组合传感器的制作方法

本发明涉及根据权利要求1的前序的、用于使用基于不同测量方法的至少两个光学测量系统来自动检测比如线缆、电线或型材的细长物体的装置和根据权利要求15的前序的、使用这种装置的安装方法。

背景技术

在用于线缆、电线或类似的细长物体的加工机械中，必须通过可靠的物体识别来确保加工的类型、机械的设定及其参数针对相应的物体和使用者限定高的要求来调整。为此，测量系统优选布置在加工机械的前方或入口处，这会使得能够可靠地识别细长物体。由于识别的可靠性随着不同测量原理的数量而增加(因为例如具有相同外径和相同颜色的线缆可以具有不同的内部导电配置，或者具有不同的铜横截面、不同的结构-细织带、织带、电线-的线缆)的线缆可以具有相同的电磁特征，因此这些系统包括多个传感器装置。

de10219848a1公开了包括光学测量装置的非接触式中心和直径测量系统，该光学测量装置用于确定位于垂直且横向于测量装置的中心轴线布置的光学测量平面中的细长物体的外径和位置。该物体包括导体和使导体绝缘的鞘，其中，导体在感应测量平面中的位置借助感应测量线圈装置来确定，其测量平面也布置为垂直并横向于测量装置的中心轴线。光学测量装置所确定的物体的位置与感应测量线圈装置所确定的导体的位置有关，并且由此计算出鞘中导体的中心。在这种情况下，测量线圈装置的测量线圈关于光学测量平面成对布置或均等布置，但不被细长物体穿过。测量物体自身总是停留在测量线圈之外。线圈的成对布置用于对源自导体中流动的交变电流的场强度进行差分测量，交变电流必须借助导体中的测量系统的附加电感器来感应。因此，线圈中感应的电压差是对导体关于线圈镜像轴线的偏心率的度量。因此，线圈并非受到铜阻尼的谐振电路的一部分。此外，没有设置另外的光学测量系统。

wo2009150620a1转而描述了这样的传感器的装置，其中，作为对线缆外径的测量结果，置于绝缘鞘内的金属导体以及可选的其他可外部检测的特征允许自动或半自动地识别提供来进行加工的相应线缆或者至少识别线缆类型。各种所述的传感器功能上彼此独立，不具有协同效应，不具有共同使用的元件或区域，并且因此不会形成测量系统的组合。

技术实现要素：

因此，本发明的目的在于，提供改进的传感器装置，该传感器装置使用各种测量系统的协同效应，使得获得了紧凑、功能稳健的组合传感器设计，该组合传感器设计使得能够确定物体的多个特征，以便能够由此可靠地识别物体。

为了解决该目的，先前描述的装置的特征在于，至少用于确定物体的外径的第一光学测量系统和至少用于确定物体的颜色的第二光学测量系统形成具有共用测量空间的组合。在优选的实施例中，该测量空间为盘形。用于确定外径的第一测量系统至少包括第一照射装置和定位在测量空间的相反侧上的第一传感器阵列，其中，透镜布置在第一照射装置与测量空间之间，透镜被设计和定位为用于第一照射装置的光线的准直透镜，并且其中，第二测量系统包括至少一个第二照射装置、第二传感器阵列和长通滤波器，其中，长通滤波器布置在第一照射装置与透镜之间，反射第二测量系统的波长光谱并传送第一测量系统的光线，并且与透镜一起被设计和定位为使得长通滤波器被物体的反射光线穿过两次并将物体的图像投射到第二传感器阵列上。多个测量系统的组合增大了对于细长物体的类型或性质(例如线缆加工安装方法中待加工的线缆的类型)的识别质量。从而确保了线缆加工的参数对应于类型，或者只有合适的线缆在相应的机械上进行加工。该装置还允许通过常规和经过证实的部件以相对简单的构造设计非常精准地确定细长物体的直径。光源可以有利地通过引导装置的间隙照射物体，其阴影也通过该间隙入射在第一传感器阵列上并且可以在此被检测到。由于线缆的类型时常例如特征在于其鞘的颜色，因此使用不同波长光谱及其反射强度的这种传感器装置允许快速且非常可靠地识别线缆的类型。

优选地，盘形测量空间布置在引导装置的两侧端部之间，优选沿纵向方向位于中心处并且优选与引导装置同轴。这种引导装置可以例如是线缆架，线缆作为待识别的细长物体被引导穿过线缆架。因此，物体的各种测量值和特征可以通过相对紧凑的布置方式来检测，以便允许其高度可靠地快速识别。

优选地，光学测量系统的主平面及主光轴与用于细长物体的引导装置的纵向轴线垂直布置。

有利地，第一照射装置包括光源和至少一个屏。

优选地，第二照射装置包括多个、优选三个并且还优选彼此靠近放置的光源，该光源具有不同的波长光谱，并且针对从物体反射的光线的第二传感器阵列与第二照射装置处于盘形测量空间关于x-z平面的同一侧上。该照射装置的光源优选如此放置，并且其光锥形成有屏，使得其光线不入射在传感器壳体上，而是仅入射在待测量的物体上。

优选地，在第二测量系统中以如此方式实施驱动第二照射装置的光源的顺序，使得依次照射物体，并且因此将图像按照光源的波长光谱依次投射到第二传感器阵列上。该第二传感器阵列的部分连接于评估单元，该评估单元针对通过具有不同波长光谱的光源进行照射期间所测量的强度并且用于确保物体颜色的确定。

根据本发明，该装置的有利实施例的特征在于，长通滤波器布置在主光轴上并且优选以如此方式对齐，以便将物体反射的光线偏转到第二传感器阵列上，第二传感器阵列定位在主光轴之外并且被对齐到长通滤波器上以检测颜色。

优选地，根据本发明，用于确定直径的光学测量系统和用于确定颜色的光学测量系统被组合以形成用于确定物体在盘形测量空间内的位置的第三虚拟测量系统。因此，各种光学测量和电感测量可以通过并入物体的位置信息来修正，以便获得更精确的测量结果。

本发明的另外的装置设置为，第三测量系统包括具有优选两个光源的第三照射装置、第一传感器阵列和可选的用于三角测量确定物体在测量空间内的位置的第一照射装置。

针对用于确定颜色的光源的替代实施例，第三照射装置的照明设备包括多个光源，这些光源各自具有不同的波长光谱，并且被设计为依次照射物体并因此将图像按照光源的波长光谱依次投射到第二传感器阵列上。

本发明的所有装置共有的有利特征在于，第一传感器阵列的测量平面垂直于x-y平面延伸，但是可以与x轴成小角度与于x-y平面相交以避免反射。如果用于确定位置的光源的两个位置也用作用于确定颜色的光源的位置，则这是尤其重要的。

替代实施例特征可以在于，用于确定颜色的第二传感器阵列是多色传感器，并且第二照射装置的光源同时运行或者被宽度或由多带的第二光源替代。

替代地或者另外地，为此也可以设置为，第二传感器阵列是多色传感器，并且第二照射装置的光源中的至少一个被宽度或多带的光源替代。

有利地，该装置也可以设置有用于修正温度引起的测量误差的温度传感器。

为了解决最初规定的目标，还通过根据前述段落的用于自动检测定位在一侧上的物体的装置描述了用于加工比如线缆、电线或型材的细长物体的安装方法。

附图说明

本发明的另外的优点、特征和细节从下面的描述中获得，其中，参照附图描述了本发明的示例性实施例。在本文中，权利要求中和说明书中提及的特征各自分别自身或结合地对本发明必要。

本专利权利要求和附图的技术内容是本公开的一部分。附图通过结合性且重叠的方式来描述。相同的附图标记表示相同的部件，具有不同角标的附图标记指代功能上相同或类似的部件。

在附图中：

图1示出沿x-y平面穿过根据本发明的用于线缆加工机械的示例性传感器装置的纵向剖面，

图2示出图1的装置的测量系统的视图，

图3示出根据图1的测量系统沿细长物体的轴向方向的示意图，

图4示意性地示出根据本发明的用于测量线缆直径的传感器装置的功能图，

图5示出沿着光轴沿x-y平面穿过根据本发明的传感器装置的纵向剖面，

图6示出沿y-z平面穿过传感器装置的另一纵向剖面，

图7示出具有双透镜系统的传感器装置的光学关系，

图8示出具有带镜子的双透镜系统的传感器装置的光学关系，

图9示出图像宽度、物体宽度和图像比例随物体-图像距离变化的曲线图，

图10示出传感器装置的白平衡的曲线图，和

图11示出橙色线缆的测量值的曲线图。

具体实施方式

图1示出传感器装置的示例性实施例，该传感器装置例如优选定位在用于细长物体的加工机械(尤其是针对用于线缆等的加工机械)的前方或入口处，以便使得可靠地识别作为测量物体w的待加工线缆。壳体2以及管3和传感器装置的光学系统的一部分在入口侧紧固在加工机械上。细长物体w沿轴向方向被引导并且在实际加工开始之前穿过壳体2中作为引导装置的线缆架4a、4b。

在物体w的穿过移动期间或者同样在静止时，确定物体w的外径和颜色。此外，可以确定物体在线缆架4a、4b内的位置。根据本发明，用于确定这些测量量的传感器以及因此用于物体w的外径或颜色的测量系统是基于不同的测量原理，但至少部分地使用传感器装置的共同区域或元件。

图1示出沿由光轴y和线缆架4a和4b的轴线x所限定的平面穿过传感器装置的剖面。定位在管3的最外端处的是第一光学测量系统d的第一照射装置dp1，第一光学测量系统d用于通过光源dp2和屏dp3来确定直径。第一光学测量系统d也可以是用于确定物体w的位置的另一光学测量系统p的一部分。成像光学系统dcp5安装在物体w与该第一照射装置dp1之间，成像光学系统dcp5的长通滤波器c3(其用作用于可见光的镜子)反射被物体w反射的光线并将其引导到用于检测物体w的颜色的测量系统c的第二传感器阵列c4、优选直线传感器阵列c4上。壳体2还容纳作为用于确定直径的光学测量系统d的检测器的另一个第一传感器阵列，优选为直线传感器阵列dp4。如下面将进一步解释的，在任何情况下，上述测量系统c、d都可以被链接以形成第三虚拟测量系统p。

测量系统d、c、p的必要部件在图2和图3中以其有利的共同布置方式再次示意性示出，并且将在下文中详细解释。在任何情况下，这里所示的光学测量装置与其他完全不同基础的测量装置的组合都是权宜的，例如与如下涡流传感器组合，该涡流传感器包括包含两个半线圈e1a和e1b的线圈e1以及电容e2，其一起形成感应测量系统的谐振电路e6。还包括励磁电路e3、电阻e4和信号转换器e5的测量系统允许测量细长物体的电磁特征，优选地，可以从该电磁特征确定物体w的导电部件的横截面、尤其是线缆的一个或多个导体的横截面。

两个线缆架4a、4b沿轴向方向彼此稍稍间隔开，导致在这两个部件之间获得间隙9，间隙9在壳体2中连续并使得光学测量系统d、c、p能够接近线缆架4a、4b内的物体w。通过间隙9和线缆引导开口获得的共同部分空间形成盘形的光学测量空间dcpv。

此外还从图2推断出，优选地，主光轴y也处于的光学测量系统d、c、p的主平面y-z垂直于线缆架4a、4b的纵向轴线x定向。

对于物体w外径的光学测量，这通过间隙9照射在线缆架4a、4b之内光学测量空间dcpv的区域中。如图5清楚所示，第一照射装置dp1的光线被测量系统d的光学系统dcp5准直化，落在物体w上并引起s1所象征的阴影。如图1示意性所示，该阴影s1对于第一直线传感器阵列dp4上的每个像素引起不同的电压水平，可以根据不同电压水平的分布推断出线缆直径。有利地，直线传感器阵列dp4的测量平面垂直于x-y平面延伸，但可以与x轴成小角度α地与该平面相交(参见图2)。

光线的平行度和传感器dp4的像素宽度对于测量的准确度至关重要。具有光源dp2(优选被设计为红外线led)的第一照射装置dp1的光线不受影响地穿过长通滤波器c3并且被透镜dcp2准直化。然而，对于其他波长、尤其可见光波长范围中的波长，长通滤波器c3起到镜子的作用。

盘形光学测量空间dcpv用于确定直径并且用于检测物体w的颜色，这导致显著节省安装尺寸。如从图2和图3可以推断的，为此而设置的第二测量系统c包括第二照射装置c1，第二照射装置c1具有彼此靠近放置的、具有不同波长光谱的多个光源c1a、c1b、c1c。优选地，设置三个光源。这些光源例如被设计为彩色led(例如，rgb-led)。

在这种情况下，在测量系统c中，将顺序实施为例如该测量系统的控制和评估单元中的可执行程序，第二照射装置c1的光源c1a、c1b、c1c按照该顺序来驱动，使得依次照射物体w并且因此按照光源的波长光谱将图像依次投射到该测量系统c的第二传感器阵列c4上。在光学测量系统c的评估单元中，在使用具有不同波长光谱的光源照射物体w期间所测量的强度用来确定物体w的颜色。第二传感器阵列c4与第二照射装置c1的光源c1a、d1b、c1c关于x-z平面位于-关于此请参见图1和图2-盘形测量空间dcpv的同一侧。作为所有三个光源的波长的第二传感器阵列c4的替代，可以设置包含分别感应不同波长的三个传感器的多色传感器。

定位在光学测量系统d、c、p的主轴y上的长通滤波器c3反射第二照射装置c1的光源c1a、c1b和c1c的波长，并且因此将从物体w所反射的光线反射到定位在主光轴y之外的第二传感器阵列c4上。因此，长通滤波器c3被第一照射装置dp1的光线穿透，该光线随后穿过透镜dcp2并且从而被准直化。然后，第一照射装置c1的光线两次穿过作为成像透镜的透镜dcp2-在被物体w反射之后并且也在长通滤波器c3处反射之后-使得其屈光度被使用两次，并且成像焦宽度几乎减半。因此，如果在第二测量系统c中进行反射的垂直的长通滤波器c3在x-y平面中与主光轴y成小角度β地布置，则图像形成为稍稍横向于光轴y。

为了确定线缆颜色，优选借助第二传感器阵列通过各自不同的照射(例如在红色、绿色和蓝色光线下)依次形成三个图像。于是，可以在评估单元中通过投射的色彩强度计算出物体w的颜色。这里应当注意的是，第二传感器阵列c4所测量的色彩强度关于光源与物体w之间的距离成二次方并且关于物体w与透镜dcp2之间的距离成二次方地减小。这种线缆位置相关性例如可以通过调整曝光时间来修正。可以借助如图6所示的具有两个阴影边缘的简单三角测量法来计算出线缆在光学测量空间dcpv之内所处的位置。借助于线缆位置，可以通过在测量空间dcpv中借助经验确定的强度修正值之间进行插值，来针对相应波长对第二传感器阵列c4的输出信号进行修正。

对于位置相关的测量值补偿，优选将用于直径测量的第一光学测量系统d与两个另外的光源p1a和p1b组合，以形成用于确定物体w在盘形测量空间dcpv之内的位置的第三虚拟光学测量系统p。这种附加的光学测量系统p使用上述光学测量系统的光源p1a、p1b、dp2中的至少两个和第一直线传感器阵列dp4。

替代地，当单独提供直径测量时，可以将光源中的一者、尤其是照射装置dp1的光源与附加光源组合。这里只有所使用的光源沿线缆架4a、4b或盘形光学测量空间dcpv的周向方向的间距是重要的。这两个光源产生不同角度的阴影s1、s2，这两个阴影的间距借助第一传感器阵列dp4来确定，并且可以基于已知的几何关系转换为物体w在线缆架4a、4b或感应测量空间ev以及光学测量空间dcpv之内的位置信息。

下文提出根据本发明的用于检测线缆颜色的传感器装置的一个实施例的几何光学的具体设计示例。

图7示出具有两个相同透镜l1和l2的双透镜系统、两个透镜从属的焦点f1和f2、它们各自的焦宽度f1和f2、待成像的物体g和图像b。透镜l1和l2彼此相距距离d定位。为了简化光束路径和光学计算，双透镜系统可以被替换成具有其主平面h和h’和其从属的系统焦点fs和fs’的单透镜。从fs到l1的距离也被称为ffls(前焦距)，而从fs’到l2的距离也被称为bfls(后焦距)。

这里，其保持：

图8示出当镜子m被放置在主平面h中时的双透镜系统。这具有可将图像b投射在物体侧l2上而省略l2，这是因为l1额外承担了l2的功能。因此，图8示意性地示出以上针对线缆颜色所解释的光学测量系统c(如图2和图3最清楚所示)中的光学情况。反射长通滤波器c3对应于镜子m，而透镜l1或l2对应于准直透镜dcp2。

通过镜子m与透镜l1之间的、图1中的光学系统dcp5的楔形管件，给出m和l1之间的距离k＝6.575mm。参照图7和图8，透镜l1与l2之间的距离d可以如下计算：

k＝fs(d)-ffls(d)7)

(2f-d)k＝fd10)

fd+kd＝2fk11)

使用公式6并且针对f＝71mm，现在计算系统的焦宽度fs：

在来自图2、图3和图5设计中，获得了33.5mm的c值(从物体g到图像b、即从纵向轴线x到第二传感器阵列c4的距离)。现在出现的问题是，距离b(传感器-镜子)和g(纵向轴线x-镜子c3)必须是多大以使得在第二传感器阵列c4处获得清晰的图像。

其通过如下来获得(其中c＝33.5mm)：

g＝c+b16)

(b-fs)(c+b)＝fsb

bc+b²-fsc-fsb＝fsb

b²+bc-2fsb-fsc＝0

b²+b(c-2fs)-fsc＝0

b＝22.037±42.249＝64.286

g＝33.5+64.286＝9778620)

由于现在给出了所有的尺寸，所以可以计算出成像比例m。

对于第二传感器阵列c4具有400dpi和128像素的分辨率，那么这给出了有效的传感器阵列长度isa：

因此，得到待成像的最大物体尺寸为：

如图9所示，对于使用方程18的具体示例性实施例，使用来自公式14的透镜的系统焦宽度fs，图像宽度b和物体宽度g可以用曲线图绘制为随物体图像距离c(即纵向轴线x-第二传感器阵列c4的距离)变化。

当物体-传感器距离c趋近于0时，如图10可见，成像比例趋近于100％。这就是已知的g＝b＝2*fs的1/1成像。

在可以通过第二传感器阵列c4来测量线缆颜色之前，必须进行白平衡。为此，白色校准杆以使其尽可能靠近第二照射装置c1的方式放置在线缆架4a、4b中，使得传感器阵列c4测量最大亮度。在不同波长(红色、绿色、蓝色)下进行照射期间的最大允许照射时间被调整为使得测量出的幅值占据测量范围的大约90％。然后，校准杆被放置在纵向轴线x中，并且曝光时间被调整为使第二传感器阵列c4所测量的rgb整数值全部相同。如此，两个较高的整数值被调整为最低的整数值，使得任何颜色都不超出先前确定的最大曝光时间(参见图10)。由于图像的亮度随光源与物体w之间以及物体w与透镜dcp2之间的距离增大而减小，因此用于不同波长的亮度值必须根据线缆位置来加权。例如在图10中，绘制针对线缆架4a、4b之内六个校正杆位置的rgb测量值：标出“中心/中心”的曲线对于线缆架4a、4b处的白色校准杆有效。如果校准杆位于靠近第二传感器阵列c4的线缆架4a、4b中，则应用标出“后部/中心”的线。在图6中，以位置信息后部、前部、底部、顶部为特征，使得可以正确理解图10中绘制的测量值。

通过校准杆测量的具体位置的rgb整数值与中心的rgb整数值的比就是颜色修正值。颜色修正值取决于位置。

图11最终示出作为处于线缆架中心的物体w的橙色线缆的rgb测量值。

除了测量系统d、c和p的准同轴布置的上述优点之外，比如紧凑、稳健、机械和功能的同步使用式设计，另一个优点在于，电子设备的许多电路部件(比如通信接口、微控制器、供电器、led显示器和抑制电路)都可以用于所有三个传感器或系统d、c和p。

用于准直化的透镜dcp2的焦宽度越大，准直性、即光线的平行度就越好，并且用于测量直径的阴影的边缘就越清晰。由于线缆-透镜距离g较大因此较大的焦宽度的透镜dcp2对于颜色确定也是有利的，并且因此即使物体w不在中心处延伸穿过线缆架4a、4b，用于颜色检测的图像清晰度也能得以维持。然而，对于直径测量以及对于颜色确定，随着焦宽度增大，光线强度减小，这必须通过更长的曝光时间来补偿，使得对于两种功能都必须在光线强度与图像清晰度之间找到折衷点。

如果需要，上述的用于使用纯光学测量系统d、c、p来自动检测细长物体的装置可以不仅与感应测量系统e而且与其他测量系统链接。在线缆加工安装中，时常设置用于切割长度或绝缘线缆的设备，该设备包括可以相对于彼此移动的夹爪和刀片。对于这种安装，测量系统e、d、c、p、e可以与至少一个另外的测量系统组合，该另外的测量系统设置用于借助对夹爪间距的测量来确定物体的外径，或者用于基于在刀片导体接触时对刀片间距的测量来确定物体之内的电导体的直径。基于电学的、尤其通过监测电容和/或电感特征的测量装置是充分公知的。

温度传感器与测量系统d、c、p、e的组合使用具有补偿温度引起的测量误差的优点。在这种情况下，优选地，在相应测量系统中对自动补偿实施修正程序，以便为其测量值提供作为温度的函数的修正因数和作为线缆位置的函数的修正因数。