DE2544822A1

DE2544822A1 - Messfuehler mit gleichsignalunterdrueckung

Info

Publication number: DE2544822A1
Application number: DE19752544822
Authority: DE
Inventors: Rainer Dipl Ing Fritsche; Franz Prof Dr Ing Mesch
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Ernst Leitz Wetzlar GmbH
Priority date: 1975-10-03
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1977-04-14

Description

"Meßfühler mit Gleichsignalunterdrückung"
Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zur berührungslosen Abtastung bewegter Oberflächen mit Gleichsigcalunterdrückung im Ausgangssignal.
Derartige Meßfühler finden insbesondere Anwendung in der Korrelationsmeßtechnik.
Es ist beispielsweise eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit eines Objektes bekannt (vgl.
DT-PS 21 33 942), bei der z.B. im Falle der optischen Abtastung zwei in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Fotozellen (als Meßfühler)die Oberfläche des bewegten Objektes abtasten und infolge der Rauhigkeit der Oberfläche statistisch schwankenden Signale u1 (t) und u2 (t) erzeugen, die im Idealfall von identischer Form sind, jedoch um die Laufzeit T gegeneinander verschoben auftreten: U2 (t) = u1 (t-T) Mit Hilfe des nachgeschalteten Korrelators wird diese Laufzeit T bestimmt, so daß aus dem bekannten Meßfühlerabstand dann die Geschwindigkeit des bewegten Objektes errechnet werden kann.
Dabei sind hohe Frequenzen der abgetasteten Signale u1(t) bzw. u2 (t) wünschenswert,um ein schnelles Ansprechen des Korrelators zu erreichen.
Es ist deshalb von Vorteil, den hohen Gleichanteil, wie er z.B. bei optischen Meßfühlern infolge des starken Gleichlichtes auftritt, zu unterdrücken. Dies läßt sich beispielsweise mit elektronischen) Hochpaßfiltern, welche den Meßfühlern nachgeschaltet sind, erreichen. Diese haben jedoch den Nachteil, daß sie bei größeren Anderungen des Gleichanteils eine lange Einschwingzeit aufweisen und zudem leicht in die Sättigung geraten.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Maßnahme anzugeben, die es gestattet, bei den bekannten Meßfühlern auch ohne elektronische Hochpaßfilter eine Unterdrückung des Gleichanteils im Ausgangssignal zu erreichen.
Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch genannte Erfindung gelöst.
Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt insbesondere darin, daß sich geschwindigkeitsunabhängig und ohne Einschwingzeit der hohe Gleichanteil sowie sonstige, unerwünschte Gleichtaktsignale (bei optischen Mcßfühlern z.B. Frendlinkt) durch die Anordnung von jeweils paarweise nebeneinanderliegenden, in Differenz geschalteten Meßfühlern unserrlrücken lassen, wobei es zugleich möglich ist, durch geeignete Wahl der Parameter b1, b2, k1, k2 und 1 in einfacher Weile eine optimale Anpassung an die jeweilige Oberflärhenstruktur zu erzielen.
Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert: Fig. 1 zeigt zwei parallel angeordnete Meßfühler M1 und M2, deren Abtastflächen A1 und A2 senkrecht zur x, z-Ebene liegen.
Die abzutastende Oberfläche 0 bewegt sich mit der Geschwindigkeit v in x - Richtung. Die an der Oberfläche reflektierten Signale (elektromagnetische Strahlung, Laserlicht, Schall etc.) E1 (t) u. E2 (t) gelangen über die Abtastflächen A1 und A2 als Eingangssignale in die beiden Meßfühler M1 und M2 und werden in elektrische Ausgangssignale sn (t) und s2 (t) umgewandelt. Nach Verstärkung um den Faktor k1 bzw. k2 wird hieraus in einer Differenzschaltung D das Ausgangssignal u (t) = k1 S1 (t) - k2 S2 (t) gewonnen. Dabei ist es prinzipiell gleichgültig, ob die abzutastende Oberfläche oder das Meßfühlerpaar als ruhend betrachtet werden, da nur die Relativgeschwindigkeit von Bedeutung ist.
Figur 2 zeigt die auf die rechteckigen Abtastflächen A1 und A2 bezogenen geometrischen Verhältnisse in der x,y-Ebene.
Mit b1 und b2 ist jeweils die Breite und mit c die Höhe der Rechtecke A1 und A2 bezeichnet. Der Abstand ihrer Mittellinien beträgt 1.
Die Wirkung eines derart räumlich begrenzten Meßfühlerpaares läßt sich durch eine Aperturfunktion a (x,y) beschreiben, die innerhalb der Abtastflächen den Wert 1 und außerhalb den Wert Null hat.
Für die in Differenz geschalteten Meßfühler M1 und M2 mit den Aperturfunktionen a1 (x,y) und a2 (x,y) gilt dann insgesamt unter Berücksichtigung der Verstärkungsfaktoren k1 und k2 a (x,y) = k1 a1 (x,y) - k2 a2 (x,y) (1) Die Fourierdarstellung dieser Funktion lautet mit der Fouriertransformierten (bezogen auf rechteckförmige 4S p Abtastflächen) Die Funktion IA (mx, my) stellt den sog. "Ortsfrequenzgang" dar (vgl. I.A. Jamieson u.a. : Infrared Physics and Engeneering.
Mc Graw-Hill 19'j3) mit den 'tOrtsfrequenzen" mx und (Dimension: Anzahl der Schwingungen pro Längeneinheit).
Bei der Bewegung der abgetasteten Oberfläche in x -Richtung mit der Geschwindigkeit v besteht zwischen der Ortsfrequenz und der (zeitlichen) Frequenz f des Ausgangssignals u (t) die Beziehung f =mx v.
Wie aus (3) ersichtlich, gilt für den Fall k1 b1 = k2 b2 (4) lim A (mx, mm) = o (5) y Folglich wirkt das in Differenz geschaltete Meßfühlerpaar M1, M2 bei geeigneter Wahl der Parameter k1, k2, b1 und b2 gemäß (4) in x- Richtung als Hochpaß, so daß Gleichsignalanteile unterdrückt werden.
Manchmal treten in der Praxis spezielle Oberflächenstrukturen, insbesondere periodische (also nicht rein statistische Oberflächenstrukturen auf, wie z.B. bei gewebten Textilien, bei Wellpappe oder bei geriffeltem Walzgut. Wenn dann die Ortsfrequenz dieses periodischen Anteils zufällig gleich oder fast gleich einer Nullstelle des Ortsfrequenzgangs wird, treten undefinierte Verhältnisse auf. In diesem Fall ist es günstiger, die Form des Ortsfrequenzgangs so zu verändern, daß die Nullstellen mit Sicherheit einen genügenden Abstand von den Ortsfrequenzen der periodischen Anteile haben.
Die Form des Ortsfrequenzgangs läßt sich dadurch verändern, daß man die Breiten b1, b2 und die Faktoren k1, k2 in einem geeigneten Verhältnis zum Abstand 1 wählt. Die unabhängig davon angestrebte Hochpaßwirkung bleibt dabei erhalten, wenn man dieBjEng k1. b1 = k2 . b2 einhält.
Prinzipiell können die Abtastflächen auch beliebig geformt sein. Es ergeben sich dann aber kompliziertere Ausdrücke für die Fouriertransformierte A (mx) my). Die Gleichsignalunterdrückung (A (o,o) - o) ist dabei in jedem Falle realisierbar.

Claims

Patentanspruch Meßfühler zur berührungslosen Abtastung bewegter Oberflächen mit Gleichsignalunterdrückung im Ausgangssignal, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster Meßfühler (M1) mit einen ersten Ausgangssignal (s1) und ein zweiter Meßfühler (M2) mit einem zweiten Ausgangssignal fs) vorgesehen sind, welche rechteckförmige Abtastflächen (A1 =b1 c; A2 = bp c) unterschiedlicher Breite b1 und b2 besitzen, die räumlich derart angeordnet sind, daß die Abtastflächen (A1, A2) in einer Ebene liegen und die Seiten (b1, b) unterschiedlicher Breite parallel zur Bewegungsrichtung der abzutastenden Oberfläche bzw. derMeßfühler abstand 1 ausgerichtet sind, und daß aus dem um einen ersten Faktor k1 verstärkten ersten Ausgangssignal (S1) und dem um einen zweiten Faktor k2 verstärkten zweiten Ausgangssignal (s2) ein Differenzsignal ( u = k1 sl k2 S2) als Ausgangssignal des Meßfühlerpaares (M1 M2) gebildet wird, wobei zwischen den Rechtecksbreiten b1 und b2 und den Faktoren k1 und k2 die Relation k 1 b1 = k2 b2 besteht und wobei b1, b2, k1, k2, 1 in geeigneter Weise an spezielle Oberflächenstrukturen angepaßt werden.