-
Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Messung eines Abstandes eines Objekts mittels Triangulation, umfassend eine Sendeeinrichtung zum Beleuchten des Objekts mit Licht zumindest einer Wellenlänge und eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des von dem Objekt reflektierten Lichts.
-
Die Erfindung betrifft ebenfalls ein Verfahren zur Messung eines Abstandes eines Objekts mittels Triangulation, wobei das Objekt mit Licht zumindest einer Wellenlänge beleuchtet wird und das vom Objekt reflektierte Licht mittels einer Empfangseinrichtung empfangen wird.
-
Die Erfindung betrifft ebenfalls eine Dickenmessvorrichtung zur kontinuierlichen Messung der Dicke eines dünnen Bandes, beispielsweise ein Blechband oder dergleichen.
-
Obwohl beliebige Beleuchtungseinrichtungen bzw. Sendeeinrichtungen zum Beleuchten eines Objekts eingesetzt werden können, wird die vorliegende Erfindung in Bezug auf Beleuchtungseinrichtungen in Form von Lasern beschrieben.
-
Bekannte Abstandsmesseinrichtungen arbeiten nach dem Prinzip der optischen Triangulation: Über eine Projektionsoptik wird hierzu ein Laserstrahl auf eine Messoberfläche eines Objekts projiziert. Das von der Oberfläche des Objekts reflektierte Licht des Lasers wird über eine Empfangsoptik auf eine Sensor-Zeile oder -Matrix abgebildet und ausgewertet. Genauer, das vom Objekt reflektierte Licht trifft in Abhängigkeit von der Entfernung zum Objekt unter bestimmten Winkeln auf die jeweiligen Empfangselemente, nämlich die Sensor-Zeile oder -Matrix. Für eine reine, also eindimensionale Abstandsmessung wird ein Laserpunkt auf das Objekt projiziert. Der Lichtpunkt auf der Oberfläche wird über eine Empfangsoptik auf eine Sensor-Zeile, wie bspw. eine PSD- oder CCD- oder CMOS-Zeile abgebildet. Um Objekte zweidimensional erfassen zu können, wird entweder ein Laserlinie erzeugt und auf das Objekt projiziert, oder der Laserpunkt abgelenkt und über das Objekt bewegt. Als Empfangselement dient für die zweidimensionale Messung eine CCD- oder CMOS-Matrix. Durch die Position des Lichtpunkts bzw. der Lichtlinie auf dem Empfangselement und aus der Entfernung zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung kann der Abstand zum Objekt mittels bekannter Triangulationsverfahren berechnet werden. Der Abstand zwischen der Sende- und der Empfangseinrichtung stellt dabei die Triangulationsbasis dar, unter der das Objekt je nach Abstand unter unterschiedlichen Winkeln erscheint. Anschließend kann der berechnete Abstand des Objekts über eine Schnittstelle ausgegeben werden.
-
Nachteilig dabei ist, dass die Sendeeinrichtung bzw. das ausgesendete Licht und die Empfangseinrichtung hinsichtlich ihrer Genauigkeit nicht unabhängig voneinander sind. So sind beispielsweise Auflösung und Genauigkeit vom Messbereich und Messabstand zum Objekt sowie der Auflösung der Empfangseinrichtung abhängig: je größer der Messbereich der Empfangseinrichtung, desto ungenauer arbeitet üblicherweise die Empfangseinrichtung und damit der Sensor insgesamt für die Abstandsmessung. Gründe hierfür sind unter anderem, dass der Abstand zwischen Sendeeinrichtung und Empfangseinrichtung - die Triangulationsbasis - durch die Abmessung des Sensors festgelegt ist. Eine große Triangulationsbasis wäre wünschenswert, da dann die Messung des Winkels mit höherer Genauigkeit erfolgen kann und somit die Abstandsmessung eine höhere Genauigkeit aufweist. Sie kann aber nicht beliebig groß gewählt werden, da sonst die Bauform des Sensors zu groß würde. Ein weiterer Grund ist, dass die Länge für eindimensionale Abstandsmessung bzw. die Fläche (für zweidimensionale Messung) des Empfangselementes begrenzt ist, so dass der abbildbare Bereich begrenzt ist.
-
Diese Einschränkungen führen dazu, dass reale Sensoren einen Kompromiss zwischen Baugröße, Größe des Messbereiches und der erzielbaren Auflösung/ Genauigkeit darstellen. Bekannte Sensoren mit großem Messbereich zeigen am Messbereichsende große Ungenauigkeiten, was in 1 am Beispiel eines Sensors mit 265mm Messbereich gezeigt ist. Deutlich in 1 ist zu erkennen, dass bei größer werdendem Sensorabstand die Abweichung vom Sollwert ebenfalls ansteigt.
-
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher einen Abstandsmesssensor zur Verfügung zu stellen, der einen erweiterten Messbereich bei hinreichend großer Genauigkeit aufweist.
-
Die Erfindung löst die vorstehend genannte Aufgabe bei einem Sensor zur Messung eines Abstands eines Objekts mittels Triangulation, umfassend eine Sendeeinrichtung zum Beleuchten des Objekts mit Licht zumindest einer Wellenlänge, und eine Empfangseinrichtung zum Empfangen des von dem Objekt reflektierten Lichts, dadurch, dass die Empfangseinrichtung zumindest zwei Empfangseinheiten umfasst, die das vom Objekt reflektierte Licht jeweils unter einem anderen Winkel erfassen und wobei die Empfangseinheiten unterschiedliche Abstände zum Objekt aufweisen.
-
Die Erfindung löst die vorstehend genannte Aufgabe bei einem Verfahren zur Messung eines Abstands eines Objekts zu einem Sensor mittels Triangulation, wobei das Objekt mit Licht zumindest einer Wellenlänge beleuchtet wird und das vom Objekt reflektierte Licht mittels einer Empfangseinrichtung empfangen wird, dadurch, dass zumindest zwei Empfangseinheiten in der Empfangseinrichtung angeordnet werden, die das reflektierte Licht jeweils unter einem anderen Winkel erfassen, wobei die Empfangseinheiten unterschiedliche Abstände zum Objekt aufweisen.
-
Die Erfindung löst die vorstehend genannte Aufgabe ebenfalls mit einer Dickenmessvorrichtung zur, insbesondere kontinuierlichen, Messung der Dicke eines dünnen Bandes, bspw. ein Blechband oder dergleichen, umfassend einen Sensor gemäß einem der Ansprüche 1-11, - erster Sensor - und einen zweiten Sensor ausgebildet zur Abstandsmessung, wobei der erste Sensor und der zweite Sensor auf gegenüberliegenden Seiten des Bandes angeordnet sind und wobei der erste Sensor und der zweite Sensor jeweils den Abstand des Bandes zu dem jeweiligen Sensor messen, sodass anhand der beiden Abstände die Dicke des Bandes kontinuierlich bestimmt werden kann.
-
Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass in flexibler Weise der Messbereich des Sensors erweitert werden kann. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit eine höhere Genauigkeit der Abstandsmessung insbesondere am Ende des Messbereichs erzielt werden kann. Darüber hinaus ist ein Vorteil, dass eine sehr genaue Dickenmessung über einen weiten Messbereich hinweg zur Verfügung gestellt wird.
-
Weitere Merkmale, Vorteile und bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung sind im Folgenden beschrieben oder werden dadurch offenbart:
-
Vorteilhafterweise sind die Empfangseinheiten so ausgebildet, sodass der Messbereich der ersten Empfangseinheit, welche einen kleineren Abstand zum Objekt aufweist, größer ist, als der Messbereich der zweiten Empfangseinheit, welche einen größeren Abstand zum Objekt aufweist. Damit wird erreicht, dass bei großem Messabstand der Messbereich entsprechend klein ist und so eine genaue Messwerterfassung möglich ist.
-
Zweckmäßigerweise weisen die Empfangseinheiten jeweils eine Fokussiereinrichtung auf und die Empfangseinheiten sind derart fokussiert, sodass die Breiten der Messbereiche der Empfangseinheiten entlang einer Achse des ausgesendeten Lichts am jeweiligen Ende ihrer Messbereiche im Wesentlichen gleich groß sind. Auf diese Weise lässt sich der Messbereich des Sensors bei hinreichend guter Genauigkeit besonders gut erweitern.
-
Vorteilhafterweise ist die Sendeeinrichtung in Form eines Lasers ausgebildet. Einer der damit erzielten Vorteile ist, dass das Objekt zuverlässig mit Licht einer oder mehreren bestimmten Wellenlängen bestrahlt werden kann und so die Erfassung von reflektiertem Licht besonders einfach ist, da Falschlicht einfach ausgeblendet werden kann.
-
Zweckmäßigerweise ist der Sensor als Linienscanner ausgebildet. Damit kann auf einfache und doch zuverlässige Weise die Oberfläche eines Objekts abgetastet und damit ein Abstandsprofil gemessen werden.
-
Vorteilhafterweise umfasst der Sensor eine Abstandsmesseinrichtung zur Berechnung des Abstands anhand des empfangenen, vom Objekt reflektierten Lichts. Darüber hinaus kann der Sensor entsprechende Schnittstellen aufweisen, die den Abstand in digitaler und/oder in analoger Form für weitere Geräte zur Verfügung stellen. Der Sensor kann somit als integriertes Bauteil ausgebildet sein, was den Austausch im Wartungsfall erleichtert.
-
Zweckmäßigerweise können die Messbereiche der Empfangseinheiten entlang der Achse des ausgesendeten Lichts im Wesentlichen nicht überlappend angeordnet werden. Damit wird ein besonders großer Messbereich des Sensors insgesamt ermöglicht.
-
Zweckmäßigerweise können die Messbereiche der Empfangseinheiten entlang der Achse des ausgesendeten Lichts überlappend angeordnet werden. Damit können Ungenauigkeiten beim Übergang von einer Empfangseinheit auf die nächste Empfangseinheit ausgeglichen bzw. vermieden werden, insbesondere herausgerechnet werden.
-
Zweckmäßigerweise wird der Messbereich der ersten Empfangseinheit, welche einen kleineren Abstand zum Objekt aufweist, größer gewählt, als der Messbereich der zweiten Empfangseinheit, welche einen größeren Abstand zum Objekt aufweist. Damit wird erreicht, dass bei großem Messabstand der Messbereich entsprechend klein ist und so eine genaue Messearterfassung möglich ist.
-
Vorteilhafterweise werden die Empfangseinheiten derart fokussiert, sodass die Breite der Messbereiche der Empfangseinheiten entlang einer Achse des ausgesendeten Lichts wesentlichen gleich groß ist. Auf diese Weise lässt sich der Messbereich des Sensors bei hinreichender Genauigkeit besonders gut erweitern.
-
Zweckmäßigerweise sind drei Empfangseinheiten angeordnet. Damit wird ein Optimum aus Messgenauigkeit und Größe des Messbereichs erreicht.
-
Vorteilhafterweise sind die Sendeeinrichtung und die zumindest zwei Empfangseinheiten entlang einer gemeinsamen gedachten Linie angeordnet. Dies ermöglicht auf einfache Weise unterschiedliche Objektabstände und unterschiedliche Erfassungswinkel.
-
Zweckmäßigerweise ist die Sendeeinrichtung an einem Ende der gemeinsamen gedachten Linie angeordnet. Damit kann der Sensor auf einfache Weise hergestellt und darüber hinaus die Sendeeinrichtung besonders einfach auf das Objekt ausgerichtet werden.
-
Vorteilhafterweise ist die Empfangseinrichtung modular, insbesondere in Bezug auf die Empfangseinheiten, ausgebildet. Mit anderen Worten kann somit ein Sensor einfach durch eine zweite oder dritte, ggf. auch vierte oder fünfte Empfangseinheit, etc. erweitert werden. Dies ermöglicht auf einfache Weise eine Vergrößerung des Gesamt-Messbereiches des Sensors.
-
Zweckmäßigerweise weisen die Empfangseinheiten unterschiedlich große Messbereiche auf. Dies erhöht die Flexibilität bei der Verwendung unterschiedlicher Abstände bzw. unterschiedlicher Empfangseinheiten.
-
Weitere wichtige Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen, aus den Zeichnungen und aus dazugehöriger Figurenbeschreibung anhand der Zeichnungen.
-
Es versteht sich, dass die vorstehend genannten und die nachstehend noch zu erläuternden Merkmale nicht nur in der jeweils angegebenen Kombination, sondern auch in anderen Kombinationen oder in Alleinstellung verwendbar sind, ohne den Rahmen der vorliegenden Erfindung zu verlassen.
-
Bevorzugte Ausführungen und Ausführungsformen der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert, wobei sich gleiche Bezugszeichen auf gleiche oder ähnliche oder funktional gleiche Bauteile oder Elemente beziehen.
-
Dabei zeigt
- 1 eine Kennlinie eines bekannten Triangulationssensors in Abhängigkeit eines Abstandes vom Sensor;
- 2 eine schematische Darstellung eines Sensors mit zwei Erfassungseinheiten in der Seitenansicht gemäß einer Ausführung von der vorliegenden Erfindung; und
- 3 den Sensor gemäß 2 in schematischer Form in einer dreidimensionalen Ansicht.
- 4 in Seiten-und Vorderansicht in schematischer Form die Messbereiche und die Abstände für drei Erfassungseinheiten eines Linienscanners gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
1 zeigt eine Kennlinie eines bekannten Triangulationssensors in Abhängigkeit des Abstandes zwischen Sensor und Messobjekt. Wie zu erkennen ist, steigt bei zunehmendem Messabstand die Abweichung vom Sollwert erheblich an, d. h. die Messgenauigkeit des Sensors nimmt mit zunehmendem Messabstand ab.
-
2 zeigt eine schematische Darstellung eines Sensors mit zwei Erfassungseinheiten in der Seitenansicht gemäß einer Ausführung der vorliegenden Erfindung und 3
-
In 2 ist in schematischer Form ein Sensor 1 in Seitenansicht gezeigt. Der Sensor 1 weist ein Gehäuse 2 auf, in dem auf der linken Seite eine Laserdiode 3 angeordnet ist. Rechts hiervon sind seitlich dazu zwei Empfangseinheiten 4, 5, beispielsweise in Form von Kameras angeordnet, wobei die erste Empfangseinheit 4 näher an der Laserdiode 3 angeordnet ist als die zweite Empfangseinheit 5. Somit wird die Triangulationsbasis des Sensors 1 durch die seitlich versetzte Anordnung der Empfangseinheiten 4, 5 vergrößert. Die Messbereiche MB4, MB5 der Empfangseinheiten 4, 5 sind entlang des Laserstrahls 7 nicht überlappend ausgebildet, so dass ein möglichst großer Gesamt-Messbereich entsteht. Der Messbereich MB4 der ersten Empfangseinheit 4 ist dabei größer als der Messbereich MB5 der zweiten Empfangseinheit 5. In 3 ist dieses nochmals schematisch in dreidimensionaler Form dargestellt.
-
2 und 3 zeigen eine Anordnung zur eindimensionalen Abstandsmessung, wobei ein Laserstrahl 7 der Laserdiode 3 punktförmig auf das Messobjekt 8 projiziert wird. Der Lichtpunkt wird über eine Empfangsoptik auf eine Empfangseinheit 4, 5, in diesem Fall eine lichtempfindliche Zeile, abgebildet. Die Empfangsoptik und die Zeile zusammen werden häufig auch als Zeilenkamera oder allgemein Kamera bezeichnet. Diese können entweder im Sensor 1 integriert sein oder als selbständige Einheit neben dem Sensor 1 angeordnet sein.
-
4 zeigt in Seiten-und Vorderansicht in schematischer Form die Messbereiche und die Abstände für drei Erfassungseinheiten eines Linienscanners gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung.
-
Beim Linienscanner wird eine Laserlinie auf das Objekt projiziert. Man erhält dadurch Abstandsinformationen über das Objekt 8 entlang einer Linie und kann somit Abstands- oder Höhenprofile des Objekts 8 erfassen. Die Empfangselemente sind insbesondere in diesem Fall zweidimensionale Sensor-Matrizen, beispielsweise CCD- oder CMOS-Matrizen. Zusammen mit der Empfangsoptik spricht man auch von Matrixkamera oder allgemein Kamera.
-
Ausgehend von der in 4 linke Seite vertikal von oben nach unten verlaufenden Laserlinie 7, welche durch eine Sendeeinrichtung in Form eines Lasers 3 ausgesendet wird, sind rechts von dieser hiervon drei Kameras 4, 5, 6 gezeigt. Hierbei weist die erste Kamera 4 einen großen Messbereich MB4 auf, der sich entlang der Laserlinie 7 mit gewissem Abstand zum Sensor in Richtung auf das Objekt erstreckt. Die zweite Kamera 5 ist weiter von der Laserlinie 7 bzw. von deren Sendeeinrichtung 3 entfernt als die erste Kamera 4 und ist dabei so ausgebildet, dass diese einen kleineren Messbereich MB5 aufweist und der Messbereich MB5 sich direkt an das Ende des Messbereichs MB4 der ersten Kamera 4 entlang der Laserlinie 7 anschließt. Die dritte Kamera 6 ist am weitesten von der Sendeeinrichtung 3 bezogen auf die beiden Kameras 4, 5 beabstandet angeordnet und weist den kleinsten MB6 der drei Messbereiche MB4, MB5, MB6 der Kameras 4, 5, 6 auf. Der Messbereich MB6 der dritten Kamera 6 schließt sich direkt an den Messbereich MB5 der zweiten Kamera 5 entlang der Laserlinie 7 in Richtung auf das Objekt an, ist also dem Objekt am nächsten. Mittels der drei Kameras 4, 5, 6 wird somit ein großer Gesamt-Messbereich MB4, MB5, MB6 bzgl. des Objektabstandes abgedeckt. Trifft die Laserlinie 7 des Lasers 3 auf ein Objekt wird die Reflexion des Lichts von einem Objekt mit den Kameras 4, 5, 6 erfasst. Diese sind so angeordnet, dass mit zunehmendem Abstand der Kamera 4, 5, 6 zum Laser 3 der Messbereich MB4, MB5, MB6 verkleinert wird, wie in 4 gezeigt Der Sensor 1 kann somit verschiedene Messbereiche und -abstände mit verschiedenen Genauigkeiten abtasten. Die dritte Kamera 6 besitzt den größten Messabstand, den kleinsten Messbereich MB6 und somit die genaueste Messewerterfassung. Die Kameras 4, 5, 6 sind so fokussiert, dass die ausgewertete Laserlinie am Ende ihrer Messbereiche im Wesentlichen die gleiche Breite B aufweist, was in 4 auf der rechten Seite/Vorderansicht gezeigt ist.
-
Zusammenfassend weist zumindest eines der Ausführungsformen der Erfindung den Vorteil auf, dass ein Sensor bereitgestellt wird, der beim größten Messabstand am genauesten misst, ohne den Messbereich des Sensors insgesamt zu verkleinern. Ein weiterer Vorteil ist, dass der Messbereich insgesamt in flexibler Weise mit hinreichend guter Genauigkeit erweiterbar ist. Ein weiterer Vorteil ist, dass damit beispielsweise in Walzwerken die dünnsten Bleche am genauesten vermessen werden können.
-
Obwohl die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsbeispiele beschrieben wurde, ist sie nicht darauf beschränkt, sondern auf vielfältige Weise modifizierbar. Mit anderen Worten wird ausdrücklich darauf hingewiesen, dass die voranstehend beschriebenen Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Vorrichtung lediglich zur Erörterung der beanspruchten Lehre dienen, diese jedoch nicht auf die Ausführungsbeispiele einschränken.
-
Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Vorrichtung wird zur Vermeidung von Wiederholungen auf den allgemeinen Teil der Beschreibung sowie auf die beigefügten Ansprüche verwiesen.
-
Bezugszeichenliste
-
- 1
- Sensor
- 2
- Gehäuse
- 3
- Laser/Laserdiode
- 4
- erste Kamera
- 5
- zweite Kamera
- 6
- dritte Kamera
- 7
- Laserlinie
- 8
- Objekt
- B
- Breite Messbereich
- MB4
- Messbereich erste Kamera
- MB5
- Messbereich zweite Kamera
- MB6
- Messbereich dritte Kamera
