DE2434829A1

DE2434829A1 - Lichtelektronische laengenmessvorrichtung

Info

Publication number: DE2434829A1
Application number: DE2434829A
Authority: DE
Inventors: Juergen Erdmann
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1974-07-19
Filing date: 1974-07-19
Publication date: 1976-01-29
Also published as: FR2279067A1; DE2434829B2; IT1041310B; SE7507584L; US4025796A; DE2434829C3; GB1498227A; SE402974B; FR2279067B1

Description

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PATENTANWÄLTE

HELMUT SCHROETER KLAUS LEHMANN

DIPL.-PHYS. DIPL.-INC.

Firma

Erwin Sick, Optik-Elektronik . si-18

18. 7. 1974 S/Ff

Lichtelektronische Längenme3vorrichtung

Die Erfindung bezieht sich auf eine lichtelektronische Vorrichtung der im Oberbegriff von Anspruch 1 genannten Art.

Wird ein Abtastlichtbündel zur Längenmeßung durch Abtasten eines Gegenstandes verwendet, so besteht eine Schwierigkeit darin, daß das Abtastlichtbündel für die gewünschte Genauigkeit mit optischen Mitteln nicht schlank genug gemacht werden kann. Dieser Nachteil macht sich mit zunehmender Entfernung des Gegenstandes von der Lichtquelle zunehmend bemerkbar. Durch die Erfindung soll daher.eine Vorrichtung geschaffen werden, die einen Grenzwertschalter veranlaßt, umzuschalten, wenn das Lichtbündel von dem Gegenstand gerade zur Hälfte abgedunkelt oder zur Hälfte wieder freigegeben ' ist..Dieses ließe sich verhältnismäßig einfach mit Hilfe eines Grenzwertschalters mit hochkonstanter Schaltschwelle durchführen, wenn der Lichtstrom des nicht abgedunkelten Abtastlichtbündels immer konstant bliebe. Hiermit kann man jedoch nicht rechnen, da die Helligkeit der Lichtquelle sich' im Laufe der Zeit ändert und optische Mittel, wie Drehspiegel, Reflektor und Lichtaustrittsfenster des Gerätes

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verschmutzen können. Sin Grenzwertschalter mit hochkonstanter S ehalt schwel Ie xuürde dann zwar immer bei einer bestimmten Größe des Lichts trcmes umschalten. Dieser ürns ehalt Zeitpunkt würde aber nicht mehr mit der Mitte des Abtastlichtbündels zusammen fallen. Das Zusammenfallen mit der Lichtbündelmitte ist aber unbedingt erforderlich, da sonst die Länge des Gegenstandes als zu groß oder zu klein gemessen wird.

Durch die Erfindung muß also weiterhin erreicht werden, daß unabhängig- von der absoluten Größe des Lichtstroms des Abtastlichtbündels immer dann geschaltet wird, wenn gerade die Hälfte des Abtastlichtbündels vom Gegenstand abgedunkelt oder X'/ieder freigegeben ist. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer lichtelektronischen Vorrichtung entsprechend dem Oberbegriff von Anspruch 1 durch die Merkmale des Kennzeichens von Anspruch 1 gelöst.

Beim Abdunkeln und beim Aufhellen des Lichtbündels ergeben sich mindestens annähernd linear abfallende beziehungsweise ansteigende Planken des Lichtstromsignals. Infolgedessen erhält man Differentialquotienten,-die während der Zeiten des Abdunkeins und Aufhellens mindestens annähernd konstante Größen beibehalten. Einen bestimmten Gegenstand in bestimmter Lage im Abtastfeld vorausgesetzt, ist die Zeit, die benötigt wird, damit das Lichtbündel vollständig abgedunkelt und vollständig wieder aufgehellt wird, immer die gleiche unabhängig von der absoluten Größe des Lichtstromes. Die Planken des Lichtstromsignals sind aber mehr oder weniger steil, je nachdem, ob das Lichtstromsignal von einem größeren oder kleineren Absolutwert auf null abfällt. Infolgedessen sind auch die Differentialquotienten unterschiedlich groß. Damit hat man durch die Größe der Differentialquotienten ein Maß für die Größe des Lichtstromes des nicht abgedunkelten Abtastlichtbündels.

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Durch geeignete Wahl eines einstellbaren Paktors, mit dem der Differentialquotient multipliziert wird, läßt sich bei einem Vergleich mit dem Lichtstromsignal nun erreichen, daß das Produkt aus dem Differentialquotienten und dem Faktor bei halber Abdunkelung oder Aufhellung des Abtastlichtbündels gerade die Größe des halben Lichtstromes hat. Der als Grenzwertschalter wirkende Komparator schaltet also immer bei Erreichen der halben Größe des Liehtstromes um, unabhängig von dem Absolutwert des nicht abgedunkelten Abtastlichtbündels.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wir im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben»

Figur 1 ist eine schematisierte, perspektivische Darstellung einer lichtelektronischen Vorrichtung zur Längenmessung unter Verwendung eines bekannten Lichtvorhanges.

Figur 2 bis 7 sind Darstellungen des zeitlichen Verlaufs von Signalen und

Figur 8 ist, stark schematisiert, derjenige Teil der

Schaltung, der für das Umschalten bei halbaufgeheiltem oder halbabgedunkeltem Bündel sorgt.

Bei der Langenmeßvorrichtung nach Figur 1 wird von einer Lichtquelle 2 durch lichtoptische Mittel 4 wie Sammellinsen, einen Umlenkspiegel und Blenden ein schlankes Lichtbündel erzeugt, das auf einen Drehspiegel 6 fällt. Die reflektierende Stelle des Drehspiegels 6 befindet sich mindestens annähernd in der Brennachse eines zylindrischen Parabolspiegels 8. Das ■den Parabolspiegel verlassende Lichtbündel 10 hat eine sehr

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geringe Höhe h und eine dem gegenüber relativ große Breite. Von diesem Lichtbündel fällt ein Teil IQ.2, der kreuzweise schraffiert ist,auf einen lotrechten Rastermaßstab 12, der abwechselnd reflektierende und absorbierende sehr feine Streifen trägt, die quer zu seiner Längsrichtung verlaufen.

Ein weiterer Teil 10.1 des Lichtbündels tritt durch ein Lichtaustrittsfenster IH- des Gerätes in den Meßraum 16 ein, an dessen hinterem Ende ein Reflektor 18 fest angebracht ist. "Von diesem wird das Abtastlichtbündel 10.1 in sich selbst gegen den Parabolspiegel 8 zurückreflektiert. Es verläuft von hier zurück über den Drehspiegel 6 zu einem halbdurchlässigen Umlenkspiegel 20,- der es auf einen lichtelektrischen Wandler 21 wirft.

Von den spiegelnden Stellen des Rasters 12 wird das Lichtbündel· 10.2 in sich selbst zurückgeworfen. Es läuft ebenfalls zurück über den Drehspiegel 6 und wird vom Spiegel 20 umgeienkt, und auf einen lichtelektrischen Wandler 22 geworfen.

Im Meßraum 16 ist fest ein Gegenstand 26 angebracht, dessen Höhe h gemessen werden soll.

Bei umlaufendem Drehspiegel 6 wird das Abtastlichtbündel 10.1, zum Beipiel von unten nach oben, durch den Meßraum 16 bewegt. Hierbei entsteht am lichtelektrischen Wandler 21 ein Ausgangssignal in Form eines Stromes I,, das in Figur 2 dargeste^t ist. Dieses Aus gangs signal· hat seine vo^e Höhe I , sol·ange sich das Abtastlichtbündel 10.1 außerhalb des Gegenstandes befindet. Bei der Abdunkelung des Lichtbündels durch den unteren Rand des Gegenstandes ergibt sich eine auf nuil· abfallende Flanke j50 des Signals. Das Signal bleibt dann null,

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solange der Gegenstand 26 verhindert, daß das Lichtbündel vom Reflektor 8 zurückgeworfen wird. Das geringe vom Gegenstand 26 ausgehende Streulicht kann hier vernachlässigt werden. Während das Lichtbündel 10.1 am oberen Rande des Gegenstandes wieder freigegeben wird, ergibt sich eine ansteigende Planke 32 des Signals I,.

Während dieses Vorganges wird von dem Lichtbündel 10.2 der Rastermaßstab 12 abgetastet, der in Wirklichkeit viel feiner geteilt ist, als in der Zeichnung hier darstellbar ist. Vorn lichtelektrisehen Wandler 22 wird ein Signal in Gestalt eines Stromes Ip abgegeben, das in Figur 3 vereinfacht, nämlich mit zu großen Impulsabständen, dargestellt ist.

Es muß nun durch eine logische Schaltung ermittelt werden, wieviel Rasterimpulse (Figur 3) auf die Zeit T entfallen, die vom Abdunkeln genau der Hälfte des Lichtbündels bis zum Aufhellen, genau der Hälfte des Lichtbündels verfließt. Die Anzahl der Impulse innerhalb des Zeitraumes T ist dann ein Maß für die gemessene Länge, nämlich die Höhe h des Gegenstandes 26. Das Abzählen derartiger Impulse innerhalb einer vorgegebenen Zeit ist an sich bekannt und wird nicht im einzelnen beschrieben. •Dagegen wird im folgenden eine in Figur 8 dargestellte Schaltung beschrieben, durch die Schaltschwellen in der Mitte der Flanken 30 und, 32 unabhängig von der absoluten Größe des Lichtstromes mit hoher Genauigkeit eingehalten werden können.

Vom lichtelektrischen Wandler 21 wird der Ausgangsstrom I₁ einem Strom-Spannungs-Wandler 3^ zugeführt. Dessen Ausgangssignal U-,, das dem Strom I-, und damit dem zurückkehrenden Lichtstrom des Abtastlichtbündels 10.1 proportional ist, wi-rd einem Differenzierglied 36 zugeführt. Das Signal U-, ist in Figur 4 dargestellt. Seine Form entspricht der des Signals I,. Das Signal hat ebenfalls eine abfallende' Flanke 30 und eine ansteigende Flanke 32. Es hat sich gezeigt, daß die Flanken

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für die hiesige Anwendung ausreichend linear abfallen, so daß sich Differential^
ergeben (Figur 5)·

dUi
sich Differentialquotienten —-=- nach Art von Rechteckimpulsen

Die Signale nach Figur 5 werden einem Zweiweg-Gleichrichter 38 zugeführt, der alle Impulse des Differentialquotienten positiv macht (Figur 6). Das gleichgerichtete Signal nach Figur 6, das hier mit U-, bezeichnet ist, wird über ein noch zu beschreibendes Summierglied 4-1 einem als Grenzwer tschalt er mit hochkonstanter Schaltschwelle wirkenden Komparator 40 zugeführt. Einem zweiten Eingang dieses Koniparators wird das Signal U-, vom Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers j54- her zugeführt. Der Komparator gibt ein Ausgangssignal Uh ab, das sich abrupt ändert, wenn die Größe der Spannung U-, von hohen oder niedrigen Spannungswerten her gerade die Größe der Spannung erreicht hat, die dem in Figur 8 oberen Eingang des Komparators 4-0 zugeführt wird. Die Schaltspannung soll mit hoher Genauigkeit die Größe von ■—■ (Figur 4-) haben.

Unabhängig davon muß verhindert werden, daß der Komparator 40 dann ein Signal abgibt, wenn seine beiden Eingangssignale null sind. Zu diesem Zweck wird ihm eine Grundspannung U über einen Festwiderstand 42 zugeführt. Diese Grundspannung wird im Summierglied 4-1 addiert zu einer Spannung U^ ρ T , d. h. einem Teil der Spannung U^ , der an einem-Potentiometer 44· abgegriffen wird.. Genauer gesagt addieren sich die Ströme aus beiden Zweigen in einem Festwiderstand 46. An dem in Figur 8 oberen Ende dieses Widerstandes wird die gewünschte Summenspannung für den oberen Eingang des Komparators 40 abgegriffen.

T bedeutet die für jeden Gegenstand konstante Abtastzeit, die zwischen halber Abdunkelung und halber Aufhellung des Abtastlichtbündels verfließt (Figur 2 und 7), und ρ ist ein am Potentiometer 4-4 einstellbarer Faktor.

Es ist nun erforderlich, die Summe der Signale U und U, pT gerade so groß zu machen, daß die Maxima m (Figur 7) immer gerade die Größe ·,£- haben. Dies wird durch entsprechende

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Einstellung des Potentiometers 44 erreicht. Hat man diese Einstellung einmal gefunden, so gilt sie unabhängig von der sich durch Alterung und Verschmutzung ändernden absoluten Größe des Lichtstromes und der sich proportional ändernden Spannung U . Der Komparator schaltet genau bei Erreichen der halben Flankenhöhe um, d. h. also genau bei Abdunkelung oder Aufhellung der Hälfte des Abtastlichtbündels 10.1, so daß sich zwischen beiden Zeitpunkten die Zeit T ergibt. Es kann nun in bekannter V/eise mit dem Ausgang des lichtelektrischen Wandlers 22 verglichen werden, d. h. mit der Zahl der in der Zeit T aufgetretenen Rasterimpulse, wodurch sich die gemessene Länge ergibt.

In Formeln ausgedrückt, wird vom Komparator 40 umgeschaltet, wenn folgende Bedingung erfüllt ist, wobei zunächst noch die Grundschwellenspannung U vernachlässigt wird:

₁ U_n

P i

dt

Der Differentialquotient -^- wird also mit einem Faktor ρ T multipliziert, wobei dieser Faktor so zu wählen ist, daß das Produkt gerade die Größe ^⁰- hat.

Vervollständigt man diese Formel, so daß sie auch die Grundschwellenspannung U berücksichtigt, so lautet sie:

^dUl ' . _TT ^Uo

dt

P T + U„

Die Erfindung wurde anhand eines Längenmeßgerätes beschrieben, das mit einem Vergleichsraster 12 arbeitet. Der eigentliche Kern der Erfindung, nämlich die Ermittlung eines Umschaltzeitpunktes dann, wenn ein Lichtbündel gerade zur Hälfte abgedunkelt oder aufgehellt ist, ist aber auch anwendbar,.wenn ein derartiger

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Raster nicht verwendet wird, sondern zum Beispiel eine Analog-Längenmessung durchgeführt wird.

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Claims

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18. 7

S/Ff

PATENTANSPRÜCHE

Lichtelektronische Vorrichtung zur Messung einer Länge eines Gegenstandes mit Hilfe eines schlanken Abtastlichtbündels, das vom Gegenstand abgedunkelt aber zeitlich vor und nach dein Abtasten des Gegenstandes auf einen lichtelektrischen Wandler fällt, dadurch gekennzei chnet, daß zur Ermittlung von Schaltzeitpunkten bei halber Abdunkelung und halber Aufhellung des Lichtbündeis, unabhängig vom Absolutwert des Lichtstromes des nicht abgedunkelten Abtastlichtbündels (10.1) eine Schaltung (Figur 8) vorgesehen ist, die ein vom lichtelektrischen Wandler (21) herrührendes Signal, dessen Größe dem Lichtstrom proportional ist (Lichtstromsignal U-, ) über die Zeit differenziert (Differenzierglied ~$6)₃ ein dem so gewonnenen Differentialquotienten 1 proportionales

dt

Signal gleichrichtet (Gleichrichter 38), mit einem einstellbaren Faktor (p T) multipliziert (Potentionmeter 44) und das so erhaltene Produkt und das Lichtstrorasignal (ti,) einem als Grenzwertschalter wirkenden Komparator (40) zuführt, dessen Ausgangssignal (U^) sich infolge entsprechender Wahl des Paktors (p T) abrupt ändert, wenn

da

Ji)','

Ergänzungsblatt zur Offenlegungsschrift 2 434 Offenlegungstag: 29.1.1976

Int.CI.2: G 01 B 11/02

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Diese Seite .ersetzt die unvollständig gedruckte Seite 9 der OS 24- 34- 829

PATENTANSPRÜCHE

Lichtelektronische Vorrichtung zur Messung einer Länge eines Gegenstandes mit Hilfe eines schlanken Abtastlichtbündels, das vom Gegenstand abgedunkelt aber zeitlich vor und nach dem Abtasten des Gegenstandes auf einen lichtelektrischen Wandler fällt, dadurch ' g.ekennzeichnet, daß zur Ermittlung von Schaltzeitpunkten bei halber Abdunkelung und halber Aufhellung des Lichtbündels, unabhängig vom Absolutwert des Lichtstromes des nicht abgedunkelten Abtastlichtbündels (10.1) eine Schaltung (Figur 8) vorgesehen 1st, die ein vorn lichteiektrischen Wandler (21) herrührendes Signal, dessen Größe dem Lichtstrom proportional ist (Lichtstromsignal U₁) über die Zeit differenziert (Differenzierglied 36), ein dem so gewonnenen Differentialquotienten ^α 1 proportionales

dt

Signal gleichrichtet (Gleichrichter 38), mit einem•einstellbaren Faktor (p T) multipliziert (Potentionmeter 4.4) und das so erhaltene Produkt und das Lichtstromsignal (U,) einem als' C-renzwertschalter wirkenden Komparator (40) zuführt, dessen Ausgangssignal (U^) sich infolge entsprechender Wahl des Faktors (p T) abrupt ändert, wenn

dU, U

ist, wobei mit U_Q das Lichtstromsignal des nicht abge-

" 9" H Q^¹O¹NAL !NSPECTlD

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dunkelten Abtastlichtbündels bezeichnet ist.
2. Vorrichtung· nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß in der Schaltung auf den lichtelektrischen Wandler (21) ein Strom-Spannungs-Wandler (j54) folgt, auf diesen ein Differenzierglied (36) und auf dieses ein Zweiweg-Gleichrichter (38), daß diesem ein Potentiometer (44) zur Einstellung des wählbaren Teils (p) des Faktors (p T ) nachgeschaltet ist, und daß die Ausgänge des Strom-Spannungs-Wandlers (3*0 und des Potentiometers (44) mit den Eingängen des !Comparators (4-0) verbunden sind.

3· Vorrichtung nach Anspruch 2., dadurch gekennzeichnet, daß in der Schaltung ein Summierglied (4l) vorgesehen ist, das zu einer der Eingangsgrößen (U-* PT) eine konstante, gegenüber U /2 kleine Spannung (U ) addiert, und daß der Paktor ρ Τ derart eingestellt

wird, daß

^dUl ^Uo

ΈΓ p^{t + u}s = 2^

bei der abrupten Änderung des Komparator-Ausgangssignals ist.