CN101151506A - 用于光学检测产品的边沿的传感器装置和宽度测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于光学检测产品的边沿尤其用于通过确定受产品影响的光传播来测量所述产品的宽度的传感器装置。按照本发明，一排其位置被确定的可被单独控制的点形光源位于产品的一侧上，并被和至少一个光纤单元结合使用，所述光纤单元和所述一排光源平行地延伸，并在光学上和后者隔离，并光耦合由所述光源发射的和由所述产品反射的光，并且至少一个光电探测器和所述光纤单元相连。因为各个优选的光源的位置是已知的，并且所述点形光源被相继地或者被选择地控制，或者以小组被控制，便能够用以下方式进行边沿的检测。在第n个点形光源的控制期间，反射信号落在光纤上，并被传导到光电探测器，由于刚刚被控制的点形光源关于其各自的位置的唯一的指定，便可以确定产品传送带的边沿的位置。关于产品宽度的信息的分辨率由点形光源的各个最小的单元、所述单元之间的距离或者孔的关系来确定。

Description

用于光学检测产品的边沿的传感器装置和宽度测量方法

技术领域

本发明涉及用于通过确定受产品影响的光传播而光学检测产品的边沿的传感器装置，尤其用于测量产品宽度，还涉及借助于这种传感器装置测量产品宽度的方法。

背景技术

这种类型的传感器装置尤其和并行的制造和运输***中运输的产品或产品输送带结合使用，其中产品的位置可被精确地检测，并在需要的情况下被校正。光学传感器装置的优点是，它们以非接触的方式检测产品的位置，快速地进行数据记录，并因为避免了在传感器和产品之间的机械接触而具有高的抗磨损能力。

特别宽带的传感器和绝对传感器在现有技术中是已知的。一种宽带传感器由细长的在几何上为直线的光源、对着并平行于所述光源设置的直线的光收集器件和导光器件构成，所述导光器件被设置在所述直线光源或光收集器件的上方，用于对在光源和光收集器件之间的光束传播进行几何调制。在导光器件的某个位置，在直线光源和光收集器件之间的光传播被不透明的产品渐弱并遮断。导光器件的当前位置被转换成限定产品的边沿的位置的局部位置。使用荧光灯管或类似的杆状光源作为直线光源。直线光收集器件被实现为光收集杆，并且导光器件可以由旋转滚筒来实现，在滚筒套的周围具有分瓣光圈或被螺旋形引导的多孔链。在这种情况下，当由于产品的遮蔽效果而在光收集杆中检测不到光时，便确定了在运动中滚筒的角位置。然后，由已知的螺旋分瓣光圈的间距和检测的角位置确定产品的遮蔽边沿的位置。利用两个这样的装置，可以用相应的方式检测产品的宽度，其中以上述方式检测产品的第一和第二边沿，并通过产生一个差值使这样检测的局部位置相互关联。

这种类型的传感器尤其具有这样的缺点：边沿检测在以机械方式实现的所有的操作之后进行。由于机械零件的惯性，例如上述的滚筒的惯性力矩，每个测量处理涉及机械开始时刻，因而涉及死时刻。此外，上述装置的操作需要机械驱动装置，特别是伺服电动机或步进电动机，这在一方面导致可观的成本，在另一方面，受到机械磨损。

绝对传感器的实施例避免了机械磨损的问题，这是因为在边沿检测期间的空间分辩完全以光学方式来实现。为此，对着杆状光源提供平行延伸的光导装置，其位置被唯一的限定。和上述的实施例一样，使要被检测的产品通过在光源和光导装置之间的间隙，从而也以透射的配置实现边沿检测。其中不透明的产品对由杆状光源发射的光形成障碍，其尺寸在光导装置上以阴影的形式被再现。因而，只有位于阴影外部的光导暴露于发射的光，并把接收的光传递到和光导光耦合的光电二极管装置。因为各个光导因而各个光电二极管的每一个被唯一地指定一个位置，便能够由一组被激励的光电二极管直接读出产品的边沿结构。这种方法避免了任何机械磨损，并允许快速地进行边沿检测，因而对于运行中的产品输送带是尤其有利的。

不过，这两种装置都利用了透射结构的原理。因此，第一种类型的装置在一方面体积相当大，在另一方面，必须被重新调整以便适应于在其中通过的产品的厚度。

发明内容

因此，本发明的目的在于，提供一种用于检测产品的边沿的传感器装置和方法，其允许进行快速的且无机械磨损的测量，并且能够容易地被集成到现有的制造和运输***中而不用考虑产品的厚度。

按照权利要求1的特征，并按照权利要求14的方法，以及包括有用的或有利的实施例的从属权利要求，这个目的由用于检测产品的边沿特别是用于通过确定受产品影响的光传播来测量所述产品的宽度的传感器装置实现了。

按照本发明，所述传感器装置的特征在于和光导装置组合位于产品的一侧上的一排其位置被限定的点光源，所述光导装置和所述一排光源平行地延伸，并和所述一排光源在光学上隔离，用于以光学方式发射由所述产品反射的光，还在于和所述光导相连的光电探测器。

和按照现有技术的实施例对照，以反射配置使用传感器装置。为此，提供可被单独控制的点光源，它们选择地沿产品的方向发光。由产品反射的光被光导吸收，并被引导到检测器。光导在光学上和点光源隔离，并基本上位于和光源相同的载体上。利用由产品反射的光实现边沿检测。在外部通过产品的光不被反射，而被传播到环境中，因而不落在光导上。由于各个优选地是点状的光源的位置是已知的，这些点光源被相继地或者选择地或者以小组被分别地启动，便可以按照下述实现边沿检测。如果在启动第n个点光源时反射信号被提供给光导，从光导被引导到光电探测器，则可以检测产品输送带的边沿的位置，这是因为，刚刚被启动的各个光源的位置是被唯一地指定的。点光源的各自的最小的单元或者它们之间的距离限定了关于产品宽度信息的分辨率。

这种装置的主要优点在于，可以独立于产品的厚度进行边沿检测，并且能够容易地按照用于厚的和薄的产品的制造设备的现有***进行改型，而不需过多的安装工作。

位置被限定的点光源被方便地实施用于发射具有小的张角的集中的光锥。因而，该光锥被理想地形成为平行的被非常精细地限定的光束。这样，可以以最小的不规则的散射和最佳的空间分辨率实现在产品表面上的反射，其中精细的光束的反射本质上是可能的，因而边沿检测中的失真被减到最小。为了改进空间分辨率，沿光源的光锥的光束方向设置包括平行地延伸的狭缝的光圈。此外，光圈还阻止由于朝向光导的折叠而产生的不希望的横向散射光。

在第一实施例中，光源是激光二极管。这种光源的特征在于具有小的光束截面的几乎平行的光发射。因而激光二极管最适合于满足所述的基本要求。

在第二实施例中，光源以被光学准直的发光二极管LED的形式被实施。所述准直能够保证光束路径尽可能平行和精细。

在第一实施例中，光导被实现为具有圆形的截面。这种形状和对光电探测器或辐射检测器相组合能够保证反射光的最佳发射。

光导也可以使用有角的特别是方形的截面。此外，杆状的光导可以包括用于获得方向性的反射器。

为了进行准否定测量，这种传感器装置可以由反射器表面来实施，其位于产品的另一侧上，其方位和所述一排光源平行。这种实施例还允许进行不足的反射性能的产品的边沿检测。在这种实施例中，在反射背景的前方检测非反射产品的边沿结构。在这种情况下，以颠倒的方式实现所述检测。

此外，有用地提供控制单元，用于选择地只启动一个光源或一组光源。

总之，可对本发明解释如下。通过设置一个或多个点光源例如发光二极管的排，它们可被单个地启动，优选地一个接一个地被启动，并且由于借助于反射物体即产品传送带能够检测反射光，可以检测产品的宽度或产品的边沿位置。

例如，如果在启动一排的第15个发光二极管时检测到反射信号，则可以由此断定已检测到产品传送带的边沿。当在有限数量的光源之后启动该排的后面的其余的光源而未出现反射信号时，则是达到产品传送带的宽度端部的时刻。通过确定此时启动的光源，可以根据已知的各个光源之间的距离及其在准直之后的总数，可以计算产品传送带的宽度。光电探测器优选地被设置在杆状光导的前侧上。

按照本发明，还可以进行准扫描操作，其中从左向右或从右向左沿着产品传送带的运动方向在所述排的宽度上相继地启动发光二极管。

或者，还可以提供多个光电探测器或在其下游具有检测器光导，其中光电探测器或光导的数量等于或大于单个光源的数量。在这种情况下，产品传送带宽度检测或所需的边沿检测的分辨率由串行设置的光电探测器或在其下游具有光电探测器的光导的数量和距离确定。在本发明的这个实施例中，所有光源也可以被同时启动而没有关于分辨率的缺点。不过，这个关于启动的优点是借助于布置前述的多个附加的光电探测器获得的。

附图说明

下面借助于示例性实施例更详细地说明传感器装置。图1-图6用于说明。相同的附图标记用于表示相同的元件或者以相同方式工作的元件。具体地；

图1表示根据现有技术的具有杆状光源和光导杆(Lichtleiterstab)的透射配置(Transmissionskonfiguration)的常规传感器装置；

图2表示根据现有技术的具有杆状光源和光导装置的透射配置的常规传感器装置；

图3表示按照本发明的用于检测产品边沿或确定产品宽度的示例性传感器装置；

图4表示按照本发明的具有附加反射面的示例性传感器装置；

图5表示传感器面的放大部分示图；

图6表示用于提高的空间分辨率的传感器面的改进实施例；以及

图7表示塑料杆形式的光导装置以及分瓣光圈装置。

具体实施方式

图1表示按照现有技术的透射配置的常规宽带传感器。杆状光源1、例如日光灯发射任意波长的光。光被光导杆2接收，并被引导到图中未示出的光电传感器，在那里被记录。不透光的产品10部分地遮蔽杆状光源。图中未示出的光传导装置、例如可移动光圈或具有螺旋形分瓣光圈的旋转滚筒从光源渐隐光束，并使其沿水平方向上移动。其中不再记录光导杆内的第一次光信号的光传导装置的位置标记产品的边沿位置。在已知两个边沿位置时，通过在传感器装置的标尺内测量这两个边沿位置的差值，相应地确定产品宽度。这种结构需要光源和光导杆的精确对准，并且从其空间花费和光传导装置的机械磨损方面来看是不利的。

图2表示另一个透射配置的常规实施例。代替光接收杆和光传导装置，这个已知实施例中设置有由所有位置唯一限定的光导体构成的光导装置3。在通过杆形光源1发射光时，光导装置3的一些部分被不透光的产品10遮蔽。在这个实施例中，光导装置可被省略。因为光导装置上每个有效的导光光导体的位置是已知的，因此产品的边沿位置直接表现在光导装置的激发轮廓(Anregungsprofil)上。

不过，这种传感器装置部分地涉及大量的调整开销，而且需要足够的安装空间。因而，有时不经过仪器的较大的改型，不能集成在现有的制造设备中。

图3表示按照本发明的传感器装置的示例的实施例。这种传感器装置由用于发射和接收光的传感器表面11构成，其位于产品10的反射表面的对过。因而，这种传感器装置相应于完全的反射结构。

传感器表面11配备有完整的直线排列的点光源20，其和例如平行地延伸的光导25组合。传感器的表面用这种方式来实现，使得排除光源和光导之间的直接的光传递。此外，光源用这种方式来实现，使得发射的光束被垂直地入射到产品的反射表面上，如果可能，具有好的准直，即具有相应小的张角，在理想情况下，被完全向回反射。因为产品表面上的不规则性，使得光束略微扩大。这样，具有略微扩大的光束截面的反射光被向回反射到光导，并且可被检测。光耦合的光电探测器用于检测由光导接收的光。在传感器表面上的每个光源的位置被唯一的预先限定。这样，施加于光电探测器的信号涉及传感器表面上的一个唯一的位置。借助于入射到产品表面上的垂直光和由此进行的反射，产品的轮廓被实际上无失真地在传感器表面上再现。未入射到产品表面上的光束不会被反射，因此不会在构成光导一部分的光电探测器上产生任何信号。

在另一个实施例中，提供相对于光源装置垂直延伸的整个光导。每个光导或选择的光导组和光电探测器通信。因而，每个光导或每组光导在传感器装置中具有精确的位置。如果由产品表面反射的来自光源的光入射到对应设置的光导的端部，则根据各个光电探测器检测的信号，可以检测或计算局部位置。

为了尽量避免散射的光，在本实施例中还相继地启动光源并且只读出距光源最近的光导的信号，或者借助于试验测量预先确定在整个光导装置上的信号偏移，借以对分别给出的产品表面调整传感器装置，特别是在光散射和低的发光度的情况下。为此，有利的是，对传感器装置指定一个图中未示出的控制和计算单元，其连续地启动光源，相应地读出光电探测器的信号，并由此计算产品的边沿位置或产品宽度。为此，由光导装置上方的信号轮廓确定相应的位置a和b，在此位置，信号轮廓P产生一个大的在理想情况下几乎是矩形的跃变S。通过确定两个跃变位置之间的差值可以容易地检测产品的宽度。然后可以把这样检测的值借助于控制和计算单元输入到用于处理数据或用于控制制造***的并行设备。

按照图3的传感器装置还可以以改型的方式用于不具有足够的反射率的产品。这种实施例的一个例子如图4所示。

在这个改型的实施例中，在产品10的后面设置附加的反射器30。反射器有利地由金属反射镜构成，特别是抛光的金属板或具有尽可能小的散射表面特性的金属薄片。在这种传感器装置的情况下，在光导装置上方的信号轮廓和图3相比被反向，并被颠倒。不过跃变S的位置a和b不受影响。因而，对于具有不足的反射表面的产品的边沿检测，在产品后方和传感器表面平行地设置一个反射器便足够了。如果光束被充分地准直，特别是如果使用激光，则只有反射器和传感器表面之间的距离是第二重要的。如果在传感器装置的控制和计算单元中实现用于检测信号轮廓P中的跃变S的计算程序，例如差分单元或差分程序，则除了需要提供反射器之外，传感器装置的结构没有大的改变。

图5以具有多个光导的实施例的顶视图和截面图表示传感器表面11的一部分的放大图。如上所述，传感器板包括多个光源20，以及多个垂直于光源延伸的光导25的组合。在图5所示的实施例中，这两个元件被实现在不透明的基体35中，这阻止在光源20和光导25之间的直接光传递。作为基体的材料，例如可以提供包括对应的槽和孔的塑料板。其中的光源位于基体35的内部，并通过和光导25相邻地设置的准直孔37发射光辐射。每个光源具有用于电源的馈线39。

由于准直的发射，实际上没有光沿横向从准直的光束方向越过而到达各自相邻的光导。甚至准直孔37越长，即光源在基体中被设置得越深，准直越好。除此之外，可以使用具有固有的好的光束校准的光源，特别是激光二极管。

在图5所示的实施例中，光导用这种方式相对于准直孔被设置，使得只能诱捕一个光源的反射光。发射的高度准直的光束A入射到产品的表面上或者上述反射器的表面上，并被全部向回反射。反射的光R具有略微扩大的光束截面，并照射相应扩大的区域中的准直孔。光导25用这种方式相对于准直孔37被设置，使得只有一个光导被设置在反射光束照射的区域内。应当理解，产品表面的反射特性越好，反射光束的光束扩大越小。因而非常好的反射的产品表面允许较窄地设置由光源和光导构成的单元，并具有相应的精细的用于边沿检测的空间分辨率。

为了改善空间分辨率，可以使用按照图6的传感器表面的实施例。在这个实施例中，按照图5形成的两个局部区域40a和40b被设置使得按这种方式彼此相对偏移，使得第一局部区域40a的光导25a位于第二局部区域40b的准直孔37b的对过。两个局部区域被不透明的光学隔离41分开，并由被设置在相对端的光电探测器读出。因而，可以均分在相邻的准直孔之间的有效距离，借以使得传感器装置的空间分辨率基本上加倍。在图6所示的组合的传感器表面的操作期间，在上局部区域和下局部区域中的光源被用交替方式启动，并由对应的光电探测器读出相关的光导。

按照图7的实施例基于呈塑料杆42的形式的光导装置，具有整体的沿纵向延伸的反射表面43，其中光电探测器位于塑料杆的前侧的至少一个上。

塑料杆借助于保持器被固定在前侧上，其中这些保持器同时地包括用于至少一个光电探测器的插座。

为了改善沿光源20的光束方向的空间分辨率，提供包括基本上平行地延伸的槽的光圈45。

导光杆42和光源排基本上位于一个平面上，其中在这些元件之间提供遮蔽装置46，从而阻止横向散射光的发射。这个遮蔽装置46可以构成光圈45的一部分。在一个实施例中，光圈45被实现为一个U形的部分，在U形部分的连接柱的区域具有槽状光圈。

使用的光电探测器具有宽带特性，使得借助于对应的滤波器特性可以有效地抑制环境光。

因为优选地使用的发光二极管由短的电脉冲激励，借助于软件这确保根据持续某个时间间隔的响应窗口选通一个或多个光电探测器。在这个时间间隔之后，响应窗口关闭。关于产品性质的结论，即产品的类型和产品的反射特性，可以从响应窗口的映像的宽度来提取。如果产品改变其反射特性，可以更新对应的反射阈值。

按照本发明，所提出的传感器装置不仅能够用于确定产品的宽度或者用于检测边沿。还能够用于检测产品传送带的孔的图案，以便例如在由纺织材料制造气袋时用于确定气袋的轮廓以及为实现气袋的功能而在其中提供的凹槽，从而进行质量控制。

在扫描处理中，借助于上述的传感器装置用于测量具有表面的产品的宽度，包括边沿检测，的方法可以按照下述来实施：从两侧分别启动光源排的光源，从外端部朝向中部开始，从光源排的中部开始启动两侧上的光源，或者从左向右或从右向左，其中当收到反射信号时停止启动，并且其中分别确定产品的一个或多个边沿所在的位置。借助于唯一的几何指定光源排的各个对反射信号有意义的光源，可以计算产品的边沿的位置，并由此再计算产品的宽度。

参考数字表

1杆状光源

2导光杆

3光导装置

10产品

11传感器表面

20光源

25光导装置

26光电探测器

30反射器

35基体

37准直直孔

39电源

40a，40b被分开的传感器表面的局部区域

41光隔离

42塑料杆

43杆42中的反射表面

44具有传感器插座的杆的保持器

45分瓣光圈部件

46遮蔽装置

A准直的发射的光束

P信号轮廓

R反射的扩大的光束

S信号跃变

a，b跃变位置

Claims (14)

1.一种通过确定受产品影响的光传播而光学检测所述产品的边沿的传感器装置，尤其用于测量产品宽度，其特征在于：

至少一侧相对于所述产品(10)设置的一排位置限定的可单独控制的点光源(20)，与至少一个平行于所述一排光源延伸、并且与所述一排光源光学隔离的光导装置(25)结合，用于光学耦合由所述光源发射的光和由所述产品所反射的光，以及

与所述光导装置相连的至少一个光电探测器(26)。

2.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述位置限定的点光源(10)被构造用于发射具有小的张角的聚集的光锥。

3.如权利要求1和2所述的传感器装置，其特征在于，所述光源是激光二极管。

4.如权利要求1和2所述的传感器装置，其特征在于，所述光源是光学准直的发光二极管。

5.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，在第一结构形式中，设置具有圆形截面的光导体(25)。

6.如权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，在另一结构形式中，设置具有角形截面形状的光导体(25)。

7.如前面权利要求之一所述的传感器装置，其特征在于，具有反射器表面的结构形式，所述反射器表面设置在产品的相对侧上，并且与所述一排光源平行地取向，用于执行负测量。

8.如前面权利要求之一所述的传感器装置，其特征在于，控制单元，用于选择性地只激励一个光源或一组光源以及读取光电探测器。

9.如权利要求1到6之一所述的传感器装置，其特征在于，所述光导装置是具有集成的沿纵向延伸的反射面(43)的塑料杆(42)，其中所述光电探测器位于所述塑料杆(42)的至少一个端面上。

10.如权利要求9所述的传感器装置，其特征在于，端面的保持器(44)同时接受所述至少一个光电探测器。

11.如权利要求1，2，9或10所述的传感器装置，其特征在于，设置由平行延伸的狭缝构成的光圈(45)，用于改善沿光源(20)的照射方向中的空间分辨率。

12.如权利要求11所述的传感器装置，其特征在于，所述光导杆(42)和所述一排光源基本上位于一个平面上，其中在这些元件之间设置遮蔽装置(46)，用于阻止耦合侧面散射。

13.如权利要求11和12所述的传感器装置，其特征在于，所述遮蔽装置是所述光圈(45)的部件。

14.一种用于借助于按照权利要求1到7或9到13中任一项所述的传感器装置测量平面产品的宽度的方法，包括边沿检测，其特征在于，

所述一排光源在两侧从外开始向中央地被启动，所述光源从排的中央开始在两侧向外地被启动，或者从左向右并反向地被启动，其中在接收到反射信号时停止激励，并且确定产品边沿所在的位置，即借助于所述排的各个被激励的光源的唯一几何分配确定哪个光源对反射信号重要，而且借助于产品的反射特性，根据在预定扫描窗口内在光源脉冲之后所获得的反射信号的宽度推断产品类型，并且在需要时确定更新的反射阈值，用于进一步的宽度测量或边沿检测。

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