DE2523302A1

DE2523302A1 - Verfahren und vorrichtung zur messung von laengen und/oder laengenaenderungen

Info

Publication number: DE2523302A1
Application number: DE19752523302
Authority: DE
Inventors: Kurt Kreiensen
Original assignee: Hommelwerke GmbH
Current assignee: Jenoptik Industrial Metrology Germany GmbH
Priority date: 1975-05-27
Filing date: 1975-05-27
Publication date: 1976-12-09

Description

Verfahren und Vorrichtung zur Messung von Längen und/oder Längenänderungen Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Messung von Längen und/oder Längenänderungen.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist es, an sich bekannte fotoelektrische Elemente in geeigneter Weise zur Messung von Längen und/oder Längenänderungen zu verwenden.
Verfahrensmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß mehrere fotoelektrische Elemente in Abhängigkeit von der zu messenden Länge oder Längenänderung mehr oder weniger stark beleuchtet oder ausgeleuchtet werden und daß die Fotospannungen der beleuchteten Elemente als Maß für die Länge oder Längenänderung digital gemessen werden.
Vorrichtungsmäßig wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß auf mehrere fotoelektrische Elemente eine Lichtquelle gerichtet ist, daß eine Einrichtung, die die Beleuchtung der Elemente in Abhängigkeit von der zu messenden Länge oder Längenänderung ändert, und eine die Fotospannungen der Elemente anzeigende Meßvorrichtung vorgesehen sind.
Der Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht insbesondere darin, daß infolge Vermeidung mechanisch bewegter Teile und des praktisch trägheitslosen Freisetzens elektrischer Ladungsträger in Abhängigkeit von der Beleuchtungsstärke eine schnelle und genaue Anzeige der zu messenden Länge bzw. Längenänderung möglich ist.
Auch sehr schnelle Längenänderungen können verfolgt werden.
Die Änderung der Ausleuchtung läßt sich auf einfache Art und Weise dadurch erreichen, daß die Beleuchtung durch Abblenden eines auf die Elemente gerichteten Lichtbündels geändert wird.
Eine einfache digitale Messung erhält man dadurch, daß die Fotospannungen der einzelnen Elemente nacheinander elektrisch abgefragt werden und daß die beleuchteten Elemente gezählt werden.
Nach einer Weiterbildung bilden die fotoelektrischen Elemente ein rasterförmiges Feld, wobei das Raster vorzugsweise ein rechteckförmiges Punktraster ist. Hierbei bestimmt der Zeilenabstand die mit der Erfindung erreichbare Auflösung.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Einrichtung zur Änderung der Beleuchtung eine zwischen der Lichtquelle und den fotoelektrischen Elementen beweglich angeordnete, die Lichtquelle abblendende Maske auf. Möglich ist auch die Verwendung einer Lochblende, deren oeffnung in Abhängigkeit von der zu messenden Länge oder Längenänderung veränderbar ist, wobei vorzugsweise ein sternförmiges Raster verwendet wird. Ferner ist es möglich, eine Einrichtung zu verwenden, die die Beleuchtungsstärke in Abhängigkeit von der zu messenden Länge oder Längenänderung ändert und dadurch einen sich ändernden Fotostrom bzw. eine sich ändernde Fotospannung erzeugt.
Um die durch den Zeilenabstand gegebene Auflösung zu erhöhen, weist die Maske einen unter einem Winkel zur Zeilenrichtung der rasterförmig angeordneten fotoelektrischen Elemente verlaufenden Maskenrand auf. Hierdurch wird eine Unterteilung des Zeilenabstandes in Abhängigkeit von der Schrägstellung, der Zeilen- und Spaltenzahl des Rasters erreicht.
Um eine einfache und schnelle Zuordnung von der zu messenden Länge und der entsprechenden Anzeige zu erhalten, kann man die einzelnen beleuchteten Elemente zählen, wozu die Meßvorrichtung eine die beleuchteten Elemente zählende Zählvorrichtung aufweist.
In weiterer Ausgestaltung der Erfindung weist die Meßvorrichtung eine Schaltvorrichtung auf, die die einzelnen fotoelektrischen Elemente nacheinander an eine durch die Fotospannung jedes beleuchteten fotoelektrischen Elementes weiterschaltbare Zähleinrichtung schaltet.
Gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung weist die Meßvorrichtung einen Impulsgeber auf, dessen Impulse fortlaufend eine Schaltvorrichtung, die eine Ausgangs leitung nacheinander an die einzelnen fotoelektrischen Elemente schaltet, und bei vorhandener Fotospannung über eine Vergleichseinrichtung gleichzeitig einen Zähler betätigen. Hierdurch wird eine schnelle und genaue Abtastung und digitale Anzeige bzw. Zählung der einzelnen fotoelektrischen Elemente erreicht.
Eine eindeutige Zuordnung von Taktimpulsen und vorhandener Fotospannung und damit eine exakte Zählung der belichteten Fotoelemente wird dadurch erreicht, daß die Vergleichseinrichtung ein UND-Gatter aufweist, dessen einer Eingang mit dem Impulsgeber und dessen anderer Eingang mit der Ausgangs leitung verbunden ist und dessen Ausgang an den Zähler geschaltet ist.
Nach einer anderen Weiterbildung der Erfindung ist zwischen dem UND-Gatter und der Ausgangs leitung ein spannungs abhängiger Schalter, insbesondere ein Schwellwertschalter, vorgesehen, der bei Schaltung der Ausgangsleitung auf den durch die Maske abgeblendeten Bereich des rasterförmigen Feldes infolge der Änderung der Fotospannung beim Überschreiten der Hell-Dunkelgrenze die Betätigung des Zählers unterbricht. Der Vorteil dieser Weiterbildung besteht darin, daß der Schaltzustand des Schalters und somit der Schaltzustand des einen Eingangs des UND-Gatters solange erhalten bleibt, bis die Spannung an der Ausgangs leitung im Falle der Abtastung eines unbelichteten fotoelektrischen Elementes unter einen bestimmten Schwellwert sinkt, wodurch Schalt- bzw. Zählfehler weitestgehend vermieden werden.
Um auch sehr schnelle Längenänderungen messen zu können oder für den einzelnen Meßvorgang so wenig Zeit als möglich zu gebrauchen, d.h. also die Auflösung der Meßvorrichtung zu erhöhen, ist es erforderlich, die Abtastimpulszahl pro Zeiteinheit sehr hoch bzw. die Zeit für die Gesamtabtastung pro Meßwert sehr klein zu machen. Nun haben aber Zähler eine obere Grenze für die Zählgeschwindigkeit. Um jedoch auch noch eine sehr große Impulshäufigkeit verarbeiten zu können, kann man gemäß einer Weiterbildung der Erfin-dung einen Integrator in die Ausgangsleiung schalten.
für die Impulszahl Man muß dann für gute Meßgenauigkeiten für Impulse gleicher Amplitude und Dauer sorgen, damit die gemessene integrierte Spannung als Maß für die Impulszahl pro Zeiteinheit genommen werden kann.
Ein weiterer Vorteil der Verwendung einer solchen Integratorschaltung besteht darin, daß es möglich ist, eine fortlaufende automatische Registrierung, beispielsweise fotografisch oder durch Tintenschreiber, zu verwirklichen.
Eine digitale Anzeige erhält man unter Verwendung des erwähnten Schwellwertschalters, der, dem Integrator nachgeschaltet, bei Erreichen einer bestimmten spannungsabhängigen Schaltschwelle durchschaltet und einen Zähler betätigt.
Um die Auflösung der Schaltung bei ziffernmäßiger Angabe der Impulszahl zu erhöhen, kann man gemäß einer anderen Weiterbildung der Erfindung in die Impulsleitung zum Fotodiodenfeld hinter den Impulsgeber einen Impulsuntersetzer schalten, der beispielsweise nur jeden zehnten Impuls zum Zähler durchläßt. Die Abtastgeschwindigkeit wäre also bei diesem Beispiel zehnmal so hoch wie die Zählgeschwindigkeit, so daß der Zähler theoretisch zehnmal mehr Impulse pro Zeiteinheit zählen kann. Hierdurch ist es möglich, schnelle Längenänderungen festzustellen und kurze Meßzeiten zu verwirklichen.
Zur Erhöhung der Meßgenauigkeit kann man eine Impulsuntersetzerschaltung auch so vorsehen, daß zwar jeder Impuls zur Zählung gelangt, daß aber jeweils nur jeder n-te Impuls bewirkt, daß zur Abtastung auf die nächste Fotodiode geschaltet wird. Es wird also jede Fotodiode n-mal abgefragt.
Durch entsprechende Auslegung des Integrators in der Ausgangsleitung und Wahl der Schaltschwelle des Schwellwertschalters erhält man so eine Interpolation über n-Meßwerte und somit genauere Abtastergebnisse, insbesondere an der Hell-Dunkelgrenze, wodurch der Verlauf dieser relativ zu den Zeilen und Spalten des Fotodiodenfeldes und damit die Verschiebung der Maske genauer feststellbar ist.
Vorteilhaft werden als fotoelektrische Elemente Fotodioden verwendet, weil diese in sehr kleinen Ausmaßen herstellbar sind, wodurch die durch die Erfindung erreichbare Auflösung verbessert werden kann.
Die Erfindung soll nun anhand der beigefügten Zeichnung, in der ein Ausführungsbeispiel gezeigt ist, näher erläutert werden.
Es zeigen Fig. 1 schematisch eine Anordnung von Fotodioden und eine Maske, aus der das Prinzip des Meßverfahrens hervorgeht, und Fig. 2 schematisch den Aufbau der erfindungsgemäßen Meßvorrichtung ohne Beleuchtungsquelle und Maske.
In der Fig. 1 ist mit der Bezugsziffer 2 ein rasterförmiges Fotodiodenfeld und mit der Bezugsziffer 4 eine Maske bezeichnet. Das Fotodiodenfeld 2 wird von einer nicht gezeigten Lichtquelle beleuchtet, wobei das einfallende Lichtbündel vorzugsweise senkrecht auf das Fotodiodenfeld gerichtet ist und aus zu-einander parallelen Lichtstrahlen besteht. Die Maske 4 ist in den Richtungen des Doppelpfeiles 6 beweglich und weist einen zur Zeilenrichtung des Fotodiodenfeldes 2 schräg verlaufenden Maskenrand 8 auf. Durch die Schrägstellung des Maskender beiden Eingänge eines UND-Gatters 24. Der andere Eingang 26 des UND-Gatters 24 ist über einen spannungsabhängigen Schalter oder Schwellwertschalter 28 mit der Ausgangsleitung 18 verbunden. Der Ausgang des UND-Gatters 24 führt zu einem Zähler 30.
Die vom Impulsgeber 10 erzeugten Impulse bewirken, daß die Schaltvorrichtung 14 entsprechend er Folge der Impulse die Fotodioden 16 nacheinander an die Ausgangsleitung 18 schaltet. Der Schalter 28 ist nun so ausgelegt, daß der Eingang 26 des UND-Gatters 24 "ein" ist, wenn die Ausgangsleitung Fotospannung führt, und sonst "aus" ist, so daß bei vorhandener Fotospannung in der Ausgangs leitung der gleichzeitig über die Leitung 20 dem Eingang 22 des UND-Gatters 24 zugeführte Impuls das UND-Gatter in den leitenden Zustand schaltet, wodurch wiederum der Zähler 30 weitergeschaltet wird und den Impuls zählt.
Bei Abfall des Potentials in der Ausgangs leitung unter das Fotopotential bei Abtastung einer abgeblendeten Fotodiode wird der Eingang 26 des UND-Gatters über den Schalter 28 auf "aus" gesetzt, so daß der über die Leitung 20 dem Eingang 22 zugeführte Impuls das UND-Gatter nicht in den leitenden Zustand schalten kann und der Zähler 30 somit nicht weitergeschaltet wird.

Claims

Ansprüche

Verfahren zur Messung von Längen und/oder Längenänderungen, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere fotoelektrische Elemente in Abhängigkeit von der zu messenden Länge oder Längenänderung mehr oder weniger stark beleuchtet oder ausgeleuchtet werden und daß die Fotospannungen der beleuchteten Elemente als Maß für die Länge oder Längenänderung digital gemessen werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Beleuchtung durch Abblenden eines auf die Elemente gerichteten Lichtbündels geändert wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Fotospannungen der einzelnen Elemente nacheinander elektrisch abgefragt werden und daß die beleuchteten Elemente gezählt werden.
4. Vorrichtung zur Messung von Längen und/oder Längenänderungen, dadurch gekennzeichnet, daß auf mehrere fotoelektrische Elemente (2) eine Lichtquelle gerichtet ist, daß eine Einrichtung (4), die die Beleuchtung der Elemente in Abhängigkeit von der zu messenden Länge oder Längenänderung ändert, und eine die Fotospannungen der Elemente anzeigende Meßvorrichtung (30) vorgesehen sind.
5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Elemente ein rasterförmiges Feld (2) bilden.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Raster (2) ein rechteckförmiges Punktraster ist.
7. Vorrichtung nach Anspruch 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung eine zwischen der Lichtquelle und den fotoelektrischen Elementen beweglich angeordnete, die Lichtquelle abblendende Maske (4) aufweist.
8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Maske (4) einen unter einem Winkel zur Zeilenrichtung der rasterförmig angeordneten fotoelektrischen Elemente verlaufenden Maskenrand (8) aufweist.
9. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine die beleuchteten Elemente zählende Zählvorrichtung (30) aufweist.
10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß zur digitalen Anzeige zwischen Fotodiodenfeld und Zählvorrichtung (30) ein spannungsabhängiger Schalter, insbesondere Schwellwertschalter (28), vorgesehen ist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung eine Schaltvorrichtung (14) aufweist, die die einzelnen fotoelektrischen Elemente nacheinander an eine durch die Fotospannung jedes beleuchteten fotoelektrischen Elements weiterschaltbare Zähleinrichtung (30) schaltet.
12. Vorrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßvorrichtung einen Impulsgeber (10) aufweist, dessen Impulse fortlaufend eine Schaltvorrichtung (14), die eine Ausgangsleitung (18) nacheinander an die einzelnen fotoelektrischen Elemente schaltet, und bei vorhandener Fotospannung über eine Vergleichseinrichtung gleichzeitig einen Zähler (30) betätigen.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Vergleichseinrichtung ein UND-Gatter (24) aufweist, dessen einer Eingang (22) mit dem Impulsgeber (10) und dessen anderer Eingang (26) mit der Ausgangsleitung (18) verbunden ist und dessen Ausgang an den Zähler (30) geschaltet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem UND-Gatter (24) und der Ausgangsleitung (18) ein spannungsabhängiger Schalter, insbesondere Schwellwertschalter (28), vorgesehen ist, der bei Schaltung der Ausgangsleitung (18) auf den durch die Maske (4) abgeblendeten Bereich des rasterförmigen Feldes (2) infolge der Änderung der Fotospannung beim Überschreiten der Hell-Dunkelgrenze die Betätigung des Zählers (30) unterbricht.
15. Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen der Ausgangsleitung (18) und dem spannungsabhängigen Schalter bzw. dem Schwellwertschalter (28) ein Integrator vorgesehen ist.
16. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß in die Impulsleitung vom Impulsgeber vor der Schaltvorrichtung eine Impulsuntersetzerschaltung geschaltet ist.
17. Vorrichtung nach einem der vorhergenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die fotoelektrischen Elemente Fotodioden sind.

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