DE2546714C2 - - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Entfernungsmeß­ gerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1 und nach Hauptpatent 23 25 086, sowie ein Verfahren zum Betrieb eines solchen Gerätes.

Gemäß dem Hauptpatent P 23 25 086 wird der Strahlablen­ ker von einem Generator mit einer in der Frequenz an die Eigenresonanzen des mechanischen Aufbaus angepaßten Sinusspannung angesteuert, wobei nur der angenäherte lineare Teil der Sinusspannung zur Messung herangezogen wird.

Dadurch wird eine hohe Meßgenauigkeit erreicht. Durch die Einführung eines zusätzlichen Bezugsdetektors und einer die Bezugsebene definierenden halbdurchlässigen Spiegelplatte läßt sich der Anfangszeitpunkt t _Bezug sehr genau bestimmen, da diese beiden Bauelemente aufeinander und auf die Amplitude des von der Lichtquelle auf diese beiden Bauelemente auftreffen­ den Lichtstrahls abgestimmt und fest einjustiert sind.

Fehler können jedoch bei der Bestimmung des Meßzeitpunktes, d. h. desjenigen Zeitpunktes auftreten, zu dem der vom Meßobjekt gestreute Lichtstrahl vom Meßdetektor registriert wird. Da die­ ser Lichtstrahl einige Zeit auf die Meßdetektoren auftrifft, wählt man als Meßzeitpunkt entweder den Zeitpunkt der Anstiegs­ flanke des vom Detektor ausgelösten Meßimpulses oder den Null­ durchgang des differenzierten Meßimpulses. Die zuerst genannte Meßzeitpunktbestimmung hängt stark von der Meßimpulsamplitude ab. Die Ausführung benötigt für genaue Zeitbestimmungen eine stabilisierte Amplitude des Detektorimpulses, die sich aber nur über die Zeit von mehreren Ablenkungen einstellen läßt. Die Ausnutzung einer einigen Ablenkung zur selbständigen Mes­ sung ist dabei nicht möglich.

Bei der anderen Ausführung, bei welcher der Nulldurchgang des differenzierten Meßimpulses als Zeitmaßstab gewählt wird, hat zwar die Amplitude des Detektorimpulses einen kleineren Einfluß auf eine Verfälschung des Meßzeitpunktes, dafür steigt aber der Einfluß der Form des Detektorimpulses an. Diese Impuls­ form wird durch die Tiefenschärfe, die bei konstanter Einstellung der Abbildungsoptik vor dem Meßdetektor von Abstand zu Abstand verschieden ist und durch die Form der Streulichtkeule der zu vermessenden Oberfläche des Meßobjekts beeinflußt.

Die Aufgabe der Erfindung ist es, diese Fehlerquellen zu be­ seitigen.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß eine Meßvorrichtung zur Messung der Zeitdifferenz Δ t _d als Zeitdifferenz von dem Anfangszeitpunkt t _Bezug genau bis zum zeitlichen Mittelwert zwischen der Anstiegs- und der Abfallsflanke des weiteren Impulses vorgesehen ist.

Der Meßimpuls mit der dauer t _D wird in einen Rechteckimpuls umgewandelt. Die Länge Δ t _W des Rechteckimpulses hängt von der Einstellung der Ansprechschwelle eines nachverstärkten Spannungskomparators und von der Meßimulsamplitude ab. Die Impulsbreite verändert sich wegen der sehr hohen Verstärkung des Komparators fast symmetrisch zur Mitte des Rechteckimpulses, wenn sich die Impulsamplitude verändert hat. Wenn man für ver­ schiedene Impulsbreiten Δ t _W die Zeiten vom Anfangszeitpunkt t _Bezug bis zur Anstiegsflanke und vom Anfangszeitpunkt t _Bezug bis zur Abfallsflanke des Rechteckimpulses summiert, bleibt die Summe der beiden Seiten auch bei veränderter Impulsbreite Δ t _W konstant.

Somit bleibt auch die Gesamtzeit unabhängig von der Meßimpuls­ amplitude.

Bevorzugte Ausführungsformen zur genauen Messung der Meßzeit Δ t _d sowie ein Verfahren zum Betrieb einer solchen Ausführungs­ form gehen aus den Unteransprüchen hervor.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden in der nachfolgenden Figurenbeschreibung, aus denen auch die Vorteile des vorge­ schlagenen Entfernungsmeßgerätes hervorgehen, näher erläutert.

Die Figuren zeigen mehrere Varianten zur Messung und Anzeige der Zeitdifferenz Δ t _d von der Zeit t _Bezug bis zur Mitte des Meßimpulses.

In der Fig. 1 ist ein Ausführungsbeispiel zur Entfernungsmessung beschrieben. An einem Stahlablenker 3 ist ein Schwingspiegel 4 drehbar gelagert, derart, daß ein von einem Lasersender 5 aus­ gehender Laserstrahl nach der Reflexion am Schwingspiegel 4 eine Meßebene abtastet, in welcher sich das Meßobjekt 9 be­ findet. Bei einer bestimmten Stellung des Schwingspiegels 4 entsteht eine Reflexionsrichtung 8 des Laserstrahls, welche das Meßobjekt 9 trifft. Von hier wird der Laserstrahl zu einem Meßdetektor 10 gestreut. Dieses Streulicht überstreicht die lichtempfindliche Oberfläche des Meßdetektors 10 eine kurze Zeit, während der am Ausgang des Meßdetektors 10 ein Meß­ signal mit einer Länge erzeugt wird, welches von der Berührzeit des Streulichtes auf der lichtempfindlichen Oberfläche abhängt. Dieses Meßsignal wird in einem Verstärker 11 verstärkt und einem Impulsformer 12 zugeführt, welcher aus dem Signal eine Rechteck­ spannung 72 formt. Diese wird parallel zwei Differentiatoren 73 und 74 zugeführt, von welchen nur die Anstiegsflanke 75 bzw. die Abfallsflanke 76 in die Eingänge der Zeitdiskriminatoren 77 bzw. 78 geleitet werden.

Eine kurze Zeit vor dem Vorliegen der Stellung des Schwingspiegels 4, welche zu der Reflexionsrichtung 8 führt, liegt eine Spiegel­ stellung vor, welche den Laserstrahl in die Richtung 79 ablenkt. Der so reflektierte Laserstrahl wird an einer halbdurchlässigen Platte 24, welche räumlich fest mit der gesamten Sendeapparatur der Laserstrahlen verbunden ist, in Richtung zu einem Bezugs­ detektor 25 hin reflektiert. Die zugehörige Schwingspiegelstellung liegt bei der Zeit t _Bezug vor. Das im Bezugsdetektor 25 entstehende Bezugssignal wird in einem Verstärker 26 verstärkt, im Impulsum­ former 27 in einen Rechteckimpuls umgeformt und die Anstiegsflanke 80 des im Differentiator 28 differenzierten Rechteckimpulses pa­ rallel den Zeitdiskriminatoren 77 und 78 zugeführt. Hier entstehen 2 Impulse 81 bzw. 82 mit Längen, welche der Zeitdifferenz zwischen der Anstiegsflanke 80 des differenzierten Bezugsimpulses und der Anstiegsflanke 75 bzw. der Abfallsflanke 76 der differenzierten Meßimpulse 72 proportional sind. Die beiden Impulse 81 und 82 wer­ den in den Integratoren 83 bzw. 84 integriert, einem Addierer 85 für die in den Integratoren 83 und 84 entstehenden Gleichspannungen zugeführt und in einer Anzeigevorrichtung 86 halbiert analog an­ gezeigt.

Nach einer Eichung der Meßapparatur entspricht der Anzeigewert der Entfernung des Meßobjektes 9 von der Anzeigeapparatur.

Die Anzeigegenauigkeit wird erhöht, wenn man die Länge der Im­ pulse 81 und 82 für mehrere Periodendauern des Schwingspiegels 4 ermittelt und deren Mittelwert summiert, halbiert und anzeigt.

Die Halbierung muß deshalb erfolgen, weil durch den Addierer 85 die Summe der Zeiten zwischen der Spiegelstellung, welche zur Ablenkrichtung 79 führt, und der Spiegelstellung, welche zur Ab­ lenkrichtung 8 führt, d. h. Δ t _d doppelt vermessen wurde.

Anhand der Fig. 2 wird gezeigt, wie eine von der Amplitude der Impulse 81 und 82 unabhängige Bestimmung der Meßzeit Δ t _d er­ folgen kann. Diese beiden Impulse werden in zwei von einem Quarz­ oszillator 87 angesteuerten Netzwerken 88 und 89 getrennt digi­ talisiert und über ein Speicher- 90 und Zählwerk 91 ermittelt und halbiert in einer digitalen Anzeigevorrichtung 92 angezeigt.

Alternativ lassen sich gemäß Fig. 3 auch die beiden an den Aus­ gängen der Netzwerke 88 und 89 entstehenden Digitalwerte der Im­ pulse 81 und 82 über digital-analoge Wandler 33 bzw. 34 in ana­ loge Spannungen umsetzen und in einem Addierer 95 addieren. Das Ausgangsmaterial ist dann zwar analog, die Meßgeschwindigkeit wird dabei jedoch nicht beeinträchtigt.

Bei dieser Art der Auswertung läßt sich ein Mittelwert auf ein­ fache Weise über mehrere Messungen erzielen und dadurch die Meß­ unsicherheit reduzieren.

In der Fig. 4 ist eine Schaltung dargestellt, mit der die Meß­ zeit Δ t _d digital ohne Einschränkung der Meßgeschwindigkeit auf­ gezeigt werden kann.

Der Impuls 72 und der differenzierte Nadelimpuls 80 entstehen auf die gleiche Art wie in der Fig. 1 beschrieben. Der Impuls 72 wird parallel einem Impulsdiskriminator 97 und einem Inverter 98 zugeführt. Die Amplitude 99 des invertierten Impulses 100 wird auf Nullpotential, das ursprüngliche Nullpotential 101 wird auf ein positives Potential angehoben. Der Impuls 100 wird nun parallel dem einen Eingang eines NAND-Gatters 102 und einem Inverter 103 zu­ geführt. Der zweite Eingang des NAND-Gatters 102 ist mit einem Quarzoszillator 104 verbunden, welcher eine Wechselspannung mit einer Frequenz f aussendet. Da in der Zeit von t _Bezug bis zur Anstiegsflanke des Impulses 72 das positive Potential 101 am rechten Eingang des NAND-Gatters 102 anliegt, läßt dieser das mit der Frequenz f digitalisierte Potential bis zur Zeit t _M passieren.

Der Ausgang des NAND-Gatters 102 wird danach auf das Nullpotential umgeschaltet.

Im Inverter 103 wird der Impuls 100 nun wieder derart in einem Impuls 105 umgewandelt, daß dessen Wert 106 Nullpotential und dessen Amplitude 107 positives Potential aufweist. Der Impuls 105 wird dem rechten Eingang eines weiteren NAND-Gatters 108 zugeführt. Der linke Eingang dieses Gatters wird mit einem Frequenzteiler 109 verbunden, der die Frequenz f der vom Quarzoszillator 104 ausge­ sandten Wechselspannung halbiert.

In der Zeit von t _Bezug bis zur Zeit t _M liegt am rechten Eingang des NAND-Gatters 108 ein Nullpotential vor. Deshalb kann die Wechsel­ spannung mit der Frequenz ^f / ₂ , welche dem linken Eingang des Gatters 108 zugeführt wird, dieses nicht passieren. Der Ausgang des Gatters 108 wird jedoch während dieser Zeit auf ein positives Potential umgeschaltet, welches somit am rechten Eingang eines weiteren NAND- Gatters 109 vorliegt. Der linke Eingang ist mit dem Ausgang des Gatters 102 verbunden, an dem das mit der Frequenz f digitalisierte positive Potential gewonnen wird. Wegen des positiven Potential am rechten Eingang des NAND-Gatters 109 wird das mit der Frequenz f digitalisierte positive Potential vom Gatter 109 hindurchgelassen und auf den rechten Eingang des Gatters 110 geführt.

Der linke Eingang des Gatters 110 ist mit dem Impulsdiskriminator 97 verbunden, welcher eine Gleichspannung aussendet, die der Zeit­ differenz zwischen dem Eintreffen des Nadelimpulses 80 zur Zeit t _Bezug und der Abfallsflanke des Impulses 72 zur Zeit t _M , pro­ portional ist. Diese Spannung ist positiv und liegt am linken Eingang des Gatters 110 vor. Daher wird in der Zeit von t _Bezug bis t _M die Wechselspannung mit der Frequenz f vom Gatter 110 hin­ durch gelassen. Im anschließenden Zählwerk 111 wird die Perioden­ zahl der Frequenz f für die Zeit t ₁ zwischen t _Bezug bis t _M gezählt.

In der Zeit t ₂ zwischen t _M und t _M , wird das Gatter 102 gesperrt, da an dessen rechtem Eingang das Nullpotential 99 des Impulses 100 vorliegt. In dieser Zeit wird aber am Ausgang des Gatters 102 ein positives Potential erzeugt, welches dann auch am linken Eingang des Gatters 109 vorliegt. Andererseits wird das Gatter 108 ge­ öffnet, da während der Zeit t ₂ an dessen rechtem Eingang das posi­ tive Potential 107 des Impulses 105 vorliegt. Der Impuls 105 wird mit der Frequenz ^{f/ ₂ der aus dem Frequenzteiler 109 ausgesandten Impulse digitalisiert. Der digitalisierte Impuls 105 passiert das Gatter 109, da an dessen linkem Eingang, wie oben erwähnt, ein positives Potential anliegt. Da am linken Eingang des Gatters 110 auch in der Zeit t ₂ ein positives Potential vorliegt, passiert in der Zeit t ₂ der mit der Frequenz f/ ₂ digitalisierte Impuls 105 das Gatter 110. Der anschließende Zähler 111 zählt wieder die Perioden, welche in der Zeit t ₂ dort ankommen. Da der Impuls 105 mit der halben Frequenz digitalisiert ist, re­ gistriert der Zähler 111 die Zeit von t _M bis zur Mitte des Impulses 105. Nach der Addition der Zeiten t ₁ und t ₂ wird in der digitalen An­ zeigevorrichtung 112 die Zeit Δ t _d zwischen t _Bezug und der Mitte des Meßimpulses angezeigt. Zur Zeit t _M′ (Abfallsflanke des Meßimpulses 72) liegt am linken Eingang des Gatters 110 ein Nullpotential an, so daß die Zählung gestoppt wird. Die Zeit Δ td ist wieder ein Maß für die Entfernung des Meßobjektes 9 von der Meßapparatur. Die beschriebenen Schaltungen können auch zur genauen Messung der Geschwindigkeitskomponente des Objektes 9 senkrecht zur Bezugs­ linie oder zur Messung der Dicke von Objekten herangezogen werden.}

Claims (8)

1. Entfernungsmeßgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser (5), mit einem piezoelektrischen Strahlablenker (3) zum periodischen Ablenken des Laser­ strahls in einer Ebene, mit einem vom Sender räumlich getrennten optischen Detektor (10), der eine scharf gebündelte Empfangscharakteristik entlang einer in der Ebene liegenden Visierlinie aufweist, die vom Laserstrahl getroffen wird, mit einem Taktgenerator, welcher kontinuierlich Taktimpulse mit zumindest teilweise einer geradlinig verlaufenden Anstiegsflanke angenäherten Flanke und mit waagerechter Scheitentangente erzeugt mit einem Schwingspiegel (4), den der piezoelektrische Strahlablenker (3) aufweist und dessen Ablenkung von den Taktimpulsen gesteuert wird, mit einer Vorrichtung, welche die Zeitdifferenz zwischen der Anstiegsflanke eines Taktimpulses und derjenigen eines weiteren Impul­ ses mißt, der vom Detektor (10) aufgrund von Licht, das von einem diffus reflektierenden Objekt (9) zu ihm gelangt, ausgelöst wird, wobei der den Strahlablenker (3) an­ steuernde Taktgenerator eine Sinusspannung abgibt, deren Frequenz der Eigenresonanzfrequenz des mechani­ schen Aufbaues des Strahlablenkers angepaßt ist, wobei als Anfangszeitpunkt jeweils der Moment des Beginns desjenigen Teils der Sinusspannung, die im Rahmen einer vorgegebenen Meßgenauigkeit als linear angesehen werden kann, einstellbar ist, nach Patent 23 25 086, dadurch gekennzeichnet, daß eine Meßeinrichtung zur Messung der Zeitdifferenz Δ t _d als Zeit­ differenz von dem Anfangszeitpunkt t _Bezug genau bis zum zeit­ lichen Mittelwert zwischen der Anstiegs- und der Abfall­ flanke des weiteren Impulses vorgesehen ist.

2. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß an den Detektor (10) ein Impulsformer (12) zur Umwandlung der vom Detektor er­ zeugten Impulse in Rechteckimpulse (72) angeschlossen ist, daß der Ausgang des Impulsformers mit Differentia­ toren (73, 74) verbunden ist, daß jeder Differentiator mit je einem Zeitdiskriminator (77, 78) verbunden ist, daß jeder der beiden Diskriminatoren mit dem Ausgang eines über einen Impulsformer (27) zur Umwandlung an den Bezugsdetektor (25) angeschlossenen zusätzlichen Dif­ ferentiators (28) verbunden ist, daß einer der beiden Diskriminatoren (77) so ausgebildet ist, daß er mit dem Anstiegsflankenimpuls (80) aus dem zu­ sätzlichen Differentiator einen Impuls (81) erzeugt, der mit dem Anstiegsflankenimpuls (75) des mit ihm verbundenen Differentiators (73) beendet wird, daß der andere Diskrimi­ nator (78) so ausgebildet ist, daß er mit dem Anstiegsflanken­ impuls (80) aus dem zusätzlichen Differentiator (28) einen Impuls (82) erzeugt, der mit dem Abfallsflankenimpuls (76) aus dem mit ihm verbundenen Differentiator beendet wird, daß an die beiden Diskriminatoren ein Rechenwerk angeschlos­ sen ist, welches aus den beiden Impulslängen der von den Diskriminatoren abgegebenen Impulse die halbierte Summe bildet und daß an das Rechengerät ein Anzeigegerät zum Anzeigen der halbierten Summe angeschlossen ist (Fig. 1).

3. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeich­ net, daß das Rechenwerk ein analoges Rechenwerk (85) ist, daß Umsetzer (83, 84) zur Umsetzung der Impulslängen der von den Diskriminatoren abgegebenen Impulse in Gleichspannungen vorgesehen sind und daß das Anzeigegerät ein analoges Anzeige­ gerät ist.

4. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Analog/Digital-Umsetzer (88, 89) zur Digitalisierung der Impulslängen der von den Diskriminatoren abgegebenen Impulse vorgesehen sind.

5. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Rechenwerk ein digitales Rechenwerk (90, 91) ist.

6. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß Digital/Analog-Umsetzer (93, 94) zur Umsetzung der digitali­ sierten Impulslängen in analoge Größen, ein analoges Rechenwerk (95) und ein analoges Anzeigegerät (96) vorgesehen sind.

7. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an den Detektor ein Impulsformer (12) zur Umwandlung der vom Detektor erzeugten Impulse in Rechteckimpulse ( 72) ange­ schlossen ist, daß der Ausgang des Impulsformers einerseits mit einem Eingang eines Zeitdiskriminators (97), andererseits mit einer Schaltung zur Ermittlung der Zeitdauer t ₂ von der Anstiegsflanke eines Rechteckimpulses bis genau zum zeitlichen Mittelwert zwischen der Anstiegs- und Abfalls­ flanke des Rechteckimpulses verbunden ist, daß der Zeit­ diskriminator mit einem mit dem Bezugsdetektor verbundenen zusätzlichen Impulsformer (27) verbunden ist, daß der Zeit­ diskriminator so ausgebildet ist, daß er mit der Anstiegs­ flanke eines Impulses aus dem zusätzlichen Impulsformer einen Impuls erzeugt, der mit der Abfallsflanke eines Recht­ eckimpulses aus dem Impulsformer beendet wird, daß der Aus­ gang des Zeitdiskriminators und der Ausgang der Schaltung mit Eingängen eines logischen Verknüpfungsgliedes (110) verbunden sind, daß der Ausgang des Verknüpfungsgliedes mit einem Zähler (111), an den ein Anzeigegerät (112) ange­ schlossen sind, verbunden ist (Fig. 4).

8. Verfahren zum Betrieb eines Entfernungsmeßgerätes nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eine Gleichspannung während der Zeit t _Bezug bis zur Anstiegsflanke des Rechteck­ impulses über einen Quarzoszillator mit einer Frequenz f und anschließend der Rechteckimpuls mit der Frequenz ^f / ₂ digitali­ siert und die entstehenden Impulse gezählt werden.