DE1913399C3 - Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder Verformungen mit Hilfe von Laserstrahlen - Google Patents

Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder Verformungen mit Hilfe von Laserstrahlen

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Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Das Problem der kontinuierlichen Messung von Verschiebungen tritt Qheraü in der Technik auf. Insbesondere in der Bauindustrie stellt sich häufig die Aufgabe, Verformungen von Wänden, BrSckenpfeilern od. dgl. kontinuierlich zu messen und zu registrieren. In diesem Fall ist diese Aufgabe ersichtlich dadurch erschwert, daß man nicht einfach einen Maßstab oder eine ähnliche Meßeinrichtung anlegen kann, da — abgesehen von den häufig viel zu großen Gesamtlängen der zu messenden Objekte — der Boden unter der Last des Meßobjekte«; in der Umgebung mitverformt wird und somit kein Bezugsniveau mehr darstellen kann.
Dies ist vor allen Dingen bei Belaslungsversuchcn von Brückenpfeilern der Fall, bei der die Abmessung der Pfeiler infolge einer bestimmten, auf sie aufgesetzten Belastung über mehrere Stunden hinweg gemessen werden muß.
Bis jetzt wird die Messung in solchen Fällen meist optisch durchgeführt, wobei ein Beobachter mit Hilfe eines Fernrohres (z. B. mit einem Nivelliergerät) von einem Punkt in ausreichender Entfernung vom Meßobjekt aus die Lage einer auf dem zu messenden Teil angebrachten Marke beobachtet. Wegen des hohen Personalaufwandes bei langer Meßzeit ist diese Meßmethode kostspielig und aufwendig.
Zur Steuerung einer Arbeitsmaschine in einer festen Ebene, wobei die Abweichung der Maschine aus einer Sollebene festgestellt und zur Erzeugung eines Steuersignals herangezogen wird, sind bereits mit Laserstrahlen arbeitende Einrichtungen der eingangs erwähnten Art vorgeschlagen worden. Diese Einrichtungen sind jedoch zur Lang-Zeitregistricrung von Verschiebungen nicht geeignet, insbesondere da gerade in diesen Fällen besondere Schwierigkeiten durch Leistungsschwankungen der Lascrstrahlungsquelle oder Wetteränderungen auftreten, welche die Absorptionsverhältnisse auf dem Weg der Strahlung veiändern. Zudem sind diese Anordnungen zum Zwecke einer exakten Steuerung so ausgelegt, daß sie nur kleine Verschiebungen messen können. Während dies bei einer Stcuerungsanordnung keinerlei Nachteile darstellt, da ja bereits bei sehr kleinen Abweichungen eine korrigierende Rückführung in die Sollebene oder -Richtung erfolgen soll, ist es bei einer Anordnung zum Messen von Verschiebungen allgemein und insbesondere in der Bauindustrie notwendig, Verschiebungen von mehreren Zentimetern fortlaufend messen und registrieren zu können.
Die Erfindung hat sich nun die Aufgabe gestellt, eine automatisch arbeitende Anordnung zum Messen von Verschiebungen mit Hilfe von Laserstrahlen zu schaffen,die einerseits die vorgenannten Forderungen erfüllt und die andererseits in entsprechender Weiterbildung ohne weiteres auch zur Proportionalstcucrung von Arbeitsmaschinen verwendet werden kann. Zur
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Lösung dieser Aufgabe wird gemäß der Erfindung verbreiternden fotoempfindlichen Fläche kann im
vorgeschlagen, einer Anordnung der eingangs er- übrigen in einfacher Weise durch Abdecken einer
wähnten Art die Merkmale des kennzeichnenden beispielsweise rechteckigen Fotozelle durch entspre-
Tefls des Anspruchs 1 zu geben. chend geformte Schablonen verwirklicht werden. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung erge- s Um in einfacher Weise aus dem Meßsignal etne
ben sich aus den Unteransprüchen. Information über die absolute Lage des aufgefSchcr-
Die Änderung der Empfindlichkeit in Meßrichtung ten Laserstrahls auf der Fotozelle und damit ein Maß kann in einfacher Weise dadurch erfolgen, daß die für die absolute Verschiebung gewinnen zu können, Meß-Fotozelle eine fotoempfindliche Fläche enthält, enthält die Fotoempfängereinricbtung eine im we?cntderen Breite von einem Ende der Zelle zum anderen iq liehen parallel zur Meß-Fotozelle angeordnete Verzunimmt, gleichsfotozelle mit in Längsrichtung konstanter ab-
Aus der deutschen Auslegeschrift 1 073 211 ist an soluter Empfindlichkeit. Der Vergleicbsfotozeüe wird
sich eine Vorrichtung zur Messung der Amplitude ein automatisch geregelter Verstärker nachgeschaltet,
und anderer charakteristischer Größen eines schwin- der unabhängig vom Eingangssignal ein konstantes
genden Systems bekanntgeworden, bei der das 15 vorgegebenes Ausgangssigaal erzeugt und einen der
schwingende System als ein Reflektor für ein Licht- Meß-Fotozelle nachgeschalteten Verstärker im glei-
bündel ausgebildet ist und Licht von dem Rellek- chen Maße mitregelt.
tionsbereich des schwingenden Systems aus auf eine Das Ausgangssignal dieser Anordnung liefert bei fotoelektrische Anordnung gelangt, welches in seiner einmaliger Justierung im Herstellungsbetrieb unab-Menge oder Stärke in Abhängigkeit von der Stellung =0 hängig von der Leistung des Lasers und den Umweltdes schwingenden Systems variierbar ist. Bevorzugt bedingungen bei der Messung stets ein Ausgangsweist hierzu das schwingende System an seiner Ober- signal, dessen Absolutwert i:. jedem Fall einer befläche innerhalb des Auftreffbereiches de durch eine stimmten Auslenkung entspricht. Dabei ist in diesem Blende scharf begrenzten Lichtbündels eine das Licht Falle die Verwendung einer DifTerenzstufe überflüssig, reflektierende Fläche bestimmter geometrischer Ge- 25 da ja der der Vergleichsfotozelle nachgeschaltete stalt auf. Wollte man, worauf die genannte Vorver- Verstärker stets ein Signal konstanter Amplitude aböffentlichung keinen Hinweis enthält, eine derartige gibt und somit lediglich eine Nullpunktsverschiebung Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Ver- bewirken würde.
Schiebungen verwenden, müßte darauf geachtet wer- Durch Verbinden des Ausgangs der Fotoeaipfän-
den, daß das reflektierende Licht die Fotozelle zur 30 gereinrichtung mit dem Eingang eines Schreibers kann
Vermeidung von Meßwertverfälschungen stets voil automatisch eine Meßkurve der Verformung oder
trifft. Es wären also nur Verschiebungen meßbar, die Verschiebung erhalten werden, die zusätzlich zum
von vornherein eine Abschätzung dahingehend ge- Absolutwert der Gesamtverschiebung den eigent-
stattcn, daß sich die Verschiebungsebene nur in mini- liehen Verlauf der Verformung oder Verschiebung malen, im wesentlichen durch Position und Auffang- 35 liefert, was gerade in der Bauindustrie in vielen FaI-
fläche der Fotozelle vorgegebenen Grenzen gegen die len besonders wichtig ist und interessante Rück-
Meßebene neigen wird. Schlüsse, beispielsweise auf die Bodenbeschaffenheit,
Auf Grund der Gaußschen Verteilung der Strah- gestattet,
lungsdichte senkrecht zur Eber.* des aufgefächerten In vorteilhafter Weiterbildung läßt weh die AnStrahls wird im allgemeinen bei linearer Breitenzu- 40 Ordnung in einfacher Weise auch zur Feststellung nähme der fotoempfindlichen Fläche der Fotozelle von Verdrehungen oder Verkippungen des Mcßdas von der Zelle abgegebene Ausgangssignal ment objekts verwenden, indem einer zweiten Meß-Fotolinear anwachsen. Aus diesem Grund ist in Weiter- zelle, deren absolute Empfindlichkeit sich in Meßbildung der Erfindung vorgesehen, daß die Verbrei- richtung gleichsinnig zur Empfindlichkeit der ersten terung der fotoempfindlichen Fläche derart nicht- 45 Meß-Fotozelle ändert und der ersten Meß-Fotozelle linear erfolgt, daß sich das von der Fotozelle abge- en eigener Differenzverstärker nachgeschaltct ist. Ein gebcne Ausgangssignal linear mit der relativen Ver- derartiges Verkippen führt nämlich zu einer Unterschiebung des Strahlfächers ändert, schiedlichen Längsverschiebung der beiden Meß-
An Stelle einer Fotozelle mit zunehmender Breite Fotozellen relativ zum Strahlfächer, wodurch sich der fotoempfindlichen Fläche kann in Ausgestaltung 50 deren Ausganp,ssignale ungleichmäßig ändern,
der Erfindung auch eine Fotozelle mit rechteckför- Die Meßanordnung kann darüber hinaus in bc-
miger fotoempfindlicher Fläche verwendet werden, onders vorteilhafter Weise auch zur Proportional-
der ein Filier vorgeschaltet ist. dessen Durchlässig- steuerung von insbesondere fahrbaren Arbeitsmaschi-
keit sich in Meßrichtung streng monoton ändert. Das nen herangezogen werden Dabei ist es prinzipiell Filter kann dabei beispielsweise ein Absorptionsfilter 55 möglich, die Sollage der Maschine Jurch eine mitl-
mit im wesentlichen keilförmig zunehmender Dicke lere Lage des aufgefächerten Laserstrahls auf der
sein, wobei es aber auch möglich wäre, statt der keil- Meß-FotozeMe festzulegen, wobei die Zunahme und
förmigen Dickenzunahme oder zusammen mit dieser Abnahme des Ausgangssignals der Meß-Fotozelle,
die Absorptionskonstante des Filtermaterials konti- die sich bei einer Verschiebung des Laserfächers au.·, nuicrlich von einem Ende zum anderen zunehmen zu 60 der Mittellage ergibt — gegebenenfalls nach entspre-
lassen. chendet Umpolung oder Nullpuriktverschiebung —,
Eine derartige Einrichtung mit einem vorgeschal- zur Rückführung der Arbeitsmaschine in die Sollteten Filter hat den Vorteil, daß die Meßfotozellen, ebene dient.
die selbstverständlich eine Länge haben müssen, die Vorzugsweise wird man jedoch die Anordnung, größer ist als die größte zu erwartende Verschiebung, 65 um sie zur Proporlionalsteuerung von Arbeitsmaschi-
nicht auch noch sehr breit gemacht werden müssen, nen verwenden zu können, so ausbilden, daß zwei
wie dies bei der vorher genannten Ausführungsform Mcß-Fotozellen, deren absolute Empfindlichkeit sich
der Fall ist. Die Herstellung der obengenannten sich jeweils in Mcßrichtunj; streng monoton ändert, so in
Meßrichtung hintereinander angeordnet sind, daß sich die Empfindlichkeit von der Mitte aus zu den beiden Enden der Anordnung gleichzeitig ändert, Jeder Meß-Fotozelle ist dabei vorzugsweise ein eigener Verstärker nachgeschaltet, der in der bereits beschriebenen Art und Weise über einen einer Vergleichsfotozelle nachgeschalteten automatisch geregelten Verstärker mitgeregelt werden kann.
Die Anordnung gemäß der Erfindung läßt sich in einfacher Weise so erweitern, daß Arbeitsmaschinen to längs einer vorgegebenen Geraden geführt werden. Zu diesem Zweck ist in einer früheren Anmeldung P 1 806 450.1 = Patentanmeldung 68/3068) eine Anordnung vorgeschlagen worden, bei der zwei senkrecht zueinander aufgefächerte Laserstrahlen verwendet werden, wobei die Empfangseinrichtung entsprechend zwei Sätze von senkrecht zueinander angeordneten Fotozellenreihen enthält.
In Ausgestaltung der oben beschriebenen Proportionalsteucrungsanordnung für die Steuerung in einer ao Ebene kann entsprechend dieser älteren Anmeldung eine Laserstrahlungsquelle verwendet werden, die zwei senkrecht zueinander aufgefächerte Strahlungsfächer erzeugt. Die Empfangseinrichtung besteht in diesem Fall dann aus zwei zusammengesetzten Meß-Fotozellenanordnungen, von denen sich jede längs eines Schenkels eines rechten Winkels erstreckt, die ihrerseits wiederum parallel zu den Auffächerungscbenen der beiden Laserstrahlen liegen.
An Hand der in den Figuren der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbcispiclc soll die Erfindung nachstehend näher erörtert werden.
Die Fig. 1 zeigt dabei zwei Fotozellen 1 und 2, deren Längsrichtung parallel zur Meßrichtung (Doppelpfeil) liegt, wobei die Meß-Fotozellc 2 eine fotoempfindliche Fläche aufweist, die sich in einer Richtung ständig verbreitert. Die Breite der Vcrglcichsfotozelle 1 über die gesamte Länge ist konstant. Ve.
schiebt sich nun der senkrecht zur Zcichcncbcnc auftreffende, senkrecht zur Meßrichtung aufgefächerte Laserstrahl 3 in Meßrichtung (was im vorliegenden Fall natürlich umgekehrt durch Simultanverschiebung der am Meßobjekt befestigten Fotozellen zustande kommt), so bleibt das von der Meß-Fotozcllc abgegebene Signal S1 (abgesehen von Lascrschwankungen und Änderungen konstant), während das Signal .S2 der Meß-Foiozellc mit zunehmender Verschiebung ständig größer wird. Zum Zwecke einer Absoluteichung der Anlage, d. h. einer Eichung, die unabhängig von der Laserleistung und den Verhält- .snissen, einem bestimmten Meßwert eine bestimmte Verschiebung zuordnet, ist der Vergleichsfotozelle 1 ein automatisch geregelter Verstärker V1 nachgeschaltet, dessen Verstärkung automatisch so geändert wird, daß aus dem ankommenden Signal S1 stets ein Signal S11 bestimmter vorgegebener Amplitude entsteht. Über einen Regelkreis 4 ist der Verstärker V1 so mit einem der Meß-Fotozelle 2 nachgeschalteten Verstärker V., gekoppelt, daß er die Verstärkung des Verstärkers V., cn isprechend der sich automatisch Ro einzustellenden Verstärkung des Verstärkers V1 mitregelt, die nötig ist. um aus dem ankommenden Signal S1 ein Signal vorgegebener Amplitude zu machen. Die beiden verstärkten Signale S11 und S12 werden auf einen Differenzverstärker 5 gegeben, dem ein Schreiber 6 nachgeordnet ist.
Bei der vorliegenden Anordnung könnte der Differenzverstärker 5 auch weggelassen werden, da. wie bereits oben erwähnt wurde, infolge der automatischen Regelung das stets konstante Signal S1, lediglich eine Nullpunktverschiebung bewirkt. Die Verwendung eines Differenzverstärkers ist nur in dem Fall unumgänglich, daß die automatische Regelung des Verstärkers Vx und die über den Steuerkreis 4 erfolgende Mitregclung des Verstärkers V* entfällt Bei einer derartigen Ausführungsform wäre jedoch einem bestimmten Schieberausschlag kein Absolutwert der Verschiebung mehr zuzuordnen, da ja nunmehr die Schwankungen der Laserstrahlungsdichte die Absorptionsänderungen auf dem Weg der Strahlung, sowie eine Änderung des VerstärkerfaktOrs dei Verstärker nicht mehr hinausfallen könnte.
Durch die Modulation der Laserstrahlung ergibt sich nicht nur der Vorteil, daß man gegenüber Glcichstromvcrstärkern empfindlicher arbeitende Wechselstromvcrstärker benutzen kann, sondern es ergibt sich auch der zusätzliche Vorteil, daß durch selektive Einstellung der Verstärker auf die Laserfrequenz das Tageslicht oder sonstiges Streulicht aus der Umgebung unterdrückt werden kann. Zusätzlich zu dieser Strculichtuntcrdrückung können die Fotozellen auch noch mit selektiv durchlässigen Filtern abgedeckt sein.
Die F i g. 2 zeigt schematisch den Aufbau einer Empfangseinrichtung für eine Anordnung, wie sie zur Proportionalstcucrung einer Arbeitsmaschine verwendet werden kann, um diese beispielsweise in einer Ebene zu führen. Die auf der Arbeitsmaschine befestigte Empfangseinrichtung enthält dabei zwei Meß Fotozellen 12 und 13. die in Meßrichtung — d. h. in einer Richtung senkrecht zur Sollcbenc — hintereinander angeordnet sind. Parallel zu den beiden Meß-Folozellcn ist eine Verglcichsfotozellc 11 vorgesehen, deren Ausgang mit einem automatisch geregelten Verstärker V11 verbunden ist, der über Regelkreise 14, die den Ausgängen der Mcß-Fotozellcn nachgcschaltctcn Verstärkern V1., und V13 im gleichen Maße mitrcgclt. Eine Verschiebung des aufgefächerten Laserstrahls 3 in der einen oder anderen Richtung bewirkt je nach der Größe der Verschiebung ein entsprechend großes Ausgangssignal im Verstärker V1., oder Vn. welches zur Rückführung der Arbeitsmaschine in die Sollcbenc herangezogen werden kann. Die Verschiebung des Laserfächers 3 Vimmt natürlich auch in diesem Fall wieder dadurch zustande, daß sich die mit der Arbeitsmaschine verbundene Empfangseinrichtung gegenüber der festen Lage des Laserfächers verschiebt.
Gegenüber der bereits vorgeschlagenen Stcucrangsanordnung mit einzelnen, über Differenzverstärker zusammcngeschaltetcn Fotozellen hat eine derartige Einrichtung den Vorteil, daß eine Rückführung der Arbeitsmaschine nicht erst nach überschreiten einer gewissen Verschiebung und damit eines gewissen Differenzsignals möglich ist, sondern daß die Rückführung kontinuierlich erfolgen kann, wobei sogar die Geschwindigkeit oder Stärke der Rückführbewegung entsprechend der Größe der Auslenkung geregelt werden kann. Durch Vorsehen einer gleichartigen Empfangseinrichtung, wie in F i g. 2 dargestellt, seitlich und senkrecht zu der dort gezeigten Anordnung und Vorsehen eines sogenannten Krcuzfächers aus zwei senkrecht zueinander aufgefächerten Laserstrahlen erhält man eine Anordnung zur Proporlionalstcucnmg einer Arbeitsmaschine für die Führiinc Hines einer Geraden.
Die Verwendung eines automatisch auf konstanten Ausgang verstärkenden Vergleichsfotozellenverstärkers, welcher den oder die Meß-Fotozellenverstärker in gleichem Maße mitregelt, sorgt dafür, daß Unterschiede in der Entfernung zwischen Laserquelle und
Empfangsanordnung nicht zum Tragen kommen. Dies ist insbesondere wichtig im Fall von gesteuerten fahrbaren Arbeitsmaschinen, da hierdurch unter anderem eine Sättigung der Verstärker im Nahfeld der Laserquelle verhindert wird.
Hierzu 1 Blatt Zeichnungen
409634/98

Claims (10)

I Θ133Θ9 Patentansprüche:
1. Anordnung zur kontinuierlichen Messung von Verschiebungen oder Verformungen eines in einer Ebene schrig zur Verschiebungsricbtung (Meßricbtung) aufgefScherten, votzugsweise modulierten Laserstrahls und einer am Meßobjekt angebrachten Fotoeropfängereinricbtung, dadurch gekennzeichnet, daß der von einem fest aufgestellten Laser ausgehende Laser- »o strahl (3) auf eine sich im wesentlichen in Meßricbtung erstreckende bei der Verschiebung oder Verformung mitbewegte Meß-FotozeUe (I) gerichtet ist, deren absolute Empfindlichkeit sich in Meßrichtung streng monoton ändert, daß die is Fotoempfängereinrichtung eine im wesentlichen parallel zur Meß-Fotozelle (2) angeordnete Verglejcbsfoiozelle (1) mit in Längsrichtung konstanter absoluter Empfindlichkeit enthält und daß der Vergleichsfotozelle ein automatisch geregelter ao Verstärker (K() nachgeschaltet ist, der unabhängig vom Eingangssignal ein konstantes Ausgangssignal erzeugt und einen der Meß-Fotozelle nachgeschalteten Verstärker (V*) im gleichen Maße Biitregelt.
2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-Foiozelle eine fotoempfindliche Fläche enthält, deren Breite von einem Ende der Zelle zum anderen zunimmt.
3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterung der fotoempfindiichen Fläche derart nichtlinear erfolgt, daß sich das von der Fotozelle abgegebene Ausgangssignal linear mit der relath ·η Verschiebung des StrahlFächers ändert.
4. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß einer Fotozelle mit rechteckformiger fotoempfindlicher Fläche ein Filter vorgeschaltet ist, dessen Durchlässigkeit sich in Meßrichtung streng monoton ändert.
5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Filter ein Absorptionsfilter mit im wesentlichen keilförmig zunehmender Dicke ist.
6. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß beide FoIolellen der Fotoempfängereinrichtung auf einen Differenzverstärker (5) geschaltet sind.
7. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß an den Ausgang der FotoempFängereinrichtung ein Schreiber (6) angeschlossen ist.
8. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß einer parallel lur ersten Meß-Fotozelle angeordneten zweiten Meß-Fotozelle, deren absolute Empfindlichkeit •ich in Meßrichtung gleichsinnig zur Empfindlichkeit der ersten Meß-Fotozelle ändert, und der ersten Meß-Fotozelle ein eigener Differenzverstärker nachgcschaltet ist. 6σ
9. Anordnung nach einem der Ansprüche I bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Meß-Fotozellen (12,13), deren absolute Empfindlichkeit sich in Meßrichtung streng monoton ändert, so in Meßrichtung hintereinander angeordnet sind, daß sich die Empfindlichkeit von der Mitte aus zu den beiden Enden der Anordnung gleichartig ändert.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichsfotozelle (It) sich Ober die gesamte Länge der aus den beiden Meß-Fotozellen (12,13) bestehenden Anordnung erstreckt.
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