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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die Erfindung ist nachstehend anhand der -beigefügten Zeichnung an
Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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Fig. 1 zeigt eine schematische Ansicht eines elektro-optischen Meßgerätes
gemäß der Erfindung.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Durch Verwendung der Ausgänge der ersten und zweiten elektronizehen
Differentiatoren kann die Kante des Prüfgegenstandes, wie in Fig. 3 gezeigt, exakt
ermittelt werden.
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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.
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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.
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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.
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Fig. 2 zeigt den Sensor für die Vorderkante des Gegenstandes.
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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.
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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.