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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Bestimmung relativer Geschwindigkeiten gemäß dem Anspruch 1 und eine zur Durchführung des Verfahrens geeignete Vorrichtung nach dem Anspruch 9.
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Derartige Verfahren dienen zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit und gegebenenfalls Beschleunigung von bewegten Maschinenteilen. Insbesondere werden an Servomotoren, beispielsweise für Werkzeug- oder Druckmaschinen, immer höhere Anforderungen bezüglich minimierter Gleichlaufschwankungen gestellt. Dabei können die Servomotoren entweder als rotatorische Antriebe oder als Linearmotoren ausgestaltet sein. Um den Anforderungen bezüglich der Gleichlaufschwankungen gerecht zu werden, müssen die Geschwindigkeiten und Beschleunigungen möglichst genau gemessen werden. Die Praxis zeigt, dass durch eine genaue Positionsmessung und anschließender Differenziation die Zeitverzögerung bzw. die Ungenauigkeiten der derart ermittelten Geschwindigkeits- bzw. Beschleunigungssignale für eine befriedigende Antriebsregelung zu groß sind.
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Aus diesem Grund werden für die entsprechenden Einsatzzwecke häufig Messverfahren verwendet, durch welche direkt die Geschwindigkeit oder die Beschleunigung gemessen wird. Diese beruhen beispielsweise auf dem bekannten Ferraris-Prinzip, bei dem in Abhängigkeit von der Höhe der Relativgeschwindigkeit entsprechend große Wirbelströme erzeugt werden, deren Änderung zur Beschleunigungsbestimmung gemessen wird. Zur Bestimmung der Geschwindigkeit kann das Beschleunigungssignal über die Zeit integriert werden. Dieses bekannte Messprinzip hat den Nachteil, dass die darauf beruhenden Messgeräte einen vergleichsweise großen Bauraum benötigen, und dass die erzeugten Wirbelströme einen unerwünschten Bremseffekt, ähnlich einer Wirbelstrombremse, verursachen. Darüber hinaus wird durch die Wirbelströme auch eine geschwindigkeitsabhängige Erwärmung des Messgerätes erzeugt.
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Neben Messverfahren, die auf dem Ferraris-Prinzip beruhen, sind auch sogenannte Trägheitsmessverfahren bekannt, bei denen die Beschleunigung direkt, etwa durch ein Masse-Feder-System, ermittelt werden kann. Durch Integration des so ermittelten Beschleunigungssignals kann eine Geschwindigkeitsmessung erreicht werden. Messverfahren, die auf diesem Prinzip beruhen, haben unter anderem den Nachteil, dass sie gegenüber äußeren Schwingungen bzw. Vibrationen störanfällig sind. Darüber hinaus müssen für die Bestimmung von Relativgeschwindigkeiten und/oder Relativbeschleunigungen zwei komplette derartige Messvorrichtungen zu der dort notwendigen Differenzbildung eingesetzt werden.
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Aus der japanischen Offenlegungsschrift
JP 4218703 A ist ein Verfahren zur Messung von Positionen und Geschwindigkeiten bekannt, bei dem eine gepulste Lichtquelle eine lumineszierende Schicht zeitlich getaktet anregt. Diese lumineszierende Schicht kann relativ zur Lichtquelle bewegt werden. Detektorelemente, die in Messrichtung versetzt angeordnet sind, detektieren die Maxima der gepulsten Anregungen der lumineszierenden Schicht. Basierend auf dem Positionsversatz zwischen dem Ort der Anregung und der Detektion und der Anzahl der vom Detektor festgestellten Anregungsmaxima kann die Positionsänderung ermittelt werden. Unter Berücksichtigung des Zeitversatzes ist darüber hinaus auch eine Geschwindigkeitsbestimmung möglich. Das in der
JP 4218703 A vorgestellte Verfahren hat den Nachteil, dass dort keine direkte Geschwindigkeitsmessung vorgenommen werden kann, sondern die Geschwindigkeitsmessung auf einer Positionsmessung beruht, so dass nicht zu vernachlässigende Zeitverzögerungen und damit Ungenauigkeiten auftreten. Darüber hinaus ist dort eine Bestimmung der Geschwindigkeit Null bzw. nahe Null nicht möglich, weil für diesen Fall keine Detektion einer Anregung erfolgt, bzw. nur nach sehr langer Zeit erfolgen kann.
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zu schaffen, mit welchem exakt und mit vergleichsweise geringem technischen Aufwand Geschwindigkeiten und gegebenenfalls Beschleunigungen gemessen werden können.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Die Erfindung beruht demnach auf dem Gedanken, dass durch ein Erregerelement an einem Abtastkopf eines Messgerätes ein energetisch lokal anregbares zweites Bauteil kontinuierlich mit Lichtenergie energetisch angeregt wird, wobei das zweite Bauteil ein zeitlich kontinuierliches Abklingverhalten bezüglich der Anregung mit einer Abklingzeitkonstante τ aufweist. Die relative Geschwindigkeit zwischen dem Abtastkopf und dem zweiten Bauteil wird direkt nach Umwandlung der energetischen Anregung mittels mehrerer Detektorelemente in jeweils eine Messgröße unter Berücksichtigung der Abklingzeitkonstante τ und einer Größe I ermittelt. Dabei geht die Größe I aus mindestens zwei gleichzeitig ermittelten Messgrößen hervor. Das zweite Bauteil, welches energetisch anregbar ist, ist im Messbereich homogen ausgestaltet, das heißt, dass es keine diskreten Teilungsstrukturen oder dergleichen aufweist.
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Unter zeitlich kontinuierlichem Abklingverhalten ist im Folgenden die Eigenschaft eines energetisch angeregten Bauteils zu verstehen, die Anregung bzw. Energie zeitlich kontinuierlich wieder abzugeben, bzw. dass die darin gespeicherte Energie wieder zeitlich kontinuierlich abklingt. Häufig entspricht das Abklingverhalten einer e-Funktion nach dem Zusammenhang E(t) = E0·e–t/τ, wobei E0 der Grad der Anregung unmittelbar am Beginn der Abklingphase (t = 0) ist, τ die Abklingzeitkonstante und E(t) der Grad der zur Zeit t verbliebenen Anregung ist. Das angeregte Bauteil vermag also einen Teil seiner Anregung bzw. Energie für eine gewisse Zeit zu speichern, wobei zum Zeitpunkt τ noch 1/e, also etwa noch 37%, des Grades der Anregung von E0 durch das Bauteil gespeichert werden.
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Die Abklingzeitkonstante τ sollte auf den Messbereich der zu messenden Geschwindigkeit abgestimmt sein, bzw. bei der Auswahl des Materials des anregbaren Bauteiles sollte der zu erwartende Messbereich berücksichtigt werden. Je schneller die zu messende Geschwindigkeit ist, desto kürzer sollte die Abklingzeitkonstante τ bemessen sein. Für die üblichen Geschwindigkeitsbereiche sind Materialien mit einer minimalen Abklingzeitkonstante τ von 1 μs bzw. Materialien mit einer maximalen Abklingzeitkonstante τ von 0,1 s geeignet. Bei der Verwendung von Messgeräten bei Werkzeugmaschinen reicht häufig ein Bereich zwischen 10 μs und 0,1 s für die Abklingzeitkonstante τ aus.
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Das erfindungsgemäße Verfahren hat unter anderem den Vorteil, dass es vergleichsweise technisch einfach durchzuführen ist, und eine exakte direkte Geschwindigkeitsmessung ermöglicht.
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In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens wird das zweite Bauteil, etwa ein lumineszierendes Band oder eine lumineszierende Platte, durch Lichtenergie energetisch angeregt. Die von dem zweiten Bauteil emittierte Lichtstrahlung, entsprechen dem Grad der energetischen Anregung des zweiten Bauteils, wird mit Hilfe mindestens einem Fotodetektor in eine Messgröße in Form eines elektrischen Fotostromes zur weiteren Auswertung umgewandelt.
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Mit Vorteil kann die Erfindung auch für die Bestimmung der Geschwindigkeiten und optional Beschleunigungen in einer Ebene, also in X und Y-Richtung angewendet werden. Dabei erstreckt sich dann das energetisch anregbare zweite Bauteil des Messgerätes über eine Fläche.
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Weitere Vorteile der Erfindung werden bei der nachfolgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels anhand der Figuren deutlich werden.
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Es zeigen die:
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1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform eines Messgerätes zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens,
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2a ein Diagramm der Intensität des von einem Lumineszenzband emittierten Lichtes bzw. die erzeugten Fotoströme in Abhängigkeit von der Position,
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2b ein Diagramm der Differenz der Fotoströme in Abhängigkeit von der relativen Geschwindigkeit,
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3 eine fotografische Darstellung eines bewegten, angeregten Lumineszenzbandes.
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Gemäß der 1 besteht das Messgerät im gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem Abtastkopf 1 und einem zweiten Bauteil, welches als ein Lumineszenzband 2 ausgeführt ist. Der Abtastkopf 1 ist an einem Maschinenschlitten 10 einer Werkzeugmaschine befestigt, welcher relativ zum Maschinenbett 20, an dem das Lumineszenzband 2 fixiert ist, verfahren werden kann. Das Lumineszenzband 2 umfasst eine Trägerschicht 2.1, die im gezeigten Beispiel aus Glas besteht und eine Lumineszenzschicht 2.2. Die Lumineszenzschicht 2.2 weist das Pigment Y2O2S:Eu auf. Alternativ dazu können auch andere Pigmente oder Farbstoffe mit geeigneten optischen Eigenschaften, wie etwa das Pigment ZnS:Ag verwendet werden. Die Lumineszenzschicht 2.2 ist über die gesamte Messlänge, also im gesamten Messbereich des Messgerätes, homogen auf die Trägerschicht 2.1 aufgetragen. Die Abklingzeitkonstante τ der Lumineszenzschicht 2.2 bestimmt die Empfindlichkeit des Messgerätes, je größer die Abklingzeitkonstante τ desto größer die Empfindlichkeit des Messgerätes, jedoch vergrößert sich mit der Abklingzeitkonstante τ auch dessen Reaktionsgeschwindigkeit. Im gezeigten Beispiel beträgt die Abklingzeitkonstante τ = 0,5 ms, angepasst an die üblichen Verfahrgeschwindigkeiten von Werkzeugmaschinen.
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Der Abtastkopf 1 umfasst als Erregerelement eine Lichtquelle 1.1, im gezeigten Beispiel eine LED (es könnte alternativ auch eine Laserdiode verwendet werden), welche sich bezogen auf die Messrichtung X zwischen zwei Detektorelementen in Form von Fotodetektoren 1.2, 1.3 befindet. Darüber hinaus sind im Abtastkopf 1 noch weitere optisch wirkende Elemente untergebracht, nämlich eine Linse 1.11 und Filter 1.8, 1.9, 1.10.
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Die Fotodetektoren 1.2, 1.3 wandeln das auf sie fallende Licht in Fotoströme I1.2, I1.3 um, die in einer Auswerteelektronik 3 weiterverarbeitet werden. Die Auswerteelektronik 3 umfasst einen Differenzverstärker 3.1, einen Hochpassfilter 3.2 und einen Verstärker 3.3.
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Im Betrieb des Messgerätes emittiert die homogene Lichtquelle 1.1 im Dauerstrahlmodus (continuous wave modus), also kontinuierlich, Licht. Dieses Licht durchläuft zunächst die Linse 1.11 und dann einen Filter 1.10, welcher die Lichtanteile ausfiltert, die die Frequenz des von der Lumineszenzschicht 2.2 emittierten Lichtes aufweisen. Danach trifft das gefilterte Licht, eingegrenzt durch die Abschattung der Fotodetektoren 1.2, 1.3 als rechteckiger Fleck auf die Lumineszenzschicht 2.2. Durch diese rechteckige Form kann die Intensität des von der Lumineszenzschicht 2.2 emittierten Lichtes quer zur Messrichtung X (also senkrecht zur Zeichenebene der 1 bzw. in Richtung Y in der 3) gemittelt werden.
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Zum Erreichen des rechteckförmigen Fleckes auf der Lumineszenzschicht 2.2 kann alternativ auch eine Zylinderlinse oder eine spaltförmige Blende zwischen der Linse 1.11 und dem Lumineszenzband 2 verwendet werden.
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Im Bereich wo die Lumineszenzschicht 2.2 vom Licht bestrahlt wird, wird die Lumineszenzschicht 2.2 energetisch angeregt, im gezeigten Beispiel unterhalb der Sättigungsgrenze des Materials des Lumineszenzschicht 2.2. Die Intensität des Lichtstrahles entspricht in dessen Querschnitt in Messrichtung X einer Glockenkurve, wobei am Rand des Lichtstrahles die Intensität am niedrigsten ist und im Zentrum am größten. Alternativ dazu kann die Intensität des Lichtstrahles auch einen Verlauf abweichend einer Glockenkurve aufweisen, vorteilhaft ist jedoch ein bezüglich des Zentrums des Lichtstrahles symmetrischer Verlauf der Intensität mit zum Rande hin abfallenden Flanken.
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Im gezeigten Beispiel wird, wie bereits erwähnt, die Sättigungsintensität des Materials der Lumineszenzschicht 2.2 nicht erreicht, so dass eine Änderung der Intensität des auf die Lumineszenzschicht 2.2 auftreffenden Lichtes stets eine Änderung des von der Lumineszenzschicht 2.2 emittierten Lichtes bedingt. Durch das homogene Auftragen der Lumineszenzschicht 2.2 auf die Trägerschicht 2.1 ist auch gewährleistet, dass die Lumineszenzschicht 2.2 bzw. das Lumineszenzband 2 über den gesamten Messbereich homogen energetisch anregbar ist.
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Die Lumineszenzschicht 2.2 emittiert im angeregten Bereich Licht in einem bestimmten Frequenzband, wobei die Intensität des emittierten Lichtes über einen gewissen Zeitraum mit der Bestrahlungsdauer durch die Lichtquelle 1.1 steigt. Das Frequenzband des von der Lumineszenzschicht 2.2 emittierten Lichtes ist dabei gegenüber den Frequenzen des auf die Lumineszenzschicht 2.2 auftreffenden Lichtstrahls verschoben. Jeweils im Randbereich des auf die Lumineszenzschicht 2.2 auftreffenden Lichtstrahls, wird die Intensität des von der Lumineszenzschicht 2.2 emittierten Lichtes gemessen. Zu diesem Zweck wird dieses Licht durch jeweils einen Filter 1.8, 1.9 geführt, so dass im gefilterten Licht nur noch Frequenzen der Lumineszenzemission verbleiben, bzw. Störlicht gesperrt wird. Dieses Licht trifft dann auf die Fotodetektoren 1.2, 1.3, wo entsprechende Signale bzw. die Fotoströme I1.2, I1.3 erzeugt werden.
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Die Fotoströme I1.2, I1.3 werden dann in der Auswertelektronik 3 weiterverarbeitet, wobei sie im ersten Schritt dem Differenzverstärker 3.1 zugeführt werden. Im Differenzverstärker 3.1 kann im Prinzip die relative Geschwindigkeit zwischen Abtastkopf 1 und Lumineszenzband 2 bestimmt werden. Dies kann anhand der Erläuterungen zur 2a deutlich gemacht werden.
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In der 2a ist auf der Abszisse die Position X in Millimeter entlang des Lumineszenzbandes 2 skaliert. Demgegenüber ist auf der linken Ordinate der Grad der energetischen Anregung E des Lumineszenzbandes 2 aufgetragen. Der Grad der energetischen Anregung in Abhängigkeit von der Position, also die gespeicherte Energie, weist gemäß der Kurve A in 2a einen örtlichen Verlauf gemäß einer Glockenkurve mit der Breite w auf. Die Breite w entspricht dem Abstand der Wendepunkte der Glockenkurve. Die Wendepunkte markieren auch den Bereich der Glockenkurve, an denen die Flanken ihre maximale Steigung aufweisen.
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Je höher der lokale Grad der energetischen Anregung ist, desto höher ist an diesen Stellen auch die Intensität des vom Lumineszenzband 2 emittierten Lichtes, so dass diese Intensität auch dieser Glockenkurve folgt. Durch die Fotodetektoren 1.2, 1.3 werden die Intensitäten des vom Lumineszenzband 2 emittierten Lichtes gleichzeitig gemessen, bzw. es wird durch die Fotodetektoren 1.2, 1.3 der Grad der energetischen Anregung in eine Messgröße, in diesem Fall in einen elektrischen Fotostrom I1.2, I1.3 umgewandelt. Dabei sind die von den Fotodetektoren 1.2, 1.3 erzeugten Fotoströme I1.2, I1.3 proportional zur Intensität des vom Lumineszenzbandes 2 emittierten Lichtes, so dass auf der rechten Ordinate des Diagramms in 2a der Fotostrom IF aufgetragen werden kann.
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Die Fotodetektoren 1.2, 1.3 überdecken im gezeigten Beispiel die Flächenbereiche F1 und F2, wobei diese Flächenbereiche F1 und F2 symmetrisch zum Strahlmittelpunkt (Position 0 in 2a) des auf die Lumineszenzschicht 2.2 auftreffenden Lichtstrahls an den Flankenbereichen seiner Intensitätsverteilung angeordnet sind. Die Größe der von den Fotodetektoren 1.2, 1.3 erzeugten Fotoströme I1.2, I1.3 hängen von den über die Flächenbereichen F1 und F2 empfangenen Lichtintensitäten ab. Es werden auf diese Weise quasi die integralen Werte der Lichtintensitäten in den Flächenbereichen F1 und F2 ermittelt. Alternativ dazu können die Fotodetektoren auch eine punktförmige Gestalt haben, so dass nur die Lichtintensitäten an bestimmen Punkten, beispielsweise an den Flanken der Glockenkurve ermittelt werden. Mit Vorteil werden die Lichtintensitäten in den Bereichen einer Glockenkurve ermittelt, die gegenüber den übrigen Bereichen eine vergleichsweise hohe Steigung aufweisen.
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Durch die beiden Fotodetektoren 1.2, 1.3 wird also der Grad der energetischen Anregung des Lumineszenzbandes 2 bzw. der Lumineszenzschicht 2.2 lokal und gleichzeitig gemessen. Unter lokaler Messung ist hier zu verstehen, dass einer der Fotodetektoren 1.2, 1.3 nur in einem Teilbereich des Lumineszenzbandes 2 dessen energetische Anregung misst.
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Die Kurve A zeigt nun einen Zustand, bei dem keine Relativbewegung (v = 0) zwischen dem Abtastkopf 1 und dem Lumineszenzband 2 vorliegt. Das Lumineszenzband 2 ist durch die Lichtquelle 1.1 energetisch angeregt. Folglich ist bei der Position 0 in der 2a der Grad der energetischen Anregung des Lumineszenzbandes 2 maximal. Zum Rand hin nimmt die energetische Anregung ab, wobei jedoch, bedingt durch Beugungseffekte an den Kanten der Fotodetektoren 1.2, 1.3 bzw. der Filter 1.8, 1.9, und bedingt durch die nicht vollständige Parallelität der Lichtstrahlen, kein sprungartiger Abfall der energetische Anregung festzustellen ist. Außerhalb des beleuchteten Bereiches, bei Positionswerten kleiner etwa –6 mm und größer etwa +6 mm ist der Grad der energetischen Anregung minimal und liegt im gezeigten Beispiel nahe 0. Mit Hilfe der beiden Fotodetektoren 1.2, 1.3 kann nunmehr die Intensität des von der Lumineszenzschicht 2 emittierten Lichtes und damit der Grad der energetischen Anregung der Lumineszenzschicht 2 in Fotoströme I1.2, I1.3 umgewandelt werden. Die entsprechenden, über die Flächenbereiche F1 und F2 gemittelten, Fotoströme I1.2(A), I1.3(A) sind für die Kurve A, also bei v = 0 gleich groß, bzw. deren Differenz ist gleich Null. Somit können mit dem Verfahren sicher auch die relative Geschwindigkeit v = 0, bzw. extrem kleine relative Geschwindigkeiten v bestimmt werden.
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Sobald eine Relativbewegung zwischen dem Abtastkopf 1 und dem Lumineszenzband 2 stattfindet, sind die von den Fotodetektoren 1.2, 1.3 in den Flächenbereichen F1 und F2 gemessenen Lichtintensitäten nicht mehr gleich groß. Die Kurve B zeigt in der 2a beispielsweise den Fall, bei dem der Abtastkopf 1 entlang der Messrichtung X relativ zum Lumineszenzband 2 nach links mit einer relativen Geschwindigkeit v von 1 m/s verschoben wird. Wenn also diese Bewegung eingeleitet wird, werden Pigmente im angeregten Zustand in der 2a nach links bewegt. Bedingt durch die Abklingzeitkonstante τ von 0,5 ms wird nun im Flächenbereich F2 Licht mit höherer Intensität von der Lumineszenzschicht 2.2 emittiert, als dies im Ruhezustand (Kurve A) der Fall war. Entsprechend niedriger ist dann der Grad der energetischen Anregung E der Lumineszenzschicht 2.2 im rechten Flächenbereich F1. Durch die Bewegung wird quasi ein Lichtschweif nachgezogen. Die Differenz der Fotoströme I1.2(B), I1.3(B) aus den Fotodetektoren 1.2, 1.3, die gleichzeitig gebildet wurden, ist dann nicht mehr Null.
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In der Kurve C wird nunmehr der Abtastkopf 1 mit v = 10 m/s gegenüber dem Lumineszenzband 2 nach links verschoben. Es zeigt sich, dass die Glockenkurve stärker verzerrt ist und die Differenz der Grade der energetischen Anregungen E in den Flächenbereichen F1 und F2, also die Differenz der Fotoströme I1.2(C), I1.3(C) aus den Fotodetektoren 1.2, 1.3 zum Zeitpunkt der Messung weiter angestiegen ist.
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In der 2b ist ein doppelt logarithmisches Diagramm dargestellt, in dem auf der Abszisse die relative Geschwindigkeit v und auf der Ordinate die Differenz der Fotoströme I1.2 – I1.3, die zum gleichen Zeitpunkt erzeugt wurden, jeweils logarithmiert aufgetragen sind. In dem Diagramm sind für drei verschiedene Abklingzeitkonstanten τ1, τ2, τ3 Kurven gezeichnet, welche den jeweiligen Zusammenhang zwischen der Differenz der Fotoströme I1.2 – I1.3 und der relativen Geschwindigkeit v aufzeigen. Wie aus dieser 2b zu entnehmen ist, ist die Differenz der Fotoströme I1.2, I1.3 ein Maß für diese relative Geschwindigkeit v. Als Eingrenzung für den linearen Bereich, wie er gerade bei niedrigen relativen Geschwindigkeiten v zwischen Abtastkopf 1 und dem Lumineszenzband 2 auftritt, kann unter anderem das Kriterium v < w/τ angegeben werden. Wenn also die energetische Anregung des Lumineszenzbandes 2 durch die beiden Fotodetektoren 1.2, 1.3 gleichzeitig in Fotoströme I1.2, I1.3 umgewandelt wird, kann basierend auf diesen Fotoströmen I1.2, I1.3 und der Abklingzeitkonstanten τ die relative Geschwindigkeit v direkt bestimmt werden, ohne dass zuvor eine Positionsmessung oder Beschleunigungsmessung vorgenommen wurde. Dabei wird die relative Geschwindigkeit v aus der Differenz der Fotoströme I1.2 – I1.3 und der Abklingzeitkonstante τ ermittelt. Die Abklingzeitkonstante τ geht also in die Bestimmung der relativen Geschwindigkeit v ein und liefert demnach letztlich direkt einen Beitrag zur gemessenen Höhe der relativen Geschwindigkeit v.
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Nach dem Differenzverstärker 3.1 in der 1 liegt also ein Signal Sv vor, das eine Aussage über die Höhe der relativen Geschwindigkeit v zwischen dem Abtastkopf 1 und dem Lumineszenzband 2 erlaubt. Dieses Signal Sv kann dann mit einem geeigneten Hochpassfilter 3.2, der auch als Kondensatorkopplung bezeichnet werden kann, differenziert werden, so dass ein Signal Sa erzeugt wird, das ein Maß für die Relativbeschleunigung a zwischen dem Abtastkopf 1 und dem Lumineszenzband 2 darstellt. Zur Ermittlung der relativen Geschwindigkeit v kann alternativ auch ein Differenzfotodetektor eingesetzt werden, dessen interne Verschaltung derart ausgeführt ist, dass dieser Differenzdetektor nur den Differenzfotostrom ausgibt. Ein derartiger Differenzdetektor ist im Folgenden, bedingt durch seine Funktionsweise, als ein Paar von Detektorelementen oder als mehrere Detektorelemente zu verstehen.
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Alternativ zur Auswertung der Differenz I1.3 – I1.2, der gleichzeitig erzeugten Fotoströme I1.2, I1.3 aus den Fotodetektoren 1.2, 1.3 kann auch die normierte Differenz (I1.3 – I1.2)/(I1.3 + I1.2) zur Bestimmung der relativen Geschwindigkeit v herangezogen werden. Diese Vorgehensweise hat den Vorteil, dass Schwankungen der Lichtintensität der Lichtquelle 1.1 keine Fehler bei der Bestimmung der relativen Geschwindigkeit v verursachen. Wenn beispielsweise die Intensität der Lichtquelle 1.1 während des Betriebes auf 90% der Ausgangsintensität zurückgeht, so nimmt die Differenz I1.3 – I1.2 der Fotoströme I1.2, I1.3 einen anderen Wert an, als vor dem Rückgang der Intensität der Lichtquelle 1.1 (I1.3 – I1.2 ≠ 90%·I1.3 – 90%·I1.2). Anders dagegen verhält es sich, wenn die normierte Differenz (I1.3 – I1.2)/(I1.3 + I1.2) verwendet wird, weil (I1.3 – I1.2)/(I1.3 + I1.2) = (90%·I1.3 – 90%·I1.2)/(90%·I1.3 + 90%·I1.2) ist. Hier führen also Schwankungen der Intensität der Lichtquelle 1.1 zu keinem Fehler bei der Auswertung der Fotoströme I1.2, I1.3.
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Die Bestimmung der relativen Geschwindigkeit v basiert also auf der Abklingzeitkonstanten τ und einer Größe I, wobei I aus der Messgröße des jeweiligen Fotodetektors 1.2, 1.3, also im gezeigten Ausführungsbeispiel aus den Fotoströmen I1.2, I1.3 hervorgeht. Dabei kann I die Differenz I1.3 – I1.2 der Fotoströme I1.2, I1.3, der Quotienten I1.2/I1.3 der Fotoströme I1.2, I1.3, oder die normierten Differenz (I1.3 – I1.2)/(I1.3 + I1.2) der Fotoströme I1.2, I1.3, sein.
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In der 3 ist ein Foto eines bewegten angeregten Lumineszenzbandes 2 gezeigt. Das Lumineszenzband 2 bewegt sich dabei mit der relativen Geschwindigkeit v = 1,25 m/s in der 3 in Messrichtung X von rechts nach links, wobei die Beleuchtung des Lumineszenzbandes 2 durch einen Spalt mit einer Länge von 6,1 mm erfolgt. Es ist in der 3 deutlich zu sehen, dass, bedingt durch die relative Geschwindigkeit v, ein lumineszierender Schweif entsteht.
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In einer weiteren Ausführungsvariante kann auf die Anbringung von optischen Filtern verzichtet werden. Dies wird dadurch möglich, dass die Lichtquelle 1.1 hochfrequent moduliert wird. Diese hochfrequente Komponente wird dann bei der Auswertung mittels eines elektronischen Sperrfilters aus dem Nutzsignal eliminiert oder das Nutzsignal wird nur während der Ausschaltzeiten aufgenommen. Die Modulierung der Lichtquelle 1.1 ist dabei so gewählt, dass die Ausschaltzeiten der Lichtquelle 1.1 wesentlich kleiner sind als die Abklingzeitkonstante τ, so dass das Licht, welches vom angeregten Lumineszenzband 2 emittiert wird, keine erkennbare Modulation aufweist. Für die Auswertung der Messung kann beispielsweise das Lock-In-Verfahren angewendet werden. Das erfindungsgemäße Verfahren umfasst also eine Lichtquelle 1.1, die kontinuierlich Lichtenergie emittiert, wobei auch der Grenzfall einer hochfrequenten Modulation der Lichtquelle mit eingeschlossen ist. Unter hochfrequenter Modulation ist eine Modulation zu verstehen, deren Frequenz f größer ist als das Verhältnis der relativen Geschwindigkeit v zur Breite w der Glockenkurve, also f > v/w. In diesem Fall weist das vom Lumineszenzband 2 emittierte Licht keine erkennbare Modulation, bzw. keine detektierbaren modulationsbedingten Intensitäts-Maxima auf.
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Alternativ können auch Anordnungen verwendet werden, bei denen mehrere parallele Lumineszenzschichten 2.2 nebeneinander zu liegen kommen, wobei jedes der Bänder eine andere Abklingzeitkonstante τ aufweist. Dabei kann abhängig von der relativen Geschwindigkeit v diejenige Lumineszenzschicht 2.2 für die Messung verwendet werden, die für die gegebene relative Geschwindigkeit v die optimale Abklingzeitkonstante τ aufweist. In diesem Fall kann dann weiterhin eine einzige Lichtquelle 1.1 zum Einsatz kommen, während wegen der mehreren Lumineszenzschichten 2.2 mehrere Fotodetektoren 1.2, 1.3 vorgesehen sein können, um die jeweilige Lumineszenzschicht 2.2 abzutasten. Es kann aber auch eine Lumineszenzschicht 2.2 verwendet werden, die verschiedene Pigmente oder Farbstoffe aufweist, welche unterschiedliche Abklingzeiten τ und unterschiedliche Lumineszenzspektren haben. Durch Auftrennung der Lumineszenzkomponenten durch Farbfilter kann die Frequenzkomponente mit der optimalen Abklingzeitkonstante τ selektiert werden.
