专利名称：用于获取行进中的货物轨道边缘位置的方法和装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种如权利要求1的前序部分所述的用于获取行进中的货物轨道的边缘位置的方法，以及如权利要求8的前序部分所述的用于实现上述方法的装置。
背景技术：
由DE3442154C2已知了一种用于获取运料轨道的带缘位置的方法。在该方法中使一个超声波发送器正对着一个超声波接收器，其中货物轨道在这两者之间引导。发送器发出可由接收器检测到的超声波脉冲。其中在分析接收到的信号时考虑超声波脉冲的发送与其接收之间的时间相关性。尤其是仅考虑在从发送器到接收器的直接路径上传送的每个接收信号。以这种方式，通过在货物轨道或其他部分上的反射产生的干扰信号得到有效的抑制。这种方法在实践中能够很好地得到应用，并构成了本发明的出发点。
发明内容
本发明的目的在于提供一种如开始时所提到的类型的方法，以及实现这种方法的装置，它表现出简单的和抗干扰的构造。
根据本发明，上述任务通过权利要求1和8所述的特征来解决。
在根据权利要求1所述的方法中，压电元件向货物轨道发出超声波脉冲。其中货物轨道最好是不能由超声波脉冲穿过的，最多只能部分地穿过。货物轨道是反射超声波脉冲还是吸收超声波脉冲，或者还是这两种效应的结合，在这里并没有关系。唯一重要的是，穿过货物轨道的超声波脉冲的能量随着压电元件覆盖面积的增加而降低。通过脉冲能量的降低，可以确定压电元件的覆盖情况，并由此确定货物轨道边缘的位置。通常多个压电元件一个挨一个地垂直于轨道行进方向设置，以在高测量解析度下获得足够大的测量区域。为了实现简单的、并且同时能够抗干扰的构造，由一个反射器将超声波脉冲向先前发出超声波脉冲的压电元件反射。其中货物轨道设置在压电元件和反射器之间，使得超声波脉冲一定会经过货物轨道两次。以这种方式，货物轨道的透射系数成平方增强，对超声波脉冲产生作用，使得到达压电元件的超声波能量与货物轨道的覆盖情况的相关性相应地增强。以这种方式，可以相应地更精确地确定货物轨道的边缘位置。其中压电元件既用于发出超声波脉冲，又用于接收由反射器所反射、并在给定情况下由货物轨道所减弱的超声波脉冲。这些超声波脉冲通过压电元件转换成电信号，分析这些电信号的幅值以确定货物轨道的边缘。以这种方式对压电元件进行双重利用，从而相应减少了传感器阵列的材料开销和安装开销。此外，发送器和接收器具有相同的谐振频率，这改善了整个系统的效率。另外，将发送和接收单元设置在货物轨道的同一侧具有特别的优点。由此不会得到叉形结构的传感器阵列，这种叉形结构在改变货物轨道的宽度时可能会造成对货物轨道和传感器元件的破坏。由于反射器是相对制造简单、成本低廉的部件，它在给定情况下也可以在整个机器宽度上延伸，这样可以调节反射器使其与不同的货物轨道宽度相匹配。这样传感器阵列仅需要调整压电元件，而压电元件由于排列在货物轨道的一侧上，不会妨碍货物轨道的运行。压电元件最好设置在货物轨道上方，使其有效表面指向下方。以这种方式，降低了传感器阵列对污损的敏感性。由于反射器是在机械方面非常不敏感的部件，因此它可以很容易保持清洁，例如借助于轻微的气流。
为了实现垂直于轨道行进方向的高测量解析度，根据权利要求2，重要的是垂直于轨道行进方向以很小的发散度产生超声波脉冲。尽管如此，为了可以发出足够高的脉冲能量，在轨道行进方向上提供较大发散度的超声波脉冲是适宜的。此外，由此得到了这样的优点，即确定某一确定长度区域内的轨道边缘，使得行进中的货物轨道的干扰，例如由破损边缘造成的干扰，在确定带缘时几乎不产生影响。
由于在压电元件作为接收器使用之前，它首先发出一个能量很高的超声波脉冲，在该超声波脉冲能够得出可供利用的测量结果之前，所述超声波脉冲肯定会受到机械的和电气的阻尼衰减。出于这种原因，根据权利要求3的方法是适用的在发出超声波脉冲之后，经过一段滞后时间(Totzeit)后才开始分析压电元件的电信号。这样保证了由于先前发出的超声波脉冲引起的电信号干扰得到可靠的避免。
通常，不可能保持传感器阵列周边的环境不受能够反射超声波脉冲的部件的干扰。此外超声波脉冲的一部分也被货物轨道所反射。这些反射的超声波脉冲被压电元件接收，并被转换为相应的电信号。为了避免这些不希望的反射使测量结果出错，根据权利要求4的方式具有优点的即仅在一个时间窗之内分析压电元件的电信号。这里所述时间窗在时间上的位置与从反射器到压电元件的距离有关，其中所述时间窗的中间值最好相当于压电元件与反射器之间信号行程时间的两倍。以这种方式，仅分析实际由反射器所反射的、并且不走弯路直接向着压电元件传播的超声波脉冲，从而不再受到干扰。
通常，货物轨道的高度位置不是绝对恒定的。而货物轨道高度位置的改变可能会使测量结果出错。特别是需要考虑货物轨道的位置越靠近压电元件，则由于超声波脉冲现有的发散度，其由于部分进入到声波锥体内的货物轨道而引起的衰减越大。为了对上述关系进行平衡，根据权利要求5的方法是有利的，即附带地分析发出的超声波脉冲与压电元件的电信号之间的时间差，所述电信号由超声波脉冲通过货物轨道的反射而产生。由这种时间差可以非常简单地确定货物轨道与压电元件的距离，以便对计算得到的压电元件被货物轨道覆盖的情况进行校正。以这种方式，传感器阵列的测量精度得到了显著的改善。为了得到由货物轨道反射的足够强的反射信号，压电元件最好成直角指向货物轨道的表面。如果不采用这种对货物轨道的反射信号的附加分析，压电元件也可以以锐角指向货物轨道的表面延伸区域。在这种情况下，由货物轨道所引起的反射信号会从谐振器6的旁边经过，因而检测不到。
为了得到足够高的超声波能量，根据权利要求6的方法是适宜的，即由多个压电元件同时产生超声波脉冲。例如由三个相邻设置的压电元件发出超声波脉冲。但是为了得到足够高的位置解析度，仅由一个压电元件，最好是中间的压电元件，来分析被反射的超声波脉冲。
为了使到达压电元件的超声波能量尽可能大，根据权利要求7的方法具有优点的，即反射器将超声波脉冲至少聚焦到轨道的行进方向上。以这种方式，已有的或者也可能是所希望的超声波脉冲发散度不会对其可检测性产生负面的影响。在由反射器对超声波脉冲进行最佳聚焦时，所发出的超声波脉冲的大部分又再次返回到压电元件上，以得到具有相应强度的、并且无噪声的电信号，用于分析由货物轨道所覆盖的程度。
根据权利要求8的装置用来实现上述方法。该装置具有发出超声波脉冲的压电元件。这些压电元件最好垂直于货物轨道的行进方向相邻设置，以得到足够大的用于获取货物轨道边缘位置的测量区域。由压电元件发出的超声波脉冲由一个反射器所反射，经过反射的超声波再由压电元件所检测。因此压电元件用作发送和接收单元，使得整个传感器结构设置在货物轨道的一侧上。货物轨道与压电元件的覆盖程度相关地减弱了超声波脉冲，这样可以根据接收到的超声波能量来确定由货物轨道覆盖的情况，并由此确定货物轨道边缘的位置。
为了使所述装置的结构尽可能简单，根据权利要求9的方案是有利的，即压电元件与一个共用的谐振器相耦合，所述谐振器基本上在轨道的行进方向上延伸。所述谐振器由各个压电元件在空间上有选择性地激励，使得所发出的超声波脉冲在垂直于轨道运行的方向上具有很小的发散度。在轨道行进方向上，所发出的超声波脉冲的发散度显著较大，这样所述装置不会受到干扰的影响，如受到破损的边缘的影响。压电元件最好一个接一个地在谐振器上排成一行，并相互间隔开小于0.1mm的狭窄间隙。尤其是考虑将压电元件作为一个整体来制造，并与谐振器相连接，紧接着通过相应的切面相互分隔开。以这种方式使得各个压电元件的谐振频率相互间的偏差特别小，这显著简化了其分析过程。
为了实现反射器对超声波脉冲的聚焦，根据权利要求10的方案是有利的，即使得反射器在轨道行进方向上看起来呈凹曲面。
为了实现尽可能最佳的超声波脉冲聚焦，根据权利要求11的方案是具有优点的，即反射器的曲面中点位于压电元件或谐振器的区域内。这里“曲面中点”的概念表示垂直于轨道行进方向的投影。在反射器设计为圆柱形的情况下，曲面中点位于一条垂直于轨道行进方向延伸的公共直线上。
尤其是当所发出的超声波脉冲基本上仅在轨道行进方向上发散时，不需要将超声波脉冲聚焦到垂直于轨道运行的方向上。在这种情况下，根据权利要求12的反射器最好具有圆柱形的形状，使得它仅仅在轨道运行的方向上产生聚焦的作用。以这种方式，可以特别简单地将反射器作为弯板部件来制造。
此外，反射器可以毫无问题地设计得很长，使得它覆盖了货物轨道所能占据的整个区域。这样就不需要为了靠近货物轨道而将反射器设计为可移动的。使反射器保持静止就完全足够了。反射器最好具有圆形的或抛物线形的曲面，以实现最佳的聚焦效果。
借助附图示例性地解释本发明的主题，而并非对保护范围进行限制。如图所示图1为用于获取行进中的货物轨道边缘位置的装置的空间示图；以及图2为图1所示装置的电路原理图。
具体实施例方式
图1示出了用于获取行进中的货物轨道3的边缘2的位置的装置1的空间示图。货物轨道3在方向4上运动，其中所述货物轨道通常不希望在垂直于轨道行进方向4的方向上运动。这种不希望的垂直运动会引起货物轨道3的滑脱，并通过相应的货物轨道引导器来进行平衡，所述货物轨道引导器调整轨道的行进。所述装置1这里作为用于确定各个边缘位置的实际值探测器。
用于获取轨道边缘2位置的装置1基本上由多个相邻设置的压电元件5构成，所述压电元件设置在一个共用的谐振器6上。压电元件5由一块晶体作为一个整体来制造，与谐振器相连接，然后相互分开，使得它们可以相互独立地振动。尤其是可以考虑将压电元件5焊接到谐振器6上，其中蒸镀或喷镀的电极用作熔焊层。在将仍连接为一个整体的压电元件5敷设到谐振器6上之后，将压电元件通过切面7来相互分隔开，使得它们可以相互独立地振动。以这种方式，各个压电元件5的几何尺寸在很窄的容差范围内都是相同的，使得所有压电元件5具有近似于相同的谐振频率。
谐振器6最好由一种复合材料制成，尤其是由玻璃纤维增强的环氧树脂制成。谐振器6在其表面8上具有铜涂层9，由所述铜涂层腐蚀出所需的焊接面以及用于驱动压电元件5的连接导线。原则上还可考虑将电子元件，尤其是乘法器以及前置放大器焊接到谐振器6上。以这种方式显著减少了布线的开销，因为仅需要将很少的导线引至谐振器6。
压电元件5既用作发送器又用作接收器，并以轨道行进方向4上10°至60°之间的发散度产生超声波脉冲10。垂直于轨道行进方向4，即在装置1的测量方向上，超声波脉冲10的发散度小于2°，因此小得可以被忽略。超声波脉冲10的发散度的不同使得通过谐振器6的几何形状，使其长度延伸垂直于轨道行进方向4，这样该方向上的弯曲保持得很小。
面对着压电元件5设置有一个反射器11，其中货物轨道3在压电元件5和反射器11之间通过。反射器11将入射的超声波脉冲10反射回压电元件5，压电元件5又将其转换为电信号。为了得到高信噪比，反射器11在垂直于轨道行进方向4的方向上看起来呈圆柱形弯曲，其中曲面中点12位于压电元件5的谐振器6的区域内。以这种方式将超声波脉冲10聚焦到谐振器6上，以使压电元件5检测到的超声波能量尽可能最大，并转换为电信号。这种很高的超声波能量特别重要，可以有效地抑制例如通过周边物体的反射引起的干扰信号。
设置在压电元件5和反射器11之间的货物轨道3覆盖了压电元件5的一部分。而压电元件5的其余部分是开放的。其中货物轨道3这样来设计，使得它至少吸收和/或反射超声波信号10的一个部分，这样在由货物轨道3所覆盖的压电元件5中，相对于未被覆盖的压电元件5只有极小的一部分超声波能量能够到达。这种差别被用来确定货物轨道边缘2位于哪个压电元件5下。由此以很小的开销就粗略确定了货物轨道3的边缘位置。
附带地，对于货物轨道边缘2位于其下的那个压电元件5，分析由该压电元件所产生的电信号的幅值。通过这种分析可以直接得到压电元件5被货物轨道3所覆盖的情况。尤其是可以考虑，为了将信号幅值换算成相应的边缘位置，需要将相应的标准值存储到一个计算器中，由这些标准值通过内插得到一条校准曲线。以这种方式确保了对装置1的传输特征曲线的精确线性化。
图2示出了装置1的一个示意性的电路图，其中压电元件5仅用相应的符号来表示。装置1具有一个控制器20，该控制器负责该电路的整体时间控制，以及对测量数据的数字处理。
控制器20通过一个递增输出端21和一个递减输出端22来控制一个前向-后向计数器23，由被激活的压电元件5来确定其计数状态。前向-后向计数器23通过一条地址总线24连接到两个模拟乘法器25。所述模拟乘法器25分别将一个对应于地址总线24上的地址的输出端26连接到一个输入端27。在输出端26之间分别以相同的位数连接压电元件5中的一个。通过这种方式使两个模拟乘法器25的两个输入端27分别与所选出的压电元件5的两个电极相连接。
模拟乘法器25的两个输入端27与另一个乘法器29的输出端28相连接，所述另一个乘法器29被设计为2-2乘法器。该模拟乘法器29具有一个与控制器20的模式输出端31相连的地址输入端30。通过这个模式输出端21确定压电元件5是作为发送器还是作为接收器来工作。
为了作为发送器来工作，装置1具有一个振荡器32，它在给定情况下也可以由控制器20来来提供时钟节拍。附带地设置有一个单稳态触发器33，它由控制器20的一个触发输出端34来控制。振荡器32和单稳态触发器33通过一个与门35来连接，与门35通过振荡器的振动产生一个脉冲群。所述脉冲群一方面经过反相、另一方面未经过反相送至模拟乘法器29的输入端36。通过这种措施，压电元件5以完整的驱动电压来工作，以发出尽可能最大的输出信号。
在接收模式下，压电单元5与模拟乘法器29的输入端37相连接。所述输入端37一方面与一个分压器38功能连接，另一方面与一个整流信号放大器39功能连接。分压器38仅用于调整压电元件5在驱动电压范围内的工作点。信号放大器39对压电元件5所产生的电信号进行放大，以可以对其进行进一步处理。
信号放大器39与一个模/数转换器40功能连接，所述模/数转换器将放大后的信号转换成数字值。该数字值通过一条数据总线41引至控制器20。此外，放大器39与一个窗比较器42功能连接，所述窗比较器将信号幅值与一个上边界值和一个下边界值进行比较。当超出上边界值和低于下边界值时，窗比较器42通过控制器的输入端43或44处的激活信号将该情况通知给控制器20。
下面将详细描述装置1的工作过程。为了开始一个测量周期，首先必须粗略地找到货物轨道的边缘2。这例如可以这样来实现即控制器首先清空计数器23，然后通过递增输出端21依次进行增量计数。或者可选地，也可以考虑直接由控制器20对计数器23进行加载，以能够实现较快速的算法，例如连续地进行近似。
在每次选择地址总线24上的一个新的地址之后，通过模拟乘法器25选出一个特定的压电元件5。紧接着控制器的模式输出端35被置为逻辑1，以使所选出的压电元件5与振荡器32相连接。通过触发输出端34上的一个触发脉冲，产生了振荡器32的一个脉冲序列，它作用到所选出的压电元件5上。所述脉冲序列在压电元件5中被转换为机械振动，由谐振器6所发出。
一旦单稳态触发器33再次回到其未激活的状态，则脉冲序列结束。在等待一段特定的、由控制器20所确定的滞后时间之后，模式输出端31切换到逻辑0，以使压电元件5工作在接收模式下。其中所述压电元件与信号放大器39相连接，并且经过放大和整流的信号通过模/数转换器40和数据总线41输送给控制器20。控制器20仅利用那些在压电元件5和反射器之间传播的信号行程时间的大约两倍的时间内在数据总线41上到达的信号。所测量到的信号强度通过存储在控制器20内的校准曲线换算为压电元件5被货物轨道3所覆盖的情况，并且输出给数据总线45。在这一换算过程中，附加地考虑到计数器23的计数状态，所述计数器确定哪个压电元件5在测量时被激活。
如果窗比较器42向输入端43或44通知了信号强度变得过低或变得过高，则表明货物轨道边缘2不再位于所选出的压电元件5之下。根据信号是变得过低还是变得过高，控制器20向其递增输出端21或者其递减输出端22送出一个脉冲，以使计数器23向上或者向下计数。这一过程重复进行，直到信号不再过高或过低。显然，也可以考虑在控制器20中通过软件实现窗比较器42的功能，对在数据总线41上到达的数据进行相应的处理。原则上可以使所有上述的组件都通过控制器20来实现，以控制压电元件5。
附图标记列表1装置2轨道边缘3货物轨道4轨道行进方向5压电元件
6谐振器7切面8表面9铜涂层10超声波脉冲11反射器12曲面中点20控制器21递增输出端22递减输出端23前向-后向计数器24地址总线25模拟乘法器26输出端27输入端28输出端29模拟乘法器30地址输入端31模拟输出端32振荡器33单稳态触发器34触发输出端35与门36输入端37输入端38分压器39信号放大器40模/数转换器41数据总线
42窗比较器43输入端44输入端45数据总线
权利要求
1.用于获取行进中的货物轨道(3)的边缘(2)的位置的方法，在该方法中压电元件(5)向货物轨道(3)发出超声波脉冲(10)，其中货物轨道(3)最多允许到达的超声波能量的一部分穿过，其特征在于，超声波脉冲(10)由反射器(11)向压电元件(5)反射，所述压电元件接收反射的超声波脉冲，并将其转换成电信号，其中货物轨道(3)设置在压电元件(5)和反射器(11)之间。
2.如权利要求1所述的方法，特征在于，压电元件(5)以一定的发散度产生超声波脉冲(10)，在轨道行进方向(4)上的发散度大于垂直于轨道行进方向的方向上的发散度。
3.如权利要求1或2所述的方法，特征在于，在发出超声波脉冲(10)后，经过一段滞后时间之后才分析压电元件(5)的电信号，以确定货物轨道(3)的边缘位置。
4.如权利要求3所述的方法，特征在于，仅在与反射器(11)的距离相关的一个时间窗内分析压电元件(5)的电信号，以确定货物轨道(3)的边缘位置。
5.如权利要求1至4中任一项所述的方法，特征在于，获取输出超声波脉冲(10)与压电元件(5)的电信号之间的时间差，所述时间差由通过货物轨道(3)的超声波信号(10)的反射所产生，并且由所述的时间差来确定从压电元件(5)到货物轨道(3)的距离。
6.如权利要求1至5中任一项所述的方法，特征在于，由多个压电元件(5)同时发出超声波脉冲(10)，其中仅分析由这些压电元件(5)中的一个所得到的电信号。
7.如权利要求1至6中任一项所述的方法，特征在于，反射器(11)将超声波脉冲(10)至少聚焦到轨道行进方向(4)上。
8.用于获取行进中的货物轨道(3)的边缘(2)的位置的装置，其中所述装置(1)具有发出超声波脉冲(10)的压电元件(5)，这些压电元件指向货物轨道(3)，所述货物轨道最多允许到达的超声波能量的一部分穿过，其特征在于，面对着压电元件(5)设置有一个反射器(11)，其中压电元件(5)能够接收由反射器(11)所反射的超声波脉冲(10)，将其转换成电信号，并且货物轨道(3)设置在压电元件(5)和反射器(11)之间。
9.如权利要求8所述的装置，其特征在于，压电元件(5)与一个共用的谐振器(6)相耦合，所述谐振器基本上在垂直于轨道行进方向(4)的方向上延伸。
10.如权利要求8或9所述的装置，其特征在于，反射器(11)在轨道行进方向(4)上看起来呈凹曲面。
11.如权利要求10所述的装置，特征在于，反射器(11)具有一个位于压电元件(5)和/或谐振器(6)的区域内的曲面中点(12)。
12.如权利要求8至11中任一项所述的装置，特征在于，反射器(11)具有圆柱形的形状。
全文摘要
用于获取行进中的货物轨道(3)的边缘(2)的位置的方法和装置(1)。所述装置(1)具有压电元件(5)，所述压电元件一方面发出、另一方面接收超声波脉冲(10)，并将其转换成电信号。为此目的货物轨道(3)设置在压电元件(5)和反射器(11)之间。当货物轨道(3)位于压电元件(5)的测量区域内时，它通过超声波脉冲两次传播过程中的反射或吸收使超声波脉冲衰减。通过这种衰减来计算出货物轨道边缘(2)的位置。
文档编号G01N29/27GK1598484SQ200410056098
公开日2005年3月23日 申请日期2004年8月16日 优先权日2003年8月16日
发明者朱根·艾森, 沃尔夫冈·克劳斯, 汉斯·赛博尔德 申请人:埃哈特+莱默尔有限公司