DD257113A1

DD257113A1 - Laengenmessverfahren

Info

Publication number: DD257113A1
Application number: DD29902987A
Authority: DD
Inventors: Ralf-Peter Schmidt; Gerhard Schlosser; Egon Haase; Helfried Potthoff
Original assignee: Univ Dresden Tech
Priority date: 1987-01-02
Filing date: 1987-01-02
Publication date: 1988-06-01
Also published as: CH675300A5; DE3739664C2; DE3739664A1; DE3739664C3

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Laengenmessverfahren, bei dem ein Absolutmassstab abschnittsweise auf einem Zeilensensor abgebildet, die Sensorsignale digitalisiert und in einem Mikrorechner ausgewertet werden. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass eine als Hell-Dunkel-Folge kodierte Skala verwendet wird, deren auf dem Zeilensensor abgebildeter Ausschnitt immer wenigstens zwei Felder, eins mit der Laenge 1 l und eins mit der Laenge kxl, jeweils in Messrichtung gemessen, enthaelt, die Laenge 1 l die groesste oder die kleinste Laenge der Hell-Dunkel-Felder der Skala ist, und aus der Zuordnung der Hell-Dunkel-Uebergaenge zur Zeilensensor sowohl die absolute als auch die Feinposition des Absolutmassstabs ermittelt wird. Das Verfahren ist insbesondere zur Durchfuehrung des automatischen Nivellements, des Praezisionsnivellements und zur Entfernungsmessung, mit ungleichen Zielweiten von etwa 5 bis 50 m, anwendbar sowie zur Positionierung von Teilen oder in der Koordinatenmesstechnik, einsetzbar. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung betrifft ein Längenmeßverfahren, bei dem ein Äbsolutmaßstab abschnittsweise auf einem Zeilensensor abgebildet, die Sensorsignale digitalisiert und in einem Mikrorechner ausgewertet werden. Das Verfahren ist insbesondere zur Durchführung des automatischen Nivellements, des Präzizisionsnivellements und zur Entfernungsmessung, mit ungleichen Zielweiten von etwa 5 bis 50 m, anwendbar sowie zur Positionierung von Teilen oder in der Koordinatenmeßtechnik einsetzbar.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Es ist bekannt, daß beim geometrischen Nivellement der Durchstoßpunkt der horizontalen Ziellinie durch eine vertikal stehende Nivellierplatte 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 Meßwert 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 Kontrollrechnungen 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 Meßlatte 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 den Skalenstrich angebrachte Kodierung gekennzeichnet (DE-AS 1267855). 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 Aufnahmen 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 3213860 wird eine Meßlatte beschrieben, auf der in Längsrichtung der Latte ih 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 ihren die Meßlatte abtastet. Der technische Aufwand für diese Automatisierungslösungen ist sehr groß.

Aus der DE-OS 3427067 ist ein optoelektronisches Längenmeßverfahren mit kodiertem Absolutmaßstab zur absoluten Wegmessung und Positionieren, z. B. im allgemeinen Maschinen- und Gerätebau, bekannt. Auf dem Absolutmaßstab ist zwischen den Maßstabsstrichen eine Strichkodierung, die die Positionsinformation des zugehörigen Maßstabsstrich 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 Maßstabsstrich und eine vollständige Strichkodierung. Der Zeilensensor ist mit einer logischen Schaltung (Mikrorechner) verbunden. Mit ihr wird aus der Zuordnung des Maßstabsstrichs zum Zeilensensor die Feinposition und aus der Strichkodierung die absolute Position des zugehörigen Maßstabsstrichs 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 50m müssen der Maßstabsstrich und die Striche der Kodierungen relativ dick und mit dem entsprechenden Zwischenraum ausgeführt werden, um die notwendige Auflösung zu garantieren.

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, das Nivellement weitgehend automatisch durchzuführen und dabei eine hohe Genauigkeit zu erreichen.

Darlegung des Wesens der Erfindung

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, eins mit der Länge 11 und eins mit der Länge kxl, jeweils in Meßrichtung gemessen, enthält, die Länge 11 die größte oder die kleinste Länge der Hell-Dunkel-Felder der Skala ist, und aus der Zuordnung derHell-Dunkel-Übergängezum 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 11 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 0,51 und 2,01, beispielsweise 0,51 und 1,01 oder 11,1,51 und 2,01 verwendet werden.

Dieses Längenmeßverfahren ermöglicht die Durchführung des Präzisionsnivellements mit automatischer Meßwerterfassung. Dazu sind die Höhenpositionen auf der Nivellierlatte zu kodieren und im Nivellier ist CCD-Zeile anzuordnen. Die notwendige Genauigkeit wird vorzugsweise zum einen dadurch erreicht, daß die vielen Positionen der Teilstriche auf der Nivellierplatte 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 Sensorelements 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.

Ausführungsbeispiel

In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1: eine Nivellier mit einer CCD-Zeile,

Fig. 2: eine erste erfindungsgemäß ausgeführte Nivellierlatte und

Fig.3: eine zweite erfindungsgemäß ausgeführte Nivellierplatte.

-3-. 257 11!

Fig.1 zeigt den bekannten Strahlengang eines Nivelliers 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 4fokussiert. Dieser Sensor 4 ist so justiert, daß der Teil des Bildfeldes abgebildet wird, der die Abbildung der Nivellierlatte enthaltend hierin die Ziellinie auf ein vorherfestgelegtes empfindliches Element, vorzugsweise ein mittleres Element, projiziert wird.

Die CCD-Zeile 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 Nivellierlatte ist in zwei Varianten ausgeführt. Bei beiden Varianten sind die Teilstrichpositionen in linearer Maximalfolge /1/ mit der Periodenlänge

N = 2^k-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 11 der Ausgangspunkt der Kodierung.

In der ersten Ausführung (Fig. 2) wird die Teilstrichgröße mit dem Bi-Phase-Kode, und zwar in der Variante Bi-Phase-Space, verschlüsselt. Jeder Helligkeitswechsel charakterisiert einen Bit-Anfang. Die Hell- bzw. Dunkelfelder mit der Länge 11 haben den Kodewert 1. Der zusätzliche Helligkeitswechsel in der Mitte eines Feldes von der Länge 11 kennzeichnet den Kodewert 0. Die Nivellierlatte ist mit 11-und 0,5 Wangen Feldern eindeutig kodiert. Die 0,5 Mangen Felder treten immer parrweise auf. Nähere Angaben zur Bi-Phase-Kodierung können 121 entnommen werden.

Im zweiten Ausführungsbeispiel (Fig. 3) ist der linearen Maximalfolge eine Delay-Modulation überlagert. In den Hell-oder Dunkelfeldern der Länge 11 erfolgt beim Kodewert 1 in der Mitte ein Helligkeitswechsel. Beim Kodewert 0 wechselt die Helligkeit nicht, wenn der Kodewert 1 folgt, sonst am Ende. Die Feldlängen betragen 11; 1,51 oder 2,01. Im auf der Zeilensensor abgebildetei Ausschnitt müssen wenigstens k + 1 Bit enthalten sein. (Nähere Angaben zur Delay-Modulation können 121 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 11 = 1cm 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-Übergänge 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-Positionen werden mit den (gespeicherten) Werten der Hell-Dunkel-Übergänge der verwendeten Meßlatte verglichen und im Ergebnis des Vergleichs relativ, d. h. unabhängig vor 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 Richtungsosszintillation, sollte ein Nivellementwert aus mehreren Bildabtastungen bestimmt werden. /1/ Peterson, W. W.: Prüfbare und korrigierbare Codes, München; Wien; Oldenburg, 1967

/2/ Schmelowsky, K.-H.; Weise, D.; Engelmann, U.: Entzerrungsfreies Demodulationsverfahren für Magnetschichtspeicher, Teil 1 in: radio fernsehen elektronik; Berlin 28 (197910, S.633-636)

Claims

1. Längenmeßverfahren mit einem in Abtastrichtung kodiertem Absolutmaßstab und einem optoelektronischen Zeilensensor (vorzugsweise eine CCD-Zeile) zur Durchführung des Verfahrens, insbesondere zur Durchführung des automatischen Nivellements, mit ausschnittsweiser Abbildung der Skala auf einem 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, eins mit der Länge 11 und eins mit der Länge kxl, jeweils in Meßrichtung gemessen, enthält, die Länge 11 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 Absolutmaßstabs verglichen und daraus die Feinposition ermittelt wird.

4. Längenmeßverfahren nach Anspruch !,gekennzeichnet dadurch, daß ein Absolutmaßstab mit den Teilstrichlängen 11 und 0,51 verwendet wird.

5. Längenmeßverfahren nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß ein Absolutmaßstab mit den Teilstrichlängen 11,1,51 und 2,01 verwendet wird.