DE2434829C3

DE2434829C3 - Lichtelektronische Vorrichtung zur Messung der Länge oder Breite eines Gegenstands

Info

Publication number: DE2434829C3
Application number: DE2434829A
Authority: DE
Inventors: Juergen 7808 Waldkirch 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: 1978-11-09
Also published as: SE402974B; SE7507584L; FR2279067A1; FR2279067B1; DE2434829B2; US4025796A; IT1041310B; DE2434829A1; GB1498227A

Description

Differentialquotient in einem Gleichrichter

(38) in ein proportionales Signal (U3) gleichgerichtet und dieses mit einem an einem Potentiometer (44) einstellbaren Faktor (pT) multipliziert wird, sowie das so erhaltene Produkt (Us ■ P ■ T) ^und das Ausgangssignal (U\) des Strom-Spannungswandlers (34) einem als Grenzwertschalter wirkenden Komparator (40) zugeführt wird, wobei am Potentiometer (44) der Faktor (pT) derart eingestellt wird, daß zum Umschaltzeitpunkt des !Comparators (40), d. h. bei der abrupten Änderung des Komparator-AusgangssignalsfiA)

dU_t dt

45

ist, wobei Uo das Lichtstromsignal des nicht abgedunkelten Abtastlichtbühdels (10.1) ist.

2. Lichtelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Schaltung ein Summierglied (41) aufweist, in welchem zu dem am Potentiometer (44) abgegriffenen Teil (U₃ · pT) der Ausgangsspannung (U₃) des Gleichsrichters (38) eine konstante, gegenüber dem Lichtstromsignal (U0/2) kleine Spannung (Ug) addiert wird, und daß am Potentiometer (44) der Faktor (pT) derart eingestellt wird, daß zum Umschaltzeitpunkt des !Comparators (40), d.h. bei der abrupten Änderung des IComparator-Ausgangssignals (Ui)

df

■pT+U, = -*-

60

65 Die Erfindung betrifft eine lichtelektronische Vorrichtung zur Messung der Länge oder Breite eines Gegenstands gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der DE-OS 2061 235 bekanntgeworden und erlaubt aufgrund der ihr eigenen optischen Anordnung einerseits, einen sehr ausgeprägten, durch Fremdlicht weitgehend unbeeinflußten Dunkelimpuls zu erhalten, zum anderen aber auch, die Länge des Dunkelimpulses sehr genau direkt durch eine Längenmessung zu bestimmen. Allerdings hat diese bekannte Anordnung, wie auch z. B. die aus DE-OS 15 48 233 oder DE-OS 2313 439 bekannten Anordnungen, den Nachteil, daß die notwendigerweise endliche Breite des Abtast-Lichtbündels eine gewisse Unsicherheit bei der Ermittlung der exakten Länge des Dunkelimpulses offenläßt, da der Schaltzeitpunkt eines dem lichtelektrischen Empfänger nachgeschalteten Grenzwertschalters aufgrund von Änderungen des von der Lichtquelle abgegebenen Lichtstroms, der Alterung des lichtelektrischen Empfängers oder sonstiger Veränderungen, z. B. Verschmutzung optischer Bauteile, unvorhersehbaren Einflüssen unterliegt.

Aus der US-PS 37 10 128 ist außerdem bekanntgeworden, die L4nge eines selbstleuchtenden oder von hinten beleuchteten Gegenstands dadurch zu bestimmen, daß das Gesichtsfeld mittels eines Drehspiegels und zweier auf den Gegenstand oder in seine Nähe fokussierter Spaltblenden abgetastet wird, so daß der vom Gegenstand bzw. seinem Hintergrund durch die beiden Blenden fallende Lichtstrom gemeinsam einen photoelektrischen Empfänger beaufschlagt. Die durch die beiden Blenden tretenden Lichtströme ergeben demgemäß Signale, die sich schon am Ausgang des lichtelektrischen Empfängers überlagern und durch eine komplizierte Schaltung ausgewertet werden müssen, damit Grenzwertschalter die Zeitpunkte bestimmen können, an denen der vom Gegenstand ausgehende und durch die eine Blende tretenden Lichtstrom gerade die Hälfte des vom Hintergrund ausgehenden und durch die andere Blende tretenden Lichtstroms ist. Diese Anordnung erfordert demnach nicht nur eine komplizierte Auswerteelektronik, sondern setzt auch voraus, daß zum gleichen Zeitpunkt die Kante des Gegenstands und eine davon etwas entfernte Stelle des Hintergrunds beleuchtet sind. Lokale Helligkeitsschwankungen des Hintergrunds oder, wenn dieser Hintergrund eine Flächenlichtquelle ist, lokale Intensitätsunterschiede dieser Lichtquelle, begrenzen somit die Genauigkeit dieser Vorrichtung.

Ein anderer Versuch zur Einstellung des Schaltzeitpunkts eines Grenzwertschalters gemäß DE-OS 21 04 893 bedient sich gar mehrerer lichtelektrischer Empfänger. Zu dem Nachteil des Einflusses lokaler Intensitätsschwankungen des Gegenstands oder des Hintergrunds kommt hier noch die möglicherweise unterschiedliche Charakteristik der verschiedenen lichtelektrischen Empfänger hinzu, die die Genauigkeit beeinträchtigt oder mit der Zeit herabsetzt.

Aus der FR-PS 15 99 775 (entsprechend DE-PS 16 23 304) ist schließlich eine Vorrichtung bekanntgeworden, bei der dem lichtelektrischen Empfänger eine Schaltung nachgeschaltet ist, die dessen Ausgangssignal in einem Differenzierglied über die Zeit differenziert, den gewonnenen Differenzialquotienten in einem Gleichrichter in ein proportionales Signal gleichrichtet und einen Vergleich mit dem nicht differenzierten Ausgangssignal durchführt. Die Vorrichtung setzt, da sie selbst ein abtastendes Lichtstrahlenbündel nicht er-

zeugt, einen selbstleuchtenden Gegenstand als Prüfling voraus, z. B. einen glühenden Block. Die genannte Schaltung dient dazu, für den sehr großen Intensitätsbereich, innerhalb dessen Selbststrahler vorliegen können, eine funktionierende Schaltschwelle zu schaffen. Für eine genaue Einstellung auf den halben Wen des Kantenanstiegswerts ist die Anordnung scfaon deshalb nicht geeignet, weil der optische Aufbau den vom Selbstleuchter mit beleuchtetem Hintergrund erfaßt, demgemäß ein auch bei unterschiedlichen Helligkeiten der Gegenstände gleichbleibender Bezugspegel für den Kantenanstieg nicht realisierbar ist

Die Erfindung geht demgegenüber von einer Vorrichtung der eingangs genannten Art aus. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, bei einer solchen Vorrichtung die Länge des Dunkelimpulses dadurch genau bestimmbar zu machen, daß der Zeitpunkt, zu dem das Abtastlichtbündel von dem Meßobjekt gerade zur Hälfte abgedunkelt oder wieder freigegeben ist, ermittelt wird und als Kriterium für die Schaltzeitpunkte eines Grenzwertschalters benutzt wird, und zwar unabhängig von der absoluten Größe des Lichtstroms des von der Vorrichtung erzeugten Abtastlichtbündels oder sonstigen nachteiligen Einflüssen, wie unterschiedliche Charakteristik oder Alterung lichtelektrischer Empfänger, Verschmutzung optischer Bauteile oder dergleichen.

Die Erfindung löst die gestellte Aufgabe durch die in Anspruch 1 angegebenen Maßnahmen.

Eine so ausgebildete Vorrichtung hat den Vorteil, daß der Anstieg und der Abfall des Ausgangssignals des lichtelektrischen Empfängers beim Überstreichen der Kanten des zu messenden Gegenstands von einem definierten Nullpegel aus, proportional dem momentan auf den Gegenstand fallenden Teil des Abtastlichtbündels, durch die schaltungstechnische Einstellbarkeit des Faktors pT genau bei seinem halben Wert erfaßbar wird. Damit ist auch die genaue Länge oder Breite des Gegenstands weitestgehend fehlerfrei erfaßbar.

Eine vorteilhafte Weiterbildung dieser Anordnung ist im Anspruch 2 angegeben.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben.

F i g. I ist eine schematisierte, perspektivische Darstellung einer lichtelektronischen Vorrichtung zur Längenmessung, unter Verwendung eines bekannten Lichtvorhanges;

F i g. 2 bis 7 sind Darstellungen des zeitlichen Verlaufs von Signalen und

Fig.8 ist, stark schematisiert, derjenige Teil der Schaltung, der für das Umschalten bei halbaufgehelltem oder halbabgedunkeltem Bündel sorgt.

Bei der Längenmeßvorrichtung nach F i g. 1 wird von einer Lichtquelle 2 durch lichtoptische Mittel 4 wie Sammellinsen, einen Umlenkspiegel und Blenden ein schmales 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 geringe Höhe h und eine demgegenüber relativ große Breite. Von diesem Lichtbündel fällt ein Teil 102 (in F i g. 1 kreuzweise schraffiert) 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 14 des Gerätes in den Meßraum 16 ein, an dessen hinterem Ende ein Reflektor 18 fest angebracht ist. Von diesem wird das Abtastlichtbündel !0.1 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 1Oi in sich selbst zurückgeworfen. Es läuft ebenfalls zurück über den Drehspiegel 6 und wird vom Spiegel 20 umgelenkt 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 Beispiel von unten nach oben, durch den Me'draum 16 bewegt Hierbei entsteht am lichtelektrischen Wandler 21 ein Ausgangssignal in Form eines Stromes /ι, das in Fig.2 dargestellt ist Dieses Ausgangssignal hat seine volle Höhe /o, solange sich das Abtastlichtbündel 10.1 außerhalb des Gegenstandes 26 befindet Bei der Abdunkelung des Lichtbündels durch den unteren Rand des Gegenstandes ergibt sich eine auf Null abfallende Flanke 30 des Signals. Das Signal bleibt dann null, so lange 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 Flanke 32 des Signals I₁.

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 Vom lichtelektrischen Wandler 22 wird ein Signal in Gestalt eines Stromes h abgegeben, das in Fig.3 vereinfacht, nämlich mit zu großen Impulsabständen, dargestellt ist

Es muß nun durch eine logische Schaltung ermittelt werden, wieviele Rasterimpulse (F i g. 3) auf die Zeit T entfallen, die vom Abdunkeln genau der Hälfte des Abtast-Lichtbündels bis zum Aufhellen genau der Hälfte des Abtast-Lichtbündels verfließt Die Anzahl der Impulse innerhalb des Zeitraumes 7"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

so im folgenden eine in Fig.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 I\ einem Strom-Spannungs-Wandler 34 zugeführt. Dessen Ausgangssignal U\, das dem Strom l\ und damit dem zurückkehrenden Lichtstrom des Abtastlichtbündels 10.1 proportional ist wird einem Differenzierglied 36 zugeführt. Das Signal U\ ist in F i g. 4 dargestellt. Seine Form entspricht der des Signals /ι. Das Signal hat ebenfalls eine abfallende Flanke 30 und eine ansteigende Flanke 32. Es hat sich gezeigt daß die Flanken für die hiesige Anwendung ausreichend

b5 linear abfallen, so daß sich Differentialquotienten

-~- nach Art von Rechteckimpulsen ergeben (F i g. 5). Die Signale nach Fig. 5 werden einem Zweiweg-

Gleichrichter 38 zugeführt, der alle Impulse des Differentialquotienten positiv macht (Fig. 6). Das gleichgerichtete Signal nach Fig. 6, das hier mit Ui bezeichnet ist, wird über ein noch zu beschreibendes Summierglied 41 einem als Grenzwertschalter mit hochkonstanter Schaltschwelle wirkenden Komparator 40 zugeführt. Einem zweiten Eingang dieses Komparators wird das Signal U\ vom Ausgang des Strom-Spannungs-Wandlers 34 her zugeführt. Der Komparator gibt ein Ausgangssignal Ua 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 Fig.8 oberen Eingang des Komparator 40 zugeführt wird. Die Schaltspannung

soll mit hoher Genauigkeit die Größe von ~(Fig.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_g über einen Festwiderstand 42 zugeführt. Diese Grundspannung wird im Summierglied 41 addiert zu einer Spannung ίΛ ρ T, d. h. einem Teil der Spannung ίΛ, der an einem Potentiometer 44 abgegriffen wird. Genauer gesagt addieren sich die Ströme aus beiden Zweigen in einem Festwiderstand 46. An dem in Fig.8 oberen Ende dieses Widerstandes wird die gewünschte Summenspannung für den oberen Eingang des Komparators 40 abgegriffen.

Γ bedeutet die für jeden Gegenstand konstante Abtastzeit, die zwischen halber Abdunkelung und halber Aufhellung des Abtastlichtbündels verfließt (F i g. 2 und 7), und ρ ist ein am Potentiometer 44 einstellbarer Faktor.

Es ist nun erforderlich, die Summe der Signale L^. und Ui ρ T gerade so groß zu machen, daß die Maxima m (Fig. 7) immer gerade die Größe-$- haben. Dies wird

durch entsprechende 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 Lichlstromes und der sich proportional ändernden Spannung Ua. 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 Weise mit dem Ausgang des lichtelektrischen Wandlers 22 verglichen

K) werden, d. h. mit der Zahl der in der Zeil 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 L^, vernachlässigt wird:

dt/, dr

Ik

dt/.

Der Differentialquotient —> — wird also mit einem Faktor ρ T multipliziert, wobei dieser Faktor so zu wählen ist.daßdas Produkt gerade die Größe ~$- hat.

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

dr

PT

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

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtelektronische Vorrichtung zur Messung der Länge oder Breite eines Gegenstands mit Hilfe eines den zu messenden Gegenstand abtastenden schmalen Lichtbündels, unter Verwendung eines lichtelektrischen Tastkopfes mit einem Spiegelrotor zur Abtastung eines das Meßobjekt enthaltenden Gesichtsfelds, wobei das über das Gesichtsfeld streichende Lichtbündel über einen den Hintergrund des abgetasteten Gesichtsfelds bildenden Umkehrreflektor auf einen lichtelektrischen Empfänger geleitet wird, dessen Ausgangssignal während der Zeit der Abdunklung des Lichtbündels durch das Meßobjekt einen Dunkelimpuls aufweist, dessen Länge mittels eines Impulsrasters oder einer Analog-Längeninessung ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Schaltzeitpunkte eines Grenzwertschalters bei haiber Abdunklung und halber Aufhellung des Abtastlichtbündels (10.1) durch das Meßpbjekt (26) dem lichtelektrischen Empfänger (2t) eine elektrische Schaltung nachgeschaltet ist, in welcher der Ausgangsstrom (J\) des lichtelektrischen Empfän- 2s gers (21) beim Abtasten des Meßobjekts (26) durch das Abtastlichtbündel (10.1) einem Strom-Spannungswandler (34) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal (Ui) in einem Differenzierglied (36) über die Zeit differenziert wird, sodann der gewonnene