WO2007006642A1 - Optischer längen- und geschwindigkeitssensor - Google Patents

Optischer längen- und geschwindigkeitssensor Download PDF

Info

Publication number
WO2007006642A1
WO2007006642A1 PCT/EP2006/063525 EP2006063525W WO2007006642A1 WO 2007006642 A1 WO2007006642 A1 WO 2007006642A1 EP 2006063525 W EP2006063525 W EP 2006063525W WO 2007006642 A1 WO2007006642 A1 WO 2007006642A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
sensor
photosensitive elements
relative speed
contact measurement
object surface
Prior art date
Application number
PCT/EP2006/063525
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
Arno Bergmann
Klaus Matzker
Siegfried Wienecke
Original Assignee
Fraba Ag
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Fraba Ag filed Critical Fraba Ag
Publication of WO2007006642A1 publication Critical patent/WO2007006642A1/de

Links

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D5/00—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable
    • G01D5/26—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G01D5/32—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light
    • G01D5/34—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells
    • G01D5/347—Mechanical means for transferring the output of a sensing member; Means for converting the output of a sensing member to another variable where the form or nature of the sensing member does not constrain the means for converting; Transducers not specially adapted for a specific variable characterised by optical transfer means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light with attenuation or whole or partial obturation of beams of light the beams of light being detected by photocells using displacement encoding scales
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P3/00—Measuring linear or angular speed; Measuring differences of linear or angular speeds
    • G01P3/64—Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance
    • G01P3/68—Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance using optical means, i.e. using infrared, visible, or ultraviolet light
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S11/00—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation
    • G01S11/12—Systems for determining distance or velocity not using reflection or reradiation using electromagnetic waves other than radio waves
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/50—Systems of measurement based on relative movement of target
    • G01S17/58—Velocity or trajectory determination systems; Sense-of-movement determination systems
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01D—MEASURING NOT SPECIALLY ADAPTED FOR A SPECIFIC VARIABLE; ARRANGEMENTS FOR MEASURING TWO OR MORE VARIABLES NOT COVERED IN A SINGLE OTHER SUBCLASS; TARIFF METERING APPARATUS; MEASURING OR TESTING NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • G01D2205/00—Indexing scheme relating to details of means for transferring or converting the output of a sensing member
    • G01D2205/90—Two-dimensional encoders, i.e. having one or two codes extending in two directions
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S17/00—Systems using the reflection or reradiation of electromagnetic waves other than radio waves, e.g. lidar systems
    • G01S17/02—Systems using the reflection of electromagnetic waves other than radio waves
    • G01S17/06—Systems determining position data of a target

Definitions

  • the invention relates to a sensor for non-contact measurement of a relative speed of an object or an object surface to the sensor after
  • Image processing method comprising a plurality of spaced-apart photosensitive elements, at least one optic and An horrungs- and evaluation means, the optics at least partially maps the object to be measured or its surface on the photosensitive elements of the sensor and the driving means, the photosensitive elements of the sensor at a time interval read, the optics arranged at a distance to the non-contact measurement to the sensor object and its surface on the photosensitive elements of the sensor at least partially and from read at a time interval data of the photosensitive elements object features or features of the object surface, which on the photosensitive Elements are mapped, localizing and a displacement of the object features or a displacement of the features of the object surface determining evaluation means are provided.
  • the invention further relates to a sensor for non-contact measurement of a relative speed of an object or an object surface to the sensor after
  • Local frequency filter method with a plurality of spaced-apart photosensitive elements, at least one optical system and control and evaluation means, wherein the optics, the object to be measured or whose surface on the photosensitive elements of the sensor at least partially maps and the drive means read the photosensitive elements of the sensor at intervals and a method for adapting a sensor for non-contact measurement of a relative speed of an object or an object surface to the sensor according to the image processing method or
  • Spatial frequency filter method with a plurality of spaced apart photosensitive elements to changed measurement conditions.
  • sensors For the measurement of relative speeds between an observer or sensor and an object or its surface, sensors are known which operate according to various methods. In general, when measuring the relative speeds between the sensor and a surface is irrelevant whether the sensor moves relative to the object or the object relative to the sensor.
  • the speed measurement is basically based on the determination of a length, for example, the distance traveled by the object in the measuring range of the sensor within a certain time. The speed can be determined from the measured displacement and the required time. By simple integration over the measured time, the distance covered or the length of an object can also be determined with a corresponding sensor. Sensors for non-contact measurement of a relative speed are therefore also suitable for length measurement.
  • the laser Doppler method In which in one Two beam arrangement, a laser beam is split over a beam splitter into two sub-beams and both sub-beams are brought to overlap at different angles on the surface of the material to be measured. Both laser beams now experience different Doppler shifts, which are dependent on the speed of the object, due to the speed of the object or the surface of the object on which they are overlapped.
  • the scattered laser light contains a low-frequency beat frequency which is directly proportional to the velocity of the object in the first order.
  • speeds and lengths can be determined with measuring errors in the per thousand range.
  • the structure is due to the two beam paths and the laser light source equipment very expensive.
  • the measurement result depends largely on the temperature stability in the measuring range and the device for measuring. Therefore, an enormous effort for temperature control of the equipment is required.
  • Another optical measuring method for non-contact speed measurement is the
  • Spatial frequency filtering method An object surface or object is typically exposed to white light and the backscattered light from a photosensitive detector is measured through an optical grating. During the movement of the object or the object surface, light-dark fluctuations occur in the optical grating whose frequency is proportional to the speed of the object or the object surface.
  • the spatial frequency filter method the surface of the object or the object surface is divided into grid-shaped areas corresponding to the optical grating, and their brightness evaluated. Compared with the laser Doppler method, the expenditure on equipment of a sensor for the spatial frequency filter method is relatively low. The disadvantage, however, is that the
  • Local frequency filtering method provides relatively high measurement errors in the range of low object speeds, since the determination of the speed is based on a frequency measurement of a mostly noisy signal.
  • a particular problem here is that a standstill of the object to be measured, which leads to a frequency of "0", can not be detected with the spatial frequency filter method
  • Image scales used optics reflected directly in the measurement results, so that in order to achieve a small measurement error, the distance of the sensor to the object at a given optics must be kept within narrow limits constant.
  • Another possibility for measuring a relative displacement of an object relative to a sensor is the image processing method.
  • image processing method line or areal images of the object surface are recorded at a known time interval. Concise object features are localized in each image and, by comparison with images taken at a different time, their displacement and thus the object displacement are determined.
  • Such a method is used today in optical mice for cursor control computers.
  • a standstill determination is relatively safe possible by the image processing method.
  • the sensors are placed directly on an object surface, for example a table, and a determination of the displacement of the sensor measured against the object surface for determining cursor movement. A speed determination does not take place.
  • a generic sensor for non-contact measurement of a relative speed which operates according to the image processing method, is known from DE 102 48 416 A1.
  • the present invention has the object, a generic sensor for non-contact measurement of a relative speed of an object or an object surface to the sensor according to the spatial frequency filter method or the
  • the invention has the object to provide a method for adapting a sensor to different measurement conditions and to use the sensor.
  • the above-mentioned object for a sensor for non-contact measurement of a relative speed according to the image processing method is achieved in that the evaluation means for forming a virtual grating summarize a certain number of photosensitive elements in the evaluation or certain photosensitive elements in the Do not consider evaluation and the position of each summarized or not considered photosensitive elements in at least one spatial direction by the evaluation means is temporally variable.
  • sensors for non-contact measurement of a relative speed which, according to the sensors for determining the cursor movement in optical mice, after the image processing method using a simple optics, which arranged at a distance to the contactless measurement and object to be measured on the photosensitive elements of the sensor at least partially maps, allow very accurate non-contact speed measurements.
  • the sensor according to the invention can in principle very well measure an object standstill and is therefore very well suited for speed or length measurement in industrial use. Of course you can also derived quantities such as the acceleration can be determined with the sensor.
  • the read-out frequency of the sensor depends on the number of individually readable photosensitive elements of the sensor, this can be increased by not forming a virtual grid on the sensor a certain number of photosensitive elements in the evaluation summary or certain photosensitive elements in the evaluation considering evaluation means are provided.
  • evaluation means in particular the measurement behavior of the sensor can be adapted to different surfaces or object conditions. If, for example, the object has very coarse object features, the read-out frequency can be increased since, for example, several combined photosensitive elements can detect a displacement of the coarse features with sufficient accuracy or the displacement of the object features can be detected with a smaller number of photosensitive elements. If fine object features must be detected, the lattice constant of the virtual lattice can be selected accordingly fine.
  • each summarized or not considered photosensitive elements on the sensor in at least one spatial direction temporally varying evaluation, with respect to the object to be measured a virtually moving grid on the level of the photosensitive elements of the sensor can be generated by the evaluation, resulting in a Improvement of measuring accuracy, especially at low object or object surface speeds.
  • a generic sensor for non-contact measurement of a relative velocity according to the spatial frequency filter method solves the above-derived object by providing a grating on the sensor in the evaluation certain number of photosensitive elements summarizing or a certain number of photosensitive elements not taking into account and the position of each summarized or not considered photosensitive elements on the sensor in at least one spatial direction temporally varying evaluation are provided, wherein the evaluation of the frequency of the brightness variation on the photosensitive Elmenten of the sensor, a speed of the object or its surface according to the spatial frequency filter method bes Tune.
  • the sensor operating according to the spatial frequency filter method also allows an accurate determination of a low relative speed of an object or an object surface to the sensor with little equipment, since an illumination source that generates a moving pattern on the object is not necessary.
  • the sensor according to the invention now requires no illumination means and can carry out a speed measurement in the case of externally illuminated objects.
  • the evaluation means allow an adaptation of the sensor to the surface to be measured by combining or not taking into account individual photosensitive elements of the sensor, wherein at the same time an increase of the read-out frequency can be achieved.
  • the speed at which the collected or ignored photosensitive elements of the sensor are varied in position on the sensor in a spatial direction can also be used to improve accuracy.
  • the frequency to be detected in the spatial frequency filter method can be adjusted by changing the variation speed of the virtual grating on the sensor to areas of high accuracy of the evaluation means, for example, depending on the speed of the object or the object surface.
  • the sensor according to the invention has an almost speed-independent measurement accuracy.
  • illumination means are provided for illuminating the object or its object surface
  • a relative speed measurement can be carried out independently of the illumination conditions, for example by external illumination means, so that the sensor according to the invention can be used universally.
  • Conceivable here is not only the use of lighting means that illuminate the object, so that the light reflected from the object light radiation is used for the measurement, but also illuminating means which in transmitted light operation, for example transparent or semi-transparent objects through.
  • a further advantageous embodiment of the inventive sensor for measuring a relative velocity of an object or an object surface to the sensor characterized in that the amount of light Provided on the photosensitive elements of the sensor regulating means for the illumination means are provided.
  • the control means the illumination of the photosensitive elements of the sensor can be optimally adjusted, so that no overriding of the individual photosensitive elements of the sensor occurs.
  • the maximum dynamics of the photosensitive elements of the sensor in the measurement of relative speed is available.
  • a moving light pattern generating illumination means may be provided on the object or the object surface. This results in additional adjustment options of the sensor, for example, to make even higher to be measured speeds. For example, this can be achieved by moving the light pattern in the direction of object movement.
  • the exposure time or readout time of the photosensitive elements can be adjusted as a function of their exposure. This makes it possible in particular, in combination with the control means of lighting means to achieve optimum adaptation of the sensor to different object surfaces and object speeds.
  • a particularly advantageous embodiment of the sensor according to the invention undergoes the fact that means for measuring the distance between the photosensitive elements and the object or the object surface are provided.
  • means for triangulation measurement are conceivable as means for distance measurement, which, for example in conjunction with an illumination means, determine the distance of the object or the object surface from the photosensitive elements of the sensor by shifting the measured reflection. In principle, this can also be a
  • Image processing methods are used, which uses a change in the significant surface features in their image size on the photosensitive elements of the sensor for determining the distance to detect a change in distance of the object or its surface.
  • a known pattern, in particular grating can be imaged onto the object surface and the size of the grating determined by the sensor can be used as a yardstick for the distance. It is particularly advantageous if the means for distance measurement during the relative velocity measurement continuously determine the distance of the object constantly. The measured relative speed value can thus be constantly re-corrected using the distance measurement, so that the sensor can be autonomously adapted to changed measurement distances.
  • a telecentric optics preferably a telecentric zoom lens and / or a lens with variable optical properties, in particular a liquid lens is provided, which the object or the object surface almost independent of whose distance from the sensor sharp images on the photosensitive elements of the sensor.
  • the telecentric zoom lens allows the
  • Image scale on the photosensitive elements to keep constant even when changing the distance between the object and the sensor.
  • optics with variable imaging properties can be made available in the smallest space, which does not contain any mechanically moving components.
  • the arrangement of the photosensitive elements along a relative to the optical axis of the sensor inclined straight line or plane is also advantageous.
  • the object depending on the distance of the object to the sensor and the optics used, only in a first region of the photosensitive elements sharply.
  • the optics sharp focus the object on a second area of the photosensitive elements. If only the regions of the photosensitive elements are used for the evaluation, which are sharply imaged, a relative velocity measurement can also be carried out using a simple optical system in a wide distance range.
  • the photosensitive elements of the sensor can be realized by providing arrays or rows of CCD, CMOS or photodiodes.
  • the CCD, CMOS devices or photodiodes are, however, only representative of all other technologies for the production of photosensitive components called.
  • the photosensitive elements are arranged so that connecting lines between different individual photosensitive elements span one plane, they can measure a velocity in any direction parallel to the plane spanned, since the evaluation means from the data read, for example, perpendicular components of the relative speed of the object or its surface can determine. The vectorial addition of the velocity components then gives the total velocity and its direction.
  • the sensor according to the invention is thus less sensitive to installation errors, for example, a rotation relative to the object web.
  • At least one planar sensor or at least two sensor lines arranged spanning a plane are provided as photosensitive elements, so that a relative speed measurement in any direction perpendicular to the optical axis of the sensor can be realized particularly easily.
  • sensors with a number of 1024 ⁇ 1024 "pixels" can be used, but for reasons of cost or resolution, it is also possible to use planar sensors with more or fewer pixels Spaces insensitive to installation errors and transversal movements of the object.
  • Alignment errors of the sensor according to the invention can, according to a next developed embodiment of the sensor according to the invention, be compensated in that at least a first plurality and a second plurality of photosensitive elements are provided, wherein the first and the second plurality of photosensitive elements of the sensor respectively at different angles are arranged inclined relative to the optical axis of the sensor. Due to the different angles, both sensors experience a measurement error which can be determined by a simple calibration and taken into account by the evaluation means. The installation of the sensors is thereby considerably simplified.
  • the senor can be used as a contactless rotary encoder, if a rotational movement of the object evaluating evaluation means are provided.
  • Position markers are understood to be features on the object surface which, for example, specify specific positions of the sensor relative to the object. These can be realized for example by notches, stickers or the like on the object. However, existing features of the object or of the object surface can also be used as position markings.
  • the sensor according to the invention can be easily referenced and its position can be determined. For example, in the case of the sensor operating according to the image processing method, this can be done by pattern recognition of the marking, which is used for referencing via the evaluation means. In the case of the sensor operating according to the spatial frequency filter method, the referencing can take place by evaluating the frequency change of the heel dark fluctuations.
  • the above-derived object is achieved by a generic method for adapting sensors to different measurement conditions in that summarized using evaluation means of the sensor photosensitive elements of the sensor to form a virtual grid or certain photosensitive elements in the. Evaluation not taken into account ' , wherein the resulting grid has a matched to the surface of the object to be measured lattice constant.
  • the sensor can be adapted to the surface properties of the object by the inventive method for adapting the sensor for non-contact measurement of a relative speed of an object or an object surface to the sensor, so that a measurement with maximum accuracy either over a maximum read-out frequency or a maximum resolution can be ensured with minimum Aüslesefrequenz '.
  • An object to the sensor can be configured further advantageous in that alternatively or cumulatively evaluation of the sensor, the position of each summarized or not considered in the evaluation light-sensitive elements of the sensor on the sensor vary in time and the speed of variation to the speed of the relative velocity to be measured the object is adjusted.
  • the frequency to be measured which is proportional to the speed of the object, always exists in a region with maximum resolution of the evaluation means, so that a very accurate speed measurement takes place can.
  • the quantity of light incident on the photosensitive elements is adjusted by controlling the illumination means and / or the readout time of the photosensitive elements, adaptation to the illumination conditions of the sensor can take place in such a way that the photosensitive elements of the sensor can be used with maximum dynamics.
  • the adaptation possibilities of the sensor can be further improved by measuring distance between sensor and object or object surface by means for distance measurement and taking into account the results of the distance measurement when determining the relative speed between sensor and object or object surface.
  • the distance measurement by triangulation measurements but also by a Image processing method, an ultrasonic measuring method or other techniques are done.
  • the inventive method for adapting a sensor for non-contact measurement of a relative speed of an object or an object surface to the sensor is further advantageously configured by the fact that the adaptation of the sensor to changing measurement conditions is substantially autonomous.
  • the automatic adaptation of the sensor to changed measurement conditions allows in particular a diverse range of use of the sensor according to the invention without great expenditure on equipment.
  • the object is achieved by the use of a sensor according to the invention as a position sensor, in particular as a rotary encoder.
  • the relative speed sensor according to the invention can also be used for length measurement, so that it is readily suitable as a position sensor.
  • evaluation means are used which can detect position markings, it is also very easy to determine an absolute position by the sensor.
  • the construction of the rotary encoder is substantially simplified when using the sensors according to the invention, as can be dispensed with any mechanical parts of the sensor. Via the position marker recognition of the evaluation means, a rotary encoder can also indicate the absolute angular position from a fixed reference point.
  • Fig. 1 is a schematic view of a
  • FIG. 3 shows a schematic view of the photosensitive elements of a third exemplary embodiment of the sensor according to the invention during a speed measurement
  • Fig. 5 is a schematic view of a fifth
  • FIG. 1 shows a schematic view of a sensor 1 according to the invention, for measuring the
  • the optics 4 forms the present on the object 2 object features 7 at least partially on the photosensitive elements 3 of the sensor , so that brightness fluctuations on the photosensitive elements 3 arise.
  • the drive means 5 read the photosensitive elements 3 of the sensor and pass on the determined brightness values of the photosensitive elements 3 to the evaluation means 6.
  • the illustrated first embodiment of the sensor according to the invention can operate both by the image processing method, and by the spatial frequency filter method.
  • the first exemplary embodiment additionally comprises optional means for distance measurement 8.
  • These may be designed as optical distance sensors, but also as acoustic or electromagnetic means for distance measurement.
  • an image processing method for relative distance measurement can also be used in which, for example, an enlargement or reduction of the image of object features on the photosensitive elements of the sensor is measured and associated with a change of the distance.
  • the in 1 illustrated first embodiment of a sensor according to the invention in addition lighting means 9, which can be controlled by control means 10.
  • the evaluation means 6 transmit to the control means 10 a signal for increasing / decreasing the light intensity emitted by the illumination means 9 in order, for example, to optimize the modulation of the photosensitive elements 3 with constant readout times. Also, an increase in the readout speed of the photosensitive elements 3 by the driving means 5 is possible when the light intensity radiated by the illuminating means 9 is increased.
  • the first exemplary embodiment of the sensor according to the invention shown in FIG. 1 can measure the relative speed both by the image processing method and by the spatial frequency filter method.
  • FIG. 2 shows the photosensitive elements 3, 3 'of a second exemplary embodiment of the sensor according to the invention during a speed measurement.
  • Figs. 2a to 2c show in detail the
  • the object features 7 imaged on the photosensitive elements 3 are located by the evaluation means 6 and their displacement is measured by the drive means 5 after the next read operation of the photosensitive elements.
  • the time base for the speed measurement therefore provides the readout time of the photosensitive elements 3.
  • a speed is assigned or calculated from the evaluation means of this displacement.
  • FIG. 3 shows in a schematic view of the photosensitive elements 3 of a third exemplary embodiment of the sensor according to the invention, a determination can be made at right angles
  • Speed components are already achieved by the use of two spanning one plane, for example, orthogonal to each other, sensor lines as photosensitive elements 3.
  • FIGS. 4a to 4c show, in a schematic view, the photosensitive elements 3 of a fourth exemplary embodiment of the sensor according to the invention.
  • Fig. 4 shows schematically how the columns 11, 12 or lines 13 are not read out during the measurement of the speed to form a grating on the photosensitive elements 3 of the sensor.
  • coarse object features 7 the deactivation of some columns 11 can be exploited in order to increase the read-out speed of the sensor, so that higher speeds can be measured.
  • the virtual grating formed on the photosensitive elements 3 can be moved relative to the photosensitive elements 3, so that the position of the condensed or disregarded photosensitive elements on the sensor varies with time.
  • illumination means 9 can be used which generate a time-shifted light pattern on the object 2, which runs counter to the virtual grid to further increase the accuracy of the measurement.
  • FIGS. 4a and 4b the columns 11 are not taken into account or the columns 12 are summarized or not considered in the evaluation. If the columns 12 and 11 are moved in their position on the photosensitive elements 3 of the sensor at a certain speed, an inventive sensor operating according to the spatial frequency filter method measures the frequency at which the virtual grating is changed when an object is stationary. Since the frequency is proportional to the measured speed in the spatial frequency filter method, the problematic determination of the frequency "0", ie the measurement of a frequency "0", can be avoided when the object is stationary.
  • the evaluation means can also detect position markings which are provided on the object or on the object surface. This makes it possible that not only the relative speed but also an absolute position can be determined via the sensor 1. This is important when using the sensor 1 as a position sensor, in particular rotary encoder.
  • FIG. 5 shows a schematic view of a sensor 1 according to the invention with a first plurality to the optical axis of the sensor inclined light-sensitive elements 14 and a second plurality inclined to the optical axis photosensitive elements 15. If the object features 7 of the object 2 are imaged on both pluralities of photosensitive elements via the optics 4, both have a measurement error due to their angle to the optical Axis O of the sensor. From this it is now possible with simple calibration, for example by measuring an object 2 with a specific length and a precisely defined speed, to determine the installation error of the sensor and to correct it accordingly with the aid of the evaluation means 6.
  • a telecentric optic 4 is used, so that the aberrations due to a changed distance of the object to the sensor can be minimized.
  • the sensor 1 according to the invention can thus not only be easily adapted to the different measuring conditions, but due to the adaptation method according to the invention, a high precision of the measurement can also be achieved.

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Electromagnetism (AREA)
  • Engineering & Computer Science (AREA)
  • Radar, Positioning & Navigation (AREA)
  • Remote Sensing (AREA)
  • Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
  • Length Measuring Devices By Optical Means (AREA)

Abstract

Ein Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit nach dem Bildverarbeitungsverfahren oder nach dem Ortsfreguenzfilterverfahren weist Auswertemittel auf, welche jeweils eine bestimmte Anzahl von lichtempfindlichen Elementen eines Sensors zusammenfassen oder nicht berücksichtigen. Durch zeitliche Änderung der zusammengefassten oder nicht berücksichtigten Elemente kann ein virtuelles Gitter definiert und mit vorgegebener Geschwindigkeit in eine bestimmte Richtung bewegt werden. Die virtuelle Verschiebung überlagert sich der tatsächlichen Bewegung, sodass auch bei einem stillstehenden oder langsam bewegten Objekt ein auswertbares Ausgangssignal erzeugt wird.

Description

Optischer Längen- und Geschwindigkeitssensor
Die Erfindung betrifft Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach dem
Bildverarbeitungsverfahren mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente, mindestens einer Optik sowie Ansteuerungs- und Auswertemitteln, wobei die Optik das zu messende Objekt oder dessen Oberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors zumindest teilweise abbildet und die Ansteuerungsmittel die lichtempfindlichen Elemente des Sensors in zeitlichem Abstand auslesen, die Optik das in einem Abstand zur berührungslosen Messung zum Sensor angeordnete und zu messende Objekt oder dessen Oberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors zumindest teilweise abbildet und aus in zeitlichem Abstand ausgelesenen Daten der lichtempfindlichen Elemente Objektmerkmale oder Merkmale der Objektoberfläche, welche auf die lichtempfindlichen Elemente abgebildet werden, lokalisierende und eine Verschiebung der Objektmerkmale oder eine Verschiebung der Merkmale der Objektoberfläche ermittelnde Auswertemittel vorgesehen sind. Die Erfindung betrifft ferner einen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach dem
Ortsfrequenzfilterverfahren mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente, mindestens einer Optik sowie Ansteuerungs- und Auswertemitteln, wobei die Optik das zu messende Objekt oder dessen Oberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors zumindest teilweise abbildet und die Ansteuerungsmittel die lichtempfindlichen Elemente des Sensors in zeitlichem Abstand auslesen sowie ein Verfahren zur Adaption eines Sensors zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach dem Bildverarbeitungsverfahren oder dem
Ortsfrequenzfilterverfahren mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente an geänderte Messbedingungen.
Für die Messung von Relativgeschwindigkeiten zwischen einem Beobachter bzw. Sensor und einem Objekt oder dessen Oberfläche sind Sensoren bekannt, welche nach verschiedenen Verfahren arbeiten. Generell ist bei der Messung der Relativgeschwindigkeiten zwischen dem Sensor und einer Oberfläche unerheblich, ob sich der Sensor gegenüber dem Objekt bewegt oder das Objekt gegenüber dem Sensor. Schließlich basiert die Geschwindigkeitsmessung dem Grunde nach auf der Bestimmung einer Länge, beispielsweise des zurückgelegten Weges des Objekts im Messbereich des Sensors innerhalb einer bestimmten Zeit. Aus der gemessenen Verschiebung und der benötigten Zeit kann damit die Geschwindigkeit bestimmt werden. Durch einfache Integration über die gemessene Zeit kann auch die zurückgelegte Wegstrecke bzw. die Länge eines Objektes mit einem entsprechenden Sensor bestimmt werden. Sensoren zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind daher auch zur Längenmessung geeignet.
Zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit sind mehrere Verfahren bekannt. Eines dieser Verfahren ist das Laser-Doppler-Verfahren, bei welchem in einer Zweistrahlanordnung ein Laserstrahl über einen Strahlteiler in zwei Teilstrahlen aufgeteilt wird und beide Teilstrahlen unter verschiedenen Winkeln auf der Oberfläche des Messgutes zur Überlappung gebracht werden. Beide Laserstrahlen erfahren nun aufgrund der Geschwindigkeit des Objektes oder der Oberfläche des Objektes, auf welcher sie zur Überlappung gebracht werden, unterschiedliche Dopplerverschiebungen, welche abhängig von der Geschwindigkeit des Objektes sind. Das gestreute Laserlicht enthält eine niederfrequente Schwebungsfrequenz, welche in erster Ordnung direkt proportional zur Geschwindigkeit des Objektes ist. Mit dem Laser-Doppler-Verfahren lassen sich Geschwindigkeiten und Längen mit Messfehlern im Promillebereich bestimmen. Allerdings ist der Aufbau bedingt durch die zwei Strahlengänge und die Laserlichtquelle apparativ sehr aufwendig. Darüber hinaus hängt das Messergebnis in starkem Maße von der Temperaturstabilität im Messbereich sowie der Vorrichtung zur Messung ab. Daher ist ein enormer Aufwand zur Temperierung der Geräte erforderlich.
Ein anderes optisches Messverfahren zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung ist das
Ortsfrequenzfilterverfahren . Eine Objektoberfläche oder ein Objekt wird typischerweise mit weißem Licht bestrahlt und das zurückgestreute Licht von einem lichtempfindlichen Detektor durch ein optisches Gitter hindurch gemessen. Bei der Bewegung des Objektes oder der Objektoberfläche entstehen Hell-Dunkel-Schwankungen im optischen Gitter, deren Frequenz proportional zur Geschwindigkeit des Objekts bzw. der Objektoberfläche ist. Beim Ortsfrequenzfilterverfahren wird die Oberfläche des Objektes bzw. die Objektoberfläche in rasterförmige Bereiche entsprechend dem optischen Gitter aufgeteilt und deren Helligkeit ausgewertet. Verglichen mit dem Laser- Doppler-Verfahren ist der apparative Aufwand eines Sensors für das Ortsfrequenzfilterverfahren relativ gering. Nachteilig ist jedoch, dass das
Ortsfrequenzfilterverfahren relativ hohe Messfehler im Bereich niedriger Objektgeschwindigkeiten liefert, da die Bestimmung der Geschwindigkeit auf einer Frequenzmessung eines zumeist verrauschten Signals beruht. Problematisch ist dabei insbesondere, dass ein Stillstand des zu messenden Objekts, welcher zu einer Frequenz von „0" führt, mit dem Ortsfrequenzfilterverfahren nicht detektierbar ist. Ein weiteres Problem bei dem Ortsfrequenzfilterverfahren ist, dass die
Abbildungsmaßstäbe eingesetzter Optiken sich direkt in den Messergebnissen niederschlagen, so dass zur Erzielung eines kleinen Messfehlers der Abstand des Sensors zum Objekt bei einer bestimmten Optik in engen Grenzen konstant gehalten werden muss.
Eine weitere Möglichkeit eine relative Verschiebung eines Objektes gegenüber einem Sensor zu messen, stellt das Bildverarbeitungsverfahren dar. Bei diesem Verfahren werden zeilen- oder flächenhafte Bilder der Objektoberfläche in bekanntem zeitlichen Abstand aufgenommen. In jeder Aufnahme werden prägnante Objektmerkmale lokalisiert und durch Vergleich mit zu einem anderen Zeitpunkt aufgenommenen Bildern deren Verschiebung und damit die Objektverschiebung ermittelt. Ein derartiges Verfahren wird heute bei optischen Mäusen für Computer zur Cursorsteuerung verwendet. Zwar ist durch das Bildverarbeitungsverfahren eine Stillstandsbestimmung relativ sicher möglich. Die Sensoren werden auf eine Objektoberfläche, beispielsweise einen Tisch, direkt aufgelegt und eine Bestimmung der Verschiebung des Sensors gegenüber der Objektoberfläche zur Bestimmung der Cursorbewegung gemessen. Eine Geschwindigkeitsbestimmung findet dabei nicht statt. Einen gattungsbildenden Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit, welcher nach dem Bildverarbeitungsverfahren arbeitet, ist allerdings aus der DE 102 48 416 Al bekannt.
Aufgrund der zuvor geschilderten Probleme der Sensoren zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objekts oder einer Objektoberfläche zum Sensor werden häufig berührende Techniken, beispielsweise mit aufgesetzten Rollen oder ohnehin vorhandenen Walzen verwendet, sofern der Aufwand relativ gering gehalten werden soll.
Aus der deutschen Patentschrift DE 102 56 725 B3 ist darüber hinaus ein Sensor, eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung bekannt, bei welchem unter Verwendung des Ortsfrequenzfilterverfahrens eine sichere Stillstandsmessung durch einen entsprechenden Sensor dadurch erfolgen kann, dass eine ein bewegtes Lichtmuster auf der Oberfläche erzeugende Beleuchtungsquelle vorgesehen ist.
Hiervon ausgehend liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen gattungsgemäßen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objekt oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren oder dem
Bildverarbeitungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit welchem bei geringem apparativen Aufwand eine genaue Messung der Relativgeschwindigkeit eines Objekt oder einer Objektoberfläche auch bei geringen Geschwindigkeiten oder bei Stillstand des Objektes gemessen werden kann und welcher mit einfachen Mitteln auf geänderte Messbedingungen adaptiert werden kann. Darüber hinaus liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Adaption eines Sensors an verschiedene Messbedingungen sowie eine Verwendung des Sensors vorzuschlagen.
Gemäß einer ersten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe für einen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit nach dem Bildverarbeitungsverfahren dadurch gelöst, dass die Auswertemittel zur Bildung eines virtuellen Gitters eine bestimmte Anzahl von lichtempfindlichen Elementen bei der Auswertung zusammenfassen oder bestimmte lichtempfindliche Elemente bei der Auswertung nicht berücksichtigen und die Position der jeweils zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente in mindestens eine Raumrichtung durch die Auswertemittel zeitlich variierbar ist.
Es hat sich überraschenderweise gezeigt, dass Sensoren zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit, welche, entsprechend den Sensoren zur Bestimmung der Cursorbewegung bei optischen Mäusen, nach dem Bildverarbeitungsverfahren arbeiten unter Verwendung einer einfachen Optik, welche das in einem Abstand zur berührungslosen Messung angeordnete und zu messende Objekt auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors zumindest teilweise abbildet, sehr genaue berührungslose Geschwindigkeitsmessungen ermöglichen. Wie bereits oben beschrieben, kann der erfindungsgemäße Sensor prinzipiell auch sehr gut einen Objektstillstand messen und ist daher sehr gut für Geschwindigkeits- oder Längenmessung im industriellen Einsatz geeignet. Selbstverständlich können auch abgeleitete Größen wie beispielsweise die Beschleunigung mit dem Sensor bestimmt werden.
Da die Auslesefrequenz des Sensors von der Anzahl der einzeln auszulesenden lichtempfindlichen Elemente des Sensors abhängt, kann diese dadurch gesteigert werden, dass zur Bildung eines virtuellen Gitters auf dem Sensor eine bestimmte Anzahl von lichtempfindlichen Elementen bei der Auswertung zusammenfassende oder bestimmte lichtempfindliche Elemente bei der Auswertung nicht berücksichtigende Auswertemittel vorgesehen sind. Durch entsprechende Auswertemittel kann insbesondere das Messverhalten des Sensors an unterschiedliche Oberflächen bzw. Objektgegebenheiten angepasst werden. Weist beispielsweise das Objekt ganz grobe Objektmerkmale auf, kann die Auslesefrequenz gesteigert werden, da beispielsweise bereits mehrere zusammengefasste lichtempfindliche Elemente eine Verschiebung der groben Merkmale ausreichend genau detektieren können bzw. die Verschiebung der Objektmerkmale mit einer geringeren Anzahl an lichtempfindlichen Elementen detektiert werden kann. Müssen feine Objektmerkmale detektiert werden kann die Gitterkonstante des virtuellen Gitters entsprechend fein gewählt werden.
Durch die die Position der jeweils zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente auf dem Sensor in mindestens einer Raumrichtung zeitlich variierenden Auswertemittel, kann gegenüber dem zu messenden Objekt ein virtuell bewegtes Gitter auf der Ebene der lichtempfindlichen Elemente des Sensors durch die Auswertemittel erzeugt werden, was zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit, insbesondere bei geringen Objekt bzw. Objektoberflächengeschwindigkeiten führt.
Alternativ zu dem erfindungsgemäßen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach dem Bildverarbeitungsverfahren löst ein gattungsgemäßer Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren die oben hergeleitete Aufgabe dadurch, dass zur Bildung eines Gitters auf dem Sensor bei der Auswertung eine bestimmte Anzahl von lichtempfindlichen Elementen zusammenfassende oder eine bestimmte Anzahl lichtempfindlicher Elemente nicht berücksichtigende sowie die Position der jeweils zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente auf dem Sensor in mindestens einer Raumrichtung zeitlich variierende Auswertemittel vorgesehen sind, wobei die Auswertemittel aus der Frequenz der Helligkeitsschwankung auf den lichtempfindlichen Elmenten des Sensors eine Geschwindigkeit des Objekts oder dessen Oberfläche nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren bestimmen .
Der nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeitende, erfindungsgemäße Sensor ermöglicht auch eine genaue Bestimmung einer geringen Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor mit geringem apparativen Aufwand, da eine Beleuchtungsquelle, die ein bewegtes Muster auf dem Objekt erzeugt, nicht notwendig ist. Insbesondere kommt der erfindungsgemäße Sensor nunmehr ohne Beleuchtungsmittel aus und kann bei fremdbeleuchteten Objekten eine Geschwindigkeitsmessung vornehmen. Darüber hinaus ermöglichen die Auswertemittel eine Adaption des Sensors an die zu messende Oberfläche durch Zusammenfassen oder nicht berücksichtigen einzelner lichtempfindlicher Elemente des Sensors, wobei gleichzeitig eine Erhöhung der Auslesefrequenz erzielt werden kann. Aber auch die Geschwindigkeit, mit welcher die zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente des Sensors in ihrer Position auf dem Sensor in einer Raumrichtung variiert werden, kann zur Verbesserung der Genauigkeit verwendet werden. Die beim Ortsfrequenzfilterverfahren zu detektierende Frequenz kann durch Veränderung der Variationsgeschwindigkeit des virtuellen Gitters auf dem Sensor in Bereiche mit hoher Genauigkeit der Auswertemittel, beispielsweise abhängig von der Geschwindigkeit des Objektes oder der Objektoberfläche eingestellt werden. Damit hat der erfindungsgemäße Sensor eine nahezu geschwindigkeitsunabhängige Messgenauigkeit .
Sind, gemäß einer nächsten Ausführungsform des Sensors, Beleuchtungsmittel zur Beleuchtung des Objektes oder dessen Objektoberfläche vorgesehen, kann eine Relativgeschwindigkeitsmessung unabhängig von den Beleuchtungsverhältnissen, beispielsweise von externen Beleuchtungsmitteln, vorgenommen werden, so dass der erfindungsgemäße Sensor universell einsetzbar ist. Denkbar ist hier nicht nur der Einsatz von Beleuchtungsmitteln die das Objekt beleuchten, so dass die vom Objekt reflektierte Lichtstrahlung zur Messung verwendet wird, sondern auch Beleuchtungsmittel die im Durchlichtbetrieb beispielsweise transparente oder semi-transparente Objekte durchleuchten.
Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung erfährt der erfindungsgemäße Sensor zur Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor, dadurch, dass die Lichtmenge auf den lichtempfindlichen Elementen des Sensors regelnde Regelungsmittel für die Beleuchtungsmittel vorgesehen sind. Durch die Regelungsmittel kann die Beleuchtung der lichtempfindlichen Elemente des Sensors optimal eingestellt werden, so dass kein Übersteuern der einzelnen lichtempfindlichen Elemente des Sensors auftritt. Damit steht die maximale Dynamik der lichtempfindlichen Elmente des Sensors bei der Messung der Relativgeschwindigkeit zur Verfügung.
Alternativ oder kumulativ zu den Auswertemitteln, welche bei der Auswertung die Position von zusammengefassten lichtempfindlichen Elementen oder nicht zu berücksichtigenden Elementen auf dem Sensor in eine Raumrichtung variieren, können auf dem Objekt oder der Objektoberfläche ein bewegtes Lichtmuster erzeugende Beleuchtungsmittel vorgesehen sein. Hierdurch ergeben sich zusätzliche Anpassungsmöglichkeiten des Sensors, beispielsweise an noch höhere zu messende Geschwindigkeiten vorzunehmen. Beispielsweise kann dies erreicht werden, indem sich das Lichtmuster in Richtung der Objektbewegung bewegt.
Sind den zeitlichen Abstand des Auslesens der lichtempfindlichen Elemente variierende Auslesemittel vorgesehen, kann die Belichtungszeit bzw. Auslesezeit der lichtempfindlichen Elemente abhängig von deren Belichtung eingestellt werden. Hierdurch ist es insbesondere möglich, auch in Kombination mit den Regelungsmitteln von Beleuchtungsmitteln, eine optimale Adaption des Sensors an verschiedene Objektoberflächen und Objektgeschwindigkeiten zu erzielen. Eine besonders vorteilhafte Ausgestaltung erfährt der erfindungsgemäße Sensor dadurch, dass Mittel zur Abstandsmessung zwischen den lichtempfindlichen Elementen und dem Objekt oder der Objektoberfläche vorgesehen sind. Als Mittel zur Abstandsmessung sind beispielsweise Mittel zur Triangulationsmessung denkbar, welche beispielsweise in Verbindung mit einem Beleuchtungsmittel den Abstand des Objektes oder der Objektoberfläche zu den lichtempfindlichen Elementen des Sensors durch eine Verschiebung der gemessenen Reflektion ermitteln. Prinzipiell kann hierzu aber auch ein
Bildverarbeitungsverfahren herangezogen werden, welches eine Veränderung der prägnanten Oberflächenmerkmale in ihrer Abbildungsgröße auf den lichtempfindlichen Elementen des Sensors zur Abstandsbestimmung verwendet, um eine Abstandsänderung des Objektes oder dessen Oberfläche zu detektieren. Alternativ hierzu kann auch ein bekanntes Muster, insbesondere Gitter, auf die Objektoberfläche abgebildet werden und die Größe des vom Sensor ermittelten Gitters, als Maßstab für den Abstand verwendet werden. Besonders vorteilhaft ist dabei, wenn die Mittel zur Abstandsmessung während der Relativgeschwindigkeitsmessung den Abstand des Objektes ständig neu ermitteln. Der gemessene Relativgeschwindigkeitswert kann insofern unter Verwendung der Abstandsmessung ständig neu korrigiert werden, so dass der Sensor autonom an geänderte Messabstände adaptiert werden kann.
Alternativ oder kumulativ zu den Mitteln der Abstandsmessung ist vorzugsweise eine telezentrische Optik, ein telezentrisches Zoomobjektiv und/oder eine Linse mit veränderbaren optischen Eigenschaften, insbesondere eine Flüssigkeitslinse vorgesehen, welche das Objekt bzw. die Objektoberfläche nahezu unabhängig von dessen Abstand zum Sensor scharf auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors abbildet. Das telezentrische Zoomobjektiv ermöglicht, den
Abbildungsmaßstab auf die lichtempfindlichen Elemente auch bei einer Änderung des Abstandes zwischen Objekt und Sensor konstant zu halten. Mit der Flüssigkeitslinse kann auf kleinstem Raum eine Optik mit veränderbaren Abbildungseigenschaften zur Verfügung gestellt werden, die keine mechanisch beweglichen Bauteile enthält.
Vorteilhaft ist auch die Anordnung der lichtempfindlichen Elemente entlang einer gegenüber der optischen Achse des Sensors geneigten Gerade oder Ebene. Bei der Verwendung einer einfachen Optik wird das Objekt, abhängig vom Abstand des Objektes zum Sensor und der verwendeten Optik, nur in einem ersten Bereich der lichtempfindlichen Elemente scharf abgebildet. Wird der Abstand zum Sensor variiert, bildet die Optik das Objekt auf einen zweiten Bereich der lichtempfindlichen Elemente scharf ab. Werden zur Auswertung nur jeweils die Bereiche der lichtempfindlichen Elemente herangezogen, auf die scharf abgebildet wird, kann eine Relativgeschwindigkeitsmessung auch bei Verwendung einer einfachen Optik in einem weiten Abstandsbereich durchgeführt werden.
Auf besonders einfache Weise können die lichtempfindlichen Elemente des Sensors dadurch realisiert werden, dass Arrays oder Zeilen aus CCD-, CMOS-Bauelementen oder Photodioden vorgesehen sind. Die CCD-, CMOS-Bauelemente oder Photodioden werden jedoch nur stellvertretend für alle weiteren Technologien zur Herstellung von lichtempfindlichen Bauelementen genannt. Sind die lichtempfindlichen Elemente so angeordnet, dass Verbindungsgeraden zwischen verschiedenen einzelnen lichtempfindlichen Elementen eine Ebene aufspannen, können diese eine Geschwindigkeit in beliebige Richtungen parallel zur aufgespannten Ebene messen, da die Auswertemittel aus den ausgelesenen Daten beispielsweise senkrecht zueinander stehende Komponenten der Relativgeschwindigkeit des Objekts oder dessen Oberfläche ermitteln können. Aus der vektoriellen Addition der Geschwindigkeitskomponenten ergibt sich dann die Gesamtgeschwindigkeit und ihre Richtung. Der erfindungsgemäße Sensor wird damit unempfindlicher gegen Einbaufehler, beispielsweise einer Verdrehungen gegenüber der Objektbahn.
Vorzugsweise sind als lichtempfindliche Elemente mindestens ein flächiger Sensor oder mindestens zwei eine Ebene aufspannend angeordnete Sensorzeilen vorgesehen, so dass eine Relativgeschwindigkeitsmessung in beliebiger Richtung senkrecht zur optischen Achse des Sensors besonders einfach realisiert werden kann. Als flächige Sensoren können Sensoren mit einer Anzahl von 1024 x 1024 „Pixel" verwendet werden. Aus Kostengründen oder aus Gründen der Auflösung können allerdings auch flächige Sensoren mit mehr oder weniger Pixel eingesetzt werden. Generell wird der erfindungsgemäße Sensor durch die Möglichkeit einer Geschwindigkeitsmessung in verschiedenen Raumrichtungen unempfindlicher gegenüber Einbaufehlern und Querbewegungen des Objekts.
Weitere Vorteile im Hinblick auf die Verringerung der Messfehler der Relativgeschwindigkeitsmessung in unterschiedlichen Umgebungen oder bei unterschiedlichen Messbedingungen können dadurch erreicht werden, dass in einem Sensor mehrere erfindungsgemäße Sensoren integriert sind, so dass mit einem Sensor beispielsweise sowohl mit dem Ortsfrequenzfilterverfahren als auch mit dem Bildverarbeitungsverfahren die Relativgeschwindigkeit gemessen werden kann.
Ausrichtungsfehler des erfindungsgemäßen Sensors können, gemäß einer nächsten weitergebildeten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors, dadurch kompensiert werden, dass mindestens eine erste Mehrzahl und eine zweite Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen vorgesehen sind, wobei die erste und die zweite Mehrzahl an lichtempfindlichen Elementen des Sensors jeweils in unterschiedlichen Winkeln gegenüber der optischen Achse des Sensors geneigt angeordnet sind. Durch die unterschiedlichen Winkel erfahren beide Sensoren einen Messfehler, welcher durch eine einfache Kalibrierung festgestellt und durch die Auswertemittel berücksichtigt werden kann. Der Einbau der Sensoren wird dadurch erheblich vereinfacht.
Ferner kann der Sensor als berührungsloser Drehgeber eingesetzt werden, wenn eine Drehbewegung des Objektes auswertende Auswertemittel vorgesehen sind.
Schließlich wird der erfindungsgemäße Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit dadurch verbessert, dass Positionsmarkierungen erkennende Auswertemittel vorgesehen sind. Unter Positionsmarkierungen werden Merkmale auf der Objektoberfläche verstanden, welche beispielsweise bestimmte Positionen des Sensor relativ zum Objekt vorgeben. Diese können beispielsweise durch Kerben, Aufkleber oder ähnliches auf dem Objekt realisiert sein. Es können aber auch vorhandene Merkmale des Objektes oder der Objektoberfläche als Positionsinarkierungen genutzt werden. Durch die Erkennung der Positionsmarkierung kann der erfindungsgemäße Sensor auf einfache Weise referenziert und dessen Position bestimmt werden. Beispielsweise kann dies bei dem nach dem Bildverarbeitungsverfahren arbeitenden Sensor durch eine Mustererkennung der Markierung erfolgen, welche über die Auswertemittel zur Referenzierung genutzt wird. Bei dem erfindungsgemäßen, nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeitenden Sensor kann die Referenzierung durch Auswertung der Frequenzänderung der He11dunkelSchwankungen erfolgen.
Gemäß einer zweiten Lehre der Erfindung wird die oben hergeleitete Aufgabe durch ein gattungsgemäßes Verfahren zur Adaption von Sensoren an unterschiedliche Messbedingungen dadurch gelöst, dass unter Verwendung von Auswertemitteln des Sensors lichtempfindliche Elemente des Sensors zur Bildung eines virtuellen Gitters zusammengefasst oder bestimmte lichtempfindliche Elemente bei der . Auswertung nicht berücksichtigt' werden, wobei das entstehende Gitter eine an die Oberfläche des zu messenden Objektes angepasste Gitterkonstante aufweist. Wie bereits ausgeführt, kann durch das erfindungsgemäße Verfahren zur Adaption des Sensors zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor der Sensor auf die Oberflächeneigenschaften des Objektes angepasst werden, so dass eine Messung mit maximaler Genauigkeit entweder über eine maximale Auslesefrequenz oder eine maximale Auflösung bei minimaler Aüslesefrequenz' gewährleistet werden kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Adaption eines Sensors zur berührungs.losen Messung einer Relativgeschwindigkeit
BERICHTIGTES BLATT (REGEL 91) eines Objektes zum Sensor kann dadurch weiter vorteilhaft ausgestaltet werden, dass alternativ oder kumulativ Auswertemittel des Sensors die Position der jeweils zusammengefassten oder bei der Auswertung nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente des Sensors auf dem Sensor zeitlich variieren und die Geschwindigkeit der Variation an die Geschwindigkeit der zu messenden Relativgeschwindigkeit des Objekts angepasst wird. Insbesondere bei einem Sensor, welcher nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeitet, kann durch diese Maßnahme erreicht werden, dass die zu messende Frequenz, welche proportional zur Geschwindigkeit des Objektes ist, immer in einem Bereich mit maximaler Auflösung der Auswertemittel vorliegt, so dass eine sehr genaue Geschwindigkeitsmessung erfolgen kann.
Wird die auf die lichtempfindlichen Elemente treffende Lichtmenge durch Regelung von Beleuchtungsmitteln und/oder der Auslesezeit der lichtempfindlichen Elemente eingestellt, kann eine Adaption an die Beleuchtungsverhältnisse des Sensors in der Weise erfolgen, dass die lichtempfindlichen Elemente des Sensors mit maximaler Dynamik verwendet werden können.
Die Adaptionsmöglichkeiten des Sensors können darüber hinaus dadurch weiter verbessert werden, dass durch Mittel zur Abstandsmessung eine Abstandsmessung zwischen Sensor und Objekt oder Objektoberfläche erfolgt und die Ergebnisse der Abstandsmessung bei der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor und Objekt oder Objektoberfläche berücksichtigt werden. Wie bereits ausgeführt, kann die Abstandsmessung durch Triangulationsmessungen aber auch durch ein Bildverarbeitungsverfahren, ein Ultraschall-Messverfahren oder andere Techniken erfolgen.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Adaption eines Sensors zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor wird ferner dadurch vorteilhaft ausgestaltet, dass die Adaption des Sensors an geänderte Messbedingungen im Wesentlichen autonom erfolgt. Die selbsttätige Adaption des Sensors an geänderte Messbedingungen ermöglicht insbesondere eine vielfältige Einsatzbreite des erfindungsgemäßen Sensors ohne großen apparativen Aufwand.
Gemäß einer letzten Lehre der vorliegenden Erfindung wird die aufgezeigte Aufgabe durch die Verwendung eines erfindungsgemäßen Sensors als Positionsgeber, insbesondere als Drehgeber gelöst. Wie bereits ausgeführt, kann der erfindungsgemäße Relativgeschwindigkeitssensor auch zur Längenmessung verwendet werden, damit eignet sich dieser ohne weiteres als Positionsgeber. Werden zudem Auswertemittel verwendet, welche Positionsmarkierungen erkennen können, kann sehr einfach auch eine Absolutposition durch den Sensor bestimmt werden. Der Aufbau der Drehgeber wird bei Verwendung der erfindungsgemäßen Sensoren wesentlich vereinfacht, da auf jegliche mechanische Teile des Sensors verzichtet werden kann. Über die Positionsmarkierungserkennung der Auswertemittel kann ein Drehgeber auch die absolute Winkelposition von einem festen Bezugspunkt aus angeben.
Es gibt nun eine Vielzahl von Möglichkeiten, den erfindungsgemäßen Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche und das erfindungsgemäße Verfahren zur Adaption eines entsprechenden Sensors auszugestalten und weiterzubilden. Hierzu wird verwiesen einerseits auf die den Patentansprüchen 1, 4 und 15 nachgeordneten Patentansprüche. Andererseits wird verwiesen auf die Beschreibung mehrerer Ausführungsbeispiele in Verbindung mit der Zeichnung. Die Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Ansicht eines
Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors zusammen mit einem zu messenden Objekt,
Fig. 2a bis c in einer schematischen Ansicht die lichtempfindlichen Elemente eines zweiten Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Sensors während einer Geschwindigkeitsmessung zu drei verschiedenen Zeitpunkten,
Fig. 3 eine schematische Ansicht der lichtempfindlichen Elemente eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors während einer Geschwindigkeitsmessung,
Fig. 4a bis c in einer schematischen Ansicht die lichtempfindlichen Elemente eines vierten Ausführungsbeispiels und
Fig. 5 eine schematische Ansicht eines fünften
Ausführungsbeispiels mit einer ersten und zweiten Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen, welche geneigt zueinander angeordnet sind. Die Fig. 1 zeigt in einer schematischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Sensor 1, zur Messung der
Relativgeschwindigkeit eines Objektes 2 mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente, einer Optik 4 sowie Ansteuerungsmitteln 5 und Auswertemitteln 6. In dem ersten Ausführungsbeispiel bildet die Optik 4 die auf dem Objekt 2 vorhandenen Objektmerkmale 7 zumindest teilweise auf die lichtempfindlichen Elemente 3 des Sensors ab, so dass Helligkeitsschwankungen auf den lichtempfindlichen Elementen 3 entstehen. Die Ansteuerungsmittel 5 lesen die lichtempfindlichen Elemente 3 des Sensors aus und geben die ermittelten Helligkeitswerte der lichtempfindlichen Elemente 3 an die Auswertemittel 6 weiter. Das dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors kann sowohl nach dem Bildverarbeitungsverfahren, als auch nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeiten .
Da bei beiden Messmethoden der Abbildungsmaßstab der Optik 4 auf die lichtempfindlichen Elemente 3 in eine Messung der Relativgeschwindigkeit eingeht, umfasst das erste Ausführungsbeispiel zusätzlich optionale Mittel zur Abstandsmessung 8. Diese können beispielsweise als optische Abstandssensoren aber auch als akustische oder elektromagnetische Mittel zur Abstandsmessung ausgebildet sein. Alternativ kann, wie ausgeführt, auch ein Bildverarbeitungsverfahren zur relativen Abstandsmessung eingesetzt werden, in dem beispielsweise eine Vergrößerung oder Verkleinerung der Abbildung von Objektmerkmalen auf den lichtempfindlichen Elementen des Sensors gemessen wird und einer Änderung des Abstandes zugeordnet wird. Zur besseren Anpassung an Umgebungsbedingungen weist das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Sensors zusätzlich Beleuchtungsmittel 9 auf, welche durch Regelungsmittel 10 geregelt werden können. Die Auswertemittel 6 übermitteln hierzu an die Regelungsmittel 10 ein Signal zur Erhöhung/Erniedrigung der von den Beleuchtungsmitteln 9 abgestrahlten Lichtintensität, um beispielsweise bei gleich bleibenden Auslesezeiten die Aussteuerung der lichtempfindlichen Elemente 3 zu optimieren. Ebenso ist auch eine Erhöhung der Auslesegeschwindigkeit der lichtempfindlichen Elemente 3 durch die Ansteuerungsmittel 5 möglich, wenn die durch die Beleuchtungsmittel 9 abgestrahlte Lichtintensität erhöht wird.
Wie bereits ausgeführt, kann das in Fig. 1 dargestellte erste Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Sensors sowohl nach dem Bildverarbeitungsverfahren als auch nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren die Relativgeschwindigkeit messen.
In Fig. 2 sind nun die lichtempfindlichen Elemente 3, 3' eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors während einer Geschwindigkeitsmessung dargestellt. Die Fig. 2a bis 2c zeigen im einzelnen die
Intensitätsverteilung auf den lichtempfindlichen Elementen 3,3' zu drei verschiedenen Zeitpunkten tl, t2 und t3. Objektmerkmale 7, welche sich mit der
Objektgeschwindigkeit unter dem erfindungsgemäßen Sensor hindurchbewegen, erzeugen auf den lichtempfindlichen Elementen 3,3' beispielsweise schwach ausgesteuerte lichtempfindliche Elemente 3', welche in den Fig. 2a bis 2c schwarz dargestellt sind. Es kann dann beispielsweise den lichtempfindlichen Elementen ein Helligkeitsschwellwert zugeordnet werden, bei dessen Überschreitung die lichtempfindlichen Elemente 3 als ausgesteuert oder bei dessen Unterschreitung die lichtempfindlichen Elemente als nicht ausgesteuert 3' gelten.
Daneben ist es möglich, die gemessenen Helligkeitswerte selbst zu detektieren und deren Veränderung über die lichtempfindlichen Elemente zu messen.
Die auf die lichtempfindlichen Elemente 3 abgebildeten Objektmerkmale 7 werden von den Auswertemitteln 6 lokalisiert und deren Verschiebung gegenüber nach dem nächsten Auslesevorgang der lichtempfindlichen Elemente durch die Ansteuerungsmittel 5 gemessen. Die Zeitbasis für die Geschwindigkeitsmessung liefert daher die Auslesezeit der lichtempfindlichen Elemente 3. Anhand der Verschiebung der auf die lichtempfindlichen Elemente 3 abgebildeten Objektmerkmale 7 wird über die Auswertemittel dieser Verschiebung eine Geschwindigkeit zugeordnet bzw. daraus berechnet .
Die Verwendung eines flächigen Sensors als lichtempfindliche Elemente 3 ermöglicht die einfache Berechnung der Relativgeschwindigkeit zum Sensor nahezu unabhängig von dessen Einbauposition. Durch die Bestimmung der Verschiebung der Objektmerkmale 7 auf den lichtempfindlichen Elementen 3 können zwei orthogonal zueinander stehende Geschwindigkeitskomponenten Vx, Vy berechnet werden, so dass der Betrag des Geschwindigkeitsvektors V und dessen Richtung genau bestimmt werden kann. Insofern besteht keine Notwendigkeit, die Ausrichtung des erfindungsgemäßen Sensors bezüglich der Objektgeschwindigkeit radial zur optischen Achse des Sensors vorzunehmen. Wie Fig. 3 in einer schematischen Ansicht der lichtempfindlichen Elemente 3 eines dritten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors zeigt, kann eine Bestimmung rechtwinkliger
Geschwindigkeitskomponenten bereits durch den Einsatz von zwei eine Ebene aufspannender, beispielsweise orthogonal zueinander stehender, Sensorzeilen als lichtempfindliche Elemente 3 erreicht werden.
Die Fig. 4a bis 4c zeigen in einer schematischen Ansicht die lichtempfindlichen Elemente 3 eines vierten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Sensors. Zur Verbesserung der Messgenauigkeit durch Anpassung an die auf die lichtempfindlichen Elemente 3 abgebildeten Objektmerkmale zeigt Fig. 4 schematisch, wie die Spalten 11, 12 oder Zeilen 13 bei der Messung der Geschwindigkeit nicht ausgelesen werden bzw. zusammengefasst werden, um ein Gitter auf den lichtempfindlichen Elementen 3 des Sensors zu erzeugen. Bei entsprechend groben Objektmerkmalen 7 kann das Abschalten einiger Spalten 11 ausgenutzt werden, um die Auslesegeschwindigkeit des Sensors zu erhöhen, so dass höhere Geschwindigkeiten messbar sind. Andererseits kann das auf den lichtempfindlichen Elementen 3 erzeugte virtuelle Gitter relativ zu den lichtempfindlichen Elementen 3 bewegt werden, so dass die Position der zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente auf dem Sensor zeitlich variiert. Durch diese Maßnahme ist es möglich, eine genaue Stillstandsmessung auch mit einem nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeitenden Sensor bei Fremdlichtbeleuchtung zu ermöglichen. Zusätzlich können Beleuchtungsmittel 9 verwendet werden, welche auf dem Objekt 2 ein zeitlich bewegtes Lichtmuster erzeugen, welches dem virtuellen Gitter entgegenläuft, um die Genauigkeit der Messung weiter zu steigern. In Fig. 4a und 4b werden die Spalten 11 beispielsweise nicht berücksichtigt bzw. die Spalten 12 zusammengefasst oder bei der Auswertung nicht berücksichtigt. Werden die Spalten 12 bzw. 11 in ihrer Position auf den lichtempfindlichen Elementen 3 des Sensors mit einer bestimmten Geschwindigkeit bewegt, so misst ein nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren arbeitender erfindungsgemäßer Sensor bei Stillstand eines Objektes, gerade die Frequenz, mit welcher das virtuelle Gitter verändert wird. Da bei dem Ortsfrequenzfilterverfahren die Frequenz proportional zur gemessenen Geschwindigkeit ist, kann die problematische Bestimmung der Frequenz „0", d.h. die Messung einer Frequenz „0", bei Stillstand des Objekts vermieden werden.
Es ist dabei durchaus möglich, nicht nur Spalten 12 zusammenzufassen oder bei der Auswertung nicht zu berücksichtigen, sondern auch Zeilen 13, deren Position dann senkrecht zu den Spalten zeitlich variiert wird oder eine Kombination aus beiden.
Gleichzeitig können über die Auswertemittel auch Positionsmarkierungen erkannt werden, die auf dem Objekt oder auf der Objektoberfläche vorgesehen sind. Hierdurch wird ermöglicht, dass über den Sensor 1 nicht nur die Relativgeschwindigkeit, sondern auch eine absolute Position bestimmt werden kann. Dies ist bei der Verwendung des Sensors 1 als Positionsgeber, insbesondere Drehgeber wichtig.
Schließlich zeigt Fig. 5 in einer schematischen Ansicht einen erfindungsgemäßen Sensor 1 mit einer ersten Mehrzahl zur optischen Achse des Sensors geneigter lichtempfindlicher Elemente 14 und einer zweiten Mehrzahl zur optischen Achse geneigter lichtempfindlicher Elemente 15. Werden über die Optik 4 die Objektmerkmale 7 des Objektes 2 auf beide Mehrzahlen von lichtempfindlichen Elmenten abgebildet, so weisen beide einen Messfehler aufgrund ihres Winkels zur optischen Achse O des Sensors auf. Hieraus lässt sich nun mit einer einfachen Kalibrierung, beispielsweise durch Messung eines Objektes 2 mit einer bestimmten Länge und einer genau festgelegten Geschwindigkeit, der Einbaufehler des Sensors bestimmen und entsprechend mit Hilfe der Auswertemittel 6 einfach korrigieren .
Vorzugsweise wird bei dem fünften Ausführungsbeispiel ebenso wie bei dem ersten Ausführungsbeispiel eine telezentrische Optik 4 verwendet, so dass die Abbildungsfehler aufgrund eines geänderten Abstandes des Objektes zum Sensor minimiert werden können. Der erfindungsgemäße Sensor 1 kann damit nicht nur an die verschiedenen Messbedingungen einfach angepasst werden, aufgrund der erfindungsgemäßen Adaptionsverfahren kann auch eine hohe Präzision der Messung erreicht werden.

Claims

P A T E N T AN S P R Ü C H E
1. Sensor (1) zur berührungslosen Messung einer
Relativgeschwindigkeit eines Objektes (2) oder einer Objektoberfläche zum Sensor (1) nach dem Bildverarbeitungsverfahren mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente (3, 3' ) , mindestens einer Optik sowie Ansteuerungs- und Auswertemitteln (5, 6) , wobei die Optik (4) das zu messende Objekt (2) oder dessen Oberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente (3) des Sensors (1) zumindest teilweise abbildet und die Ansteuerungsmittel (5) die lichtempfindlichen Elemente
(3) des Sensors in zeitlichem Abstand auslesen, die Optik (4) das in einem Abstand zur berührungslosen Messung zum Sensor angeordnete und zu messende Objekt
(2) oder dessen Oberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente (3) des Sensors zumindest teilweise abbildet und aus in zeitlichem Abstand ausgelesenen Daten der lichtempfindlichen Elemente (3) Objektmerkmale (7) oder Merkmale der Objektoberfläche, welche auf die lichtempfindlichen Elemente (3) abgebildet werden, lokalisierende und eine Verschiebung der Objektmerkmale oder eine Verschiebung der Merkmale der Objektoberfläche ermittelnde Auswertemittel (6) vorgesehen sind, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Auswertemittel (6) zur Bildung eines virtuellen Gitters eine bestimmte Anzahl von lichtempfindlichen Elementen (3) bei der Auswertung zusammenfassen oder bestimmte lichtempfindliche Elemente (3) bei der Auswertung nicht berücksichtigen und die Position der jeweils zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente (3) in mindestens eine Raumrichtung durch die Auswertemittel (6) zeitlich variierbar ist.
2. Sensor (1) zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes (2) oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach dem
Ortsfrequenzfilterverfahren mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente (3), mindestens einer Optik (4) sowie Ansteuerungs- und Auswertemitteln (5, 6) , wobei die Optik (4) das zu messende Objekt (2) oder dessen Oberfläche auf die lichtempfindlichen Elemente des Sensors zumindest teilweise abbildet und die Ansteuerungsmittel (5) die lichtempfindlichen Elemente (3) des Sensors in zeitlichem Abstand auslesen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s zur Bildung eines virtuellen Gitters bei der Auswertung eine bestimmte Anzahl von lichtempfindlichen Elementen (3) zusammenfassende oder eine bestimmte Anzahl lichtempfindlicher Elemente (3) nicht berücksichtigende sowie die Position der jeweils zusammengefassten oder nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente (3, 3' ) des Sensors in mindestens eine Raumrichtung zeitlich variierende Auswertemittel (6) vorgesehen sind, wobei die Auswertemittel (6) aus der Frequenz der Helligkeitsschwankungen auf den lichtempfindlichen Elementen (3) des Sensors eine Geschwindigkeit des Objektes (2) oder dessen Oberfläche bestimmen.
3. Sensor (1) zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor (1) nach einem der Ansprüche 1 oder 2, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s
Beleuchtungsmittel (9) zur Beleuchtung des Objektes
(2) oder der Objektoberfläche vorgesehen sind.
4. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor einem der Ansprüche 1 bis 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Lichtmenge auf den lichtempfindlichen Elementen
(3) des Sensors über die Beleuchtungsmittel (9) regelnde Regelungsmittel (10) vorgesehen sind.
5. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s auf dem Objekt (2) oder der Objektoberfläche ein bewegtes Lichtmuster erzeugende Beleuchtungsmittel (9) vorgesehen sind.
6. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s den zeitlichen Abstand des Auslesens der lichtempfindlichen Elemente variierende Ansteuerungsmittel vorgesehen (5) sind.
7. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s Mittel zur Abstandsmessung (8) zwischen den lichtempfindlichen Elementen und dem Objekt oder der Objektoberfläche vorgesehen sind.
8. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s alternativ oder kumulativ zu den Mitteln der Abstandsmessung eine telezentrische Optik (4), ein telezentrisches Zoomobjektiv und/oder eine Linse mit veränderbaren optischen Eigenschaften, insbesondere eine Flüssigkeitslinse vorgesehen ist.
9. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die lichtempfindlichen Elemente entlang einer gegenüber der optischen Achse des Sensors geneigten Geraden oder Ebene angeordnet sind.
10. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als lichtempfindliche Elemente (3, 3') CCD-, CMOS- Bauelemente, -Arrays oder -Zeilen oder Photodioden vorgesehen sind.
11. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 10, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die lichtempfindlichen Elemente (3) so angeordnet sind, dass Verbindungsgeraden zwischen verschiedenen einzelnen lichtempfindlichen Elementen (3) eine Ebene aufspannen.
12. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s als lichtempfindliche Elemente (3, 3' ) mindestens ein flächiger Sensor oder mindestens zwei eine Ebene aufspannend angeordnete Sensorzeilen vorgesehen sind.
13. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s in einen Sensor mehrere Sensoren gemäß Anspruch 1 bis 14 integriert sind.
14. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s mindestens eine erste Mehrzahl und eine zweite Mehrzahl von lichtempfindlichen Elementen (14, 15) vorgesehen sind, wobei die erste und zweite Mehrzahl an lichtempfindlichen Elementen (14, 15) des Sensors jeweils in unterschiedlichen Winkeln gegenüber der optischen Achse (O) des Sensors (1) geneigt angeordnet sind.
15. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 14, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s eine Drehbewegung des Objektes (2) auswertende Auswertemittel (6) vorgesehen sind.
16. Sensor zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 15, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s Positionsmarkierungen erkennende Auswertemittel vorgesehen sind.
17. Verfahren zur Adaption eines Sensors zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor mit einer Mehrzahl im Abstand zueinander angeordneter lichtempfindlicher Elemente an geänderte Messbedingungen, insbesondere eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 16, wobei unter Verwendung von Auswertemitteln des Sensors lichtempfindliche Elemente des Sensors zur Bildung eines virtuellen Gitters zusammengefasst oder bestimmte lichtempfindliche Elemente bei der Auswertung nicht berücksichtigt werden und das entstehende Gitter eine an das zu messende Objekt oder dessen Oberfläche angepasste Gitterkonstante aufweist, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Auswertemittel des Sensors die Position der jeweils zusammengefassten oder bei der Auswertung nicht berücksichtigten lichtempfindlichen Elemente des Sensors zeitlich variieren und die Geschwindigkeit der Variation an die Höhe der zu messende Relativgeschwindigkeit angepasst wird.
18. Verfahren zur Adaption eines Sensors zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor nach Anspruch 17, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die auf die lichtempfindlichen Elemente treffende Lichtmenge durch Regelung von Beleuchtungsmitteln und/oder Auslesezeiten der lichtempfindlichen Elemente (3) eingestellt wird.
19. Verfahren zur Adaption eines Sensors zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor einem der Ansprüche 17 oder 18, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s durch Mittel zur Abstandsmessung eine Abstandsmessung zwischen Sensor und Objekt oder Objektoberfläche erfolgt und die Ergebnisse der Abstandsmessung bei der Bestimmung der Relativgeschwindigkeit zwischen Sensor und Objekt oder Objektoberfläche berücksichtigt werden.
20. Verfahren zur Adaption eines Sensors zur berührungslosen Messung einer Relativgeschwindigkeit eines Objektes oder einer Objektoberfläche zum Sensor einem der Ansprüche 17 bis 19, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , d a s s die Adaption des Sensors an geänderte Messbedingungen autonom erfolgt.
21. Verwendung eines Sensors nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Positionsgeber, insbesondere als Drehgeber,
PCT/EP2006/063525 2005-07-08 2006-06-23 Optischer längen- und geschwindigkeitssensor WO2007006642A1 (de)

Applications Claiming Priority (4)

Application Number Priority Date Filing Date Title
DE102005032318 2005-07-08
DE102005032318.9 2005-07-08
DE102005040772A DE102005040772B4 (de) 2005-07-08 2005-08-29 Optischer Längen- und Geschwindigkeitssensor
DE102005040772.2 2005-08-29

Publications (1)

Publication Number Publication Date
WO2007006642A1 true WO2007006642A1 (de) 2007-01-18

Family

ID=36954163

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
PCT/EP2006/063525 WO2007006642A1 (de) 2005-07-08 2006-06-23 Optischer längen- und geschwindigkeitssensor

Country Status (2)

Country Link
DE (1) DE102005040772B4 (de)
WO (1) WO2007006642A1 (de)

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009083425A2 (de) * 2007-12-28 2009-07-09 Fraba Ag Verfahren und sensor zur optischen messung von geschwindigkeiten nach dem ortsfrequenzfilterverfahren
EP3620242B1 (de) 2018-09-05 2021-04-28 BLM S.p.A. Vorrichtung zum bearbeiten von rohren mit einem optischen sensor zum messen der vorwärtsverschiebung des bearbeiteten rohres und / oder der drehrotation desselben um die längsachse

Families Citing this family (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE102007029299B4 (de) 2007-06-22 2011-12-22 Fraba Ag Optischer Sensor für Positionieraufgaben
DE102007038013B4 (de) * 2007-08-10 2009-06-25 Fraba Ag Verfahren zur optischen Messung von Geschwindigkeiten und Sensor zur optischen Messung von Geschwindigkeiten
DE102009009789B4 (de) * 2009-02-20 2015-08-13 Phoenix Contact Gmbh & Co. Kg Bewegungssensor
US8878929B2 (en) 2009-05-27 2014-11-04 Koh Young Technology Inc. Three dimensional shape measurement apparatus and method
JP5156972B2 (ja) * 2009-07-07 2013-03-06 Ｓｍｃ株式会社 位置測定装置及び位置測定方法
PL2415934T3 (pl) 2010-08-06 2016-04-29 Voegele Ag J Układ czujnika dla maszyny budowlanej
ITMI20110562A1 (it) * 2011-04-06 2012-10-07 Comelz Spa Procedimento e dispositivo di rilevamento di posizione di un organo trasportatore.
CN107677845A (zh) * 2016-08-01 2018-02-09 原相科技股份有限公司 测速方法以及测速装置
DE202021102641U1 (de) 2021-05-17 2022-08-18 Sick Ag Gebervorrichtung zur Bestimmung einer kinematischen Größe einer Relativbewegung
DE102021112648A1 (de) 2021-05-17 2022-11-17 Sick Ag Gebervorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer kinematischen Größe einer Relativbewegung

Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3711918A1 (de) * 1987-04-08 1988-10-20 Strahlen Umweltforsch Gmbh Schaltungsanordnung zur automatischen verfolgung von sich ueber ein bild bewegenden teilchen
US4921345A (en) * 1987-09-07 1990-05-01 Hitachi, Ltd. Spatial filter type speed measuring apparatus
DD291848A5 (de) * 1990-01-30 1991-07-11 Wilhelm-Pieck-Universitaet Rostock,De Verfahren zur beruehrungslosen geschwindigkeitsmessung auf der basis flaechenabtastender sensoren
EP0522815A1 (de) * 1991-07-12 1993-01-13 Lucas Industries Public Limited Company Geschwindigkeitssensor
DE4309959A1 (de) * 1993-03-26 1994-09-29 Christofori Klaus Dr Verfahren und Vorrichtung zur örtlichen Filterung beliebig strukturierter Objekte
DE4444223A1 (de) * 1994-12-13 1996-06-27 Datron Electronic Gmbh Sensor zur Erfassung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche
EP0762127A1 (de) * 1995-09-05 1997-03-12 Klaus Michel Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Längenmessung
DE10248416A1 (de) * 2002-10-17 2004-05-06 Audi Ag Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs
DE10256725B3 (de) * 2002-12-05 2004-06-24 Spiedetal Gmbh Sensor, Vorrichtung und Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung

Family Cites Families (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3110828C2 (de) * 1981-03-19 1984-05-30 Endress U. Hauser Gmbh U. Co, 7867 Maulburg Verfahren und Anordnung zur Erzeugung von miteinander zu korrelierenden Signalen, insbesondere zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung
GB9111702D0 (en) * 1991-05-31 1991-07-24 Lucas Ind Plc Apparatus for measuring speed
SE9701911D0 (sv) * 1997-05-22 1997-05-22 Optronic Consult Ab Sätt och anordning för beröringsfri inmätning av förflyttning
DE10258545B4 (de) * 2002-09-23 2008-01-24 Stefan Reich Verfahren und System zur Stabilisierung einer Translationsbewegungsgröße eines Flugkörpers
AU2003264929A1 (en) * 2002-09-23 2004-04-08 Stefan Reich Measuring and stabilising system for machine-controllable vehicles

Patent Citations (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE3711918A1 (de) * 1987-04-08 1988-10-20 Strahlen Umweltforsch Gmbh Schaltungsanordnung zur automatischen verfolgung von sich ueber ein bild bewegenden teilchen
US4921345A (en) * 1987-09-07 1990-05-01 Hitachi, Ltd. Spatial filter type speed measuring apparatus
DD291848A5 (de) * 1990-01-30 1991-07-11 Wilhelm-Pieck-Universitaet Rostock,De Verfahren zur beruehrungslosen geschwindigkeitsmessung auf der basis flaechenabtastender sensoren
EP0522815A1 (de) * 1991-07-12 1993-01-13 Lucas Industries Public Limited Company Geschwindigkeitssensor
DE4309959A1 (de) * 1993-03-26 1994-09-29 Christofori Klaus Dr Verfahren und Vorrichtung zur örtlichen Filterung beliebig strukturierter Objekte
DE4444223A1 (de) * 1994-12-13 1996-06-27 Datron Electronic Gmbh Sensor zur Erfassung von Bewegungen eines Fahrzeugs relativ zu einer Bezugsfläche
EP0762127A1 (de) * 1995-09-05 1997-03-12 Klaus Michel Verfahren und Anordnung zur berührungslosen Längenmessung
DE10248416A1 (de) * 2002-10-17 2004-05-06 Audi Ag Vorrichtung und Verfahren zur Bestimmung einer Relativbewegung eines Fahrzeugs
DE10256725B3 (de) * 2002-12-05 2004-06-24 Spiedetal Gmbh Sensor, Vorrichtung und Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
BERGELER S ET AL: "NOVEL OPTICAL SPATIAL FILTERING METHODS BASED ON TWO-DIMENSIONAL PHOTODETECTOR ARRAYS", MEASUREMENT SCIENCE AND TECHNOLOGY, IOP, BRISTOL, GB, vol. 15, no. 7, July 2004 (2004-07-01), pages 1309 - 1315, XP001210240, ISSN: 0957-0233 *
KRAMBEER HEINRICH; MICHEL KLAUS; CHRISTOFORI KLAUS: "Ortsfilterverfahren zur optischen Messung geringer Geschwindigkeiten von Oberflächen, Partikeln und Strömungen", 8 May 2000 (2000-05-08), XP002399612, Retrieved from the Internet <URL:www.e-technik.uni-rostock.de/www/mess/08krambe.pdf> [retrieved on 20060919] *

Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2009083425A2 (de) * 2007-12-28 2009-07-09 Fraba Ag Verfahren und sensor zur optischen messung von geschwindigkeiten nach dem ortsfrequenzfilterverfahren
WO2009083425A3 (de) * 2007-12-28 2009-09-17 Fraba Ag Verfahren und sensor zur optischen messung von geschwindigkeiten nach dem ortsfrequenzfilterverfahren
US8355119B2 (en) 2007-12-28 2013-01-15 Fraba Ag Method for optical measurement of velocities according to the spatial frequency filtering method and sensor for optical measurement of velocities
EP3620242B1 (de) 2018-09-05 2021-04-28 BLM S.p.A. Vorrichtung zum bearbeiten von rohren mit einem optischen sensor zum messen der vorwärtsverschiebung des bearbeiteten rohres und / oder der drehrotation desselben um die längsachse

Also Published As

Publication number Publication date
DE102005040772B4 (de) 2012-01-19
DE102005040772A1 (de) 2007-01-18

Similar Documents

Publication Publication Date Title
DE102005040772B4 (de) Optischer Längen- und Geschwindigkeitssensor
EP3278302B1 (de) Bewegungsmesssystem einer maschine und verfahren zum betreiben des bewegungsmesssystems
DE4226683B9 (de) Optischer Bewegungsaufnehmer
EP0968687A2 (de) 3D-Kamera zur Erfassung von Oberflächenstrukturen, insbesondere für zahnmedizinische Zwecke
EP2056063A1 (de) Messkopfsystem für eine Koordinatenmessmaschine und Verfahren zum optischen Messen von Verschiebungen eines Tastelements des Messkopfsystems
DE102016218680A1 (de) Optischer Geber
DE10217726A1 (de) Optische Positionsmesseinrichtung
EP1718925B1 (de) Tastkopf für ein koordinatenmessgerät
DE102007036850B4 (de) Verfahren zur Korrektur von Nichtlinearitäten der Interferometer einer Koordinaten-Messmaschine
EP0112399B1 (de) Interferometrisches Messverfahren für Oberflächen
DE10132844A1 (de) Hochpräzise Verschiebungsmessvorrichtung und hochpräzises Verschiebungsmessverfahren unter Verwendung einer auf der konfokalen Theorie basierenden Verschiebungssensoreinheit
EP2878930B1 (de) Positionsmesseinrichtung
DE102022202778B4 (de) System und Verfahren zur konfokal-chromatischen Linienabstandsmessung
DD253688A1 (de) Optische anordnung und verfahren zur lichtelektrischen entfernungseinstellung
DE10256725B3 (de) Sensor, Vorrichtung und Verfahren zur Geschwindigkeitsmessung
DE102007063355B4 (de) Verfahren zur optischen Messung von Geschwindigkeiten nach dem Ortsfrequenzfilterverfahren und Sensor zur optischen Messung von Geschwindigkeiten
DE102014212268A1 (de) Positionsmesseinrichtung
CH629297A5 (en) Device for determining the polar coordinates of the offset of an object with respect to an optical reference line
DE4018189C2 (de) Verfahren zur Erfassung der Bewegung eines Fahrzeugs über einer Fläche sowie Bewegungserfassungsvorrichtung
DE102018108347B4 (de) Optischer Encoder und Verfahren zur Erfassung einer Relativbewegung
EP0901639B1 (de) Verfahren und vorrichtung zur richtungsbestimmung zu einem objekt
DE102016013550B3 (de) Profilmesssystem für eine Rauheits- und Konturmessung an einer Oberfläche eines Werkstücks
WO2001090698A1 (de) Taster mit beugungsgitter für +1, 0 und -1 ordnungen
DE3309951C2 (de) Optoelektronisches Dehnungsmeßgerät mit berührungsloser Abtastung eines oder mehrerer am Meßobjekt angebrachter Meßgitter
DE4041429A1 (de) Verfahren zum feststellen einer bewegungsgroesse

Legal Events

Date Code Title Description
121 Ep: the epo has been informed by wipo that ep was designated in this application
NENP Non-entry into the national phase

Ref country code: DE

WWW Wipo information: withdrawn in national office

Country of ref document: DE

122 Ep: pct application non-entry in european phase

Ref document number: 06777458

Country of ref document: EP

Kind code of ref document: A1