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Vorrichtung zur optischen Messung der Position und der
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Bewegung eines Objektes.
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Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur opti -schen Messung
der Position und der Bewegung eines Objektes in bezug auf ein Meßsystem, Die genaue
Bestimmung der Position undXoder der Bewegung eines Objektes ist bei vielen meßtechnischen
Aufgabenstellungen gefordert, z.B. bei Abtastsystemen, bei der Messung von Bewegungen
und Schuingungen von Maschinenanlagen, bei der MessfoEung eines Körpers, bei der
Entfernungsmessung zwischen einem Meßsystem und einem Objekt oder bei der Bestimmung
der Abmessungen eines Objektes durch Entfernungsiessung von zwei bezüglich des Objektes
gegenüberliegenden Seiten. Neben der Erfassung von translatorischen Bewegungen in
verschieddne Richtungen ist auch die Messung von Dreh- oder Winkelbewegungen uon
Bedeutung.
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Entsprechend der Vielgestaltigkeit dieser Aufgabenstellungen gibt
es eine große Anzahl verschiedenartiger Lösungsvorschläge für einzelne dieser Aufgaben.
Zweck der vorliegenden Erfindung ist es, mittels einer sehr einfachen teßanordnung
die o.a.
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verschiedenartigen Meßaufgaben zu lösen, wobei zur Anpassung an die
jeweilige Aufgabe nur eine Modifikation der optischen Anordnung erforderlich ist.
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Genaue optische Messungen zur Bestimmung der Position eines Reflektors,
der mit eine Objekt verbunden ist, erfolgen überwiegend rit einer Anordnung, die
als Michel ion - Interferometer bezeichnet wird (Kohlrausch, Praktische Physik,
Band 1, Kap. 5.334 1, Seite 527 - 529, B.G. Teubner Verlags-GmbH Stuttqart, 1955).
Insbesondere seit der Erfindung des Lasers hat diese allerdings aufwendige mo0nethode
eine weite Verbreitung erfahren.
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Mittels Laser wurde es auch möglich* die Entfernung zu eine. beliebig
gestalteten Objekt nach dem Prinzip der Triangulation zu messen, wobei die Position
des Laserstrahls auf dem Objekt mit einer Fernsehkamera erfaßt wurde (R.Pirlet:
La mesure des dimensions des produkts laminés, Internationale Eisenhüttentagung
1970, Vorlag Stahl und Eisen, Düsseldorf)* Dieses Verfahren Ist zu Bestimmung relativ
großer Abmessungen (10 .. 300 mm) geeignet, jedoch nicht z.B. für Schwingungsmessungen
Es ist ferner bekannt (R.Müller: Die Differential-Photodiode BPX 48, Elektrotechnik
23/1974, 6.33-35, Vogel-Verlag,Würzburg), die Bewegung eines Objektes dadurch zu
erfassen, daß es mit einer Seite einer Schlitzblende verbunden wird, so daß sich
bei Bewegung des Objektes die Oeffnung der Schlitzblende verändert, wobei das durch
die Schlitzblende fallende Licht von eier Doppeldiode erfaßt und die Differenz der
Photoströme als Maß für die Beugung verwertet wird. Für derartige Messung gon wird
eine Schaltgenauigkeit von einigen 10 mm angegeben.
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Nachteilig ist, daß die Differenz der Photoströme außer von der Öffnung
der Schlitzblende auch von der jeweiligen Intensität der Bestrahlung sowie von den
mit der Temperatur variierenden Eigenschaften des Detektors (Doppeldiode) abhängig
ist. Die Nachteile dieser Meßanordnung können gemäß der DPA P 26 06 434.6, in der
die Anwendung eines solchen Meßprinzips für Kratt- und Dehnungsmessungen beschrieben
wird, dadurch beseitigt werden, daß die Beleuchtung der Doppeldiode mit einer Lumineszenzdiode
über eine Schlitzblende konstanter Breite erfolgt, wobei der Strom für die Lumineszenzdiode
so geregelt wird, daß die Summe der don den beiden Dioden der Doppeldiode abgegebenen
Photoströme konstant bleibt. Diese dort beschriebene Vorrichtung dient der Dehnungs-
und Kraftmessung bei einem einzelnen Körper in einer Richtung.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Position. und die Bewegung
eines Objektes in bezug auf ein mit dem Objekt nicht starr verbundenes meßsystem
zu erfassen, wobei durch Modifikation der optischen Anordnung Bewegungen in verschiedene
Richtungen sowie Drehbewegungen gemessen werden können.
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Erfindungsgemäß wird vorgeschlagen, die Position und die Bewegung
eines Objektes bezüglich eines aus Lichtsender und zwei nebeneinanderliegenden Photodioden
gebildeten Meßsystems dadurch zu messen, daß die von dem Lichtsender ausgesandte
Strahlung durch eine mit dem Objekt verbundene Schlitzblende konstanter Breite fällt,
wobei die Bewegung des Objektes durch eine Führung parallel zur Oberfläche der Photodioden
erfolgt und wobei Position und Bewegung des Objektes aus dem Verhältnis von Differenz
zu Summe der von den Photodioden abgegebenen Photoströme bestimmt wird. Dabei wird
die Summe der Ströme, wie bekannt, durch Regelung des den Lichtsender speisenden
Stroms konstant gehalten.
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Weiter wird srfindungsqemäß vorgeschlagen, daß die von dem aus Lichtsender
mit vorgesetzter Schlitzblende konstanter Breite sowie zwei nebeneinanderliegenden
Photodioden gebildeten Meßsystem ausgesandte Strahlung auf das Objekt bzw. einen
an dem Objekt angebrachten Reflektor gerichtet und von diesem auf die beiden Photodioden
reflektiert wird, wobei mittels Linsen eine Abbildung der Schlitzblende auf die
Photodioden erfolgt und wobei die Position und die Bewegung des Objektes wieder
aus dem Uerhältnis von Differenz zu Summe der von den beiden Photodioden abgegebenen
Photoströme bestimmt werden.
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Die Erfindung soll anhand einiger Ausführungsformen näher erläutert
werden. Die einfachste Anordnung ist in Figur 1 dargestellt. An einem z.B. rohrförmig
gestalteten Meßsystem 1 sind der Lichtsender3,vorzugsueise eine Lumineszenz- oder
Laserdiode, sowis der aus zwei nebeneinanderliegenden Photodioden mit möglichst
gleicher Empfindlichkeit, vorzugsweise einer Doppeldiode, gebildete Photodetektor
4 angebracht.
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An dem stabförmigen Objekt 2, das durch die geometrische Ausgestaltung
des Meßsystems 1 und des Objektes 2 parallel zu der Oberfläche der Photodioden gaführt
wird, ist eine Schlitzblende5angebracht, deren jeweils günstigste Breite von der
Größe der Photodioden, dem gewünschten Meßbereich und der angestrebeten Meßgenauigkeit
abhängt, Bei Bewegung des Objektes 2 bewegt sich die Schlitzblende 5 an dem Lichtsender
3 und Photodetekt~o 4 enthaltenden
Meßsystem 1 vorbei. Aus den von
den beiden Photodioden abgegebenen Photoströmen kann auf die Position des Objektes
2 geschlossen werden. Durch die Regelung des Stroms für den Lichtsender 3 ist, wie
bebannt, ein stabiler Zusammenhang zwischen Stromdifferenz und Weg gegeben, so daß
eine absolute Positionsmessung möglich ist. Der Weg dx berechnet sich aus dem Verhältnis
der Differenz 1D der Photoströme zu deren Summe bei einer Breite mg B der Schlitzblende
5 und einem Abstand xd zwischen den Photodioden zu dx = 2 in( XB xd).
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Da IS bekannt ist und durch die Regelung auch bei Temperaturänderungen
konstant gehalten wird und da auch die Breite x8 der Schlitzblende 5 bekannt und
konstant ist, kann mit der uorgeschlagenen Anordnung eine Absolutmessung ohne spezielle
Eichung durchgeführt werden. Bei Verwendung starker Lichtsender 3 ist eine Positionsauflösung
von 10 6mm erreichbar, die damit wesentlich besser ist als bei dem sehr aufwendigen
Interferometersystem oder bei dem bisher bekannten System mit veränderlicher Schlitzbreite.
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Eine zLteite Vorrichtung zur Messung der Position und der Bewegung
eines Objektes 2 ist in Figur 2 dargestellt. Hiarbei beleuchtet der Lichtsender
3 die Schlitzblende 5, die beide Bestandteile des Meßsystems 1 sind. An dem Objekt
2 ist eine Linse 6 angebracht, die vorzugsweise plankonvex ausgebildet ist und die
einseitig eine reflektierende Schicht 7 trägt.
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Durch die Linse 6 wird die Schlitzblende 5 auf den zum MeB-system
1 gehörenden Photodetektor 4 abgebildet. Auch hier ergibt eine Bewegung des Objektes
2 eine Verschiebung der auf den aus zwei Photodioden zusammengesetzten Photodetektor
4 fallenden Strahlung und ermöglicht durch Messung der Photoströme eine Bestimmung
von Position und Bewegung des Objektes 2.
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Gegenüber der in Figur 1 dargestellten Anordnung wird die in Figur
2 wiedergegebene Ausführung dann eingesetzt, wenn größere Bewegungen des Objektes
2 erfaßt werden sollen, da bei der in Figur 1 dargestellten Anordnung die maximal
meßbare Verschiebung durch die Abmessungen des Photodetektors 4
begrenzt
ist. Durch Wahl der Geometrie der Ausführung in Figur 2 läßt sich der Meßbereich
in weiten Grenzen variiern.
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Wenn es nicht möglich ist, an dem Objekt 2 eine verspiegelte Linse
oder auch einen Hohlspiegel anzubringen, kann die in Figur 3 dargestelle Ausführung
eingesetzt werden. Hierbei wird das Meßsystem 1 um die beiden Linsen 8 und 9 erweitert,
wobei die Linse 8 die Schlitzblende 5 auf die Oberfläche des Objektes 2 abbildet
und Linse 9 eine Abbildung der bestrahlten Objektstelle auf den Photodetektor 4
bewirkt. Mit dieser Ausführung ist eine berührungslose Entfernungsmessung zu einem
beliebig gestalteten Objekt 2 möglich, wobei an dessen Oberfläche nur die Forderung
gestellt werden muß, daß sie möglichst homogen reflektiert. Allerdings ergeben z.B.
eine verspiegelte Oberfläche oder ein angebrachter Reflektor eine höhere empfangene
Lichtleistung und damit eine bessere Meßgenauigkeit.
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Der Einsatz eines solchen Meßsystems ist von Bedeutung bei der berührungslosen
Messung von Schwingungen oder Verformungen von Maschinenanlagen, Bauwerken etc.
Ferner ermöglicht die Verwendung zweier derartiger Meßsysteme , die auf gegenüberliegenden
Seiten des Objektes angeordnet sind, die Dicke des Objektes 2 berührungslos zu messen.
Gegenüber der bekannten Vorrichtung mit Laser und Fernsehkamera ist die beschriebene
eBworrichtung wesentlich einfacher und ermöglicht wegen ihrer sehr hohen Auflösung
die Messung sehr kleiner Dicken.
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Eine Schwierigkeit bei der Messung der Entfernung zum Objekt 2 oder
bei der Messung der Dicke von Objekt 2 ergibt sich- daraus, daß eine nicht homogene
Oberflächenstruktur, wie sie insbesondere bei Metalloberflächen auftritt, bei der
Abbildung des auffallenden Lichtes auf die beiden Photodioden zu einer ungleichmäßigen
Intensitätsverteilung führen kann, wodurch eine falsche Position vorgetäuscht wird.
Dieser Störeinfluß läßt sich durch Verwendung einer Ausführung gemäß Figur 4 weitgehend
beseitigen. Bei dieser Ausführung werden zwei Empfangssysteme mit Linse 9 und Photodetektor
4 eingesetzt, die symmetrisch zu der senkrecht zur Objektoberfläche liegenden Einstrahlrichtung
angeordnet sind. Wenn die von den beiden Detektoren 4 abgegebenen Photoströme addiert
werden, so addieren
sich die entfernungsabhängigen Anteile der
Ströme, uährend die durch die Oberflächenstruktur bedingte Intensitäts- und Stromverteilung
mit unterschiedlichen Vorzeichen in die beiden Meßsignale eingehen und bei der Addition
unterdrückt werden.
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Bei schlecht reflektierenden Oberflächen ist es möglich, daß die empfangene
Lichtintensität so schwach ist, daß Fremdlicht aus der Umgebung des Meßsystems auf
die Photodioden fällt und das Meßergebnis verfälscht. Durch Modulation der ausgesandten
Strahlung mit einer bestimmten Frequenz, was bei Lumineszenzdioden sehr leicht durchgeführt
werden kann, und selektive Verarbeitung des Meßsignals kann eine Störung durch Fremdlicht
vermieden werden.
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Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in Figur 5 dargestellt.
Hiermit werden Bewegungen des Objektes 2 quer zum meßsystem 1 erfaßt. Dazu ist auf
dem Objekt 2 ein Umlenkprisma 10 befestigt. Die von dem Lichtsender 3 beleuchtete
Schlitzblende 5 wird von den Linsen 8 und 9 auf den Photodetektor 4 abgebildet,
wobei über das Umlenkprisma 10 eine Strahlumlenkung erfolgt. Bei Bewegungen des
Objektes 2 verschiebt sich die Abbildung der Schlitzblende 5 auf dem Detektor 4.
Aus der Differenz der von den beiden Photodioden des Detektors 4 abgegebenen Photo
ströme kann wieder die Position des Objektes 2 bestimmt werden, wenn die Summe der
Photoströme in bekannter Weise konstant gehalten wird.
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Figur 6 zeigt eine Ausführung des Meßsystems, mit dem Drehbewegungen
eines Objektes 2, an dem ein Reflektor 7 angebracht ist, gemessen werden können.
Sie eignet sich besonders zur Erfassung extrem kleiner Drehwinkel, wie sie z.B.
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an Maschinenanlagen, an Bauwerken oder auch bei Spiegelgalvanometern
auftreten. Hierbei wird die Schlitzblende 5, die von dem Lichtsender 3 möglichst
gleichmäßig bestrahlt wird, mittels einer Linse 8, die zwischen Lichtsender 3 und
Reflektor 7 angebracht wird, auf den Detektor 4 abgebildet. Wenn Lichtsender 3 und
Photodetektor 4, wie in Figur 6 dargestellt, bezüglich der vertikal stehenden Drehachse
des Reflektors 7 übereinander angeordnet sind, haben Entfernungsänderungen des Reflektors
7 keinen Einfluß auf den vom Photodetektor 4 abgegebenen Differenzstrom. ~
Mit
einem gemäß Figur 6 ausgeführten Nleßsystem können Drehungen dpq Reflektors 7 um
einen Winkel von lo nachgewiesen werden.
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Allen Ausführungsformen der Erfindung ist gemeinsam, daß aus wenigen
einfachen und kleinen Bauelementen ein sehr genau arbeitendes Meßsystem aufgebaut
werden kann, das eine absolute Messung ermöglicht und ein elsktrisches Meßsignal
liefert, das sehr einfach weiterverarbeitst (für Regeleinrichtungen) und dargestellt
werden kann. Durch elektronische Regelung des Stroms für den Lichtsender 3 wird
eine Fehlmessung infolge der mit der Temperatur schwankenden Eigenschaften der Halbleiterelemente
ausgeschlossen, so daß auch eine gute Reproduzierbarkeit der Meßergebnisse erreicht
wird.
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Bei allen Ausführungen kann als Detektor 4 statt der beiden nebeneinanderliegenden
Photodioden auch ein positionsempfindlicher Detektor eingesetzt werden, wie das
auch aus der DPA 26 06 434.6 bekannt ist.