ENG, Lukas (Heinrich-Schütz-Str. 15, Dresden, 01277, DE)
KÖßER, Torsten (Bärenburger Weg 17, Dresden, 01277, DE)
ZEH, Christoph (Grunaer Str. 13, Dresden, 01069, DE)
STADLER, Danny (Bernard-von-Steinau-Strasse 1, Burglauer, 97724, DE)
FUHRLAND, Matthias (Hermsdorfer Str. 2, Dresden, 01159, DE)
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| Patentansprüche 1 . Verfahren zur Bestimmung der Lage eines oder mehrerer sich langsam bewegender Objekte (1 ), wobei zu jedem zu beobachtenden Objekt (1 ) mindestens eine CCD-Zeile (1 1 ) existiert, die sich ständig in definierter Position zu dem jeweiligen Objekt (1 ) befindet und in einen Referenz-Laserstrahl (6) gebracht wird und Informationen über die Position, die die CCD-Zeile (1 1 ) im Moment des Eintretens in den Laserstrahl (6) einnimmt, sowie Informationen darüber, welche CCD-Zellen der CCD-Zeile (1 1 ) vom Laserstrahl (6) belichtet werden, an eine Auswerteeinheit (4) übermittelt werden. 2. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass Informationen über die Lage des Laserstrahls (6) von einer Referenzeinheit (3) an die Auswerteeinheit (4) übermittelt werden. 3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) die übermittelten Informationen mit Zeitstempeln versieht und abspeichert. 4. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das Verfahren periodisch oder aperiodisch wiederholt wird und die CCD-Zeile (1 1 ) zwischen den Wiederholungen aus dem Strahlengang des Laserstrahls (6) entfernt wird. 5. Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) a u s d e n I nformationen mehrerer Messungen, den Zeitstempeln und den I nformationen der Referenzeinheit (3) die Bewegung des zu beobachtenden Objekts (1 ) ermittelt. 6. Anordnung zur Bestimmung der Bewegung eines oder mehrerer sich langsam bewegender Objekte (1 ), mindestens bestehend aus einem Laser (5), einem Referenzdetektor (3), mindestens einer Messstelle (2) die an mindestens einem sich langsam bewegenden Objekt (1 ) angeordnet ist und einer Auswerteeinheit (4), wobei • der Laser (5) einen Laserstrahl (6) bereitstellt, der entlang des sich langsam bewegenden Objekts (1 ) oder der sich langsam bewegenden Objekte verläuft und jenseits dieses Objekts (1 ) bzw. dieser Objekte auf einen Referenzdetektor (3) trifft, • der Referenzdetektor (3) I nformationen ü ber den Auftreffpu nkt des Laserstrahls (6) im Referenzdetektor (3) an die Auswerteeinheit (4) übermittelt, • jedes Objekt (1 ), dessen Bewegung bestimmt werden soll, mindestens eine Messstelle (2) aufweist, die mindestens einen Schrittmotor mit einer Achse (10) aufweist, wobei die Achse (10) des Schrittmotors annähernd parallel zur Richtung des Laserstrahls ausgerichtet ist, • eine CCD-Detektoreinheit (8) an einer ihrer Kanten an der Achse (1 0) befestigt ist, wobei die CCD-Detektoreinheit mindestens eine CCD-Zeile (1 1 ) aufweist, die orthogonal zur Achse des Schrittmotors ausgerichtet ist, • der Schrittmotor die CCD-Detektoreinheit (8) in den Strahlengang des Lasers (6) drehen kann und der Laser (6) auf die CCD-Zeile (1 1 ) trifft, • die Auswerteeinheit (4) Informationen von der Messstelle (2) bzw. den Messstel len d rü ber ü berm ittelt erhä lt, i n welch er Lage der CC D- Detektoreinheit (8) die CCD-Zeile (1 1 ) von dem Laserstrahl (6) getroffen wurde und welche Zellen der CCD-Zeile (1 1 ) von dem Laserstrahl (6) getroffen wurden 7. Anord nung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die CCD- Referenzeinheit (3) sich gemeinsam mit dem Laser (5) auf einer Seite des Objekts befindet und die Anordnung weiterhin einen Reflektor (9) auf der gegenüberliegenden Seite des Objekts (1 ) aufweist, der den Laserstrahl (6) erneut entlang des sich langsam bewegenden Objektes (1 ) reflektiert und die CCD- Detektoreinheit (8) zwei CCD-Zeilen aufweist und sowohl im unreflektierten als auch im reflektierten Teil des Strahls (6) misst. 8. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) die übermittelten Informationen speichert. 9. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) die übermittelten Informationen weiterverarbeitet und aus den Informationen der Messstelle (2) bzw. der Messstellen und der Referenzeinheit (3) die Bewegung des Objektes (1 ) bzw. der Objekte ermittelt. 10. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteeinheit (4) die die übermittelten bzw. ermittelten Informationen mit Referenzwerten vergleicht und bei Erreichen bzw. Überschreiten von Referenzwerten eine vordefinierte Aktion ausgelöst wird. 1 1 . Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Ü berm ittl u n g d er I nformati on en zu r Auswerteei n h eit (4) d rahtlos od er drahtgebunden erfolgt. 12. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7 , dad u rch geken nzeichnet, dass die Schrittmotoren der Messstellen (2) kontinuierlich in Betrieb sind und die CCD- Detektoreinheiten (8) sich permanent in rotierender Bewegung befinden, wobei die CCD-Detektoreinheiten (8) mit einem Winkelversatz zueinander an den jeweiligen Achsen (10) der Schrittmotore so angeordnet sind, dass im Strahlengang des Laser (6) befindliche CCD-Detektoreinheiten (8) keine anderen , ebenfalls im Strahlengang befindlichen CCD-Detektoreinheiten (8) abschatten. 13. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die CCD- Detektoreinheiten (8) der Messstellen (2) sich in einer definierten Ruheposition au ßerhal b des Strah lengan ges d es Laserstrah ls (6) befi nden u nd ei ne Steuereinheit den Schrittmotor einer Messstelle (2) so ansteuert, dass die CCD- Zeile (1 1 ) der CCD-Detektoreinheit (8) in den Strahlengang des Lasers (6) bewegt wird. 14. Anordnung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die CCD- Detektoreinheiten (8) eines Teils der Messstellen (2) sich in einer definierten Ruheposition außerhalb des Strahlenganges des Laserstrahls (6) befinden und eine Steuereinheit die Schrittmotoren mehrerer Messstellen (2) so ansteuert, dass die CCD-Zeilen (1 1 ) der CCD-Detektoreinheiten (8) so in den Strahlengang des Lasers (6) bewegt werden, dass sie sich nicht gegenseitig abschatten. 15. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit in die Auswerteeinheit (4) integriert ist. 16. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuereinheit räumlich getrennt von der Auswerteeinheit (4) ist. |
D ie Erfi nd u ng betrifft ei n Verfah re n u nd ei ne Anord n u ng zu r Besti m mu ng der Lageveränderung großer, sich langsam bewegender Objekte unter dem Einsatz von Messstellen, die CCD-Detektoreinheiten mit CCD-Zeilen aufweisen, wobei die CCD- Detektoreinheiten der Messstellen nacheinander in den Strahlengang eines Lasers bewegt werden. Die veränderte Lage des Objekts wird durch eine Auswerteeinheit aus den aktuellen und früheren Messwerten sowie Korrekturwerten, die von einer Referenzeinheit geliefert wurden, berechnet.
Eine wesentliche Aufgabe der industriellen Messtechnik ist die Überwachung von Bewegungen bzw. Verformungen von Objekten. Typische Messobjekte sind Bauwerke (Industriehallen, Kraftwerke, Stauanlagen und Türme), Verkehrsanlagen, Brückenbauwerke, Maschinen- und sonstige Industrieanlagen (z.B. Turbinen- und Förderanlagen, Taktstraßen, Rohrleitungen, Kranbahnen) sowie die damit in Verbindung stehenden natürlichen Objekte. Es wird ein über die Zeit andauerndes Geschehen betrachtet, wobei die Vorgänge von Verformungen eines Messobjektes und von Veränderungen dieses Objektes gegenüber seiner Umgebung erfasst werden. Zielsetzungen dieser Messungen in Industrie, Facility- und Risiko- Management sind:
der Nachweis der Funktion und Standsicherheit eines Objektes und die
Gewährleistung eines störungsfreien Betriebes,
rechtzeitiges Erfassen von Veränderungen um Gefährdung für das Objekt oder die Umwelt zu vermeiden,
Beweissicherung zur Klärung von Ursachen und Schäden am Objekt sowie
Prognosen über das Verhalten in näherer Zukunft und unter bestimmten
Belastungsfällen.
Da die zu überwachenden Prozesse bis zum Eintritt einer katastrophalen Veränderung meist sch leichend ablaufen u nd mit m i n i mal en Verände ru ngen der Bauwerks- bzw. Anlagengeometrie einhergehen, sind Messverfahren einzusetzen, die diese geringfügigen Veränderungen zuverlässig detektieren und aufzeichnen können.
Derartige Messverfahren beruhen üblicherweise darauf, dass Abweichungen von einer geraden Linie beobachtet werden. Die zum Einsatz kommenden Messsysteme werden in der Regel als Aligniersysteme bezeichnet. Bei den Aligniersystemen basieren die verschiedenen Messvarianten darauf, dass anhand einer oder mehrerer Messstellen die Geradlinigkeit der Anordnung geprüft oder die Ablage von Messpunkten zu einer Referenzlinie (Fluchtgerade) über eine Länge von bis zu 300 m messtechnisch erfasst wird. Die Referenzlinie wird bisher auf mechanische oder optische Weise erstellt. Im Falle einer vertikalen Anordnung der Messstellen oder Messpunkte wird das Verfahren als Lotung bezeichnet. Der zu erfassende Messbereich liegt zwischen 5 und 30 cm. Häufig ergibt sich aus den auf das Objekt wirkenden Kräften und den Eigenschaften der Umgebung, insbesondere des Untergrundes, dass eine Bewegung des Objekts in eine bestimmte Richtung zu erwarten ist. Die Messstellen und Messanordnungen werden dann so ausgelegt, dass sie Bewegungen in die erwartete Richtung bevorzugt detektieren können.
Bei den mechanischen Systemen wird die Referenzlinie durch einen gespannten Draht realisiert und die Ablesung der Veränderungen erfolgt an Konsolen, die fest mit dem Bauwerk verbunden sind. Bei den optischen Systemen wird die Verschiebung von Zielzeichen gegenüber der geraden Ziellinie (Referenz) eines Fluchtungsfernrohres gemessen. Andere optische Verfahren nutzen Laser, um Messmarken zu projizieren oder aufgrund veränderter Lauflängen Messstellenbewegungen zu identifizieren.
Nachteilig sind dabei neben der mangelnden Geradlinigkeit Abweichungen infolge von Durchhang und Verdrillung. Ein weiteres Problem des Drahtalignements liegt darin, dass jede Luftbewegung oder Berührung (z.B. äußere Einflüsse) den Draht zum Schwingen bringt und somit die Messgenauigkeit bis zum Abklingen der Schwingung verschlechtert. Außerdem wird die Nutzung der Freiräume wegen der eingeschränkten Begehbarkeit zwischen den einzelnen Messstellen durch den gespannten Draht beeinträchtigt.
Die Problematik der optischen Systeme liegt darin, dass durch starke Umwelteinflüsse (Luftflimmern, Staub und Dampf) eine deutlich geringere Genauigkeit erreicht wird und durch die konzeptionellen Gegebenheiten keine Permanentbeobachtungen möglich sind.
Die DE 20 2006 003 194 U1 beschreibt eine Vorrichtung zur Gebäudeüberwachung, bei der ein Lichtstrahl durch eine Blende auf einen Empfänger gerichtet wird. Sobald die Blende aufgrund der Gebäudebewegung den Lichtstrahl unterbricht, kann Alarm ausgelöst werden. Dieses Verfahren ist jedoch nur als Alarmsystem geeignet, da es keine Aussagen über quantitative Veränderungen im Zeitverlauf liefert.
I n der DE 20 2006 001 480 U 1 wird ein System vorgestellt, bei dem an bestimmten Messpunkten eines zu überwachenden Gebäudes Lichtumlenkpunkte angebracht sind, die kontinuierlich mit Licht bestrahlt werden. Die Veränderungen werden über ein Auswertesystem der Lichtlaufzeit erfasst und dokumentiert. Auch das Auslösen von Alarmen beim Überschreiten zulässiger Grenzwerte ist vorgesehen. Die US 2008/0030710 A1 beschreibt ein Verfahren zur Überwachung eines Brückenträgers mittels eines lasergestützten Entfernungsmessers. Ein reflektierender Messpunkt wirft das Laserl i cht zu m E ntfe rn u ngsmesse r zu rück u n d gestattet so d i e wied e rh o lte Entfernungsbestimmung. Veränderungen dieser Entfernung werden in einer drahtlos oder drahtgebunden mit dem Entfernungsmesser verbundenen Station aufgezeichnet und ausgewertet.
Den beiden vorgenannten Lösungen ist gemein, dass jedem zu überwachenden Messpunkt auch ein Lasersystem zugeordnet ist.
Auf Grund der ständig ansteigenden Komplexität und Größe der zu überwachenden Bauwerke sowie der erhöhten Sicherheitsstandards in Industrie und Umwelt, werden die Forderungen nach hochgenauen, permanent arbeitenden, personal-, ze it- und kostensparenden Überwachungssystemen immer größer. Das Ziel ist die Überwachung risikobehafteter Objekte hinsichtlich ihrer Verformungen, Verschiebungen oder Veränderungen in Echtzeit.
Die Aufgabe ist, ein Verfahren und eine Vorrichtung vorzustellen, die Veränderungen an Bauwerken und sonstigen überwachungsbedürftigen Objekten durch die kontinuierliche Überwachung von einem oder mehreren Messpunkten mittels eines lasergsetützten Systems realisieren.
Diese Aufgabenstellung wird erfindungsgemäß mit dem im Anspruch 1 offenbarten Verfahren gelöst. Eine Anordnung, die zur Lösung der Aufgabenstellung geeignet ist, wird in Anspruch 6 vorgestellt. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den rückbezogenen Unteransprüchen dargestellt.
Das erfindungsgemäße Verfahren löst die Aufgabe, indem mindestens eine CCD-Zeile, die sich stets in definierter Position zum zu beobachtenden Objekt befindet, periodisch oder aperiodisch in einen als Referenzlinie dienenden Laserstrahl eingebracht wird und sowohl die Lage der CCD-Zeile im Moment des Eintritts in den Laserstrahl als auch Informationen, welche CCD-Zellen der CCD-Zeile vom Laser beleuchtet werden an eine Auswerteeinheit übermittelt werden. Die Auswerteeinheit berechnet anhand dieser Daten sowie von Referenzdaten zum Verlauf des Laserstrahls die Lage des Gebäudes. Die erhaltenen und errechneten Informationen können im Gerät abgespeichert oder auch weitergeleitet werden.
Eine Lasereinheit erzeugt einen Laserstrahl bzw. eine Laserebene, welche die Referenzlinie bzw. -ebene darstellt. Die am Mess- bzw. Überwachungsobjekt befestigten Messeinheiten s i n d m i t h ochempfindlichen CCD-Zeilensensoren und Richtungs- sowie Farbfiltern ausgestattet. Über eine kontinuierliche Rotation (Schrittmotor) der CCD-Zeilensensoren schneiden diese innerhalb kurzer Zeit den Laserstrahl, wobei jeweils wenige CCD-Zellen der CCD-Zeilensensoren beleuchtet werden. Nach jedem Auftreffen des Laserstrahls werden die CCD-Zellen durch die Auswerteeinheit ausgelesen, um anschließend über einen Berechnungsalgorithmus die Position des Laserstrahls relativ zur jeweiligen Messstelle auf Submillimeter-Genauigkeit zu berechnen. Die errechnete Position wird mit einem Zeitstempel versehen und anschließend entweder in einem Datenspeicher abgelegt („post-processing") oder an die Echtzeitauswertungssoftware zur Analyse weitergegeben. Die Rotation der CCD- Zeilensensoren erfolgt vorzugsweise für alle CCD-Zeilensensoren gleichsinnig.
Die bisher die Genauigkeit und Funktionalität der Positionsdetektion beeinträchtigende Divergenz des Laserstrahls und die daraus resultierende Zunahme des Strahlendurchmessers wird durch die Verwendung einer speziellen Laserdiode mit einer max. Strahlenaufweitung von 0,5 mrad und dem Einsatz einer speziell konstruierten Fokussiereinrichtung reduziert und kontrolliert. Zusätzlich werden durch den Referenzdetektor auftretende Instabilitäten der Strahlrichtung festgestellt. Die Auswerteeinheit ermittelt daraus Korrekturparameter und verwendet diese zur Berichtigung der Berechnungsergebnisse und/oder der Einstellungen der Lasereinheit.
Das System ermöglicht automatisierte Permanentbeobachtungen an mehreren Messpunkten aufgrund der periodischen Wiederholung des beschriebenen Verfahrens. Durch einen leichten Winkelversatz der CCD-Detektoreinheiten an den verschiedenen Messstellen ist es möglich, Messungen in unterschiedlichen Entfernungen nahezu simultan durchzuführen. Bei diesem Messprinzip wird weder die Laserleistung beeinträchtigt noch ist es notwendig den Strahl um- oder abzulenken und somit kann die Genauigkeit, Funktionalität und Zuverlässigkeit auch für große Reichweiten garantiert werden. Das System kann Bewegungen des zu beobachtenden Objekts in einer Ebene orthogonal zum Strahlengang des Lasers bestimmen.
In einer bevorzugten Ausführung verfügt das System über eine Steuereinheit, die die CCD- Detektoreinheiten in definierte Ruhestellungen fährt. Die Steuereinheit wählt dann, z. B. entsprechend einem vorgegebenen Programm, eine Messstelle aus und steuert den Schrittmotor so an, dass die CCD-Zeile der CCD-Detektoreinheit in den Strahlengang des Lasers gelangt. Anschließend erfolgt die Messung analog zum Betrieb mit kontinuierlich arbeitenden Schrittmotoren. Nach der Messung veranlasst die Steuereinheit die Bewegung der CCD-Detektoreinheit zurück in die Ruhestellung und bewegt so die CCD-Zeile aus dem Strahlengang des Laserstrahles heraus. Dieses Verfahren wird mit den anderen Messstellen wiederholt. Das Verfahren kann aperiodisch, aufgrund einer Programmsteuerung, manuell ausgelöst oder ereignisgesteuert wiederholt werden. Die Steuereinheit kann in die Auswerteeinheit integriert sein oder als selbstständige Einheit ausgebildet sein.
Eine bevorzugte Ausführungsform des Verfahrens sieht vor, auf der dem Laser gegenüberliegenden Seite des sich bewegenden Objekts einen Reflektor anzuordnen, der den Laserstrahl reflektiert, so dass dieser die Referenzeinheit, die hierbei auf derselben Seite des Objekts wie der Laser angeordnet ist, trifft. Der Laserstrahl wird dabei so geführt, dass er auf dem Weg zum Reflektor (als Originalstrahl) die Messstellen auf einer Seite in einem Abstand passiert, in dem die Messstellen ihn mit der CCD-Zeile erfassen können. Auf dem Weg vom Reflektor zum CCD-Referenzdetektor (reflektierter Strahl) passiert er die Messstellen erneut, auch in einem Abstand, der eine Messung ermöglicht. Die Messstellen verfügen in dieser bevorzugten Anordnung über zwei CCD-Zeilen, eine auf der dem Originalstrahl zugewandten Seite (der Vorderseite) und eine auf der diesem abgewandten Seite (der Rückseite). Die aktuelle Messstelle dreht nun die CCD-Zeile auf der Vorderseite der CCD-Detektoreinheit zuerst in den einen Strahlengang, beispielsweise den vom Laser zum Reflektor, und misst. Anschließend wird die CCD-Zeile der Rückseite in den anderen Strahlengang bewegt, z.B. den vom Reflektor zur CCD-Referenzeinheit, und nun mit der zweiten CCD-Zeile erneut gemessen. Anhand der beiden Winkelstellungen der CCD-Detektoreinheit, den belichteten CCD-Zellen, den Informationen der Referenzeinheit und den bekannten Positionen von Laser, Reflektor und CCD-Referenzeinheit lässt sich nicht nur die Bewegung in einer Ebene orthogonal zum Strahlengang des Lasers sondern auch die Bewegung entlang der Verbindungslinie von Laser und Reflektor berechnen.
Das automatische Laseraligniersystem ermöglicht dem Kunden eine schnellere, zuverlässigere, genauere und auf lange Sicht kostengünstige Möglichkeit zum Monitoring von Bauwerksdeformationen, zur Sicherheitsprüfung von Dachkonstruktionen sowie zur Überwachung von industriellen Maschinen und Anlagen. Durch die nahezu simultane, automatisierte Permanentbeobachtungen an mehreren Messpunkten und die Echtzeitanalyse der aufgezeichneten Daten wird ein erheblicher Sicherheitsgewinn durch die Einrichtung eines Frühwarnsystems möglich. Weiterhin wird ein deutlich größerer Messbereich abgedeckt, als es mit bestehenden Technologien möglich ist. Die Installation und Kalibrierung des Systems sowie die Durchführung der Überwachungsmessung kann von nur einer Person erledigt werden. Die hohe Flexibilität des Systems ermöglicht die Anpassung auch an spezielle Kunden- bzw. Objektanforderungen ohne größeren Aufwand.
Die Anfälligkeit der bekannten Lösungen und Methoden (mechanische und optische) gegenüber äußeren Einflüssen (Luftbewegung, Berührung, Luftflimmern, Staub, Dampf und Refraktio n ) wi rd d u rch d i e reg el mä ßige Kal i bri eru ng d es g esamten Systems, laserstrah lstabi l isierende Maßnah men sowie automatische Korrektu ren d u rch Referenzdetektoren und Datenlogger auf ein Minimum reduziert und teilweise eliminiert. Verdrillung und Durchhang spielen bei der Verwendung eines Lasers als Referenz keine Rolle, wie auch eine kurze Unterbrechung des Laserstrahls die Messung nicht beeinträchtigt. Lediglich der zum Unterbrechungszeitpunkt aufgezeichnete Datensatz wird gekennzeichnet und in der Auswertung nicht berücksichtigt
Eine Vorrichtung zur Durchführung einer automatischen Laseralignierung weist mindestens einen Laser, einen Referenzdetektor, eine Auswerteeinheit sowie mindestens eine Messstelle auf. Die Messstelle weist eine CCD-Detektoreinheit auf, die drehbar angeordnet ist und durch einen Schrittmotor in Umdrehung versetzt wird. Die Messstelle bzw. die Messenstellen sind an dem Objekt, dessen Bewegung beobachtet werden soll, angebracht. Der Laser wird außerhalb der voraussichtlichen Bewegungszone des Objekts aufgestellt und sendet einen Laserstrahl aus, der annähernd parallel zur Oberfläche des zu beobachtenden Objekts (bzw. der Objekte) verläuft und auf den CCD-Referenzdirektor trifft, der ebenfalls außerhalb der voraussichtlichen Bewegungszone des Objekts angeordnet ist. Der Laserstrahl verläuft dabei an den Achsen der Schrittmotoren in einem Abstand von diesen vorbei, der es ermöglicht, dass die CCD-Zeilen der CCD-Detektoreinheiten in den Strahlengang eintreten können. Die CCD-Detektoreinheiten sind vorzugsweise platinenförmig ausgebildet, d. h. sie haben eine flache, karten- oder stegartige Form. Jede CCD-Detektoreinheit weist auf einer Vorderseite die dem Laser zugewandt ist eine CCD-Zeile auf. Jede CCD-Detektoreinheit ist wiederum mit einer ihrer Kanten an der Achse eines Schrittmotors so befestigt, dass die CCD-Zeile der Detektoreinheit orthogonal zur Achse des Schrittmotors ausgerichtet ist, die somit ihrerseits annähernd parallel zur Oberfläche des zu überwachenden Objekts und der Verbindungslinie von Laser und Referenzeinheit verläuft. Wenn der Schrittmotor arbeitet, beschreibt die Detektoreinheit eine kreisförmige Bewegung. In Abhängigkeit von der Stellung der CCD- Detektoreinheit unterbricht diese den Laserstrahl oder nicht. Im Laufe der weiteren Rotation der CCD-Detektoreinheit in den Verlauf des Laserstrahls hinein, wird ein Punkt erreicht, an dem der Laserstrahl auf die CCD-Zeile der CCD-Detektoreinheit trifft. Die Informationen über den Winkel der CCD-Detektoreinheit, der sich aus den Schrittfolgen des Schrittmotors ergibt, sowie darüber, welche CCD-Zellen der CCD-Zeile der Laserstrahl erreicht, werden an die Auswerteeinheit übermittelt. Die Auswerteeinheit berechnet aus den übermittelten Informationen zweidimensionale Koordinaten der Lage der Messstelle. Aufgrund der bekannten Lage der Messstelle und der bei wiederholten Messungen entstehenden Zeitreihen lassen sich Informationen zur Bewegung des zu beobachtenden Objekts orthogonal zum Laserstrahl gewinnen. Dabei ergibt sich die Bewegung des Objektes unter Berücksichtigung d e r d u rc h die Referenzeinheit gelieferten Werte. Eventuelle Abweichungen der Laserausrichtung oder sonstige Umwelteinflüsse können so bei der Auswertung berücksichtigt werden. In der Auswerteeinheit können die Daten auch für eine spätere Auswertung gesammelt werden.
Wenn mehrere Messstellen kontinuierlich betrieben werden, sind die Rotationen der CCD- Detektoreinheiten so koordiniert, dass jede Messstelle regelmäßig angestrahlt wird und die CCD-Detektoreinheiten sich nicht gegenseitig abschatten. Die Messungen werden periodisch vorgenommen.
In einer bevorzugten Ausführung werden die Messstellen nicht kontinuierlich betrieben und die Messungen somit aperiodisch vorgenommen. Die Steuereinheit steuert die Schrittmotoren der inaktiven Messstellen derart, dass die CCD-Detektoreinheiten sich in einer definierten Ruheposition außerhalb des Strahlenganges des Laserstrahls befinden. Lediglich der Schrittmotor der aktiven Messstelle wird von der Steuereinheit angesteuert und bewegt die CCD-Detektoreinheit in den Strahlengang des Laserstrahls. Nach erfolgter Messung steuert die Steuereinheit die CCD-Detektoreinheiten zurück in die Ruhestellung und wiederholt den Vorgang mit der nächsten abzufragenden Messstelle. Durch dieses Vorgehen kann eine sehr viel größere Zahl von Messstellen genutzt werden, als wenn sich die Schrittmotoren in ständiger Bewegung befinden und so bei mehreren Messstellen die Gefahr besteht, dass näher zum Laser befindliche Messstellen mit ihren CCD-Detektoreinheiten entferntere Messstellen abschatten.
In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform sind Laser und CCD-Referenzdetektor auf einer gemeinsamen Seite des zu beobachtenden Objekts angeordnet und der Laserstrahl wird über einen, auf der anderen Seite des Objekts befindlichen, Reflektor in die CCD- Referenzeinheit gelenkt. Der Strahlengang des Lasers führt dabei an der Messstelle so vorbei, dass die CCD-Detektoreinheit im Weg des Laserstrahls vom Laser zum Reflektor sowie vom Reflektor zur Referenzeinheit messen kann. Dazu verfügt die CCD-Detektoreinheit auf der Vorder- und der Rückseite über eine CCD-Zeile. Aus den gemessenen Daten kann die Auswerteeinheit nicht nur die Bewegung orthogonal zum Laserstrahl, wie bei der Anordnung ohne Reflektor, sondern auch entlang der Verbindungslinie von Laser und Reflektor bestimmen. Die einzelnen Messstellen lassen ihre CCD-Detektoreinheiten kontinuierlich rotieren oder werden dabei von einer Steuereinheit kontrolliert, die jede Messstelle nach einem vorgegebenen Programm ansteuert und die CCD-Detektoreinheit aus der Ruhestellung in den Strahlengang vom Laser zum Reflektor und anschließend in den Strahlengang vom Reflektor zur CCD-Referenzeinheit dreht und die CCD-Detektoreinheit schlussendlich zurück in die Ruhestellung bewegt. Es ist irrelevant, ob zuerst im Strahlengang vom Laser zum Reflektor oder zuerst im Strahlengang vom Reflektor zur CCD-Referenzeinheit gemessen wird. Wesentlich ist nur, dass die Messungen in beiden Strahlengängen zeitnah, bevorzugt unmittelbar aufeinanderfolgend, vorgenommen werden. Anschließend werden die Daten von der Messstelle an die Auswerteeinheit übermittelt, die nun unter Einbeziehung früher gemessener Werte sowohl die Bewegung in einer Ebene orthogonal zur Verbindungslinie von Laser und Reflektor bestimmen kann, als auch die Bewegung entlang dieser Verbindungslinie. In die Auswertung werden auch Daten des CCD-Referenzdetektors und die bekannten Positionen von Laser, Reflektor und Referenzdetektor einbezogen. Dieser Vorgang kann mit den verbleibenden Messstellen ebenfalls durchgeführt werden. Die Steuereinheit kann als eigenständiges Gerät oder als Teil der Auswerteeinheit ausgeführt sein.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1-4 erläutert.
Es zeigen:
Fig. 1 : Messanordnung beispielhaft mit vier Messstellen. Die erwartete Bewegungsrichtung des Objekts (1 ) verläuft in der y-z-Ebene. Die Schrittmotoren (2) der vier Messstellen sind hier ständig in Betrieb. Aufgrund der unterschiedlichen Winkelstellungen der CCD-Detektoreinheiten besteht keine Gefahr der Abschattung weiter vom Laser entfernter Messstellen durch näher am Laser befindliche.
Fig. 2: Prinzipieller Aufbau einer Messstelle mit dem Schrittmotor der Messstelle (2), der CCD-Detektoreinheit (8) sowie der CDD-Zeile (1 1 ). Die CCD-Detektoreinheit ist an der Achse (10) des Schrittmotors (2) angebracht. Die Befestigung der Messstelle (2) erfolgt dabei auf der Oberfläche des Objekts (1 ). Die erwartete Bewegungsrichtung des Objekts (1 ) verläuft annähernd orthogonal zur Achse (10) des Schrittmotors der Messstelle (2) und dem Laserstrahl (6) in der y-z-Ebene. Der Laserstrahl (6) wird vom Laser (5) erzeugt und trifft auf die CCD-Zeile (1 1 ) mit den CCD-Zellen (12). Wenn sich die CCD-Detektoreinheit 8 nicht im Strahlengang des Laserstrahls (6) befindet, trifft der Strahl auf die Referenzeinheit (3).
Fig. 3: Bewegung der CCD-Detektoreinheit (8). Die CCD-Detektoreinheit bewegt sich aus der Position A in Schritten (B-F) weiter, wobei in der Position B der Laserstrahl auf die CCD-Zeile (1 1 ) trifft und hier die Messung vorgenommen wird. Die tatsächliche Schrittweite ist sehr viel geringer als in dieser Prinzipskizze dargestellt.
Fig. 4: Erfindungsgemäße Anordnung unter Einsatz eines Reflektors (9). Die CCD- Detektoreinheit (8) empfängt in der Position G den Laserstrahl (6) auf dem Weg vom Laser zum Reflektor in ihrer CCD-Zeile (1 1 ). In Position H wird der reflektierte Laserstrahl auf dem Weg vom Reflektor (9) zur CCD-Referenzeinheit (3) durch eine zweite CCD-Zeile (1 1 ) auf der Rückseite der CCD-Detektoreinheit erfasst. Bei dieser Ausführungsform können aus den Stellungen der CCD-Detektoreinheit (8) beim Auftreffen des Laserstrahls (6) auf die CCD-Zeilen (1 1 ) neben der Bewegung in der y-z-Ebene auch Informationen zur Bewegung in x-Richtung erfasst werden.
Bezugszeichenliste
1 zu beobachtendes Objekt
2 Schrittmotor der Messstelle
3 Referenzdetektor
4 Auswerteeinheit
5 Laser
6 Laserstrahl
7 Verbindung zur Auswerteeinheit zur Informationsübermittlung
8 CCD-Detektoreinheit
9 Reflektor
10 Achse des Schrittmotors
1 1 CCD-Zeile
12 CCD-Zellen