DE10256725B3

DE10256725B3 - Sensor, Vorrichtung und Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung

Info

Publication number: DE10256725B3
Application number: DE10256725A
Authority: DE
Inventors: Andreas Prof. Dr.-Ing. Neyer; Siegfried Dr. Wienecke; Hans-Joachim Schäfer
Original assignee: SPIEDETAL GmbH
Current assignee: FRABA INTACTON GMBH, 44227 DORTMUND, DE
Priority date: 2002-12-05
Filing date: 2002-12-05
Publication date: 2004-06-24
Anticipated expiration: 2022-12-06

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und einen Sensor zur Messung der Geschwindigkeit eines Materials nach der Ortsfrequenzfiltermethode. Die Materialoberfläche wird durch Beleuchtungsmittel beleuchtet. Aus der rasterförmigen Aufnahme von Helligkeitswerten kann die Geschwindigkeit des Materials ermittelt werden. DOLLAR A Erfindungsgemäß erfolgt die Beleuchtung aus getrennt steuerbaren, im Abstand voneinander angeordneten Lichtquellen, bevorzugt einer LED-Zeile, so, daß die Oberfläche des Materials mit einem sich bewegenden Lichtmuster beleuchtet wird. Auf diese Weise kann auch der Stillstand des Materials sicher gemessen werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen Sensor, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung.

Zur optischen, berührungsfreien Messung der Relativgeschwindigkeit zwischen einem Material und einem Sensor sind verschiedene Verfahren bekannt. Beim Differenz-Doppler-Verfahren wird ausgenutzt, daß bei Streuung von Licht an einer bewegten Oberfläche eine Frequenzverschiebung nach dem Dopplerprinzip erfolgt. Die Messung der Frequenzverschiebung läßt sich mit Hilfe eines Zwei-Strahl-Verfahrens besonders genau durchführen, bei dem der Strahl einer Laserquelle in zwei Teilstrahlen aufgespalten wird, die Frequenzen der Teilstrahlen gegeneinander leicht verschoben werden und sie dann unter verschiedenen Winkeln auf die zu messende Oberfläche treffen. Die Überlagerung der an der Oberfläche gestreuten Strahlen ergibt eine niederfrequente Schwebungsfrequenz, von der auf die Geschwindigkeit der Oberfläche relativ zum Sensor zurückgeschlossen werden kann.

Meßgeräte nach dem Differenz-Doppler-Verfahren sind von Aufbau her aufwendig, insbesondere da Vorkehrungen zur Temperaturstabilisierung getroffen werden müssen. Vorteile des Differenz-Doppler-Verfahrens sind aber hohe Meßgenauigkeit und die Tatsache, daß ein Stillstand des Materials, d. h. eine Geschwindigkeit gleich Null, sicher gemessen werden kann.

Ein anderes optisches Meßverfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung ist das Ortsfrequenzfilterverfahren. Eine Materialoberfläche wird typischerweise mit weißem Licht bestrahlt. Das rückgestreute Licht wird von einem lichtempfindlichen Detektor durch ein optisches Gitter beobachtet. Bei Bewegung des Materials entstehen Hell/Dunkel-Schwankungen, deren Frequenz proportional zur Materialgeschwindigkeit ist. Als Modell zur Erläuterung dieses Effektes kann man sich die Materialoberfläche als Ansammlung unterschiedlich großer und gerichteter "Mikrospiegel" vorstellen, die an dein optischen Gitter vorbei bewegt werden.

Beim Ortsfrequenzfilterverfahren wird eine rasterförmige Aufnahme von Helligkeitswerten der Oberfläche ausgewertet. Hierbei wurde bereits vorgeschlagen, anstatt eines Gitters einen rasterförmigen Sensor, bspw. eine CCD-Kamera zu verwenden.

Verglichen mit dem Differenz-Doppler-Verfahren kommt das Ortsfrequenzfilterverfahren mit geringerem apparativen Aufwand aus. Nachteil des Ortsfrequenzfilterverfahrens sind aber hohe Meßfehler im Bereich sehr niedriger Materialgeschwindigkeiten, da die Geschwindigkeitsmessung auf einer Frequenzschätzung eines im realen Einsatz häufig verrauschten Signals basiert. Insbesondere Materialstillstand, der zu einer Frequenz von Null führt, ist nicht zu detektieren.

In der DE 3 830 417 A1 ist ein auf der Ortsfrequenzfiltermethode basierendes Geschwindigkeitsmessgerät offenbart. Eine Lichtquelle beleuchtet die Oberfläche eines Messobjektes. Das Bild der Oberfläche wird durch eine Objektivlinse von einem linienförmig unterteilten lichtaufnehmenden Element beobachtet. Das Ausgangssignal des lichtaufnehmenden Elements enthält eine Frequenzkomponente die der Geschwindigkeit des Oberflächenbildes proportional ist. Zusätzlich weist das Messgerät eine Lichtanlage, beispielsweise in Form einer lichtemittierenden Diode oder Laserdiode mit einer Kollimatorlinse auf, mit der ein Lichtfleck auf das Messobjekt projiziert wird. Die LED oder LD wird mittels einer Steuerschaltung so angesteuert, daß eine Folge von Pulsen oberhalb der oberen Grenze der Signalfrequenz des Detektors des Ortsfrequenzfiltersystems emittiert wird. Aus dem Ort auf dem lichtaufnehmenden Element, an dem der Lichtfleck beobachtet wird, wird mit Hilfe einer Triangulationsmessung auf den Abstand der Messobjektoberfläche von dem Geschwindigkeitsmessgerät geschlossen.

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Sensor, eine Vorrichtung und ein Meßverfahren zur Geschwindigkeitsmessung eines Materials vorzuschlagen, bei dem auch geringe Materialgeschwindigkeiten bis hin zum Materialstillstand sicher detektiert werden können.

Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Sensor nach Anspruch 1, eine Vorrichtung nach Anspruch 9 und ein Verfahren nach Anspruch 10. Abhängige Ansprüche beziehen sich auf vorteilhafte Ausführungsformen der Erfindung.

Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Oberfläche des Meßgutes mit einem bewegten Lichtmuster beleuchtet wird.

Dies kann erreicht werden, indem als Beleuchtungsmittel eine Anzahl von getrennt ansteuerbaren, im Abstand voneinander angeordneten Lichtquellen vorgesehen ist, die so angesteuert werden, daß ein bewegtes Lichtmuster entsteht. Bevorzugt wird hierbei ein periodisches Lichtmuster mit aufeinanderfolgenden Hell/Dunkel-Bereichen.

Durch Beleuchtung mit einem bewegten Lichtmuster anstelle der bisher verwendeten Dauerbeleuchtung durch eine Lichtquelle wird eine problemlose Messung auch bei Materialstillstand ermöglicht. Hierbei kommt es bei der Auswertung der Signale von den Beobachtungsmitteln zu einer Überlagerung der Materialgeschwindigkeit einerseits und der Bewegungsgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters andererseits. Dies führt zu einer Null-Punkt-Verschiebung bei der Zuordnung der gemessenen Signalfrequenz zu einer Material geschwindigkeit. Den Problemen mit beim herkömmlichen Ortsfilterverfahren problematischen Meßwerten bei geringen Geschwindigkeiten (und daraus resultierend geringen Frequenzen, d. h. langen Periodendauern) wird so dadurch begegnet, daß diese Materialgeschwindigkeiten durch die Überlagerung in einen meßtechnisch günstigeren Bereich verlagert werden. Materialstillstand drückt sich dann dadurch aus, daß lediglich eine Frequenz entsprechend der Geschwindigkeit der Bewegung des Lichtmusters gemessen wird. Durch die Verschiebung ist es außerdem möglich, die Bewegungsrichtung festzustellen.

Geeignete Auswertungsmittel zur Bestimmung der Geschwindigkeit verarbeiten das von den Beobachtungsmitteln gelieferte Signal. Erfolgt die rasterförmige Aufnahme von Helligkeitswerten mittels eines linien- oder flächenförmigen Sensors aus einzelnen lichtempfindlichen Elementen, bspw. eines CCD-Sensors, so wird bevorzugt aus den von jedem einzelnen lichtempfindlichen Element gemessenen Helligkeitswerten ein Summensignal nach einem geeigneten Summationsmuster erzeugt. Aus dem Summensignal wird eine Frequenz ermittelt, von der auf die Relativgeschwindigkeit des Materials zum, Sensor zurück geschlossen werden kann. Bevorzugt wird hierfür eine Kalibrierung des Sensors vorgenommen um eine möglichst genaue Zuordnung der Materialgeschwindigkeit zur ermittelten Frequenz zu erreichen.

Prinzipiell kann eine Beleuchtung durch ein bewegtes Lichtmuster erzielt werden, indem die Beleuchtungsmittel mechanisch bewegt werden. Bevorzugt wird aber auf mechanische Bewegung von Teilen des Sensors verzichtet. Eine Bewegung des Lichtmusters auf der Oberfläche wird vielmehr dadurch erzielt, daß eine Anzahl von einzelnen Lichtquellen so angesteuert werden, daß insgesamt ein bewegtes Muster entsteht. Selbstverständlich handelt es sich hierbei nicht um eine kontinuierliche Bewegung, sondern um eine Anzahl von Sprüngen, entsprechend der Anordnung der einzelnen Lichtquellen. Die Erzeugung derartiger Bewegungen ist von jeder Form gerasteter optischer Darstellungsmittel wie Lichtlaufleisten, aber auch Computerbildschirmen bekannt. Geeignete Ansteuerungsmittel zur Erzeugung eines solchen Musters können elektrische Schaltungen sein, bei denen bspw. mit Logik-Bausteinen oder auch einer Mikroprozessor-Steuerung die gewünschte Ansteuerung realisiert wird.

Bevorzugt handelt es sich bei den Lichtquellen um LEDs. Diese können entweder als diskrete Bauteile geeignet angeordnet oder als integriertes Bauteil auf einem gemeinsamen Substrat geformt sein. Für die prinzipielle Meßmethode ist lediglich die Anordnung der Lichtquellen im Abstand voneinander erforderlich. Die Ansteuerung und Auswertung wird allerdings erheblich vereinfacht, wenn die Lichtquellen in einer Ebene und/oder in äquidistanter Anordnung, bspw. als Reihe oder zweidimensionales Raster vorhanden sind.

Für die Beleuchtung wird innerhalb einer in Meßrichtung ausgerichteten Reihe bevorzugt ein Muster gebildet, bei dem jeweils auf eine oder mehrere eingeschaltete Lichtquellen eine oder mehrere ausgeschaltete Lichtquellen folgen. So werden entlang der Reihe helle und dunkle Bereiche gebildet. Durch Verschiebung des Musters aus hellen und dunklen Bereichen über die Reihe wird eine bewegte Beleuchtung realisiert. Hierbei ist es vorteilhaft, wenn die hellen und/oder dunklen Bereiche aus mehreren nebeneinander angeordneten Lichtquellen gebildet sind.

Als Beobachtungsmittel sind prinzipiell alle Mittel zur rasterförmigen Aufnahme von Helligkeitswerten geeignet. Hierbei kann es sich um einen einfachen Photosensor mit davor angebrachten Gitter handeln. Zu bevorzugen sind flächen- oder linienförmige Anordnungen von einzelnen lichtempfindlichen Elementen, bspw. entsprechende CCD-Sensoren. Eine Sensoranordnung mit linienförmig angeordneten Lichtquellen und parallel hierzu linienförmig angeordneten lichtempfindlichen Elementen eignet sich zur Erfassung der Geschwindigkeiten von Materialbewegungen in Linienrichtung. Zur Erfassung von Geschwindigkeitskomponenten auch in anderen Richtungen können zusätzliche entsprechend ausgerichtete linienförmige Beleuchtungs- und Beobachtungsmittel vorgesehen sein. Ebenso ist aber auch der Einsatz von flächenförmigen Beleuchtungs- und/oder Beobachtungsmitteln denkbar, um Geschwindigkeitskomponenten verschiedener Richtungen innerhalb der Ebene der Materialoberfläche zu erkennen.

Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist ein Meßbereich für die Materialgeschwindigkeit vorgegeben. Die obere Meßbereichsgrenze ist durch eine maximale Materialgeschwindigkeit gegeben. Diese wird zweckmäßig so gewählt, daß für eine bestimmte Anwendung stets davon ausgegangen werden kann, daß die tatsächliche Materialgeschwindigkeit unterhalb der Meßbereichsgrenze liegt. Die Beleuchtungsmittel werden so betrieben, daß sich auf einer stehenden Materialoberfläche ein Lichtmuster ergibt, das sich mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt. Diese Geschwindigkeit wird nun bevorzugt so gewählt, daß sie oberhalb des gewünschten Meßbereichs liegt. Da die Bewegung des Lichtmuster bei der Auswertung einer Nullpunkt-Verschiebung entspricht, wird so sichergestellt, daß eine Frequenz von Null, deren Messung mit großen Schwierigkeiten verbunden ist, nicht auftreten kann.

Der erfindungsgemäße Sensor bzw. das erfindungsgemäße Verfahren können auch eingesetzt werden, um die Bewegungsrichtung des Materials zu ermitteln. Während beim herkömmlichen, "stillstehenden" Ortsfrequenzfilterverfahren dieselbe Frequenz beobachtet wird, unabhängig davon, in welche Richtung sich das Material bewegt, kommt es beim erfindungsgemäßen Verfahren darauf an, ob sich das Material mit oder gegen die Bewegungsrichtung des Beleuchtungsmuster bewegt. Eine Messung ohne Doppeldeutigkeiten ergibt sich, wenn die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtmusters auf dem Material höher ist als die maximale Materialgeschwindigkeit entgegen der Bewegungsrichtung des Musters.

Um Meßfehler durch andere Lichtquellen möglichst auszuschließen, wird gemäß einer Weiterbildung ein Filter vor den Beobachtungsmitteln vorgeschlagen, der nur Licht eines Durchlaß-Spektralbereiches im wesentlichen ungedämpft durchläßt. Ein solcher Filter kann bspw. durch eine entsprechende Beschichtung auf der Optik hergestellt werden. Vorteilhafterweise können dann passende monochromatische Lichtquellen bzw. Lichtquellen mit engem Emissionsspektrum, das im Durchlaßbereich des Filters liegt, verwendet werden. Dies verbessert den Signal-zu-Rausch-Abstand und führt zu geringerer Störanfälligkeit.

Bei der Ermittlung der Geschwindigkeit aus dem Signal der Aufnahmemittel spielt der Abbildungsmaßstab und damit der Abstand des Sensors zur Materialoberfläche eine entscheidende Rolle. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist daher vorgesehen, daß der Abstand des Sensors von der Materialoberfläche durch Triangulation gemessen wird. Bei dieser Messung wird der Abbildungsort von mindestens einer Lichtquelle des Sensors auf dem Beobachtungsmittel betrachtet und hieraus der Abstand des Sensors von der Oberfläche ermittelt.

Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
1 eine schematische Darstellung von Elementen der Meßanordnung;
2 eine schematische Darstellung einer LED-Zeile;
3a–3c eine Darstellung der Erzeugung eines bewegten Beleuchtungsmusters auf der LED-Zeile von 2;
4 ein schematischer Querschnitt durch eine Ausführungsform eines Sensors mit darunter angeordnetem Meßgut;
5 eine Querschnittsansicht entlang der Linie A-A in 2;
6 eine schematische Darstellung der Signalverarbeitung für das Signal des Beobachtungsmittels;
7 ein Diagramm zur Darstellung des Spektrums eines Helligkeitssignals;
8 ein schematisches Blockdiagramm zur Darstellung von Komponenten eines Meßsystems;
9 eine schematische Darstellung von Elementen eines Meßsystems zur Durchführung einer Triangulationsmessung.
In 1 sind in schematischer Darstellung Elemente einer Meßanordnung gezeigt. Ein Sensor 10 ist oberhalb eines Materials 12 angeordnet. Das Material 12 ist in diesem Fall ein bandförmiger Streifen, der in eine Hauptbewegungsrichtung X läuft. Zusätzlich kann eine zur Hauptbewegungsrichtung X orthogonale Bewegungskomponente Y vorhanden sein. Bei dem Material 12 kann es sich um einen beliebigen Stoff bzw. Körper handeln. In jedem Fall soll die Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor 10 und Material 12 gemessen werden.
Außer einem Körper, wie in 1 dargestellt, kann es sich bei dem zu messenden Material auch bspw. um eine Straßenoberfläche (z. b. bei Montage des Sensors an einem Fahrzeug) oder um ein in eine Fließrichtung X fließende Flüssigkeit handeln.
Der Sensor 10, der in einem Abstand oberhalb der Oberfläche des Materials 12 angeordnet ist, verfügt über Beleuchtungsmittel 16, Beobachtungsmittel 18 und eine zugeordnete Optik 14, hier dargestellt als eine Linse. Bei der Optik 14 kann es sich aber auch bspw. um ein Linsensystem handeln, wobei auch für Beleuchtungsmittel 16 und Beobachtungsmittel 18 ganz oder teilweise getrennte optische Elemente vorgesehen sein können.
Durch die Beleuchtungsmittel 16 wird die Oberfläche des Materials 12 beleuchtet. Das rückgestreute Licht wird von rasterförmigen Aufnahmemitteln 18 aufgenommen. Im dargestellten Beispiel von 1 handelt es sich bei dem Beleuchtungsmittel 16 um eine LED-Reihe.
In 2 ist eine solche LED-Reihe 20 dargestellt, die als fertiges integriertes Bauteil erhältlich ist. Eine Anzahl von LEDs 22 sind auf einem gemeinsamen Substrat in einer Reihe angeordnet. Die LEDs 22 sind jeweils getrennt voneinander ansteuerbar.
Für die Geschwindigkeitsmessung wird die LED-Leiste 20 wie in den 3a bis 3c dargestellt so angesteuert, daß ein laufendes Bewegungsmuster aus aufeinanderfolgenden hellen Bereichen 32 und dunklen Bereichen 34 dargestellt wird, das sich über die Leiste 20 beilegt.
Im dargestellten Beispiel besteht das Beleuchtungsmuster jeweils aus drei nebeneinander angeordneten, eingeschalteten LEDs 22 (gekennzeichnet durch Pfeile), auf die drei ausgeschaltete LEDs 22 folgen. Ein solches Muster soll hier als "+++–––" bezeichnet werden. Es handelt sich um ein periodisches Muster, bei dem die Hell-Bereiche 32 genauso breit sind, wie die dunklen Bereiche 34. Dieselbe Leiste 22 kann aber alternativ mit anderen Beleuchtungsmustern angesteuert werden, darunter auch mit solchen, bei denen Hell- und Dunkelbereiche 32, 34 unterschiedlich breit sind (dies kann als Gleichanteil verstanden werden).
In den 3a bis 3c ist in zeitlicher Abfolge dargestellt, wie sich ein "+++–––"-Muster über die Reihe 20 nach Art eines Lauflichts bewegt. Die entsprechende Ansteuerung der LED-Zeile 20 kann über Logik-Schaltungen erfolgen. Bevorzugt wird eine Mikroprozessor-Ansteuerung (nicht dargestellt).
Für eine konkrete Meßanordnung muß ein geeignetes Beleuchtungsmuster und eine geeignete Schaltgeschwindigkeit ausgewählt werden. Bei der Auswahl sind einige Faktoren wie die Größe der Lichtelemente, ihr Abstand zueinander und der Abbildungsmaßstab der Sendeoptik zu berücksichtigen.
Die für einen speziellen Anwendungsfall gewählte Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters sollte in Abhängigkeit vom jeweils betrachteten Meßbereich gewählt werden. Liegen keine Informationen über die tatsächliche Materialgeschwindigkeit vor, so sollte eine gut auswertbare Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters gewählt werden. Die Beleuchtungsgeschwindigkeit kann dynamisch nachgeführt werden, um den Meßbereich anzupassen und ggfs. eine bessere Auflösung zu erreichen. Werden bspw. niedrige Frequenzen gemessen (d. h. daß nur eine geringe Differenzgeschwindigkeit zwischen Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters und der Materialgeschwindigkeit besteht), so kann die Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters so verändert werden, daß eine höhere Differenzgeschwindigkeit vorliegt und so eine bessere Auflösung und geringere Meßunsicherheit erreicht wird. Die Laufgeschwindigkeit des Beleuchtungsmusters kann auch verändert werden, um den Meßbereich dem Niveau der Materialgeschwindigkeit nachzufahren.
Bei der Auswahl des Beleuchtungsmusters können außer regelmäßigen Mustern (alle Hell- und Dunkelbereiche von gleicher Breite) auch unregelmäßige Muster (bspw. unterschiedlich breite Hell-Bereiche) verwendet werden. Die Wahl derartiger unregelmäßiger Hell-Dunkelmuster, die wiederum periodisch sein können, führt zu verschiedenen überlagerten Frequenzen bzw. künstlich aufgebrachten Geschwindigkeiten. Bei einer geeigneten Signalauswertung können diese zusätzlichen Informationen genutzt werden.
4 zeigt einen Querschnitt durch eine erste Ausführungsform eines Sensors 10, der oberhalb von einem Material 12 angeordnet ist. Der Sensor 10 verfügt über ein Gehäuse 40 mit einer Optik in Form eines daran angebrachten Objektivs 14. Innerhalb des Gehäuses 40 sind die LED-Leiste 20 und ein Beobachtungsmittel in Form eines handelsüblichen CCD-Sensors 42 angebracht. LED-Leiste 20 und CCD-Sensor 42 sind jeweils mit entsprechender Ansteuer- und Auswerteelektronik verbunden, die hier nur symbolisch dargestellt ist.
In 5 ist ein Querschnitt durch den Sensor 10 an der Linie A-A in 4 dargestellt. Wie dargestellt wird die LED-Leiste 20 längs zur Haupt-Meßrichtung X angeordnet. Beim CCD-Sensor 42 handelt es sich im dargestellten Beispiel um einen flächigen Sensor.
Im folgenden soll das Vorgehen bei der Ermittlung der Geschwindigkeit des Materials 12 in Hauptbewegungsrichtung X erläutert werden.
Durch die Beleuchtungsmittel in Form der LED-Leiste 20 wird die Oberfläche des Materials 12 mit einem bewegten, in Meßrichtung X laufenden Beleuchtungsmuster beleuchtet. Das rückgestreute Licht wird durch die Optik 14 am CCD-Sensor 42 beobachtet. Der Aufbau des CCD-Sensors 42 mit einzelnen, rasterförmig angeordneten lichtempfindlichen Elementen sorgt für die beim Ortsfrequenzfilterverfahren benötigte rasterförmige Beobachtung des rückgestreuten Lichts.
Das Signal des flächigen CCD-Sensors 42 wird ausgelesen, indem die Helligkeitswerte von Reihen 44 von lichtempfindlichen Elementen betrachtet werden, die orthogonal zur Hauptmeßrichtung X verlaufen. Für die Auswertung wird z. B. die Summe der Helligkeitswerte jeweils einer Reihe 44 gebildet. Alternativ ist auch die Betrachtung nur von einzelnen Werten einer Zeile (bspw. des jeweils mittleren Pixels, wo erwartungsgemäß das Signal am stärksten ist) oder die Bildung der Summe einer Gruppe von Pixeln, bspw. der N mittleren Pixel, möglich. Nach einem Summationsmuster werden die Summen zueinander addiert, bzw. voneinander subtrahiert. Bei Verwendung eines linien- statt eines flächenförmigen Sensors wird analog verfahren, wobei hier aber keine Bildung einer Summe über die Reihen erfolgt.
In 6 ist die entsprechende Signalverarbeitung bei Verwendung eines "++––"-Summati onsmusters dargestellt. Jeweils die Summe der Helligkeitswerte von zwei aufeinanderfolgenden Reihen 44 wird vorzeichengleich aufsummiert. Von dem Ergebnis werden die Summen der Helligkeitswerte der beiden darauffolgenden Reihen abgezogen. Zu diesem Ergebnis wiederum wird die Summe der danach folgenden beiden Reihen addiert usw.
Das Ergebnis dieser Rechenoperation, ausgeführt über den gesamten flächigen CCD-Sensor 42, ist ein skalarer Wert a(t). Dieser Wert entspricht für den jeweils betrachteten Zeitpunkt t einem Maß für die vom CCD-Element 42 rasterförmig beobachtete Helligkeit des von der Oberfläche des Materials 12 rückgestreuten Lichts. Der Wert a(t) variiert bei Bewegung des Materials 12 in Richtung X periodisch. Die Frequenz des Signals a(t) ist hierbei proportional zur Geschwindigkeit des Materials 12. Über eine Spektralanalyse, bspw. in Form einer FFT-Berechnung oder durch Messung der Periodendauer, wird dem zeitlich variablem Signal a(t) eine Frequenz f₀ zugeordnet. In einer Umrechnungseinheit 46 wird dieser Frequenz die zugehörige Materialgeschwindigkeit v zugeordnet. Die grundlegende Beziehung hierbei ist
wobei g die Gitterkonstante und M der Abbildungsmaßstab ist.
Die Gitterkonstante g ist bekannt. Der Abbildungsmaßstab M ist abhängig vom Abstand des Sensors 10 zur Materialoberfläche 12. Dieser kann als fester Wert bekannt sein oder gemessen werden (siehe unten).
Gleichung (1) gilt allgemein für das Ortsfrequenzfilterverfahren und berücksichtigt noch nicht die spezielle Beleuchtung. Durch die Beleuchtung mit einem sich bewegenden Lichtmuster wird die oben angegebene Gleichung (1) ergänzt durch Addition eines Terms, der der Bewegung des Lichtmusters relativ zum Sensor entspricht: fg = |fB ± f0| (2) wobei f_g die resultierende Frequenz im Signal bezeichnet, f_B die der Bewegung der Beleuchtung entsprechende Frequenz und f₀ die der Bewegung des Materials entsprechende Frequenz ist. Das Vorzeichen von f₀ hängt davon ab, ob sich das Material in Richtung der Bewegung des Beleuchtungsmusters bewegt oder entgegengesetzt.
Für den Fachmann ist es leicht möglich, in der Umrechnungseinheit 46 diese Beziehung umzusetzen, so daß nach geeigneter Kalibrierung ein hinreichend genauer Wert für die Geschwindigkeit v errechnet wird.
Hierbei ist f_B bekannt und kann geeignet eingestellt werden. Damit in Gleichung (2) durch die Betragsbildung keine Doppeldeutigkeit entsteht, empfiehlt es sich, die Ansteuerung der LED-Leiste 20 so zu wählen, daß die resultierende Geschwindigkeit des Beleuchtungsmusters höher ist als die maximal auftretende Materialgeschwindigkeit in Gegenrichtung, so daß f_B > f₀. So kann es nicht zu dem meßtechnisch schwierig zu erfassenden Fall f_g = 0 kommen. Es entsteht eine eindeutige Zuordnung zwischen v und f_g.
Aus dem Wert f_g kann dann die Geschwindigkeit v inklusive ihres Vorzeichens ermittelt werden. Beträgt die Geschwindigkeit v = 0, so ist f_g = f_B. Dieser Fall ist damit ohne meßtechnische Probleme zu erfassen. Bewegt sich das Material entgegen dem Beleuchtungsmuster, wird ein Wert f_g < f_B beobachtet. Bewegt sich das Material in Richtung des Beleuchtungsmusters, wird ein f_g > f_B gemessen.
Für eine spezielle Meßaufgabe wird ein gewünschter Meßbereich festgelegt. Dieser kann bspw. symmetrisch sein für Anwendungen, bei denen gleichermaßen mit Bewegung in zwei entgegengesetzte Richtungen gerechnet werden wie bspw. bei der Messung der Materialgeschwindigkeit in Reversierwalzgerüsten oder der Geschwindigkeitsmessung an einem Triebwagen eines Schienenfahrzeugs. Ist dagegen durch die Meßaufgabe vorgegeben, daß die Materialgeschwindigkeit nur oder überwiegend in eine Richtung auftreten wird, wie bspw. bei der Messung der Materialgeschwindigkeit von Extrusionsprozessen, ist ein unsymmetrischer Meßbereich sinnvoller.
Die Geschwindigkeiten des gewünschten Meßbereichs werden in einen meßtechnisch ohne Schwierigkeiten zu erfassenden Frequenzbereich abgebildet. Dessen Untergrenze sollte aus den diskutierten Gründen oberhalb von 0 Hz bei einem Wert liegen, der meßtechnisch mit dem vorgegebenen maximalen Fehler meßbar ist. Andererseits ist auch die maximale Nutzfrequenz, die der Sensor zur Bestimmung der Materialgeschwindigkeit mit dem vorgegebenen Fehler messen kann, limitiert. Sie hängt von den gewählten Bauteilen, deren Zusammenschaltung, Taktfrequenzen usw. ab. Hierdurch ist die Obergrenze des Frequenzbereichs gegeben. Zwischen diesen beiden Frequenzen definiert sich eine Spanne, die für einen gewählten Sensoraufbau (Abbildungsmaßstab, Abstand etc.) die Breite des Meßbereichs vorgibt. Die Lage des Meßbereichs dieser Breite kann durch Veränderung der Geschwindigkeit des Beleuchtungsmusters verschoben werden, um einen für die jeweilige Meßaufgabe angepaßten Meßbereich zu erhalten.
Hierbei muß die Ansteuerung der LED-Leiste 20, und damit der Wert f_B, nicht zwangsläufig konstant sein. Sondern die Ansteuerung kann auch während der Messung dynamisch angepaßt werden, bspw. um den Meßbereich zu erweitern oder eine verbesserte Auflösung zu erreichen.
Unter realen Meßbedingungen ist dem zeitlich variablem Signal a(t) allerdings nicht immer nur eine eindeutige Frequenz f_g zuzuordnen. Das Signal a(t) wird vielmehr ein Spektrum A(f) aufweisen. Durch das Summationsmuster ist der Gleichanteil hierbei bereits eliminiert.
In 7 ist für eine Messung beispielhaft ein solches Spektrum dargestellt. Aus dem Spektrum kann aber auf einfache Weise der Hauptpeak ermittelt werden. Die X-Achse des Diagramms von 7 ist bereits mit der kalibrierten Umrechnung von Frequenz- in Geschwindigkeitswerte skaliert und der Term f_B wurde bereits subtrahiert. Im vorliegenden Beispiel beträgt das Meßergebnis ca. 0,65 m/s.
Das Meßsignal des CCD-Sensors 42 kann auch in anderer Weise, d. h. mit einem anderen Summationsmuster, ausgewertet werden. Alternativ zum dargestellten "++––"-Auswertungsmuster kann auch bspw. ein "+–"-Auswertungsmuster, ein "+++–––"-Auswertungsmuster, ein "++++––––"-Auswertungsmuster usw. verwendet werden.
Die im Signalflußgraphen von 6 dargestellte Auswertung wird bevorzugt realisiert durch einen Signal- oder Mikroprozessor, der die entsprechenden Rechenoperationen ausführt. Hierbei ist es auch möglich, dasselbe Signal a(t) des CCD-Sensors 42 auf verschiedene Arten auszuwerten, d. h. bspw. mit einem "++––"-Auswertungsmuster und parallel hierzu auch mit einem "++++––––"-Auswertungsmuster. Je nach den Gegebenheiten bei der Messung, insbesondere auch der Oberflächenbeschaffenheit des Materials 12 kann die eine oder andere Auswertungsmethode klarere Ergebnisse liefern. Die verschiedenen Arten der Auswertung entsprechen der Gleichung (1) mit verschiedener Gitterkonstante g. Während g bei "+–" dem Pixel-Abstand des CCD-Sensors 4₂ entspricht, beträgt g bei "++––" dem Doppelten usw.
In 8 sind in einer schematischen Darstellung die Funktionsbausteine der Ansteuer- und Auswerteelektronik des Sensors 10 dargestellt. Die Beleuchtungsmittel 16 werden durch eine Ansteuerelektronik 60 angesteuert, die die erwähnten unterschiedlichen Beleuchtungsmuster realisieren kann. Die lichtempfindlichen Elemente 18, die das rückgestreute Licht über die Gitterstruktur 19 empfangen (bevorzugt sind Gitter 19 und Photoelemente 18 wie oben beschrieben als CCD-Element 42 zusammengefaßt), werden ebenfalls von der Ansteuerelektronik 60 angesteuert. Die Helligkeitswerte der lichtempfindlichen Elemente 18 werden von einer Ausleseelektronik 62 ausgelesen und an eine Summationseinheit 64 geliefert, die die lichtempfindlichen Elemente 18, wie oben erläutert, zu Gruppen zusammenfaßt und die jeweiligen gemessenen Helligkeitswerte summiert. Das so generierte Signal a(t) wird an eine Frequenzmessungseinheit 66 gegeben. Das Ergebnis der Frequenzmessung wird in einer Ausgangs-Recheneinheit 68 umgesetzt in einen Geschwindigkeitswert v. Alternativ oder zusätzlich kann aus dem Meßwert für die Geschwindigkeit v auch ein Längenmeßwert 1 berechnet werden. Hierfür ist lediglich die fortlaufende Bildung des Integrals über die Geschwindigkeitsmeßwerte erforderlich. Derartige Längenmessungen können bspw. sinnvoll sein, wenn die Länge von band- oder stabförmigen Materialien 12 ermittelt werden soll.
Optional kann die Frequenz-Meßeinheit 66 auch eine Optimierung der Ansteuerung der Beleuchtungsmittel 16 durchführen. Hierfür kann über eine Optimierungseinheit 70 einerseits die Lichtstärke der Beleuchtungsmittel 16 und andererseits die Beleuchtungsstruktur, d. h. insbesondere Art und Geschwindigkeit von Hell/Dunkel-Muster variiert werden. Andererseits kann – ebenso optional – auch das Auslesen und Summieren über eine zweite Optimierungseinheit 72 optimiert werden. Die verschiedenen Möglichkeiten hierfür wurden oben bereits erläutert.
Schließlich kann optional in einer Abstands-Meßeinheit 74 auch eine Abstandsmessung des Sensors 10 von der Oberfläche des Materials 12 erfolgen, wie unten näher erläutert wird.
Während in der vorgenannten Betrachtung stets nur die Messung von Geschwindigkeitskomponenten in Haupt-Meßrichtung X betrachtet wurde, kann bei Verwendung des flächigen CCD-Sensors 42 auch die Geschwindigkeit in hierzu orthogonaler Richtung ermittelt werden. Hierzu können die Daten des CCD-Sensors 42 ein zweites mal verarbeitet werden, wobei analog zu 6 und der zugehörigen Beschreibung verfahren wird, aber nicht die Zeilen 44, sondern die Spalten 46 des Sensors betrachtet werden. Die Auswertung dieser Daten ergibt die Geschwindigkeitskomponente des Materials in Y-Richtung.
Sind die Geschwindigkeitskomponenten sowohl in X- als auch in Y-Richtung bekannt, können sie vektoriell addiert und so bspw. auch die resultierende Bewegungsrichtung festgestellt werden.
Während vorstehend die Beleuchtung mittels eines in X-Richtung bewegten Beleuchtungsmusters beschrieben wurde, kann in einer alternativen Ausführungsform (nicht dargestellt) das Beleuchtungsmuster auch in Y-Richtung bewegt sein, bspw. Geschwindigkeitskomponenten in beide Richtungen aufweisen (diagonal). Hierzu kann die LED-Leiste 20 schräg zur Hauptmeßrichtung X angeordnet sein oder es ist statt der LED-Leiste 20 ein flächiges Beleuchtungselement mit einzeln ansteuerbaren Lichtquellen vorgesehen, das so angesteuert wird, daß ein Beleuchtungsmuster auf der Materialoberfläche erzeugt wird, das Geschwindigkeitskomponenten sowohl in X- als auch in Y-Richtung aufweist.
Wie bereits erläutert spielt der Abbildungsmaßstab M eine wichtige Rolle bei der Bestimmung der Geschwindigkeit aus dem ermittelten Frequenzwert. Der Abbildungsmaßstab M ist seinerseits allerdings direkt abhängig vom Abstand h des Sensors 10 von der Oberfläche des zu messenden Materials 12. Wird hier von einem festen Abstand ausgegangen, führen unbemerkte Änderungen dieses Abstands zu erheblichen Meßfehlern. Deshalb wird vorgeschlagen, den jeweils aktuellen Abstand des Sensors 10 von der Oberfläche des Materials 12 durch Triangulationsmessungen zu ermitteln. Für die Triangulationsmessungen können die ohnehin im Sensor 10 vorhandenen Elemente benutzt werden.
9 zeigt das Prinzip der Triangulationsmessung unter Benutzung einer LED 22 der LED-Zeile 20. Zur Verdeutlichung des Prinzips der Triangulation ist der Strahlengang einmal für die untere Position des Materials 12 und ein weiteres Mal gestrichelt für eine um eine Höhenänderung Δh verschobene Position des Materials 12 gezeichnet.
Im ersten Fall, mit dem Material 12 in der unteren Position, wird das Bild der Lichtquelle 22 auf der Oberfläche des Materials 12 an einem ersten Ort auf dem CCD-Sensor 42 beobachtet. Im zweiten Fall, bei dem sich das Material 12 an der horizontalen gestrichelten Linie befindet, wird das Bild der Lichtquelle 22 auf dessen Oberfläche an einem zweiten Ort des Sensors 42 beobachtet, der oben eine Betrag Δx vom ersten Ort abweicht.
Der Wert Δx entspricht der Höhenänderung Δh, so daß nach vorheriger Kalibrierung aus dem Wert Δx der Abstand des Sensors 10 von der Oberfläche des Materials 12 leicht bestimmt werden kann.

Claims

Sensor (10) zur Messung der Geschwindigkeit eines Materials (12) mit – Beleuchtungsmitteln (16) zur Beleuchtung der Oberfläche des Materials (12), – Beobachtungsmitteln (18) zur rasterförmigen Aufnahme von Helligkeitswerten von der Oberfläche des Materials (12), – und Auswertungsmitteln zur Bestimmung der Geschwindigkeit des Materials (12) nach dem Ortsfrequenzfilterprinzip aus dem von den Beobachtungsmitteln (18) gelieferten Signal, dadurch gekennzeichnet, daß – die Beleuchtungsmittel (16) eine Anzahl von getrennt ansteuerbaren, im Abstand voneinander angeordneten Lichtquellen (22) umfassen, – wobei Ansteuerungsmittel vorhanden sind, um die Lichtquellen (22) so anzusteuern, daß die Oberfläche des Materials (12) mit einem sich bewegenden Lichtmuster beleuchtet wird.
Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß – die Lichtquellen LEDs (22) sind.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Lichtquellen (22) in mindestens einer Reihe angeordnet sind.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Beobachtungsmittel (18) mindestens eine Reihe von lichtempfindlichen Elementen umfassen.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – die Beobachtungsmittel (18) einen reihen- oder flächenförmigen CCD-Sensor (42) umfassen.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – ein Meßbereich bis zu einer maximalen Materialgeschwindigkeit vorgegeben ist, – wobei die Bewegungsgeschwindigkeit des Lichtmusters auf dem Material (12) höher ist als die maximale Materialgeschwindigkeit.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – Mittel zur Bestimmung der Bewegungsrichtung des Materials (12) vorgesehen sind.
Sensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß – vor den Beobachtungsmitteln (18) ein Filter angebracht ist, der für Licht aus einem Durchlaß-Spektralbereich durchlässig ist und Licht außerhalb des Durchlaßbereichs stark dämpft.
Vorrichtung zur Messung der Geschwindigkeit eines Materials, bei dem ein Sensor (10) nach einem der vorangehenden Ansprüche über, neben oder unter einer zu beobachtenden, sich bewegenden Oberfläche eines Materials (12) angeordnet ist.
Verfahren zur Messung der Geschwindigkeit eines Materials (12), – bei dem mit Beleuchtungsmitteln (16) die Oberfläche eines Materials (12) beleuchtet wird, – rückgestreutes Licht von der Oberfläche des Materials (12) mit Beobachtungsmitteln (18) rasterförmig aufgenommen wird, – und aus beobachteten Helligkeitswerten nach der Ortsfrequenzfiltermethode die Geschwindigkeit des Materials ermittelt wird, dadurch gekennzeichnet, daß – die Beleuchtungsmittel (16) die Oberfläche des Materials (12) mit einem auf der Oberfläche des Materials (12) räumlich bewegten Lichtmuster beleuchten.
Verfahren nach Anspruch 10, bei dem – die Beleuchtungsmittel (16) eine Anzahl von räumlich verteilt angeordneten Lichtquellen (22) umfassen, – wobei die Lichquellen (22) so angesteuert werden, daß durch selektives Schalten der Lichtquellen (22) ein bewegtes Lichtmuster erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 11, bei dem – die Beleuchtungsmittel (16) mindestens eine Reihe nebeneinander angeordneter Lichtquellen (22) umfassen, – wobei die Lichtquellen (22) so angesteuert werden, daß entlang der Reihe jeweils auf eine oder mehrere eingeschaltete Lichtquellen (32) eine oder mehrere ausgeschaltete Lichtquellen (34) folgen, – wobei die Lichtquellen (22) zeitlich so gesteuert sind, daß sich das Muster aus ein- und ausgeschalteten Lichtquellen (32, 34) über die Reihe bewegt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 10–12, bei dem – der Abstand der Beobachtungsmittel (18) von der Materialoberfläche (12) durch Triangulation gemessen wird, – wobei der Abstand aus dem Ort ermittelt wird, an dem das Bild mindestens einer Lichtquelle (22) der Beleuchtungsmittel (16) auf dem Beobachtungsmittel (18) beobachtet wird.