DE3046797A1 - Elektrooptisches messsystem mit fehlerkorrektur - Google Patents

Elektrooptisches messsystem mit fehlerkorrektur

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Stefan Fairlawn N.J. Orsen
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Keuffel and Esser Co
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    • G01D5/36—Forming the light into pulses

Description

Elektrooptisches Meßsystem mit Fehlerkorrektur
Die Erfindung betrifft ein elektrooptisches Meßsystem mit Gleichstromschiebefehlerkorrektur.
Zahlreiche elektrooptische Meßsysteme, die derzeit zur Schaffung einer Anzeige einer Verschiebung erhältlich sind, entweder einer linearen oder einer Drehverschiebung, beruhen auf der Relativbewegung zwischen mindestens einem Paar von mit Teilstrichen versehenen bzw. mit Querstrichen geteilten Elementen, wie z.B. Amplituden- oder Phasengittern, die in einem Lichtstrahl angeordnet sind. Eine solche Bewegung eines der Gitterelemente mit der zu messenden Verschiebung führt zu einer Veränderung der Lichtdurchlässigkeit des Gitterpaares, die durch einen photoelektrischen Detektor abgefühlt werden kann. Eine gleichmäßige Bewegung zwischen den Gitterelementen führt zu einem sinusförmigen Wellensignal, welches in einer Zähl- und Auflöseschaltung verwendet werden kann, um eine Anzeige der Verschiebung in Einheiten und Bruchteilen der Einheiten des Grundgittermusters vorzusehen.
Typische derartige elektrooptische Meßsysteme sind in folgenden US-Patentschriften beschrieben: 2685 082, 2 886 717, 3 244 895 und 3 768 911. Solche Systeme weisen auch einen zweiten photoelektrischen Sensor oder ein Aufnahmeelement auf, welches längs des Gittermusters derart im Abstand verschoben ist, daß ein zweites sinusförmiges Wellensignal mit
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einer Phasenverschiebung von 90° zu dem ersten Signal vorgesehen wird, welches durch die Bewegung in dem System erzeugt wird. Derartige Sinus-/Cosinussignalpaare können in einer geeigneten Schaltung als Einrichtung zur Unterscheidung der Richtung der Verschiebung benutzt werden, um eine genaue Strichliste (z.B. mit Zählstrichen) von Zählungen von verschobenen Einheitsabständen sicherzustellen.
Bei diesen Systemen und auch bei anderen ähnlichen Verschiebemeßvorrichtungen werden die Sinus-/Cosinussignale normalerweise mit einer vorgewählten Bezugsspannung verglichen, um Rechteckwellenformen abzuleiten, welche direkt in Zählschaltungen und in Auflöseschaltungen zur genauen Bestimmung von bruchteiligen Verschiebungen bzw. Verrückungen benutzt werden können. Zwar wird das Gleichstrombezugsspannungsniveau vorzugsweise bei dem Medianwert bzw. dem mittleren Beobachtungswert des Arbeitsspannungsbereiches in einem System ausgewählt und gut bei diesem Wert gehalten, es ist aber häufig schwierig, einen konstanten Intensitätsbereich des Signalausganges aus einem Aufnahmesystem sicherzustellen, und zwar wegen der zahlreichen äußerlichen physikalischen Einflüsse, die mit der Mechanik des Meßsystems als Ganzem zusammenhängen. Beispielsweise können mechanische Fehler bei der Teilung eines Gittersystems derart bestehen, daß ein größerer oder kleinerer Lichtbetrag durchgelassen werden kann mit dem Ergebnis eines Fehlers und nicht infolge einer tatsächlichen Verschiebung der Gitter. Eine solche Gesamtverschiebung im Gleichstromniveau des erfaßten Signals kann als eine solche Verschiebung erscheinen. 130036/068 4
Ebenso kann eine Ansammlung von Staub auf dein Gitter oder ein Kratzer oder Strichfehler, welche durch die Benutzung kommen, zu falschen Signalveränderungen führen, die in fehlerhafter Weise eine Bewegung anzeigen. Ferner können Lichtintensitätsveränderungen, welche durch das System als eine Verschiebung interpretiert werden, von der körperlichen Bewegung des photoelektrischen Sensors oder der Lichtquelle näher an die Gitter heran oder weiter von diesen fort herstammen. Äußeres Lichtrauschen kann ebenfalls eine Verschiebung simulierende Fehler hervorrufen.
Um die Fehleranzeigen der Verschiebung, zu eliminieren, die sich aus solchen normalerweise unkontrollierbaren Veränderungen des Aufnahmeausgangssignalniveaus ergeben, ist es notwendig, daß das Vorhandensein einer Gleichstromniveauverschiebung im Signal festgestellt wird und daß die Größe einer solchen Verschiebung erfaßt und vom System erklärt wird. Aufgabe der Erfindung ist daher die Schaffung einer Einrichtung für eine solche Erfassung und Korrektur von Fehlern, die sonst aus äußeren Einflüssen herrühren können.
Wie schon gesagt ist der Anfangsschritt für eine Abhilfe eines Signalniveauschiebefehlers das Erkennen des Vorhandenseins eines solchen Fehlers, so daß eine zweckmäßige Korrektur vorgenommen werden kann. Erfindungsgemäß wird das Vorhandensein einer Verschiebung im Gesamtaufnahmeausgangssignalniveau in einem Verfahren erfaßt, bei welchem die Amplitude des sinusförmigen Signals bei Maximum und Minimum jedes Zyklus bzw. jeder Periode gemessen wird und der
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Mittelwert dieser gemessenen Intensitäten mit der Nennbezugsspannung verglichen wird, die in der Meßschaltung verwendet wird.
Da bei den meisten Meßsystemen der in Rede stehenden Art mindestens ein Paar von Aufnahmeelementen verwendet wird, um ein Paar von Signalen zu erzeugen, die 90° Phasenverschiebung haben, um die Bewegungsrichtung zu unterscheiden, ist eine praktische Einrichtung vorgesehen, um die Amplitudenmessungen zu geeigneter Zeit vorzunehmen. Dies heißt mit anderen Worten, daß jedes der Sinus- und, Cosinussignale, welches in den betreffenden Aufnahmeelementen erzeugt ist, in einer überkreuzdetektorschaltung benutzt werden kann, um eine Messung des anderen Signales auszulösen, sobald ein "Null"-übergang eines dieser Signale bei im wesentlichen jedem der Maximal- und Minimalwerte der sinusförmigen Gegenstückwellenform auftritt. Durch eine digitale oder analoge Einrichtung kann somit der Mittelwert der maximalen-und minimalen Werte jeder Periode der entsprechenden Signale erfaßt und mit dem Gleichstrombezugsniveau verglichen werden, und weil jeder Unterschied zwischen diesem Mittelwert und dem Nennbezug ein äußeres Verschieben im Signalniveau anzeigt, wird die Bedingung für einen potentiellen Fehler erfaßt.
Nachdem ein fehlerhaftes Gleichstromgesamtverschieben im Signalniveau gegenüber einer Veränderung in der Signalintensität, die sich aus einer tatsächlichen zu messenden Verschiebung ergibt, erkannt worden ist, ist es notwendig,
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daß eine Korrekturtätigkeit vorgenommen wird, damit die Verschiebung nicht zu einem Meßfehler führt. Während in einigen Systemen ein möglicher Fehler dadurch vermieden werden kann, daß entweder während des Auftretens einer Gleichstromniveauverschiebung erhaltene Daten nicht mitgezählt werden oder die in Rede stehende Messung wiederholt wird, sind diese Verfahren doch unpraktisch in Systemen der hier betrachteten Art, weil im ersten Falle das Nichtmitzählen von Daten, insbesondere bei inkrementellen bzw. Zuwachs-Zählsystemen, den zu vermeidenden Fehler vermischen, während im anderen Falle die Wiederholung einer Messung zwecklos oder wirkungslos sein kann, weil eine Signalniveauverschiebung, die vom Staub oder einem Gitterfehler herkommt, in einfacher Weise wiederholt wird.
Die bevorzugte Lösung des Problems ist dann eine Bestimmung des Ausmaßes oder der Größe der Gleichstromniveauverschiebung mit der Aufbringung einer hinreichenden Korrektur auf die angezeigte Verschiebung, um jeglichen Fehler zu entfernen, der durch die sonst unkontrollierbare Gleichstromverschiebung auftritt.
Gemäß der Erfindung wird ein Signalverschiebefehler entweder digital oder analog korrigiert. Bei der ersteren Lösung können Rechnungs- oder Computereinrichtungen, die normalerweise weiterentwickelten elektrooptischen Meßsystemen zugeordnet sind, dazu verwendet werden, Größe bzw. Umfang des Gleichstromverschiebefehlers zu bestimmen und den Fehler direkt als Korrektur während des Meßverfahrens aufzu-
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bringen. Eine Analogkorrektur kann auf der anderen Seite fortlaufend während des Betriebes der Meßvorrichtung dadurch vorgenommen werden/ daß die gemessenen Maximal-/Minimalwerte der Aufnahmesignalzyklen gemittelt und der Mittelwert in die Schaltung derart zurückgeführt wird, daß das Gleichstrombezugsniveau mit dem Medianwert des Schiebesignals verschoben wird, um ein enges Verhältnis zwischen diesen Niveaus aufrechtzuerhalten und jeglichen Begleitfehler minimal zu machen.
Weitere Vorteile/ Merkmale und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele in Verbindung mit den Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 die graphische Darstellung eines Sinus-ZCosinussignals und verknüpfter Abtastsignalimpulse bei einer digitalen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung,
Fig. 2 die schematische Darstellung einer Signalabtastschaltung / die in dieser digitalen Ausführungsform verwendet wird,
Fig. 3 eine schematische Darstellung einer Signalabtast- und Korrekturschaltung, die bei einer analogen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung verwendet wird, und
Fig. 4 eine graphische Darstellung eines Sinus-/Cosinussignalpaares, eines korrigierten Cosinussignals und verknüpfter Abtastimpulse bei dieser analogen Ausführungsform.
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ΛΑ
Fig. 1 zeigt ein Paar von Sinus-/Cosinussignalen 11, 12, von denen das Cosinussignal wegen einer Gleichstromniveauverschiebung im Gesamtwert steigend gezeigt ist, wobei diese Verschiebung beispielsweise von einem mechanischen Defekt in einem Maßteilungselement eines elektrooptischen Meßsystems herrührt. Während die Sinussignalwellenform 12 im wesentlichen um das Bezugsspannungsniveau DCo des Systems stabil zu sein scheint, wird das Cosinussignal 11 von seinem Gegenstück-Sinussignal fortgeschoben und folgt seinem sich verschiebenden Medianwertniveau DCe. Das Cosinussignal erkennt man somit als fehlerhaft, weil dieses Signal verschoben wird, und zwar zu jeder gegebenen Zeit um einen Betrag, der etwa gleich der Differenz zwischen DCo und DCe ist.
So lange sich ein solcher Signalverschiebefehler in vernünftigen Grenzen befindet, hat er auf ein inkrementelles bzw. Zuwachsmeßsystem keinen bemerkenswerten Einfluß; denn die Strichliste bzw. die Zählstriche der gesamten Signalzyklen bleibt im allgemeinen unbeeinflußt. Die Zerlegung oder Auflösung der Verschiebung innerhalb eines gegebenen Signalzyklus wird jedoch bemerkenswert durch eine Signalniveauverschiebung beeinträchtigt, weil eine solche Verschiebung direkt als eine trigonometrische Funktion des Signalwertes zur Zeit der Messung verknüpft ist. Beispielsweise würde also der Wert an der Stelle 17 auf dem Cosinussignal 11 normalerweise relativ zu einem vorbestimmten Bezugsspannungsniveau DCo gemessen, welches zum Zwecke der Diskussion dieser Erfindung als Erdniveau betrachtet wer-
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den kann, wobei die erzeugten Aufnahmesignale über einen gewissen Nennbereich variieren, z.B. _+ 8 Volt. Wie man in Fig. 1 sieht, ist der gemessene Wert an der Stelle 17 um den Betrag des Verschiebungsfehlers zu dieser Zeit größer und zeigt somit eine geringere Verschiebung an, d.h. Phase des Cosinussignals, als wenn die Messung an der Stelle 17 richtig vorgenommen wäre, nämlich bezüglich dem Medianwert DCe, welcher zu diesem Signal gehört.
Erfindungsgemäß basiert die Korrektur der Gleichstromniveauverschiebung eines erzeugten Signals also auf einer Bestimmung des Medianwertes des Signals in der Nachbarschaft jener Stelle, bei welcher eine Positionsmessung vorgenommen wurde, und einem Vergleich dieses Medianwertes mit dem Bezugsspannungsniveau in dem System. Eine solche Bestimmung und ein solcher Vergleich können in einem Digitalmeßsystem mit der Schaltung vorgenommen werden, die schematisch in Fig. 2 gezeigt ist. Wie nachfolgend in größerer Einzelheit noch diskutiert wird, wird jedes Sinussignal und Cosinussignal 11, welches während der Verschiebung auf dem Maßstab des Systems erzeugt wird, alternativ mit dem bestimmten Bezugsspannungsniveau DCo verglichen, um eventuell eine Reihe von Auslöse- bzw. Trägerimpulsen zu erzeugen, die verwendet werden, um regelmäßig die Werte oder Größen jedes der Sinus-/Cosinussignale an ihren Maxima oder Minima oder etwa bei diesen abzutasten. Von diesen Größen werden die Niveaus der Medianwerte DCe jedes halben Zyklus der betreffenden Sinus-/Cosinussignale berechnet.
Sobald jeweils dieser Medianwert errechnet ist, wird er mit
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dem Bezugsniveau DCo verglichen, und der unterschied, der eine Anzeige für eine Gleichstroiriniveauverschiebung in dem Signal ist, wird mathematisch auf jegliche Positionsmeßsignalgröße angewendet, die während des sich einstellenden Halbzyklus bzw. der Halbperiode abgenommen wird, um im wesentlichen den Wertfehler, der von irgendeiner Gleichstromniveauverschiebung des Signals herrührt, auszuschalten.
Gemäß Fig. 1 wird ein Auslöseimpuls in einer Reihe 18 in Abhängigkeit von jedem Übergang des Sinussignals 12 bezüglich des Systembezugsniveaus DCo erzeugt. Ebenso erzeugt bei dem vorliegenden Beispiel das Cosinussignal 11 eine auf ihre übergänge bei DCo bezogene Auslöseimpulsserie 19. Diese von dem jeweiligen Signal abgeleiteten Auslöseimpulse werden gemäß Darstellung in Fig. 1 dazu verwendet, in kontinuierlicher Weise während der körperlichen Verschiebung in dem System das Abtasten des Gegenstücksignals, welches in der Aufnahme erzeugt ist, zu bewirken. Beispielsweise bewirken die an den Cosinussignalübergängen erzeugten Auslöseimpulse der Reihe 19 die Messung der folgenden Maximum-14- und Minimum-16-Werte des Sinussignals 12. Da dieses Signal normalerweise eine passende Variation um seinen Medianwert über die Zeit einer halben Periode vorbringt, z.B. zwischen den Meßstellen 14 und 16, sieht die Berechnung des Mittelwerts zwischen diesen zwei Größen die Größe bzw. den Wert jenes Medianwertes vor. Irgendein aus einem Vergleich des berechneten Medianwertes mit der Bezugsgröße DCo sich ergebender Unterschied zeigt dann eine Signalver-
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Schiebung und die Notwendigkeit einer geeigneten Korrektur an, die bezüglich jedem gemessenen Wert vorzunehmen ist, der während der folgenden Signalhalbperiode abgenommen wird. Bei dem betrachteten Beispiel beobachtet man, daß das Sinussignal bezüglich DCo stabil ist, weil der Medianwert der Größen oder Werte an den Stellen 14 und 16 mit diesem Bezugsniveau zusammenfällt.
Ebenso werden die von den SinusSignalübergängen abgeleiteten Impulse 18 verwendet, um das Cosinussignal abzutasten, z.B. an den Stellen 13 und 15. Diese gemessenen Werte 13 und 15 sind zwar etwas aus den genauen Minimal- und Maximalwerten des Cosinussignals versetzt, und zwar wegen des Verschiebefehlers in diesem Signal, nichtsdestoweniger bestimmt aber ihr Mittelwert in wirksamer Weise den korrekten Signalmedianwert DCe für den dazwischenliegenden Teil des Cosinuszyklus. Die Verwendung dieses berechneten Medianwertes DCe als Bezug im Hinblick auf jegliche Positionsgröße 17, die innerhalb des benachbarten Cosinussignalhalbzyklus abgenommen ist, sorgt für ein im wesentlichen korrektes Verschiebungsmaß ohne den Fehler, der eine Messung begleitet, welche auf das reguläre Systembezugsniveau DCo bezogen ist.
Eine schematisch in Fig. 2 gezeigte Schaltung kann bei dem vorliegenden System verwendet werden, um die erwähnten Messungen zu erhalten, die ein Zeichen für irgendwelche Signalverschiebungen sind und als Ergebnis äußerer Gründe auftreten können, wie z.B. mechanischer UnStabilitäten in dem System. Diese Schaltung weist den gewöhnlichen elektroopti-
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is
sehen Aufnahmekopf 20 auf, welcher das erwähnte Sinus-/Cosinussignalpaar erzeugt, dessen jeweilige Signale zu separaten Kanälen geführt werden, wo sie beispielsweise bei 21 und 22 verstärkt werden, um die repräsentativen Analogsignale 11 und 12 zu ergeben, von denen das Cosinussignal 11 so gezeigt ist, als würde es von dem Bezugsniveau DCo, wie früher beschrieben, nach oben fortgeschoben werden.
Folgt man dem Sinuskanal, so erkennt man, das das Analogsignal 12 in der Vergleichsschaltung 23 quadriert wird, welche auf DCo bezogen bzw. mit dieser verknüpft ist oder bei der vorliegenden beispielhaften Ausführungsform Erde ist, wobei das Viereckwellensignal dann zum Auslösen der Logik geführt wird, welche bekannten Aufbau haben kann und an jedem negativen und positiven übergang des Rechteckwelleneinganges einen Impuls vorsieht. Die sich ergebenden Triggerimpulse oder Auslöseimpulse werden dann zu entsprechenden Cosinuskanaltoren 25, 25 geführt, um eine Minimum-/Maximumabtastmessung des analogen Cosinussignals 11 durchzuführen, wie z.B. an den Stellen 13, 15 in Fig. 1 dargestellt ist.
Die somit torgesteuerten Minimum-/Maximumcosinussignalgrößen werden in entsprechenden Abtast- und Speichervorrichtungen 27, 27 registriert in digitale Werte in Analog-/Digitalwandlern 28 umgewandelt, die auch unter dem Abtastträgerimpuls arbeiten, und zu RAM-Vorrichtungen (Random Access Memory) überführt, welche dem bei 29 dargestellen Mikroprozessor des Systems zugeordnet sind. Diese RAM-Datenspeicherelemente werden also kontinuierlich mit den digitalen Größen der
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alternierenden maximalen und minimalen Cosinussignalgrößen aktualisiert bzw. fortgeschrieben, und zwar zur Benutzung zur Zeit einer Positionsmessung, um den aufbringbaren Medianwert, der zum Korrigieren des gemessenen Wertes verwendet werden soll, zu bestimmen. Das Cosinussignal erzeugt in ähnlicher Weise eine Reihe von Triggerimpulsen 19, welche das Gegenstück-Sinussignal für die übertragung in digitaler Form zu den RAM-Elementen im Mikorprozessor 29 abtasten.
Wenn eine Positionsmessung in dem digitalen Schemabeispiel vorgenommen wird, verlangt der Mikroprozessor des Systems ein Torsteuern des Signalniveauwertes, wie z.B. bei 17, für die Umwandlung in digitale Form und Überführung zur RAM-Speicherung, und zwar in der Weise des Maxlmum-ZMinimumwertabtastens. Der somit aufgezeichnete Wert ist jedoch eine absolute Größe, die auf DCo bezogen ist, und ist deshalb fehlerhaft als Anzeige einer wahrhaftigen Phasenposition längs des Cosinuszyklus bzw. der Cosinusperiode, und zwar infolge der angezeigten Gleichstromniveauverschiebung des Cosinussignals von dem DCo-Bezugswert fort. Um einen richtigen Cosinuswert Vc für die Positionsphasenbestimmung vorzusehen, werden die laufend aufgezeichneten Größen des letzten Cosinussignals Maximum, Mx, Minimum, Mn, und gemessener Absolutwert Va sowie das Bezugsniveau, DCo, in dem Mikroprozessor analysiert, um den Betrag des Verschiebefehlers zu bestimmen und denselben als Korrektur auf den gemessenen fehlerhaften Wert aufzubringen.
Bei dem beispielsweisen System verläuft eine bevorzugte Korrekturanalyse in folgender Weise: Der vorhergehende
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ι*
Fehlermedianwert, DCe = (Mx + Mn)/2, wird bestimmt, und sein Verschiebefehler bezüglich des Bezugsniveaus, DCe - DCo, wird berechnet. Dieser Fehler wird dann aus der absolut gemessenen Positionsgröße entfernt, um den korrigierten Cosinussignalphasenwert zu erhalten, Vc = Va - (((Mx + Mn)/2) DCo). .
Zusätzlich zu der vorhergehenden Korrektur des Fehlers infolge der Gleichstromsignalniveauverschiebung ist es vorteilhaft und bevorzugt bei dem vorliegenden Digitalsystem, jeglichen zusätzlichen. Fehler zu korrigieren, welcher durch eine Veränderung der Amplitude auftreten könnte, wie dies z.B. aus einer fehlerhaften Funktion der Gleichstromversorgungsquelle stammen könnte. In einem solchen Falle könnte der richtige Wert DCo aufrechterhalten werden, jedoch wäre der gemessene Positionssignalwert infolge einer reduzierten Signalamplitude fehlerhaft. Um einen solchen Zustand zu korrigieren, wird der tatsächliche Signalamplitudenbereich, Mx-Mn, mit dem nominalen Gleichstromversorgungsbereich, V, verglichen, und das Ergebnis wird auf den korrigierten Signalphasenwert aufgebracht, um einen Cosinuswert zu erhalten, der auf einen Maßstab normalisiert ist, bei welchem die tatsächliche Cosinusphasenbestimmung ausgelegt ist, Vcn = (Va- (((Mx + Mn)/2) - DCo)) χ (V/(Mx - Mn)).
Das Gegenstück-Signussignal kann in ähnlicher Weise analysiert und korrigiert werden, wenn es erforderlich ist, um das richtige Verhältnis des Signalpaares aufrechtzuerhalten und eine genaue Auflösung der Verschiebemessungen auf
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Bruchteile des Systemmaßzyklus sicherzustellen. Obwohl die Schaltung der Fig. 2 jeden Abtastzweig so zeigt, als hätte er eine volle Ergänzung beschriebener Vorrichtungen, d.h. Gatter S & H und A/D, wären weniger Gatter und Wandlerelemente erforderlich beim Arbeiten im Multiplexbetrieb, und vom Mikroprozessor adressierbare Gatter, um ein geordnetes Einreihen von Signalmustern für das RAM-Fortschreiben zu erreichen. Eine solche Multiplexanordnung könnte leicht jede Anzahl von Aufnahmeelementen bedienen, beispielsweise jene, die in einem elektronischen Theodolit eingeschlossen sind, um Mehrfachsignale vorzusehen für die Messung des Anhebens sowie des Azimuths der Sichtlinie des Instrumentes.
Bei Meßsystemen, wo man erwartet, daß Signalverschiebungen besonderer Größe auftreten können, ist es bevorzugt, die Korrektur solcher Verschiebungen in einer analogen statt in einer digitalen Anordnung durchzuführen. Während die digitale Ausführungsform der vorliegenden Erfindung ausreichend bei der Anwendung ist, Signalschiebefehler in präziser gebauten Meßsystemen gleichzurichten, wie z.B. dem erwähnten Theodolit, ist ein analoges System, wie es z.B. schematisch in Fig. 3 gezeigt ist, bei grober aufgebauten Systemen bevorzugt oder bei solchen, die in der Umwelt benutzt werden sollen, welche das Meßsystem mehr äußeren Fehlern unterwirft.
Gemäß Fig. 3 werden in einer elektrooptischen Aufnahmeeinrichtung 30 erzeugte Sinus- und Cosinussignale 42, 41 in getrennten Kanälen in Verstärkern .32, 31 verstärkt. Wie bei
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dem vorhergehenden Beispiel wird angenommen, daß das Cosinussignal 41 von dem Systembezugsniveau DCo nach oben verschoben wird, und zwar beispielsweise infolge mechanischer Einflüsse, während angenommen wird, daß das Sinussignal 42 ohne Fehler ist, d.h. gleichmäßig um die Bezugserde variiert. Die (in Fig. 4 gezeigten) Abtastimpulsreihen 46, die bei den Übergängen des Sinussignals 42 entstehen, werden wie in dem vorhergehenden Beispiel abgeleitet, und zwar durch ein Quadrieren bzw. in-viereckige-Form-Bringen des Signals bei der Vergleichsschaltung 34 und Aufbringen auf eine triggerbildende Logik 36, wobei die Abtasttriggerimpulse zu Cosinuskanalgattern 35, 35 geführt werden.
Wie vorstehend beschrieben, wird das den Verschiebefehler tragende Cosinussignal 41 abwechselnd bzw. alternativ an seinen Maximum- und Minimumwerten abgetastet, wobei jeder dieser Werte durch die Abtast- und Speichervorrichtung 37 zu einem A/D-Wandler 38 geleitet wird. Letztere Vorrichtung wird verwendet, um ein Abklingen bzw. ein Auflösen im Niveau des gemessenen Wertes für denjenigen Fall zu vermeiden, daß ein regelmäßiges Abtasten oder Probenehmen während einer gewissen Zeitdauer unterbrochen wird, z.B. dort, wo das Meßsystem während der Durchführung einer Positionsmessung stationär bleibt. Jeder digitale Wert wird dann wiederum in einer entsprechenden D/A-Wandlerschaltung 39 umgewandelt, an deren Ausgang der letzte Maximal- oder Minimalwert des fehlerhaften Signals auf ein abgeglichenes bzw. sich im Gleichgewicht befindendes Widerstandsnetzwerk gegeben wird, um den Mittelwert oder den Medianwert jeder Maximal-/
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Minimalabtastung abzuleiten. Dieser Medianwert wird zusammen mit dem fehlerhaften Cbsinussignal 41 als Eingang zum Differentialverstärker 33 aufgebracht, dessen Ausgangssignal infolge des veränderten Medianwerteinganges geschoben wird, um ein Cosinussignal 43 vorzusehen, welches korrekt um DCo variiert, d.h. der Bezugserde. Das korrigierte Cosinussignal wird dann bei 49 zum Aufbringen auf die üblichen Quadrierungs- und Zählschaltkreise und Analogauflöser erhältlich, wo Messungen kleinerer als einer ganzen Periode erhalten werden. Das korrigierte Cosinussignal 43 wird auch auf die Vergleichsschaltung 34 aufgebracht, um einen besser geordneten Rechteckwelleneingang in die logische Schaltung 36 zu erhalten, aus welcher die Abtastimpulsreihe 47 erhalten wird, welche die Abtastgatter und A/D-Wandler der Sinuskanalabtastschaltung steuert.
Die Wirkung der analogen Korrekturschaltung kann man in Fig. 4 aus einem Vergleich der repräsentativen Wellenform des fehlerhaften Cosinussignals 41 und jener sehen, welche das korrigierte Signal 43 darstellt. Bei jedem Abtasten der betreffenden Maximal- und Minimalwerte des fehlerhaften Cosinussignals 41 erscheint bei sich ergebender Änderung am Ausgang des betreffenden D/A-Wandlers 39 die Größe des Medianwertes des letzten Maximal-/Minimalwertpaares als der Bezugseingang zum Differentialverstärker 33. Das Ergebnis einer solchen Änderung ist, daß die nächste Halbperiode
des Cosinussignals, die am Ausgang des Verstärkers 33 erscheint, zu einer Position bezüglich des Systembezuges DCo geführt wird, welcher im wesentlichen um dieses Bezugs-
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niveau herum im Gleichgewicht bzw. abgeglichen ist. Sobald also jede Halbperiode für einen Maximum- oder Minimumwert abgetastet wird, wird eine Korrektur abgeleitet und auf die folgende Halbperiode aufgebracht, um den Signaleingang bei 48, 49 relativ ohne den Glexchsstromschiebefehler aufrechtzuerhalten.
Ein weiterer vorteilhafter Effekt der beschriebenen Analogkorrekturschaltung ergibt sich aus der Tatsache, daß, weil jeglicher Fehler in einem Signal in jeder Halbperiode korrigiert wird, die reguläre oder regelmäßige alternierende Folge des Überganges in quadrierte Sinus-ZCosinussignalpaare, die normalerweise für das richtige Funktionieren der inkrementellen oder Zuwachszählsysteme wesentlich ist, aufrechterhalten wird. Deshalb werden Verschiebefehler solcher Größe, wie sie sonst zu verlorenen Zählungen führen würden, bei diesen Zuwachssystemen überwunden, und die Genauigkeit der Messung wird aufrechterhalten. Es versteht sich selbstverständlich, daß dieser Vorteil ebenso auch bei einem vorherrschend digitalen System gegeben ist, wie zuvor mit Hilfe einer Hybridisierung der relevanten Bestandteile jeder Schaltung beschrieben worden ist.
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Claims (4)

Dr. Dieter Weber Klaus Seiffert Patentanwälte * Dipl-Chem. Dr. Dieter Weber . Dipl.-Phya. Klaue Seiffert Poatfaoh β!4Β . Θ200 Wiesbaden An das Deutsche Patentamt Zweibrückenstr. 12 8000 München 2 D-6200 Wiesbaden 1 Qustav-Froytagr-Straße 20 Telefon 08121/372720 TslegrammadresBe ι Willpatent Telex: 4-186247 Postscheck: Frankfurt/Main 67β8-βΟ2 Bank: Dresdner Bank AO, Wiesbaden, KontO-Nr. 276Θ07 (BLZ 310 SOO60) Datum 20. Feb. 19 81 S/st - E 765 Ger - Keuffel & Esser Company, Elektrooptisches Meßsystem mit Fehlerkorrektur Priorität: Serial No. 103 778 vom 14.12.1979 in USA Patentansprüche
1. Elektrooptisches Meßsystem mit einer Einrichtung (2o) zur Erzeugung eines sinusförmigen elektrischen Signals in Abhängigkeit von einer zu messenden Verschiebung und mit einer Einrichtung (23) zum Verknüpfen der Amplitude dieses Signals mit einer vorgewählten Bezugsspannung zur Schaffung einer Anzeige des Betrages der Verschiebung, d a d u r ch gekennzeichnet, daß das System eine Ein-
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richtung aufweist für das Korrigieren von Fehlern, die sich aus einer Gleichstromniveauverschiebung dieses elektrischen sinusförmigen Signals ergeben, daß die Korrektureinrichtung eine Probenahme- bzw. Abtasteinrichtung (A) aufweist zum Erhalt einer Anzeige von Amplitudenwerten dieses Signals im wesentlichen beim Maximum und Minimum eines gegebenen Zyklus bzw. einer gegebenen Periode dieses Signals, ferner eine Einrichtung aufweist zur Mittelbildung der Maximum- und Minimumwerte zum Erhalt einer Anzeige der Medianwertamplitude dieser Signalperiode, und eine Einrichtung (B) aufweist zur Verwendung des Wertes dieser Medianwertamplitude zum Verschieben der Amplitudenwerte der Signalhalbperiode neben dem Medianwert zum Wert der Bezugsspannung hin, und zwar um einen Betrag, der gleich der Differenz zwischen dem Medianwert und der Bezugsspannung ist.
2. Meßsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Probenahme- bzw. Abtasteinrichtung eine Einrichtung (20) aufweist zur Erzeugung eines zweiten Signales mit 90° Phasenverschiebung zu dem sinusförmigen Signal, eine Einrichtung (24, 26) aufweist zum Vergleichen dieses zweiten Signales mit der vorgewählten Bezugsspannung und zum Erzeugen eines Abtasttriggerimpulses immer dann, wenn die Amplitude des zweiten Signals gleich der Bezugsspannung ist,
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und eine Einrichtung (25, 27) aufweist, die auf die Triggerimpulse anspricht zur Schaffung einer Anzeige der Amplitude des sinusförmigen Signals bei Auftreten dieses jeweiligen Impulses.
3. Meßsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelungs- und Verwendungseinrichtung eine Einrichtung (28) aufweist zur Schaffung eines repräsentativen Digitalwertes jeder abgetasteten Amplitude dieses sinusförmigen Signals, eine Einrichtung (29) zum Halten einer Aufzeichnung der digitalen Werte der zwei zuletzt aufgetretenen Amplitudenwerte dieses sinusförmigen Signals aufweist, eine Einrichtung (29) aufweist zum Berechnen des arithmetischen Mittelwertes dieser gehaltenen Digitalwerte, zum Ableiten des Digitalwertes der Medianwertamplitude, und eine Berechnungseinrichtung (29) aufweist zum arithmetischen Abziehen des Digitalwertes der Bezugsspannung von dem Medianwert-Amplitudendigitalwert und zum nachfolgenden Abziehen des sich ergebenden Abgleichs bzw. Saldos von dem Digitalwert eines Amplitudenniveaus dieses in der benachbarten Halbperiode gemessenen sinusförmigen Signals.
4. Meßsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mittelungs- und Verwendungseinrichtung eine Speicher- bzw. Halteschaltungseinrichtung (38, 39)
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NACHQL-REICHT
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aufweist zur Darstellung von Spannungsniveaus, welche eine Anzeige betreffender Amplituden der zwei zuletzt aufgetretenen Probennahmen bzw. Abtastungen des sinusförmigen Signals sind, und zwar an separaten Ausgängen, eine Widerstandsbrückeneinrichtung (R,R,R,) in der elektrischen Schaltung bei den Halteschaltungsausgängen aufweist, wobei an deren Ausgang ein Medianwertspannungsniveau vorgesehen wird, welches gleich dem arithmetischen Mittelwert der Halteschaltkreisausgangsniveaus ist, und Differentialverstärkereinrichtungen aufweist, die als Eingangssignale das sinusförmige Signal haben und an deren Vorspanneingang der Widerstandsbrückenausgang liegt, wodurch am Ausgang der Differentialverstärkereinrichtung (33) ein korrigiertes quasi-sinusförmiges Signal dargestellt ist, von dem jeweils eine Halbperiode zwischen den Abtastungen oder Probenahmen im Gleichstromniveau zu dem Bezugsspannungsniveau hin um einen Betrag geschoben wird, der im wesentlichen gleich der Differenz zwischen dem Bezugsspannungsniveau und dem Medianwertspannungsniveau ist.
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