DE2507040A1 - Elektro-optisches geraet zum abtasten einer kante eines gegenstandes - Google Patents

Elektro-optisches geraet zum abtasten einer kante eines gegenstandes

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DE2507040A1 DE19752507040 DE2507040A DE2507040A1 DE 2507040 A1 DE2507040 A1 DE 2507040A1 DE 19752507040 DE19752507040 DE 19752507040 DE 2507040 A DE2507040 A DE 2507040A DE 2507040 A1 DE2507040 A1 DE 2507040A1
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01BMEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
    • G01B11/00Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques
    • G01B11/02Measuring arrangements characterised by the use of optical techniques for measuring length, width or thickness

Description

  • Elektro-optisches Gerät zum Abtasten einer Kante eines Gegenstandes Die Erfindung betrifft ein e1ektmptisches Gerät zum Abtasten einer Kante eines Gegenstandes, beispielsweise mit einem Laser-Abtaststrahl.
  • Die Erfindung befaßt sich mit einem Gerät zum exakten Bestimmen der Koinzidenz des Mittelpunktes eines Laserstrahls mit der Kante eines undurchsichtigen Gegenstandes. Mit dem Gerät kann die Koinzidenz des Mittelpunktes eines Laserstrahls mit der Kante eines undurchsichtigen Gegenstandes bestimmt werden, wenn der Laserstrahl und die Kante des Gegenstandes hintereinander abgetastet werden. Insbesondere betrifft die Erfindung ein berührungsloses, optisches Gerät zum Abtasten einer Kante eines Gegenstandes mittels eines Laser-Abtaststrahls, mit dem die Abmessungen eines Gegenstandes oder Ausnehmungen in Gegenständen, die Lage der Kanten der Gegenstände, die Position eines Gegenstandes und die Dicke eines Bandes schnell und exakt gemessen werden können.
  • Zum genauen Messen des Durchmessers, der Position oder der Dicke von weichen, empfindlichen, heißen oder sich bewegenden Gegenständen sind berührungslose Sensoren erforderlich. Bekannte Vorrichtungen dieser Art enthalten kapazitive Meßeinrichtungen, Wirbelstrommeßeinrichtungen, Luftmeßeinrichtungen, Gammastrahlenrund Röntgenstrahlenmeßeinrichtungen und optische Sensoren.
  • Nur die optischen und nuklearen Meßeinrichtungen können ohne Empfindlichkeitsverlust auf Strecken arbeiten, die größer als ein kleiner Bruchteil eines Zolls sind. Die nuklearen Meßeinrichtungen können auf großen Strecken arbeiten. Jedoch sind diese sehr teuer und empfindlich für systematische Fehler infolge von geringen Abweichungen in der chemischen Zusammensetzung des zu messenden Gegenstandes.
  • Optische Sensoren weisen aufgrund der Eigenschaft des Lichtes Vorteile auf. Die Hauptvorteile sind: 4. Sie benötigen keine unmittelbare mechanische Berührung zwischen dem Sensor und dem zu messenden Gegenstand; 2. der Abstand vom Sensor zum zu messenden Gegenstand kann groß sein; 3. die Ansprechzeit ist durch jene des Photodetektors und seiner Elektronik bestimmt; 4. die Lichtveränderungen können unmittelbar in elektrische Signale umgewandelt werden; und 5. die Messungen sind unabhängig von der chemischen Zusammensetzung des Gegenstandes.
  • Bei bekannten optischen Sensoren wird auf verschiedene Art und Weise die Koinzidenz des Mittelpunkts eines Abtastlaserstrahls mit einer Kante eines Gegenstandes bestimmt. In der US-PS 3 765 774 ist beispielsweise eine optische Meßeinrichtung beschrieben, bei der ein Laserstrahl parallel abtastend geführt wird, um den Durchmesser eines Gegenstandes zu messen.
  • Die Abtastung der Kante eines Gegenstandes erfolgt unter Vorgabe eines Schwellenwertes am Ausgang des Photosensors. Um die Veränderungen der Lichtpegel des Lasers zu akkomodieren, ist eine automatische Amplituden- bzw. Verstärkungsregelung (AGC) vorgesehen. Jedoch ist diese Messung ungenau, und beispielsweise kann der Durchmesser des Laserstrahls an der Kante des Gegenstandes sehr gering sein, z.B. 0,125 mm (0,005 inch), Folglich ist die Winkelabweichung des Laserstrahls entsprechend groß, da der eine Laserstrahl in der Nähe der Kante des Gegenstandes fokussiert werden muß. Aus diesem Grunde ist der Meßbereich, für den diese Vorgehensweise möglich ist, sehr begrenzt, da die Abmessung des abgetasteten Laserstrahls nicht einheitlich ist und an jeder Seite des Fokus zunimmt.
  • Bei einer optischen Meßeinrichtung für die Dicke eines Gegenstandes muß die Koinzidenz des Mittelpunktes des Laserstrahls mit einer Bezugskante ermittelt werden, d.h. die erforderliche Bezugskante braucht nicht eine Kante des zu messenden Gegenstandes sein. In der US-PS 3 536 405 ist eine optische Meßeinrichtung für die Dicke eines Gegenstandes beschrieben. Bei dieser Vorrichtung wird der Mittelpunkt des Laserstrahls relativ zu einem Spalt bestimmt. Für einige Anwendungsfälle mag diese Vorrichtung ausreichen, jedoch bei den meisten Anwendungsfällen muß die Kante eines Gegenstandes mit beträchtlich höherer Empfindlichkeit bzw. Genauigkeit bestimmt werden.
  • Obwohl mit diesen Einrichtungen die Koinzidenz des Mittelpunktes eines Laserstrahls mit einer Kante für viele Messungen ausreicht, können diese Einrichtungen für eine genaue Steuerung vieler industrieller Vorgänge nicht verwendet werden. Beim Hochgeschwindigkeits-Strangpressen von Aluminium beispielsweise sind Ablesungen mit einer Genauigkeit innerhalb von O,0025 mm (0,0001 inch) erforderlich. Wird beispielsweise eine Stange aus Aluminium stranggepreßt, bewegt sich die Stange bei ihrem Austritt aus der Form in jeder von der Strangpreßrichtung abweichenden Richtung, so daß der Sensor diese schnellen, genauen Messungen über einen'großen Meßbereich, d.h. mehrere Zoll an einer Seite, erfassen kann. Die Messung der Banddicke bei einem Walzwerk stellt ein Beispiel dar, bei dem eine hochempfindliche Meßeinrichtung für die Banddicke benötigt wird, die über eine große Strecke hinweg arbeiten kann.
  • In der US-PS 2 659 823 ist beispielsweise vorgeschlagen, die Infrarotwärme eines heißen Gegenstandes oder die Schatten von Röntgenstrahlen zur Messung der Abmessung eines heißen Gegenstandes oder von für Röntgenstrahlen undurchlässige oder teilweise undurchlässigen Gegenständen anzuwenden. Die Energie von dem Gegenstand wird auf einen Drehspiegel fokussiert, der die Energie über einen Spalt in einen Photodetektor reflektiert und somit ein Signal erzeugt, das daraufhin dreimal differenziert wird, um schließlich ein quadratisches Signal zu erzeugen, dessen Dauer proportional zu der Abmessung des zu messenden Gegenstandes ist. Die Messungen sind jedoch sehr empfindlich gegen Staub in dem Spalt. Insbesondere muß bei dieser Vorgehensweise ein Gegenstand in einer Ebene festgelegt sein, da sonst aufgrund der Anordnung der Maßstabsfaktor abgeändert werden muß, wenn sich der Abstand zwischen dem Gegenstand und den Linsen ändert.
  • Die Erfindung zielt darauf ab, ein elektro-optisches Gerät so auszubilden, daß die Koinzidenz des Mittelpunktes eines Laserstrahls mit der Kante eines undurchsichtigen Gegenstandes mit hoher Genauigkeit bestimmt werden kann. Dieses Gerät ist für die Messung von Durchmessern, Banddicken und Positionen von Gegenständen auf berilhrungslose Art und Weise bestimmt.
  • Erfindungsgemäß zeichnet sich ein elektrooptisches Gerät zum Abtasten einer Kante eines Gegenstandes ~ ~~ ~ ~ dadurch aus, daß eine einen schmalen Strahl eines parallelen Lichtes erzeugende Strahlungsenergiequelle,vorzugsweise eines Lichtes eines Lasers, mit einem Gauß'schen-Intensittsprofil, eine Einrichtung zum Sammeln und Photoabtasten des Teils des Lichtstrahls, der eine Kante überstreicht, und eine Verarbeitungseinrichtung für den Ausgang des Photosensors zum Erzeugen einer Anzeige für die Koinzidenz des Mittelpunktes des Laserstrahls mit der Kante vorgesehen sind. Die exakte Bestimmung des Punktes, an dem der Mittelpunkt des Laserstrahls die Kante überstreicht, ist dadurch möglich, daß die Kante als der Punkt definiert wird, an dem die erste Ableitung des Ausgangs des Photosensorverstärkers über einem Festwert liegt, und an dem die zweite Ableitung des Ausgangs des Photosensorverstärkers einen Nulldurchgang aufweist.
  • Die Erfindung ist nachstehend anhand der -beigefügten Zeichnung an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
  • Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines elektro-optischen Meßgerätes gemäß der Erfindung.
  • Fig. 2 zeigt eine Anzahl von Kurven mit (a) dem Ausgang eines Photodetektorvorverstärkers, wenn ein Laserstrahl eine undurchsichtige Kante überreicht, (b) der ersten Ableitung von 2(a) und ~ (c) der zweiten Ableitung von 2(a); Fig. 3 zeigt schematisch ein Blockdiagramm der Schaltung zum Bestimmen des Punktes, an dem der Mittelpunkt eines Abtastlaserstrahls mit einer Kante des Gegenstandes zusammenfällt.
  • Während die Vorrichtung eine Anwendung für einen großen Bereich von Strahlungsquellen findet, ist bei der Beschreibung des Ausführungsbeispiels auf einen Laserstrahl Bezug genommen. Die Bezeichnung "Strahlungsenergiequelle" beinhaltet hier insbesondere elektromagnetische Energie aller Frequenzbereiche.
  • Unter Bezugnahme auf Fig. 1 erzeugt ein Laser 20 einen schmalen Lichtstrahl 22, der auf einen Spiegel 23 trifft, mit dem der Strahl durch eine Linse 28 geführt wird, und daraufhin wird der Strahl auf einem gleichförmig rotierenden Spiegel 24 fokussiert, der - wie gezeigt - mehrfach facettiert ist, so daß ein drehend geführter Abtaststrahl 26 erzeugt wird. Eine Linse 28 wandelt den drehbar geführten Abtaststrahl 26 in einen linear geführten Abtaststrahl 30 um, der einen Prüfgegenstand 32 überstreicht und dann zu einer Linse 34 gelangt, die den Strahl auf einem photoelektrischen Sensor 10 fokussiert. Der Durchmesser des Prüfgegenstandes 32 ist direkt proportional zu der Zeitdauer, während der der Strahl 30 unterbrochen ist. Da der Strahl 30 ungefähr einen Durchmesser von 1 mm - gleich jenem des Laserstrahls 22 - aufweist, muß die genaue Zeit ermittelt werden, während der ein konstanter Teil des Strahles die Kanten des Prüfgegenstandes 32 überstreicht.
  • Als Lichtquelle 20 kann beispielsweise eine Wolfram-Glühlampe, eine Xenon-Glühlampe, eine Leuchtdiode oder jede andere Energiequelle vorgesehen sein, vorzugsweise ist als Energiequelle ein Gaslaser vorgesehen. Der photoelekrische Sensor 10 kann eine Vakuumphotodiode, ein Photoelektronenvervielfacher, eine Siliziumphotozelle oder eine PIN-Photodiode in Frage kommen.
  • Unter Bezugnahme auf die Fig. 2 und 3 wird der Ausgang des Photodetektors 10 einem Vorverstärker 11 übermittelt und beschreibt eine Kurve I (h), die in Fig. 2(a) dargestellt ist.
  • h bezeichnet die Koordinate, die dem Abstand zwischen dem Mittelpunkt des Laserstrahls und der Kante entspricht. I (h) geht von einer maximalen Intensität auf eine Null-Intensität über einen bestimmten Abstand hinweg zurück, der dem Durchmesser des Strahls entspricht. Die Kanten des Gegenstandes liegen genau im Wendepunkt El der Kurve 2 (a). Da die Photodetektoren die Lichtintensität messen, muß der Punkt El auf der Kurve 2 (a) mit höchster Genauigkeit bestimmt werden, falls eine gute Auflösung erzielt werden soll.
  • Der Punkt El wird - wie in den Fig. 2 und 3 dargestellt - exakt bestimmt. Wenn die Kurve 2 (a) -differenziert ist, wird die Kurve 2 (b) erhalten. Die Differentiation kann mit einer bekannten elektronischen Schaltung durchgeführt werden. Das Ausgangs signal in der Kurve 2 (b) befindet sich am Punkt El auf der Kurve 2 (a) auf einem Maximum, da die Veränderungsrate an diesem Punkt am größten ist. Eine Differentiation ergibt die zweite Ableitung des Ausgangs des Photodetektors und die in 2 (c) dargestellte Kurve. Die Kurve verläuft hier an dem entsprechenden Punkt El durch Null.
  • Durch Verwendung der Ausgänge der ersten und zweiten elektronizehen Differentiatoren kann die Kante des Prüfgegenstandes, wie in Fig. 3 gezeigt, exakt ermittelt werden.
  • Das Ausgangssignal von dem Photodetektor 10, nämlich die Kurve 2 (a), wird in einem Vorverstärker 11 verstärkt und liegt an einem ersten Differentiator 12 an, um ein erstes Ableitungssignal 2b zu erzeugen. Dieses erste Ableitungssignal wird an zwei weiteren Schaltungen angelegt: (1) an einen zweiten Differentiator 13 zum Erzeugen eines zweiten Ableitungssignals 2 (c) und (2) an einen Dualkomparator 14, der ein Ausgangssignal erzeugt, wenn der Absolutwert der ersten Ableitung über einem bestimmten Wert liegt.
  • Der Schalter 15 ist so ausgelegt, daß das zweite Ableitung signal 2 (c) von dem zweiten Differentiator 13 nur dann durchgeht, wenn der Dualkomparator 14 ein Ausgangssignal anzeigt, daß nämlich der Absolutwert des ersten Ableitungssignals 2 (b) über einem bestimmten Wert und ihm Bereich seines Maximums liegt. Mit dem Dualkomparator 14 wird ein Schwellenwert für das Signal 2 (b) vorgegeben, und der Kontaktschalter 15 läßt das Signal 2 (c) nur während der Zeit durch, bei der der Absolutwert des Signals 2 (b) oberhalb des Schwellenwerts liegt.
  • Das sich ergebende Signal 16 geht durch einen Null-Durchgangsdetektor 17. Der Ausgang des Null-Durchgangsdetektors 17 wird einer Impulsformschaltung 18 zugeführt, um einen Impuls zu erzeugen, dessen Vorderflanke die Koinzidenz des Mittelpunktes des Laserstrahls mit der undurchsichtigen Kante anzeigt.
  • Fig. 2 zeigt den Sensor für die Vorderkante des Gegenstandes.
  • Zum Messen des Gegentandes 32 in Fig. 1 überstreicht der Strahl beide Kanten des Gegenstandes. Wenn der Abtaststrahl hinter dem Gegenstand austritt, ergeben sich ähnliche Kurvenzüge wie jene, die in Fig. 2 dargestellt sind, jedoch steigt die Kurve 2 (a) von Null auf ein Maximum an, und die Kurven 2 (b) und 2 (c) verlaufen umgekehrt. Die Abmessung des Prüfgegenstandes wird durch den Abstand zwischen den beiden Kanten bestimmt. Zur einfacheren Messung kann die Kurve 2 (b) für die Vorderkante des Gegenstandes 32 gekippt werden, so daß sich derselbe Kurvenverlauf wie für die vordere Kante ergibt.
  • Das elektro-optische Gerät gemäß der Erfindung zum Abtasten einer Kante eines Gegenstandes ist für jede optische Meßeinrichtung bestimmt, bei der ein Energiestrahl auftritt, der größer als die zulässige Meßabweichung ist, da die Kantenmessung auf eine exakte Lage in dem Strahl bezogen ist. Mit dem erfindungsgemäßen elektro-optischen Gerät ist eine höhere Genauigkeit der Messung möglich, und die Herstellungskosten für das elektrooptische Gerät sind gering.

Claims (2)

  1. Patentansprüche
    W Elektro-optisches Gerät zum Abtasten einer Kante eines Gegenstandes, g e k e n n z e i c h n e t d u r c h eine einen schmalen Strahl erzeugende Strahlungsenergiequelle, durch eine Einrichtung zum Abtasten des Strahls und zum abtastenden Führen wenigstens eines Teiles des Strahles über eine Kante eines Gegenstandes, durch eine Einrichtung zum Sammeln und Photoabtasten des Teils des Strahls, der die Kante überstreicht, wobei eine erste Anzahl von Signalen auftreten, durch eine Einrichtung zum Differenzieren der ersten Signale, wobei sich ein zweites Signal mit einer maximalen Intensität an den der Kante des Gegenstandes entsprechenden Punkten ergibt, durch eine Einrichtung zum nochmaligen Differenzieren des zweiten Signals, wobei drittes Signal mit einer Intensität von Null an den der Kante des Gegenstandes entsprechenden Punkten entsteht, durch eine Einrichtung zum Zuführen eines Teils des zweiten Signals zu einem Schalter, an dem das dritte Signal anliegt, wobei der Schalter das dritte Signal nur für eine bestimmte Zeitdauer in der Nähe des Scheitelwerts des zweiten Signals durchläßt, und durch eine Einrichtung zur Ermittlung oder Messung der Lage der Kante aufgrund des Signals des Schalters.
  2. 2. Elektro-optisches Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle ein Gaslaser ist.
    L e e r s e i t e
DE19752507040 1974-04-24 1975-02-19 Optoelektronische messvorrichtung fuer die lage einer kontrastierenden kante eines gegenstandes Granted DE2507040B2 (de)

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DE2507040A1 true DE2507040A1 (de) 1975-11-06
DE2507040B2 DE2507040B2 (de) 1977-03-03

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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS56150342A (en) * 1980-04-23 1981-11-20 Olympus Optical Co Ltd Segment processing method of phoresis image signal
DE3024698A1 (de) * 1980-06-30 1982-01-28 Rainer 7602 Oberkirch Hess Kontaktlose kantenerkennung
JPS5780508A (en) * 1980-10-01 1982-05-20 Allied Chem Optical measurement of casting gap
JPS59142407A (ja) * 1983-02-02 1984-08-15 Kobe Steel Ltd 光学的エツジ位置検出方法
JPS59141007A (ja) * 1983-02-02 1984-08-13 Kobe Steel Ltd 光学的エツジ位置検出方法
JPS606805A (ja) * 1983-06-16 1985-01-14 Kobe Steel Ltd 光学的エツジ位置検出方法
JPS606806A (ja) * 1983-06-16 1985-01-14 Kobe Steel Ltd 光学的エツジ位置検出方法
DD228053A1 (de) * 1984-11-01 1985-10-02 Zeiss Jena Veb Carl Verfahren zum fotoelektrischen antasten von kanten und strukturen
DE19525057C1 (de) * 1995-07-10 1997-02-13 Futronic Gmbh Lichtschrankenvorrichtung und Verfahren zur Verarbeitung eines Lichtsensor-Ausgangssignals

Family Cites Families (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
BE757151A (fr) * 1969-11-06 1971-03-16 Commissariat Energie Atomique Appareil pour la mesure precise de dimensions d'objets en particulier du diametre d'objets cylindriques (

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