DE4307530A1

DE4307530A1 - Verfahren und Anordnung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE4307530A1
Application number: DE19934307530
Authority: DE
Inventors: Andreas Dickhoff
Original assignee: Kodak GmbH
Current assignee: Kodak GmbH
Priority date: 1993-03-10
Filing date: 1993-03-10
Publication date: 1994-09-15

Description

Die Erfindung betrifft eine Anordnung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines Gegenstandes, bestehend aus einem für Lichtstrah len durchlässigen Liniengitter mit quer zur Bewegungsrichtung des Gegen standes angeordneten parallelen Linien sowie einem ein elektrisches Signal abgebenden Strahlungsempfänger.

Eine derartige Anordnung ist aus DE-A-35 43 785 bekannt. Der bewegte und eine optische Struktur aufweisende Gegenstand wird mittels eines Objektivs auf ein Gitter abgebildet. Die parallelen Linien des Gitters ver laufen senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objekts. Das Gitter selbst ist direkt auf einer Fluoreszenzplatte, die mit einem Photoempfänger gekoppelt ist, angebracht. Von der Oberfläche des Objekts ausgehendes Licht wird vom Objektiv auf das Gitter abgebildet. Das durch das Gitter hindurchtretende Licht regt in der Fluoreszenzplatte Fluoreszenzmoleküle zur Abgabe von Fluoreszenzlicht an. Dieses Fluoreszenzlicht wird von einem Photoempfänger gesammelt, der ein elektrisches Signal abgibt, das der auf die Fluoreszenzplatte treffenden Lichtmenge proportional ist. Die ses Signal weist einen niederfrequenten und einen hochfrequenten Anteil auf. Der hochfrequente Anteil ist der Geschwindigkeit des Objekts propor tional. Die oben beschriebene Anordnung benötigt ein Objektiv zur Abbil dung des Gegenstandes auf das Gitter. Um am Photoempfänger auswert bare Meßsignale zu erhalten, muß das bewegte Objekt eine ausreichend hohe Lichtintensität abgeben. Diese Anordnung ist somit nicht für den Einbau in Geräte geeignet, in denen nicht ausreichend Umgebungslicht vorhanden ist. Ferner ist eine optische Justierung des Objektivs in bezug auf die Fluoreszenzplatte notwendig.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Aufbau einer Anordnung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines Gegenstandes zu vereinfachen und kompakt zu gestalten.

Dies wird dadurch erreicht, daß das Liniengitter unmittelbar über der Oberfläche des Gegenstandes angeordnet ist. Der Empfänger und ein die sem zugeordneter Sender sind oberhalb des Liniengitters derart vorgese hen, daß durch die vom Sender ausgehenden und das Liniengitter durch dringenden Lichtstrahlen auf der Oberfläche des Gegenstandes ein Licht balkenmuster erzeugt wird. Die durch die Bewegung der Oberfläche her vorgerufenen Helligkeitsschwankungen werden vom Empfänger registriert und als elektrische Ausgangssignale einer Auswerteeinrichtung zuführt.

Die erfindungsgemäße Anordnung ist in vorteilhafter Weise vom Umge bungslicht zur Beleuchtung des bewegten Gegenstandes unabhängig, was die Anwendung in den Geräten, wie Tintenstrahldrucker, Laserdrucker oder Kopierer ermöglicht.

Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Anordnung liegen in ihrer kompak ten Bauweise, im Verzicht auf optische Mittel zur Abbildung des bewegten Gegenstandes auf das Gitter und in der Verwendung eines Senders zur Beleuchtung von Gitter und bewegtem Gegenstand. Durch die einfache und kompakte Bauweise ist der Einbau der Anordnung auf kleinstem Raum möglich. Durch die Verwendung eines Senders ist die Anordnung in ihrer Funktionsweise von der Umgebungsbeleuchtung unabhängig. Des weiteren entfällt das optische Justieren, da kein Objektiv zur Abbildung des Gegenstandes auf das Gitter benötigt wird.

Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn der Strahlungsempfänger eine Photozelle oder ein Phototransistor und der Sender eine Leuchtdiode ist. Aufgrund der Verwendung elektronischer Bauteile, die in ihren Abmessungen klein sind, ist es möglich, die erfin dungsgemäße Anordnung raumsparend und kompakt herzustellen.

Eine weitere zweckmäßige Ausgestaltung der Erfindung liegt vor, wenn das verwendete Gitter photolithographisch hergestellt ist. Auf Grund dieses Herstellungsverfahrens ist es möglich, das Liniengitter mit Linien zu ver sehen, die nicht nur sehr fein, sondern auch sehr genau gearbeitet sind. Ferner kann mit diesem photolithographischen Verfahren die Gesamtabmes sung des Liniengitters klein gehalten werden. Dies begünstigt wiederum die kompakte und einfache Bauweise der erfindungsgemäßen Anordnung.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung können den Unteran sprüchen entnommen werden.

Anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels der Erfindung wird der Gegenstand der Erfindung beschrieben. Die Zeichnung zeigt in der

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung der räumlichen Lage von Sender und Empfänger in bezug auf das Liniengitter und den bewegten Gegenstand,

Fig. 2 ein auf die Oberfläche des Gegenstandes projiziertes Licht balkenmuster in Ansicht,

Fig. 3 die Anordnung von Sender, Empfänger und Liniengitter gemäß Fig. 1 in einem Gehäuse im Schnitt entlang der Linie III-III und

Fig. 4 die Anordnung von Sender, Empfänger und Liniengitter gemäß Fig. 1 in einem Gehäuse im Schnitt entlang der Linie IV-IV.

Die Fig. 1 zeigt in schematischer Darstellung eine Anordnung 2 zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines Gegenstandes 4. Die Oberfläche des Gegenstandes 4, der sich in Richtung des Pfeils v_x bewegt, weist eine optische Struktur auf. Unmittelbar über dem bewegten Gegenstand ist eine Trägerplatte 8 angebracht, die ein photolithographisch erzeugtes Liniengitter 10 trägt. Die Trägerplatte 8 besteht aus einem Material, das für elektromagnetische Strahlung im Bereich des sichtbaren Lichtes transparent ist. Das hier verwendete Material kann Glas oder lichtbeständiger Kunststoff sein. Über dem Gitter sind ein Sender 12 und ein Empfänger 14 angeordnet. Der Sender 12, der im Ausführungsbeispiel eine Leuchtdiode ist, beleuchtet das Liniengitter 10, wodurch auf dem bewegten Gegenstand 4 ein Lichtbalkenmuster projiziert wird. Hierbei ist darauf zu achten, daß die optische Struktur der Oberfläche, wie Uneben heiten, Partikel oder Schwankungen des Reflexionsvermögens, möglichst kontrastreich beleuchtet wird.

Ein auf den bewegten Gegenstand 4 projiziertes Lichtbalkenmuster 16 des Liniengitters 10 ist in Fig. 2 dargestellt. Die Dimension des Lichtbalken musters 16 senkrecht zur Bewegungsrichtung ist mit b bezeichnet, die in Bewegungsrichtung mit a. Die Projektion des Lichtbalkenmusters auf die Oberfläche des bewegten Gegenstandes 6 erzeugt beleuchtete und abge schattete Balken 18 bzw. 20, die mit konstantem Abstand aufeinander fol gen. Die Gitterkonstante, ds, ist die Distanz vom Beginn eines beleuchte ten Balkens 18 zum Beginn des nächsten beleuchteten Balkens 18. Bewegt sich beispielsweise ein heller Fleck von einem beleuchteten Balken 18 zu einem unbeleuchteten Balken 20, so verringert sich die Gesamthelligkeit des Lichtbalkenmusters 16. Diese Helligkeitsschwankungen werden von dem Empfänger 14 erfaßt.

In den Fig. 3 und 4 ist eine Ausführungsform der Anordnung zum berüh rungslosen Messen der Geschwindigkeit eines Gegenstandes dargestellt. Fig. 3 zeigt die Anordnung im Schnitt senkrecht zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes und Fig. 4 parallel zur Bewegungsrichtung. Der Sender 12 und der Empfänger 14 sind in ein Gehäuse 26 eingebaut, wobei sich das Austrittsfenster des Senders 12 und das Eintrittsfenster des Empfän gers 14 in einer Ebene befinden. Das Gehäuse 26 selbst ist allseitig licht dicht, ausgenommen der Seite des Gehäuses, die dem Austrittsfenster des Senders 12 und dem Eintrittsfenster des Empfängers 14 gegenüberliegt. Diese Seite des Gehäuses ist mit der Trägerplatte 8 für das Liniengitter 10 abgeschlossen. Das Gehäuse 26 ist so montiert, daß die Trägerplatte 8 unmittelbar über und parallel zum bewegten Gegenstand 4 angeordnet ist.

Die vom Sender 14 registrierten Helligkeitsschwankungen bewirken eine Modulation des Ausgangssignals s(t), das mittels elektrischer Leitungen 28 und einer elektrischen Durchführung 24 einer Auswertelogik 22 zugeführt wird. Diese bestimmt in einfachen Fällen die Frequenz F_d der Helligkeits schwankungen. Anhand der Gitterkonstanten ds kann dann die Geschwin digkeit des Gegenstandes v_x in X-Richtung nach Gleichung 1 bestimmt werden.

v_x = F_d _* ds (1)

Bei anspruchsvolleren Anwendungen wird die Auswertung mittels einer Fouriertransformation durchgeführt. Es gilt:

S(ω) = 1/v _* W(+ω)/v) _* R(-ω/v) (3)

S(ω) ist die Fouriertransformierte des Ausgangssignals s(t) des Empfän gers 14.
s(t): Ausgangssignal des Empfängers 14
ω (x): Window-Funktion des Lichtbalkenmusters
ρ (x): Reflexionsgrad der Oberfläche an der Stelle x
x: Wegstrecke
v: Geschwindigkeit der Oberfläche
t: Zeit
R: Spektralfunktion von ρ
W: Spektralfunktion von ω.

Die Abmessungen des Linienbalkenmusters sind in Abhängigkeit von den optischen Eigenschaften der zu messenden Oberfläche zu wählen.

Claims

1. Anordnung zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines Gegenstandes, bestehend aus einem für Lichtstrahlen durchlässigem Liniengitter (10), das quer zur Bewegungsrichtung des Gegenstandes angeordnete parallele Linien sowie einen ein elektrisches Signal abge benden Strahlungsempfänger (14) aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß das Liniengitter (10) unmittelbar über der Oberfläche (6) des Gegenstandes (4) angeordnet ist, daß der Empfänger (14) und ein diesem zugeordneter Sender (12) oberhalb des Liniengitters (10) vor gesehen sind, derart, daß durch die vom Sender (12) ausgehenden und das Liniengitter (10) durchdringenden Lichtstrahlen auf der Oberfläche (6) des Gegenstandes (4) ein Lichtbalkenmuster (16) erzeugbar ist, und daß die Helligkeitsschwankungen desselben vom Empfänger (14) registrierbar und als elektrische Ausgangssignale einer Auswerteeinrichtung (22) zuführbar sind.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (14) eine Photozelle ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahlungsempfänger (14) ein Phototransistor ist.

4. Anordnung nach Anspruchs 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Lini engitter (10) photolithographisch hergestellt ist.

5. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeich net, daß das Liniengitter (10) in seinen Abmessungen quadratisch ist.

6. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen der (12) eine Leuchtdiode ist.

7. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sen der (12) und der Strahlungsempfänger (14) in einer Ebene parallel zum bewegten Gegenstand (4) angeordnet sind.

8. Anordnung nach den Ansprüchen 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (12), der Empfänger (14) und das Liniengitter (10) in einem gemeinsamen Gehäuse (26) angeordnet sind.

9. Verfahren zum berührungslosen Messen der Geschwindigkeit eines Gegenstandes (4), mit der Anordnung nach Anspruch 1, wobei die Oberfläche (6) dieses Gegenstandes (4) eine optische Struktur auf weist, dadurch gekennzeichnet, daß

a) der zu messende Gegenstand (4) unmittelbar unter dem Liniengit ter (10) hindurchgeführt wird,
b) das Liniengitter (10) mittels einer Lichtstrahlen aussendenden und empfangenden Einrichtung beleuchtet bzw. abgetastet wird,
c) die durch die sich unter dem Liniengitter (10) bewegte optische Struktur der Oberfläche (6) des Gegenstandes (4) erzeugten Hei ligkeitsschwankungen von einem Strahlungsempfänger (14) regi striert werden und
d) ein vom Strahlungsempfänger (14) erzeugtes Ausgangssignal einer elektrischen Auswertelogik (22) zugeleitet wird, die in Abhängig keit von dem Ausgangssignal die Geschwindigkeit des Gegenstan des (4) ermittelt.