DE2312588B2 - Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser - Google Patents
Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-GeschwindigkeitsmesserInfo
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- 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
- G01P3/80—Devices characterised by the determination of the time taken to traverse a fixed distance using auto-correlation or cross-correlation detection means
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Description
Die Erfindung betrifft einen Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser
mit den Merkmalen (a) bis (c) des Patentanspruchs 1.
Optische Korrelations-Geschwindigkeitsmesser sind bekannt. Sie werden beispielsweise für Schienenfahrzeuge
eingesetzt und tasten die Schienenoberfläflache
ab.
Die ältere DE-OS 2121979 beschreibt einen Aufnahmekopf
für einen derartigen Geschwindigkeitsmesser, bei dem das optische System zwei kleine, allseitig
scharf begrenzte Lichtpunkte auf der Schiene erzeugt, die die Abtaststellen darstellen. Die Erfahrung
hat gezeigt, daß eine derartige Beleuchtung der Schiene ungünstig ist. Eisenbahnschienen weisen zum
Teil stark spiegelnde Oberflächen auf, so daß nur dann genügend Licht auf den optischen Aufnehmer fällt,
wenn das gerade beleuchtete Flächenelement in Richtung der Empfängeroptik spiegelt. Außerdem besteht
bei Schienenfahrzeugen die Gefahr, daß die Fortbewegung des Fahrzeuges nicht vollständig geradlinig
verläuft, so daß eine schlechte Deckung der beiden von den Wandlern aufgenommenen Bahnen auf der
Oberfläche besteht.
Aus »messtechnik« 8/1971, Seite 163 bis 168, ist ein optischer Korrelations-Geschwindigkeitsmesser
bekannt, bei dem die Abtaststellen auf laufendem Walzgut rechteckige Leuchtflecke sind mit den breiten
Kanten quer zur Bewegungsrichtung und mit den schmalen Kanten in Bewegungsrichtung. Die Fotoempfänger
integrieren die Leuchtdichte dieser Leuchtflecke. Der Abstand der Fleckmitten bildet die
Meßbasis zur Ermittlung der Geschwindigkeit aus Weg und Laufzeit.
Es ist Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein optisches System für einen Aufnahmekopf anzugeben,
bei welchem unabhängig von der Oberflächenstruktur und von der Form der Oberfläche stets eine ausreichende
Lichtmenge in das Objektiv zurückgeworfen wird. Damit soll auch dann eine genügende Lichtmenge
gewährleistet sein, wenn die spiegelnde Oberfläche z. B. der Schiene nicht senkrecht zum beleuchteten
Strahl liegt. Weiter soll der Einfluß einer Bewegung des Fahrzeuges quer zur Fahrtrichtung auf
die aufgenommenen Signale gering bleiben.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale (d) bis (h) des Anspruchs
1 gelöst.
Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus
den Unteransprüchen.
Im folgenden wird die Erfindung anhand der Figuren beispielsweise erläutert Es zeigt
Fig. 1 a einen Schnitt eines Aufnahmekopfes in
der Ebene in Fahrtrichtung und senkrecht zur reflektierenden Oberfläche (JT-Ebene Schnitt I-I),
Fig. Ib einen Schnitt des Aufnahmekopfes in der Ebene quer zur Fahrtrichtung und senkrecht zur reflektierenden Oberfläche (Y-Ebene),
Fig. 2 einen Teil eines Schnittes in der Ä'-Ebene,
parallel verschoben zu Fig. 1 (Schnitt ΙΙ-Π in der Fig. I b).
Im folgenden wird angenommen, daß die reflektierende Ebene horizontal !lege, dann liegen die X- und
die Y-Ebene vertikal; doch sind selbstverständlich andere Lagen möglich.
In Fig. la ist eine der beiden Fahrtrichtungen durch einen Pfeil 5 angezeigt. 1 ist das allseitig geschlossene Gehäuse, welches am Fahrzeug befestigt
ist und nur an seiner Unterseite zwei öffnungen 2 und 2' hat, die der Schienenoberfläche 3 gegenüberstehen.
Der Aufnahmekopf enthält 2 optische Systeme; das linke System beleuchtet zwei in Fahrtrichtung hintereinanderliegende Stellen 4' und 4", während das
rechte System nur eine Stelle 4 beleuchtet. Der Vergleich des reflektierten Lichtes kann sich entweder auf
die beiden vom linken System beleuchteten Stellen 4' und 4" erstrecken, oder kann zwischen einer Stelle,
z. B. 4', des linken Systems und der Stelle 4 des rechten Systems erfolgen. Dabei ergibt der erste gesamte
Vergleich eine Messung geringerer Genauigkeit als der zweite, jedoch läßt sich dabei leichter eine angenäherte Messung durchführen. Ein vollständiger
Meßkopf kann aber auch nur aus einem System der in Fig. la links gezeichneten Art bestehen oder aus
zwei Systemen der rechts gezeichneten Art, wobei dann ein solches System an die Stelle des links gezeichneten Systems tritt.
Es sei zunächst das in Fig. la rechts gezeichnete
System beschrieben. 6 bezeichnet eine Lichtquelle, 7 und 8 ein aus gekreuzten Zylinderlinsen bestehendes
Kondensorsystem. 13 ist eine Zylinderlinse, 14 eine Blende mit einem Spalt 15; 16 ist eine sphärische
Linse.
Für die Beleuchtung wirkt dieses optische System folgendermaßen: In der Vertikalebene in Fahrtrichtung (Ä'-Ebene) bildet die Zylinderlinse 8 die Lichtquelle 6 auf die Ebene der Blende 14 ab. Die durch
die Blende 14 hindurchgehenden Strahlen der Lichtquelle werden durch die Linse 16 annähernd parallel
gerichtet und durchsetzen die untere Blende 21 mit öffnung 2. In der quer zur Fahrtrichtung stehenden
Vertikalebene (Y-Ebene, Fig. Ib) bildet die Zylinderlinse 7 des Kondensors die Lichtquelle 6 auf den
Punkt 9 der Spahebene 10 ab. Dieses erste Abbild (\e,r Lichtquelle wird Hnrch die Zylinderlinse 13 hticI
die sphärische Linse 16 auf die Ebene der Blende 21 abgebildet. Das durch diese hindurchgehende Licht
bildet einen divergenten Fächer, welcher auf die Schiene auftrifft und sie beleuchtet. Die Grenzen der
beleuchtenden Strahlen sind in den Fig. la und Io
gestrichelt eingezeichnet und schneiden die Schienen-5 oberfläche bei 17 und 18,
Das gleiche Linsensystem dient zur Abbildung der Stelle 4 auf der Schiene 3 auf den vor dem photoelektrischen Wandler 20 in der Ebene 10 angebrachten
Spalt 11. In der Ä'-Ebene wird die Schienenoberfläche
ίο auf die Ebene 10 abgebildet. In der Y-Ebene
(Fig. Ib) dagegen wird ein Punkt 19 der Schienenoberfläche auf einen zwischen den Ebenen 10 und 14
liegenden Punkt 12 abgebildet. In der Ebene 10 erscheint das Bild eines Punktes der Schienenoberfläche
deswegen zu einem schmalen Strich auseinandergezogen. Der Spalt 11 liegt in der Richtung des genannten
Striches. Deswegen ist der Bereich auf der Schienenoberfläche, von dem Licht durch den Spalt 11 gelangen kann, in der Fahrtrichtung schmal und scharf be-
grenzt, quer zur Fahrtrichtung dagegen breit und unscharf begrenzt. Dabei ist es nici* nötig, daß in der
Längsausdehnung der beleuchtete Bereich den auf den Wandlerspalt 11 abgebildeten Bereich vollständig
überdeckt, während dies in der Querrichtung nötig
2> ist. Geringe Verschiebungen des Aufnahmekopfes
quer zur Fahrtrichtung während der Vorwärtsbewegung bewirken nur geringe Veränderungen des Signals. Auch wenn die Schiene quer zur Fahrtrichtung
gekrümmt ist, ist die Wahrscheinlichkeit groß, daß von
so mindestens einem der zwischen 17 und 18 liegenden Punkte Licht spiegelnd reflektiert wird und durch die
Blendenöffnung 2 und damit auch auf den photoelektrischen Wandler 20 fällt.
ji nung die gleiche mit dem Unterschied, daß der Lichtfleck in Fahrtrichtung bieiter ist und daß in der Ebene
10 zwei Spalte 11' und 11" und dahinter zwei photoelektrische Wandler 20' und 20" (Fig. 2) vorgesehen
sind, so daß mit diesem System zwei in Fahrtrichtung
schmale und hintereinanderliegende Stellen 4' und 4"
abgefühlt werden.
Um einer Verschmutzung vorzubeugen, ist es erwünscht, die öffnung 2 bzw. 2' möglichst klein zu halten. Eine Verkleinerung der öffnung ist dann möglich,
■r> wenn das zugeordnete optische Abbildungssystem nur
zur Abtastung einer Stelle auf der reflektierenden Oberfläche dient. Im Beleuchtungssystem und im
Lichtempfangssystem nimmt die Lichtmenge dann linear mit dem Durchmesser der Blende 2 ab, wenn
ϊο das Bild in der Lichtquelle bzw. der lichtempfindlichen
öffnung des photoelektrischen Wandlers in der Y-Ebene quer zur Fahrtrichtung am Blendenort kleiner
ist als die Blende.
Feuchtigkeit durch die öffnungen 2 und 2' wird wäh-H H Fh kßii
er Fahri 7wpi
pin von ^nnen
außen durch diese öffnungen gerichteter Luftstrom
erzeugt.
Claims (6)
1. Aufnahmekopf für einen optischen Korrelations-Geschwindigkeitsmesser,
bestehend aus '
a) wenigstens zwei unabhängigen fotoelektrischen Wandlern, die elektrische Signale liefern
in Abhängigkeit von den Gegebenheiten bezüglich der Wandler ortsfester, getrennter
Stellen einer quer zu den Wandlern relativ ι ο
zu diesen bewegten reflektierenden Fläche,
b) wenigstens einer Optik, deren optische Achse im wesentlichen senkrecht zur reflektierenden
Fläche steht,
c) einer Beleuchtungsvorrichtung, die die getrennten Stellen als Bereiche festlegt, die in
Bewegungsrichtung schmal und quer dazu breit sind,
gekennzeichnet durch folgende Merkmale:
d) in eisir Spaltebene (10) parallel zur reflek- -'"
tierenden Fläche (3) sind schlitzförmige Spalte (11, 11', 11") angeordnet, deren
Längsrichtung quer zur Bewegungsrichtung (5) liegt,
e) auf der der reflektierenden Fläche (3) abge- 2~>
kehrten Seite der Spaltebene (10) ist hinter jedem Spalt (11, 11', Sl") ein fotoelektrischer
Wandler (20, 20', 20") angeordnet,
f) die Spaltebene (10) unterteilt die Optik in ein Kondensorsystem (7, 8) auf ihrer der re- to
flektierenden Fläche (3) abgekehrten Seite und ein Objektiv (13, 16) auf ihrer der re
flektierenden Fläche (3) zugekehrten Seite,
g) das Kondensorsystem (T 8) fokussiert das π
Licht einer Lichtquelle (6) in Bewegungsrichtung (5) auf einen Punkt (15) zwischen
der Spaltebene (10) und der reflektierenden Fläche (3) und quer zur Bewegungsrichtung
(S) auf die Spaltebene (10), 4»
h) das Objektiv (13, 16) weist quer zur Bewegungsrichtung
(5) eine Brennweite auf, die kürzer ist als diejenige in Bewgungsrichtung,
derart, daß ein Punkt in der Spaltebene (10) quer zur Bewegungsrichtung abgebildet wird 4-,
in einer Ebene (21) zwischen Objektiv und reflektierender Fläche (3) und in Bewegungsrichtung
mindestens angenähert auf die reflektierende Fläche (3).
2. Aufnahmekopf nach Anspruch 1, gekenn- vi zeichnet durch folgende Merkmale:
i) das Kondensorsystem besteht aus zwei gekreuzten Zylinderlinsen, von denen die eine
(7) mit ihrer Längsrichtung in Bewegungsrichtung (5) und die andere (8) quer zur Be- ,
> wegungsrichtung angeordnet ist,
k) das Objektiv besteht aus einer Zylinderlinse
(13), die mit ihrer Längsrichtung in Bewegungsrichtung angeordnet ist und aus einer
sphärischen Linse (16), deren Brennweite ho etwa dem Abstand dieser beiden Linsen entspricht.
3. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
I) jedem fotoelektrischen Wandler (20, 20') ist (,5
eine unabhängige Optik zugeordnet.
4. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 1 und 2, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
m) zwei fotoelektrischen Wandlern (20', 20") ist eine gemeinsame Optik zugeordnet.
5. Aufnahmekopf nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
n) jede Optik befindet sich in einem geschlossenen Gehäuse (1), das in der Ebene (21) zwischen
Objektiv und reflektierender Fläche (3) eine der Optik zugeordnete Öffnung (2)
besitzt.
6. Aufnahmekopf nach den Ansprüchen 1 bis 5, gekennzeichnet durch folgendes Merkmal:
o) der Aufnahmekopf ist an einem Schienenfahrzeug über der Schiene hängend angeordnet,
dergestalt, daß die Schienenoberfläche die reflektierende Fläche (3) bildet.
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