DE4231733C2 - Verfahren zum dreidimensionalen Abtasten einer Oberfläche zur gleichzeitigen Bestimmung ihrer Anordnung und Zusammensetzung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren zum dreidimensionalen Abtasten einer Oberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Aus der US-PS 4 912 683 ist ein Verfahren zum akustischen Messen der Wandstärke von Röhren mittels eines Meßwandlers bekannt. Der Meßwandler befindet sich direkt in der Flüssig­ keit, die sich in der Röhre befindet und ist um 360° dreh­ bar, um den gesamten Umfang der Röhre abzutasten. Der Meß­ wandler wird zu Schwingungen angeregt und erzeugt bei be­ stimmten Frequenzen Resonanz. Aus der Frequenzdifferenz zwi­ schen zwei nebeneinanderliegenden harmonischen Frequenzen kann die Wanddicke bestimmt werden.

Bei der Konstruktion einer unterirdischen Betonscheibenwand oder eines Ortbetonpfahles ist es sehr wichtig, die Einzel­ heiten des Zustands der Wandfläche unter Stabilisierungsflüs­ sigkeit zum Beibehalten der Qualität des Aufbaus sowie zur Sicherheitsbehandlung als visuelle Bilder zu erfassen, und es sind zur praktischen Verwendung Meßvorrichtungen offenbart und vorgesehen worden, welche Ultraschallwellen benutzen, das Verfahren, welches heute allgemein bekannt ist durch die ja­ panische Patentanmeldung 49-5726 (registriertes Patent 1059047), 50-14961 (registriertes Patent 1119189) und 55-7525.

Diese herkömmlichen Meßvorrichtungen nutzen Ultraschallwel­ len, können aber nur zweidimensionales Messen von sozusagen vertikalen Sektionen eines tiefen Grabens oder eines tiefen Loches vornehmen, um zweidimensionale Sichtbarmachung der Konfiguration, Neigung und Unregelmäßigkeit der Fläche zu er­ bringen und können keine dreidimensionale Information der Fläche geben. Ferner können die herkömmlichen Meßvorrichtun­ gen keine Information zur Qualität der Fläche geben, welche die Ultraschallwellen reflektiert (zum Beispiel der Art der Schicht, welche die Wandfläche bildet) und können daher nicht sagen, ob eine Unregelmäßigkeit der Oberfläche veranlaßt wird durch Aufquellen von Ton durch Wasser oder durch mechanische Deformation.

Aus der DE-OS 24 17 946 ist ein Verfahren zum Speichern und Auswerten von Informationen mit Ultraschallmessungen bekannt. Dabei wird die genaue Position des verwendeten Meßwandlers, der Aussende- und Empfangswinkel der Ultraschallwelle und die Lauf­ zeit zwischen Aussendung und Empfang der Welle in einem Spei­ cher abgespeichert. Ein Meßwandler tastet ein zu untersuchendes Objekt mit einer unregelmäßigen Oberfläche. Mehrere Sensoren verfolgen die Bewegung des Meßwandlers und erzeugen Informatio­ nen über die Position des Meßwandlers, die über einen Analog/Digital-Wandler in einem Speicherfeld abgelegt wird. Schließlich ist eine Mechanik vorgesehen, die eine Verstellung des Meßwandlers jeweils nur in einer von mehreren parallel zu­ einander und normal zur Bezugsebene stehenden Ebenen zuläßt.

Aus der EP-A-18 91 37 ist ein Meßsystem bekannt, mit einer Ein­ richtung, die eine relative Bewegung zwischen einem Meßfühler und dem zu untersuchenden Objekt in zwei zueinander orthogonale Richtungen veranlaßt. Das Meßsystem dient dazu, Materialfehler mittels Ultraschall zu erfassen und auf einem Bildschirm darzu­ stellen.

Aus der Zeitschrift "Physik in unserer Zeit" 17. Jahrgang 1986, Nr. 2, Seite 45-55 mit dem Titel "Fernmessung mit Schall im Meer" ist die Ermittlung der geologischen Zusammensetzung von Wand- oder Bodenflächen mittels Ultraschall bekannt (vgl. ins­ besondere Abb. 22-24).

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Meßver­ fahren bereitzustellen, welches zusätzliche Information zur Beurteilung der Qualität des Aufbaus einer Wandfläche be­ reitstellt.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß von einem Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung gezeigten Ausführungsbeispiels näher beschrieben. In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Systemdiagramm der Vorrichtung zum dreidimen­ sionalen Messen von Flächen gemäß der Erfindung;

Fig. 2 eine Darstellung des Verfahrens zum dreidimensiona­ len Messen von Flächen;

Fig. 3 eine andere Darstellung des Verfahrens zum dreidi­ mensionalen Messen von Flächen;

Fig. 4A-D Diagramme von Beispielen für die Beziehung zwi­ schen den emittierten und empfangenen Wellen; und

Fig. 5 ein Satz kontrollierter Wellenmuster auf den Ab­ tastzeilen I und II in aufeinanderfolgenden Zeitin­ tervallen.

Fig. 1 zeigt als Systemdiagramm einen Aufbau einer Meßvor­ richtung zum dreidimensionalen Messen von Flächen. In der in Fig. 1 gezeigten dreidimensionalen Meßvorrichtung ist ein Oszillator 2, der Ultraschallwellen von 200 bis 500 kHz in einem Meßwandler 1 erregt, mit dem Meßwandler 1 mit einem Kabel 21 und mit Triggeranschlüssen eines Synchroskops 4 zum Überwachen emittierter und empfangener Wellen verbunden. Die Triggeranschlüsse sind auch mit einem PC (Personalcomputer) 6 einer Verarbeitungseinheit 20 verbunden. Der Meßwandler 1 ist durch eine vertikale lange Welle 8 zur Bewegung zum horizon­ talen Abtasten gelagert und ist mit einer Welle eines Schrittschaltmotors 5 einer Drehhalteeinrichtung 9 verbunden, um horizontal drehbar zu sein. Der Schrittschaltmotor 5 ist über ein Interface 10 einer Richtungsposition-Steuereinrich­ tung 18 mit einer Steuereinheit (Personalcomputer) 11 verbun­ den. Durch diese Richtungsposition-Steuereinrichtung 18 wird der Meßwandler 1 um einen Teilungsabstand von beispielsweise 0,9 Grad horizontal gedreht. In der Richtungsposition-Steuer­ einrichtung ist ein Richtungsposition-Signalsystem eingerich­ tet, um den Meßwandler 1 horizontal um 56 Teilungsabstände auf jeder Seite einer Nullinie (oder Mittellinie; siehe Fig. 2) 15 zum Abtasten zu drehen, wenn zum Beispiel der Abtastbe­ reich des Meßwandlers 1 100,8 Grad beträgt. Der Schritt­ schaltmotor 5 ist vertikal gelagert durch eine Zahnstange 13, die zu einer Vertikalhalteeinrichtung 12 gehört. Die Verti­ kalhalteeinrichtung 12 ist derart angeordnet, daß sie verti­ kal zu verschieben ist um einen vorbestimmten Teilungsabstand durch einen Zahnstangenmechanismus, in welchem ein Ritzel, das mit der Zahnstange 13 kämmt, zur Drehung von beispielsweise 0,9 Grad angetrieben wird durch einen Schrittschaltmotor 7. Dieser Schrittschaltmotor 7 ist auch mit der Steuereinheit 11 der Richtungsposition- Steuereinrichtung 18 durch das Interface 10 verbunden. Der Schrittschaltmotor 7 wird angetrieben und gesteuert durch die Richtungsposition-Steuereinrichtung 18, um den Meßwandler 1 vertikal anzuheben oder abzusenken um einen Teilungsabstand von beispielsweise 7 mm nach jeder horizontalen vollen Dre­ hung in dem vorgeschriebenen Abtastbereich (einer Drehung von 100,8 Grad in dieser Ausführungsform) des Meßwandlers 1, die durch die Drehhalteeinrichtung 9 veranlaßt wird. Der prakti­ sche Tiefenbereich der Vertikalhalteeinrichtung 12, der durch einen Zahnstangenmechanismus verwirklicht ist, beträgt nur ein paar Meter, und es ist allgemeine Praxis, für einen grö­ ßeren Tiefenbereich den Meßwandler 1 an einer Winde aufzuhän­ gen und seine vertikale Position durch Koppeln der Winde und eines Synchronmotors zu steuern, während der Ursprung (die Nullinie) der horizontalen Drehung durch ein Autogiro fixiert wird. In jedem Fall wird der Meßwandler 1 für seine Richtung und Position (Position auf den Abtastzeilen) angetrieben und gesteuert bezüglich eines Koordinatensystems, das über der zu messenden Wandfläche 3 eingestellt ist, durch die Datenein­ gabe an die Richtungsposition-Steuereinrichtung 18 von einer Diskette. Wenn die zu messende Fläche ein Loch für einen Pfahl ist, ist es bedeutsam, den horizontalen Abtastwinkelbe­ reich auf 360 Grad einzustellen; wenn die Fläche eine flache Ebene wie zum Beispiel von einem Graben ist, kann die Infor­ mation der ganzen Fläche erhalten werden durch wiederholende Messung entlang der Fläche mit einem auf etwa 100 Grad be­ schränkten horizontalen Abtastbereich.

Der Meßwandler 1 wiederholt den Arbeitszyklus des Emittierens von Ultraschallwellen und des Empfangens der reflektierten Wellen (Fig. 4B) von der Wandfläche für jeden Teilungsab­ stand der horizontalen Drehung (Fig. 4A). Also wiederholt in dem oben beschriebenen Beispiel der Meßwandler 1 die Emission und den Empfang von Ultraschallwellen für den Abtastwinkelbe­ reich von 100,8 Grad 56 mal sowohl zu der Minusseite wie zu der Plusseite, also insgesamt 112 mal. Diese emittierten Wel­ len 23 und empfangenen Wellen 24 (Fig. 4D) werden einem Per­ sonalcomputer 6 einer Verarbeitungseinheit 20 zugeführt. Diese Eingabe von Informationssignalen an den PC 6 kann ent­ weder jedesmal für jeden Teilungsabstand oder auf einen Schlag für sämtliche gespeicherten Daten von 112 Schritten einer vollen horizontalen Abtastung während des Rückkehrpro­ zesses des Meßwandlers 1 ausgeführt werden. Die Richtungspo­ sition-Steuersignale (Koordinaten einer dreidimensionalen Fläche) des Meßwandlers 1, die durch die Richtungsposition- Steuereinrichtung 11 ausgesandt und durch den Scanner 16 auf­ gefangen werden, die emittierten Wellen 23 von dem Meßwandler 1 und die empfangenen Wellen 24, welche Information der Kon­ figuration (einschließlich Rauhheit und Neigung) und des Materials der Fläche 3 erbringen, werden in dem PC 6 verar­ beitet und synthetisiert und in einer Diskette 25 als visu­ elle Daten aufgezeichnet. Wenn die aus dem PC 6 herausgenom­ mene Diskette 25 in einen Computer 27 eingesetzt wird zur Sichtbarmachungsverarbeitung, wird Information zur Position, Konfiguration und Qualität der Wandfläche auf einem Monitor als dreidimensionale Bilder zur Sichtprüfung dargestellt.

Die Arbeitsverfahren der oben beschriebenen dreidimensionalen Meßvorrichtung können auf der Grundlage der Fig. 2 und 3 folgendermaßen zusammengefaßt werden:

• (1) Die Tiefe Z des Meßwandlers 1 wird durch manuelle Betä­ tigung der Vertikalhalteeinrichtung 12 auf die Meßposition eingestellt. Der Wert dieser Position wird auf Null als Ur­ sprung zurückgesetzt.
• (2) Eine vertikale Mittellinie 15 an der Wandfläche eines tiefen Grabens oder eines tiefen Loches wird als der Ursprung genommen, und der Bereich des horizontalen Drehwinkels des Meßwandlers 1 auf der X-Y-Ebene wird mit der Richtungsposi­ tion-Steuereinrichtung 11 festgelegt. Ferner werden der Tei­ lungsabstandswert und die Anzahl von Teilungsabständen für die horizontale Abtastung festgelegt. Ferner wird der verti­ kale Teilungsabstandswert bestimmt. Die Richtung und Position, durch welche der Meßwandler angetrie­ ben und gesteuert wird, und folglich bezüglich welcher die Koordinaten der Punkte der dreidimensionalen Flächen bestimmt werden, können nach Wunsch eingestellt werden durch die Werte, die der Richtungsposition-Steuereinrichtung zum Beispiel durch eine Diskette eingegeben werden, auf welcher die Werte ge­ speichert sind.
• (3) Nach dem Obigen wird das ganze System gestartet, und die dreidimensionale Messung der Wandfläche 3 beginnt.

Die Verarbeitungseinheit erzeugt Matrizen (Koordinaten der dreidimensionalen Flächenpunkte) durch Zusammensetzen der nach obiger Beschreibung empfangenen Signale der horizontalen Richtung und Position und der vertikalen Position. Ferner werden durch Überlagern der Informationssignale emittierter und empfangener Wellen die Position und Konfiguration der Fläche und die qualitative Information des Flächenmaterials sichtbar gemacht. Konkreter ausgedrückt bedeutet das folgen­ des:

• (1) Aus der Zeitdifferenz (t in Fig. 4D) der Ausbreitung der durch den Meßwandler emittierten und empfangenen Ultraschall­ wellen wird die Information des Abstandes und der Unregelmäßig­ keit der Fläche erhalten,
• (2) Die bei jeder Position (Position auf den Abtastzeilen des Meßwandlers) empfangenen reflektierten Wellen werden für jedes Intervall gespeichert, wie in Fig. 5 durch abgetastete Zeilen I und II gezeigt, und aus der Variation von Wellenmu­ stern Information zum Identifizieren des Wellenreflexionsma­ terials (Material, das die Wandfläche bildet: Lehm, Silt, Ton usw. gewonnen). Um es möglich zu machen, sind Wellenmuster entspre­ chend Wänden, die aus spezifischem Material wie zum Beispiel Silt, Sandmergel usw. bestehen, in der Verarbeitungseinheit katalogisiert, und die erhaltenen Wellen werden mit den kata­ logisierten Mustern nach Ähnlichkeit verglichen, und die Re­ sultate werden sichtbar gemacht und als gefärbte und schat­ tierte Bilder zur visuellen Identifikation ausgedrückt.

Claims (1)

1. Meßverfahren zum dreidimensionalen Abtasten einer Oberfläche zur gleichzeitigen Bestimmung der Anordnung und der Zusam­ mensetzung einer verdeckten Wandfläche einer Öff­ nung im Untergrund mit den folgenden Schritten:
   Drehen eines Meßwandlers um eine vertikale Achse in der Öffnung um einen vorbestimmten Winkelbereich in bestimmten Winkelschritten;
   Aussenden von Ultraschallwellen, die auf die Wandfläche ge­ richtet sind und Empfangen dieser Wellen nach ihrer Reflek­ tion an der Wandoberfläche für jeden Winkelschritt;
   Vertikales Verschieben des Meßwandlers in der Öffnung über vorbestimmte Teilabschnitte nach jedem vollständigen Über­ streichen des vorbestimmten Winkelbereichs und erneutes Drehen des Meßwandlers unter Aussenden und Empfangen von Ultraschallwellen;
   Messen des Abstandes des Meßwandlers von der Wandfläche und der Anordnung der Wandfläche an jedem Meßpunkt auf der Grundlage der Laufzeitunterschiede der Wellen,
   gekennzeichnet durch die folgenden Schritte:
   Simultan mit den oben angegebenen Schritten Erfassen und Erkennen von Wellenmustern der Ultraschallwellen, die von der Wandfläche reflektiert und von dem Meßwandler empfangen werden, und Vergleichen der Wellenmuster mit bekannten Wel­ lenmustern anderer Wandzusammensetzungen, wobei die bekann­ ten Wellenmuster und die darauf bezogenen Daten vorher ge­ speichert wurden, und
   Speichern und Anzeigen der auf diese Weise erhaltenen Daten, um die Anordnung und Zusammensetzung der Wand darzustellen.