CH675300A5

CH675300A5 -

Info

Publication number: CH675300A5
Application number: CH490787A
Authority: CH
Inventors: Gerhard Schlosser; Egon Maase; Helfried Potthoff; Ralf-Peter Schmidt
Original assignee: Zeiss Jena Veb Carl
Priority date: 1987-01-02
Filing date: 1987-12-16
Publication date: 1990-09-14
Also published as: DD257113A1; DE3739664A1; DE3739664C3; DE3739664C2

Description

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Beschreibung

Die Erfindung betrifft ein Längenmessverfahren gemäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1, bei dem ein Absolutmassstab abschnittsweise auf einem Zeilensensor abgebildet, die Sensorsignale digitalisiert und in einem Mikrorechner ausgewertet werden. Das Verfahren ist insbesondere zur Durchfuhrung des automatischen Nivellements, des Präzisionsnivellements und zur Entfernungsmessung, mit ungleichen Zielweiten von etwa 5 bis 50 m, anwendbar sowie zur Positionierung von Teilen oder in der Koordinatenmesstechnik einsetzbar.

Es ist bekannt, dass beim geometrischen Nivellement der Durchstosspunkt der horizontalen Ziellinie durch eine vertikal stehende Nivellierlatte visuell beobachtet wird und der Messwert aus der Ablesung der m, dm und cm und einer Schätzung der mm an der Nivellierlatte besteht.

Beim Präzisionsnivellement wird visuell auf einen Teilstrich der Nivellierlatte koinzidiert. Der Mess-wert besteht aus der Ablesung der m, dm und cm an der Nivellierlatte sowie aus der Ablesung der mm und Bruchteile davon am Mikrometer.

Beim Einstellen, Koinzidieren, Ablesen und Notieren können zufällige und systematische persönliche Fehler auftreten, insbesondere dann, wenn durch entsprechend lange Tätigkeit und die dabei auftretende erhebliche Belastung des Beobachters Ermüdungserscheinungen entstehen. Umfangreiche Kontröllrechnungen wirken dem entgegen, wobei aber auch hier aus denselben Gründen weitere Fehler auftreten können. Die ursprünglichen Messungsdaten werden zur weiteren Verarbeitung durch elektronische Datenverarbeitungsanlagen vorverdichtet in eine maschinenlesbare Form übertragen. Spätere Verbesserungen, z.B. Teilstrichverbesserungen der ursprünglichen Messungsdaten sind daher nicht mehr möglich. Messfehler durch kurzzeitige Refraktionsänderungen sind kaum zu vermeiden.

Es sind bereits technische Mittel entwickelt worden, um den Beobachter durch eine teilweise Automatisierung zu entlasten und die Fehler zu verringern. So ist es bekannt, den im Nivellier abgebildeten Ausschnitt der Messlatte zusammen mit einer die Horizontale anzeigenden Ziellinie im Nivellier mit einer Film-Kamera aufzunehmen und das Bild später automatisch auszuwerten. Dazu werden auf der Messplatte Skalenstriche aufgetragen, die gut zu den übrigen Flächen der Skala kontrastieren. Ihr Abstand zueinander ist bekannt. Ihr Abstand zu einem Ende der Messlatte ist durch eine an dem Skalenstrich angebrachte Kodierung gekennzeichnet (DE-AS 1 267 855). Der Film wird senkrecht zur Richtung der Skalenstrichbilder abgetastet. Mit der Abtasteinrichtung ist ein Impulsgeber gekoppelt. Der Abtastweg zwischen zwei Skalenstrichbildern bzw. zur Ziellinie wird durch Auszählen der Impulse gemessen. Mit derselben Fotozelle oder einer weiteren wird auch die den Strichen beigefügte kodierte Markierung entschlüsselt.

Dadurch, dass vor jeder Auswertung erst die Aufnahme entwickelt werden müssen, ist das Verfahren unpraktisch und aufwendig. Ausserdem ist das Verfahren in seiner Genauigkeit beschränkt. Der Impulszähler registriert die Zahl der Schritte bis zur nächsten grösseren Helligkeitsänderung der auszuwertenden Hell-Dunkel-Signale des Skalenabschnitts. Der Übergangsbereich wird dabei je nach der Entfernung der Messlatte und den Bedingungen zum Zeitpunkt der Filmaufnahme sehr unterschiedlich ausgewertet, zumal die Breite des Skalenstriches an die grösste Entfernung, bei der gemessen werden soll, angepasst werden muss.

In der DE-OS 3 213 860 wird eine Messlatte beschrieben, auf der in Längsrichtung der Latte in vorbestimmten Abständen LED's angeordnet sind, die kodierte Lichtstrahlen aussenden. Die Kodierung entspricht dabei ihrer Höhe auf der Messlatte. Das Nivellier besitzt eine lichtempfindliche Messanordnung, vorzugsweise einen Fototransistor, und eine elektrische Schaltungsanordnung zum Bestimmen jener LED, von der das auf den fotoelektrischen Sensor einfallende Licht ausgeht.

Im Vergleich zur vorhergehend genannten technischen Lösung ist die Auflösung und damit die Messgenauigkeit noch geringer. Ausserdem ist der Aufwand für die Messlatte sehr hoch.

Andere technische Lösungen, auf die hier nicht näher eingegangen wird, arbeiten mit einem Nivellier, das Strahlen, insbesondere Laserstrahlen, aussendet und mit ihnen die Messlatte abtastet. Der technische Aufwand für diese Automatisierungslösungen ist sehr gross.

Aus der DE-OS 3 427 067 ist ein optoelektronisches Längenmessverfahren mit kodiertem Absolutmassstab zur absoluten Wegmessung und Positionierung, z.B. im allgemeinen Maschinen- und Gerätebau, bekannt. Auf dem Absolutmassstab ist zwischen den Massstabstrichen eine Strichkodierung, die die Positionsinformation des zugehörigen Massstabstrichs enthält, aufgebracht. Der Absolutmassstab wird in Messrichtung abgetastet. Dabei wird ein Skalenausschnitt auf einem optoelektronischen Zeilensensor (CCD-Zeile) abgebildet. Der Ausschnitt enthält immer wenigstens einen Massstabstrich und eine vollständige Strichkodierung. Der Zeilensensor ist mit einer logischen Schaltung (Mikrorechner) verbunden. Mit ihr wird aus der Zuordnung des Massstabstrichs zum Zeilensensor die Feinposition und aus der Strichkodierung die absolute Position des zugehörigen Massstabstrichs ermittelt.

Dieses Längenmessverfahren kann mit Einschränkungen auf das automatische Nivellement angewendet werden, indem eine Messlatte wie der Absolutmassstab kodiert und im Strahlengang des Nivelliers einen Zeilensensor angeordnet wird. Die für ein Präzisionsnivellement über einen grossen Messbereich erforderliche Auflösung und Messgenauigkeit kann allerdings nicht erreicht werden. Bei der Vielzahl der zu kennzeichnenden Positionen ist ein langes Kodewort zwischen den Teilstrichen erforderlich. Bei Messungen über 50 m müssen der Massstabstrich und die Striche der Kodierungen relativ dick und mit dem entsprechenden Zwischenraum ausgeführt werden, um die notwendige Auflösung zu garantieren.

Zweck der Erfindung ist es, das Nivellement weit5

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gehend automatisch durchzuführen und dabei eine hohe Genauigkeit zu erreichen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen in Abtastrichtung kodierten Absolutmassstab so zu kodieren und mit einem Zeilensensor abzutasten, dass die Lage einer von vielen Positionen des Absolutmassstabs gegenüber dem Zeilensensor unabhängig von der Entfernung zwischen beiden präzise ermittelt wird.

Erfindungsgemäss wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass eine als Hell-Dunkel-Folge kodierte Skala verwendet wird, deren auf dem Zeilensensor abgebildeter Ausschnitt immer wenigstens zwei Felder, eines mit der Länge 1 • £ und eines mit der Länge K • £, jeweils in Messrichtung gemessen, enthält, die Länge 1 ■ £ die grösste oder kleinste Länge der Hell-Dunkel-Felder der Skala ist, und aus der Zuordnung der Hell-Dunkel-Übergänge zum Zeilensensor sowohl die absolute als auch die Feinposition des Absolutmassstabs ermittelt wird.

Die im festen Abstand zueinander angeordneten Pixel des Zeilensensors bilden einen Massstab, mit dem die Feldlängen ausgemessen und das Feld mit der Länge 1 • £ festgestellt werden kann. Damit ist es möglich, den Abbildungsmassstab, und hieraus die Zielweite zu bestimmen sowie durch Auswertung der Hell-Dunkel-Folge des Bildausschnitts die Grobposition des Absolutmassstabs in Bezug auf die Lage des Zeilensensors festzustellen.

Zur Erhöhung der Präzision ist es vorteilhaft, die Lage der Hell-Dunkel-Übergänge in Bezug auf den Zeilensensor zu ermitteln, die sich daraus ergebenden Längen mit den im Mikrorechner gespeicherten Längen der Hell-Dunkel-Felder des Absolutmassstabs zu vergleichen und daraus die Feinposition zu ermitteln, wobei die Sensorsignale vorzugsweise in 16 Stufen digitalisiert werden.

Vorzugsweise kann ein Absolutmassstab mit wenigen Teilstrichlängen zwischen 0,5 ■ £ und 2,0 • £, beispielsweise 0,5 • £ und 1,0 • £ oder 1 • £, 1,5 • £ und 2,0 • £ verwendet werden.

Diese Längenmessverfahren ermöglicht die Durchführung des Präzisionsnivellement mit automatischer Messwerterfassung. Dazu sind die Höhenpositionen auf der Nivellierlatte zu kodieren und im Nivellier ist eine CCD-Zeile anzuordnen. Die notwendige Genauigkeit wird vorzugsweise zum einen dadurch erreicht, dass die vielen Positionen der Teilstriche auf der Nivellierlatte mit wenigen, eine hohe Auflösung zulassenden, unterschiedlichen Längen der Teilstriche einer ununterbrochenen Hell-Dunkel-Folge eindeutig kodiert wird. Zum anderen wird, wie in den Ansprüchen angegeben und im Ausführungsbeispiel näher erläutert, die Lage aller im abgebildeten Ausschnitt liegenden Hell-Dunkel-Übergänge bei mehrstufiger Digitalisierung in Bezug auf den Zeilensensor ermittelt und durch den Vergleich mit den im Mikrorechner gespeicherten Werten der Nivellierlatte präzisiert und hieraus die Feinposition bestimmt.

Die Ziellinie kann durch Justierung eines empfindlichen Sensorelementes auf die Abbildungshöhe der horizontalen Ziellinie oder durch Ausmessen und Speichern dieser Höhe mit der fest montierten CCD-Zeile erhalten werden.

Das Verfahren ist auch für andere Mess- oder Positionieraufgaben im Maschinenbau oder anderen Gebieten einsetzbar.

Die Erfindung wird in den nachfolgenden Ausführungsbeispielen näher dargestellt.

In den Zeichnung zeigen

Fig. 1 eine Nivellier mit einer CCD-Zeile,

Fig. 2 eine erste erfindungsgemäss ausgeführte Nivellierlatte und

Fig. 3 eine zweite erfindungsgemäss ausgeführte Nivellierlatte.

Fig. 1 zeigt den bekannten Strahlengang eines Nivelliere 1. Anstelle eines Prismas ist ein Strahlenteiler 2 eingebaut. Durch ihn fällt ein Teil des Lichts auf ein zusätzliches Abbildungssystem 3. Der dort hindurchtretende Lichtanteil wird von dem Abbildungssystem auf eine CCD-Zeile 4 fokussiert. Dieser Sensor 4 ist so justiert, dass der Teil des Bildfeldes abgebildet wird, der die Abbildung der Nivellierlatte enthält, und hierin die Ziellinie auf ein vorher festgelegtes empfindliches Element, vorzugsweise ein mittleres Element, projiziert wird.

Die CCD ist auf einer Leiterplatte 5 montiert. Auf dieser sind weitere elektronische Bauelemente angeordnet, die für den Betrieb der Zeile in ihrer unmittelbaren Nähe erforderlich sind. Über ein Kabel 6 ist die Leiterplatte 5 mit einer Steuer- und Recheneinheit 7, einer alphanumerischen Anzeigeeinheit 8 und einem Datenspeicher verbunden.

Die Kodierung der NivellierJatte ist in zwei Varianten ausgeführt. Bei beiden Varianten sind die Teilstrichpositionen in linearer Maximalfolge (s. Literaturangabe Nr. 1 am Schluss der Beschreibung) mit der Periodenlänge

N = 2k' -1

kodiert. Mit k-Bit-Stellen können jeweils N Positionen auf der Nivellierlatte kodiert werden, d.h. auf der CCD-Zeile sind zur eindeutigen Identifizierung immer mindestens k Bit abzubilden. Bei beiden Varianten ist eine Teilstrichfolge von Hell- bzw. Dunkelfeldern mit der Länge 1 ■ £ der Ausgangspunkt der Kodierung.

In der ersten Ausführung (Fig. 2) wird die Teil-strichgrösse mit dem Bi-Phase-Kode, und zwar in der Variante Bi-Phase-Space, verschlüsselt. Jeder Helligkeitswechsel charakterisiert einen Bit-An-fang. Die Hell- bzw. Dunkelfelder mit der Länge 1 • £ haben den Kodewert 1. Der zusätzliche Helligkeitswechsel in der Mitte eines Feldes von der Länge 1 ■£ kennzeichnet den Kodewert 0. Die Nivellierlatte ist mit 1 • £- und 0,5 • ^-langen Feldern eindeutig kodiert. Die 0,5 ■ ^-langen Felder treten immer paarweise auf. Nähere Angaben zur Bi-Phase-Kodie-rung können der Literaturangabe Nr. 2 am Schluss der Beschreibung entnommen werden.

Im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist der linearen Maximalfolge eine Delay-Modulation überlagert. In den Hell- oder Dunkelfeldern der Länge 1 • £ erfolgt beim Kodewert 1 in der Mitte ein Helligkeitswechsel. Beim Kodewert 0 wechselt die Helligkeit nicht, wenn der Kodewert 1 folgt, sonst am Ende.

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Die Feldiängen betragen 1 ■ £; 1,5- £ oder 2,0 • £. Im auf dem Zeilensensor abgebildeten Ausschnitt müssen wenigstens k + 1 Bit enthalten sein. Nähere Angaben zur Delay-Modulation können der Literaturangabe Nr. 2 am Schluss der Beschreibung entnommen werden.

In beiden Beispielen wurden zur Veranschaulichung jeweils 15 Positionen kodiert. Auf einer tatsächlichen Nivellierlatte sind erheblich mehr Positionen darzustellen. Beispielsweise wurden auf einer Nivellierlatte mit der Teilstrichgrösse 1 • £ - 1 cm 255 Positionen kodiert. Unter Verwendung eines Zeilensensors mit 1024 Pixel wurde im Zielbereich von 5 bis 50 m die für das Präzisionsnivellement erforderliche Genauigkeit erreicht. Messung und Auswertung erfolgten dabei wie folgt.

Der auf der CCD-Zeile abgebildete Lattenausschnitt wird abgetastet und mittels AD-Wandler in eine digitale Signalfolge gewandelt. Aus der Signalfolge werden die Positionen der Hell-Dunkel-Über-gänge auf der CCD-Zeile mit hoher Genauigkeit bestimmt. Die Hell-Dunkel-Folge wird dekodiert und hieraus die Grobposition ermittelt, d.h. festgestellt, welcher Teilstrich in Höhe der Ziellinienposition der CCD-Zeile liegt. Die gemessenen Hell-Dunkel-Posi-tionen werden mit den (gespeicherten) Werten der Hell-Dunkel-Übergänge der verwendeten Messlatte verglichen und im Ergebnis des Vergleichs relativ, d.h. unabhängig vom Abbildungsmassstab, korrigiert. Aus den korrigierten Positionen der abgebildeten Hell-Dunkel-Übergänge werden der Abbildungsmassstab und zusammen mit der Brennweite des optischen Systems die Zielweite bestimmt. Zur Bestimmung des Höhenwerts werden die Abstände der Hell-Dunkel-Übergänge zur Zielposition auf der CCD-Zeile ermittelt, mit dem Abbildungsmassstab umgerechnet, zur Höhe der Grobposition über dem Fusspunkt der Nivellierlatte addiert und die Summen gemittelt. Zur weiteren Erhöhung der Genauigkeit und zur Reduzierung des Einflusses der Luftunruhe, insbesondere der vertikalen Rich-tungsszintillation, sollte ein Nivellementwert aus mehreren Bildabtastungen bestimmt werden.

Bezüglich Literatur zum Stand der Technik wird auf

1. Peterson, w.w.: Prüfbare und korrigierbare Codes. München, Wien, Oldenburg, 1967 und

2. Schmelowsky, K.-H. u.a.: Entzerrungsfreies Demodulationsverfahren für Magnetspeicher, Teil 1, in: radio fernsehen elektronik, Berlin 28 (1979) 10, S. 633 ff, verwiesen.

Claims

Patentansprüche 1. Längenmessverfahren mit einem in Abtastrichtung kodiertem Absolutmassstab und einem optoelektronischen Zeilensensor insbesondere zur Durchführung des automatischen Nivellements, mit ausschnittsweiser Abbildung der Skala auf dem Zeilensensor, Digitalisierung der Sensorsignale und Auswertung in einem Mikrorechner, gekennzeichnet dadurch, dass der abgebildete Ausschnitt eines in Hell-Dunkel-Folge kodierten Absolutmassstabs immer wenigstens zwei Felder, eines mit der Länge

1 ■ £ und eines mit der Länge K • £, jeweils in Messrichtung gemessen, enthält, die Länge 1 • £ die grösste oder die kleinste Länge der Hell-Dunkel-Felder der Skala ist, und aus der Zuordnung der Hell-Dunkel-Übergänge zum Zeilensensor sowohl die absolute als auch die Feinposition des Absolutmassstabs ermittelt wird.

2. Längenmessverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Sensorsignale in mehrere Stufen, vorzugsweise in 16 Stufen, digitalisiert werden.

3. Längenmessverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass die Lage der Hell-Dunkel-Übergänge in bezug auf den Zeilensensor ermittelt, die sich ergebenden Längen mit den im Mikrorechner gespeicherten Längen der Hell-Dunkel-Felder des Absolutmassstabes verglichen und daraus die Feinposition ermittelt wird.

4. Längenmessverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Absolutmassstab mit den Teilstrichlängen 1 • £ und 0,5 • £ verwendet wird, mit K=1, oder 0,5.

5. Längenmessverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, dass ein Absolutmassstab mit den Teilstrichlängen 1 ■ £, 1,5 ■ £ und 2,0 • £ verwendet wird, mit K=1,1,5 und 2,0.

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