DE1913399A1

DE1913399A1 - Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder Verformungen mit Hilfe von Laserstrahlen

Info

Publication number: DE1913399A1
Application number: DE19691913399
Authority: DE
Inventors: Horst Moritz; Juergen Thorn
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1969-03-17
Filing date: 1969-03-17
Publication date: 1970-09-24
Also published as: CH525466A; GB1307014A; AU1261870A; DE1913399C3; DE1913399B2; SE360170B; FR2038901A5; NL7002861A; US3649840A

Description

■ ' . UMRZ1969

SIEMENS AKTIEITGESELLSCHAFT München 2, den

Berlin und München Witteisbacherplatz 2

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Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder- Verformungen mit Hilfe von Laserstrahlen

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder Verformungen mit Hilfe eines in einer Ebene schräg zur Verschiebungsrichtung (Meßrichtung) aufgefächerten, vorzugsweise modulierten Laserstrahls und einer am Ileßobjekt angebrachten Fotoempfängereinrichtung.

Das Problem der kontinuierlichen Messung von Verschiebungen tritt überall in der Technik auf. Insbesondere in der Pauindustrie stellt sich häufig die Aufgabe, Verformungen ven Wänden, Brückenpfeilern oder dgl. kontinuierlich zu meesen und zu registrieren. In diesem Fall ist diese Aufgabe ersichtlich dadurch erschwert, daß man nicht einfach einen Ilaßstab oder eine ähnliche Meßeinrichtung anlegen kann, da - abgesehen von den häufig viel zu großen Gesamtlängen der zu messenden Objekte - der Boden in der Umgebung mitverformt wird und somit kein Bezugsniveau mehr darstellen kann.

Dies ist vor allen Dingen bei Belastung sver suchen von Erückenpfeilern der Fall, bei der die Abmessung der Pfeiler ■infolge einer bestimmten, auf sie aufgesetzten Belastung über mehrere Stunden hinweg gemessen werden muß.

Bis jetzt wird die Messung in solchen Fällen meist optisch durchgeführt, wobei Gin Beobachter mit Hilfe eines Fernrohres (z.B. mit einen Nivelliergerät) von einem Punkt in ausreichender Entfernung vom Mefiotojekt aus die Lage einer auf den» zu messenden Teil angebrachten Marke beobachtet. Wegen dea

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hohen Personalaufwandes, der langen Meßzeit und der subjektiven Bewertung ist diese Meßmethode kostspielig und häufig unzureichend.

Zur Steuerung einer Arbeitsmaschine in einer festen Ebene, wobei die Abweichung der Maschine aus einer Sollebene festgestellt und zur Erzeugung eines Steuersignals herangezogen wird, sind bereits mit Laserstrahlen arbeitende Einrichtungen der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen worden. Diese Einrichtungen sind jedoch zur Lang«Zeitregistrierung von Verschiebungen nicht geeignet, insbesondere da gerade in diesen Fällen besondere Schwierigkeiten durch Leistungsschwankungen der Laserstrahlungsquelle oder Wetteränderungen auftreten, welche die Absorptionsverhältnisse auf dem Weg der Strahlung verändern. 2udem sind diese Anordnungen zum Zwecke einer exakten Steuerung so ausgelegt, daß sie nur kleine Verschiebungen messen können. Während dies bei einer Steuerungsanordnung keinerlei ITachteile darstellt, da ja bereits bei sehr kleinen Abweichungen eine korrigierende Rückführung in die Sollebene oder -Richtung erfolgen soll, ist es bei einer Anordnung zum Hessen von Verschiebungen allgemein und.insbesondere in der Bauindustrio notwendig, Verschiebungen von mehreren Zentimetern fortlaufend messen und registrieren zu können.

Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine automatisch arbeitende Anordnung zum Messen von Verschiebungen mit Hilfe von Laserstrahlen zu schaffen, die vorgenannte Forderungen erfüllt. Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß der von einem fest aufgestellten Laser ausgehende Laserstrahl auf eine sich im wesentlichen in Meßrichtung erstreckende bei der Verschiebung oder Verformung mitbewegte Meß-Fotozelle gerichtet ist, deren absolute Empfindlichkeit sich in I.Ießrichtung streng monoton ändert.

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Dies kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß die Meß-Fotozelle eine fotoempfindliche Fläche enthält, deren Breite von einem Ende der Zelle zum anderen zunimmt.

Aufgrund der G-außschen Verteilung der Strahlungsdichte senkrecht zur Ebene des aufgefächerten Strahls wird im allgemeinen bei linearer Breitenzunahme der fotoempfindlichen Fläche der Fotozelle das von der Zelle abgegebene Ausgangssignal nicht linear anwachsen. Aus diesem Grund ist in WeiterbiTduiig"~der Erfindung vorgesehen, daß die Verbreiterung der fotoempfindlichen Fläche derart nichtlinear erfolgt, daß sich das von der Fotozelle abgegebene Ausgangssignal linear mit der relativen Verschiebung des Strahlfächers ändert.

Anstelle einer Fotozelle mit zunehmender Breite der foto-^ cr.pfindlichen Fläche kann in Ausgestaltung der Erfindung auch eine Fotozelle mit rechteckförmiger fotoempfindlicher Fläche verwendet werden, der ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Durchlässigkeit sich in Meßrichtung streng monoton ändert. Das Filter kann dabei beispielsweise ein Absorptionsfilter nit..dm. .-wc sentliehen keilförmig zunehmender Dicke sein, vfobei es aber auch möglich wäre, statt der keilförmigen Dickenzunahme oder zusammen mit dieser die Absorptionskonstante des Filtermaterials kontinuierlich von einem Ende zum anderen zunehmen zu lassen.

Eine derartige Einrichtung mit einem vorgeschalteten Filter hat den Vorteil, daß die Ileßfotozellen, die selbstverständlich eine Länge haben müssen, die größer ist als die größte zu erwartende Verschiebung, nicht auch noch sehr breit gemacht werden müssen, wie dies bei der vorher genannten Ausführungsform der Fall ist. Die Herateilung der obengenannten sich verbreiternden fotoempfindlichen Fläche kann im übrigen in einfacher Weise durch Abdecken einer beispielsweise rechteckigen Fotozelle durch entsprechend geformte Schablonen verwirklicht werden.

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Um in einfacher Weise aus dem Meßsignal eine Information über die absolute Lage des aufgefächerten Laserstrahls auf der Fotozelle unddamit ein Maß für die absolute Verschiebung gewinnen zu können, ist in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß die Fotoempfängereinrichtung eine im Avesentlichen parallel zur Meß-Fotozclle angeordnete Vergleichsfotozelle mit in Längsrichtung konstanter absoluter Empfindlichkeit enthält, und daß beide Fotozellen auf einen.Differenzverstärker geschaltet sind. Mit besonderem Vorteil ist dabei der Vergleichsfotozelle ein automatisch geregelter Verstärker nachgeschaltet, der unabhängig vom Eingangssignal ein konstantes vorgegebenes Ausgangssignal erzeugt und einen der Meß-Fotozelle nachgeschalteten Verstärker im gleichen Maße mitregelt.

Das Ausgangssignal einer derartigen letztgenannten Anordnung liefert bei einmaliger Justierung im Herstellung?- betrieb unabhängig von der Leistung des Lasers und den Umweltbedingungen bei der Messung stets ein Ausgangssignal, dessen Absolutwert in jedem Fall einer bestimmten Auslenkung entspricht. Dabei ist in diesem Falle auch die Verwendung einer Differenzstufe-überflüssig, da ja der der Vergleichs-fotozelle nachgeschaltete Verstärker stets ein Signal konstanter Amplitude abgibt und somit lediglich eine Nullpunktsverschiebung bewirken würde.

Durch Verbinden des Ausgangs der Fotoempfängereinriehtung nit dem Eingang eines Schreibers kann automatisch eine Lleßkurve der Verformung oder Verschiebung erhalten werden, die zusätzlich zum Absolutwert der Gesamtverschiebung den eigentlichen Verlauf der Verformung oder Verschiebung liefert, was gerade in der Bauindustrie in vMen Fällen besonders wichtig ist und interessante Rückschlüsse, beispielsweise auf die Bodenbeschaffenheit, gestattet.

Eine orfindungsgemäße Anordnung läßt sich in einfacher Weise auch zur Feststellung von Verdrehungen oder Ver-

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-kippungen des Meßobjekts verwenden, indem einer zweiten IJeß-Potozelle, deren absolute Empfindlichkeit sich in Ließrichtung gleichsinnig zur Empfindlichkeit der ersten Meß-Potozelle ändert und der ersten Meß-Potoaelle ein eigener Differenzverstärker nachgeschaltet ist. Ein derartiges Verkippen führt nämlich zu einer unterschiedlichen Längs verschiebung der beiden Meß-Potozellen relativ zum Strahlfächer, wodurch sich deren Ausgangssignale ungleichmäßig ändern.

Eine erfindungsgemäße Meßanordnung kann auch in besonders vorteilhafter Weise zur Proportionalsteuerung von insbesondere fahrbaren Arbeitsmaschinen herangezogen werden. Dabei ist es prinzipiell möglich, die Sollage der Maschine durch eine mittlere Lage des aufgefächerten Laserstrahls auf der Mcß-Potozelle festzulegen, wobei die Zunahme und Abnahme dos Ausgangssignals der Meß-Potozelle, die sich bei einer Verschiebung des Laserfächers aus der Mittel- lcßQ ergibt - gegebenenfalls nach entsprechender Umpolung oder Nullpunktverschiebung - zur Rückführung der Arbeitsmaschine in die Sollebene dient.

Vorzugsweise wird man jedoch eine erfindungsgemäße Anordnung zur Proportionalsteuerung von Arbeitsmaschinen so ausbilden, daß zwei Meß-Potozellen, deren absolute Empfindlichkeit sich jeweils in Meßrichtung streng monoton ändert, so in Meßrichtung hintereinander angeordnet sind, daß sich die Empfindlichkeit von der Mitte aus zu- den beiden Enden der Anordnung gleichartig ändert. Jeder Meß-Potozelle ist dabei vorzugsweise ein eigener Verstärker nachgeschaltet, der in der bereits beschriebenen Art und Weise über einen einer Vergloichsfotozolle nachgcschalteten automatisch geregelten Verstärker mitgeregelt werden kann.

In Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, daß beim Vorhandensein einer Vergleichofotojsclle diese sich über die gesamte Länge der':auo den beiden Meß-Potozellen be~

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stehenden Anordnung erstreckt, so daß. man nur einen atitomatisch geregelten, der Vergleichsfotozelle nachgeschalteten Verstärker benötigt, der beide Meß-Fotozellonverstärker mitregelt.

Diese Anordnung läßt sich in einfacher Weise so erweitern, daß Arbeitsmaschinen längs einer vorgegebenen G-eraden geführt v/erden. Zu diesem Zweck ist in einer früheren Anmeldung (P 1 806 450.1 = PA 68/3068) eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei der zwei senkrecht zueinander aufgefächerte Laserstrahlen verwendet werden, wobei die Empfangseinrichtung entsprechend zwei Sätze von senkrecht zueinander angeordneten Fotozellenreihen enthält.

In Ausgestaltung der oben beschriebenen Proportionalsteuerungsanordnung für die Steuerung in einer Ebene kann entsprechend dieser älteren Anmeldung eine LaserstrahTungsquelle verwendet werden, die zwei senkrecht zueinander aufgefächerte Strahlungsfächer erzeugt. Die Empfangseinrichtung besteht in diesem Fall dann aus zwei zusammengesetzten Meß-Fotozellenanordnungen, von denen sich jede längs /ov Schenkels eines rechten Winkels erstreckt, die ihrerseits wiederum parallel zu den Auffächerungsebenen der beiden Laserstrahlen liegen.

Anhand der in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieler soll die Erfindung nachstehend mit weiteren Merkmalen näher erläutert werden.

Die Figur 1 zeigt dabei zwei Fotozellen 1 und 2, deren Längsrichtung parallel zur Meßrichtung (Doppelpfeil) liegt, wobei die Meß-Fotozellc 2 eine fotoempfindliche Fläche aufweist, die sich in Giner Richtung ständig verbreitert. Die Breite der Vergleiehsfotozcllc 1 über die gesamte Länge ist konstant. Verschiebt sich nun der senkrecht zur Zeichencbene auftreffende, eenkrecht zur Meßrichtung aufgefächerte Laserstrahl 3 in Müßrichtung (waa im vorliegenden Fall natürlich umgekehrt durch

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Simultanversehiebung der am Meßobjekt befestigten. Potozellen zustande kommt), so bleibt das von der Meß-Potozelle abgegebene Signal S₁ (abgesehen von laserschwankungen und Änderungen konstant), während das Signal Sp der Meß-Potozelle mit zunehmender Verschiebung ständig größer wird. Zum Zwecke einer Absoluteichung der Anlage, d.h. einer Eichung, die unabhängig von der Laserleistung und den Verhältnissen, einem bestimmten Meßwert eine bestimmte Verschiebung zuordnet, ist der Vergleichsfotozelle 1 ein automatisch" "geregelter Verstärker V- nachgeschaltet, dessen Verstärkung automatisch so geändert wird, daß aus dem ankommenden Signal S₁ stets ein Signal S₁₁ bestimmter vorgegebener Amplitude entsteht. Über einen Regelkreis ist der Verstärker V. so mit einem der Meß-Potozelle 2 nachgeschalteten Verstärker Vp gekoppelt, daß er die Verstärkung des Verstärkers Vp entsprechend der sich automatisch einzustellenden Verstärkung des Verstärkers V₁ mitregelt, die nötig ist, um aus dem ankommenden Signal S₁ ein Signal vorgegebener Amplitude zu machen. Die beiden verstärkten Signale S₁₁ und S-,ρ werden auf einen Differenzverstärker 5 gegeben, dem ein Schreiber 6 nachgeordnet ist.

Bei der vorliegenden Anordnung könnte der Differenzverstärker 5 auch weggelassen werden, da, wie bereits oben erwähnt-wurde, infolge der automatischen Regelung das stets konstante Signal S₁₁ lediglich eine Nullpunktverschiebung bewirkt. Die Verwendung eines Differenzverstärkers ist nur in dem Pail unumgänglich, daß die automatische Regelung des Verstärkers V₁ und die über den Stcuerkreis 4 erfolgende llitregelung des Verstärkers Vp entfällt. Bei einer derartigen Ausführungsform wäre jedoch einem bestimmten Schieberausschlag kein Absolutwert der Verschiebung mehr zuzuordnen, da ja nunmehr die Schwankungen der Lascrstrahlungsdichte, die Absorptionsänderungen auf dem Wog der Strahlung, sowie eine Änderung des Verstärkerfaktors der Verstärker nicht mehr hinausfallen könnte.

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Durch die Modulation der Laserstrahlung ergibt sich nicht nur der Vorteil, daß man gegenüber Gleichstromverstärkern empfindlicher arbeitende V/echselstromverstärker benutzen kann, sondern es ergibt sich auch der zusätzliche Vorteil, daß durch selektive Einstellung der Verstärker auf die Laserfrequenz das Tageslicht oder sonstiges Streulicht aus der Umgebung unterdrückt v/erden kann. Zusätzlich zu dieser Streulichtunterdrückung können die Fotozellen auch noch mit selektiv durchlässigen Filtern abgedeckt sein.

Die Figur 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Empfangseinrichtung für eine Anordnung zur Proportionalsteuerung einer Arbeitsmaschine, um diese beispielsweise in einer Ebene zu führen. Die auf der Arbeitsmaschine befestigte Empfangseinrichtung enthält dabei zwei Meß-Fötozellen 12 und 15» die in Meßriehtung - d.h. in einer Richtung senkrecht zur Sollebene - hintereinander angeordnet sind. Parallel zu den beiden Meß-Fotozellen ist eine .Vergleichsfotoselle 11 vorgesehen, deren Ausgang mit einem automatisch geregelten Verstärker V₁₁ verbunden ist, der über Regelkreise 14, die den Ausgängen der Meß-Fotozellen nachgeschalteten Verstärkern V₁ ρ und V₁^, im gleichen Maße mitregelt. Eine Verschiebung des aufgefächerten Laserstrahls in der einen oder anderen Richtung bewirkt je nach der Große der Verschiebung ein entsprechend großes Ausgangssignal im Verstärker V₁P oder V-*, Vielehes zur Rückführung der Arbeitsmaschine in die Sollebene herangezogen werden kann. Die Verschiebung des Laserfächers 3 kommt natürlich auch in diesem Fall wieder dadurch zustande, daß sich die mit der Arbeitsmaschine verbundene Empfangseinrichtung gegenüber der festen Lage dea Laserfächers verschiebt.

Gegenüber der bereits vorgeschlagenen Steuerungsanordnung mit einzelnen, über Differenzverstärker zusammcngeschalteten· Fotozellen hat eine derartige Einrichtung den Vorteil, daß eine Rückführung der Arbeitsmaschine nicht erst nach

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' Überschreiten einer gewissen Verschiebung und damit eines gewissen Differenzsignals möglich ist, sondern daß die Rückführung kontinuierlich erfolgen kann, wobei sogar die Geschwindigkeit oder Stärke der Rückführbewegung entsprechend der Größe der Auslenkung geregelt werden kann. Durch Vorsehen einer gleichartigen Empfangseinrichtung, wie in Figur 2 dargestellt, seitlich und senkrecht zu der dort gezeigten Anordnung und Vorsehen eines sogenannten Kreuzfächers aus zwei senkrecht zueinander aufgefächerten Laserstrahlen erhält man eine Anordnung zur Proportionalsteuerung einer Arbeitsmaschine für die Führung län£S einer Geraden.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispielc beschränkt. So ist es insbesondere nicht notwendig, daß eine Proportionalsteuerungsanordnung lediglich für die Führung von Arbeitsmaschinen in einer Ebene oder längs einer Geraden Verwendung findet, sondern sie könnte auch für irgendwelche andersgearteten Proportionalsteuerungen entsprechend der Verschiebung der Maschine herangezogen werden, die nicht oder nicht ausschließlich eine Rückführung der Maschine in die Sollage zum Ziel hat.

Verwendung eines automatisch auf konstanten Ausgang verstärkenden Vergleichsfotozellenverstärkers, welcher den oder die Keß-Fotozellenverstärker in gleichem Maße mitregelt, sorgt dafür, daß Unterschiede in der Entfernung zwischen Laserquelle und Erapfangsanordnung nicht zum Tragen kommen. Dies ist insbesondere wichtig, im Fall von gesteuerten fahrbaren Arbeitsmaschinen, da hierdurch unter anderem eine Sättigung der Verstärker im Nahfeld der Laserquelle verhindert wird.

11 Patentansprüche 2 Figuren

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Claims

Patentansprüche

j 1. !Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen ^- oder Verformungen mit Hilfe eines in einer Ebene schräg zur Verschiebungsrichtung (Meßrichtung) aufgefächerten, vorzugsweise modulierten Laserstrahls und einer am Meßobjekt angebrachten Fotoempfängereinriehtung, dadurch gekennzeichnet , daß der von einem fest aufgestellten laser .ausgehende laserstrahl (3) auf eine sich im wesentlichen in Meßrichtung erstreckende bei der Verschiebung oder Verformung mitbewegte Meß-Fotozelle (2) gerichtet ist, deren absolute Empfindlichkeit sich in Lleßrichtung streng monoton ändert.
2. Anordnung nach Anspruch !,dadurch gekennzeichnet , daß die :-"<■■:■■ Moß-Fotozelle eine fotoempfindliche Fläche enthält, deren Breite von einem Ende der Zelle zum anderen zunimmt.
3. Anordnung nach Anspruch 2,dadurch gekennzeichnet , daß die Verbreiterung der fotoempfindlichen Fläche derart nichtlinear erfolgt, daß sich das von der Fotozelle abgegebene Ausgangssignal linear mit der relativen Verschiebung dea Strahlfächers ändert.
4. Anordnung nach Anspruch 1, d a d u r c h gekennzeichnet , daß einer Fotozelle mit rechteckförmiger fotoempfindlicher Fläche ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Durchlässigkeit sich in Meßrichtung streng monoton ändert.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß dao Filter ein Abaorptionsfilter mit im v/esentliehen keilförmig zunehmender Dicke ist.

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6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 "bis 5, dadurch

g e-Xk ennzeichnet , daß die Fotoempfängereinrichtung eine im wesentlichen parallel zur Meß-Fotozelle (2) angeordnete Vergleichsfotozelle (1) mit in Längsrichtung konstanter absoluter. Empfindlichkeit enthält, und daß "beide Fotozellen auf einen Differenzverstärker (5) geschaltet sind.
7. Anordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeic h— net, daß der Vergleichsfotozelle ein automatisch geregelter Verstärker (V.,) nachgeschaltet ist, der unabhängig vom Eingangssignal ein konstantes Ausgangssignal erzeugt und einen der Meß-Fotozelle nachgeschalteten Verstärker (V₂) im gleichen Ilaße mitregelt.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß an den Ausgang der Potoempfängereinrichtung ein Schreiber (6) angeschlossen ist.
d. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß einer vorzugsweise parallel ;:ur ersten Heß-Fotozelle angeordneten zweiten Meß-Fotozelle, deren absolute Empfindlichkeit sich in Meßrichtung gleichsinnig zur Empfindlichkeit der ersten Meß-Fotozelle ändert, und der ersten Heß-Fotozelle ein eigener Differenzverstärker nachgeschaltet ist.
10. Anordnung zur Proportionalsteuerung von insbesondere fahr.-baren Arbeitsmaschinen nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß zwei I.Ieß-Fotozellen (12,13), deren absolute Empfindlichkeit sich in Lleßrichtung streng monoton ändert, so in Meßrichtung hintereinander angeordnet sind, daß sich die Empfindlichkeit von der Mitte auc zu den beiden Enden der Anordnung gleichartig ändert.

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11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet , daß bei Vorhandensein einer Vergleichsfotozelle (11) diese sich über die gesamte länge der aus den beiden Meß-Fotozellen (12,13) bestehenden Anordnung erstreckt.

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