DE4031453C2 - Triangulationsmeßverfahren und Gerät zur Durchführung desselben - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Triangulationsmeßverfahren zur Positionsbestimmung eines Meßobjekts und ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens, gemäß den Ansprüchen 1, 2 und 4.

Triangulationsmeßverfahren werden zur Positionsbestimmung eines Meßobjekts angewandt. Bei diesem Verfahren ist in der Regel eine Strahlungsquelle zur Beleuchtung des Meßobjekts vorgesehen. Die Strahlung wird vom Meßobjekt auf einen posi­ tions-sensitiven Sensor, der zumindest zwei strahlungsabhän­ gige Ausgangssignale aufweist, aus denen die Position des Meßobjekts bestimmt werden kann, in Abhängigkeit von der Position und der Oberflächenbeschaffenheit des Meßobjekts reflektiert.

Die Anforderungen an ein System zur Durchführung eines der­ artigen Verfahrens bestehen in einer hohen Genauigkeit, einem geringen Rauschen, einer hohen Ortsauflösung und einer hohen Anstiegsgeschwindigkeit für die Ausgangssignale, die auch die Messung sich schnell bewegender Objekte erlauben soll.

Ein großes Problem bei der Anwendung von Triangulationsmeß­ verfahren besteht darin, daß die Strahlung durch die Meßob­ jekte unterschiedlich stark reflektiert wird. Das Triangu­ lationsmeßsystem muß daher über einen hohen Dynamikbereich verfügen, um einerseits sehr schwach reflektierte Signale und auf der anderen Seite sehr stark reflektierte Signale messen zu können. Bei sehr schwach reflektierten Signalen besteht darüber hinaus das Problem, daß der Abstand zum Rauschen, das durch die Sensoren und die Eingangsverstärker für die Ausgangssignale hervorgerufen wird, zu gering ist, um eine einwandfreie Messung zu garantieren.

Bei einem bekannten Triangulationsmeßverfahren bzw. einem Gerät zur Durchführung des Verfahrens (US-PS 4 673 274) zur Entfernungseinstellung und zum automatischen Fokussieren von Linsen in einer Kamera wird als Strahlungsquelle eine Infra­ rot-Strahlungsquelle verwendet. Einer Veränderung der auf die strahlungsempfindlichen Flächen einfallenden Strahlungs­ menge wird dadurch Rechnung getragen, daß die Amplitude des Lichts und der Verstärkungsfaktor von Regelverstärkern der­ art geregelt werden, daß eine definierte Taktzeit eingehal­ ten wird. Sobald der Integrationswert des Summensignals einen Sollwert VP erreicht hat, wird das entsprechende Dif­ ferenzsignal zur Einstellung des Linsensystems der Kamera verwendet.

Während sich dieses Meßverfahren für Kameras als vorteilhaft erwiesen hat, ist eine Übertragung dieses Systems auf Ent­ fernungsmeßsysteme mit Schwierigkeiten verbunden. Für diese wird zum einen eine sehr hohe Genauigkeit der Positionsbe­ stimmung des Meßobjekts gefordert und zum anderen ist es für die Entfernungsmessung oder eventuelle Schwingungsmessung sich bewegender Objekte notwendig, mit höheren Meßfrequenzen zu arbeiten.

Aus der US-PS 4 705 395 ist ein Triangulationsmeßverfahren bzw. ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens bekannt, das auf der Grundlage einer Laserstrahlungsquelle und eines po­ sitions-sensitiven Detektors arbeitet, der als Dioden-Array ausgelegt ist, wobei keine Integration der Detektorausgangs­ signale vorgesehen ist. Das bekannte Verfahren verwendet einen Referenzdetektor, um die Laser-Anschaltzeit festzule­ gen, um sicherzustellen, daß der Positionsdetektor ausrei­ chend belichtet wird. Das heißt, der Referenzdetektor dient zur Ermittlung eines Lichtmengenwerts, der bei Erreichen eines Sollwerts die Laserstrahlungsquelle abschaltet. Hierzu sind eine aufwendige Auswertelektronik sowie ein Strahltei­ ler erforderlich. Der mit diesem Verfahren beschrittene Weg erfordert in nachteiliger Weise eine relativ große Anzahl von Bauteilen und zusätzliche Justierarbeiten, um den Refe­ renzdetektor und den Positionsdetektor in bezug auf die Lichtempfindlichkeit und den optischen Strahlengang zu justieren.

Es ist daher Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Tri­ angulationsmeßverfahren und ein Gerät zur Durchführung des Verfahrens zu schaffen, die eine schnelle Bestimmung der Position eines Meßobjekts bei hoher Lichtdynamik, hoher Auf­ lösung, hoher Genauigkeit und hohem Rauschabstand erlauben, wobei das Meßgerät einen einfachen Aufbau haben soll.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Triangulations­ meßverfahren gemäß den Ansprüchen 1 und 2 bzw. mit einem Triangulationsmeßgerät gemäß dem Anspruch 4 gelöst.

Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der Unteran­ sprüche.

Die Idee der Erfindung besteht darin, daß die Einschaltzeit der Laserstrahlungsquelle durch den positions-sensitiven Detektor selbst sowie durch die diesem nachgeschaltete Aus­ wertelektronik bestimmt wird, der lediglich ein Komparator und eine Referenzspannungsquelle hinzugefügt werden müssen, um zu der erwünschten Steuerung der Einschaltzeit der Laser­ strahlungsquelle zu gelangen. Die Ausgangssignale des posi­ tions-sensitiven Detektors werden solange integriert, bis die auf dem positions-sensitiven Detektor eingestrahlte Lichtmenge einen vorgegebenen Sollwert erreicht hat. Erst dann erfolgt die Auslesung und Auswertung der aufintegrier­ ten Ausgangssignale zur Positionsberechnung des Meßobjekts.

Bei dem Triangulationsmeßgerät werden nach dem Einschalten der Strahlungsquelle zu Beginn des Meßzyklus die Ausgangs­ signale des positions-sensitiven Sensors aufintegriert und in Differenz- und Summensignale umgewandelt. Wahlweise können auch die zuerst in Differenz- und Summensignale umge­ wandelten Ausgangssignale aufintegriert werden. Erreicht der Wert der Integralsumme bzw. des Summenintegrals einen vor­ gebbaren Sollwert, so werden die auf integrierten und umge­ wandelten Sensorausgangssignale zur weiteren Signalverarbei­ tung ausgelesen. Nach Erreichen des Sollwerts wird die Stromzufuhr zur Laserstrahlungsquelle abgeschaltet.

Die Ausgangssignale der Integratoren können unmittelbar einem Analog/Digital-Wandler zugeführt werden, wo sie in einen digitalen Meßwert umgesetzt werden können. Anschlie­ ßend werden die Integratoren für den nächsten Meßzyklus zu­ rückgesetzt, wobei das Rücksetzen durch die Rücksetzeinrich­ tung zeitgesteuert erfolgen kann.

Ein erfindungsgemäßes Triangulationsmeßgerät läßt sich mit sehr geringem Schaltungsaufwand und minimaler Baugröße her­ stellen. Es lassen sich zur Herstellung der Schaltung auf dem Markt befindliche Standard-Bauelemente verwenden, die in der Schaltung einfach zu dimensionieren sind. Aufgrund des Verfahrens ist kein Schaltungsabgleich erforderlich. Es sind Meßraten von mehr als 1000 Hertz möglich.

Das erfindungsgemäße Triangulationsmeßgerät hat eine sehr hohe Lichtdynamik von mehr als 100, wobei eine Vervielfa­ chung durch Modifikation möglich ist. Das Rauschen wird aufgrund der wenigen im Signalweg befindlichen Rauschquel­ len minimal gehalten. Eine Änderung der Reflexionsbedingun­ gen an dem Meßobjekt während der Meßzeit bleibt ohne Einfluß auf die gemessenen Werte.

Als Strahlungsquelle wird eine Laserlichtquelle verwendet, deren Strahlungsparameter durch eine konstante Pulsleistung sehr konstant gehalten werden kann.

Als Integratoren können Kondensatoren verwendet werden.

Die Positionsbestimmung des Meßobjekts erfolgt bei dem er­ findungsgemäßen Triangulationsmeßgerät durch die Division des Differenzwertes durch den Summenwert. In einer vorteil­ haften Weiterbildung der Erfindung ist hierbei als Auswer­ teschaltung ein Analog/Digital-Wandler in dem Triangula­ tionsmeßgerät vorgesehen, der selbst als Dividierer arbei­ tet. Der ausgegebene Digitalwert entspricht dann dem Ver­ hältnis der zu wandelnden Spannung zur angelegten Referenz­ spannung. Der Ausgang des Integrators des Summensignals wird hierbei am Referenzspannungseingang und das Ausgangs­ signal des Integrators des Differenzsignals am Wandlerein­ gang angelegt. Eine konstante maximale Auflösung wird so­ mit bei minimaler Wandlerdatenrate und geringem Hardware- und Software-Aufwand realisiert.

Die Erfindung wird nachfolgend beispielsweise anhand der schematischen Zeichnung beschrieben. Diese zeigt ein Funk­ tionsschaltbild eines Triangulationsmeß­ geräts mit Lichtmengenregelung.

Das Triangulationsmeßgerät 10 hat eine Laserstrahlungsquel­ le 12, von der aus Strahlung auf ein Meßobjekt abgestrahlt wird, dessen Position bestimmt werden soll. Die vom Meßob­ jekt reflektierte Strahlung trifft auf einen positionssen­ sitiven Detektor 14 auf.

Die Ausgänge des Sensors 14 sind mit den Eingängen zweier Operationsverstärker 20, 22 verbunden. Die Ausgänge beider Operationsverstärker 20, 22 sind auf einen ersten Integrator 24 geführt, der zur Integration der Summe der aufbereiteten Ausgangssignale des Sensors 14 dient. Die Integration er­ folgt in dem Integrator 24 durch einen Kondensator 26. Das Ausgangssignal des zweiten Operationsverstärkers 22 ist auf einen zweiten Integrator 28 geführt, der ebenfalls einen Kondensator 30 zur Integration des Ausgangssignals auf­ weist. Der Ausgang des ersten Integrators 24 ist mit dem Referenzeingang 32 eines A/D-Wandlers 34 verbunden. Der Ausgang des zweiten Integrierers 28 ist mit dem Wandlerein­ gang 36 des Analog/Digital-Wandlers 34 verbunden. Durch diese Schaltung wird vorteilhafterweise der Rauschanteil durch Analogaufbereitung der Ausgangssignale des positions­ sensitiven Detektors so gering wie möglich gehalten, wo­ durch die Dynamik des Triangulationsgeräts abermals verbes­ sert wird. Der Analog/Digitalwandler arbeitet als Dividie­ rer, der das Integrationssignal des einen Sensorausgangssi­ gnals durch das Integrationssignal der Summe beider Sensor­ ausgangssignale teilt und daraus die Position eines Meß­ objektes bestimmt. Durch das Fehlen analoger Bauteile bei der Auswertung der Integratorsignale wird eine hohe Linea­ rität erreicht. Das Auslesen der Integratoren 24, 28 durch den Analog/Digital-Wandler 34 wird dadurch verursacht, daß das integrierte Summensignal am Ausgang des ersten Integra­ tors 24 auf den ersten Eingang eines Komparators 38 gelegt ist, der dieses integrierte Summensignal mit der Referenz­ spannung einer Referenzspannungsquelle 40 vergleicht, die vorzugsweise einstellbar ist. Wenn der aufintegrierte Sum­ menwert am Ausgang des ersten Integrators 24 die Referenz­ spannung der Referenzspannungsquelle 40 übersteigt, wird der Analog/Digital-Wandler 34 durch das Ausgangssignal des Kornparators 38 um Auslesen der Ausgangssignale der beiden Integratoren 24 und 28 angestoßen. Gleichzeitig wird wäh­ rend dieses Vorgangs die Stromzufuhr 42 zur Laserstrah­ lungsquelle 12 unterbrochen. Die durch den Analog/Digital- Wandler 34 ausgelesenen Werte können durch eine Schnitt­ stelle 44 an ein Bussystem zur weiteren Verwertung ausgege­ ben werden. Nach dem Auslesevorgang werden die Integratoren 24, 28 durch eine zeitgesteuerte Rücksetzeinrichtung 46 wie­ der zurückgesetzt. Die Rücksetzung erfolgt durch Kurz­ schließen der Kondensatoren 26, 30 in den Integratoren 24, 28 und wird von der Rücksetzeinrichtung 46 gesteuert. Die Rücksetzeinrichtung steuert auch eine Einrichtung zur Fremdlichtkompensation, die durch die Operationsverstärker 20, 22 und die Kompensationsglieder 48, 50 gebildet wird. Die Länge einer Meßzeit hängt von der auf den positionssensi­ tiven Detektor eingestrahlten Lichtmenge ab und wird so eingeregelt, daß die eingestrahlte Lichtmenge im wesentli­ chen konstant ist.

Bei dem vorstehend beschriebenen Ausführungsbeispiel er­ folgt die Summation der aufbereiteten Sensorsignale in dem ersten Integrator 24. Diese Anordnung ist bezüglich der Mi­ nimierung von Störquellen und Hardware-Aufwand vorteil­ haft. Selbstverständlich ist es dem Fachmann auch überlas­ sen, die Integration vor oder nach der Summation durchzu­ führen.

Der wesentliche Kern der Erfindung liegt in der Anwendung einer Lichtmengenregelung, mit der sich eine sehr hohe Lichtdynamik bei sehr guter Genauigkeit der Ortsbestimmung und hoher Meßrate erzielen läßt. Bei jedem einzelnen Meß­ zyklus paßt sich die Meßvorrichtung den Reflexionseigen­ schaften der Meßgutoberfläche ohne Zeitverzögerung neu an. Dadurch wird eine verzögerungsfreie Vermessung von bewegten Meßgütern mit sehr stark unterschiedlichem Reflexionsver­ halten ermöglicht. Ein auf diesem Prinzip basierendes Tri­ angulationsmeßgerät ist zudem in hohem Maß störungsunemp­ findlich und läßt sich schaltungs- und fertigungstechnisch mit geringem Aufwand realisieren.

Claims (11)

1. Triangulationsmeßverfahren zur Positionsbestimmung eines Meßobjekts unter Verwendung einer Laserstrahlungs­ quelle, deren Einschaltzeit in Abhängigkeit von den Re­ flexionseigenschaften des Meßobjekts geregelt wird, und eines positions-sensitiven Detektors mit mindestens zwei strahlungssensitiven Sensorflächen, die nach dem Einschalten der Laserstrahlungsquelle jeweils ein Ausgangssignal lie­ fern, wobei die Ausgangssignale des positions-sensitiven Detektors so lange aufintegriert werden, bis ein an einem Komparator anliegendes, auf integriertes Summensignal der Ausgangssignale einen durch eine ebenfalls am Komparator anliegende Referenzspannung festgelegten Sollwert der auf die Sensorflächen auftreffenden Lichtmenge erreicht hat, wodurch die Stromzufuhr zur Laserstrahlungsquelle abgeschal­ tet wird und die aufintegrierten Signale zur Positionsbe­ stimmung ausgewertet und anschließend für einen neuen Meß­ zyklus rückgesetzt werden.

2. Triangulationsmeßverfahren zur Positionsbestimmung eines Meßobjekts unter Verwendung einer Laserstrahlungsquel­ le, deren Einschaltzeit in Abhängigkeit von den Reflexions­ eigenschaften des Meßobjekts geregelt wird, und eines posi­ tions-sensitiven Detektors mit mindestens zwei strahlungs­ sensitiven Sensorflächen, die nach dem Einschalten der Laserstrahlungsquelle jeweils ein Ausgangssignal liefern, wobei die Ausgangssignale des positions-sensitiven Detektors so lange aufsummiert werden, bis ein an einem Komparator an­ liegendes, aufsummiertes Integrationssignal der Ausgangssig­ nale einen durch eine ebenfalls am Komparator anliegende Referenzspannung festgelegten Sollwert der auf die Sensor­ flächen auftreffenden Lichtmenge erreicht hat, wodurch die Stromzufuhr zur Laserstrahlungsquelle abgeschaltet wird und das Integrationssignal zur Positionsbestimmung ausgewertet und anschließend für einen neuen Meßzyklus rückgesetzt wird.

3. Triangulationsmeßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert eingestellt werden kann.

4. Triangulationsmeßgerät, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 3, mit einer Laserstrahlungsquelle (12), deren Einschaltzeit in Abhängig­ keit von den Reflexionseigenschaften des Meßobjekts geregelt wird, einem positions-sensitiven Detektor (14) mit minde­ stens zwei strahlungssensitiven Sensorflächen, die nach dem Einschalten der Laserstrahlungsquelle (12) jeweils ein Aus­ gangssignal liefern, Integratoren (24, 28) zum Bilden eines auf integrierten Summensignals oder eines aufsummierten Integrationssignals der Ausgangssignale, einem Komparator (38) zum Vergleich des auf integrierten Summensignals oder des aufsummierten Integrationssignals mit einem durch eine ebenfalls am Komparator (38) anliegende Referenzspannung festgelegten Sollwert der auf die Sensorflächen auftreffen­ den Lichtmenge, zum Abschalten der Stromzufuhr (42) zur Laserstrahlungsquelle (12), wenn das Summensignal oder das Integrationssignal den Sollwert erreicht hat, und zur Steue­ rung einer Auswerteschaltung (34) für die Positionsbestim­ mung des Meßobjekts, und mit einer Rücksetzeinrichtung (46) zum Rücksetzen der Integrations- oder Summenwerte der Aus­ gangssignale.

5. Triangulationsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinrichtung (34) einen Analog/Digital-Wandler enthält, dessen Eingänge (32, 36) mit den Ausgängen der Integratoren (24, 28) ver­ bunden sind.

6. Triangulationsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Ausgang des Integrators (24) für das Summensignal mit dem Referenzeingang (32) und der Ausgang des Integrators (28) für eines der Ausgangssig­ nale mit dem Wandlereingang (36) des Analog/Digital-Wandlers (34) verbunden sind, und daß der Analog/Digital-Wandler (34) als Dividierer ausgebildet ist.

7. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Integrato­ ren (24, 28) Kondensatoren (26, 30) enthalten.

8. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Rücksetz­ einrichtung (46) eine Zeitsteuerung enthält.

9. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Analog/Di­ gital-Wandler (34) über eine Schnittstelle (44) zum Anschluß an ein Bussystem verfügt.

10. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Sollwert über eine Referenzspannungsquelle (40) einstellbar ist.

11. Triangulationsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorflä­ chen auf einer länglichen Sensorbahn angeordnet sind.