DE3340924C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Bewegungsgrößen eines bewegten Objektes der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art.

Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der Zeitschrift "Feinwerktechnik & Meßtechnik", 83, 1975, Heft 7, Seite 330 bis 332, bekannt. Der Meßempfänger der bekannten Vorrichtung besteht im wesentlichen aus einer Linse, einem optischen Gitter mit N Spalten in äquidistanten Abständen und einer Vielzahl separater Optiken, die das durch die einzelnen Spalten fallende Licht auf N photoelektrische Empfänger fokussieren. Die mit diesem Meßempfänger ausgerichtete Vorrichtung kann nach einem gleichphasig oder alternativ nach einem gegenphasig arbeitenden Verfahren berührungslos die Geschwindigkeit einer vorbeilaufenden abgetasteten rauhen Oberfläche messen und zwischen zwei einander um 180° entgegengesetzten Richtungen diskriminieren, mit denen die rauhe Oberfläche am Meßempfänger vorbeigeführt wird.

Mit der bekannten Vorrichtung ist keine zweidimensionale Richtungserkennung möglich. Weiterhin ist der Aufbau des Meßempfängers mit einem optischen Gitter und einzeln zugeordneten justierten Spaltoptiken optisch und mechanisch aufwendig und damit noch immer mechanisch störanfällig aufgebaut. Durch die Benutzung des Gitterrasters, das überdies bei gegenphasiger Bewertung des Ausgangssignals des Meßsensors den Zugriff zu nur zwei Summensignalen ausnutzen kann, vermindert sich zudem die in der Auswertung nutzbare Auflösung des Meßempfängers.

Schließlich ist aus der deutschen Auslegeschrift DE 23 25 157 B2 ein Horizontlagensensor bekannt, der zwar eine gut auflösende Richtungserkennung bei einfachem Aufbau des Sensors, dafür aber keine Geschwindigkeitsmessung gestattet.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung eine Vorrichtung anzugeben, die ohne Gitter- und Prismenraster mit einfachen optischen Mitteln Geschwindigkeit und Richtung der Bewegung eines Objekts und ggf. den zurückgelegten Weg des Objekts zu bestimmen ermöglicht.

Diese Aufgabe ist bei einer Vorrichtung der eingangs genannten Art durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 genannten Merkmale gelöst.

Der wesentliche Grundgedanke der Erfindung beruht also darauf, die Wandler des Sensors jeweils zu Vierergruppen zusammenzufassen und aus den aus dieser Gruppe erhaltenen vier Wandlersignalen für jede zu erfassende Bewegungskomponente mindestens zwei phasenverschobene periodische Meßsignale zu bilden, aus deren Frequenz die Geschwindigkeit und aus deren Phasenlage die Bewegungsrichtung ableitbar sind.

Als Wandler werden vorzugsweise Reihen oder Matrizen von Photodioden, die im folgenden kurz als "Dioden" bezeichnet sind, verwendet. Dabei sind die einzelnen Dioden jeweils entsprechender Position in den Wandlergruppen jeweils zueinander parallel geschaltet.

Die Erfindung ist im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch die generelle Anordnung der Meßvorrichtung;

Fig. 2 eine Diodenreihe als opto-elektrischen Wandler für eine Bewegungskomponente;

Fig. 3 die Schaltung des Wandlers mit Vorverstärkern;

Fig. 4 den Verlauf verschiedener Signale in Funktion der Bewegung eines Lichtfleckes längs des Wandlers;

Fig. 5 eine Schaltung zur Bildung von Summen und Differenzen von Wandlersignalen;

Fig. 6 eine logische Schaltung zur Bestimmung der auf die Bewegungsrichtung bezogenen Signale;

Fig. 7 Eingangs- und Ausgangssignale der Schaltung nach Fig. 6; und

Fig. 8 schematisch einen Wandler zur Erfassung zweier Bewegungskomponenten.

Fig. 1 zeigt, wie ein flaches Objekt 1, das in der Ebene XY beweglich ist, durch eine schematisch dargestellte Optik 2 auf einen opto-elektrischen Wandler 3 abgebildet wird. Da Bewegungen des Objektes 1 in beiden Richtungen XY erfaßt werden sollen, ist der in Fig. 1 dargestellte Wandler 3 als quadratische Diodenmatrix der in Fig. 8 angedeuteten Art ausgebildet. Diese Matrix ist in Fig. 1 quasi auf das Objekt 1 abgebildet dargestellt. Die Dioden sind in quadratischen Gruppen von je 16 Dioden zusammengefaßt. Es wird später noch kurz darauf eingegangen, wie eine Geschwindigkeitsmessung oder Wegmessung in zwei Richtungskomponenten erfolgen kann.

Zur Erläuterung der Grundgedanken der Erfindung wird jedoch vorderhand anhand der Fig. 2 bis 7 ein einfacheres Beispiel zur Erfassung der Geschwindigkeit beziehungsweise des Wegs eines Objektes in einer Richtung erläutert. Die Meßvorrichtung ist gleich aufgebaut wie diejenige nach Fig. 1, doch tritt anstelle der Diodenmatrix 3 eine Diodenreihe 3 a gemäß Fig. 2. Diese Diodenreihe liegt parallel zu der zu erfassenden Richtung, beispielsweise der Richtung X, d. h., Bildpunkte des sich vor der Optik 2 bewegenden Objektes 1 wandern in Längsrichtung über die Diodenreihe. Bildpunkte unterschiedlicher Helligkeit verursachen damit in den Dioden variable Signale, wobei je ein Punkt beziehungsweise Signal mit der Geschwindigkeit des Objektes proportionaler Geschwindigkeit über die Diodenreihe läuft. Es treten damit in an sich bekannter Weise Züge periodischer Signale auf, deren Frequenz der Geschwindigkeit des Objektes proportional und der Breite je einer Diode umgekehrt proportional ist. Wie in Fig. 2 angedeutet und in Fig. 3 gezeigt ist, sind die Dioden der Reihe je in Gruppen von vier aufeinanderfolgenden Dioden A, B, C, D geschaltet, wobei alle Dioden A, alle Dioden B, alle Dioden C und alle Dioden D je parallel geschaltet sind. Es entstehen damit vier Ausgänge A, B, C, D, die je einen Operationsverstärker 4 enthalten. Die Ausgänge nach Fig. 3 sind gemäß Fig. 5 mit Additions- und Subtraktionsschaltungen verbunden von welchen nur eine dargestellt ist. Aufbau und Arbeitsweise der Schaltung nach Fig. 5 sind ohne weiteres ersichtlich und sollen hier nicht näher erläutert werden.

Am Ausgang I tritt das Signal I wie folgt auf:

I = (A + B) - (C + D).

Eine zweite identische Schaltung, an deren Eingänge die Signale in der Reihenfolge B, C, A, D angelegt sind, liefert folgendes Signal:

II = (B + C) - (A + D).

Es werden also in einem Kanal je die Signale der zwei ersten Dioden A und B addiert, und es wird die Differenz zur Summe der Signale der beiden letzten Dioden C und D je einer Gruppe gebildet. Betrachtet man den Durchlauf eines Bildpunktes beziehungsweise eines Lichtflecks oder Schattenflecks über eine Gruppe von Dioden A-D als Periode T von 360° oder 2π ist ohne weiteres erkennbar, daß dann die Signale A + B und C + D in Gegenphase liegen. Aus der Differenz dieser Signale werden Komponenten wie z. B. die mittlere Helligkeit des betrachteten Objektausschnittes, welche nicht infolge des Durchlaufs von Bildpunkten herrühren, eliminiert. Man gewinnt damit ein Signal, welches nur die der zu erfassenden Bewegungsgeschwindigkeit proportionale Frequenz aufweist. Dasselbe gilt für das Signal II, welches jedoch bezogen auf die oben erwähnte Periode um 90° beziehungsweise π/2 verschoben ist. In Fig. 4 sind diese Verhältnisse veranschaulicht, wobei in Fig. 4 oben in vertikaler Richtung die Durchlaufzeit S eines Bildpunktes beziehungsweise die Längsrichtung der Diodenreihe aufgetragen ist, während in horizontaler Richtung verschiedene Positionen eines über die Diodenreihe wandernden Lichtpunktes 5 aufgezeichnet sind. Es leuchtet ein, daß für die erste Position des Lichtpunktes links unten das Signal A + B maximal, das Signal C + D minimal, das Signal B + C auf einem Mittelwert und das Signal A + D ebenfalls auf einem Mittelwert ist. Für die zweite Position von links des Bild- oder Lichtpunktes befinden sich die Signale A + B und C + D auf einem Mittelwert, während das Signal B + C einen Maximalwert und das Signal A + D einen Minimalwert aufweist. Es ist leicht einzusehen, daß damit die vier soeben erwähnten Signale je einen periodischen Verlauf haben, jedoch phasenverschoben sind. Die Signale A + B und C + D sowie die Signale B + C und A + D sind jeweils gegenphasig. Die Subtratkion dieser gegenphasigen Signale ergibt Signale gleicher Frequenz und doppelter Amplitude, wobei die oben erwähnten Störsignale eliminiert sind. Allerdings sind zur Vereinfachung der Darstellung diese Störsignale auch bei den Signalen A + B, C + D, B + C und A + D nicht dargestellt.

Man erhält also an den Ausgängen I und II der Schaltungen nach Fig. 4 die in Fig. 7 dargestellten phasenverschobenen Signale, die ebenfalls mit I und II bezeichnet sind. Diese Signale werden den Eingängen der logischen Schaltung nach Fig. 6 zugeführt. Da alle Schaltelemente dieser Schaltung klar dargestellt sind, erübrigt sich eine Beschreibung dieser Schaltung und ihrer Funktion. Es sei lediglich erwähnt, daß die UND-Tore 6 und 7 mit den jeweiligen RC-Eingängen und dem Inverter 8 jeweils anschließend an eine aufsteigende Flanke des Signals II bzw. anschließend an eine absteigende Flanke des Signals II einen Ausgangsimpuls relativ kurzer Dauer bis zur Entladung des Kondensators C abgeben, welcher mit der übrigen Logik darüber entscheidet, ob am Ausgang 9 oder am Ausgang 10 eine Impulsserie gemäß Fig. 7 erscheint. Die Vorzeichen "+" und "-" an den Ausgängen 9 und 10 deuten an, daß eine Impulsserie am Ausgang 9 Vorwärtslauf, eine Impulsserie am Ausgang 10 Rückwärtslauf anzeigt. Die beiden um eine Viertelperiode verschobenen Signale I und II gestatten die Unterscheidung zwischen Vor- und Rücklauf durch die logische Schaltung nach Fig. 6, indem bei Vorlauf (+) Impulse bei absteigendem Signal II und tiefen Signal I sowie bei aufsteigendem Signal II und hohem Signal I auftreten. Bei Rücklauf (-) treten demgegenüber Impulse bei aufsteigendem Signal II und tiefem Signal I und bei absteigendem Signal II und hohem Signal I auf. Wie erwähnt treten somit bei einer bestimmten Bewegungsrichtung nur an einem Ausgang 9 oder 10 Impulse auf, und diese Impulse zeigen nicht nur die Bewegungsrichtung durch ihr Vorhandensein, sondern auch die Geschwindigkeit durch ihre Frequenz an. In einem nichtdargestellten Vor- und Rückwärtszähler können die am Ausgang 9 erscheinenden Impulse addiert und die am Ausgang 10 erscheinenden Impulse subtrahiert werden, so daß der Zählerstand eine Aussage über den gesamten Weg des Objektes erlaubt. In einer weiteren, nichtdargestellten und an sich bekannten Schaltung kann aus der jeweiligen Impulsfrequenz sei es eines Signals I oder II, sei es aus einem Signal an einem der Ausgänge 9 oder 10, auf die momentane Geschwindigkeit des Objekts geschlossen werden. Es ist also möglich, die Bewegung des Objektes nach Richtung und Größe zu erfassen, wobei unter Größe sowohl die momentane Geschwindigkeit als auch der von einem bestimmten Zeitpunkt an vom Objekt zurückgelegte Weg verstanden wird. Auch können Mittelwerte zur Erfassung einer mittleren Geschwindigkeit gebildet werden.

Während in Fig. 2 nur drei Gruppen von je vier Wandlern dargestellt sind, werden praktisch wesentlich längere Wandlerreihen verwendet, die entsprechend in Vierergruppen geschaltet sind.

Zur Ausführungsform nach Fig. 8 mit Diodenmatrix sei lediglich erwähnt, daß die dort jeweils mit gleichen Nummern bezeichneten Dioden zusammengeschaltet sind. Gemäß dem Obenstehenden werden dann sowohl in X-Richtung als auch in Y-Richtung entsprechende phasenverschobene Bereiche ausgewertet, um phasenverschobene Signale I _x und II _x beziehungsweise I _y und II _y zu erhalten, anhand welcher beide Bewegungskomponenten nach Größe und Richtung erfaßt werden können. Rechnerisch heißt dies:

I _x = (11 + 21 + 31 + 41) + (12 + 22 + 32 + 42) - [(13 + 23 + 33 + 43) + (14 + 24 + 34 + 44)]

II _x = (12 + 22 + 32 + 42) + (13 + 23 + 33 + 43) - [(11 + 21 + 31 + 41) + (14 + 24 + 34 + 44)]

I _y = (11 + 12 + 13 + 14) + (21 + 22 + 23 + 24) - [(31 + 32 + 33 + 34) + (41 + 42 + 43 + 44)]

II _y = (21 + 22 + 23 + 24) + (31 + 32 + 33 + 34) - [(11 + 12 + 13 + 14) + (41 + 42 + 43 + 44)].

Claims (6)

1. Vorrichtung zum berührungslosen Erfassen von Bewegungsgrößen eines bewegten Objekts (1) optisch differenzierter Struktur, mit einem optischen System (2) zur Abbildung des Objekts auf eine eindimensionale oder zweidimensionale Matrix optoelektrischer Wandler (3), in der Wandler mindestens einer Gruppe zur Erzeugung eines gemeinsamen Meß-Signals zusammengeschaltet sind, und mit einer Schaltung zur Auswertung des Meß-Signals, dadurch gekennzeichnet,
daß die Wandler (3) derart zu jeweils vier Gruppen (A = A 1, A 2, . . ., An; B = B 1, B 2, . . ., Bn; C = C 1, C 2, . . ., Cn; D = D 1, D 2, . . ., Dn) zusammengeschaltet sind,
daß für jede zu erfassende Bewegungsrichtung mindestens zwei phasenverschobene periodische Meß-Signale I = (A + B) - (C + D) und II = (B + C) - (A + D) gebildet werden, und
daß die Schaltung zur Auswertung dieser Signale Mittel zum Erfassen der Geschwindigkeit aus der Frequenz der Meß-Signale und Mittel zum Erfassen der Bewegungsrichtung aus der Phasenlage der Meß-Signale aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schaltung Mittel aufweist, um aus der Frequenz und Phasenlage der Meß-Signale bzw. aus der Geschwindigkeit und der Bewegungsrichtung auf den Weg des Objekts zu schließen.

3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß als Wandler Photodioden (A, B, C, D) vorgesehen sind, die in mehreren Gruppen von je vier angeordnet sind, wobei alle je in einer Gruppe an derselben Stelle liegenden Photodioden parallelgeschaltet sind.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Meß-Signale (I und II) zu Rechtecksignalen geformt und einer Logik (Fig. 6) zugeführt werden, welche an zwei Ausgängen je eine Bewegungsrichtung anzeigt.

5. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Logik zur Erfassung der Bewegungsrichtung einen Zähler steuert, welcher durch richtungsabhängiges Auszählen von Impulsen eine Wegmessung vornimmt.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 5 mit einer zweidimensionalen Matrix von Wandlern (3), dadurch gekennzeichnet, daß die Wandler jeder Gruppe in entsprechenden Zeilen (11, 12, 13, 14, . . . 41, 42, 43, 44) bzw. in entsprechenden Kolonnen (11, 21, 31, 41, . . . 14, 24, 34, 44) angeordnet und je miteinander verbunden sind, wobei die Ausgangssignale aus Zeilen von Wandlern zur Erfassung der Bewegungsgrößen in einer Koordinatenrichtung und die Ausgangssignale aus Kolonnen von Wandlern zur Erfassung der Bewegungsgrößen in der anderen Koordinatenrichtung dienen.