DE19626187A1 - Verfahren und Anordnung zur Detektion von Objekten - Google Patents
Verfahren und Anordnung zur Detektion von ObjektenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zur
Detektion von Objekten mit mindestens zum Teil kleinen
Abmessungen, insbesondere dünnen fadenförmigen Objekten, die
sich an einem Ort einer Meßstrecke befinden.
Eine Detektion, ob sich an einer beliebigen Stelle einer
größeren Meßstrecke ein kleines Objekt befindet, wird für
verschiedene Überwachungsaufgaben benötigt. So ist
beispielsweise bei der Herstellung von extrem feinen Geweben
aus Metalldrähten eine Erkennung eines herabfallenden
Drahtes erforderlich. Die zu detektierenden Objekte sind
dabei häufig so klein bzw. dünn, daß regelmäßig in der
Industrie verwendete Lichtschranken nicht anwendbar sind.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, die Anwesenheit
eines der genannten Objekte an einem beliebigen Ort einer
Meßstrecke zu erkennen und zur Anzeige zu bringen.
Diese Aufgabe wird bei dem erfindungsgemäßen Verfahren
dadurch gelöst, daß die Meßstrecke von einem optischen
Strahl gebildet wird und daß durch das Objekt gebeugte
Strahlung am Ende der Meßstrecke einem optoelektrischen
Wandler zugeführt wird, dessen Ausgangssignal ausgewertet
wird. Als optische Strahlen sind Strahlen verschiedener
Lichtquellen (LED, Glühlampen) im sichtbaren oder
nichtsichtbaren Bereich anwendbar, vorzugsweise ist jedoch
ein Laserstrahl vorgesehen. Die Auswertung kann in
vorteilhafter Weise dadurch erfolgen, daß das Ausgangssignal
des optoelektrischen Wandlers über eine Schwellwertschaltung
geleitet wird.
Das erfindungsgemäße Verfahren ermöglicht eine Detektion von
dünnen fadenförmigen Objekten und insgesamt kleinen Objekten
aus beliebigem Material - einschließlich durchsichtiger
Objekte. Die Dicke der Objekte kann zwischen wenigen
Mikrometern und einigen Millimetern liegen. Dabei kann sich
das Objekt auch nur kurzzeitig an einem nahezu beliebigen
Ort der Meßstrecke aufhalten. Die Länge der Meßstrecke kann
an die jeweiligen Erfordernisse angepaßt werden und eine
Länge von beispielsweise einem Dezimeter bis zu vielen
Metern aufweisen.
Ist bei dem jeweiligen Anwendungsfall die Zahl der Objekte
von Interesse, so kann gemäß einer vorteilhaften
Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Verfahrens vorgesehen
sein, daß durch Überschreiten des Schwellwertes entstehende
Impulse gezählt werden.
Die Ausschaltung von Störungen durch Fremdlicht,
beispielsweise durch Beleuchtungseinrichtungen, kann gemäß
einer Weiterbildung dadurch vermieden werden, daß der
optische Strahl moduliert wird und daß nur entsprechend
modulierte Ausgangssignale des optoelektrischen Wandlers
ausgewertet werden. Eine dafür besonders gut geeignete
Anordnung besteht darin, daß die Ausgangssignale des
optoelektrischen Wandlers mit einem Login-Verstärker
verstärkt werden.
Eine besonders gute Trennung der gebeugten Strahlung vom
Fremdlicht ist dadurch möglich, daß der optische Strahl
monochromatisch ist. Ferner ist der optische Strahl
vorzugsweise kohärent.
Eine vorteilhafte Anordnung zur Durchführung des
erfindungsgemäßen Verfahrens besteht darin, daß einer
Lichtquelle am Anfang der Meßstrecke ein Empfänger am Ende
der Meßstrecke gegenübersteht, daß der Empfänger eine
Lichtfalle, auf die der optische Strahl gerichtet ist, und
einen optoelektrischen Wandler, auf den die gebeugte
Strahlung geleitet ist, aufweist. Dabei kann vorgesehen
sein, daß vor dem optoelektrischen Wandler eine bündelnde
optische Einrichtung (Sammellinse, Hohlspiegel) angeordnet
ist. Bei genügend großem optoelektrischen Wandler kann die
bündelnde optische Einrichtung auch entfallen.
Für die Anordnung der bündelnden optischen Einrichtung und
der Lichtfalle sind an sich verschiedene Möglichkeiten
gegeben. Eine mögliche Beeinträchtigung der Funktion durch
aus der Lichtfalle austretendes von der bündelnden optischen
Einrichtung weitergeleitetes Streulicht kann dadurch
vermieden werden, daß die bündelnde optische Einrichtung
hinter der Lichtfalle angeordnet und größer als die
Lichtfalle ist.
Alternativ kann vorgesehen sein, daß die Lichtfalle in der
Brennebene der bündelnden optischen Einrichtung angeordnet
ist. Dadurch wird eine größere Toleranz gegenüber
Verschiebungen des Empfängers senkrecht zur Strahlrichtung
erzielt.
Neben oder anstelle der Modulation des optischen Strahls
kann bei der erfindungsgemäßen Anordnung zur Verminderung
von Störungen durch andere Lichtquellen vorgesehen sein, daß
im Empfänger ein Filter angeordnet ist, das die Strahlung
anderer Wellenlängen als die des optischen Strahls
unterdrückt. Neben üblichen Interferenz- und Massefiltern
kann auch ein selektiver Spiegel verwendet werden. Dabei
kann das Filter bzw. der selektive Spiegel wellenlängen
und/oder polarisationsselektiv wirken.
Die durch unvollständige Filterung verbleibende Störwirkung
des Fremdlichtes kann dadurch verringert werden, daß ein
weiterer optoelektrischer Wandler, der mit der Strahlung
anderer Wellenlängen beaufschlagt ist, und Mittel zum
Vergleich der Ausgangssignale beider optoelektrischen
Wandler vorgesehen sind.
Die Abmessungen der erfindungsgemäßen Anordnung,
insbesondere der Durchmesser des optischen Strahls, der
bündelnden optischen Einrichtung und der Licht falle können
vom Fachmann an die jeweilige Anwendung angepaßt werden.
Eine bevorzugte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen
Anordnung besteht jedoch darin, daß der optische Strahl
einen Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweist. Zur
Erfassung einer größeren Fläche kann jedoch auch vorgesehen
sein, daß der optische Strahl einen länglichen Querschnitt
aufweist.
Der Beugungswinkel ist unter anderem von der Wellenlänge des
optischen Strahls und von der Größe der Objekte abhängig.
Der Beugungswinkel bestimmt wiederum zusammen mit der
Entfernung vom zu detektierenden Objekt bis zum Empfänger
den Abstand des gebeugten Strahls von der optischen Achse.
Dadurch ergibt sich auch der notwendige Durchmesser der
bündelnden optischen Einrichtung. Als vorteilhaft hat sich
gemäß einer Ausführungsform der Erfindung herausgestellt,
daß die Lichtfalle einen Durchmesser von kleiner als 10 mm
und die bündelnde optische Einrichtung einen Durchmesser
zwischen 20 mm und 50 mm aufweist.
Zur Vergrößerung des Raumes, in welchem Objekte ermittelt
und angezeigt werden oder zur Messung der Geschwindigkeit
eines Objektes kann gemäß einer anderen Weiterbildung
vorgesehen sein, daß mehrere optische Strahlen nebeneinander
angeordnet sind.
Eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung besteht
darin, daß die Meßstrecke gefaltet ist, so daß sich die
Lichtquelle und der Empfänger nebeneinander befinden.
Dadurch können Lichtquelle und Empfänger in einem Gehäuse
angeordnet werden, was sich vorteilhaft auf die
Herstellungskosten auswirkt.
Eine andere Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anordnung
sieht vor, daß die Lichtfalle als Reflektor ausgebildet ist,
der den optischen Strahl in sich reflektiert. Dadurch kann
die Meßstrecke als Resonator betrieben werden mit dem
Vorteil, daß mit einer relativ kleinen Leistung des Lasers
bereits eine hohe Leistung der Meßstrecke erhalten wird.
Dadurch, daß die Leistung in der Meßstrecke bei einer
Unterbrechung unverzögert zurückgeht, stellt diese Maßnahme
auch einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit dar.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind schematisch in der
Zeichnung dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung
näher erläutert.
Es zeigt:
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel und
Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel mit einem gefalteten
Strahl.
Gleiche Teile sind in den Figuren mit gleichen Bezugszeichen
versehen.
Bei dem in Fig. 1 dargestellten Ausführungsbeispiel tritt
ein Laserstrahl 1 aus einem Laser 2 heraus und trifft nach
Durchlaufen der Meßstrecke 3 auf eine Lichtfalle 4 in einem
Empfänger 5. Die Lichtfalle besteht im wesentlichen aus
einer schwarzen Scheibe, welche die Laserstrahlen
absorbiert. Um seitlich austretendes Streulicht zu
verhindern, ist bei der dargestellten Lichtfalle 4 ein
umlaufender Rand vorgesehen. Hinter der Lichtfalle 4 sind
eine Sammellinse 6 und ein Interferenzfilter 7 angeordnet.
Die von den Rändern eines Objektes 8 ausgehenden gebeugten
Strahlen 9, 10, 11, 12 werden mit Hilfe der Sammellinse 6
auf einen optoelektrischen Wandler 13 geleitet, dessen
Ausgangssignal einer Auswerteschaltung 14 zugeführt wird.
Diese kann beispielsweise einen Verstärker und eine
Schwellwertschaltung enthalten. Einem Ausgang 15 kann dann
ein Signal entnommen werden, das bei jedem in den
Laserstrahl 1 eindringenden Objekt 8 einen Impuls enthält.
Je nach Anforderungen im einzelnen ist eine weitergehende
Auswertung möglich, beispielsweise das Zählen von Objekten.
Bei der Anordnung nach Fig. 2 wird der Laserstrahl 1 mit
Hilfe eines Prismas 21 zweimal reflektiert, so daß er
parallel zu dem aus dem Laser 2 austretenden Strahl
zurückläuft. In Fig. 2 ist der Laserstrahl 1 unterbrochen
dargestellt, um eine beliebige Länge der Meßstrecke
anzudeuten. An sich kann bei dem entsprechend Fig. 2
gefalteten Laserstrahl der gleiche Empfänger wie bei dem
Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 verwendet werden. Fig. 2
zeigt jedoch ein auch bezüglich des Empfängers 22 geändertes
Ausführungsbeispiel.
Bei dem Empfänger 22 ist ein Reflektor 23 als Lichtfalle
vorgesehen, der den Laserstrahl in sich zurückspiegelt.
Dadurch kann die Meßstrecke als Resonator betrieben werden
mit dem Vorteil, daß mit einer relativ kleinen Leistung des
Lasers bereits eine hohe Leistung der Meßstrecke erhalten
wird. Dadurch, daß die Leistung in der Meßstrecke bei einer
Unterbrechung unverzögert zurückgeht, stellt diese Maßnahme
auch einen wesentlichen Beitrag zur Sicherheit dar.
Anstelle eines Filters ist bei dem Empfänger 22 ein
selektiver Spiegel 24 vorgesehen, der nur die Strahlung im
Wellenlängenbereich des Lasers reflektiert und Strahlung
außerhalb dieses Bereichs hindurchläßt. Strahlung aus der
Umgebung in einem anderen Wellenlängenbereich ist in Fig. 2
stellvertretend durch einen Strahl 25 dargestellt.
Durch den selektiven Spiegel 24 wird somit Fremdlicht
weitgehend von dem optoelektrischen Wandler 13 ferngehalten.
Der Spiegel 24 reflektiert jedoch auch einen Teil des
Fremdlichtes 25, was die Messung an sich verfälschen kann.
Deshalb ist bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ein
weiterer optoelektrischer Wandler 26 vorgesehen, der die
Intensität des Fremdlichtes 25 mißt. Der Anteil des durch
das Fremdlicht bedingten Ausgangssignals des
optoelektrischen Wandlers 13 wird dann durch eine
Subtraktion eines Teils des Ausgangssignals des
optoelektrischen Wandlers 26 kompensiert, was in der
Auswerteschaltung 27 durchgeführt wird. Am Ausgang 28 steht
dann ein Signal zur Anzeige von Objekten zur Verfügung.
In den Ausführungsbeispielen wurden der Übersichtlichkeit
halber nur vier von dem Objekt 8 ausgehende Beugungsstrahlen
9 bis 12 mit einem relativ großen Beugungswinkel
dargestellt. In Abhängigkeit von der Größe des Objekts 8
bilden sich jedoch jeweils mehrere Strahlen (Beugungsmaxima)
mit von der Größe des Objekts und der Wellenlänge abhängigem
Abstand. Praktische Versuche haben ergeben, daß auch bei
einer Länge der Meßstrecke von mehreren Metern genügend
gebeugtes Licht durch eine Linse mit einem Durchmesser
zwischen 20 mm und 50 mm auf den optoelektrischen Wandler
geleitet wird.
Claims (20)
1. Verfahren zur Detektion von Objekten mit mindestens zum
Teil kleinen Abmessungen, insbesondere dünnen fadenförmigen
Objekten, die sich an einem Ort einer Meßstrecke befinden,
dadurch gekennzeichnet, daß die Meßstrecke von einem
optischen Strahl gebildet wird und daß durch das Objekt
gebeugte Strahlung am Ende der Meßstrecke einem
optoelektrischen Wandler zugeführt wird, dessen
Ausgangssignal ausgewertet wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der optische Strahl ein Laserstrahl ist.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswertung dadurch erfolgt, daß das
Ausgangssignal des optoelektrischen Wandlers über eine
Schwellwertschaltung geleitet wird.
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
durch Überschreiten des Schwellwertes entstehende Impulse
gezählt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch
gekennzeichnet, daß der optische Strahl moduliert wird und
daß nur entsprechend modulierte Ausgangssignale des
optoelektrischen Wandlers ausgewertet werden.
6. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Ausgangssignale des
optoelektrischen Wandlers ein Login-Verstärker vorgesehen
ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß der optische Strahl monochromatisch ist.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß
der optische Strahl kohärent ist.
9. Anordnung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch
1, dadurch gekennzeichnet, daß einer Lichtquelle (2) am
Anfang der Meßstrecke (3) ein Empfänger (5) am Ende der
Meßstrecke gegenübersteht, daß der Empfänger (5) eine
Lichtfalle (4), auf die der optische Strahl (1) gerichtet
ist, und einen optoelektrischen Wandler (13), auf den die
gebeugte Strahlung (9 bis 12) mindestens teilweise geleitet
ist, aufweist.
10. Anordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
vor dem optoelektrischen Wandler eine bündelnde optische
Einrichtung (Sammellinse, Hohlspiegel) angeordnet ist.
11. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die bündelnde optische Einrichtung (6) hinter der Lichtfalle
(4) angeordnet und größer als die Lichtfalle (4) ist.
12. Anordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß
die Lichtfalle in der Brennebene der bündelnden optischen
Einrichtung angeordnet ist.
13. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch
gekennzeichnet, daß im Empfänger (5) ein Filter (7)
angeordnet ist, das die Strahlung anderer Wellenlängen als
die des optischen Strahls (1) unterdrückt.
14. Anordnung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß
ein weiterer optoelektrischer Wandler (26), der mit der
Strahlung (25) anderer Wellenlängen beaufschlagt ist, und
Mittel (27) zum Vergleich der Ausgangssignale beider
optoelektrischen Wandler (13, 26) vorgesehen sind.
15. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der optische Strahl (1) einen
Durchmesser zwischen 1 mm und 5 mm aufweist.
16. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch
gekennzeichnet, daß der optische Strahl einen länglichen
Querschnitt aufweist.
17. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtfalle (4) einen Durchmesser von
kleiner als 10 mm und die bündelnde optische Einrichtung (6)
einen Durchmesser zwischen 20 mm und 50 mm aufweist.
18. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 17, dadurch
gekennzeichnet, daß mehrere optische Strahlen nebeneinander
angeordnet sind.
19. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 18, dadurch
gekennzeichnet, daß die Meßstrecke gefaltet ist, so daß sich
die Lichtquelle (2) und der Empfänger (22) nebeneinander
befinden.
20. Anordnung nach einem der Ansprüche 9 bis 19, dadurch
gekennzeichnet, daß die Lichtfalle als Reflektor (23)
ausgebildet ist, der den optischen Strahl (1) in sich
reflektiert.
Priority Applications (2)
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