DE3730543C1

DE3730543C1 - Test method and instrument for determining the magnitude and direction of a movement parameter

Info

Publication number: DE3730543C1
Application number: DE19873730543
Authority: DE
Inventors: Gade Niels Hedegaard
Original assignee: Danfoss AS
Current assignee: Danfoss AS
Priority date: 1987-09-11
Filing date: 1987-09-11
Publication date: 1989-04-06
Also published as: DK168177B1; DK487488D0; DK487488A

Abstract

A laser (101) is used in the case of a test method for determining the magnitude and direction of a movement parameter, such as the velocity of an object. The magnitude of the movement parameter is derived from the number or frequency of oscillations. The direction is derived from a characteristic asymmetry of the oscillations. In particular, the laser (101) can be operated at least partially with such a low feedback factor that the mean intensity level is approximately the same for both directions. The surface (103) may be rough. The laser beam can strike the surface at an inclined angle. This allows operation which is very highly suitable for practical application. <IMAGE>

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Meßverfahren zum Feststellen der Größe und Richtung eines Bewegungsparameters, wie die Geschwindigkeit, eines Objekts mit Hilfe eines Lasers, bei dem der Laserstrahl von einer Oberfläche des Objekts reflektiert und ein Teil der Strahlungsenergie zum Laser zurückgeführt wird und bei dem die Laserintensität ermittelt und aus ihrer Modulation die Meßergebnisse gewonnen werden, wobei die Größe aus der Zahl oder Frequenz der Schwingungen abgeleitet wird, sowie auf eine Meßvorrichtung zur Durchführung dieses Meßverfahrens.The invention relates to a measuring method for determining the size and direction of a movement parameter, like the speed of an object using a Laser, in which the laser beam from a surface of the object is reflected and part of the radiation energy is returned to the laser and at which the laser intensity determined and from their modulation the measurement results can be obtained, the size from the number or Frequency of the vibrations is derived, as well a measuring device for performing this measuring method.

Bei einer bekannten Meßvorrichtung (EP-OS 01 67 277) wird die Größe und Richtung der Verlagerung einer hin- und hergehenden Oberfläche ermittelt. Zu diesem Zweck wird ein Laserstrahl über eine Linse und einen Strahlteiler auf die senkrecht zur Strahlauftreffrichtung verlaufende Oberfläche gerichtet. Reflektierte Strahlung gelangt auf demselben Weg zum Laser zurück. Dies führt bei einer Bewegung des Objekts in Strahlrichtung zu einer Modulation der Laserintensität, die mit Hilfe eines über den Strahlteiler angekoppelten lichtempfindlichen Detektors gemessen wird. In Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung ergeben sich zwei Intensitätsniveaus, denen jeweils eine Vielzahl von kleinen Schwingungen überlagert ist. Durch Feststellung der Zahl der Schwingungen läßt sich die Größe der Verlagerung und durch Feststellung des mittleren Intensitätsniveaus die Richtung der Verlagerung ermitteln.In a known measuring device (EP-OS 01 67 277) will the size and direction of the shift of a and originating surface determined. To this end becomes a laser beam through a lens and a beam splitter on the perpendicular to the direction of the beam Surface directed. Reflected radiation arrives on the same way back to the laser. This leads to a Movement of the object in the beam direction to a modulation the laser intensity using a beam splitter coupled light-sensitive detector measured becomes. Depending on the direction of movement there are two intensity levels, each with a variety is overlaid by small vibrations. By finding the number of vibrations can be the size of the Relocation and by determining the average intensity level determine the direction of the shift.

Die beschriebene Messung erfordert aber einen hohen Rückkopplungsfaktor und eine sehr sorgfältige Justierung der Laserleistung. Schon kleinere Veränderungen in der Rückkopplung führen zu einer Änderung der Intensitätsniveaus und damit zu Schwierigkeiten bei der Richtungsbestimmung.However, the measurement described requires a high feedback factor and a very careful adjustment the laser power. Even minor changes in the Feedback leads to a change in intensity levels and thus difficulties in determining the direction.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Meßverfahren der eingangs beschriebenen Art anzugeben, das für den praktischen Betrieb und insbesondere unter schlechten Rückkopplungsbedingungen besser geeignet ist.The invention has for its object a measurement method of the type described at the outset, which for the practical operation and especially under bad Feedback conditions is more appropriate.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Richtung durch Auswertung einer von der Bewegungsrichtung des Objekts abhängigen charakteristischen Asymmetrie der Schwingungen bestimmt wird.This object is achieved in that the direction by evaluating one of the direction of movement characteristic asymmetry dependent on the object the vibrations is determined.

Die Richtungsbestimmung erfolgt daher aufgrund einer richtungsabhängigen Form der Modulationsschwingungen. Überraschenderweise bleibt diese charakteristische Form ganz generell für die wechselspannungsmäßig ausgekoppelten Modulationsschwingungen, also unabhängig vom Gleichspannungsanteil, erhalten. Die Richtung kann daher auch bestimmt werden, wenn sehr schlechte oder sich ändernde Rückkopplungsverhältnisse vorhanden sind. Sie gelten auch dann, wenn der Laser zumindest teilweise mit einem derart geringen Rückkopplungsfaktor betrieben wird, daß der Intensitätsmittelwert für beide Richtungen etwa gleich ist. The direction is therefore determined on the basis of a directional form of the modulation vibrations. Surprisingly, this characteristic shape remains generally for the AC-coupled Modulation vibrations, i.e. regardless of the DC voltage component, receive. The direction can therefore also be determined be when very bad or changing Feedback relationships are present. they seem even if the laser at least partially with a such a low feedback factor is operated that the mean intensity value is approximately the same for both directions is.

Zwar sind in der eingangs genannten Entgegenhaltung sägezahnförmige Modulationsschwingungen mit einer geneigten Anfangsflanke und einer steilen Endflanke gezeigt, wobei die Sägezähne im höheren Intensitätsniveau nach oben und im unteren Intensitätsniveau nach unten weisen. Es gibt aber keinen Hinweis darauf, daß diese Sägezahnform eine richtungsabhängige Asymmetrie darstellt, die auch noch erhalten bleibt, wenn der Mittelwert der Intensität keine richtungsabhängigen Sprünge macht.In the document mentioned at the beginning, sawtooth-shaped ones are used Modulation vibrations with an inclined Starting edge and a steep end edge shown, where the saw teeth in the higher intensity level upwards and point down in the lower intensity level. It but gives no indication that this sawtooth shape a directional asymmetry that also still remains if the mean of the intensity makes no directional jumps.

Da es nunmehr nur noch auf die Zahl bzw. Frequenz und auf die Form der Modulationsschwingungen ankommt, ergibt sich eine außerordentliche Vergrößerung des Anwendungsbereichs, in dem dieses Meßverfahren verwendet werden kann. Denn die Modulationsschwingungen lassen sich noch feststellen, wenn die Rückkopplung nur -20 dB oder sogar -40 dB beträgt. Das bedeutet, daß an die Reflexionseigenschaften der Oberfläche des Objekts keine hohen Anforderungen gestellt zu werden brauchen. Eine Verschmutzung dieser Oberfläche kann in gewissem Umfang in Kauf genommen werden. Es lassen sich neuartige Konstruktionen angeben, wie später noch näher beschrieben wird. Insgesamt ergibt sich ein für die Praxis sehr brauchbares Meßverfahren.Since it is now only on the number or frequency and depends on the shape of the modulation vibrations there is an extraordinary increase in the scope, in which this measuring method is used can. Because the modulation vibrations can still notice if the feedback is only -20 dB or even Is -40 dB. That means that the reflection properties the surface of the object is not high Requirements need to be made. Pollution this surface can be purchased to some extent be taken. There are new constructions specify how it will be described later. A total of this results in a measuring method that is very useful in practice.

Für die Ermittlung der Richtung aus dieser asymmetrischen Form gibt es die verschiedensten Möglichkeiten. Am einfachsten ist es, daß zur Ermittlung der Richtung festgestellt wird, ob die Anstiegsflanke eine größere oder kleinere Steilheit als die Abstiegsflanke hat. Man kann die Schwingungen auch mit gespeicherten Mustern vergleichen. For determining the direction from this asymmetrical Form there are various possibilities. The easiest is that determined to determine the direction is whether the rising edge is a larger one or has a smaller slope than the descent flank. One can compare the vibrations with stored patterns.

Ein besonders interessanter Anwendungsfall liegt darin, daß der Laserstrahl an einer rauhen Oberfläche des Objekts reflektiert wird. Unter "rauh" wird verstanden, daß die Oberfläche nicht poliert oder auf sonstige Weise geglättet ist. Bei Metallteilen reicht die normale Bearbeitungsgüte, wie sie durch Schleifen, Bohren, Fräsen o. dgl. erzielt wird. Es kann sich aber auch um von Natur aus rauhe Oberflächen handeln, wie Papier, Leder oder Textilien. Infolge dieser Rauhigkeit wird zwar das Licht diffus zurückgeworfen. Es gelangt aber ein ausreichender Teil der Strahlungsenergie zum Laser zurück.A particularly interesting application is that the laser beam is on a rough surface of the object is reflected. "Rough" means that the Surface not polished or otherwise smoothed is. The normal processing quality is sufficient for metal parts, as achieved by grinding, drilling, milling or the like becomes. But it can also be a naturally rough surface act like paper, leather or textiles. As a result This roughness diffuses the light back. However, a sufficient part of the radiation energy arrives back to the laser.

In diesem Zusammenhang ist es auch möglich, daß der Laserstrahl in einem schrägen Winkel auf ein Oberflächenelement des Objekts auftrifft. Infolge der diffusen Rückstrahlung erfolgt trotzdem eine ausreichende Rückkopplung.In this context it is also possible that the laser beam at an oblique angle to a surface element of the object. As a result of the diffuse reflection there is still sufficient feedback.

Wenn das Objekt in Richtung des Laserstrahls bewegt wird, ergibt sich eine Messung mit festem Reflexionspunkt. Auf diese Weise kann die Vibration eines Objekts hinsichtlich Vibrationsfrequenz und/oder Amplitude gemessen werden.When the object is moved in the direction of the laser beam, there is a measurement with a fixed reflection point. In this way, the vibration of an object can Vibration frequency and / or amplitude are measured.

Es ist aber auch möglich, das Objekt schräg zur Richtung des Laserstrahls zu bewegen. Dies erlaubt neue Meßmöglichkeiten, wenn beispielsweise einsinnige Bewegungen festgestellt werden sollen.But it is also possible to move the object diagonally to the direction to move the laser beam. This allows new measurement options if, for example, sensible movements are detected should be.

Bei einer besonders bevorzugten Messung trifft der Laserstrahl schräg auf eine rotierende Oberfläche auf, deren Normale mit der Drehachse übereinstimmt. Auf diese Weise lassen sich beispielsweise Winkelgeschwindigkeiten nach Größe und Richtung messen. In a particularly preferred measurement, the laser beam hits at an angle on a rotating surface whose Normal coincides with the axis of rotation. In this way can be used to measure angular velocities, for example Measure size and direction.

Eine Meßvorrichtung zum Feststellen der Größe und Richtung eines Bewegungsparameters, wie die Geschwindigkeit, eines Objekts, mit einem rückgekoppelten Resonatorsystem, das einen Laser, der einer Oberfläche des Objekts derart zugeordnet ist, daß der Laserstrahl von der Oberfläche reflektiert und ein Teil der Strahlungsenergie zum Laser zurückgeführt wird, und gegebenenfalls Lichtleitmittel aufweist, und mit einer Auswertevorrichtung, die die Laserintensität ermittelt und aus ihrer Modulation die Meßergebnisse gewinnt, zur Durchführung des vorgenannten Meßverfahrens, ist dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung eine Richtungs-Auswerteschaltung umfaßt, die zumindest einen Schaltkreis zur Erkennung einer von der Bewegungsrichtung des Objekts abhängigen charakteristischen Asymmetrie der Schwingungen der Modulation aufweist.A measuring device for determining the size and direction of a motion parameter, like speed, of an object with a feedback resonator system, the one laser that hits a surface of the object like that is assigned that the laser beam from the surface reflected and part of the radiation energy to the laser is returned, and optionally light guide has, and with an evaluation device that the Laser intensity determined and from their modulation the Measurement results wins to perform the aforementioned Measuring method, is characterized in that the evaluation device includes a direction evaluation circuit, the at least one circuit for detecting one of characteristic depending on the direction of movement of the object Asymmetry of the vibrations of the modulation having.

Eine solche Richtungs-Auswerteschaltung läßt sich mit herkömmlichen Mitteln leicht aufbauen. Beispielsweise kann der Erkennungsschaltkreis ein Differenzierglied für die wechselspannungsmäßig ausgekoppelten Modulationsschwingungen, eine Meßvorrichtung zur Feststellung der Größe und des Vorzeichens des Differenzierergebnisses im Nulldurchgang und einen Richtungsdetektor aufweisen, der die Richtung in Abhängigkeit davon feststellt, ob einem positiven oder negativen Wert ein größerer oder kleinerer Wert des anderen Vorzeichens folgt. Eine andere Alternative besteht darin, die jeweils festgestellte Kurvenform mit gespeicherten Mustern zu vergleichen. In allen Fällen ist eine sichere Erkennung der Bewegungsrichtung möglich.Such a direction evaluation circuit can be used build up conventional means easily. For example the detection circuit can be a differentiator for the modulation vibrations decoupled in terms of AC voltage, a measuring device for determining the Size and the sign of the differentiation result at zero crossing and have a direction detector, which determines the direction depending on whether a larger or a positive or negative value smaller value of the other sign follows. Another The alternative is to determine the one found Compare waveform with saved patterns. In all cases there is a reliable detection of the direction of movement possible.

Bisher wurde die Laserintensität mittels eines zusätzlichen, lichtempfindlichen Detektors festgestellt. Es besteht aber auch die Möglichkeit, daß die Auswertevorrichtung ein den Spannungsabfall am Laser feststellendes Intensitätsmeßgerät aufweist. Dies führt vielfach zu einem einfacheren Aufbau, weil keine Laserstrahlung durch einen Strahlteiler ausgekoppelt werden muß. So far, the laser intensity has been photosensitive detector found. It but there is also the possibility that the evaluation device a determining the voltage drop at the laser Has intensity meter. This often leads to a simpler construction because no laser radiation through a beam splitter must be coupled out.

Wenn ein Fotodetektor verwendet wird, empfiehlt es sich, daß die Auswerteschaltung einen Halbleiter-Fotodetektor aufweist, der in Arbeitsrichtung hinter einem Halbleiter- Laser angeordnet und mit ihm zu einer Baueinheit integriert ist. Solche Baueinheiten sind auf dem Markt erhältlich. Sie erlauben ebenfalls einen einfachen Aufbau des Meßgeräts.If a photo detector is used, it is recommended that the evaluation circuit is a semiconductor photodetector which, in the working direction behind a semiconductor Laser arranged and with it to a structural unit is integrated. Such units are on the market available. They also allow a simple structure of the measuring device.

Ein wesentlicher Vorteil der Meßvorrichtung besteht darin, daß die reflektierende Oberfläche des Objekts rauh sein kann. Insbesondere kommen rauhe Flächen in Betracht, die weniger als 20% des auftreffenden Lichts zum Laser zurückreflektieren.A major advantage of the measuring device is that that the reflective surface of the object is rough can be. In particular, rough surfaces come into consideration less than 20% of the incident light to the laser reflect back.

Besonders wichtig ist es, daß die reflektierende Oberfläche des Objekts eine von der Auftreffrichtung des Laserstrahls abweichende Normale haben kann. Ein größerer Teil des Laserstrahls wird daher in eine andere Richtung reflektiert. Trotzdem wird bei einer normalen Oberfläche noch ein ausreichender Teil der Laserstrahlung diffus zurückgeworfen.It is particularly important that the reflective surface of the object one of the direction of impact of the Laser beam can have different standards. A bigger one Part of the laser beam is therefore in a different direction reflected. Nevertheless, with a normal surface a sufficient part of the laser radiation is diffuse thrown back.

Letzteres erlaubt eine Meßvorrichtung, bei der das Objekt drehbar gelagert ist, die Oberfläche eine zur Drehachse parallele Normale hat und der Laserstrahl in einem schrägen Winkel zur Normalen auf die Oberfläche gerichtet ist. Dies ermöglicht es, die Winkelgeschwindigkeit eines rotierenden Objekts in Richtung und Größe zu messen.The latter allows a measuring device in which the object is rotatably mounted, the surface one to the axis of rotation has parallel normals and the laser beam in an oblique Angle normal to the surface is. This enables the angular velocity of a to measure the rotating object in the direction and size.

Die Erfindung wird nachstehend anhand in der Zeichnung dargestellter, bevorzugter Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen: The invention is illustrated below in the drawing illustrated, preferred embodiments explained. Show it:

Fig. 1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, Fig. 1 is a schematic representation of a first embodiment of a measuring device according to the invention,

Fig. 2 eine schematische Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Meßvorrichtung, Fig. 2 is a schematic representation of a second embodiment of a measuring device according to the invention,

Fig. 3 die Intensität der Laserstrahlung über der Zeit, Fig. 3, the intensity of the laser radiation over time,

Fig. 4 die Bewegung des Objekts der Fig. 1, Fig. 4 shows the movement of the object of Fig. 1,

Fig. 5 die Intensität der Laserstrahlung bei einer größeren Geschwindigkeit und Fig. 5 shows the intensity of the laser radiation at a higher speed and

Fig. 6 die zugehörige Bewegung des Objekts, Fig. 6, the associated movement of the object,

Fig. 7 die Intensität der Laserstrahlung bei der Rotation des Objekts nach Fig. 2 und Fig. 7, the intensity of the laser radiation when the rotation of the object according to FIG. 2 and

Fig. 8 eine Ausführungsform eines Erkennungsschaltkreises. Fig. 8 shows an embodiment of a detection circuit.

Bei der Ausführungsform der Fig. 1 sendet ein Halbleiter- Laser 1 seine Strahlung über eine Linse 2 auf die rauhe Oberfläche 3 eines Objekts 4, das sich in Richtung des Pfeils x im Sinne einer Vibration hin- und herbewegt. Der Laser 1 wird durch eine Antriebsschaltung 5 derart erregt, daß ein Laserstrahl 6 mit kohärentem Licht abgegeben wird. An der Rückseite 7 des Lasers 1 findet wegen des Brechungsindex des Lasermaterials und der Luft eine Teilreflexion, beispielsweise von 32% statt, so daß der Rest des Laserlichts auf einen lichtempfindlichen Halbleiter-Detektor 8 geworfen wird. Laser 1 und Detektor 8 sind in einer Baueinheit 9 integriert. Der Aufbau kann beispielsweise der DE-OS 22 44 119 entsprechen. Solche Baueinheiten sind handelsüblich. In the embodiment of Fig. 1, a semiconductor laser 1 emits its radiation through a lens 2 onto the rough surface 3 of an object 4, the x in the direction of the arrow in the sense of a vibration reciprocated. The laser 1 is excited by a drive circuit 5 such that a laser beam 6 is emitted with coherent light. Because of the refractive index of the laser material and the air, a partial reflection, for example of 32%, takes place on the rear side 7 of the laser 1 , so that the rest of the laser light is thrown onto a light-sensitive semiconductor detector 8 . Laser 1 and detector 8 are integrated in one unit 9 . The structure can, for example, correspond to DE-OS 22 44 119. Such units are commercially available.

Eine Auswertevorrichtung 10 besitzt ein Intensitäts-Meßglied 11, das die vom lichtempfindlichen Detektor 8 ermittelte Intensität des Lasers 1 feststellt. In einer Größen-Auswerteschaltung 12 wird die Größe der Verlagerung x des Objekts 4, dessen Geschwindigkeit oder ein anderer Bewegungsparameter ermittelt. In einer Richtungs- Auswerteschaltung 13 wird die Richtung des Bewegungsparameters, also ob sich das Objekt 4 auf den Laser 1 zu oder von ihm weg bewegt, festgestellt.An evaluation device 10 has an intensity measuring element 11 , which determines the intensity of the laser 1 determined by the light-sensitive detector 8 . The size of the displacement x of the object 4 , its speed or another movement parameter is determined in a size evaluation circuit 12 . The direction of the movement parameter, ie whether the object 4 is moving towards or away from the laser 1 , is determined in a direction evaluation circuit 13 .

Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 werden für entsprechende Teile um 100 gegenüber Fig. 1 erhöhte Bezugszeichen verwendet. Unterschiedlich ist im wesentlichen, daß der Laserstrahl 6 über eine Glasfaser 106 zur reflektierenden rauhen Oberfläche 103 geleitet wird. Diese Oberfläche ist an einem rotierenden Objekt 104 mit einer Welle 114 angebracht. Die Normale N dieser Oberfläche 103 verläuft parallel zur Rotationsachse R. Der Laserstrahl wird in Richtung des Pfeils K zugeführt und trifft daher in einem schrägen Winkel auf ein sich in der Ebene der Oberfläche 103 bewegendes Oberflächenelement auf. Infolge der Rauhigkeit der Oberfläche 103 erfolgt eine diffuse Reflexion, so daß ein Teil der Laserstrahlung über den Lichtleiter 106 zum Laser 101 zurückkehrt. Dies reicht für die Intensitätsmodulation aus.In the embodiment according to FIG. 2, reference numerals increased by 100 compared to FIG. 1 are used for corresponding parts. What is essentially different is that the laser beam 6 is guided via a glass fiber 106 to the reflective rough surface 103 . This surface is attached to a rotating object 104 with a shaft 114 . The normal N of this surface 103 runs parallel to the axis of rotation R. The laser beam is fed in the direction of the arrow K and therefore impinges on a surface element moving in the plane of the surface 103 at an oblique angle. As a result of the roughness of the surface 103 , diffuse reflection takes place, so that part of the laser radiation returns to the laser 101 via the light guide 106 . This is sufficient for the intensity modulation.

Außerdem ist in der Auswertevorrichtung 110 ein den Spannungsabfall am Laser 101 feststellendes Intensitäts-Meßglied 111 vorgesehen. Die modulierte Intensität wird in ähnlicher Weise wie in Fig. 1 ausgewertet. In addition, an intensity measuring element 111, which detects the voltage drop across the laser 101, is provided in the evaluation device 110 . The modulated intensity is evaluated in a manner similar to that in FIG. 1.

Es werden nun die Fig. 3 und 4 betrachtet. Fig. 4 zeigt den Weg x, den das Objekt 4 in Fig. 1 infolge einer sinusförmigen Vibration zurücklegt. In dem Meßglied 11 wird die Intensität I gemäß Fig. 3 festgestellt. Der Mittelwert M dieser Intensität I richtet sich nach dem Abstand des Lasers 1 von der Fläche 3. Auf diesen Mittelwert M sind Schwingungen S 1 und S 2 aufmoduliert, die sich in Abhängigkeit von der Bewegungsrichtung unterschiedlich darstellen. Bei den Schwingungen S 1 folgt einer nach unten geneigten Anfangsflanke 15 eine steilere Endflanke 16. Bei der Schwingung S 2 folgt einer nach oben geneigten Anfangsflanke 17 eine steilere Endflanke 18. Anders ausgedrückt: In der einen Richtung ist die Aufwärtsflanke steiler als die Abwärtsflanke und in der Gegenrichtung ist es umgekehrt. Diese asymmetrische Form wird in der Richtungs-Auswerteschaltung 12 zur Bestimmung der Bewegungsrichtung benutzt. Außerdem ist aus Fig. 3 ersichtlich, daß die Übergangsbereiche 19 und 20 im Bereich der Bewegungsumkehr stark unterschiedliche Formen haben. Auch diese Unterschiede können zur Bestimmung der Richtung ausgenutzt werden. FIGS. 3 and 4 will now be considered. FIG. 4 shows the path x which the object 4 in FIG. 1 travels as a result of a sinusoidal vibration. The intensity I according to FIG. 3 is determined in the measuring element 11 . The mean value M of this intensity I depends on the distance of the laser 1 from the surface 3 . Vibrations S 1 and S 2 are modulated onto this mean value M and are represented differently depending on the direction of movement. In the case of the vibrations S 1 , a starting edge 15 which is inclined downward is followed by a steeper end edge 16 . In the case of vibration S 2 , an upward-sloping initial flank 17 is followed by a steeper end flank 18 . In other words, the upward flank is steeper than the downward flank in one direction and vice versa in the opposite direction. This asymmetrical shape is used in the direction evaluation circuit 12 to determine the direction of movement. It can also be seen from FIG. 3 that the transition areas 19 and 20 have very different shapes in the area of the reversal of movement. These differences can also be used to determine the direction.

Aus den Fig. 5 und 6 ist ersichtlich, daß die Amplitude der Schwingungsbewegung x größer ist als im Fall der Fig. 3 und 4. Dies hat zur Folge, daß die Modulationsschwingungen S 1 und S 2 in der Zahl zunehmen. Dies beruht auf der Tatsache, daß infolge des Dopplereffekts einer größeren Vibrationsbewegung auch eine größere Zahl von Licht-Schwingungsperioden entsprechen, was sich bei der Intensitätsmessung der Fig. 5 auswirkt. From FIGS. 5 and 6 it can be seen that the amplitude of the oscillation movement x is greater than in the case of Fig. 3 and 4. This has the result that the modulation waves S 1 and S 2 to increase in number. This is based on the fact that due to the Doppler effect, a larger vibration movement also corresponds to a larger number of light oscillation periods, which has an effect on the intensity measurement in FIG. 5.

In Fig. 7 sind die Modulationsschwingungen beim Laser der Fig. 2 veranschaulicht. Das Signal S 1 a zeigt eine hohe Winkelgeschwindigkeit bei Rechtsdrehung, das Signal S 1 b eine geringere Winkelgeschwindigkeit bei Rechtsdrehung und das Signal S 2 eine mittlere Winkelgeschwindigkeit bei Linksdrehung. FIG. 7 illustrates the modulation vibrations in the laser of FIG. 2. The signal S 1 a shows a high angular velocity when turning to the right, the signal S 1 b shows a lower angular velocity when turning to the right and the signal S 2 shows an average angular velocity when turning to the left.

Wie Fig. 8 zeigt, gibt es in der Richtungs-Auswerteschaltung 13 einen Erkennungsschaltkreis 21, dessen Eingang 22 ein Intensitäts-Meßsignal I von dem Intensitäts-Meßglied 11 zugeführt wird. Ein Trennkondensator 23 sorgt dafür, daß von diesem Signal die Modulationsschwingung wechselspannungsmäßig abgekoppelt wird. Sie wird in einem Differenzierglied 24 differenziert. Das Differenzierergebnis D, also die Flankensteigung, wird jeweils im Nulldurchgang festgehalten. In einem ersten Meßglied 25 wird die Polarität und in einem zweiten Meßglied 26 die Größe des Differenzierergebnisses D ermittelt. Es folgt ein Speicher 27 mit mindestens zwei Speicherplätzen, von denen der eine jeweils die neueste negative Größe und der andere die jeweils neueste positive Größe aufnimmt. Diese beiden Größen werden in einem Vergleicher 28 miteinander verglichen. Ist der negative Wert größer als der positive Wert, gibt er ein Richtungs-Ausgangssignal R 1 an dem einen Ausgang ab. Ist dagegen der negative Wert kleiner als der positive Wert, gibt er ein Richtungs-Ausgangssignal R 2 am anderen Ausgang des Vergleichers ab. R 1 bedeutet beispielsweise Rechtslauf und R 2 Linkslauf.As shown in FIG. 8, there is a detection circuit 21 in the direction evaluation circuit 13 , the input 22 of which is supplied with an intensity measurement signal I by the intensity measurement element 11 . A separating capacitor 23 ensures that the modulation oscillation is decoupled in terms of AC voltage from this signal. It is differentiated in a differentiator 24 . The differentiation result D , i.e. the slope, is recorded at the zero crossing. The polarity is determined in a first measuring element 25 and the size of the differentiation result D in a second measuring element 26 . This is followed by a memory 27 with at least two memory locations, one of which holds the latest negative size and the other the latest positive size. These two quantities are compared with one another in a comparator 28 . If the negative value is greater than the positive value, it emits a direction output signal R 1 at one output. If, on the other hand, the negative value is smaller than the positive value, it emits a direction output signal R 2 at the other output of the comparator. R 1 means, for example, clockwise rotation and R 2 counterclockwise rotation.

Die hier beschriebenen Messungen beruhen auf dem Doppler- Effekt. WennThe measurements described here are based on the Doppler Effect. If

= Geschwindigkeitsvektor des Oberflächenelements, das dem Laserstrahl ausgesetzt ist,
= Wellenvektor des emittierten Laserlichts,
f _d = Frequenzverschiebung des Lichts (Dopplerverschiebung), = Velocity vector of the surface element, that is exposed to the laser beam,
= Wave vector of the emitted laser light,
f _d = Frequency shift of light (Doppler shift),

ist, dann gilt:then:

Wenn sich das Objekt mit einer konstanten Geschwindigkeit v bewegt, durchläuft die Laserintensität f _d Zyklen der sägezahnförmigen Schwingungen pro Sekunde. Fig. 1 zeigt eine Messung mit auf dem Objekt festliegendem Reflexionspunkt. Der Wellenvektor und der Geschwindigkeitsvektor sind parallel. Wegen der rauhen Oberfläche ändert sich der Rückkopplungsfaktor mit dem Abstand zum Objekt 4. Diese Änderungen sind erfindungsgemäß unschädlich, würden aber eine Richtungsfeststellung mit Hilfe des Intensitätsniveaus unmöglich machen. Bei der Ausführungsform nach Fig. 2 sind der Wellenvektor und der Geschwindigkeitsvektor nicht parallel. Der Lichtpunkt wandert auf der Oberfläche des Objekts. Bei reflektierender Oberfläche 103 würde kein Licht zum Laser reflektiert werden. Da aber eine rauhe Oberfläche vorhanden ist, gelangt trotz des schrägen Auftreffwinkels des Lichts ein Teil der Strahlung zwecks Rückkopplung in den Laser.When the object moves at a constant speed v , the laser intensity f _d cycles through the sawtooth-shaped vibrations per second. Fig. 1 shows a measurement with a fixed object lying on the reflecting point. The wave vector and the speed vector are parallel. Because of the rough surface, the feedback factor changes with the distance to object 4 . According to the invention, these changes are harmless, but would make it impossible to determine the direction with the aid of the intensity level. In the embodiment according to FIG. 2, the wave vector and the speed vector are not parallel. The light spot moves on the surface of the object. With reflective surface 103 , no light would be reflected to the laser. However, since a rough surface is present, some of the radiation reaches the laser for feedback purposes, despite the oblique angle of incidence of the light.

Wenn man beim Laser mit einer üblichen Strahlung von 0,8 µm oder 1,55 µm arbeitet und mit einer Auflösung der Auswerteschaltung 10 von 100 MHz rechnet, können Geschwindigkeiten bis zu ungefähr 40 m/s gemessen werden. Dies ergibt einen außerordentlich großen Meßbereich. Denn nach unten ist der Meßbereich im wesentlichen nur von der mechanischen und thermischen Stabilität des Meßsystems begrenzt. Es lassen sich Geschwindigkeiten bis zu etwa 1 mm/s feststellen. Selbst die Bewegung von Papier, Gewebe und Leder in einer Entfernung von 20 cm vom Laser ist ermittelbar.If the laser is used with a normal radiation of 0.8 µm or 1.55 µm and the resolution of the evaluation circuit 10 is 100 MHz, speeds of up to approximately 40 m / s can be measured. This results in an extremely large measuring range. Because the measuring range is essentially limited only by the mechanical and thermal stability of the measuring system. Speeds of up to approximately 1 mm / s can be determined. Even the movement of paper, fabric and leather at a distance of 20 cm from the laser can be determined.

Die Lichtleitmittel können außer den Linsen 1, 102 und der Glasfaser 106 auch noch weitere bekannte Elemente, wie größere optische Systeme, Strahlteiler u. dgl., aufweisen.In addition to the lenses 1, 102 and the glass fiber 106 , the light guide means can also include other known elements, such as larger optical systems, beam splitters and the like. Like. Have.

BezugszeichenlisteReference symbol list

1, 101 Laser
2, 102 Linse
3, 103 Oberfläche
4, 104 Objekt
5, 105 Laser-Antriebsschaltung
6 Laserstrahl
106 Lichtleitfaser
7 Rückseite des Lasers
8, 108 Halbleiter-Detektor
9 Laser-Detektor-Baueinheit
10, 110 Auswertevorrichtung
11, 111 Intensitäts-Ermittlung
12, 112 Größen-Auswerteschaltung
13, 113 Richtungs-Auswerteschaltung
114 Rotationsachse
21 Erkennungsschaltkreis
22 Eingang
23 Kondensator
24 Differenzierglied
25 Polaritäts-Meßglied
26 Größen-Meßglied
27 Speicher
28 Vergleicher 1, 101 lasers
2, 102 lens
3, 103 surface
4, 104 object
5, 105 laser drive circuit
6 laser beam
106 optical fiber
7 Back of the laser
8, 108 semiconductor detector
9 Laser detector assembly
10, 110 evaluation device
11, 111 intensity determination
12, 112 size evaluation circuit
13, 113 direction evaluation circuit
114 axis of rotation
21 detection circuit
22 entrance
23 capacitor
24 differentiator
25 polarity measuring element
26 size measuring element
27 memory
28 comparators

Claims

1. Meßverfahren zum Feststellen der Größe und Richtung eines Bewegungsparameters, wie die Geschwindigkeit, eines Objekts mit Hilfe eines Lasers, bei dem der Laserstrahl von einer Oberfläche des Objekts reflektiert und ein Teil der Strahlungsenergie zum Laser zurückgeführt wird und bei dem die Laserintensität ermittelt und aus ihrer Modulation die Meßergebnisse gewonnen werden, wobei die Größe aus der Zahl oder Frequenz der Schwingungen abgeleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtung durch Auswertung einer von der Bewegungsrichtung des Objekts abhängigen charakteristischen Asymmetrie der Schwingungen bestimmt wird. 1. Measuring method for determining the size and direction of a movement parameter, such as the speed, of an object with the aid of a laser, in which the laser beam is reflected from a surface of the object and part of the radiation energy is returned to the laser and in which the laser intensity is determined and from The results of the measurements are obtained from their modulation, the quantity being derived from the number or frequency of the vibrations, characterized in that the direction is determined by evaluating a characteristic asymmetry of the vibrations which is dependent on the direction of movement of the object.

2. Meßverfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Laser mit einem derart geringen Rückkopplungsfaktor betrieben wird, daß der Intensitätsmittelwert für beide Richtungen etwa gleich ist.2. Measuring method according to claim 1, characterized in that the laser with such a low feedback factor is operated that the average intensity is approximately the same for both directions.

3. Meßverfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ermittlung der Richtung festgestellt wird, ob die Anstiegsflanke eine größere oder kleinere Steilheit als die Abstiegsflanke hat.3. Measuring method according to claim 1 or 2, characterized in that determined to determine the direction is whether the rising edge is a larger or a smaller one Steepness than the descent flank has.

4. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl an einer rauhen Oberfläche des Objekts reflektiert wird. 4. Measuring method according to one of claims 1 to 3, characterized characterized in that the laser beam at a rough Surface of the object is reflected.

5. Meßverfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl in einem schrägen Winkel auf ein Oberflächenelement des Objekts auftrifft.5. Measuring method according to claim 4, characterized in that the laser beam is at an oblique angle Surface element of the object hits.

6. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt in Richtung des Laserstrahls bewegt wird.6. Measuring method according to one of claims 1 to 5, characterized characterized that the object in the direction of the laser beam is moved.

7. Meßverfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt schräg zur Richtung des Laserstrahls bewegt wird.7. Measuring method according to one of claims 1 to 5, characterized characterized in that the object is oblique to the direction of the laser beam is moved.

8. Meßverfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Laserstrahl schräg auf eine rotierende Oberfläche auftrifft, deren Normale mit der Drehachse übereinstimmt.8. Measuring method according to claim 7, characterized in that the laser beam is slanted onto a rotating surface strikes, whose normal with the axis of rotation matches.

9. Meßvorrichtung zum Feststellen der Größe und Richtung eines Bewegungsparameters, wie die Geschwindigkeit, eines Objekts, mit einem rückgekoppelten Resonatorsystem, das einen Laser, der einer Oberfläche des Objekts derart zugeordnet ist, daß der Laserstrahl von der Oberfläche reflektiert und ein Teil der Strahlungsenergie zum Laser zurückgeführt wird, und gegebenenfalls Lichtleitmittel aufweist, und mit einer Auswertevorrichtung, die die Laserintensität ermittelt und aus ihrer Modulation die Meßergebnisse gewinnt, zur Durchführung des Meßverfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (10; 110) eine Richtungs-Auswerteschaltung (13; 113) umfaßt, die zumindest einen Schaltkreis (21) zur Erkennung einer von der Bewegungsrichtung des Objekts abhängigen charakteristischen Asymmetrie der Schwingungen (S 1, S 2) der Modulation aufweist. 9. Measuring device for determining the size and direction of a movement parameter, such as the speed, of an object, with a feedback resonator system, which is a laser which is assigned to a surface of the object in such a way that the laser beam reflects from the surface and part of the radiation energy for Laser is returned, and optionally has light guide means, and with an evaluation device that determines the laser intensity and obtains the measurement results from its modulation, for carrying out the measurement method according to one of claims 1 to 8, characterized in that the evaluation device ( 10; 110 ) a Direction evaluation circuit ( 13; 113 ) which has at least one circuit ( 21 ) for detecting a characteristic asymmetry of the vibrations (S 1 , S 2 ) of the modulation which is dependent on the direction of movement of the object.

10. Meßvorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Erkennungsschaltkreis (21) ein Differenzierglied (24) für die wechselspannungsmäßig ausgekoppelten Modulationsschwingungen, eine Meßvorrichtung (25, 26) zur Feststellung der Größe und des Vorzeichens des Differenzierergebnisses (D) im Nulldurchgang und einen Vergleicher (28) zur Richtungsfeststellung aufweist, der die Richtung in Abhängigkeit davon feststellt, ob einem positiven oder negativen Wert ein größerer oder kleinerer Wert des anderen Vorzeichens folgt.10. Measuring device according to claim 9, characterized in that the detection circuit ( 21 ) has a differentiating element ( 24 ) for the AC-coupled out modulation vibrations, a measuring device ( 25, 26 ) for determining the size and the sign of the differentiation result (D) in the zero crossing and one Has comparator ( 28 ) for determining the direction, which determines the direction depending on whether a positive or negative value is followed by a larger or smaller value of the other sign.

11. Meßvorrichtung nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (110) ein den Spannungsabfall am Laser feststellendes Intensitätsmeßgerät (111) aufweist.11. Measuring device according to claim 9 or 10, characterized in that the evaluation device ( 110 ) has a voltage drop across the laser determining intensity measuring device ( 111 ).

12. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswertevorrichtung (110) einen Halbleiter-Fotodetektor (8) aufweist, der in Arbeitsrichtung hinter einem Halbleiter-Laser (1) angeordnet und mit ihm zu einer Baueinheit (9) integriert ist.12. Measuring device according to one of claims 9 to 11, characterized in that the evaluation device ( 110 ) has a semiconductor photodetector ( 8 ) which is arranged in the working direction behind a semiconductor laser ( 1 ) and with it to form a structural unit ( 9 ) is integrated.

13. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (3; 103) des Objekts (4; 104) rauh ist.13. Measuring device according to one of claims 9 to 12, characterized in that the surface ( 3; 103 ) of the object ( 4; 104 ) is rough.

14. Meßvorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche (103) des Objekts (104) eine von der Auftreffrichtung des Laserstrahls abweichende Normale (N) hat. 14. Measuring device according to one of claims 9 to 13, characterized in that the surface ( 103 ) of the object ( 104 ) has a normal (N) deviating from the direction of incidence of the laser beam.

15. Meßvorrichtung nach Anspruch 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt (104) drehbar gelagert ist, die Oberfläche (103) eine zur Drehachse (R) parallele Normale (N) hat und der Laserstrahl in einem schrägen Winkel zur Normalen auf die Oberfläche gerichtet ist.15. Measuring device according to claim 13 or 14, characterized in that the object ( 104 ) is rotatably mounted, the surface ( 103 ) has a normal to the axis of rotation (R) normal (N) and the laser beam at an oblique angle to the normal to the Surface is directed.