DE3619923C2 - - Google Patents
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum Erfassen von Feinverschie
bungen eines Reflektor aufweisenden Meßobjekts, wie sie im einzelnen
im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 angegeben ist.
Aus US 33 27 584 ist eine Vorrichtung der oben erwähnten Art bekannt,
die mit mehreren Lichtleitfaserbündeln arbeitet, innerhalb derer die ein
zelnen Lichtleitfasern statistisch verteilt oder nach einem vorgegebenen
Schema angeordnet sind. Zur Ausschaltung eines Einflusses von Schwankungen
in der Lichtintensität der Lichtquelle oder von Änderungen im Reflexions
grad der Reflektoroberfläche des Meßobjekts auf das Meßergebnis sind zu
sätzliche Lichtleitfaserwege vorgesehen, auf denen reflektiertes Licht zu
entsprechenden Lichtdetektoren geführt wird, um passende Korrektursignale
zu gewinnen.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
erwähnten Art so auszubilden, daß sie es gestattet, den Einfluß sowohl von
Fluktuationen in der von der Meßlichtquelle abgestrahlten Lichtintensität
als auch von Änderungen im Reflexionsgrad der reflektierenden Oberfläche
am Meßobjekt zu berücksichtigen und damit auf diese Einflüsse zurückgehen
de Meßfehler zu vermeiden, ohne daß es dazu der Anordnung besonderer, für
die eigentliche Messung nicht notwendiger Lichtleitfaserwege bedürfte.
Die gestellte Aufgabe wird gemäß der Erfindung gelöst durch eine Vor
richtung, wie sie im Patentanspruch 1 angegeben ist; vorteilhafte Ausge
staltungen und Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteran
sprüchen.
Die erfindungsgemäße Lösung der gestellten Aufgabe beruht im wesentli
chen auf einer geschickten Mehrfachausnutzung von Elementen der einzelnen
Lichtleitfaserwege für die Erzeugung der Signale zum Gewinnen eines Ver
schiebungsmeßwerts einerseits und zu dessen Korrektur andererseits.
Die Erfindung ermöglicht die Erfassung einer Feinverschiebung mit hoher
Genauigkeit, ohne daß sich ungünstige Einflüsse wie eine Veränderung der
Lichtintensität der Lichtquelle oder eine Variation des Reflexionsgrads
des Reflektors nachteilig auf die Meßgenauigkeit auswirken können. Außer
dem kann die interessierende Feinverschiebung mit der Vorrichtung gemäß
der Erfindung durch eine einfache Operation und mit hoher Zuverlässigkeit
auch dann erfaßt werden, wenn der Reflexionsgrad des Reflektors unbekannt
ist oder wenn sich die in ihrem Abstand zu erfassende Reflexionsebene in
einer anderen Richtung als in der Erfassungsrichtung bewegt oder wenn sich
der Reflexionsgrad des Reflektors allmählich verändert.
Für die weitere Erläuterung der Erfindung wird nunmehr auf die Zeich
nung Bezug genommen; in dieser zeigen:
Fig. 1 ein Beispiel für eine Vorrichtung gemäß dem Patentanspruch 1 in einer
schematischen Darstellung,
Fig. 2 Kennlinien zur graphischen Veranschaulichung der Beziehungen
zwischen drei erfaßten Signalen S₁, S₂ und S₃ einerseits und
der Meßgröße d andererseits bei der Vorrichtung nach Fig. 1,
Fig. 3 eine Kennlinie für das dem Reflexionsgrad entsprechende Signal
Sr in der Vorrichtung von Fig. 1,
Fig. 4 und 5 Schaltbilder für bei dem Ausführungsbeispiel von Fig. 1
verwendbare Korrekturschaltungen für den Reflexionsgrad,
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Grundprinzips des
verwendeten bekannten Meßverfahrens
und
Fig. 7 eine im Rahmen des Verfahrens nach Fig. 6 auftretende Verschie
bungskennlinie.
Zum besseren Verständnis soll nun zunächst anhand von Fig. 6 das aus
"Fiber Optic Lever Displacement Transducer" von R.O. Cook und C.W. Hamm
bekannte Meßverfahren für eine berührungslose Erfassung von Feinverschie
bungen im Mikrometerbereich kurz erläutert werden, von dem auch bei der
Vorrichtung nach dem Pantentanspruch 1 Gebrauch gemacht wird.
In Fig. 6 sind zwei Lichtleitfasern vorgesehen,
deren Enden nebeneinander angeordnet sind. Dabei trifft
das Licht von einer Lichtquelle 2 auf das eine Ende einer
Belichtungsfaser 1, von dem ein kegelförmiger Lichtstrahl 3
auf den Reflektor 5 einstrahlt. Wenn sich der Reflektor 5
in einer gewissen Entfernung von der Belichtungsebene 4
der Faser 1 befindet, wird der einfallende Lichtstrahl 3
reflektiert, und ein Teil des Lichts trifft auf die
Endfläche der Lichtempfangsfaser 6. Die Zone 7, die von
der lichtemittierenden Endfläche 4 belichtet wird und
die Zone 8, von der die Lichtempfangsfaser 6 das vom Ziel 5
reflektierte Licht aufnehmen kann, überdecken sich in
einer Zone 9, die in Fig. 6 schraffiert dargestellt ist.
Weil sich die Belichtungsintensität und die Größe des
schraffiert dargestellten Bereichs 9 mit dem Abstand d
ändern, läßt sich der Wert des Abstandes d durch Erfassen
der in die Lichtempfangsfaser 6 eintretenden Lichtmenge
durch einen Fotodetektor 10, der am anderen Ende der
Lichtempfangsfaser 6 angeordnet ist, bestimmen.
Fig. 7 zeigt ein Beispiel der Beziehung zwischen diesem
Abstand d und der Intensität Ip des die empfangene
Lichtmenge darstellenden Signals. Darin wächst die Lichtintensität Ip
im wesentlichen linear mit wachsendem Abstand d, gerät
an einem bestimmten Punkt in die Sättigung und nimmt danach
invers ab. Derjenige Abstand dm, bei dem die Lichtintensität Ip
am größten ist, hängt vom Radius und der numerischen
Apertur der Lichtleitfaser ab und ist etwa 1,5 mal so
groß wie der Radius der Lichtleitfaser. Wenn der Radius
der Lichtleitfaser etwa 50 µm beträgt, kann demnach eine
Feinverschiebung von etwa 0 bis 30 µm mit einer Auflösung
von etwa 0,1 µm in im wesentlichen linearer Abhängigkeit
von der Lichtintensität Ip erfaßt werden.
Wie die gestrichelte Kurve in Fig. 7 zeigt, ändert sich die Abhängig
keit der empfangenen Lichtintensität Ip vom Abstand d mit der Intensität
des von der Lichtquelle 2 in die Lichtleitfaser 1 eingestrahlten Lichts
und mit dem Reflexionsgrad des Reflektors 5. Zur Erzielung einer genauen
Messung bedarf es daher einer Korrektur der Erfassungsempfindlichkeit
hinsichtlich der Intensität des Meßlichts und des Reflexionsgrades. Eine
Neueinstellung beider Einflußgrößen unmittelbar vor jeder Messung, wie sie
bei bisher bekannten Meßgeräten vorgesehen ist, macht den Messungsablauf
sehr kompliziert. Bei der Vorrichtung nach dem Patentanspruch 1 wird
daher für diese Korrektur mit entsprechenden Korrektursignalen gearbeitet,
die unter Mitbenutzung der für die eigentliche Messung vorgesehenen Licht
wege gewonnen werden.
Die Vorrichtung selbst wird nunmehr in
Aufbau und Wirkungsweise anhand der Darstellungen in Fig. 1 bis 5 im
einzelnen erläutert.
In Fig. 1 fällt das Licht einer Lichtquelle 2 schräg auf eine licht
empfangende Endfläche 12 einer Lichtleitfaser 1. Der Auftreffwinkel des
auf die Endfläche 12 auftreffenden
Lichts muß kleiner eingestellt werden als der Aperturwinkel
der emissionsseitigen Lichtleitfaser 1. Der Lichtstrahl von
der Lichtquelle 2 wird parallel geführt und von der
Endfläche 12 der Lichtleitfaser 1 aufgenommen, von letzterer
geleitet und durch die Endfläche 4 gegenüber dem Reflektor
5 auf diesen als Lichtstrahl 3 eingestrahlt. Der Reflektor
5 reflektiert den Lichtstrahl 3, und ein Teil des reflek
tierten Lichts wird wie bei dem anhand Fig. 10 erläuterten
Stand der Technik von der zweiten Lichtleitfaser 6 aufge
nommen, von dieser geleitet, darauf vom Lichtdetektor
10 erfaßt und in das Signal S₁ entsprechend dem Abstand
d umgesetzt.
Außerdem tritt ein Teil des vom Reflektor 5 reflektierten
Lichts wieder in die Lichtleitfaser 1 an deren dem Reflektor
5 gegenüberliegenden Endfläche 4 ein, wird von der Lichtleit
faser 1 zu der Endfläche 12 geleitet
und dann von einem zweiten Lichtdetektor 11 erfaßt und
in das Korrektursignal S₂ umgesetzt.
Außerdem wird der von der Lichtquelle 2 ausgesendete und
parallel geführte Lichtstrahl, da er von der Endfläche
12 reflektiert wird, von einem dritten Lichtdetektor 13
empfangen und in das Korrektursignal S₃ umgesetzt. Das Signal S₃
ist der Intensität des von der Lichtquelle 2 emittierten
Lichts proportional.
Fig. 2 zeigt graphisch Beziehungen zwischen dem Abstand
d und der Intensität Ip dieser Signale S₁, S₂ und S₃.
Bei dem anhand der Fig. 6 und 7 erläuterten bekannten
Meßverfahren war bei dem Signal S, das der Lichtdetektor
10 liefert, die Intensität Ip so lange proportional dem
zu messenden Abstand d, wie dieser Abstand d klein war.
Beim Ausführungsbeispiel nimmt das Korrektur
signal S2 ein Maximum an, wenn die erfaßte Distanz d Null
ist und nimmt im wesentlichen linear mit wachsender Distanz d
ab. Das Korrektursignal S2 wird jedoch mit unendlich groß werdender
Distanz d nicht ganz zu Null, sondern verharrt auf einem
Wert, der dem an der Endfläche 12 der Lichtleitfaser reflektierten
Intensitätswert enspricht.
Das Korrektursignal S3 hängt nur von der Intensität der Lichtquelle 2
ab und hat einen konstanten Wert unabhängig von der
zu erfassenden Distanz d, solange die Intensität der
Lichtquelle 2 konstant bleibt.
Falls die Intensität der Lichtquelle 2 und der Reflexionsgrad
des Reflektors 5 jeweils mit I und r bezeichnet werden,
können die drei Signale S1, S2 und S3 wie folgt innerhalb
des Bereichs, in dem die zu erfassende Distanz d genügend
klein ist, ausgedrückt werden:
S₁ = C₁ · I · r · d (1)
S₂ = C₂ · I · r(d₂′ - d) + C₂′ · I (2)
S₃ = C₃ · I (3)
S₃ = C₃ · I (3)
worin C1, C2, C2′ und C3 jeweils Konstanten sind. Der Term
C2·I·r·d2′ in der Gleichung (2) bezeichnet die Intensität
wenn die zu erfassende Distanz d Null ist.
Das Korrektursignal S2 enthält gemäß der obigen Gleichung (2) eine
Restsignalkomponente C₂′·I, jedoch kann das folgende Signal,
das dem Reflexionsgrad proportional ist, durch Subtraktion
des durch Multiplikation des Korrektursignals S3 mit dem Koeffizienten
k3 = C2′/C3 erhaltenen Werts ausgerechnet werden:
S₂′ = C₂ · I · r(d₂′ - d) (4)
Falls das so erhaltene Signal S2′ mit dem Koeffizienten
k2 = C1/C2 multipliziert wird und das Signal Sr durch
Addition des Signals S1 zu diesem Wert erzeugt wird,
ergibt sich
Sr = S₁ + k₂S₂′ = C₁ · I · r · d₂′ (5)
was, wie Fig. 3 zeigt, nicht mehr von der zu erfassenden
Distanz d, sondern lediglich von der Intensität der
Lichtquelle 2 und dem Reflexionsgrad r abhängt. Daraus läßt
sich der Reflexionsgrad r ermitteln, da sich die Intensität I
der Lichtquelle 2 aus dem Korrektursignal S3 ableiten läßt, falls
man das Signal Sr durch das Korrektursignal S3 dividiert oder die
Lichtintensität I der Lichtquelle 2 bekannt ist.
Gemäß dem oben beschriebenen Ausführungsbeispiel läßt
sich der Reflexionsgrad des Reflektors unabhängig von
der zu erfassenden Distanz d durch die zur Distanzerfassung
verwendeten Lichtleitfasern erfassen. Dies ist vorteilhaft
im Vergleich mit dem herkömmlichen Meßverfahren, bei dem
eine separate Bestimmung des Reflexionsgrads nötig war.
Das beschriebene Ausführungsbeispiel ermöglicht demnach
eine leichte Korrektur der Erfassungsempfindlichkeit.
Außerdem wird durch eine automatische Korrekturschaltung
eine Variation des Reflexionsgrads automatisch korrigiert,
so daß sich leicht eine konstante Empfindlichkeit des
Feinverschiebungsaufnehmers erreichen läßt.
Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel der genannten automatischen
Korrekturschaltung. Diese Schaltung ist so ausgebildet,
daß das Signal Sr, das dem Reflexionsgrad
proportional ist, gemäß dem oben beschriebenen Verfahren
aus den drei Signalen S1, S2 und S3 erzeugt und dann mit
einem Bezugssignal Sref verglichen wird. Das Verarbeitungsergebnis
wird in einem Integrierglied 14 integriert, und
die Intensität der Lichtquelle 2 nach Maßgabe des integrierten
Wertes gesteuert.
Gegebenenfalls können Treiber zur Ansteuerung der
Lichtquelle 2 zwischen dem Integrator 14 und der Lichtquelle 2
vorgesehen sein. Da der beschriebene Schaltungsaufbau
eine geschlossene Schleife bildet, ist deren Funktion
so, daß der Wert des Signals Sr konstant mit dem Wert
des Signals Sref übereinstimmt. Die Intensität der Lichtquelle
wird nämlich abhängig von der Änderung des
Reflexionsgrads des Reflektors variiert, so daß man eine konstante
Intensität des vom Reflektor reflektierten Lichts
erhält. Als Ergebnis hat das der zu erfassenden Distanz d
entsprechende Signal S1 eine konstante Empfindlichkeit.
Statt die Intensität der Lichtquelle zu regeln, kann auch, wie
die automatische Korrekturschaltung gemäß Fig. 5 zeigt,
die Verstärkung der Erfassungsschaltung mittels zweier
Multiplizierglieder geregelt werden. Wie bei dem in Fig. 4
gezeigten Ausführungsbeispiel wird das Signal Sr mit dem
Bezugssignal Sref verglichen und die Differenz zwischen
beiden Signalen vom Integrierglied 14 integriert. Der integrierte
Wert kc wird zwei Multipliziergliedern 15 und 16
zugeführt. Das Integrierglied 14 führt eine Integration
so durch, daß der Ausgang kc·Sr des Multiplizierglieds 15
mit dem Bezugssignal Sref übereinstimmt. Der obige
Integrationswert kc ist ein für den Reflexionsgrad relevanter
Wert und kc·r bleibt immer konstant. Auf diese Weise wird
das Signal S0, das man durch Multiplikation des Signals S1
mit kc am Ausgang des Multiplizierglieds 16 erhält, zu
einem die zu erfassende Distanz d angebenden Signal, das
bezüglich des veränderlichen Reflexionsgrads korrigiert ist.
Statt der Berechnung des Reflexionssignals Sr aus den
Signalen S1, S2 und S3, wenn die Intensität der Lichtquelle 2
als veränderlich angenommen ist, kann man auch
das Korrektursignal S3, wenn die Intensität der Lichtquelle 2 stabil
ist, auf einen geeigneten festen Wert legen.
Bei dem oben beschriebenen Aus
führungsbeispiel dienen für die emissionsseitigen und
empfangsseitigen Lichtleitfasern einzelne Stränge oder
Fasern. Jedoch können auch ohne daß die Wirkungen und
Vorteile der Erfindung beeinträchtigt werden, jeweils
Faserbündel verwendet werden.
Claims (6)
1. Vorrichtung zum Erfassen von Feinverschiebungen eines einen Reflektor
aufweisenden Meßobjekts mit
- - einer Lichtquelle,
- - einem ersten Lichtleiter zum Übertragen von Licht der Lichtquelle zum Reflektor des Meßobjekts,
- - einem ersten Lichtdetektor zum Erfassen von am Reflektor des Meßob jekts reflektiertem Licht und zum Umsetzen von dessen Intensität in dem Abstand zwischen dem meßobjektseitigen Ende des Lichtleiters und dem Reflektor des Meßobjekts entsprechende elektrische Signale,
- - einem zweiten Lichtleiter zum Übertragen von am Reflektor des Meßob jekts reflektiertem Licht zum ersten Lichtdetektor,
- - einem Bezugsreflektor zum Reflektieren eines Teils des von der Licht quelle abgestrahlten Lichts, und
- - einem zweiten Lichtdetektor zum Erfassen von am Bezugsreflektor re flektiertem Licht und zu dessen Umsetzen in ein Korrektursignal zum Berücksichtigen des Einflusses von Fluktuationen in der Intensität des von der Lichtquelle abgestrahlten Lichts,
dadurch gekennzeichnet,
daß der Bezugsreflektor durch das lichtquellenseitige Ende (12) des ersten Lichtleiters (1) gebildet und der zweite Lichtdetektor (13) auf diese Lichtleiterende (12) ausgerichtet ist und
daß ein dritter Lichtdetektor (11) zum Gewinnen eines Korrektursignals (S₂) für eine Berücksichtigung des Einflusses von Änderungen im Reflexionsgrad des Reflektors (5) des Meßobjekts auf das Abstands meßsignal vorgesehen und auf das lichtquellenseitige Ende (12) des ersten Lichtleiters (1) ausgerichtet ist.
daß der Bezugsreflektor durch das lichtquellenseitige Ende (12) des ersten Lichtleiters (1) gebildet und der zweite Lichtdetektor (13) auf diese Lichtleiterende (12) ausgerichtet ist und
daß ein dritter Lichtdetektor (11) zum Gewinnen eines Korrektursignals (S₂) für eine Berücksichtigung des Einflusses von Änderungen im Reflexionsgrad des Reflektors (5) des Meßobjekts auf das Abstands meßsignal vorgesehen und auf das lichtquellenseitige Ende (12) des ersten Lichtleiters (1) ausgerichtet ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß eine Recheneinrichtung den zu bestimmenden Abstand d zwischen dem
Reflektor (5) und dem meßobjektseitigen Ende (4) des ersten oder
des zweiten Lichtleiters (1, 6) aus
dem von dem ersten Lichtdetektor (10) abgegebenen Signal
- (A): S₁ = C₁ · I · r · d
in dem
C₁ eine Konstante,
I die Intensität des von der Lichtquelle (2) abgestrahlten Lichts und
r den Reflexionsgrad des Reflektors (5) bezeichnen,
dem vom dritten Lichtdetektor (11) abgegebenen Korrektursignal - (B): S₂ = C₂ · I · r(d₂′ - d) + C₂′ · I
in dem
C₂ und C₂′ zwei Konstante und
der Term C₂ · I · r · d₂′ eine Lichtintensitätskomponente im Signal S₂ für d = 0 sind, und
dem vom zweiten Lichtdetektor (13) abgegebenen Korrektursignal - (C): S₃ = C₃ · I
in dem C₃ eine Konstante ist, berechnet.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die Recheneinrichtung zunächst durch Multiplikation des Korrektursignals S₃
mit einem Koeffizienten k₃ = C₂′/C₃ und durch Subtraktion des so
erhaltenen Wertes von dem Korrektursignal S₂ ein Signal
S₂′ = C₂ · I · r(d₂′-d),sodann durch Multiplikation dieses Signals S₂′ mit einem Koeffizien
ten k₂ = C₁/C₂ und durch Addition des so erhaltenen Wertes zu dem
Signal S₁ ein SignalSr = C₁ · I · r · d₂′und schließlich nach Maßgabe dieses Signals den zu bestimmenden
Abstand d berechnet.
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, gekennzeichnet,
durch eine Steuereinrichtung, die
- - die Intensität des von der Lichtquelle (2) abgestrahlten Lichts nach Maßgabe des Signals Sr mittels dessen Subtraktion von einem Bezugssignal Sref, steuert, das auf einem vorgegebenen Signalpe gel gehalten ist, und
- - das Resultat dieser Subtraktion in einen Integrator (14) ein gibt, dessen Ausgangssignal die Intensität der Lichtquelle (2) steuert.
5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß das Signal Sr einem Eingangsanschluß eines ersten Multiplizierglie des (15) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal von einem Bezugssig nal Sref mit konstantem Signalpegel subtrahiert und einem Integrator (14) zugeführt wird,
daß das Ausgangssignal kc des Integrators (14) dem anderen Eingangsan schluß des ersten Multipliziergliedes (15) zugeführt wird und
daß das Signal S1 einem Eingangsanschluß eines zweiten Multiplizierglie des (16) zugeführt wird, dessen anderer Eingangsanschluß das Aus gangssignal kc des Integrators (14) zugeführt erhält.
daß das Signal Sr einem Eingangsanschluß eines ersten Multiplizierglie des (15) zugeführt wird, dessen Ausgangssignal von einem Bezugssig nal Sref mit konstantem Signalpegel subtrahiert und einem Integrator (14) zugeführt wird,
daß das Ausgangssignal kc des Integrators (14) dem anderen Eingangsan schluß des ersten Multipliziergliedes (15) zugeführt wird und
daß das Signal S1 einem Eingangsanschluß eines zweiten Multiplizierglie des (16) zugeführt wird, dessen anderer Eingangsanschluß das Aus gangssignal kc des Integrators (14) zugeführt erhält.
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