DE10246482B4

DE10246482B4 - Messeinrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes

Info

Publication number: DE10246482B4
Application number: DE2002146482
Authority: DE
Inventors: Otto JÜNEMANN; Jürgen Bauer
Original assignee: Jenoptik Optical Systems GmbH
Current assignee: Vincorion Advanced Systems GmbH
Priority date: 2002-09-30
Filing date: 2002-09-30
Publication date: 2006-01-12
Anticipated expiration: 2022-10-01
Also published as: DE10246482A1

Abstract

Messeinrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes mit einer modulierbaren Strahlungsquelle zur Bereitstellung von Markierungsimpulsen für die Erzeugung von flüchtigen Markierungen als Bezugspunkte auf dem zu vermessenden Objekt, einer Messstrecke von festgelegter Länge, die durch zwei Messstellen zur Erzeugung von Messsignalen durch Strahlungsmessung der Markierungen begrenzt ist, und einer Steuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung der Geschwindigkeit aus den erzeugten Messsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (M) durch mindestens eine weitere Messstelle (M₂) zur Strahlungsmessung der Markierungen in äquidistante Teilstrecken unterteilt ist, und dass das Messsignal der Messstelle zur Markierungsimpulserzeugung dient, dessen Zahl sich, vom Anfang der Messstrecke (M) fortlaufend gezählt, aus der um eins erhöhten Gesamtzahl der Messstellen (M₁, M₂ und M₃) vermindert um einen Vervielfachungsfaktor ergibt, um den der Abstand eines Bereichs der Markierungserzeugung (B_Mark) auf dem Objekt (2) vom Anfang der Messstrecke (M) gegenüber dem Abstand der Messstellen (M₁, M₂ und M₃) zueinander vergrößert ist.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes mit einer modulierbaren Strahlungsquelle zur Bereitstellung von Markierungsimpulsen für die Erzeugung von flüchtigen Markierungen als Bezugspunkte auf dem zu vermessenden Objekt, einer Messstrecke von festgelegter Länge, die durch zwei Messstellen zur Erzeugung von Messsignalen durch Strahlungsmessung der Markierungen begrenzt ist, und einer Steuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung der Geschwindigkeit aus den erzeugten Messsignalen.

Derartige Messeinrichtungen werden beispielsweise zur Messung der Geschwindigkeit von Stoffen, Papier, Folien, Blechen und dergleichen benötigt und sind besonders geeignet, wenn die Oberfläche des sich bewegenden Objektes schwach streuend ausgebildet oder sehr homogen strukturiert ist, da hier die Streulicht ausnutzenden Korrelationsverfahren und Laser-Doppler-Anordnungen versagen.

Aus der US 4 777 368 ist es zur Geschwindigkeitsmessung bekannt, mit einem Infrarotlaser eine nur für kurze Zeit existente Markierung auf dem sich bewegenden Objekt an einer ersten, durch den Infrarotlaser bestimmten Position zu erzeugen. Diese Markierung wird von einem Infrarotdetektor an einer zweiten Position erfasst und aus der Laufzeit der Markierung zwischen den beiden Positionen wird die Geschwindigkeit von einer Steuereinrichtung ermittelt.

Hierbei ist es von Nachteil, dass die Markierungen in einer festgelegten Taktfolge aufgebracht werden, die in Abhängigkeit von der Länge der vorgegebenen Messstrecke zwischen den beiden Positionen und der Geschwindigkeit des Objektes so gewählt wird, dass der Abstand der Markierungen auf dem Objekt größer ist als die Länge der Messstrecke. Folglich muss zunächst eine Markierung gemessen werden, bevor die nächste Markierung erzeugt werden kann. Bedingt durch den räumlichen Abstand zwischen den beiden Positionen und der Bewegungsgeschwindigkeit des Objektes ergibt sich eine Wartezeit zwischen der Erzeugung der Markierung und deren Erkennung.

Ein weiterer Nachteil besteht in dem notwendigen Aufwand für die Festlegung eines zeitsignifikanten Punktes im Generatorsignal und im Detektorsignal. Nachträgliche Berechnungen des Schwerpunktes des optischen bzw. elektrischen Signals verlängern unvorteilhaft die Messzeit und führen nicht zu einer gewünschten Autokorrelation in Echtzeit.

Außerdem ist der geometrische Abstand zwischen dem Laser und dem Detektor bedingt durch die Ausdehnung der Bauteile relativ groß. Das führt dazu, dass bei kleinen Objektgeschwindigkeiten nur eine kleine Messrate möglich ist und dass sich der Messfehler bzw. die Detektionswahrscheinlichkeit der angemessenen Oberfläche bei Querbewegung verringert. Weiterhin „verschmiert" die Markierung durch Wärmeausgleich, so dass der zeitsignifikante Punkt nur ungenau ermittelt werden kann.

Gemäß der DE 26 16 443 B2 ist es auch bekannt, die mit einem Wärmestrahlungssender auf ein Band als von selbst verschwindende Erwärmungen aufgebrachten Markierungen mit Empfängern festzustellen, die in einem festgelegten Abstand (Messstrecke) zueinander angeordnet sind.

Ausgehend hiervon ist es Aufgabe der Erfindung, die Messgenauigkeit bei Verkürzung der Messzeit zu erhöhen und eine größere Kompaktheit der Anordnung zu erreichen. Die Anordnung soll außerdem kostengünstig herstellbar, miniaturisierbar und einfach handhabbar sein.

Diese Aufgabe wird bei einer Messeinrichtung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Messstrecke durch mindestens eine weitere Messstelle zur Strahlungsmessung der Markierungen in äquidistante Teilstrecken unterteilt ist, und dass das Messsignal der Messstelle zur Markierungsimpulserzeugung dient, dessen Zahl sich, vom Anfang der Messstrecke fortlaufend gezählt, aus der um eins erhöhten Gesamtzahl der Messstellen vermindert um einen Vervielfachungsfaktor ergibt, um den der Abstand eines Bereichs der Markierungserzeugung auf dem Objekt vom Anfang der Messstrecke gegenüber dem Abstand der Messstellen zueinander vergrößert ist.

Eine besondere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, dass zur Strahlungsübertragung von der Strahlungsquelle zum Bereich der Markierungserzeugung und von jeder Messstelle zu einer Empfangseinrichtung flexible optische Fasern mit dazugehöriger Abbildungsoptik vorgesehen sind.

Die Empfangseinrichtung, die in unterschiedlicher Weise ausgeführt sein kann, kann in einer ersten Variante aus einzelnen Empfängern bestehen, denen jeweils eine optische Faser zugeordnet ist und die mit einer, an die Steuer- und Auswerteelektronik angeschlossenen Signalverknüpfungseinheit verbunden sind, in der eine Verknüpfung der aufeinanderfolgenden Messsignale zu einer Impulsfolge erfolgt.

Alternativ zur vorgenannten Ausgestaltung kann als Empfangseinrichtung ein gemeinsamer Empfänger vorgesehen sein, an dessen Eingang die optischen Fasern über einen Fasermultiplexer geführt sind und dessen Ausgang mit der Steuer- und Auswerteelektronik verbunden ist, wobei am Ausgang des Empfängers eine aus den aufeinanderfolgenden Messsignalen gebildete Impulsfolge vorliegt.

In beiden Fällen dient die aus den aufeinanderfolgenden Messsignalen gebildete Impulsfolge zur Ermittlung der Geschwindigkeit v des Objektes in der Steuer- und Auswerteelektronik gemäß v = D·fa,wobei D der Abstand zwischen den Messstellen und f_a die Impulsfolgefrequenz in der gebildeten Impulsfolge ist.

Die Verwendung faseroptischer Übertragungsmittel, sowohl für die Strahlung der Markierungsimpulse als auch für die von den Markierungen abgegebene und hier im Infrarotbereich liegende Strahlung, gestattet den Aufbau einer kompakten Messeinrichtung, die durch Verwendung von Mikrooptiken, die von der Auswerteelektronik baulich getrennt sind, gut handhabbar und einfach zu positionieren ist. Vor allem ist dies von Vorteil, wenn die Strahlungsquelle und die Empfangseinrichtung in einer von einem Abtastkopf getrennten baulichen Einheit untergebracht sind, zwischen denen eine optische Verbindung durch die optischen Fasern besteht.

Zur Vermeidung von Störstrahlung an den Messstellen können geeignete Filter vorgesehen sein, die im Bereich der Wellenlänge der Strahlungsquelle arbeiten oder es wird eine Strahlungsquelle verwendet, bei der die Wellenlänge der Markierungsimpulse außerhalb des Nachweisbereiches der Empfangseinrichtung an den Messstellen liegt.

Wesentlich für die Erfindung ist, dass die Zahl der nachgewiesenen Markierungen vervielfacht ist gegenüber der Zahl von Markierungen, die aus einer Markierungserzeugung resultiert, die durch den Nachweis einer Markierung nach deren Durchlaufen der Messstrecke direkt initiiert ist.

Sowohl eine Vervielfachung der Markierungen durch eine Vervielfachung der Folgefrequenz der Markierungsimpulse als auch eine Vervielfachung der Messstellen entlang der Messstrecke gewährleisten dabei eine eindeutige Geschwindigkeitsmessung.

Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:
1 eine Messeinrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes mit mehreren Empfängern zum aufeinanderfolgenden Nachweis einer Markierung
2 eine miniaturisierbare Messeinrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes mit mehreren optischen Fasern zur Übertragung der Messsignale auf einen gemeinsamen Empfänger
3 den Vergleich verschiedener Formen der auf das Objekt aufzubringenden Markierungen
4 eine Messeinrichtung zur berührungslosen Ermittlung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes, deren Arbeitsweise auf einer vervielfachten Folgefrequenz der Markierungsimpulse beruht
Eine bevorzugte Ausführung gemäß 1 umfasst eine modulierbare Strahlungsquelle 1 in Form eines Lasers zur Bereitstellung von Markierungsimpulsen sowie mehreren Messstellen M₁, M₂ und M₃, die in Bewegungsrichtung eines zu vermessenden Objektes 2 (hier eine sich bewegende Bahn) äquidistant nacheinander angeordnet sind.
Von den beispielhaft dargestellten drei Messstellen M₁, M₂ und M₃, deren Anzahl in vertretbarem Maß zur Bildung einer Kette von Messstellen n-fach erhöht sein kann, enthält jede einen Empfänger 3, 4 und 5 zum Nachweis von Infrarotstrahlung, die von zugeordneten optischen Übertragungselementen 6, 7 und 8, bestehend aus Abbildungsoptiken und optischen Fasern von dem Objekt 2 auf den jeweiligen Empfänger 3, 4 und 5 übertragen wird.
Vorteilhaft einsetzbar sind z. B. Zinkselenid-Linsen, die eine sehr gute IR-Durchlässigkeit aufweisen und eine direkte Abbildung der Wärmestrahlung gestatten.
Der Abschnitt entlang der sich bewegenden Bahn, in dem die Messstellen M₁, M₂ und M₃ angeordnet sind, bildet somit eine Messstrecke M von festgelegter Länge L_M, die in Teilstrecken der Länge D unterteilt ist. Durch die beabstandeten Messstellen M₁, M₂ und M₃ ergibt sich eine vervielfachte Messung einer durch einen Markierungsimpuls der Strahlungsquelle 1 erzeugten Markierung auf dem Objekt 2.
Die Empfänger 3, 4 und 5 sind mit ihren Signalausgängen an eine Verknüpfungseinheit 9 zur Signalverknüpfung angeschlossen, die wiederum mit einer Auswerte- und Steuereinrichtung 10 verbunden ist. Werden als Empfänger 3, 4 und 5 optoelektronische Empfänger verwendet, die aus Fotodiode, Verstärker und Digitalisierer bestehen, kann die Verknüpfungseinheit 9 als logisches ODER ausgebildet sein, dessen Digitalausgang an den Digitaleingang der Auswerte- und Steuereinrichtung 10 angeschlossen ist.
Mit der Auswerte- und Steuereinrichtung 10 verbunden ist auch der Empfänger, dessen Messsignal zur Bildung eines Ansteuerimpulses t(S) für die Strahlungsquelle 1 genutzt wird, was im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Empfänger 5 der letzten Messstelle M₃ ist.
Die Anordnung gemäß 1 arbeitet in der Weise, dass von der Strahlungsquelle 1 Markierungsimpulse mit einer Impulsfolgefrequenz f_s ausgesendet werden, von denen jeder über ein optisches Übertragungselement 11, bestehend aus einer Abbildungsoptik und einer optischen Faser, auf einen Bereich der Markierungserzeugung B_Mark auf der Oberfläche des sich bewegenden Objektes 1 gerichtet ist und dort eine Markierung in Form einer flüchtigen Thermomarke erzeugt. Sobald die Thermomarke in den Bereich der Messstrecke M gelangt, wird die von ihr abgegebene und von den Abbildungselementen 6, 7 und 8 übertragene Wärmestrahlung zeitlich aufeinanderfolgend von den Empfängern 3, 4 und 5 registriert, so dass an den Signalausgängen der Empfänger 3, 4 und 5 entsprechende Messsignale vorliegen. Bewegt sich das Objekt 2 mit einer gleichmäßigen Geschwindigkeit, werden in gleichen Zeitabständen impulsförmige Messsignale gebildet, aus denen in der Verknüpfungseinheit 9 eine Impulsfolge aus n Impulsen hergestellt wird.
Da im vorliegenden Ausführungsbeispiel der Abstand von der Strahlungsquelle 1 zur ersten Messstelle M₁ gleich ist dem Abstand zwischen den Messstellen M₁, M₂ und M₃ und aus dem Nachweiszeitpunkt t(M_n) der letzten Messstelle M_n der Ansteuerimpuls t(S) für die Strahlungsquelle 1 zur Erzeugung eines neuen Markierungsimpulses abgeleitet wird, werden von der Verknüpfungseinheit 9 wiederholt Impulsfolgegruppen bestehend aus n Impulsen erzeugt, wobei der zeitliche Abstand zwischen den Gruppen gleich dem zeitlichen Abstand der Impulse innerhalb einer Gruppe ist. Es ergibt sich eine kontinuierliche Ausgangsfrequenz f_a, die dem n-fachen der Impulsfolgefrequenz f_s der Markierungsimpulse der Strahlungsquelle 1 entspricht (f_a = n·f_s) und der Geschwindigkeit des Objektes 2 angepasst ist. Die Geschwindigkeit v des Objektes 2 wird in der Auswerte- und Steuereinrichtung 10 ermittelt und ergibt sich zu v = D·fa.
Die Genauigkeit der Geschwindigkeitsberechnung wird um den Faktor √n verbessert, und die Messrate steigt um den Faktor n, gegenüber einem unvervielfachten Nachweis.
Ein weiterer wesentlicher Vorteil dieser Anordnung ist die Verbesserung der Augensicherheit. Beim Einsatz eines Lasers, insbesondere im sichtbaren nahen infraroten Wellenlängenbereich, kann von der Oberfläche des Objektes 2 reflektierte Laserstrahlung ins Auge gelangen, so dass die Laserenergie auf ein ungefährliches Maß zu reduzieren ist. Das kann bei der Vervielfachung der Auswertefrequenz vorteilhaft durch die Reduktion der Impulsfolgefrequenz der Markierungsimpulse erfolgen, wodurch die mittlere Laserleistung um den Faktor n verringert wird.
Liegt der durch die Abbildungsoptik des optischen Übertragungselementes 11 bestimmte Bereich zur Markierungserzeugung B_Mark relativ nah neben der ersten Messstelle M₁, kann reflektierte Strahlung der Markierungsimpulse in den Empfänger 3 gelangen und störend wirken. Es ist möglich, die Störstrahlung mit geeigneten Filtern auszufiltern oder in einer abgewandelten Ausführung eine Strahlungsquelle vorzusehen, deren Wellenlänge nicht im Nachweisbereich des wärmestrahlungsempfindlichen Empfängers 3 liegt.
Ist jedoch für die Strahlungsquelle 1 eine Wellenlänge im IR-Bereich wegen der Absorptionseigenschaften des zu vermessenden Objektes 2 erforderlich oder gibt es konstruktive Gründe, den Abstand zwischen dem Bereich der Markierungserzeugung B_Mark und der ersten Messstelle M₁ zu vergrößern, dann ist es angebracht, diesen Abstand um einen Faktor G zu vervielfachen, so dass D(M1 – BMark) = G·D(Mn – Mn–1).
Zur Vermeidung einer Lücke zwischen den Impulsgruppen macht es sich erforderlich, den Zeitpunkt der Abgabe eines Markierungsimpulses dadurch zu verändern, dass ein früheres Messsignal als das der letzten Messstelle Mn als Steuerimpuls verwendet wird. Es gilt t(S) = t(M(n–G+1))
Wenn sich also der Abstand zwischen dem Bereich der Markierungserzeugung B_Mark und der ersten Messstelle M₁ gegenüber der obigen Ausführung verdoppelt, dann muss der Steuerimpuls für die Strahlungsquelle 1 aus dem Messsignal des vorletzten Empfängers abgeleitet werden, das zu diesem Zweck über die Auswerte- und Steuereinrichtung 10 zu leiten ist.
Eine weitere Ausführungsform gemäß 2 sieht anstelle der n Empfänger n Messstellen bildende optische Fasern zur Übertragung der Messsignale auf einen gemeinsamen Empfänger 12 vor, der zur optisch-elektronischen Signalwandlung nur noch als Fotodiode ausgebildet zu sein braucht.
Die praktisch vorliegende Anzahl der optischen Fasern beträgt hier drei, weshalb diese mit 13, 14 und 15 bezeichnet sind.
Da auch die von der Strahlungsquelle 1 erzeugten Markierungsimpulse in eine optische Faser 16 zur Markierungserzeugung eingekoppelt sind, lässt sich diese zusammen mit den optischen Fasern 13, 14 und 15 für die Messstellen M₁, M₂ und M₃ in einem kompakten Messkopf vereinen, der ein Nutenarray 17 mit n+1 äquidistanten Nuten für die genaue Faserpositionierung, eine gemeinsame Linse 18 und einen (n×1)-Fasermultiplexer 19 enthält. Der Fasermultiplexer 19 ist zur Übertragung eines optischen Signals, das die vervielfachte Sendefrequenz enthält, mit denen die Strahlungsquelle 1' die Markierungsimpulse aussendet, über eine optische Faser 20 mit dem gemeinsamen Empfänger 12 verbunden, dessen Ausgangssignal einer Auswerte- und Steuereinheit 21 zugeführt wird.
Das ausgewählte Messsignal, das zur Steuerung der Strahlungsquelle 1' dient, ist aufgrund gleicher Abstände zwischen den Messstellen M₁, M₂ und M₃ und dem Bereich der Markierungserzeugung B_Mark das Messsignal der letzten Messstelle M₃ der Messstrecke M. Es wird in einem Empfänger 121 gewonnen, der eingangsseitig über eine optische Faser 151 mit der optischen Faser 15 und ausgangsseitig mit der Auswerte- und Steuereinheit 21 verbunden ist, die wiederum zur Steuerung der Strahlungsquelle 1' mit deren Steuereingang in Verbindung steht.
Beide Empfänger 12 und 121 können, wie die als Laser ausgebildete Strahlungsquelle 1', in der Auswerte- und Steuereinheit 21 untergebracht sein kann. Das hat den Vorteil, dass die Verbindung zwischen optischen und elektronischen Einheiten ausschließlich über optische Fasern erfolgen kann, über die somit das Signal zur Laserinitialisierung, die Markierungsimpulse in Form von Laserimpulsen und die vervielfachten Messsignale laufen.
Zur Abbildung der Markierungsimpulse auf die Oberfläche des zu messenden Objektes kann die verwendete Abbildungsoptik Strahlformungselemente, wie Prismen und Zylinderlinsen, enthalten, um eine optimale Strahlform, wie z. B. eine Ellipse oder nebeneinanderliegende Teilmarkierungen, zu erzielen.
So erfordert eine elliptische Form 22 der Markierung nicht die hohe Genauigkeit der Justierung des Bereiches der Markierungserzeugung B_Mark und der Messstellen M₁, M₂ und M₃ zur Bewegungsrichtung wie z. B. eine kreisförmige Form 23. Dadurch sind gewisse Winkelabweichungen α möglich, um immer noch einen Nachweis einer Markierung zu gewährleisten. Berücksichtigt werden muss allerdings der cos-Fehler der Geschwindigkeit.
Eine weitere Möglichkeit seitliche Abweichungen der Bewegung zu erkennen, besteht darin, eine punktförmige Markierung zu erzeugen, auf den verschiedene nebeneinanderliegende Foki eines Empfängers gerichtet sind oder indem mehrere Empfänger vorgesehen wird.
Die Messeinrichtung gemäß 4 untergliedert sich in eine Optikeinheit 24, eine Elektronikeinheit 25 und einen Steuerrechner 26, wobei in der Optikeinheit 24 untergebrachte Miniaturoptiken 27, 28 und 29 an Lichtleitfasern 30, 31 und 32 angekoppelt sind. Während die Miniaturoptik 27 als Laseroptik die Faseraustrittsfläche der Lichtleitfaser 30 auf die Oberfläche eines zu vermessenden Objektes 33 abbildet, sind die Miniaturoptiken 28 und 29 dafür vorgesehen, einen Oberflächenausschnitt des Objektes 33 auf die Fasereintrittsfläche der Lichtleitfasern 31 und 32 abzubilden. Von den aus der Optikeinheit 24 herausgeführten Lichtleitfasern 30, 31 und 32 ist die Lichtleitfaser 30 an eine als modulierbarer Laser ausgebildete Strahlungsquelle 34 angeschlossen. Die Lichtleitfasern 31 und 32 sind mit einem Empfänger 35 bzw. 36 zum Nachweis von Infrarotstrahlung verbunden. Aufgrund der Faserführung der Wärmestrahlung ist eine flexible Auswahl der Lage des Messbereiches möglich.
Die Wellenlänge des Lasers ist variabel einstellbar und kann somit an die maximale Absorption des Objektes 33 angepasst werden, so dass durch die Strahlungsenergie der Markierungsimpulse innerhalb des Abbildungsbereiches ein Wärmeeintrag im Objektmaterial des Objektes 33 erzeugt wird. Eine so entstandene Markierung 37 ist flüchtig und wird als Thermomarke von dem bewegten Objekt 33 in der durch einen Pfeil markierten Richtung des zu messenden Geschwindigkeitsvektors transportiert und an hintereinander in Bewegungsrichtung entlang einer Messstrecke M angeordneten Messstellen M₄ und M₅ mit Hilfe der Miniaturoptiken 2fl und 29 erfasst, auf Fasereingangsflächen der Lichtleitfasern 31 und 32 abgebildet und nach der Übertragung durch die Lichtleitfasern 31 und 32 in den Empfängern 35 und 36 registriert.
Der zwischen den beiden Messstellen M₄ und M₅ bestehende Messabstand L_M ist willkürlich und hängt nicht mit dem Abstand zwischen dem Bereich der Markierungserzeugung B_Mark und dem ersten Empfänger 35 zusammen.
Die Festlegung des Anfanges und des Endes der Messstrecke M durch zwei Empfänger hat den Vorteil der höheren Messgenauigkeit, da regelmäßig keine Kenntnis über die Form und Größe der erzeugten Thermomarke an der Messstelle vorliegt. Diese kann z. B durch eine wellenförmige Bewegung eines bahnförmigen Objektes aufgrund einer damit verbundenen Fokusänderung verändert sein. Der Vorteil liegt darin begründet, dass für die beiden Empfänger gleiche Nachweischarakteristika gelten und Veränderungen der Thermomarken zwischen den beiden Empfängern aufgrund des recht gering wählbaren Abstandes eher vernachlässigbar sind.
Die an den Steuerrechner 26 angeschlossenen Empfänger 35 und 36 sind zusammen mit einem Multiplizierer 38, einem Integrierer 39, einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 40 und der Strahlungsquelle 39 Bestandteile der Elektronikeinheit 25.
Schaltungstechnisch besteht von den Empfängern 35 und 36 über den Multiplizierer 38 und den Integrierer 39 außerdem eine Verbindung zu dem Oszillator (VCO) 40, der ein- und ausgangsmäßig an den Steuerrechner 26 angeschlossen ist und der über eine Ausgangsleitung der Strahlungsquelle 34 ein Ansteuersignal zur Verfügung stellt.
Mit der Anordnung gemäß 4 wird ein Messverfahren durchgeführt, bei dem der Steuerrechner 26 mit Hilfe eines Frequenzsignals SF dem Oszillator (VCO) 40 einen zunächst niedrigen Frequenzbereich vorgibt, in dem die Eindeutigkeit der Geschwindigkeitsermittlung gegeben ist, d. h., dass sich auf der Messstrecke M jeweils nur eine Thermomarke befindet, die von dem Empfänger 35 zu einer Zeit t₁ und danach von dem Empfänger 36 zur Zeit t₂ detektiert wird.
Die gemittelte Geschwindigkeit V_th ergibt sich zu Vth = LM/(t2–t1)wobei L_M die Länge der Messstrecke M ist.
Damit ist eine Referenzmessung durchgeführt worden, wobei die Zeitpunkte der Detektion t₁ und t₂ mit einer Schwellendetektion nur ungenau bestimmt werden müssen.
Nachfolgend steuert der Steuerrechner 26 den Oszillator (VCO) 40, initiiert durch das Messsignal des Empfängers 36 derart, dass die Periodendauer T_las der Strahlungsquelle 34 auf Tlas = LM/Vth gesetzt wird, wobei T_las = t₂–t₁, so dass von den Empfängern 35 und 36 gleichzeitig eine Thermomarke detektiert wird. Damit ist die Eindeutigkeit der Geschwindigkeitsmessung gewährleistet, indem eine neue Thermomarke erst erzeugt wird, wenn eine zuvor erzeugte Thermomarke die Messstrecke M durchlaufen hat. Dadurch erreicht man eine Abhängigkeit der Erzeugungsfrequenz der Thermomarken von der Geschwindigkeit des Objektes 2 in der nachfolgend beschriebenen Weise.
Das Ausgangssignal der Empfänger 35 und 36 entspricht dem Verlauf der Strahlungsleistungen, die von den Empfängern 35 und 36 detektiert werden. Multipliziert man beide Signalverläufe mit Hilfe des Multiplizierers 38, dann ergibt sich durch die phasenempfindliche Gleichrichtung ein Maximum des Signalprodukts bei vollständiger Signalüberlappung und möglichst gleicher Signalform, die durch einen minimalen Messabstand mit einer damit verbundenen geringen Veränderung der Thermomarken durch Wärmeabfluss gegeben ist. Sind die beiden Ausgangssignale um mindestens die Länge einer Thermomarke gegeneinander verschoben, dann ist das Signalprodukt Null. Da das Signalprodukt pulsierend auftritt, muss es mit Hilfe des Integrators 39 gefiltert werden, wobei das Ausgangssignal des Integrators 39 den Oszillator (VCO) 40 in seiner Frequenz so steuert, dass der Abstand der Thermomarken dem Messabstand L_M entspricht, so dass die Empfänger 35 und 36 das gleichzeitige Auftreten der Ausgangssignale dem Steuerrechner 26 übermitteln. In Abhängigkeit von den Eigenschaften des Multiplizierers 38 und des Integrators 39 kann auch eine Regelung gewählt werden, so dass sich ein konstantes Offset von T_las einstellt, das in die Geschwindigkeitsermittlung eingeht.
Ändert sich in diesem eingeregelten Zustand die Geschwindigkeit des Objektes 2, dann wird die Frequenz sehr genau nachgeregelt und daraus die Geschwindigkeit ermittelt.
Nach dem Verfahren gemäß der Erfindung wird nunmehr eine Vervielfachung der Impulsfolgefrequenz der Markierungsimpulse gegenüber der des eingeregelten Zustandes erzeugt, indem der Steuerrechner 26 in dem Oszillator (VCO) 40 über das Steuersignal SF eine sprunghafte Frequenzerhöhung um einen Faktor f veranlasst. Das kann z. B. durch Umschaltung eines Teilers auf einen anderen Teilungsfaktor erfolgen. Die erkannten f-fach äquidistant erzeugten Thermomarken führen zu einem eindeutigen Ergebnis, da deren Anzahl durch den unvervielfachten Ausgangszustand und den Vervielfachungsfaktor f bekannt ist.
Die innerhalb der Elektronikeinheit 25 durch die dortigen Bauelemente erzeugte Phasenregelung regelt durch den Vergleich der Messsignale der beiden Empfänger 35 und 36 die Modulationsfrequenz mittels phasensynchroner Gleichrichtung so nach, dass durch Auswertung der Impulsfolgefrequenz des Lasers und des Messabstandes L_M auf die Geschwindigkeit des bewegten Objekts 2 geschlossen werden kann.
Damit wird durch die Vervielfachung der Impulsfolgefrequenz eine Vervielfachung der Thermomarken auf der Messstrecke M erreicht, die zu einer erhöhten Auflösung der Position der Thermomarken und damit zu einer Verbesserung der Messgenauigkeit führt. Ferner kann der Messabstand verkürzt werden, so dass die optischen Baueinheiten in einem miniaturisierten Messkopf integriert werden können, mit dem auch geringe Geschwindigkeiten genau und schnell gemessen werden können. Ohne den eingeregelten Zustand zu verlassen, wird der Regelkreis jetzt um den Faktor f schneller reagieren können und die Messrate kann um den Faktor f ansteigen.
Der verwendete Vervielfachungsfaktor f hängt vom Abstand L_M und von der Länge der Thermomarken in Messrichtung ab, wobei die obere Grenze f_max gegeben ist durch die Forderung nach Unterscheidung aufeinanderfolgender Thermomarken im Ausgangssignal der Empfänger 35 und 35.
Die Geschwindigkeit ergibt sich dann aus Vth = LM/f·Tlas.
Zur einfacheren Handhabung und Miniaturisierung der gesamten Einrichtung ist es vorteilhaft, Laserdioden oder Festkörperlaser mit Faserpigtail zu verwenden, wodurch eine Austauschbarkeit der Strahlungsquelle möglich ist, um mit unterschiedlichen Wellenlängen eine optimale Anpassung der Strahlungsabsorption an die Oberfläche des zu messenden Objektes erzielen zu können.
Das beschriebene Verfahren der Vervielfachung der Folgefrequenz der Markierungsimpulse ist nicht auf die hier beschriebene Anordnung beschränkt, sondern auch anwendbar bei Anordnungen, bei denen die Messstrecke durch die Strecke zwischen dem Bereich der Markierungserzeugung und einer nachfolgend angeordneten Messstelle definiert ist.

Claims

Messeinrichtung zur Ermittlung der Geschwindigkeit eines sich bewegenden Objektes mit einer modulierbaren Strahlungsquelle zur Bereitstellung von Markierungsimpulsen für die Erzeugung von flüchtigen Markierungen als Bezugspunkte auf dem zu vermessenden Objekt, einer Messstrecke von festgelegter Länge, die durch zwei Messstellen zur Erzeugung von Messsignalen durch Strahlungsmessung der Markierungen begrenzt ist, und einer Steuer- und Auswerteelektronik zur Ermittlung der Geschwindigkeit aus den erzeugten Messsignalen, dadurch gekennzeichnet, dass die Messstrecke (M) durch mindestens eine weitere Messstelle (M₂) zur Strahlungsmessung der Markierungen in äquidistante Teilstrecken unterteilt ist, und dass das Messsignal der Messstelle zur Markierungsimpulserzeugung dient, dessen Zahl sich, vom Anfang der Messstrecke (M) fortlaufend gezählt, aus der um eins erhöhten Gesamtzahl der Messstellen (M₁, M₂ und M₃) vermindert um einen Vervielfachungsfaktor ergibt, um den der Abstand eines Bereichs der Markierungserzeugung (B_Mark) auf dem Objekt (2) vom Anfang der Messstrecke (M) gegenüber dem Abstand der Messstellen (M₁, M₂ und M₃) zueinander vergrößert ist.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Strahlungsübertragung von der Strahlungsquelle (1, 1', 34) zum Bereich der Markierungserzeugung (B_Mark) und von jeder Messstelle (M₁, M₂ und M₃) zu einer Empfangseinrichtung flexible optische Fasern (13 – 16) mit dazugehöriger Abbildungsoptik (18) vorgesehen sind.
Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangseinrichtung aus einzelnen Empfängern (3, 4, 5) besteht, denen jeweils eine optische Faser zugeordnet ist und die mit einer, an die Steuer- und Auswerteelektronik (10) angeschlossene Signalverknüpfungseinheit (9) verbunden sind, in der eine Verknüpfung der aufeinanderfolgenden Messsignale zu einer Impulsfolge erfolgt.
Messeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Empfangseinrichtung ein gemeinsamer Empfänger (12) vorgesehen ist, an dessen Eingang die optischen Fasern (13, 14, 15) über einen Fasermultiplexer (19) geführt sind und dessen Ausgang mit der Steuer- und Auswerteelektronik (21) verbunden ist, wobei am Ausgang des Empfängers (12) eine aus den aufeinanderfolgenden Messsignalen gebildete Impulsfolge vorliegt.
Messeinrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die aus den aufeinanderfolgenden Messsignalen gebildete Impulsfolge zur Ermittlung der Geschwindigkeit v des Objektes (2) in der Steuer- und Auswerteelektronik (10, 21) gemäß v = D·fa dient, wobei D der Abstand zwischen den Messstellen (M₁, M₂ und M₃) und f_a die Impulsfolgefrequenz in der gebildeten Impulsfolge ist.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahlungsquelle (1, 1', 34) und die Empfangseinrichtung in einer von einem Abtastkopf getrennten baulichen Einheit untergebracht sind, zwischen denen eine optische Verbindung durch die optischen Fasern (13 – 16) besteht.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Messsignal der Messstelle (M₃) am Ende der Messstrecke (M) zur Markierungsimpulserzeugung dient.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vermeidung von Störstrahlung an den Messstellen Filter vorgesehen sind, die im Bereich der Wellenlänge der Strahlungsquelle (1, 1', 34) arbeiten.
Messeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge der Markierungsimpulse außerhalb des Nachweisbereiches der Empfangseinrichtung an den Messstellen (M₁, M₂ und M₃) liegt.
Messeinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Markierungen eine längliche Ausdehnung senkrecht zur Bewegungsrichtung des Objektes (2) aufweisen.