DE3010137A1 - Distance measuring device using reflection of light - has remote light source and photodetector coupled to measuring head via optical fibres - Google Patents

Distance measuring device using reflection of light - has remote light source and photodetector coupled to measuring head via optical fibres

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Kurt Dipl.-Phys. 6200 Wiesbaden Wittig
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    • G01S7/4818—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements using optical fibres

Abstract

The device provides the distance of a measuring object from a fixed reference plane. It comprises a light source used to provide a light marking on the measuring object and a photodetector receiving the reflected light coupled to an electronic evaluation circuit. The light source and the photodetector are both coupled to a measuring head containing an optical imaging system via respective optical fibres. Pref. the measuring head has an angled focussing lens receiving the light from the source via the optical fibre and forming a light spot on the measuring object. The reflected light is received by a second lens parallel to the surface of the measuring object with a number of spaced optical fibres on the opposite side of the lens leading to the photodetector. The device can be used for extrusion moulded metal rods or rails.

Description

Lichtoptische Einrichtung zur Messung desOptical device for measuring the

Abstandes zwischen der Oberfläche eines Meßobjektes und einer festen Bezugsebene Technisches Gebiet Die Erfindung bezieht sich auf eine licht optische Einrichtung zur Messung des Abstandes zwischen der Oberfläche eines Meßobjektes und einer festen Bezugsebene mittels eines dem Meßobjekt gegenüberstehenden Bfeßkopfes, bei welcher der Lichtstrahl einer Lichtquelle auf der Oberfläche des Meßobjektes fokussiert und das diffus reflektierte Li eilt von einer Lichtdetektoreinrichtung empfangen wird, welcher eine Auswerteelektronik nachgeschaltet ist Stand der Technik Es ist bereits eine Einrichtung der obengenannten Art bekannt, bei welcher in deren Meßkopf eine Lichtquelle, eine Lichtdetektoreinrichtung, ein optisches Abbildungssystem und eine elektronische Auswerteelektronik angeordnet sind (Druckschrift der Firma Selcom Meßsysteme GmBH OPTOCATOR). Die geometrischen Abmessungen des Meßkopfes sind durch die in ihm untergebrachten Elemente bestimmt, so daß bei sehr beengten Verhältnissen am Meßobjekt eine dichte Anordnung des Meßkopfes nicht möglich ist.Distance between the surface of a measurement object and a fixed one Reference Plane Technical Field The invention relates to a light optical Device for measuring the distance between the surface of an object to be measured and a fixed reference plane by means of a Bfeß head opposite the object to be measured, at which the light beam from a light source on the surface of the measurement object focused and the diffusely reflected Li rushes from a light detector device is received, which is followed by evaluation electronics prior art There is already a device of the above type known in which in the Measuring head a light source, a light detector device, an optical imaging system and an electronic evaluation unit are arranged (publication from the company Selcom measuring systems GmBH OPTOCATOR). The geometrical dimensions of the measuring head are determined by the elements housed in it, so that in very cramped conditions a close arrangement of the measuring head is not possible on the object to be measured.

Bei Stranggießanlagen zum Beispiel wird die Metallbrarnme von an den Breitseiten derselben angeordneten Stützrollen geführt, die relativ dicht nebeneinander angeordnet sind. Trotzdem können Ausbauchungen an noch nicht erhärteten Brammenpartien auftreten, die erfaßt werden sollen. Der bekannte Meßkopf in seiner kleinsten Ausführungsform kann aufgrund seiner Abmessungen nicht mit geringem Abstand über der Oberfläche einer Breitseite der Bramme angeordnet werden, da er nicht zwischen zwei benachbarte Stützrollen in den sich durch Brammenbreit- seite und Stützrollen ergebenden Zwickelraum einbringbar ist Aufgabe Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Meßkopf za schaffen, welcher auch bei räumlich sebr beengten nedingungen dicht am Meßobjekt einsetzbar ist und der für einen robusten Betrieb geeignet ist.In the case of continuous casting plants, for example, the metal fire arm is made from to the Broad sides of the same arranged support rollers guided relatively close to one another are arranged. Nevertheless, bulges can occur on slab sections that have not yet hardened occur that are to be recorded. The known measuring head in its smallest embodiment Due to its dimensions, it cannot be placed a short distance above the surface be arranged on a broad side of the slab, since it is not between two adjacent ones Support rollers in the slab width side and support rollers resulting gusset space is the task of the invention is based on the task of create a measuring head that is tight even in very cramped conditions can be used on the test object and is suitable for robust operation.

LösunS Dicse Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Meßkopf lediglich ein optisches Abbildungssystem enthält, welches über Lichtleitfasern mit der außerhalb des Meßkopfes angeordneten Lichtquelle und Lichtdetektoreinrichtung verbunden ist.SOLUTION This object is achieved according to the invention in that the Measuring head only contains an optical imaging system, which via optical fibers with the light source and light detector device arranged outside the measuring head connected is.

Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind den Unteransprüchen zu entnehmen.Advantageous further developments of the invention are set out in the subclaims refer to.

Vorteile Die durch die Erfindung erzielten Vorteile bestel-lell insbesondere darin, daß durch die Anordnung der Lichtquelle, der Lichtdetektoreinrichtung und der Auswerteelektronik außerhalb des Meßkopfes sich fiir diesen sehr kleine Abmessungen ergeben,und damit eine Montage desselben auch an Meßorten mit sehr beengten Platzverhältnissen möglich ist; bei rauhen Betriebsbedingungen, wie sie beispielsweise bei Stranggießanlagen auftreten (hohe Temperaturen in unmittelbarer Nähe der Metallbramme, Spritzwasser, Abfall von Zunder udgl.), sind die empfindlichen Bauelemente, wie Lichtquelle, Detektoreinrichtung und Auswerteelektronik aus diesem Bereich herausgenommen, so daß Fehlermöglichkeiten beträchtlich reduziert sind; die Anordnung ist auch vorteilhaft einsetzbar bei der Abstandsmessung des Schaufelkranzes im Turbinengehäuse mit den dort vorhandenen hohen Temperaturen.Advantages The advantages achieved by the invention order in particular in that by the arrangement of the light source, the light detector device and the evaluation electronics outside of the measuring head are very small for this result, and thus an assembly of the same also at measuring locations with very confined spaces is possible; in harsh operating conditions, such as those in continuous casting plants occur (high temperatures in the immediate vicinity of the metal slab, splash water, Waste of scale etc.), are the sensitive components, such as light source, detector device and evaluation electronics removed from this area, so that possible errors are considerably reduced; the arrangement can also be used advantageously in the Distance measurement of the blade ring in the turbine housing with the existing ones high temperatures.

Darstellung der Erfindung Die Erfindung wird nachstehend anhand eines in der Zeichnung schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert.DISCLOSURE OF THE INVENTION The invention is explained below with the aid of a In the drawing schematically illustrated embodiment explained in more detail.

Die lichtoptische Einrichtung besteht aus einem dicht über der Oberfläche eines Meßobjektes 1 fest angeordneten Meßkopf 2 mit zwei Linsen 3, 4 und einer beliebig weit vom Meßkopf 2 stationierten Einrichtung 5 mit einer Lichtquelle 6, einer Lichtdetektoreinrichtung 7 und einer Auswertelektronik 8. Die Lichtquelle 6 ist über eine Lichtleitfaser 9 mit der Linse 3 und die Lichtdetektoreinrichtung 7 über eine Vielzahl von nebeneinander allgeordneten Lichtleitfasern 10 mit der Linse 4 verbunden.The light-optical device consists of a close above the surface a measuring object 1 fixed measuring head 2 with two lenses 3, 4 and any one far from the measuring head 2 stationed device 5 with a light source 6, a light detector device 7 and evaluation electronics 8. The light source 6 is via an optical fiber 9 with the lens 3 and the light detector device 7 over a large number of side by side all-order optical fibers 10 connected to the lens 4.

Es sei angenommen, daß das Meßobjekt 1 eien sich in Pfeilrichtung bewegende Metallbramme sei, die durch schematisch dargestellte Stützrollen 11 bis 14, welche an den Breitseiten 15, 16 der Bramme dicht nebeneinander angeordnet sind, geführt wird. Wie ersichtlich, befindet sich der Meßkopf 2 im sich aus den Stützrollen 11, 12 und der Brammenbreitseite 15 ergebenden Zwickelraum. Der sich durch die Stützrollen 11, 12 ergebende Zwischenraum liegt bei etwa 4 cm. Dieser iaum reicht für die tIeranführung des Meßkopfes 2 an die Breit seite 15 der Bramme 1 aus, da dieser lediglich die beiden Linsen enthält Der Durchmesser der Linse 3 kann sehr klein sein (beispielsweise 5 mm), während der Durchmesser der Linse 4 beispielsweise zwischen 5 und 10 mm liegen kann.It is assumed that the measurement object 1 moves in the direction of the arrow moving metal slab, which is supported by schematically shown support rollers 11 to 14, which are arranged close to one another on the broad sides 15, 16 of the slab, to be led. As can be seen, the measuring head 2 is located in the support rollers 11, 12 and the slab broad side 15 resulting gusset space. The one through the support rollers 11, 12 resulting gap is about 4 cm. This iaum is sufficient for the animal guide of the measuring head 2 to the broad side 15 of the slab 1, since this only the The diameter of the lens 3 can be very small (for example 5 mm), while the diameter of the lens 4 is between 5 and 10 mm, for example can.

Die Lichtquelle 6 kann beispielsweise eine Gallium-Arsenid-Diode sein, deren Licht in das eine Ende der Lichtleitfaser 9 eingekoppelt wird und am sich im Meßkopf 2 befindlichen anderen Endc der Lichtleitfaser 9 austritt und mittels der diesem Ende zugeordneten Linse 3 auf der Oberfläche 15 der Bramme 1 fokussiert wird. Gegebenenfalls kann die Beleuchtungslinse 3 auch entfallen und das im Meßkopf 2 befindliche ende der Lichtl<itfaser 9 ist dann dicht an das Meßfenster 17 des Neßkopfes 2 geführt ; auf der Oberfläche 15 der Bramme l ergibt sich zwar kein Lichtpunkt 1 sondern eine Lichtfläche, die jedoch begrenzt und noch tragbar ist.The light source 6 can be, for example, a gallium arsenide diode, whose light is coupled into one end of the optical fiber 9 and on itself located in the measuring head 2 other Endc of the optical fiber 9 exits and means the lens 3 assigned to this end is focused on the surface 15 of the slab 1 will. If necessary, the illumination lens 3 can also be omitted and the end of the optical fiber 9 located in the measuring head 2 is then close to the Measuring window 17 of the Neßkopfes 2 guided; on the surface 15 of the slab l results It is not a point of light 1 but a surface of light that is limited and still is portable.

Die von der Oberfläche 15 der Bramme l reflektierte Strahlung wird über die Beobachtungs-Linse 4 in das Lichtleiterfaserbündel 10 eingekoppelt und tritt in entsprechender Positionierung an den in der Einrichtung 5 befindlichen Faserendell aus und trifft auf die Lichtdetektoreinrichtung 7.The radiation reflected from the surface 15 of the slab 1 is coupled into the optical fiber bundle 10 via the observation lens 4 and occurs in the appropriate positioning on those located in the device 5 Fiber end and strikes the light detector device 7.

Nachstehend wird die Wirkungsweise der licht optischen Einrichtung näher erläutert.The operation of the optical device will now be described explained in more detail.

An der Bramme l möge eine Deformation oder Verschiebung um den Betrag D auftreten. Liegt noch keine Abstandsanderung vor, so trifft der Lichtstrahl im Punkt a auf die Oberfläche 15 und der reflektierte Lichtstrahl b wird mittels der Linse 4 beispielsweise in das Ende der Lichtleitfaser 10a und die umgebenden Fasern eingelcoppelt, von ihnen an das andere Ende geleitet und trifft auf die Lichtdetektoreinrichtung 71 die aus einem schematisch dargestellten, an sich bekannten ortsabhängigen Photodetektor l8 besteht. Der Ausgangsspannungswert dieses Detektors hängt davon ab, an welcher Stelle 19, 20 ... 30, 31 die Beleuchtung erfolgt. Tritt beispielsweise aus dem Ende der Lichtleitfaser 10b Licht aus, so wird der Detektor t8 an diesem Meßort erregt und gibt eine zu diesem Meßort gehörige Signalinformation ab.On the slab I may be deformed or displaced by the amount D occur. If there is still no change in distance, the light beam hits the Point a on the surface 15 and the reflected light beam b is by means of Lens 4, for example, in the end of the optical fiber 10a and the surrounding fibers coupled in, passed by them to the other end and hits the light detector device 71 from a schematically illustrated, per se known, location-dependent photodetector l8 exists. The output voltage value of this detector depends on which one Position 19, 20 ... 30, 31 the lighting takes place. For example, step out of the end the optical fiber 10b emits light, the detector t8 is excited at this measurement location and emits signal information associated with this measurement location.

Dieses Signal gelangt an die Auswerteeinrichtung 8.This signal reaches the evaluation device 8.

Tritt nun eine Abstandsänderung der Bramme 1 um den Betrag D auf, so ist der Abstand Oberfläche 15 - Meßkopf 2 um diesen Betrag vergrößert und der Beleuchtungslicht strahl der Quelle 6 trifft die Oberfläche 15 im Punkt c; der Beleuchtungspunkt wird mittels der Linse 4 beispielsweise iii das Ende der Lichtleitfaser 10c eingekoppelt, wird von dieser zur Einrichtung 5 übertragen und beleuchtet den Meßort 30 des ortsabhängigen Detektors 18, welcher ein dem Deformationsabstand D entsprechendes Signal an die Auswerteeinrichtung 8 gibt.If there is now a change in the distance of the slab 1 by the amount D, so the distance surface 15 - measuring head 2 is increased by this amount and the Illuminating light beam from the source 6 hits the surface 15 at point c; the The point of illumination is, for example, the end of the optical fiber by means of the lens 4 10c coupled, is transmitted from this to the device 5 and illuminates the Measurement location 30 of the location-dependent detector 18, which corresponds to the deformation distance D gives a corresponding signal to the evaluation device 8.

Jede auftretende Abstandsänderung zwischen Oberfläche 15 und Meßkopf 2 wird also über die Lichtleitfasern 10 auf den Detektor 18 abgebildet, welcher ein entsprechendes Signal ausgibt.Any change in distance that occurs between surface 15 and measuring head 2 is thus imaged on the detector 18 via the optical fibers 10, which outputs a corresponding signal.

Die Lichtinformation kann über die einzelnen Lichtleitfasern auch an deren Enden einzeln angeordneten Lichtdetektoren (Photodioden) zugeführt werden.The light information can also be transmitted via the individual optical fibers at the ends of which individually arranged light detectors (photodiodes) are fed.

Die Auswerteeinrichtung 8 kann einen Analog-Digital-Wand-1er aufweisen, welcher die analogen Signale des Dctektors i8 in Digitalsignale zwecks Weiterverarbeitung umsetzt.The evaluation device 8 can have an analog-digital converter, which converts the analog signals of the detector i8 into digital signals for further processing implements.

Die verwendeten Lichtleitfasern 9, 10 können Mehrmodefasern mit einem Durchmesser von etwa 100 Rm sein, so daß sich am Abbildungsort eine diesem E:aserdurchmesser entsprechende Auflösung ergibt.The optical fibers used 9, 10 can multi-mode fibers with a Be about 100 Rm in diameter, so that there is an E: aser diameter at the image location corresponding resolution results.

Um den Raum zwischen Meßkopf 2 und Oberfläche 15 sauberzuhalten, kann der Meßkopf 2 in nicht weiter dargestellter Weise einen Preßluftanschluß aufweisen, wobei die Preßluft beispielsweise durch das Fenster 17 austritt und die Strecke zwischen Meßkopf 2 und Oberfläche 15 freibläst.To keep the space between the measuring head 2 and surface 15 clean, can the measuring head 2 have a compressed air connection in a manner not shown, the compressed air exiting, for example, through the window 17 and the route clears between measuring head 2 and surface 15.

Ferner kann der Meßkopf 2 mit einer Wasserkühlung versehen sein.Furthermore, the measuring head 2 can be provided with water cooling.

Claims (2)

Patentansprüche 1. Lichtoptische Einrichtung zur Messung des Abstandes zwischen der Oberfläche eines Meßobjektes und einer festen Bezugsebene mittels eines dem Meßobjekt gegenüberstehenden Meßkopfes, bei welcher der Lichtstrahl einer Lichtquelle auf der Oberfläche des Meßobjektes eine Lichtmarke erzeugt und das reflektierte Licht von einer Lichtdetektoreinrichtung empfenden wird, welcher eine Auswertelektronik nachgeschaltet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßkopf (2) lediglich ein optisclles Abbildungssystem (3, 4) enthält, welches über Lichtleitfasern (9, 10) mit der außerhalb des Meßkopfes (2) angcordneten Lichtquelle (6) und Li chtdet eictoreiiirichtung (7) verbunden ist.Claims 1. Light-optical device for measuring the distance between the surface of a measurement object and a fixed reference plane by means of a the measuring head facing the measurement object, in which the light beam of a light source A light mark is generated on the surface of the measurement object and the reflected Light is received by a light detector device, which has evaluation electronics is connected downstream, characterized in that the measuring head (2) is only an optical Contains imaging system (3, 4), which via optical fibers (9, 10) with the outside of the measuring head (2) arranged light source (6) and Li chtdet eictoreiiirrichtung (7) is connected. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß im Meßkopf (2) eine das von der Oberfläche (15) des Meßobjektes reflektierte Licht abbildende Linse (4) angeordnet ist 1 welcher Enden einer Vielzahl von Lichtleitfasern (10) gegenüberstehen1 in die das reflektierte Licht eingekoppelt wird und daß die anderen Enden dieser Liehtleitfasern (10) einem ortsabhängigen Lichtdetektor (18) zugeordnet sind. 2. Device according to claim 1, characterized in that in the measuring head (2) an image of the light reflected from the surface (15) of the measurement object Lens (4) is arranged 1 which ends of a plurality of optical fibers (10) opposite1 into which the reflected light is coupled and that the other The ends of these light guide fibers (10) are assigned to a location-dependent light detector (18) are.
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