DE3816322A1

DE3816322A1 - Verfahren und vorrichtung zur beruehrungslosen messung der aussenabmessungen von koerpern

Info

Publication number: DE3816322A1
Application number: DE19883816322
Authority: DE
Inventors: Udo Dr Ing Tutschke
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1988-05-13
Filing date: 1988-05-13
Publication date: 1989-11-23
Also published as: DE3816322C2

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrich tung zur berührungslosen Messung der Außenabmessungen von Körpern.

Meßverfahren und Meßvorrichtungen dieser Art sind be kannt, beispielsweise zum Messen des Außendurchmessers von Arteriensegmenten (Bergel D. H.: The static elastic proper ties of the arterial wall. J. Physiol. 156, Seiten 445-457, 1961; Munch P. A., Iwazumi T. Brown A. M.: Photoelectric ca liper for noncontact measurement of vascular dynamic strain in vitro. J. Appl Physiolo. 58 (6), Seiten 2075-2081, 1985; Sakaguchi M., Ohhashi T.: A photoelectric diameter gauge uti lizing the image sensor. Pflügers Archiv 378, Seiten 263- 268, 1979; Schabert A., Bauer R. D., Busse R.: Photoelectric device for the recording of diameter changes of opaque and transparent blood vessels in vitro. Pflügers Archiv 385, Sei ten 239-242, 1980 und Wetterer E., Busse R., Bauer R. D., Schabert A., Summa Y.: Photoelectric device for contact-free recording of the diameters of exposed arteries in situ. Pflü gers Archiv 368, Seiten 149-152, 1977). All diese Verfahren arbeiten fotoelektrisch. Die zu messenden Gegenstände werden beleuchtet, und die Schattenfläche der Gegenstände wird auf einem fotoelektrischen Wandler abgebildet. Die Schattenfläche bestimmt die Signalamplitude. Dabei wird die Messung genauer, je größer die Schattenlänge ist. Die Auflösung wird begrenzt durch die Inhomogenität der Lichtempfindlichkeit der Fotoele mentfläche bzw. der Anordnungsdichte von Fotodioden. Schwan kungen der Lichtintensität, Abweichungen von der Parallelität des einfallenden Lichts, Verlagerungen des Meßobjektes wäh rend der Messung und thermische Einflüsse können die Meß genauigkeit beeinträchtigen. Probleme bereiten insbesondere durchscheinende Meßobjekte, weil das fotoelektrische Signal zusätzlich von der Transmission des Objektes abhängig ist.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, ein verbessertes Verfahren zur berührungslosen Messung der Außenabmessungen von Körpern anzugeben, mit denen auch ein wandfreie Messungen an durchscheinenden Körpern durchführbar sind, sowie eine die Mängel des Standes der Technik nicht aufweisende Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Außenabmessungen von Körpern.

Die Aufgabe wird durch die Erfindung gemäß Anspruch 1 gelöst.

Vorteilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen der erfin dungsgemäßen Aufgabenlösung sind in den Unteransprüchen ge kennzeichnet.

Eine Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Außen abmessungen von Körpern ist im Anspruch 4 angegeben. Vor teilhafte und zweckmäßige Weiterbildungen dieser Vorrichtun gen sind in den weiteren Unteransprüchen angegeben.

Die Erfindung führt die Bestimmung des Durchmessers auf eine Zeitmessung zurück. Es wird die Zeit gemessen, die ein Lichtpunkt benötigt, um eine bestimmte Strecke, nämlich den Durchmesser des Meßobjektes zu durchlaufen. Die Erfindung weist folgende Vorteile auf: Berührungslose Messung des Außendurchmessers, wodurch mechanische Einflüsse auf das Meß objekt durch den Meßvorgang selbst vermieden sind. Dies ist von besonderer Bedeutung bei der Messung des Außendurchmes sers beispielsweise von Blutgefäßen oder Schläuchen. Die Meß objekte können bis zu einer bestimmten Grenztransmission durchscheinend sein, ohne daß die Messung hierdurch beein flußt wird. Die Grenztransmission, bis zu der Messungen an durchscheinenden Objekten durchgeführt werden können, können durch Maßnahmen zur Verbesserung der Homogenität des vor der Lochblende erzeugten Lichtfeldes verbessert werden. Mit Hilfe des erfindungsgemäßen Meßverfahrens ist eine Auflösung von ca. 0,5 µm und besser erreichbar. Höhere Drehgeschwindig keiten der Spiralschlitzscheibe und eine digitale Auswertung der Meßsignale (Ausgangssignale der fotoelektrischen Einrich tung) verbessern die Auflösung. Das Meßsignal wird durch Drifteffekte nicht beeinflußt. Die Messung ist unempfindlich gegen Lageveränderungen des Meßobjektes beim Meßvorgang, da der Abtaststrahl im Bereich des Bewegungshubes des Lichtpunk tes senkrecht die Ebene des Spaltes durchdringt. Die erfin dungsgemäße Meßvorrichtung zeichnet sich durch einfachen, kompakten Aufbau aus. Die Handhabung und Bedienung der Meßvorrichtung ist sehr einfach. Eine einzige Justierung vor Beginn der ersten Messung ist ausreichend.

Die Erfindung soll nachfolgend anhand eines in der bei gefügten Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden.

Es zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer Vorrichtung zur berührungslosen Messung in der Draufsicht,

Fig. 2 eine schematische Darstellung der Vor richtung nach Fig. 1 in der Seitenansicht,

Fig. 3 eine Draufsicht auf eine Scheibe mit Spiralschlitz,

Fig. 4 eine Seitenansicht der Scheibe nach Fig. 3,

Fig. 5 eine schematische Darstellung zur Erläute rung der Wirkungsweise der Vorrichtung,

Fig. 6 ein Blockschaltbild der elektrischen Signalverarbeitung,

Fig. 7 eine graphische Darstellung der Überein stimmung zwischen Meßwerten und berech neten Werten und

Fig. 8 eine graphische Darstellung von Durchmesser änderungen bei Auseinanderbewegung zweier hintereinander liegender Eichobjekte in Spaltrichtung.

Die Zeichnung (Fig. 1, Fig. 2) zeigt eine Meßvorrichtung mit einer Projektionseinrichtung, die eine Lampe L und ein Linsensystem L 1 umfaßt und ein paralleles Lichtbündel er zeugt, das auf einen senkrechten Spalt D fällt. Der Spalt kann beispielsweise in einer Membran ausgebildet sein und Ab messungen von 0,8 mm×25 mm haben. Die Spaltbreite ist so einstellbar, daß über die gesamte Spaltfläche eine konstante Lichtintensität herrscht. Inhomogenitäten der Lichtfelder lassen sich auch dadurch kompensieren, daß ein Diodenarrey eingesetzt wird, bei dem die Signale der einzelnen Diodenar raysegmente mit den Inhomogenitäten angepaßten Verstärkungen beaufschlagt werden. Hinter dem Spalt D ist eine Scheibe DS drehbar angeordnet, die einen Spiralschlitz SS aufweist. Die Scheibe DS sitzt auf einer in einem Lagerblock B gelagerten Achse und wird von einem Motor M mit konstanter Drehzahl angetrieben. Durch Drehen der Scheibe DS wird der Spiral schlitz am senkrechten Spalt vorbeibewegt.

Der Spiralschlitz blendet aus dem den Spalt D durchset zenden Parallellichtbündel einen engen Lichtstrahl aus, der praktisch als Lichtpunkt erscheint. Durch Drehung der Scheibe DS verschiebt sich der eine Lochblende LB darstellende Schnittpunkt des Spiralschlitzes mit dem Spalt entlang dem Spalt. Dadurch bewegt sich der Lichtstrahl bzw. Lichtpunkt LP je nach Drehrichtung der Scheibe DS periodisch mit konstanter Geschwindigkeit von unten nach oben oder umgekehrt.

Der Spiralschlitz SS, der beispielsweise eine Breite von 0,3 mm haben kann, kann in einer Metallscheibe im Drahtero dierverfahren hergestellt werden (Fig. 3, Fig. 4). Die Spi rale gehorcht der Gleichung für eine Archimedische Spirale mit dem Radius r=c×ϕ, mit c=v _L/ω , worin v _L die Ge schwindigkeit der Lichtstrahl- bzw. Lichtpunktverschiebung, ω die Winkelgeschwindigkeit der sich drehenden Scheibe und ϕ der Drehwinkel der Scheibe ist. Bei einer Drehgeschwindigkeit von beispielsweise 250 Umdrehungen pro Minute und einem Lichtstrahl- bzw. Lichtpunkthub bzw. Weg des Schnittpunktes (Lochblende LB) zwischen Spalt und Spiralschlitz von bei spielsweise f=20 mm, wird dieser Weg von 20 mm in 240 msec zurückgelegt, was einer Frequenz von 4,17 Hz entspricht. Mit steigender Drehzahl wächst die Abtastfrequenz.

Dicht hinter der Spiralschlitzscheibe steht auf dem La gerblock B eine Probenkammer SC, die im Bereich des Licht strahleintritts und Lichtstrahlaustritts mit optischen Fen stern versehen ist.

Auf die Probenkammer, die vorzugsweise der Aufnahme von lebenden biologischen Objekten dient, kann verzichtet werden.

Die Lichtstrahlen, die oberhalb und unterhalb das Meß objekt VS passieren, werden mittels einer Sammellinse L ₂ fo kussiert und treffen dann auf eine Fotodiode Ph.

Die Fig. 5 zeigt schematisch die Entstehung der Signal spannung. Der Lichtstrahl bzw. der Lichtpunkt bewegt sich mit der Geschwindigkeit v _L parallel zum Spalt D. Er startet am unteren Ende des Spaltes, belichtet die Fotodiode, trifft auf das Meßobjekt, das die Fotodiode verdeckt und belichtet die Fotodiode erneut nach Überqueren des Meßobjektes. Das Dioden signal ist ein Rechteckimpuls mit der Anstiegzeit t _s=b/v _L, wobei b die Lichtpunkthöhe bedeutet. Die Impulsbreite ist gleich der Laufzeit des Lichtpunktes bzw. des Lichtstrahles über das Meßobjekt hinweg. Die Laufzeit beträgt t=(d+b)/ v _L und ist proportional dem Durchmesser d des Meßobjektes VS.

Die Fig. 6 zeigt ein Blockschaltbild A der elektroni schen Schaltung für die Signalverarbeitung. Das von der Foto diode Ph abgegebene Signal wird einer Verstärkerstufe 2 zuge führt. Der positive Teil des Ausgangssignals der Verstärker stufe wird einem Integrator 4 sowie einem digitalen Ansteue rungskreis 6 zugeführt, über den dem Integrator die Integra tionszeit vorgegeben wird. Mit Hilfe einer einstellbaren Gleichspannungsquelle 3 kann die Nullinie des Ausgangssignals der Verstärkerstufe 2 verschoben werden, beispielsweise auf die Linie B in Fig. 5, um den Fußpunkt des Integratorein gangssignals einzustellen. Das Gleichspannungsausgangssignal des Integrators wird einem Spitzenwertmeß- und Spitzenwert speicherkreis und dessen Ausgangssignal einem Differenzver stärker 10 zugeführt. Am Differenzverstärker ist eine Kompen sationsspannung U _o zuschaltbar, mit der der Meßbereich inner halb des Lichtpunkthubes bei gleichbleibender Auflösung ein stellbar ist. Das Ausgangssignal ist

U = (U₁-U₀)×V _D (1)

worin U ₁ die Integratorausgangsspannung und V _D die Verstär kung des Differenzverstärkers 10 ist. Das Ausgangssignal wird mittels Registriergeräten aufgezeichnet.

Die Integratorausgangsspannung U ₁ ist eine lineare Funk tion des Durchmessers d des Meßobjektes, so daß mit der Glei chung (1) geschrieben werden kann

d = 1/M′ (U + U₀ V _D) + K (2)

worin M′ das Produkt aus der Steilheit der Integratorkennli nie und dem Verstärkungsfaktor der folgenden Verstärkerschal tung und K eine Konstante ist. Die Integratorausgangsspannung verringert sich mit abnehmender vertikaler Ausdehnung b des Lichtpunktes. Dieser Spannungsverlust wird durch die Kon stante K ausgeglichen. Mit einer Abnahme der Divergenz der Lichtstrahlen, die auf das Meßobjekt fallen, verringert sich die Konstante K, so daß sie bei einer Divergenz, die gegen Null strebt, allein durch die Spiralschlitzbreite bestimmt und vernachlässigbar klein wird.

Zur Eichung der Meßvorrichtung wurden Metallzylinder mit verschiedenen Durchmessern von 1,5 bis 7 mm nacheinander in der Mitte der Probenkammer angeordnet und optisch vermessen. Die Fig. 7 zeigt die Beziehung zwischen den gemessenen Durch messern der Metallzylinder und den nach der Gleichung (2) be rechneten Durchmesserwerten. Man erkennt die gute Überein stimmung.

Es ist ohne weiteres eine Auflösung von etwa 0,5 µm er reichbar, und zwar unabhängig vom Durchmesser des Meßobjek tes. Prinzipiell beträgt der maximale meßbare Durchmesser d _max=f-2b. Die Fig. 8 zeigt Durchmesseränderungen bei Auseinanderbewegung zweier hintereinander liegender Eichob jekte in jeweils 10 µ-Schritten in Spaltrichtung, wobei Me tallzylinder (Durchmesser 1,5 mm) als Eichobjekte dienten. Die Schrittkontrolle erfolgte mit Hilfe einer Wegmeßuhr (Mi tutoyo No. 2119; max. Abweichung in einer Richtung 1,25 µm auf 10 µm Hub).

Von großem Interesse ist die Frage, ob die Transparenz von Meßobjekten einen Einfluß auf das Meßergebnis hat. Um dies zu prüfen, wurden dünnwandige Glasrohre mit Evans-Blau- Lösung mit bekanntem Transmissionskoeffizienten durchströmt. Die nachfolgende Tabelle zeigt die relativen Transmissionen gegenüber der Transmission von destilliertem Wasser.

Außendurchmesser

Grenztransmission

3,4|25%

4,6|38%

Aus der Tabelle ergibt sich, daß die Grenztransmission 38% bei einem Glasröhrchendurchmesser von 4,6 mm beträgt. Um kleinere Durchmesser messen zu können, müssen die Lösungen in den Glasröhrchen optisch dichter sein. Wenn die relative Transmission der Lösung gleich oder kleiner als die Grenz transmission ist, hat dies keinen Einfluß auf das Meßsignal.

Die Netzfrequenz beträgt im Normalfall 50 Hz+/-2%. Die Netzfrequenzschwankungen verursachen Abweichungen der Lichtpunktlaufzeit von maximal +/-0,2%.

Das beschriebene Verfahren und die beschriebene Vorrich tung sind bei Meßobjekten aus beliebigen Werkstoffen einsetz bar und sind z. B. anwendbar bei biologischen Meßobjekten, wie Blut- und Lymphgefäßen.

Claims

1. Verfahren zur berührungslosen Messung der Außenabmessungen von Körpern, bei dem der Körper (Meßobjekt) mit einem Paral lellichtstrahl abgetastet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Zeit gemessen wird, in der der Lichtstrahl das Meßobjekt überstreicht, und daß aus der gemessenen Zeit die dieser Zeit proportionale Außenabmessung des Meßobjektes ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur optischen Abtastung des Meßobjektes Lichtstrahlbündel paral lel verschoben werden oder aufeinanderfolgend parallele, la gemäßig verschobene Lichtstrahlbündel erzeugt werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verschiebung mit konstanter Geschwindigkeit erfolgt.

4. Vorrichtung zur berührungslosen Messung der Außenabmessung von Körpern (Meßobjekten) mit einer Lichtquelle und einem Linsensystem zur Erzeugung von Parallellicht, dadurch gekenn zeichnet, daß eine Spaltblende (D) vorgesehen ist, auf die das Paral lellicht gerichtet ist und vor oder hinter der eine drehbare, antreibbare Scheibe (DS) angeordnet ist, die mit einem den Spalt der Spaltblende schneidenden Spiralschlitz (SS) ausge stattet ist, derart, daß durch das Zusammenwirken von Spalt und Spaltschlitz eine Lochblende (LB) entsteht, die bei Dre hung der Scheibe mit konstanter Drehzahl entlang dem Spalt mit konstanter Geschwindigkeit bewegt wird,
daß der die Lochblende durchsetzende, einen Lichtpunkt erzeu gende Lichtstrahl auf eine fotoelektrische Einrichtung (Ph) gerichtet ist,
daß zwischen Lochblende und fotoelektrischer Einrichtung (Ph) sich das Meßobjekt befindet oder eine das Meßobjekt (VS) auf nehmende Meßkammer (SC) vorgesehen ist und
daß der fotoelektrischen Einrichtung eine Auswerteeinrichtung (A) nachgeschaltet ist, die das Ausgangssignal der fotoelek trischen Einrichtung (Ph) hinsichtlich der Außenabmessungen des Meßobjektes (VS) auswertet.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Spiralschlitz (SS) die Form einer Archimedischen Spirale hat, die der Gleichung r=c×ϕ gehorcht, wobei r der Ra dius der Spirale, c der Quotient aus der Lichtstrahlabtastge schwindigkeit bzw. der Lichtpunktgeschwindigkeit (Lochblen dengeschwindigkeit) v _L und der Winkelgeschwindigkeit ω der sich drehenden Scheibe (c=v _L/ω) und ϕ der Drehwinkel der Scheibe ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß im Strahlenweg zwischen Meßobjekt (VS) bzw. Proben kammer (SC) und fotoelektrischer Einrichtung (Ph) eine Sammellinse (L ₂) angeordnet ist, die den Lichtstrahl auf eine die fotoelektrische Einrichtung bildende Fotodiode fokussiert.

7. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 6, dadurch gekennzeich net, daß die fotoelektrische Einrichtung (Ph) ein Diodenarray ist, bei dem die Signale der einzelnen Diodenarraysegmente mit Verstärkungen beaufschlagt sind, die Inhomogenitäten des Lichtfeldes zur Kompensation dieser Inhomogenitäten angepaßt sind.

8. Vorrichtung nach Anspruch 4, 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Ausgangssignal der fotoelektrischen Einrichtung (Ph) etwa ein Rechteckimpuls ist, dessen Impuls breite gleich der Laufzeit des Lichtpunktes über das Meßob jekt hinweg ist, die proportional der Außenabmessung des Meß objektes ist.