DE2154820C3 - Optoelektrische Meßeinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine optoeiektrische Meßeinrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Eine derartige Meßvorrichtung ist aus der DT-AS 97 524 bekannt, die eine Anordnung zur Kompensation des Einflusses einer veränderlichen Fremdstrahlungsquelle auf eine Meß- oder Steuerstrecke beschreibt und die mit einem zweiten Strahlungsempfänger arbeitet, der zusammen mit einem Nutzstrahlungsempfänger durch die Fremdstrahlungsquelle gemeinsam beaufschlagt wird. Die beiden Strahlungsempfänger werden noch von einer zusätzlichen Strahlungsquelle mitbeaufschlagt, wobei die von dieser Strahlungsquelle erzeugte Strahlung gegenüber dem zweiten Strahlungsempfänger abgeschirmt ist und mit dessen Ausgangsstrom ausschließlich von der sich ändernden Fremdstrahlung der Fremdstrahlungsquelle abhängig ist. Der zweite Strahlungsempfänger steuert über eine Verstärkeranordnung mit reziproker Charakteristik die Intensität der zusätzlichen Strahlungsquelle derart, daß ihre abgegebene Strahlung zusammen mit der veränderliehen Fremdstrahlung einen konstanten Wert annimmt. Die von der Nutzstrahlungsquelle ausgehende Strahlung stellt dann den einzig veränderlichen Strahlungswert dar, der den Nutzstrahlungsempfänger in der gewünschten Weise ungestört betätigen kann. Bei dieser bekannten Vorrichtung wird somit die Strahlung einer zweiten Strahlungsquelle und einer Fremdstrahlungsquelle konstant gehalten. Es ist bei dieser Vorrichtung nicht möglich, den zweiten Strahlungsempfänger wegzulassen, da dann die Ausschaltung von Fremdlichteinflüssen bei einer Fremdlichteinstrahlung, die sehr viel stärker als das Meßlicht ist, nicht mehr gewährleistet ist, da keine Maßnahmen vorgesehen sind, die es ermöglichen, den Arbeitspunkt des dann einzigen

Strahlungsempfängers stabil zu halten.

Die Zerlegung eines Strahlenbündels einer einzigen Strahlenquelle in einen Meß- und einen Referenzstrahl mittels eines Zerhackers, der öffnungen mit unterschiedlichen radialen Abständen von der Mitte aufweist, s ist in der US-PS 25 48 755 beschrieben. In dieser Anordnung wird mit Hilfe eines Regelkreises eine gemeinsame Regelung der MeB- und Referenzstrahlung durchgeführt Die Trennung des Referenzsignals vom Meßsignal erfolgt nach deren zeitlicher Aufeinanderfolge, wobei beide die gleiche Frequenz besitzen und sich lediglich durch ihre Phasenlage voneinander unterscheiden.

Zur Erzeugung des von der Nutzstrahlung abgeleiteten Referenzstrahlbündels ist eine aufwendige Kombination von optischen und feinmechanischen Bauteilen, beispielsweise Linsen und Schlitzblenden, erforderlich, was den Einsatz einer solchen Einrichtung an ständig laufenden Produktionsmaschinen problematisch macht. Fremdlichteinflüsse auf die eigentliche Meßstrecke zwischen dem Lichtmodulator und dem Empfänger können bei dieser bekannten Vorrichtung nicht ausgeregelt werden, da die hierzu erforderliche proportionale Amplitudenveränderung des am Ausgang des Verstärkers anstehenden, vom Referenzstrahl abgeleiteten Steuerimpuls nicht erfolgt. Vielmehr wird bei Auftreten einer Gleichlichtstörung der Arbeiupunkt des Empfängers im Verhältnis zur Störgröße verschoben, ohne daß eine Nachregelung der Lichtquelle eingeleitet wird.

Aus der DT-OS 16 23 778 ist ferner die Verwendung von Lichtleitern in Wechsellichtschranken bekannt, bei der die Lichtstrahlung einer Halbleiterlumineszenzdiode als Sender über mehrere Lichtleitstäbe an verschiedene Meßstellen herangeführt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine optoelektrische Meßeinrichtung der eingangs beschriebenen Art zur Kompensation des Einflusses von Fremdlicht derart zu verbessern, daß die veränderlichen Fremdlichteinflüsse ohne Verlust an Meßempfindlichkeit und ohne Auftreten eines Meßfehlers auch bei großen Schwankungen der Intensität und eines Einfalls des Fremdlichtes aus allen Richtungen kompensiert werden können, ohne daß darunter die Stabilität der Messung leidet.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs t angeführten Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Die Erfindung weist die Vorteile auf, daß über Meßstrecken von einigen Metern Länge eine genaue fotoelektrische Abtastung von Gegenständen im Hinblick auf Längenänderungen bis zu Bruchteilen eines Millimeters erreicht wird und daß mit nur einem einzigen Fotoempfänger, d. h. mit konstruktiv geringem Aufwand, eine völlige Fremdlichtunabhängigkeit und die für die optoelektrische Meßeinrichtung erforderliche Langzeitstabilität durch das Festhalten des Arbeitspunktes im linearen Bereich der Kennlinie des Fotoempfängers erzielt werden.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zeichnerisch dargestellten Ausführungsbeispielen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 ein schematisches Blockschaltbild einer Ausführungsform der optoelektrischen Meßeinrichtung,

Fig.2 in einer Kennlinie die Abhängigkeit der Ausgangsspannung des Fotoempfängers von dem auf den Fotoempfänger auftreffenden Licht und

F i g. 3 und 4 schematische Blockschaltbilder von zwei weiteren Ausführungsformen der optoelektrischen Meßeinrichtung.

Ein Ausführungsbeispiel einer IL'htelektrischen Abtasteinrichtung gemäß der Erfindung wird nunmehr anhand des in F i g. 1 dargestellten Blockschaltbildes beschrieben. Das von einer Strahlungsquelle 1, die von einem Netzgerät 2 mit stabilisiertem Gleichstrom versorgt wird, abgestrahlte Licht wird in einem Lichtmodulator, beispielsweise einer Lochblende 3. in Wechsellicht umgewandelt, dessen Frequenz von der Drehzahl eines die Lochblende antreibenden Synchronmotors 4 und der Anzahl der in der Lochblende 3 enthaltenen Löcher oder Schlitze abhängt und in unserem Beispiel 1200 Hz beträgt

Das Wechsellicht gelangt von der Lichtaustrittsöffnung 5 des Lichtmodulators über eine Meßstrecke 6, deren Länge beispielsweise mehr als fünf Meter betragen kann, in eine Lichteintrittsöffnung 7 einer Detektoreinheit 8. Diese besteht aus einem lichtundurchlässigen Gehäuse 9, in dem ein Fotoempfänger 10 und eine Hilfsstrahlungsquelle Il untergebracht sind. Von der Lichteintrittsöffnung aus wird der Wechsellichtmeßstrahl direkt auf den Fotoempfänger 10 geleitet, wo er in ein elektrisches Meßsignal der gleichen Frequenz von beispielsweise 1200 Hz umgewandelt wird. Gleichzeitig beaufschlagt auch das durch die Lichteintrittsöffnung 7 gelangende Störlicht den Fotoempfänger 10. Da das Störlicht hauptsächlich aus der Grundhelligkeit der Umgebung der Meßstrecke besteht, erzeugt es am Ausgang des Fotoempfängers 10 eine der Störlichtstärke entsprechende Gleichspannung.

Anhand von F i g. 2 wird der Einfluß des Störlichts auf die Meßlichtumwandlung erläutert. Das wegen der großen Entfernung zwischen Sender und Empfänger mit äußerst geringer Leistung auf den Fotoempfänger

10 auftreffende Wechselmeßlicht 12 wird für alle Betrachtungsfälle mit gleicher Amplitude angenommen. Bei völliger Dunkelheit der Umgebung stellt sich auf der Kennlinie des Fotoempfängers 10 ein Arbeitspunkt 13 ein. Wirkt jedoch zusätzlich Störlicht auf den Fotoempfänger ein, so wird der Arbeitspunkt je nach der Stärke des Störlichtes mehr oder weniger auf der Kennlinie verschoben, beispielsweise für Störlichtstärken 14, 15 oder 16 in Kennlinienpunkte 17, 18 oder 19. Alle Arbeitspunkte 13,17,18 und 19 liegen hierbei jeweils in verschiedenen Steilheitsbereichen der Kennlinie, so daß die bei den verschiedenen Betriebsbedingungen am Ausgang des Fotoempfängers 10 anstehenden Wechselspannungen 20, 21, 22 und 23 jeweils unterschiedliche Amplituden aufweisen, obwohl das auf den Fotoempfänger auffallende Wechsellicht 12 bei allen betrachteten Betriebsfällen die gleiche Amplitude besitzt.

Die Verschiebung des Arbeitspunktes und damit die Beeinträchtigung der Ausgangswechselspannung wird durch Anwendung der aus einem Regelverstärker 24, einer einstellbaren Vergleichsspannungsquelle 25 und der Hilfsstrahlungsquelle 1 bestehenden Stabilisierungsschaltung vermieden. Das von der Hilfsstrahlungsquelle

11 ausgestrahlte Gleichlicht gelangt zusammen mit dem Meßlicht und dem Störlicht auf den Fotoempfänger 10 und verschiebt den Arbeitspunkt weiter nach oben. Die Helligkeit der Hilfsstrahlungsquelle 11 wird am Sollwerteinsteller der Vergleichsspannungsquelle 25 so eingestellt, daß die gesamte auf den Fotoempfänger 10 treffende Lichtmenge 26 auf jeden Fall größer ist als diejenige bei stärkster Störlichteinstrahlung 16 und ausreicht, einen zusehcrisen Arbcitscunkt 27 irr.

linearen Bereich der Kennlinie zu halten. Hierbei entsteht am Fotoempfänger eine Ausgangssignalspannung 28 mit optimaler Amplitude, und außerdem liegt am Fotoempfängerausgang ein mittlerer Gleichspannungsanteil 29 an, der als Istwert auf den Regelverstär- s ker 24 gegeben wird. Steigt beispielsweise die Störlichtmenge plötzlich stark an, so zeigt der Fotoempfänger 10 das Bestreben, einen entsprechend höher liegenden Arbeitspunkt einzunehmen, wobei auch die Ausgangsgleichspannung ansteigen muß. Ein Ansteigen dieser Spannung, die als Istwertrückführung auf den Eingang (—) des Regelverstärkers 24 geleitet wird, über den an der Vergleichsspannungsquelle 25 eingestellten Sollwert, hat jedoch eine Herabregelung der Helligkeit der Hilfsstrahlungsquelle 11 zur Folge, bis etwa der Ausgangswert der auf den Fotoempfänger 10 auftreffenden Gesamtlichtmenge wieder erreicht ist. Der Arbeitspunkt bleibt somit zwangsweise im Bereich des Ausgangswertes 27 stabilisiert.

Das eigentliche Meßsignal, das ist der Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannung des Fotoempfängers 10, gelangt über einen Kopplungskondensator 30 auf den Eingang eines Resonanzverstärkers 31, in welchem es auf eine ausreichende Höhe selektiv verstärkt wird. Zur weiteren Verarbeitung wird das zs Meßsignal in an sich bekannter Weise beispielsweise in einem phasenempfindlichen Gleichrichter 32 gleichgerichtet. Die hierzu erforderliche Schaltspannung wird mit Hilfe eines Polrades 33, das mit einer Antriebswelle des Lichtmodulators gekoppelt ist, in einem induktiven Aufnehmer 34, in dem auch die Phasenlage eingestellt werden kann, erzeugt und in einem Verstärker 35 verstärkt. Selbstverständlich kann die Schaltspannung auch auf jede andere Weise als auf optischem Wege gewonnen werden.

Entsprechend dem Beispiel wird mit Hilfe der optoelektrischen Meßeinrichtung ein vorwählbarer Mindestabstand zweier Werkstücke 36 und 37 eingehalten. Hierzu wird das im Gleichrichter 32 gleichgerichtete Meßsignal einer Schaltstufe 38 zugeführt, von deren als Starkstromrelais- oder Leistungshalbleiterstufe aufgebautem Ausgangskreis eine Verstellvorrichtung für das eine Werkzeug gesteuert wird. Verringert sich der Abstand zwischen den Werkstücken 36 und 37 unter einen minimalen Sollwert, so wird über die Schaltstufe 38 die Verstellvorrichtung eingeschaltet und das Werkstück 37 so weit abgehoben, bis der vorgegebene Abstand der Werkstücke 36, 37 voneinander der Ausgangslage entspricht. Mit einer nach dem Beispiel ausgeführten Einrichtung konnte bei einer Entfernung zwischen Sende- und Empfangsstelle von 5 bis 6 Metern der eingestellte Mindestabstand mit einer Genauigkeit von etwa ±0,1 mm eingehalten werden. Die erreichte Schalthysterese betrug dabei rund 0,2 mm. Helligkeitsunterschiede zwischen Tages- und Nachtlicht sowie Ab- oder Einschalten von Deckenleuchten usw. hatten auf die Arbeitsweise keinen Einfluß.

Soll die Nachregelung des Werkzeugabstandes kontinuierlich erfolgen, so kann das gleichgerichtete Meßsignal nach ausreichender Leistungsverstärkung im Verstärker 39 auch direkt einem geeigneten Servomotor für die Nachregelung zugeführt werden.

Eine laufende Kontrolle des genauen Abstandes der Werkzeuge voneinander kann beispielsweise mit Hilfe einer Anzeigestufe 40 erfolgen.

Ist das Problem zu lösen, einen möglichst kleinen Abstand der Werkzeuge voneinander konstant zu halten und ist an der Arbeitsmaschine nur sehr wenig Platz zur Montage der Sende- und Empfangseinrichtung vorhanden, so können sowohl für die Sende- als auch für die Empfangsseite in F i g. 3 eingezeichnete Lichtleitkabel 41 und 42 verwendet werden. Damit können in der Nähe der Meßs'.recke Sende- und Empfangsköpfe 43 und 44 mit äußerst kleinen Abmessungen von nur wenigen Millimetern Durchmesser aufgebaut werden.

Die optoelektrische Meßeinrichtung kann auf den verschiedensten Gebieten eingesetzt werden. Besonders hervorzuheben sind dabei die Messung des Reflexionsvermögens von Folien oder Papier auf dem reprographischen Sektor, die Messung und Steuerung des Walzenspalts von Verarbeitungsmaschinen, die Messung und Steuerung des Abstandes eines Folienwik kels von einer Umlenkrolle, die Messung von kritischer Oberflächenqualitäten von Werkstücken, insbesondere zum Erfassen von Oberflächenfehlern und dergleichen.

Ein besonderer Vorteil der im Beispiel aufgeführter Einrichtung liegt in der Verwendbarkeit einfacher und robuster optischer Bauteile. So kann sowohl dei Abstrahlwinkel des Senders als auch der Einfallwinke des Empfängers etwa 20 bis 30° betragen. Dadurch isi eine sehr einfache Ausrichtbarkeit zwischen Sende- unc Empfangskopf gegeben.

Der mit einem elektromechanischen Zerhackei zusammenarbeitende, aufgebaute Sender kann selbst verständlich auch durch andere Wechsellichtqueller ausreichender Leistung ersetzt werden. Beispielsweise kann der Sender auch, wie in Fig.4 ersichtlich aufgebaut werden. Eine Lumineszenzdiode 45 wire dabei von einem Leistungsgenerator 46 mit Wechsel strom der Frequenz von beispielsweise 1200Hs gespeist und sendet direkt das modulierte Meßlicht aus Vom Leistungsgenerator 46 wird hierbei ebenfalls aucf die für den Signalgleichrichter 32 erforderliche Schalt spannung abgegriffen.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (11)

Patentansprüche:

1. Optoelektrische Meßeinrichtung, bei der die Intensität einer Strahlung durch eine Meßgröße innerhalb einer von einer Strahlungsquelle und einem Fotoempfänger gebildeten Meßstrecke veränderbar ist, mit einer auf den Fotoempfänger einwirkenden, in Abhängigkeit von Störstrahlen über einen Regelverstärker regelbaren Hilfsstrahlungsqueile zur Kompensation des Einflusses der Störstrahlung, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Strahlungsquelle (1; 45) ausgehende Strahlung vor dem Eintritt in die Meßstrecke in an sich bekannter Weise periodisch moduliert ist, daß für den Empfang der Strahlung der Strahlungs- und der Hilfsstrahlungsquelle (1; 45 bzw. 11) sowie der Störstrahlung lediglich der eine Fotoempfänger (10) vorgesehen ist, daß der Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannung des Fotoempfängers (10) einer Verstellvorrichtung zuführbar ist, und daß der Gleichspannungsanteil der Ausgangsspannung des Fotoempfängers (10) an den Istwerteingang des Regelverstärkers (24) gelegt ist, dessen Sollwerteingang mit einer Vergleichsspannungsquelle (25) verbunden ist und dessen Ausgang die Hilfsstrahlungsquelle (U) derart speist, daß der Gleichspannungsanteil der Ausgangsspannung des Fotoempfängers (10) stabilisiert ist.

2. Optoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Wechselspannungsanteil der Ausgangsspannung des Fotoempfängers (10) über einen Kopplungskondensator (30), einen Resonanzverstärker (31) sowie einen phasengesteuerten Gleichrichter (32) einem Schaltkreis (38) oder einem Verstärker (33) zur Betätigung der Verstellvorrichtung für eines von zwei in der Meß- und/oder Steuerstrecke (6) befindlichen Werkstücken (36,37) zuführbar is«.

3. Optoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungsquelle (1) und die Hilfsstrahlungsquelle (U) elektrische Glühlampen sind und der Fotoempfänger (10) ein Fototransistor ist.

4. Optoelektrische Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Netzspannung für die Strahlungsquelle (1) stabilisiert ist und daß zur Erzeugung der periodisch modulierten Wechselstrahlung aus der konstanten netzstabilisierten Strahlung als Lichtmodulator (3) ein mechanischer Zerhacker im Strahleneingang der Strahlungsquelle vorgesehen ist.

5. Optoelektrische Meßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der mechanische Zerhacker eine durch einen Synchronmotor (4) gleichmäßig angetriebene Lochblende (3) ist.

6. Optoelektrische Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung der periodisch modulierten Wechselstrahlung als Strahlungsquelle eine Leuchtdiode (45) vorgesehen ist, die an einen Generator (46) angeschlossen ist, der den Wechselstrom der gewünschten Modulationsfrequenz liefert.

7. Optoelektrische Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der phasengesteuerte Gleichrichter (32) über einen Verstärker (35) mit einer induktiven Abtasteinrichtung (34) verbunden ist, welche die Modulationsfrequenz der Meßstrahlung abtastet und das aufgenommene Steuersignal dem Gleichrichter (32) zur phasengesteuerten Gleichrichtung des von dem Fotoempfäiiger (10) über den Kopplungskondensator (30) und dem Resonanzverstärker (31) empfangenen Meßsignals zuführt.

8. Optoelektrische Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtleiteinrichtung (41) eine Lichtaustrittsöffnung (5) für die modulierte Wechselstrahlung mit einem am Anfang der Meßstrecke (6) angeordneten Sendekopf (43) verbindet

9. Optoelektrische Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Lichtleiteinrichtung (42) einen Empfangskopf (44) am Ende der Meßstrecke (6) mit einer Eintrittsöffnung (7) einer Detektoreinheit (8) verbindet, die den Fotoempfänger (10) und die Hilfsstrahlungsquelle (11) enthält.

10. Optoelektrische Meßeinrichtung nach den Ansprüchen 8 und 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtleiteinrichtungen (41, 42) aus Lichtleitkabeln bestehen.

11. Optoelektrische Meßeinrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der dem Gleichrichter (32) nachgeschaltete Verstärker (39) zur Signalverstärkung des Steuersignals direkt einen Servomotor für die kontinuierliche Nachregelung des Werkstückes (36 oder 37) bzw. der Werkstücke (36,37) steuert.