DE3833659A1 - Verfahren und einrichtung zum beruehrungslosen geschwindigkeitsmessen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine optoelektrische Einrichtung zum berührungslosen Geschwindigkeitsmessen an bewegten Objekten mit festen Oberflächen.

Die derzeit bekannten Verfahren zum berührungslosen - in der Regel optischen - Geschwindigkeitsmessen an festen Oberflächen sind nur gewissen Meßbedingungen erfolgreich einsetzbar.

Beispielsweise erfordert das Differenz-Doppler-Verfahren - auch Kreuz­ strahlverfahren genannt - einen beinahe konstanten Meßabstand, da die Meßoberfläche ständig im Kreuzungsbereich zweier von einer Laserlichtquelle stammenden Lichtstrahlen bleiben muß, um ein auswertbares Meßsignal zu er­ halten (Österr. Pat. 3 78 267).

Das Korrelationsverfahren, bei dem die objekteigene oder von Fremdlicht­ quellen stammende und rückgesteuerte elektromagnetische Strahlung zweier be­ nachbarter, in Bewegungsrichtung um einen bestimmten Abstand versetzter Punkte der Meßoberfläche optisch abgetastet und die Korrelationsfunktion der beiden stochastisch schwankenden Signale gebildet wird, versagt, wenn zusätzliche Querbewegungen des Meßobjektes auftreten.

Beim Interferenzverfahren (auch "speckles-Verfahren" genannt) wird die be­ wegte Oberfläche mit monochromatischen Licht belichtet und das reflektierte Licht eines Bildes im Fleckmuster (speckles) wird von einem hinter einem Strichgitter angeordneten Photoempfänger registriert (US Patent 34 32 237 (1969), US Patent 35 25 569 (1970)). Dieses Verfahren liefert falsche Er­ gebnisse, wenn die Meßoberfläche nicht ausschließlich linear bewegt wird, sondern rotiert oder kippt.

Alle oben genannten Meßbedingungen sind in der industriellen Meßpraxis schwer erfüllbar, da das Meßgut seine räumliche Lage oft stetig verändert und dabei sowohl der Meßabstand variiert als auch zusätzliche Bewegungen in bezug auf die Meßeinrichtung entstehen.

Zweck der vorliegenden Erfindung ist es ein Verfahren und eine Einrichtung zu schaffen, welche es ermöglichen auf einfache Weise Geschwindigkeiten von bewegten Meßobjekten mit festen Oberflächen auch in stark variierenden Meßabständen und in räumlichen Lageänderungen des Meßobjektes in bezug auf die Meßeinrichtung berührungslos zu erfassen.

Erfindungsgemäß wird dieser Zweck dadurch erfüllt, daß mit Hilfe einer optischen Sendeeinrichtung auf die Meßoberfläche ein Lichtlinienmuster (Strich- oder Gittermuster) mit konstantem Linienabstand auf die Oberfläche des Meßobjektes projiziert und das rückgestreute Licht von einem optoelek­ tronischen Empfangssystem erfaßt wird. Anstelle des sichtbaren Lichtes kann auch eine andere Art der elektromagnetischen Strahlung insbesondere die Infrarotstrahlung verwendet werden.

Das immer vorhandene Rauhtiefengebirge der Meßoberfläche erzeugt beim Passieren des Lichtlinienmusters ein frequenzmoduliertes optisches Signal. Die Frequenz f dieses von der Meßoberfläche rückgestreuten Signals ist pro­ portional der Objektgeschwindigkeit ₁ quer zu den Lichtlinien gemäß der Beziehung
f = v ₁/d worin der Lichtlinienabstand ist.

Ein Lichtlinienmuster läßt sich zweckmäßigerweise mit einem aufgefächerten, aus mehreren, zumindest in einem größeren Meßentfernungsbereich getrennt voneinander, jedoch parallel und mit gleichen Abständen zueinander verlau­ fenden Teilstrahlen bestehendem Lichtbündel projizieren, welches auf das Meßobjekt im wesentlichen normal zu seiner Bewegungsrichtung und zur Ober­ fläche gerichtet wird. Wird das Meßobjekt nicht exakt senkrecht zu den pro­ jizierten Lichtstreifen bzw. zu dem Lichtbündel bewegt, dann ist der da­ durch entstehende Fehler dem Cosinus des Fehlerwinkels proportional und be­ einträchtigt die Genauigkeit nur wenig.

Das frequenzmodulierte Lichtsignal wird von einem geeigneten opto­ elektronischen System empfangen, gegebenenfalls verstärkt und gefiltert so­ wie dann in einem vorzugsweise extern angeordneten Prozessor ausgewertet.

Die mit der Erfindung erzielbaren Vorteile bestehen insbesondere darin, daß durch die in einem größeren, praktisch mehr als dutzendfach die Dicke des Strahlbündels überschreitenden, von der Ausführung der Sendeoptik abhän­ gigen Meßentfernungsbereich die Teilstrahlen des Lichtbündels parallel und mit gleichen Abständen zueinander verlaufen die Messung abstandsunabhängig wird solange die Meßoberfläche in dem erwähnten Meßentfernungsbereich der Meßeinrichtung bleibt.

Quer- bzw. Kipp- oder Rotationsbewegungen der Meßoberfläche verursachen keine Meßfehler, da nur die in der Auffächerungsrichtung des Meßstrahles liegende Geschwindigkeitskomponente ein Frequenzsignal verursacht.

Eine Einrichtung zum Geschwindigkeitsmessen nach dem oben geschilderten Prinzip enthält folgende Funktionsgruppen:

• - eine intensive Lichtquelle, vorzugsweise einen Dauerstrichlaser, eine Laserdiode oder eine Halogenlampe bzw. eine leistungsstarke Leuchtdiode
• - ein Element zum räumlichen Auffächern des Lichtstrahles,
• - eine Sendeoptik zur parallelen Projektion des aufgefächerten Licht­ strahles auf die Oberfläche des bewegten Objektes,
• - eine Empfangsoptik zum Erfassen des vom Meßobjekt rückgestreuten Lichtes,
• - einen Fotoempfänger zum Umwandeln des empfangenen Lichtes in ein elektrisches Signal,
• - einen Signalprozessor.

Die Fig. 1 bis 4 zeigen schematisch vier besonders vorteilhafte Anord­ nungen zum Geschwindigkeitsmessen mit Hilfe eines projizierten Licht­ musters. Die nachfolgenden Beschreibungen beziehen sich auf Einrichtungen mit einer Lichtquelle es sind jedoch auch andere Strahlungsquellen, insbe­ sondere Infrarotquellen denkbar.

In dem in Fig. 1 dargestellten Aufbau wird von der Lichtquelle (1), vor­ zugsweise einer Laserlichtquelle stammende Strahl (2) mittels einer op­ tischen Strichgitterplatte (3) aufgefächert. In dem Aufbau nach Fig. 2 bzw. 3 dagegen mit einem Stufenspiegel (4) oder mehrfachen Strahlenteiler (5).

Eine im Strahlengang unmittelbar hinter dem Auffächerungselement (3) bzw. (4) oder (5) angeordnete Sendeoptik (6) mit einem telezentrischen - System zweier Linsen (7, 8) ähnlich dem Kepler'schen Fernrohr mit der im gemein­ samen Brennpunkt angebrachten Blende (9), wobei vorzugsweise die Ein­ trittslinse (7) eine Zylinderlinse und die Austrittslinse (8) eine Zylin­ der- oder Plankonvexlinse ist, liefert ein aus - zumindest in einem be­ stimmten größeren Meßentfernungsbereich - getrennt voneinander jedoch parallel und mit gleichen Abständen zueinander verlaufenden Teilstrahlen, bestehendes Lichtbündel (10), welches auf die feste Oberfläche des bewegten Meßobjektes (11) gerichtet, dort ein Lichtlinienmuster erzeugt.

In der in Fig. 4 dargestellten Anordnung wird ein aus mehreren getrennt voneinander, jedoch parallel und mit gleichen Abständen zueinander verlau­ fenden Teilstrahlen bestehendes Lichtbündel nach dem Interferenzprinzip durch überlagern zweier von derselben Laserlichtquelle (1) stammenden, im Teilstrahler (12) erhaltenen und an einem feststehenden (13) bzw. einem justierbaren (14) Spiegeln reflektierten Teilstrahlen erzeugt.

Das vom Meßobjekt rückgestreute Licht wird von der Empfangsoptik (14) er­ faßt und vom Fotoempfänger (15) in ein elektrisches Signal umgewandelt. In Fig. 2, 3 und 4 ist die Empfangsoptik (14) neben der Sendeoptik (6) ange­ ordnet. In Fig. 1 dagegen ist die Empfangsoptik mit der Sendeoptik inte­ griert durch einen Umlenkspiegel (16) mit einer Durchtrittsöffnung für das Sendestrahlbündel.

In den Fig. 5 bis 8 ist eine besonders vorteilhafte Konstruktion eines nach dem Verfahren des projizierten Strichgitters arbeitenden laseroptischen Ge­ schwindigkeitsmeßkopfes dargestellt. Dieses Gerät besteht aus einem biege- und torsionssteifen Kasten mit insgesamt sechs Längsplatten (17 bis 22), die über vier Querstege (23 bis 26) verbunden sind. Nach Abnehmen der drei Längsplatten (20, 21, 22) ist das innere des Gerätes zur Montage, Justierung bzw. Reparatur bequem zugänglich. In koaxialen Ausnehmungen der Stege (27 bis 30) sind die Laserlichtquelle (1) bzw. die Sende- und Empfangsoptik (6, 14, 16) montiert. An den Stegen (24, 26) sind koaxial zu den Ausnehmungen (28, 30) zwei Tragringe (31, 32) montiert. In jedem der beiden Tragringe sind drei radial gerichtete und im Winkel von 120° zueinander stehende Stell­ schrauben (33) vorgesehen, die mit ihren nach innen gerichteten Enden die Laserlichtquelle fixieren und ausrichten lassen. Der vordere, dem Meßgut zugewandte Steg (23) trägt die Sende- und Empfangsoptik. Das Gehäuse der Sende- und Empfangsoptik (34) weist eine kalibrierte Längs- und eine Quer­ bohrung (35, 36) auf, deren Achsen in einer gemeinsamen Ebene liegen. Im vorderen Gehäuseteil ist die Frontlinse (8) der Sende- und Empfangsoptik montiert.

Im hinteren Bereich der Längsbohrung (35) ist die optische Strichgitter­ platte (3) mit der unmittelbar dahinter liegenden zylindrischen Linse (7) der Sendeoptik angeordnet. Die optische Strichgitterplatte und die Zylinderlinse sind in einer gemeinsamen Fassung (37) montiert und in der Längsbohrung drehbar gelagert. Durch Verdrehen der Fassung (37) kann die Lage des projizierten Lichtstreifenmusters verändert und somit die ge­ wünschte Meßrichtung der Geschwindigkeit eingestellt werden. Im gemeinsamen Brennpunkt der beiden Linsen (7, 8) befindet sich die Blende (16). Im hinte­ ren Teil ist das Gehäuse radial zur Längsbohrung und bis zur Querbohrung geschlitzt und mit Spannschrauben (38) versehen, mit dessen Anziehen die Elemente (9, 16, 37) der Sende- und Empfangsoptik in ihrer einjustierten Lage festgehalten werden.

Im unteren Teil der Querbohrung (36 ist der Umlenkspiegel (16) in Form eines Zylinderkörpers in Achsrichtung verschiebbar und verdrehbar gelagert. Der Zylinderkörper hat eine um 45° zur Längsachse geneigte Spiegelfläche (39), welche vorzugsweise durch Aufspatten einer Goldschicht gefertigt wird. Der Umlenkspiegel weist des weiteren eine radiale Querbohrung (40) kleinen Durchmessers auf, deren Achse einen Winkel von 45° mit der Spiegelfläche bildet und diese in der Längsachse der Zylinderfläche schnei­ det.

Im oberen Teil der Querbohrung (36) ist das Gehäuse (41) der Empfangs­ elektronik mit dem Fotoempfänger zentriert. Die Empfangselektronik ist über eine elektrische Leitung mit dem an der oberen Längsplatte (20) der Trag­ rahmen montierten Vorverstärker und Filter (42) verbunden. An dieser Platte ist ebenfalls das Lasernetzteil (43) montiert.

Claims (11)

1. Verfahren zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Meßobjektes mit fester Oberfläche, dadurch gekennzeich­ net, daß mit Hilfe einer optischen Sendeeinrichtung ein elektro­ magnetisches Strahlenlinienmuster mit konstantem Linienabstand - vorzugsweise ein Lichtstreifenmuster -, auf die Oberfläche des Meßobjektes quer zur Bewegungsrichtung projiziert, die vom Meßob­ jekt rückgestreute elektromagnetische Strahlung optoelektrisch erfaßt und deren Modulationsfrequenz zum Bestimmen der Objektge­ schwindigkeit quer zu den Linien des projizierten Musters heran­ gezogen werden.

2. Verfahren zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Meßobjektes mit fester Oberfläche nach Anspruch 1, da­ durch gekennzeichnet, daß zum Projizieren eines Strahlenlinien­ musters auf die Oberfläche eines Meßobjektes ein aus mehreren, zumindest in einem größeren Meßentfernungsbereich getrennt von­ einander jedoch parallel sowie mit gleichen Abständen zueinander verlaufenden Teilstrahlen bestehendes elektromagnetisches Strah­ lenbündel - vorzugsweise Lichtbündel, insbesondere Laserlichtbün­ del - verwendet wird, welches auf das Meßobjekt im wesentlichen normal zu seiner Bewegungsrichtung und zur Meßoberfläche gerich­ tet ist.

3. Einrichtung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes mit fester Oberfläche nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen eines aus mehreren, ge­ trennt voneinander, jedoch parallel und mit gleichem Abstand zu­ einander verlaufenden Teilstrahlen bestehenden Lichtbündels (10) - vorzugsweise eines Laserlichtbündels -, eine optische Strich­ gitterplatte (3) mit einer unmittelbar dahinter liegenden Sende­ optik (6) mit zwei telezentrisch - nach dem Prinzip des Kepler'schen Fernrohres - angeordneten Linsen (7, 8) und einer da­ zwischen in deren gemeinsamen Brennpunktbereich angebrachten Blende (9) verwendet wird, wobei vorzugsweise die Eintrittslinse (7) eine Zylinderlinse und die Austrittslinse (8) eine Zylinder- oder Plankonvexlinse ist.

4. Einrichtung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes mit fester Oberfläche nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen eines aus mehreren, ge­ trennt voneinander, jedoch parallel und mit gleichen Abständen zueinander verlaufenden Teilstrahlen bestehenden Lichtbündels (10) - vorzugsweise Laserlichtbündels - ein Stufenspiegel (4) oder eine optische Strichgitterplatte im Auflicht sowie eine daran anschließende Sendeoptik (6) mit zwei telezentrisch ange­ ordneten Linsen (7, 8) und einer in deren gemeinsamen Brennpunkt­ bereich angebrachten Blende (9) verwendet wird, wobei vorzugs­ weise die Eintrittslinse (7) eine Zylinderlinse und die Aus­ trittslinse (8) eine Zylinder- oder Plankonvexlinse ist.

5. Einrichtung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes mit fester Oberfläche nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen eines aus mehreren, ge­ trennt voneinander jedoch parallel und mit gleichen Abstand zu­ einander verlaufenden Teilstrahlen bestehenden Lichtbündels (10) ein mehrfacher Strahlenteiler (5) ggf. mit einer dahiner liegen­ den Sendeoptik (6) mit zwei telezentrisch angeordneten Linsen (6, 7) und einer dazwischen im gemeinsamen Brennpunktbereich ange­ brachten Blende (9) verwendet wird, wobei vorzugsweise die Ein­ trittslinse (6) eine Zylinderlinse und die Austrittslinse (8) eine Zylinder- oder Plankonvexlinse ist.

6. Einrichtung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Meßobjektes mit fester Oberfläche nach Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß zum Erzeugen eines aus mehreren, getrennt voneinander jedoch parallel und mit gleichem Abstand zu­ einander verlaufenden Teilstrahlen bestehenden Lichtbündels (10) eine interferometrische Anordnung verwendet wird, in der zwei von einem Strahlenteiler (12) kommende Teilstrahlen der Laserlicht­ quelle (1) nach Rückspiegelung an einem feststehenden (13) und an einem justierbaren Spiegel (14) überlagert werden.

7. Einrichtung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes mit fester Oberfläche nach den Ansprüchen 3 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strichgitterplatte (3) bzw. der mehrfache Strahlenteiler (5) und die unmittelbar dahin­ ter angeordnete Zylinderlinse (7) der Sendeoptik in einem im Ge­ häuse (34) der Sendeoptik (6) drehbar gelagerten gemeinsamen Auf­ nahmering (37) montiert sind, durch dessen Verdrehen die Lage der projizierten Lichtlinien und somit jede gewünschte Komponente der erfaßbaren Geschwindigkeit in bezug auf die Meßeinrichtung justiert werden kann.

8. Einrichtung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines bewegten Objektes mit fester Oberfläche nach den Ansprüchen 3, 4, 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die vom Meßobjekt rückge­ streute Strahlung von der Frontlinse (8) der Sendeoptik empfangen und mit Hilfe eines in der Achse der Sendeoptik zwischen den beiden Linsen (7, 8) angebrachten Umlenkspiegels (16) mit einer Durchtrittsöffnung (40) für das gesendete Strahlenbündel auf den Fotoempfänger gerichtet wird, wodurch das optoelektrische Empfangssystem (14) mit der Sendeoptik (6) integriert wird.

9. Optischer Meßkopf zum Geschwindigkeitsmessen an festen Ober­ flächen nach den Ansprüchen 3 und 8 mit einer Lichtquelle und einer Sende- und Empfangsoptik, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (1) - vorzugsweise Laserlichtquelle - und die Sende- und Empfangsoptik (6) in einem biege- und verdrehsteifen Gehäuse vorzugsweise bestehend aus Längsplatten (17 bis 22), die über mehrere Querstege (23 bis 26) verbunden sind, eingebaut sind wo­ bei die Sende- und Empfangsoptik an dem vorderen Quersteg (23) fixiert ist und die Laserlichtquelle (1) mittels Stelleinrichtun­ gen - vorzugsweise Stellschrauben (33) - einstellbar in bezug auf die Sende- und Empfangsoptik montiert ist.

10. Sende- und Empfangsoptik für eine Geschwindigkeitsmeßeinrichtung nach den Ansprüchen 3 und 7 bis 9 mit in einem Gehäuse montierten optischen Elementen, dadurch gekennzeichnet, daß das spannbare Ge­ häuse (34) eine kalibrierte Längs- (35) und eine Querbohrung (36) aufweist in denen die optischen Elemente, wie Linsen (7, 8), Blende (9), Strichgitterplatte (3), Umlenkspiegek (16, 39), bzw. deren Fassungen, die als Zylinderkörper ausgebildet sind, in Achsrichtung verschiebbar und verdrehbar gelagert und in ihrer einjustierten Lage durch Anziehen der Spannelemente (38) festge­ halten werden.

11. Sende- und Empfangsoptik nach den Ansprüchen 8 und 10, dadurch gekennzeichnet, daß der in Form eines Zylinderkörpers ausgeführte Umlenkspiegel (16) eine unter 45 zur Längsachse geneigte Spiegel­ fläche (38) trägt, welche durch Auftragen einer gut reflektieren­ den Schicht - vorzugsweise durch Aufspatten von Gold - gefertigt wird, und der eine radiale Bohrung (40) aufweist, deren Achse die Spiegelfläche in der Zylinderachse schneidet.