用于确定产品的速度和/或长度的设备的制作方法

1.本发明涉及一种用于确定沿输送方向运动的产品、优选股线的速度和/或长度的设备，所述设备包括用于照射产品的表面的激光器以及包括用于探测被所述产品的表面返回散射的激光辐射的探测器装置。


背景技术：

2.比方说，例如在挤出装置中制造管时，需要对所制造的股线进行长度测量。对产品长度的精确检测提供对于附加的价值创造的潜力。由现有技术已知无接触的光学的测量方法。这些测量方法提供如下优点，即所述测量方法非侵入地和因此基本上无磨损地工作。通过避免滑动也实现更高的测量精度，并且能够测量宽的产品系列。对于最常见的光学的长度测量方法共同点在于，通过对产品的连续的速度测量来间接地测量长度。
3.已知光学的空间滤波器测量设备，其中通过传感器探测经由照射产品表面产生的、经由透射光栅的光学图案。通过传感器探测产品的运动和随之而来的光学图案的运动，在最简单的情况下作为简单的强度调制。该测量方法的特征虽然在于结构上的和测量技术上的大的简易性。然而该测量方法在实践中没有被普遍接受，尤其是因为该测量方法在速度缓慢、(突然的)静止状态或者正或负加速度大的情况下不总是提供可靠的结果。也无法进行产品运动方向的方向区分。
4.在其它光学的长度测量设备中，例如用发光二极管照射产品表面，并且用物镜将被照射的表面成像到成像传感器、例如ccd传感器上。在这种情况下，将产品本身的表面结构用作光学图案。在数据记录中可以将各个像素这样加权，使得模拟透射光栅的效果。该测量设备的优点在于，例如通过在分析中的不同的光栅加权可以从原图像中同时产生多个信号。按照这种方式例如能实现方向敏感性。然而，这些测量设备在实践中也没有被普遍接受。这尤其是由于成像传感器的受限的带宽和空间分辨率和由此决定的测量精度的限制以及可测量的速度范围。成像的光学器件的使用此外使系统不灵活并且易受间距变化影响，由此限制景深。测量系统的定向具有显著的耗费，并且由于将产品的表面结构用作光学图案，在产品表面非常光滑的情况下出现问题。
5.在实践中，尤其是激光多普勒测量设备被普遍接受。在此，在使用多普勒效应的情况下分析由运动的表面返回散射的激光。两个准直的激光射束例如可以以特定角度入射到产品上并且在产品的表面上叠加。叠加产生干涉图案，其中，在产品运动时产生通过表面返回散射的激光的强度调制。即使利用这样的测量设备，如果没有进一步的预防措施，也无法识别产品的静止状态或方向变化。因此，已经提出利用所谓的布拉格单元(bragg-zellen)在所述两个激光测量射束之间产生频率移动。由此，干涉图案在产品的被照亮的表面区域上方运动并且能够识别产品的运动方向亦或静止状态。然而，布拉格单元是非常昂贵的。在激光多普勒设备中的另一个缺点是，对测量设备的组件的校准取决于所述两个激光测量射束的角度以及取决于激光波长。这使测量设备的设置变得耗费。


技术实现要素：

6.因此，从所阐述的现有技术出发，本发明的目的在于，提供一种开头所述类型的设备，利用所述设备实现对产品的速度和/或长度的随时可靠的测量，也能够以可靠的、结构简单且成本有利的方式识别产品的方向变化或静止状态。
7.本发明通过权利要求1的技术方案来实现所述目的。有利的设计方案在从属权利要求、说明书和附图中给出。
8.对于开头所述类型的设备，本发明通过以下方式实现所述目的，即，所述探测器装置包括第一传感器连同设置在第一传感器之前的第一透射光栅以及由图像传感器形成的第二传感器，此外设有第一分束器，所述第一分束器将由产品返回散射的激光辐射划分为一方面引导至第一传感器并且另一方面引导至图像传感器的激光辐射，并且设有分析装置，所述分析装置构成用于根据在产品运动时通过第一传感器探测到的强度调制和/或根据在产品运动时通过图像传感器探测到的、在图像传感器上形成的散斑图案的移动来确定产品的速度和/或长度。
9.所述产品尤其可以是股线。股线可以是管状股线。尤其是通过所述设备沿着股线的纵轴线来输送所述股线。但是，所述产品也可以例如是箔、板或其它型材。为了通过所述设备来输送产品，所述设备可以包括相应的输送装置。所述产品例如可以由塑料或金属或玻璃制成。所述产品例如可以来自挤出装置，在所述挤出装置中通过挤出来制造产品。所述设备也可以包括所述挤出装置。
10.在根据本发明的设备中，利用激光照射产品的表面，并且激光辐射被产品散射。设有第一传感器，并且在激光辐射的射束路径中在第一传感器之前设置有第一透射光栅。由产品返回散射的辐射相应地到达第一透射光栅。在第一透射光栅上形成散斑图案。散斑图案通过充分相干的辐射(在此是激光辐射)的干涉形成，所述辐射被产品表面上的不同高度的位置散射并且相应地具有产生干涉图案(散斑图案)的光程差。相应于在第一透射光栅上形成的散斑图案，辐射穿过第一透射光栅到达并且由第一传感器探测。产品在输送方向上的运动引起散斑图案在透射光栅上的相应运动。这导致对由第一传感器接收的辐射强度的相应调制。由强度调制的频率可以以本身已知的方式推断出产品的速度并且由此又推断出产品在不同测量时刻之间的长度。在此，调制频率尤其是与产品的速度成比例。尤其是在准直的激光射束的情况下，所述激光射束不受产品在不同于输送方向的其它方向上运动的影响。因此优选能够使用准直的激光辐射。于是，产品所经过的路段和在透射光栅上的散斑图案是相同的，与产品在不同于输送方向的其它方向上的可能的运动无关。但是，准直的激光辐射的使用不是强制性的。更确切地说，也可以不使用或仅部分地使用准直的激光辐射。
11.作为激光器例如考虑红外激光器。散斑图案是真实的散斑图案，即仅通过在足够粗糙的表面上散射且在空间中传播的辐射的传播而形成的散斑图案。因为散斑图案首先在第一透射光栅上形成，所以所述散斑图案总是聚焦到该第一透射光栅上。因此，无需成像的光学器件。因此，在根据本发明的设备中，尤其是可以在产品与第一传感器之间不设置成像的光学器件。这使得根据本发明的设备的结构和设置简单且成本有利。此外，可以因此实现相对于产品的不同工作间距，并且在所述测量期间或者在不同的测量之间能够容许间距方面的波动。通过使用散斑图案，即使在具有激光波长数量级的粗糙度的非常平滑的表面的情况下也存在高对比度，由此确保高的信号质量。也可以可靠地测量非常光滑的表面。由于
尤其是与成像传感器、如ccd传感器相比明显更高的带宽，所以可以利用空间滤波器方法(ortsfilterverfahren)使用第一传感器在与激光多普勒测量设备相同的速度范围内进行测量。
12.然而，如开头阐述的那样，空间滤波器方法在产品速度非常慢的情况下、尤其是在产品的静止状态下原则上是有问题的。如前所述，在不降低测量精度和速度范围的情况下迄今也无法利用空间滤波器方法进行方向探测。为了尽管如此在输送速度非常低直至静止状态的情况下能以简单且成本有利的方式实现方向敏感性和测量可能性，根据本发明的设备将所阐述的空间滤波器方法与对通过利用激光来照射产品表面而产生的散斑图案进行图像采集相组合。为此，所述设备包括以图像传感器形式的第二传感器、即具有二维分辨率的传感器面的传感器。在图像传感器的传感器面上同样形成散斑图案。通过使用分束器，两个传感器观察产品表面的同一区域或由产品表面的同一区域散射的激光辐射。因此，所述两个传感器也探测同一散斑图案。第一透射光栅在此可以设置在第一分束器与第一传感器之间。所述分析装置按照所谓的例如也在光学计算机鼠标中使用的光学流跟踪(optical flow tracking)方法来分析第二传感器(图像传感器)的测量结果。在此利用在图像传感器上形成的散斑图案相应于产品的输送运动地在传感器面上移动。由于散斑图案的这种移动，一方面即使在输送速度非常低直至静止的状态下也能够实现对产品的速度和因此长度测量。另一方面也给出方向敏感性，其中，尤其是也可以测量横向于输送方向的运动。因为数据分析基于关联分析，所以与在设计为具有光学光栅的非常宽的速度范围的空间滤波器测量系统的情况下相比，利用图像传感器能够明显更高效地进行对缓慢的输送速度的测量。
13.因此，根据本发明的设备将空间滤波器测量与根据光学流跟踪方法的成像测量相组合，其中，两个传感器由于具有分束器的布置而观察到同一散斑图案。按照这种方式能够以可靠的、结构简单且成本有利的方式在直至静止状态的大的速度范围内对产品的速度和长度进行测量同时进行方向识别。第一传感器在此可以用作主传感器，所述主传感器在达到其运行速度时在正常运行中测量产品的速度和/或长度。当产品的输送速度小直至静止状态和/或为了方向识别时，第二传感器(图像传感器)可以用作辅助传感器。在此，即使加速度值非常大对于可靠测量来说也不是问题。此外也可能的是，在探测器装置与产品之间的特别小的间距、例如小于10cm，这尤其是在产品非常小、尤其是非常薄或非常光滑的情况下允许更好的分析。此外，可能要设置的保护壳体于是能更紧凑地实施，由此进一步降低设备的耗费和成本。在射束路径中的灰尘或其它干扰因素具有小的影响。在已知的激光多普勒设备中，为此需要昂贵的附加的保护配件。此外，在根据本发明的设备中，在激光射束与产品之间的角度对测量结果没有相关影响。这允许简单的校准。
14.根据一个设计方案，在第一透射光栅与第一传感器之间可以设置有将引导至第一传感器的激光辐射聚焦到第一传感器上的第一透镜。通过所述聚焦透镜确保将所有穿过透射光栅到达的辐射输送至第一传感器，并且因此供分析使用。
15.在特别实际的方式中，所述第一传感器可以是光电二极管。光电二极管相对于图像传感器的关键优点在于光电二极管的更高的带宽。例如可以使用硅光电二极管。所述硅光电二极管例如对于常用的红外激光器具有高灵敏度。
16.根据另一个设计方案，在第一分束器与图像传感器之间可以设置有将引导至图像
传感器的激光辐射进行聚焦的第二透镜。在第一传感器的射束路径中如所阐述的那样在第一透射光栅上形成散斑图案期间，在图像传感器(第二传感器)的射束路径中在传感器面上形成散斑图案。通过聚焦透镜，激光辐射可以聚焦到图像传感器的测量开口上，从而能够分析整个激光辐射。因此可以进一步改进对测量信号的分析。所述聚焦透镜可以直接设置在图像传感器之前和/或例如直接设置在第一分束器之后，以便例如在间距较大或产品较小的情况下收集更多辐射。
17.根据另一个特别实际的设计方案，所述图像传感器可以是ccd传感器或cmos传感器。
18.根据另一个设计方案，所述探测器装置还可以包括第三传感器，并且在第一分束器与图像传感器之间设置有第二分束器，所述第二分束器将来自第一分束器的激光辐射划分为一方面引导至图像传感器并且另一方面引导至第三传感器的激光辐射。根据另一个设计方案，所述探测器装置此外可以包括第三传感器，并且在第一分束器与第一透射光栅之间设置有第二分束器，所述第二分束器将来自第一分束器的激光辐射划分为一方面引导至第一传感器并且另一方面引导至第三传感器的激光辐射。按照用于确定产品的速度和/或长度的另一个设计方案，所述分析装置可以形成第一传感器与第三传感器的测量信号的差。由第一传感器接收的测量信号包含所谓的直流分量作为偏移。通过上述设计方案可以通过从第一传感器的测量信号中减去第三传感器的测量信号来消除该直流分量。这样得到的差信号不再包含直流分量，由此显著改善信噪比并且因此显著改善信号的可探测性。如果例如产品振动或者具有周期性的表面结构，则可能出现周期性的强度波动，这又导致信号中的干扰频率。毫无疑问，这样的干扰频率无法总是与有用信号的真正调制频率相区分。在这里描述的设计方案中，仅第一传感器的信号包含有用信号，从而在第一传感器和第三传感器中识别出的频率能明确地识别为干扰。由此进一步改进对测量信号的分析。
19.根据另一个设计方案，在第三传感器之前可以设置第二透射光栅，所述第二透射光栅相对于第一透射光栅相移180
°
。通过该设计方案，不仅消除直流分量，而且由于透射光栅180
°
的相移此外实现对强度调制信号的最大放大，尤其是对相应的信号振动的最大放大。然而，这要求所述两个透射光栅的精确定位，这根据应用情况可能过于耗费。相应地也可能的是，在第三传感器之前不设置透射光栅。由此避免精确定位的问题。于是虽然不对振荡信号进行放大，但是仍然消除直流分量。根据应用情况，该解决方案可以是相应足够的或优选的。
20.所述第三传感器也可以是光电二极管。所述第三传感器例如又可以是硅光电二极管，所述硅光电二极管对于常见的红外激光器具有特别高的灵敏度。
21.根据另一个设计方案，所述分析装置可以构成用于确定通过图像传感器探测到的散斑图案在横向于产品的输送方向的方向上的移动。此外，可以设置用于调节激光辐射在产品上至少在横向于产品的输送方向的方向上的击中位置(auftreffort)的调节装置，并且所述分析装置可以构成用于基于通过图像传感器探测到的散斑图案在横向于产品的输送方向的方向上的确定的移动来操控所述调节装置，以用于调节激光辐射在产品上至少在横向于产品的输送方向的方向上的击中位置。在现有技术的测量设备中，尤其在薄的产品、如薄的股线产品中存在如下问题，即，产品的可能未被探测到的侧向移动导致通过激光辐射对产品的有缺陷的照射或测量。在此，相应于表面上的激光光斑的尺寸，侧向(即横向于
产品的输送方向的)公差典型地仅为几毫米。因为根据本发明的具有图像传感器的设备还识别产品的横向运动、即横向于输送方向的横向运动，所以这可以用于通过分析装置来侧向调节激光器。所述调节装置例如可以包括具有电流计驱动装置等的镜。通过借助于所述分析装置来操控所述调节装置，可以在相对于输送方向的横向方向上这样调节激光器的方向，使得能够始终最佳地照射和测量产品。由此，与现有技术相比能够实现横向于输送方向的明显更大的公差，例如对于在工作间距直至500mm的情况下实现具有大约25mm尺寸的光学器件来说在直至100mm的数量级内。
22.根据另一个设计方案，此外可以设置间距调节装置，通过所述间距调节装置能调节激光器和/或探测器装置距产品表面的间距。所述间距调节装置也可以通过所述分析装置来操控。这样的间距调节是有利的，因为按照这种方式可以将所述设备、尤其是探测器装置和必要时还有激光器调节得更靠近产品。如上面已经阐述的那样，与产品的小的间距提供各种优点，尤其是在特别薄且光滑的产品、尤其是股线产品方面，以及也在克服干扰颗粒的保护措施和干扰颗粒的影响的方面。根据本发明的设备还可以包括用于倾斜激光器的装置，使得即使在激光器与产品表面之间的间距不同的情况下，也可以将在产品表面上的通过激光器照射的光斑始终例如垂直地保持在探测器装置之下。
23.根据另一个设计方案，此外可以设有激光分束器，所述激光分束器将由激光器发射出的激光辐射垂直地引导到产品表面上。可以通过激光分束器将激光辐射直接输入耦合到探测器装置、尤其是第一和第二传感器的射束路径中。在此，尤其可以将由产品表面垂直地返回散射的激光辐射居中地击中到第一分束器上并且必要时击中到第一和/或第二传感器上。在该设计方案中，对于另外的工作间距无须在激光器的迎角方面调节所述激光器。由此又能实现更大的景深，因为当产品来回迁移时，激光光斑不向左或向右迁移。
附图说明
24.以下借助附图详细地阐述本发明的实施例。示意性地示出：
25.图1示出根据本发明的按照第一实施例的设备，
26.图2示出根据本发明的按照第二实施例的设备，
27.图3示出对激光器的可调节性的说明，
28.图4示出用于阐明用于调节激光辐射的击中位置的调节装置的三个局部视图，以及
29.图5示出根据本发明的按照第三实施例的设备。
具体实施方式
30.只要没有另外说明，在附图中相同的附图标记表示相同的对象。
31.在图1中局部地示出管状的股线10，借助于未详细示出的输送装置沿着输送方向输送所述股线，如通过箭头12示出的那样。输送方向沿股线10的纵轴线方向延伸。借助于激光器14将激光辐射引导到股线10的表面上。由表面散射的激光辐射借助于第一分束器16划分为两个辐射部分。第一辐射部分射到第一透射光栅18上。穿过第一透射光栅18到达的激光辐射通过第一透镜20聚焦到第一传感器22上，其中，该第一传感器例如可以是光电二极管。第二辐射部分到达第二传感器24，其中该第二传感器是图像传感器、例如ccd传感器或
cmos传感器。紧邻图像传感器24上游可以设有聚焦的第二透镜26。备选地或附加地，紧邻第一分束器16下游地也可以设置有聚焦的第二透镜28。通过第二透镜26和/或28，来自第一分束器16的辐射聚焦到图像传感器24的测量开口上。
32.通过使用相干激光，一方面在第一透射光栅18上并且另一方面在图像传感器24的传感器面上形成散斑图案。所述散斑图案的特征在于股线10的表面结构以及相应地随着股线10运动。由此，第一传感器22探测具有表征股线10的运动的调制频率的强度调制。另一方面，所述散斑图案在图像传感器24的传感器表面上移动，并且图像传感器24探测该移动。将第一传感器22和图像传感器24的测量信号输送给分析装置30。所述分析装置30根据通过第一传感器22探测的强度调制和/或根据通过图像传感器24探测的散斑图案移动来确定股线在不同的测量时刻之间的速度和/或长度。
33.图2中的设备大部分相应于图1中的设备。与图1中的设备不同的是，在图2中的设备中，在第一分束器16与图像传感器24之间设置有第二分束器32，所述第二分束器将来自第一分束器16的激光辐射划分为一方面引导至图像传感器24、并且另一方面引导至第三传感器34的激光辐射。所述第三传感器34同样可以由光电二极管形成。在根据图2的实施例中，除了第一传感器22和图像传感器24的测量信号，第三传感器34的测量信号也被引导到分析装置30上。所述分析装置30形成第一传感器22与第三传感器34的测量值之间的差，以便消除测量信号中的直流分量。由此改善信噪比并且提高测量精度。可能的是，在第三传感器34之前、尤其是在第二分束器32与第三传感器34之间设置第二透射光栅，所述第二透射光栅相对于第一透射光栅18相移180
°
。这在第一传感器22与第三传感器34的传感器信号之间形成差的情况下附加地导致所测量的调制信号的最大放大。
34.在图3中以图1中所示的设备为例示出如何能够通过倾斜激光器14来确保在股线10的表面与设备之间、尤其与传感器22、24或与分束器16之间的不同间距的可调节性。在此示出与所述设备间隔开的两个不同的股线表面并且相应地示出激光器14的两个不同的位置。通过倾斜激光器14确保：激光辐射在股线表面上总是居中垂直地击中(auftrifft)到分束器16之下。不言而喻地，这以相同的方式适用于图2中示出的实施例。由于在示出的根据本发明的设备中省去在股线10与传感器22、24之间和必要时34之间的成像光学器件并且由于在第一透射光栅18或图像传感器24上形成的散斑图案总是清晰的事实，在激光器14倾斜的情况下以特别简单的方式无需附加的校准措施。
35.在图4中非常示意性地示出集成在激光器14中的调节装置，所述调节装置用于在横向于股线10的输送方向的方向上调节激光辐射在股线10上的击中位置。这可以应用在每个示出的实施例中。在图4中示出三个不同的局部视图，所述局部视图示出不同的状态。在图4的所有三个局部视图中，股线10的输送方向垂直地延伸到图平面中。在图4的左边的局部视图中示出来自激光器14的激光辐射垂直向下地居中地射到股线10的表面上的状态。这种居中的击中是所期望的状态。在图4的中间的局部视图中示出股线10横向于输送方向运动、在该局部视图中大致向左运动的状态。由此，从激光器14中继续垂直向下射出的激光辐射的击中位置不再居中地位于股线表面上。这导致股线表面的非最佳的照明并且在股线10的相应更强的侧向移动时甚至可能导致股线10完全从激光辐射的区域出来。股线10的侧向移动可以借助对图像传感器24的测量信号的分析来进行识别、尤其是通过经由分析装置30对散斑图案在图像传感器24的传感器面上的相应移动的分析来进行识别。于是，所述分析
装置30可以操控调节装置，以便这样适配激光辐射在股线表面上的击中位置，使得该击中位置又居中地在股线10上，如在图4的右边的局部视图中示出的那样。所述调节装置例如可以以特别简单的方式包括一个可调节的、将激光辐射引导到股线表面上的镜。所述镜例如可以借助于电流计驱动器来调节。
36.在图5示出根据本发明的设备的另一个实施例，所述实施例大部分相应于根据图1的实施例。附加地，在此设有激光分束器36，所述激光分束器将由激光器14发出的激光辐射垂直地引导到股线10的表面上。激光辐射在此通过激光分束器36直接输入耦合到探测器装置、尤其是第一和第二传感器(22、24)的射束路径中。尤其是由股线表面垂直地返回散射的激光辐射居中地击中到第一分束器16上并且击中到第一和第二传感器24、26上。由股线表面垂直地返回散射的激光辐射也居中地穿过第一和第二透镜20、28。在激光分束器36的与激光器14相对置的一侧上设置有射束收集器38，以防止激光辐射穿过激光分束器36直接到达传感器24、26上。激光辐射的被激光分束器36直接透射的部分被射束收集器38吸收。当然，根据图5的设计方案也例如可以与根据图2的实施例相组合。
37.附图标记列表
38.10股线
39.12输送装置
40.14激光器
41.16第一分束器
42.18第一透射光栅
43.20第一透镜
44.22第一传感器
45.24第二传感器(图像传感器)
46.26第二透镜
47.28第二透镜
48.30分析装置
49.32第二分束器
50.34第三传感器
51.36激光分束器
52.38射束收集器。