DE10256725B3

DE10256725B3 - Sensor for contactless optical measurement of relative velocity of material surface using detection of moving light pattern directed onto material surface via illumination device with controlled light sources

Info

Publication number: DE10256725B3
Application number: DE10256725A
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof. Dr.-Ing. Neyer; Siegfried Dr. Wienecke; Hans-Joachim Schäfer
Original assignee: SPIEDETAL GmbH
Current assignee: FRABA INTACTON GMBH, 44227 DORTMUND, DE
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-12-06

Abstract

The sensor (10) has an illumination device (16) with a number of separately controlled light sources, e.g. LED's, for illuminating the material surface (12) with a moving light pattern and a viewing device (18), e.g. a CCD sensor array, for detection of brightness values from the material surface, evaluated for determining the material surface relative velocity. Independent claims are also included for: (a) a device for measuring the relative velocity of a material surface; and (b) a method for measuring the relative velocity of a material surface.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung.The invention relates to a sensor, an apparatus and a method for speed measurement.

Zur optischen, berührungsfreien Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Material und einem Sensor sind verschiedene Verfahren bekannt. Beim Differenz-Doppler-Verfahren wird ausgenutzt, daß bei Streuung von Licht an einer bewegten Oberfläche eine Frequenzverschiebung nach dem Dopplerprinzip erfolgt. Die Messung der Frequenzverschiebung läßt sich mit Hilfe eines Zwei-Strahl-Verfahrens besonders genau durchführen, bei dem der Strahl einer Laserquelle in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die Frequenzen der Teilstrahlen gegeneinander leicht verschoben werden und sie dann unter verschiedenen Winkeln auf die zu messende Oberfläche treffen. Die Überlagerung der an der Oberfläche gestreuten Strahlen ergibt eine niederfrequente Schwebungsfrequenz, von der auf die Geschwindigkeit der Oberfläche relativ zum Sensor zurückgeschlossen werden kann.For optical, non-contact Measurement of the relative speed between a material and a Various methods are known for the sensor. The differential Doppler method takes advantage of that with scatter of light on a moving surface a frequency shift according to the Doppler principle. The measurement of the frequency shift let yourself with the help of a two-beam process, perform particularly precisely at which split the beam from a laser source into two partial beams the frequencies of the partial beams are slightly shifted against each other and then point them at different angles to the one to be measured surface to meet. The overlay the one on the surface scattered rays gives a low frequency beat frequency, from which the velocity of the surface relative to the sensor is inferred can be.

Meßgeräte nach dem Differenz-Doppler-Verfahren sind von Aufbau her aufwendig, insbesondere da Vorkehrungen zur Temperaturstabilisierung getroffen werden müssen. Vorteile des Differenz-Doppler-Verfahrens sind aber hohe Meßgenauigkeit und die Tatsache, daß ein Stillstand des Materials, d. h. eine Geschwindigkeit gleich Null, sicher gemessen werden kann.Measuring devices using the differential Doppler method are structurally complex, especially since precautions for Temperature stabilization must be taken. Advantages of the differential Doppler method are high measuring accuracy and the fact that a Stoppage of the material, d. H. a speed equal to zero, can be measured safely.

Ein anderes optisches Meßverfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung ist das Ortsfrequenzfilterverfahren. Eine Materialoberfläche wird typischerweise mit weißem Licht bestrahlt. Das rückgestreute Licht wird von einem lichtempfindlichen Detektor durch ein optisches Gitter beobachtet. Bei Bewegung des Materials entstehen Hell/Dunkel-Schwankungen, deren Frequenz proportional zur Materialgeschwindigkeit ist. Als Modell zur Erläuterung dieses Effektes kann man sich die Materialoberfläche als Ansammlung unterschiedlich großer und gerichteter "Mikrospiegel" vorstellen, die an dein optischen Gitter vorbei bewegt werden.Another optical measurement method for contactless Velocity measurement is the spatial frequency filter method. A material surface is typically white Illuminated light. The backscattered Light is emitted by a light sensitive detector through an optical one Grid observed. When the material is moved, light / dark fluctuations occur Frequency is proportional to the material speed. As a model In order to explain this effect you can look at the material surface as a collection differently greater and directional "micromirror" imagine that are moved past your optical grating.

Beim Ortsfrequenzfilterverfahren wird eine rasterförmige Aufnahme von Helligkeitswerten der Oberfläche ausgewertet. Hierbei wurde bereits vorgeschlagen, anstatt eines Gitters einen rasterförmigen Sensor, bspw. eine CCD-Kamera zu verwenden.With spatial frequency filtering becomes a grid-like Recording of brightness values of the surface evaluated. Here was already proposed, instead of a grid a grid-shaped sensor, for example. to use a CCD camera.

Verglichen mit dem Differenz-Doppler-Verfahren kommt das Ortsfrequenzfilterverfahren mit geringerem apparativen Aufwand aus. Nachteil des Ortsfrequenzfilterverfahrens sind aber hohe Meßfehler im Bereich sehr niedriger Materialgeschwindigkeiten, da die Geschwindigkeitsmessung auf einer Frequenzschätzung eines im realen Einsatz häufig verrauschten Signals basiert. Insbesondere Materialstillstand, der zu einer Frequenz von Null führt, ist nicht zu detektieren.Compared to the differential Doppler method the spatial frequency filtering method comes with less equipment Effort out. Disadvantages of the spatial frequency filtering are high measurement errors in the area of very low material speeds because the speed measurement on a frequency estimate one in real use often noisy signal based. In particular material downtime, the leads to a frequency of zero, cannot be detected.

In der DE 3 830 417 A1 ist ein auf der Ortsfrequenzfiltermethode basierendes Geschwindigkeitsmessgerät offenbart. Eine Lichtquelle beleuchtet die Oberfläche eines Messobjektes. Das Bild der Oberfläche wird durch eine Objektivlinse von einem linienförmig unterteilten lichtaufnehmenden Element beobachtet. Das Ausgangssignal des lichtaufnehmenden Elements enthält eine Frequenzkomponente die der Geschwindigkeit des Oberflächenbildes proportional ist. Zusätzlich weist das Messgerät eine Lichtanlage, beispielsweise in Form einer lichtemittierenden Diode oder Laserdiode mit einer Kollimatorlinse auf, mit der ein Lichtfleck auf das Messobjekt projiziert wird. Die LED oder LD wird mittels einer Steuerschaltung so angesteuert, daß eine Folge von Pulsen oberhalb der oberen Grenze der Signalfrequenz des Detektors des Ortsfrequenzfiltersystems emittiert wird. Aus dem Ort auf dem lichtaufnehmenden Element, an dem der Lichtfleck beobachtet wird, wird mit Hilfe einer Triangulationsmessung auf den Abstand der Messobjektoberfläche von dem Geschwindigkeitsmessgerät geschlossen.In the DE 3 830 417 A1 discloses a speed measuring device based on the spatial frequency filter method. A light source illuminates the surface of a measurement object. The image of the surface is observed through an objective lens from a light-receiving element divided into lines. The output signal of the light-receiving element contains a frequency component which is proportional to the speed of the surface image. In addition, the measuring device has a lighting system, for example in the form of a light-emitting diode or laser diode with a collimator lens, with which a light spot is projected onto the measurement object. The LED or LD is controlled by means of a control circuit so that a sequence of pulses above the upper limit of the signal frequency of the detector of the spatial frequency filter system is emitted. From the location on the light-receiving element at which the light spot is observed, the distance of the measurement object surface from the speed measuring device is inferred with the aid of a triangulation measurement.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor, eine Vorrichtung und ein Meßverfahren zur Geschwindigkeitsmessung eines Materials vorzuschlagen, bei dem auch geringe Materialgeschwindigkeiten bis hin zum Materialstillstand sicher detektiert werden können.It is an object of the invention, one Sensor, a device and a measuring method for speed measurement propose a material that also has low material speeds down to material downtime can be reliably detected.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 9 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.This task is solved by a sensor according to claim 1, a device according to claim 9 and a method according to claim 10. Dependent claims relate to advantageous ones Embodiments of the Invention.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Oberfläche des Meßgutes mit einem bewegten Lichtmuster beleuchtet wird.According to the invention it is provided that the surface of the the material under test is illuminated with a moving light pattern.

Dies kann erreicht werden, indem als Beleuchtungsmittel eine Anzahl von getrennt ansteuerbaren, im Abstand voneinander angeordneten Lichtquellen vorgesehen ist, die so angesteuert werden, daß ein bewegtes Lichtmuster entsteht. Bevorzugt wird hierbei ein periodisches Lichtmuster mit aufeinanderfolgenden Hell/Dunkel-Bereichen.This can be done by as lighting a number of separately controllable, at a distance mutually arranged light sources is provided, which are controlled in this way be that a moving light pattern emerges. A periodic is preferred here Light pattern with successive light / dark areas.

Durch Beleuchtung mit einem bewegten Lichtmuster anstelle der bisher verwendeten Dauerbeleuchtung durch eine Lichtquelle wird eine problemlose Messung auch bei Materialstillstand ermöglicht. Hierbei kommt es bei der Auswertung der Signale von den Beobachtungsmitteln zu einer Überlagerung der Materialgeschwindigkeit einerseits und der Bewegungsgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters andererseits. Dies führt zu einer Null-Punkt-Verschiebung bei der Zuordnung der gemessenen Signalfrequenz zu einer Material geschwindigkeit. Den Problemen mit beim herkömmlichen Ortsfilterverfahren problematischen Meßwerten bei geringen Geschwindigkeiten (und daraus resultierend geringen Frequenzen, d. h. langen Periodendauern) wird so dadurch begegnet, daß diese Materialgeschwindigkeiten durch die Überlagerung in einen meßtechnisch günstigeren Bereich verlagert werden. Materialstillstand drückt sich dann dadurch aus, daß lediglich eine Frequenz entsprechend der Geschwindigkeit der Bewegung des Lichtmusters gemessen wird. Durch die Verschiebung ist es außerdem möglich, die Bewegungsrichtung festzustellen.By lighting with a moving light pattern instead of the permanent lighting previously used A light source enables problem-free measurement even when the material is at a standstill. Here, when evaluating the signals from the observation means, the material speed on the one hand and the speed of movement of the illumination pattern on the other hand are superimposed. This leads to a zero point shift in the assignment of the measured signal frequency to a material speed. The problems with the problematic measurement values at low speeds (and, as a result, low frequencies, ie long period durations), which are problematic in the case of the conventional spatial filter method, are countered by the fact that these material speeds are shifted into a more technically more favorable range by the superimposition. Material stoppage is then expressed in that only a frequency is measured in accordance with the speed of the movement of the light pattern. By moving it is also possible to determine the direction of movement.

Geeignete Auswertungsmittel zur Bestimmung der Geschwindigkeit verarbeiten das von den Beobachtungsmitteln gelieferte Signal. Erfolgt die rasterförmige Aufnahme von Helligkeitswerten mittels eines linien- oder flächenförmigen Sensors aus einzelnen lichtempfindlichen Elementen, bspw. eines CCD-Sensors, so wird bevorzugt aus den von jedem einzelnen lichtempfindlichen Element gemessenen Helligkeitswerten ein Summensignal nach einem geeigneten Summationsmuster erzeugt. Aus dem Summensignal wird eine Frequenz ermittelt, von der auf die Relativgeschwindigkeit des Materials zum, Sensor zurück geschlossen werden kann. Bevorzugt wird hierfür eine Kalibrierung des Sensors vorgenommen um eine möglichst genaue Zuordnung der Materialgeschwindigkeit zur ermittelten Frequenz zu erreichen.Suitable evaluation tools for determination of speed process that from the observation means delivered signal. The grid-like recording of brightness values takes place by means of a linear or flat sensor from individual light-sensitive elements, e.g. a CCD sensor, so is preferred from those of each individual photosensitive A sum signal after an element measured brightness values suitable summation pattern generated. The sum signal becomes one Frequency determined from the relative speed of the material back to the sensor can be closed. A calibration of the sensor is preferred for this made to one if possible exact allocation of the material speed to the determined frequency to reach.

Prinzipiell kann eine Beleuchtung durch ein bewegtes Lichtmuster erzielt werden, indem die Beleuchtungsmittel mechanisch bewegt werden. Bevorzugt wird aber auf mechanische Bewegung von Teilen des Sensors verzichtet. Eine Bewegung des Lichtmusters auf der Oberfläche wird vielmehr dadurch erzielt, daß eine Anzahl von einzelnen Lichtquellen so angesteuert werden, daß insgesamt ein bewegtes Muster entsteht. Selbstverständlich handelt es sich hierbei nicht um eine kontinuierliche Bewegung, sondern um eine Anzahl von Sprüngen, entsprechend der Anordnung der einzelnen Lichtquellen. Die Erzeugung derartiger Bewegungen ist von jeder Form gerasteter optischer Darstellungsmittel wie Lichtlaufleisten, aber auch Computerbildschirmen bekannt. Geeignete Ansteuerungsmittel zur Erzeugung eines solchen Musters können elektrische Schaltungen sein, bei denen bspw. mit Logik-Bausteinen oder auch einer Mikroprozessor-Steuerung die gewünschte Ansteuerung realisiert wird.In principle, lighting can can be achieved by a moving light pattern by the lighting means be moved mechanically. However, preference is given to mechanical movement parts of the sensor. A movement of the light pattern on the surface is rather achieved in that a number of individual Light sources are controlled so that a moving pattern overall arises. Of course it’s not a continuous movement, but a number of jumps, according to the arrangement of the individual light sources. The production Such movements are of any form of snapped optical representation means known as light strips, but also computer screens. suitable Control means for generating such a pattern can be electrical circuits be, for example, with logic modules or a microprocessor control the desired Control is realized.

Bevorzugt handelt es sich bei den Lichtquellen um LEDs. Diese können entweder als diskrete Bauteile geeignet angeordnet oder als integriertes Bauteil auf einem gemeinsamen Substrat geformt sein. Für die prinzipielle Meßmethode ist lediglich die Anordnung der Lichtquellen im Abstand voneinander erforderlich. Die Ansteuerung und Auswertung wird allerdings erheblich vereinfacht, wenn die Lichtquellen in einer Ebene und/oder in äquidistanter Anordnung, bspw. als Reihe oder zweidimensionales Raster vorhanden sind.It is preferably the Light sources around LEDs. these can either suitably arranged as discrete components or as integrated Component be formed on a common substrate. For the principle Measurement Method is only the arrangement of the light sources at a distance from each other required. The control and evaluation becomes significant, however simplified if the light sources in one plane and / or in equidistant Arrangement, for example as a row or two-dimensional grid are.

Für die Beleuchtung wird innerhalb einer in Meßrichtung ausgerichteten Reihe bevorzugt ein Muster gebildet, bei dem jeweils auf eine oder mehrere eingeschaltete Lichtquellen eine oder mehrere ausgeschaltete Lichtquellen folgen. So werden entlang der Reihe helle und dunkle Bereiche gebildet. Durch Verschiebung des Musters aus hellen und dunklen Bereichen über die Reihe wird eine bewegte Beleuchtung realisiert. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die hellen und/oder dunklen Bereiche aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtquellen gebildet sind.For the lighting is within a row aligned in the measuring direction preferably a pattern is formed, each with one or more switched on light sources one or more switched off light sources consequences. In this way, light and dark areas are formed along the row. By moving the pattern of light and dark areas over the Moving lighting is realized in series. It is advantageous here if the light and / or dark areas consist of several side by side arranged light sources are formed.

Als Beobachtungsmittel sind prinzipiell alle Mittel zur rasterförmigen Aufnahme von Helligkeitswerten geeignet. Hierbei kann es sich um einen einfachen Photosensor mit davor angebrachten Gitter handeln. Zu bevorzugen sind flächen- oder linienförmige Anordnungen von einzelnen lichtempfindlichen Elementen, bspw. entsprechende CCD-Sensoren. Eine Sensoranordnung mit linienförmig angeordneten Lichtquellen und parallel hierzu linienförmig angeordneten lichtempfindlichen Elementen eignet sich zur Erfassung der Geschwindigkeiten von Materialbewegungen in Linienrichtung. Zur Erfassung von Geschwindigkeitskomponenten auch in anderen Richtungen können zusätzliche entsprechend ausgerichtete linienförmige Beleuchtungs- und Beobachtungsmittel vorgesehen sein. Ebenso ist aber auch der Einsatz von flächenförmigen Beleuchtungs- und/oder Beobachtungsmitteln denkbar, um Geschwindigkeitskomponenten verschiedener Richtungen innerhalb der Ebene der Materialoberfläche zu erkennen.In principle, as a means of observation all means for grid-shaped Suitable for recording brightness values. This can be trade a simple photosensor with a grid in front of it. Surface areas are to be preferred or linear Arrangements of individual photosensitive elements, for example corresponding CCD sensors. A sensor arrangement with light sources arranged in a line and parallel to it linear arranged photosensitive elements is suitable for detection the speeds of material movements in the line direction. For the detection of speed components also in other directions can additional appropriately aligned linear lighting and observation means be provided. Likewise, however, is the use of flat lighting and / or Observation means conceivable to different speed components Detect directions within the plane of the material surface.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Meßbereich für die Materialgeschwindigkeit vorgegeben. Die obere Meßbereichsgrenze ist durch eine maximale Materialgeschwindigkeit gegeben. Diese wird zweckmäßig so gewählt, daß für eine bestimmte Anwendung stets davon ausgegangen werden kann, daß die tatsächliche Materialgeschwindigkeit unterhalb der Meßbereichsgrenze liegt. Die Beleuchtungsmittel werden so betrieben, daß sich auf einer stehenden Materialoberfläche ein Lichtmuster ergibt, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Diese Geschwindigkeit wird nun bevorzugt so gewählt, daß sie oberhalb des gewünschten Meßbereichs liegt. Da die Bewegung des Lichtmuster bei der Auswertung einer Nullpunkt-Verschiebung entspricht, wird so sichergestellt, daß eine Frequenz von Null, deren Messung mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, nicht auftreten kann.According to a development of the invention is a measuring range for the Material speed specified. The upper limit of the measuring range is indicated by a given maximum material speed. This is appropriately chosen so that for a particular Application can always be assumed that the actual Material speed is below the measuring range limit. The Illuminants are operated so that they are on a standing material surface a pattern of light that emerges at a certain speed emotional. This speed is now preferably chosen so that it is above the desired measurement range lies. Since the movement of the light pattern when evaluating a Corresponds to the zero point shift, this ensures that a frequency from zero, their measurement with great difficulty connected, cannot occur.

Der erfindungsgemäße Sensor bzw. das erfindungsgemäße Verfahren können auch eingesetzt werden, um die Bewegungsrichtung des Materials zu ermitteln. Während beim herkömmlichen, "stillstehenden" Ortsfrequenzfilterverfahren dieselbe Frequenz beobachtet wird, unabhängig davon, in welche Richtung sich das Material bewegt, kommt es beim erfindungsgemäßen Verfahren darauf an, ob sich das Material mit oder gegen die Bewegungsrichtung des Beleuchtungsmuster bewegt. Eine Messung ohne Doppeldeutigkeiten ergibt sich, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtmusters auf dem Material höher ist als die maximale Materialgeschwindigkeit entgegen der Bewegungsrichtung des Musters.The sensor according to the invention and the method according to the invention can also be used to determine the direction of movement of the material. While the conventional, "stationary" Spatial frequency filtering the same frequency is observed, regardless of the direction in which the material is moving, it is important in the method according to the invention whether the material is moving with or against the direction of movement of the illumination pattern. A measurement without ambiguity results if the speed of movement of the light pattern on the material is higher than the maximum material speed against the direction of movement of the pattern.

Um Meßfehler durch andere Lichtquellen möglichst auszuschließen, wird gemäß einer Weiterbildung ein Filter vor den Beobachtungsmitteln vorgeschlagen, der nur Licht eines Durchlaß-Spektralbereiches im wesentlichen ungedämpft durchläßt. Ein solcher Filter kann bspw. durch eine entsprechende Beschichtung auf der Optik hergestellt werden. Vorteilhafterweise können dann passende monochromatische Lichtquellen bzw. Lichtquellen mit engem Emissionsspektrum, das im Durchlaßbereich des Filters liegt, verwendet werden. Dies verbessert den Signal-zu-Rausch-Abstand und führt zu geringerer Störanfälligkeit.To measure errors from other light sources preferably ruled out is according to one Advanced training proposed a filter in front of the observation means the only light of a transmission spectral range essentially undamped passes. On Such a filter can be provided, for example, by an appropriate coating be made on the optics. Then advantageously suitable monochromatic light sources or light sources with narrow Emission spectrum, which is in the pass band of the filter, be used. This improves the signal-to-noise ratio and leads to less susceptibility to failure.

Bei der Ermittlung der Geschwindigkeit aus dem Signal der Aufnahmemittel spielt der Abbildungsmaßstab und damit der Abstand des Sensors zur Materialoberfläche eine entscheidende Rolle. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß der Abstand des Sensors von der Materialoberfläche durch Triangulation gemessen wird. Bei dieser Messung wird der Abbildungsort von mindestens einer Lichtquelle des Sensors auf dem Beobachtungsmittel betrachtet und hieraus der Abstand des Sensors von der Oberfläche ermittelt.When determining the speed the imaging scale plays from the signal of the recording means the distance between the sensor and the material surface plays a decisive role. According to one Further development of the invention is therefore provided that the distance of the sensor measured from the material surface by triangulation becomes. In this measurement, the imaging location of at least one Light source of the sensor viewed on the observation medium and the distance of the sensor from the surface is determined from this.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:The following are embodiments the invention described in more detail with reference to drawings. In the drawings demonstrate:

1 eine schematische Darstellung von Elementen der Meßanordnung; 1 a schematic representation of elements of the measuring arrangement;

2 eine schematische Darstellung einer LED-Zeile; 2 a schematic representation of an LED line;

3a–3c eine Darstellung der Erzeugung eines bewegten Beleuchtungsmusters auf der LED-Zeile von 2; 3a-3c a representation of the generation of a moving lighting pattern on the LED line of 2 ;

4 ein schematischer Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Sensors mit darunter angeordnetem Meßgut; 4 is a schematic cross section through an embodiment of a sensor with the material to be arranged underneath;

5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 2; 5 a cross-sectional view taken along line AA in 2 ;

6 eine schematische Darstellung der Signalverarbeitung für das Signal des Beobachtungsmittels; 6 a schematic representation of the signal processing for the signal of the observation means;

7 ein Diagramm zur Darstellung des Spektrums eines Helligkeitssignals; 7 a diagram showing the spectrum of a brightness signal;

8 ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung von Komponenten eines Meßsystems; 8th is a schematic block diagram showing components of a measuring system;

9 eine schematische Darstellung von Elementen eines Meßsystems zur Durchführung einer Triangulationsmessung. 9 is a schematic representation of elements of a measuring system for performing a triangulation measurement.

In 1 sind in schematischer Darstellung Elemente einer Meßanordnung gezeigt. Ein Sensor 10 ist oberhalb eines Materials 12 angeordnet. Das Material 12 ist in diesem Fall ein bandförmiger Streifen, der in eine Hauptbewegungsrichtung X läuft. Zusätzlich kann eine zur Hauptbewegungsrichtung X orthogonale Bewegungskomponente Y vorhanden sein. Bei dem Material 12 kann es sich um einen beliebigen Stoff bzw. Körper handeln. In jedem Fall soll die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor 10 und Material 12 gemessen werden.In 1 elements of a measuring arrangement are shown in a schematic representation. A sensor 10 is above a material 12 arranged. The material 12 in this case is a band-shaped strip which runs in a main direction of movement X. In addition, a movement component Y orthogonal to the main direction of movement X can be present. With the material 12 can be any substance or body. In any case, the relative speed between the sensor 10 and material 12 be measured.

Außer einem Körper, wie in 1 dargestellt, kann es sich bei dem zu messenden Material auch bspw. um eine Straßenoberfläche (z. b. bei Montage des Sensors an einem Fahrzeug) oder um ein in eine Fließrichtung X fließende Flüssigkeit handeln.Except for a body like in 1 shown, the material to be measured can also be, for example, a road surface (for example when mounting the sensor on a vehicle) or a liquid flowing in a flow direction X.

Der Sensor 10, der in einem Abstand oberhalb der Oberfläche des Materials 12 angeordnet ist, verfügt über Beleuchtungsmittel 16, Beobachtungsmittel 18 und eine zugeordnete Optik 14, hier dargestellt als eine Linse. Bei der Optik 14 kann es sich aber auch bspw. um ein Linsensystem handeln, wobei auch für Beleuchtungsmittel 16 und Beobachtungsmittel 18 ganz oder teilweise getrennte optische Elemente vorgesehen sein können.The sensor 10 that is at a distance above the surface of the material 12 is arranged, has lighting means 16 , Means of observation 18 and an associated optic 14 , shown here as a lens. With the optics 14 However, it can also be a lens system, for example, also for illuminants 16 and observation means 18 completely or partially separate optical elements can be provided.

Durch die Beleuchtungsmittel 16 wird die Oberfläche des Materials 12 beleuchtet. Das rückgestreute Licht wird von rasterförmigen Aufnahmemitteln 18 aufgenommen. Im dargestellten Beispiel von 1 handelt es sich bei dem Beleuchtungsmittel 16 um eine LED-Reihe.By the lighting 16 becomes the surface of the material 12 illuminated. The backscattered light is from grid-shaped recording means 18 added. In the example shown by 1 is the illuminant 16 a row of LEDs.

In 2 ist eine solche LED-Reihe 20 dargestellt, die als fertiges integriertes Bauteil erhältlich ist. Eine Anzahl von LEDs 22 sind auf einem gemeinsamen Substrat in einer Reihe angeordnet. Die LEDs 22 sind jeweils getrennt voneinander ansteuerbar.In 2 is such an LED range 20 shown, which is available as a finished integrated component. A number of LEDs 22 are arranged in a row on a common substrate. The LEDs 22 can be controlled separately from each other.

Für die Geschwindigkeitsmessung wird die LED-Leiste 20 wie in den 3a bis 3c dargestellt so angesteuert, daß ein laufendes Bewegungsmuster aus aufeinanderfolgenden hellen Bereichen 32 und dunklen Bereichen 34 dargestellt wird, das sich über die Leiste 20 beilegt.The LED bar is used for speed measurement 20 like in the 3a to 3c represented so controlled that a running movement pattern from successive bright areas 32 and dark areas 34 is shown, which is above the bar 20 attaches.

Im dargestellten Beispiel besteht das Beleuchtungsmuster jeweils aus drei nebeneinander angeordneten, eingeschalteten LEDs 22 (gekennzeichnet durch Pfeile), auf die drei ausgeschaltete LEDs 22 folgen. Ein solches Muster soll hier als "+++–––" bezeichnet werden. Es handelt sich um ein periodisches Muster, bei dem die Hell-Bereiche 32 genauso breit sind, wie die dunklen Bereiche 34. Dieselbe Leiste 22 kann aber alternativ mit anderen Beleuchtungsmustern angesteuert werden, darunter auch mit solchen, bei denen Hell- und Dunkelbereiche 32, 34 unterschiedlich breit sind (dies kann als Gleichanteil verstanden werden).In the example shown, the lighting pattern in each case consists of three switched-on LEDs arranged next to one another 22 (indicated by arrows), on the three off LEDs 22 consequences. Such a pattern should be referred to here as "+++ –––". It is a periodic pattern, at which the bright areas 32 are as wide as the dark areas 34 , The same bar 22 can alternatively be controlled with other lighting patterns, including those with light and dark areas 32 . 34 are of different widths (this can be understood as a constant component).

In den 3a bis 3c ist in zeitlicher Abfolge dargestellt, wie sich ein "+++–––"-Muster über die Reihe 20 nach Art eines Lauflichts bewegt. Die entsprechende Ansteuerung der LED-Zeile 20 kann über Logik-Schaltungen erfolgen. Bevorzugt wird eine Mikroprozessor-Ansteuerung (nicht dargestellt).In the 3a to 3c is shown in chronological order, how a "+++ –––" pattern over the row 20 moved like a chaser. The corresponding control of the LED line 20 can be done via logic circuits. A microprocessor control (not shown) is preferred.

Für eine konkrete Meßanordnung muß ein geeignetes Beleuchtungsmuster und eine geeignete Schaltgeschwindigkeit ausgewählt werden. Bei der Auswahl sind einige Faktoren wie die Größe der Lichtelemente, ihr Abstand zueinander und der Abbildungsmaßstab der Sendeoptik zu berücksichtigen.For a concrete measuring arrangement has to be suitable lighting pattern and switching speed selected become. When choosing, there are some factors like the size of the light elements, their distance from one another and the imaging scale of the transmission optics must be taken into account.

Die für einen speziellen Anwendungsfall gewählte Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters sollte in Abhängigkeit vom jeweils betrachteten Meßbereich gewählt werden. Liegen keine Informationen über die tatsächliche Materialgeschwindigkeit vor, so sollte eine gut auswertbare Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters gewählt werden. Die Beleuchtungsgeschwindigkeit kann dynamisch nachgeführt werden, um den Meßbereich anzupassen und ggfs. eine bessere Auflösung zu erreichen. Werden bspw. niedrige Frequenzen gemessen (d. h. daß nur eine geringe Differenzgeschwindigkeit zwischen Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters und der Materialgeschwindigkeit besteht), so kann die Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters so verändert werden, daß eine höhere Differenzgeschwindigkeit vorliegt und so eine bessere Auflösung und geringere Meßunsicherheit erreicht wird. Die Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters kann auch verändert werden, um den Meßbereich dem Niveau der Materialgeschwindigkeit nachzufahren.The one for a special application elected Running speed of the lighting pattern should be dependent of the measuring range under consideration chosen become. There is no information on the actual Material speed before, should be a well evaluable running speed of the lighting pattern selected become. The lighting speed can be tracked dynamically, around the measuring range to adapt and, if necessary, to achieve a better resolution. For example, measured low frequencies (i.e. that only a low differential speed between the running speed of the lighting pattern and the material speed exists), the running speed of the lighting pattern so changed be that a higher Difference speed is present and so a better resolution and less measurement uncertainty is achieved. The running speed of the lighting pattern can also changed to the measuring range to track the level of material speed.

Bei der Auswahl des Beleuchtungsmusters können außer regelmäßigen Mustern (alle Hell- und Dunkelbereiche von gleicher Breite) auch unregelmäßige Muster (bspw. unterschiedlich breite Hell-Bereiche) verwendet werden. Die Wahl derartiger unregelmäßiger Hell-Dunkelmuster, die wiederum periodisch sein können, führt zu verschiedenen überlagerten Frequenzen bzw. künstlich aufgebrachten Geschwindigkeiten. Bei einer geeigneten Signalauswertung können diese zusätzlichen Informationen genutzt werden.When choosing the lighting pattern can except regular patterns (all light and Dark areas of the same width) also irregular patterns (e.g. bright areas of different widths) can be used. The Choice of such irregular light-dark patterns that again can be periodic, leads to various superimposed ones Frequencies or artificial applied speeds. With a suitable signal evaluation can these additional Information can be used.

4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Sensors 10, der oberhalb von einem Material 12 angeordnet ist. Der Sensor 10 verfügt über ein Gehäuse 40 mit einer Optik in Form eines daran angebrachten Objektivs 14. Innerhalb des Gehäuses 40 sind die LED-Leiste 20 und ein Beobachtungsmittel in Form eines handelsüblichen CCD-Sensors 42 angebracht. LED-Leiste 20 und CCD-Sensor 42 sind jeweils mit entsprechender Ansteuer- und Auswerteelektronik verbunden, die hier nur symbolisch dargestellt ist. 4 shows a cross section through a first embodiment of a sensor 10 that is above a material 12 is arranged. The sensor 10 has a housing 40 with optics in the form of an attached lens 14 , Inside the case 40 are the LED bar 20 and an observation means in the form of a commercially available CCD sensor 42 appropriate. LED strip 20 and CCD sensor 42 are each connected to the corresponding control and evaluation electronics, which is only shown symbolically here.

In 5 ist ein Querschnitt durch den Sensor 10 an der Linie A-A in 4 dargestellt. Wie dargestellt wird die LED-Leiste 20 längs zur Haupt-Meßrichtung X angeordnet. Beim CCD-Sensor 42 handelt es sich im dargestellten Beispiel um einen flächigen Sensor.In 5 is a cross section through the sensor 10 on the line AA in 4 shown. The LED bar is shown as shown 20 arranged along the main measuring direction X. With the CCD sensor 42 in the example shown, it is a flat sensor.

Im folgenden soll das Vorgehen bei der Ermittlung der Geschwindigkeit des Materials 12 in Hauptbewegungsrichtung X erläutert werden.The following is the procedure for determining the speed of the material 12 in the main direction of movement X are explained.

Durch die Beleuchtungsmittel in Form der LED-Leiste 20 wird die Oberfläche des Materials 12 mit einem bewegten, in Meßrichtung X laufenden Beleuchtungsmuster beleuchtet. Das rückgestreute Licht wird durch die Optik 14 am CCD-Sensor 42 beobachtet. Der Aufbau des CCD-Sensors 42 mit einzelnen, rasterförmig angeordneten lichtempfindlichen Elementen sorgt für die beim Ortsfrequenzfilterverfahren benötigte rasterförmige Beobachtung des rückgestreuten Lichts.Through the lighting means in the form of the LED bar 20 becomes the surface of the material 12 illuminated with a moving illumination pattern running in measuring direction X. The backscattered light is due to the optics 14 on the CCD sensor 42 observed. The structure of the CCD sensor 42 with individual, grid-shaped photosensitive elements ensures the grid-shaped observation of the backscattered light required for the spatial frequency filtering process.

Das Signal des flächigen CCD-Sensors 42 wird ausgelesen, indem die Helligkeitswerte von Reihen 44 von lichtempfindlichen Elementen betrachtet werden, die orthogonal zur Hauptmeßrichtung X verlaufen. Für die Auswertung wird z. B. die Summe der Helligkeitswerte jeweils einer Reihe 44 gebildet. Alternativ ist auch die Betrachtung nur von einzelnen Werten einer Zeile (bspw. des jeweils mittleren Pixels, wo erwartungsgemäß das Signal am stärksten ist) oder die Bildung der Summe einer Gruppe von Pixeln, bspw. der N mittleren Pixel, möglich. Nach einem Summationsmuster werden die Summen zueinander addiert, bzw. voneinander subtrahiert. Bei Verwendung eines linien- statt eines flächenförmigen Sensors wird analog verfahren, wobei hier aber keine Bildung einer Summe über die Reihen erfolgt.The signal from the flat CCD sensor 42 is read out by the brightness values of rows 44 be considered by light-sensitive elements that are orthogonal to the main measuring direction X. For the evaluation z. B. the sum of the brightness values of each row 44 educated. Alternatively, it is also possible to consider only individual values of a line (for example the respective middle pixel, where the signal is expected to be strongest) or to form the sum of a group of pixels, for example the N middle pixels. The sums are added or subtracted from one another according to a summation pattern. When using a linear sensor instead of a flat sensor, the procedure is analogous, but here no sum is formed over the rows.

In 6 ist die entsprechende Signalverarbeitung bei Verwendung eines "++––"-Summati onsmusters dargestellt. Jeweils die Summe der Helligkeitswerte von zwei aufeinanderfolgenden Reihen 44 wird vorzeichengleich aufsummiert. Von dem Ergebnis werden die Summen der Helligkeitswerte der beiden darauffolgenden Reihen abgezogen. Zu diesem Ergebnis wiederum wird die Summe der danach folgenden beiden Reihen addiert usw.In 6 the corresponding signal processing is shown when using a "++ -" summation pattern. In each case the sum of the brightness values of two successive rows 44 is added up with the same sign. The sum of the brightness values of the two subsequent rows is subtracted from the result. The sum of the two following rows is added to this result, etc.

Das Ergebnis dieser Rechenoperation, ausgeführt über den gesamten flächigen CCD-Sensor 42, ist ein skalarer Wert a(t). Dieser Wert entspricht für den jeweils betrachteten Zeitpunkt t einem Maß für die vom CCD-Element 42 rasterförmig beobachtete Helligkeit des von der Oberfläche des Materials 12 rückgestreuten Lichts. Der Wert a(t) variiert bei Bewegung des Materials 12 in Richtung X periodisch. Die Frequenz des Signals a(t) ist hierbei proportional zur Geschwindigkeit des Materials 12. Über eine Spektralanalyse, bspw. in Form einer FFT-Berechnung oder durch Messung der Periodendauer, wird dem zeitlich variablem Signal a(t) eine Frequenz f₀ zugeordnet. In einer Umrechnungseinheit 46 wird dieser Frequenz die zugehörige Materialgeschwindigkeit v zugeordnet. Die grundlegende Beziehung hierbei ist

wobei g die Gitterkonstante und M der Abbildungsmaßstab ist.The result of this arithmetic operation, carried out over the entire flat CCD sensor 42 , is a scalar value a (t). For the time t in question, this value corresponds to a measure for that of the CCD element 42 grid-like observed brightness of the surface of the material 12 backscattered light. The value a (t) varies as the material moves 12 periodically in the X direction. The frequency of the signal a (t) is proportional to the speed of the material 12 , A frequency f _{0 is} assigned to the time-variable signal a (t) by means of a spectral analysis, for example in the form of an FFT calculation or by measuring the period. In one conversion unit 46 this frequency becomes the associated material assigned speed v. The basic relationship here is

where g is the lattice constant and M is the imaging scale.

Die Gitterkonstante g ist bekannt. Der Abbildungsmaßstab M ist abhängig vom Abstand des Sensors 10 zur Materialoberfläche 12. Dieser kann als fester Wert bekannt sein oder gemessen werden (siehe unten).The lattice constant g is known. The imaging scale M depends on the distance of the sensor 10 to the material surface 12 , This can be known as a fixed value or can be measured (see below).

Gleichung (1) gilt allgemein für das Ortsfrequenzfilterverfahren und berücksichtigt noch nicht die spezielle Beleuchtung. Durch die Beleuchtung mit einem sich bewegenden Lichtmuster wird die oben angegebene Gleichung (1) ergänzt durch Addition eines Terms, der der Bewegung des Lichtmusters relativ zum Sensor entspricht: fg = |fB ± f0| (2) wobei f_g die resultierende Frequenz im Signal bezeichnet, f_B die der Bewegung der Beleuchtung entsprechende Frequenz und f₀ die der Bewegung des Materials entsprechende Frequenz ist. Das Vorzeichen von f₀ hängt davon ab, ob sich das Material in Richtung der Bewegung des Beleuchtungsmusters bewegt oder entgegengesetzt.Equation (1) applies generally to the spatial frequency filtering method and does not yet take into account the special lighting. Illumination with a moving light pattern complements equation (1) given above by adding a term that corresponds to the movement of the light pattern relative to the sensor: f G = | f B ± f 0 | (2) where f _g denotes the resulting frequency in the signal, f _{B is} the frequency corresponding to the movement of the lighting and f _{0 is} the frequency corresponding to the movement of the material. The sign of f ₀ depends on whether the material moves in the direction of the movement of the lighting pattern or in the opposite direction.

Für den Fachmann ist es leicht möglich, in der Umrechnungseinheit 46 diese Beziehung umzusetzen, so daß nach geeigneter Kalibrierung ein hinreichend genauer Wert für die Geschwindigkeit v errechnet wird.For the skilled person it is easily possible in the conversion unit 46 implement this relationship so that after a suitable calibration a sufficiently precise value for the speed v is calculated.

Hierbei ist f_B bekannt und kann geeignet eingestellt werden. Damit in Gleichung (2) durch die Betragsbildung keine Doppeldeutigkeit entsteht, empfiehlt es sich, die Ansteuerung der LED-Leiste 20 so zu wählen, daß die resultierende Geschwindigkeit des Beleuchtungsmusters höher ist als die maximal auftretende Materialgeschwindigkeit in Gegenrichtung, so daß f_B > f₀. So kann es nicht zu dem meßtechnisch schwierig zu erfassenden Fall f_g = 0 kommen. Es entsteht eine eindeutige Zuordnung zwischen v und f_g.Here, F _{B is} known and can be set appropriately. In order to avoid ambiguity in equation (2) due to the amount formation, it is advisable to control the LED bar 20 so that the resulting speed of the illumination pattern is higher than the maximum material speed occurring in the opposite direction, so that f _B > f ₀ . This means that the case f _g = 0, which is difficult to measure from a measurement point of view, cannot occur. There is a clear association between v and f _g .

Aus dem Wert f_g kann dann die Geschwindigkeit v inklusive ihres Vorzeichens ermittelt werden. Beträgt die Geschwindigkeit v = 0, so ist f_g = f_B. Dieser Fall ist damit ohne meßtechnische Probleme zu erfassen. Bewegt sich das Material entgegen dem Beleuchtungsmuster, wird ein Wert f_g < f_B beobachtet. Bewegt sich das Material in Richtung des Beleuchtungsmusters, wird ein f_g > f_B gemessen.The speed v including its sign can then be determined from the value f _g . If the velocity is v = 0, then f _g = f _B. This case can thus be recorded without measurement problems. If the material moves against the lighting pattern, a value f _g <f _{B is} observed. If the material moves in the direction of the lighting pattern, an f _g > f _{B is} measured.

Für eine spezielle Meßaufgabe wird ein gewünschter Meßbereich festgelegt. Dieser kann bspw. symmetrisch sein für Anwendungen, bei denen gleichermaßen mit Bewegung in zwei entgegengesetzte Richtungen gerechnet werden wie bspw. bei der Messung der Materialgeschwindigkeit in Reversierwalzgerüsten oder der Geschwindigkeitsmessung an einem Triebwagen eines Schienenfahrzeugs. Ist dagegen durch die Meßaufgabe vorgegeben, daß die Materialgeschwindigkeit nur oder überwiegend in eine Richtung auftreten wird, wie bspw. bei der Messung der Materialgeschwindigkeit von Extrusionsprozessen, ist ein unsymmetrischer Meßbereich sinnvoller.For a special measuring task becomes a desired one Measuring range established. This can be symmetrical, for example, for applications in which Movement in two opposite directions can be expected like For example, when measuring the material speed in reversing roll stands or the Speed measurement on a railcar of a rail vehicle. However, is by the measurement task given that the Material speed only or predominantly in one direction will occur, such as when measuring the material speed of extrusion processes is an asymmetrical measuring range meaningful.

Die Geschwindigkeiten des gewünschten Meßbereichs werden in einen meßtechnisch ohne Schwierigkeiten zu erfassenden Frequenzbereich abgebildet. Dessen Untergrenze sollte aus den diskutierten Gründen oberhalb von 0 Hz bei einem Wert liegen, der meßtechnisch mit dem vorgegebenen maximalen Fehler meßbar ist. Andererseits ist auch die maximale Nutzfrequenz, die der Sensor zur Bestimmung der Materialgeschwindigkeit mit dem vorgegebenen Fehler messen kann, limitiert. Sie hängt von den gewählten Bauteilen, deren Zusammenschaltung, Taktfrequenzen usw. ab. Hierdurch ist die Obergrenze des Frequenzbereichs gegeben. Zwischen diesen beiden Frequenzen definiert sich eine Spanne, die für einen gewählten Sensoraufbau (Abbildungsmaßstab, Abstand etc.) die Breite des Meßbereichs vorgibt. Die Lage des Meßbereichs dieser Breite kann durch Veränderung der Geschwindigkeit des Beleuchtungsmusters verschoben werden, um einen für die jeweilige Meßaufgabe angepaßten Meßbereich zu erhalten.The speeds of the desired measurement range are metrologically mapped frequency range without difficulty. Its lower limit should be above the reasons discussed from 0 Hz to a value that is metrologically compatible with the specified one maximum error measurable is. On the other hand, the maximum useful frequency that the sensor to determine the material speed with the given Can measure errors, limited. It depends on the selected components, their Interconnection, clock frequencies, etc. This is the upper limit given the frequency range. Between these two frequencies defines a range for a selected sensor structure (magnification, distance etc.) the width of the measuring range pretends. The location of the measuring range this width can be changed the speed of the lighting pattern to be shifted to one for the respective measurement task matched Measuring range to obtain.

Hierbei muß die Ansteuerung der LED-Leiste 20, und damit der Wert f_B, nicht zwangsläufig konstant sein. Sondern die Ansteuerung kann auch während der Messung dynamisch angepaßt werden, bspw. um den Meßbereich zu erweitern oder eine verbesserte Auflösung zu erreichen.Here, the control of the LED bar 20 , and thus the value f _B , are not necessarily constant. Instead, the control can also be dynamically adjusted during the measurement, for example to expand the measuring range or to achieve an improved resolution.

Unter realen Meßbedingungen ist dem zeitlich variablem Signal a(t) allerdings nicht immer nur eine eindeutige Frequenz f_g zuzuordnen. Das Signal a(t) wird vielmehr ein Spektrum A(f) aufweisen. Durch das Summationsmuster ist der Gleichanteil hierbei bereits eliminiert.Under real measurement conditions, however, the time-variable signal a (t) is not always only assigned a unique frequency f _g . Rather, the signal a (t) will have a spectrum A (f). The DC component has already been eliminated by the summation pattern.

In 7 ist für eine Messung beispielhaft ein solches Spektrum dargestellt. Aus dem Spektrum kann aber auf einfache Weise der Hauptpeak ermittelt werden. Die X-Achse des Diagramms von 7 ist bereits mit der kalibrierten Umrechnung von Frequenz- in Geschwindigkeitswerte skaliert und der Term f_B wurde bereits subtrahiert. Im vorliegenden Beispiel beträgt das Meßergebnis ca. 0,65 m/s.In 7 such a spectrum is shown as an example for a measurement. However, the main peak can be easily determined from the spectrum. The X axis of the graph of 7 is already scaled with the calibrated conversion of frequency to speed values and the term f _B has already been subtracted. In the present example, the measurement result is approximately 0.65 m / s.

Das Meßsignal des CCD-Sensors 42 kann auch in anderer Weise, d. h. mit einem anderen Summationsmuster, ausgewertet werden. Alternativ zum dargestellten "++––"-Auswertungsmuster kann auch bspw. ein "+–"-Auswertungsmuster, ein "+++–––"-Auswertungsmuster, ein "++++––––"-Auswertungsmuster usw. verwendet werden.The measurement signal of the CCD sensor 42 can also be evaluated in a different way, ie with a different summation pattern. As an alternative to the "++ ––" evaluation pattern shown, it is also possible to use, for example, a "+ -" evaluation pattern, a "+++ –––" evaluation pattern, a "++++ ––––" evaluation pattern, etc. be used.

Die im Signalflußgraphen von 6 dargestellte Auswertung wird bevorzugt realisiert durch einen Signal- oder Mikroprozessor, der die entsprechenden Rechenoperationen ausführt. Hierbei ist es auch möglich, dasselbe Signal a(t) des CCD-Sensors 42 auf verschiedene Arten auszuwerten, d. h. bspw. mit einem "++––"-Auswertungsmuster und parallel hierzu auch mit einem "++++––––"-Auswertungsmuster. Je nach den Gegebenheiten bei der Messung, insbesondere auch der Oberflächenbeschaffenheit des Materials 12 kann die eine oder andere Auswertungsmethode klarere Ergebnisse liefern. Die verschiedenen Arten der Auswertung entsprechen der Gleichung (1) mit verschiedener Gitterkonstante g. Während g bei "+–" dem Pixel-Abstand des CCD-Sensors 4₂ entspricht, beträgt g bei "++––" dem Doppelten usw.The signal flow graph of 6 The evaluation shown is preferably implemented by a signal or microprocessor, which carries out the corresponding arithmetic operations. It is also possible to use the same signal a (t) from the CCD sensor 42 to be evaluated in different ways, for example with a "++ ––" evaluation pattern and in parallel with it also with a "++++ ––––" evaluation pattern. Depending on the conditions during the measurement, especially the surface properties of the material 12 one or the other evaluation method can deliver clearer results. The different types of evaluation correspond to equation (1) with a different lattice constant g. While g at "+ -" the pixel distance of the CCD sensor 4 ₂ corresponds to, g is twice with "++ ––" etc.

In 8 sind in einer schematischen Darstellung die Funktionsbausteine der Ansteuer- und Auswerteelektronik des Sensors 10 dargestellt. Die Beleuchtungsmittel 16 werden durch eine Ansteuerelektronik 60 angesteuert, die die erwähnten unterschiedlichen Beleuchtungsmuster realisieren kann. Die lichtempfindlichen Elemente 18, die das rückgestreute Licht über die Gitterstruktur 19 empfangen (bevorzugt sind Gitter 19 und Photoelemente 18 wie oben beschrieben als CCD-Element 42 zusammengefaßt), werden ebenfalls von der Ansteuerelektronik 60 angesteuert. Die Helligkeitswerte der lichtempfindlichen Elemente 18 werden von einer Ausleseelektronik 62 ausgelesen und an eine Summationseinheit 64 geliefert, die die lichtempfindlichen Elemente 18, wie oben erläutert, zu Gruppen zusammenfaßt und die jeweiligen gemessenen Helligkeitswerte summiert. Das so generierte Signal a(t) wird an eine Frequenzmessungseinheit 66 gegeben. Das Ergebnis der Frequenzmessung wird in einer Ausgangs-Recheneinheit 68 umgesetzt in einen Geschwindigkeitswert v. Alternativ oder zusätzlich kann aus dem Meßwert für die Geschwindigkeit v auch ein Längenmeßwert 1 berechnet werden. Hierfür ist lediglich die fortlaufende Bildung des Integrals über die Geschwindigkeitsmeßwerte erforderlich. Derartige Längenmessungen können bspw. sinnvoll sein, wenn die Länge von band- oder stabförmigen Materialien 12 ermittelt werden soll.In 8th are the function blocks of the control and evaluation electronics of the sensor in a schematic representation 10 shown. The lighting means 16 are controlled by control electronics 60 controlled, which can realize the different lighting patterns mentioned. The photosensitive elements 18 that the backscattered light over the lattice structure 19 received (grids are preferred 19 and photo elements 18 as described above as a CCD element 42 summarized), are also from the control electronics 60 driven. The brightness values of the photosensitive elements 18 are from a readout electronics 62 read out and sent to a summation unit 64 supplied the the photosensitive elements 18 , as explained above, summarized into groups and the respective measured brightness values added up. The signal a (t) thus generated is sent to a frequency measurement unit 66 given. The result of the frequency measurement is in an output computing unit 68 converted into a speed value v. Alternatively or additionally, a length measurement value can also be obtained from the measurement value for the speed v 1 be calculated. All that is required is the continuous formation of the integral over the speed measurement values. Such length measurements can be useful, for example, if the length of strip or rod-shaped materials 12 should be determined.

Optional kann die Frequenz-Meßeinheit 66 auch eine Optimierung der Ansteuerung der Beleuchtungsmittel 16 durchführen. Hierfür kann über eine Optimierungseinheit 70 einerseits die Lichtstärke der Beleuchtungsmittel 16 und andererseits die Beleuchtungsstruktur, d. h. insbesondere Art und Geschwindigkeit von Hell/Dunkel-Muster variiert werden. Andererseits kann – ebenso optional – auch das Auslesen und Summieren über eine zweite Optimierungseinheit 72 optimiert werden. Die verschiedenen Möglichkeiten hierfür wurden oben bereits erläutert.Optionally, the frequency measuring unit 66 also an optimization of the control of the lighting means 16 carry out. This can be done via an optimization unit 70 on the one hand the luminous intensity of the lighting means 16 and on the other hand the lighting structure, ie in particular the type and speed of light / dark patterns can be varied. On the other hand, reading out and summing via a second optimization unit can also be done as an option 72 be optimized. The various options for this have already been explained above.

Schließlich kann optional in einer Abstands-Meßeinheit 74 auch eine Abstandsmessung des Sensors 10 von der Oberfläche des Materials 12 erfolgen, wie unten näher erläutert wird.Finally, optionally in a distance measuring unit 74 also a distance measurement of the sensor 10 from the surface of the material 12 take place, as explained in more detail below.

Während in der vorgenannten Betrachtung stets nur die Messung von Geschwindigkeitskomponenten in Haupt-Meßrichtung X betrachtet wurde, kann bei Verwendung des flächigen CCD-Sensors 42 auch die Geschwindigkeit in hierzu orthogonaler Richtung ermittelt werden. Hierzu können die Daten des CCD-Sensors 42 ein zweites mal verarbeitet werden, wobei analog zu 6 und der zugehörigen Beschreibung verfahren wird, aber nicht die Zeilen 44, sondern die Spalten 46 des Sensors betrachtet werden. Die Auswertung dieser Daten ergibt die Geschwindigkeitskomponente des Materials in Y-Richtung.While only the measurement of speed components in the main measuring direction X was considered in the aforementioned consideration, the flat CCD sensor can be used 42 the speed in the direction orthogonal to this can also be determined. The data of the CCD sensor can be used for this 42 processed a second time, analogous to 6 and the associated description, but not the lines 44 but the columns 46 of the sensor can be considered. The evaluation of this data reveals the speed component of the material in the Y direction.

Sind die Geschwindigkeitskomponenten sowohl in X- als auch in Y-Richtung bekannt, können sie vektoriell addiert und so bspw. auch die resultierende Bewegungsrichtung festgestellt werden.Are the speed components Known in both the X and Y directions, they can be added vectorially and so, for example, the resulting direction of movement is also determined become.

Während vorstehend die Beleuchtung mittels eines in X-Richtung bewegten Beleuchtungsmusters beschrieben wurde, kann in einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) das Beleuchtungsmuster auch in Y-Richtung bewegt sein, bspw. Geschwindigkeitskomponenten in beide Richtungen aufweisen (diagonal). Hierzu kann die LED-Leiste 20 schräg zur Hauptmeßrichtung X angeordnet sein oder es ist statt der LED-Leiste 20 ein flächiges Beleuchtungselement mit einzeln ansteuerbaren Lichtquellen vorgesehen, das so angesteuert wird, daß ein Beleuchtungsmuster auf der Materialoberfläche erzeugt wird, das Geschwindigkeitskomponenten sowohl in X- als auch in Y-Richtung aufweist.While the lighting was described above using a lighting pattern moved in the X direction, in an alternative embodiment (not shown) the lighting pattern can also be moved in the Y direction, for example having speed components in both directions (diagonally). The LED bar can be used for this 20 be arranged at an angle to the main measuring direction X or it is instead of the LED bar 20 a planar lighting element with individually controllable light sources is provided which is controlled so that an illumination pattern is generated on the material surface, which has speed components in both the X and Y directions.

Wie bereits erläutert spielt der Abbildungsmaßstab M eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Geschwindigkeit aus dem ermittelten Frequenzwert. Der Abbildungsmaßstab M ist seinerseits allerdings direkt abhängig vom Abstand h des Sensors 10 von der Oberfläche des zu messenden Materials 12. Wird hier von einem festen Abstand ausgegangen, führen unbemerkte Änderungen dieses Abstands zu erheblichen Meßfehlern. Deshalb wird vorgeschlagen, den jeweils aktuellen Abstand des Sensors 10 von der Oberfläche des Materials 12 durch Triangulationsmessungen zu ermitteln. Für die Triangulationsmessungen können die ohnehin im Sensor 10 vorhandenen Elemente benutzt werden.As already explained, the imaging scale M plays an important role in determining the speed from the frequency value determined. The imaging scale M, however, is directly dependent on the distance h of the sensor 10 from the surface of the material to be measured 12 , If a fixed distance is assumed here, unnoticed changes in this distance lead to considerable measurement errors. Therefore, it is suggested the current distance of the sensor 10 from the surface of the material 12 determined by triangulation measurements. You can use the triangulation measurements in the sensor anyway 10 existing elements can be used.

9 zeigt das Prinzip der Triangulationsmessung unter Benutzung einer LED 22 der LED-Zeile 20. Zur Verdeutlichung des Prinzips der Triangulation ist der Strahlengang einmal für die untere Position des Materials 12 und ein weiteres Mal gestrichelt für eine um eine Höhenänderung Δh verschobene Position des Materials 12 gezeichnet. 9 shows the principle of triangulation measurement using an LED 22 the LED line 20 , To clarify the principle of triangulation, the beam path is for the lower position of the material 12 and a further dashed line for a position of the material shifted by a change in height Δh 12 drawn.

Im ersten Fall, mit dem Material 12 in der unteren Position, wird das Bild der Lichtquelle 22 auf der Oberfläche des Materials 12 an einem ersten Ort auf dem CCD-Sensor 42 beobachtet. Im zweiten Fall, bei dem sich das Material 12 an der horizontalen gestrichelten Linie befindet, wird das Bild der Lichtquelle 22 auf dessen Oberfläche an einem zweiten Ort des Sensors 42 beobachtet, der oben eine Betrag Δx vom ersten Ort abweicht.In the first case, with the material 12 in the lower position, the image of the light source 22 on the surface of the material 12 in a first place on the CCD sensor 42 observed. In the second case, where the material 12 Located on the horizontal dashed line, the image is the light source 22 on its surface at a second location on the sensor 42 observed, the amount Δx from the first location above differs.

Der Wert Δx entspricht der Höhenänderung Δh, so daß nach vorheriger Kalibrierung aus dem Wert Δx der Abstand des Sensors 10 von der Oberfläche des Materials 12 leicht bestimmt werden kann.The value .DELTA.x corresponds to the change in height .DELTA.h, so that after prior calibration from the value .DELTA.x the distance of the sensor 10 from the surface of the material 12 can be easily determined.

Claims

Sensor ( 10 ) to measure the speed of a material ( 12 ) with - illuminants ( 16 ) to illuminate the surface of the material ( 12 ), - means of observation ( 18 ) for grid-like recording of brightness values from the surface of the material ( 12 ), - and evaluation means for determining the speed of the material ( 12 ) according to the spatial frequency filter principle from that of the observation means ( 18 ) delivered signal, characterized in that - the lighting means ( 16 ) a number of separately controllable light sources arranged at a distance from one another ( 22 ) include, - wherein control means are provided to switch the light sources ( 22 ) so that the surface of the material ( 12 ) is illuminated with a moving light pattern.

Sensor according to claim 1, characterized in that - the light sources LEDs ( 22 ) are.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that - the light sources ( 22 ) are arranged in at least one row.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that - the observation means ( 18 ) comprise at least a number of photosensitive elements.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that - the observation means ( 18 ) a row or flat CCD sensor ( 42 ) include.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that - a measuring range up to a maximum material speed is predetermined, - the speed of movement of the light pattern on the material ( 12 ) is higher than the maximum material speed.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that - means for determining the direction of movement of the material ( 12 ) are provided.

Sensor according to one of the preceding claims, characterized in that - in front of the observation means ( 18 ) a filter is attached which is transparent to light from a pass spectral range and strongly attenuates light outside the pass band.

Device for measuring the speed of a material, in which a sensor ( 10 ) according to one of the preceding claims above, next to or below an observable, moving surface of a material ( 12 ) is arranged.

Method of measuring the speed of a material ( 12 ), - where with lighting ( 16 ) the surface of a material ( 12 ) is illuminated, - backscattered light from the surface of the material ( 12 ) with means of observation ( 18 ) is recorded in a grid pattern - and the speed of the material is determined from observed brightness values using the spatial frequency filter method, characterized in that - the lighting means ( 16 ) the surface of the material ( 12 ) with a on the surface of the material ( 12 ) illuminate spatially moving light patterns.

Method according to Claim 10, in which - the lighting means ( 16 ) a number of spatially distributed light sources ( 22 ) include - the light sources ( 22 ) can be controlled so that by selective switching of the light sources ( 22 ) a moving light pattern is generated.

A method according to claim 11, wherein - the lighting means ( 16 ) at least one row of light sources arranged side by side ( 22 ) include, - the light sources ( 22 ) are controlled in such a way that one or more light sources are switched on along the row ( 32 ) one or more switched off light sources ( 34 ) follow, - whereby the light sources ( 22 ) are timed in such a way that the pattern of switched on and off light sources ( 32 . 34 ) moved across the row.

Method according to one of Claims 10-12, in which - the distance between the observation means ( 18 ) from the material surface ( 12 ) is measured by triangulation, - the distance being determined from the location at which the image of at least one light source ( 22 ) the lighting means ( 16 ) on the observation medium ( 18 ) is observed.