DE2440321C3

DE2440321C3 - Vorrichtung zur automatischen Messung von Tunnel-Profilen

Info

Publication number: DE2440321C3
Application number: DE2440321A
Authority: DE
Inventors: Jean-Philippe Lausanne Aeschlimann; Pierre-Emile Belmont Ravussin; Jean Pierre Epalinges Vuille
Original assignee: Alcyon Electronique Et Physique Sa Lausanne (schweiz)
Current assignee: Matisa Materiel Industriel SA
Priority date: 1973-08-31
Filing date: 1974-08-22
Publication date: 1978-05-18
Also published as: CH572201A5; AT345570B; DE2440321A1; DE2440321B2; ATA703974A; FR2242663A1; CS180021B2; CA1007446A; DD113628A5; GB1468566A; US3950096A; FR2242663B1; HU169642B

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung zur automatischen Messung von Tunnel-Profilen, bei der ein Lichtfleck auf der Tunnelwand an der zu messenden Stelle erzeugt wird und in einem Bildauswerter, der aus einem optischen und einem elektronischen Teil besteht, mittels eines optischen Systems abgebildet wird, wobei der elektronische Teil zwei Photozellen aufweist.

Man kennt bereits verschiedene Vorrichtungen um Tunnel-Profile auszumessen. So kennt man unter anderem eine Vorrichtung, die mit Hilfe eines fotografischen Apparates arbeitet, wobei man die Aufnahmen mil Hilfe eines Koordinatografen auswertet. Dieses Verfahren ist jedoch sehr langwierig, da man zuerst eine große Auswahl von Aufnahmen machen muß, wobei man anschließend jede einzelne dieser Aufnahmen ausmessen und d^;e Werte in Übereinstimmung bringen muß, um das Tunnel-Profil zu erhalten. Man kennt auch eine andere. Ausschließlich mechanische Vorrichtung, welche eine Anzahl von Tastern benötigt. Diese Vorrichtung ist schwer und kostspielig und kann nicht bei elektrifizierten Bahnlinien angewandt werden.

Es existiert ferner eine Vorrichtung, welche zwei Laserstrahlen anwendet welche ein Dreieck bilden, dessen eine Spitze gegen die Decke gerichtet ist. Wenn das Profil den vorgeschriebenen Wert überschreitet, vereinigen sich die oeiden Seiten des Dreiecks nicht mehr, und man kann die Entfernung zwischen den beiden Punkten messen oder die Basis verändern, bis die beiden Seiten des Dreiecks sich wieder vereinigen. Diese Vorrichtung weist jedoch noch einige Nachteile auf. Zuerst muß man feststellen, ob beide Strahlen sich vereinigen, dann muß man die Basis mechanisch verschieben, außerdem benötigt man in diesem Fall zwei Laserstrahlen, die entweder mit einem speziell konstruierten Laser erreicht werden, oder man braucht dazu zwei Laser. Insbesondere ist diese Vorrichtung nicht geeignet, um gleichzeitig mehrere Längsprofile aufzunehmen, und um auch die transversalen Profile aufnehmen zu können, muL man ein gebräuchliches fotografisches Verfahren anwenden.

Aus der DT-OS 18 06 554 ist eine Vorrichtung zur Messung bzw. Aufzeichnung eines Tunnelprofils bekannt, wobei ein Lichtstrahl auf die Tunnelwand geworfen und von einem Empfänger aufgefangen und anschließend verwertet wird. Diese Vorrichtung benötigt für die erforderliche Genauigkeit einen großen elektronischen und vor allem einen großen mechanischen Aufwand.

In der US-PS 24 68 042 ist ancatzweise die Verwendung einer Scheibe mit einem spiralförmigen Spalt für eine Entfernungsmessung für blinde Personen beschrieben, doch entspricht weder die Scheibe noch die geometrische Anordnung der Meßvorrichtung den Anforderungen für eineTunnelvermessung.

Es ist demgegenüber Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Vorrichtung anzugeben, mit der ein Tunnel-Profil rasch, zuverlässig und mit großer Genauigkeit automatisch vermessen werden kann und eine Vereinfachung der Vorrichtung verwirklicht ist.

Diese Aufgabe wird durch eine Meß vorrichtung erreicht, die dadurch gekennzeichnet ist, daß
a) mindestens ein Laser zur Erzeugung des Lichtflecks vorgesehen ist,

fa) der optische Teil des Bildauswerters eine drehbare Scheibe mit einer spiralförmigen Spaite, eine Referenzspalte und eine Reihe von gleichmäßig über den Umfang verteilten Syalten sowie einen Filter aufweist und die Spirale derart gestaltet ist, daß ein lineares Verhältnis zwischen dem Abstand des Zentrums bis zur Spirale gemessen auf dem Radius und der Anzahl Spalten, gezählt von der Referenzspalte bis zum Radius, besteht und der elektronische Teil eine aus zwei den über den Umfang verteilten Spalten und der Referenzspalte zugeordneten Paaren von je einer Leuchtquelle und einer Photozelle und einem der spiralförmigen Spalte zugeordneten Photovervielfacher bestehende Elementgruppe und einen Zähler enthalt und
c) einen Wagen, auf dem die Vorrichtung aufgebaut ist.

Durch Vervielfachung der Anzahl von Laserstrahlen ist es möglich, automatisch das Längs- und Querprofil eines Tunnels durch Aufzeichnen und anschließendes Auswerten zu überprüfen. Im Falle, daß jedesmal, wenn der Tunnel von einen gewissen Wert abweicht, ein Signal erhalten wird, ist es möglich, nur gewisse Werte aufzuzeichnen.

Die Vorrichtung wird im folgenden anhand einer beispielsweisen Zeichnung näher erläutert werden, wobei

F i g. 1 schematisch die optische Anordnung,
F i g. 2 die Meßscheibe,
F i g. 3 die elektronische Schaltung und
Fig.4 die Anordnung der Vorrichtung auf einen Eisenbahnwagen mit einer großen Anzahl von Lichtquellen zeigt.

Der Gaslaser 1, zum Beispiel ein He-Ne-Laser mit geringer Leistung (1 mW, um nicht die Augen zu gefährden), sendet einen Strahl 2 in einer Richtung, die senkrecht zur Tunnnelachse 3 steht, aus. Der Strahl schneidet die Tunnelwand 5 bei 4 und bildet einen Lichtflecken 4a. Ein optisches System 7 mit einer bestimmten Brennweite (f) entwirft das Bild 8 des Lichtfleckens 4a auf einer Scheibe 9, deren Achse 3a mit der Tunnelachse 3 zusammenfällt. Ein Interferenzfilter 10 schneidet jedes allfällige Störlicht aus, welches von der Tunnel- oder Instrumentenbeleuchtung herrühren könnte, und läßt nur das zurückgeworfene Laserlicht 6 durch. Durch die Abbildung des Lichtfleckens 4a durch eine optische Vorrichtung mit bekannten Charakteristiken ist es möglich, die Messung von R, welches der Abstand zwischen der Tunnelachse 3 und dem Schnittpunkt 4 ist, auf eine Messung zwischen dem Bild 8 des Lichtfleckens und der Achse der Scheibe bzw. des Tunnels, zurückzuführen, d. h. auf eine Messung des Abstandes R'. Dieses geht aus den nachfolgenden Beziehungen der geometrischen Optik hervor:

und

P P' f '

40

45

55

flO

f die bekannte Brennweite des optischen Systems 7,

ρ der bekannte Abstand des optischen Systems 7 zur <■■=,

Achse 2 des Lasers 1,
p' der bekannte Abstand des optischen Systems 7 zur Scheibe 9. welche sich in der Brennebene befindet.

Ä'der Abstand der Scheiben- respektive der Tunnelachse zum Bild 8 des Lichtfleckens und

R der gesuchte Abstand zwischen der Tunnelachse 3 und dem Punkt 4 ist.

Da ί ρ und p' konstante und bekannte Werte sind, gestattet die Messung von R' R zu finden.

In der vorliegenden Vorrichtung ist es möglich R' automatisch mit Hilfe der Scheibe 9 zu messen. Diese Scheibe (siehe Fig.2) enthält einen spiralförmigen Spalt 11, einen Referenzspalt 12 und eine Reihe von Spalten 13, die gleichmäßig auf dem Umfang verteilt sind. Die Scheibe wird mit großer Geschwindigkeit durch einen Motor M(siehe F i g. 3) in Drehung versetzt.

Die Eigenschaften der Spirale 11 sind derart, daß eine lineare Beziehung zwischen dem Abstand tf'der Mitte 3a, die mit der Tunnelarhse 3 zusammenfällt zur Spirale 11, gemessen auf dem Radius 14 und der Anzahl von Spalten 13, von der Referenzspalte 12 bis zum Radius 14 gezählt, besteht. Dieses bedeutet, daß man die Messung eines Abstandes auf die Messung einer Anzahl von Spalten zurückführen kann. Die Anzahl der Spalten wird auf folgende Weise gezählt: wenn sich die Scheibe dreht, erscheint auf der Fotozelle 18 ein Signal, sobald die Referenzspalte 12 sich gegenüber der Leuchtquelle 17 befindet. Dieses Signal schaltet einen Zähler 20 ein, und jedesmal, wenn einer der Spalten 13 zwischen der Lichtquelle 15 und der Fotozelle 16 vorbeikommt, rückt der Zähler um eine Einheit vor. Wenn sich das Bild 8 gegenüber der Spirale 11 befindet, geht das schwache Lichtsignal durch diesen Spalt und wird durch einen Fotovervielfacher 19 verstärkt, dessen Ausgangssignal den Zähler 20 anhält. Die Scheibe 9 mit ihrem Motor einerseits und die Elemeniengruppe 15-19 und der Zähler andererseits bilden den optischen und elektronischen Bildauswerter. Durch die geeignete Auswahl der Geometrie der Spalte der Scheibe 9 ist es möglich zu erreichen, daß die Anzeige des Zählers 20 direkt den Abstand R in einem bestimmten Einheitssystem anzeigt, zum Beispiel ein Impuls = 1 cm oder 1 Impuls = 1".

Diese Vorrichtung erlaubt die Messung einer gewissen Anzahl von Punkten auf einer Mantellinie des Tunnels. Die Anzahl von Meßpunkten pro Längeneinheit hängt von der Rotationsgeschwindigkeit der Scheibe und von der Vorschubgeschwindigkeit der Vorrichtung im Tunnel ab. Man erhält zum Beispiel mit einem Motor, welcher mit ungefähr 6 000 T/min dreht und mit einer Vorschubgeschwindigkeit der Vorrichtung von 30 km/h eine Messung alle 10 cm. Wenn man einen Tunnel überprüft, begnügt man sich nicht damit, nur eine einzige Mantellinie aufzuzeichnen, man hat vielmehr Interesse, gleichzeitig viele zu messen, um zur gleichen Zeit die transversalen Profile des: Tunnels zu erhalten. Um dies zu erreichen, genügt es, die Anzahl der Lichtquellen zu vervielfachen und damit auch die Anzahl der Elementengruppen 15-20. Es ist theoretisch denkbar, einen Laser mit erhöhter Leistung zu verwenden und durch eine optische Vorrichtung die Anzahl von Strahlen zu vervielfachen. Aus Sicherheitsgründen ist es jedoch vorzuziehen, einen Laser pro Strahl zu verwenden, so daß man die Anordnung 21 aus Fig.4 erhält mit den Lasern Li ... L_n, sämtliche senkrecht zur Tunnelachse 3 angeordnet. Die Lichtflckken S\... S_n an den Schnittpunkten der Strahlen mit der Tunnelwand 5, wobei jeder Punkt ein Längsprofil P\ ... P_n bildet, werden durch ein optisches System 7 und ein Interferenzfilter 10 auf die Scheibe 9 abgebildet, während Ri ... R„ den Abstand zwischen den

Schnittpunkten der Laserstrahlen mit der Tunnelwand und der Tunnelachse angeben. Der ganze optische Teil ist auf einer optischen Bank 22 angeordnet, welche sich auf einem Eisenbahnwagen 23 befindet. Die elektronische Vorrichtung 24, welche die Elementgruppen 15-19 und 20 umfaßt, und der Motor M befinden sich hinter der Scheibe 9, während das Steuersystem und die Aufzeichnungsgeräte, welche nicht im Detail gezeigt werden, sich in der Kabine 26 des Wagens befinden.

Der Vorschub des Wagens kann mit Hilfe eines mit ι ο einem Wagenrad verbundenen Meßrades gemessen werden, wobei das Meßrad einen Impuls für einen bestimmten Vorschub des Wagens abgibt.

Für jede Lichtquelle, die ein Kanal darstellt, ist eine Elementengruppe 15 — 19 und ein Zähler vorgesehen, dessen digitale Werte durch algebraische Subtraktion mittels eines Komparators mit Referenzwerten, die dem theoretischen Profil des Tunnels entsprechen, verglichen werden. Für jeden Profiltyp werden diese Referenzen von Hand voreingestellt. Die derart ermittelte algebraische Differenz wird mittels eines Digital-Analog-Wandlers in eine anlöge Größe (Spannung) umgewandelt. Die analoge Größe, welche die Differenz zwischen dem theoretischen und dem wirklichen Profil darstellt, wird auf einen Schreiber registriert. Die dem Vorschub des Wagens entsprechenden Signale werden mittels eines zusätzlichen Kanals des Registriergeräts aufgezeichnet. Auf diese Weise können die digital vorliegenden Meßdaten direkt mittels eines Magnetbandgerätes aufgezeichnet werden.

Ein wichtiges Element des Bildauswerlers im beschriebenen Beispiel ist die Scheibe 9, welche zur Zeit aus mehreren Gründen die beste Lösung darstellt. Es ist aber durchaus denkbar, sie durch eine opto-elektronische Halbleitervorrichtung zu ersetzen, die es gestattet den Abstand eines Punktes bezüglich eines anderen aufzuzeichnen oder eine Bildröhre, zum Beispiel des Typs »Vidicon«, zu verwenden.

Es ist klar, sollten aus irgendeinem Grund nur die Werte R von Wichtigkeit sein, daß es möglich ist, diese auf einen Schreiber aufzuzeichnen oder nur einige Mantellinien (Kanäle) zu wählen.

Andererseits könnte es von Interesse sein, an Ort und Stelle nur die Fehler des Profils festzustellen. Fails dann ein negatives Zeichen auf dem Komparator erscheint bedeutet dies, daß der Tunnel nicht in der Norm ist. Dieses negative Signal kann dann dazu dienen, einen Alarm auszulösen, welcher akustisch sein kann. Oder dieses Signal verursacht eine besondere Aufzeichnung auf dem Schreiber, zum Beispiel Zeichen mit negativem anstatt positivem Vorschub.

Obwohl die Vorrichtung mittels eines Beispiels der Tunnel-Profilmessung beschrieben wurde und obwohl er hauptsächlich für diese Aufgabe vorgesehen ist, ist es durchaus denkbar, diese neue Vorrichtung, mit einigen Veränderungen, in anderen Bereichen anzuwenden Auch ist es denkbar, einen anderen als Gaslaser zi verwenden, zum Beispiel einen Halbleiterlaser.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur automatischen Messung von Tunnel-Profilen, bei der ein Lichtfleck auf der Tunnelwand an der zu messenden Stelle erzeugt wird und in einem Bildauswerter, der aus einem optischen und einem elektronischen Teil besteht, mittels eines optischen Systems abgebildet wird, wobei der elektronische Teil zwei Photozellen aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) mindestens ein Laser (1) zur Erzeugung des Lichtflecks vorgesehen ist,

b) der optische Teil des Bildauswerters eine drehbare Scheibe (9) mit einer spiralförmigen Spalte (11), eine Referenzspalte (12) und eine Reihe von gleichmäßig über den Umfang verteilten Spalten (1.3) sowie einen Filter (10) aufweist und die Spirale derart gestaltet ist, daß ein lineares Verhältnis zwischen dem Abstand (R')des Zentrums (3a) bis zur Spirale gemessen auf dem Radius (14) und der Anzahl Spalten (13), gezählt von der Referenzspalte (12) bis zum Radius (14), besteht und der elektronische Teil eine aus zwei den über dem Umfang verteilten Spalten (13) und der Referenzspalte (12) zugeordneten Paaren von je einer Leuchtquelle (15 bzw. 17) und einer Photozelle (16 bzw. 18) und einem der spiralförmigen Spalte (11) zugeordneten Photovervielfacher (19) bestehende Elementgruppe und einen Zähler (20) enthält und

c) einen Wagen, auf dem die Vorrichtung aufgebaut ist.

2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zähler (20) als selbstanzeigender Zähler ausgebildet ist.

3. Vorrichtung gemäß den Ansprüchen 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anordnung der Spalten (12) der Scheibe (9) derart getroffen ist, daß die Anzeige des Zählers (20) direkt den Abstand (R) in einem bestimmten Einheitssystem angibt, zum Beispiel ein Impuls = 1 cm.

4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anzahl (n) von Lasern vorgesehen ist und daß der Bildauswerter die entsprechende Anzahl (n)von elektronischen Teilen (15 bis 19,20) enthält, was die gleichzeitige Messung in η Punkten (Si ... S_n) der Abstände (R₁ ... R_n) gestattet, wobei jeder Punkt einer Mantellinie (P\... P_n) entspricht, so daß beim Vorschub des Wagens (23) nacheinander die transversalen Profile meßbar sind.

5. Anwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 1 oder 4 zur Überprüfung eines Tunnels, dadurch gekennzeichnet, daß die Anzeige des Bildauswerters proportional dem Abstand zwischen einer Profillehre und dem Tunnel ist und daß jedesmal, wenn dieser Abstand einen vorgeschriebenen Wert überschreitet, dies zur Kenntnis gebracht wird.

6. Anwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch

5, dadurch gekennzeichnet, daß das Überschreiten der Abweichung unmittelbar angezeigt wird.

7. Anwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch

6, dadurch gekennzeichnet, daß das Überschreiten der Abweichung eine besondere Aufzeichnung auf einem an den Zähler über einen Komparator angeschlossenen Schreiber verursacht.

8. Anwendung der Vorrichtung gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Überschreiten akustisch angezeigt wird.