CN1032089C - 光学测量距离的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及对物体彼此间距离的光学测量方法和装置，即应用三角测量法。依此，两个物体的相对距离通过光学行程而被精确获知，例如，对于获知和描述两个物体的位置差这一点是必要的，同时作为例子适用于印刷机中纸垛的位置测量。

Description

光学测量距离的方法和装置
本发明涉及一种光学测量距离的方法和装置，其借助光学的三角测量以检测物体相互间的距离。
在这样一种方法中，为了测量距离，借助一个发射器将光的射线照射到所感兴趣的物体上，并且由物体反射回的射线角度关系被具有对位置敏感的光接收装置的传感器所检测评估。
在许多应用场合中，测量物体的间距时所感兴趣的少数是绝对的距离，而更多感兴趣的是例如两个物体相互间的相对位置。
这就在钢铁工业，包装机械、纸张和印刷工业、建筑业等中引出定位和跟踪的任务。作为例子，如果在一个正在运转的印刷机上，将一个新的纸垛与一个辅助纸垛联合一致的话，那么此时就必须将两个(纸垛)的相对位置测量出来，然后使新的纸垛进行定位。
对于这些任务，已经公开了使用三角测量传感器和调整措施，其中，两个物体的相对位置是根据两个这种传感器输出信号的差值检测的，这样一种先有技术的决定性缺陷是，这种与两个传感器无关而发生的测量误差会导致自身一个明显的扩大作用，这样就可能造成应用这一方法行不通。
特别地，对这种方法的仪器必须要求有很好的同步这就造成这些仪器非常昂贵，并且在许多情况下还要遇到物理学领域内的诸多问题。
为此，本发明的任务是，提出一个测量方法和创建一个装置，借助它可以用光学的方式将两个物体间的相对距离精确地获知，并尽可能的与两个测量仪器间的绝对距离无关，同时，可使两个物体实现一个简单的和精确的会集一起的工作。
此外，这一目的还应该比在应用两个现有公知的距离传感器时的耗费明显减少，而且还具有提高的距离差精度。
对此目的，本发明是通过将两个三角测量传感器组合在一个仪器中来实现的，为的是，两个测量物的距离测量，虽然用两个发射光束来完成，但是，位置的确定只用一个位置敏感的系统来获得。为此目的，该接收方面的射线过程通过镜体作如此设置，即，两束射线到达一个对位置敏感的接收装置上，该装置既可以应用双二极管装置，PSD(位置敏感探测器Ve)，又可以应用CCD--阵列来设置。两个待测物体的测量值的汇总布置要通过射线传感器的交变接通来完成，同时，将该测量值同步地传递(同步解调)到一个差值单元。依此，除了物体的距离测量信号外，还能输出一个高度精确的距离差值信号。在这种类型的测量仪器中占主导地位的测量误差，如不相同的特性非线性问题，以及随温度变化的和老化引起的漂移现象就因此在尽可能的程度上得以排除，因为此时只应用了一个电子测量通道。而由于光学结构中机械不稳定性造成的误差也可以通过适当的结构设置和选择材料而保持在足够小的数值范围内。
物体的反射率变化，光射线行程的不同传输作用(光学仪器表面的污染，传感器的功率损耗)可同样通过一个通道的评判而得以消除(比率形成器)。
除了上述的技术优点以外，本发明解决方案还提供良好的经济性，即优越于应用两个分开的光学系统距离传感器。这样，电子系统的消耗，在明显改善了测量精度的前提下几乎减少了一半，同时，就光学结构元件讲，仅仅是4个价格便宜的平面镜。
在用本发明装置来实施该方法时，可获得一个简单的传感器结构单元，它仅仅产生一个位置信号，其可以直接用于对要汇集一起的物体进行定位。特别是在将两个垛体例如，由纸组成的纸垛往一起堆集时，在一个加工处理机械中，可以实现两个纸垛彼此精确地定位，并确保机械不受干扰地运转，也不会出现机械在加工时不精确的运转。
也就是说本发明提出一种应用光学仪器测量物体间的距离，特别是两个物体彼此间距离差的方法，借助光学的三角测量装置，它具有两个分别独立的射线发送器，它们伴随着时间变化而被控制和照射所要探寻的物体上，同时该发射光束与相应时接受器轴线以入镜角45°而张开而形成一个三角测量面，其特征在于：
通过另一个的光学装置，最好是平面镜，使接收到的射线光束在同一个位置敏感的光接收装置上以相同的时间变化规律成像，并且，在该光接收装置上像中心的位置就描述了本装置与各个物体位置距离对应的一个数量换句话说，两个成像的位置差反映了与物体间相对距离对应的一个数量，而相对距离只应用一个单独的模拟电子计值通道，随着时间的变化并通过抑制同步误差和漂移误差就可能确定。
对一个物体的绝对距离的精确测量可简化为两个物体间的位置差测量，其中，一个物体为要探测的物体，另一个为(第二)位置距离精确公知的和作为参考物的物体。
作为发射器LED，IRED或者半导体激光器和作为接收装置而应用了双光二极管、位置敏感的接收器(PSD)或CCD--阵列管，它们可产生一个位置差信号其输入位置调节装置，该装置可对要会集一起的物体的彼此间各个位置进行调整，以使两个接触表面协调一致。
为了分析评判而设置一个微处理控制装置，它可通过学习(信息)而补偿装置的个别残余误差。
该要会集一起的物体是印刷机的一个辅助垛和一个新的纸垛，它们分别对应设置了伺服电机，通过它们，垛物和侧边位置可彼此进行改变，并且，该距离差信号通过一个控制单元在两个垛物会集一起之前如此地控制两个伺服电机，即，辅助垛的下边表面要与新纸垛的上边表面协调一致。
下面借助附图1至5中的实施例对本发明作详细描述。
图1表示信号处理的工作原理。用一个脉冲周期发生器电路7，通过驱动电路5，6随着时间变化操纵射线发射器3，4，其最好是半导体发射器如LED，IRED或者激光二极管；
图2和3表示信号处理的简图描述(图3是图1中转了90°的描绘)；
图4和5表示实施本方法的装置。该三角测量平面位于图3的图平面中。
如在图1中给出的，对应于两个物体1，2设置两个射线发送器3，4它们发射两股射线15，16，而该射线15，16又作为信号17，18被一个接受器8所接收。通过驱动电路5，6使这两个射线发送器3，4随着时间变化得以控制。而脉冲发生器7向它们(5，6)提供随时间变化的周期(脉冲)信号。
在接收器8之后是放大和同步解调器9以及反比率形成器10用来抑制外来光，发送器衰减、反射率变化和污染，以及用于特性校正。这些分量以相同的方式作用于两个信号17，18上，以致于它们的漂移作用得以补偿。而后随的同步解调器11则由发射器脉冲转换周期控制，并且它的输出电压和单个的距离信号电压E和E的差值相对应。一个低通(滤波器)12用来抑制差值信号电压D中的发射器脉冲转换周期。
安置平面镜22，23的目的是，这些通过透镜1314，19，20可聚焦的和通过反射镜21，24可转向的接收光束17，18，在通过图2中所示的折射而相交于接收平面8上，同时，光束17，18，在图3所示的图平面中随物体距离变化就在接收器纵轴上运动。因此，图像的中心就根据物体1，2的距离而处于接受器纵轴8(图3)的不同点上。它们就会在接收器输出端产生和这个位置差相对应的不同信号，这些信号要经受一个信号处理，目的是在输出端获得一个仅和待测物体的距离差成比例的信号(模拟量或数字量)。
在另一个检测系统实施方案中，可以将一部分电子操作部件(部件7，9，10，11，12)用一个微处理控制器来替换，该控制器将信号值进行数字化处理，并通过一个在第一级处理开始后的学习阶段使固有的余数缺陷还可以减小(特殊的系统参数被储存在ROM上)。然而测量值D可直接作为数字等量值而供使用。
图4表示在一个印刷机中应用实例的简图，其中，一个辅助纸垛板25安置在一个辅助纸垛板安放装置26上同时，总是辅助纸垛板最上边的纸张被攫取，然后输入印刷机。在辅助纸垛板25的下边表示的是一个新的纸垛板27，它安置在一个垛板升降装置28上。在传感器和控制单元29中，安置有在图1和图3中所描述的组件。此处，测量值D被处理成控制信号，它们通过导线30，31输入到伺服电机32，33中。同时，伺服电机32和辅助纸垛板安放装置26对应安置，伺服电机33和纸垛板升降装置28对应安置。在图4中，以夸大形式表示辅助纸垛板25和新的纸垛板27以不同的方向作倾斜位置。在对测量信号处理以后，这两个纸垛板25，27按照图5，在侧向是如此调整安排的，即，辅助纸垛板25的下部平面和新的垛纸板27的上部平面是协调一致的。这样，在将辅助纸垛板25放置到新的纸垛27上和继续上边放置的纸张时，在两个纸垛间接触区域内就不存在突然的侧边堆置，而这一点给印刷的操纵和调节造成负担。

Claims (5)

1.应用光学仪器测量物体间的距离，特别是两个物体彼此间距离差的方法，借助光学的三角测量装置，它具有两个分别独立的射线发送器，它们伴随着时间变化而被控制和照射所要探寻测量的物体上，同时，该发射光束与相应的接受器轴线以入镜角45°而张开以形成一个三角测量面，其特征在于：
通过另一个的光学装置，最好是平面镜，使接收到的射线光束在同一个对位置敏感的光接收装置上以相同的时间变化规律成像，并且，在该光接收装置上像中心的位置就描述了本装置与各个物体位置距离对应的一个数量，换句话说，两个成像的位置差反映了与物体间相对距离对应的一个数量，而相对距离只应用一个单独的模拟电子计值通道，随着时间的变化并通过抑制同步误差和漂移误差就可能确定。
2.按照权利要求1的方法，其特征在于：对一个物体的绝对距离的精确测量可简化为两个物体间的位置差测量，其中，一个物体为要探测的物体，另一个为第二位置距离精确公知的和作为参考物的物体。
3.实施权利要求1或2方法的装置，其特征在于：作为发射器LED，IRED或者半导体激光器和作为接收装置而应用了双光二极管、位置敏感的接收器(PSD)或CCD--陈列管，它们可产生一个位置差信号其输入位置调节装置，该装置可对要会集一起的物体的彼此间各个位置进行调整，以使两个接触表面协调一致。
4.按照权利要求3的装置，其特征在于：为了分析评判而设置一个微处理控制装置，它可通过学习信息而补偿装置的个别残余误差。
5.按照权利要求3的装置，其特征在于：该要会集一起的物体是印刷机的一个辅助垛和一个新的纸垛，它们分别对应设置了伺服电机，通过它们，垛物的侧边位置可彼此进行改变，并且，该距离差信号通过一个控制单元在两个垛物会集一起之前如此地控制两个伺服电机，即，辅助垛的下边表面要与新纸垛的上边表面协调一致。
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