DE3715922A1

DE3715922A1 - Verfahren und anordnung zur messung der dicke eines fadenfoermigen objekts

Info

Publication number: DE3715922A1
Application number: DE19873715922
Authority: DE
Inventors: Klaus Dipl Ing Jakob
Original assignee: Individual
Current assignee: Zumbach Electronic AG
Priority date: 1986-05-15
Filing date: 1987-05-13
Publication date: 1987-11-19
Anticipated expiration: 2007-05-14
Also published as: DE3715922C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung der Dicke eines fadenförmigen Objekts, wobei ein Beu gungsbild des Objekts auf mindestens einem opto-elek trischen Wandler erzeugt wird.

Die Messung der Dicke von fadenförmigen Objekten ist insbesondere zur Überwachung der Herstellung derarti ger Objekte erforderlich. Dabei kann es sich um Glas fasern, Drähte und textile Fasern handeln. Bei be kannten Verfahren zur Messung der Dicke eines faden förmigen Objekts (beispielsweise DE 32 34 330 A1) wird das Objekt von einer Lichtquelle beleuchtet und der auf eine Photodiodenzeile fallende Schatten des Objekts durch Abtastung der Photodiodenzeile und Aus wertung der durch die Abtastung entstehenden Signale gemessen. Bei diesen Verfahren ist jedoch durch die endliche Kleinheit der einzelnen Photodioden die Meß genauigkeit begrenzt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren zur Mes sung der Dicke eines fadenförmigen Objekts anzuge ben, mit welchem genaue Ergebnisse erzielt werden können und zu dessen Durchführung eine einfache An ordnung geeignet ist.

Das erfindungsgemäße Verfahren ist dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand zweier Extremwerte des Beugungsbildes ermittelt und in einen Wert für die Dicke des Objekts umgerechnet wird. Dabei kann gemäß Weiterbildungen der Erfindung der Abstand zweier benachbarter gleichartiger Extremwerte, gegebenen falls einschließlich des ungebeugten Strahls, oder der Abstand der jeweils ersten Maxima auf gegenüber liegenden Seiten des ungebeugten Strahls ermittelt werden.

Es ist zwar schon ein Signalverarbeitungssystem be kannt (EP 00 24 953 A2), mit dessen Hilfe der Durch messer von optischen Fasern überwacht werden kann. Auch bei dem bekannten System wird das Beugungsbild der Faser auf einer Photodiodenzeile erzeugt. Zur Auswertung der von der Photodiodenzeile erzeugten Signale werden bei dem bekannten System jedoch meh rere Perioden des Beugungsbildes herangezogen, wobei die Signale verschieden lang verzögert und in Recht eckimpulse umgewandelt werden. Das bekannte System ist daher recht aufwendig und benötigt mehrere Perio den des Beugungsbildes. Die Intensität des Beugungs bildes nimmt jedoch mit zunehmender Entfernung von der Richtung des ungebeugten Lichtstrahls stark ab, so daß nur wenige Minima und Maxima einen geringen Störabstand aufweisen und somit zur Auswertung geeig net sind.

Eine andere Weiterbildung des erfindungsgemäßen Ver fahrens besteht darin, daß elektrische Signale durch Abtastung des Beugungsbildes mit Hilfe einer Photo diodenzeile erzeugt werden, daß aus den Signalen Impulse abgeleitet werden, die Extremwerte der Signa le kennzeichnen, und daß mit Hilfe der Impulse ein Zähler gestartet und gestoppt wird.

Eine einfache Möglichkeit zur Erfassung der Extrem werte besteht gemäß einer anderen Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens darin, daß zur Ablei tung der Impulse die Signale einerseits direkt und andererseits verzögert einer Subtrahierschaltung zugeführt werden.

In vorteilhafter Weise wird der Zähler mit Impulsen getaktet, welche ferner zur Abtastung der Photodio denzeile herangezogen werden.

Eine andere Weiterbildung der Erfindung besteht dar in, daß der Zählerstand nach dem Stoppen des Zählers unter Berücksichtigung der Wellenlänge des Lichtes, des Abstandes des Objekts von der Photodiodenzeile und des Abstandes der Dioden untereinander in Werte für die Dicke des Objekts umgerechnet werden. Durch diese Weiterbildung kann die Dicke des Objekts direkt errechnet bzw. angezeigt werden und wie bei den bekannten Anordnungen zur Messung der Dicke auch für Regelzwecke verwendet werden.

Eine Anordnung zur Durchführung des erfindungsgemä ßen Verfahrens besteht darin, daß ein Laser und eine Photodiodenzeile vorgesehen sind, daß eine Haltevor richtung derart angeordnet ist, daß das Objekt vom Strahl des Lasers erfaßt wird, wobei das Beugungs bild auf der Photodiodenzeile entsteht, daß an die Photodiodenzeile eine Auswertungsschaltung ange schlossen ist, welche eine Verzögerungsschaltung, eine Subtrahierschaltung, einen Impulsformer und einen Zähler aufweist. Diese Schaltungen lassen sich in einfacher Weise im Rahmen des Fachmännischen unter Zuhilfenahme von bekannten Bauelementen reali sieren.

Gemäß einer Weiterbildung der Anordnung ist ein Mikroprozessor mit einem für die Umrechnung ausgeleg ten Programm angeschlossen.

Zur Erzielung einer möglichst genauen Messung ist eine möglichst große Abbildung des Beugungsbildes erforderlich. Gemäß einer anderen Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung ist daher vorgesehen, daß der Strahlengang zwischen dem Objekt und der Photodiodenzeile mehrfach von Spiegeln umgelenkt ist. Dabei ist es besonders vorteilhaft, daß zwei Spiegel aneinander gegenüberstehen und daß minde stens einer der Spiegel schwenkbar ist, wodurch die Anzahl der Umlenkungen eingestellt werden kann. Außerdem kann zwischen dem Objekt und dem opto-elek trischen Wandler eine das Beugungsbild vergrößernde optische Einrichtung vorgesehen sein.

Die Erfindung läßt zahlreiche Ausführungsformen zu. Zwei davon sind schematisch in der Zeichnung an Hand mehrerer Figuren dargestellt und nachfolgend be schrieben.

Es zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel, bei welchem die Anordnung des Lasers und des Objekts lediglich schematisch dargestellt ist,

Fig. 2 Spannungszeitdiagramme von in der Anordnung nach Fig. 1 auftretenden Signalen,

Fig. 3 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem mehrfach umgelenkten Strahlengang und

Fig. 4 ein drittes Ausführungsbeispiel.

Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Bei der Anordnung nach Fig. 1 ist das Objekt 1, des sen Dicke gemessen werden soll, mit Hilfe einer nicht dargestellten Halterung im Strahl 2 eines La sers 3 angeordnet. Die an den Rändern des Objekts 1 gebeugten Strahlen 4 fallen auf die lichtempfind liche Fläche einer Photodiodenzeile 5 und bilden dort durch Interferenzen ein Beugungsbild. Geeignete Photodiodenzeilen sind im Handel erhältlich, bei spielsweise die Photodiodenzeile CCD 143 der Firma Fairchild.

Die in Abhängigkeit von der jeweiligen Beleuchtungs stärke in den einzelnen Dioden gespeicherten Ladun gen werden mit Hilfe eines Taktsignals T, welches von einem Taktgenerator 6 erzeugt wird, ausgelesen. Die Photodiodenzeile 5 verfügt über zwei Ausgänge 7, 8, von denen jeweils einer mit den geradzahligen und der andere mit den ungradzahligen Photodioden verbun den ist. Zur Zusammenfassung der an den Ausgängen 7, 8 anstehenden Signale dient eine Addierschaltung 9.

Am Ausgang 10 der Addierschaltung 9 steht somit ein Signal an, welches den Helligkeitsverlauf des Beu gungsbildes in Richtung der Photodiodenzeile 5 dar stellt.

Dieses Signal wird einerseits direkt und anderer seits über eine Verzögerungsschaltung 11 einer Sub trahierschaltung 12 zugeführt, welche die Differenz zwischen dem verzögerten und dem unverzögerten Sig nal bildet.

Fig. 2 stellt Zeitdiagramme der bei der Anordnung nach Fig. 1 auftretenden Spannungen dar. Das Dia gramm a) zeigt den Verlauf Spannungen U _OA und U _OB an den Ausgängen 7, 8 der Photodiodenzeile 5. Das Dia gramm b) stellt die Ausgangsspannung U _O der Addier schaltung 9 sowie die verzögerte Ausgangsspannung U _Z dar. Bei c) ist der Verlauf der Ausgangsspannung U _e der Subtrahierschaltung 12 aufgetragen. Durch die Subtraktion ergeben sich bei der in Fig. 2c) darge stellten Kurve Nulldurchgänge, wenn die in Fig. 2b) gezeigten Kurven sich schneiden, was wiederum in der Nähe der Extremwerte der Fall ist.

Mit Hilfe eines Impulsformers 13 werden aus den Null durchgängen die in Fig. 2d) dargestellten Impulse gewonnen. Dabei stellt jeweils der zeitliche Abstand zweier Flanken mit gleichem Vorzeichen, also bei spielsweise Vorderflanken, eine Periodendauer der Ausgangsspannung der Photodiodenzeile 5 dar.

Mit diesen Impulsen wird ein Zähler 14 derart gesteu ert, daß er durch eine positive Flanke gestartet und durch die folgende positive Flanke gestoppt wird. Während der dazwischenliegenden Zeit zählt der Zäh ler 14 die vom Taktgenerator 6 zugeführten Taktim pulse T. Das Zählergebnis ist somit ein Maß für den Abstand zweier benachbarter Extremwerte der Beleuch tungsstärke auf der Photodiodenzeile 5. Ein Mikro prozessor 15 rechnet nach allgemein bekannten For meln diesen Abstand in die Dicke des Objekts 1 um und gibt das Ergebnis an eine Anzeigevorrichtung 16.

Bei der Anordnung nach Fig. 3 sind in einem Gehäuse 21 zwei Spiegel 22, 23 derart angeordnet, daß die das Beugungsbild bildenden Strahlen 24 mehrmals um gelenkt werden. Dadurch ist eine ausreichend große Abbildung des Beugungsbildes auch bei stärkeren Objekten möglich.

Wie bei der Anordnung nach Fig. 1 ist das Objekt 1 im Strahl 2 eines Lasers 3 angeordnet, wobei der direkte Strahl an dem Spiegel 22 vorbeigeleitet wird. Der Spiegel 22 ist um eine Achse 25 schwenk bar. Zum Schwenken des Spiegels ist eine Mikrometer schraube 26 vorgesehen. Durch Hineindrehen der Mikro meterschraube 26 wird der Spiegel entgegen der Kraft einer Feder 29 geschwenkt. Je weiter der Spiegel 22 dem Spiegel 23 parallel gestellt wird, desto häufi ger wird der Lichtstrahl 24 umgelenkt. Somit können verschiedene Maßstäbe zur Dickenmessung eingestellt werden. Zur Auswertung der von der Photodiodenzeile 5 abgegebenen Signale dient eine Auswertungsschal tung 30, die in ähnlicher Weise wie die in Fig. 1 dargestellte Schaltung aufgebaut sein kann.

Die Anordnung nach Fig. 4 ist insbesondere dafür vor gesehen, die Dicke von Objekten genauer zu messen, wenn der ungefähre Wert bekannt ist. Dazu wird der genaue Ort des ersten Maximums von einer Photodioden zeile 5 und mit der im Zusammenhang mit Fig. 1 be schriebenen Auswertungsschaltung ermittelt. Zu dem Ergebnis wird der Abstand eines Bezugspunktes der Photodiodenzeile 5 von der Mitte des ungebeugten Strahls hinzuaddiert.

Die Anordnung nach Fig. 4 kann durch eine weitere Photodiodenzeile 31 und eine weitere Auswertungs schaltung 32 ergänzt werden, so daß zwischen den zu beiden Seiten des ungebeugten Strahls liegenden Maxima der Abstand ermittelt werden kann. Dieses hat gegenüber der Verwendung nur einer Photodiodenzeile den Vorteil, daß bereits eine genaue Justierung der Photodiodenzeilen zueinander die Genauigkeit der Messung im wesentlichen gewährleistet. Mögliche Unge nauigkeiten des ungebeugten Strahls beeinflussen nicht die Genauigkeit des Meßergebnisses.

Claims

1. Verfahren zur Messung der Dicke eines fadenförmigen Objekts, wobei ein Beugungsbild des Objekts auf mindestens einem opto-elektrischen Wand ler erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zweier Extremwerte des Beugungsbil des ermittelt und in einen Wert für die Dicke des Objekts umgerechnet wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand zweier benachbarter gleichartiger Extremwerte ermittelt wird.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand des ungebeugten Strahls vom ersten Maximum ermittelt wird.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Abstand der jeweils ersten Maxima auf gegen überliegenden Seiten des ungebeugten Strahls ermit telt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
daß elektrische Signale durch Abtastung des Beugungs bildes mit Hilfe einer Photodiodenzeile erzeugt wer den,
daß aus den Signalen Impulse abgeleitet werden, die Extremwerte der Signale kennzeichnen, und daß mit Hilfe der Impulse ein Zähler gestartet und gestoppt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß zur Ableitung der Impulse die Signale einerseits direkt und andererseits verzögert einer Subtrahier schaltung zugeführt werden.

7. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zähler mit Impulsen getaktet wird, welche ferner zur Abtastung der Photodiodenzeile herange zogen werden.

8. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekenn zeichnet, daß der Zählerstand nach dem Stoppen des Zählers unter Berücksichtigung der Wellenlänge des Lichtes, des Abstandes des Objekts von der Photodiodenzeile und des Abstandes der Dioden untereinander in Werte für die Dicke des Objekts umgerechnet werden.

9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet,
daß ein Laser (3) und eine Photodiodenzeile (5) vor gesehen sind,
daß eine Haltevorrichtung derart angeordnet ist, daß das Objekt (1) vom Strahl des Lasers (3) erfaßt wird, wobei das Beugungsbild auf der Photodiodenzei le (5) entsteht, und
daß an die Photodiodenzeile (5) eine Auswertungs schaltung angeschlossen ist, welche eine Verzöge rungsschaltung (11), eine Subtrahierschaltung (12), einen Impulsformer (13) und einen Zähler (14) auf weist.

10. Anordnung zur Durchführung des Verfah rens nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet,
daß ein Laser und zwei Photodiodenzeilen (5, 31) vorgesehen sind,
daß die Photodiodenzeilen (5, 31) auf zwei gegenÜber liegenden Seiten des ungebeugten Strahls angeordnet sind,
daß eine Haltevorrichtung derart angeordnet ist, daß das Objekt (1) vom Strahl des Lasers (3) erfaßt wird, wobei Teile des Beugungsbildes auf den Photo diodenzeilen (5, 31) entstehen, und
daß an die Photodiodenzeilen (5, 31) Auswertungs schaltungen angeschlossen sind, welche je eine Ver zögerungsschaltung (11), eine Subtrahierschaltung (12), einen Impulsformer (13) und einen Zähler (14) aufweisen.

11. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß ein Mikroprozessor (15) mit einem für die Umrech nung ausgelegten Programm angeschlossen ist.

12. Anordnung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlengang zwischen dem Objekt (1) und der Photodiodenzeile (5) mehrfach von Spiegeln (22, 23) umgelenkt ist.

13. Anordnung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet,
daß zwei Spiegel (22, 23) aneinander gegenüberstehen und
daß mindestens einer der Spiegel (22) schwenkbar ist.

14. Anordnung zur Durchführung des Verfah rens nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Objekt (1) und dem opto-elektri schen Wandler (5, 31) eine das Beugungsbild vergrö ßernde optische Einrichtung vorgesehen ist.