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VERFAHREN UND ANORDNUNG ZUR VERMESSUNG DER BEWEGUNG UND/ODER DEFORMATION
VON GROSSEN OBJEKTEN Die vorliegende Erfindung betrifft einerseits ein Verfahren
zur Messung der Bewegung und/oder der Deformation von grossen Objekten mittels Laserstrahlen.
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Andererseits betrifft die Erfindung eine Anordnung zur Durchführung
dieses Verfahrens.
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In der Metrologie, insbesondere bei der Messung von Bewegungen oder
von Deformationen von grossen Objekten wie beispielsweise Belastungen von Brücken,
Staumauern, Wind an Gebäuden, Sonneneinstrahlung auf Antennenspiegeln, Sateliten,
aber auch von Felsen oder Gletschern etc., wird oft eine Messmethode benötigt, die
kontaktlos und aus gewisser Distanz arbeiten kann.
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Der vorliegenden Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren
und eine Vorrichtung zur Messung der Bewegung und/oder Deformation von grossen Objekten
zu schaffen, die unabhängig von der Form des Objektes und der Distanz zwischen der
Messtelle und dem Objekt und der relativen Position der Messtelle gegenüber dem
Objekt arbeiten. Zudem soll die Messgenauigkeit in der Grössenordnung von Bruchteilen
von Millimetern liegen. Die Erfindung
soll weiterhin eine absolute
Messung in den drei räumlichen Koordinatenrichtungen ermöglichen. Die Vorrichtung
soll im weiteren so konzipiert sein, dass sie mobil und universell einsatzbereit
ist. Das Verfahren seinerseits soll so sein, dass es mit einem Minimum an Vorbereitungsarbeiten
je nach der gewünschten Messgenauigkeit optimal ausgenützt werden kann. Die Dauer
der Messungen soll so bemessen sein, dass die Messungen ambulant vorgenommen werden
können. Die gemessenen Werte müssen leicht auswertbar sein.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäss einerseits durch ein Verfahren
gelöst, das dadurch gekennzeichnet ist, dass ein Laserstrahl zu zumindest zwei voneinander
unterschiedlichen Zeitpunkten mittels eines Strahlscanners über definierte Oberflächenflecke
des Objektes gelenkt wird und ein Empfänger aufgrund des an diesen Flecken reflektierten
Laserstrahls die Bestimmung deren relativer Lage gegenüber einem vorbestimmten Referenzfleck
auslöst und dass die für jeden Fleck bei der zweiten Messung ermittelten, auf besagten
Referenzfleck bezogenen, räumlichen Koordinaten x; y; z mit denjenigen der ersten
Messung verglichen werden.
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Andererseits wird diese Aufgabe durch die Erfindung mittels einer
Vorrichtung gelöst, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie zumindest aus einem
Laserstrahlsender, einem letzteren nachgeschalteten Strahlablenksystem, einem für
die von den Objektoberflächenflecken reflektierten Strahlen empfindlichen Empfänger
und einer diesem nachgeschalteten Auswerteinheit zur Berechnung der räumlichen Koordinaten
von definierten Flecken auf der Objektoberfläche in bezug auf einen vorbestimmten
Referenzfleck besteht.
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Die Erfindung wird hiernach im Einzelnen beschrieben, ohne allerdings
auf die erläuterten Ausführungsformen beschränkt zu sein.
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Zum leichteren Verständnis nimmt die Beschreibung auf die sehr stark
schematisierte Zeichnung bezug.
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Fig. 1 zeigt eine erste Variante einer erfindungsgemässen Anordnung
zur Vermessung eines Objektes mit Strahlscanner und Distanzmessung, Fig. 2 zeigt
eine zweite Variante einer erfindungsgemässen Anordnung zur Vermessung der Deformation
eines grossen Objektes mit einer TV-Kamera und einem Strahlscanner in Stereoanordnung,
Fig. 3 zeigt eine dritte Variante einer erfindungsgemässen Anordnung zur Vermessung
eines Objektes mit einem Fächer von Laserstrahlen und zwei TV-Kameras in Stereoanordnung,
Fig. 4 zeigt eine vierte Variante einer erfindungsgemässen Anordnung mit einem Fächer
von Laserstrahlen und einer holographischen Kamera, Fig. 5 zeigt in Form eines Blockschaltbildes
eine Variante einer erfindungsgemässen Auswertelektronik für die Distanzmessung
in der Anordnung nach Fig. 1, Fig. 6 zeigt in Form eines Blockschaltbildes eine
Variante einer erfindungsgemässen Auswertelektronik für die Distanzmessung
mittels
eines Pulszuges in einer Anordnung nach Fig. 1, Fig. 7 zeigt die für die Auswertung
der in Fig. 2 dargestellten Variante notwendigen Grössen.
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Man erkennt in'Fig. 1 eine Oberfläche 1 eines Objektes, die mit mehreren
diffus reflektierenden Messflecken 2 versehen ist. Wie weiter unten beschrieben,
hängt die Grösse der Messflecken von der geforderten Messgenauigkeit ab. Diese Oberfläche
1 wird durch einen Laserstrahl 3 abgetastet, der von einem Laser 4 erzeugt wird
und unter anderem eine Optik 5 zur Fokussierung oder Kolimierung des Strahls und
ein Strahlablenksystem 6 passiert. An den Flecken 2 wird der Strahl 3 diffus reflektiert,
wodurch zumindest ein Teil des Laserstrahls 3 als Strahl 3' auf einen Detektor 7
gestreut wird.
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Um eine elektronische Auswertung der Messergebnisse vornehmen zu können,
wird in der Anordnung gemäss Fig. 1 noch ein Strahlteiler 11, ein Detektor 10, ein
elektronischer Zähler 8 und ein Auswertcomputer 9 benötigt. Deren gegenseitiges
Zusammenspiel wird weiter unten erläutert.
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Es ist bekannt, dass wenn die relative Position des Strahlablenksy
stems 6 gegenüber dem Detektor 7 festgelegt und unveränderlich ist, der relative
Standort eines jeden Fleckes 2 gegenüber der Position des Detektors 7 mittels der
Winkel a und y, und dem Zeitintervall tl zwischen Aussendung eines Lichtimpulses
im Strahlablenksystem 6 und dem Empfang desselben im Detektor 7, bestimmt
werden
kann.
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Wenn nun gemäss der Erfindung ein beliebiger Fleck 2, beispielsweise
der Fleck 20 als Referenzpunkt mit den Koordinaten x = 0; y = 0 und z = 0 festgelegt
und mit einer logischen Struktur versehen wird, können die räumlichen Koordinaten
sämtlicher Flecke 20 - 2n in bezug auf den Referenzfleck 20 bestimmt werden. Dadurch
lässt sich durch einmaliges Abtasten sämtlicher Flecke 2 ein räumliches Bild der
Oberfläche 1 zum Zeitpunkt T1 mittels Zahlenwerten erstellen. Die dabei ermittelten
Koordinaten der einzelnen Flecke 2 werden vorzugsweise mit Hilfe eines Computers
9 erfasst oder mit Hilfe eines in der Zeichnung nicht dargestellten Druckers herausgeschrieben.
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Um die Deformation oder die Bewegung einzelner Flecke 2 auf der Oberfläche
1 zu bestimmen, werden zu einem Zeitpunkt T2 wiederum alle Flecke 2 abgetastet und
ihre relative Position zum Referenzfleck 20 bestimmt und diese Werte mit den im
Zeitpunkt T1 ermittelten Koordinatenwerten verglichen.
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Wenn gemäss der Erfindung der Referenzfleck 20 sich derart von den
Messflecken 21 - 2n unterscheidet, dass der Detektor 7 ihn unfehlbar als solchen
erkennt, ist es unwesentlich, ob die beiden Messungen zu den Zeitpunkten T1 und
T2 von derselben Stelle im Raum aus vorgenommen werden oder nicht, da der Computer
9 die ermittelten Koordinatenwerte jederzeit auf das vorgegebene Koordinatennetz
x; y; z mit dem Nullpunkt 20 zurückführen kann.
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Dabei ist vorzugsweise darauf zu achten, dass die Koordinatenachsen
x und y parallel zu den beiden Drehachsen (a und y) des Strahlablenksystems 6 stehen,
um eine vereinfachte Auswertung ohne Korrekturfaktoren zu erhalten. Als Koordinatenachse
z wird die Verbindungslinie Referenzfleck 20- Strahlablenkeinheit 6 festgelegt.
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Der Fachmann erkennt leicht, dass die Verschiebung eines jeden Fleckes
2 bei der Messung im Zeitpunkt T2 gegenüber der Messung im Zeitpunkt T1 in absoluten
Werten für die drei Koordinatenachsen x; y; z bestimmt werden kann. Dies aufgrund
der für jeden Fleck 2 zwischen der ersten und der zweiten Messung ermittelten Differenz
der Winkelwerte a und y und dem Zeitintervall tn, das in der Praxis vorteilhafterweise
mittels einer Laufzeitmessung zwischen ausgesendetem und empfangenem Signal oder
Lichtimpuls bestimmt wird.
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Die dazu benötigte Elektronik ist in Fig. 6 dargestellt. Die Distanzmessung
kann aber auch mittels einer Phasenmessung durchgeführt werden, wozu eine Elektronik
gemäss Fig. 5 notwendig ist. Die Arbeitsweise dieser zwei Schaltungen ist weiter
unten beschrieben.
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Für die drei Koordinatenrichtungen x; y; und z errechnen sich die
absoluten Verschiebungen Ex; Ay und Az für jeden Fleck 2 anhand der Formeln: AX2n
" X2n(Tl) - X2n(T2) wobei X2n(Tl) = Zn(Tl)sina2n(Tl) und X2n(T2) = Zn(T2)sina2n(T2)
#y2n
= Y2n(T1) - y2n(T2) Y2n (T1) = z,(T1)Siny2n(Tl)cosa2,(T1) Y2n(T2) = Zn(T2)siny2n(T2)cos«2n(T2)
#z2n = z2n(T1) - Z2n(T2) z2n(T1) = z2n*(T1)cosα2n(T1)cosy2n(T1) Z2n(T2) =
z2n*(T2)cosα2n(T2)cosy2n(T2) Z2n*(T1) = Ct2n(T1) z2n*(T2) = ct2n(T2) worin
α2n(T1) = Ablenkwinkel a des Fleckes 2n im Zeitpunkt T1 Y2n(T1) = Ablenkwinkel
γ des Fleckes 2n im Zeitpunkt T1 t2n(Tl) = Laufzeit des Messpulses in Sekunden
zwischen Scanner 6 und Detektor 7 im Zeitpunkt T1 und c = Lichtgeschwindigkeit In
der Praxis kann die Anordnung nach Fig. 1 beispielsweise aus folgenden Elementen
aufgebaut werden: - als Laser 4 ein Modell 164 - 10 Ionen Laser von Spectra Physics
(eingetragenes Warenzeichen) mit einer Modell 365 Intrakavitäts-Modulation mit folgenden
Daten: Wellenlänge X - 0,5p; Strahlstruktur TEM00 Mode; mittlere Leistung ~ 1W;
Pulsdauer - 15 ns; Pulsänstiegsdauer 5 ns und Pulsfrequenz 20 MHz; - als Strahlablenksystem
6 ein Scanner mit folgenden Eigenschaften: maximaler Ablenkwinkel + 0,14 rad; Winkelauflösung
+ 0,14 mrad
und einer Ablenkgrenzfrequenz von 600 Hz; LIMO Staxy
240011 von Lasag.
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- als Detektor 7 typischerweise ein phasenempfindlicher Detektor der
Art ITL Type HSD 1850 - Instrument Technology Ltd., mit folgenden Eigenschaften:
Auflösungsvermögen bei 20 MHz Pulsfrequenz und 5 ns Anstiegszeit: -10 Detektorfläche
-18mm p = 2,5cm?; Empfindlichkeit 40 mA/w (Modell) wobei bei einer Distanz Scanner
-Objekt von 1Cm die Brennweite der Detektorlinse ca. 10cm und die Oeffnung F/2 beträgt;
- als Zähler 8 ein Hewlett Packard HP 4355 A oder ein HP 5345 A.
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Zähler mit einer zeitlichen Auflösung von 2psec bei einer Repetitionsfrequenz
von < 500 MHz; - als Detektor 10 ein dem Detektor 7 identischer Bauteil; - als
Strahlteiler 11 ein LIMO StTl Nr. 24007 der Lasag SA; - und als Computer 9 ein beliebiger
handelsüblicher Rechner.
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Eine Anordnung, die aus obigen Teilen besteht, hat eine Auflösung,
die es gestattet, auf 1Cm einen Fleck 2 eines Durchmessers von ca.
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lmm zu idenzifizieren und in allen drei Koordinatenrichtungen auf
lmm genau auszumessen. Die Messdauer beträgt dabei bei einer Ablenkfrequenz von
600 Ez ca. 1,6 sec. pro m2 abgetastete Fläche.
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Die hiervor erwähnte Elektronik zur Bestimmung der Distanz Referenzfleck
2o - Strahlablenkeinheit 6 mittels einer Phasenmessung ist in Form eines Blockschaltbildes
in Fig. 5 dargestellt. Darin erkennt man eine Uhr 13, die auf zwei Oszillatoren
14 und 15 mit Frequenzen fl respektive f2 wirkt, den durch den Oszillator gesteuerten
Laser 4,
einen ersten Mischkreis 16, der die beiden Frequenzen
fl und f2 vergleicht, und den Detektor 7 sowie einen zweiten Mischkreis 17, der
die Frequenz f2 mit der durch die Messung um die Grösse t veränderten Frequenz fl
vergleicht, sowie ein Phasenmesskreis 18, der die durch die Mischkreise 16 und 17
ermittelten Daten auswertet.
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Demgegenüber zeigt die in Fig. 6 dargestellte Elektronik, wie die
Distanz Referenzfleck 20 - Strahlablenkeinheit 6 mittels eines Pulszuges bestimmt
werden kann. Man erkennt in der Zeichnung den Laser 4, den Scanner 6, den Strahlteiler
11, den Detektor 10, sowie den Detektor 7 mit dem Zähler 8 und dem Computer 9. Zudem
benötigt man für dieses Messverfahren zwei Diskriminatoren 19 und 20 und einen Mittler
21. Die Funktionsweise dieser Schaltung braucht dem Fachmann nicht erläutert zu
werden, sodass hier darauf verzichtet wird.
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Eine zweite Variante einer erfindugsgemässen Anordnung zur Vermessung
von Objekten geht aus Fig. 2 hervor, in der man wie in Fig. 1 eine Oberfläche 1
mit den darauf befindlichen Mess-Flecken 2, einen Laser 4, eine Optik 5, eine Strahlablenkung
6 und einen Detektor 7 erkennt. Zusätzlich sind eine TV-Kamera 22, eine Steuerelektronik
23, eine Messelektronik 24, ein Computer 25 und eine Datenausgabeeinheit 26 dargestellt.
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Die Auswertung der ausgesendeten und empfangenen Signale respektive
Laserstrahlung in der Steuerelektronik 22 und der Messelektronik 24
zur
Bestimmung der Koordinaten x; y; z der einzelnen Punkte 2 kann anhand von Fig. 7
erläutert werden.
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Gemäss dieser Variante (Fig. 2) wird das auszumessende Objekt von
zwei Punkten (A und B, die dem Scanner 6, respektive der TV-Kamera 22 entsprechen)
abgescannt. Von Punkt A aus mit dem Laserstrahl 3 und von Punkt B aus durch den
Elektronenstrahl der Kamera. Dabei ist vorzugsweise darauf zu achten, dass die Scangeschwindigkeit
der TV-Kamera 22 so hoch ist, dass der Elektronenstrahl jeweils während der Zeit,
während welcher der Laserstrahl 3 von einem Fleck 2 reflektiert wird, zumindest
einmal das gesamte Objekt abscannt. Die Vermessung des Objektes, respektive seiner
Oberfläche 1 erfolgt dabei folgendermassen. Die Ablenkwinkel a und y des Laserstrahles
3 am Scanner 6 werden für jeden Reflexionsfleck 2 ermittelt, wobei dies wie bei
der Anordnung nach Fig. 1 mittels des Detektors 7 geschieht. Gleichzeitig werden
die Ablenkwinkel e und y des Elektronenstrahls der TV-Kamera für diesen durch den
Laserstrahl 3 angestrahlten Fleck 2 bestimmt. Die Ermittlung der Koordinaten x;
y zum Zeitpunkt T1 des ausgemessenen Fleckes 2n in bezug zum Referenzfleck 20 mit
den Koordinaten al; y= 0 respektive e1; y5 0 erfolgt anhand der nachfolgenden Formeln,
aus welchen auch ersichtlich ist, wie nach der Vermessung des Fleckes 2n im Zeitpunkt
T2 die Verschiebung des Fleckes 2n in den drei Roordinatenachsen berechnet wird.
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#x2n = x2n (T1) - X2n(T2)
AY2n = Y2n(Tl) - Y2n(T2)
Az2n = Z2n(Tl) - Z2n(T2)
worin a - Distanz zwischen Punkt A und Punkt B ist.
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Der Fachmann erkennt leicht, dass die erfindungsgeznässe Anordnung
mobil, beispielsweise in einem Messwagen untergebracht, gebaut werden kann. Weiter
weist sie gegenüber herkömmlichen Anordnungen den Vorteil auf, dass ihre Messgenauigkeit
praktisch unabhängig ist von ihrer relativen Lage gegenüber dem auszumessenden Objekt.
Als einzige Vorbereitung der Messungen genügt es, die Objektcberfläche mit diffus
reflektierenden Flecken, beispielsweise aus weisser Farbe, zu versehen, wobei dabei
die Stellen, für die eine erhöhte Messgenauigkeit erforderlich ist, dichter mit
derartigen Flecken versehen werden können. Bei hellen, Licht reflektierenden Objekten
können die Messflecke auch schwarz oder dunkel sein, sodass dann die nicht reflektierenden
Flecke vermessen werden. Die Grösse der Flecke wird entsprechend der erwünschten
Messgenauigkeit gewählt.
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Es ist naheliegend, dass je nach Objekt ein Auftragen von Reflexionsflecken
2 unmöglich ist. In solchen Fällen kann das erfindungsgemässe Verfahren aber in
einer Variante dennoch angewendet werden, indem der Laserstrahl 3 in mehrere einzelne
Strahlen aufgeteilt wird, welche durch den Scanner 6 so abgelenkt wird, dass er
auf der Oberfläche des Objektes einen zeitlich gestaffelten Raster von leuchtenden
Flecken 2'o - 2' aufprojiziert. Diese Flecken 2 werden dann beispielsweise, wie
in Fig. 3 dargestellt, mit zwei TV-Kameras 27 und 28 in Stereoanordnung bezüglich
ihrer Position (x;y;z) vermessen. Die Bestimmung der Koordinaten geschieht dabei
analog zum im Zusammenhang mit Fig. 2 beschriebenen Verfahren.
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Dabei ist festzuhalten, dass dieses Verfahren nicht für alle Deformationen
gleich empfindlich ist, da die Verschiebungen von Oberflächenteilen in den Richtungen
x und y durch den Vergleich mit den Verschiebungen der benachbarten Leuchtflecken
2' bestimmt werden müssen.
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Als weitere allerdings kostspieligere Variante des erfindungsgemässen
Verfahrens kann auf, nicht mit Reflexionsflecken 2 versehbaren Objekten, mit einem
Laser- und Strahlenteiler ein Raster von Lichtflecken projiziert und diese Lichtflecken
holographisch aufgenommen werden, sodass die dreidimensionale Information jedes
Fleckens auf der Fotoplatte gespeichert ist. Die Auswertung dieser Information kann
nachträglich im Labor, z.B. mit einer Stereoscananordnung wie nach Fig. 2 erfolgen.
Diese Methode bietet aber den Vorteil, dass sie besonders für schnelle Bewegungen
des Objektes geeignet ist. Sie ist in Fig. 4 dargestellt, in der die holographische
Kamera die Referenznummer 29 trägt.
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Weitere, hier nicht im Einzelnen aufgeführte Varianten des erfindungsgemässen
Verfahrens s4nd durchaus möglich und bilden Teil der vorliegenden Erfindung.
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Ebenso kann die erfindungsgemässe Vorrichtung von den hier beschriebenen
Varianten wesentlich abweichen, ohne ausserhalb des durch die Erfindung gedeckten
Schutzumfanges zu fallen. Bo kann beispielsweise die TV-Kamera durch eine Diode-Matrix-camera
(receiver) oder durch eine CCD (charge - coupled device) oder durch eine CID (charge
- injection device) Bildkamera ersetzt werden.