DD218170A1 - Einrichtung fuer beruehrungslose messungen an bewegten koerpern - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf eine Einrichtung zur beruehrungslosen Messung der Geschwindigkeit oder des Weges von Objekten ohne spezielle optische Markierungen gegenueber einer Bezugslage nach einer oder zwei Koordinatenrichtungen, bzw. der Messung einer Geschwindigkeitskomponente bei gleichzeitiger optischer Abtastung des Objektes. Aufgabe der Erfindung ist es, die Vorteile monolithischer selbstabtastender Bildempfaenger fuer die Realisierung eines bei inkohaerenter Beleuchtung nach dem Ortsfilterverfahren beruehrungslos arbeitenden Geschwindigkeitssensors durch Einsatz von Standardelementen zu schaffen. Die Aufgabe wird geloest, indem die CCD-Sensorzeile durch eine spezielle Ansteuer- und Auswerteelektronik ein Gitter darstellt, welches durch Einsatz einer CCD-Sensorzeile mit zwei getrennt ansteuerbaren Uebertragungsgates und Transportschieberegistern vorzugsweise als Differenzgitter ausgebildet ist. Durch den vorzugsweisen Einsatz eines Strahlteilers hinter dem Objektiv wird ein universeller Messkopf mit 2 senkrecht zueinander orientierten CCD-Sensorzeilen realisiert, der je nach Ansteuerung fuer eine Zweikomponentengeschwindigkeitsmessung bzw. fuer eine Einkomponenten-Geschwindigkeitsmessung in Verbindung mit einer optischen Objektabtastung geeignet ist. Das Anwendungsgebiet umfasst somit neben der Geschwindigkeitsmessung insbesondere die Probleme der Erkennung, Vermessung und Sortierung laufender Gueter.

Description

Einrichtung für berührungslose. Messungen an bewegten Körpern

Anwendungsgebiet der. Erfindung

Die Erfindung besieht sich auf eine Einrichtung für berührungslose Messungen an bewegten Körpern mit Hilfe optoelektronischer Abtastungen. Gemessen'werden Geschwindigkeiten oder auch eine Geschwindigkeitskomponente zusammen mit geometrischen Abmessungen wie Länge oder Breite oder optischer Oberflächenbeschaffenheit des-- bewegten Körpers ohne optische Markierung gegenüber einer Bezugslage. Die Erfindung kann zur Kontrolle, Sortierung und Steuerung von Gegenständen auf Fließbändern oder Durchlaufstrecken angewendet werden.

Charakteristik der^bekannten.technischen Lösungen

Die zahlreichen bekannten Verfahren zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit mittels elektromagnetischer Wellen im optischen Spektralbereich lassen sich in die Kreuzkorrelations- und die Ortsfilterverfahren aufteilen. Letztere kann man dann nach Art der Beleuchtung (inkohärente Beleuchtung und selbstleuchtend bzw. kohärente Beleuchtung) und nach der Lage des optischen Gitters (Gitterprojektion bzw. gitterförmige Abtastung) unterscheiden. .

Beim Kreuzkorrelationsverfahren wird das bewegte Objekt in eine Bildebene abgebildet, in der sich zwei in Bewegungsrichtung versetzte Fotoempfänger befinden. Das Signal des ersten Fotoempfangers wird um eine variable Laufzeit Ί£ verzögert mit dem Signal des zweiten Potοempfangers korreliert. Die Laufzeit T , bei der die Korrelationsfunktion ihr Maximum besitzt, ergibt über den Abbildungsmaßstab ß und den Abstand 1 zwischen den

beiden Fotoempfängern die Objektgeschwindigkeit v_Q relativ zu dem optischen System zu

^vo ⁼

Korrelationsgeschwindigkeitsmesser nach oben genanntem Prinzip werden u. a. in DD-PS 96341 (GQ1P 3/36), DE-OS 2219900 (G01 P 3/36) für Anwendung bei Walzgut, DE-OS 2219343 (GO1P3/36) Weiterentwicklung von DE OS.2219900 durch Einsatz digitaler Baugruppen für die Bildung der Korrelationsfunktion, US-PS 3804518 (G"01P 3/36) sowie US-PS 38045Π (G01P 3/36), Varianten mit digitaler Signalverarbeitung, US-PS 3885873 (GO1P3/36), bekannter optischer Aufbau, Signalverarbeitung mittels Abtast- und Haltegliedern und weiterer analoger Baugruppen, wie Verstärker, Betragsbildner und Integrator und DE-OS 200508 A1 (G 01 P 3/36), kombinierter Geschwindigkeits- und Längenmaßgeber, vorgeschlagen.

In DE-OS 3110828 A 1 (G01 P3/36) wird eine Anwendung des Korrelationsprinzips auf S'tandard-TV-Signale beschrieben, wobei die Geschwindigkeit des Objekts durch die korrelative Auswertung von zwei räumlich getrennten Bildsignalteilen bestimmt wird. Dieses bekannte Korrelationsverfahren erfordert durch das regelbare Laufzeitglied und den Korrelator einen relativ hohen gerätetechnischen Aufwand und liefert nur eine über die Laufzeit -^T"_o gemittelte Durchschnittsgeschwindigkeit. Bei den Ortsfilterverfahren v/ird unabhängig von der speziellen Ausführungsform die örtliche Filterwirkung gltterfÖrmiger Strukturen mit der Gitterkonstante g zur gezielten Umsetzung der Objektbewegung in ein schmalbandiges Signal s(t) ausgenutzt. Abgesehen von Hebenmaxima besitzt das Leistungsdichtespektrum dieses Signals eine Mittenfrequenz f_Q des Hauptmaximums zu /

f — O i

die sich mittels Nachlauffilter bestimmen läßt. De3 weiteren ,ist die Bestimmung von f_Q über die Autokorrelationsfunktion und bei Anpassung der Gitter- an die Objektstruktur (der vorzugsweise vorliegenden Ortsfrequenz in der für die Messung

notwendigen Helligkeitsverteilung des Objektes und ihrer Modu·* lationsindexes) auch über die gerätetechnisch einfache Zählung der Nulldurchgänge des Signals s(t) möglich.

Bei den Verfahren mit kohärenter Beleuchtung hat insbesondere das Laser-Doppler~Anemometer Bedeutung erlangt. Hierbei erfolgt durch Interferenz zweier vermittels Strahlteiler gewonnener Strahlen eines Lasers auf dem bewegten Objekt eine Gitterprojektion mit einer Gitterkonstante g von -

g - 2 sin "ZCnr" '

wobei Λ die Wellenlänge des Laserstrahles und oL den Schnittwinkel der beiden Teilstrahlen bezeichnen.

Des weiteren kann 'das bewegte Objekt auch mit einem aufgewei*» teten Laserstrahl beleuchtet und über ein Gitter auf den Potoempfänger abgebildet werden.

In jedem Falle erbringt der Einsatz von Lasern gegenüber der inkohärenten Beleuchtung einen größeren apparativen Aufwand. Bei den Ortsfilterverfahren mit inkohärenter Beleuchtung sind insbesondere Realisierungen mit gitterförmiger Abtastung bekannt geworden. Vorteilhaft kann hierbei durch den Einsatz von Differenzgitteranordnungen die Gleichkomponente des Signals s(t) unterdrückt werden«

Derartige Diffe'renzgitter wurden u. a» vermittels Lichtleiter , (DE-OS 2809355 in GO1P3/36), zweifarbige Gitter,(DE-OS 2210681 in GO1P3/36), !Archen- und Pyramidengitter (DE-OS 2209667 in G01 P3/36), Einfachgitter in Verbindung mit einem Wollaston~ Prisma (DE-OS 2144487 in G01 P3/36) oder paralleler Draht- / oder Streifenelektroden bzw, kammartig verzahnter «Vandler eüs Selen o. ä. (DE-OS 167 3408 in G01 P3/36) realisiert. Bei/den Realisierungsvarianten mit Zweifarbgitter, Furchen- xxpA Pyramidengitter sowie der Anordnung mit Wollaston-Prisrca müssen ' spezielle mechanisch-optische Konstruktionen gefertigt werden. Vermittels Lichtleiter bzw. spezieller Wandlerstrukturen gebildete Differenzgitter sind zwar in Verbindung mit gebräuchlichen Kameraobjektiven einsetzbar, erfordern aber i. a. Sonderanfertigungen und infolge ihrer schwierigen Geometrie wiederum einen hohen Fertigungsaufwand«,

Ziel der Erfindung

Ziel der Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung mit geringem apparativen Aufwand zu schaffen, mit der man Geschwindigkeiten und Abmaße bewegter Körper messen und damit die automatische Kontrolle, Sortierung und Steuerung im Bewegungsprozeß verbessern kann.

Darlegung des Wesens der Erfindung;

Der Erfindung liogt die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung zur berithrungslοsen Geschwindigkei t smes sung unter Verwendung handelsüblicher optischer und optoelektronischer Bauelemente zu schaffen, deren apparativer Aufwand gering bleibt, die gleichzeitig Informationen über Abmaße oder Oberflächenbeschaffenheit liefert, und die keine spezielle Markierung des Objektes benötigt.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß unter Anwendung des an sich bekannten Ortsfilterverfahrens bei inkohärenter Beleuchtung in einer Kamera, eine oder mehrere CCD-Zeilen als Differenzgitter eingesetzt sind« Dabei handelt es sich um solche CCD-Zeilen, deren Übertragungsgates und Schiebe register getrennt ansteuerbar sind. Die Schieberegister einer Zeile (8.1 und 8.2) mit den Steuergates G^, &γ_Β und G_2A, G₂^ werden gegenphasig mit U^ « U^₃ und U₂A * ^U2B synchron zu den Fakten aja den ÜbertragungsgatesU^ undU-^-g angesteuert. Auf diese Weise erhält man am Ausgang einer Zeile alternierend Ladungspakete aus beiden Registern, die einzeln für sich die Summe der aus den ungeradzahligen bzw. geradzahligen Elementen ausgeschleusten Photoelektronen darstellen. Am Ausgang der Zeile hinter*dem Differenzverstärker befindet sich eine Abtast Halte-Schaltung . Die Taktspannungen Ug^ an Gg^ und U_SB an Gg_B separieren die Ladungspakte nach der R_eg^isterherkunft* ¹^- anschließenden Differenzverstärker wird der Gleichsignalanteil unterdrückt und die der Bewegung des Körpers proportionale Rrequenz f_Q gebildet.

Zur Messung zweier Geschwindigkeitskomponenten werden hinter dem Objektiv ein Strahlteiler und zusätzlich zu den bereits genannten CCD-Zeilen eine oder mehrere CGD-Zeilen gleicher Art senkrecht dazu angeordnet und diese gleichartig angesteuert«.

Zur Messung einer Geschwindigkeitskomponente und gleichzeitiger optischer Abtastung der Oberfläche nach Abmaßen und Konturen wird eine an sich bekannte CCD-Zeilen-Steuerung für die zuletzt genannte(n) Zeile(n) angewendet.

Ausftümm^sbeispiel : ,

Die Erfindung jsoll nachfolgend am Beispiel einer einkomponentigen Geschwindigkeitsmessung Vj gemäß Figur 1a, 2, 3 und 4 bei Einsatz einer CCD-Sensorzeile näher erläutert werden.

Figur 4 zeigt die Phasenlagen der Taktspannungen U für die in Figur 2 angegebenen Gates G der Sensorzeile bzw, der Abtast- und Halteschaltungen in Figur 3« Da für die Erläuterung des Wirkprinzips nur die gegenseitige Phasenlage der einzelnen Taktspannungen interessieren, wurde auf die Angabe konkreter Pegelwerte verzichtet. Im weiteren werden zur Vereinfachung die Werte 0 bzw. 1 für niedrigen bzw. hohen Spannungspegel benutzt* Die beiden ^-Phasen-Änalog-Schieberegister 8.1 und 8.2 in Figur 2 werden über die Gates G^ und Gg^ bzw. G.-g und Gpg mit. zwei symmetrischen gegenphasigen Takt spannungen U^ ^a U^-g,und Uoα ^s Up2 mit einer Mindestperiodendauer T von z. B. 4/us angesteuerti Dar genannte Wert ergibt sich aus den Hindestsohaltzeitforderungen bezüglich der Taktspannungen der Übertragungagates Dh^ und U^g» die während IL= 1 nacheinander auf 1 geschaltet werden. Dadurch gelangen die akkumulierten Elektronen der ungeradzahligen Fotoelemente 6 in Figur 2 in das 1. Schieberegister .8.-1 und die der geradzahligen Fotoelemente in das 2. Schieberegister 8.2. Durch den nachfolgenden Phasenwechsel von U^ und U₂ werden die akkumulierten Ladungen insgesamt um eine Position nach rechts verschoben (s. Fig. 2). Mit Uy = 1 beginnt der bereits beschriebene Vorgang der Ladungsübertragung erneut. Somit wird z, B. in einer 256-Elementzeile erreicht, daß sich die Ladung des 255-ten Fotoelementes unter dem T_ransportgate G^- nach der Zeit T zu der des 253-ten Fotoelementes addiert.

Pie akkumulierte Ladungsmenge ist proportional der Beleuchtungsstärke der Fotoelemente und der Integrationszeit t. = T. Nach 127 Taktperioden befindet sich die betrachtete Ladungswolke unterhalb des Transportgates des 1-ten Fotoelementes

und beinhaltet die Summenladung der 128 ungeradzahligen Fotoelemente

Durch weitere Schiebetakte gelangt diese Suramenladung über das Ausgangsgate 9 in Figur 2 an den gesteuerten Ladungsdetektor 10. Dieser gibt, während U₂ und der Rückstelltakt U_R sich zu 0 ergeben, eine der Ladung proportionale Spannung an den Ausgang OS ab (siehe Figur 2 und Figur 4)· In der Kompensationsstufe 1.1 in Figur 2 wird ein Hilfssignal gebildet, das mittels des nachfolgenden Differenzverstärkers 14 in Figur 3 zur Unterdrückung von Störimpulsen dient. Die Folgestufen 13 dienen der Entkopplung und Anpassung des Signals zwischen der CCD-Sensorzeiie 12 und dem Differenzverstärker 14· Durch die größere Länge des 2. Transport-Schieberegisters in Figur 2 gelangen die dort analog zu Schieberegister 1 gebildeten Ladungen um t « T/2 verzögert an das Ausgangsgate. Dadurch wird eine alternierende Einspeisung erzielt. Durch die in Figur 4 dargestellte Phasenlage der Taktspannungen Ug^ und Ug_B der Abtast- und Halteschaltungen 15 werden die verschachtelten Signalspannungen wieder auseinandergeführt und bis zum Abtasten des darauffolgenden Wertes festgehalten. Das Abtasten der Signalspannung erfolgt jeweils mit Ug « 1. Nach dem in seiner Bandbreite angepaßten Differenzverstärker 16 steht ein schmalbandiges Signal s(t) mit unterdrückter Gleichkomponente zur Verfügung. Das nachgeschaltete Nachlauffilter 17 selektiert die der Objektgeschwindigkeit proportionale Maximumfrequenz f_ des Leistungsdichtespektrum von s(t). Ein Testmuster lief auch bei abrupter Signaländerung nach weniger als 10 Perioden auf die neue Maximumfrequenz f_Q ein, wobei f_Q im Bereich von 50 bis 500 Hz variierte. Bei der durch den Mittenabstand der Fotoelemente von 13/um gegebenen Gitterkonstante g zu g s 26/Um und einem gewählten Abbildungsmaßstab ß zu ß = 1:40 entspricht der genannte Bereich von f_ö einem Geschwindigkeitsbereich ν zu

Die maximal zu verarbeitende Maximumfrequenz f_ bzw. Objektgeschwindigkeit v_Q bei festem ß wird durch Einhaltung des Abtasttheorems gemäß oben genannten Zeitbedingungen für die

Mindestperiodendauer der Taktsignalspannung begrenzt. Sie ist somit abhängig vom gewählten Typ der CCD-Sensorzeile. Zudem sollte die Transportgeschwindigkeit V^ der Ladungen in den Transport-Schieberegistern um mindestens eine Größenordnung höher liegen, als die über den Abbildungsmaßstab ß transformierte Obj'ektgeschwindigkeit ν (entsprechend der geforderten Meßgenauigkeit)ί ·

^VT > ¹⁰ * ^ß " ^vo ·

Ansonsten sind die funktionsbedingten Veränderungen im Signalspektrum von s(t) zu berücksichtigen. Im vorliegenden Fall beträgt V₁^ ca. 6,5 m/s als Maximalwert, womit sich"bei genanntem festen ß ein maximales v_Q zu

^vo max

ergibt.· Der theoretische Geschwindigkeitsmeßbereich liegt somit bei ca, 1:50Ö und wird praktisch von dem Nachlauffilter 17 begrenzt.- ·; .· " ' : '. ·. '' ' · - '

Claims (3)

Br f induimgsanspruch

1. Einrichtung zur berührungslosen Messung bewegter Körper, insbesondere von Geschwindigkeiten unter Anwendung des Ortsfiiterverfahrens -mit inkohärenter Beleuchtung gekennzeichnet dadurch, daß in einer Kamera eine oder mehrere CCD-Zeilen als Differenzgitter eingesetzt sind·

2. Einrichtung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß die Gates der Schieberegister jeweils einer CCD-Zeile von . symmetrischen gegenphasigen Takt spannungen mit U^ = XJ^ an G^ und G;. £ und Ug^ ⁸⁸Z^B ^an ^2A ^un^· ^2B ^3νηο&^{ΓΟη zu} den Takten an den Übertragungsgates G_x^ und G_xB angesteuert sind und an den Ausgang des Differenzverstärkers (14) eine Abtast-Halte-Schaltung mit U_ß^ an Gg^ und Ug_B an '(15·1 und 15·2) angeschlossen ist, die die Ladungspakete aus den Schieberegistern separiert und diese zur Differenzbildung dem Differenzverstärker (16) zuführt«

3· Einrichtung nach Punkt 1 gekennzeichnet dadurch, daß durch den Einsatz eines Strahlteilers hinter dem Objektiv und Anordnung einer oder mehrerer CCD-Zeilen senkrecht zu den in Punkt 1 genannten mit paralleler'Ansteuerung nach Punkt 2 zur Messung einer zweiten Geschwindigkeitskomponente oder mit einer an sich bekannten Ansteuerung zur Abtastung und Vermessung der Oberfläche des bewegten Körpers«,

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen