CN103376075B - 用于检测材料幅的边缘的设备 - Google Patents

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Abstract

用于检测材料幅（10）的边缘（11）的设备（20；50；60；120），包括：一个超声传感器，其包括两个或更多个分立的可读的超声接收元件（2；2’;2”……2’n）和一个超声发射元件（3；3’；3”），其中该超声发射元件（3；3’；3”）这样设计和设置：使得它能够用一个超声有效信号对两个或更多个超声接收元件（2；2’;2”……2’n）加载。

Description

用于检测材料幅的边缘的设备
技术领域
本发明涉及一种使用超声传感器检测材料幅的设备。该设备例如可用于纸、材料或者箔幅面边缘的非接触式探测。带有超声传感器的设备特别适合其中光学传感器只能在某些条件下使用的透明的或者感光的材料幅。
背景技术
已知有带有多个超声传感器的、用于检测一种材料幅的边缘的设备，如在US7,357,027B2中所示。为了提供一定的测量区域，在设备中某个范围内设置多个单个超声传感器，其中每个单个超声传感器均包括一个超声发射元件和一个超声接收元件。每个超声接收元件都设置有一个特有的超声发射元件，这样用一个超声信号就可以将发射元件加载。这种设备需要大量的超声发射元件和超声接收元件，这就使设备的复杂性和成本随之上升。
发明内容
本发明的第一个方面涉及一种用于检测材料幅的边缘的设备。该设备包括一个超声传感器，该超声传感器包括两个或者更多个单独的、可读的超声接收元件和一个超声发射元件，其中所述超声发射元件被构建和设置成以使得它能用一个超声有效信号给两个或更多的超声接收元件加载。由此，设备的定点操控就会简化，从而提高准确性，降低设备的成本。此外，超声接收元件的同类超声检测(homogenere Beschallung)可得到保证，因为在单个的超声接收元件之间没有(或只有极少的)声波限制存在。这一优点在拥有大面积测量区域(例如大于20mm)的设备上更为明显。在这样的设备里，一个单独的超声发射元件可以通过一个超声有效信号给多个的超声接收元件加载。
一个超声传感器至少包括对于产生第一超声信号(“超声发射元件”)和对于检测第二超声信号(“超声接收元件”)必要的部件，第二超声信号是通过第一超声信号和待检测材料幅的边缘的相互作用产生的。
超声接收元件是通过将入射的超声信号转化为电信号以检测超声信号的部件。作为超声接收元件，是指单独的、可读的部件。也就是说，超声接收元件产生单独的测量值，这个测量值是由入射的超声信号的声压和/或入射的超声信号探测的超声接收元件的表面决定的。
超声发射元件是通过将电信号转化为被发射的超声信号以产生超声信号的部件。作为超声发射元件，是指一个单独的可操控的部件。也就是说，超声发射元件从一个单独的电信号(但其可以同时完全附在超声发射元件的多个部位上)产生可发射的超声信号。
一个被称作超声有效信号的超声信号在超声接收器上可以被转化为一个信号(或者信号分量(Signalanteil))，该信号对于检测材料幅的边缘是有用的。相反，尽管超声干扰信号在超声接收元件里转化为电信号，这个信号却不能被设备用于边缘探测。干扰信号是通过例如意外的反射或者超声信号不精确的聚焦产生的。
超声接收元件使超声信号转化为电信号的部分被叫做超声换能器元件(Ultraschall-Transducerelement)。与此相应，超声发射元件引起电信号向超声信号转化的部分也被叫做超声换能器元件。
为了探测材料幅的边缘，一个超声传感器可以仅具有一个接收元件和一个超声发射元件，但也可以具有多个的接收元件和/或超声发射元件。
材料幅这一概念涉及一种材料的多种结构，这些结构在两种空间方向里比在第三种中膨胀的明显强烈。此时材料幅能显现出凹槽和裂缝。这些材料幅也不可联接。特别是织物和网络更符合材料幅这个概念，还有在织物纬纱之前的一排排的经纱也同样构成材料幅。
所有材料幅都被各自的一个边缘限制在两个膨胀空间方向之一，通过使用本发明的设备检测该边缘。此时边缘的探测可以仅包括边缘位于测量区域的位置。此外，边缘检测包括检测其位置(例如，作为与已定零点相较的偏差量)。此外，材料幅的边缘检测还可以包括检测两个边缘的任务，这两个边缘将材料幅限定在一个空间方向中。由此，可以确定材料福的幅面和位置。同时可以确定材料幅的切削压缩比(Stauchung)或膨胀。
利用本发明的设备，可以检测包括下列材料的材料幅：所述材料能反射、吸收或传输一种超声信号的至少一部分。特别可以检测由塑料、纸、纸板或者纺织物构成的材料幅。
本发明的第二个方面涉及一种用于探测材料幅的边缘的设备。该设备包括一个包括一个超声接收元件和一个超声发射元件的超声传感器，其中超声发射元件包括一个包括一种压电复合材料的超声换能器元件。
压电复合材料包括在其中压电的活性材料(比如压电陶瓷)和“被动的”成分(比如某些聚合物)整体联接的材料。压电复合材料还包括压电陶瓷，压电陶瓷和压电的活性聚合物或其他塑料整体联结。
本发明的第三个方面涉及一种用于探测一种材料幅的边缘的设备。该设备包括一个包括一个超声接收元件和一个超声发射元件的超声传感器，其中该超声接收元件包括一个包括一种压电复合材料的超声换能器元件。
与传统的全陶瓷超声换能器元件相比，通过使用压电复合材料，超声发射元件和/或超声接收元件的形状更加灵活。压电复合材料可以相对简单地塑造为(几乎)任何形式。特别是能够由一种压电复合材料产生长的(比如长度大于20mm)单件的超声换能器元件。由此，本发明的设备就比传统的更简单(特别是在大的测量区域)，因为例如设备的控制电路的结构简化了。此外，与使用全陶瓷的情况相反，在使用压电复合材料时，不需要敞开蜂窝式的、多孔透气的耦合层。相反，耦合层可以闭合且保持平滑。这能引起更优越的化学稳定性，能够降低对污染的敏感度，让突出的部分变得多余，这样能够降低设备的停机时间和/或等待时间，以便降低设备的运转费用。
本发明的第四个方面涉及一种用于探测材料幅的边缘的设备。该设备包括一个超声传感器，该超声传感器包括两个或更多的独立的可读的超声接收元件和一个超声发射元件，其中该两个或更多个超声接收元件具有一个共同的超声换能器元件。
本发明的第五个方面涉及一个用于探测一种材料幅的边缘的设备。该设备包括一个超声传感器，该超声传感器包括一个超声接收元件和两个或更多个独立的可操控的超声发射元件，其中该两个或更多个超声发射元件具有一个共同的超声换能器元件。通过使用多个超声发射元件共用的超声换能器元件和/或超声接收元件，设备的灵活性能够得到提高，生产的复杂性会降低。特别是对于具有较大测量区域的设备来说(比如长度大于20mm)，通过使用一个共同的超声换能器元件，所需部件的数量(相对于传统设备)明显减少。这就简化了设备的结构。另外，还可通过在共同的超声换能器元件上的电极的结构化，使构建超声发射元件和/或超声接收元件成为了可能。能以灵活的生产方式、低廉的成本生产出能适应不同测试要求的设备。
本发明的第六个方面涉及一种用于检测材料幅的边缘的设备。该设备包括至少一个超声传感器，其中该超声传感器包括至少一个超声发射元件和至少一个超声接收元件，其中，垂直于材料幅的运动方向能完全覆盖一个大于10mm的测量区域，在这个测量区域内材料幅的边缘能够被检测，并且其中超声发射元件的超声换能器元件和/或超声接收元件的超声换能器元件单件式构成；并且其中超声发射元件的超声换能器元件和/或超声接收元件的超声换能器元件垂直于材料幅的运动方向完全覆盖一个大于10mm的测量区域，在这一区域中材料幅的边缘能被检测。
用于探测材料幅的边缘的设备可以包括在发射侧或者接收侧上的多个单件的超声换能器元件，超声换能器元件各自垂直于材料幅运动方向完全覆盖一个大于10mm的测量区域，在测量区域中材料幅的边缘可以被检测出来。
单件指的是一体化元件(不排除由多个部分组成的一体化元件)，其中该元件可以包括一种复合材料。相反，在传统设备中，为了覆盖测量区域，安装的是多个的分立的超声换能器元件。
前述的第一至第六方面的实施方式可以包括一个或者多个下述特征。
所述一个或多个超声接收元件可以这样设置：以使得材料幅能够在一个或多个超声发射元件和一个或多个超声接收元件之间穿过，从而，该一个或多个超声发射元件和一个或多个超声接收元件可设置在材料幅的不同侧面上。这种情况下，每个超声接收元件都检测出超声信号从材料幅旁边经过的一个部分(此外，超声信号被材料幅传递的部分也被检测出来)，以检测出材料幅的边缘。
另一种方案是，所述一个或多个超声发射元件和所述一个或多个超声接收元件可设置在材料幅的同一侧。这种情况下，每个超声接收元件都检测出超声信号在材料幅上反射的一个部分。也可在材料幅的两侧均设置一个或多个超声发射元件和一个或多个超声接收元件，以检测超声信号被反射的和从材料幅旁边经过(及可能被传递)的部分。
另一种方案是，一个超声发射元件这样设置：令其一样起超声接收元件的作用。例如，可以预先设定一个用来反射从超声发射元件发射出的超声信号的反射器，从而，被反射的信号在超声发射元件被检测出来，因此这个超声发射元件就起超声接收元件的作用。
超声传感器可以包括一个、两个、三个、四个或者更多的超声接收元件。
超声发射元件可以这样设置：以使得它用一个超声有效信号对三个或四个超声接收元件加载。
至少一个发射元件和/或接收元件的外观轮廓可以包括至少一个弧形侧面和至少一个平整侧面。由此，用于覆盖某个测量区域所需的元件的数量就会减少。
每个超声接收元件都可有一个测量区域，在这个测量区域中接收元件能够检测材料幅的边缘，其中测量区域能够在一个测试方向上直接互相接近或者搭接。
该设备还可以包括一个外壳，该外壳具有一个第一臂和一个第二臂，其中所述一个或多个超声发射元件设置在第一臂上，而所述一个或多个超声接收元件设置在第二臂上。
该设备中，所述一个或多个超声接收元件可以设置为：使得在一个大于10mm、垂直于材料幅运动方向的测量区域内检测材料幅边缘。
该设备中，一个或多个超声接收元件可以设置为：使得在一个大于20mm、垂直于材料幅运动方向的测量区域内检测材料幅边缘。
所述一个或多个超声发射元件和所述一个或多个超声接收元件可以包括包括一种或多种压电复合材料的超声换能器元件。所述压电复合材料可以包括一种聚合物和一种压电陶瓷。所述聚合物可以选自多种环氧树脂和聚氨酯类。所述压电复合材料可包括一种1-3压电复合物或一种2-2压电复合物。所述压电复合材料可以包括一个由压电陶瓷嵌入一种聚合物构成的棒状物。所述压电复合材料可以包括锆钛酸铅。所述压电复合材料可以包括压电纤维复合材料，在该压电纤维复合材料中注入了含有一种聚合物(例如环氧树脂或聚氨酯类)的压电陶瓷纤维束，由此形成了一种压电复合材料。
一个或多个超声接收元件和/或一个或多个超声发射元件的一个超声换能器元件可以形成平面形状。一个平面元件在两种空间方向里比在第三种中膨胀得要明显得多。例如，超声换能器元件可以是扁平状的，其中该扁平状的超声换能器元件的轮廓可以随意选择。比如可以是矩形的或圆的。
该设备可以具有两个或更多个彼此分立的可读的超声接收元件或者两个或更多个分立的可操控的超声发射元件，其中该两个或更多个超声接收元件和/或该两个/更多个超声发射元件可以具有一个共同的超声换能器元件。
所述超声传感器可以设置为：使得能够完全覆盖一个大于10mm的、垂直于材料幅运动方向的测量区域，在这个区域中材料幅的边缘能被检测出来，并且一个或多个超声发射元件和/或一个或多个超声接收元件的超声换能器元件可以形成单件。
一个或多个超声接收元件和/或一个或多个超声发射元件的超声换能器的相对面上可以镀金属层，以使可以电接触超声换能器元件。超声换能器元件上的镀金属层可以这样实施：使得在超声换能器元件朝向一个或多个超声发射元件的侧面之一上，形成两个或者更多个不相连的、分立、可读的接收区域，以形成所述两个或更多个超声接收元件。在该情况下，每个超声接收元件都包括接收区域之一作为第一电极、包括超声换能器元件在接收区域之下(其中结构化的镀金属层在超声换能器元件的上面)的一个部分作为有源元件(它将超声信号转变为电信号)，以及包括避开超声发射元件的镀金属层(或其一部分)作为第二电极。
超声换能器元件的镀金属层可这样实施：使得在超声换能器元件朝向一个或多个超声接收元件的侧面之一上，形成两个或更多个不相连的、分立的、可操控的发射区域，以形成两个或更多个超声发射元件。在该情况下，每个超声发射元件都包括发射区域之一作为第一电极、包括超声换能器元件在发射区域之下的(结构化的镀金属层在超声换能器元件的上面)的一个部分作为有源元件(它将电信号转变为超声信号)，以及包括避开超声接收元件的镀金属层(或其一部分)作为第二电极。
通过形成多个接收和/或发射区域，可以以简单的方式实现设备测量区域的灵活的形状，以便实现与预先设定的测试任务相适应的测试灵敏度。比如，可以这样构建接收区域：使得当设备运行时，被检测的边缘在整个测量区域里同时处于两个或者三个以上接收区域。
接收区域可以这样实施：使得不同接收区域的测量区域互相搭接。比如，接收区域可以这样实施：使得在总测量区域或其一部分区域中，由两个、三个或更多个接收元件组成的测量区域互相搭接。
接收区域可以这样实施：使得测量区域的某切口(Ausschnitte)配备高密度的接收区域，作为设备的测量区域的余额(Rest des Messbereichs der Vorrichtung)。
发射区域和/或接收区域可以大部分是等面积的。发射区域和/或接收区域可以部分或全部地覆盖自身所在的超声换能器元件的侧面。若等面积的发射区域和/或接收区域不能完全覆盖超声换能器元件的一个侧面，则它们可被置于所述侧面的一个或更多个边缘区域里，而它们与其余的发射和/或接收区域不等面积。所述发射区域和/或接收区域可以是矩形或多边形轮廓。发射区域和/或接收区域的轮廓可以是由两个或更多个矩形或者平行四边形组成。
所述两个或更多个没有连接在一起的接收区域和/或发射区域可以通过在镀金属层中留空(Aussparung)而形成。留空可以部分或全部地与材料幅的运动方向倾斜、垂直或平行。或者，留空可以为弯曲形状(meaenderfoermig)分布的。
超声传感器可以具有多于五个或多于十个分立的可读超声接收元件和/或超声发射元件，并且该多于五个或多于十个的超声接收元件和/或超声发射元件可以具有一个共同的超声换能器元件。
此外，该设备还可以包括一个控制装置，其中该控制装置被配置为用于运行发射元件和超声接收元件。该设备可以包括一个分析电路(Auswerteschaltung)，该分析电路和超声接收元件(以及可选的超声发射元件)可通信地耦合(kommunikativ gekoppelt)到一起，并配置为用于从超声接收元件捕捉的测量信号中弄清材料幅的一个边缘的位置。
该设备可包括一个分析电路，该分析电路和超声接收元件(以及可选的超声发射元件)可通信地耦合，并配置为用于从超声接收元件所捕捉的测量信号中确定材料幅一个第二边缘的位置。
该设备可包括一个分析电路，该分析电路和超声接收元件(以及可选的超声发射元件)可通信地耦合，并配置为用于从超声接收元件捕捉的测量信息中确定材料幅的幅面(Breite)。
此外，该设备还可包括一个校正设备，设置为在对比位置信号的基础上改变材料幅的边缘的位置，该位置信号由分析电路以额定位置信号(Soll-Lagesignal)产生。
该设备可包括导引材料幅的装置，其中超声传感器设置成使得它能在预定的测量区域内检测材料幅的边缘。
附图说明
图1描述的是已知检测材料幅位置的设备的透视图。
图2描述的是本发明的用于检测材料幅位置的设备的透视图。
图3描述的是图2所示设备的剖面图。
图4描述的是图2所示设备中超声接收元件的俯视图。
图5描述的是本发明的用于检测材料幅位置的设备的透视图。
图6描述的是本发明的用于检测材料幅位置的设备的透视图。
图7a至7f描述的是发射元件和超声接收元件的不同概要图。
图8a至8f描述的是发射元件和超声接收元件的不同概要图。
图9a至9f描述的是发射元件和超声接收元件的不同概要图。
图10是检测材料幅的边缘及校正检测偏差的设备。
具体实施方式
图1描述的是用于检测材料幅的边缘的传统设备40的透视图。该设备包括一个带有两臂42，43的外壳，其两臂组成了u形。在运转过程中，材料幅的一个边缘经过两臂42，43包围的空间。在相对的两臂上，各设置有超声传感器的多个(如图1中3个)分立的超声接收元件2，2’，2”和分立的超声发射元件3，3’，3”，其中每个超声发射元件3，3’，3”各自可以用一个超声有效信号给相对应的一个超声接收元件2，2’，2”加载。
此时，当材料幅在设备40的两臂42，43之间运动时，材料幅就会阻碍一部分由超声发射元件3，3’，3”发出的超声信号到达配置的超声接收元件2，2’，2”上。因此，每个超声接收元件2，2’，2”的测量信号的振幅就会减小。通过使用一定数量的超声接收元件2，2’，2”及利用其适当的排布就可以从接收元件2，2’，2”的测量信号中检测出材料幅的一个边缘(或位置)。
图2描述的是本发明的用于检测材料幅的边缘的设备20。该设备包括一个外壳205，该外壳具有一个第一臂202和一个第二臂203。为了检测材料幅的边缘，在第一臂202上设置多个(如图2中3个)超声接收元件2，2’，2”，每个元件都是可读的。在第二个臂203上仅设置一个单个的超声发射元件3。读出的测量信号可以通过输出端204被截取以用于进一步处理。
另一种方案是，该设备只包括一个臂，在该臂上设置一个超声发射元件和多个超声接收元件。在这种情况下，超声发射元件和多个超声接收元件设置为：使得当材料幅在设备的测量区域内时，一部分由超声发射元件发出的超声信号被材料幅反射回到多个超声接收元件上。还有一种可能是，该设备包括两个臂，每个臂杆上各自设置有一个超声发射元件和多个超声接收元件。
另一种方案是，超声发射元件同样起超声接收元件的作用。例如，可以预先设定一个反射器，其反射从超声发射元件发出的超声信号，以便被反射到超声发射器的信号能被检测出来，由此发射元件就起到了接收元件的作用。例如，可以将起超声接收元件作用的超声发射元件设置在第一臂上，而将反射器设置在相对的臂上。
在图2中所示的设备20只有唯一一个超声发射元件3，该元件用一个超声有效信号给多个超声接收元件2，2’，2”(在图2中3个)加载。由此唯一一个超声发射元件3配属有多个超声接收元件2，2’，2”。单个超声发射元件和超声接收元件的设置不仅限于在图2中所示，即不仅限于设置一个超声发射元件和三个超声接收元件。也可以是一个超声发射元件用一个超声有效信号对四个或更多，五个或更多或十个或更多的超声接收元件加载。该设备也可以具有多个超声发射元件，每个发射元件用一个超声有效信号对多于一个的超声接收元件(比如，两个，三个或四个)加载。对超声发射元件3的一种可能安排是使用一个带有压电复合材料的超声换能器元件。细节在相关的图7到图9中有描述。
在图2所示设备20中，单个超声发射元件3对多个分立的超声接收元件2，2’，2”加载。也就是说，每个超声接收元件2，2’，2”都具有各自的超声换能器元件和相应的电极。另一种选择正如有关的图7至图9所示，即集成多个超声接收元件。比如，两个或更多的超声接收元件共用一个超声换能器元件，该两个或更多超声接收元件可以通过共有的超声换能器元件上电极的合理结构化而形成。
图3是图2所示的设备的分解剖面图。这里清楚地显示，单个的超声发射元件3用各三个有效信号s，s’，s”分别给三个超声接收元件加载。
图4是图2所示设备20中超声接收元件2，2’，2”的分解俯视图。此外，在图4中还描述了一种材料幅10，其边缘11应被检测出来。通常材料幅10的边缘11被检测出来时，材料幅都沿着方向A运动。然而当材料幅10不运动时，边缘11也可能被检测出来。
如图4所示，材料幅10部分地扫过超声接收元件2，而没有扫过其余的超声接收元件2’，2”。超声发射元件3(图4中未描述)沿着观察者的方向垂直于信号层，并沿着超声接收元件2，2’，2”的方向发射超声信号。
因此从超声发射元件3发出的、到达超声接收元件2，2’，2”的那部分超声信号，因材料幅的存在而减少，因为发出的超声信号的一部分被材料幅反射和/或吸收。通过超声接收元件2，2’，2”空间上的设置，超声信号的减弱(只要材料幅的边缘11处在测量区域内)可以引起不同的超声接收元件2，2’，2”上测量信号的不均匀减少。因此，图4中超声接收元件2’，2”的测量信号不会因为材料幅10的存在而受影响，而超声接收元件2的测量信号减少。
因此，从测量信号的减弱可以得出结论：材料幅10的边缘11是处于测量范围内部的。此外，材料幅10边缘11的位置也能确定在测量范围内。因此，在没有材料幅10存在的情况下，对于测量信号中的一小部分，从超声接收元件2测量信号的减小，能够确定超声接收元件2表面的哪一部分被材料幅10扫过。由此，边缘11的位置就确定了。因为超声接收元件2，2’，2”在图4中如此设置：使得其测量范围在测量方向m直接彼此临近(图4未描述)，因此，材料幅10的边缘11的位置能够在一个共有的测量范围被确定。另一种可能是，超声接收元件2，2’，2”的测量范围也能够彼此搭接。这样就能确保：在超声接收元件2，2’，2”的每个边界区域，材料幅10的边缘11的位置都能精确的检测。
图2至图4中所示的设备20可有大于10mm、大于20mm或大于50mm的测量范围。它能够提供一个扫过材料幅完整幅面的测量范围。这样，材料幅的两个边缘都有可能被检测出来。从这些信息出发除了材料幅的位置以外，也能够确定材料幅的幅面。另一种可能是，将检测出的材料幅幅面和额定幅面相比较，以便能够确定材料幅的膨胀或切削压缩比。
通常该设备的测量装置垂直于材料幅的运动方向(或垂直于材料幅的边缘的位置)。然而，选择一个倾斜于材料幅运动方向的测量装置也是可以的。这就需要对超声接收元件进行适当的排布(例如，对图4所示的排布进行一定角度的旋转)。另一种可能是，将该设备的分析电路如此配置，即测量装置倾斜于材料幅的运动方向。
图5所示是另一种本发明的检测材料幅的边缘的设备50。该设备50包括一个带有两臂52，53的外壳，在两臂上设置多个超声接收元件2，2’，2”和一个超声发射元件(图5未描述)。这些多个超声接收元件2，2’，2”共用一个超声换能器元件。此外，或者另一种可能是，设备50包括多个超声接收元件，而这些元件共用一个超声换能器元件。这种超声发射元件和/或超声接收元件的可能配置是：使用一个包括压电复合材料的换能器元件。具体细节在相关图7至图9中有描述。
在图5中，超声接收元件2，2’，2”集成在一个元件51里。集成可以简化，因为通过使用一个共有的超声换能器元件也能够制造出作为集成部件的超声接收元件2，2’，2”的其余部分。因此安装在共有的换能器元件上的电极的结构化要适应于此，以便于形成单个的超声接收元件2，2’，2”。单个的超声接收元件2，2’，2”就可以分开的被读取。测量信号可通过输出端54准备进行进一步处理。
如图5所示，装有超声接收元件2，2’，2”的集成部件可以具有光滑的表面，可以精准地嵌入到外壳55中。图5中的集成部件具有圆形轮廓，当然像矩形等其他轮廓形状也是可以的。如图5所示，共有的超声换能器元件可以服务于三个超声接收元件2，2’，2”。当然两个超声接收元件也可以共用一个超声换能器元件。此外，四个或更多，五个或更多甚至十个或更多的超声接收元件也能共用一个超声换能器元件。这样测量范围就能达到大于10mm、大于20mm或大于50mm。
正如图5中有关超声接收元件的相关描述，两个或更多的超声发射元件也可以共用一个超声换能器元件。
图6示出本发明的另一个用于检测材料幅的边缘的设备60。该设备60包括至少一个超声传感器，其中该超声传感器有一个超声发射元件3和一个超声接收元件(图6中未描述)，其中超声发射元件的一个超声换能器元件整体构建，并且其中超声发射元件的超声换能器元件完全覆盖一个大于10mm，并垂直于材料幅运动方向、材料幅的边缘可以于其中被测量的测量区域。当然，超声接收元件的超声换能器元件也能以同样的方式整体构建。
另一种可能是，如图6所示的设备中，设置多个整体的超声换能器元件，每个元件都能完全覆盖一个大于10mm，并垂直于材料幅运动方向的测量区域。例如，覆盖沿着测量方向大于25mm或50mm的，并垂直于材料幅运动方向的测量区域。
如图7到图9的相关描述，也可以对于每个整体的超声换能器元件，设置两个或更多超声发射元件和/超声接收元件。
图6所示的设备60具有一个带有两个臂62，63的外壳65。超声发射元件和超声接收元件都分别安装在两个不同的臂上。图6中该设备的测量方向沿着臂62，、63的延伸方向行进。
如图5有关描述，在发射元件侧的整体超声换能器元件上，可以形成两个或更多超声发射元件。此外，或者另一种可能是，如图5相关描述，在接收元件侧的整体超声换能器元件上，可以形成两个或更多超声接收元件。当然，在发射元件侧和接收元件侧上，都可以形成一个单独的超声发射元件或超声接收元件。
图6中的超声传感器可以如此设置：即完全覆盖一个大于20mm或50mm的、垂直于材料幅运动方向的测量区域。当然这个较大范围的测量区域也可以通过使用在发射和/或接收元件侧的整体超声换能器元件来实现。或者，用两个或更多彼此临近或搭接的、10mm或更大的测量范围来扫过这一测量区域，其中在发射和/或接收元件侧的超声换能器元件在每个测量区域内都是整体的。
如图6所示，超声发射元件3集成在一个微长的矩形部件里。对于整体的超声换能器元件来说，一种可能的配置是，在超声换能器元件里使用一种压电复合材料。详见图7至图9的相关描述。通过输出端64可以读出设备60的测量信号。
图7至图9所示，是整体的超声换能器元件和多个超声发射元件以及超声接收元件，带有一个共用超声换能器元件。图中还描述了超声发射元件和超声接收元件的布置，其中单个的超声发射元件以一个超声有效信号对两个或更多的超声接收元件加载。
图7至图9中的超声发射元件和超声接收元件可以包括含有一种压电复合材料的超声换能器元件。例如，压电复合材料可以是一种压电陶瓷(比如锆钛酸铅)和一种聚合物(比如环氧树脂或聚氨酯类)的组合物(这种复合材料可以是压电有源(piezoelektrischaktiv)的，也可以是压电复合材料的一种无源(passiv)的组成部分)。这样，压电陶瓷结构就能有序地嵌入到聚合物基质中。例如，压电复合材料可以以平板的形式存在(平板向两种空间方向比向第三种方向能更加强烈地延伸，这样就形成了两个伸长的面和一个狭窄的面)。
在这样的平板上可以将棒形或管形的压电陶瓷嵌入到聚合物中，而陶瓷棒或陶瓷管沿着平板的狭窄面延伸。在这种配置中，可以通过在对立的(伸长的)平板表面上，通过电极在狭窄面上施加一个电压。借助这个施加的电压，压电陶瓷结构就能产生超声波，并且所述超声波在垂直于延伸的面的方向上远离平板。
相反，由于压电陶瓷结构的压电活性，垂直撞击到平板延伸面上的超声波会导致在平板的狭窄面上形成电压。通过测量这一电压，能够得出一个有关入射超声波和/或其撞击的平板表面的声压的结论。
因此，相关的图7至图9所描述的元件在被相应地安装后，既可以作为超声发射元件，也可以作为超声接收元件来运转。例如，在图2，图5或图6中所示的设备元件就可以使用。
在一种优选的实施方式中，压电复合材料平板可以包括一种包括压电陶瓷纤维和聚合物的复合物。这种包括压电陶瓷纤维和聚合物的复合物含有压电陶瓷纤维束，此纤维束中注入了一种聚合物(比如环氧树脂或聚氨酯类)。这一复合物的平板可以用任何形状生产，比如圆形或矩形轮廓。典型的压电陶瓷纤维的体积百分含量在20％到80％之间。而平板的狭窄面的厚度就可以在100μm到5cm之间。压电陶瓷纤维的直径在50μm到1mm之间。利用这一平板可以达到20kHz到400kHz的谐振频率，以便生产超声发射器和/超声接收器，这两者以20kHz到400kHz的频率范围内的超声运行。每个谐振频率通过平板的厚度来确定。这些压电陶瓷纤维复合材料平板可以通过切割材料的初轧钢锭(Schneiden vonAusgangsbloecken)的方式产生。
在图7至图9中，每个各有三张分别描述一个超声发射元件3和多个共用同一超声换能器元件22，32的超声接收元件2..2’n的图片。然而正如上面所提到的，让每个图示的元件以与各自本身相反的功能运行是可能的。上方各图(图7a，图7d，图8a，图8d，图9a，图9d)所示的是各个元件的俯视图，远离材料幅运动时应检测其边缘的侧面。而下方各图(图7c，图7f，图8c，图8f，图9c和图9f)描述的是各个元件的俯视图，朝向材料幅运动时应检测其边缘的侧面。中间各图(图7b，图7e，图8b，图8e，图9b和图9e)描述的是侧面的示图(该侧面处于一个与材料幅所处面平行的面)。
所有在图7至图9中所示的元件都有一个普通的平面电极，即23，33；这一电极处在远离材料幅的各个侧面上。超声发射元件3也拥有一个普通的平面电极31；这一电极位于朝向材料幅的侧面上。因此图7至图9中的超声传感器各自只有一个超声发射元件，这样就能用一个超声有效信号对所有超声接收元件加载。
图7至图9中描述的电极可以由薄金属层(比如金或银)组成。它们可以通过常见的薄膜分离技术(Duennschicht-Abscheidungstechniken)来制造，比如溅射技术。同样可能的是，通过印刷导体材料(比如银粒子溶液中)的方式制造电极。
在图7d到7f中所示的是第一种实施方式，在这一实施方式中，通过一个结构化的电极构造了多个接收区域，即21a到21n，它们构成了超声接收元件2到2’n。用这种方式构建的超声接收元件2到2’n中的每一个在各自的接收范围，即21a到21n之内都是可接触的，也因此是分立的可读的。图7d到图7f中的超声换能器元件具有一个梯形轮廓。在超声换能器元件朝向材料幅一面上，镀金属层是通过留空处24实现结构化的，而留空处24倾斜于材料幅的运动方向。这样就可以保证，如果材料幅的边缘覆盖了超声接收元件2至2’n中某个的边缘区域，它同时也能覆盖超声接收元件2至2’n中另一个的边缘区域。这样设备在超声接收元件2到2’n之中两个之间的过渡区中的灵敏度就会提高。
如果一种材料幅覆盖了部分或整个接收区域21a到21n，那么从每个区域中可截取的测量信号就会减少。这样一来，在分析电路的辅助下，从超声接收元件2到2’n的测量信号中就能确定材料幅的边缘的位置。
与图7d至7f中所示的超声接收元件2到2’n相同，在图8d至图8f中所示的超声接收元件2到2’n会通过镀金属层上的留空处(图中24)来构建，该镀金属层位于超声换能器元件朝向材料幅的一侧。然而在图8e和8f中每个留空处24都有一条弯曲两次的路径，而这个留空处从超声换能器元件朝向材料幅那一侧的边缘开始，首先平行于材料幅运动方向延伸。在经过首段预设的长度之后(比如超声换能器元件朝向材料幅一侧的平行于材料幅的运动方向延伸长度的一半)留空处90度转弯，然后垂直于材料幅运动方向行进第二段预设长度。然后留空处24再次90度转弯，直到到达超声换能器元件面向材料幅与起始边缘相对的边缘的一侧。由此形成形状复杂的超声接收元件2到2’n，这些元件的表面各有两个互相结合的矩形区域。用这一几何图形，材料幅的边缘几乎能扫过整个测量区域，两个超声接收元件(2到2’n中)中的每个位置，超声接收元件2到2’n互相临近，其测量区域互相搭接。这样，几乎可以一直有两个测量信号用于检测材料幅的边缘，这又能提高测量的灵敏度。
应用这一原理的另一种设计方案在图9e至9f中有描述。此时朝向材料幅一侧上的镀金属层也同样有两个拐角，然而每个都大于90度。留空处24的走向在其他方面与图8中所示是相同的。当拐角的角度大于90度，材料幅的边缘能扫过整个测量区域，两个超声接收器2到2’n中元件中的每个位置。
除了图7到图9中所示的几何图形之外，超声接收元件2到2’n也能构造成其他形状。其产生可以在使用障板(Schattenmasken)的情况下通过蒸发过程或溅射过程来实现，这样借助障板的形状就几乎可以生产出任意图案类型的留空。当设置一个平面的镀金属层时，上述情况同样适用，这样留空处就被写入(geschrieben)镀金属层，比如使用激光烧蚀技术。
图10所示是设备100，它除了配有其他设备具有的感应器组件120(这里可以使用例如图2，图5和图6中的装置)之外，还有一个用于校正材料幅侧面偏差110的设备。材料幅10沿着A方向运动，而材料幅的一个边缘11在感应器组件120的测量区域内运动。这一感应器组件120这样设置：使得在某个预定的时间点(例如定期或连续地)确定材料幅10的边缘11的位置。设备100有一个分析电路，它能接收感应器组件120的超声传感器的测量信号，并由此确定材料幅10边缘11的位置。如上文所述，如果超声波感应器配有多个超声接收元件，为了确定边缘11的位置，分析电路就可以分析单个的测量信号。例如，分析电路可以为每个超声接收元件动用一个表格，在这一表格中与某个特定测量信号相符的边缘11的位置被存储下来。通过比较当前测量信号和存储值就可以确定边缘11的位置。分析电路可以安装在感应器组件120的外壳里，但也可以安装到设备110的其他位置上。
由分析电路确定的材料幅10边缘11的位置可以用于以下用途：即相对于存储的额定位置，确定材料幅的侧面偏差。当然这一比较可以在分析电路中实现，也同样能在其他电路中实现。如果侧面偏差的数值已经确定，借助这一数值就可以供给用于校正侧面偏差的设备110，以便校正侧面偏差。
在图10的例子中用于校正侧面偏差的设备110包括两个可旋转的辊101，102。根据侧面偏差的数值，这两个辊101，102转动，以便校正偏差。
即便感应器组件120没有用于校正侧面偏差的装置，它也能包括一个或多个辊，以便引导材料幅，使其边缘会经过感应器组件120的测量区域。

Claims (23)

1.用于检测材料幅的边缘的设备，包括：
一个超声传感器，其包括两个或更多个的分立的可读的超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)和一个或多个分立的可操控的超声发射元件(3；3‘；3“)；
其中所述两个或更多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)具有一个共同超声换能器元件(22)，其中所述共同超声换能器元件(22)被配置成将超声信号转化为电信号。
2.用于检测材料幅的边缘的设备，包括：
一个超声传感器，其包括一个或更多个的分立的可读的超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)和两个或多个分立的可操控的超声发射元件(3；3‘；3“)；
其中所述两个或更多个超声发射元件(3；3‘；3“)具有一个共同超声换能器元件(32)，其中所述共同超声换能器元件(32)被配置成将电信号转化为超声信号。
3.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，其中一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)以及一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)这样设置：使得材料幅(10 )能在一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)与一个或多个的超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)之间穿过，从而将一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)以及一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)设置在材料幅(10)的不同侧面。
4.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，其中超声传感器包括三个或四个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)，并且超声发射元件(3；3‘；3“)之一这样设置：使得其能用一个超声有效信号对三个或四个超声接收元件(2；2‘；2“……2 ‘n)加载。
5.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，其中每个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)都设置有一个测量区域，在该测量区域内可以检测材料幅(10)的边缘(11)，而且其中测量区域在测量方向上直接彼此临近或搭接。
6.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，还包括：
一个外壳，其具有一个第一臂和一个第二臂，其中一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)设置在第一臂上，以及一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)设置在第二臂上。
7.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，其中一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)和/或一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)包括压电复合材料的超声换能器元件(22,32)。
8.根据权利要求7所述的设备(20；50；60；120)，其中所述压电复合材料是一种包含聚合物以及压电陶瓷纤维的压电纤维复合材料。
9.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，其中一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)和/或一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)的超声换能器元件(22,32)构建为平面形式。
10.根据权利要求9所述的设备(20；50；60；120)，其中一个或多个的超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)和/或一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)的超声波换能器元件(22,32)的相对立的两面被镀上金属层，以便电接触一个或多个换能器元件(22,32)。
11.根据权利要求10所述的设备(20；50；60；120)，其中一个或多个超声换能器元件(22)的接收面上的镀金属层这样构造：使得在一个或多个超声换能器元件(22)的一个接收面上形成两个或更多个不相连的接收区域(21a；……21n)，所述接收面朝向一个或多个超声发射元件(3,3‘，3“)，所述接收区域是分立的可读的，以便形成两个或更多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)。
12.根据权利要求11所述的设备(20；50；60；120)，其中一个或多个超声换能器元件(32)的发射面上的镀金属层这样构造：使得在一个或多个超声换能器元件(32)的发射面上形成两个或更多个不相连的发射区域，所述发射面朝向一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)，所述发射区域是分立的可操控的，以便形成两个或更多个超声发射元件(3,3‘，3“)。
13.根据权利要求11或12所述的设备(20；50；60；120)，其中两个或更多个不相连的接收区域(21a；……21n)和/或发射区域通过在镀金属层上的留空(24)形成。
14.根据权利要求13所述的设备(20；50；60；120)，留空(24)至少部分倾斜、垂直或平行于材料幅(10)的运动方向。
15.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，还包括一个分析电路，该分析电路与超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)可通信地相互耦接，并配置为从超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)捕捉测量信号以确定材料幅(10)的边缘(11)的位置。
16.根据权利要求15所述的设备(20；50；60；120)，还包括：一个校正装置(110)，该装置被配置为在比较位置信号的基础上改变材料幅(10)的边缘(11)的位置，所述位置信号是由分析电路将其与额定位置信号比较产生的。
17.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，还包含：
一个用于引导材料幅(10)的设备，
其中超声传感器这样设置：使得在一个预设的测量区域内可以检测材料幅(10)的边缘(11)。
18.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，还包括一个分析电路，所述电路和超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)可通信地相互耦联，并被配置为从超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)捕捉的测量信号中确定材料幅(10)边缘(11)和第二个边缘的位置。
19.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，还包含一个分析电路，所述电路和超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)可通信地相互耦联，并被配置为从超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)捕捉的测量信号中确定材料幅(10)的幅面。
20.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，还包含：一个外壳，其具有一个第一臂和一个第二臂，其中在两个臂上均设置一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)以及一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)。
21.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，其中当设备(20；50；60；120)可以投入使用时，一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)以及一个或多个的超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)设置在材料幅(10)的同一侧。
22.根据权利要求21所述的设备(20；50；60；120)，还包括一个反射器，该反射器被配置为在一个或多个超声接收元件(2；2‘；2“……2‘n)方向上反射至少一部分从一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)发射的超声波信号。
23.根据权利要求1或2所述的设备(20；50；60；120)，其中一个或多个超声发射元件(3；3‘；3“)中的至少一个被配置为起超声接收元件的作用。
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