专利名称：无接触测量沿纵向运动的管线的速度和/或长度的方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1所述的、用于无接触测量沿纵向 向前运动的管线、特别是电缆的速度和/或长度的方法。
背景技术：
非常需要精确地测量生产的管线例如芯线、电缆、管子或软管的
长度。外壳绝缘装置例如以每年约€ 30000000的价值制造电缆。关于 生产量的任何节省意味着额外的价值创造。如果生产的长度可以减少 0.1%,则每年可以节省约€ 30000。
已知在管线或轨道中按照频率差的原理(多普勒效应)执行无接 触的长度测量。在所谓面式产品如纸、钢板、织物等的测量中，该方 法已证明是优越的。但在对管线形的产品例如电缆进行长度测量时出 现问题。
发明内容
因此本发明的目的在于，提供一种用于无接触测量沿纵向向前运 动的管线、特别是电缆的速度和/或长度的方法，借助该方法得到在很 大程度上无误差精确的测量结果。
所述目的通过权利要求1的特征来实现。
本发明从这样的知识出发，即由管线边缘的有限的长度产生的衍 射图对于管线的该长度区段是特征性的，并且不同于管线的接着的长 度区段引起的衍射图。如果人们借助于适当的图像传感器的接收面和 对衍射图的分析确定一次检测的衍射图或该衍射图的表征性特征在一 个空间上隔开距离的位置处重新出现，则可以由在对衍射图的第一检 测和该衍射图与 一在第二位置处检测的衍射图相符合之间流逝的时间
4以及所述位置的间距确定管线走过第一与第二位置之间的路段的速 度。如果持续地重复所述过程，则在每个时刻可以得出管线速度并从 而也可以进行精确的长度确定，即使在前进过程中出现速度波动。
为测量目的应用衍射图由EP 0 924 493已知。在该已知的测量方 法中，这样来确定管线、特别是直径较小的电缆的直径，即，将一单 色的点状光源的扇形射束横向于管线地指向该管线。管线的阴影被投 影到结构形式已知的行状的光敏传感器上。所测量的通过衍射引起的 传感器信号给出关于衍射边缘在测量空间中的位置的信息。由于衍射 现象，虽然不直接由入射到传感器上的射线的强度分布得出几何的阴 影边界，但它们可以由形成的衍射条紋导出。在本发明中，将衍射图、 亦即所测量的强度分布的表征性特征用于标记管线的表面的长度单 元，以便确定标记的表面在哪个时间内从第 一 位置运动到第二位置。 到达第二位置通过在第一位置处检测的衍射图的表征性特征与在第二 位置处检测的衍射图的表征性特征的足够的符合来确定。第一与第二 衍射图或它们的表征性特征之间的相关性优选借助于所谓的互相关函 数得出。在信号分析中，众所周知将互相关函数用于描述在信号之间 的不同的时移情况下两个信号的相关性。
在按照本发明的方法中，将第一光束在管线的一侧上横向于该管 线指向。由第一图像传感器的第一接收面在预定的第一位置处在管线 的相对的一侧上接收该光束。在管线的边缘处发生衍射，并且相应的 衍射图、亦即接收的射线的强度分布在阴影边界处在第一接收面上成 像。检测和评价衍射图。衍射图具有典型的分布，例如多个连续变小 的最大值。 一最大值在图像传感器上的位置对于在考察的位置处的管 线的轮廓是特征性的。因此，为了分析相应的衍射图可以应用一个或 多个最大值。也可设想，由衍射图精确地计算确定和考察相应的阴影 边界。在各种情况下通过对衍射图的分析可以表征管线的边缘的被照 射的轮廓，即使用肉眼不再能看到表面不平度。因此，本发明利用由 衍射图导出的特征，以获得管线的表面特征，并且可以确定表面特征 在哪个时间内走过一确定的路段。由此可以得出速度。
5为了说明的目的，将同第一光束一样横向于管线延伸的笫二光束 指向第一或第二图像传感器的第二接收面，该第二接收面沿管线的前 进方向在与第一接收面相同的一侧上设置在与第一接收面的第一位置
隔开距离的第二位置处。当然，可以使用一个唯一的光源，该光源的 光束入射到第一以及第二接收面上。但也有可以设置分开的光源，它 们沿管线的纵向隔开距离地设置。对此以下还要详述。
在第二接收面上在阴影边界处同样成像出衍射图，同样对这些衍 射图检测和,价，如以上所述。在一评价装置中确定在哪个时间段之 后在第一接收面上检测的衍射图的表征性特征与在第二接收面上检测 的第二衍射图的表征性特征接近相关。由各接收面的或在各接收面上 的第 一和第二衍射图的特征的成像位置的间距和所述时间段确定管线 的前进速度并由此确定管线的前进的长度。
相对于对管线表面的聚集的光学分析，本发明的优点是，不需要
镜组。校正的镜组不允许低于5pm的分辨率，因此其精度是受限的， 不考虑为此的费用。本发明不需要聚焦并且确保高的分辨率。因此在 本发明中最小的表面变化足以经由衍射图来识别和标记它们。管线与 光源或图像传感器的间距变化导致衍射图的不同的扩展，但它们的表 征性特征并不改变。
在按照本发明的方法中优选使用两个图像传感器，它们的接收面 具有多个行和列。适当的高分辨图像传感器通常是已知的。其具有例 如1280x1024个像素。图像传感器例如以50mm的间距设置。但也可 以使用一个唯一的图像传感器，并且位置隔开地在该唯一的图像传感 器的接收面上选择检测衍射图的第 一和第二位置。这两个接收位置之 间的间距在这种情况下自然是小的。
可设想，借助一个唯一的光源产生第一和第二光束，该光束在各 接收面上经由管线的边缘产生衍射图。按照本发明的一种实施形式， 使用沿纵向隔开距离的点状光源的、发散的第一和第二光束。点状光 源众所周知产生扇形射束。点状光源例如是适当的产生基本上单色的 光的半导体激光器。可以省去在点状光源与图像传感器之间的光学装置。用于实施按照本发明的方法的器材费用相当低。
光束的光可以位于光i普的可见范围或邻接的不可见的范围内。
按照本发明的另一实施形式，图像传感器或接收面的控制这样实 现，即以预定的频率检测第一和笫二衍射图，并且存储它们的表征性 特征。如果管线的前进速度已知，则可以大致说明，在第一位置上已 产生的衍射图或它的表征性特征需要多少时间，以便在第二位置上与 在那里产生的衍射图或它的表征性特征相关。但在第二接收面上相关 的位置可以改变并且与管线的实际速度或实际长度有关，该速度可以 利用常见的测速仪例如测速发电机等不足够精确地得出。因此各衍射 图在第二接收面上的符合或相关的位置通常相对于一基准线例如接收 面的中心线具有偏移，如果这不被任意地阻止的话。因此本发明的一 种实施形式规定，对第二衍射图的检测相对于对第一衍射图的检测以 一相位差进行，其中该相位差的大小与这样的时间间隔相当，第一衍 射图或其表征性特征与在第二接收面上的第二衍射图或其表征性特征 相符合的位置离第二接收面的中心线或基准线具有所述时间间隔。如 果对于第二射束使用平行光，则不需要相位差，因为经由图像传感器 的各列无疑可以无误差地得出笫 一和第二衍射图或它们的表征性特征 相符合的位置。而在扇形射束时，在到扇形射束的中轴线的距离中自 然存在误差，从而当相关的位置按照可能性位于第二接收面的中心或 位于接收面的与中轴线对准的基准线上或者在与扇形射束或点状光源 的轴线重合的位置上时，测量将更精确。
按照本发明的方法还可以用于确定管线是否例如在生产开始时运 动。为此目的，借助于第一图像传感器或第一接收面和评价装置确定， 时间上隔开的衍射图或它们的表征性特征是否相对彼此具有位置上的 偏移。如果是这种情况，则可以得出管线的运动和运动方向。
或多或少柔性的管线例如电缆在生产或巻绕到例如辊上时具有弯 曲，通过该弯曲增大管线在两个隔开距离的位置之间的长度。因此， 本发明的一种实施形式规定，在接近水平运动的管线中，将光束指向 管线的下边缘。按这种方式与弯曲无关地测量管线的实际长度。
以下拟借助在附图中示出的实施例更详细地说明本发明。图1示意地示出一点状光源和一具有横向于电缆的测量轴线的图像传感器的布置以及在所示的测量平面内的衍射图；图2示出由电缆的长度区段按图1产生的衍射图的例如第一最大 值的分布，更确切地说在图像传感器上的隔开距离的位置处；图3示出用于实施按照本发明的方法的装置；图4示出按照本发明的方法的方框图。
具体实施方式
图1中示出一电缆10，该电缆的轴线垂直于图平面。 一点状光源 12例如半导体激光器产生横向于电缆10的轴线定向的扇形射束14。 一阴影18成像在一例如包括具有1280个像素的列和具有1024个像素 的行的图像传感器16上。在阴影边界20处发生衍射，该衍射通过接 收的光的在21处示出的强度分布来表征。所示的分布21发生在垂直 于图平面具有例如1024个列的图像传感器16的一个列内。在23处示 出第一最大值。在22处存在第一最小值。实际的阴影边界位于从黑暗 幅值(Dunkelwertamplitude )到衍射条紋的第一最大值的过渡处。衍射图与电缆包皮的表面特性、即其轮廓有关。即使该表面极其 光滑，它仍然具有确定的、可以用高分辨图像接收器和衍射效应来检 测的不平度或结构。在图2上部，在24处描绘出第一衍射图的第一最 大值的分布，而在26处描绘出第二衍射图的第一最大值的分布。各衍 射图在不同的时刻由电缆的相同的纵向区段引起。因为两曲线图源自 相同的表面区段，所以可以通过移动使它们接近重叠，如图2下部所 示。为了建立相关性，两曲线图24、 26在图像传感器16的面上移动 约340个列是必需的，这相当于3，8mm的距离。在图3中可再次看出电缆10以及彼此隔开距离的第一点状光源 12a和第二点状光源12b，其中该距离平行于电缆IO纵向延伸。光源812a产生第一扇形射束14a，而第二光源12b产生第二扇形射束14b。 点状光源12a和12b也由半导体激光器形成。在电缆10的对置于光源 12a和12b的一侧上设置有图像传感器，这些图像传感器通过它们的 接收面30、 32表示。各图像传感器的接收面30、 32的中心线的间距 用50mm标出。如上所述，点状光源12a和12b在电缆10的下边缘 处在接收面30、 32上产生衍射图，如在36或38处所示。电缆10沿 箭头38的方向以速度v向前运动。该速度可以借助于适当的测速装置 来测量，例如借助于在出料履带式行走装置(Abzugsraupe )等上的 测速发电机。但测量的速度值Vm不是足够精确的。当电缆10的所属的表面区段已到达第二接收面32时，在接收面 30上成像的衍射图也出现在第二接收面32上。各成像的衍射图通过 确定的特征来表征，例如通过它们的第一最大值、通过多个最小值和 具有减小的幅度的最大值、通过能计算得出的精确的阴影边界等。如 果确定衍射图36例如它的表征性特征从在第一接收面上的一确定的 位置直到在第二接收面32上的一确定的位置需要多长时间，则可以由 此确定电缆10的精确的速度v，因为接收面30、 32或者说所述确定 的位置的间距是已知的。各衍射图的符合或它们的表征性特征的相关性可以借助于互相关 函数确定。不要求100%的符合，而是尽最大可能的符合，它保证在 第一接收面30上检测的衍射图是在接收面32上与在那里成像的衍射 图在很大程度上相符的衍射图并且因此在第一和第二接收面上的电缆 的表面位置相符。因此符合的位置与对在接收面30上的衍射图或其表 征性特征的检测的第 一位置具有几何距离。在描述的测量方法中，在各时间间距内、优选以预定的频率对在 接收面30、 32上的衍射图进行检测。由电缆10的以另一种方式测量 的速度vm可以大致确定时间窗，在该时间窗内第 一衍射图出现在第二 接收面32的位置上。精确的位置这样得出，即得出表征性特征在接收 面32上符合的位置，这借助于图像传感器的接收面的各列毫无问题是 可能的，其中该位置通常到中心线或基准线具有距离。在确定速度v时，该偏移是无关紧要的，如果将平行的射束投射到电缆和图像传感 器上。但在当前的情况下设有扇形射束，并且对衍射图在一具有例如 到第二接收面的中心线的偏移的位置上的检测或许导致不精确的测
量。为了消除该缺点，对第二接收面上的衍射图的检测相对于对第一 接收面上的衍射图的检测以一相位差进行。该相位差由第一和第二衍 射图相符合的、得出的位置到所述中心线所具有的偏移产生。如果该 偏移例如在第 一接收面的方向上，则稍微延迟对第二接收面上的衍射 图的检测，由此检测第二衍射图的位置大致位于中心线的区域内。
在图4中用虚线示出电缆10。此外，可看到按照图3的接收面30、 32和点状光源12a和12b。接收面30、 32或图像传感器的图像信号送 到评价装置40上。各图像传感器由评价装置40以预定的频率控制， 其中，如提到的，按照第一和第二衍射图的符合相对于在第二接收面 32上的中心线或基准线的空间偏移，以一相位差激活具有接收面32 的图像传感器。在评价装置40中对所成像的衍射图进行分析，例如关 于笫一最大值，由此得到电缆包皮的相应的表面区段的特征。此外， 评价装置如上所述地得出各衍射图的表征性特征的相关性并由此得出 电缆10的速度v进而以及相应的长度。
对电缆的下边缘的照射考虑到通常发生的弯曲。
对在笫 一接收面上的时间上隔开的各第 一衍射图或它们的表征性 特征的评价还使得可以确定，电缆是否向前运动以及在哪个方向上运 动。如果电缆停止，则所有的笫一衍射图重合。如果它运动，则相同 的衍射图彼此间具有空间间距。
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权利要求
1.用于在生产过程中无接触测量沿纵向向前运动的管线、特别是电缆的速度和/或长度的方法，包括以下步骤使第一光束在一侧横向于管线指向，并且由第一图像传感器的第一接收面在预定的第一位置处在管线的相对的一侧上接收该光束；在预定的时刻关于至少一个特定的、表征表面轮廓的特征分析在阴影边界处在第一接收面上成像的第一衍射图，并且存储表征表面轮廓的特征；使横向于管线定向的第二光束指向第一或第二图像传感器的第二接收面，该第二接收面沿管线的前进方向在与第一接收面相同的一侧上设置在与第一接收面的第一位置隔开距离的第二位置处；关于至少一个表征表面轮廓的特征分析在阴影边界处在第二接收面上成像的第二衍射图；在评价装置中确定，在哪个时间段之后在第一接收面上检测的第一衍射图的表征性特征与在第二接收面上检测的第二衍射图的表征性特征接近相关；由各所述接收面的或在所述接收面上的第一和第二衍射图的表征性特征的成像位置的间距和所述时间段确定管线的前进速度并由此确定管线的前进的长度。
2. 按照权利要求1所述的方法，其特征在于，使用沿管线的纵向 隔开距离的点状光源的、发散的第一和第二光束。
3. 按照权利要求2所述的方法，其特征在于，所述点状光源由半 导体激光器形成。
4. 按照权利要求2或3所述的方法，其特征在于，第一和第二点 状光源没有其他光学装置地指向管线，并且在管线与图像传感器之间 没有设置光学装置。
5. 按照权利要求1至4之一项所述的方法，其特征在于，各所述 接收面具有光敏的行和列。
6. 按照权利要求1至5之一项所述的方法，其特征在于，以预定 的频率在第一和第二接收面上检测第一和第二衍射图，并且在评价装 置中借助于互相关函数确定第一和第二衍射图的表征性特征的相关 性。
7. 按照权利要求2和6所述的方法，其特征在于，对第二衍射图 的检测相对于对第一衍射图的检测以一相位差进行，其中该相位差的 大小与这样的时间间隔相当，第 一衍射图的表征性特征与在第二接收 面上的第二衍射图的表征性特征相符合的位置离在第二接收面上的中 心线或基准线具有所述时间间隔。
8. 按照权利要求1至7之一项所述的方法，其特征在于，借助于 第一图像传感器或第一接收面和评价装置，通过确定时间上隔开的各 第一衍射图或所述衍射图的表征性特征是否相对彼此具有位置上的偏 移，来确定管线是否运动和在哪个方向上运动。
9. 按照权利要求1至8之一项所述的方法，其特征在于，管线接 近水平地运动，并将光束指向管线的下边缘。
全文摘要
本发明涉及一种无接触测量沿纵向前移的管线的速度和/或长度的方法，包括以下步骤使第一光束在一侧横向于管线指向，并由第一图像传感器的第一接收面在第一位置在相对的一侧上接收该光束；关于至少一个表征表面轮廓的特征分析在阴影边界处在第一接收面上成像的第一衍射图并存储该特征；使第二光束指向第一或第二图像传感器的沿管线前进方向设置在与第一位置隔开的第二位置处的第二接收面；关于至少一个表征表面轮廓的特征分析在第二接收面上成像的第二衍射图；在评价装置中确定在哪个时间段后第一衍射图与第二衍射图的表征性特征相关；由各接收面的或第一和第二衍射图的表征性特征的成像位置的间距和所述时间段确定管线的前进速度及前进的长度。
文档编号G01P3/80GK101655506SQ20091016350
公开日2010年2月24日 申请日期2009年8月21日 优先权日2008年8月21日
发明者H·西科拉 申请人:斯考拉股份公司