DE4334060A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Lageparameters einer Meßstelle mittels eines Laserstrahls - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Lageparameters einer Meßstelle mittels eines LaserstrahlsInfo
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Description
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein nach dem
Triangulations-Prinzip arbeitendes Verfahren zur berüh
rungslosen Messung mindestens eines Lageparameters einer
von einem Laser als Sender beaufschlagten Meßstelle, wobei
das Laserlicht an der Meßstelle gestreut (diffus reflek
tiert) und die so beleuchtete Meßstelle auf einen Foto
detektor geometrisch abgebildet wird. Die Erfindung
bezieht sich insbesondere auf ein Verfahren zur gleich
zeitigen Bestimmung zweier orthogonaler Lageänderungen
einer Meßstelle. Die Erfindung bezieht sich ferner auf eine
Vorrichtung zur Ausführung der genannten Verfahren.
Der Hintergrund der vorliegenden Erfindung beziehungsweise
die ihr zugrunde liegende Entwicklung ist darin zu sehen,
eine Konzeption und Konfiguration zu finden, mit deren
Hilfe eine experimentelle Überprüfung von theoretisch
ermittelten Strömungsprofilen in unregelmäßigen Zylinder
anordnungen möglich ist und zwar insbesondere im Hinblick
auf eine Verbesserung der Theorie der Faserfilter.
Letztlich geht es darum, die von Strömungskräften ver
ursachte lokale Auslenkung von parallelen, jedoch in der
Regel nicht äquidistant sondern in Abständen von 1 bis 5 mm
angeordneten sehr dünnen, insbesondere 0,2 bis 0,5 mm
starken Drähten zu vermessen, wobei die Drähte in einem
starren Rahmen eingespannt sind. Bei Kenntnis des relativ
einfach zu ermittelnden Anströmgeschwindigkeitsprofils in
großer Entfernung vor den Drähten lassen sich aus den
Drahtauslenkungen dann die gesuchten Strömungskräfte
ermitteln.
Allgemein ist folgendes anzumerken:
Bei der berührungslosen Bestimmung von Lageparametern
(Abstand, Verschiebung, Winkel, etc.) finden opto-elektro
nische Meßverfahren vielfältige Anwendungsmöglichkeiten.
Die auf dem sogenannten Triangulations-Prinzip beruhenden
Meßsysteme bestehen dabei gewöhnlich aus einem Laser als
Sender und einem Fotodetektor beziehungsweise Fotodioden
als Empfänger des diffus gestreuten oder mittels Spiegel
von einem Meßobjekt reflektierten Laserlichts, sowie einer
Signalverarbeitungseinrichtung zur Verarbeitung der durch
das auftreffende Licht vom Empfänger erzeugten elektrischen
Signale. Sollen im Falle einer Wegmessung zwei orthogonale
Komponenten eines Verschiebungsvektors erfaßt werden, so
sind hierfür im allgemeinen zwei getrennte Meßsysteme in
einer 90°-Anordnung erforderlich. Mit dem der Erfindung
zugrunde liegenden Wegmeßsystem soll hingegen eine
simultane Erfassung beider Komponenten aus einer Beobach
tungsrichtung (d. h. mit nur einem Laser als Sender und auch
nur einem Fotodetektor als Empfänger) möglich sein. Das
Verfahren ist daher insbesondere für sehr beengte räumliche
Verhältnisse, sowie für kleine Meßobjekte oder auch für die
Messung bei stark gekrümmten Oberflächen (Schneiden) geeig
net, wobei - je nach Streueigenschaft der Meßgutoberfläche
- die Positionsauflösung weit unter 1 µm liegen kann.
Das Prinzip der Laser-Triangulation ist allgemein bekannt
und basiert darauf, ausgehend vom bekannten Abstand zweier
Eckpunkte eines Dreiecks, die Position des dritten Punktes
nach der optischen Bestimmung zweier Winkel oder eines
Winkels und einer zusätzlichen Länge zu ermitteln.
Bei einem der bekannten, nach dem Prinzip der Laser-
Triangulation arbeitenden Wegmeßsysteme wird der von einem
Laser ausgesandte Lichtstrahl an einem am Meßobjekt ange
brachten Spiegel in Richtung des Fotodetektors reflektiert
und erscheint dort als Lichtfleck. Das dadurch am Foto
detektor erzeugte Signal hängt dabei unter anderem von der
Position des Lichtflecks auf der Fotodetektorfläche ab. Ist
der funktionale Zusammenhang und somit die momentane
Position des Lichtflecks gegeben, so läßt sich daraus
unmittelbar die Position beziehungsweise auch die Verschie
bung des Meßobjekts ermitteln, falls zusätzlich zwei Winkel
des Vermessungsdreiecks bekannt sind. Für eine präzise
Messung muß daher neben dem Einfallswinkel des Laserstrahls
auch die aktuelle Winkelstellung des am Meßobjekt
angebrachten Spiegels exakt bestimmt sein, womit bereits
eine der grundlegenden Schwierigkeiten dieses Verfahrens
deutlich wird.
Demgegenüber sind Wegmeßsysteme, die das direkt an der
Oberfläche des Meßobjekts gestreute (diffus reflektierte
bzw. remittierte) Licht nutzen, einfacher zu handhaben,
dafür in der Regel jedoch weniger genau. Die beleuchtete
Oberfläche wird dabei über eine zusätzliche Optik möglichst
scharf auf dem Fotodetektor abgebildet. Da sich hierbei aus
einer Veränderung der Form und der Größe des Lichtflecks
ein Meßfehler ergeben kann, muß jeweils sowohl das
Objektiv, als auch die Orientierung der optischen Achse an
den Arbeitsabstand und den Meßbereich angepaßt werden
(Scheimpflugbedingung!).
Beiden Verfahren gemeinsam ist die direkte Zuordnung eines
Meßsignals zur Position des Lichtflecks auf dem Fotodetek
tor und damit zur Lage des Meßobjekts. Trotz des potentiell
hohen Auflösungsvermögens der Fotodioden ist die Meß
genauigkeit bzw. Meßsicherheit der bekannten Wegmeßsysteme
jedoch relativ gering und zwar einerseits wegen der
möglichen Herstellungsungenauigkeiten und andererseits
wegen der statistischen Schwankungen der Materialeigen
schaften der einzelnen Fotodetektoren. Der hierbei immer
vorausgesetzte lineare Zusammenhang zwischen einer Licht
fleckposition und einem Detektorsignal kann daher im all
gemeinen jeweils nur im Zentrum der Detektorfläche (und
dort auch nur im Mittel) garantiert werden, wogegen zu den
Randbereichen hin mit zunehmenden Positionsnicht
linearitäten zu rechnen ist. Diese Unsicherheit führt unter
Umständen zu erheblichen Einschränkungen bezüglich des
Meßbereichs, es sei denn, daß man die gesamte Detektor
fläche unter Berücksichtigung der charakteristischen
Merkmale des Lichtflecks (Form, Größe und Bestrahlungs
stärkeverteilung) kalibriert. Die bekannten Verfahren
beziehungsweise Vorrichtungen erlauben darüber hinaus
jeweils nur eine eindimensionale Wegmessung.
Prinzipiell ist letzlich davon auszugehen, daß Wegmeß
systeme, die nach dem Prinzip der Laser-Triangulation
arbeiten, im Falle hoher Genauigkeitsanforderungen
kalibriert werden müssen. Im Hinblick auf die vorliegende
Erfindung heißt dies, daß eine Kalibrierung der als Weg
aufnehmer für die Nachführung verwendeten Linearpotentio
meter in das gattungsgemäße Verfahren zu integrieren ist.
Die der vorliegenden Erfindung zugrunde liegende Aufgabe
besteht global betrachtet darin, einerseits die vor
genannten Unzulänglichkeiten im Hinblick auf Material- und
Oberflächenabweichungen sowie ungesicherte geometrische
Vorgaben weitgehend zu vermeiden und andererseits die
Möglichkeit zu eröffnen, gleichzeitig auch eine zweite
Verschiebungskomponente genau zu messen.
Diese Aufgabe wird prinzipiell dadurch gelöst, daß in einem
dem eigentlichen Meßvorgang vorausgehenden Kalibrierver
fahren eine Vielzahl von unterschiedlichen Lageparametern,
jeweils bestehend aus einem Wertepaar (Meßsignal x/x-Position)
bzw. (Meßsignal y/y-Position), ermittelt und in
einem Datenverarbeitungssystem abgespeichert werden.
Während des eigentlichen Meßvorgangs erzeugt die einer
Lageänderung der Meßstelle entsprechende Verschiebung ihres
(optischen) Bildes auf dem Fotodetektor zunächst ein
Detektorsignal, das als Stellsignal zur komplementären
Nachführung des Senders (resp. Laserstrahls) und/oder des
Fotodetektors dient. Laserstrahl und Fotodetektor werden so
lange nachgeführt, bis die ursprüngliche Position des
Meßobjektbildes auf dem Fotodetektor wieder erreicht ist.
In dieser Referenzposition liegt der Schwerpunkt des
Objektbildes (genauer: der Bestrahlungsstärkeverteilung)
immer exakt im Zentrum der Detektorfläche. Die Nachführwege
von Laser und Fotodetektor werden nun mittels je einem
Weggeber (z. B. Linearpotentiometer oder Glasmaßstab)
detektiert. Deren elektrische Signale werden sodann als
Meßsignal x bzw. Meßsignal y (siehe oben) in das Daten
verarbeitungssystem eingelesen, wo ihnen anhand der
gespeicherten Kalibrierwertepaare die tatsächliche Position
bzw. Lageänderung des Meßobjektes zugeordnet wird.
Mit anderen als im Patentanspruch 1 gebrauchten Worten
besteht der Kern der vorliegenden Erfindung darin, die aus
den Lageänderungen des Meßobjekts, insbesondere der
Auslenkungen eines Meßdrahtes, resultierenden Verschie
bungen des Abbildungs-Lichtflecks am Fotodetektor dadurch
zu kompensieren, daß der Laser und/oder der Fotodetektor
soweit nachgeführt wird, bis der Abbildungs-Lichtfleck
wieder im - als Referenz- beziehungsweise Normierposition
zu betrachtenden - Mittelpunkt des Fotodetektors steht. Da
der Laserstrahl vor und nach einer Verschiebung jeweils
wieder exakt auf dieselbe Stelle des Meßobjektes trifft,
repräsentiert das Maß der Nachführung wiederum exakt das
Ausmaß der Verschiebung beziehungsweise der Auslenkung
genau dieser Stelle des Meßobjekts.
Vereinfacht zum Ausdruck gebracht liegt der ganz entschei
dende Vorteil der Erfindung darin, daß unabhängig von
Lichtfleckeigenschaften (insbesondere Größe, Form und
Intensitätsverteilung) und von geometrischen Parametern
(insbesondere Winkel und Bezugslängen) sowie von der
Qualität der Fotodetektors (insbesondere der Homogenität
der Substratleitfähigkeit) die absolute Meßgenauigkeit
gesteigert werden kann.
Das zentrale charakteristische Merkmal des Anmeldungsgegen
standes besteht also in der Verwendung von Kalibrierwerten,
wobei besonderes Augenmerk auf die Unabhängigkeit der
absoluten Meßgenauigkeit von der Größe der Verschiebungs
strecke bzw. vom Arbeitsabstand gerichtet wurde. Voraus
setzung hierfür ist allerdings, daß
- 1) der Fotodetektor (in eindeutiger Zuordnung) immer das an ein und demselben Meßpunkt der Meßstelle remittierte Licht empfängt, wobei sowohl der Ein strahlwinkel (Lichtquelle → Meßstelle) als auch der Rückstrahlwinkel (Meßstelle → Fotodetektor) sowie der Abbildungsmaßstab konstant bleiben sollte, da die Intensitätsverteilung des vom Detektor empfangenen Lichts und damit das Detektor signal hiervon ebenfalls abhängt und
- 2) daß das Meßgerät über den gesamten Arbeitsbereich hinweg kalibriert wird, wobei die Kalibrierschritt weite kleiner oder gleich der angestrebten absoluten Meßgenauigkeit (z. B. 1 µm) sein sollte.
Hierzu ist noch anzumerken, daß eine auch exakt
reproduzierbare Kalibrierkurve nur dann zu erwarten ist,
wenn bei der Verschiebung die gesamte Abbildungscharak
teristik erhalten bleibt!
Es soll insoweit nochmals angemerkt werden, daß der Kern
des Anmeldungsgegenstandes nicht in der Problemstellung
"Nachführung eines Laserstrahles" an sich liegt, sondern
darin, diese Nachführung unabhängig von den Eigenschaften
der Meßstelle, d. h. exakt reproduzierbar zu gestalten.
Besondere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der Ansprüche 2 & 3.
Die Vorrichtung zur Ausführung des erfindungsgemäßen
Verfahrens ist im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs
4 spezifiziert. Grundsätzlich können die Elemente Laser und
Fotodetektor je für sich nachgeführt werden (vergleiche
Anspruch 5). Um zu gewährleisten, daß das Meßobjekt stets
zentral vom Laser angestrahlt wird, ist vorgesehen, den
Laser und den Fotodetektor samt Objektiv in einem festen
System zu integrieren, das je nach Lageänderung des
Meßobjekts in zwei orthogonalen Richtungen verstellbar ist
(vergleiche Anspruch 7). Der Fotodetektor selbst ist als
positionsempfindliche Fotodiode realisiert (Anspruch 8),
und zwar in Form einer sogenannten Pin-Fotodiode (Anspruch
9) oder einer Quadrantendiode (Anspruch 10).
Die Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnung näher
erläutert. Diese zeigt in
Fig. 1 eine Prinzipdarstellung eines ersten Ausführungs
beispiels einer Vorrichtung zur Ausführung des Ver
fahrens zur berührungslosen Bestimmung mindestens
eines Lageparameters einer Meßstelle mittels eines
Laserstrahls in der Z-X-Ebene eines drei
dimensionalen orthogonalen Koordinatensystems;
Fig. 2 einen vergrößerten Ausschnitt der Prinzipdarstel
lung nach Fig. 1 zur Darstellung der optischen Ab
bildung bei einer Auslenkung eines Drahtes in X-
Richtung;
Fig. 3 den in Fig. 2 dargestellten Ausschnitt in der X-Y-
Ebene;
Fig. 4 eine Anordnung eines Kalibrierverfahrens für die
Wegmessung in x-Richtung;
Fig. 5 eine Darstellung zur Erläuterung des tatsächlichen
nicht-linearen Verhaltens von Linearpotentiometern;
Fig. 6 eine Schaltungsanordnung zur Verifizierung der
Abgleichbedingung für den Fotodetektor;
Fig. 7 eine Darstellung des gesamten Regelkreises sowie
seine Anbindung an die externe Meßsignalver
arbeitung;
Fig. 8 eine Prinzipdarstellung eines zweiten Ausführungs
beispiels einer Vorrichtung zur Ausführung des
Verfahrens zur berührungslosen Bestimmung
mindestens eines Lageparameters einer Meßstelle
mittels eines Laserstrahls;
Fig. 9 einen vergrößerten Ausschnitt der Prinzipdarstellung
nach Fig. 8 zur Darstellung der optischen Abbildung
bei einer Auslenkung eines Drahtes in X-Richtung
(vergl. Fig. 2);
Fig. 10 den in Fig. 9 dargestellten Ausschnitt in der X-Y-
Ebene;
Fig. 11 eine Prinzipdarstellung einer Pin-Fotodiode;
Fig. 12 eine Prinzipdarstellung einer Quadrantendiode.
Der Beschreibung der Erfindung an sich soll eine kurze Er
läuterung des in Verbindung mit dem erfindungsgemäßen Ver
fahren und der Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens
benutzten Fotodetektors vorangestellt werden. Anhand von
Fig. 11 und Fig. 12 sollen die beiden Ausführungsvarianten
vorgestellt werden.
Dabei handelt es sich um positionsempfindliche Fotodioden,
d. h. um großflächige Siliziumdioden, die unter Nutzung des
fotoelektrischen Effektes zum einen die Bestimmung der
Strahlungsleistung des einfallenden Lichts gestatten und
zum andern eine relativ exakte Positionsbestimmung des
Lichtflecks eines auftreffenden Lichtbündels ermöglichen.
Bei einer Pin-Fotodiode 50 - vergleiche Fig. 11 - wird die
Aufteilung des Fotostroms (IY1, IY2; IZ1, IZ2) aufgrund der
verschiedenen ohmschen Widerstände zwischen dem Ort eines
Lichtflecks 51 auf der Diodenfläche 52 und den seitlichen
Kontakten 53 zur Bestimmung der Lichtfleckposition P (Y, Z)
genutzt.
Aufgrund eines im allgemeinen günstigeren Signal-Rausch-
Verhältnisses besitzt eine Quadrantendiode 60 - vergleiche
Fig. 12 - ein noch höheres Auflösungsvermögen. Wie in Fig.
12 dargestellt, bestehen diese Quadrantendioden 60 aus vier
durch einen Spalt 63 elektrisch getrennten fotoempfind
lichen Diodenelementen (A, B, C, D) auf einem gemeinsamen
Chip. Ein Lichtfleck 61 auf der Diodenfläche 62 erzeugt
somit vier Teilströme, die proportional zum jeweiligen
Quadranten-Anteil der auftreffenden Strahlungsleistung
sind. Da die separaten Diodenelemente (A, B, C, D) selbst
nicht positionsempfindlich sind, ist eine Positionsbestim
mung nur möglich, wenn der Lichtfleck alle vier Elemente
gleichzeitig beleuchtet. Der Meßbereich wird daher durch
die Lichtfleckgröße beschränkt.
Während bei Pin-Fotodioden zumindest unter idealen
Bedingungen ein einfacher funktionaler Zusammenhang
zwischen der Lage des Lichtflecks 51, also des Bestrah
lungsschwerpunkts, und dem elektrischen Ausgangssignal
existiert, ist bei der Quadrantendiode 60 eine solche
direkte Zuordnung von vornherein weitaus schwieriger, da
die im allgemeinen unbekannte Form und Größe des Licht
flecks 61 ebenso wie die Spaltweite berücksichtigt werden
müssen.
Aus diesen Gründen verwenden herkömmliche Triangulations
meßverfahren praktisch ausnahmslos Pin-Fotodioden als
Empfänger. Dagegen kann beim Anmeldungsgegenstand auch
problemlos eine Quadrantendiode eingesetzt werden, da beim
zugrundeliegenden Kommpensationsmeßverfahren die Positions
bestimmung nicht direkt sondern nur mittelbar mit dem
Detektorsignal erfolgt. Damit kann beim Anmeldungsgegend
stand von vornherein eine merklich höhere Signalauflösung
erreicht werden als bei herkömmlichen Triangulationsmeß
verfahren.
Im folgenden soll anhand der weiteren Figuren das
erfindungsgemäße Verfahren, sowie je ein Ausführungs
beispiel der Vorrichtung zur Ausführung dieses Verfahrens
erläutert werden.
Fig. 1 zeigt eine - vom Prinzip her komplette - Vorrichtung
zur berührungslosen Bestimmung eines Lageparameters und das
zu vermessende Objekt. Die eigentliche Meßeinrichtung be
steht aus einem Sender, hier einer Laserdiode 1 mit einer
Kollimatoroptik. Der ausgesandte Lichtstrahl 2 wird direkt
oder - wie dargestellt - über zwei Umlenkspiegel 3, 4 unter
einem bestimmten Winkel α gegenüber der X-Achse auf das
Meßobjekt, hier auf einen parallel zur Z-Achse angeordneten
Draht 5 gelenkt. (Die angedeutete Welligkeit des Drahtes
soll lediglich die Unabhängigkeit des Meßverfahrens von der
Oberflächenform des Meßobjektes verdeutlichen.) Die X-Achse
ist dabei gleichbedeutend mit der optischen Achse des
Empfängerteils der Meßeinrichtung, wobei dieser Empfänger
teil ein Objektiv 6 aufweist, das das an der eigentlichen
Meßstelle 7 des Meßobjekts (Draht 5) gestreute beziehungs
weise diffus reflektierte Laserlicht auf einen Fotodetektor
8, d. h. eine Pin-Fotodiode (Fig. 11) oder eine Quadranten
diode (Fig. 12) abbildet. Die Längsachse von Laserstrahl 2
liegt dabei definitionsgemäß in der X-Z-Ebene eines drei
dimensionalen Orthogonalsystems; die optische Achse des
Empfängerteils und damit die Beobachtungsrichtung liegt in
der X-Achse.
Der aus dem Sender und dem Empfängerteil bestehenden Meß
einrichtung ist eine - nur angedeutete - Signalverarbei
tungseinrichtung 9 zugeordnet, in der - wie anhand von Fig.
6 und Fig. 7 zu erläutern ist - die Nachführ- beziehungs
weise Stellsignale für den Laserstrahl 2 einerseits und den
Fotodetektor 8 andererseits generiert werden. Der Dar
stellung nach Fig. 1 ist insbesondere noch zu entnehmen,
wie die Lageänderung, d. h. Verschiebung beziehungsweise
Auslenkung des Drahtes 5 im Orthogonalsystem erfolgt
(vergleiche Δ X).
Das anmeldungsgemäße System geht zunächst davon aus, daß
der Laserstrahl 2 mittels zweier Spiegel 3, 4 umgelenkt
wird und dann unter dem Winkel α gegenüber der optischen
Achse des Empfängerteils (X-Achse) auf das Meßobjekt
(Draht) 5 trifft. Die beleuchtete Meßstelle 7 wird über ein
Objektiv 6 auf der fotoempfindlichen Fläche des Foto
detektors 8 abgebildet. Bei einer Lageänderung der
Meßstelle in X- bzw. Y-Richtung verschiebt sich der
Lichtfleck auf der Detektorfläche in Z- bzw. Y-Richtung.
Die daraus resultierenden elektrischen Signale werden nun
jedoch nicht direkt einer Verschiebungsstrecke zugeordnet,
sondern dienen nach Verschaltung der entsprechenden
Detektor-Elektroden als Stellsignale zur Nachführung
einerseits des Laserstrahls 2 (nachgeführt 2′) in Fig. 2 -
respektive des Spiegels 4 (nachgeführt 4′) in Fig. 1 - für
die X-Richtung und andererseits des Fotodetektors 8
(nachgeführt 8′) für die Y-Richtung (Fig. 3). Wesentlich
ist, daß der Laserstrahl nach der Nachführung wieder exakt
dieselbe Drahtstelle beleuchtet wie vor der Auslenkung;
gleichzeitig wandert auch der Lichtfleck auf dem
Fotodetektor 8 wieder an seine Referenzposition (d. h. an
seine Ausgangsposition) im Zentrum der Detektorfläche, wo
die Differenzsignale der Detektorelektroden immer auf Null
abgeglichen sind. Für die Pin-Fotodiode (vergl. Fig. 11)
lauten die Abgleichbedingungen
Iy2 - Iy1 = 0 (5.1)
Iz2 - Iz1 = 0 (5.2)
Iz2 - Iz1 = 0 (5.2)
und für die Quadrantendiode (vergl. Fig. 12) gilt
(IB + ID) - (IA + IC) = 0 (6.1)
(IA + IB) - (IC + ID) = 0 (6.2).
(IA + IB) - (IC + ID) = 0 (6.2).
In der Nachführung von Laserstrahl und Detektor liegen die
entscheidenden Vorteile des anmeldungsgemäßen Verfahrens.
Der Lichtfleck des Meßobjektbildes bzw. der Bestrahlungs
stärkeschwerpunkt befinden sich immer im Zentrum der
Detektorfläche und die beleuchtete Meßstelle liegt auch bei
großen Verschiebungen in X-Richtung immer im Bereich der
optischen Achse des Empfängers ( Objektiv 6 mit
Fotodetektor 8), so daß Verzeichnungsfehler gering bleiben
und eine zweidimensionale Kalibrierung der Detektorfläche
unter Berücksichtigung der Lichtfleckeigenschaften
entfällt. Zudem besteht die Gefahr einer Fehlmessung
dadurch, daß der Lichtfleck nur noch teilweise auf die
Detektorfläche trifft nicht mehr. Dies erleichtert
wesentlich die Positionierung des Meßgerätes vor dem Meß
objekt.
Die Verfahrwege des Spiegels 4 (Strecke c in Z-Richtung in
Fig. 1) und des Fotodetektors 8 (Strecke Δ y in Fig. 3) sind
ein direktes Maß für die entsprechende Verschiebungskompo
nente der Meßstelle und können über herkömmliche Weggeber
(Linearpotentiometer, Glasmaßstäbe) erfaßt werden. Diese
sind, wie noch zu beschreiben sein wird, im eingebauten
Zustand zu kalibrieren. Im Gegensatz zu einer Kalibrierung
einer gesamten Detektorfläche bedeutet dies, daß nurmehr
entlang der beiden Koordinatenachsen zu kalibrieren ist.
Bei beispielsweise 1000 Kalibrierpunkten für jede Achse
bedeutet dies 2000 Kalibrierwerte gegenüber
1000 × 1000 = 1 000 000 Kalibrierwerten für den Fall, daß
die gesamte Detektorfläche mit dieser Genauigkeit
kalibriert werden soll.
Da der Aufwand hierfür insgesamt wesentlich geringer ist,
kann man die Kalibrierschrittweite beim anmeldungsgemäßen
Verfahren an die gewünschte Meßgenauigkeit anpassen. Man
erreicht hierdurch eine über den gesamten Arbeitsbereich
hinweg weitgehend gleichbleibende und vom Arbeitsabstand
unabhängige absolute Meßgenauigkeit.
Fig. 2 und Fig. 3 zeigen einen Ausschnitt des in Fig. 1
dargestellten Aufbauprinzips in der Z-X-Ebene (Fig. 2) und
in der Y-X-Ebene (Fig. 3).
In Fig. 2 ist das Meßobjekt (Draht) 5 einmal in der Ruhe
stellung, d. h. unausgelenkt dargestellt; daneben ist auch
der in X-Richtung ausgelenkte Draht 5′ dargestellt. Der
Laserstrahl 2 trifft unter dem Einfallswinkel α auf den
unausgelenkten Draht 5 auf und bildet, der flächenhaften
Ausdehnung des Laserstrahls 2 entsprechend, die Meßstelle 7
geometrisch-optisch über das Objektiv 6 auf dem Foto
detektor 8 ab (vergleiche den beispielhaften Strahlengang A
für einen einzelnen Bildpunkt vom unteren Rand der
Meßstelle). Der Fotodetektor 8 liege für die folgenden
Betrachtungen in der Bildebene des unausgelenkten Drahtes
5, so daß die Meßstelle 7 scharf und zentral auf dem
Fotodetektor 8 abgebildet wird.
Wird nun der Draht 5 in X-Richtung um die Strecke Δ X
ausgelenkt - vergleiche 5′ - so beleuchtet der Laserstahl 2
zunächst eine um die Strecke c in Z-Richtung verschobene
Drahtstelle (vergl. die gestrichelte Verlängerung des
Laserstrahls in Fig. 2). Der Lichtfleck auf dem Fotodetektor
verschiebt sich daher ebenfalls zunächst in Z-Richtung
(dieser Strahlengang ist der Übersichtlichkeit wegen nicht
dargestellt). Wird der Draht 5 auch noch um die Strecke Δ Y
in Y-Richtung ausgelenkt, so verschiebt sich der Lichtfleck
auf dem Fotodetektor ebenfalls in Y-Richtung (vergl. Fig. 3,
wo in der XY-Ebene eine simultane Verschiebung der
Meßstelle in X- und Y-Richtung dargestellt ist.) Die daraus
resultierenden elektrischen Detektorsignale werden nun
- im Unterschied zu den bekannten Systemen - nicht direkt
einer Lageveränderung zugeordnet, sondern, wie noch zu
erläutern sein wird, in-der Signalverarbeitungseinrichtung
9 in ein Stellsignal zur Nachführung des Fotodetektors 8 um
die Strecke Δ Y in Y-Richtung und des Laserstrahls 2
beziehungsweise des einen Umlenkspiegels 4 um die Strecke c
in Z-Richtung transformiert. Der nachgeführte Laserstrahl
2′ bildet nun seinerseits wieder die ursprüngliche
Meßstelle 7 des ausgelenkten Drahtes 5′ auf dem Fotodetektor
8 ab (vergleiche den beispielhaften Strahlengang B für
einen einzelnen Bildpunkt des ausgelenkten Drahtes).
In Fig. 3 ist die Auslenkung des Meßobjekts, d. h. des
Drahtes 5 in der X- und in Y-Richtung dargestellt, und zwar
in der X-Y-Ebene des Orthogonalsystems. Der Darstellung
nach Fig. 3 ist insbesondere die flächenhafte, insbesondere
elliptische, Querschnittsform des Laserstrahls 2 zu ent
nehmen.
Bei der Nachführung der Komponenten der erfindungsgemäßen
Wegmeßeinrichtung wandert der Lichtfleck auf dem Foto
detektor 8 wieder an die Stelle der durch das Regelsystem
der Wegmeßeinrichtung vorgegebenen Referenzlage (Nullage),
in der die Differenzsignale des Fotodetektors immer auf
Null abgeglichen sind.
Hierin liegt der ganz entscheidende Vorteil des erfindungs
gemäßen Verfahrens:
Der Lichtfleck beziehungsweise der Bestrahlungsschwerpunkt
befindet sich immer im Zentrum der Detektorfläche und die
beleuchtete Drahtstelle liegt bei beliebigen Verschie
bungen, soweit sie innerhalb der Grenzen des Arbeits
bereichs stattfinden, immer im Bereich der optischen Achse
des Empfängers, so daß Verzeichnungsfehler gering bleiben
und eine zweidimensionale Kalibrierung der Detektorfläche
unter Berücksichtigung der Lichtfleckeigenschaften
entfällt. Darüberhinaus ist die Gefahr einer Fehlmessung
dadurch, daß der Lichtfleck nur noch teilweise auf die
Detektorfläche trifft eliminiert; dies erleichtert ganz
wesentlich die Positionierung des Meßgeräts relativ zum
Meßobjekt.
Die Verfahrwege des Laserstrahls 2 beziehungsweise des
Spiegels 4 und des Fotodetektors 8 sind ein Maß für die
entsprechende Verschiebungskomponente des Meßobjekts und
sie können über herkömmliche im eingebauten Zustand zu
kalibrierende Weggeber, wie zum Beispiel Linearpotentio
meter oder Glasmaßstäbe unmittelbar erfaßt werden. Im
Gegensatz zur Kalibrierung der Fotodetektorfläche bedeutet
dies jedoch nur eine Kalibrierung längs der beiden Koordi
natenachsen. Da der Aufwand hierfür, wie oben erläutert,
wesentlich geringer ist, kann man die Kalibrierschrittweite
an die gewünschte Meßgenauigkeit anpassen, und man erreicht
hierdurch über den gesamten Arbeitsbereich hinweg eine
weitgehend gleichbleibende absolute Meßgenauigkeit, die
damit auch unabhängig vom gewählten Arbeitsabstand wird.
Bezüglich der geometrisch-optischen Zusammenhänge in
Verbindung mit einer Verschiebung in X-Richtung und in Y-
Richtung soll folgendes angemerkt werden:
Zu Beginn einer Messung, d. h. wenn sich das Meßobjekt in
der Ausgangsposition befindet, wird die vom Laserstrahl
beleuchtete Meßstelle mit einem Abbildungsmaßstab M = e/g
auf dem Fotodetektor abgebildet (vergleiche Fig. 2). Der
Nachstellweg c des Laserstrahls 2 beziehungsweise des
Spiegels 4 in Z-Richtung ist im idealen Fall direkt
proportional zur Verschiebung in X-Richtung:
c = Δ X × tan α.
Da beim bisher beschriebenen Verfahren der optische Aufbau
starr ist, ändert sich bei der Verschiebung in X-Richtung
jedoch der Abbildungsmaßstab zu M′ = e/(g + Δ X) (vergleiche
Fig. 2) und das Bild der beleuchteten Drahtoberfläche
erfährt eine Schärfeänderung (vergleiche U) in der Ebene
des Fotodetektors. In den Fig. 2 und 3 ist zum einen die
neue Bildebene C (bei scharfer Abbildung) der verschobenen
Drahtposition 5′ dargestellt und zum andern für einen
einzelnen Bildpunkt beispielhaft der durch die Verschiebung
verursachte Unschärfebereich U auf der Detektorebene
skizziert, der sich aus der Abweichung von Strahlengang B
gegenüber Strahlengang A ergibt. Die Scharfeänderung hat
eine Änderung der Bestrahlungstärkeverteilung auf dem
Fotodetektor zur Folge und kann im Falle einer lokal
veränderlichen Fotoempfindlichkeit zu einem statistischen
Meßfehler führen. Dieser sollte zwar erfahrungsgemäß gering
sein, weil sich das Bild der Meßstelle (also der
Lichtfleck), abgesehen vom Unschärfebereich, vor und nach
der Verschiebung immer exakt an derselben Stelle im Zentrum
der Diode befindet. Allerdings läßt sich der Fehler nicht
generell, sondern nur von Fall zu Fall für eine bestimmte
Fotodiode abschätzen. Liegt die Verschiebungsstrecke
innerhalb des Tiefenschärfebereichs des optischen Systems,
so sollte der Fehler auf jeden Fall vernachlässigbar sein.
Ein einfaches Verfahren, diesen Fehler grob abzuschätzen,
ergibt sich aus der Tatsache, daß der Lichtfleck auf der
Fotodiode - wie in Fig. 3 angedeutet - auch in Y-Richtung
verzerrt wird (Unschärfebereich U). Daher sollte sich ein
durch die Schärfeänderung verursachter Fehler in beiden
Koordinatenrichtungen in vergleichbarem Maße auswirken.
Registiert man also bei einer Auslenkung nur in x-Richtung
zugleich ein Signal für die Y-Richtung, so entspricht sein
Wert bzw. der zugeordnete Weg dem hier angesprochenen
Fehler.
Ein weiterer Fehler ergibt sich daraus, daß der Laserstrahl
dem Meßobjekt bei einer Verschiebung in Y-Richtung nicht
nachgeführt wird, so daß das Meßobjekt 5 in seiner neuen
Position nicht mehr zentral sondern von der Flanke des
Strahls beleuchtet wird (vergleiche Fig. 3). Da die
Intensitätsverteilung über der Strahlquerschnittsfläche
nicht konstant ist, ändert sich damit auch die Bestrah
lungsstärkeverteilung des Lichtflecks auf der Detektor
fläche. Der hierdurch verursachte systematische Fehler läßt
sich abschätzen; wie man zeigen kann, ist er proportional
zum Quadrat des Verhältnisses von "Meßobjektbreite in Y-
Richtung zu Breite des Laserstrahls".
Mit dem in Fig. 8 dargestellten zweiten Ausführungsbeispiel
der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur berührungslosen
Bestimmung mindestens eines Lageparameters einer Meßstelle
mittels eines Laserstrahls werden die beiden angesprochenen
Fehler von vornherein vermieden. Dies wird gemäß dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 8 dadurch erreicht, daß der
Sender mit der Laserdiode 1 und den Spiegeln 3 und 4 einer
seits und der Empfängerteil mit dem Objektiv 6 und dem
Fotodetektor 8 andererseits ein mechanisch starr
gekoppeltes System bilden. Je nach Auslenkung des
Meßobjekts, d. h. des Drahtes 5, in X- und/oder Y-Richtung
wird das System aufgrund der in der Verarbeitungs
einrichtung 9 ermittelten Stellsignale über entsprechende
Aktoren 91, 92 (wie zum Beispiel Stellmotoren, Tauchspulen,
Piezo-Aktuatoren etc.) als Ganzes in X- und Y-Richtung ver
schoben. Der Vorzug dieser Konfiguration besteht darin, daß
kein Tiefenschärfeverlust entsteht und daß das Meßobjekt 5
vor und nach einer Verschiebung in Y-Richtung zentral vom
Laserstrahl 2 beaufschlagt wird.
Zur Verdeutlichung zeigen die Fig. 9 und 10 eine - zu den
Fig. 2 und 3 analoge - Prinzipskizze der mit der Anordnung
nach Fig. 8 realisierten Nachführung der einzelnen System
komponenten entsprechend der Abgleichbedingungen 5.1 und
5.2 bzw. 6.1 und 6.2. Durch die gegenüber dem ersten
Ausführungsbeispiel (Fig. 1-3) nun neu hinzutretende
Nachführung des Fotodetektors 8 (8′) und des Objektivs 6
(6′) um die Verschiebungsstrecke Δ X wird der Abbildungsmaß
stab M = e/g und damit sowohl die Bildgröße als auch die
Bildschärfe auf dem Fotodetektor konstant gehalten (Fig. 9).
Damit wird der angesprochene Schärfeänderungsfehler voll
ständig vermieden. Die zusätzliche Nachführung des
Laserstrahls 2 (2′) in Y-Richtung (vergl. Δ Y in Fig. 10)
sichert eine - bezüglich der Bestrahlungsstärkeverteilung -
konstante Beaufschlagung der Meßstelle auf dem Draht vor
(5) und nach (5′) der Verschiebung. Damit bleibt auch die
Bestrahlungsstärkeverteilung des Meßobjektbildes auf dem
Fotodetektor unverändert, womit der durch eine relative Y-
Positionsänderung des Meßobjektes gegenüber dem Laserstrahl
verursachte Fehler vermieden wird.
Es soll an dieser Stelle betont werden, daß der Unterschied
der beiden Ausführungsformen lediglich in der zusätzlichen
mechanischen Kopplung von Systemkomponenten liegt. Das
Meßprinzip sowie die Nachführregelung und die Signalver
arbeitung bleiben davon gänzlich unberührt! Deshalb gilt
das im weitern beschriebene Regelsystem zur Nachführung
sowie die Darstellung der Verarbeitung und Auswertung der
Meßsignale für beide Ausführungsvarianten in gleicher
Weise.
Im folgenden soll anhand der Fig. 4 und Fig. 5 zunächst der
Kalibiervorgang im einzelnen erläutert werden. Die hieraus
gewonnenen Kalibrierdaten bilden die Grundlage für die
Auswertung der Meßsignale. Der Kalibriervorgang an sich ist
unabhängig vom eigentlichen Meßvorgang. Im Prinzip genügt
es, ein konkretes Meßsystem nur ein einziges Mal zu
kalibrieren. Allerdings bewirken mechanische Verschleißer
scheinungen mit der Zeit eine wenn auch in der Regel
schwache Änderung des Systemverhaltens, so daß ein Meß
system nach einer gewissen Anzahl von Messungen erneut
kalibriert werden sollte, um die Meßgenauigkeit zu
erhalten.
Unter dem Begriff "Kalibrierung" wird im folgenden eine
Simulation des Meßvorganges verstanden, wobei dem
eigentlichen Meßsystem noch ein zweites, sogenanntes
Referenzmeßsystem parallelgeschaltet wird. Die Art des
Referenzmeßsystems ist dabei im Grunde beliebig, voraus
gesetzt es erreicht die geforderte Meßgenauigkeit.
Die prinzipielle Vorgehensweise soll beispielhaft anhand
der in Fig. 4 skizzierten Anordnung erläutert werden. Gemäß
dieser Darstellung dient hier als Referenzmeßsystem ein
elektronischer Meßtaster 40, dessen Fehlerspanne nach
Herstellerangabe 2 µm beträgt und dessen Meßbereich 25 mm
umfaßt. Fig. 4 zeigt die Kalibrieranordnung für die Weg
messung in X-Richtung. Das Meßtastergehäuse ist starr mit
dem Meßgerät 41 verbunden. Der Stößel 42 des Meßtasters
verläuft parallel zur optischen Achse (= X-Achse, ver
gleiche Fig. 1, 2, 3) und seine Spitze berührt unmittelbar
neben dem Probedraht 5′′ auf Höhe der Meßstelle 43 den
massiven Rahmen 44 der Probedrahthalterung 45. Der Kontakt
zwischen Auflagestelle und Stößelspitze wird durch einen
Federmechanismus im Meßtaster 40 gewährleistet, der den
Stößel 42 bei jeder Verschiebung der Probedrahthalterung 45
in X-Richtung folgen läßt. Bei der Kalibrierung ist es
jedoch zweckmäßig, den Probedraht 5′′ mit Hilfe des X-
Triebes 46 immer in Richtung auf das Meßtastergehäuse hin
zu bewegen. Da der Stößel 42 dann an der Kontaktstelle (42)
immer auf Druck belastet wird, können Hysteresefehler
infolge von Reibung in der Stößelführung vermieden werden.
Beim Kalibriervorgang an sich wird nun der Probedraht 5′′
mittels des X-Triebes 46 relativ zum Meßsystem und
Referenzsystem verfahren. Der X-Trieb 46 kann beispiels
weise als Schlitten mit einem elektromotorischen Spindel
vortrieb ausgeführt sein, wodurch ein kontinuierliches
Verstellen der Position des Probedrahtes 5′′ mit sehr
geringer Geschwindigkeit ermöglicht wird. Die Positions
daten des Meßtasters 40 werden nun in einem vorgegebenen
zeitlichen Intervall zusammen mit den entsprechenden
Weggebersignalen des Meßsystems mittels eines Daten
erfassungssystems als Wertepaare in einem Datenfile
abgespeichert. Die Positionsdaten des Meßtasters 40 werden
dabei als Wegstrecke in µm relativ zur Startposition (bei
Beginn der Kalibrierung) und die Weggebersignale des
Meßsystems werden in mV erfaßt. Damit erhält man eine (in
Fig. 5 beispielhaft dargestellte) Kalibrierkurve, die im
wesentlichen eine Kalibrierkurve für die im Wegmeßsystem
eingebauten Weggeber (Linearpotentiometer, Glasmaßstäbe
o. ä.) darstellt. Die auf der Ordinate aufgetragene Weg
strecke legt nun den Arbeitsbereich des Wegmeßsystems fest.
Die Kalibrierung für die Y-Richtung erfolgt in entspre
chender Weise, wobei der Meßtaster 40 dann parallel zur Y-
Achse ausgerichtet und am Meßsystem befestigt wird und der
Probedraht mittels eines Y-Triebes 47 in Y-Richtung
verfahren wird.
Umfaßt der Arbeitsbereich des Wegmeßsystems beispielsweise
je 2 mm in X- und Y-Richtung und beträgt die Schrittweite
2 µm, so besitzt jede der beiden Kalibrierkurven etwa 1000
Stützstellen, wobei Zwischenwerte noch durch (lineare)
Interpolation ermittelt werden können. Bei der eigentlichen
Wegmessung werden nun die zur jeweiligen Position des Meß
objektes gehörigen Spannungswerte der Linearpotentiometer
in das Daten- bzw. Meßwerterfassungssystem eingelesen und
dort anhand der Kalibrierkurven simultan den beiden
Verschiebungsstrecken des Meßobjektes in X- und Y-Richtung
zugeordnet.
An dieser Stelle sollte noch angemerkt werden, daß sich
"Linear"-Potentiometer nur auf einer großen Längenskala
"linear" verhalten. So wurde bei den verwendeten Potentio
metern eine (auf den Weg umgerechnete) Linearitäts
abweichung von ca. 25 µm festgestellt, was bei einem
Arbeitsbereich des Potentiometers von ca. 4 mm einen
relativen Fehler von unter 1% bedeutet. Allerdings treten
diese Abweichungen nicht als stetig zunehmende Differenz
vom Sollwert in Erscheinung, sondern äußern sich - wie in
Fig. 5 zu erkennen ist - vielmehr als verhältnismäßig
starke lokale statistische Schwankungen um den Mittelwert.
Da es nun offensichtlich nicht vorhersehbar ist, wo diese
Schwankungen auftreten und wie stark sie sich jeweils
bemerkbar machen, ist es also durchaus möglich, daß die
maximale Linearitätsabweichung (25 µm) auch bei einer
tatsächlichen Wegstrecke von beispielsweise 100 µm
auftritt, womit der Relativfehler dann 25% beträgt.
Da Linearpotentiometer und Fotodetektoren ein im Prinzip
vergleichbares Linearitätsverhalten aufweisen, macht die
aufgezeigte Problematik somit nachdrücklich deutlich, daß
Triangulationsmeßsysteme bei hohen Genauigkeits
anforderungen kalibriert werden müssen. Eine Kalibrierung
macht allerdings nur Sinn, wenn die Bedingungen bei der
Kalibrierung und bei der eigentlichen Messung (weitgehend)
identisch sind, d. h. wenn die geometrisch - optische
Konfiguration in beiden Fällen gleich und unabhängig von
der jeweiligen Lage des Meßobjektes ist. Letzteres
schließt insbesondere auch ein, daß sowohl die beleuchtete
Meßgutoberfläche wie auch ihr Bild auf dem Fotodetektor vor
und nach einer Messung, d. h. unabhängig von der Position
des Meßobjektes, jeweils an derselben Stelle liegen.
Der Vollständigkeit halber soll im folgenden noch auf das
eigentliche Regelsystem zur Nachführung des Laserstrahls 2
für die X-Richtung einerseits und des Fotodetektors 8 für
die Y-Richtung anderseits eingegangen werden. Wie oben
bereits erwähnt, sind beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 8
der Laser 1, die Spiegel 3, 4, der Fotodetektor 8 und das
Objektiv 6 mechanisch gekoppelt, d. h. in einen Gesamtsystem
integriert, so daß der Laser 1 und die Spiegel 3, 4 dann
zusätzlich noch in Y-Richtung und der Fotodetektor 8 mit
dem Objektiv 6 in X-Richtung nachgeführt wird. Die
Beschaltung des Fotodetektors 8 nach Fig. 6 bleibt davon
unberührt. Im Regelkreis nach Fig. 7 wären lediglich die
Quadrantendiode 60 sowie der Spiegel 4 jeweils durch das
Gesamtsystem [Laser 1; Spiegel 3, 4; Quadrantendiode 60;
Objektiv 6] zu ersetzen.
Die Beschaltung des Fotodetektors (hier der Quadranten
diode 60 vergl. Fig. 10 ) entsprechend der Abgleich
bedingungen 6.1 und 6.2 ist in Fig. 6 dargestellt.
Bei einer Auslenkung des Meßobjektes in X-Richtung wandert
der Lichtfleck auf der Diode 60 in Z-Richtung. Die sich
hierbei ändernden Signale der beiden oberen Quadranten
(A, B) und der beiden unteren Quadranten (C, D) werden vor
dem Differenzverstärker 601 mittels Analogaddierer 602 und
603 zusammengefaßt. Entsprechend werden für die Y-Richtung
jeweils die Signale der beiden rechten Quadranten (B, D) und
der beiden linken Quadranten (A, C) addiert und die
Differenz der beiden Summen verstärkt (vergl. Differenz
verstärker 604). (Beide Signalsummen können zusätzlich noch
durch das Gesamtsignal des Detektors - dies ist propor
tional zur gesamten auftreffenden Lichtmenge - dividiert
werden, wodurch die Signalverarbeitung von der Gesamtlicht
menge unabhängig wird.)
Über Regler 605 und 606 werden dann die beiden Stellmotoren
607 und 608 angesteuert, bis die Istwerte der beiden
verstärkten Differenzsignale gemäß der Sollwertvorgabe
(vergl. 605′, 606′) jeweils wieder den Wert "Null" erreicht
haben, was gleichbedeutend damit ist, daß die Lichtfleck
position im Zentrum der Quadrantendiode 60 liegt.
Konkret wird dieser Nullabgleich nach einer Positions
änderung des Meßobjektes dadurch erreicht, daß mittels der
beiden durch die Stellmotoren Motoren 607 und 608
angetriebenen Schlitten die darauf montierte
Quadrantendiode 60 bzw. der darauf montierte Spiegel 4 so
lange nachgeführt werden, bis der Lichtfleck wieder im
Diodenzentrum liegt (vergl. Fig. 7). Im Falle der zweiten
Ausführungsform nach Fig. 8 wird entsprechend immer das
Gesamtsystem [Laser 1; Spiegel 3, 4; Quadrantendiode 60;
Objektiv 6] nachgeführt.
Wie in der Konfiguration nach Fig. 7 dargestellt, werden
die Verfahrwege der Schlitten ihrerseits mit Linear
potentiometern 609, 610 erfaßt, deren Spannungssignal nach
einer Verstärkung über einen 12 Bit-Analog-Digitalwandler
(ADC) in einen Computer 611 eingelesen werden. Dort wird
den Potentiometersignalen (für die X- und Y-Richtung) über
die jeweils zugehörige Kalibrierkurve für die X- und für
die Y-Richtung die entsprechende Verschiebungsstrecke des
Meßobjektes zugeordnet. Beträgt die mittlere Steigung der
Potentiometerkennlinien nach einer entsprechenden
Verstärkung beispielsweise m = 0.4 mm/V und wird der
Abbildungsmaßstab zu M = e/g = 1 und der Strahlrichtungs
winkel zu α = 45° gewählt (siehe Fig. 2), so beträgt die
mittlere Steigung der Kalibrierkurven ebenfalls 0.4 mm/V.
Da die beiden (12 Bit)-Analog-Digital-Wandler, die die
Potentiometersignale digitalisieren, bei einem Eingangs
spannungshub von + 5 V eine Auflösung von ca. 2-3 mV
besitzen, errechnet sich mit der genannten Steigung der
Kalibrierkurven eine Wegauflösung der Signalverarbeitung
von etwa 1 µm. Die Nachstellempfindlichkeit und Hysterese
des Regelsystems wurden experimentell nachgeprüft, wobei
ein Weißlichtinterferometer als Referenz diente. Bei den
verwendeten weiß lackierten Drähten mit einem Durchmesser
von 250 µm sprach das Regelsystem bereits auf
Verschiebungen von unter 0.5 µm an. Die Auflösung der so
ausgelegten Meßkette wird somit durch die Signalver
arbeitung begrenzt.
Durch eine Erhöhung der Auflösung des Analog-Digital-
Wandlers (z. B. 16 Bit), sowie durch eine Erhöhung der
Signalverstärkung und Änderung des Eingangsspannungshubs
läßt sich die Wegauflösung noch weiter steigern. Dies liegt
im Rahmen fachmännischen Handelns. Zur weiteren Steigerung
der Meßgenauigkeit wird es gegebenenfalls auch sinnvoll
sein, anstelle der Linearpotentiometer z. B. Glasmaßstäbe zu
verwenden.
Wie erwähnt, wird die Vorspannung der Drähte aus ihrer
Schwingungsfrequenz ermittelt. Hierzu kann das Reglersignal
für die X-Komponente an einem separaten Ausgang am Meßgerät
abgegriffen werden (vergl. Fig. 7). Über ein Bandpaßfilter
700 und einen Impulsformer 701 wird es einem Frequenzzähler
702 zugeführt. Bei der Frequenzmessung sind die Motoren
607, 608 der Nachführung abgeschaltet.
Claims (10)
1. Nach dem Triangulations-Prinzip arbeitendes Verfahren
zur berührungslosen Bestimmung mindestens eines Lage
parameters einer von einem Laser als Sender beauf
schlagten Meßstelle,
wobei der Laserstrahl an der Meßstelle gestreut (diffus
reflektiert), auf einen Fotodetektor geometrisch abge
bildet und in einer Signalverarbeitungseinrichtung auf
bereitet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß in einem dem eigentlichen Meßvorgang vorausgehenden Kalibierverfahren eine Vielzahl von Kalibrierwerten ermittelt und zusammen mit den jeweils ihnen zugehörigen Lageparametern der Meßstelle abgespeichert werden und
daß während des eigentlichen Meßvorganges die einer Lageänderung der Meßstelle entsprechende Verschiebung ihrer Abbildung auf einem Fotodetektor ein Detektorsignal erzeugt, das wiederum als Stellsignal zur komplementären Nachführung des Senders und/oder des Fotodetektors dient, bis das Bild der Meßstelle wieder im dem als Referenzposition anzusehenden Zentrum des Fotodetektors zu liegen kommt und daß diese Nachführwege selbst mittels je einem Weggeber (Linear potentiometer, Glasmaßstäbe oder ähnliches) detektiert werden, deren elektrische Signale wiederum in ein Daten- bzw. Meßwerterfassungssystem eingelesen und dort anhand der gespeicherten Kalibrierwerte den tatsächlichen Positionsänderungen bzw. Lageparametern der Meßstelle zugeordnet werden.
daß in einem dem eigentlichen Meßvorgang vorausgehenden Kalibierverfahren eine Vielzahl von Kalibrierwerten ermittelt und zusammen mit den jeweils ihnen zugehörigen Lageparametern der Meßstelle abgespeichert werden und
daß während des eigentlichen Meßvorganges die einer Lageänderung der Meßstelle entsprechende Verschiebung ihrer Abbildung auf einem Fotodetektor ein Detektorsignal erzeugt, das wiederum als Stellsignal zur komplementären Nachführung des Senders und/oder des Fotodetektors dient, bis das Bild der Meßstelle wieder im dem als Referenzposition anzusehenden Zentrum des Fotodetektors zu liegen kommt und daß diese Nachführwege selbst mittels je einem Weggeber (Linear potentiometer, Glasmaßstäbe oder ähnliches) detektiert werden, deren elektrische Signale wiederum in ein Daten- bzw. Meßwerterfassungssystem eingelesen und dort anhand der gespeicherten Kalibrierwerte den tatsächlichen Positionsänderungen bzw. Lageparametern der Meßstelle zugeordnet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1,
zur gleichzeitigen Bestimmung zweier orthogonaler Lage
änderungen einer Meßstelle,
wobei der Laserstrahl unter einem vorgegebenen Ein
fallswinkel (α) gegenüber der durch die Meßstelle und
den Fotodetektor bestimmten optischen Achse auf die
Meßstelle trifft und wobei die Meßstelle über ein Ob
jektiv auf den Fotodetektor abgebildet wird,
dadurch gekennzeichnet,
daß die der Lageänderung der Meßstelle entsprechende
Verschiebung der Abbildung auf dem Fotodetektor in Ver
stellsignale zur Nachführung des Fotodetektors und zur
Nachführung des Lasers umgewandelt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 2,
gekennzeichnet durch seine Anwendung bei der Bestimmung
der Auslenkung insbesondere im Abstand von 1 bis 5 mm
parallelen, sehr dünnen insbesondere 0,2 bis 0,5 mm
starken Drähten zwecks Beschreibung von Strömungen
durch unregelmäßige Zylinderanordnungen, mittels der
aus der Drahtauslenkung ableitbaren Strömungskräfte.
4. Vorrichtung zur Ausführung des Verfahrens nach Anspruch
1, 2 oder 3,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender durch eine Laserdiode mit einer Kolli matoroptik realisiert ist und den Laserstrahl dem vor gegebenen Einfallswinkel entsprechend auf die Meßstelle lenkt,
daß ein Objektiv vorgesehen ist, das den an der Meß stelle gestreuten Laserstrahl auf einen Fotodetektor abbildet,
daß eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die die durch die Lageänderung bedingten Verschiebungen der Abbildung der Meßstelle verarbeitet, und
daß eine Verfahreinheit vorgesehen ist, die den Sender und den Fotodetektor in ihre vorgegebenen Referenz positionen verfahren.
daß der Sender durch eine Laserdiode mit einer Kolli matoroptik realisiert ist und den Laserstrahl dem vor gegebenen Einfallswinkel entsprechend auf die Meßstelle lenkt,
daß ein Objektiv vorgesehen ist, das den an der Meß stelle gestreuten Laserstrahl auf einen Fotodetektor abbildet,
daß eine Signalverarbeitungseinrichtung vorgesehen ist, die die durch die Lageänderung bedingten Verschiebungen der Abbildung der Meßstelle verarbeitet, und
daß eine Verfahreinheit vorgesehen ist, die den Sender und den Fotodetektor in ihre vorgegebenen Referenz positionen verfahren.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender und der Fotodetektor je für sich ortho
gonal zueinander verfahrbar sind.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5,
dadurch gekennzeichnet,
daß dem Sender ein Paar von Umlenkspiegeln nachgeordnet
ist, die den Laserstrahl auf die Meßstelle lenken.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Sender und das Objektiv mit dem nachgeordneten
Fotodetektor in einem starren System integriert sind,
das als Einheit den orthogonalen Nachführeinrichtungen
entsprechend verfahrbar ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 4 bis 7,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fotodetektor als positionsempfindliche Foto
diode realisiert ist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fotodetektor als Pin-Fotodiode realisiert ist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 8,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Fotodetektor als Quadrantendiode realisiert
ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4334060A DE4334060A1 (de) | 1992-10-10 | 1993-10-06 | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Lageparameters einer Meßstelle mittels eines Laserstrahls |
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4234195 | 1992-10-10 | ||
DE4334060A DE4334060A1 (de) | 1992-10-10 | 1993-10-06 | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Lageparameters einer Meßstelle mittels eines Laserstrahls |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE4334060A1 true DE4334060A1 (de) | 1994-05-05 |
Family
ID=6470156
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
DE4334060A Withdrawn DE4334060A1 (de) | 1992-10-10 | 1993-10-06 | Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Lageparameters einer Meßstelle mittels eines Laserstrahls |
Country Status (1)
Country | Link |
---|---|
DE (1) | DE4334060A1 (de) |
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