DE2450439A1 - Einrichtungen zur beruehrungslosen messung der geschwindigkeit - Google Patents

Description

• Einrichtungen zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit.
• Stand der Technik: Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur berührungslosen Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen diesen Einrichtungen und einem reflektierenden oder selbstleuchtenden Gegenstand mit statistisch rauher Oberfläche, bei der mit optisch/elektrischen Mitteln, die senkrecht zur Bewegungsrichtung und in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Gegenstandes angeordnet sind, ein Frequenzspektrum und aus diesem die Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude gewonnen wird, die ein Mass für die Geschwindigkeit ist.
• Derartige Einrichtungen und der dabei verwendete physikalische Effekt sind beispielsweise in der Dissertation von P.Kreutzer Berührungslose Geschwindigkeitsmessung bei quer zur Messrichtung verlaufender Bewegung", Universitat Stuttgart 1973, beschrieben.
• Bei den bekannten Einrichtungen treten außer dem erwünschten Hauptmaximum mehrere Nebenmaxima, ein Gleichanteil und niederfrequente Störsignale auf, die die Auswertung erschweren oder unmöglich machen.
• Zur Beseitigung des Gleichanteils und der niederfrequenten Störsignale ist es aus der DT-OS 2 144 487 bekannt, zwei um einen halben Spaltabstand versetzte Bilder zu erzeugen, die von zwei getrennten optisch/ elektrischen Wandlern aufgenommen werden, um die Differenz der Ausgangs signale der beiden Wandler zu bilden.
• Dem gleichen Zweck dient die Anordnung nach der DT-OS 2 342 696, bei der die von den geradzahligen und die von den ungeradzahligen Spalten des Gitters kommenden Lichtstrahlen von zwei getrennten optisch/elektrischen Wandlern aufgenommen werden, wobei dann ebenfalls die Differenz der Ausgangssignale der beiden Wandler gebildet wird.
• In der DT-OS 21 44 487 wird auch darauf hingewiesen, daß es bekannt ist, zur Gleichlichtunterdrückung ein spezielles Fotoempfängerpaar mit ineinandergeschachtelten streifenförmigen Elektroden zu verwenden, das nur zwei Ausgangssignale abgibt. Die Zugriffsmöglichkeit zu jedem einzelnen Streifen ist dort nicht vorhanden.
• Die bekannten Einrichtungen bewirken keine Unterdrückung der Nebenmaxima. Das ist besonders deshalb störend, weil das von einer rauhen Oberfläche reflektierte oder ausgesandte Licht ein Frequenzspektrum liefert, dessen Amplituden mit abnehmender Frequenz größer werden. Deshalb können auch die Amplituden der Nebenmaxima bei niedrigeren Frequenzen als der Nutzfrequenz in der Größenordnung der Nutzfrequenzamplitude liegen. Die oberhalb der Nutzfrequenz liegenden Nebenmaxima und Hauptmaxima höherer Ordnung stören weniger, da sie infolge der Eigenschaften der Empfangseinrichtung und der abnehmenden Amplitude des von der rauhen Oberfläche gelieferten Frequenzspektrums stark gedämpft werden.
• Aufgabe: Es ist die Aufgabe der Erfindung, Einrichtungen zur Geschwindigkeitsmessung anzugeben, bei der die Nebenmaxima bei der Auswertung unterdrückt sind.
• Lösung: Die Aufgabe wird mit den in den Ansprüchen angegebenen Mitteln gelöst.
• Vorteil: Bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen ist die Auswertesicherheit wesentlich höher als bei den bekannten Einrichtungen, sodaß eine eindeutige Bestimmung der Nutzfrequenz möglich ist.
• Beschreibung: Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen: Fig.l eine Einrichtung mit einem optischen Gitter und je einem optisch/elektrischen Wandler für jede Gitterspalte; Fig.2a eine Einrichtung mit einem einzigen optisch/ elektrischen Wandler, der abwechselnd lichtempfindliche und lidtnempfindliche Streifen aufweist; Fig.2b den optisch/elektrischen Wandler nach Fig.2a von vorne; Fig.3 eine Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der von den Einrichtungen nach den Fig.1 oder 2 abgegebenen Signale; Fig.4 das am Punkt b in Fig.3 auftretende Frequenzspektrum; Fig.5 das am Punkt a in Fia.3 auftretende Frequenzspektrum; Fig.6a einen in quadratische Einzelelemente aufgeteilten optisch/elektrischen Wandler; Fig.6b die elektrische Zusammenfassung der quadratischen Einzelelemente nach Fig.6a zu Zeilen und Spalten.
• Die Einrichtung nach Fig.l, die zusammen mit der Schaltungsanordnung nach Fig.3 zur Bestimmung der Geschwindigkeith einer Fläche F mit statistisch verteilter Rauheit dient, besteht im wesentlichen aus einer Optik, die durch eine Linse L angedeutet ist, einem optischen Gitter G, das n Spalten enthält, aus n Optiken m bis Hn, von denen jeweils eine hinter einer Spalte angeordnet ist und aus n gleichen optisch/elektrischen Wandlern W1 bis Wn. Die elektrischen Anschlüsse der Wandler sind mit 1 bis n und der Spaltenabstand ist mit d bezeichnet.
• Fig.2a zeigt eine ähnliche Anordnung. Anstelle des optischen Gitters G, der Optiken H1 bis Hn und der optisch/elektrischen Wandler W1 bis Wn ist hier eine Platte P mit parallelen lichtempfindlichen Streifen S1 bis Sn vorgesehen, wobei zwischen den lichtempfindlichen Streifen jeweils lichtunempfindliche Streifen sind. Die lichtempfindlichen Streifen haben getrennte Anschlüsse lbis n. Fig.2b zeigt den optisch/ elektrischen Wandler von vorne.
• Die Signale von den Klemmen 1 bis n der Fig.l oder 2a werden in der Anordnung nach Fig.3 verarbeitet. Die Signale werden zunächst unterschiedlich gewichtet und zwar die von den außenliegenden Spalten kommenden Signale wenigals die von den innenliegenden Spalten kommenden. Die Gewichtung ist durch unterschiedliche Widerstände Rl bis Rn anqedeutet. Eine binomische Verteilung der Gewichte ist günstig. Anschließend werden die geradzahligen und de ungeradzahligen Signale in Addierstufen Al und A2 addiert und dann wird in einer Differenzstufe die Differenz der beiden Summen gebildet.
• Addiert man in bekannter Weise die ungewichteten geradzahligen und ungeradzahligen Signale in Addierstufen A3 und A4, die ebenfalls in Fig.3 gezeigt sind, und bildet in der Differenzstufe D2 die Differenz dieser Summen, so erhält man am Ausgang b der Differenzstufe das in Fig.4 dargestellte Frequenzspektrum, das noch sämtliche Nebenmaxima enthält.
• im Gegensatz dazu zeigt Fig.5 das am Punkt a auftretende Signal. Man sieht deutlich, daß durch die Gewichtung die Nebenmaxima vollständig unterdrückt bzw. stark verkleinert sind. Bei binomischer Verteilung sind die Nebenmaxima vollständig unterdrückt, bei anderen Verteilungen nur verkleinert. Das zweite Maximum in Fig.5 ist ein Hauptmaximum höherer Ordnung, dessen vollständige Unterdrückung nicht gelingt.
• Für bestimmte Anwendungsfälle genügt es das Signal vom Punkt a direkt auf eine Auswerteschaltung SA zu geben, die die Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude bestimmt, die an ihrem Ausgang C direkt als Geschwindigkeit angezeigt wird.
• Kommt es auf größere Genauigkeit an, dann ist die vollständige Schaltung nach Fig.3 vorteilhaft.
• Das Signal an Punkt a ist nämlich keine diskrete Frequenz, sondern ein schmalbandiges Rauschen, dessen Bandbreite gröBer ist als die des Signals am Punkt b.
• Außerdem ist bei binomischer Gewichtung und großer Spaltenanzahl die Amplitudendifferenz zwischen den Signalen von den äußeren Spalten und der mittleren Spalte sehr groß und man kann unter Umständen nicht mehr alle Spalten verwenden, weil die Signale der äußeren Spalten im Rauschen der (nicht dargestellten) Verstärker. liegen können. Andererseits nimmt aber die Bandbreite des Nutzsignals mit abnehmender Spalten zahl zu, sodaß man aus diesem Grund die Bandbreite nicht beliebig verringern kann.
• Bei der Schaltung nach Fig.3 sind diese Schwierigkeiten beseitigt. Das Signal von Punkt a wird auf ein Nachlauffilter K, das mit Hilfe dieses Signals auf den auszuwertenden Frequenzbereich abgestimmt wird, gegeben. Auf den Eingang des Filters K gelangt das Signal vom Punkt b. Am Ausgang des Filters K genügt evtl. ein Zähler.
• Auf diese Weise wird die einfache Auswertemöglichkeit der binomischen Amplitudenverteilung mit der geringeren Bandbreite und damit größeren Genauigkeit, die durch die gleichmäßige Amplitudenverteilung geaeben ist, verbunden.
• Bei der obigen Betrachtung wurde davon ausgegangen, daß das Signal am Punkt b durch gegenphasige Zusammenfassung der Signale von den geradzahligen und den ungeradzahligen Spalten entstanden ist. Man kann auch -in ebenfalls bekannter Weise - die Signale von allen Spalten gleichphasig zusammenfassen. In diesem Fall benötigt man statt der Addierschaltunqen A3 und A4 und der Differenzschaltung D2 nur eine einzige Addierschaltung. Die Bandbreite ist dabei nur halb so groß wie bei gegenphasiger Zusammenfassung.
• Bei den beschriebenen Einrichtungen kann die relative Geschwindigkeit der statistisch rauhen Oberfläche F nur dann bestimmt werden, wenn der Geschwindigkeits-Vektor senkrecht zu den Spalten der Gitterstruktur steht, oder wenn der Winkel zwischen dem Geschwindigkeits-Vektor und der Senkrechten zu den Spalten bekannt ist und so eine Umrechnung der gemessenen Geschwindigkeitskomponente erlaubt. Die auf diese Weise gemessene Geschwindiaeitskomponente ist das Produkt aus der tatsächlichen Geschwindigkeit und den Kosinus des oben beschriebenen Winkels.
• Ist die Bewegungsrichtung nicht bekannt, so muß die Geschwindigkeit durch Messung zweier, vorzugsweise zueinander senkrechter Komponenten bestimmt werden.
• Das ist zwar prinzipiell mit zwei zueinander senkrecht stehenden Einrichtunaen der oben beschriebenen Art möglich, vorteilhaft verwendet man jedoch eine zweidimensionale Gitterstruktur gemäß Fig.6a. Diese besteht aus einem ebenen Fotoempfänger, dessen fotoempfindliche Fläche in einzelne, beispielsweise quadratische, Elemente aufgeteilt ist, welche einzeln ausgewertet werden können. Eine Zusammenfassung von Elementen in Zeilen und Spalten mit Addierstufen Ax1 .Axn bzw. Ayl bis Ayn erlaubt dann die Messung zweier, vorne zugsweise zueinander senkrechten Komponenten der Geschwindigkeit (Fig.6b). Die Auswertung für jede Richtung erfolgt wie oben beschrieben.
• Die beschriebenen Maßnahmen können auch bei der Geschwindigkeitsmessung mittels Mikrowellen, die in der vorne genannten Dissertation erwähnt ist, angewendet werden.

Claims (7)

Patentansprüche

1. Einrichtung zz berührungslosen Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen dieser. Einrichtunq und einem reflektierenden oder selbstleuchtenden Gegenstand mit statistisch rauher Oberfläche, bei der mit optisch/ elektrischen Mitteln, die senkrecht zur Bewegungsrichtung und in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Gegenstandes angeordnet sind, ein Frequenzspektrum und aus diesem die Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude gewonnen wird, die ein Maß für die Geschwindigkeit ist, dadurch aekennzeichnet, daß die optisch/elektrischen Mittel im wesentlichen aus einem optischen Gitter (G) und einzelnen, je einem Spalt des Gitters zugeprdneten optisch/elektrischen Wandlern (Wl-Wn) bestehen, daß die Ausgangssignale (l-n) mindestens eines Teils der Wandler einzeln, von außen nach innen zunehmend aewichtet (mit Rl-Rn) und anschließend summiert werden, und daß aus dem Summensignal die Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude gewonnen wird.

2. Einrichtung Æzurberührungslosen Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen dieser Einrichtung und einem reflektierenden oder selbstleuchtenden Gegenstand, dessen Oberfläche statistisch verteilte Unregelmäßigkeiten aufweist, bei der mit optisch/elektrischenMitteln, die senkrecht zur Bewegungsrichtung und in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Gegenstandes angeordnet sind, ein Frequenzspektrum und aus diesem die Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude gewonnen wird, die ein Mass für die Geschwindigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß die optisch/elektrischen Mittel im wesentlichen aus einem flächigen optisch/elektrischen Wandler (P) bestehen, der abwechselnd lichtempfindliche (Sl-Sn) und lichtunempfindliche Streifen aufweist, und daß die Ausgangssignale (l-n) mindestens eines Teils der lichtempfindlichen Streifen einzeln, von außen nach innen zunehmend gewichtet und anschließend summiert werden und daß aus dem Summensignal die Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude gewonnen wird.

3. Einrichtung næh Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß getrennt die Summen der geradzahligen und der ungeradzahligen Ausgangssignale und anschließend die Differenz der beiden Summen gebildet wird.

4. Einrichüxig nachAnspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendung eines Teils der Ausgangssignale das Summen- oder das Differenzsignal auf ein Nachlauffilter gegeben wird, das sich auf den Frequenzbereich, in dem das schmalbandige Rauschen mit der größten Amplitude liegt, einstellt und daß anschließend die Ermittlung der Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude gewonnen wird, wobei alle Ausgangssignale ungewichtet verwendet werden.

5. Einrichten nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung bei beliebigen Winkel zwischen Spalten- bzw. Streifenehene und Bewegungsrichtung des Gegenstandes, dadurch aekennzeichnet, daß das Gitter bzw. der optische/elektrische Wandler eine zweidimensionale Struktur (Fig.6a,b) aufweist, und daß die Auswertung in Zeilenrichtung und in Spaltenrichtung getrennt erfolgt, derart, daß sich zwei zueinander senkrechte Komponenten der Geschwindigkeit ergeben.

6. Einrichtug nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Gewichtung binomisch ist.

7. EinrichtUng zur berührunaslosen Messung der Geschwindigkeit mittels Mikrowellen, gekennzeichnet durch die sinngemäße Anwendung der Lehre von einem der Ansprüche 2 bis 6.

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