Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik

verfasst von: Martin Schaeper

Enthalten in: Springer Professional "Wirtschaft+Technik" , Springer Professional "Technik" , Springer Professional "Wirtschaft"

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Über dieses Buch

Die optische Ortsfiltertechnik wird vorrangig zur einkomponentigen (1C) Geschwindigkeits- und Längenbestimmung bei der berührungslosen Überwachung industrieller Prozesse angewendet. Martin Schaeper beschäftigt sich mit der fortführenden Nutzung von flächenhaften, strukturierten Sensoren für zeitaufgelöste 2D/2C-Messungen, aber auch mit der Implementierung geeigneter Informationsvorverarbeitungen, um eine höhere Abtastung des vorliegenden Prozesses zu erreichen. Ausgehend von der Entstehung des Ortsfiltersignals wird dieses weiterführend als zeitabhängiger Fourier-Koeffizient aufgefasst. Anhand von Hochgeschwindigkeitsbildfolgen stellt der Autor die ortsfilterbasierte Offline-2D/2C-Messung dar. Darauf aufbauend demonstriert er eine echtzeitfähige Erweiterung zur 2D/2C-Geschwindigkeitsmessung anhand eines 4x4-Sensor-Arrays. Zur inhärenten ortsfilterbasierten Verarbeitung im optischen Pfad wurde ein Demonstrator basierend auf einem Mikro-Spiegel-Array realisiert.

Inhaltsverzeichnis

Frontmatter

1. Einleitung

Zusammenfassung

Die Ermittlung der Bewegungsgeschwindigkeit nimmt in einer Vielzahl von Anwendungen eine zentrale Rolle ein. Beispielsweise bei der Prozessüberwachung und der Regelung bzw. Steuerung industrieller Prozesse. Aus dem ermittelten Geschwindigkeitsverlauf kann die Beschleunigung bzw. ein Wegfortschritt errechnet werden. Damit wird unter anderem die Geschwindigkeit von Papierbahnen, Metallplatten oder Kabeln überwacht (Michel 2000). Optische Geschwindigkeitsmesssysteme, speziell zur Messung an bewegten Oberflächen, weisen gegenüber taktilen Systemen den Vorteil einer berührungslosen und schlupffreien Bewegungsdetektion auf. Besonders bei heißen Oberflächen ist das Berühren mittels Messfühler problematisch (Bergmann 2010).

Martin Schaeper

2. Signalentstehung mehrdimensionaler Ortsfilterkonzepte

Zusammenfassung

Ein ursprüngliches Ortsfiltermesssystem besteht nach Ator (1963) aus einem abbildenden Objektiv, einem sich in dessen Bildebene befindenden optischen Gitter und einer Sammellinse, die die Intensitätsverteilung auf einen Photoempfänger projiziert (vgl. Abbildung 2.1). Das optische Gitter mit lichtdurchlässigen und -undurchlässigen Bereichen dient der örtlichen Filterung der einfallenden Intensitätsverteilung.

Martin Schaeper

3. Verfahren zur Schätzung der Signalfrequenz

Zusammenfassung

Im Zusammenhang mit der Ortsfiltervelocimtrie ist die möglichst genaue Schätzung der Trägerfrequenz des Signals eine zentrale Herausforderung. Dazu werden die folgenden verschiedenen Auswerteverfahren in ihren Grundzügen skizziert. Als nahe liegende Verfahren werden die Nulldurchgangsdetektion und die Analyse des Leistungsdichtespektrums beschrieben. Weitere Verfahren sind das Drehzeigerverfahren und die Analyse der Autokorrelationsfunktion eines Signalabschnittes. Der anschließende Vergleich gibt eine anschauliche Analyse der „Robustheit“ der einzelnen Verfahren.

Martin Schaeper

4. Mehrdimensionale ortsfilterbasierte Konzepte

Zusammenfassung

Bei der optischen Geschwindigkeitsmessung für bewegte Oberflächen bzw. für in einer mitgeführte Partikel in Strömungen wird zunächst eine Beleuchtung benötigt. Als Beispiel für das Vorgehen bei der optischen Geschwindigkeitsmessung soll der skizzierte Aufbau in Abbildung 4.1 dienen. Hierbei handelt es sich um planare 2D-Messung einer Strömung mittels PIV. Bei dem Großteil der PIV-Anwendungen wird zur Beleuchtung einer zu beobachtenden Szene ein Laserlichtschnitt verwendet.

Martin Schaeper

5. Zusammenfassung und Ausblick

Zusammenfassung

Die vorliegende Arbeit befasst sich mit der zeitaufgelösten Geschwindigkeitsmessung der Bewegungskomponenten (2D/2C) von Intensitätsverteilungen. Ausgehend von einer einkomponentigen Betrachtung wird die Signalentstehung bei der Verwendung optischer strukturierter Empfänger mittels der Korrelation mathematisch beschrieben. Dabei wird vergleichend die harmonische Analyse (FT) der vorliegenden Intensitätsverteilung herangezogen. Es wird gezeigt, dass ein Ortsfiltersignal als zeitabhängiger Fourier-Koeffizient aufgefasst werden kann. Weiterhin kristallisiert sich die Möglichkeit heraus, aus dem Spektrum der Intensitätsverteilung geeignete Gitterperioden für einen Ortsfilter zu ermitteln.

Martin Schaeper

Backmatter

Titel: Mehrdimensionale Ortsfiltertechnik
verfasst von: Martin Schaeper
Verlag: Springer Fachmedien Wiesbaden
Electronic ISBN: 978-3-658-04944-7
Print ISBN: 978-3-658-04943-0
DOI: https://doi.org/10.1007/978-3-658-04944-7

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