DE1082742B

DE1082742B - Circuit arrangement for length measurement

Info

Publication number: DE1082742B
Application number: DEF28255A
Authority: DE
Inventors: Dr Herbert Windischbauer
Original assignee: Fernseh GmbH
Current assignee: Robert Bosch Fernsehanlagen GmbH
Priority date: 1959-04-18
Filing date: 1959-04-18
Publication date: 1960-06-02

Description

Schaltungsanordnung zur Längenmessung Die Erfindung bezieht sich auf eine Schaltungsanordnung zur berührungslosen Messung von Längen mittels Bildaufnahmeröhren, die Videosignale erzeugen.Circuit arrangement for length measurement The invention relates to a circuit arrangement for non-contact measurement of lengths using image pick-up tubes, which generate video signals.

Dabei wird eine von der Meßgröße abhängige elektrische Größe abgeleitet, welche entweder zur Aussteuerung einer Anzeigevorrichtung oder als Steuersignal verwendet wird.An electrical quantity dependent on the measured quantity is derived, which either to control a display device or as a control signal is used.

Bei der berührungslosen Messung von Längen mittels Bildaufnahmeröhren ergibt sich die Schwierigkeit, daß es nicht in allen praktisch vorkommenden Fällen ohne weiteres möglich ist, ein Videosignal zu gewinnen, von dem sich in weiterer Folge eine elektrische Größe ableiten läßt, die zur Aussteuerung einer Anzeigevorrichtung herangezogen werden kann. Dies deshalb, weil das Nutzsignal des Videosignals mit einem relativ sehr ausgeprägten Störsignal überlagert sein kann. Unter Störsignal soll dabei die Summe all jener Signale einschließlich des Rauschens verstanden werden, die das Nutzsignal verschlechtern und dadurch die Durchführung des Meßverfahrens beeinträchtigen. For the non-contact measurement of lengths using image pick-up tubes the difficulty arises that it is not in all practical cases it is easily possible to obtain a video signal from which further Result can derive an electrical variable that is used to control a display device can be used. This is because the useful signal of the video signal with can be superimposed on a relatively very pronounced interference signal. Under interfering signal should be understood as the sum of all those signals including the noise, which degrade the useful signal and thereby the implementation of the measurement process affect.

Um das Verhältnis Nutzsignal zu Störsignal zu verbessern, wird nach einem bekannten Verfahren in nur einer Zeile mit relativ geringer Frequenz abgetastet und das Auflösungsvermögen der Bildaufnahmeröhre nur in der Abtasteinrichtung voll ausgenutzt, wogegen die Auflösung in der dazu senkrechten Richtung gering ist. In order to improve the ratio of useful signal to interfering signal, after a known method scanned in only one line at a relatively low frequency and the resolution of the image pick-up tube is only full in the scanning device exploited, whereas the resolution in the direction perpendicular to it is low.

Dabei wird die wirksame Fläche der lichtempfindlichen Schicht der Bildaufnahmeröhre vollständig oder fast vollständig abgetastet. Von den normalerweise zur Verfügung stehenden Videosignalanteilen der einzelnen Zeilen wird also nur ein einziges zur Gewinnung der Meßdaten herangezogen. Außerdem wird eine besonders langsame Abtastfrequenz gewählt. Durch diese beiden Maßnahmen - welche die bei der Messung verfügbare Information herabsetzten - wird jedoch die Genauigkeit der Messung herabgesetzt. Dies einmal deshalb, weil eine Meßgröße im allgemeinen um so genauer ermittelt werden kann, je größer die Zahl der Einzelmessungen ist, aus denen sie durch fehlerveiringernde Mittel gewonnen wird. Außerdem wird die Meßgenauigkeit bei dem bekannten Verfahren auch dadurch herabgesetzt, daß die einzige Zeile entweder mit einem sehr breiten, in vertikaler Richtung auseinandergezogenen Elektronenstrahl (wobei die lange Achse des Strahlendurcbmessers nie genau senkrecht zur Zeile in Abtastrichtung verläuft) abgetastet wird oder daß die abgetastete Fläche durch Wobbelung in vertikaler Richtung vergrößert wird. Bei der Wobbelung wird der Abtastweg länger, und es entstehen Unlinearitäten, welche ebenfalls die Meßgenauigkeit herabsetzen.The effective area of the photosensitive layer becomes the Image pick-up tube scanned completely or almost completely. Of those usually available video signal components of the individual lines is only one only used to obtain the measurement data. It is also a particularly slow one Sampling frequency selected. By these two measures - which one when measuring Reduce the available information - however, the accuracy of the measurement is reduced. This is because a measured variable can generally be determined all the more precisely can, the greater the number of individual measurements from which they are due to error-denying Fund is gained. In addition, the measurement accuracy in the known method also reduced by the fact that the single line is either marked with a very wide, electron beam expanded in the vertical direction (with the long axis of the beam diameter is never exactly perpendicular to the line in the scanning direction) is scanned or that the scanned area by wobbling in the vertical direction is enlarged. With the wobble, the scanning path becomes longer, and non-linearities arise, which also reduce the measurement accuracy.

Es ist ferner ein Verfahren zur Breitenmessung von Gegenständen bekannt, bei dem der Gegenstand unter Verwendung optischer Mittel auf der Frontplatte einer Fernsehaufnahmeröhre derart abgebildet wird, daß bei der Abtastung des Bildes angenähert rechteckförmige Impulse entstehen. Dabei ist die Zeitdifferenz - zwischen dem Auftreten der Vorder- und Rückflanken dieser Impulse - der Breite des aufzunehmenden Gegenstandes proportional. Zur Ermittlung dieser Zeitdifferenz ist eine Phasenumkehrstufe erforderlich, durch welche die negativen Spannungssprünge in positive Spannungssprünge umgewandelt werden, so daß die Zeitdifferenz zwischen den ursprünglich positiven Spannungssprüngen und den durch die Phasenumkehrstufe bewirkten positiven Spannungssprüngen bestimmt werden kann. Ferner ist ein Tiefpaßfilter vorgesehen, um rechteckförmige Impulse in sinusförmige Impulse umzuwandeln. A method for measuring the width of objects is also known, in which the object using optical means on the faceplate of a Television pickup tube is imaged so that when scanning the image approximated rectangular impulses arise. Here is the time difference - between occurrences the leading and trailing edges of these pulses - the width of the object to be picked up proportional. A phase inversion stage is required to determine this time difference, through which the negative voltage jumps are converted into positive voltage jumps so that the time difference between the originally positive voltage jumps and the positive voltage jumps caused by the phase reversal stage are determined can be. Furthermore, a low-pass filter is provided to prevent square-wave pulses to convert it into sinusoidal impulses.

Die Erfindung bezweckt, die obengenannten Nachteile zu vermeiden, und beruht auf der Erkenntnis, daß bei vorgegebener Abtastfrequenz eine größtmögliche Anzahl von Meßdaten gewonnen werden soll, um dann daraus den mit dem geringsten Fehler behafteten Meßwert zu ermitteln. The invention aims to avoid the above-mentioned disadvantages, and is based on the knowledge that for a given sampling frequency a maximum possible Number of measurement data is to be obtained, in order to then use the least one To determine faulty measured value.

Erfindungsgemäß wird das zwecks Längenmessung gewonnene Videosignal einem elektrischen Filter zugeleitet, welches das Störsignal wenigstens teilweise unterdrückt. Das vom Ausgang des Filters abgenommene Signal wird dann in bekannter Weise entweder direkt oder nach weiterer Umformung einer Anzeigevorrichtung und/oder einer Steuereinrichtung zugeleitet. Die Erfindung bietet gegenüber dem eingangs genannten bekannten Verfahren die Vorteile, daß die gesamte beim Abtastvorgang gewonnene Information zwecks Gewinnung einer Meßgröße - nach den Grundsätzen des kleinsten auftretenden Fehlers - zur Verfügung steht und daß bei der Erfindung eine handelsübliche Abtasteinrichtung verwendet werden kann, deren Herstellungspreis geringer ist als derjenige von Sonderkonstruktionen, wie sie bei den bekannten Verfahren als Abtasteinrichtung verwendet werden. According to the invention, the video signal obtained for the purpose of length measurement is used fed to an electrical filter, which at least partially suppressed. The signal taken from the output of the filter then becomes known in Way either directly or after further reshaping of a display device and / or fed to a control device. The invention offers over the initially mentioned known method the advantages that the entire obtained during the scanning process Information for the purpose of obtaining a measurable variable - according to the principles of the smallest occurring error - is available and that with the invention a commercially available Scanning device can be used whose manufacturing price is less than that of special constructions, such as those used in the known processes as a scanning device be used.

Es ist zweckmäßig, wenn man das Videosignal einem der an sich bekannten Kammfilter zuleitet, welches im Bereich der Harmonischen des Nutzsignals Durchlaßbereiche aufweist. Die Form des Nutzsignals läßt sich mindestens annähernd entweder experimentell oder theoretisch ableiten. Es kann dann die Fourier-Transformierte dieses Nutzsignals bestimmt und das Kammfilter derart gewählt werden, daß es im Bereich der Harmonischen Durchlaßbereiche aufweist. It is useful if the video signal is one of those known per se Comb filter feeds in which pass bands in the range of the harmonics of the useful signal having. The form of the useful signal can be at least approximately derive either experimentally or theoretically. It can then be the Fourier transform determined this useful signal and the comb filter can be selected so that it is in Has range of harmonics passbands.

Es wäre günstig, wenn die Harmonischen des Nutzsignals deutlich von jenen des Störsignals getrennt sind, so daß ein Kammfilter, welches im Bereich der Harmonischen des Nutzsignals Durchlaßbereiche aufweist, eine vollständige Unterdrückung des Störsignals bewirkt. It would be beneficial if the harmonics of the useful signal were clearly from those of the interfering signal are separated, so that a comb filter, which is in the range of Has harmonics of the useful signal pass bands, a complete suppression of the interfering signal.

In vielen Fällen ist eine derartige vollständige Unterdrückung des Störsignals nicht möglich, aber dessen teilweise Unterdrückung genügt bereits, um ein brauchbares Signal zu bekommen.In many cases such complete suppression of the Interfering signal not possible, but its partial suppression is enough to to get a usable signal.

Die Fourier-Transformierten des Nutzsignals und des Störsignals sind von vielen Parametern (beispielsweise hinsichtlich der Eigenschaften und der Anordnung der Apparatur, der Beleuchtung, der Absorptionsverhältnisse) abhängig. Meistens sind - im Rahmen der Betriebsbedingungen - von vornherein mehrere verschiedene Gruppen von Parametern anwendbar. Daraus soll nun aber jene Gruppe von Parametern ausgewählt werden, welche derartige Fourier-Transformierte des Nutz- und/oder des Störsignals bewirkt, daß insbesondere mindestens die niederen Harmonischen des Nutz- bzw. The Fourier transforms of the useful signal and the interference signal are of many parameters (for example in terms of properties and arrangement the apparatus, the lighting, the absorption ratios). Usually are - within the framework of the operating conditions - several different groups from the outset of parameters applicable. From this, however, that group of parameters should now be selected which such Fourier transform of the useful and / or the interference signal causes in particular at least the lower harmonics of the useful or

Störsignals deutlich voneinander getrennt sind.Interfering signals are clearly separated from each other.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung kann das Videosignal auch einem Filter (z. B. einem Optimalfilter nach Prof. N. Wiener) zugeleitet werden, von dessen Ausgang ein Signal abgegeben wird, welches dem im Videosignal enthaltenen Nutzsignal entspricht, aber sich auf einen Zeitpunkt bezieht, der vom Zeitpunkt der Abtastung abweicht. Beispielsweise kann das Signal vom Ausgang des Filters eine Vorhersage für das zu einem späteren Zeitpunkt zu erwartende Nutzsignal darstellen. According to a further development of the invention, the video signal can also be fed to a filter (e.g. an optimal filter according to Prof. N. Wiener), from the output of which a signal is emitted which corresponds to that contained in the video signal Useful signal corresponds to, but refers to a point in time from the point in time the scanning deviates. For example, the signal from the output of the filter can be a Represent a prediction for the useful signal to be expected at a later point in time.

Auf diese Weise kann die Ansprechdauer von Steuervorrichtungen kompensiert werden.In this way, the response time of control devices can be compensated will.

Im folgenden werden die Erfindung und Ausführungsbeispiele derselben an Hand der Fig. 1 bis 4 näher erläutert. Es zeigt Fig. 1 ein Videosignal, Fig. 2 ein Blockschaltbild einer Längenmeßeinrichtung, Fig. 3 eine rechteckförmige Impulsfolge als ideallsiertes Nutzsignal, Fig. 4 Impedanzfunktion eines Kammfilters bei Annahme eines Nutzsignals nach Fig. 3. The following are the invention and embodiments thereof explained in more detail with reference to FIGS. 1 shows a video signal, FIG. 2 shows a block diagram of a length measuring device, FIG. 3 shows a rectangular pulse sequence as an idealized useful signal, Fig. 4 impedance function of a comb filter with assumption of a useful signal according to FIG. 3.

Das in Fig. 1 dargestellte Videosignal V besteht aus dem Nutzsignal N und dem Störsignal St. Es kann z. B. dadurch zustande kommen, daß ein bandförmiges Gut, dessen Breite gemessen werden soll, von einer Fernsehkamera aufgenommen wird, wobei die Bewegungsrichtung des Bandes senkrecht zur Horizontalabtastrichtung der Fernsehkamera liegt. In diesem besonderen Fall wird also beim Abtasten jeder der Zeilen ein Videosignal nach Fig. 1 erzeugt, wobei insbesondere das angenäherte rechteckförmige Nutzsignal N von dem an der Meßstelle vorbeigeführten Band bewirkt wird. The video signal V shown in Fig. 1 consists of the useful signal N and the interference signal St. It can, for. B. come about that a band-shaped Well, the width of which is to be measured, is picked up by a television camera, wherein the direction of movement of the tape is perpendicular to the horizontal scanning direction of the TV camera lies. In this particular case, each of the Lines generated a video signal according to Fig. 1, in particular the approximate rectangular Useful signal N is brought about by the tape passed by the measuring point.

In manchen Fällen ist das Störsignal St im Verhältnis zum Nutzsignal N derart groß, daß es nicht ohne weiteres möglich ist, aus dem Videosignal V eine elektrische Größe abzuleiten, die von der zu messenden Länge abhängt und die in weiterer Folge zur Aussteuerung einer Anzeigenvorrichtung dienen kann. Ein besonders großes Störsignal St entsteht z. B. bei der Breitenmessung glühender Stahlblöcke in Walzwerken, insbesondere deshalb, weil im Strahlengang zwischen dem Stahlblock und der Fernsehkamera Absorptionen durch Staub und Dampf auftreten. In some cases the interference signal is St in relation to the useful signal N so large that it is not easily possible from the video signal V a derive electrical quantity that depends on the length to be measured and that in can also serve to control a display device. A special one large interference signal St arises z. B. when measuring the width of glowing steel blocks in rolling mills, especially because in the beam path between the steel block and the television camera absorbs dust and steam.

Bei relativ großem Störsignal St ist es zweckmäßig, das Videosignal V der Fernsehkamera 20 (Fig.2) über ein Filter 21, eventuell nach weiteren Umformungen in Stufe 22, der Anzeigevorrichtung 23 zuzuleiten. In einem besonders günstigen Fall wird das Störsignal St durch das Filter 21 derart vollständig unterdrückt, daß nur das Nutzsignal weitergeleitet wird. Meistens läßt sich nur ein mit einem gewissen Störanteil versehenes Signal 5 gewinnen, welches jedoch - insbesondere nach weiterer Umformung - geeignet ist, die Anzeigevorrichtung 23 zu steuern. In the case of a relatively large interference signal St, it is advisable to use the video signal V of the television camera 20 (Fig.2) via a Filter 21, possibly after further transformations in step 22, the display device 23 to be fed. In a particularly cheap In the event that the interference signal St is completely suppressed by the filter 21, that only the useful signal is passed on. Most of the time you can only get one with one gain a certain amount of interference provided signal 5, but which - in particular after further reshaping - is suitable for controlling the display device 23.

Fig. 3 zeigt eine rechteckförmige Impulsfolge, wie sie im Idealfall als Nutzsignal auftreten würde. Auf der Abszissenachse wurde die Zeit x, auf der Ordinatenachse die Amplitude f (x) aufgetragen. Die Impulshöhe der rechteckförmigen Impulse ist dem Betrage nach gleich c, und deren Breite beträgt 2xl. Der mathematische Ausdruck für einen derartigen Impuls lautet: Die harmonischen Koeffizienten betragen: 2csinmx1 c m=l, 2, tm X 15t Fürc=D und für x1 = 2 betragen die Koeffizienten für die Werte von m 1 bis m = 11 (abgerundet) 0,70, 0,50, 0,23, 0, -0,14, -0,17, -0,10,0, O, 0,08, 0,10, 0,06.Fig. 3 shows a rectangular pulse sequence, as would ideally occur as a useful signal. The time x was plotted on the abscissa axis and the amplitude f (x) was plotted on the ordinate axis. The magnitude of the pulse height of the rectangular pulses is equal to c, and their width is 2xl. The mathematical expression for such an impulse is: The harmonic coefficients are: 2csinmx1 cm = 1.2, tm X 15t Fürc = D and for x1 = 2 the coefficients for the values from m 1 to m = 11 (rounded off) are 0.70, 0.50, 0.23 , 0, -0.14, -0.17, -0.10.0, O, 0.08, 0.10, 0.06.

Fig. 4 zeigt die Impedanzfunktion eines Kammfilters, welches bei einem Nutzsignal nach Fig. 3 als Filter 21 geschaltet werden kann. Auf der Abszissenachse der Darstellung nach Fig. 4 sind die Frequenzen beginnend mit v0 eingezeichnet. Das Kammfilter hat also jeweils dort Durchlaßbereiche, wo die Harmonischen v0 bis 11 v0 des Rechteckimpulses nach Fig. 3 liegen. v0 entspricht dabei der Fernsehhorizontalfrequenz. Auf der Ordinatenachse sind über den Werten der Harmonischen die absoluten Beträge der oben angegebenen Koeffizienten für m = 1 bis m = 11 aufgetragen, so daß sich eine spektrale Berandungsfunktion B (v) ergibt, welche dem Betrage nach gleich der Fourier-Transformierten eines einzelnen Rechteckimpulses nach Fig. 3 ist. Fig. 4 shows the impedance function of a comb filter which is used in a useful signal according to FIG. 3 can be switched as a filter 21. On the abscissa axis the illustration according to FIG. 4 shows the frequencies beginning with v0. The comb filter thus has passbands where the harmonics v0 to 11 v0 of the square pulse according to FIG. 3 lie. v0 corresponds to the television horizontal frequency. On the ordinate axis are the absolute amounts above the values of the harmonics of the coefficients given above for m = 1 to m = 11 are plotted so that a spectral boundary function B (v) results, which is equal to the absolute value of Is Fourier transform of a single square wave of FIG.

Bei den obigen Ausführungen wird, genaugenommen, nicht ein exakt rechteckförmiges Nutzsignal vorausgesetzt (welches in der Praxis nie auftreten wird), sondern ein Signal, dessen mathematischer Ausdruck f (x) in Form einer Reihendarstellung beim zwölften Glied abgebrochen ist. Dadurch stellt die Reihe f (x) einen angenäherten Rechteckimpuls dar, wie er in manchen Fällen, insbesondere bei der - Breitenmessung von bandförmigem Material (Horizontalabtastrichtung verläuft senkrecht zu den Bandkanten), als Nutzsignal N zu erwarten ist. In the above explanations, strictly speaking, there is no exact Assuming rectangular useful signal (which will never occur in practice), but a signal whose mathematical expression f (x) in the form of a series representation broke off at the twelfth link. As a result, the series f (x) represents an approximate Rectangular pulse, as it is in some cases, especially in the - width measurement of tape-shaped material (horizontal scanning direction runs perpendicular to the tape edges), as the useful signal N is to be expected.

Die harmonischen Koeffizienten und damit die Funktionswerte der Darstellung nach Fig. 4 sind von der Breite der Rechteckimpulse und damit von der Größe x1 nach Fig. 3 abhängig. Da sich die Größe x1 voraussetzungsgemäß ändert, ist es zweckmäßig, bei der Berechnung der Impedanzfunktion nach Fig. 4 den auf Grund der Wahrscheinlichkeit sich am häufigsten einstellenden Wert xl, also z. B. den zu erwartenden Mittelwert, der Berechnung zugrunde zu legen. The harmonic coefficients and thus the function values of the representation according to Fig. 4 are of the width of the rectangular pulses and thus of the size x1 according to Fig. 3 depends. Since the size x1 changes according to the prerequisites, it is useful to when calculating the impedance function according to FIG. 4, based on the probability value xl that occurs most frequently, e.g. B. the expected mean value, to be used as a basis for the calculation.

In manchen Fällen, insbesondere dann, wenn mit großen Schwankungen der Impulsbreiten des Nutzsignals zu rechnen ist, ist es zweckmäßig, ein Kammfilter zu verwenden, dessen Minimaldämpfung für alle Harmonischen vO, 2 vO, 3 vO, ... gleich groß ist. In some cases, especially when there are large fluctuations the pulse width of the useful signal is to be calculated, it is advisable to use a comb filter to use, its minimum attenuation for all harmonics vO, 2 vO, 3 vO, ... the same is great.

Claims

PATENT CLAIM: 1. Circuit arrangement for non-contact measurement of lengths by means of image pick-up tubes that generate a video signal, whereby an electrical quantity dependent on the measured quantity is derived and either is used to control a display device and / or as a control signal, thereby gekenaaeichnet that the video signal (V), which is known from a Useful signal (N) and composed of an interference signal (St), fed to a filter (21) is, which suppresses the interference signal (St) at least partially, and that the taken from the output of the filter signal (S) in a known manner either or after further reshaping (step 22) of the display device (23) and / or a Control device is fed.

2. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the video signal (V) is fed to a comb filter, which is in the range of harmonics (vO, 2 vO, 3 vO, ...) of the useful signal (N) has passbands.

3. Circuit arrangement according to claim 2, characterized in that the minimum attenuation of the comb filter in the attenuation pass bands at least corresponds to some of the harmonics of the useful signal (N).

4. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the spectral boundary function (B (v)) of the cam filter is equal in magnitude the Fourier transform of a single pulse (I) of the useful signal (N).

5. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the spectral boundary function (B (v)) for an approximately square-wave wanted signal of the comb filter for the values of the harmonics vO, vl,. . . Vm of the useful signal one after the other the absolute amounts 2 c sin m m.t assumes, where c is the pulse amplitude and xl is half the pulse width of the square-wave pulses and where m <1 den represents running integer index.

6. Circuit arrangement according to claim 1, characterized in that a signal (S) is obtained from the output of the filter (21) which corresponds to that in the television scan generated useful signal (N) corresponds, but relates to a point in time that differs from the time of sampling, so that preferably the signal (S) is a prediction represents the useful signal to be expected at a later point in time.

Documents considered: French patent specification No. 1 169043.