DE2544825A1

DE2544825A1 - Sensors for contactless scanning of moving surfaces - has identical signal suppression and band limitation on output signals compensating for surface irregularities

Info

Publication number: DE2544825A1
Application number: DE19752544825
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

Abstract

Measuring sensor for contactless scanning of moving surfaces has identical signal suppression and band limitation in the output signal. A first measuring sensor (M1) is provided with a first output signal (s1) and a second measuring sensor (M2) with a second output signal (s2). The measuring sensors have identically shaped scanning surfaces (A1, A2). A difference signal (u - s1 - s2) is formed as output signal (u) from the first (s1) and the second output signal (s2). The dimensions of the scanning surfaces yield the band limitation required. The scanning surfaces (a1, a2), of the parallel measuring sensors (M1, M2) are vertical to the x, z plane. The surface (O) to be scanned moves with the speed v in the x direction.

Description

Meßfühler mit Gleichsignalunterdriickung und Band-Sensor with DC signal suppression and tape

begrenzung Die Erfindung betrifft einen Meßfühler zur berührungslosen Abtastung bewegter Oberflächen mit Gleichsignalunterdrückung und Bandbegrenzung im Ausgangssignal.limitation The invention relates to a sensor for contactless Scanning of moving surfaces with DC signal suppression and band limitation in the output signal.

Derartige Meßfühler finden insbesondere Anwendung in der Korrelationsmeßtechnik.Such sensors are used in particular in correlation measurement technology.

Es ist beispielsweise eine Anordnung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit eines Objektes bekannt (vgl. DT-PS 21 73 942), 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 schwankende elektrische Signale u1 (t) und u2 (t) erzeugen, die im Idealfall von identische.It is, for example, an arrangement for non-contact measurement of the Speed of an object known (see DT-PS 21 73 942), for example in the case of the optical scanning two photocells arranged one behind the other in the direction of movement (as a measuring sensor) scan the surface of the moving object and as a result of the roughness generate statistically fluctuating electrical signals u1 (t) and u2 (t) on the surface, which ideally of identical.

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 Meßfühierabstand dann die Geschwindigkeit des bewegten Obåektes errechnet werden kann. Dabei sind hohe Frequenzen der abgetasteten Signale u1 (t) bzw. u2 (t) wünschenswert, um ein schnelles Ansprechen des Korrelators zu erreichen. Andererseits ist es unerwünscht, daß das Spektrum und damit die Korrelationsfunktion u u der abgetasteten Signale sich in ihrer Form während des Betriebs in Folge veränderlicher Oberilächenstrukturen mit ändern.Form, but occur shifted from one another by the running time T: u2 (t) = u1 (t - T) With the help of the downstream correlator this transit time T is determined, so that the speed is then determined from the known measuring distance of the moving object can be calculated. Here are high frequencies of the sampled Signals u1 (t) or u2 (t) are desirable for a quick response of the correlator to reach. On the other hand, it is undesirable that the spectrum and thus the correlation function u u The shape of the sampled signals changes as a result during operation Change surface structures with.

Es ist deshalb einerseits notwendig, den hohen Gleichanteil, wie er z.B. bei optischen Meßfühlern infolge des starken Gleichlichtes auftritt, zu unterdrücken und andererseits eine Bandbegrenzung nach oben hin vorzunehmen.It is therefore necessary, on the one hand, to have the high proportion of equal parts, like him e.g. occurs in optical sensors as a result of the strong constant light and on the other hand to set a band limit upwards.

Beide Aufgaben lassen sich mit Hilfe von elektronischen Filtern lösen, jedoch sind damit erhebliche Nachteile veffiunden. Beispielsweise haben Hochpaßfilter den Nachteil, daß sie bei größeren Änderungen des Gleichanteils eine lange Einschwingzeit aufweisen und zudem leicht in die Sättigung geraten.Both tasks can be solved with the help of electronic filters, however, there are considerable disadvantages to this. For example, have high pass filters the disadvantage that it takes a long settling time with larger changes in the DC component and also easily saturate.

Darüber hinaus ist die (zeitliche) Frequenz im Ausgangssignal eines Meßfühlers abhängig von der Oberflächenstruktur und der Geschwindigkeit dieser Oberfläche relativ zum Meßfühler. Eine Bandbegrenzung nach oben hin könnte also mit elektronischen Filtern nur geschwindigkeitsabhängig vorgenommen werden.In addition, the (temporal) frequency in the output signal is a Sensor depending on the surface structure and the speed of this surface relative to the probe. An upper band limit could therefore be achieved with electronic Filter only depending on the speed be made.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es deshalb, eine Maßnahme anzugeben, die es gestattet, bei den bekannten Meßfühlern unter Vermeidung der genannten Nachteile, auch ohne elektronische Filter eine Unterdrückung des Gleichanteils sowie eine Bandbegrenzung zu hohen Frequenzen hin im Ausgangssignal zu erreichen.The object of the present invention is therefore to provide a measure which allows, with the known sensors, avoiding the disadvantages mentioned, A suppression of the DC component and a band limitation even without electronic filters to reach high frequencies in the output signal.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch genannte Erfindung gelöst.This object is achieved by the invention mentioned in the claim solved.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil liegt insbesondere darin, daß sich geschwindigkeitsunabliängig und ohne Einschwingzeit der hohe Gleichanteil sowie sonstige, unerwünschte Gleichtaktsignale (bei optischen Meßfühlern z.B. Fremdlicht) durch die Anordnung von jeweils paarweise nebeneinanderliegenden, in Differenz geschalteten Meßfühlern unterdrücken lassen, wobei gleichzeitig eine Bandbegrenzung zu hohen Frequenzen hin, ebenfalls geschwindigkeitsunabhängig, erreicht wird.The advantage achieved by the invention is in particular that The high DC component is independent of the speed and without settling time other, unwanted common-mode signals (with optical sensors e.g. extraneous light) by arranging them in pairs next to each other, switched in difference Let sensors suppress, while at the same time a band limitation too high Frequencies out, also independent of speed, is reached.

Im folgenden wird ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung anhand der Fig. 1 bis 3 näher erläutert.In the following, an embodiment according to the invention is based on 1 to 3 explained in more detail.

Figur 1 zeigt zwei parallel angeordnete Meßfühler M1 und M2, deren identisch geformte >btastflächen 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 Laserlich, Schall etc.) E1 (t) und E2 (t) gelangen über die Abtastflächen A1 und A2 als Eingangssignale in die beiden Meßfühler M1 und M2 und werden in elektrische Ausgangssignale S1 (t) und s2 (t) umgewandelt. In einer Differenzschaltung D wird hieraus das Ausgangssignal u (t) S1 (t) - 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.Figure 1 shows two parallel sensors M1 and M2, whose Identically shaped button areas A1 and A2 are perpendicular to the x, z plane. The surface 0 to be scanned moves at the speed v in the x direction. The signals reflected on the surface (electromagnetic radiation, laser, Sound etc.) E1 (t) and E2 (t) arrive via the scanning surfaces A1 and A2 as input signals into the two sensors M1 and M2 and are converted into electrical output signals S1 (t) and s2 (t) converted. In a differential circuit D, this becomes the output signal u (t) S1 (t) - s2 (t) obtained. In principle, it does not matter whether the Surface or the pair of sensors can be regarded as stationary, since only the relative speed matters.

Figur 2 zeigt die auf beispielsweise rech«Ykige Abtastflächen A1 und A2 bezogenen geometrischen Verhältnisse in der x, y -Ebene. Mit b ist die Breite und mit c die Höhe der Rechtecke A1 und A2 bezeichnet. Der bestand ihrer Mittellinien beträgt 1.FIG. 2 shows the scanning surfaces A1 and A1, which are rectangular, for example A2 related geometric relationships in the x, y -plane. With b is the width and with c denotes the height of the rectangles A1 and A2. That consisted of their center lines is 1.

Die Wirkung eines derart räumlich begrenzten Neßfühlerpaares läßt sich durch eine Aperturfunktion a (x, y) beschreiben, die innerhalb der Abtastflächçn den Wert 1 und außerhalb den wert Null hat.The effect of such a spatially limited pair of sensors can can be described by an aperture function a (x, y) that lies within the scanning area has the value 1 and outside the value zero.

Für die in Differenz geschalteten Meßfühler M1 und M2 mit den Aperturfunktionen a1 (x, y) und a2 (x, y) gilt dann insgesamt a (x,y) = a1 (x,y) - a2 (x,y) (1) Die Fourierdarstellung dieser Funktion lautet mit der Fouriertransormierten für den Spezialfall rechteckförmiger Abtastflächen Die Funktion (A (mx, my)I stellt den sog. "Ortsfrequenzgang" dar (vgl. I.A. Jamieson u.a.: Infrared Physics and Engeneering.For the differential sensors M1 and M2 with the aperture functions a1 (x, y) and a2 (x, y) then a (x, y) = a1 (x, y) - a2 (x, y) (1 ) The Fourier representation of this function is with the Fourier transform for the special case of rectangular scanning surfaces The function (A (mx, my) I represents the so-called "spatial frequency response" (cf. IA Jamieson et al: Infrared Physics and Engineering.

Mc Graw-Hill 1963) mit den "Ortsfrequenzen" mx und my (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 = m v Für den allgemeinen Fall beliebig geformter (jedoch untereinander identischer) Abtastflächen A1 und A2 lautet die Fouriertransformierte von (2) wobei A(1) (m, my) die fouriertransformierte Aperturfunktion einer beliebig geformten Abtastfläche A1 darstellt und lx die Verschiebung der dazu identischen Fläche A2 in x-Richtung gegenüber dem Koordinatenursprung.Mc Graw-Hill 1963) with the "spatial frequencies" mx and my (dimension: number of oscillations per unit of length). When the scanned surface moves in the x - direction at speed v, the relationship f = mv exists between the spatial frequency and the (temporal) frequency f of the output signal u (t) A2 is the Fourier transform of (2) where A (1) (m, my) represents the Fourier-transformed aperture function of an arbitrarily shaped scanning surface A1 and lx the displacement of the identical surface A2 in the x-direction with respect to the coordinate origin.

Den Verlauf des Ortsfrequenzganges in m - Richtung In (mx,m const.)| zeigt Figur 3.The course of the spatial frequency response in the m direction In (mx, m const.) | Figure 3 shows.

Wie aus (3) und (4) ersichtlich, ist Die Anordnung wirkt als Hochpaß, und zwar unabhängig von der Relativgeschwindigkeit v und ohne Einschwingzeit.As can be seen from (3) and (4) The arrangement acts as a high-pass filter, regardless of the relative speed v and without a settling time.

Wie weiterhin aus (3) zu entnehmen ist, werden die Nullstellen des Ortsfrequenzganges nach Figur 3 mit wachsenden b bzw.As can also be seen from (3), the zeros of the Spatial frequency response according to Figure 3 with increasing b or

l-Werten nach links verschoben. Eine Bandbegrenzung kann also dadurch erreicht werden, daß man die Nullstelle mx (grenz) in Figur 3 z.B. durch größere Spaltbreiten b kleiner als die die unerwünschten Schwankungen verursachenden Ortsfrequenzen der abzutastenden Oberfläche macht.l-values shifted to the left. A band limitation can thus be achieved can be achieved that the zero point mx (limit) in Figure 3, e.g. by larger Gap widths b smaller than the spatial frequencies causing the undesired fluctuations the surface to be scanned makes.

Claims

Patent claim sensor for contactless scanning of moving surfaces with DC signal suppression and band limitation in the output signal, characterized in that that a first sensor (1) with a first output signal (S1) and a second Sensor (M2) with a second output signal (s2) are provided, which are identical have shaped scanning surfaces (A2), and that from the first output signal (S1) and the second output signal (s2) \ a difference signal (u = s1 -as output signal (u) is formed, the dimensions of the scanning areas being the desired band limit result.