SE440150B - Anordning for optisk metning av ett foremals rorelse - Google Patents

Description

8402480-1 z Föreliggande uppfinning hänför sig således till en anordning för optisk mätning av ett föremåls rörelse, innefattande organ anordnade att utsända ljus mot föremålets yta samt organ anordnade att mottaga mot ytan reflek- terat ljus där det ljusutsändande organet är anslutet till ett ljusemit- terande element och där de ljusmottagande organen är anslutna till var sitt ljussensitivt element, vilka är anordnade att alstra en elektrisk sig- nal motsvarande mottaget ijus, vilka ljusmottagande organ är placerade på avstånd från varandra, samt en signalbehandlingskrets innefattande en kor- relator för bestämning av de två elektriska signalernas relativa tidsför- skjutning, vilken tidsförskjutning utgör ett mått på föremålets hastighet, och utmärkes av att nämnda organ innefattar ljusvågledare, vilka utgöres av ljusledande fibrer, vilka är anslutna till nämnda ljusemitterande ele- ment resp. nämnda två ljussensitiva element och av att den ljusutsändande ljusvågledaren är symmetriskt placerad mellan de två ljusmottagande ljus- vågledarna samt av att de tre ljusvågledarnas ljusemitterande resp. ljus- mottagande öppnings centrum är placerade utmed en linje.

Nedan beskrives uppfinningen närmare, delvis i samband med ett på bifogade ritning visat utföringsexempel av uppfinningen, där - fig. l visar en sensor enligt uppfinningen sedd från sidan. - fig. 2 visar ett schematiskt blockschema för en anordning för mätning av föremåls rörelse, vinkelhastighet och/eller diameter enligt föreliggande uppfinning. - fig. 3 visar en skiss för definierande av vissa parametrar.

I fig. 2 visas schematiskt ett blockschema över en anordning enligt uppfin- ningen för optisk mätning av ett föremåls rörelse. Anordningen innefattar organ l för utsändande av ljus mot föremålets 2 yta 3, samt organ Ä anord- nade att mottaga mot ytan reflekterat ljus. Organen Ä är så anordnade att en elektrisk signal alstras motsvarande mottaget ljus av var och en av två på avstånd från varandra belägna ljusmottagande element. Vidare förefinns en signalbehandlingskrets 5 innefattande en korrelator 6 för bestämning av de två elektriska signalernas relativa tidsförskjutning fr), vilken tids- förskjutning utgör ett mått på föremålets 2 hastighet.

Enligt föreliggande uppfinning innefattar nämnda organ en sensor 8, se fig. l, med endast en ljusvågledare 9 anordnad att utsända ljus, vilken är pla- cerad symmetriskt mellan två ljusvågledare l0,ll anordnade att mottaga så- lunda utsänt och mot föremålets yta reflekterat ljus. ___....,..,_.- _..__.._._._.___-._..._._.__ . .. .....-.. 8402480-1 De tre ljusvågledarnas 9,10,11 ljusemitterande resp. ljusmottagande öpp- nings centrum är placerade utmed en linje, så att vid ett föremâls rörelse i linjens riktning varje ljusvådedarei successiv ordningimnmeratt belysa resp. avkänna samma ytavsnitt av föremålet.

Vid användande av sensorn 8 inriktas denna så att nämnda räta linje är unge- fär parallell med föremålets ytas rörelseriktning.

Ljusvågledarna 9,i0,11 kan utgöras av exempelvis optiska fibrer, fiberknip- pen eller vågledande kanaler på en optisk integrerad krets.

Enl. en föredragen utföringsform utgöres dock varje ljusvågledare av endast en optisk fiber. Enl. en ytterligare utföringsform är avståndet lo mellan var och en av ljusvågledarna 9,10,11 av samma storleksordning som ljusvågie- darnas diameter eller motsvarande, vilken företrädesvis understiger 200 um. Även s.k. monomodfibrer kan utnyttjas. Detta medför att en sensor enl. upp- finningen kan göras mycket liten, vilket har uppenbara väsentliga fördelar, såsom framgår nedan.

Den ljusvågledare 9, som är avsedd att emittera ljus är ansluten till ett ljusemitterande element 12 för alstrande av lämpligt ljus. De övriga två ljusvågledarna 10,11 är var och en ansluten till ett ljussensitivt element 13,1Å.

Såsom framgår av fig. 1 emitteras resp. mottages ljus från resp. av ifråga- varande ljusvågiedare inom ett visst acceptansområde, visat med streckade linjer i fig. 1, som är större än den ljusemitterande resp. ljusmottagande öppningen eller ändytan hos resp. ljusvågledare.

Acceptansområdet för de ljusmottagande ljusvågledarna skall givetvis till del överlappa den yta, som upplyses av den ljusemitterande ljusvågledaren.

Till grund för föreliggande uppfinning ligger sålunda insikten att man skall begagna endast en ljusemitterande ljusvågledare för att belysa ett fö- remåls yta och att man skall begagna två på var sida om den ljusemitterande ledaren förefintliga ljusmottagande ledare för att mottaga samma utsända ljus, vilket reflekterats på olika ställen av föremålets yta. Ett väsent- ligt särdrag är förutom att endast en ljusemitterande ledare utnyttjas att denna är symmetriskt belägen i förhållande till de omgivande ljusmottagande ljusvågledarna. Genom denna speciella uppbyggnad behöver inte såsom tidiga- re känt två sensorer, vilka måste hållas åtskilda i rummet användas, utan tvärtom kan föreliggande sensor göras mycket liten, som tidigare nämnts. 8402480-1 4 Detta medför att avståndet lo kan göras mycket litet i förhållande till ett roterande föremåls radie, vilket medför att anordningen är särskilt lämpad 9 för mätning av ett roterande föremåls vinkelhastighet och/eller diameter.

En ytterligare fördel är att sensorn inte behöver vara inriktad relativt fö- , remålet så att en linje genom ljusledarnas resp. öppning är exakt parallell med föremålets ytas rörelseriktning. Försök har visat att korrelation kan erhållas i vissa fall, trots att nämnda linje bildar en vinkel av upp till ü5° mot föremålets rörelseriktning.

Sensorn enl. föreliggande uppfinning har även givit den effekten att icke koherent ljus kan användas även om föremålet är blankt. Sålunda kan synligt ljus eller infrarött ljus användas som alstrats medelst ett ljusemitterande element 12 i form av en vanlig enkel lysdiod.

Med dylikt ljus erhålles en stor korrelation när mätning sker mot såväl blanka föremål som mot matta föremål, dock blir upplösningen sämre vid mat- ta föremål.

Detta innebär således att en anordning enl. uppfinningen inte fordrar laser- ljus, vilket avsevärt bl.a. förbilligar anordningen.

Sensorns små geometriska dimensioner ger även fördelar avseende vissa appli- kationsområden, där åtkomligheten är begränsad.

Refererande till fig. l är exempelvis de tre ljusvågledarna 9,l0,ll inbaka- de i ett plastmaterial 15 i en hylsa 16 för att ljusvågledarnas inbördes lä- ge skall bibehållas.

Det ljusemitterande elementet 12 drives av en spänningskälla 17.

De ljussensitiva elementen 13,14 utgöres av för utnyttjat ljus lämpliga ele- ment, exempelvis fotodioder. De ljussensitiva elementen l3,lÅ är anslutna till korrelatorn 6, i vilken signalerna från elementen korreleras och tids- förskjutningen I mellan signalerna bestämmes på känt sätt. Den därvid rådan- de tidsförskjutningen t signalerna emellan fastställs således och utnyttjas vidare.

Med referens till fig. 3 belyses nedan betydelsen av vissa parametrar vid en sensor enl. uppfinningen.

I fig. 3 visas ett föremål 2, som roterar i riktningen 20 runt en axel 2l.

Den ljusemitterande ledaren 9 betecknas nedan S och de ljusmottagande ledar- na lD,ll betecknas Ml resp. M2. 8402480-1 Av illustrativa skäl visas en elliptisk cylinder 2, men föremålet kan ha andra former.

De tre ljusvågledarnas öppningars centrum är belägna på konstant avstånd R från axeln 21 och på ett plan, som är vinkelrätt mot axeln. inriktningen av ljusvågledarna mot axeln är lika, vilket är markerat med vinkeln a för de tre ljusvågledarna. Ljusvågledaren S är, som ovan nämnts, symmetriskt belä- = ts + ß och ds = t + ß. gen mellan ljusvågledarna M1 och M2, d.v.s. M1 inz Vid rotation av föremålet mottager ljusvågledaren M2 ljus, som omvandlas till en elektrisk signal S2(oo), där do är föremålets vridning. Ljusvågleda- ren Mi ger på motsvarande sätt upphov till en elektrisk signal Sl(@O). Nu gäller att S2(o0) = Sl($o - B), d.v.s. signalen S2 ligger ß radianer efter signalen Si.

Signalen Sl beror på strukturen eller egenskaper E(y) hos föremålets yta, där Y är en parameter, som beskriver läget på ytan. Dessutom beror signalen på hur ljusledarna är orienterade i förhållande till ytan, vilket kan be- skrivas av funktionen G (ds, $M1, do, Y), där os är läget för sändaren, där dM1 är läget för mottagaren, där do är vridningen av kroppen och där Y är koordinaten på ytan.

Signalen Si ges av en summa eller integral över belysningspunkterna = f G (4559 ÖMI: 430: Y) E (Y)dY På samma sätt ges signalen S2 av följande integral S2 (mo) = J' G (ms, 4342, to, Y) Ehrldv Genom att utnyttja satsen om reciprocitet och translation kan det visas att 52 (io) = 51 (mo " S) Detta illustreras i figuren av att en godtycklig stråle 22 mellan S och Mi återkommer som en likadan stråle 23 mellan S och M2, så när som på riktning- en, då föremålet vridit sig B radíaner.

Signalen S2 är således fördröjd 6 radianer i förhållande till signalen Si.

Denna fördröjning är den ovan med T betecknade tídsförskjutningen, vilken kan mätas med korrelationsteknik där sambandet I = B/m, där w är vinkelhas- tigheten, gäller. Omvänt gäller att vinkelhastigheten kan bestämmas som w = ß/t.

Vad beträffar mätning av den plana hastigheten hos föremål gäller att R » ~« Härav följer att hastigheten v hos föremålet ges av sambandet v = lo/t. 84Ü248Û"l Signalbehandlingskretsen 5 innefattar enl. en föredragen utföringsform en beräkningsenhet Zfi, såsom en mikrodator för beräkning av exempelvis hastig- heten v ur sambandet v = lo/T, där lo inmatas, exempelvis via ett tangent- bord 25, till mikrodatorn Zë. Resultatet redovisas på en lämplig åskådnings- anordning 26, såsom en display, skrivare eller liknande.

Som ovan nämnts är föreliggande anordning särskilt lämpad för mätning av vinkelhastigheten och/eller diametern hos ett cirkulärcylindriskt föremål.

Vinkelhastigheten w erhålles ur sambandet m = B/t. Genom att föreliggande sensor kan göras liten blir B liten, varför w kan beräknas ur sambandet w = la/R ~ tt Dessutom kan sensorn ha en utformning som om R vore lika med oänd- ligheten, d.v.s. öppningarnas centrum ligger på en rät linje med avståndet lo och är parallellt inriktade. Trots detta uppnås en hög mätnoggrannhet.

Enl. en föredragen utföringsform av anordningen för mätning av vinkelhas- tighet hos ett roterande föremål, är därför nämnda signalbehandlingskrets 5 anordnad att medelst mikrodatorn 24 utföra en beräkning av vinkelhastighe- ten m ur sambandet m = lo/R - t, där parametrarna lo och R inmatas i mikro- datorn.

Vad beträffar mätning av ett roterande cylindriskt föremåls diameter 2r kan denna med fördel mätas medelst föreliggande anordning.

Sambandet R = lø/I ' m' utnyttjas där vinkelhastígheten w' är given, till exempel genom uppmätning medelst en annan givare.

Vidare gäller att R = r + d där d är det radiella avståndet mellan föremå- lets yta och ljusvågledarnas resp. nämnda öppnings centrum, se fig. 2.

Avståndet d bestäms genom uppmätning eller genom en anlíggande anordning för konstanthållande av avståndet d.

Diametern 2r ges således av sambandet 2r = 2(lo/I - w' - d) Givetvis kan såväl yttre som inre diametrar mätas.

Genom att sensorn enl. uppfinningen kan göras liten, d.v.s. att avståndet lo kan göras litet, gäller för de flesta tänkbara tillämpningarna, exempel- vis mätning av diametern hos axlar eller hjul, som är under tillverkning, att B - R = lo << r, d.v.s. att föremålets radie är stor relativt avståndet lo. Härigenom kan ljusvågledarna ha ett utförande som om R + w, d.v.s. vara inbördes parallella och ha ett inbördes avstånd av lo. Trots detta uppnås således en hög mätnoggrannhet. m m 8402480-1 Enl. en ytterligare föredragen utföringsform av anordningen för mätning av diametern hos ett föremål är därför nämnda signalbehandlingskrets S anord- nad att medelst mikrodatorn Zë utföra en beräkning av diametern 2r ur sam- bandet 2r = 2(l0/I - w' - d), där parametrarna lo, d och w' inmatas i mik- rodatorn.

Såsom tydligt framgår ovan medför sensorns uppbyggnad med endast en ljus- emitterande ljusvågledare omgiven av två ljusmottagande ljusvågledare att dess dimensioner kan göras små, d.v.s. att avståndet lo kan göras litet.

Detta leder i sin tur till att både vinkelhastigheten ozh diametern hos cy- lindriska roterande föremål enkelt kan bestämmas med hög noggrannhet, något som är betydligt svårare, alternativt icke möjligt, med konventionella giva- FE.

När det ovan omtalats att sensorn tack vare sin uppbyggnad kan göras liten är detta givetvis relativt det objekt, mot vilket den skall inriktas för mätning. Emellertid kan såsom framgått även sensorn göras liten mätt i abso- luta termer, särskilt jämfört med känd teknik, där två sensorer och deras inbördes avstånd skall beaktas.

Emellertid är föreliggande uppfinning inte begränsad till någon särskild storlek hos sensorn.

Enl. en vid utnyttjande av laserljus föredragen utföringsform kan den ljus- emitterande fibern utgöras av en s.k. monomodfiber, medan de ljusmottagande fibrerna utgöras av s.k. multimodfibrer.

Därvid ernås den fördelen att den ljusemitterande fibern blir vibrationso- känslig.

Vidare_kan den tekniska detaljutformningen av sensorn, liksom uppbyggnaden av den ovan beskrivna elektroniken modifieras, utan att uppfinningstanken frångås.

Föreliggande uppfinning skall således inte anses begränsad till de ovan an- givna utföringsformerna, utan kan varieras inom dess av bifogade patentkrav angivna ram.

Claims (9)

8402480-1 Patentkrav

1. l. Anordning för optisk mätning av ett föremåls rörelse, innefattande Organ anordnade att utsända ljus mot föremålets yta samt organ anordnade att mottaga mot ytan reflekterat ljus där det ljusutsändande organet är anslutet till ett ljusemitterande element och där de ljusmottagande organen är anslut- na till var sitt ljussensitivt element, vilka är anordnade att alstra en elektrisk signal motsvarande mottaget ljus, vilka ljusmottagande organ är placerade pâ avstånd från varandra, samt en signalbehandlingskrets (5) inne- fattande en korrelator (6) för bestämning av de två elektriska signalernas relativa tidsförskjutning (r), vilken tidsförskjutning utgör ett mått på föremålets hastighet, k ä n n e t e c k n a d a v, att nämnda organ inne- fattar ljusvågledare (9,lU,il), vilka utgöres av ljusledande fibrer, vilka är anslutna till nämnda ljusemitterande element (l2) resp. nämnda två ljus- sensitiva element (l3,lÄ) och av att den ljusutsändande liusvågledaren (9) är symmetriskt placerad mellan de två ljusmottagande ljusvågledarna (l0,ll) samt av att de tre ljusvågledarnas (9,l0,1l) ljusemitterande resp. ljus- mottagande öppnings centrum är placerade utmed en linje.

2. Anordning enl. krav l, k ä n n e t e c k n a d a v, att var och en av nämnda ljusvågledare (9,l0,ll) utgöres av endast en ljusledande fiber, såsom en glasfiber.

3. Anordning enl. krav l eller 2, k ä n n e t e c k n a d a v, att av- ståndet (lo) mellan var och en av två närliggande ljusvågledare (9,10,ll) är av samma storleksordning som ljusvågledarnas (9,l0,ll) diameter eller motsvarande, vilken företrädesvis understiger 200 um.

4. A. Anordning enl. krav 1, 2 eller 3, k ä n n e t e c k n a d a v, att det ljusemitterande elementet (12) utgöres av en ljuskälla, såsom en lys- diod, anordnad att utsända icke koherent ljus.

5. Anordning enl. krav l, 2 eller Ä för mätning av vinkelhastigheten hos ett roterande föremål, k ä n n e t e c k n a d a v, att nämnda signal- behandlingskrets (5) är anordnad att utföra en beräkning av vinkelhastig- heten (ml ur sambandet m = lo/R - T , där 10 är avståndet mellan var och en av de mottagande ljusvågledarnas (l0,1l) nämnda öppning och den emitter- ande ljusvågledarens (9) öppning, där R är det radiella avståndet från före- målets rotationscentrum till nämnda öppningar och där T är nämnda tidsför- skjutning. lg. 8402480-1

6. Anordning enl. krav 1, 2, 3, M eller 5, för mätning av diametern hos ett roterande föremål med konstant diameter, k ä n n e t e c k n a d a v, att nämnda signalbehandlingskrets (5) är anordnad att utföra en beräkning av diametern 2r ur sambandet 2r = 2(lO/T - w' - d), där r är föremålets radie, där lo är avståndet mellan var och en av de mottagande ijusvågledarnas (l0,11) nämnda öppning och den emitterande ljusvågledarens nämnda öppning (9), där m' är föremålets vinkelhastíghet, där T är nämnda tidsförskjutning och där d är det radiella avståndet mellan föremålets yta och ljusvågiedar~ nas (9,l0,ll) resp. nämnda öppning.

7. Anordning enl. något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d a v, att ljusvågledaren (9), som är anordnad att utsända ljus utgöres av en s.k. monomodfiber och att de övriga två ljusvågledarna (lÛ,ll) utgöres av s.k. multimodfiber.

8. Anordning enl. något av föregående krav, för det fall vinkelhastighet och/eller diameter avses mätas, k ä n n e t e c k n a d a v, att de tre ljusvågledarnas (9,l0,ll) öppningar är inriktade mot föremålets rotations- Cell tFUm .

9. Anordning enl. något av föregående krav, k ä n n e t e c k n a d a v, att var och en av nämnda ljusvågledare utgöres av en vågiedande kanal på en integrerad krets.