測定置於傳送設備上的物體的高度的方法和超聲波傳感器的製作方法
2023-10-05 12:32:49
專利名稱：測定置於傳送設備上的物體的高度的方法和超聲波傳感器的製作方法
技術領域：
在第一方面，本發明涉及一種根據權利要求1的前序部分所述的 測定置於傳送設備上的物體的高度的方法。
在第二方面，本發明涉及一種根據權利要求10的前序部分所述的 測定置於傳送設備上的物體的高度的超聲波傳感器。
背景技術：
在測定置於傳送設備上的物體的高度的一般方法中，具體相對於 傳送設備定位的超聲波傳感器、更具體地是位於傳送設備上方的超聲 波傳感器反覆發射指向傳送設備和置於所述傳送設備上的任何要被探 測的物體的超聲波脈衝，並且超聲波脈衝然後從傳送設備的表面或要 被探測的物體的表面被反射並由超聲波傳感器探測。超聲波脈衝的延 遲時間根據超聲波脈衝的發射時刻和探測時刻來測定，並且物體表面 相對於傳送設備的表面的高度根據從物體表面反射的超聲波脈衝的延 遲時間來測定。
一般的測定置於傳送設備上的物體的高度的超聲波傳感器包括 發射器，用於反覆發射超聲波脈衝；和接收器，用於接收從傳送設備 的表面或從要被探測的物體的表面反射的超聲波脈衝。此外，存在控 制與求值單元，該控制與求值單元被構造成控制超聲波傳感器，根據 超聲波脈衝的發射時刻和探測時刻來計算超聲波脈衝的延遲時間，並 且因此用於根據從物體表面反射的超聲波脈衝的延遲時間來測定物體 表面相對於傳送設備的表面的高度。
在工業自動化過程中長久以來己公知用於測定物體的超聲波傳感
5器的用途。這些傳感器能夠使要實現的解析度在亞毫米的範圍內。因 此，原則上，能夠監控和探測甚至很薄的物體諸如供給到壓罐的片狀 金屬材料。
具體在板狀或片狀物體的情形下，測定物體相對於傳送設備的表 面的高度相當於測定物體的厚度。
由於高度必須通過對相對於基準變量、也就是說例如相對於傳送 設備的表面的超聲波延遲時間進行求值來測定，所以可能的解析度和 因此高度和厚度測量的精確度具體取決於已知基準的精確程度。
例如，超聲波傳感器本身的熱漂移或整個機械機構的機械漂移能 夠對系統具有不利影響
當很薄的物體諸如金屬片或紙片要被探測時，這些方面特別重要。
發明內容
本發明的目的在於，提供一種方法和一種超聲波傳感器，用於可 靠地探測即使是很薄的物體。
在第一方面，該目的在本發明的通過具有權利要求1所限定的特 徵的方法來實現。
在另一方面，上述目的通過具有權利要求IO所限定的特徵的超聲
波傳感器來實現。
根據本發明的方法的優選實施例是從屬權利要求的主題，並且參 考附圖詳細描述。
根據本發明，通過以下方式實現上述類型的方法的開發從傳送設備的表面反射的超聲波脈衝的延遲時間作為參考值被存儲；當存在 所測量的延遲時間從較低值增大到較高值時，較高值被存儲且被用作 新的參考值；當存在所測量的延遲時間從較高值減小到較低值時，較 低值被解釋為從物體表面反射的超聲波脈衝的延遲時間值；並且物體 表面相對於所述傳送設備的表面的高度根據最近存儲的參考值與關於 物體表面的延遲時間值之間的差來測定。
根據本發明，通過以下方式實現上述類型的超聲波傳感器的開發 控制與求值單元進一步適合於將從傳送設備的表面反射的超聲波脈衝 的延遲時間作為參考值存儲，並且根據最近存儲的參考值與關於物體 表面的延遲時間值之間的差來測定物體表面相對於傳送設備的表面的 高度；並且當存在所測量的延遲時間從較低值增大到較高值時，較高 值被用作新的參考值；並且當存在所測量的延遲時間從較高值減小到 較低值時，較低值被認為是從物體表面反射的超聲波脈衝的延遲時間 值。
可以看到本發明根本的最初基本概念在於，當對超聲波延遲時間 進行求值時，能夠考慮關於期望測量值的預知信息。
更準確地說，可以看到本發明根本的基本中心思想在於，當所測 量的延遲時間從較低值增大到較高值時，新的較高值被存儲且被用作 新的參考值。原則上，這是基於要被探測的物體具有大致立方形或板 狀形狀的假設。在物體的這種形狀的情形下，當存在所測量的延遲時 間增大時，可安全地假設物體的邊緣剛好已離開超聲波傳感器的探測 區域，並且隨後的延遲時間值能夠歸於從傳送設備的表面的反射。
表述"延遲時間的存儲"應被理解為具有用於本發明目的的寬泛 的意思和解釋。例如，該表述可能包括變量的存儲而不是存儲延遲時 間本身，與延遲時間相關的該變量諸如是距離或距離的兩倍，也就是
說超聲波脈衝經過的總距離。超聲波傳感器相對於傳送設備的位置僅僅由其向傳送設備和置於 傳送設備上的物體發射超聲波脈衝的能力支配。超聲波傳感器非常優 選地定位在傳送帶上方並且沿向下的方向發出超聲波脈衝。然而，原 則上，超聲波傳感器例如能夠可選地置於傳送帶的側面。於是，超聲 波脈衝將必須由適當的裝置諸如反射器偏轉，從而使得超聲波脈衝向 傳送設備和要被探測的物體行進。
本發明的第一基本優點可認為是這樣的事實，基準被連續追蹤並 且因此在任何時間點被很精確地得知。
因此，能夠幾乎最優地利用通常能夠通過測定超聲波脈衝的延遲 時間得到的距離解析度。
由於在根據本發明的方法中在任何時間點很精確地得知基準，高 度測量等同於要被測量的物體的厚度測量。這基本上也揭示在相應的
測量情況或應用中期望的物體是否被定位於傳送設備上的信息。
例如，如此測定的高度能夠作為與高度成比例的電壓信號在超聲 波傳感器的輸出端被輸出。
傳送設備基本上能夠是使要被探測的物體移過為此目的適當定位 的超聲波傳感器的探測區域或監控領域的任何類型的設備。本發明的 方法和本發明的超聲波傳感器能夠用於特別有利地與傳送帶組合。
控制與求值單元能夠由微控制器或功能上相當和等價的部件、諸 如可編程邏輯模塊組成。本發明方法和本發明超聲波傳感器的相應功 能性的基本零件能夠具體合併入用於控制與求值單元的軟體。
例如，軟體可以通過下面的方式來編程，在上電程序之後得到的第一個值被用作參考值。可選地，最近存儲的值在上電程序之後可以 立即被用作參考值。
由於本發明的參考值的實時追蹤的概念，也能夠考慮移開超聲波 傳感器幾毫米的傳送帶的表面的情況。
在本發明方法的優選變型中，也能夠考慮減小傳送設備的表面與 超聲波傳感器之間的距離。在這方面，應當注意根據本發明所測量的 延遲時間的減小通常意味著物體存在於探測區域中。
因此，在本發明的方法的有利變型中，其中也能夠考慮減小傳送 設備的表面與超聲波傳感器之間的距離，假設在所測量的延遲時間從 較高值減小到較低值的情形下，如果在給定數量的連續測量中測量到 延遲時間的較低值，則較低值被存儲並且被用作新的參考值。
連續測量的數量換句話說在延遲時間的較低值被用作新的參考值 之前經過的時間被有利地選擇成能夠可靠地排除在物體行進的正常速 度下物體仍存在於探測區域內。
如果參考值的最大期望的變化小於要被探測的物體的厚度或高 度，還有利的是，如果在所測量的延遲時間從較高值下降到較低值的 情形下，如果較低值處在包含最近存儲的參考值的設置範圍內，較低 值被存儲並且被用作新的參考值。於是該範圍被有利地選擇成小於要 被探測的物體的厚度。
如果傳送設備的向前前進信號發信號到超聲波傳感器，則能夠進 一步提高本發明的方法的功能性。例如，物體的長度能夠根據傳送設 備的向前前進速度和所測量的延遲時間的減小與隨後的增大之間的時 間差來測定。
9為了防止將較低延遲時間值錯誤地用作新的參考值，傳送設備的 向前前進信號也能夠考慮用於求值。能夠以下面的方式對控制與求值 單元的邏輯進行編程，例如，當傳送設備已停止時，已下降到較低值 的延遲時間不被用作新的參考值。
在本發明的方法的具體優選地實施例中，對物體所測定的高度與 至少一個比較值進行比較，並且當在該比較過程中發現的偏差超出偏 離比較值的允許偏差的給定範圍時，超聲波傳感器發出信號。
原則上，比較值能夠根據已經通過超聲波傳感器的探測區域的物 體的高度來測定。因此，例如最近通過探測區域的給定數量的物體的 高度的平均值能夠被用作比較值。
然而，具體優選的是，針對要被探測的物體的至少一個比較值被 輸入到超聲波傳感器。於是，這能夠以很高水平的靈敏度檢査要被探 測的物體實際上是否是用於當前應用的正確物體。
在本發明的方法的又一具體優選的變型中，對應於片狀物體的厚 度的整數倍的一定數目的比較值被輸入到超聲波傳感器。金屬片或紙 片在本文中是這種片狀物體的示例。於是，能夠可靠探測是否僅一個 所述物體在傳送設備上或超過一個的這種片狀物體可能疊置在傳送設 備上。
因此，使用本發明的方法和本發明的超聲波傳感器能夠可靠地避 免將兩個疊置的金屬片不正確地供給到壓罐。
下面參考附圖來描述本發明的方法和本發明的超聲波傳感器的附 加優點和特徵，其中-
圖1至4是當在傳送帶上實施本發明的方法時本發明的超聲波傳感器在不同測量情況下的示意性視圖。
圖5是作為所探測的物體高度的函數的本發明超聲波傳感器的輸
出信號的曲線圖。
圖6是示出對於兩種不同測量情況的超聲波傳感器輸出信號的時 間分布的曲線圖。
具體實施例方式
在所有附圖中，相同的附圖標記總是表示相同和等價的部件。
圖1至4分別示出定位在傳送設備200上方的超聲波傳感器100。
在圖1至3中所示 情形中下，傳送設備200在所示的示例性實施 例中是傳送帶220，該傳送設備200用於在箭頭230所指的方向上、也 就是圖l至3中的從左向右傳送立方形的物體10、 20。物體10、 20可 以是包裝有貨物的紙板盒。
超聲波傳感器100的基本部件包括發射器110、接收器120和控制 與求值單元130。發射器IIO和接收器120能夠是單個壓電元件的形式。 控制與求值單元130連接到發射器IIO和接收器120，並且包含示意性 示出的端子150、 160、 170。超聲波傳感器IOO的測量信號和開關信號 在端子150、 160處獲得。來自傳送設備200的向前前進信號和/或附加 的數據能夠經由可以是數據接口的端子170輸入到的超聲波傳感器 100。當因此由控制與求值單元130觸發時，發射器IIO在方向144上 向傳送帶220和在其上存在的任何物體10、 20反覆發射超聲波脈衝 140。
超聲波脈衝從傳送帶220的表面210或從由傳送帶傳送的物體10、 20的表面12、 22被反射，從而在方向142上向接收器120傳播，以便 由接收器進行探測。在圖1中所示的情形下，超聲波脈衝140從傳送 帶220的表面210被反射，而在圖2、 3和4中所示的測量情形下，超聲波140從物體10、 33的表面12被反射。
在控制與求值單元130中處理由發射器110發射超聲波脈衝140 的時刻和由接收器120探測反射的超聲波脈衝140的時刻。通過減法 根據關於同一超聲波脈衝的發射和接收時刻來測量延遲時間。通過落 實超聲波的聲速，於是能夠測定超聲波的絕對傳播路徑，該絕對傳播 路徑等於相應的反射表面距超聲波傳感器100的距離的兩倍。通過測 定超聲波傳感器100距物體表面12和距傳送帶220的表面210的距離， 並且通過從一個距離減去另一個距離，最後得到傳送帶220的表面210 上方的物體10的高度14。物體10的高度14等於物體10相對於傳送 帶220的表面210的厚度。在圖中所示的示例中，與該高度14成比例 的電壓在輸出端160輸出。圖5中以曲線圖示出電壓楔形145，該電壓 楔形表明從0到高度16的高度範圍相對於從0到10伏的電壓範圍成 比例相關，高度16例如可以是30mm。
如果需要，能夠使輸出電壓的比例適合於期望的應用並且適合於 在每種情況下所使用的儀器。
可以看出本發明的基本中心思想在於，超聲波傳感器100由於權 利要求中所闡述的特徵相對於傳送帶220的表面210自動調整自身的 基準和校準自身。連續測量超聲波傳感器100與傳送帶220的表面210 之間的延遲時間，並且在所示的示例中，如果在超聲波傳感器100與 傳送帶220之間沒有物體IO存在，則在輸出端160輸出零伏。這考慮 到溫度和機械漂移的補償。當物體10從圖1中所示的位置開始從左側 移動到超聲波傳感器100的探測區域中時，由超聲波傳感器100探測 的延遲時間將從較高值、即關於傳送帶220的表面210的值下降到關 於物體10的表面12的較低值。根據本發明，這由控制與求值單元130 解釋為由物體產生的變化，並且如上所述，因此，將傳送帶220的表 面210上方的物體10的高度14作為比例電壓信號在超聲波傳感器100 的輸出端160輸出。本發明的超聲波傳感器100的附加基本功能和本發明的方法在
於，在所測量的延遲時間從較低值上升到較高值的情況下，該較高值 作為新的基準被存儲並且用於隨後的高度測定。
例如，事實上，如果從圖2中所示的位置開始，物體10進一步向 右移動並且最後離開超聲波傳感器100的探測區域。於是，本發明的 超聲波傳感器100將其距傳送帶220的表面210的距離快速重新調整 為新的參考值。由此，使用本發明的方法，通過不同的參考值來測定 物體10和20的高度或厚度。因此，補償或消除可在短時段內發生的 可能的偏移或漂移，在該短時段內，物體IO移動離開探測區域並且下 一個物體20移動到超聲波傳感器100的探測區域內。
原則上，由於熱或機械漂移可以縮短超聲波傳感器100與傳送帶 220的表面210之間的距離，引起超聲波脈衝更短的延遲時間。根據本 發明，將延遲時間的這種較低值最初分配給物體。具有同樣從較低延 遲時間值得到新的參考值的方式。
首先，關於要被探測的物體相對於超聲波傳感器100的移動速度 的信息能夠用於測定時間常數。在該測定時段或等同給定數量的連續 測量過去之後，更短的延遲時間值被存儲並且被用作新的基準。然後， 電壓在輸出端160再次下降到零。
圖6中以曲線圖示出在超聲波傳感器100的輸出端160的電壓對 應於時間的分布圖。曲線147表示如果傳送帶220停止並且物體10因 此靜止地豎立在超聲波傳感器100下方所產生的時間分布圖。在傳送 帶220正常前進的情形下，輸出端160輸出相應於曲線149的電壓特 性。
可選地或另外地，已減小到較低值的距離可以與比較值相比較，並且例如，僅與到目前為止所用的參考值的差小於給定的最大偏差的 值能夠允許作為新的參考值。
本發明的方法和本發明的超聲波傳感器100也能夠有利地探測很 薄的材料，諸如很薄的金屬片或紙片。參考圖4更加詳細地描述這種 情況。圖4中所示的且要被探測的物體30、 31、 32、 33是例如薄金屬 片。兩個金屬片31、 32被疊置，這是不期望的並且能夠使用本發明的 超聲波傳感器100進行探測。由於參考值的連續追蹤，能夠在高達 0.17mm的解析度的範圍內非常精確地測定傳送帶220的表面210上方 的物體的厚度或相當於厚度的高度。通過上述比例方法的選擇性調整 並且通過設置合適的比較閾值161、 162，通過將測定厚度與值161、 162進行比較能夠可靠地區分測量情況"無材料"、"單層材料"、和"雙 層材料"。例如，如果探測到雙層材料，如在金屬片31、 32的情形下， 能夠在開關輸出端150輸出適當的錯誤信號。
本發明提供一種測量置於傳送設備上的物體的厚度的新穎的方法 和一種新穎的超聲波傳感器，其能夠在正在進行的測量模式中連續重 新校準參考值，能夠可靠地探測很薄的物體，並且具體能夠識別雙層 材料。
權利要求
1.一種測定置於傳送設備上的物體的高度的方法，其中，相對於所述傳送設備定位的超聲波傳感器反覆發射指向所述傳送設備和置於所述傳送設備上的任何可探測的物體的超聲波脈衝，並且，所述超聲波脈衝從所述傳送設備的表面或所述可探測的物體的表面被反射並且由所述超聲波傳感器探測，其中，由所述超聲波脈衝的發射時刻和探測時刻來測定所述超聲波脈衝的延遲時間，並且，由從物體表面反射的所述超聲波脈衝的所述延遲時間來測定物體表面相對於所述傳送設備的表面的高度，其中，從所述傳送設備的表面反射的所述超聲波脈衝的所述延遲時間作為參考值被存儲，當存在所測量的延遲時間從較低值增大到較高值時，所述較高值被存儲且被用作新的參考值，當存在所測量的延遲時間從較高值減小到較低值時，所述較低值被認為是從物體表面反射的超聲波脈衝的延遲時間值，並且由最近存儲的參考值與關於物體表面的延遲時間值之間的差來測定所述物體表面相對於所述傳送設備的表面的高度。
2. 根據權利要求1所述的方法， 其中，當存在所述所測量的延遲時間從較高值減小到較低值時，當在給 定數量的連續測量中測量到所述延遲時間的所述較低值時，所述較低 值被存儲並且被用作新的參考值。
3. 根據權利要求l所述的方法， 其中，當存在所述所測量的延遲時間從較高值減小到較低值時，當所述 較低值處在包含最近存儲的參考值的給定範圍內時，所述較低值被存儲並且被用作新的參考值。
4. 根據權利要求l所述的方法，其中，所述傳送設備是傳送帶。
5. 根據權利要求l所述的方法， 其中，所述傳送設備的向前前進信號被饋送至所述超聲波傳感器，並且， 由所述傳送設備的向前前進速度和所測量的延遲時間的減小與隨後的 增大之間的時間差來測定所述物體的長度。
6. 根據權利要求l所述的方法， 其中，對物體所測定的高度與至少一個比較值進行比較，並且，如果所 述比較產生超過離開所述比較值的允許的偏差的給定範圍的偏差，則 所述超聲波傳感器產生信號。
7. 根據權利要求6所述的方法， 其中，由在所述超聲波傳感器的探測區域內已被探測的物體的高度來測 定所述比較值。
8.根據權利要求6所述的方法， 其中，針對要被探測的物體的至少一個比較值被饋送至所述超聲波傳感
9.根據權利要求6所述的方法， 其中，多個比較值被饋送至所述超聲波傳感器，這些比較值是片狀物體 的厚度的整數倍。
10. —種測定置於傳送設備上的物體的高度的超聲波傳感器，包括發射器，用於反覆發射超聲波脈衝，接收器，用於接收已從所述傳送設備的表面或從要被探測的所述 物體的表面反射的超聲波脈衝，和控制與求值單元，該控制與求值單元適合於控制所述發射器，由 所述超聲波脈衝的發射時刻到探測時刻來計算所述超聲波脈衝的延遲 時間，並且用於由從物體表面反射的所述超聲波脈衝的延遲時間來測 定所述物體表面相對於所述傳送設備的表面的高度，其中，所述控制與求值單元進一步適合於將從所述傳送設備的表面反射 的所述超聲波脈衝的所述延遲時間作為參考值存儲，並且由最近存儲 的參考值與關於物體表面的延遲時間值之間的差來測定所述物體表面 相對於所述傳送設備的所述表面的高度，並且當存在所測量的延遲時間從較低值增大到較高值時，所述較高值 被用作新的參考值，並且，當存在所測量的延遲時間從較高值減小到較低值時，所述較低值 被認為是從物體表面反射的超聲波脈衝的延遲時間值。
全文摘要
本發明涉及測定置於傳送設備上的物體的高度的方法和超聲波傳感器，其中，超聲波傳感器反覆發射超聲波脈衝，超聲波脈衝被反射且由超聲波傳感器探測，物體表面相對於傳送設備的表面的高度由從物體表面反射的超聲波脈衝的延遲時間測定。該方法的特徵在於，從傳送設備的表面反射的超聲波脈衝的延遲時間作為參考值被存儲；當存在所測量的延遲時間從較低值增大到較高值時，較高值被存儲且被用作新的參考值；當存在所測量的延遲時間從較高值減小到較低值時，較低值被認為是從物體表面反射的超聲波脈衝的延遲時間值；且物體表面相對於傳送設備的表面的高度由最近存儲的參考值與關於物體表面的延遲時間值之間的差測定。本發明還涉及一種超聲波傳感器。
文檔編號G01S15/08GK101625410SQ20091014019
公開日2010年1月13日 申請日期2009年7月10日 優先權日2008年7月11日
發明者延斯·謝勒, 託馬斯·克尼特爾 申請人:倍加福有限責任公司