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Die Erfindung betrifft eine Sensorvorrichtung zur optischen Bestimmung einer Wegstrecke, einer Fläche und/oder eines Volumens mit wenigstens zwei Sensoren zur optischen Bestimmung einer Distanz nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie eine Verwendung einer derartigen Sensorvorrichtung.
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Aus dem Stand der Technik ist eine Sensorvorrichtung zur Durchführung einer Dickenmessung an bandförmigen Materialien oder an Stückgütern aus der
DE 10 2013 017 289 B4 bekannt. Die zu vermessenden Proben werden dabei zwischen zwei Messköpfen positioniert, welche gegenüberliegend und in entgegengesetzter Richtung angeordnet sind, sodass einer der Messköpfe den Abstand zu Oberseite und der andere den Abstand zur Unterseite der Probe erfasst. Ist die Distanz der Messköpfe bekannt, so kann hieraus die Dicke der Probe bestimmt werden. Um eine möglichst präzise und mechanisch stabile Messung zu erhalten, sind die Messköpfe jeweils an den Tragarmen eines Tragrahmens befestigt. Darüber hinaus wird am selben Tragrahmen eine zweite, analog aufgebaute Messvorrichtung verwendet, um eine Vergleichsmessung durchführen zu können. Die Messinformation jedes Messkopfes wird über eine faseroptische Verbindung zu einer Mess- und Auswerteeinheit übertragen, welche die Dicke des Materials der Probe berechnet.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Sensorvorrichtung zur Bestimmung einer Wegstrecke, insbesondere einer Dickenmessung und gegebenenfalls auch einer Fläche oder eines Volumens bereitstellen zu können, die einen vereinfachten Aufbau ermöglicht.
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Die Aufgabe wird, ausgehend von einer Sensorvorrichtung der eingangs genannten Art, durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 sowie die Merkmale des Anspruchs 10 gelöst.
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Durch die in den abhängigen Ansprüchen genannten Maßnahmen sind vorteilhafte Ausführungen und Weiterbildungen der Erfindung möglich.
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Grundsätzlich dient die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung der optischen Bestimmung einer Wegstrecke; insbesondere kann sie bei der Durchführung von Dickenmessungen eingesetzt werden. Es ist aber auch denkbar, mit einer derartigen Sensorvorrichtung Flächen- oder Volumenberechnungen durchzuführen. Hierzu umfasst die Sensorvorrichtung wenigstens zwei Sensoren bzw. Messköpfe, mit denen jeweils eine Distanz bestimmt werden kann. Zur Distanzmessung kann zum Beispiel ein Sensor verwendet werden, der ein Signal zur Probe aussendet und das rückreflektierte Signal empfängt, wobei eine Laufzeitmessung durchgeführt bzw. ein Phasenversatz ermittelt wird. Hierzu wird auf das optische Trägersignal ein (im Vergleich zur Frequenz des verwendeten Lichts) niederfrequentes Signal aufmoduliert und der Phasenversatz, gegebenenfalls durch eine Korrelation, bestimmt, wie es bei sogenannten TOF-Sensoren (TOF: Time offlight) der Fall ist. Oftmals wird Licht im Infrarot-Bereich eingesetzt. Auch der Einsatz von Interferometern ist denkbar.
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Bei einer Dickenmessung sind die Sensoren zum Beispiel gegenüberliegend angeordnet, sodass ihre Ausgangsstrahlen in entgegengesetzter Richtung verlaufen. Die Strahlen sind sodann in der Regel entgegengesetzt bzw. antiparallel ausgerichtet. Ist der Abstand der beiden Sensoren bekannt und wird eine Probe zwischen die beiden Sensoren gehalten, so messen die Sensoren jeweils den Abstand, den sie von der ihnen jeweils zugewandten Oberfläche der Probe aufweisen. Die Differenz aus der Gesamtlänge einerseits und der Summe der beiden Abstände andererseits ergibt die Dicke der Probe.
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Die vorgeschlagene Sensorvorrichtung kann aber auch in modifizierter Form neben einer Dickenmessung für andere Messungen bzw. Anwendungen eingesetzt werden. Zur Bestimmung von Toleranzen können zwei Sensoren nebeneinander, insbesondere mit parallel verlaufenden Strahlen angeordnet werden, um einen Vergleichswert zu bestimmen. Auch ein Höhenprofil des zu vermessenden Probenkörpers kann so aufgenommen werden. Sind die Sensoren wiederum zum Beispiel in unterschiedlichen Winkeln zur Probe angeordnet bzw. ausgerichtet, so kann gegebenenfalls auch eine Fläche oder ein Volumen bestimmt werden. Ist die Oberfläche der Probe gekrümmt, so ist es gegebenenfalls nicht möglich, mithilfe eines einzelnen Sensors hinreichend Informationen zu erhalten, um die Fläche oder das Volumen der Probe zu bestimmen. Beispielsweise kann die Oberfläche Extrema aufweisen, bzw. es kann zu Abschattungen des Messstrahls kommen, sodass es notwendig ist, die Oberfläche der Probe an mehreren Stellen zu erfassen.
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Ferner stellt die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung den gemessenen Wert in Form eines analogen elektrischen Signals zur Verfügung. In der Regel wird zum Beispiel am Ausgang des Sensors eine Spannung angelegt, die vom Messwert abhängt, bzw. das elektrische Ausgangssignal liefert ein Signal einer bestimmten Stromstärke, die abhängig vom Messwert ist. Es ist durchaus denkbar, dass die Sensorvorrichtung bzw. die einzelnen Sensoren einen Analog/Digital-Wandler (A/D-Wandler) aufweisen, mit dem das analoge Signal in ein digitales umgewandelt wird. Die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung stellt demnach an einer Stelle innerhalb der Schaltung den Messwert codiert als analoges elektrisches Signal zur Verfügung. Somit zeichnet sich die erfindungsgemäße Sensorvorrichtung dadurch aus, dass ein gemeinsamer Analogausgang vorgesehen ist, um daran ein Operationssignal anzulegen, wobei das Operationssignal durch Zusammenschalten der analogen elektrischen Signale gebildet ist, sodass sich die Stromstärken der analogen elektrischen Signale addieren oder gegebenenfalls auch subtrahieren. Im Unterschied zum Stand der Technik wird somit in vorteilhafter Weise ermöglicht, dass zum Beispiel eine nachgeschaltete Auswerteeinrichtung lediglich einen Signaleingang benötigt. Eine zusätzliche Bank kann somit entfallen.
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Die Erfindung macht sich dabei das Prinzip zunutze, dass sich die Stromstärken bei entsprechender Zusammenschaltung addieren und somit eine vorbekannte Rechenoperation durchgeführt wird. Ist die Rechenoperation in irgendeiner Weise in der Auswerteeinrichtung hinterlegt, so liefert zum Beispiel bei der Dickenbestimmung der einzige Eingang den gleichen Informationsgehalt wie zwei Eingänge. Gerade bei der beschriebenen Dickenbestimmung werden die Signale der Sensoren ohnehin addiert. Diese Rechenoperation kann also in vorteilhafter Weise schaltungstechnisch aus einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung ausgegliedert und durch Parallelschaltung der Sensorausgänge realisiert werden. Diese Form der Addition kann somit platzsparender und ohne zusätzlichen Aufwand erfolgen, zumal lediglich jeweils zwei Leitungen miteinander verbunden werden müssen.
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Denkbar ist auch eine Implementierung anderer Rechenoperationen. Eine Subtraktion zum Beispiel könnte in diesem Fall nach Ausführungsbeispiel der Erfindung durch Umdrehen bzw. Invertieren der Polung eines Sensorausgangs erfolgen.
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Insgesamt können mit einer solchen Schaltung demnach auch Kosten eingespart werden, da die Auswerteeinrichtung jedenfalls weniger mathematische Operationen ausführen muss und auch mindestens ein Eingang bzw. eine Bank am nachfolgenden elektronischen Bauteil (z.B. einem A/D-Wandler) eingespart werden kann.
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Im Allgemeinen kann eine Umwandlung von einem analogen zu einem digitalen Signal an unterschiedlichen Stellen der Schaltung erfolgen. Beispielsweise kann bei einem Ausführungsbeispiel der Erfindung der gemeinsame Analogausgang unmittelbar mit einem A/D-Wandler verbunden werden, um das Operationssignal vom analogen Zustand in ein digitales Signal umzuwandeln. Ist zum Beispiel eine Auswerteeinrichtung nachgeschaltet, so kann in der Auswerteeinrichtung entsprechend ein digitales Signal verarbeitet werden, damit in vorteilhafter Weise eine möglichst große Zahl logischer Komponenten (z.B. Multiplexer, logische Gatter, FPGA, usw.) grundsätzlich verwendet werden kann.
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Gibt ein Sensor ein elektrisches Signal als Codierung eines Distanz-Messwertes aus, so bedeutet dies, dass zwischen dem Distanz-Messwert und der Stromstärke oder dergleichen eine Zuordnungsvorschrift vorliegt. Damit die analogen Signale der Sensoren durch eine Operation miteinander verknüpft, beispielsweise addiert oder subtrahiert, werden können, müssen diese Zuordnungsvorschriften übereinstimmen oder zumindest in vorbekannter Weise miteinander verknüpfbar sein. Im einfachsten Fall beschreibt die Zuordnung zwischen der Distanz und der Stromstärke eine Gerade, d.h. es liegt entweder ein rein linearer Fall vor, bzw. allgemeiner formuliert sind die beiden Zuordnungskurven um einen Offset gegeneinander verschoben, besitzen aber die gleiche Steigung (affin lineare Relation). Grundsätzlich sind auch andere Arten einer Zuordnungsvorschrift denkbar, beispielsweise auch nichtlineare, wobei in der Regel die Zuordnungsvorschrift dann gegebenenfalls noch einmal herausgerechnet werden muss.
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In besonders vorteilhafter Weise stimmen die Distanzbereiche der Sensoren jeweils überein. Ferner erweist es sich als vorteilhaft, wenn die Messbereiche der Sensoren miteinander übereinstimmen. Da die analogen Signale bzw. deren Stromstärken zum Beispiel addiert werden, geht zunächst die in der Regel auch nicht benötigte Informationen verloren, welcher Sensor exakt welches Signal geliefert hat. Daher ist es vorteilhaft, wenn auch davon ausgegangen werden kann, dass zumindest die Messbereiche und die Ausgangsbereiche bei der Sensoren übereinstimmen, zumal auch die Distanzen identisch sind, die mit den einzelnen Sensoren vermessen werden können.
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Zudem kann dadurch eine einfachere Kalibrierung vorgenommen werden. Bei der Weiterbildung der Erfindung ist zu diesem Zweck zusätzlich eine Kalibriervorrichtung vorgesehen. Mit dieser kann beispielsweise ein Offset eingestellt werden. Aus messtechnischer Sicht ist zu beachten, dass jede Messvorrichtung bzw. Sensorvorrichtung grundsätzlich kalibriert werden muss.
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Eine Möglichkeit der Kalibrierung besteht wie folgt: Zunächst kann ein Probekörper bekannter Dicke für eine Dickenmessung eingesetzt werden. Da in der Regel nie davon auszugehen ist, dass beide Sensoren trotz gleicher Herstellung völlig identisch arbeiten und auch beim Aufbau der Sensorvorrichtung in der Regel mit systematischen Fehlern zu rechnen ist, sind genauere Messergebnisse möglich, wenn die Sensoren kalibriert werden können. Hierzu kann insbesondere der Offset zwischen den Zuordnungsvorschriften relativ zueinander kalibriert werden. Denkbar ist aber auch, dass die Kalibrierung eine Modifizierung der Steigung der Zuordnung von Distanz und Stromstärke des analogen elektrischen Signals bei den wenigstens zwei Sensoren zueinander ermöglicht. Die Präzision der Messung kann somit verbessert werden. Außerdem stehen möglichst viele Freiheitsgrade für ein exaktes Justieren zur Verfügung.
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Grundsätzlich ist es denkbar, dass die Sensoren unterschiedlich zueinander angeordnet sind. Dies hängt insbesondere vom Anwendungsfall ab bzw. davon, welche Messgröße mit den Sensoren bestimmt werden soll. Um eine Dickenbestimmung vorzunehmen, können, wie bereits dargestellt, die Sensoren einander gegenüber liegen und antiparallel messend ausgerichtet sein. In diesem Fall wird in der Regel zur Durchführung der Bestimmung der Dicke der die Entfernung der Sensoren voneinander bestimmt. Außerdem wird die Entfernung jedes Sensors zur Oberfläche des zwischen den Sensoren platzierten Probekörpers bestimmt. Die Differenz aus dem Abstand der Sensoren und der Summe der bestimmten Distanzen zwischen den jeweiligen Sensor und der Oberfläche des Probekörpers ergibt sodann Dicke des Probekörpers an dieser Stelle.
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Denkbar ist aber auch eine Anwendung, bei der die Fehlergenauigkeit der Messung verbessert werden soll bzw. Sensoren miteinander verglichen werden sollen. Die Sensoren können dazu in gleicher Richtung ausgerichtet nebeneinanderliegend angeordnet werden und die Distanz zum Probekörper bestimmen. Anschließend wird ein Vergleich der beiden Messungen durchgeführt.
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Sind bei einer Anwendung der Sensorvorrichtung die Sensoren in unterschiedlichen Winkeln auf eine Fläche gerichtet, so kann die Fläche oder gegebenenfalls auch das Volumen des Probekörpers bestimmt werden. Insbesondere können bei verschiedener Ausrichtung auch Abschattungen vermessen werden. Handelt es sich zum Beispiel um eine gekrümmte Fläche, so kann ein Strahl lediglich die Distanz bis zum Auftreffpunkt auf der Fläche bestimmen. Besitzt die Krümmung aber zum Beispiel ein Extremum wird an dieser Stelle ein weiterer Bereich abgeschattet, so kann gegebenenfalls kein präzises Messergebnis für die Fläche oder das Volumen erfolgen, weil nicht erfasst wurde, ob im abgeschotteten Bereich der Körper sich fortsetzt oder nicht.
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Die Auswerteeinrichtung, welche die Berechnung der zu bestimmenden Wegstrecke, der Fläche oder des Volumens durchführt, führt eine Rechenoperation unter Verwendung des Operationssignals durch. Im Allgemeinen ist das Operationssignal dazu lediglich eine zu verwendende Rechengröße. Andere Größen, wie zum Beispiel der Abstand der Sensoren bei einer Dickenmessung, können grundsätzlich zuvor bestimmt und in der Auswerteeinrichtung hinterlegt werden. Hierzu kann die Auswerteeinrichtung gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung eine Speichereinheit aufweisen, um derartige Größen bzw. Parameter zu hinterlegen. Denkbar ist auch, dass die in der Auswerteeinrichtung verwendete Schaltung zur Durchführung der Rechenoperation so gestaltet ist, dass entsprechende Parameter oder Rechengrößen bereits fest implementiert sind, ohne dass eine gesonderte Speichereinheit notwendig ist. Darüber hinaus ist es denkbar, dass weitere Größen durch andere Sensoren neu bestimmt und der Auswerteeinrichtung über einen weiteren Eingang zugeführt werden. Denkbar ist zum Beispiel auch, dass bei einem Ausführungsbeispiel von einem weiteren Sensor die Temperatur bestimmt wird, wenn das Abhängigkeitsverhältnis von der Temperatur vorbekannt und in die Rechenoperation mit einbezogen ist.
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PARAMETRISIERUNG DER SENSOREN
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Je nach Ausführungsform der Erfindung kann es notwendig sein, die Parametrisierung der Sensoren geschickt zu wählen. Sind die Analogausgänge der Sensoren so verschaltet, dass die Stromstärken sich addieren, so ist zu berücksichtigen, dass das nachfolgende elektronische Bauteil gegebenenfalls nur für Eingangsstromstärken ausgelegt ist, die niedriger als die maximale Stromstärke der aufaddierten Signale ausgelegt ist. Liegen zum Beispiel die Ausgangsstromstärken der Sensoren in einem Bereich von 4 mA bis 20 mA, so können nach Zusammenschalten der Sensoren demzufolge Stromstärken von bis zu 20 mA + 20 mA = 40 mA auftreten. Wird pro Sensor ein Eingang eines weiteren Bauteils wie zum Beispiel eines A/D-Wandlers verwendet, so muss darauf geachtet werden, für welche Stromstärken dieser Eingang ausgelegt ist. Im Fall eines typischen A/D-Wandlers sind beispielsweise Stromstärken zwischen 0 A und 24 mA zugelassen. Werden nun aber die analogen Signale zweier Sensoren zusammengeschaltet, so kann es entsprechend vorkommen, dass die maximal zulässige Stromstärke des Eingangs des nachgeschalteten Bauteils überschritten wird, weil die Ausgänge zweier zusammengeschalteter Sensoren die Stromstärke bestimmen. Insofern muss sodann eine Parametrisierung so erfolgen, dass die Stromstärken der Sensoren nach der Zusammenschaltung diese maximale zulässige Stromstärke für den Eingang des nachgeschalteten Bauteils nicht überschreiten. Die Parametrisierung kann zum Beispiel so erfolgen, dass der Ausgang jedes Sensors auf die Hälfte seiner Stromstärke beschränkt wird, sodass diese nach zusammenschalten nicht das nachgeschaltete Bauteil zerstören können.
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Figurenliste
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Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden nachstehend unter Angabe weiterer Einzelheiten und Vorteile näher erläutert. Im Einzelnen zeigen:
- 1: eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung gem. der Erfindung mit optischem Strahlengang und Verschaltung bis zur Auswerteeinrichtung,
- 2: eine schematische Darstellung eines Aufbaus einer Sensorvorrichtung zum Vergleich zweier Sensoren, sowie
- 3: eine schematische Darstellung einer Sensorvorrichtung zur Vermessung einer (gekrümmten Fläche).
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1 zeigt eine Sensorvorrichtung
1 zu optischen Bestimmungen einer Probendicke, welche zwei Sensoren
2,
3 als Messköpfe aufweist. Diese beiden Sensoren
2 ,3 sind einander gegenüberliegend angeordnet, sodass ihre Strahlen
4,
5 parallel angeordnet sind bzw. sich überdecken können, wenn kein Probenkörper zwischen den Sensoren
2,
3 platziert ist. Die beiden Sensoren 2,3 besitzen zueinander die Entfernung A. Zwischen den Sensoren
2,
3 wird im Strahlengang
4,
5 der Probenkörper
6 positioniert. Die jeweiligen Messstrahlen
4,
5 treffen auf die Ober- bzw. die Unterseite des Probenkörpers
6 mit der Dicke D. Somit lässt sich die Entfernung A zwischen den beiden Sensoren 2,3 wie folgt zusammensetzen:
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Für die Bestimmung der Dicke D ist es messtechnisch zunächst jedoch nicht von Bedeutung, ob die einzelnen Entfernungen M1 und M2 für sich genommen bekannt sind. Die Größe M1 + M2 kann somit auch als ein Messwert vorliegen.
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Der Sensor 2 gibt den gemessenen Wert codiert in Form eines analogen elektrischen Signals am Analogausgang 7 aus. Dieses Signal liegt als Stromsignal an den beiden Leitungen 7.1 und 7.2 an. Dementsprechend liefert der Sensor 3 am Ausgang 8 ein analoges elektrisches Signal an den Leitungen 8.1 und 8.2. Sensor 2 und Sensor 3 weisen dabei die gleiche Skalierung von Messwert zu elektrischem Stromsignal auf. Die Leitung 8.1 wird mit der Leitung 7.1 und die Leitung 8.2 mit der Leitung 7.2 verbunden, d.h. es wird schaltungstechnische eine Parallelschaltung realisiert, bei der sich die Stromstärken entsprechend addieren. Am Knotenpunkt, an dem die Zusammenschaltung erfolgt, entsteht somit der gemeinsame Analogausgang 9 mit den Leitungen 9.1 und 9.2.
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Der gemeinsame Analogausgang 9 ist sodann mit dem Eingang eines A/D- Wandlers 10 verbunden, der das analoge Signal in ein digitales umwandelt und diesen an genau einen Eingang einer Auswerteeinrichtung 11 weiterleitet. Der A/D-Wandler 10 und die Auswerteeinrichtung 11 sind (schematisch) über eine Verbindungsleitung 12 miteinander verbunden. Eine weitere Bank als Zusatzeingang an der Auswerteeinrichtung ist nicht notwendig.
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Die Entfernung A der Sensoren 2, 3 voneinander kann in der Regel vorher bestimmt werden. Denkbar ist zum Beispiel, dass der Abstand A über eine Referenzmessung (im unveränderten Grundaufbau) bestimmt wird. Dazu wird ein Probekörper 6 mit einer vorbekannten Referenzdicke D verwendet und in den Strahlengang 4 ,5 gehalten. Die somit erhaltenen Werte für M1 + M2 werden als Referenzwerte angesehen, sodass A über diese Messung bestimmbar ist: A = D + (M1 + M2). Diese Messung ist insbesondere deshalb möglich, weil etwaige Fehler bei der Bestimmung von M1 bzw. M2 auch in die Größe A mit einfließen und die Referenzdicke ohnehin als genauer bekannter Wert vorausgesetzt wird. Denkbar sind aber auch grundsätzlich andere Varianten der Kalibrierung, bei denen zum Beispiel die Größe A über sonstige Messgeräte extern bestimmt wird.
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Beispielsweise kann das Zentrum der Skalierung von Messwert zu elektrischem Stromsignal der Sensoren 2,3 angepasst werden. So kann der Sensor 2 auf D + M1 = 6 mA und der Sensor 3 auf M2 = 6 mA gesetzt werden. Dabei würde ein Objekt mit einer Dicke von 0 mm einem Analogstrom von (6 mA + 6 mA) = 12 mA entsprechen.
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Insbesondere kann es zur Erhöhung der Genauigkeit sinnvoll sein, die Messergebnisse der Sensoren 2, 3 in Bezug zueinander abzugleichen. Dies ist beispielsweise mit einem Aufbau gemäß 2 möglich. Dazu werden die beiden Sensoren 2, 3 so angeordnet und ihre Strahlen 4, 5 parallel zueinander ausgerichtet, dass diese die gleiche Entfernung zu einem Probekörper 6 messen, dessen Oberfläche senkrecht zu den Strahlen 4, 5 ausgerichtet ist. Die Distanzen M3, M4 werden sodann miteinander verglichen, um zu ermitteln, ob und inwiefern die Sensoren 2, 3 miteinander übereinstimmen oder voneinander abweichen und ob eine Kalibrierung wenigstens eines der Sensoren 2, 3 nötig ist.
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Gemäß 3 ist auch denkbar, eine Fläche oder gegebenenfalls ein Volumen zu bestimmen, indem der Abstand zweier Sensoren 2, 3 zu einer gekrümmten Fläche 13 bestimmt wird. Bei den hier dargestellten zwei Sensoren 2,3 handelt es sich um Lichtschnittsensoren.
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Allen Ausführungsbeispielen und Weiterbildungen der Erfindung ist gemeinsam, dass ein gemeinsamer Analogausgang bei einer entsprechenden Sensorvorrichtung vorgesehen ist, um daran ein Operationssignal anzulegen, wobei das Operationssignal durch Zusammenschalten der analogen elektrischen Signale gebildet wird, sodass sich die Stromstärken der analogen elektrischen Signale addieren bzw. subtrahieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 102013017 [0002]
- DE 289 B4 [0002]
