DE202006015262U1 - Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor zur Geschwindigkeitsmessung - Google Patents
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Abstract
Signalverarbeitungsvorrichtung
für einen
Ortsfiltersensor, mit einem doppelten Regelkreis zur Anpassung der
Beleuchtungsintensität
und zur Anpassung der Belichtungszeit des Sensors an die Reflektion
des Messobjektes, wobei sich die Regelgrenzen anhand des Messbereiches
und der Systemkonstante automatisch einstellen und die Verschachtelung
der beiden zu regelnden Größen so erfolgt,
dass immer die schneller reagierende Größe zuerst geregelt wird.
Description
- Die Erfindung betrifft einen Ortsfiltersensor zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung, und insbesondere die Signalverarbeitung für einen Orsfiltersensor.
- Ortsfiltersensoren dienen der berührungslosen Geschwindigkeitsmessung. Sie setzen mit Hilfe der örtlichen Filterwirkung gitterförmiger Strukturen die Geschwindigkeit des Messobjektes in ein schmalbandiges Frequenzsignal um. Die Geschwindigkeit v berechnet sich aus der Systemkonstante g (auch Gitterkonstante genannt) und der Mittensignalfrequenz f0
- Es ist eine Reihe von Ausführungen bekannt, die das erforderliche Gitter auf unterschiedliche Weise realisieren. Es wird unterschieden zwischen (1) der Gitterprojektion, bei der ein Gitter auf dem Messobjekt abgebildet wird und über einen Fotoempfänger das rückgestreute Licht in ein elektrisches Signal umgesetzt wird, und (2) der Gitterabbildung, bei der das Messobjekt auf ein Gitter abgebildet wird. Bei der Gitterabbildung werden zudem passive Gitter, die in den Strahlengang zwischen Messobjekt und Fotoempfänger eingefügt werden, oder aktive Gitter verwendet. Aktive Gitter lassen sich mittels Photodioden oder CCD- oder CMOS-Sensoren realisieren. Die hohe Fertigungskonstanz und Langzeitstabilität der Halbleiterbauelemente und die Verfügbarkeit der Bauteile in hohen Stückzahlen zu einem akzeptablen Preis ergeben für aktive Sensoren besondere Vorteile.
- Seit Anfang der 90er Jahre werden Ortsfiltersensoren auf Basis einer CCD-Zeile für die Messung von Geschwindigkeiten in industriellen Anlagen erfolgreich eingesetzt. Hierzu werden ursprünglich zur Bildaufnahme vorgesehene CCD-Zeilen durch ein spezielles Ansteuerverfahren nach
DE 40 35 039 A1 so betrieben, dass eine interne Akkumulation erfolgt. Es erfolgt eine Aufsummierung der durch das Licht über die aktive Sensorfläche entfallenen Ladungen. Die Auswertung des Frequenzsignals erfolgt mittels Periodendauermessung mit laufendem Periodizitätstest. Durch mehrkanaligen Aufbau und Auswertung der Phasenlage ist eine Richtungserkennung möglich. - Die Konfiguration und Inbetriebnahme derartiger Messgeräte für die unterschiedlichen Messaufgaben (Messbereich, Material etc.) ist aufwendig und erfordert geschultes Personal.
- Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde, eine Ortsfiltersignalverarbeitung bereit zu stellen, die einen sich an die Messaufgabe automatisch anpassenden Sensor ermöglicht. Diese Aufgabe wird mit den in den Schutzansprüchen angegebenen Merkmalen gelöst.
- Die Erfindung geht von dem Grundgedanken aus, einen Ortsfiltersensor mit Differenzgitter (beispielsweise nach der
DE 40 35 039 A1 ) mit adaptierenden Regelkreisen für die automatische Anpassung von Beleuchtungsstärke, Belichtungszeit und Verstärkung zu versehen. Die Regelbereiche werden automatisch anhand der Geschwindigkeit festgelegt. Dazu wird die zu erwartende Signalfrequenz aus der maximalen Prozessgeschwindigkeit und den verschiedenen Geräteparametern bestimmt und über eine hinterlegte Tabelle der Regelbereich ermittelt. - Eine Signalverarbeitungsvorrichtung für einen Ortsfiltersensor gemäß einem ersten Aspekt der Erfindung weist einen doppelten Regelkreis zur Anpassung der Beleuchtungsintensität und zur Anpassung der Belichtungszeit Sensors, z.B. der CCD-Zeile, an die Reflektion des Messobjektes auf. Die Regelgrenzen stellen sich erfindungsgemäß anhand des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch ein und die Verschachtelung der beiden zu regelnden Größen erfolgt so, dass immer die schneller reagierende Größe zuerst geregelt wird.
- Die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsvorrichtung weist vorzugsweise eine Stromregelung der Beleuchtungsquelle zum Steuern der Beleuchtungsintensität auf. Ferner ist vorzugsweise eine Überwachungseinheit für die Stromregelung vorgesehen, die einen Rückschluss auf einen Defekt der Beleuchtung ermöglicht.
- Eine Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor gemäß einem zweiten Aspekt ist derart ausgebildet, dass ein Regelkreis zur Anpassung der Verstärkung mittels Regelverstärker realisiert wird, bei dem die Regelgrenzen anhand des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch eingestellt werden.
- Als Beleuchtungsquelle wird vorzugsweise eine Halogenlampe, Laser oder LED verwendet.
- Weiterhin enthält der Sensor vorzugsweise ein elektronisches Filter mit variablen Filtereckfrequenzen. Das Filter wird als Bandpass mit variabler Mittenfrequenz und Bandbreite betrieben wird. Die maximale Frequenz und die Bandbreite des Filters werden anhand der zu erwartende Signalfrequenz und der Geräteparameter bestimmt. Die Anpassung der Mittenfrequenz erfolgt erfindungsgemäß gleichfalls automatisch, in dem diese der Signalfrequenz nachgeführt wird.
- Zur Richtungserkennung ist gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ein mehrkanaliger Aufbau der Signalverarbeitung vorgesehen. Vorzugsweise wird ein Phasendetektor zur Richtungsbestimmung verwendet, der die Phasenlage über eine Anzahl von Perioden bestimmt und damit eine höhere Zuverlässigkeit besitzt.
- Die erfindungsgemäße Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor realisiert ferner die Bestimmung der Signalfrequenz mit einer Periodendauermessung bzw. -messeinheit. Hierbei erfolgt ein kontinuierlicher Periodenvergleich und die Periodendauerabweichung und minimale Anzahl von Perioden dienen als Plausibilitätskriterium. Die Festlegung dieser Kriterien erfolgt anhand des Signals und des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch.
- Bei der erfindungsgemäßen Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor wird vorzugsweise als Primärsensor einen CCD-Sensor, CMOS-Sensor oder Photodioden verwendet. Die Integration, d.h. Akkumulation der Ladungen erfolgt beispielsweise innerhalb des Primärsensors oder in einem nachgeschalteten Integrator.
- Die Inbetriebnahme ist bei dem erfindungsgemäßen Ortsfiltersensor insoweit vereinfacht, dass vom Bedienpersonal nur noch der zu erwartende Messbereich eingegeben werden muss. Im Betrieb passt sich der Ortsfiltersensor dann automatisch dem zu messenden Material und der Materialgeschwindigkeit an.
- Der erfindungsgemäße Ortsfiltersensor ist ferner dadurch vorteilhaft, dass er sich in einem weiten Dynamikbereich der Helligkeit, Struktur und Geschwindigkeit des Messobjekts unter Berücksichtigung des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch anpasst.
-
1 zeigt in schematischer Form die erfindungsgemäße Signalverarbeitung. Als Primärsensor ist in diesem Beispiel eine CCD-Zeile vorgesehen, die mit einem Videoverstärker verbunden ist und über eine entsprechende Takterzeugung angesteuert wird. Ferner ist die Signalverarbeitungsvorrichtung dieses Beispiels mehrkanalig ausgebildet, die jedoch, wie auch in1 erwähnt, auch nur einkanalig realisiert sein kann. - Die Periodendauermesseinheit zur Bestimmung der Signalfrequenz ist ebenfalls in
1 gezeigt, wie auch die optionale Richtungsdetektion, beispielsweise in Form des oben genannten Phasendetektors.
Claims (10)
- Signalverarbeitungsvorrichtung für einen Ortsfiltersensor, mit einem doppelten Regelkreis zur Anpassung der Beleuchtungsintensität und zur Anpassung der Belichtungszeit des Sensors an die Reflektion des Messobjektes, wobei sich die Regelgrenzen anhand des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch einstellen und die Verschachtelung der beiden zu regelnden Größen so erfolgt, dass immer die schneller reagierende Größe zuerst geregelt wird.
- Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 1, ferner mit einer Stromregelung der Beleuchtungsquelle zum Steuern der Beleuchtungsintensität.
- Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 2, ferner mit einer Überwachungseinheit für die Stromregelung, die einen Rückschluss auf einen Defekt der Beleuchtung ermöglicht.
- Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei ein Regelkreis zur Anpassung der Verstärkung mittels Regelverstärker realisiert wird, bei dem die Regelgrenzen anhand des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch eingestellt werden.
- Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 4, mit einem elektronischen Filter mit variablen Filtereckfrequenzen, wobei die Mittenfrequenz, Bandbreite und maximale Frequenz anhand von Signalfrequenz und Signalgüte, sowie anhand des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch eingestellt werden.
- Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 5, die zur Richtungserkennung einen mehrkanaliger Aufbau der Signalverarbeitung aufweist.
- Signalverarbeitungsvorrichtung nach Anspruch 6, ferner mit einem Phasendetektor zur Richtungsbestimmung.
- Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 7, ferner mit einer Periodendauermesseinheit zur Bestimmung der Signalfrequenz, wobei ein kontinuierlicher Periodenvergleich erfolgt und die Periodendauerabweichung und minimale Anzahl von Perioden als Plausibilitätskriterium dienen und die Festlegung dieser Kriterien anhand des Signals und des Messbereiches und der Systemkonstante automatisch erfolgt.
- Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei der Ortsfiltersensor als Primärsensor einen CCD-Sensor, CMOS-Sensor oder Photodioden verwendet.
- Signalverarbeitungsvorrichtung für Ortsfiltersensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei die Integration innerhalb des Primärsensors oder in einem nachgeschalteten Integrator erfolgt.
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Cited By (2)
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| DE102007038013A1 (de) * | 2007-08-10 | 2009-02-19 | Fraba Ag | Verfahren zur optischen Messung von Geschwindigkeiten und Sensor zur optischen Messung von Geschwindigkeiten |
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