DE2945251A1

DE2945251A1 - Verfahren und vorrichtung zur bestimmung der lage einer oberflaeche

Info

Publication number: DE2945251A1
Application number: DE19792945251
Authority: DE
Inventors: Peter Dr. 4000 Düsseldorf Bohländer; Ing.(grad.) Heinz-Peter 4600 Dortmund Hippler
Original assignee: BETR FORSCH INST ANGEW FORSCH; BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Current assignee: BETR FORSCH INST ANGEW FORSCH; BFI VDEH Institut fuer Angewandte Forschung GmbH
Priority date: 1979-11-09
Filing date: 1979-11-09
Publication date: 1981-05-14
Also published as: DE2945251C2

Description

BESCHREIBUIJG:
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Oberfläche der im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 bezeichneten Art. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.
Ein Verfahren der gattungsgemaßen Art ist nach der DE-OS 21 40 939 bekannt. Dabei wird ein Körper in den parallelen Strahlengang einer Optik gebracht, in deren Brennpunkt eine Lichtquelle angeordnet ist. Der Außendurchmesser dieser Optik ist größer als der Durchmesser des zu untersuchenden Körpers, so daß seine Oberfläche in jedem Falle innerhalb der parallelen Strahlung einen Schatten bildet.
Die zu beiden Seiten dieses Strahlungsschattens ungestört verlaufenden Strahlen fallen beispielsweise auf eine Fotodiodenzeilenkamera mit etwa 1000 Photoelementen. Man kann auf diese Weise sowohl den Durchmesser des Körpers als auch seine Lage innerhalb des Strahlenbändels ermitteln. Dadurch werden jedenfalls Lageabweichungen des Körpers senkrecht zur Ausbreitungsrichtung der parallelen Strahlen erfaßt. Hingegen werden Lageabweichungell des Körpers und darnit seiner Flache nicht ermittelt, wenn diese Lage abweichungen in der Ausbreitungsrichtung der Strahlung stattfinden. Weiterhin ist Voraussetzung für das bekannte Verfahren, daß die Fläche des Körpers voll bestrahlt wird, und daß darüber hinaus noch zu beiden Seiten der Fläche die Strahlung ungehindert verlaufen kann.
Hiervon ausgehend liegt der Lrfiriduslg die Aufgabe zugrunde, das genannte Verfahren dahingehend weiter zu bilden, daß es sich auch bei Oberflächen verwenden läßt, die eine größere räumliche Ausdehnung als der Strahlerquerschnitt haben, und welche ihre Lage in Ausbreitungsrichtung der Strahlung verändern. Ein derartiges Verhalten besteht insbesondere bei den Oberflächen von flüssigen Metallen, wie beispielsweise von flüssigem Stahl, dessen Badspiegelhöhe innerhalb einer Gießpfanne, eines Verteilers oder einer Kokille beim Stranggiessen beachtet werden muß. Oblicherweise wird die Pfannenfüllung durch eine Gewichtsbestimmung, die Verteilerfüllung durch eine Sichtkontrolle und die Kokillenfüllung radioaktiv ermittelt, jedoch sind die beiden ersten Verfahren verhältnismäßig ungenau und nicht automatisierungsgerecht, während das dritte Verfahren wegen der Strahlungsbelastung gesundheitsschädlich ist. Optische Verfahren, die auf der Erzeugung eines Bildes der Oberfläche beruhen, konnten sich demgegenüber noch nicht durchsetzen.
Nach dem erfindungsgemäßen Verfahren wird die Aufgabenstellung durch den im Kennzeichnungsteil des Patentanspruchs 1 gemachten Vorschlag gelöst, welcher noch durch die Vorschläge der Unteransprüche 2 bis 7 weiterentwickelt wird.
Die gleichzeitige Anwendung des Lasers mit dem auf seine Wellenlänge abgestimmten, schmalbandigen optischen Filter erlaubt nicht nur die Berücksichtigung der geometrischen Verhältnisse, wie sie durch die Lageveränderungen der Fläche grundsätzlich gegeben sind, sondern zusätzlich auch die Berücksichtigung der thermischen Einwirkungen, die von der Oberfläche dann ausgehen, wenn sie eine hohe Temperatur annimmt. In diesem Falle kommt es ndmlich zu einer Eigenstrahlung der Oberfläche, welche die Reflektionsstrahlung eines auf die Oberfläche geworfenen Lichtfleckes überdeckt, so daß letztere nicht mehr wahrgenommen werden kann. Da nun aber die Laserstrahlung normalerweise bei ihrer Wellenlänge wesentlich energiereicher als die Strahlung einer heißen, technischen Oberfläche ist, könnte jedenfalls bei der Wellenlänge des Lasers eine Oberstrahlung vermieden werden. Von Nachteil ist dabei aber, daß photoelektrische Empfänger in dieser Form nicht selektiv die Strahlung wahrnehmen können. Das schmalbandige Filter schaltet jedoch die in der Umgebung liegende Temperaturstrahlung in hinreichendem Maße aus, so daß man die reflektierte Laserstrahlung überraschenderweise auch noch bei sehr hohen Temperaturen der Fläche präzise erfassen kann.
Dieses :rstem ist umso wirkungsvoller, je schmalbandiger das optische Filter die Wellenlänge der Laserstrahlung in sich einschließt. Die erforderliche Abbildungsschärfe ist beim Laserstrahl dank dessen geringer Divergenz leicht zu gewährleisten. Die zur Abbildung vorgesehene Optik erlaubt daher eine präzise Auflösung auf dem photoelektrischen Empfänger.
Diesem Verfahren kommt bei der Anwendung auf die Ermittlung der Badspiegelhöhe von flüssigen Stahl in einer Stranggiesskokille zugute, daß sich üblicherweise eine durch Gießpulver erzeugte Schicht auf dem flüssigen Metall befindet, die noch eine geringere Außentemperatur als der flüssige Stahl selbst besitzt. Schwankungen der Temperatur bei dieser Schicht stören indes die Genauigkeit der Messung nicht. Unter Verwendung eines Helium-Neon-Lasers kommt man somit auch dann noch zu einer befriedigenden Diskriminierung des reflektierten Laserlichts gegenüber seiner Umgebung, wenn die Fläche eine Temperatur bis 11000C angenommen hat.
Sehr gute Meßwerte lassen sich bereits durch optische Filter mit einer Halbwertsbreite von weniger als 30 nm erreichen. Mit gegenwärtigen Filtern bestmögliche Messwerte werden bei Halbwertsbreiten von etwa 10 nm erreicht. Oberlicherweise sind Laser mit einer Leistung von etwa 5 mW ausreichend. Sie können, um beispielsweise ohne besondere Schutzmaßnahmen arbeiten zu können, auch noch mit Leistungen bis zu etwa 1,5 mW verwendet werden.
Der bereits beschriebene Helium-Neon-Laser ermöglicht die Bestrahlung mit einer Wellenlänge von etwa 632,8 nme an welche Wellenlänge das Filter angepaßt ist.
Eine weitere sehr interessante Möglichkeit der Diskriminierung wird noch dadurch erreicht, daß die Laserstrahlung als Wechsellicht moduliert wird, so daß auch ein moduliertes Lichtsignal von dem photoelektrischen Empfänger empfangen wird. Es ist dann lediglich noch erforderlich, in der elektronischen Auswerteschaltung die gleiche Modulationsfrequenz zu verwenden, um damit Störeinflüsse aus der Umgebung des auf der Fläche bestrahlten Punktes infolge Eigenstrahlung der Fläche ausschalten zu können.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in zwei grundlegend verschiedenen Ausführungen möglich, die in den Unteransprüchen 8 bis 12 vorgeschlagen sind. Während im einen Falle der Laser mit konstant bleibendem Winkel auf die Oberfläche eingestellt ist, kann dieser Winkel im anderen Falle verändert werden. Dem entspricht einerseits eine Diodenzeilenkamera mit einer entsprechenden Vielzahl von Photodioden oder eine verfahrbare Differentialdiode, während andererseits eine feststehende Differentialdiode vorgesehen ist. Entsprechend sind für den ersten Fall eine Abtastschaltung oder eine Abstandsübertragung erforderlich, wohingegen für die zweite Ausführungsform ein Obertragungsglied für den Einstellwinkel des Lasers notwendig ist. Abtastschaltungen der erwähnten Art sind grundsätzlich bekannt, so zum Beispiel nach der DE-OS 25 16 756, so daß hierauf im Zusammenhang mit der vorliegenden Erfindung nicht näher eingegangen wird. Ebenfalls sind Obertragungsglieder für die Obertragung eines Einstellwinkels oder -abstandes dem Fachmann geläufig.
Das in beiden Fällen zur Anwendung gelangende Interferenzfilter befindet sich zweckmäßig dicht vor der Optik in Richtung auf die Oberfläche, deren Messung vorgesehen ist.
Die Optik sowie ihr Abstand von der Oberfläche lassen sich weiterhin zur Verbesserung der erzielten Messergebnisse so wählen, daß die Abbildungsunschärfe des betrachteten Punktes den gesamten Verlagerungsbereich der Oberfläche nicht größer als die Auflösung des photoelektrischen Empfängers ist. Damit werden Unschärfen in ihrer Auswirkung auf das Messergebnis vermieden, die sich daraus ergeben könnten, daß sich die Gegenstandsweite während des Betriebes ändern kann, wohingegen die Bildweite keine Anderungsmöglichkeiten zuläßt.
Zur weiteren Veranschaulichung der Erfindung wird auf die sich auf ein Ausführungsbeispiel beziehende Zeichnung Bezug genommen.
Die Oberfläche 1, deren Lage zu ermitteln ist, kann unterschiedliche Abstände auf der optischen Achse 2 der Optik 3 besitzen. Drei dieser Lagen der Oberfläche 1 sind zeichnerisch dargestellt. Man erkennt den schematisch dargestellten Laser 4, der im Ausführungsbeispiel mit der optischen Achse 2 den Winkel alpha bildet. In der mittleren Lage trifft der Strahl 5 des Lasers 4 am Punkt 6 auf die Oberfläche, welcher Punkt in diesem Falle mit dem Schnittpunkt mit der optischen Achse 2 zusammenfällt. Dies führt zur Abbildung des Punktes 6 auf dem photoelektrischen Empfänger 7 im Schnittpunkt desselben mit der optischen Achse 2. Bei Ausbildung des photoelektrischen Empfängers 7 als Diodenzeilenkamera würde also die an dieser Stelle liegende Photodiode belichtet, wobei für die Bandbreite des auffallenden Lichtes das Interferenzfilter 8 vor der Optik 3 maßgeblich ist. Eine Abtast- und Auswerteschaltung 9 führt zur Ermittlung der jeweiligen Lage des Bildes auf dem photoeleketrischen Empfänger 7, so daß man hiermit eine Aussage über die Lage der Oberfläche 1 bei einer Verschiebung des Auftreffpunktes 10 um den Abstand d gegenüber der optischen Achse 2 erhält. Dieser Verschiebung entspricht eine Verschiebung der belichteten Diode um den Abstand c.
Um hieraus auf die Lage der Oberfläche 1 zu schließen, wird von einer konstant bleibenden Bildweite a und einer bekannten Gegenstandsweite g0 ausgegangen. Für die gemessene Gegenstandsweite g sind noch die Abschnitte d und b zu beachten, die jeweils die Abstände zwischen den Schnittpunkten der optischen Achse 2 mit den beiden Lagen der Oberfläche 1 einerseits und den Schnittpunkten des Bildstrahls mit den beiden Lagen der Oberfläche 1 andererseits darstellen.
Hieraus ergibt sich für die Auswertung des Abstandes c die folgende Beziehung: c=b' a; g0 b = g0 g d = tg alpha . (g - gO) c = a . tg alpha (1 - g0 g Das in dieser Weise auf eine vorgegebene Ausgangsentfernung bezogene Maß des Abstandes läßt sich rechnerisch in der Auswerteelektronik bilden. Eine ähnliche Beziehung ergibt sich dann, wenn man statt mit einer Diodenzeilenkamera nur mit einer Differentialdiode 13 arbeitet und für das Maß c einen vorgegebenen, festen Wert anzunehmen hat sowie den Winkel alpha als veränderliche Größe in die genannte Beziehung einführt oder die Fotodiode auf das jeweilige Maß c' verschiebt und letzteres als veränderbar berücksichtigt.
Eine insbesondere auf die Erhöhung der Abbildungsschärfe ausgerichtete Anordnung ergibt sich, wenn die Differentialdiode 13 dicht nur senkrecht zur optischen Achse 2 der Optik 3 verschoben wird, sondern entlang einer geraden 14, deren Verlängerung den Schnittpunkt 11 des Strahls 5 des Lasers 4 mit der Hauptebene 12 der Optik 3 schneidet.
Damit folgt die Bahn der Differentialdiode 13 der Scheimpflug'schen Regel und ermöglicht stets eine maximale Abbildungsschärfe.
Die Gerade 14 läßt sich auch für die Ausrichtung der Diodenzeilenkamera 7 verwenden und ermöglicht dann auch für diese die maximale Abbildungsschärfe.
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Claims

Verfahren und Vorrichtung zur Bestimmung der Lage einer Oberfläche PATENTANSPROCHE: 1. Verfahren zur Bestimmung der Lage einer Oberfläche, wobei die Oberfläche mittels eines optischen Strahlers beaufschlagt und unter Verwendung einer Optik ein Bild der Strahlung auf einem photoelektrischen Empfänger erzeugt wird, dadurch gekennzeichnet, daß als Strahler ein Laser verwendet und unter einem zur optischen Achse der Optik geneigten Winkel auf einen Punkt einer auf Grund ihrer Temperatur im gleichen Wellenlängenbereich wie der Laser sichtbar strahlenden Oberfläche gerichtet wird, welche Oberfläche sich etwa senkrecht zur optischen Achse erstreckt und Lageveränderungen entlang dieser optischen Achse unterliegt, wobei der Strahlengang vom bestrahlten Punkt bis zum photoelektrischen Empfänger durch ein schmalbandiges optisches Filter geführt wird, dessen Durchlaßbereich die Wellenlänge des Lasers einschließt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch ein optisches Filter mit einer Halbwertsbreite von weniger als 30 nm geführt wird.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mittels einer Strahlungsleistung eines Lasers von etwa 5 mW beaufschlagt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlung durch ein optisches Filter mit einer Halbwertsbreite von etwa 10 nm geführt wird.
5. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mittels einer Strahlungsleistung eines Lasers von etwa 1,5 mW beaufschlagt wird.
6. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche mittels eines Helium-Neon-Lasers mit einer Wellenlänge von 632,8 nm beaufschlagt wird.
7. Verfahren nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Laserstrahlung als Wechsellicht moduliert wird, und daß innerhalb einer Auswerteschaltung ein Wechselspannungssignal mit der Modulationsfrequenz der Laserstrahlung untersucht wird.
8. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen unter konstant bleibendem Winkel auf die Oberfläche eingestellten Laser (4) und eine etwa senkrecht zur optischen Achse (2) der Optik (3) in deren Fokalebene angeordnete Diodenzeilenkamera mit einer Abtastschaltung (9) aufweist, vor welcher Diodenzeilenkamera sich ein auf die Laserwellenlänge abgestimmtes Interferenzfilter (8) befindet.
9. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen unter veränderbarem Winkel auf die Oberfläche einstellbaren Laser und eine Differentialdiode im Fokalpunkt einer Optik aufweist, vor welcher sich ein auf die Laser-Wellenlänge abgestimmtes Interferenzfilter befindet, wobei für den Einstellwinkel des Lasers ein Sbertragungsglied vorgesehen ist.
10. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen unter konstant bleibendem Winkel auf die Oberfläche eingestellten Laser (4) und eine Differentialdiode (13) mit veränderbarem Abstand von der optischen Achse (2) der Optik (3) aufweist.
11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Differentialdiode (13) entlang einer Geraden (14) verstellbar ist, deren Verlängerung den Schnittpunkt (11) des Strahls (5) des Lasers (4) mit der Hauptebene (12) der Optik (3) schneidet.
12. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen unter kostant bleibendem Winkel auf die Oberfläche eingestellten Laser (4) und eine Diodenzeilenkamera aufweist, deren Diodenzeile entlang einer Geraden (14) verläuft, deren Verlängerung den Schnittpunkt (11) des Strahls (5) des Lasers (4) mit der Hauptebene (12) der Optik (3) schneidet.
13. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß sich das Interferenzfilter (8) dicht vor der Optik (3) in Richtung auf die Oberfläche (1) befindet.
14. Vorrichtung nach den Ansprüchen 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Optik (3) und ihr Abstand von der Oberfläche (lj derart gewählt sind, daß die Abbildungsunschärfe des bestrahlten Punktes im gesamten Verlagerungsbereich der Oberfläche (1) nicht größer als die Auflösung des photoelektrischen Empfängers (7) ist.