DE4009737A1 - Verfahren und messaufnehmer zum beruehrungslosen erfassen von bewegungen und/oder geschwindigkeiten eines messobjektes - Google Patents
Verfahren und messaufnehmer zum beruehrungslosen erfassen von bewegungen und/oder geschwindigkeiten eines messobjektesInfo
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Description
Die Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Gerät zur Mes
sung der Relativbewegungen zwischen einem Objekt und einem
die Objekt-Oberfläche bildgebend abtastenden Sensorsystem,
aus dessen Ausgangssignal mehrere Auswertesignale erzeugt
werden, deren gegenseitige Phasenlage einem elektrischen
Drehfeld entspricht.
Ortsfilter- bzw. korrelationsoptische Verfahren für den
genannten Zweck sind bekannt: Es wird die örtliche Filter
wirkung gitterförmiger Strukturen (Gitterkonstante g) zur
gezielten Umsetzung der Meßgutbewegung in ein schmalbandi
ges Signal ausgenutzt. Ein Fotoempfänger setzt den durch
die gitterförmige Maske fallenden Lichtstrom in ein Signal
um, dessen Leistungsdichte-Spektrum ein Mittenfrequenz
f = v/g
besitzt, d. h. dessen Frequenz f einen eindeutigen Zusam
menhang mit der Geschwindigkeit v des bewegten Meßguts hat.
Die Proportionalität von f zu v gestattet durch an sich
bekannte Mittel wie Nachlauffilter, Zählung der Nulldurch
gänge des Gittersignals und/oder Autokorrelation eine Weg-
oder Geschwindigkeitsmessung (vgl. beispielsweise ATZ 77
(1975) 7/8, Seiten 213 bis 218, "Feinwerktechnik und Meß
technik", 83 (1975) VI, Seiten 289 bis 294, Dissertation
"Vergleich berührungsloser Geschwindigkeitsmeßverfahren an
selbstleuchtendem und inkohärent beleuchtetem Walzgut" von
R. Fritsche an der Fakultät für Maschinenbau an der Uni
versität/Technischen Hochschule Karlsruhe sowie DE-Patent
21 44 487).
Bei bekannten Verfahren und entsprechend aufgebauten
Meßaufnehmern der eingangs genannten Gattung (DE-Patent
27 36 583, DE-Offenlegungsschrift 32 29 343) wird das Bild
des Meßgutes über die Rasterstruktur optischer Gitter in
einem Fotoempfängersystem abgebildet. Durch mehrfache
Gitterbewertung des vom Meßobjekt herrührenden Lichtstromes
oder durch mehrfache Umsetzung des Fotoempfänger-Ausgangs
signals- zueinander um 90° phasenversetzt - werden zwei
Auswertesignale für eine nachgeschaltete, vorzugsweise
digitale Auswerteelektronik gewonnen, die im Verhältnis
zueinander ein zweiphasiges elektrisches Drehfeld bilden.
Stets wird aber zur Bewertung des zu untersuchenden Bild
signals mit seinem Ortsfrequenzspektrum als Filter ein
optisches Gitter verwendet, welches sich durch eine
rechteckige Gewichtungsfunktion auszeichnet. Dies führt zur
Aufnahme von ungeradzahligen Vielfachen der Gewichtungs
grundfrequenz aus dem zu untersuchenden Ortsfrequenzspek
trum und insbesondere zur Mitbewertung der dritten Ober
welle. Vor allem bei der Wegmessung, bei der die Nulldurch
gänge der Auswertesignale gezählt werden, kann dies zu Feh
lern führen, weshalb die bereits genannten Nachlauffilter
eingesetzt werden. Zudem führt die Verwendung gitterförmi
ger Masken zu einem aufwendigen Aufbau und verteuerter Her
stellung des berührungslosen Meßaufnehmers.
Um den genannten Problemen zu begegnen und vor allem Wir
kungsweise und Aufbau zu vereinfachen und eine erhöhte Meß
genauigkeit und Betriebszuverlässigkeit zu erzielen, wird
bei einem Meßverfahren bzw. -aufnehmer mit den eingangs
genannten Merkmalen erfindungsgemäß vorgeschlagen, daß
jedes einer Drehfeldphase zugeordnete Auswertesignal durch
Multiplikation des Sensor-Ausgangssignals mit einer
Gewichtungsfunktion und nachfolgende Integration oder
Mittelwertbildung über den abgetasteten Bildausschnitt
gewonnen wird. Pro einzelner Drehfeld-Phase wird also das
zu untersuchende Sensor-Ausgangssignal mit einer Gewich
tungsfunktion "bewertet", d. h. multipliziert und aufinte
griert, wobei die jeweiligen Gewichtungsfunktionen zueinan
der eine dem Drehfeld entsprechende Phasenlage aufweisen.
Deren Phasenverschiebungen betragen beispielsweise bei
einem zweiphasigen Drehfeld 90°, bei einem dreiphasigen
Drehfeld 120° usw. Mit diesem Verfahren erhält man Aus
wertesignale als Funktion der Phasenverschiebung zwischen
dem Periodizitätsraster und dem unregelmäßigen Signalanteil
des Sensor-Ausgangssignals. Die jeder Phase des Drehfeldes
zugeordnete gesonderte Bewertung des unregelmäßigen Sensor-
Ausgangssignals erfolgt im Sinne eines vorzugsweise schmal
bandigen Bandfilters. Der abgetastete Bildausschnitt
ergibt das Zeitfenster bzw. Intervall für die zur Bewertung
gehörende Integration oder Mittelwertbildung.
Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil besteht darin, daß
die Notwendigkeit eines optischen Gitters mit Bewertung
durch schmale, oberwellenhaltige Rechteckimpulse entfällt.
Stattdessen ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die
Bewertung des unregelmäßigen Sensor-Ausgangssignals mit
einer schmalbandigen und elektronisch erzeugbaren Gewich
tungsfunktion vorzunehmen, welche vorzugsweise ein diskre
tes Frequenzspektrum weitgehend ohne Gleichstrom- und/oder
Oberwellen-Signalanteile aufweist, um die sich oben erge
bende Forderung der Vermeidung von Mitbewertung von Ober
wellen zu erfüllen; zur Vermeidung von Gleichanteilen ist
es ferner zweckmäßig, die Mittelwertbildung oder Inte
gration linear durchzuführen.
Bei Verwendung einer Gewichtungsfunktion starrer (nicht
durchgestimmter) Frequenz erfolgt die Bewertung extrem
schmalbandig, d. h. mit einer einzigen Spektrallinie im
Frequenzband. Um aber aus dem unregelmäßigen Sensor-Aus
gangssignale gewünschte Spektralanteile weitgehend erfassen
zu können, ist ein breitbandigeres Ortsbandfilter wün
schenswert. Dem wird im Rahmen der Erfindung dadurch Rech
nung getragen, daß das Frequenzspektrum der Gewich
tungsfunktion durch Amplitudenmodulation erweitert ist. Die
bei Amplitudenmodulation gewinnbare Erweiterung des Träger
frequenzspektrums durch Seitenbänder ist an sich bekannt.
Mit besonderem Vorteil ist die Gewichtungsfunktion mit dem
Abtastbetrieb des Bildsensorsystems oder dem Integrations-
Summierbetrieb durch die entsprechenden Funktionsglieder
nach Phase oder Frequenz synchronisiert, wobei diese insbe
sondere eine konstante (starre, d. h. nicht durchgestimmte)
Frequenz aufweist. Hierdurch wird erreicht, daß die Gewich
tungsfunktion bzw. die Bewertung streng phasensynchron zum
Periodizitätsraster des zu untersuchenden Sensor-Ausgangs
signals verläuft. Im Zusammenhang mit der Bewertung durch
eine amplitudenmodulierte Gewichtungsfunktion ergibt sich
dann eine Ausbildung der Erfindung dergestalt, daß die Trä
gerschwingung und die die Amplitude der Trägerschwingung
Einhüllende mit dem Abtast- und/oder Integrationsvorgang,
insbesondere nach Phase, synchronisiert ist.
Eine im Rahmen heutzutage verfügbarer Technologien beson
ders zweckmäßige Erfindungsausbildung besteht in der zei
lenweisen (eindimensionalen) Abtastung durch das Bild
sensorsystem, wobei die Gewichtungsfunktion im Hinblick auf
die obengenannten Gesichtspunkte mit dem jeweiligen Zeilen
beginn oder -ende synchronisiert wird. Um den zu unter
suchenden Bildausschnitt bzw. Ausgangssignalverlauf in
richtiger Zuordnung zum Integrations- oder Mittelwert
bildungsintervall zu bringen, ist eine Abstimmung des zur
Integration oder Mittelwertbildung betrachteten Zeit-
und/oder Wegintervalls mit der Zeilenfrequenz bzw. -länge
zweckmäßig. Im Rahmen der Erfindung liegt eine Phasenver
schiebung der Bewertungsfunktionen und/oder der resultie
renden Auswertesignale dergestalt, daß sie jeweils einer
einzelnen Phase eines Drehfeldes entsprechen, wobei im
Sinne der Erfindung vor allem die Bewertungen des zu unter
suchenden unregelmäßigen Sensor-Ausgangssignals mehrfach
gemäß jeder einzelnen Drehfeldphase in deren zugehöriger
Phasenlage erfolgen sollen.
Im Hinblick auf die eingangs genannte Problemstellung wird
auch eine Vorrichtung bzw. Einrichtung vorgeschlagen, näm
lich ein berührungsloser Meßaufnehmer für Bewegungen
und/oder Geschwindigkeiten bezüglich eines Meßobjektes mit
einem die Objekt-Oberfläche abtastenden und bildgebenden
Sensorsystem, und mit einem Umsetzer, um das Sensoraus
gangssignal in Auswertesignale entsprechend einem mehr
phasigen Drehfeld umzusetzen; erfindungsgemäß zeichnet sich
dieser Meßaufnehmer dadurch aus, daß der Umsetzer eine
Bewertungsschaltung mit einem das Ausgangssignal gewichten
den Bandfilter und einem nachgeschalteten Integrier- oder
Summierglied zur Bildung des Auswertesignals sowie einen
Synchrongeber aufweist, der das Sensorsystem, das Band
filter- und/oder Integrier- bzw. Summierglied zueinander
jeweils phasenstarr ansteuert, so daß insbesondere die
Signale der Gewichtfunktionen synchron zum Periodizi
tätsraster des zu untersuchenden unregelmäßigen Sensor-Aus
gangssignals erzeugt und der Integrier- bzw. Summiervorgang
in richtiger Zuordnung zum jeweils abgetasteten Bildaus
schnitt durchgeführt werden. Der damit erzielte Vorteil
besteht vor allem darin, daß zur Gewichtung des Sensor-Aus
gangssignals kein optisches Gitter mit binärer 0/1-Gewich
tungsfunktion, sondern ein handelsüblicher elektronischer
Modulator- bzw. Multiplizierer-Baustein verwendet wird. Zur
Erzeugung der Gewichtungsfunktion kann ebenfalls ein han
delsüblicher Funktionsgenerator eingesetzt werden, der mit
dem Bildsensorsystem, Integrier- und/oder Summierglied pha
sensynchronisiert ist. Die an den jeweiligen Integrier-
oder Summiergliedern abgreifbaren Auswertesignale können
dann über an sich bekannte Abfrage- und Halteschaltungen
(sample-and-hold-Verstärker) zur weiteren digitalen Verar
beitung zur Verfügung gestellt werden.
Um die entsprechend den gewünschten Drehfeld-Phasen mehr
fache phasenverschobene Bewertung des Sensor-Ausgangs
signals zu verwirklichen, sind ein oder mehrere Phasen
schieber dem Gewichtungsfunktionsgenerator und wenigstens
einem der Modulator- oder Multiplizierer-Bausteine
zwischengeschaltet. Bei der oben bereits erwähnten
amplitudenmodulierten Gewichtungsfunktion ist zweckmäßig
der Generator für die Trägerschwingung mit dem Abtastvor
gang und der Generator für die einhüllende (modulierende)
Schwingung mit den Integrier- oder Summiergliedern
synchronisiert.
Besonders vorteilhaft wird als Bildsensorsystem ein an sich
bekannter CCD (Charge-Cuppled-Device)-Zeilensensor verwen
det, welcher einen eindimensionalen Bildausschnitt vom Meß
objekt abtastet und in ein entsprechendes elektrisches Aus
gangssignal umwandelt; das im CCD-Zeilensensor enthaltene
analoge Schieberegister liefert ständig Momentaufnahmen vom
gegebenenfalls sich bewegenden Meßobjekt in bestimmter
Zeilenfrequenz, wobei die Aufnahme jeder Zeile phasenstarr
mit der Gewichtungsfunktion gestartet wird, m. a. W. die
Gewichtfunktion ist mit der Zeilenfrequenz des Bildsensors
phasensynchronisiert.
Damit der Synchrongeber für eine richtige Zuordnung der vom
Zeilensensor gelieferten Momentaufnahme mit den phasenver
schobenen Gewichtungen und anschließenden Integrationen des
unregelmäßigen Ausgangssignals sorgen kann, ist er in
Weiterbildung der Erfindung mit folgenden Funktionskompo
nenten versehen: einen Zeilentaktgenerator, der gemeinsam
für den Zeilensensor und einen Phasensynchronisationskreis,
insbesondere eine an sich bekannte PLL (phase-locked-loop),
einen (synchronisierenden) Takt erzeugt, worauf der Phasen
synchronisationskreis mit einer phasenstarren Generierung
der Bandfiltergewichtungsfunktion anspricht; einen Zeilen
separator, der auf Zeilentrennimpulse reagiert, die - wie
an sich bekannt - der Zeilensensor zwischen seriell ausge
gebenen Zeilenbildausschnitten erzeugt; und einen Ansteue
rungsmodul zur Kontrolle des Betriebs des Integrier-, Sum
mier- und gegebenenfalls Abfrage- und Halteglieds. Zweck
mäßig steht der Zeilenseparator, der die zu integrierende
oder mittelnde Zeilenlänge festlegt, in Informations
verbindung mit dem Ansteuerungsmodul, um eine phasenrich
tige Zuordnung der zu mittelnden oder integrierenden Inter
valle zu gewährleisten.
Eine besonderes einfache und kostengünstige Ausführung des
Integrierglieds ergibt sich bei Verwendung eines Tiefpasses
mit einer Grenzfrequenz unterhalb der Zeilenfrequenz des
Zeilensensors. Dadurch werden Signalanteile ohne Informa
tion über das Meßobjekt ausgefiltert.
Bei Verwendung eines Phasensynchronisationskreises bzw.
PLLs kann von der Tatsache vorteilhaft Gebrauch gemacht
werden, daß die Zeilensensoren baulich integrierte Zeilen
taktgeneratoren mit entsprechendem Taktausgang aufweisen,
die dem Phasensynchronisationskreis zur Taktreproduktion
und/oder Generierung der Gewichtungsfunktion zugeführt
sind.
Vor allem in Verbindung mit einem CCD-Zeilensensor eignet
sich vorzüglich der Einsatz eines analogen Schieberegisters
als Bandfilter, das mit dem Sensorsystem seriell (nachein
ander) verbunden ist, also das zu untersuchende unregel
mäßige Sensor-Ausgangssignal seriell in seine einzelnen
Analog-Registerzellen einliest. Die Gewichtungsfunktion
läßt sich bei dem Bandfilter-Schieberegister dadurch imple
mentieren, daß die einzelnen Registerzellen mit den Verlauf
der Bandfilter-Gewichtungsfunktion reproduzierenden
Ladungsaufnahmekapazitäten versehen sind; zur Bildung des
Mittelwertes bzw. der Quersumme aus den entsprechenden Zel
lenspannungen sind deren Ausgänge parallel mit einem Sum
mierglied verbunden, welches vorzugsweise mit dem CCD-Band
filter baulich integriert ausgeführt ist.
Um die phasenverschobenen Bewertungen im Sinne der Erfin
dung zu gewährleisten, besteht eine Weiterbildung dieses
Gedankens darin, daß der Synchrongeber einen mit dem Zei
lensensor-Ausgang verbundenen Bildpunkt- bzw. Pixelzähler,
einen dessen Zählerstand abfragenden Komparator sowie gege
benenfalls ein Steuerungsmodul für ein Abfrage- und Halte
glied am Ausgang des Summierglieds umfaßt. Der Pixelzähler
erfaßt die zum CCD-Bandfilter geschobenen, einzelnen Pixel
bzw. entsprechenden Schieberegisterstellen und weist bei
einem abgetasteten und zu untersuchenden Zeilenabschnitt
einen bestimmten Zählerstand auf, der vom Komparator
erkannt wird. Dieser kann daraufhin ein Signal an das
Steuerungsmodul abgeben, welcher dann den Ablauf des
Abfrage- und Halteglieds am Ausgang des zum Bandfilter
gehörenden Summierglieds kontrolliert. Insbesondere kann
der Pixel-Zähler in Kombination mit dem Komparator auch als
Phasenschieber zur Erzeugung der Drehfeld-richtigen Phasen
beziehung zwischen den Gewichtungsfunktionen dienen, indem
die den jeweiligen im Bandfilter zeitversetzt ablaufenden
Bewertungsvorgängen zugeordneten Abfrage- und Halteglieder
zeitversetzt bzw. bei unterschiedlichen Zählerständen akti
viert werden.
Weitere Merkmale, Vorteile und Einzelheiten der Erfindung
ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter
Ausführungsbeispiele der Erfindung sowie anhand der Zeich
nung. Darin zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung des Prinzips der
erfindungsgemäßen Meßanordnung,
Fig. 2 die prinzipielle Wirkungsweise der Erfindung
anhand von Signal/Weg-Zeitdiagrammen und
mathematischen Operationen,
Fig. 3 ein Blockschaltbild zur Erzeugung der Auswerte
signale des erfindungsgemäßen Meßaufnehmers,
Fig. 4 das Blockschaltbild einer abgewandelten Ausbildung
des Meßaufnehmers,
Fig. 5 Signal-/Zeit-Diagramme zur Veranschaulichung der
amplitudenmodulierten Gewichtungsfunktion gemäß
Fig. 4, und
Fig. 6 eine weitere Schaltungsvariante für den erfin
dungsgemäßen Meßaufnehmer.
Gemäß Fig. 1 besteht das Grundschema des erfindungsgemäßen
Meßsystems darin, daß die Oberfläche 1 eines Objektes 2
über ein optisches Abbildungssystem 3 auf die zeilenweise
angeordneten Lichtempfänger 4 eines CCD-Zeilensensors 5
vorzugsweise fokussiert abgebildet wird. Dieser gibt ein
die hintereinander als analoges Schieberegister geschalte
ten Lichtempfänger 4 seriell auslesendes Ausgangssignal A
an eine nachgeschaltete Aufbereitungselektronik 6 ab,
welche die Auswertesignale B1, B2 ausgibt. Besteht eine
Relativgeschwindigkeit v zwischen der Objektoberfläche 1
und dem Zeilensensor 5 - sei es durch Bewegung des Objektes
2 gegenüber dem Zeilensensor 5 und/oder umgekehrt, wird bei
stochastisch strukturierter Objekt-Oberfläche 1 das im Zei
lensensor 5 erzeugte Bildsignal A mit einem entsprechend
statistisch variierten Ortsfrequenzspektrum gebildet. Die
daraus durch die Auswerteelektronik 6 erzeugten Auswerte
signale B1, B2 stehen in einer Phasenbeziehung zueinander,
die einem Drehfeld entspricht. Aus diesem kann der Weg
durch Zählung der Nulldurchgänge, die Geschwindigkeit durch
Erfassung der Zahl der Nulldurchgänge pro Zeiteinheit
gewonnen werden. Durch Feststellung einer Vor- oder Nach
eilung der Auswertesignale B1, B2 gegeneinander kann auch
die Richtung der Relativbewegung v erkannt werden. Wegen
weiterer Einzelheiten hierzu wird auf die eingangs genann
ten Fundstellen zum Stand der Technik verwiesen.
Gemäß Fig. 2 ist die erfindungsspezifische Wirkungsweise
wie folgt: Das im Zeilensensor 5 enthaltene analoge Schie
beregister wird mit entsprechendem Schiebetakt seriell aus
gelesen zur Bildung des Ausgangssignals A. Dies erfolgt für
aufeinanderfolgende Momentaufnahmen, für welche jeweils
eine Zeile I, II, ... VIII usw. vom Zeilensensor 5 erfaßt
und an die nachgeschaltete Aufbereitungselektronik 6 wei
tergegeben wird. In dieser werden sinusförmige Gewich
tungsfunktionen G1, G2 konstanter Frequenz und konstanter
Phasenverschiebung von 90° zueinander erzeugt. Ein Syn
chrongeber 7 sorgt für eine phasenstarre Beziehung zwischen
den beiden Gewichtungsfunktionen G1, G2 und dem Abtast
ablauf des Zeilensensors 5, wobei ein Phasenschieber 8 der
zweiten Gewichtungsfunktion G2 eine Nacheilung von 90°
gegenüber der ersten Gewichtungsfunktion G1 erteilt. Mithin
sind beide Gewichtungsfunktionen streng phasensynchron zum
Periodizitätsraster der zu untersuchenden Ausgangssignal
funktion A. Das je einer Momentaufnahme I ... VIII zugeord
nete Zeilensensor-Ausgangssignal wird sowohl einem der
ersten Gewichtungsfunktion G1 als auch einem der zweiten
phasenverschobenen Gewichtungsfunktion G2 zugeordneten
Bewertungsmodul 11 bzw. 12 zugeführt, welche jeweils das
Sensor-Ausgangssignal A mit der Gewichtungsfunktion G1 bzw.
G2 multiplizieren und anschließend über das Integrations
intervall bzw. Zeitfenster t0-t1 aufintegrieren. Das
Integrationsintervall t0-t1 entspricht einem vom Bild
sensor 5 abgetasteten Zeilenausschnitt von der Objektober
fläche 1. Die Gewichtungsfunktionen sind zueinander
phasenverschoben mit dem Beginn des Integrationsintervalls
t0-t1 für jede Momentaufnahme I ... VIII usw. synchroni
siert. Als Resultate jedes Bewertungsmoduls 11, 12 ergeben
sich die in Drehfeldbeziehung zueinanderstehenden und für
die weitere elektronische Auswertung geeigneten Signale B1,
B2 als Funktion der variablen Phasenverschiebung Δϕ
zwischen dem Periodizitätsraster und dem unregelmäßigen
Signalanteil des zu untersuchenden Sensor-Ausgangssignals
A. Die in Fig. 2 gezeichneten Stützwerte von B1 bzw. B2
entsprechen jeweils den bewerteten Sensor-Ausgangssignalen
jeder Momentaufnahme I-VIII, da jede der beiden
Gewichtungsfunktionen G1, G2 synchron zum Periodizi
tätsraster bzw. Zeilentakt des zu untersuchenden Sensor-
Ausgangssignals A erzeugt ist. Die Phasenverschiebung Δϕ
gegenüber der Bewertungs- bzw. Gewichtungsfunktion ent
spricht der Wegverschiebung Δ s, um die sich die Objekt-
Oberfläche 1 aufgrund der Geschwindigkeit v relativ zum
Zeilensensor 5 (vgl. Fig. 1) während der Vornahme der
Momentaufnahmen I ... VIII verschoben hat. Es wird mithin
ein Ortsverhältnis über eine Phasenortsfilter-Bewertung in
ein Phasenverhältnis transformiert. Die Phasenverschiebung
Δϕ repräsentiert neu in den Zeilensensor 5 gelangende
Bildinhalte.
Die schaltungstechnische Realisierung ist in Fig. 3 veran
schaulicht: Ein externer Taktgenerator 13, der auch im
Zeilensensor 5 integriert und der Takt aus diesem reprodu
ziert sein kann, gibt dem Zeilensensor die Zeilentakt
frequenz fz und einem PLL-Baustein 14 eine Sollphase vor,
aus welcher der letztgenannte die Gewichtungsfunktion G1,
G2 generiert. Diese wird einer ersten Schaltungskette 15
direkt und einer zweiten Schaltungskette 16 über den Pha
senschieber 8 um 90° verschoben zugeführt; die Schaltungs
ketten 15, 16 bestehen jeweils aus in Serie hintereinander
geschaltete Multiplizierbausteine 17, Analogintegratoren 18
und Abfrage- und Halteglieder 19 mit sample-and-hold-Funk
tion. Letztere stellen die Bewertungsresultate als digital
weiterverarbeitbare Auswertesignale B1, B2 zur Verfügung.
Das synchronisierte Zusammenspiel in richtiger Zuordnung
gemäß den vorgegeben Periodizitätsraster zwischen Zeilen
sensor 5 und Start der Integratoren 18 und/oder Abfrage-
und Halteglieder 19 wird durch eine Steuerung 20 reali
siert, welche als Funktionsmodule insbesondere Impulstren
nung (Zeilenseparierung anhand von Zeilentrennimpulsen 21 -
siehe Fig. 2) und Integrator- und Abfrage- und Haltesteue
rung umfaßt.
Bei der Schaltungsvariante gemäß Fig. 4 erfolgt die Gewich
tung des Sensor-Ausgangssignals A mit gegenüber Fig. 2 und
3 breitbandigeren Gewichtungsfunktionen, um mehr Spektral
anteile aus dem zu untersuchenden Sensorausgangssignal A
erfassen zu können: Aus der PLL-Schaltung 14 wird eine Trä
gerfunktion F synchron zum Zeilentakt fz für den Zeilen
sensor 5 erzeugt (vgl. Fig. 5b). Ferner wird eine weitere
Funktion E durch einen weiteren Funktionsgenerator 22
gebildet, welche nach entsprechender Amplitudenmodulation
die Einhüllende für die Trägerfunktion F bildet - vgl. Fig.
5a) und c). Das sich aus Modulation der Trägerfunktion F
mit der Einhüllenden E ergebende Signal E×F (Fig. 5c) bil
det dann die Gewichtungsfunktion für das zu bewertende Sen
sor-Ausgangssignal, indem diese je einem von zwei Multipli
zierern 17a mit drei Eingängen zugeführt wird: die Träger
funktion bzw. -schwingung wird einem der Multiplizierer 17a
direkt und dem anderen über den Phasenschieber 8 um 90°
phasenversetzt zugeführt. Zur Phasensynchronisation der
Einhüllenden E mit der Impuls- bzw. Zeilentrennung ist die
diese Funktion umfassende Steuerung 20 mit dem die Einhül
lende ausgebenen Funktionsgenerator 22 verbunden. Im übri
gen entspricht die Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig.
4 derjenigen nach Fig. 2; so sorgt auch hier der Zeilentakt
fz jeweils für die Übernahme einer Zeile von Bildpunkten 4
(vgl. Fig. 1) in ein analoges Schieberegister mit entspre
chender Pixel-Anzahl. Zudem bildet das Ende der Integra
tionsphase t0-t1 den Ansteuerungszeitpunkt für das
Abfrage- und Halteglied 19, d. h. t1 ist Sample-Zeitpunkt.
Gemäß der weiteren Schaltungsvariante nach Fig. 6 sind die
Bewertungsmodule 11, 12 gemäß Fig. 2 durch einen einzigen
CCD-Bandfilterbaustein 23 mit integriertem Quersummen
bildner 24 realisiert. Der Bandfilterbaustein 23 beinhaltet
- ebenso wie der Zeilensensor 5 - ein Analog-Schiebe
register, dessen einzelne Registerzellen in ihren Ladungs
aufnahmekapazitäten derart dimensioniert sind, daß ihre in
Reihe geschaltete Gesamtanordnung der erfindungsgemäßen
Gewichtungsfunktion G1 bzw. G2 entspricht. Die Schiebe
registerzellen werden seriell mit dem Ausgangssignal A des
Zeilensensors 5 aufgeladen, und die sich ergebenden Span
nungen parallel dem Quersummenbildner 24 zur Bildung des
Mittelwertes über eine Bildzeile zugeführt. Der Ausgang des
Quersummenbildners 24 ist parallel mit Abfrage- und Halte
gliedern 19 entsprechend der Drehfeldphasenanzahl ver
bunden. Für die mehrfache und entsprechend dem Drehfeld
phasenverschobene Bewertung des Sensor-Ausgangssignals A
umfaßt der Synchrongeber - neben dem Zeilentaktgenerator 13
- einen ersten Steuerungsbaustein 25 und einen zweiten
Steuerungsbaustein 26. Der erste Steuerungsbaustein 25
beinhaltet als ersten Funktionsmodul einen Impulstrenner,
um einzelne Zeilenbildausschnitte anhand von Zeilen-
Trennimpulsen 21 (vgl. Fig. 2) zu separieren; und als zuge
höriger zweiter Funktionsmodul ist ein Pixelzähler im
ersten Steuerungsbaustein 25 implementiert, der die Anzahl
der aus dem Analog-Schieberegister im Zeilensensor seriell
in das Bandfilter 23 geschobenen Pixelinhalte zählt, die
jeweils einem der Lichtempfänger 4 (vgl. Fig. 1) ent
sprechen. Im nachgeschalteten zweiten Steuerungsmodul 26
detektiert ein Komparator die Ausgänge 27 des Pixelzählers
auf voreingestellte Zählerstände hin, die dem Start einer
Bildzeile zum Zeitpunkt t0 oder deren Ende zum Zeitpunkt t1
entsprechen (vgl. Fig. 2). Hierdurch läßt sich beispiels
weise der zu untersuchende Ausschnitt zum linken Rand
(Zeilenanfang - t0) oder Zeilenende (rechter Rand - t1) hin
verschieben. Insbesondere läßt sich auch die phasenver
setzte Bewertung des zu untersuchenden Sensor-Ausgangs
signals A entsprechend der vom Drehfeld vorgegebenen
Phasenbeziehung verwirklichen: Der erste Abfrage- und
Haltevorgang findet zum Zeitpunkt t1 statt, wenn eine
Momentaufnahme I...VIII bzw. ein dazugehöriges Sensor-Aus
gangssignal A vollkommen in den CCD-Bandfilterbaustein 23
eingelesen ist. Gleichzeitig mit dem Einlesen erfolgt
Gewichtung und Aufsummierung durch den Quersummenbildner
24. Indem nun der Pixelzähler die dem Bandfilterbaustein 23
zugeführten Lichtempfängersignale bzw. Pixel 4 abgezählt
hat, kann vom Komparator der dem Zeitpunkt t1 entsprechende
Zählerstand detektiert und mithin das Abfrage- und
Halteglied für das erste Auswertesignal B1 aktiviert
werden. Bei weiterem Abzählen der im Bandfilterbaustein 23
verschobenen Pixel durch den Pixelzähler kann vom
Komparator auch die 90°-Phasenverschiebung anhand des
entsprechenden Zählerstandes erkannt und mithin das dem
zweiten Auswertesignal B2 zugeordnete Abfrage- und
Halteglied 19 aktiviert werden. Die Gewichtung und Quersum
menbildung im Bandfilterbaustein 23 erfolgt nach jedem
Schiebetakt. Die Multiplikation der einzelnen Schiebe
register-Zellen im Bandfilterbaustein 23 erfolgt über ent
sprechende Dimensionierung von deren Ladungsaufnahme
kapazitäten. Zweckmäßig entspricht das zu untersuchende
Zeit- bzw. Zeilenfenster t1 minus t0 dem Kehrwert der
Zeilentaktfrequenz fz.
Claims (20)
1. Verfahren zur Messung der Relativbewegungen (v)
zwischen einem Objekt (2) und einem die Objekt-Ober
fläche (1) bildgebend abtastenden Sensorsystem (4,
5), aus dessen Ausgangssignal (A) mehrere ein elek
trisches Drehfeld bildende Auswertesignale (B1, B2)
erzeugt werden, dadurch gekennzeichnet, daß jedes
einer Drehfeldphase zugeordnete Auswertesignal (B1,
B2) durch Multiplikation des Sensor-Ausgangssignals
(A) mit einer Gewichtungsfunktion (G1, G2) und nach
folgende Integration oder Mittelwertbildung (11, 12)
über den abgetasteten Bildausschnitt (t0, t1)
gewonnen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß die Gewichtungsfunktion (G1, G2) einen Signal
verlauf mit schmalbandigem, vorzugsweise diskretem
Frequenzspektrum weitgehend ohne Gleichstrom
und/oder Oberwellen-Signalanteile aufweist, und/oder
die Integration (t0, t1) oder Mittelwertbildung
linear erfolgen.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß das Frequenzspektrum der Gewichtsfunk
tion ( G1, G2) durch Amplitudenmodulation (Fig. 5)
erweitert ist.
4. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtungsfunktion
(G1, G2) mit dem Abtast- und/oder Integrationsvorgang
(t0, t1) nach Phase oder Frequenz synchronisiert ist
und insbesondere eine konstante Frequenz aufweist.
5. Verfahren nach Anspruch 3 und 4, dadurch gekennzeich
net, daß die Trägerschwingung (F) und die die Ampli
tude der Trägerschwingung Einhüllende (E) mit dem
Abtast- und/oder Integrationsvorgang (t0, t1), insbe
sondere nach Phase, synchronisiert ist.
6. Verfahren nach Anspruch 4 oder 5, gekennzeichnet
durch eine zeilenweise Abtastung durch das Bild
sensorsystem, wobei die Gewichtungsfunktion (G1, G2)
mit dem jeweiligen Zeilenbeginn (t0) oder -ende (t1)
synchronisiert wird.
7. Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
daß das zur Integration oder Mittelwertbildung
betrachtete Zeit- und/oder Wegintervall (t0, t1) der
Zeilenfrequenz (fz) bzw. -länge (t0, t1) entspricht.
8. Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche,
gekennzeichnet durch eine Phasenverschiebung (8) der
Bewertungsfunktionen (G1, G2) und/oder Auswerte
signale (B1, B2) entsprechend der Phasenanzahl des
Drehfeldes.
9. Berührungsloser Meßaufnehmer für Bewegungen und/oder
Geschwindigkeiten bezüglich eines Meß-Objektes (2),
insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach
einem der vorherigen Ansprüche, mit einem die Objekt-
Oberfläche (1) abtastenden und bildgebenden Sensor
system (4, 5), und einem Umsetzer für das Sensor-Aus
gangssignal (A) in ein Drehfeld bildende Auswerte
signale (B1, B2), dadurch gekennzeichnet, daß der
Umsetzer eine Bewertungsschaltung (11, 12) mit einem
das Ausgangssignal (A) gewichtenden Bandfilter (14,
17; 23) und einem nachgeschaltetem Integrier- oder
Summierglied (18; 24) zur Bildung des Auswertesignals
(B1, B2) sowie einen Synchrongeber (7) aufweist, der
Sensorsystem (5), Bandfilter (14, 17; 23) und/oder
Integrier- oder Summierglied (18; 24) zueinander
jeweils phasenstarr ansteuert.
10. Meßaufnehmer nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet,
daß die die Gewichtungsfunktion (G1, G2) des Band
filters (14, 17; 23) mit dem Sensor-Ausgangssignal
(A) über einen Modulator bzw. Multiplizierer (17)
verknüpft wird.
11. Meßaufnehmer nach Anspruch 9 oder 10, gekennzeichnet
durch einen mit dem abtastenden Sensorsystem (5),
Integrier- und/oder Summierglied (18; 24) phasen
synchronisierten Generator (14) für die Gewichtungs
funktion (G1, G2) .
12. Meßaufnehmer nach Anspruch 9, 10 oder 11, gekenn
zeichnet durch eine dem Integrier- oder Summierglied
(18; 24) nachgeordnete und damit synchronisierte
Abfrage- und Halteschaltung (19).
13. Meßaufnehmer nach Anspruch 10 und einem der Ansprüche
11 oder 12, gekennzeichnet durch einen oder mehrere
dem Drehfeld entsprechende Phasenschieber (8) am
Modulator- oder Multiplizier-Eingang (17) und/oder am
Integrier- und/oder Summierglied-Ausgang.
14. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 9 bis 13,
gekennzeichnet durch eine amplitudenmodulierte Band
filter-Gewichtungsfunktion (Fig. 5), wobei der Gene
rator (14) für die Trägerschwingung (F) mit dem
abtastenden Bildsensorsystem (5) und der Generator
(22) für die einhüllende Schwingung (E) mit dem Inte
grier- oder Summierglied (18; 24) synchronisiert
sind.
15. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 9 bis 14,
gekennzeichnet durch einen bildgebenden Zeilensensor
(5) vorzugsweise in Charge-Coupled-Device-Techno
logie, dessen Zeilenfrequenz bzw. -generator (fz) mit
der Gewichtungsfunktion (G1, G2) des Bandfilters (14,
17; 23) phasensynchronisiert ist.
16. Meßaufnehmer nach Anspruch 15, dadurch gekennzeich
net, daß der Synchrongeber einen auf der Zeilen
frequenz (fz) betriebenen Zeilentaktgenerator (13)
gemeinsam für den Zeilensensor (5) und einen Phasen
synchronisationskreis (14), insbesondere PLL, der die
Bandfilter-Gewichtungsfunktion (G1, G2) erzeugt,
einen auf Zeilentrennimpulse (21) ansprechenden
Zeilenseperator (20; 25), der die zu integrierende
oder mittelnde Zeilenlänge (t0, t1) festlegt, und ein
Ansteuerungsmodul (20; 26) für das Integrier-,
Summier- und/oder ein nachgeschaltetes Abfrage- und
Halteglied (18, 19, 24) umfaßt.
17. Meßaufnehmer nach Anspruch 15 oder 16, dadurch
gekennzeichnet, daß das Integrierglied als Tiefpaß
mit einer Grenzfrequenz unterhalb der Zeilenfrequenz
des Zeilensensors ausgeführt ist.
18. Meßaufnehmer nach Anspruch 16 und gegebenenfalls 17,
gekennzeichnet durch einen in den Zeilensensor bau
lich integrierten Zeilentaktgenerator, mit dem der
Phasensynchronisationskreis zur Taktreproduktion
und/oder Generation der Gewichtungsfunktion gekoppelt
ist.
19. Meßaufnehmer nach einem der vorherigen Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß das Bandfilter als mit
dem Sensorsystem seriell verbundenes analoges Schie
beregister (23) realisiert ist, dessen seriell ange
ordnete Registerzellen mit ihren Ladungskapazitäten
gemeinsam dem Verlauf der Bandfilter-Gewichtungs
funktion (G1, G2) entsprechen und jeweils von dem
Summierglied (24) zur Bildung des Mittelwertes bzw.
ihrer Spannungsquersumme parallel ausgelesen werden.
20. Meßaufnehmer nach Anspruch 15 und 19, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Synchrongeber (7) einen mit dem
Zeilensensor-Ausgang (5) verbundenen Bildpunkt- bzw.
Pixel-Zähler (25), einen dessen Zählerstand abfragen
den Komparator (26) sowie ein Steuerungsmodul (26)
für ein Abfrage- und Halteglied (19) am Ausgang des
Summierglieds (24) umfaßt, wobei der Komparator (26)
bei entsprechend dem abgetasteten Zeilenausschnitt
(t0, t1) und/oder der Drehfeld-Phasenverschiebung
eingestellten Zählerständen (25) zur Ansteuerung des
Abfrage- und Halteglieds (19) über das Steuerungs
modul (27) anspricht.
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