DE2236746A1 - METHOD AND EQUIPMENT FOR MEASURING THE DISTANCE OF A LIGHT REFLECTING MEASURING PLANE FROM A REFERENCE PLANE - Google Patents
METHOD AND EQUIPMENT FOR MEASURING THE DISTANCE OF A LIGHT REFLECTING MEASURING PLANE FROM A REFERENCE PLANEInfo
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Description
München, den 26. JULI 1972 M/jo - S 2369Munich, July 26th, 1972 M / jo - S 2369
Firma Erwin Sick, Optifc-Elektronik, WaldkirchErwin Sick, Optifc-Elektronik, Waldkirch
Verfahren und Gerät zum Messen des Abstandes einer lichtreflektierenden Meßebene von einer Bezugsebene Method and device for measuring the distance between a light-reflecting measuring plane and a reference plane
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen des Abstandes einer lichtreflektierenden Meßebene von einer Bezugs^- ebene mittels eines Lichtstrahles.The invention relates to a method for measuring the distance of a light-reflecting measuring plane from a reference ^ - level by means of a light beam.
Das Ziel der Erfindung besteht darin, ein einfach arbeitendes Verfahren sowie ein kompakt aufgebautes Gerät zu schaffen, mittels dessen der Abstand genau und zuverlässig gemessen und insbesondere überwacht werden kann. Das Ausgangssignal soll als leicht zu verarbeitende elektrische Größe zur Verfügung stehen.The aim of the invention is to provide a simple method and a compactly constructed device create, by means of which the distance can be measured precisely and reliably and, in particular, monitored. That Output signal is said to be easy to process electrical Size are available.
Insbesondere soll die Erfindung bei der Überwachung eines Sollabstandes, z.B. der Füllhöhe eines ,Behälters, angewandt werden.In particular, the invention is intended in the monitoring of a Target distance, e.g. the filling level of a container, can be used.
Zur Lösung der gestellten Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß von der Bezugsebene der Lichtstrahl schräg unter einem solchen festen Winkel zur Ebenennormalen ausgesandt wird, daß er auch bei dem größten noch zu erfassenden AbstandTo solve the problem, the invention provides that from the reference plane of the light beam obliquely under a such a fixed angle to the plane normal is sent that it is also at the greatest distance still to be detected
309886/0172 ~2~ 309886/0172 ~ 2 ~
noch auf die Meßebene fällt, und daß die Meßebene von einem durch das Gesichtsfeld eines Photoempfängers gebildeten Fahrstrahl, der in der den Lichtstrahl enthaltenden Ebene liegt und parallel zu sich selbst verschoben wird, zwischen zwei Grenzwerten abgetastet wird, von denen der erste dem minimalen, der zweite dem maximalen Abstand entspricht, wobei der zeitliche Abstand des vom Photoempfänger beim Zusammentreffen des FahrStrahles und des Lichtstrahles in der Bezugsebene abgegebenen Spannungsimpulses vom Beginn der Abtastung als Maß für den Abstand verwendet wird. Auf diese Weise kann durch geeignete Messung des zeitlichen Abstandes der Abstand der beiden Ebenen sehr genau bestimmt werden.still falls on the measuring plane, and that the measuring plane of a driving beam formed by the field of view of a photoreceiver, the one containing the light beam Plane lies and is displaced parallel to itself, is scanned between two limit values where the first corresponds to the minimum, the second to the maximum distance, the time interval of the from Photo receiver when the driving beam and of the light beam emitted in the reference plane from the beginning of the scan is used as a measure of the distance. In this way can through appropriate Measurement of the time interval, the distance between the two planes can be determined very precisely.
Um eine Dauermessung zu gewährleisten, tastet der Fahrstrahl die Meßebene vorzugsweise periodisch ab, wobei die Abtastfrequenz z.B. 200 Hz betragen kann.In order to ensure a continuous measurement, the driving beam scans the measuring plane preferably periodically, the Sampling frequency can be e.g. 200 Hz.
Der feste Winkel liegt beispielsweise in der Größenordnung von 45°, wodurch eine hohe Meßgenauigkeit erzielt wird, er kann je nach Aufgabe größer oder kleiner sein.The fixed angle is, for example, of the order of 45 °, whereby a high measurement accuracy is achieved, he can be larger or smaller depending on the task.
Wird das erfindungsgemäße Verfahren für eine diffus lichtreflektierende Meßebene verwendet, erfaßt der Fahrstrahl vorzugsweise senkrecht zur Meßebene. Aufgrund der diffusen Lichtstreuung gelangt das Licht von dem schräg auftreffenden Lichtstrahl gleichwohl zu dem die Oberfläche abtastenden Photoempfänger.If the inventive method for a diffuse light reflecting Used measuring plane, the driving beam is preferably detected perpendicular to the measuring plane. Because of the diffuse Light scattering gets the light from the inclined one Light beam nonetheless to the photoreceiver scanning the surface.
Vorzugsweise ist die Anordnung so, daß der Anfangsfahrstrahl in der Bezugsebene mit dem Lichtstrahl zusammenfällt. Der Endfahr strahl fällt vorteilhaftervd.se in der dem größten Abstand entsprechenden Lage der Meßebene mit dem Lichtstrahl zusammen. Durch diese Ausbildung kann eineThe arrangement is preferably such that the initial driving beam coincides with the light beam in the reference plane. The final driving beam advantageously coincides with the position of the measuring plane corresponding to the greatest distance the beam of light together. Through this training, a
309886/0172 -3-309886/0172 -3-
für das Verfahren gemäß der Erfindung verwendete Anordnung in minimaler Breite ausgebildet sein. Die Bezugsebene kann in einer anderen Ausführung auch in der Mitte zwischen minimalem und maximalem Abstand liegen. Auf diese Weise ist die Messung einer Abweichung vom Sollwert (= Mitte) besonders einfach möglich.for the method according to the invention used arrangement be formed in a minimum width. The reference plane can in another version also lie in the middle between the minimum and maximum distance. That way is the measurement of a deviation from the target value (= middle) is particularly easy.
Die Ausführung des Verfahrens setzt voraus, daß die Ablenkgeschwindigkeit des Fahrstrahles konstant ist.The execution of the method assumes that the deflection speed of the driving beam is constant.
Die Erfindung umfaßt auch den Fall, daß Lichtstrahl und Fahrstrahl vertauscht sind, d.h., daß anstelle der Lichtquelle ein nur aus einem strahlenförmigen Bereich empfangender Fhotoempfanger und anstelle des Fahrstrahls ein entsprechend abtastender Lichtstrahl vorgesehen ist.The invention also includes the case that the light beam and the driving beam are exchanged, i.e. that instead of the light source a photo receiver that only receives from a beam-shaped area and instead of the driving beam appropriately scanning light beam is provided.
Wild das erfindungsgemäße Verfahren bei einer spiegelnden Bezugsebene angewandt, so muß der Fahrstrahl unter dem Reflexionswinkel auf die Meßebene auftreffen, um eine für die Verarbeitung ausreichende Lichtmenge zu empfangen.Wildly the method according to the invention for a specular If the reference plane is applied, the driving beam must hit the measuring plane at the angle of reflection in order to achieve one for the processing to receive sufficient amount of light.
Das erfindungsgemäße Gerät zur Ausführung des vorgenannten Verfahrens kennzeichnet sich dadurch, daß Lichtquelle und Photoempfänger in einem einzigen Gehäuse untergebracht sind, so daß eine kompakte, überall anwendbare Anordnung erzielt wird.The device according to the invention for carrying out the aforementioned method is characterized in that a light source and photoreceivers are housed in a single housing, making a compact, ubiquitous arrangement is achieved.
Ein Maß für den zeitlichen Abstand des Fahrstrahls vom Beginn der Abtastung kann vorzugsweise dadurch erzielt werden, daß das Gerät eine der Ablenkung proportionale Spannung liefert. Durch Feststellung dieser Spannung in dem Augenblick, wo der Fahrstrahl den Auftreffpunkt des Lichtstrahls auf der Meßebene überfährt, wird der in diesem Augenblick vorliegende Abstand festgestellt.A measure of the time interval between the driving beam and the start of scanning can preferably be achieved by that the device supplies a voltage proportional to the deflection. By finding this tension in the Moment when the driving beam hits the point of the light beam is passed over on the measuring plane, the distance present at that moment is determined.
30988b'/Ü17?30988b '/ Ü17?
-4--4-
Wird das Gerät bei einer diffus lichtreflektierenden Oberfläche mit zur Meßebene senkrechtem Fahrstrahl verwendet, wird dabei zweckmäßigerweise eine Spannung a = b.ctgoC gebildet, wobei b die Abtastlänge bis zum.Auftreffpunkt.desIf the device is used on a diffusely light-reflecting surface with a driving beam perpendicular to the measuring plane, a voltage a = b.ctg oC is expediently formed, where b is the scanning length up to the.Aaufreffpunkt.des
Teil e EftnkreEKTpe ist. ./ Part e is EftnkreEKTpe . ./
Lichtstrahles und OL der Winkel des festen Lichtstrahles gegen' ^Alternativ kann das erfindungsgemäße Gerät auch eine Digitalmeßeinrichtung enthalten, die vom Beginn einer Abtastung bis zum Empfang eines reflektierten Lichtsignales vom Lichtstrahl Impulse definierter Länge zählt. Der Abstand ergibt sich dabei aus der Anzahl der Impulse, die vom Beginn der Abtastung bis zur feststellung des Auftreff punkt es des Lichtstrahls auf der Meßebene gezählt werden. Die Zählimpulse können erfindungsgemäß durch einen Lichtstrahl, der einen Hasterkamm im Gerät abtastet, bewirkt werden, welcher mit der Ablenkeinheit für das Gesichtsfeld spielfrei und starr mit dieser abgelenkt wird.Light beam and OL the angle of the fixed light beam against '^ Alternatively, the device according to the invention can also contain a digital measuring device that counts pulses of a defined length from the beginning of a scan to the reception of a reflected light signal from the light beam. The distance results from the number of pulses that are counted from the beginning of the scan until the point at which it hits the light beam on the measuring plane. According to the invention, the counting pulses can be brought about by a light beam that scans a hurricane comb in the device, which is deflected with the deflection unit for the field of view without play and rigidly with it.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt:The invention is described below, for example, with reference to the drawing; in this shows:
Pig. 1 eine schematische Veranschaulichung des erfindungsgemäßen Verfahrens,Pig. 1 is a schematic illustration of the invention Procedure,
Fig. 2 eine Abwandlung eines Teils des in Fig. 1 dargestellten Gegenstandes undFig. 2 shows a modification of part of the subject matter shown in Fig. 1 and
Fig. 3 eine Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bei spiegelnden Oberflächen.3 shows an application of the method according to the invention reflective surfaces.
Nach Fig. 1 wird von einem in einem Gehäuse 14 enthaltenen Gerät gemäß der Erfindung schräg ein fester Lichtstrahl 13 unter einem Winkele/ in Richtung auf eine Meßebene 12 ausgesandt, die z.B. durch die Oberfläche einesAccording to Fig. 1, a fixed light beam is inclined from a device contained in a housing 14 according to the invention 13 at an angle / in the direction of a measuring plane 12 sent out, e.g. through the surface of a
3 0 9 B a 6 / (J 1 7 2 3 0 9 B a 6 / (J 1 7 2 -5--5-
Materials bestimmter Füllhöhe bestimmt ist. Der Lichtstrahl 13 geht von einer Bezugsebene 11 aus, die zu der Meßebene 12 parallel verläuft.Material certain filling level is determined. The light beam 13 emanates from a reference plane 11 which corresponds to the measuring plane 12 runs parallel.
Es sei angenommen, daß der Lichtstrahl 13 die Meßebene 12 an einem Punkt T trifft.It is assumed that the light beam 13 crosses the measuring plane 12 meets at point T.
Von dem Gerät 14 geht außerdem ein Fahrstrahl F aus, der von einer Anfangslage F zu einer Endlage F die Meßebene 12 z.B. mit einer Frequenz von 200 Hz ständig abtastet. Wesentlich ist, daß der Lichtstrahl 13 und der Fahrstrahl F in der gleichen Ebene, nämlich der Zeichnungsebene, liegen. From the device 14 also emanates a driving beam F, which from an initial position F to an end position F, the measuring plane 12 e.g. continuously scans with a frequency of 200 Hz. It is essential that the light beam 13 and the driving beam F lie in the same plane, namely the plane of the drawing.
Der Fahrstrahl F ist kein Lichtstrahl, sondern entspricht dem Gesichtsfeld eines im Gehäuse 14 angeordneten Photoempfängers, der also im Rhythmus der Abtastung des Fahrstrahles F einen kleinen Ausschnitt der Meßebene 12 "sieht".The driving beam F is not a light beam, but corresponds to the field of view of a photoreceiver arranged in the housing 14, which "sees" a small section of the measuring plane 12 in the rhythm of the scanning of the driving beam F.
Sobald nun der Fahrstrahl die Lage F4. angenommen hat, sieht er den an der Stelle T vom Lichtstrahl 13 erzeugten Lichtfleck, und der Photo empfänger gibt in diesem Augenblick einen Spannungsimpuls ab.As soon as the driving beam is in position F 4 . has assumed, he sees the light spot generated by the light beam 13 at the point T, and the photo receiver emits a voltage pulse at this moment.
Unter der Voraussetzung, daß der Fahrstrahl F mit konstanter Geschwindigkeit abgelenkt wird, läßt sich also aus dem zeitlichen Abstand zwischen den FahrstrahlstellungenProvided that the driving beam F with constant Speed is deflected, so can be determined from the time interval between the driving beam positions
F und F. der Abstand a+. feststellen, a t tF and F. the distance a +. determine, a t t
praktisch geht man zweckmäßigerweise so vor, daß in dem Gerät eine der Ablenkung proportionale Spannung b gebildet wird, die z.B. bei der Stellung FQ einen Wert von Null und bei der maximalen Ablenkung F einen Wert vonIn practice, the procedure is expediently such that a voltage b proportional to the deflection is formed in the device, which, for example, has a value of zero in the position F Q and a value of F in the case of the maximum deflection F
24 V hat. Der gesuchte Abstand a läßt sich dann aus demHas 24 V. The distance a sought can then be derived from the
309886/0172 -6-309886/0172 -6-
Winkelt und der Spannung b nach der folgenden Beziehung bestimmen:Angles and the tension b according to the following relation determine:
tgoC - £ (1)tgoC - £ (1)
a - b . ctg oC (2)»away . ctg oC (2) »
Der gemessene Abstand a ist also der Spannung b streng proportional. Eine Änderung des festen Winkels <X. ergibt eine Änderung des Abstand-Meßbereiches. Deshalb sollte der Winkel oc erfindungsgemäß einstellbar gemacht werden.The measured distance a is therefore strictly proportional to the voltage b. A change in the fixed angle <X. results in a change in the distance measuring range. So the angle should oc can be made adjustable according to the invention.
Sofern die Lage von F. direkt gemessen wird, z.B. digital, gilt die obige Gleichung (2) entsprechend. Der Abstand a ergibt sich z.B. aus der Anzahl von Zählimpulsen, die bei F beginnend anfallen, bis bei F+. der durch den Lichtstrahl 13 erzeugte Lichtfleck ein elektrisches Signal auslöst, das die Zählung beendet. Die Zählimpulse können durch einen Lichtstrahl, der einen Rasterkamm im Gerät abtastet, bewirkt werden, welcher mit der Ablenkeinheit für das Gesichtsfeld spielfrei und starr mit dieser abgelenkt wird.If the position of F. is measured directly, e.g. digitally, the above equation (2) applies accordingly. The distance a results, for example, from the number of counting pulses that occur starting at F and ending at F + . the light spot generated by the light beam 13 triggers an electrical signal which ends the counting. The counting pulses can be brought about by a light beam that scans a raster comb in the device, which is deflected with the deflection unit for the field of view without play and rigidly with it.
Die gezählte Anzahl η von Impulsen ergibt, wenn n__„ einer Breite b entspricht, den Abstand zuThe counted number η of pulses results, if n__ “one Width b corresponds to the distance to
a . n3sä£.ctg cC (3) a . n3sä £ .ctg cC (3)
Das Meßprinzip ist auch umkehrbar, indem 13 das Gesichtsfeld eines Photoempfangers und F der ausgesandte Lichtstrahl ist.The measuring principle is also reversible, in that 13 the field of view of a photoreceiver and F the emitted light beam is.
Sofern ein größerer Meßbereich und höhere Genauigkeit erwünscht sind, ist der Lichtstrahl erfindungsgemäß ein Laserstrahl.If a larger measuring range and higher accuracy are desired, the light beam is a according to the invention Laser beam.
309886/0172 ~7~309886/0172 ~ 7 ~
Wird der Lichstrahl gemäß Pig. 2 so geführt, daß er in einem Abstand d vom Beginn des Abtast-Fahrstrahls F_If the light beam according to Pig. 2 so that it is in a distance d from the beginning of the scanning beam F_
St!St!
liegt, dann beginnt der Meßbereich nicht unmittelbar am Gerät, sondern in einem Abstand "a wie- folgt:then the measuring range does not begin directly at the device, but at a distance "a as follows:
aQ = d.ctg (pc (4)a Q = d.ctg (pc (4)
Dieser Wert ist dem jeweiligen Meßwert a hinzuzufügen, um den Abstand vom Gerät zu erhalten.This value has to be added to the respective measured value a in order to obtain the distance from the device.
Fig. 3 zeigt eine entsprechende Anordnung wie Fig. 1, wobei jedoch angenommen ist, daß die Meßebene 12 spiegelnd ausgebildet ist. Der senkrechte Abstand a1 zwischen der Bezugsebene 11 und der Meßebene 12 ergibt sich aus dem Abstand a des nunmehr unter dem Reflexionswinkel oL auf-treffenden Fahrstrahls F von der Meßebene 12 gemäß der folgenden Beziehung:FIG. 3 shows an arrangement corresponding to FIG. 1, but it is assumed that the measuring plane 12 is designed to be reflective. The vertical distance a 1 between the reference plane 11 and the measuring plane 12 results from the distance a of the driving beam F, which now impinges at the reflection angle oL, from the measuring plane 12 according to the following relationship:
a' = a.cos oC (5)·a '= a.cos oC (5)
309HB6/Ü172309HB6 / Ü172
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| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| OHW | Rejection |