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Die Erfindung betrifft einen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente, mindestens einer Optik sowie Ansteuerungs- und Auswertemitteln, wobei die Optik das zu messende Objekt oder dessen Oberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors zumindest teilweise abbildet und die Ansteuerungsmittel die lichtempfindlichen Elemente des Sensors in zeitlichem Abstand auslesen.
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Stand der Technik
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Für die Messung von Relativgeschwindigkeiten zwischen einem Beobachter bzw. Sensor und einem Objekt oder dessen Oberfläche sind Sensoren bekannt, welche nach verschiedenen Verfahren arbeiten. Generell ist es bei der Messung der Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Sensor und einer Oberfläche unerheblich, ob sich der Sensor gegenüber dem Objekt bewegt oder das Objekt gegenüber dem Sensor. Schließlich basiert die Geschwindigkeitsmessung dem Grunde nach auf der Bestimmung einer Länge, beispielsweise des zurückgelegten Weges des Objekts im Messbereich des Sensors innerhalb einer bestimmten Zeit. Aus der gemessenen Verschiebung und der benötigten Zeit kann damit die Geschwindigkeit bestimmt werden. Durch einfache Integration über die gemessene Zeit kann auch die zurückgelegte Wegstrecke bzw. die Länge eines Objektes mit einem entsprechenden Sensor bestimmt werden. Sensoren zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind daher auch zur Längenmessung geeignet.
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Zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind mehrere Verfahren bekannt. Eines dieser Verfahren ist das Laser-Doppler-Verfahren, bei welchem in einer Zweistrahlanordnung ein Laserstrahl über einen Strahlteil in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und beide Teilstrahlen unter verschiedenen Winkeln auf der Oberfläche des Messgutes zur Überlappung gebracht werden. Beide Laserstrahlen erfahren nun aufgrund der Geschwindigkeit des Objektes oder der Oberfläche des Objektes, auf welcher sie zur Überlappung gebracht werden, unterschiedliche Dopplerverschiebungen, welche abhängig von der Geschwindigkeit des Objektes sind. Das gestreute Laserlicht enthält eine niederfrequente Schwebungsfrequenz, welche in erster Ordnung direkt proportional zur Geschwindigkeit des Objektes ist. Mit dem Laser-Doppler-Verfahren lassen sich Geschwindigkeiten und Längen mit Messfehlern im Promillebereich bestimmen. Allerdings ist der Aufbau bedingt durch die zwei Strahlengänge und die Laserlichtquelle apparativ sehr auswendig. Darüber hinaus hängt das Messergebnis in starkem Maße von der Temperaturstabilität im Messbereich sowie der Vorrichtung zur Messung ab. Daher ist ein enormer Aufwand zur Temperierung der Geräte erforderlich.
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Ein anderes optisches Messverfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung ist das Ortsfrequenzfilterverfahren. Eine Objektoberfläche oder ein Objekt wird typischerweise mit weißem Licht bestrahlt und das zurückgestreute Licht von einem lichtempfindlichen Detektor durch ein optisches Gitter hindurch gemessen. Bei der Bewegung des Objektes oder der Objektoberfläche entstehen Hell-Dunkel-Schwankungen im optischen Gitter, deren Frequenz proportional zur Geschwindigkeit des Objekts bzw. der Objektoberfläche ist. Beim Ortsfrequenzfilterverfahren wird die Oberfläche des Objektes bzw. die Objektoberfläche in rasterförmige Bereiche entsprechend dem optischen Gitter aufgeteilt und deren Helligkeit ausgewertet. Verglichen mit dem Laser-Doppler-Verfahren ist der apparative Aufbau eines Sensors für das Ortsfrequenzfilterverfahren relativ gering. Nachteilig ist jedoch, dass das Ortsfrequenzfilterverfahren relativ hohe Messfehler im Bereich niedriger Objektgeschwindigkeiten liefert, da die Bestimmung der Geschwindigkeit auf einer Frequenzmessung eines zumeist verrauschten Signals beruht. Problematisch ist dabei insbesondere, dass ein Stillstand des zu messenden Objekts, welcher zu einer Frequenz von „0” führt, mit dem Ortsfrequenzfilterverfahren nicht detektierbar ist. Ein weiteres Problem bei dem Ortsfrequenzfilterverfahren ist, dass die Abbildungsmaßstäbe eingesetzter Optiken sich direkt in den Messergebnissen niederschlagen, so dass zur Erzielung eines kleinen Messfehlers der Abstand des Sensors zum Objekt bei einer bestimmten Optik in engen Grenzen konstant gehalten werden muss.
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Ein derartiger Sensor ist zum Beispiel aus der deutschen Patentschrift
DE 102 56 725 B3 bekannt. Die
DE 102 56 725 B3 offenbart einen nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeitenden Sensor zur Messung von Geschwindigkeiten eines Materials. Die Materialoberfläche wird durch Beleuchtungsmittel, die zur rasterförmigen Aufnahme von Helligkeitswerten von der Oberfläche des Materials vorgesehen sind, beleuchtet. Die Beleuchtungsmittel weisen hierzu getrennt ansteuerbare Lichtquellen auf, die mittels Ansteuerungsmitteln ein sich bewegendes Lichtmuster auf die Oberfläche des Materials abbilden.
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Eine weitere Möglichkeit eine relative Verschiebung eines Objektes gegenüber einem Sensor zu messen, stellt das Bildverarbeitungsverfahren dar. Bei diesem Verfahren werden zeilen- oder flächenhafte Bilder der Objektoberfläche in bekanntem zeitlichen Abstand aufgenommen. In jeder Aufnahme werden prägnante Objektmerkmale lokalisiert und durch Vergleich mit zu einem anderen Zeitpunkt aufgenommenen Bildern deren Verschiebung und damit die Objektverschiebung ermittelt. Ein derartiges Verfahren wird heute bei optischen Mäusen für Computer zur Cursorsteuerung verwendet. Zwar ist durch das Bildverarbeitungsverfahren eine Stillstandsbestimmung relativ sicher möglich. Eine berührungslose Geschwindigkeitsmessung ist mit den entsprechenden Sensoren aber bisher nicht bekannt. Die Sensoren werden auf eine Objektoberfläche, beispielsweise einen Tisch, direkt aufgelegt und eine Bestimmung der Verschiebung des Sensors gegenüber der Objektoberfläche zur Bestimmung der Cursorbewegung gemessen. Eine Geschwindigkeitsbestimmung findet dabei nicht statt.
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Einem nach dem Bildverarbeitungsverfahren arbeitenden Sensor offenbart ebenfalls die deutsche Offenlegungsschrift
DE 102 48 416 A1 . Mit Hilfe einer Lichtquelle kann ein erleuchtetes Beobachtungsfeld auf einer Fahrbahn durch den Sensor zu unterschiedlichen Zeitpunkten erfasst werden und mittels einer Auswerteeinheit kann durch die Analyse erfasster Bilder ein Streckenwert, der wiedergibt, welche Strecke beispielsweise ein Fahrzeug zwischen den Zeitpunkten der erfassten Bilder zurückgelegt hat, ermittelt werden.
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Ebenso offenbart die deutsche Offenlegungsschrift
DE 103 06 417 A1 einen Verschiebungssensor nach dem Funktionsprinzip einer optischen Maus. Der Verschiebungssensor erfasst dabei die Verschiebungen des Abbildes eines Objektes, in dem er mit einer als Objektiv wirkenden Optik kombiniert ist und hinter dieser so angeordnet ist, dass Objektpunkte auf die empfindliche Fläche des Sensors abgebildet werden in einer Auflösung, die zur Erkennung einer Bildverschiebung ausreicht. Alternativ können Bewegungen auch aus dem Abstand zwischen dem Objekt und dem Sensor gemessen werden.
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Aufgrund der zuvor geschilderten Probleme der Sensoren zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts oder einer Objektoberfläche zum Sensor werden häufig berührende Techniken, beispielsweise mit aufgesetzten Rollen oder ohnehin vorhandenen Walzen verwendet, sofern der Aufwand relativ gering gehalten werden soll.
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Aufgabenstellung
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Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts oder einer Objektoberfläche zum Sensor zur Verfügung zu stellen, mit welchem bei geringem Aufwand eine genaue Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objekts oder einer Objektoberfläche auch bei geringen Geschwindigkeiten oder bei Stillstand des Objektes gemessen werden kann und welcher mit einfachen Mitteln auf geänderte Messbedingungen adaptiert werden kann.
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Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe für einen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit dadurch gelöst, dass mit dem Sensor die Relativgeschwindigkeit sowohl nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren als auch nach dem Bildverarbeitungsverfahren gemessen werden kann, wobei die Auswertemittel für das Bildverarbeitungsverfahren derart ausgebildet sind, dass aus in zeitlichem Abstand ausgelesenen Daten der lichtempfindlichen Elemente Objektmerkmale oder Merkmale der Objektoberfläche, welche auf die lichtempfindlichen Elemente abgebildet werden, lokalisierbar und eine Verschiebung der Objektmerkmale oder eine Verschiebung der Merkmale der Objektoberfläche ermittelbar sind und wobei die Auswertemittel für das Ortsfrequenzfilterverfahren derart ausgebildet sind, dass aus der Frequenz der Helligkeitsschwankungen auf den lichtempfindlichen Elementen des Sensors eine Geschwindigkeit des Objektes oder dessen Oberfläche bestimmbar ist. Hierdurch wird ein einfacher Sensor zur Verfügung gestellt, der sowohl für Anforderungen mit hohen zu messenden Geschwindigkeiten als auch bei geringen Geschwindigkeiten und bei Stillstand einsetzbar ist. Selbstverständlich können auch abgeleitete Größen wie beispielsweise die Beschleunigung mit dem Sensor bestimmt werden.
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Da die Auslesefrequenz des Sensors von der Anzahl der einzeln auszulesenden lichtempfindlichen Elemente des Sensors abhängt, kann diese dadurch gesteigert werden, dass die Auswertemittel zur Bildung eines virtuellen Gitters auf dem Sensor eine bestimmte Anzahl von lichtempfindlichen Elementen bei der Auswertung zusammenfassen oder eine bestimmte Anzahl lichtempfindlicher Elemente nicht berücksichtigende sowie die Position der jeweils zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente des Sensor in mindestens einer Raumrichtung zeitlich variieren. Durch die Auswertemittel kann insbesondere das Messverhalten des Sensors an unterschiedliche Oberflächen bzw. Objektgegebenheiten angepasst werden. Weist beispielsweise das Objekt ganz grobe Objektmerkmale auf, kann die Auslesefrequenz gesteigert werden, da beispielsweise bereits mehrere zusammengefasste lichtempfindliche Elemente eine Verschiebung der groben Merkmale ausreichend genau detektieren können bzw. die Verschiebung der Objektmerkmale mit einer geringeren Anzahl an lichtempfindlichen Elementen detektiert werden kann. Müssen feine Objektmerkmale detektiert werden, kann die Gitterkonstante des virtuellen Gitters entsprechend fein gewählt werden. Des Weiteren kann durch das zeitliche Variieren in mindestens einer Raumrichtung gegenüber dem zu messenden Objekt ein virtuell bewegtes Gitter auf der Ebene der lichtempfindlichen Elemente des Sensors durch die Auswertemittel erzeugt werden, welche prinzipiell zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit, insbesondere bei geringen Objekt- bzw. Objektoberflächengeschwindigkeiten führt.
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Sind, gemäß einer nächsten Ausführungsform des Sensors, Beleuchtungsmittel zur Beleuchtung des Objektes oder dessen Objektoberfläche vorgesehen, kann eine Relativgeschwindigkeitsmessung unabhängig von den Beleuchtungsverhältnissen, beispielsweise von externen Beleuchtungsmitteln, vorgenommen werden, so dass der erfindungsgemäße Sensor universell einsetzbar ist. Denkbar ist hier nicht nur der Einsatz von Beleuchtungsmitteln, die das Objekt beleuchten, so dass die vom Objekt reflektierte Lichtstrahlung zur Messung verwendet wird, sondern auch Beleuchtungsmittel, die im Durchlichtbetrieb beispielsweise transparente oder semi-transparente Objekte durchleuchten.
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Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erfährt der erfindungsgemäße Sensor zur Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor dadurch, dass die Lichtmenge auf den lichtempfindlichen Elementen des Sensors regelnde Regelungsmittel für die Beleuchtungsmittel vorgesehen sind. Durch die Regelungsmittel kann die Beleuchtung der lichtempfindlichen Elemente des Sensors optimal eingestellt werden, so dass kein Übersteuern der einzelnen lichtempfindlichen Elemente des Sensors auftritt. Damit steht die maximale Dynamik der lichtempfindlichen Elemente des Sensors bei der Messung der Relativgeschwindigkeit zur Verfügung.
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Alternativ oder kumulativ zu den Auswertemitteln, welche bei der Auswertung die Position von zusammengefassten lichtempfindlichen Elementen oder nicht zu berücksichtigenden Elementen auf dem Sensor in eine Raumrichtung variieren, können auf dem Objekt oder der Objektoberfläche ein bewegtes Lichtmuster erzeugende Beleuchtungsmittel vorgesehen sein. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Anpassungsmöglichkeiten des Sensors, beispielsweise an noch höhere zu messende Geschwindigkeiten vorzunehmen. Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem sich das Lichtmuster in Richtung der Objektbewegung bewegt.
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Sind den zeitlichen Abstand des Auslesens der lichtempfindlichen Elemente variierende Ansteuerungsmittel vorgesehen, kann die Belichtungszeit bzw. Auslesezeit der lichtempfindlichen Elemente abhängig von deren Belichtung eingestellt werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, auch in Kombination mit den Regelungsmitteln von Beleuchtungsmitteln, eine optimale Adaption des Sensors an verschiedene Objektoberflächen und Objektgeschwindigkeiten zu erzielen.
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Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt der erfindungsgemäße Sensor dadurch, dass Mittel zur Abstandsmessung zwischen den lichtempfindlichen Elementen und dem Objekt oder der Objektoberfläche vorgesehen sind. Als Mittel zur Abstandsmessung sind beispielsweise Mittel zur Triangulationsmessung denkbar, welche beispielsweise in Verbindung mit einem Beleuchtungsmittel den Abstand des Objektes oder der Objektoberfläche zu den lichtempfindlichen Elementen des Sensors durch eine Verschiebung der gemessenen Reflektion ermitteln. Prinzipiell kann hierzu aber auch ein Bildverarbeitungsverfahren herangezogen werden, welches eine Veränderung der prägnanten Oberflächenmerkmal in ihrer Abbildungsgröße auf den lichtempfindlichen Elementen des Sensors zur Abstandsbestimmung verwendet, um eine Abstandsänderung des Objektes oder dessen Oberfläche zu detektieren. Alternativ hierzu kann auch ein bekanntes Muster, insbesondere Gitter, auf die Objektoberfläche abgebildet werden und die Größe des vom Sensor ermittelten Gitters, als Maßstab für den Abstand verwendet werden.
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Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Mittel zur Abstandsmessung während der Relativgeschwindigkeitsmessung den Abstand des Objektes ständig neu ermitteln. Der gemessene Relativgeschwindigkeitswert kann insofern unter Verwendung der Abstandsmessung ständig neu korrigiert werden, so dass der Sensor autonom an geänderte Messabstände adaptiert werden kann.
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Alternativ oder kumulativ zu den Mitteln zur Abstandsmessung ist vorzugsweise eine telezentrische Optik, ein telezentrisches Zoomobjektiv und/oder eine Linse mit veränderbaren optischen Eigenschaften, insbesondere eine Flüssigkeitslinse, vorgesehen, welche das Objekt bzw. die Objektoberfläche nahezu unabhängig von dessen Abstand zum Sensor scharf auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors abbildet. Das telezentrische Zoomobjektiv ermöglicht es, den Abbildungsmaßstab auf die lichtempfindlichen Elemente auch bei einer Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor konstant zu halten. Mit der Flüssigkeitslinse kann auf kleinstem Raum eine Optik mit veränderbaren Abbildungseigenschaften zur Verfügung gestellt werden, die keine mechanisch beweglichen Bauteile enthält.
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Vorteilhaft ist auch die Anordnung der lichtempfindlichen Elemente entlang einer gegenüber der optischen Achse des Sensors geneigten Gerade oder Ebene. Bei der Verwendung einer einfachen Optik wird das Objekt, abhängig vom Abstand des Objektes zum Sensor und der verwendeten Optik, nur in einem ersten Bereich der lichtempfindlichen Elemente scharf abgebildet. Wird der Abstand zum Sensor variiert, bildet die Optik das Objekt auf einen zweiten Bereich der lichtempfindlichen Elemente scharf ab. Werden zur Auswertung nur jeweils die Bereiche der lichtempfindlichen Elemente herangezogen, auf die scharf abgebildet wird, kann eine Relativgeschwindigkeitsmessung auch bei Verwendung einer einfachen Optik in einem weiten Abstandsbereich durchgeführt werden.
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Auf besonders einfache Weise können die lichtempfindlichen Elemente des Sensors dadurch realisiert werden, dass Arrays oder Zeilen aus CCD-, CMOS-Bauelementen oder Photodioden vorgesehen sind. Die CCD-, CMOS-Bauelemente oder Photodioden werden jedoch nur stellvertretend für alle weiteren Technologien zur Herstellung von lichtempfindlichen Bauelementen genannt.
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Sind die lichtempfindlichen Elemente so angeordnet, dass Verbindungsgeraden zwischen verschiedenen einzelnen, lichtempfindlichen Elementen eine Ebene aufspannen, können diese eine Geschwindigkeit in beliebige Richtungen parallel zur aufgespannten Ebene messen, da die Auswertemittel aus den ausgelesenen Daten beispielsweise senkrecht zueinander stehende Komponenten der Relativgeschwindigkeit des Objekts oder dessen Oberfläche ermitteln können. Aus der vektoriellen Addition der Geschwindigkeitskomponenten ergeben sich dann die Gesamtgeschwindigkeit und ihre Richtung. Der erfindungsgemäße Sensor wird damit unempfindlicher gegen Einbaufehler, beispielsweise einer Verdrehung gegenüber der Objektbahn.
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Vorzugsweise sind als lichtempfindliche Elemente mindestens ein flächiger Sensor oder mindestens zwei, eine Ebene aufspannend angeordnete Sensorzeilen vorgesehen, so dass eine Relativgeschwindigkeitsmessung in beliebiger Richtung senkreicht zur optischen Achse des Sensors besonders einfach realisiert werden kann. Als flächige Sensoren können Sensoren mit einer Anzahl von 1024 × 1024 „Pixel” verwendet werden. Aus Kostengründen oder aus Gründen der Auflösung können allerdings auch flächige Sensoren mit mehr oder weniger Pixel eingesetzt werden. Generell wird der erfindungsgemäße Sensor durch die Möglichkeit einer Geschwindigkeitsmessung in verschiedenen Raumrichtungen unempfindlicher gegenüber Einbaufehlern und Querbewegungen des Objekts.
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Ausrichtungsfehler des erfindungsgemäßen Sensors können, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, dadurch kompensiert werden, dass mindestens eine erste Mehrzahl und eine zweite Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen vorgesehen sind, wobei die erste und die zweite Mehrzahl an lichtempfindlichen Elementen des Sensors jeweils in unterschiedlichen Winkeln gegenüber der optischen Achse des Sensors geneigt angeordnet sind. Durch die unterschiedlichen Winkel erfahren beide Sensoren einen Messfehler, welcher durch eine einfache Kalibrierung festgestellt und durch die Auswertemittel berücksichtigt werden kann. Der Einbau der Sensoren wird dadurch erheblich vereinfacht.
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Schließlich kann der Sensor als berührungsloser Drehgeber eingesetzt werden, wenn eine Drehbewegung des Objektes auswertende Auswertemittel vorgesehen sind. Der Aufbau der Drehgeber wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoren wesentlich vereinfacht, da auf jegliche mechanische Teile des Sensors verzichtet werden kann.
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Ausführungsbeispiel
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Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf den Patentanspruch 1 und die folgenden Unteransprüche. Andererseits wird verwiesen auf die Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt
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1 eine schematische Ansicht eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors zusammen mit einem zu messenden Objekt.
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2a bis c in einer schematischen Ansicht die lichtempfindlichen Elemente eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors während einer Geschwindigkeitsmessung zu drei verschiedenen Zeitpunkten.
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3 eine schematische Ansicht der lichtempfindlichen Elemente eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors während einer Geschwindigkeitsmessung.
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4a bis c in einer schematischen Ansicht die lichtempfindlichen Elemente eines vierten Ausführungsbeispiels und
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5 eine schematische Ansicht eines fünften Ausführungsbeispiels mit einer ersten und zweiten Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen, welche geneigt zueinander angeordnet sind.
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Die 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Sensor 1 zur Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objektes 2 mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente, einer Optik 4 sowie Ansteuerungsmitteln 5 und Auswertemitteln 6. In dem ersten Ausführungsbeispiel bildet die Optik 4 die auf dem Objekt 2 vorhandenen Objektmerkmale 7 zumindest teilweise auf die lichtempfindlichen Elemente 3 des Sensors 1 ab, so dass Helligkeitsschwankungen auf den lichtempfindlichen Elementen 3 entstehen. Die Ansteuerungsmittel 5 lesen die lichtempfindlichen Elemente 3 des Sensors 1 aus und geben die ermittelten Helligkeitswerte der lichtempfindlichen Elemente 3 an die Auswertemittel 6 weiter. Das dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors 1 kann sowohl nach dem Bildverarbeitungsverfahren, als auch nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeiten.
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Da bei beiden Messmethoden der Abbildungsmaßstab der Optik 4 auf die lichtempfindlichen Elemente 3 in eine Messung der Relativgeschwindigkeit eingeht, umfasst das erste Ausführungsbeispiel zusätzlich optionale Mittel zur Abstandsmessung 8. Diese können beispielsweise als optische Abstandssensoren aber auch als akustische oder elektromagnetische Mittel zur Abstandsmessung ausgebildet sein. Alternativ kann, wie ausgeführt, auch ein Bildverarbeitungsverfahren zur relativen Abstandsmessung eingesetzt werden, in dem beispielsweise eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Abbildung von Objektmerkmalen auf den lichtempfindlichen Elementen des Sensors 1 gemessen wird und einer Änderung des Abstandes zugeordnet wird. Zur besseren Anpassung an Umgebungsbedingungen weist das in 1 dargestellte Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors 1 zusätzlich Beleuchtungsmittel 9 auf, welche durch Regelungsmittel 10 geregelt werden können. Die Auswertemittel 6 übermitteln hierzu an die Regelungsmittel 10 ein Signal zur Erhöhung/Erniedrigung der von den Beleuchtungsmitteln 9 abgestrahlten Lichtintensität, um beispielsweise bei gleich bleibenden Auslesezeiten die Aussteuerung der lichtempfindlichen Elemente 3 zu optimieren. Ebenso ist auch eine Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit der lichtempfindlichen Elemente 3 durch die Ansteuerungsmittel 5 möglich, wenn die durch die Beleuchtungsmittel 9 abgestrahlte Lichtintensität erhöht wird.
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Wie bereits ausgeführt, kann das in 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors 1 sowohl nach dem Bildverarbeitungsverfahren als auch nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren die Relativgeschwindigkeit messen.
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In 2 sind nun die lichtempfindlichen Elemente 3, 3' eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors während einer Geschwindigkeitsmessung dargestellt. Die 2a bis 2c zeigen im Einzelnen die Intensitätsverteilung auf den lichtempfindlichen Elementen 3, 3' zu drei verschiedenen Zeitpunkten t1, t2 und t3. Objektmerkmale 7, welche sich mit der Objektgeschwindigkeit unter dem erfindungsgemäßen Sensor 1 hindurchbewegen, erzeugen auf den lichtempfindlichen Elementen 3, 3' beispielsweise schwach angesteuerte lichtempfindliche Elemente 3', welche in den 2a bis 2c schwarz dargestellt sind. Es kann dann beispielsweise den lichtempfindlichen Elementen ein Helligkeitsschwellwert zugeordnet werden, bei dessen Überschreitung die lichtempfindlichen Elemente 3 als ausgesteuert oder bei dessen Unterschreitung die lichtempfindlichen Elemente als nicht ausgesteuert 3' gelten.
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Daneben ist es möglich, die gemessenen Helligkeitswerte selbst zu detektieren und deren Veränderung über die lichtempfindlichen Elemente zu messen.
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Die auf die lichtempfindlichen Elemente 3 abgebildeten Objektmerkmale 7 werden von den Auswertemitteln 6 lokalisiert und deren Verschiebung gegenüber nach dem nächsten Auslesevorgang der lichtempfindlichen Elemente durch die Ansteuerungsmittel 5 gemessen. Die Zeitbasis für die Geschwindigkeitsmessung liefert daher die Auslesezeit der lichtempfindlichen Elemente 3. Anhand der Verschiebung der auf die lichtempfindlichen Elemente 3 abgebildeten Objektmerkmale 7 wird über die Auswertemittel dieser Verschiebung eine Geschwindigkeit zugeordnet bzw. daraus berechnet.
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Die Verwendung eines flächigen Sensors als lichtempfindliche Elemente 3 ermöglicht die einfache Berechnung der Relativgeschwindigkeit zum Sensor 1 nahezu unabhängig von dessen Einbauposition. Durch die Bestimmung der Verschiebung der Objektmerkmale 7 auf den lichtempfindlichen Elementen 3 können zwei orthogonal zueinander stehende Geschwindigkeitskomponenten Vx, Vy berechnet werden, so dass der Betrag des Geschwindigkeitsvektors V und dessen Richtung genau bestimmt werden kann. Insofern besteht keine Notwendigkeit, die Ausrichtung des erfindungsgemäßen Sensors bezüglich der Objektgeschwindigkeit radial zur optischen Achse des Sensors 1 vorzunehmen.
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Wie 3 in einer schematischen Ansicht der lichtempfindlichen Elemente 3 eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors zeigt, kann eine Bestimmung rechtwinkliger Geschwindigkeitskomponenten bereits durch den Einsatz von zwei eine Ebene aufspannender, beispielsweise orthogonal zueinander stehender, Sensorzellen als lichtempfindliche Elemente 3 erreicht werden.
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Die 4a bis 4c zeigen in einer schematischen Ansicht die lichtempfindlichen Elemente 3 eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit durch Anpassung an die auf die lichtempfindlichen Elemente 3 abgebildeten Objektmerkmale zeigt 4 schematisch, wie die Spalten 11, 12 oder Zeilen 13 bei der Messung der Geschwindigkeit nicht ausgelesen werden bzw. zusammengefasst werden, um ein Gitter auf den lichtempfindlichen Elementen 3 des Sensors zu erzeugen. Bei entsprechend groben Objektmerkmalen 7 kann das Abschalten einiger Spalten 11 ausgenutzt werden, um die Auslesegeschwindigkeit des Sensors 1 zu erhöhen, so dass höhere Geschwindigkeiten messbar sind. Andererseits kann das auf den lichtempfindlichen Elementen 3 erzeugte virtuelle Gitter relativ zu den lichtempfindlichen Elementen 3 bewegt werden, so dass die Position der zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente auf dem Sensor 1 zeitlich variiert. Durch diese Maßnahme ist es möglich, eine genaue Stillstandsmessung bei Fremdlichtbeleuchtung zu ermöglichen. Zusätzlich können Beleuchtungsmittel 9 verwendet werden, welche auf dem Objekt 2 ein zeitlich bewegtes Lichtmuster erzeugen, welche dem virtuellen Gitter entgegenläuft, um die Genauigkeit der Messung weiter zu steigern. In 4a und 4b werden die Spalten 11 beispielsweise nicht berücksichtigt bzw. die Spalten 12 zusammengefasst oder bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Werden die Spalten 12 bzw. 11 in ihrer Position auf den lichtempfindlichen Elementen 3 des Sensors mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, so misst ein erfindungsgemäßer Sensor 1 bei Stillstand eines Objektes, gerade die Frequenz, mit welcher das virtuelle Gitter verändert wird. Da bei dem Ortsfrequenzfilterverfahren die Frequenz proportional zur gemessenen Geschwindigkeit ist, kann die problematische Bestimmung der Frequenz „0”, d. h. die Messung einer Frequenz „0”, bei Stillstand des Objekts vermieden werden.
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Es ist dabei durchaus möglich, nicht nur Spalten 12 zusammenzufassen oder bei der Auswertung nicht zu berücksichtigen, sondern auch Zeilen 13, deren Position dann senkrecht zu den Spalten zeitlich variiert wird oder eine Kombination aus beiden.
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Schließlich zeigt 5 in einer schematischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Sensor 1 mit einer ersten Mehrzahl zur optischen Achse des Sensors 1 geneigter lichtempfindlicher Elemente 14 und einer zweiten Mehrzahl zur optischen Achse geneigter lichtempfindlicher Elemente 15. Werden über die Optik 4 die Objektmerkmale 7 des Objektes 2 auf beide Mehrzahlen von lichtempfindlichen Elementen abgebildet, so weisen beide einen Messfehler aufgrund ihres Winkels zur optischen Achse O des Sensors 1 auf. Hieraus lässt sich nun mit einer einfachen Kalibrierung, beispielsweise durch Messung eines Objektes 2 mit einer bestimmten Länge und einer genau festgelegten Geschwindigkeit, der Einbaufehler des Sensors 1 bestimmen und entsprechend mit Hilfe der Auswertemittel 6 einfach korrigieren.
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Vorzugsweise wird bei dem fünften Ausführungsbeispiel ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine telezentrische Optik 4 verwendet, so dass die Abbildungsfehler aufgrund eines geänderten Abstandes des Objektes zum Sensor 1 minimiert werden können. Der erfindungsgemäße Sensor 1 kann damit nicht nur an die verschiedenen Messbedingungen einfach angepasst werden, aufgrund der erfindungsgemäßen Adaptionsverfahren kann auch eine hohe Präzision der Messung erreicht werden.
