DE10256725B3 - Sensor for contactless optical measurement of relative velocity of material surface using detection of moving light pattern directed onto material surface via illumination device with controlled light sources - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Sensor, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung.The invention relates to a sensor, an apparatus and a method for speed measurement.
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.For optical, non-contact Measurement of the relative speed between a material and a Various methods are known for the sensor. The differential Doppler method takes advantage of that with scatter of light on a moving surface a frequency shift according to the Doppler principle. The measurement of the frequency shift let yourself with the help of a two-beam process, perform particularly precisely at which split the beam from a laser source into two partial beams the frequencies of the partial beams are slightly shifted against each other and then point them at different angles to the one to be measured surface to meet. The overlay the one on the surface scattered rays gives a low frequency beat frequency, from which the velocity of the surface relative to the sensor is inferred can be.
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.Measuring devices using the differential Doppler method are structurally complex, especially since precautions for Temperature stabilization must be taken. Advantages of the differential Doppler method are high measuring accuracy and the fact that a Stoppage of the material, d. H. a speed equal to zero, can be measured safely.
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.Another optical measurement method for contactless Velocity measurement is the spatial frequency filter method. A material surface is typically white Illuminated light. The backscattered Light is emitted by a light sensitive detector through an optical one Grid observed. When the material is moved, light / dark fluctuations occur Frequency is proportional to the material speed. As a model In order to explain this effect you can look at the material surface as a collection differently greater and directional "micromirror" imagine that are moved past your optical grating.
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.With spatial frequency filtering becomes a grid-like Recording of brightness values of the surface evaluated. Here was already proposed, instead of a grid a grid-shaped sensor, for example. to use a CCD camera.
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.Compared to the differential Doppler method the spatial frequency filtering method comes with less equipment Effort out. Disadvantages of the spatial frequency filtering are high measurement errors in the area of very low material speeds because the speed measurement on a frequency estimate one in real use often noisy signal based. In particular material downtime, the leads to a frequency of zero, cannot be detected.
In der
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.It is an object of the invention, one Sensor, a device and a measuring method for speed measurement propose a material that also has low material speeds down to material downtime can be reliably detected.
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.This task is solved by a sensor according to claim 1, a device according to claim 9 and a method according to claim 10. Dependent claims relate to advantageous ones Embodiments of the Invention.
Erfindungsgemäß ist vorgesehen, daß die Oberfläche des Meßgutes mit einem bewegten Lichtmuster beleuchtet wird.According to the invention it is provided that the surface of the the material under test is illuminated with a moving light pattern.
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.This can be done by as lighting a number of separately controllable, at a distance mutually arranged light sources is provided, which are controlled in this way be that a moving light pattern emerges. A periodic is preferred here Light pattern with successive light / dark areas.
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.By lighting with a moving light pattern instead of the permanent lighting previously used A light source enables problem-free measurement even when the material is at a standstill. Here, when evaluating the signals from the observation means, the material speed on the one hand and the speed of movement of the illumination pattern on the other hand are superimposed. This leads to a zero point shift in the assignment of the measured signal frequency to a material speed. The problems with the problematic measurement values at low speeds (and, as a result, low frequencies, ie long period durations), which are problematic in the case of the conventional spatial filter method, are countered by the fact that these material speeds are shifted into a more technically more favorable range by the superimposition. Material stoppage is then expressed in that only a frequency is measured in accordance with the speed of the movement of the light pattern. By moving it is also possible to determine the direction of movement.
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.Suitable evaluation tools for determination of speed process that from the observation means delivered signal. The grid-like recording of brightness values takes place by means of a linear or flat sensor from individual light-sensitive elements, e.g. a CCD sensor, so is preferred from those of each individual photosensitive A sum signal after an element measured brightness values suitable summation pattern generated. The sum signal becomes one Frequency determined from the relative speed of the material back to the sensor can be closed. A calibration of the sensor is preferred for this made to one if possible exact allocation of the material speed to the determined frequency to reach.
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.In principle, lighting can can be achieved by a moving light pattern by the lighting means be moved mechanically. However, preference is given to mechanical movement parts of the sensor. A movement of the light pattern on the surface is rather achieved in that a number of individual Light sources are controlled so that a moving pattern overall arises. Of course it’s not a continuous movement, but a number of jumps, according to the arrangement of the individual light sources. The production Such movements are of any form of snapped optical representation means known as light strips, but also computer screens. suitable Control means for generating such a pattern can be electrical circuits be, for example, with logic modules or a microprocessor control the desired Control is realized.
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.It is preferably the Light sources around LEDs. these can either suitably arranged as discrete components or as integrated Component be formed on a common substrate. For the principle Measurement Method is only the arrangement of the light sources at a distance from each other required. The control and evaluation becomes significant, however simplified if the light sources in one plane and / or in equidistant Arrangement, for example as a row or two-dimensional grid are.
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.For the lighting is within a row aligned in the measuring direction preferably a pattern is formed, each with one or more switched on light sources one or more switched off light sources consequences. In this way, light and dark areas are formed along the row. By moving the pattern of light and dark areas over the Moving lighting is realized in series. It is advantageous here if the light and / or dark areas consist of several side by side arranged light sources are formed.
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.In principle, as a means of observation all means for grid-shaped Suitable for recording brightness values. This can be trade a simple photosensor with a grid in front of it. Surface areas are to be preferred or linear Arrangements of individual photosensitive elements, for example corresponding CCD sensors. A sensor arrangement with light sources arranged in a line and parallel to it linear arranged photosensitive elements is suitable for detection the speeds of material movements in the line direction. For the detection of speed components also in other directions can additional appropriately aligned linear lighting and observation means be provided. Likewise, however, is the use of flat lighting and / or Observation means conceivable to different speed components Detect directions within the plane of the material surface.
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.According to a development of the invention is a measuring range for the Material speed specified. The upper limit of the measuring range is indicated by a given maximum material speed. This is appropriately chosen so that for a particular Application can always be assumed that the actual Material speed is below the measuring range limit. The Illuminants are operated so that they are on a standing material surface a pattern of light that emerges at a certain speed emotional. This speed is now preferably chosen so that it is above the desired measurement range lies. Since the movement of the light pattern when evaluating a Corresponds to the zero point shift, this ensures that a frequency from zero, their measurement with great difficulty connected, cannot occur.
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.The sensor according to the invention and the method according to the invention can also be used to determine the direction of movement of the material. While the conventional, "stationary" Spatial frequency filtering the same frequency is observed, regardless of the direction in which the material is moving, it is important in the method according to the invention whether the material is moving with or against the direction of movement of the illumination pattern. A measurement without ambiguity results if the speed of movement of the light pattern on the material is higher than the maximum material speed against the direction of movement of the pattern.
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.To measure errors from other light sources preferably ruled out is according to one Advanced training proposed a filter in front of the observation means the only light of a transmission spectral range essentially undamped passes. On Such a filter can be provided, for example, by an appropriate coating be made on the optics. Then advantageously suitable monochromatic light sources or light sources with narrow Emission spectrum, which is in the pass band of the filter, be used. This improves the signal-to-noise ratio and leads to less susceptibility to failure.
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.When determining the speed the imaging scale plays from the signal of the recording means the distance between the sensor and the material surface plays a decisive role. According to one Further development of the invention is therefore provided that the distance of the sensor measured from the material surface by triangulation becomes. In this measurement, the imaging location of at least one Light source of the sensor viewed on the observation medium and the distance of the sensor from the surface is determined from this.
Nachfolgend werden Ausführungsformen der Erfindung anhand von Zeichnungen näher beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:The following are embodiments the invention described in more detail with reference to drawings. In the drawings demonstrate:
In
Außer einem Körper, wie in
Der Sensor
Durch die Beleuchtungsmittel
In
Für
die Geschwindigkeitsmessung wird die LED-Leiste
Im dargestellten Beispiel besteht
das Beleuchtungsmuster jeweils aus drei nebeneinander angeordneten,
eingeschalteten LEDs
In den
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.For a concrete measuring arrangement has to be suitable lighting pattern and switching speed selected become. When choosing, there are some factors like the size of the light elements, their distance from one another and the imaging scale of the transmission optics must be taken into account.
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.The one for a special application elected Running speed of the lighting pattern should be dependent of the measuring range under consideration chosen become. There is no information on the actual Material speed before, should be a well evaluable running speed of the lighting pattern selected become. The lighting speed can be tracked dynamically, around the measuring range to adapt and, if necessary, to achieve a better resolution. For example, measured low frequencies (i.e. that only a low differential speed between the running speed of the lighting pattern and the material speed exists), the running speed of the lighting pattern so changed be that a higher Difference speed is present and so a better resolution and less measurement uncertainty is achieved. The running speed of the lighting pattern can also changed to the measuring range to track the level of material speed.
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.When choosing the lighting pattern can except regular patterns (all light and Dark areas of the same width) also irregular patterns (e.g. bright areas of different widths) can be used. The Choice of such irregular light-dark patterns that again can be periodic, leads to various superimposed ones Frequencies or artificial applied speeds. With a suitable signal evaluation can these additional Information can be used.
In
Im folgenden soll das Vorgehen bei
der Ermittlung der Geschwindigkeit des Materials
Durch die Beleuchtungsmittel in Form
der LED-Leiste
Das Signal des flächigen CCD-Sensors
In
Das Ergebnis dieser Rechenoperation,
ausgeführt über den
gesamten flächigen
CCD-Sensor
Die Gitterkonstante g ist bekannt.
Der Abbildungsmaßstab
M ist abhängig
vom Abstand des Sensors
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:
Für
den Fachmann ist es leicht möglich,
in der Umrechnungseinheit
Hierbei ist fB bekannt
und kann geeignet eingestellt werden. Damit in Gleichung (2) durch
die Betragsbildung keine Doppeldeutigkeit entsteht, empfiehlt es
sich, die Ansteuerung der LED-Leiste
Aus dem Wert fg kann dann die Geschwindigkeit v inklusive ihres Vorzeichens ermittelt werden. Beträgt die Geschwindigkeit v = 0, so ist fg = fB. Dieser Fall ist damit ohne meßtechnische Probleme zu erfassen. Bewegt sich das Material entgegen dem Beleuchtungsmuster, wird ein Wert fg < fB beobachtet. Bewegt sich das Material in Richtung des Beleuchtungsmusters, wird ein fg > fB gemessen.The speed v including its sign can then be determined from the value f g . If the velocity is v = 0, then f g = f B. This case can thus be recorded without measurement problems. If the material moves against the lighting pattern, a value f g <f B is observed. If the material moves in the direction of the lighting pattern, an f g > f B is measured.
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.For a special measuring task becomes a desired one Measuring range established. This can be symmetrical, for example, for applications in which Movement in two opposite directions can be expected like For example, when measuring the material speed in reversing roll stands or the Speed measurement on a railcar of a rail vehicle. However, is by the measurement task given that the Material speed only or predominantly in one direction will occur, such as when measuring the material speed of extrusion processes is an asymmetrical measuring range meaningful.
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.The speeds of the desired measurement range are metrologically mapped frequency range without difficulty. Its lower limit should be above the reasons discussed from 0 Hz to a value that is metrologically compatible with the specified one maximum error measurable is. On the other hand, the maximum useful frequency that the sensor to determine the material speed with the given Can measure errors, limited. It depends on the selected components, their Interconnection, clock frequencies, etc. This is the upper limit given the frequency range. Between these two frequencies defines a range for a selected sensor structure (magnification, distance etc.) the width of the measuring range pretends. The location of the measuring range this width can be changed the speed of the lighting pattern to be shifted to one for the respective measurement task matched Measuring range to obtain.
Hierbei muß die Ansteuerung der LED-Leiste
Unter realen Meßbedingungen ist dem zeitlich variablem Signal a(t) allerdings nicht immer nur eine eindeutige Frequenz fg zuzuordnen. Das Signal a(t) wird vielmehr ein Spektrum A(f) aufweisen. Durch das Summationsmuster ist der Gleichanteil hierbei bereits eliminiert.Under real measurement conditions, however, the time-variable signal a (t) is not always only assigned a unique frequency f g . Rather, the signal a (t) will have a spectrum A (f). The DC component has already been eliminated by the summation pattern.
In
Das Meßsignal des CCD-Sensors
Die im Signalflußgraphen von
In
Optional kann die Frequenz-Meßeinheit
Schließlich kann optional in einer
Abstands-Meßeinheit
Während
in der vorgenannten Betrachtung stets nur die Messung von Geschwindigkeitskomponenten in
Haupt-Meßrichtung
X betrachtet wurde, kann bei Verwendung des flächigen CCD-Sensors
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.Are the speed components Known in both the X and Y directions, they can be added vectorially and so, for example, the resulting direction of movement is also determined become.
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
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
Im ersten Fall, mit dem Material
Der Wert Δx entspricht der Höhenänderung Δh, so daß nach vorheriger
Kalibrierung aus dem Wert Δx der
Abstand des Sensors
Claims (13)
Priority Applications (1)
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2002
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