DE4009737C2 - - Google Patents

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.

Zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung durch Erfassung regelloser, örtlicher Inhomogenitäten eignet sich bei­ spielsweise das sog. Kreuzkorrelationsverfahren, bei wel­ chem zwei in Bewegungsrichtung hintereinander angeordnete Fühler zwei gleiche, aber zeitlich gegeneinander versetzte Signale erzeugen. Durch Bestimmung des Maximums der Kreuz­ korrelationsfunktion dieser beiden Signale läßt sich die zur Geschwindigkeit umgekehrt proportionale Verschiebungs­ zeit zwischen den Sensorausgangssignalen ermitteln. Beim Kreuzkorrelationsverfahren werden also zwei räumlich ver­ setzte Sensoren benötigt oder - wie bei der Anordnung nach der DE-OS 31 10 828 - ein Bildsensor, welcher einen Flä­ chenbereich der Objektoberfläche in ein fernsehähnliches Videosignal umsetzt. Aus diesem Videosignal können die mittleren Helligkeitswerte von zwei gegeneinander versetz­ ten Teilbereichen gewonnen und einer Kreuzkorrelation un­ terworfen werden. Anordnungen nach dem Kreuzkorrelations­ verfahren erfordern daher in jedem Fall ein aufwendiges Sensorsystem sowie den Einsatz eines Korrelators und eines das Korrelationsmaximum detektierenden Auswertegeräts, so daß eine preiswerte Meßeinrichtung mit begrenzter Genauig­ keit nicht ralisiert werden kann.

Weiterhin sind Ortsfilterverfahren für den genannten Zweck bekannt: Es wird die örtliche Filterwirkung gitterförmiger Strukturen (Gitterkonstante g) zur gezielten Umsetzung der Meßgutbewegung in ein schmalbandiges Signal ausgenutzt. Ein Fotoempfänger setzt den durch die gitterförmige Maske fallenden Lichtstrom in ein Signal um, dessen Leistungs­ dichte-Spektrum eine 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).

Eine nach dem Ortsfilterverfahren arbeitende Vorrichtung ist in Patents Abstracts of Japan, P-884 June 14, 1989 Vol. 13/No. 256 offenbart. Bei dieser wird das zeitlich kon­ stante Licht einer Laserdiode durch eine Linse auf die Oberfläche eines gedrehten Garns, welches auf eine Spule aufgewickelt wird, gerichtet. Das von der Oberfläche des bewegten Garnfadens reflektierte Licht tritt durch ein räumliches Gitter und eine Linse und wird schließlich in einem Photodetektor in ein elektrisches Signal umgewandelt. Aus diesem Signal wird mit Hilfe eines Nachlaufsynchronisa­ tionsschaltkreises ein Referenzsignal gewonnen, dessen Fre­ quenz proportional zur Fadengeschwindigkeit ist. Durch Auf­ integration der Schwingungsanzahl erhält man ein Maß für die Fadenlänge. Diese Anordnung weist mehrere, für ein Ortsfilterverfahren untypische Merkmale auf: Die Verwendung kohärenten Lichts einer Laserdiode sowie die Anwendung bei einem Objekt mit etwa periodischer Oberflächenstruktur (ge­ drehtes Garn). Dagegen tritt ein anderer Aspekt des Orts­ filterverfahrens deutlich hervor: Die Bewegungsrichtung des zu messenden Objekts ist durch die Anordnung vorgegeben. Dies ist eine nötige Voraussetzung zur Anwendung des Orts­ filterverfahrens, da dieses eine Bestimmung der Bewegungs­ richtung nicht erlaubt. Während diese Tatsache vor allem bei der Geschwindigkeitsmessung von Förderstrecken, Walzgut oder Fahrzeugen keine Probleme verursacht, ist - beispiels­ weise bei der Überwachung von Wolkenbildern in meteorologi­ schen Stationen - diese für das herkömmliche Ortsfilter­ verfahren unabdingbare Voraussetzung nicht erfüllt.

Prinzipiell denselben Nachteil weist eine Anordnung auf, die dem Aufsatz "Geschwindigkeitsmessung mit CCD-Zeilenka­ mera nach dem Ortsfilterprinzip" in msr, Berlin 31 (1988) 5, S. 205-209 zu entnehmen ist. Hierbei wird das von der Oberfläche des Meßobjekts reflektierte Licht einer inkohä­ renten Lichtquelle von einer CCD-Sensorzeile abgetastet. Die konstanten Abstände der Elemente der CCD-Sensorzeile dienen als Gitter. Die Elemente der CCD-Teile werden nach dem Differenzgitterprinzip betrieben, um Gleich- und nie­ derfrequente Anteile des Leuchtdichtespektrum zu eliminie­ ren. Dies wird dadurch erreicht, daß beim sequentiellen Auslesen der CCD-Zeile die Werte abwechselnd den beiden Eingängen eines in Differenzschaltung betriebenen Operati­ onsverstärkers zugeführt werden. Die Mittenfrequenz des Ausgangssignals ist zur Objektgeschwindigkeit proportional, wobei der Elementabstand der CCD-Zeile entsprechend der Gitterkonstanten sowie der Abbildungsmaßstab der Optik als Faktoren eingehen. Dieses Signal wird nach Glättung mittels eines Tiefpaßfilters durch Periodendauermessung oder einen Nachlaufsynchronisationsschaltkreis ausgewertet. Auch die­ ses Meßprinzip liefert ausschließlich den Betrag der Ge­ schwindigkeit, so daß die Bewegungsrichtung anderweitig be­ stimmt werden oder bekannt sein muß.

Hier schafft auch eine Anordnung nach der DE-OS 24 50 439 keine Abhilfe, deren Aufgabe darin besteht, die beim Orts­ filterverfahren beiderseits des der Mittenfrequenz entspre­ chenden Hauptmaximums des Leistungsdichtespektrums auftre­ tenden Nebenmaxima zu unterdrücken und dadurch die Auswer­ tesicherheit zu erhöhen. Die Anordnung umfaßt eine räumli­ che Gitterstruktur, ein photoelektrisches Wandlungssystem mit einer Vielzahl von parallelen Ausgängen, deren Signale jeweils proportional zu dem einen Spalt durchsetzenden Lichtstrom sind. Bei dem photoelektrischen Wandlungssystem kann es sich entweder um einzelne, je einem Gitterspalt zu­ geordnete Wandler handeln oder um ein aus mehreren, paral­ lelen Streifen gebildetes Element, dessen Streifen je einem Gitterspalt entsprechen. Die Ausgangssignale des photoelek­ trischen Wandlungssystems werden elektrisch gewichtet und nach dem Differenzgitterprinzip aufsummiert. Durch das Dif­ ferenzgitterprinzip werden Gleich- und niederfrequente An­ teile im Leistungsdichtespektrum des resultierenden Signals vermieden, durch die elektrische Gewichtung die Nebenma­ xima. Die Gewichtung erfolgt mit zur Gittermitte hin vor­ zugsweise binomisch zunehmenden Wichtungsfaktoren. Weitere Hauptmaxima bei Frequenzen, welche ein Vielfaches der rele­ vanten Mittenfrequenz sind, lassen sich trotz der Gewich­ tung nicht eliminieren. Eine Erkennung der Bewegungsrich­ tung ist mit diesem Verfahren nicht möglich.

Schließlich ist aus der JP 63-163 170 A ein dem Ortsfilter­ prinzip ähnliches Verfahren bekannt, bei welchem die Über­ tragungseigenschaften eines räumlichen Gitters durch ein elektrisches Gewichtungsnetzwerk ersetzt werden. Ein opti­ scher Sensor erzeugt ein einen zweidimensionalen Ausschnitt der Objektoberfläche wiedergebendes, sequentielles Signal. Dieses wird in mehreren, parallelen Netzwerken verarbeitet, um je eine laterale, eine longitudinale sowie eine rotato­ rische Geschwindigkeitskomponente zu erhalten. Die Gewich­ tungsfunktion, die in diesen Netzwerken mit der Sensor­ ausgangsfunktion multipliziert werden, sind synchron zum Sensorausgangssignal und entsprechen der zweidimensionalen Transmissionsverteilung eines lateralen und eines longitu­ dinalen Gitters sowie einer rotatorischen Gitteranordnung mit transparenten Kreissektorabschnitten. Die gewichteten, sequentiellen Ausgangssignale werden sodann aufintegriert und einer Frequenzschätzung unterworfen. Diese Anordnung erlaubt zwar die Bestimmung der betragsmäßigen Komponenten der translatorischen Geschwindigkeit in zwei zueinander senkrechten Raumrichtungen, jedoch nicht deren Vorzeichen, so daß auf Grund dieser fehlenden Information nicht zu un­ terscheiden ist, in welche von vier möglichen Raumrichtun­ gen sich das Objekt tatsächlich bewegt.

Bei anderen 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 und eine Erkennung der Bewegungsrichtung erlauben. Stets wird aber zur Bewertung des zu untersuchenden Bildsignals mit seinem Ortsfrequenzspektrum als Filter ein optisches Gitter verwendet, welches sich durch eine rechteckige Ge­ wichtungsfunktion auszeichnet. Dies führt zur Aufnahme von ungeradzahligen Vielfachen der Gewichtungsgrundfrequenz aus dem zu untersuchenden Ortsfrequenzspektrum und insbesondere zur Mitbewertung der dritten Oberwelle. Vor allem bei der Wegmessung, bei der die Nulldurchgänge der Auswertesignale gezählt werden, kann dies zu Fehlern führen, weshalb die bereits genannten Nachlauffilter eingesetzt werden. Zudem führt die Verwendung räumlicher, gitterförmiger Masken zu einem aufwendigen Aufbau und verteuerter Herstellung des berührungslosen Meßaufnehmers.

Aus den oben beschriebenen Nachteilen bekannter Geschwin­ digkeitsmeßverfahren resultiert die der Erfindung zugrunde liegende Aufgabe, ein Verfahren zur Messung der Relativbe­ wegungen zwischen einem Objekt und einem die Objekt-Ober­ fläche bildgebend abtastenden Sensorsystem zur Verfügung zu stellen, welches mit einem minimalen mechanischen Aufwand eine eindeutige Erkennung der Bewegungsrichtung erlaubt. Ein weiteres Anliegen der Erfindung ist, eine Vorrichtung zur Durchführung des gefundenen Verfahrens zu schaffen.

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 Multi­ plikation des Sensor-Ausgangssignals mit einer Gewichtungs­ funktion und nachfolgende Integration oder Mittelwertbil­ dung über den abgetasteten Bildausschnitt gewonnen wird, wobei die Gewichtungsfunktionen entsprechend der Phasenauf­ teilung im Drehfeld zueinander phasenverschoben und zum Sensorausgangssignal jeweils phasensynchron sind und einen Signalverlauf mit schmalbandigem bis diskreten Frequenz­ spektrum im wesentlichen ohne Gleichstrom- und/oder Ober­ wellen-Signalanteile aufweisen. Pro einzelner Drehfeld- Phase wird also das zu untersuchende Sensor-Ausgangssignal mit einer Gewichtungsfunktion "bewertet", d. h. multipli­ ziert und aufintegriert, wobei die jeweiligen Ge­ wichtungsfunktionen zueinander eine dem Drehfeld entspre­ chende Phasenlage aufweisen. Deren Phasenverschiebungen be­ tragen beispielsweise bei einem zweiphasigen Drehfeld 90°, bei einem dreiphasigen Drehfeld 120° usw. Mit diesem Ver­ fahren erhält man Auswertesignale als Funktion der Phasen­ verschiebung zwischen dem Periodizitätsraster und dem unregel­ mäßigen Signalanteil des Sensor-Ausgangssignals. Die je­ der Phase des Drehfeldes zugeordnete gesonderte Bewertung des unregelmäßigen Sensor-Ausgangssignals erfolgt im Sinne eines vorzugsweise schmalbandigen Bandfilters. Der abgeta­ stete Bildausschnitt ergibt das Zeitfenster bzw. Intervall für die zur Bewertung gehörende Integration oder Mittel­ wertbildung. Ein mit der Erfindung erzielter Vorteil be­ steht darin, daß die Notwendigkeit eines optischen Gitters mit Bewertung durch schmale, oberwellenhaltige Rechteckim­ pulse entfällt. Stattdessen ist es im Rahmen der Erfindung möglich, die Bewertung des unregelmäßigen Sensor-Ausgangs­ signals mit einer schmalbandigen und elektronisch erzeugba­ ren Gewichtungsfunktion vorzunehmen, welche vorzugsweise ein diskretes Frequenzspektrum weitgehend ohne Gleichstrom- und/oder Oberwellen-Signalanteile aufweist, um die sich oben ergebende Forderung der Vermeidung von Mitbewertung von Oberwellen zu erfüllen; zur Vermeidung von Gleichan­ teilen ist es ferner zweckmäßig, die Mittelwertbildung oder Integration linear durchzuführen. Mit besonderem Vorteil ist die Gewichtsfunktion mit dem Abtastbetrieb des Bildsensorsystems oder dem Integrations-Summierbetrieb durch die entsprechenden Funktionsglieder nach Phase oder Frequenz synchronisiert, wobei diese insbesondere eine kon­ stante (starre, d. h. nicht durchgestimmte) Frequenz auf­ weist. Hierdurch wird erreicht, daß die Gewichtsfunktion bzw. die Bewertung streng phasensynchron zum Periodizitäts­ raster des zu untersuchenden Sensor-Ausgangssignals ver­ läuft. Im Rahmen der Erfindung liegt eine Phasenverschie­ bung der Bewertungsfunktionen und/oder der resultierenden Auswertesignale dergestalt, daß sie jeweils einer einzelnen Phase eines Drehfeldes entsprechen, wobei im Sinne der Er­ findung vor allem die Bewertungen des zu untersuchenden unregelmäßigen Sensor-Ausgangssignals mehrfach gemäß jeder einzelnen Drehfeldphase in deren zugehörigen Phasenlage er­ folgen sollen.

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.

Im Zusammenhang mit der Bewertung durch eine amplitudenmo­ dulierte Gewichtsfunktion ergibt sich durch die Synchro­ nisation der Gewichtungsfunktion mit dem Abtastbetrieb des Bildsensorsystems eine Ausbildung der Erfindung dergestalt, daß die Trägerschwingung 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 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 gewichtenden Schmalbandfilter und einem nachgeschalteten Integrier- oder Summierglied zur Bildung des Auswertesignals sowie einen Synchrongeber aufweist, der das Sensorsystem, das Schmalbandfilter und/oder Integrier- bzw. Summierglied zueinander jeweils phasenstarr ansteuert, wobei das Schmalbandfilter die Gewichtungsfunktionen in einer dem Drehfeld entsprechenden Phasenverschiebung zueinander mit dem Sensor-Ausgangssignal über einen Modulator bzw. Multiplizierer verknüpft. Der damit erzielte Vorteil besteht vor allem darin, daß zur Gewichtung des Sensor-Ausgangssignals kein optisches Gitter mit binärer 0/1-Gewichtungsfunktion, sondern ein handelsüblicher elektronischer Modulator- bzw. Multiplizierer-Baustein verwendet wird. Zur Erzeugung der Gewichtungsfunktion kann ebenfalls ein handelsüblicher Funktionsgenerator eingesetzt werden, der mit dem Bildsensorsystem, Integrier- und/oder Summierglied phasensynchronisiert 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-Coupled-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 Gewichtungsfunktion 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 besonders 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 f_z 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 f_z 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 ausgebenden Funktionsgenerator 22 verbunden. Im übri­ gen entspricht die Funktionsweise der Schaltung gemäß Fig. 4 derjenigen nach Fig. 2; so sorgt auch hier der Zeilentakt f_z 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 f_z.

Claims (16)

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, wobei die Gewichtungsfunktionen (G₁, G₂) entsprechend der Phasenaufteilung im Drehfeld zueinander phasenverschoben und zum Sensorausgangssignal (A) jeweils phasensynchron sind und einem Signalverlauf mit schmalbandigem bis diskreten Frequenzspektrum im wesentlichen ohne Gleichstrom- und/oder Oberwellen-Signalanteile aufweisen.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Frequenzspektrum der Gewichtsfunktion ( G₁, G₂) durch Amplitudenmodulation einer Trägerschwingung (F) (Fig. 5) erweitert ist.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Trägerschwingung (F) und die die Amplitude der Trägerschwingung Einhüllende (E) mit dem Abtast- und/oder Integrationsvorgang (t₀, t₁), insbesondere nach Phase, synchronisiert ist.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Abtastung durch das Bildsensorsystem (4, 5) zeilenweise erfolgt, wobei die Gewichtungsfunktion (G₁, G₂) mit dem jeweiligen Zeilenbeginn (t₀) oder -ende (t₁) synchronisiert wird.

5. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß das zur Integration oder Mittelwertbildung betrachtete Zeit- und/oder Wegintervall (t₀, t₁) der Zeilenfrequenz (fz) bzw. -länge (t₀, t₁) entspricht.

6. Berührungsloser Meßaufnehmer für Bewegungen und/oder Geschwindigkeiten bezüglich eines Meß-Objektes (2), zur Durchführung des Verfahrens nach einem der vorherigen Ansprüche, mit einem die Objekt-Oberfläche (1) abtastenden und bildgebenden Sensorsystem (4, 5), und einem Umsetzer für das Sensor-Ausgangssignal (A) in ein Drehfeld bildende Auswertesignale (B₁, B₂), dadurch gekennzeichnet, daß der Umsetzer (6) zur Bildung jedes Auswertesignals (B₁, B₂) eine Bewertungsschaltung (11, 12) mit einem das Ausgangssignal (A) gewichtenden Schmalbandfilter (14, 17; 23) und einem nachgeschalteten Integrier- oder Summierglied (18; 24) sowie einen Synchrongeber (7) aufweist, der das Sensorsystem (5), das Schmalbandfilter (14, 17; 23) und/oder Integrier- oder Summierglied (18; 24) zueinander jeweils phasenstarr ansteuert, wobei das Schmalbandfilter (14, 17; 23) die Gewichtungsfunktionen (G₁, G₂) in einer dem Drehfeld entsprechenden Phasenverschiebung zueinander mit dem Sensor-Ausgangssignal (A) über einen Modulator bzw. Multiplizierer (17) verknüpft.

7. Meßaufnehmer nach Anspruch 6, gekennzeichnet durch einen mit dem abtastenden Sensorsystem (5), Integrier- und/oder Summierglied (18; 24) phasen­ synchronisierten Generator (14) für die Gewichtungs­ funktion (G₁, G₂) .

8. Meßaufnehmer nach Anspruch 6 oder 7, gekennzeichnet durch eine dem Integrier- oder Summierglied (18; 24) nachgeordnete und damit synchronisierte Abfrage- und Halteschaltung (19).

9. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 8, gekennzeichnet durch einen oder mehrere dem Drehfeld entsprechende Phasenschieber (8) am Modulator- bzw. Multiplizierer-Eingang (17) und/oder am Integrier- und/oder Summierglied-Ausgang.

10. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Bandfilter-Gewichtungsfunktion (G₁, G₂) amplitudenmoduliert ist, wobei der phasensynchronisierte Generator (14) für die Trägerschwingung (F) mit dem abtastenden Bildsensorsystem (5) und ein weiterer Generator (22) für die einhüllende Schwingung (E) mit dem Integrier- oder Summierglied (18; 24) synchronisiert sind.

11. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß das bildgebenden Sensorsystem ein Zeilensensor (5), vorzugsweise in Charge-Coupled-Device-Technologie, ist, dessen Zeilenfrequenz bzw. -generator (fz) mit der Gewichtungsfunktion (G₁, G₂) des Bandfilters (14, 17; 23) phasensynchronisiert ist.

12. Meßaufnehmer nach Anspruch 11, dadurch gekennzeich­ net, daß der Synchrongeber einen auf der Zeilen­ frequenz (fz) betriebenen Zeilentaktgenerator (13) gemeinsam für den Zeilensensor (5) und den phasensynchronisierten Generator (14), der als Phasensynchronisationskreis, insbesondere PLL, zur Erzeugung der Bandfilter-Gewichtungsfunktion (G₁, G₂) ausgebildet ist, 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.

13. Meßaufnehmer nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß das Integrierglied als Tiefpaß mit einer Grenzfrequenz unterhalb der Zeilenfrequenz des Zeilensensors ausgeführt ist.

14. Meßaufnehmer nach Anspruch 12 oder 13, gekennzeichnet durch einen in den Zeilensensor baulich integrierten Zeilentaktgenerator, mit dem der Phasensynchronisationskreis zur Taktreproduktion und/oder Generation der Gewichtungsfunktion (G₁, G₂) gekoppelt ist.

15. Meßaufnehmer nach einem der Ansprüche 6 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Schmalbandfilter als mit dem Sensorsystem (5) seriell verbundenes analoges Schieberegister (23) realisiert ist, dessen seriell angeordnete 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.

16. Meßaufnehmer nach Anspruch 11 und 15, 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.