CN103890538A - 使用光学测量装置实时地测量移动主体的相对位置数据和/或几何尺寸 - Google Patents

Abstract

本发明涉及通过光照单元（2）和检测器单元（4）实时地测量一个移动主体（1）的相对位置数据和/或几何尺寸，其中该移动主体（1）相对于所述单元被可移动地引导。多条光束（3）从该光照单元（2）朝该检测器单元（4）被发射；该移动主体（1）在该光照单元（2）与该检测器单元（4）之间突出到被这些光束（3）充满的体积中，从而使得被该移动主体（4）投下的阴影的阴影边界在该检测器单元（4）上延伸。该检测器单元（4）包括一个二维光学位置检测器（4.1），该二维光学位置检测器被设计成一个含有光致发光颗粒的二维光波导。来自所述二维光波导的一些信号被彼此隔开的多个小面积的光电传感器（4.1.1）读出，这些信号的强度与波导模中的传感器位置处的光（4.1.1）的强度相关。

Description

使用光学测量装置实时地测量移动主体的相对位置数据和/或几何尺寸

本发明涉及使用光学测量装置对移动主体的相对位置数据和/或几何尺寸的实时测量。一个特别有利的应用涉及监视旅行过程中铁路车辆的车轮的变化。

早在1962年，DE1159173B就提出在铁路车辆上记录旅行过程中在车架与敞车或车轮组之间的相对移动。为了记录，在每种情况下，一支笔与相对于车架相伴移动的部件相伴地移动，所述笔在相对于车架一致地移动的纸张表面上书写。

根据US3864093A，在旅行过程中已经借助于一个事实测量了铁路车辆的车轮相对于铁轨的横向偏移，即仅仅从车辆为铁轨的下部部分照明，并且从下部部分反射的光被光学传感器形式的光电二极管检测到，这些光学传感器同样被装配到车辆上。铁轨的侧边遮蔽住相对于传感器的一部分反射的光的一部分。可以根据传感器处的阴影边缘的位置来计算横向车轮偏移。举例来说，可以将激光器用作光源。

根据US4040738A，铁路车辆相对于铁轨的位置的测量方式如下：激光光束用在第一角度下以尽可能良好聚焦的方式照射铁轨的一个区域，并且通过从不同于第一角度的一个角度指向所述铁轨的相机给光点成像，所述相机是通过透镜和光电管阵列形成的。由于光点必须处在将透镜中点连接到激光光束的各个点上的多条直线所限定的平面上，可以根据光点在光电管阵列上的成像位置来计算光点相对于相机的位置。

根据FR2674809A1和JP10332323A用稍微展的方式使用本原理。可以利用或者具有直线的横截面面积形式或者具有沿着直线放置的多个点的横截面形式的激光光束，而不是利用具有理想地点状横截面面积的激光光束。激光光束在铁轨上产生的光区域的图像（所述图像被相机从限定的位置捕获）使得可以计算铁轨与相机之间的距离并且计算铁轨的横截面面积的等高线的一部分。

根据EP0707196B1，前文论述的基于激光源和光电管的检测装置是被装配在铁路车辆的敞车上。此外，优选是借助于机械传感器来检测敞车相对于铁路车辆的车架的移动。

根据EP1324005A2，通过使车轮在测量铁轨上缓慢滚动并且在这个过程中被准直的激光光束照射来测量铁路车辆的车轮的运转表面的几何形状。相机捕获到被照射的区域的图像，并且由计算机评估这个图像，包含与分别承载着车轮的测量铁轨的位置有关的数据。

根据US7715026B2，通过一个程序来测量铁路车辆的静止车轮的横截面面积的边缘线的一部分，在这个程序中，使一个正在操作的激光距离测量装置在这个部分上方枢转，并且连续地记录和评估包括激光距离测量装置的位置、方向和距离以及激光距离测量装置与被其照射的表面点之间的距离在内的数据。

根据EP2343496A1提出了一种装置，这种装置被安排在铁路车辆上并且在车轮的水平面上，并且如上文进一步论述，具有一个照明单元和一个相机，这个照明单元和这个相机从不同的角度朝铁轨定向，以便根据上文进一步论述的原理测量铁轨。该装置被一个外壳包围，压缩空气通过一根软管被引导到这个外壳中。在外壳中的必需的窗子的区域中，压缩空气从外壳流出，并且因此防止污染物从外部到达窗子。

针对作为数据处理系统的控制表面的应用，WO2010/006348A1描述了一个检测器表面，这个检测器表面检测到光脉冲入射在其上的事实和在其上的入射点的空间坐标。该检测器表面被构造成平面光波导。在彼此间隔开的多个位置处，将多个小面积的光电传感器装配到该平面光波导上，在这些传感器处，经由光波导到达的光被耦合出去并且产生电信号。一个具有光致发光特性的层与该光波导平行地在该光波导上延伸。碰撞到该层安排上的适当波谱中的光在光致发光层处被转换成具有更长波长的光，这个光在波导中传播，并且由此传递到光电传感器。随着离耦合到波导中的位置的距离增加，在波导中引导的光的强度降低。结果，通过一种三角测量法，可以根据在多个光电传感器处测量到的信号强度而推断出成因光入射的位置。用于确定光脉冲的入射点位置的这个推断可以实现的空间分辨率比各个光电传感器之间的距离的间距精细许多倍。

在得知这个现有技术的情况下，发明人解决了改善正在操作性移动的对象的位置和几何数据的连续测量的问题。本发明将能够实现每单位时间的更多次测量，而预期在测量过程中获得的数据量是可容易传输到数据处理系统的，并且预期所需要的装置既鲁棒又便宜。还预期本发明有利地适用于连续记录在操作性旅行中铁路车辆的车轮的位置和几何数据。

为了解决这个问题，提出了提供一种光源，这个光源照亮有待测量的对象以及刚刚超出这个对象的地方两者。一个平面光学位置检测器被安排在接受监视的移动区域的从光源看的后方，并且有待测量的对象所投下的阴影的阴影边界经过所述检测器。该平面光学位置检测器像上文说明的根据WO2010/006348A1的检测器表面一样是被实施为包括集成光致发光材料的一个平面光波导，其中多个相对小面积的光电传感器以彼此间隔开的方式被装配到光波导上，在这些传感器处，光被从波导模耦合出去并且产生一个电信号。在被连接的数据处理系统中对这些电信号进行评估。平面光学位置检测器上的阴影边界的变化产生多个光电传感器处的信号变化。根据所述信号变化的幅度，数据处理系统推断出平面位置检测器上的阴影边界的变化，并且根据这个变化进一步推断出有待测量的对象的位置或轮廓走向的变化。

这种安排的主要优点包括：

-基于光致发光波导的测量原理准许极其快速的测量和对所获得的数据的非常快速的读出。这意味着，即使是维持时间非常短或者以高频率周期性重复的移动或尺寸变化，也容易被检测到。

-通过从各个检测器信号中过滤掉DC分量，可以用简单的方式防止平面光学位置检测器的透明盖子或光源的透明盖子的污染对测量结果造成破坏。

-与其他光学位置检测器相比，平面光学位置检测器每单元面积的成本效益很高。因此，根据本发明的测量原理可以实现大面积应用，迄今为止，由于经济上的原因尚未实现大面积应用。

-使用所提出的平面光学位置检测器，可以容易地避免伴随其他位置检测器发生的一些空间问题：

所提出的位置检测器通常作为柔性塑料膜存在。因此，它不需要安排在平面中，实际上，它也可以被施加到曲面区域上。

所提出的位置检测器可以毫无问题地用此大面积实施，这样即使是对有待成像的大面积的成像（或“监视”），也不需要常规检测器中所需要的任何透镜将来自有待成像的大面积的光聚焦到小得多的检测器区域上。因此，根据本发明的检测器安排可以制造成比根据现有技术的检测器安排扁平得多。

-虽然可以实现高空间分辨率，但是仅仅从相对少数个光电传感器将数据读取到数据处理系统中。与从可区分的部分区域的数目与有待读取的光电传感器的数目相等的更加广泛常用的光学位置检测器相比，这意味着向数据处理系统的数据传输在系统复杂度方面更简单，并且可以更快速很多地执行这个数据传输。

-所使用的系统组件成本效率相对高，并且相对鲁棒。

将参照基本示意图更详细地解释另外的细节和有利的另外发展：

图1：以程式化方式用横向部分截面图示出了根据本发明的示例性测量安排中对于理解本发明至关重要的部分。

在根据图1的示例中，有待测量的移动主体是车轮1，这个车轮如方向键头所指示既可以围绕其轴线旋转，又可以在垂直于轴线的方向上位移。照明单元2和检测器单元4被固定在一个主体（未展示）上，预期车轮1相对于这个主体的相对移动是可确定的。

车轮1典型地可以是铁路车辆的车轮。于是，测量的目的将是确定车轮在竖直方向上相对于铁路车辆或敞车的偏转以及车轮的运转表面的形状的实时变化，并且在数据处理系统中记录这些数据。接着，照明单元2和检测器单元4将被固定到铁路车辆的车架上或上面固持着车轮的敞车上。

光束3从照明单元2被发射到检测器单元4。光束3相对于彼此尽可能良好地准直（也就是说，彼此平行对准），或者尽可能像从共用实际或虚拟点光源前进一样良好地对准。

有待测量的对象（所展示的示例中的车轮1）相对于光束3的方向被安排在照明单元2与检测器单元4之间。所述车轮1突出到被光束3渗透的体积中，从而使得所述车轮投下一片阴影，这片阴影的边缘线经过检测器单元4。如果车轮1在与光束3的方向垂直的方向上线性移动，或者如果在旋转过程中突出到被光渗透的体积的所述车轮的边缘表面变形，阴影边界在检测器单元4上位移。阴影边界的位移在检测器单元4中产生信号。

照明单元2的中心元件是光源2.1，该光源最好是通过发光半导体二极管和布置在下游的透镜实现。因此，光束3可以用尽可能好的方式相对于彼此准直。基于半导体的光源提供的两个另外可能性使得这个安排对于环境光的影响非常不敏感。首先，可以将位置检测器4的敏感性限于所使用的光的波长，并且提供强度比环境光中发生的这个波长的光高很多的光。其次，可以使光的强度经受调制频率，也就是说，允许光的强度随着高频而周期性地上升和下降，并且根据位置检测器4的输出信号借助于适当的滤波，只准许同样具有所述调制频率的那些信号接受进一步处理。

当然，看起来可取的做法是使包括布置在下游的透镜的光源2.1被发射光可透过的板2.4向外覆盖，以便保护所述光源和透镜免受污染和机械损坏。在示意性描绘的优选实施例中，光源和透明板2.4被一侧朝光离开侧敞开的外壳2.2容纳，并且空气通过线路2.3被泵送到外壳2.3中，所述空气再次穿过该开口自光离开侧从外壳2.3中逸出。因此这里实现的是，透明板2.4在多尘或模糊的环境条件下受到污染的速度较慢，或者可能根本不受污染。

同样，为了防止污染，检测器单元4也优选具有一个外壳4.2，这个外壳具有一个朝向必须能够透光的侧面的开口，空气穿过这个开口流出，为了这个目的，使空气通过线路4.3进入外壳4.2的其他位置。同样，还预期检测器单元4的敏感的中心元件，即平面光学位置检测器4.1，借助于透明板4.4受到保护免受机械损坏和朝向外壳开口的污染。为了使板4.4的污染产生的光散射不会对测量结果造成过多影响，板4.4应当被安排成尽可能靠近平面光学位置检测器4.1，并且应当优选地实际上承载在检测器上。

平面光学位置检测器4.1是一个平面光波导，该平面光波导含有光致发光颗粒，并且一侧具有多个小面积的光电传感器4.1.1，这些光电传感器被用分布式的方式安排，并且能够从波导模耦合出去和检测到光，从而依据在相应位置处耦合出去的光的强度产生电信号。

将简要地重复这个平面光学位置检测器的已知的功能原理：借助于光致发光颗粒（例如是染料分子或半导体纳米颗粒），将从外部入射的光转换成波长更长的散射光。这个光大部分被耦合到波导中并且在波导中传播。出于许多原因，波导中的光的强度随着离发生光致发光的点的距离的增加而减小，并且因此在相应的光电传感器处产生的电信号也减小。借助于多个光电传感器在光波导上被安排成彼此有一段距离这个事实，可以借助在数据技术方面可以自动化的数学方法，根据各个光电传感器处的测量到的信号强度的比率推断出引发光致发光的光束的入射位置，可实现的空间分辨率比相邻光电传感器之间的距离精细许多倍。通常将基于硅的光电二极管用作光电传感器，所述光电二极管的活性横截面面积例如是0.36mm²。依据期望的空间分辨率，在相邻光电传感器之间可以有15到150mm的距离。

尤其是，因为虽然在测量过程中位置检测的空间分辨率较高，但是仅仅必须从每个被监视面积的相对少数个光电传感器4.1.1读出模拟信号值，可以极其快速地读取所描述的平面光学位置检测器4.1，并且可以在每个单位时间执行极其多次位置测量，通常每秒100000次测量。因此，使用极其高速的相机，可以实现极其高的观测时间分辨率。

将平面光学位置检测器4.1的光电传感器产生的信号读取到数据处理系统（未展示）中，并且对这个信号进行评估。在应假设要给出的边界条件下，即，上述阴影边界将检测区域划分成被照明单元2不同程度地照明的两个面积的区，其中一个面积的区本身被均质地照明，而另一个面积的区根本不被照明，数据处理系统通过一种内插法根据各个光电传感器发出的测量结果可以快速地计算阴影边界在检测区域上的走向。因此，还在与光束3的方向垂直的平面中，相对于检测器单元4限定光阴影边界在车轮上所在的车轮1的那些各个点的位置。

通过考虑到各个光电传感器4.1.1处的信号变化的动态范围，可以获得有价值的信息，或者抑制错误信息：

如上文已经提到的，照明单元2发射的光束3的强度可能随着特定频率而波动，并且一个频率滤波器可以被布置在光电传感器4.1.1的下游，所述滤波器的通带被设置成所述频率。结果，可以良好地抑制环境光产生的干扰效应。

举例来说，连续测量之间的最小时间间隔可以是1μs（对应于1MHz的测量频率），并且光束3的开关频率可以是100kHz（周期持续时间为10μs，5μs为关闭，而5μs为打开）。借助于根据本发明的测量原理，可以毫无问题地实现这个目标。因此，在光功率的波动周期内，在每种情况下，可以记录5个测量值，这些测量值于是对应于检测器的点处的光强度。通过从光源关闭时测量的值减去光源打开时测量的值，这于是产生光源产生的当前光强度的非常可靠的测量值。

如果数据处理系统还测量了车轮1的旋转速度，可以检查所观测到的阴影边界的一部分或者整个观测到的阴影边界的位移是随着车轮1的旋转的定时而重复还是随着为旋转定时的整数倍的定时而重复。这于是就是车轮1上的从其余旋转对称偏离的位置的清楚指示。

参照“铁路车辆的车轮”这个示例，此测量结果的第一次出现以及整个观测到的阴影边界的单次突然位移是铁路铁轨上的偏转位置的指示。结合转速表，借助于测量方法可以快速找到所述偏转位置。

阴影边界在形状未改变的情况下永久位移是对相对于所测量的主体的永久相对位移的指示。参照铁路车辆的示例，发生这种情况的原因可能是弹簧悬挂的弹性的变化，这可以指示对应的材料疲劳。

阴影边界的形状的永久变化是对某个部分被均匀腐蚀或涂敷的指示。参照铁路车辆的车轮的示例，车轮圆周上的缓慢均匀的腐蚀将是典型的。

不会跟随阴影边界的移动的亮度的永久持续的变化是保护性透明板2.4或4.4中的一个受到污染的强烈指示。

在对于许多应用来说足够好的一个简单的有成本效益的实施例中，平面光学位置检测器4.1的整个区域可以是单个连续的光波导，光电传感器4.1.1在一些位置上被装配到这个光波导上，其中所述传感器可以被安排在区域边缘处和离边缘有一段距离的区域的区处。

特别是在有待测量的复杂几何形状的情况下，或者当需要对检测器信号的特别精确和快速的评估时，如果光学位置检测器4.1的区域被细分成多个相对于光波导彼此隔离的部分区域，其中每个部分区域装备有多个光电传感器4.1.1，则是有利的。由于入射在各个部分区域上的光信号因此不能影响来自其他部分区域的传感器信号，总结果的评估得到简化，并且变得更不易出现错误。

在本发明的一个优选实施例中，作为一种隔膜，将一个型板5固定到照明单元2与检测器单元4相对于彼此被不可移动地安装的那个部分上，所述型板突出到被光束3渗透的体积中，并且连同有待测量的对象1一起定界出一个狭槽，光束3穿过这个狭槽传递到检测器单元4。与没有这个型板5的设计相比，光学位置检测器4.1的被照明的区域被更好地定界。在有待测量的对象1的形状或位置发生变化的情况下，光学位置检测器4.1的区域上的光点的相对变化更高，并且因此是可以更清楚地检测到的。型板5可以通过一个金属片部分形成，例如，这个金属片部分的面向有待监视的对象1的边缘是用近似于那里的对象1的轮廓的方式成形的。优选地，如图1中指示的型板5是在相对于照明单元2和检测器单元4的可调整的位置上可安装的，从而使得虽然相对于有待监视的对象的间隙尽可能狭窄，但是不会发生碰撞。

根据本发明的测量原理可以方便地特别用于包括相对于彼此被移动的部分的这些装置上，其中预期相对于一个部分以周期性重复的方式被移动的另一部分相对于其相对位置或其几何形状从该一个部分得到测量。对于监视那些以周期性重复的方式被移动并且被操作性地发生的应力磨损到在装置的使用寿命过程中必须反复维修或更换的程度的部分来说，这一点特别有价值。

Claims (9)

1.一种用于使用光学测量装置基于一个移动主体（1）投下的阴影的边界的测量来实时地测量该移动主体（1）的相对位置数据和/或几何尺寸的装置，该移动主体被相对于该装置引导，其中可以向一个数据处理系统传送输出数据的一个照明单元（2）和一个检测器单元（4）被相对于彼此不可移动地彼此相距一段距离地固定，

其特征在于，

多条光束（3）在该检测器单元（4）的方向上从该照明单元（2）发射，并且在于，该检测器单元（4）包括一个平面光学位置检测器（4.1），该平面光学位置检测器被实施为一个平面光波导，该光波导含有光致发光颗粒，并且在一侧处具有多个小面积的光电传感器（4.1.1），这些光电传感器被安排成彼此相距一些距离，并且能够将光从该光波导中的波导模耦合出去，并且产生一个电信号，该电信号的强度与被耦合出去的该光的强度相关。

2.如权利要求1所述的装置，其特征在于，该装置用于测量相对于所述装置以周期性重复的移动走向定位的一个主体的相对位置数据和/或几何尺寸。

3.如权利要求2所述的装置，其特征在于，该装置用于测量相对于所述装置旋转的一个主体的相对位置数据和/或几何尺寸。

4.如权利要求5所述的装置，其特征在于，该装置用于测量一个铁路车辆的车轮的移动，并且在于，该照明单元（2）和检测器单元（4）被固定到该铁路车辆的车架上或该铁路车辆的敞车上。

5.如权利要求1到4中任一项所述的装置，其特征在于，处在与这些光束（3）的方向垂直的平面中的该平面光学位置检测器（4.1）的尺寸大于或等于被这些光束（3）渗透的体积的横截面面积。

6.如权利要求1到5中任一项所述的装置，其特征在于，一个型板（5）相对于该照明单元（2）是不可移动的，并且该检测器单元（4）突出到被多条光束（3）渗透的体积中，并且定界出一个狭槽，多条光束（3）穿过这个狭槽传递到该检测器单元（4）中。

7.一种用于用如权利要求1到6所述的装置使用光学测量装置基于一个移动主体（1）投下的阴影的边界的测量来实时地测量该主体（1）的相对位置数据和/或几何尺寸的方法，该主体执行相同类型的周期性重复的移动，

其特征在于，

该数据处理系统检测这些移动的重复频率，并且在于，该数据处理系统检查这些光电检测器（4.1.1）发射的电信号的信号强度的波动是用相同重复频率重复还是用高出整数倍的重复频率重复。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，该数据处理系统通过内插法根据这些各个光电传感器（4.1.1）的测量值来计算在该平面光学位置检测器（4.1）上经过的一个阴影边界的走向，其中该计算是以一个阴影条件为基础，该阴影条件即是该阴影边界将该平面光学位置检测器（4.1）的区域相对于使用多条光束（3）的照明划分成被不同程度上照明的两个区域的区，其中一个区域的区本身被均质地照明，而另一个区域的区根本不被照明。

9.如权利要求7或权利要求8所述的方法，其特征在于，该方法是用于在旅行操作过程中在一个铁路车辆上测量在一个铁轨上滚动的一个车轮（1）的位置和几何形状。

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