DE4334060A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung eines Lageparameters einer Meßstelle mittels eines Laserstrahls - Google Patents

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 (I_Y1, I_Y2; I_Z1, I_Z2) 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

I_y2 - I_y1 = 0 (5.1)
I_z2 - I_z1 = 0 (5.2)

und für die Quadrantendiode (vergl. Fig. 12) gilt

(I_B + I_D) - (I_A + I_C) = 0 (6.1)
(I_A + I_B) - (I_C + I_D) = 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.

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.

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.