DE2450439C3

DE2450439C3 - Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit

Info

Publication number: DE2450439C3
Application number: DE19742450439
Authority: DE
Inventors: Peter Dr.-Ing. 7304 Ruit Kreuzer
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1974-10-24
Filing date: 1974-10-24
Publication date: 1982-09-09
Also published as: DE2450439A1; DE2450439B2

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Einrichtungen und der dabei verwendete physikalische Effekt sind beispielsweise in der Disserta-

65 tion von P, Kreutzer »Berührungslose Geschwindigkeitsmessung bei quer zur Meßrichtung verlaufender Bewegung«, Universität Stuttgart 1973, beschrieben.

Bei diesen Einrichtungen treten außer dem erwünschten Hauptmaximum mehrere Nepenijiaxima, ein Gleichanteil und niederfrequente Störsignale auf, die die Auswertung erschweren oder unmöglich machen.

Die Nebenmaxima sind 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.

Aus dem Buch von Bibermann »Reticles in Electro-Optical Devices«, Pergamon Press 1966, Seiten 137 bis 145 ist es bekannt, zur Unterdrückung der Nebenmaxima eine Gewichtung im optischen Teil einer Geschwindigkeitsmeßeinrichtung vorzunehmen und zwar durch ein cosinusförmig abgeschattetes Gitter. Hierdurch treten naturgemäß Lichtverluste auf.

Zur Beseitigung des Gleichanteils und der niederfrequenten Störsignale ist es aus der DE-OS 2144 487 bekannt, zwei um einen halben Spaltabstand versetzte Bilder zu erzeugen, die von zwei getrennten optisch/elektrischen Wandlern aufgenommen werden, um die Differenz der Ausgangssignale der beiden Wandler zu bilden.

Dem gleichen Zweck dient die Anordnung nach der DE-OS 23 42 696, 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 Auogangssignale der beiden Wandler gebildet wird.

In der DE-OS 21 44487 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.

Es ist die Aufgabe der Erfindung, Einrichtungen zur Geschwindigkeitsmessung anzugeben, bei der die Nebenmaxima bei der Auswertung unterdrückt sind

Die Aufgabe wird mit den im Anspruch I angegebener. Mitteln gelöst Weiterbildungen ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Bei den erfindungsgemäßen Einrichtungen ist die Auswertesicherheit wesentlich höher als bei den bekannten Einrichtungen, so daß eine eindeutige Bestimmung der Nutzfrequenz möglich ist

Die Erfindung wird nun anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert Es zeigt

F i g. 1 eine Einrichtung mit einem optischen Gitter und je einem optisch/elektrischen Wandler für jede Gitterpalte,

Fig. 2a eine Einrichtung mit einem einzigen optisch /elektrischen Wandler, der abwechselnd lichtempfindliche und lichtunempfindliche Streifen aufweist,

Fig. 2b den optisch/elektrischen Wandler nach F i g. 2a von vorne,

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Figt3 eine Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der von den Einrichtungen »ach den F i g. 1 oder 2 abgegebenen Signale,

F ig, 4 das am Punkt b in Fig,3 auftretende Frequenzspektrum,

Fig,5 das am Punkt a in Fig.3 auftretende Frequenzspektrum,

F i g. 6a einen in quadratische Einzelelemente aufgeteilten optisch/elektrischen Wandler,

Fig.6b die elektrische Zusammenfassung der quadratischen Einzelelemente nach F i g. 6a zu Zeilen und Spalten.

Die Einrichtung nach Fig. 1 die zusammen mit der Schaltungsanordnung nach F i g. 3 zur Bestimmung der Geschwindigkeit einer Fläcne F mit statistisch verteilter Rauheit dient, besteht im wesentlichen aus einer Optik, die durch eine Linse L angedeutet ist, einem optischen Gitter G, das π Spalten enthält, aus π Optiken H1 bis Hn, von denen jeweils eine hinter einer Spalte angeordnet ist und aus η gleichen optisch /elektrischen Wandlern Wi bis Wn. Die elektrischen Anschlüsse der Wandler sind mit 1 bis π und der Spaltenabstand ist mit d bezeichnet

F i g. 2a zeigt eine ähnliche Anordnung. Anstelle des optischen Gitters G, der Optiken H\ bis Hn und der optisch/elektrischen Wandler IVl bis Wist hier eine Platte P mit parallelen lichtempfindlichen Streifen Sl bis Sn vorgesehen, wobei zwischen den lichtempfindlichen Streifen jeweils lichtunempFindliche Streifen sind. Die lichtempfindlichen Streifen haben getrennte An-Schlüsse 1 bis n. Fig. 2b zeigt den optisch/elektrischen Wandler von vorne.

Die Signale von den Klemmen 1 bis η der F i g. 1 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 weniger als die von den innenliegenden Spalten kommenden. Die Gewichtung ist durch unterschiedliche Widerstände R1 bis Rn angedeutet Eine binomische Verteilung der Gewichte ist günstig. Anschließend werden die geradzahligen und die ungeradzahligen Signale in Addierstufen A 1 und A 2 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 A 3 und A 4, die ebenfalls in Fi g. 3 gezeigt sind, und bildet in der Differenzstufe /72 die Differenz dieser Summen, so erhält man am Ausgang b der Differenzstufe das in Fig.4 dargestellte Frequenzspektrum, das noch sämtliche Nebenmaxifna 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 nadi F i g. 3 vorteilhaft

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65 Das Signal an Punkt a ist nämlich keine diskrete Frequenz, sondern ein scbmalbandiges Rauschen, dessen Bandbreite größer ist als die deE Signals am Punkt h 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 Spaltenzahl zu, so daß man aus diesem Grand die Bandbreite nicht beliebig verringern kann.

Bei der Schaltung nach F i g. 3 sind diese Schwierigkeiten beseitigt Das Signal von Punkt a wird auf ein Nsichlauffilter 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 A;jswertemöglichkeit der binomischen Amplitudenverteilung mit der geringeren Bandbreite und damit größeren Genauigkeit die durch die gleichmäßige Amplitudenverteilung gegeben 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 Addierschaltungen A 3 und A 4 und der Differenzschaltung D 2 nur eine einzige Addierschaitung. 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 Geschwindijikeits-Vektor senkrecht zu den Spalten der Gitterstruktur steht oder wenn der Winkel zwischen dem Gcschwindigkeits-Vektor und der Senkrechten zu den Spal< :n bekannt ist und so eine Umrechnung der gemessenen Geschwindigkeitskomponente erlaubt Die auf diese Weise gemessene Geschwindigkeitskomponente ist das Produkt aus der tatsächlichen Geschwindigkeit und dem 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 Einrichtungen der oben beschriebenen Arl möglich, vorteilhaft verwendet man jedoch eine z«-:rdimensionale Gitterstruktur gemäß Fig.6a. Diese besteht aus einem ebenen Fotoempfänger, dessen fotoempfindliche FJiche in einzelne, beispielsweise quadratische, Elemente aufgeteilt ist, welche einzeln abgewertet werden können. Eine Zusammenfassung von Elementen in Zeilen und Spalten mit Addierstufen Ax ί... Axn bzw Ay 1 bis Ayn erlaubt dann die Messung zweier, vorzugsweise zueinander senkrechten Komponenten der Geschwindigkeit (Fig.6b), Die Auswertung für jede Richtung erfolgt wie oben beiichrieben.

Die beschriebenen Maßnahmen können auch bei der Geschwindigkeitsmessung mittels Mikrowellen, die in der vorne genannten Dissertation erwähnt ist, angewendet werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Einrichtung zur berührungslosen Messung der relativen Geschwindigkeit zwischen dieser Einriebtung und einem reflektierenden oder selbststrahlenden Gegenstand mit statistisch rauher Oberfläche, bei der mit einem Gitter, das senkrecht zur Bewegungsrichtung und in einer Ebene parallel zur Oberfläche des Gegenstandes angeordnet ist und to mit Wandlern für elektromagnetische Strahlung ein Summensignal gebildet wird, das ein Frequenzspektrum enthält, aus dem die Mittenfrequenz des schmalbandigen Rauschens mit der größten Amplitude gewonnen wird, die ein Maß für die Geschwindigkeit ist, dadurch gekennzeichnet, daß für jeden Spalt des Gitters (G) ein einzelner Wandler (Wi — Wn) vorgesehen ist, daß die Ausgangssignale (1 - n) mindestens eines Teils der Wandler einzeln, von außen nach innen zunehmend gewichtet (mit Al- Rn) werden und daß anschließend das Summensignäi gebildet wird.

2. Einrichtung nach Anspruch 1 mit optisch/elektrischen Wandlern, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter (G) und die Wandler (WX-Wn) zu einem einzigen flächigen optisch/elektrischen Wandler (P) vereinigt sind, der abwechselnd lichtempfindliche (Si-Sn)und lichtunempfindliche Streifen aufweist

3. Einrichtung nach 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. Einrichtung nach Anspruch 1,2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß bei Verwendr^g eines Teils der Ausgangssignale das Summen* oder das Differenzsignal auf ein Nachiauffiiter 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. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche zur berührungslosen Geschwindigkeitsmessung bei beliebigem Winkel zwischen Spaltenbzw. Streifenebene und Bewegungsrichtung des Gegenstandes, dadurch gekennzeichnet, daß das Gitter bzw. der optisch/elektrische Wandler eine zweidimensionale Struktur (Fig.6a, 6b) aufweist, und daß die Auswertung in Zeilenrichtung und in Spaltenrichtung getrennt erfolgt, derart, daß sich zwei zueinander senkrechte Komponenten der Geschwindigkeit ergeben.

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

7. Einrichtung zur berührungslosen Messung der Geschwindigkeit mittels Mikrowellen, gekennzeichnet durch die sinngemäße Anwendung der Lehre w> eines der Ansprüche 2 bis 6.