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Die
Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigeit zwischen
einem strahlungsempfindlichen Sensor und dem die Strahlung reflektierenden
Messgut mit beliebig gemusterter sowie beliebig strukturierter Oberfläche. Mit
Messgut ist hier verallgemeinernd all das gemeint, auf das der Sensor
gerichtet ist. Das kann beispielsweise ein Gegenstand, Blech, Folie, ein
Förderband
oder Walzgut sein. Die Geschwindigkeitsmessung erfolgt in Richtung
längs der
Oberfläche
des Messgutes.
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Eine
Anzahl von bekannten Vorschlägen
bezieht sich auf korrelationsoptische Verfahren. Unter Einsatz von
optischen Gittern oder gerasterten Empfängerstrukturen werden Ortsfrequenzen
herausgefiltert und daraus die Geschwindigkeit bestimmt, siehe
DE 21 44 487 A ,
DE 24 50 439 A1 ,
DE 32 29 343 A1 oder
DE 38 39 963 A1 .
Die vom Wirkprinzip her bedingten Probleme liegen im folgenden:
Regelmäßige Muster
in der Oberfläche
des Messgutes können
die herausgefilterte Ortsfrequenz grob verfälschen und so zu falschen Messwerten
führen;
weiterhin, beim Übergang
von Null zu kleinen Geschwindigkeiten (Startphase) ermittelt der
Frequenzzähler
die sehr kleinen Ortsfrequenzen mit beträchtlichem Fehler. In der
DE 40 09 737 A1 ,
siehe auch
US-42 18
623 A , wird mit elektronischen Schaltungen die Phasenverschiebung
herausgefiltert, die bei der Bewegung eines Bildes längs eines
Zeilensensors entsteht. Aus der Phasenverschiebung wird die Geschwindigkeit abgeleitet.
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In
der
DE 22 53 138 A wird
eine Korrelation zwischen zwei Abtastpunkten dadurch erreicht, dass das
Signal des ersten Punktes über
ein Schieberegister verzögert
mit dem Signal des zweiten verglichen wird. Die Taktfrequenz des
Schieberegisters wird solange nachgeregelt, bis Übereinstimmung erreicht wird.
Aus der Taktfrequenz wird die Geschwindigkeit berechnet. In der
DE 35 39 793 A1 wird
ein weiteres Verfahren für
die Korrelation zweier Bildausschnitte vorgeschlagen. Auch für diese
Verfahren gilt, dass sie sensibel mit einem groben Fehler auf regelmäßige Muster
reagieren.
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In
der
DE 44 44 661 A1 wird
ein Verfahren mit bildwandelndem Sensor zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung
an Messgut mit beliebig gemusterten Oberflächen angegeben, welches präzise misst.
Es genügen
schwache und feine Strukturen auf der Oberfläche des Messgutes, welche auf
einen bildwandelnden Sensor mittels einer Optik abgebildet werden.
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Für alle bisher
genannten Verfahren muss auf der Oberfläche des Messgutes eine optisch
erkennbare Struktur vorhanden sein. Nun gibt es aber auch Messgut,
dessen Oberfläche
keine sichtbare Struktur aufweist, beispielsweise blankes Metall.
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Bei
solchen blanken reflektierenden Oberflächen kann man mit einem physikalischen
Kunstgriff ein zur Messung geeignetes Muster erzeugen. Dazu richtet
man auf die Oberfläche
eine kohärente
Laserstrahlung. Die meisten Oberflächen, auch blanke, haben eine
Mikrostruktur, mit bloßem
Auge nicht sichtbar. In dem von der Oberfläche reflektierten kohärenten Licht
entsteht durch Interferenz der von den Mikrostrukturen in den halbkugelförmigen Raum über der
Oberfläche
ausgehenden Wellenfronten eine räumliche
Strahlungsstruktur. Positioniert man in diesem halbkugelförmigen Raum
einen strahlungsempfindlichen Detektor, so kommt die räumliche
Strahlungsstruktur auf diesem als Interferenzmuster, auch Speckle-Muster
genannt, zur Wirkung, ohne irgendwelche fokussierenden oder abbildenden
Elemente zwischen Oberfläche
und Detektor anordnen zu müssen.
Die räumliche
Strahlungsstruktur und mit ihr das Interferenzmuster auf dem Detektor
bewegen sich synchron mit dem Messgut.
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Dieses
Interferenzmuster, häufig
auch Speckle-Muster genannt, hat ein Problem: Es ist instabil.
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Das
Interferenzmuster ist sehr dicht und fein strukturiert. Es ändert beim
Verschieben des Messobjektes laufend sein Aussehen. Es blitzen viele Punkte
nur für
kurze Zeit auf, verschwinden dann wieder, können erneut aufblitzen, oder
statt ihrer entsteht in unmittelbarer Nachbarschaft ein neuer Punkt.
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Das
Speckle-Muster ist wegen spezifischer Lasereigenschaften zeitlich
nicht stabil. Auch bei stehendem Messobjekt flackern die einzelnen
Hell/Dunkelstrukturen stochastisch. Es entsteht der Eindruck einer
wirren Bewegung innerhalb des Musters.
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Es
gab in der Technik bisher mehrere Vorschläge, aus dem sich bewegenden
Interferenzmuster die Geschwindigkeit zu ermitteln. Die Resultate waren
jedoch durch die großen
Schwierigkeiten, welche die Instabilität des Speckle-Musters bereitet, nicht überzeugend.
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In
der Zeitschrift Industrieanzeiger, 101. Jg. Nr. 49 v. 20.06.1979,
S. 22, 23, wird über
Versuche berichtet, die Geschwindigkeit durch Kreuzkorrelation zweier
zeitlich nacheinander erfolgender Bilder von Granulen (gemeint sind
die „Speckle” Muster)
zu ermitteln. Trotz großen
Rechenaufwands erhielt man nur bescheidene Resultate, da die Bilder
nie gleich sind.
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In
den
US 4 794 384 und
US 4 912 519 werden spezielle
elektronische Schaltungen zur Auswertung der Verschiebung von Speckle-Mustern
vorgeschlagen. Das Basisverfahren ist jeweils die Kreuzkorrelation.
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In
der
WO 94/08244 A1 wird
die Rotationsbewegung einer Walze mittels des von seiner Oberfläche erzeugten
Speckle-Musters gemessen. Dazu wird mit einer Linse das von der
gekrümmten
Oberfläche
strahlenförmig
in den Raum reflektierte Laserlicht wieder parallelisiert und danach
auf einen Zeilensensor geleitet. Ausgewertet wird wieder nach Verfahren
der Kreuzkorrelation.
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Zur
Realisierung der Erfindung wird das Verfahren gemäß der
DE 44 44 661 A1 ,
welches normalerweise bei Geschwindigkeitsmessungen mit optischer
Abbildung sichtbarer Strukturen genutzt wird, herangezogen. Unerwarteter
weise gelingt damit eine präzise
und zeitlich hoch aufgelöste
Messung von Geschwindigkeit und Weg, wie sie im bisher bekannten
Stand der Technik bei der Auswertung von Interferenzmustern nicht
realisierbar war.
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Das
Verfahren nach
DE 44
44 661 A1 ist überraschenderweise
in der Lage, aus dem quirligen Datenwust, den die chaotischen Speckle-Muster
bei der Bildwandlung erzeugen, die Geschwindigkeit präzise zu
ermitteln. Näheres
dazu wird im Ausführungsbeispiel
beschrieben.
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Das
erfindungsgemäße Verfahren
misst auf jeder Oberfläche
mit ausreichender Reflexion. Auch auf glatten Oberflächen wie
verchromten Metall oder Glas ist eine Messung möglich. Der Abstand vom Messgut
zum Detektor kann variabel gestaltet werden, ein für die Praxis
bedeutender Vorteil.
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Für die Funktion
sind abbildende Elemente nicht erforderlich. Das ist ein außerordentlicher
Vorteil. Es erlaubt eine Miniaturisierung der Vorrichtung und einen
robusten mechanischen Aufbau.
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Ein
herausragender Vorteil des erfindungsgemäßen Verfahrens ergibt sich,
wenn die auf die Oberfläche
des Messgutes gerichtete kohärente Strahlung
in sich parallel oder nahezu parallel ist (Hauptausführungsform).
In diesem Fall ist das Messergebnis invariant gegenüber Änderungen
des Abstandes zwischen Detektor und Messgut, die Vorrichtung nebst
Verfahren misst absolut. Bei einem CCD als Detektor gehen lediglich
das Raster der Fotoelemente, im Fertigungsprozess des CCD festgelegt, und
die quarzgenaue Bildfolgefrequenz in das Ergebnis ein. Dies ist
ein großer
Vorteil gegenüber
anderen bekannten berührungslosen
Verfahren, wo die optische Konfiguration als Faktor eingegeben werden muss,
oder wo die Genauigkeit nur in einem eingeschränkten Abstandsbereich eingehalten
wird.
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Wird
mit kohärenter
Strahlung gearbeitet, die nicht in sich parallel ist, so geht auch
beim erfindungsgemäßen Verfahren
in das Ergebnis der Abstand zwischen Oberfläche des Messgutes und Detektor
ein.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, Abhilfe zu schaffen, wenn Strahlung aus anderen
Quellen das Interferenzmuster zu überdecken droht, und den Messbereich
zu erweitern. Dazu wird ein fokussierendes Element in den Strahlengang
zwischen der Oberfläche
des Messgutes und dem Detektor eingebracht. Erfindungsgemäß wird der
Detektor weder in der Brennweitenebene des fokussierenden Elementes
noch in derjenigen Ebene positioniert, in der die Oberfläche des
Messgutes durch das fokussierende Element scharf auf dem Detektor
abgebildet würde. Das
ist ein entscheidender Unterschied zu bekannten Systemen: Es findet
keine Abbildung der Oberfläche
des Messgutes auf dem Sensor statt.
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Die
Vorteile der erfindungsgemäßen Maßnahmen
seien an den nachfolgenden beiden Beispielen erläutert.
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1. Geringere Störung durch andere Lichtquellen
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Häufig lässt sich
der Raum zwischen Messgut und Sensor nicht lichtdicht verhüllen oder
abdecken. Wenn Strahlung aus anderen Quellen der Umgebung das Interferenzmuster überdeckt,
führt das zur
Störung
der Messung.
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Der
Detektor wird in einem Abstand vom fokussierenden Element angeordnet,
bei dem die Oberfläche
des Messgutes stark unscharf abgebildet ist. Bei derartigen Abständen ruft
eine zusätzliche Ausleuchtung
der Oberfläche
des Messgutes durch andere nichtkohärente Quellen auf dem Detektor eine
diffuse Intensitätsverteilung
hervor, die sich dem Interferenzmuster überlagert. Dieses wird zwar
auch unschärfer,
bleibt aber überraschender
weise immer noch erkennbar. Das Interferenzmuster wird aus quasiparallelen
reflektierten kohärenten
Lichtstrahlen gebildet und verhält
sich anders. Aus den Detektor-Signalen kann so das Interferenzbild
leicht herausgefiltert werden. Seitlich einfallende nichtkohärente Strahlung
lenkt das fokussierende Element vom Detektor weg. So lässt sich
mit dem erfindungsgemäßen Verfahren
auch bei einem kritischen Verhältnis zwischen
Intensität
der kohärenten
Strahlung und nichtkohärenter
Umgebungsstrahlung störfrei
und sicher die Geschwindigkeit messen.
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2. Erweiterung des Messbereiches vor der
Bildwandlung:
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Bewegt
sich das Messgutes sehr langsam, verlängert sich die Messzeit für einen
Wert. Schließlich
muss sich das Interferenzmuster für die Messung um einen Mindestwert
verschieben, der bei einem CCD-Sensor als Detektor durch das Pixelraster
bestimmt wird. Mit großer
Messzeit lassen sich nur noch Schwankungen niederer Frequenz der
Geschwindigkeit erfassen. Außerdem
wirkt bei großen
Messzeiten die zeitliche Instabilität des Interferenzmusters kontraproduktiv.
Die Genauigkeit des so erhaltenen Messwertes nimmt ab. Durch einfaches
Verschieben des Detektors in Richtung größerer Abstand zum fokussierenden Element
lässt sich
die Durchlaufgeschwindigkeit des Speckle-Musters auf dem Detektor vergrößern. So
wird aus sehr langsamer Bewegung des Messgutes eine schnelle Bewegung
auf den Sensor. Die Messzeit wird kleiner und damit der Einzelwert
genauer. Und es lassen sich auch bei kleiner mittlerer Geschwindigkeit
Schwankungen hoher Frequenz erfassen.
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Durch
einfaches Verschieben des Detektors in Richtung kleinerer Abstand
zum fokussierenden Element lässt
sich die Durchlaufgeschwindigkeit des Speckle-Musters auf dem Detektor
verkleinern. So wird aus sehr schneller Bewegung des Messgutes eine
langsame Bewegung auf den Sensor.
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Der
Abstand A zwischen Brennweitenebene und Detektor, in Einheiten der
Brennweite f gemessen, geht als Umrechnungsfaktor in das Ergebnis
ein. Hat dieser Abstand A den Wert von einer Brennweite f, das heißt, der
Detektor ist vom fokussierenden Element um 2f entfernt angeordnet,
so ist der Umrechnungsfaktor 1. Das Interferenzmuster läuft für A = 1 auf
dem Detektor mit dem gleichen Geschwindigkeitsbetrag wie ohne fokussierendes
Element durch, aber in entgegengesetzter Richtung. Hat der Abstand A
den Wert Null, also einer der für
die Vorrichtung nebst Verfahren nicht zugelassenen Fälle, so
wird keine Geschwindigkeit gemessen, der Umrechnungsfaktor ist Null.
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Bei
Bestrahlung des Messgutes mit einem in sich parallelen kohärenten Strahlenbündel, und
das ist die bevorzugte Ausführung,
kann gleichzeitig der Abstand zwischen dem fokussierenden Element
und dem Messgut beliebig gewählt
werden, ohne dass sich dadurch der Messwert ändert. Bei einer optischen
Abbildung der Oberfläche
des Messgutes auf den Sensor gelingt das nicht.
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Anhand
der Zeichnungen, in der zwei Ausführungsbeispiele der Erfindung
gezeigt sind, soll die Erfindung näher erläutert werden.
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Es
zeigt:
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1a und 1b ein
Beispiel, bei dem keine abbildenden Elemente zum Einsatz kommen,
und
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2 das
Ausführungsbeispiel,
bei dem ein fokussierendes Element zum Einsatz kommt.
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Die 1a und 1b geben
das Verfahren zu zwei unterschiedlichen Zeitpunkten t1 und
t2 wieder. Gemäß 1a wird
ein kohärentes,
in sich paralleles Lichtbündel 1 in
Strahlrichtung 2 auf die Oberfläche des Messgutes 3 zum
Zeitpunkt t1 gerichtet. Das Licht wird von
einem Laser abgestrahlt. Das Messgut 3 bewegt sich mit
der Geschwindigkeit v in Richtung 4. Die Mikrostrukturen
der Oberfläche
erzeugen im halbkugelförmigen
Raum über
der Oberfläche
eine Interferenzstruktur. In stark vereinfachter und schematischer
Form sind nur ein Teil der von einer Mikrostruktur 5 ausgehenden
interferierenden Strahlen eingezeichnet. Auf dem photoempfindlichen CCD 7 kommt
das Interferenzmuster 6 zur Wirkung.
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1b zeigt
die Situation zum Zeitpunkt t2. Das Messgut 3 hat
sich um die Distanz 8 weiterbewegt. Synchron dazu hat sich
das von der Mikrostruktur 5 ausgehende Interferenzmuster 6 um
die Distanz 9 verschoben. Bei in sich parallelem kohärenten Strahlenbündel 1 sind
die beiden Distanzen 8 und 9 gleichgroß, unabhängig vom
Abstand des photoempfindlichen CCD 7 zur Oberfläche des
Messgutes 3. Das Verfahren misst bei parallelem kohärenten Licht absolut.
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In 2 ist
eine zweite Ausführungsform
der Erfindung dargestellt. Ein kohärentes, in sich paralleles
Lichtbündel 1 wird
in Strahlrichtung 2 auf die Oberfläche des Messgutes 3 gerichtet.
Das Licht wird von einem Laser abgestrahlt. Das Gehäuse 15 hält eine
Linse 10 in definiertem Abstand zum photoempfindlichen
CCD 7. Das Messgut 3 und mit ihm die Mikrostruktur 5 auf
der Oberfläche
bewegt sich mit der Geschwindigkeit v in Richtung 4. In
stark vereinfachter und schematischer Form sind nur zwei der von
einer Mikrostruktur 5 ausgehenden interferierenden Strahlenbündel eingezeichnet,
durchgezogene Linien für
den Zeitpunkt t1 und gestrichelte Linien
für den Zeitpunkt
t2. Die Mikrostruktur 5 durchlauft
von t1 zu t2 die
Distanz 8. Die in sich quasi parallelen interferierenden
Strahlenbündel
werden beim Passieren der Linse 10, welche die Brennweite
f hat, gebrochen. Da diese Strahlenbündel sich bei Bewegung des
Messgutes 3 parallel zur Linse verschieben, wird jedes
einzelne der Strahlenbündel
von der Linse immer in denselben, vom Abstrahlwinkel abhängigen Punkt
der Brennweitenebene 11 gelenkt. In der Brennweitenebene 11 entsteht
aus diesen Strahlenbündeln
ein unbewegtes Interferenzbild. Im Abstand A von der Brennweitenebene 11 ist
das photoempfindliche CCD 7 angeordnet. Auf dem CCD 7 verschiebt
sich das Interferenzmuster der Mikrostrukturen um die Distanz 14.
Das Interferenzmuster zum Zeitpunkt t1 ist
mit 12 und das zum Zeitpunkt t2 mit 13 bezeichnet. Das
Verhältnis
zwischen Distanz 14 und Distanz 8 hängt nur
vom Abstand A des CCD 7 von der Brennweitenebene 11 ab,
sofern das einfallende kohärente Lichtbündel 1 in
sich parallel ist. Für
A = f sind die Distanzen 8 und 14 gleich groß, unabhängig vom
Abstand zwischen Messgut 3 und Linse 10. Der aus
der Verschiebung 14 ermittelte Geschwindigkeitswert ist bei
kohärentem
und in sich parallelen Lichtbündel 1 invariant
gegenüber
Abstandsänderungen
zwischen Linse 10 und Messgut 3.
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Die
erfindungsgemäße Anordnung
nach 2 hat folgende äußerst nützliche Eigenschaften: Die
Oberfläche
des Messgutes 3 wird bei genügend großem A nicht auf dem photoempfindlichen
CCD 7 abgebildet. Wird die Oberfläche des Messgutes 3 zusätzlich von
anderen Lichtquellen beleuchtet, so bewirkt das auf der Oberfläche des
photoempfindlichen CCD 7 eine diffuse Helligkeitsverteilung,
die sich dem prägnant
ausgebildeten Interferenzmuster überlagert.
Aus den CCD-Signalen kann so das Interferenzbild leicht herausgefiltert
werden. Seitlich einfallendes Neben- und Streulicht lenkt die Linse 10 vom photoempfindlichen
CCD 7 weg. So lässt
sich mit der erfindungsgemäßen Anordnung
gemäß 2 auch bei
einem kritischen Verhältnis
zwischen Intensität des
kohärenten
Lichtbündels 1 und
der Umgebungshelligkeit störfrei
und sicher die Geschwindigkeit messen.
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Ist
der Detektor in einem Abstand größer als die
Brennweite angeordnet (bezogen auf 2 oberhalb
der im Abstand f liegenden Brennweitenebene), verschiebt sich das
Interferenzmuster auf dem Detektor entgegengesetzt zur Bewegungsrichtung
des Messgutes. Ist der Detektor in einem Abstand kleiner als die
Brennweite angeordnet (bezogen auf 2 unterhalb
der im Abstand f liegenden Brennweitenebene), verschiebt sich das
Interferenzmuster auf dem Detektor in Bewegungsrichtung des Messgutes.
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Ist
das kohärente
Lichtbündel 1 nicht
in sich parallel, so funktionieren die beschriebenen Ausführungsbeispiele
wie beschrieben mit einer Ausnahme: In die Messergebnisse geht jeweils
der Abstand von der Oberfläche
des Messgutes 3 zum photoempfindlichen CCD 7 (Anordnung
gemäß 1a und 1b)
beziehungsweise zur Linse 10 (Anordnung gemäß 2)
ein.