DE102010031801A1

DE102010031801A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abstandsmessung

Info

Publication number: DE102010031801A1
Application number: DE201010031801
Authority: DE
Inventors: Edgar Melzner; Alexey Kokla; Sergey Masnik
Original assignee: STM SENSOR TECHNOLOGIE MUENCHEN GmbH
Current assignee: Balluff STM GmbH
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-01-26

Abstract

Die vorliegende Erfindung umfasst ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen von Signalen durch mindestens eine Quelle auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche und ein Erfassen der Signale durch mindestens einen Empfänger. Dabei werden entweder die Signale von mindestens zwei Quellen erzeugt oder die Signale von mindestens zwei Empfängern erfasst und die empfangen Signale werden derart bearbeitet, dass Störeffekte kompensiert werden. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Quelle, welche Signale auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche erzeugt, mindestens, einen Empfänger, welcher die Signale erfasst, und eine Steuerung zur Bearbeitung der empfangenen Signale. Dabei sind die empfangenen Signale derart bearbeitbar, dass Störeffekte kompensierbar sind.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung.
Zur Abstandsmessung sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei großen Messbereichen von ca. 1 m bis zu mehreren Kilometern wird oftmals Laufzeitmessung verwendet. Laufzeitmessung ist ein Verfahren zur indirekten Entfernungsmessung durch Messung jener Zeit, die ein Licht, Schall- oder Funksignal für das Durchlaufen der Messstrecke benötigt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch kurze Reaktionszeit und durch das Fehlen eines Aperturwinkels aus.
Im mittleren Bereich wird dagegen meist Phasenmodulation verwendet. Die Phasenmodulation ist ein Verfahren, mit dem ein analoges oder ein digitales Signal über einen Kommunikationskanal übertragen wird. Der Messbereich liegt frequenzabhängig bei bis zu maximal 200 Meter und das Verfahren zeichnet sich durch niedrige Fabrikationskosten aus.
Im Messbereich von Abständen von ca. 10 nm bis 100 m gibt es verschiedene Verfahren. Ein Verfahren mit sehr hoher Auflösung ist die Interferometrie, welche im Nano- bis Mikrometerbereich verwendet wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es hohe Kosten verursacht und deshalb insbesondere bei einer hohen Zahl von Messpunkten nicht gerne verwendet wird.
Ein weiteres Verfahren, das in diesem Messbereich verwendet wird, ist die Triangulation, welche im Bereich von 1 mm bis ca. 100 m angewandt werden kann.
Bei der Triangulation wird ein Lichtstrahl, beispielsweise von einem Laser oder einer Leuchtdiode auf das Objekt, dessen Abstand zur Messvorrichtung gemessen werden soll, fokussiert. Das Messobjekt wird dabei unter einem bestimmten Winkel beleuchtet und ein elektronischer Fotoempfänger registriert das Streulicht, das von dem Messobjekt reflektiert wird. Beim Fotoempfänger handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, das die Position des Lichtpunktes im Abbild bestimmt. Dafür kann beispielsweise eine CCD-Zelle, eine CMOS-Kamera oder ein optischer Positionssensor (z. B. PSD) verwendet werden. Aus dieser Bildposition kann die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet werden.
Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Fotoempfänger, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird, und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes von der Lichtquelle berechnet. Bei Kenntnis der Strahlrichtung und des Abstandes zwischen Fotoempfänger und Lichtquelle kann damit der Abstand vom Objekt zu Fotoempfänger bestimmt werden. Die Verbindung Fotoempfänger-Lichtquelle sowie die beiden Strahlen von und zum Objekt bilden hierbei ein Dreieck, daher die Bezeichnung Triangulation.
Zur Messung von direktem oder reflektiertem Licht können auch einfache optische Bauteile wie Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden. Jedoch eignen sich diese Reflexionslicht-Taster oder -Sensoren nicht zur Abstandsmessung, da die Antwort des Tasters nicht nur vom Abstand, sondern z. B. auch von der Reflexionseigenschaft der reflektierten Oberfläche abhängig ist.
Außerdem ist die Antwort des Tasters eine komplizierte, nicht lineare Funktion des Abstands und der Oberflächen-Eigenschaften. Um die Antwort des Taster mit dem Abstand in Verbindung zu bringen, ist eine lineare Kennlinie des Tasters von Vorteil. Zwar weist die Kennlinie des Tasters einen näherungsweise linearen Bereich auf, jedoch sind die absoluten Werte auch von Oberflächen-Eigenschaften abhängig. Beispielsweise weichen die Werte einer weißen und einer grauen Kodak-Karte um ca. einen Faktor 5 ab. Daher ist auch der lineare Teil der Kennlinie nicht zur Abstandsmessung verwendbar.
Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung bereitzustellen, welche die oben genannte Nachteile überwinden, kostengünstig herzustellen und universell einsetzbar sind.
Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.
Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen von Signalen durch mindestens einer Quelle auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche. Das Signal kann dabei elektromagnetische Strahlung wie sichtbares Licht, Mikrowellen, UV-Strahlung, IR-Strahlung, Röntgenstrahlung, Schallwellen oder radioaktive Strahlung sein. Dabei kann beispielsweise auf einer in einem Abstand angeordneten Oberfläche ein Lichtfleck bzw. Lichtpunkt erzeugt werden, der von einer vorzugsweise diffusen Oberfläche reflektiert wird.
Dieser Lichtfleck kann durch verschiedene Maßnahmen auf dem Objekt erzeugt werden. Beispiele hierfür sind eine Beleuchtung einer reflektierenden Oberfläche des Objekts mit einem Quellenstrahl bzw. Senderstrahl oder eine Beleuchtung einer halbtransparenten Oberfläche des Objekts mit einem Quellenstrahl von der anderen Seite. Es ist auch möglich, einen hellen Farbenfleck auf einer dunklen Objektoberfläche zu erzeugen, Fremdlicht zu verwenden oder eine Lichtquelle auf der Objektoberfläche anzuordnen.
Die auf der Oberfläche erzeugten Signale werden durch mindestens einen Empfänger erfasst. Dabei können die Signale von mindestens zwei Quellen erzeugt werden, oder die Signale von zwei Empfängern erfasst werden. Die empfangenen Signale werden dann derart bearbeitet, dass Störeffekte kompensiert werden.
Als ein einfaches Beispiel für die vorliegende Erfindung wird von einer Quelle ein Lichtfleck auf einer Oberfläche eines Objekts erzeugt. Diese Oberfläche ist in einem Abstand, der durch das erfindungsgemäße Messverfahren gemessen werden kann, angeordnet.
Nach dem Huygensschen Prinzip dient dieser Lichtfleck von der Quelle als sekundäre Lichtquelle für zwei Empfänger. Die Lichtstärke oder der Strahlungsfluss dieser sekundären Lichtquelle mit den Reflexionseigenschaften der Test-Oberfläche geben zusammen für beide Empfänger die neuen Bezugswerte. Dabei vermessen die mindestens zwei Empfänger die Intensität des ausgestrahlten oder reflektierten Signals. Das Empfängersignal ist eine Funktion der Abstandsveränderung (Messeffekt) und der Störungseffekte.
Im Allgemeinen kann man eine Quelle auf der Objektoberfläche und einen Empfänger, der das Signal der Quelle empfängt, als einen Messkanal bezeichnen. Dann kann die vorliegende Erfindung als ein Aufbau aus zwei oder mehreren Messkanälen gesehen werden. Dabei kann eine beliebige Anzahl von Messkanälen eine gemeinsame Quelle oder einen gemeinsamen Empfänger haben.
Jeder dieser Messkanäle hat eine eigene Abhängigkeit des Signalwerts von dem Abstand zwischen Quelle und Empfänger. Diese Abhängigkeit nennt man Abstandsfunktion oder Abstandscharakteristik.
Ein weiterer Begriff der optische Meßtechnik ist die Funktionsreserve. Die Funktionsreserve gibt an, wie viel Licht ein Empfänger bzw. Sensor unter bestimmten Bedingungen empfängt. Dieser Wert wird mit der Lichtmenge verglichen, die der Empfänger zum Schalten benötigt.
Als Funktionsreservefaktor bezeichnet man das Verhältnis des aktuell bei einem konkreten Abstand gemessenen Signals zu der Funktionsreserve. Der Funktionsreservefaktor f ist also:
mit S_akt als aktueller Signalpegel bei einem konkreten Abstand und S_min als geringst möglicher Signalpegel, bei dem der Empfänger bzw. der Reflexionslicht-Sensor eine zuverlässige Funktionalität aufweist.
Funktionsreservefaktor 1 bedeutet, dass der Empfänger gerade in der Lage ist zu arbeiten; Funktionsreserve 50 bedeutet, dass der Sensor 50 mal mehr Licht empfängt, als zu einer einwandfreien Funktion nötig wäre.
Der Funktionsreservefaktor ist daher eine Abstandscharakteristik, normiert auf den geringsten Signalpegel, der eine zuverlässige Funktionalität gewährleistet.
Die Abstandscharakteristiken der Messkanäle können so aufgebaut werden, dass eine gemeinsame Signalbearbeitung einer Gruppe der Signale es ermöglicht, Störeffekte zumindest teilweise zu kompensieren und ein Ausgangssignal als eine Funktion des Abstands zu berechnen. Eine lineare Unabhängigkeit der Abstandscharakteristik in einem Bereich, in dem beide Signale messbar sind, kann beispielsweise die Kompensation durch eine Funktion der Amplitudenverhältnisse ermöglichen.
Ein mathematischer Bearbeitungs-Algorithmus erlaubt es, aus zwei nichtlinearen Sensor-Antworten eine näherungsweise lineare Kennlinie zu gewinnen. Diese Kennlinie weist eine direkte Abhängigkeit des Messabstands zum Ausgangssignal des Gesamtsystems aus.
Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand auch mit einer Kalibrierungstabelle oder mit einer Kalibrierungsformel berechnet werden.
Die Störeffekte entstehen unter anderem durch Instabilitäten des Reflexionskoeffizienten und Instabilitäten der Lichtstrahlintensität. Auch Fremdlicht und Messungen unter unterschiedlichen Temperaturverhältnissen sowie Quellendegradation oder Senderdegradation können Störeffekte im Messsignal erzeugen.
Durch das erfindungsgemäße Messverfahren ist das Erzeugen und das Erfassen unabhängig von der Wellenlänge und Art der Signale, der Art der Quelle oder der Art des Empfängers. Das bedeutet beispielsweise, dass die Wellenlänge des Quellen-Elements nicht relevant ist und als Empfänger-Elemente einfache und kostengünstige Elemente wie Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden können.
Außerdem ist das Erfassen und das Bearbeiten der Signale weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Oberflächen. Erfahrungsgemäß werden die besten Resultate und die beste Auflösung auf diffusen Oberflächen erreicht.
Im Vergleich zur Triangulation, bei der es zu einer Verschiebung des Empfängersignals kommt, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Lichtfleck unter unterschiedlichen Bedingungen beobachtet.
Ein Vorteil des hier vorgestellten Verfahrens gegenüber beispielsweise Triangulation ist, dass hier ein Lichtfleck ausreicht, der ungleichmäßige Form aufweisen kann. Dahingegen wird z. B. bei der Triangulation ein regelmäßiger Lichtpunkt benötigt, da sonst die Genauigkeit des Verfahrens zu wünschen übrig lässt.
Weitere Vorteile sind das einfache Verfahren und die kompakte Bauweise. Außerdem ist keine Optik notwendig, man kann die Strahlcharakteristik der Quelle nur mit Masken definieren. Es reichen einfache Fototransistoren oder Fotodioden aus. Dadurch ist die Reaktionszeit gegenüber einem CCD-Sensor (Charge-Coupled Device-Sensor), CMOS oder PSD kürzer.
Zusätzlich ist eine Verteilung von Quelle und Empfänger gemäß den Anforderungen für die Abstandsmessung möglich. Auch kann die Kennlinie durch Anpassung der Richtdiagramme von Quelle und Empfänger flexibel eingestellt werden.
Vorzugsweise wird das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt, welche zumindest teilweise einen unterschiedlichen Abstand von der Quelle aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Störeffekte besser von den Signalen getrennt werden können. Da sich mit dem Abstand die Messsignale ändern, jedoch die Störsignale entweder gleich bleiben oder zumindest jedoch durch ihren Abstand von der Quelle bestimmt werden können, kann die Auflösung und Genauigkeit verbessert werden.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt werden, welche zumindest teilweise den gleichen Abstand von der Quelle aufweisen.
Die Empfänger werden hauptsächlich durch ihre Richtdiagramme und Aperturgröße charakterisiert. Ein Richtdiagramm bzw. eine Richtcharakteristik beschreibt die Winkelabhängigkeit der Stärke empfangener oder gesendeter Wellen, meist bezogen auf die Empfindlichkeit bzw. Intensität in Hauptrichtung (0°). Richtdiagramme können durch ihre Breite, ihre Form, ihre Symmetrie oder ihre Lichtverteilung beschrieben werden.
Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können die mindestens zwei Empfänger zumindest teilweise derart gewählt werden, dass deren Richtdiagramme entweder gleich oder unterschiedlich sind.
Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche gleiche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren auch mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt werden, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche unterschiedliche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.
Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt, und das Ausgangsignal S_aus von zwei Empfängern durch folgende Formel berechnet werden: S_aus = E₁/E₂ wobei E₁ das Signal des ersten Empfängers und E₂ das Signal des zweiten Empfängers darstellen. Dabei können die beiden Signale der Empfänger jeweils normiert werden, indem das Signal durch das maximale Signal dividiert wird.
Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das auch mit mindestens zwei Empfängern durchführbar ist, kann alternativ oder zusätzlich das Ausgangsignal S_aus von zwei Empfängern durch folgende Formel berechnet werden: S_aus = (A – B)/(A + B) wobei A das Signal des ersten Empfängers E₁ und B das Signal des zweiten Empfängers E₂ darstellen. Die beiden Signale A und B können auch normiert werden, indem das Signal (E₁, E₂) durch das maximale Signal (E_1max, E_2max) dividiert wird.
Dieses Verfahren findet insbesondere dann Anwendung, wenn multiplikative Störungen vorhanden sind.
Alle vorgenannten Zusammenhänge können äquivalent auf zwei Quellen und einen Empfänger übertragen werden.
Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Quelle, welcher Signale auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche erzeugt.
Außerdem umfasst die Vorrichtung mindestens einen Empfänger, welcher die Signale erfasst und eine Steuerung zur Bearbeitung der empfangenen Signale. Die Vorrichtung umfasst weiter entweder mindestens zwei Quellen oder mindestens zwei Empfänger, wobei die empfangenen Signale derart bearbeitet werden, dass Störeffekte kompensiert werden.
Als ein einfaches Beispiel besteht die Messvorrichtung aus einer gemeinsamen Quelle und zwei Empfängern. Die Quelle erzeugt einen Lichtfleck oder Lichtpunkt auf der Oberfläche, die sich in dem zu messenden Abstand befindet. Dieser Lichtpunkt wird von zwei unabhängigen Empfängern erfasst. Durch die gemeinsame Bearbeitung der Empfängersignale können Störeffekte kompensiert oder eliminiert werden.
Vorzugsweise wird die mindestens eine Quelle auf einer Linie zwischen mindestens zwei Empfängern angeordnet. Als einfachstes Beispiel wird eine Quelle genau zwischen zwei Empfängern angeordnet. Dadurch ist die Messvorrichtung einfach zu konstruieren und es entsteht ein nur geringer Platzbedarf.
In einer weiteren Ausführungsform kann alternativ oder zusätzlich der mindestens eine Empfänger auf einer Linie zwischen mindestens zwei Quellen angeordnet werden. Die Verbindung der Empfänger mit einer oder mehreren Quellen kann jedoch auch der Oberflächenform der im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche angepasst werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Bogenform.
Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung mindestens zwei Empfänger, welche zumindest teilweise entweder einen unterschiedlichen oder den gleichen Abstand von der Quelle aufweisen.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die mindestens zwei Empfänger derart gewählt werden, dass deren Richtdiagramme entweder gleich oder unterschiedlich sind.
Vorzugsweise werden die mindestens zwei Empfänger derart in der Vorrichtung angeordnet, dass deren Richtdiagramme gleich sind, und der Abstand der Empfänger zu dem sich zwischen den Empfängern befindlichen Quellen unterschiedlich für beide Empfänger ist. In diesem Fall ist es erfahrungsgemäß von Vorteil, dass der Sender ein symmetrisches Richtdiagramm aufweist.
Bei weiteren Anordnungsmöglichkeiten werden die Empfänger derart angeordnet, dass der Abstand der Empfänger zum sich zwischen diesen befindlichen Quellen jeweils äquidistant ist.
Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens zwei Empfängern auf, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche gleiche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.
Alternativ oder zusätzlich weist die Vorrichtung mindestens zwei Empfängern auf, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche unterschiedliche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.
Hierbei werden entweder die Empfänger in ihrer Richtung derart verändert, dass die jeweiligen Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger gleich sind, die Empfänger jedoch derart variiert, dass sie unterschiedliche Richtdiagramme aufweisen. Dies kann beispielsweise mit einer Blende erfolgen, oder es werden Empfänger mit unterschiedlichen Richtdiagrammen verwendet.
Alternativ können Empfänger mit den gleichen Richtdiagrammen verwendet werden, deren Richtungen derart verändert werden, dass die jeweiligen Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger unterschiedlich sind.
Das erfindungsgemäße Messverfahren und die Messvorrichtung weisen keine physikalische Begrenzung aus. Die erreichbare Messgenauigkeit beträgt ca. 0,1% vom Messbereich. Durch mehrere Empfänger und/oder mehrere Quellen kann der Messbereich verändert oder vergrößert werden.
Ausführungsformen der Vorrichtung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen detailliert erklärt. Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung:
1 eine einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und
2 verschiedene Diagramme zur Erläuterung des Messprinzips.
1 zeigt eine schematische Darstellung einer einfachen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird eine Quelle oder Sender 1, hier in Form einer Leuchtdiode (Light Emiting Diode LED), auf einer Plattform 30 angeordnet. Dieser Sender 1 strahlt Lichtsignale mit einem Sender-Richtdiagramm 5 in Richtung der sich im zu messenden Abstand D befindlichen Oberfläche 40 eines Objekts. Dieses Objekt 40 befindet sich hier am Punkt O. Um das erfindungsgemäße Verfahren näher zu erläutern, kann die Oberfläche 40 beispielsweise zwischen den Punkten P1 und P2 verschoben werden. Die Punkte O, P1 und P2 bezeichnen dabei jeweils die Schnittpunkte der Oberfläche 40 des Objekts mit der Hauptachse (0°) des Richtdiagramms 5 des Senders 1.
Auf der Oberfläche 40 des Objekts entstehen auf Höhe der Punkte P1 und P2 jeweils Lichtpunkte, die durch das Sender-Richtdiagramm 5 verbreitet sind. Nach dem Huygensschen Prinzip sind die von der Oberfläche 40 reflektierten Signale sekundäre Lichtquellen 5 für die beiden Empfänger 10 und 20.
Die beiden Empfänger 10 und 20 befinden sich wie der Sender 1 auf der Plattform 30.
Dabei befindet sich der Empfänger 10 im Abstand a vom Sender 1 und der Empfänger 20 im Abstand b vom Sender 1. Die Abstände a und b sind in der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gleich. Sie können jedoch auch unterschiedlich sein.
Der Empfänger 10 zeigt in eine Richtung, welche zur Plattform 30 einen Winkel α einschließt. Außerdem weist der Empfänger 10 das Richtdiagramm 15 auf, welches eine symmetrische Form aufweist. Das Richtdiagramm eines Empfängers kann jedoch auch je nach Anforderung z. B. mit Hilfe einer Blende oder Maske in eine andere Form gebracht werden. Diese kann dann auch unsymmetrisch sein.
Der Empfänger 20 hingegen zeigt in eine Richtung, die einen Winkel β mit der Plattform 30 einschließt. Des Weiteren zieht er das symmetrische Richtdiagramm 25 auf. Auch dieses kann in eine andere Form, beispielsweise eine unsymmetrische haben.
Die von der Oberfläche 40 des Objekts am Punkt P1 reflektierten Lichtsignale werden jeweils in den beiden Empfängern 10 und 20 erfasst. Dabei ist ganz klar erkennbar, dass der Punkt P1 bezüglich des Empfängers 20 in der Nähe des Bereichs liegt, in dem der Empfänger 20 auf die größtmögliche Intensität empfindlich ist.
Dagegen ist der Punkt P1 bezüglich des Empfängers 10 in einem Bereich, der zwar noch innerhalb des Richtdiagramms 15 liegt, jedoch von dem Bereich größtmöglicher Sensitivität des Empfängers 10 weiter entfernt ist.
Die bei den beiden Empfängern 10 und 20 erhaltenen Signale werden sowohl addiert 400 als auch subtrahiert 300. Dabei können die Operationen beispielsweise mathematisch mit Hilfe einer Software berechnet werden oder mit einer Subschaltung verwirklicht werden. Dabei kann der Divisor mit einer Rückkopplung stabilisiert werden.
Durch eine Division der addierten und subtrahierten Signale können Störsignale vermindert oder eliminiert werden. Dadurch kann die Auflösung der Abstandsmessung erhöht werden. Störsignale können durch Instabilitäten des Reflexionskoeffizienten oder der Lichtstrahlintensität, Fremdlicht oder Schwankungen in der Umgebungstemperatur entstehen. Da diese Störsignal hauptsächlich multiplikativer Natur sind, die mit heutiger Standardelektronik am Schwierigsten zu kompensieren sind, können diese durch das vorgestellte Verfahren zu einem großen Teil kompensiert werden.
Wenn eine äquivalente Messung an einer Oberfläche durchgeführt wird, die sich am Punkt P2 befindet, kann durch die beiden Messpunkte ein Kalibrierungsdiagramm erstellt werden, was eine Messung eines unbekannten Abstands zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche ermöglicht.
2 zeigt verschiedene Diagramme zur Veranschaulichung des Messprinzips. Die beiden oberen Diagramme 100 und 200 zeigen jeweils die Intensität der von den Empfängern 10 und 20 erfasst Signale.
Das Diagramm 100 zeigt die Intensität A, die über den Empfänger 20 abhängig vom Abstand D gemessen wird. Es zeigt, dass am Punkt P2 eine hohe Intensität gemessen wird, wohingegen am Punkt P1 nur ein geringerer Anteil gemessen wird.
Das Diagramm 200 zeigt die Abhängigkeit der Intensität B vom Abstand D, die über den Empfänger 10 gemessen wird. Hier wird die meiste Intensität am Punkt P1 und am Punkt P2 nur eine geringe Intensität gemessen.
Das dritte Diagramm 300 zeigt die Differenz der beiden Signale abhängig vom Abstand D. Dabei ist AN die gegebenenfalls normierte Intensität am Empfänger 10 und BN die möglicherweise normierte Intensität des Empfängers 20.
Die Kurve 400 zeigt die Abhängigkeit der Summe der beiden gegebenenfalls normierten Signale vom Abstand D. Die Kurve 500 zeigt den Quotienten der Kurven 300 und 400.
Die Kurve 500 zeigt zwischen den Punkten P1 und P2 einen annähernd linearen Verlauf. Der Zusammenhang der annähernd linearen Kurve 550 mit den Punkten P1 und P2 ergibt sich nicht zufällig. Da die beiden Punkt P1 und P2 jeweils die Punkte größtmöglicher Intensität der beiden Empfänger 10 und 20 markieren, liegt die lineare Kurve 450 innerhalb dieses Abstands.
Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern lässt sich auch gemäß dem Gegenstand der Erfindung modifizieren.

Claims

Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung, umfassend: • Erzeugen von Signalen durch mindestens eine Quelle (1) auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche (40, P1, P2); und • Erfassen der Signale durch mindestens einen Empfänger (10, 20); wobei entweder die Signale von mindestens zwei Quellen erzeugt werden oder die Signale von mindestens zwei Empfängern (10, 20) erfasst werden und die empfangen Signale derart bearbeitet werden, dass Störeffekte kompensiert werden.
Verfahren nach Anspruch 1, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern (10, 20) durchgeführt wird, welche zumindest teilweise jeweils einen unterschiedlichen Abstand (a, b) von der Quelle (1) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern (10, 20) durchgeführt wird, welche zumindest teilweise jeweils den gleichen Abstand von der Quelle (1) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt wird, die zumindest teilweise gleiche Richtdiagramme aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt wird, die zumindest teilweise unterschiedliche Richtdiagramme (15, 25) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt wird, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche gleiche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger (40) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt wird, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche unterschiedliche Winkel (α, β) zur Verbindung Quelle-Empfänger (40) aufweisen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt wird, und das Ausgangssignal S_aus von zwei Empfängern durch folgende Formel berechnet wird: S_aus = E₁/E₂ wobei E₁ das Signal des ersten Empfängers und E₂ das Signal des zweiten Empfängers darstellen.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern (10, 20) durchgeführt wird, und das Ausgangsignal S_aus von zwei Empfängern (10, 20) durch folgende Formel berechnet wird: S_aus = (A – B)/(A + B), wobei A das Signal des ersten Empfängers E₁ und B das Signal des zweiten Empfängers E₂ darstellen.
Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung, umfassend: • mindestens einer Quelle (1), welche Signale auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche (P1, P2) erzeugt; • mindestens einen Empfänger (10, 20), welcher die Signale erfasst; und • eine Steuerung zur Bearbeitung der empfangenen Signale; wobei die empfangenen Signale derart bearbeitbar sind, dass Störeffekte kompensierbar sind.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die mindestens zwei Empfänger (10, 20) zumindest teilweise jeweils einen unterschiedlichen Abstand (a, b) von der mindestens einen Quelle (1) aufweisen.
Vorrichtung nach Anspruch 10 oder 11, wobei die mindestens zwei Empfänger zumindest teilweise jeweils den gleichen Abstand von der mindestens einen Quelle aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 12, wobei die mindestens zwei Empfänger zumindest teilweise unterschiedliche Richtdiagramme aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 13, wobei die mindestens zwei Empfänger (10, 20) zumindest teilweise gleiche Richtdiagramme (15, 25) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 14, wobei die mindestens zwei Empfängern zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche gleiche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger (40) aufweisen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 10 bis 15, wobei die mindestens zwei Empfängern zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche unterschiedliche Winkel (α, β) zur Verbindung Quelle-Empfänger (40) aufweisen