3, characterized in that the elements ( 4 ₁ , 4 ₂ ... 4 _n ) delimited approximately lenticular by arcs and the associated detectors ( 5 , 6 ) are offset such that they move around with continuous relative Pick up 90 ° offset sine waves.

5. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that on the code carrier ( 1 ) a reference track ( 7 ) is provided with a constant optical properties in the relative movements.

6. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the elements ( 4 ₁ , 4 ₂ ... 4 _n ) dazzle like and the detectors ( 5 , 6 ) are designed as radiation barriers.

7. Device according to one of claims 1 to 5, characterized in that the elements ( 4 ₁ , 4 ₂ ... 4 _n ) have reflection properties and the detectors ( 5 , 6 ) detect the reflected radiation in each case.