DE2312588B2

DE2312588B2 - Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser

Info

Publication number: DE2312588B2
Application number: DE2312588A
Authority: DE
Inventors: Invar Enbyberg Andermo (Schweden)
Original assignee: Hasler AG
Current assignee: Hasler AG
Priority date: 1972-04-06
Filing date: 1973-03-14
Publication date: 1980-01-31
Also published as: CH550404A; DE2312588A1; US3865487A; FR2179211A1; SE380630B; FR2179211B1; GB1417881A; IT980780B; DE2312588C3

Description

Die Erfindung betrifft einen Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser mit den Merkmalen (a) bis (c) des Patentanspruchs 1.

Optische Korrelations-Geschwindigkeitsmesser sind bekannt. Sie werden beispielsweise für Schienenfahrzeuge eingesetzt und tasten die Schienenoberfläflache ab.

Die ältere DE-OS 2121979 beschreibt einen Aufnahmekopf für einen derartigen Geschwindigkeitsmesser, bei dem das optische System zwei kleine, allseitig scharf begrenzte Lichtpunkte auf der Schiene erzeugt, die die Abtaststellen darstellen. Die Erfahrung hat gezeigt, daß eine derartige Beleuchtung der Schiene ungünstig ist. Eisenbahnschienen weisen zum Teil stark spiegelnde Oberflächen auf, so daß nur dann genügend Licht auf den optischen Aufnehmer fällt, wenn das gerade beleuchtete Flächenelement in Richtung der Empfängeroptik spiegelt. Außerdem besteht bei Schienenfahrzeugen die Gefahr, daß die Fortbewegung des Fahrzeuges nicht vollständig geradlinig verläuft, so daß eine schlechte Deckung der beiden von den Wandlern aufgenommenen Bahnen auf der Oberfläche besteht.

Aus »messtechnik« 8/1971, Seite 163 bis 168, ist ein optischer Korrelations-Geschwindigkeitsmesser bekannt, bei dem die Abtaststellen auf laufendem Walzgut rechteckige Leuchtflecke sind mit den breiten Kanten quer zur Bewegungsrichtung und mit den schmalen Kanten in Bewegungsrichtung. Die Fotoempfänger integrieren die Leuchtdichte dieser Leuchtflecke. Der Abstand der Fleckmitten bildet die Meßbasis zur Ermittlung der Geschwindigkeit aus Weg und Laufzeit.

Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System für einen Aufnahmekopf anzugeben, bei welchem unabhängig von der Oberflächenstruktur und von der Form der Oberfläche stets eine ausreichende Lichtmenge in das Objektiv zurückgeworfen wird. Damit soll auch dann eine genügende Lichtmenge gewährleistet sein, wenn die spiegelnde Oberfläche z. B. der Schiene nicht senkrecht zum beleuchteten Strahl liegt. Weiter soll der Einfluß einer Bewegung des Fahrzeuges quer zur Fahrtrichtung auf die aufgenommenen Signale gering bleiben.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale (d) bis (h) des Anspruchs 1 gelöst.

Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus

den Unteransprüchen.

Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielsweise erläutert Es zeigt

Fig. 1 a einen Schnitt eines Aufnahmekopfes in der Ebene in Fahrtrichtung und senkrecht zur reflektierenden Oberfläche (JT-Ebene Schnitt I-I),

Fig. Ib einen Schnitt des Aufnahmekopfes in der Ebene quer zur Fahrtrichtung und senkrecht zur reflektierenden Oberfläche (Y-Ebene),

Fig. 2 einen Teil eines Schnittes in der Ä'-Ebene, parallel verschoben zu Fig. 1 (Schnitt ΙΙ-Π in der Fig. I b).

Im folgenden wird angenommen, daß die reflektierende Ebene horizontal !lege, dann liegen die X- und die Y-Ebene vertikal; doch sind selbstverständlich andere Lagen möglich.

In Fig. la ist eine der beiden Fahrtrichtungen durch einen Pfeil 5 angezeigt. 1 ist das allseitig geschlossene Gehäuse, welches am Fahrzeug befestigt ist und nur an seiner Unterseite zwei öffnungen 2 und 2' hat, die der Schienenoberfläche 3 gegenüberstehen. Der Aufnahmekopf enthält 2 optische Systeme; das linke System beleuchtet zwei in Fahrtrichtung hintereinanderliegende Stellen 4' und 4", während das rechte System nur eine Stelle 4 beleuchtet. Der Vergleich des reflektierten Lichtes kann sich entweder auf die beiden vom linken System beleuchteten Stellen 4' und 4" erstrecken, oder kann zwischen einer Stelle, z. B. 4', des linken Systems und der Stelle 4 des rechten Systems erfolgen. Dabei ergibt der erste gesamte Vergleich eine Messung geringerer Genauigkeit als der zweite, jedoch läßt sich dabei leichter eine angenäherte Messung durchführen. Ein vollständiger Meßkopf kann aber auch nur aus einem System der in Fig. la links gezeichneten Art bestehen oder aus zwei Systemen der rechts gezeichneten Art, wobei dann ein solches System an die Stelle des links gezeichneten Systems tritt.

Es sei zunächst das in Fig. la rechts gezeichnete System beschrieben. 6 bezeichnet eine Lichtquelle, 7 und 8 ein aus gekreuzten Zylinderlinsen bestehendes Kondensorsystem. 13 ist eine Zylinderlinse, 14 eine Blende mit einem Spalt 15; 16 ist eine sphärische Linse.

Für die Beleuchtung wirkt dieses optische System folgendermaßen: In der Vertikalebene in Fahrtrichtung (Ä'-Ebene) bildet die Zylinderlinse 8 die Lichtquelle 6 auf die Ebene der Blende 14 ab. Die durch die Blende 14 hindurchgehenden Strahlen der Lichtquelle werden durch die Linse 16 annähernd parallel gerichtet und durchsetzen die untere Blende 21 mit öffnung 2. In der quer zur Fahrtrichtung stehenden Vertikalebene (Y-Ebene, Fig. Ib) bildet die Zylinderlinse 7 des Kondensors die Lichtquelle 6 auf den Punkt 9 der Spahebene 10 ab. Dieses erste Abbild (\e,r Lichtquelle wird Hnrch die Zylinderlinse 13 hticI die sphärische Linse 16 auf die Ebene der Blende 21 abgebildet. Das durch diese hindurchgehende Licht bildet einen divergenten Fächer, welcher auf die Schiene auftrifft und sie beleuchtet. Die Grenzen der beleuchtenden Strahlen sind in den Fig. la und Io gestrichelt eingezeichnet und schneiden die Schienen-5 oberfläche bei 17 und 18,

Das gleiche Linsensystem dient zur Abbildung der Stelle 4 auf der Schiene 3 auf den vor dem photoelektrischen Wandler 20 in der Ebene 10 angebrachten Spalt 11. In der Ä'-Ebene wird die Schienenoberfläche

ίο auf die Ebene 10 abgebildet. In der Y-Ebene (Fig. Ib) dagegen wird ein Punkt 19 der Schienenoberfläche auf einen zwischen den Ebenen 10 und 14 liegenden Punkt 12 abgebildet. In der Ebene 10 erscheint das Bild eines Punktes der Schienenoberfläche deswegen zu einem schmalen Strich auseinandergezogen. Der Spalt 11 liegt in der Richtung des genannten Striches. Deswegen ist der Bereich auf der Schienenoberfläche, von dem Licht durch den Spalt 11 gelangen kann, in der Fahrtrichtung schmal und scharf be- grenzt, quer zur Fahrtrichtung dagegen breit und unscharf begrenzt. Dabei ist es nici* nötig, daß in der Längsausdehnung der beleuchtete Bereich den auf den Wandlerspalt 11 abgebildeten Bereich vollständig überdeckt, während dies in der Querrichtung nötig

2> ist. Geringe Verschiebungen des Aufnahmekopfes quer zur Fahrtrichtung während der Vorwärtsbewegung bewirken nur geringe Veränderungen des Signals. Auch wenn die Schiene quer zur Fahrtrichtung gekrümmt ist, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß von

so mindestens einem der zwischen 17 und 18 liegenden Punkte Licht spiegelnd reflektiert wird und durch die Blendenöffnung 2 und damit auch auf den photoelektrischen Wandler 20 fällt.

In dem linken System der Fig. la ist die Anord-

ji nung die gleiche mit dem Unterschied, daß der Lichtfleck in Fahrtrichtung bieiter ist und daß in der Ebene 10 zwei Spalte 11' und 11" und dahinter zwei photoelektrische Wandler 20' und 20" (Fig. 2) vorgesehen sind, so daß mit diesem System zwei in Fahrtrichtung schmale und hintereinanderliegende Stellen 4' und 4" abgefühlt werden.

Um einer Verschmutzung vorzubeugen, ist es erwünscht, die öffnung 2 bzw. 2' möglichst klein zu halten. Eine Verkleinerung der öffnung ist dann möglich,

■r> wenn das zugeordnete optische Abbildungssystem nur zur Abtastung einer Stelle auf der reflektierenden Oberfläche dient. Im Beleuchtungssystem und im Lichtempfangssystem nimmt die Lichtmenge dann linear mit dem Durchmesser der Blende 2 ab, wenn

ϊο das Bild in der Lichtquelle bzw. der lichtempfindlichen öffnung des photoelektrischen Wandlers in der Y-Ebene quer zur Fahrtrichtung am Blendenort kleiner ist als die Blende.

Zu/ Vermeidung des Eindringens von Staub und

Feuchtigkeit durch die öffnungen 2 und 2' wird wäh-H H Fh kßii

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außen durch diese öffnungen gerichteter Luftstrom erzeugt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche;

1. Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser, bestehend aus '

a) wenigstens zwei unabhängigen fotoelektrischen Wandlern, die elektrische Signale liefern in Abhängigkeit von den Gegebenheiten bezüglich der Wandler ortsfester, getrennter Stellen einer quer zu den Wandlern relativ ι ο zu diesen bewegten reflektierenden Fläche,

b) wenigstens einer Optik, deren optische Achse im wesentlichen senkrecht zur reflektierenden Fläche steht,

c) einer Beleuchtungsvorrichtung, die die getrennten Stellen als Bereiche festlegt, die in Bewegungsrichtung schmal und quer dazu breit sind,

gekennzeichnet durch folgende Merkmale:

d) in eisir Spaltebene (10) parallel zur reflek- -'" tierenden Fläche (3) sind schlitzförmige Spalte (11, 11', 11") angeordnet, deren Längsrichtung quer zur Bewegungsrichtung (5) liegt,

e) auf der der reflektierenden Fläche (3) abge- 2~> kehrten Seite der Spaltebene (10) ist hinter jedem Spalt (11, 11', Sl") ein fotoelektrischer Wandler (20, 20', 20") angeordnet,

f) die Spaltebene (10) unterteilt die Optik in ein Kondensorsystem (7, 8) auf ihrer der re- to flektierenden Fläche (3) abgekehrten Seite und ein Objektiv (13, 16) auf ihrer der re flektierenden Fläche (3) zugekehrten Seite,

g) das Kondensorsystem (T 8) fokussiert das π Licht einer Lichtquelle (6) in Bewegungsrichtung (5) auf einen Punkt (15) zwischen der Spaltebene (10) und der reflektierenden Fläche (3) und quer zur Bewegungsrichtung (S) auf die Spaltebene (10), 4»

h) das Objektiv (13, 16) weist quer zur Bewegungsrichtung (5) eine Brennweite auf, die kürzer ist als diejenige in Bewgungsrichtung, derart, daß ein Punkt in der Spaltebene (10) quer zur Bewegungsrichtung abgebildet wird 4-, in einer Ebene (21) zwischen Objektiv und reflektierender Fläche (3) und in Bewegungsrichtung mindestens angenähert auf die reflektierende Fläche (3).

2. Aufnahmekopf nach Anspruch 1, gekenn- vi zeichnet durch folgende Merkmale:

i) das Kondensorsystem besteht aus zwei gekreuzten Zylinderlinsen, von denen die eine (7) mit ihrer Längsrichtung in Bewegungsrichtung (5) und die andere (8) quer zur Be- , > wegungsrichtung angeordnet ist,

k) das Objektiv besteht aus einer Zylinderlinse (13), die mit ihrer Längsrichtung in Bewegungsrichtung angeordnet ist und aus einer sphärischen Linse (16), deren Brennweite ho etwa dem Abstand dieser beiden Linsen entspricht.

3. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

I) jedem fotoelektrischen Wandler (20, 20') ist (,5 eine unabhängige Optik zugeordnet.

4. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

m) zwei fotoelektrischen Wandlern (20', 20") ist eine gemeinsame Optik zugeordnet.

5. Aufnahmekopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

n) jede Optik befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse (1), das in der Ebene (21) zwischen Objektiv und reflektierender Fläche (3) eine der Optik zugeordnete Öffnung (2) besitzt.

6. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:

o) der Aufnahmekopf ist an einem Schienenfahrzeug über der Schiene hängend angeordnet, dergestalt, daß die Schienenoberfläche die reflektierende Fläche (3) bildet.