DE2637960A1

DE2637960A1 - Winkelstellungsmessfuehler

Info

Publication number: DE2637960A1
Application number: DE19762637960
Authority: DE
Inventors: Stafford Malcolm Ellis
Original assignee: Elliott Brothers London Ltd
Current assignee: Allard Way Holdings Ltd
Priority date: 1975-08-28
Filing date: 1976-08-24
Publication date: 1977-03-03
Also published as: GB1550339A; CA1065439A; JPS5229250A; IT1071420B; BR7605447A; US4092072A; FR2322356A1; IL50235A

Description

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Anm.s ELLIOTT BROTHERS (LONDON) LIMITED, ReZo 8533

of Marconi House, New Street,
Chelmsford, Essex CM1 1PL. 23.8.1976

Winkelstellungsmeßfühler

Die Erfindung betrifft einen Winkelstellungsmeßfühler mit einer linearen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen und einem lichthindernden Teil.

Insbesondere bezieht sich die Erfindung auf Winkelstellungsmeßfühler, die Ausgangswerte erzeugen, welche ein Maß für die Winkelstellung innerhalb zweier Achsen einer schmalen Lichtquelle sind.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Winkelstellungsmeßfühler anzugeben, der die Bestimmung der Position einer Lichtquelle in einem Koordinatenfeld aus zwei zueinander senkrecht stehenden Achsen vereinfacht.

Mit der Bezeichnung 'schmal', wie sie für die Lichtquelle verwendet wird, ist gemeint, daß diese Quelle in bezug auf die Größe des Meßfühlers als eine Punktquelle angesehen werden kann»

Die erfindungsgemäße Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das lichthindernde Teil zwei zueinander geneigte Kanten aufweist, die so ausgerichtet sind, daß sie im Betrieb entsprechende Regionen mit zwei Grenzlinien im Schatten des lichthindernden Teils auf die lineare Anordnung als Ergebnis der teilweisen Abdeckung des Lichtes einer kleinen Lichtquelle durch das lichthindernde Teil werfen und daß die Stellungen der Grenzregionen ein Maß für die Winkelstellung der Lichtquelle gegenüber dem Meßfühler in einem von zwei zueinander senkrechten Achsen gebildeten Koordinatenfeld darstellen.

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Eine weitere Ausfuhrungsform des Winkelstellungsmeßfühlers ist mit einem eine Apertur aufweisenden Gehäuse und mit einer linearen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen versehen und zeichnet sich dadurch aus, daß die Apertur die Form von zwei zueinander geneigter Schlitze besitzt, daß die lineare Anordnung der lichtempfindlichen Elemente von den Schlitzen im Abstand angeordnet und so ausgerichtet ist, daß im Betrieb laminare Lichtstrahlenbündel durch die Schlitze hindurch von einer schmalen Lichtquelle auf die lineare Anordnung auftreffen, und daß die Stellungen unter denen die zwei laminaren Strahlenbündel auf die lineare Anordnung einfallen, eine Meßgröße für die Winkelstellung der Lichtquelle in einem Koordinatenfeld von zwei aufeinander senkrechten Achsen bilden.

In bevorzugter Weise sind bei dem Winkelstellungsmeßfühler die zueinander geneigten Schlitze geradlinig, liegen in einer gemeinsamen Ebene und werden unter annähernd gleichen Winkeln in der Ebene der Schlitze durch eine Ebene oder durch Ebenen geschnitten _r die die lineare Anordnung enthalten.

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung sind die zueinander geneigten Schlitze in einer V-Konfiguration angeordnet.

Im folgenden wird eine Ausführungsform der Erfindung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Figur 1 - eine perspektivische Ansicht eines Meßfühlers und eine Konstruktion zur Erläuterung der Wirkungsweise des Meßfühlers,

Figur 2 - ein geometrisches Diagramm,* das den optimalen Winkel zwischen den beiden geradlinigen Schlitzen des Meßfühlers darstellt sowie eine in der Figur eingezeichnete Skala wiedergibt und

Figur 3 - ein Diagramm eines axialen Längsschnittes durch einen Meßfühler gemäß der Erfindung sowie eine in die Figur eingezeichnete Skala.

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Wie aus den Figuren 1 und 3 ersichtlich ist, weist der Meßfühler ein Gehäuse 11 auf, dessen konisches vorderes Ende 15 aus einem kreisförmigen Flansch 13 besteht, der eine Anordnung von kreisförmigen Platten 19, 21 und 25 aufnimmt.

Wie Figur 3 zeigt, liegt die äußerste Platte 19, die eine Schutzdeckplatte aus Glas ist, gegen den umgebogenen Rand 27 des Flansches 13 an und sind Muttern 29 mit Schraubenbolzen 31 im Eingriff, die von dem Flansch 13 abstehen. Die Muttern 29 berühreai einen Ring 33, der gegen die innerste Platte 25 drückt, so daß die Anordnung der kreisförmigen Platten fest abgestützt ist.

Innerhalb des Gehäuses 11 ist eine lineare Anordnung 35 von im wesentlichen aneinander angrenzenden lichtempfindlichen Elementen 37 vorgesehen. Gemäß der Erfindung handelt es sich bei der Anordnung um eine Anordnung von lichtempfindlichen, ladungsgekoppelten Einrichtungen. Die Anordnung 35 umfaßt beispielsweise 1728 ladungsgekoppelte Elemente, die eine wie in Figur 3 gezeigte Länge belegen und sich horizontal hinter der vertikalen Anordnung der kreisförmigen Platten erstrecken. Es ist selbstverständlich, daß die Anordnung auch eine davon abweichende Länge aufweisen kann, indem mehr oder auch weniger Elemente in der Anordnung vorhanden sind, in Abhängigkeit von dem Anwendungszweck für den Meßfühler und selbstverständlich von der Verfügbarkeit von Anordnungen mit ladungsgekoppelten Einrichtungen, die die gewünschte Anzahl von Elementen innerhalb der geforderten Länge enthalten.

Die nähere Betrachtung der Anordnung der Platten 19, 21 und 25 zeigt, daß die innerste Platte 25 an ihrer inneren Oberfläche 38, das ist die Oberfläche, die der Anordnung 35 der lichtempfindlichen, ladungsgekoppelten Einrichtungen gegenübersteht, einen überzug aufweist, der mit Ausnahme einer V-förmigen Apertur 39 lichtundurchlässig ist. In der Praxis wird der lichtundurchlässige überzug und seine V-förmige Apertur 39 durch einen herkömmlichen fotografischen Bildforraungsprozeß erzeugt.

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Die Platte 21 ist ein Filterelement, das für die Strahlung im nahen Infrarotbereich des Spektrums durchlässig ist, wobei die Durchlässigkeitscharakteristik des Filters so gewählt wird_f daß die Ansprechcharakteristik der lichtempfindlichen, ladungsgekoppelten Elemente der Anordnung 35 berücksichtigt wird.

Der Meßfühler ist an einem Teil befestigt, das einen. Bezugsrahmen für eine 'Punkt'-Lichtquelle bildet, die beispielsweise eine lichtemittierende Diode (LED) 41 sein kann.

Obwohl die Quelle 41 ungerichtet abstrahlt, läßt die Platte 25 nur denjenigen Teil des Lichtes durch, der an der V-förmigen Apertur 39 empfangen wird. Die beiden zueinander geneigten laminaren Strahlenbündel 43a, 43b, die von den Schenkeln der V-förmigen. Apertur 39 austreten, treffen auf die lineare Anordnung 35 auf.

Die Anfangseinstellung des Meßfühlers in bezug auf das Teil, an dem er befestigt ist, kann mit Hilfe von Mutter-Schraubbolzen-Verbindungen 45 erreicht werden, die das Gehäuse 11 in Schlitzen

47, die sich über den Umfang in einem Flansch des Gehäuses erstrekken, festlegen. Das Gehäuse kann zusätzlich zu der Anordnung von lichtempfindlichen, ladungsgekoppelten Einrichtungen 35 einen elektrischen Signalprozeßschaltkreis 49 enthalten, der die Ausgänge der ladungsgekoppelten Einrichtungen der Anordnung 35 empfängt«. Wie aus Figur 3 ersichtlich ist, kann das Gehäuse 11 Kühlrippen 51 aufweisen, die den Hauptteil des Gehäuses umgeben und in der Nähe des elektrischen Schaltkreises 49 angeordnet sind.

Eine Winkelbewegung der Punktlichtquelle 41 durch eine Höhenverstellung bewirkt, daß die geneigten laminaren Strahlenbündel 43a, 43b auf die Anordnung 35 in Positionen auftreffen, die sich je nach der Richtung der Winkel-Höhenverstellung gegenseitig annähern oder voneinander entfernen und zwar um einen Betrag, der durch die Amplitude der Winkelbewegung bestimmt ist. Auf der anderen Seite bewirkt die Winkelbewegung der Lichtquelle 41 in Azimutrichtung, daß die geneigten laminaren Strahlenbündel 43a_f 43b sich gemeinsam in die eine oder in die andere Richtung längs der Anord-

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nung 35 bewegen, und zwar in Abhängigkeit von der Richtung der Azimutbewegung der Lichtquelle und von der Amplitude einer derartigen Bewegung.

Es ist selbstverständlich, daß der Meßfühler nicht nur dazu benutzt wird, um einen Ausgang zu liefern, der die Änderung im Winkel der Lichtquelle innerhalb von zwei Achsen anzeigt, sondern auch dafür vorgesehen ist, eine Meßgröße für die Winkelstellung der Lichtquelle im Hinblick auf den zugeordneten Bezugsrahmen zu liefern, um dies zu ermöglichen, ist es selbstverständlich notwendig, zu Beginn den Meßfühler zu eichen, so daß er in einer bekannten Beziehung zu dem zugeordneten Bezugsrahmen steht. Wird vorgesehen, daß die Änderung in der-Winkelstellung der Lichtquelle in bezug zu einem Meßfühler steht, so ist die Winkelstellung der Quelle im Hinblick auf den zugeordneten Bezugsrahmen feststellbar.

In der Praxis ist aus Gründen der kommerziellen Verfügbarkeit die lineare Anordnung von ladungsgekoppelten Einrichtungen eine geradlinige Anordnung. Die geradlinige Anordnung erstreckt sich in einer Horizontalebene in bezug auf die Vertikalebene der V-förmigen Apertur und ist symmetrisch im Hinblick auf die Apertur derart angeordnet, daß die Ebenen, in die sich die Anordnung erstreckt, die zueinander geneigten Schlitze unter, gleichen Winkeln schneiden. Die Anordnung ist bevorzugt eine lineare Anordnung in der Gestalt eines Kreisbogens, der einen Krümmungsmittelpunkt im Schnitt der beiden Schenkel der V-förmigen öffnung, das ist der Punkt X in Figur 1, besitzt. Bei einer derartigen kreisförmigen Anordnung erzeugen Änderungen um den gleichen Winkel im Azimut oder in der Höhenverstellung der Position der Quelle, vom Punkt X aus gemessen, gleiche Änderungen in der Position des Auftreffens der laminaren Strahlenbündel auf die Anordnung, und somit kann eine konstante Empfindlichkeit für die Winkelbewegung in jeder orthogonalen Achse erhalten werden. Bei einer geradlinigen Anordnung ergeben inkrementelle Änderungen in der Stellung der Quelle in jeder Achse nichtlineare Änderungen in der Stellung des Auftreffens der laminaren Strahlenbündel auf die Anordnung. Diese nichtlineare Beziehung ist dennoch einfach und kann leicht in der

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Prozeßschaltung verarbeitet werden, die in der Vorrichtung vorgesehen ist und die praktischen konstruktiven Vorteile von geradlinigen Anordnungen können dabei voll genutzt werden.

Die Verwendung einer geradlinigen Anordnung ergibt eine Variation in der Ausbreitung der laminaren Strahlenbündel an dem Punkt, wo diese auf die Anordnung auftreffen. Eine derartige Änderung hat den Effekt, daß mehr oder weniger ladungsgekoppelte Elemente durch die Strahlenbündel beim Auftreffen auf die Anordnung unter verschiedenen Winkelpositionen abgedeckt werden. Bei der voranstehend erwähnten nichtlinearen Änderung des Auftreffpunktes mit der Winkelposition kann die Änderung der Aufweitung der Strahlenbündel durch die Verwendung einer kreisförmig gekrümmten linearen Anordnung korrigiert werden, jedoch können auch wieder geradlinige Anordnungen verwendet und die Aufweitung der Strahlenbündel in der Prozeßschaltung zugelassen werden.

Der Meßfühler kann so konstruiert sein, daß er die gleiche Empfindlichkeit für Winkelbewegungen in beiden orthogonalen Achsen zuläßt, indem die beiden Schenkel der V-förmigen Apertur gegeneinander unter einem Winkel von 53 geneigt sind. Gleiche Empfindlichkeit für jede inkrementelle Winkeländerung erfordert in jedem Fall eine kreisförmig gekrümmte Anordnung, jedoch wird mit einer geradlinigen Anordnung eine gleiche Veränderung in der Empfindlichkeit mit dem Winkel in beiden Achsen erhalten» Daher ist bei derartig zueinander geneigten Schenkeln keine zusätzliche Berechnung oder ein zusätzlicher Maßstab notwendig, um die Winkelbewegung in der einen Achsenrichtung zu derjenigen der anderen Richtung zueinander in Beziehung zu setzen, obwohl mit einer geradlinigen Anordnung die Prozeßschaltung weiterhin notwendig ist, um die Änderung in bezug auf die Winkelposition zuzulassen.

Die Wirkungsweise eines Meßfühlers, dessen Schenkel unter einem Winkel von 53 zueinander geneigt sind und unter Verwendung einer geradlinigen Anordnung ist schematisch in Figur 2 dargestellt. Figur 2a zeigt den Einfluß einer 22 1/2° Winkelbewegung bei einer Höhenverstellung der Quelle von dem Bezugspunkt X aus, wobei durch

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diesen Punkt die vertikale Linie O verläuft. Figur 2b zeigt in ähnlicher Weise den Einfluß einer 22 1/2° Winkelbewegung in Azimutrichtung von dieser Bezugsposition aus. Die nicht gebrochenen Linien sind die Linien, entlang welchen die laminaren Strahlenbündel auf die Vertikalebene auftreffen, von der die lichtempfindliche Oberfläche der Anordnung einen Teil bildet, für das Azimut Null und entsprechende Höhenwinkel, und die gebrochenen Linien zeigen in ähnlicher Weise die Linien des Auftreffens, wenn sich die Quelle durch einen Wink«
Orthogonalebene bewegt hat.

die Quelle durch einen Winkel von 22 1/2 in der entsprechenden

Es ist eine wichtige Forderung für den Meßfühler, daß die .Ausgangswerte, die von der linearen Anordnung der 1adungsgekoppelten Elemente abgeleitet werden, eine entsprechende Winkelinformation liefern, die unabhängig von den Translationsbewegungen der Quelle in bezug auf die Ausgangsposition X sind. Daß dies erreicht wird, kann aufgrund einer Überlegung über den Effekt der Positionierung der Quelle 41 in der Stellung A, wie sie in Figur 1 gezeigt ist_r abgelesen werden. Die Stellung A befindet sich längs der Linie, die die Position B der Quelle 41 und den Ausgangspunkt X verbindet, und somit weisen die beiden Punkte A und B die gleichen Winkelkoordinaten hinsichtlich des Azimuts und der Höhe auf. Es ist aus Figur 1 ersichtlich, daß die Positionen, an denen die resultierenden laminaren Strahlenbündel 43a, 43b auf die Anordnung auftreffen, die gleichen sind für ein Licht, das entweder im Punkt A oder im Punkt B entspringt und daß dies für jeden Punkt entlang der Linie XAB gilt. Mit einer geradlinigen Anordnung wird die Aufweitung der Strahlenbündel an ihrer Auftreffstelle auf die Anordnung, wie schon voranstehend erwähnt wurde, bis zu einem gewissen Grad variieren, jedoch ist eine derartige Aufweitung ein Effekt zweiter Ordnung und kann daher, wie weiter oben schon angeführt ist, in der Prozeßschaltung zugelassen werden, und die Primärdaten, das heißt die Feststellung der Zentralebene des Auftreffens, können hiervon unterschieden werden.

Bei der voranstehend beschriebenen Ausführungsform der Erfindung fällt das Licht von der Quelle durch die zueinander geneigten

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Schlitze auf die lichtempfindliche Anordnung. Es ist selbstverständlich, daß andere Typen von Aperturen wahlweise verwendet werden können, beispielsweise eine dreiecksförmige Apertur, vorausgesetzt, daß die Apertur zueinander geneigte Kanten besitzt und dadurch Beleuchtungsregionen und Schatten auf der lichtempfindlichen Anordnung derart erzeugt, daß die Grenzen dieser Regionen sich in der voranstehend erwähnten Art und Weise hinsichtlich der Winkelbewegung der Lichtquelle bewegen.

Es ist des weiteren ersichtlich, daß anstelle einer Apertur, die in einer lichtundurchlässigen Oberfläche des Meßfühlers gebildet ist, ein lichtundurchlässiges Teil mit zueinander geneigten Kanten in Front von der linearen Anordnung positioniert werden kann, wobei dann die umgebende Oberfläche dieser Apertur lichtdurchlässig ist. Eine derartige Anordnung stellt die negative Version der voranstehend beschriebenen Ausführunsform dar und schließt ein V-förmiges lichthinderndes Teil anstelle der V-förmigen Apertur ein. Die lichtempfindlichen Elemente sind dann darauf eingestellt _r einen Ausgangswert zu erzeugen, der die Winkelposition der Lichtquelle in bezug auf die Stellungen der Schatten der Schenkel des V-förmigen Teils, die auf die Anordnung fallen, anzeigt.

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Claims

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Patentansprüche

.j Winkelstellungsmeßfühler mit einer linearen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen und einem lichthindernden Teil, dadurch gekennzeichnet/ daß das lichthindernde Teil (25) zwei zueinander geneigte Kanten (39) aufweist, die so ausgerichtet sind, daß sie im Betrieb entsprechende Regionen mit zwei Grenzlinien im Schatten des lichthindernden Teils (25) auf die lineare Anordnung (35) als Ergebnis der teilweisen Abdeckung des Lichtes einer kleinen Lichtquelle (41) durch das lichthindernde Teil (25} werfen und daß die Stellungen der Grenzregionen ein Maß für die Winkelstellung der Lichtquelle (41) gegenüber dem Meßfühler in einem von zwei zueinander senkrechten Achsen gebildeten Koordinatenfeld darstellen.
2. Winkelstellungsmeßfühler mit einem eine Apertur aufweisenden Gehäuse und mit einer linearen Anordnung von lichtempfindlichen Elementen,

dadurch gekennzeichne t,* daß die Apertur (39) die Form von zwei zueinander geneigter Schlitze besitzt, daß die lineare Anordnung (35) der lichtempfindlichen Elemente (37) von den Schlitzen im Abstand angeordnet und so ausgerichtet ist, daß im Betrieb laminare Lichtstrahlenbündel (43a, 43b) durch die Schlitze hindurch von einer schmalen Lichtquelle (41) auf die lineare Anordnung (35) auftreffen, und daß die Stellungen,unter denen die zwei laminaren Strahlenbündel auf die lineare Anordnung einfallen, eine Meßgröße für die Winkelstellung der Lichtquelle (41) in einem Koordinatenfeld von zwei aufeinander senkrechten Achsen bilden.
3. Winkelstellungsmeßfühler nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander geneigten Schlitze (39) geradlinig sind, in einer gemeinsamen Ebene liegen und unter annähernd gleichen Winkeln in der Ebene der Schlitze durch eine Ebene oder durch Ebenen geschnitten werden, die die lineare Anordnung (35) enthalten .

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4. Winkelstellungsmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Anordnung (35) geradlinig und parallel zu der Ebene der Schlitze (39) verläuft.
5. Winkelstellungsmeßfühler nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die lineare Anordnung (35) die Gestalt eines Kreisbogens besitzt, der konkav in Richtung auf die Ebene der Schlitze verläuft und im Schnittpunkt (X) der Längsachsen der Schlitze einen Krümmungsraittelpunkt aufweist.
6. Winkelstellungsmeßfühler nach jedem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die zueinander geneigten Schlitze (39) in einer V-Konfi-r guration angeordnet sind.
7. Winkelstellungsmeßfühler nach jedem der Ansprüche 3 bis 5 _r

dadurch gekennzeichnet,

* ο

daß die Schlitze (39) zueinander unter einem Winkel von 53 geneigt sind.
8. Winkelstellungsmeßfühler nach jedem der Ansprüche 2 bis 6_r dadurch gekennzeichnet, daß die lichtempfindlichen Elemente (37) ladungsgekoppelte Einrichtungen sind.

Π η ο Q η Q / ι η c o