DE4201385A1 - Optisches messsystem - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein optisches Meßsystem, bei dem senkrecht zum Lichtstrahl ein zu messendes Objekt in den Lichtstrahl eingeschoben wird, dessen Ausdehnung gemessen werden soll. Dieses Objekt erzeugt einen Schatten, wodurch weniger Licht auf das lichtempfindliche Element fällt. Die Menge dieses Lichtes wird gemessen und ist ein Maß für die Größe des Objektes.

Bekanntlich versteht man unter solchen optischen Meßsystemen Einrichtungen zum Messen von Durchmessern runder Teile oder Abständen von Kante zu Kante. Derartige Meßsysteme bestehen aus einer Lichtquelle und einer Optik, die ein möglichst schmales und hohes Lichtfeld erzeugt. Eine Empfängeroptik, die dieses Licht auf die Oberfläche eines photoelektrischen Elementes konzentriert. Die Höhe des Lichtfeldes muß größer sein als die Ausdehnung des zu messenden Objektes.

Durch das Einbringen des zu messenden Objektes in das Lichtfeld entsteht auf der Empfängerseite ein Schatten, so daß ein Teil des Lichtes abgehalten wird, so daß die Menge des Lichtes, die vom photoelektrischen Element empfangen wird, um so geringer ist, je größer das zu messende Objekt ist.

Diese optischen Meßeinrichtungen benötigen eine sehr aufwendige und genaue Optik, da Fehler in der Optik einen direkten Einfluß auf die Meßgenauigkeit haben.

Zudem haben Verschmutzung der Lichtein- und Austrittsflächen Einfluß auf das Meßergebnis sowie Alterungen der verschiedenen Bauelemente und Schwankungen der Umgebungstemperatur.

Schließlich entsteht ein Meßfehler, wenn sich das Objekt im Lichtfeld senkrecht zur Strahlrichtung bewegt. Diese Bewegungen können durch Schwingungen des Meßobjektes hervorgerufen werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, diese Nachteile zu beseitigen. Dies geschieht erfindungsgemäß dadurch, daß eine digitale elektronische Einrichtung vorgesehen ist, die die Linearitätsfehler des optischen Systemes ausgleicht, daß die Verschmutzungen sowie Alterungen der Bauelemente durch einen konstanten Betrag, der den einzelnen Meßwerten überlagert wird, ausgleicht und daß ein analoger Momentanwertspeicher vorgesehen ist, der den analogen Momentanwert des fotoelektrischen Elementes festhält, so daß er für die Weiterverarbeitung (Digitalisierung) als Konstantwert verfügbar ist.

Dadurch, daß man dies so macht, kann man ein weniger aufwendiges optisches System einsetzen, das naturgemäß mit Linearitätsfehlern behaftet ist. Man muß der Alterungsbeständigkeit und Temperaturstabilität der Bauelemente des optischen Systemes keine so grobe Bedeutung mehr beimessen. Schließlich muß man nicht mehr darauf achten, daß sich das Meßobjekt während der Messung ruht.

Zeckmäßigerweise wird man ein Mikroprozessorsystem einsetzen. Es enthält eine gespeicherte Liste mit Eingangswerten und zugehörigen korrigierten Ausgangswerten. Korrigiert werden die Linearitätsfehler des optischen Meßsystems.

Es enthält einen Grenzwert. Der Grenzwert scheidet den vollen Lichteinfall von der verringerten Lichtmenge, wenn sich ein Objekt im Lichtfeld befindet.

Es enthält eine Einrichtung zur Messung eines konstanten Betrages (Offset), der von der Verschmutzung, Alterung und Umgebungstemperatur abhängig ist. Dieser konstante Betrag wird den Eingangswerten überlagert.

Das Mikroprozessorsystem prüft zyklisch den Eingangswert und vergleicht ihn mit dem Grenzwert. Wird festgestellt, daß sich kein Objekt im Meßfeld befindet, so wird die Nullpunktdrift geprüft. Eine Nullpunktabweichung (Offset) ergibt sich bei Verschmutzung, Alterung und Schwankungen der Temperatur. Der Offset wird gespeichert.

Das Vorhandensein eines Objektes im Lichtfeld wird durch die Prüfung des Grenzwertes erkannt. In diesem Falle wird zum Meßwert der zuletzt ermittelte Offset hinzugerechnet, danach schaut das Mikroprozessorsystem in seine gespeicherte Liste und wird den zugehörigen korrigierten Wert an seinem Ausgang verfügbar halten.

Zweckmäßigerweise wird man in einer Meßkette, die dem optischen System nachgeschaltet ist, zuerst den Momentanwertspeicher anordnen, der das analoge Signal des fotoelektrischen Elementes speichert. Das gespeicherte analoge Signal wird zuerst verstärkt und dann mit einem Analog-Digital-Wandler in ein digitales Signal gewandelt. Das digitale Signal wird dem Mikroprozessor zugeführt, der es in der beschriebenen Weise aufbereitet. Danach kann das Signal Anzeigeeinheiten oder über Schnittstellen übergeordneten Systemen zugeführt werden.

In weiterer Ausbildung der Erfindung ist eine Abgleichvorrichtung vorgesehen. In dieser Vorrichtung werden die individuellen Linearitätsfehler der einzelnen optischen Meßsysteme ermittelt und in den Festwertspeicher des zugehörigen Microprozessorsystems geschrieben. Somit entsteht die Liste der Ein- und Ausgangsgrößen.

Im folgenden ist ein Ausführungsbeispiel der Erfindung beschrieben.

Abb. 1 zeigt das optische Meßsystem mit der nachfolgenden Meßkette.

Das optische System nach Abb. 1 besteht aus einer Sendeeinheit 1 und einer Empfängereinheit 2. Die Sendeeinheit erzeugt eine Art Lichtvorhang 8 der höher als das zu messende Objekt 9 sein muß. Der Querschnitt des Lichtvorhanges 8 sollte rechteckig sein. In der Tiefe sollte er dünn sein. Das Meßobjekt 9 wirft entsprechend seiner Ausdehnung einen Schatten 10 auf den Empfänger 2, so daß nur ein Teil des Lichtes, das der Sender 1 liefert, auf den Empfänger 2 fällt. Dieser Teil des Lichtes ist ein Maß für die Größe des Objektes 9.

Der Sender 1 besteht aus der Lichtquelle 3, beispielsweise einer Laserdiode. Die Optik 6 sorgt dafür, daß der Lichtvorhang 8 erzeugt wird. Die im Empfänger 2 vorgesehene Optik 7 sorgt dafür, daß das Licht auf das photoelektrische Element 4 konzentriert wird. Es erzeugt ein zur erfaßten Lichtmenge proportionales elektrisches Signal.

Das elektrische Signal wird der Meßkette (12, 13, 14, 15) zugeführt.

Das Signal gelangt zuerst in den Momentanwertspeicher 12 (Sample and Hold). Der gespeicherte Analogwert gelangt nun in den Analogverstärker 13 und wird dort verstärkt.

Das verstärkte Analogsignal wird dem Analog-Digitalwandler 14 zugeführt, dessen Aufgabe es ist, den analogen Wert in einen proportionalen digitalen Wert zu wandeln. Das digitale Signal gelangt auf den Eingang des Mikroprozessorsystems 15.

Das Mikroprozessorsystem 15 prüft zyklisch den Eingangswert und vergleicht ihn mit dem Grenzwert. Wird festgestellt, daß sich kein Objekt 9 im Meßfeld 8 befindet, so wird die Nullpunktdrift geprüft. Eine Nullpunktabweichung (Offset) ergibt sich bei Verschmutzung, Alterung und Schwankungen der Temperatur. Der Offset wird gespeichert.

Das Vorhandensein eines Objektes 9 im Meßfeld 8 wird durch die Prüfung des Grenzwertes erkannt. In diesem Falle wird zum Meßwert der zuletzt ermittelte Offset hinzugerechnet, danach schaut das Mikroprozessorsystem 15 in seine gespeicherte Liste und wird den zugehörigen korrigierten Wert an seinem Ausgang 16 verfügbar halten.

Das Mikroprozessorsystem 15 enthält ein Programm, das die Meßkette steuert und die Signalverarbeitung durchführt.

Die Liste der Istwerte und der korrigierten Sollwerte, die im Festwertspeicher des Mikroprozessorsystem 15 gespeichert ist, wird in einer Abgleichvorrichtung erstellt.

Claims (5)

1. Optisches Meßsystem, bestehend aus einer Lichtquelle, einer Optik und einem photoelektrischen Empfängerelement, das ein Lichtfeld nach Art eines Lichtvorhanges erzeugt, wobei Ausdehnungen von Objekten gemessen werden können, die in den Lichtvorhang eingeschoben werden, wobei entsprechend der Ausdehnung des Objekts ein Schatten auf dem photoelektrischen Empfängerelement erzeugt wird, so daß nur ein Teil des Lichtes auf das photoelektrische Empfängerelement gelangen kann und daß das analoge elektrische Signal des photoelektrischen Empfängerelementes digitalisiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß Linearitäts- und Nullpunktfehler des optischen Systems in einer digitalen Fehlerkorrektureinrichtung korrigiert werden.

2. Nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Korrekturvorrichtung aus einem Mikroprozessorsystem besteht mit einem Festspeicher, in dem eine Liste mit Eingangswerten und zugehörigen Ausgangswerten abgespeichert ist.

3. Nach Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß, wenn sich kein Objekt im Lichtvorhang befindet, ein Nullpunktabgleich durchgeführt wird, der einen Korrekturwert erzeugt, der den Meßwerten überlagert wird.

4. Nach Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das analoge Ausgangssignal des photoelektrischen Empfängerelementes zuerst einem Momentanwertspeicher zugeführt wird und daß das Ausgangssignal des Momentanwertspeichers digitalisiert wird.

5. Nach Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Abgleichvorrichtung vorgesehen ist, die Istwerte und Sollwerte vergleicht und eine Liste mit Eingangswerten und korrigierten Ausgangswerten in den Festspeicher des Prozessorsystems schreibt.