DE102004004260B3 - Circuit arrangement for reducing pulsed analog measurement signal measurement errors, has switch defining sampling times of 2 hold elements whose outputs feed difference element that outputs measurement signal integral value - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur Reduzierung von Messfehlern analoger pulsförmiger Messsignale eines Detektors, die insbesondere dann eingesetzt werden kann, wenn pulsförmige Messsignale bzgl. ihres Integralwertes erfasst und ausgewertet werden sollen, bei denen eine zeitsynchrone Messung nicht oder nur sehr aufwendig erreicht werden kann. Besonders vorteilhaft kann die Erfindung in Verbindung mit optischen Detektoren, wie Fotodioden eingesetzt werden. So besteht die Möglichkeit, eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung in Kombination mit gepulst betriebenen Laserstrahlquellen einzusetzen, wobei dann die Laserstrahlen bevorzugt für die Bearbeitung von Werkstücken eingesetzt werden und das dabei emittierte, reflektierte oder auch transmittiertes Licht mit einem solchen optischen Detektor erfasst und in Messsignale umgewandelt werden kann.The The invention relates to a circuit arrangement for reducing Measurement errors analog pulse-shaped Measuring signals of a detector, which are used in particular can if pulse-shaped Measuring signals regarding their integral value are detected and evaluated should, where a time-synchronous measurement is not or only very consuming can be achieved. Particularly advantageous, the invention used in conjunction with optical detectors, such as photodiodes become. So there is the possibility a circuit arrangement according to the invention to be used in combination with pulsed laser beam sources, in which case the laser beams are preferably used for the machining of workpieces be emitted, reflected or transmitted Captured light with such an optical detector and into measurement signals can be converted.
Mit den an sich bekannten optischen Detektoren, wie beispielsweise Fotodioden, wird die jeweilige Leistung eines Lichtimpulses in einen der jeweiligen Leistung entsprechenden elektrischen Strom gewandelt, der am Ausgang eines solchen optischen Detektors anliegt.With the known optical detectors, such as photodiodes, is the respective power of a light pulse in one of the respective Power corresponding electric current converted at the output such an optical detector is applied.
Besonders bei pulsförmigen Messsignalen ist eine zeitliche Diskrepanz zwischen dem Auftreten pulsförmiger Veränderungen der jeweiligen Messgröße, also, wie bereits angesprochen, eines emittierten, reflektierten oder transmittierten Lichtimpulses in Bezug zur zeitlichen Erfassung als geeignetes auswertbares Messsignal nicht oder nur schwer erreichbar, wenn keine zeitsynchrone Detektion und Messsignalauswertung möglich ist.Especially in pulse-shaped Measurement signals is a temporal discrepancy between the occurrence of pulse-shaped changes the respective measurand, that is, as already mentioned, one emitted, reflected or transmitted light pulse with respect to the time recording as a suitable evaluable measuring signal not or only with difficulty reachable, if no time-synchronous detection and measurement signal evaluation is possible.
Werden Trigger oder auch so genannte Schwellwertschalter genutzt, muss das erfasste Messsignal erst einen bestimmten Wert/Pegel oder Anstieg erreichen, bevor eine Änderung der jeweiligen Messgröße, als solche erfasst werden kann.Become Triggers or so-called thresholds used, must the detected measurement signal only a certain value / level or increase reach before a change the respective measured variable, as such can be detected.
Hierbei wirken sich aber Störgrößen aus, die auch einen Fehler bezüglich des jeweiligen Messsignals hervorrufen. Dabei weisen Detektoren in der Regel ein so genanntes Rauschen in Form eines Grundpegels auf, das dem eigentlichen Messsignal überlagert ist. Hierzu kommen noch zusätzliche Störgrößen, die üblicherweise nicht konstant sind und dementsprechend mit wechselnden Werten den Messfehler des eigentlichen erfassten Messsignals mit unterschiedlicher Größe beeinflussen, die im wesentlichen von der Erfindung reduziert oder berücksichtigt werden sollen. Bei optischen Detektoren spricht man von einem so genannten „Dunkelstrom" des Detektors und außerdem wirken sich störende Fremdlichteinflüsse auf die jeweiligen Messsignalfehler negativ aus.in this connection But disturbances affect which also has an error of the respective measurement signal. There are detectors usually a so-called noise in the form of a basic level on, which is superimposed on the actual measurement signal. Come to this additional Disturbances that are usually are not constant and accordingly with changing values the Measurement error of the actual detected measurement signal with different Influence size, which is essentially reduced or taken into account by the invention should be. With optical detectors one speaks of such called "dark current" of the detector and Furthermore disturbing ones Extraneous light to the respective measurement signal error negative.
Da in vielen Fällen bei gepulsten Messsignalen sehr kleine Zeitkonstanten und eine Messung mit sehr hoher Messfrequenz gefordert werden, können insbesondere bei der Messung von Lichtimpulsen mit hoher Wiederholrate herkömmliche Pyrometer als berührungslose Detektoren für elektromagnetische Strahlung bzw. optische Detektoren nicht oder nur in begrenztem Umfang eingesetzt werden, wobei außerdem deren Messempfindlichkeit häufig nicht ausreicht.There in many cases with pulsed measuring signals very small time constants and one measurement can be required with very high measuring frequency, especially in the measurement of high repetition rate light pulses conventional non-contact pyrometers Detectors for electromagnetic radiation or optical detectors not or be used only to a limited extent, and also their Sensitivity often not enough.
So werden bei der Bearbeitung von Bauteilen, die aus unterschiedlichen Werkstoffen bestehen können, mit Laserstrahlen solche Messungen gefordert, um beispielsweise Aussagen über die jeweilige Bearbeitungsqualität (z.B. Güte der Ausbildung von Bohrungen mittels Lasern) treffen zu können, bzw. mit Hilfe der erhaltenen Messsignale regelnd in den Bearbeitungsprozess eingreifen zu können.So are used in the machining of components that come from different Materials can exist, with laser beams such measurements required, for example Statements about the respective processing quality (for example, goodness the formation of holes by means of lasers) to meet, or with Help the received measurement signals regulating in the machining process to be able to intervene.
So
ist in
Aus
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine einfache und kostengünstige Lösung zur Verfügung stellen zu können, mit der Messfehler gepulster analoger Messsignale reduziert oder vermieden werden können.It is therefore an object of the invention to provide a simple and cost effective solution to disposal to be able to reduced with the measurement errors of pulsed analogue measurement signals or can be avoided.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit einer Schaltungsanordnung, die die Merkmale des Anspruchs 1 aufweist, gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungsformen und Weiterbildungen der Erfindung können mit den in untergeordneten Ansprüchen genannten Merkmalen erreicht werden.According to the invention this Task with a circuit arrangement having the features of the claim 1, solved. Advantageous embodiments and developments of the invention can with the subordinate claims be achieved.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist dabei so aufgebaut, dass mit dem jeweiligen Detektor erfasste Messsignale, die proportional zur Leistung sind, einem Integrierglied zugeführt und am Ausgang des Integriergliedes ein Wert, der proportional der Energie des jeweiligen Messsignalimpulses ist, vorliegt. Im Falle eines optischen Detektors, bevorzugt einer Fotodiode, liegt an deren Ausgang das jeweilige Messsignal als entsprechender elektrischer Strom vor, der dann dem Integrierglied, bevorzugt ein kapazitives Element zugeführt, dort integriert wird und an dessen Ausgang als elektrische Spannung anliegt.The circuit arrangement according to the invention is constructed such that measured signals which are proportional to the power and which are detected by the respective detector are fed to an integrator and a value which is proportional to the energy of the respective measuring signal pulse is present at the output of the integrator. In the case of an optical detector, preferably a photodiode, is located at the output of the respective measurement signal as a corresponding electric current, which is then fed to the integrator, preferably a capacitive element, integrated there and applied to the output as electrical voltage.
An den Ausgang des Integriergliedes ist ein erstes Halteglied angeschlossen.At the output of the integrator is connected to a first holding member.
Parallel zu diesem ersten Halteglied sind eine Verzögerungsleitung und ein zweites Halteglied geschaltet.Parallel to this first holding member are a delay line and a second Connected holding member.
Wiederum parallel in einem weiteren Zweig ist ein Trigger und ein Schalter, bevorzugt eine elektronische Steuerung geschaltet.In turn parallel in another branch is a trigger and a switch, preferably an electronic control switched.
Die zwei Eingänge eines Differenzgliedes sind an die Ausgänge der beiden Halteglieder angeschlossen und mittels eines Schalters erfolgt eine Definition von Abtastzeitpunkten, wenn vom Trigger ein bestimmter vorgegebener Wert des Anstieges des Messsignals erfasst worden ist.The two entrances a differential element are connected to the outputs of the two holding members connected and by means of a switch is a definition of sampling times when the trigger is a given given Value of the rise of the measurement signal has been detected.
So ist es möglich, temporär in den beiden Haltegliedern gespeicherte Messsignalwerte dem Differenzglied zuzuführen und dabei dann an den beiden Eingängen des Differenzgliedes Messsignale anliegen, die zeitversetzt sind, was durch die Verzögerungsleitung erreicht worden ist.So Is it possible, temporary measured signal values stored in the two holding elements to the differential element supply and in this case there are measurement signals at the two inputs of the differential element, which are time-delayed, which has been achieved by the delay line is.
Mit der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung kann so die Messpegeldifferenz des analogen Messsignals zwischen zwei definierten Zeitpunkten erfasst werden. In allgemeiner Form entspricht dies der Messung einer Sprunghöhe eines beliebigen analogen Messsignals.With the circuit arrangement according to the invention Thus, the measurement level difference of the analog measurement signal between be detected at two defined times. In general form this corresponds to the measurement of a jump height of any analogue Measurement signal.
Durch die Integration des gepulsten Messsignals entsteht ein Sprung mit einer Anstiegzeit in der Größenordnung, der jeweiligen Messimpulsdauer. Am Pulsende ist dann die elektrische Spannung proportional zum jeweiligen Integral des Messimpulses.By the integration of the pulsed measurement signal creates a jump with a rise time in the order, the respective measuring pulse duration. At the end of the pulse is then the electrical Voltage proportional to the respective integral of the measuring pulse.
Die Störgrößen des Messsignals (Offset) führen bei der Integration zu einer Drift. Um diese als Messfehler zu kompensieren, sollen erfindungsgemäß eine Messsignalerfassung zu zwei Zeitpunkten erfolgen können, So sollte eine Messsignalerfassung kurz vor dem Auftreten eines Messimpulses und eine zweite kurz nach dem Messimpuls erfolgen können.The Disturbances of the Lead measuring signal (offset) when integrating into a drift. To compensate for these as measurement errors, According to the invention, a measurement signal acquisition at two times, Thus, a measurement signal acquisition shortly before the occurrence of a Measuring pulse and a second can be done shortly after the measuring pulse.
Eine Messsignalerfassung ist kurz vor einem Messwertpuls eigentlich nicht möglich, da der Zeitpunkt des Auftretens eines Messimpulses nicht bekannt ist. Ein Trigger kann nämlich erst ausgelöst werden, wenn das Messsignal oder einen Anstieg des Messsignales einen bestimmten Wert erreicht hat.A Measurement signal acquisition is not really close to a measured value pulse possible, since the time of occurrence of a measuring pulse is not known is. A trigger can namely only be triggered if the measuring signal or a rise of the measuring signal has a certain Has achieved value.
Aus diesem Grunde wird das Messsignal auch in einem parallelen Zweig der Schaltung über eine Verzögerungsleitung geführt, so dass ein Messsignalwert in einem Halteglied für einen vollständigen Messimpuls temporär gespeichert werden kann, der vor dem Auftreten des Messpulses aufgetreten ist bzw. vorlag. Ein weiterer Messsignalwert wird dann in einem weiteren Halteglied temporär gespeichert, wobei dies erst nach dem Ende eines Messpulses erfolgt.Out This is why the measurement signal is also in a parallel branch the circuit over a delay line guided, such that a measurement signal value in a holding element for a complete measuring pulse temporary can be stored, which occurred before the occurrence of the measuring pulse is or was present. Another measurement signal value is then in a additional holding member temporarily stored, this being done only after the end of a measuring pulse.
Die jeweilige Differenz der Messsignalwerte entspricht dann der jeweiligen Sprunghöhe und demzufolge der Pulsenergie. Durch diese zeitversetzte Auswertung von Messsignalen und Differenzbildung können die im einleitenden Teil der Beschreibung bezeichneten Messfehler kompensiert zumindest erheblich reduziert werden. So ist auch eine Drift von Messsignalen entsprechend kompensier- bzw. reduzierbar.The respective difference of the measured signal values then corresponds to the respective jump height and consequently the pulse energy. Through this time-shifted evaluation Measurement signals and subtraction can be found in the introductory part the description designated measurement error compensated at least considerably be reduced. So also a drift of measuring signals is accordingly Compensated or reducible.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung ist gegenüber bekannten Lösungen deutlich einfacher und kostengünstiger aufgebaut. Es kann eine hohe Messfrequenz und kleine Zeitkonstante erreicht werden. Außerdem bestehen nur geringe Anforderungen an die Synchronisation von Messung und Prozess.The inventive circuit arrangement is opposite known solutions much easier and cheaper built up. It can have a high measuring frequency and small time constant be achieved. Furthermore There are only minor requirements for the synchronization of measurement and Process.
An den Trigger werden bezüglich seiner Signalverzögerung nur geringe Anforderungen gestellt, die etwa in der Größenordnung, der durch die Verzögerungsleitung erreichbaren zeitlichen Verzögerung des Messsignalverlaufes liegen. Dies können mehrere Mikrosekunden sein. Der zeitliche Zusammenhang zwischen dem Trigger und den jeweiligen zwischengespeicherten Messsignalverläufen kann dabei im Bereich von einigen Nanosekunden, durch entsprechende Auslegung der Verzögerungsleitung definiert werden.At the trigger will be relative its signal delay only low requirements, which are on the order of magnitude, through the delay line achievable time delay of Measuring signal waveform are. This can take several microseconds be. The temporal relationship between the trigger and the respective cached Messsignalverläufen can in the field of a few nanoseconds, defined by appropriate design of the delay line become.
Die Verzögerungsleitung kann so ausgebildet sein, dass sie zumindest ein kapazitives und mindestens ein induktives Element aufweist. So kann die Verzögerungsleitung beispielsweise diskret als Tiefpass oder eine ausreichend lange elektrische Verbindungsleitung (z.B. Verzögerung von 3 ns/m für ein Koaxialkabel) ausgebildet sein.The delay line can be designed so that they are at least a capacitive and has at least one inductive element. So can the delay line For example, discreet as a low pass or a long enough electrical connection line (e.g., 3 ns / m delay for a coaxial cable) be educated.
Die Halteglieder können als integrierte Schaltung mit einem Ladungsspeicher, bevorzugt einem elektrischen Kondensator, ausgebildet sein.The Holding members can as an integrated circuit with a charge storage, preferably one electrical capacitor, be formed.
Der Trigger sollte ein flankenempfindlicher Trigger sein, so dass der jeweilige Triggerwert den entsprechenden Anstieg des Messsignals zum Schalten berücksichtigen kann.Of the Trigger should be a slope-sensitive trigger, so that the respective trigger value the corresponding increase of the measurement signal consider for switching can.
Nachfolgend soll die Erfindung beispielhaft näher erläutert werden.following the invention will be explained in more detail by way of example.
Dabei zeigen:there demonstrate:
Mit
einer schnellen Fotodiode als Detektor
In
diesem kapazitiven Element als Integrierglied
Das
gewandelte Messsignal A(t) wird aber auch in einem parallelen Zweig über die
Verzögerungsleitung
Übersteigt
nun der Anstieg des jeweils erfassten Messsignals A(t) einen bestimmten
Wert, was vom Trigger
Dabei
wird ein zeitlich verzögerter
Messsignalwert D im Halteglied
Dabei
ist die Verzögerungsleitung
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Citations (2)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
DE3606488A1 (en) * | 1986-02-28 | 1987-09-03 | Philips Patentverwaltung | METHOD FOR DETERMINING MEASURED DATA ON AN OPTICAL TRANSMISSION LINE BY MEANS OF AN OPTICAL SENSOR |
DE3719967C2 (en) * | 1986-06-16 | 1989-11-09 | Hitachi, Ltd., Tokio/Tokyo, Jp |
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