通過超聲波檢測物體位置的設備及方法
2023-11-02 01:41:32 2
通過超聲波檢測物體位置的設備及方法
【專利摘要】本發明涉及一種通過超聲波檢測物體位置的設備，包括至少一個超聲波傳感器，用於接收從物體發來的超聲波信號，及計算裝置，基於接收到的超聲波信號，計算物體的位置。還設有至少一個雷射器單元，用於產生脈衝雷射束，其中所述脈衝雷射束被定向至物體，並適用於在物體表面造成振動，藉此物體被激發產生超聲波信號。本發明還涉及一種通過超聲波檢測物體位置的方法，其中通過至少一個超聲波傳感器接收從物體發出的超聲波信號，並基於接收到的超聲波信號計算物體的位置。脈衝雷射束由至少一個雷射器單元產生，所述雷射束被定向至物體，並且通過脈衝雷射束在物體表面造成振動，其中物體被激發以產生超聲波信號。
【專利說明】通過超聲波檢測物體位置的設備及方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及一種如前文權利要求1所述的設備。
[0002]本發明進一步涉及一種通過如權利要求9所述的超聲波檢測物體位置的方法。該設備包括至少一個超聲波傳感器，用於接收從物體發來的超聲波信號，及計算裝置，基於接收的超聲波信號計算物體的位置。
【背景技術】
[0003]眾所周知的是，通過超聲波信號可檢測物體的距離。採用在超聲波距離測量的技術原理在於傳輸超聲波脈衝至工作介質，並測量傳輸時刻與收到距離目標的回波的時刻間的脈衝時間。多個應用可能性中，超聲波測距可用於標記設備，例如通過超聲波在平均灌裝線上用條形碼標記每個瓶子。為了通過雷射設備應用於一種可讀性良好的條形碼，檢測要精確標記的物體的位置是至關重要的。
[0004]通常，物體在傳送帶上相對於標記儀器移動。由移動物體反射的超聲波信號的疊加可造成正確檢測單一物體的位置的難度，特別是因為傳送帶上物體相對於標記儀器的速度應該儘可能快。使用常規超聲波換能器執行發射器和接收器的雙重功能會產生進一步的問題。由此，在關閉激發電壓或輸電電壓後，超聲波換能器不可用於即時接收信號，因為壓電晶體具有有限的衰減時間。因此，由於換能器元件不能同時進行傳輸和接收，可在一定的時間間隔內執行的測距的數量受限。
[0005]美國專利US5646907A公開了一種設置在浮動平臺上的方法和系統，用於探測等於或低於水體表面的物體。高功率波束被被定向至水的表面，且當它撞擊浮動在水表面或在水表面下的物體時，壓力脈衝或是在物體表面或是在水表面產生。壓力脈衝在水中造成聲波特性的回饋，該回饋被水下聲波探測器探測來定位物體及儘可能將他們歸類。
【發明內容】
[0006]本發明的目的在於提供一種通過超聲波快速可靠地檢測物體位置的系統，通過上述系統很大程度上避免了上述缺陷。
[0007]該目的可由具有權利要求1的特徵的用於檢測位置的設備解決。
[0008]優選的實施例在從屬權利要求中及下文說明書，尤其是聯繫附圖給出。
[0009]根據本發明，上述提到的那種用於檢測物體位置的設備的特徵在於設有至少一個雷射器單元，用於產生脈衝雷射束，所述脈衝雷射束被定向至物體，並適用於在物體表面造成振動，藉此物體被激發，來產生超聲波信號。
[0010]在需要檢測位置的物體上直接產生超聲波信號可被認為是本發明的基本思路。沒有任何電聲換能器元件下，物體本身變為超聲波發射元件。
[0011]其可通過光聲效應取得，其中撞擊到所述物體表面的雷射束的能量被表面的局部區域吸收。
[0012]這可導致以下效果中的至少一種，取決於被擊中的物體的特性，尤其是其表面。[0013]該局部區域可發熱並造成熱膨脹，藉此產生振動。因此物體發射超聲波，該超聲波可被超聲波傳感器探測。
[0014]該振動可不被限制在局部區域，甚至可傳播至物體的主要部分，這導致了超聲波信號的更密集的發射。進一步地，脈衝雷射束造成單粒子噴射出表面也是可能的。因此，可產生短小密集的超聲波信號。
[0015]脈衝雷射束的特性可根據物體、物體表面狀態、或其他相對於照射時間的情況下作調整，舉例來說可以是單一雷射脈衝的能量及雷射束的脈衝序列的頻率。
[0016]有利地，沒有額外的超聲波傳輸單元是必要的。進一步，避免了如果使用常規超聲波傳輸單元通常會發生的由不同物體反射的回波信號的疊加。
[0017]因為換能器單元的發送和接收間沒有衰減時間，換能器元件和超聲波元件分別只在接收模式下運行，這使得即便是在所述物體的高吞吐量下，物體的位置也可被傳送帶移動。
[0018]該物體可以是任何通常熟知的產品，比如玻璃瓶、金屬片、塑料、食品或其他原料類似於紙或紙板。因此，對物體的定位在上述方法中由傳輸帶移動用於即使在所述物體的高吞吐量下也能正確定位的標記設備。
[0019]用於產生所述脈衝雷射束的至少一個雷射器單元未由特定種類的雷射類型確定。優選地，可使用氣體雷射器或固體雷射器，尤其分別是二氧化碳或釔鋁石榴石雷射器(Nd: YAG雷射器)。
[0020]本發明所述設備的一個示範性實施例中，至少一個雷射器單元被設計為產生一個以上雷射束，其中所述雷射束的光波頻率互不相同。舉例來說，一個雷射器單元可包括準分子雷射器，使用惰性氣體和活性氣體的分別不同組合產生具有不同波長的雷射束。任何通常熟知種類的雷射器類型可被集成至雷射器單元，發射不同頻率的光波。這樣設置可以使光波的頻率適應物體表面的情況，用以改善由光聲效應導致而產生的超聲波信號。因此，應用可能性相對於使用的物體而增加。
[0021]通常，設置一個以上雷射器單元是可能的，其中雷射器單元分別位於不同位置，產生分別被定向至同一物體的脈衝雷射束。雷射器單元可直接彼此相對地設置或剛好位於各自分開在不同角度的位置定向雷射束至所述物體。雷射束可聚焦在所述物體的同一點來加強位於該點的影響。可選地，雷射束可在不同點上撞擊物體，藉此，產生的超聲波信號可在多個方向更均勻地被發射出物體，由此可改善所述物體的定位。
[0022]本發明進一步涉及一種通過標記單元標記物體的儀器，包括運輸設備，用於運輸物體，及標記單元，用於標記所述物體，其進一步包括上述的設備。
[0023]常規地，運輸設備被設計為一傳輸帶，在其上物體相對於標記單元被移動並經過標記單元來被標記。為將所述物體的定位被置於傳輸帶上，還設置一上述用於檢測所述物體位置的設備。可使用各種類型的標記單元，例如貼標設備，通過加標籤、壓印或壓紋來標記物體。
[0024]該儀器的一個優選實施例中，標記單元被設計用作產生雷射束，所述雷射束被定向至物體，用於標記。為了產生雷射束，可使用所有種類的常規雷射器類型，例如氣體雷射器，尤其是二氧化碳雷射器、IS雷射器、準分子雷射器、固體雷射器或光纖雷射器。
[0025]標記的信號可被設計為一字符、一圖片或是圖像的單個像素。信號可由若干點或線組成。這可通過使用在短時間內激活來在物體上生成點或在設定時間內造成一定長度的線的氣體雷射器器付諸實踐。
[0026]本發明一優選實施例的特徵在於設置了一個以上雷射器單元，其中第一雷射器單元包括標記單元，用於產生雷射束，所述雷射束被定向至物體，用以標記所述物體，且設置了第二雷射器單元，用於產生脈衝雷射束，所述脈衝雷射束被定向至物體，適用於造成物體表面的振動，藉此物體被激發以產生超聲波信號。
[0027]有利地是，第一和第二雷射器單元為不同類型的雷射器，其中相比於第一雷射器單元的雷射束，第二雷射器單元能夠產生能量更高的雷射束。雷射器單元互相間的空間布置並未確定。兩個雷射器單元可彼此分開，其中他們的雷射束在物體表面的不同點上擊打該物體。
[0028]此種方法下，會被標記的表面區域未被從第二雷射器單元產生所述超聲波信號的脈衝雷射束所影響。單束雷射束可互相平行對準或是互相間包含各種角度。除了一個以上標記單元可被設置來減少標記的時間，藉此通過物體的吞吐量可進一步提高。
[0029]本發明儀器另一優選實施例中，至少一個雷射器單元可在第一操作模式下運行，該模式下脈衝雷射束被產生，所述脈衝雷射束被定向至物體，並適用於造成物體表面的振動，藉此物體被激發以產生超聲波信號，並可在第二操作模式下運行，該模式下物體被由運行在第二操作模式的至少一個雷射器單元產生的雷射束標記。
[0030]本發明的實施例具有優勢的是，只需要一方面用於標記物體，另一方面也可產生用於檢測所述物體位置的超聲波傳輸信號的一個雷射器單元。迄今為止，這簡化了配置，也可降低成本。舉例來說，在第一操作模式下，雷射器單元可產生脈衝雷射束，其中雷射束通過調Q (Q-switching)被調至具有高峰功率的脈衝。短脈衝雷射峰值在造成超聲波信號上具有更大的影響，其中粒子可從物體表面噴射出和/或在影響區域提高的溫度。相反地，雷射器單兀可被切換至具有恆定輸出的連續波模式，其中物體被在此模式下掃描的雷射束標記。
[0031]調Q可在活躍的方式下通過機械設備完成，例如快門或調製盤，或機械設備可以是某種形式的調解器，例如聲光設備或電光設備，類似於普克爾盒(pockels cell)或卡耳電池(kerr-cell)。同樣地,被動調Q也是可能的,其中Q開關(Q_switch)是一個可飽和吸收體，一種當光強超過一定閾值時增加傳輸的材料。鎖模也可用於改變雷射器單兀操作模式。
[0032]本設備可使用所有具有在不同操作模式下操作的常規種類的雷射類型，其中產生的雷射束可適用於在第一操作模式下標記所述物體，並在第二模式下通過擊打所述物體產生超聲波信號。
[0033]雷射器單元的典型應用可以是Q開關雷射器，舉例來說，釔鋁石榴石(Nd:YAG)雷射器，其中脈衝雷射束的峰值功率遠高於它的平均功率。
[0034]優選地，設有一調整設備，用於調整由至少一個雷射器單元產生的雷射束，以定向雷射束至物體，其由運輸設備基於從計算裝置傳輸至調整設備的移動物體的位置信息移動。雷射束可通過移動或旋轉雷射器單元或通過可被例如振鏡掃描儀(galvo scanners)執行的XV-光束偏轉被放置。
[0035]通過計算裝置計算的位置信息可被任何通常熟知的連接器，例如電纜或通過集成在計算裝置內的發射器和作為調整設備的部分的響應接收器間的傳輸電信號或光信號傳輸。
[0036]調整設備必須能夠保證由標記單元製造的信號被撞擊在物體表面上正確的部分和/或點。調整設備也可被設計為由計算裝置產生的超聲波信號用於檢測位置的脈衝信號的遊標調整。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0037]圖1示出了本發明用於標記物體的儀器15的第一實施例。
【具體實施方式】
[0038]本發明將參照所附的一張附圖進一步地描述。
[0039]圖1示出了本發明用於標記物體的儀器15的第一實施例的示意圖，包括標記單元及通過超聲波手段用於檢測物體位置的設備10。
[0040]兩個具有氣體雷射器的雷射器單元20，22產生脈衝雷射束85，該雷射束85被兩個振鏡掃描儀反射，用以設置需要的光束方向。通過擊打所述物體50的表面55，物體優選地可以是玻璃瓶或塑料瓶，所述脈衝雷射束85的雷射束能量在碰撞點75上造成了強大的局部加熱。
[0041]這導致了局部振動，其中超聲波信號70被發射。信號79可被超聲波傳感器30檢測到，優選地超聲波傳感器30為換能器單元。接收到的超聲波信號70被轉換為電信號，並被轉移到計算裝置40。計算裝置40被設計為計算被運輸設備例如傳送帶在箭頭8的方向上移動的物體50的位置。
[0042]在運輸設備64上的所述物體50的計算位置啟動設置了由標記單元25發射的雷射束80至物體50的表面55的點的方向，該點上已寫有標記或標誌52。另外，如果需要的話，由雷射器單元20，22發射的脈衝雷射束85也可被調整。根據移動的物體50的表面55的特性，上述可通過雕刻和打烙印完成。
【權利要求】
1.一種用於標記物體(50)的儀器，包括: -一標記單元(25),通過雷射束(80)標記物體(50), -一運輸設備(64),用於運輸物體(50), -一設備(10)，通過超聲波檢測運輸的物體(50)的位置，包含至少一個超聲波傳感器(30 )，用於接收從物體(50 )發來的超聲波信號(70 )，其中 -設有至少一個用於產生脈衝雷射束(85)的雷射器單元(20，22)，所述脈衝雷射束被定向至運輸的物體(50)並適用於在物體(50)的表面(55)造成振動，藉此產生超聲波信號(70)，及 -計算裝置(40)，基於接收到的超聲波信號(70)，用於計算物體(50)的位置，其中基於所述物體(50)的計算位置用於標記的雷射束(80)被定向至所述物體(50)。
2.如權利要求1所述的用於標記物體的儀器(15)，其特徵在於至少一個雷射器單元(20，22)被設計為產生一個以上雷射束，其中所述雷射束(80)的光波頻率互不相同。
3.如權利要求1或2所述的用於標記物體的儀器(15)，其特徵在於設有一個以上雷射器單元(20，22)，其中雷射器單元(20， 22)分別位於不同位置，產生分別被定向至同一物體(50)的脈衝雷射束(85)。
4.如權利要求1至3任一項所述的儀器(15)，其特徵在於設有一個以上雷射器單元(20)，其中第一雷射器單元(20)設於標記單元，用於產生雷射束(80)，所述雷射束(80)被定向至物體(50)，用於標記所述物體(50)，及設有第二雷射器單元(22)，用於產生脈衝雷射束(85)，所述脈衝雷射束(85)被定向至物體(50)，適用於造成物體(50)的表面(55)的振動，藉此物體(50 )被激發以產生超聲波信號(70 )。
5.如權利要求1至3任一項所述的用於標記物體的儀器(15)，其特徵在於至少一個雷射器單元(20，22)可在第一操作模式下運行，該模式下脈衝雷射束被產生，所述脈衝雷射束被定向至物體(50 )，並適用於造成物體(50 )的表面(55 )的振動，藉此超聲波信號(70 )被產生，並可在第二操作模式下運行，該模式下物體(50)被由運行在第二操作模式的至少一個雷射器單元(20，22)產生的雷射束(80)標記。
6.如權利要求1至4任一項所述的用於標記物體的儀器(15)，其特徵在於設有一調整設備，用於調整由至少一個雷射器單元(20)產生的雷射束(80)，以定向雷射束(80)至物體(50 )，其由運輸設備(64 )基於從計算裝置(40 )傳輸至調整設備(34 )的移動物體(50 )的位置信息移動。
7.—種標記物體(50)的方法，其中 -標記物體(50)通過運輸設備(64)運輸， -運輸的物體(50)的位置通過超聲波檢測，其中 -一脈衝雷射束(85)被至少一個雷射器單元(20，22)產生， -所述雷射束(85)被定向至運輸物體(50), -通過脈衝雷射束(85 )在運輸物體(50 )的表面(55 )造成振動，藉此物體(50 )被激發以產生超聲波信號(70)， -超聲波信號(70)通過至少一個超聲波傳感器(30)從物體(50)接收，及 -基於接收到的超聲波信號(70)，計算標記物體(50)的位置。
8.如權利要求7所述方法，其特徵在於-物體(50)由至少一個雷射束(80)標記，及-基於所述物體(50)的計算位置，雷射束(80)被定向至物體(50)。
9.如權利要求7或8所述的方法，其特徵在於使用如權利要求1至6任一`項所述的標記儀器。
【文檔編號】G10K15/04GK103782193SQ201280042907
【公開日】2014年5月7日 申請日期:2012年7月19日 優先權日:2011年9月5日
【發明者】凱文·L·安布魯斯特, 布拉德·D·吉爾馬丁, 彼得·J·屈克達爾, 伯納德·J·理察, 丹尼爾·J·瑞安 申請人:奧迪克雷射應用技術股份有限公司