SE522366C2 - Avståndsmätare - Google Patents

Description

. . - . .- 522 366 REDoGöRELsE FÖR UPPFINNINGEN Det är ett syfte med föreliggande uppfinning att lösa problemen som beskrivs ovan och särskilt att åstadkomma ett trianguleringsavståndsmätningssystem som är billigt att tillverka och som samtidigt har en hög upplösning.

Detta syfte och andra uppnås genom ett trianguleringsavståndsmätningssystem med flera lägesavkännande organ anordnade att avkänna en viss förutbestämd del av det totala mätområdet var. En central enhet sammanställer sedan mätsignalerna från de olika mätområdena till en total mätsignal för hela mätområdet.

Härigenom kan upplösningen ökas utan att kostnaden ökar pga dyrare detektor element i form av t ex PSD-element eller CCD- arrayer och dyrare linsarrangemang med höga krav på noggrannhet.

Dessutom kan en i princip godtycklig upplösning erhållas genom att fler detektorelement anordnas för ett givet mätområde.

KORTFATTAD BESKRIVNING AV RITNINGARNA Uppfinningen kommer nu att beskrivas närmare med hänvisning till de bilagda ritningarna, på vilka: - Fig. 1 visar ett trianguleringsavståndsmätningssystem med flera detektorelement.

- Fig. 2 visar principen hos ett endimensionellt PSD-element.

- Fig. 3a och 3b visar signalformer vid detektor respektive i en modulerad laser.

BESKRIVNING AV FÖREDRAGNA UTFÖRINGSFORMER I Fig. 1 visas ett trianguleringsavståndsmätningssystem 101 med flera detektor element. Systemet består av en ljusutsändande anordning, 103 t ex laser, minst två ljusdetekternade element, och i detta exempel fyra stycken element 105, 107, 109 och 111, t ex i form av PSD-element och en styr- beräkningsenhet 113, t ex i form av en mikroprocessor med ett tillhörande minne.

Detektorelementen 105, 107, 109 och 111 är anordnade att detektera ljus längs en given mätsträcka 115. Detektorelementen . . 4 . .- 522 366 3 är företrädesvis anordnade att detektera ljus på en given delsträcka av den totala mätsträckan. Detta kan åstadkommas genom att arrangera ett linssytem (ej visat) av konventionellt slag för varje detektor element så att ett första element 105 mäter en första delsträcka 117, ett andra element 107 mäter en andra delsträcka 119, ett tredje detektorelement 109 mäter en tredje delsträcka 121, etc.

I en föredragen utföringsform är öppningsvinklarna och brännvidden för de olika detektorelementen olika. Särskilt är öppningsvinklarna anordnade så att de olika delsträckorna som varje detektorelement mäter är väsentligen lika långa. Således kommer vid ett arrangemang såsom det som visas i Fig. 1, där detektorerna är anordnade i en rad vinkelrät mot den utsända strålen, vinkeln A att vara större än vinkeln B som i sin tur är större än vinkeln C som i sin tur är större än vinkeln D. Vidare kan det vara fördelaktigt att låta de olika delsträckorna något överlappa varandra så att man säkert undviker "blinda" fläckar i mätområdet.

I Fig. 2 visas den principiella uppbyggnaden av ett endimensionellt PSD-element. Ett PSD-element är en kiselplatta 201 vilken avger en summaström (X1 + X2). Denna summaström är väsentligen proportionell mot den infallande ljusmängden och delströmmarna X1 och X2 bestäms av var på PSD-elementet en infallande ljusstråle träffar. Vidare finns en referenselektrod L anordnad på PSD-elementet.

Genom att använda formeln: (X2-X1)/(x1+x2) kan koordinaten på PSD-elementet härledas oberoende av ljusintensiteten.

Ett kvarstående problem är dock att koordinaten som ges av PSD- elementet inte är oberoende av infallande ströljus. Därför moduleras i en fördragen utföringsform laserljuset såsom visas i Fig. 3b, dvs under en första halvperiod utsänds laserljus och - . n - -o 522 366 4 under andra halvperiod utsänds inget laserljus. Genom att sedan mäta svaret från PSD-elementet två gånger per helperiod kan bidraget från ströljus elimineras genom att bilda differensen: Xlpos - Xlneg Dvs först mäts laserljus+ströljus och sedan mäts enbart ströljus och därefter bildas differensen mellan de två mätvärdena.

Härigenom erhålls enbart den nyttiga signalen filtrerad från ströljus som annars kommer att störa mätningen. För att förfarandet skall fungera krävs att mätningen av svaret från detektorelementet mäts synkront med de utsända modulerade laserpulserna. Detta åstadkoms genom styrning av styr- och beräkningsenheten 113.

Styrenheten 113 sammanställer informationen från de olika detektorerna och avger ett mätvärde som svarar mot dels vilken detektor som avkänner laser strålen och dels vilket mätvärde som denna detektor för närvarande avger. I de fall då flera detektorer samtidigt avkänner den reflekterande laserstrålen, dvs i de fall då de olika detektorernas delmätområden överlappar varandra, kan styrenheten 113 antingen välja en av de två detektorerna, t ex den som mäter det bortre området, eller så kan styrenheten vara anordnad att avge ett medelvärde för de två härledda mätvärdena.

I ytterligare en föredragen utföringsform används kurvanpassning med ett polynom i styrenheten 113 för att kalibrera och linjärisera optiska och andra ofullkomligheter i mätsystemet.

Således kalibreras mätsystemet mot att antal mätvärden och ett polynom av lämplig storlek ansätts för att modellera data mellan kalibreringspunkterna. Kurvanpassning görs lämpligen med ett särskilt polynom för varje detektor genom kalibrering i ett lämpligt antal punkter. Kurvanpassningen kompenserar för geometriska, optiska och elektriska olinjäriteter samt för eventuella andra avvikelser. Exempelvis kan polynom av storlek 5 eller 6 användas för att åstadkomma en lämplig kurvanpassning. 522 366 " 5 Vidare kan den mekaniska struktur som används för att hålla systemets olika delar på plats utformas för att minska risken för mätfel orsakade av att geometrin i systemet ändras. Således anordnas i en föredragen utföringsform en yttre rörprofil, i vilken två genomgående bultar monteras, mellan två gavelstycken.

En temperaturstabil platta, t ex invar, är monterad på bultarna.

Plattan uppbär sedan för mätnoggrannheten väsentliga delar såsom ljuskälla och ljusdetektorer. Genom att använda en platta fäst i tre punkter och som fritt löper på två förspända axlar som är inspända mellan mätarnas gavlar, vilka hålls isär av mätarens hus, t ex utfört som ett runt eller kantigt rör åstadkoms att mätarens bas inte påverkas av variationer i temperatur, tryck eller mekaniska krafter. Således blir arrangemanget en temperaturstabil och robust enhet som uppfyller de högt ställda krav som idag är vanligt förekommande vid t ex industribruk.

Genom att använda trianguleringsmätsystemet som beskrivs häri kan upplösningen ökas utan att kostnaden ökar pga dyrare detektorelement i form av t ex PSD-element eller CCD-arrayer och dyrare linsarrangemang med höga krav på noggrannhet. Dessutom kan en i princip godtycklig upplösning erhållas genom att fler detektorelement anordnas för ett givet mätområde. Systemet kan vidare enkelt göras okänsligt för temperaturväxlingar och ströljus.

Claims (1)

1. 0 15 20 25 30 35 522 366 Patentkrav Trianguleringsmätsystem innefattande en ljuskälla (103) som utsänder en ljusstràle, en första ljuskänslig detektor (105) anordnad att avkänna ljus som reflekteras av ett föremål som befinner sig inom ett avstånd som kan detekteras av den första detektorn (105) och som är en första delsträcka (117) inom en given mätsträcka (115), kånnetecknad av minst en andra ljuskänslig detektor (107, 109, 111) anordnad att avkänna reflekterat ljus från minst en andra delsträcka (119, 121, 123) inom den givna mätsträckan (115), nämnda delsträckor (117, 119, 121, 123) nágot överlappande varandra. .System enligt krav 1, kännetecknat av att ljuskällan är en modulerad laser anordnad att omväxlande avge perioder med laserljus och omväxlande perioder utan laserljus. .System enligt krav 1 eller 2, kännetecknat av en styr- eller beräkningsenhet (113) anordnad att sammanställa mätvärdena fràn de olika detektorerna till en enda utsignal svarande mot det för närvarande uppmätta avståndet. .System enligt krav 3, kännetecknat av att enheten (113) är anordnad att kalibreras med hjälp av ett polynom för varje detektor för att linjärisera detektorernas mätomràde. .System enligt krav 4, kännetecknat av att polynomet är ett polynom av grad 3 - 10, exempelvis 5 eller 6. .System enligt krav 3, 4 eller 5, dä dessa är underordnade krav 2, kännetecknat av att enheten( 113) är anordnad att använda differensen mellan detektorutsignalerna dà den modulerade lasern avger ljus och dä den inte avger ljus som insignal från detektorerna för att undvika inverkan frän ströljus. lO 522 366 7 I .System enligt något av kraven 1-6, kânnetecknat av att ljuskällan och detektorerna är monterade på en gemensam temperaturstabil platta. .System enligt krav 7, kännetecknat av att plattan är gjord av invar. .System enligt krav 7 eller 8, kännetecknat av att plattan är fäst i tre punkter och fritt löper pà tvà förspända axlar som är inspända mellan mätarnas gavlar, vilka hålls isär av mätarens hus, t ex utfört som ett runt eller kantigt rör.