DE2546714A1

DE2546714A1 - Verfahren zum messen des abstandes von und der geschwindigkeitskomponente eines objektes senkrecht zu einer bezugslinie

Info

Publication number: DE2546714A1
Application number: DE19752546714
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr Ing Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: BODLAJ, VIKTOR, DR., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1975-10-17
Filing date: 1975-10-17
Publication date: 1977-04-21
Also published as: DE2546714C2; GB1570609A; FR2328204A2; NL7611443A; US4111552A; JPS5250260A; IT1067260B; LU75351A1; FR2328204B2; JPS6037907B2; BE847350R

Description

SIEMEBiS AKSIEIiGESSI₁IiSCHAPi¹ Oncer Zeichen

Berlin und Hünehen VPA 75 P 719& BSD

Verfahren sum JSessen des Abstandes von und der Geschwindigkeitskoiaponente eines 0"b j elftes senkrecht zu einer Bezugslinie

Zusatz zu© äeutscheii Patent (Patentanmeldung P 23 25 086.9)

Die Erfindung !betrifft ein Verfahren zura schnellen Messen des Abstandes eines Objektes von einer Bezugslinie und der Gesehwindigkeitskoisponente eines Objektes senkrecht zu der Bezugslinie, wobei von eines Sender laserstrahlen durch einen Strahlablenker periodisch über den Kaum, in dem sich das Objekt befindet, abgelenkt, as Objekt diffus reflektiert und von einem neben des Sender angeordneten Detektor registriert werden,, der nur lacht aus einer bestiöiaten Eichtung aufnehmen kann und wobei die Entfernungen aus der Zeitdifferenz Δ t^ zwischen einem für die Messung ausgesuchten Beginn des Strahlablenker und dem Detektorsignal bestimmt werden, wobei Besugsiiapulse in einem zusätzlichen Bezugsdetektor zu den Zeitpunkten t-g^ erzeugt werden, in denen eine solche Schwingspiegelstellung vorliegt, daß die an einer in der Bezugslinie angeordneten lichtdurchlässigen Platte reflektierten !Laserstrahlen auf Hem Bezugsdetektor auftreffen·

Im Hauptpatent ... (P 25 25 086,9) wurde vorgeschlagen, den Strahlablenker von eineo Generator ait einer in der Irequenz an die Eigenresonanzen des mechanischen Aufbaus angepaßten Sinus spannung anzusteuern, wobei nur der angenähert lineare iDeil der Sinusspannung zur Messung herangezogen wird.

Dadurch wird eine hohe Meßgenauigkeit erreicht. Durch die Einführung, eines zusätzlichen Bezugsäetektors und einer die Bezugsebene definierenden halbdurchläseigen Spiegelplatte läßt sich der Bezugszeitpunkt tg_e2Ug sehr genau bestimmen, da diesen beiden

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17 Hde /7.10.1975

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Bauelemente aufeinander und auf die Amplitude des von der lichtquelle auf diese "beiden Bauelemente auftreffenden lichtstrahls abgestimmt und fest einjustiert sind.

3?ehler können jedoch hei der Bestimmung des Meßzeitpunktes, d.h. desjenigen Zeitpunktes auftreten, zu dem der vom Meßobjekt gestreute lichtstrahl vom Meßdetektor registriert wird. Da. ,dieser lichtstrahl einige Zeit auf den Meßdetektoren auf trifft, wählt man als Meßzeitpunkt entweder den Zeitpunkt der Anstiegsflanke des TOiD Detektor ausgelösten Meßimpulses oder den liulldurchgang des differenzierten Meßimpulses. Die zuerst genannte Meßzeitpuiiktbestimmung hängt stark von der Meßimpulsamplitude, ah. Die Ausführung benötigt für genaue ZeitbeStimmungen eine stabilisierte Amplitude des Detektoriöpulses, die sich aber nur über die Zeit von mehreren Ablenkungen einstellen läßt. Die Ausnutzung einer einzigen Ablenkung zur selbstständigen Messung ist dabei nicht möglich.-

Bei der anderen Ausführung, bei welcher der Uulldurchgang des differenzierten Meßimpulses als Zeitmaßstab gewählt wird, hat zwar die Amplitude des Detektorimpulses einen kleineren Einfluß auf eine Yerfälsehung des Meßzeitpunktes, dafür steigt aber der Einfluß der JForiB des Detektorimpulses an. Diese Impulsform wird durch die fief ens ehärfe, die bei konstanter Einstellung der Abbildungsoptik Tor dem Meßdetektor von Abstand zu Abstand verschieden ist, und durch die Porm der Streulichtkeule der zu vermessenden Oberfläche des Meßobjektes beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist es diese Fehlerquellen zu beseitigen.

Dazu wird erfindungsgemäß vorgeschlagen, die Zeitdifferenz 4 t, von der Zeit "^zue: £^enau **^is zur Mitte des Meßimpulses zu vermessen.

Der Meßimpuls mit der Dauer tj, wird in einem Rechteckimpuls umgewandelt. Die länge At„ des Rechteckiapulses hängt von der Einstellung der Ansprechschwelle eines naehver stärkend en Spannungskomparators und von der Meßimpulsamplitude ab. Die Impulsbreite

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verändert sich wegen der sehr hohen Verstärkung des Komparators fast symmetrisch zur Mitte des Rechteckimpulses, wenn sich die ImpulSamplitude verändert hat. Wenn man für verschieden Impulsbreiten j^ tyj die Zeiten vom Bezugszeitpunkt t_B bis zur Anstiegsflanke und vom Bezugszeitpunkt t_B bis zur Abfallsflanke des Rechteckimpulses summiert, bleibt die Summe der beiden Zeiten auch bei veränderter Impulsbreite A %a konstant.

Somit bleibt auch die Gesamtzeit unabhängig von der Meßimpulsamplitude.

Mehrere Verfahren zur genauen Messung der Meßzeit At^ sowie deren Vorteile werden anhand von Ausführungsbeispielen in der nachfolgenden Figurenbeschreibung näher erläutert.

Die Figuren zeigen mehrere Varianten zur Messung und Anzeige der Zeitdif:

pulses.

Zeitdifferenz At_fl von der Zeit t_Bez bis zur Mitte des Meßim-

In der Figur 1 ist ein Ausführungsbeispiel zur Entferungsmessung beschrieben. An einem Strahlablenker 3 ist ein Schwingspiegel 4 drehbar gelagert derart, daß ein von einem Lasersender 5 ausgehender Laserstrahl nach der Reflexion am Schwingspiegel 4 eine Meßebene abtastet, in welcher sich das Meßobjekt 9 befindet. Bei einer bestimmten Stellung des Schwingspiegels 4 entsteht eine Reflexionsrichtung 8 des Laserstrahls, welche das Meßobjekt 9 trifft. Von hier wird der Laserstrahl zu einem Meßdetektor 10 gestreut. Dieses Streulicht überstreicht die lichtempfindliche Oberfläche des Meßdetektors 10 eine kurze Zeit, während <fer am Ausgang des Meßdetektors 10 ein Meßsignal mit einer Länge erzeugt wird, welches von der Berührzeit des Streulichtes auf der lichtempfindlichen Oberfläche abhängt. Dieses Meßsignal wird in einem Verstärker 11 verstärkt und einem Impulsumformer 12 zugeführt, welcher aus dem Signal eine Rechteckspannung 72 formt. Diese wird parallel 2 Differentiatoren 73 und 74 zugeführt, von welchen nur die Anstiegs flanke 75 bzw. die Abfallsflanke 76 in die Eingänge der Iropulsdiskriminatoren 77 bzw. 78 geleitet werden.

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Eine kurze Zeit vor dem Vorliegen der Stellung des Schwingspiegels 4, welche zu der Reflexionsrichtung 8 führt, liegt eine Spiegelstellung vor, welche den Laserstrahl in die Richtung 79 ablenkt. Der so reflektierte Laserstrahl wird an einer halbdurchlässigen Platte 24, welche räumlich fest mit der gesamten Sendeapparatur der Laserstrahlen verbunden ist, in Richtung zu einem Bezugsdetektor 25 hin reflektiert. Die zugehörige.Schwingspiegelstellung liegt bei der Zeit ^_ezVLg ^vor· Das ^inj Bezugsdetektor 25 entstehende Bezugssignal wird in einem Verstärker 26 verstärkt, im Impulsumformer 27 in einen Rechteckimpuls umgeformt und die Anstiegsflanke 80 des im Differentiator 28 differenzierten Rechteckimpulses parallel den Zeitdiskriminatoren 77 und 78 zugeführt. Hier entstehen 2 Impulse 81 bzw. 82 mit Längen, welche der Zeitdifferenz zwischen der Anstiegsflanke 80 des differenzierten Bezugsimpulses und der Anstiegsflanke 75 bzw. der Abfallsflanke 76 der differenzierten Meßimpulse 72 proportional sind. Die beiden Impulse 81 und 82 werden in den Integratoren 83 bzw. 84 integriert, einem Addierer 85 für die in den Integratoren 83 und 84 entstehenden Gleichspannungen zugeführt und in einer Anzeigevorrichtung 86 halbiert analog angezeigt.

Nach einer Eichung der Meßapparatur entspricht der Anzeigewert der Entfernung des Meßobjektes 9 von der Anzeigeapparatur.

Die Anzeigegenauigkeit wird erhöht, wenn man die Länge der Impulse 81 und 82 für mehrere Periodendauern des Schwingspiegels 4 ermittelt und deren Mittelwerte summiert, halbiert und anzeigt.

Die Halbierung muß deshalb erfolgen, weil durch den Addierer 85 die Summe der Zeiten zwischen der Spiegelstellung, welche zur Ablenkrichtung 79 führt, und der Spiegelstellung, welche zur Ablenkrichtung 8 führt, d.h. Λ t^ doppelt vermessen wurde.

Anhand der Figur 2 wird gezeigt, wie eine von der Amplitude der Impulse 81 und 82 unabhängige Bestimmung der Meßzeit&t* erfolgen kann. Diese beiden Impulse werden in zwei von einem Quarzoszillator 87 angesteuerten Netzwerken 88 und 89 getrennt digitalisiert und. über ein Speicher- 90 und Zählwerk 91 ermittelt

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und halbiert in einer digitalen Anzeigevorrichtung 92 angezeigt.

Alternativ lassen sieh gemäß Figur 3 auch die "beiden an den Ausgängen der Netzwerke 88 und 89 entstehenden Digitalwerte der Impulse 81 und 82 über digital-analoge Wandler 33 bzw. 34 in analoge Spannungen umsetzen und in einem Addierer 95 addieren. 3)as Ausgangsmaterial ist dann zwar analog, die Meßgeschwincjigkeit wird dabei jedoch nicht beeinträchtigt.

Bei dieser Art der Auswertung läßt sich ein Mittelwert auf einfache Weise über mehrere Messungen erzielen und dadurch die Heßunsicherheit reduzieren.

In der Pigur 4 ist eine Schaltung dargestellt, mit der die Meßzeit A t_fl digital ohne Einschränkung der Meßgeschwindigkeit aufgezeigt werden kann.

Der Impuls 72 und der differenzierte Nadelimpuls 80 entstehen auf die gleiche Art wie in der Figur 1 beschrieben. Der Impuls wird parallel einem Impulsdiskriminator 97 und einem Inverter 98 zugeführt. Die Amplitude 99 des invertierten Impulses 100 wird auf Nullpotential, das ursprüngliche Nullpotential 101 wird auf ein-positives Potential angehoben. Der Impuls 100 wird nun parallel dem einen Eingang eines NAND-Gatteas 102 und einem Inverter 103 zugeführt. Der zweite Eingang des NAND-Gatters 102 ist mit einem Quarzoszillator 104 verbunden, welcher eine Wechselspannung mit einer Frequenz f aussendet. Da in der Zeit von "^g₆₂₁₁ ^^{is zur} Anstiegsflanke des Impulses 72 das positive Potential 101 am rechten Eingang des NAND-Gatters 102 anliegt, läßt dieser das mit der Frequenz f digitalisierte Potential bis zur Zeit t„ passieren.

Der Ausgang des NAND-Gatters 102 wird danach auf das Nullpotential umgeschaltet.

Im Inverter 103 wird der Impuls 100 nun wieder derart in einen Impuls 105 umgewandelt, daß dessen Wert 106 Nullpotential und dessen Amplitude 107 positives Potential aufweist. Der Impuls

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wird dem rechten Eingang eines weiteren NAND-Gatters 108 zugeführt. Der linke Eingang dieses Gatters wird mit einem Frequenzteiler verbunden, der die Frequenz f der vom Quarzoszillator 104 ausgesandten Wechselspannung halbiert.

In der Zeit von t_B bis zur Zeit t_M liegt am rechten Eingang des NAND-Gatters 108 ein Nullpotential vor. Deshalb kann die Wechselspannung mit der Frequenz f/2, welche dem linken Eingang des Gatters 108 zugeführt wird, dieses nicht passieren. Der Ausgang des Gatters 108 wird jedoch während dieser Zeit auf ein positives Potential umgeschaltet, welches somit am rechten Eingang eines weiteren NAND-Gatter s 109 vorliegt. Der linke Eingang ist mit dem Ausgang des Gatters 102 verbunden, an dem das mit der Frequenz f digitalisierte positive Potential gewonnen wird. Wegen des positiven Potential am rechten Eingang des NAND-Gatters 109 wird das mit der Frequenz f digitalisierte positive-Potential vom Gatter 109 hindurchgelassen und auf den rechten Eingang des Gatters 110 geführt.

Der linke Eingang des Gatters 110 ist mit dem Impulsdiskriminator 97 verbunden, v/elcher eine Gleichspannung aussendet, die der Zeitdifferenz zwischen dem Eintreffen des Nadelimpulses 80 zur Zeit t_Bez und der Abfallsflanke des Impulses 72 zur Zeit t_M, proportional -ist. Diese Spannung ist positiv und liegt am linken Eingang des Gatters 110 vor. Daher wird in der Zeit von t_B bis t_M die Wechselspannung mit der Frequenz f vom Gatter- 110 hindurch gelassen. Im anschließenden Zählwerk 111 wird die Periodenzahl der Frequenz f für die Zeit t^ zwischen ^^_ezVLS: ^i^s "^m gezählt.

In der Zeit t2 zwischen t^ und t*^ wird das Gatter 102 gesperrt, da an dessen rechten Eingang das Nullpotential 99 des Impulses 100 vorliegt. In dieser Zeit wird aber am Ausgang des Gatters 102 ein positives Potential erzeugt, welches dann auch am linken Eingang des Gatters 109 vorliegt. Andererseits wird das Gatter 108 geöffnet, da während der Zeit tg an dessen rechten Eingang das posi tive Potential 107 des Impulses 105 vorliegt. Der Impuls 105 wird mit der Frequenz f/2 der aus dem Frequenzteiler 109 ausgesandten Impulse digitalisiert. Der digitalisierte Impuls 105 passiert das Gatter 109, da an dessen linkem Eingang, wie oben erwähnt,

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ein positives Potential anliegt. Da am linken Eingang des Gatters 110 auch in der Zeit tp ein positives Potential vorliegt, passiert in der Zeit t^ der mit der Frequenz f/2 digitalisierte Impuls 105 das Gatter 110. Der anschließende Zähler 111 zählt wieder die Perioden, welche in der Zeit t₂ dort ankommen.

Da der Impuls 105 mit der halben Frequenz digitalisiert.ist, registriert der Zähler 111 die Zeit von t,» Ms zur Mitte des Impulses 105.

Nach der Addition der Zeiten t^ und tp wird in der digitalen Anzeigevorrichtung 112 die Zeit Λ^λ zwischen ^g₀₂₁₁₂ u*ul der Mitte des Meßimpulses angezeigt.

Zur Zeit t_M, (Abfallsflanke des Meßimpulses 72) liegt am linken Eingang des Gatters 110 ein ITullpotential an, so daß die Zählung gestoppt wird.

Die Zeit & t^ ist wieder ein Maß für die Entfernung des Meßobjektes 9 von der Meßapparatur.

Die beschriebenen Schaltungen können auch zur genauen Messung der Geschwindigkeitskomponente des Objektes 9 senkrecht zur Bezugslinie oder zur Messung der Dicke von Objekten herangezogen werden.

4 Figuren

8 Patentansprüche

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Claims

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P a t e η t a η s ρ r ü c h e

Λ Verfahren zuto schnellen Mesaen des Abstandes eines Objektes von eines? Bezugsebene und der Geschwinrligkeitskomponente eines Objektes senkrecht au der Bezugslinie, wobei von einem Sender Laserstrahlen durch einen Strahlablenker periodisch über den Raum, in dem sich das Objekt befindet, abgelenkt, am Objekt diffus reflektiert und von einem neben dem Sender angeordneten Detektor registriert werden, der nur Licht aus einer bestimmten Richtung aufnehmen kann und wobei die Entfernungen aus der , Zeitdifferenz 4t, sv/ischen einem für die Messung ausgesuchten Beginn des Strahlablenkers und dem Detektorsignal bestimmt werden, wobei Bezugsimpulse in eine» zusätzlichen Bezugsdetektor zu den Zeiten t-g erzeugt werden., in denen eine solche Schwingspiegelstellung vorliegt, daß die an einer in der Bezugslinie ■ angeordneten lichtdurchlässigen Platte reflektierten Laserstrahlen auf den Bezugsdetektor auftreffen, nach Patent (P 23 25 086,9) dadurch gekennzeichnet , daß die Zeitdifferenz A t^ von der Zeit *%_OZUi, genau "bis zur Mitte des Meßimpulses gemessen \iard.
2. Yerf ahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der am Ausgang des Impulsuraformers (12) erhaltene Puechteckimpuls (72) parallel Mfferentiatorenx

(73» 74) zugeführt wird, von welchen aus die Zeitpunkte der differenzierten Anstiegs- bzw. Abfallsflanken mit dem Zeitpunkt t-g je einem Seitdiskriminator zum Vergleich zugeführt werden.
3. Verfahren naeh Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die in dem Bezugsäiskriminator entstehenden Impulse nach Umsetzung der Impulslängen und Gleichspannungen und halbiert analog angezeigt werden.
4. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet , daß die in den beiden Zeitdiskrioinatoren entstehenden Impulse digitalisiert v/erden.

τ*

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5. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß die digitalisierten Impulse addiert, halbiert
und digital angezeigt werden.
6. Verfahren nach Anspruch 4» dadurch gekennzeichnet , daß die digitalisierten Impulse in analoge Impulse umgewandelt, addiert, halbiert und analog angezeigt v/erden.
7. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß der am Ausgang des Umformers (27) erhaltene
Rechteckirapuls (39) einerseits einen Zeitdiskrirainator, der
den Zeitpunkt der Abfallsflanke des Rechteckimpulses mit der Zeit "fcgggng vergleicht, und andererseits einer Schaltung zugeführt wird, in der die Zeit zwischen ^^_ezng. ¹¹¹¹O der Mitte des Rechteckimpulses gemessen wird. , · ·
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß eine Gleichspannung während der Zeit ^^_ezvLg· ^is zur Anstiegsflanke des Rechteckimpulses über einen Quarzoszillator mit der !frequenz f und anschließend der Rechteckimpuls mit einer Frequenz f/2 digitalisiert und die entstehenden Impulse gezählt v/erden.

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