测定置于传送设备上的物体的高度的方法和超声波传感器 【技术领域】
在第一方面，本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的测定置于传送设备上的物体的高度的方法。
在第二方面，本发明涉及一种根据权利要求10的前序部分所述的测定置于传送设备上的物体的高度的超声波传感器。
背景技术
在测定置于传送设备上的物体的高度的一般方法中，具体相对于传送设备定位的超声波传感器、更具体地是位于传送设备上方的超声波传感器反复发射指向传送设备和置于所述传送设备上的任何要被探测的物体的超声波脉冲，并且超声波脉冲然后从传送设备的表面或要被探测的物体的表面被反射并由超声波传感器探测。超声波脉冲的延迟时间根据超声波脉冲的发射时刻和探测时刻来测定，并且物体表面相对于传送设备的表面的高度根据从物体表面反射的超声波脉冲的延迟时间来测定。
一般的测定置于传送设备上的物体的高度的超声波传感器包括：发射器，用于反复发射超声波脉冲；和接收器，用于接收从传送设备的表面或从要被探测的物体的表面反射的超声波脉冲。此外，存在控制与求值单元，该控制与求值单元被构造成控制超声波传感器，根据超声波脉冲的发射时刻和探测时刻来计算超声波脉冲的延迟时间，并且因此用于根据从物体表面反射的超声波脉冲的延迟时间来测定物体表面相对于传送设备的表面的高度。
在工业自动化过程中长久以来已公知用于测定物体的超声波传感器的用途。这些传感器能够使要实现的分辨率在亚毫米的范围内。因此，原则上，能够监控和探测甚至很薄的物体诸如供给到压罐的片状金属材料。
具体在板状或片状物体的情形下，测定物体相对于传送设备的表面的高度相当于测定物体的厚度。
由于高度必须通过对相对于基准变量、也就是说例如相对于传送设备的表面的超声波延迟时间进行求值来测定，所以可能的分辨率和因此高度和厚度测量的精确度具体取决于已知基准的精确程度。
例如，超声波传感器本身的热漂移或整个机械机构的机械漂移能够对系统具有不利影响
当很薄的物体诸如金属片或纸片要被探测时，这些方面特别重要。
【发明内容】
本发明的目的在于，提供一种方法和一种超声波传感器，用于可靠地探测即使是很薄的物体。
在第一方面，该目的在本发明的通过具有权利要求1所限定的特征的方法来实现。
在另一方面，上述目地通过具有权利要求10所限定的特征的超声波传感器来实现。
根据本发明的方法的优选实施例是从属权利要求的主题，并且参考附图详细描述。
根据本发明，通过以下方式实现上述类型的方法的开发：从传送设备的表面反射的超声波脉冲的延迟时间作为参考值被存储；当存在所测量的延迟时间从较低值增大到较高值时，较高值被存储且被用作新的参考值；当存在所测量的延迟时间从较高值减小到较低值时，较低值被解释为从物体表面反射的超声波脉冲的延迟时间值；并且物体表面相对于所述传送设备的表面的高度根据最近存储的参考值与关于物体表面的延迟时间值之间的差来测定。
根据本发明，通过以下方式实现上述类型的超声波传感器的开发：控制与求值单元进一步适合于将从传送设备的表面反射的超声波脉冲的延迟时间作为参考值存储，并且根据最近存储的参考值与关于物体表面的延迟时间值之间的差来测定物体表面相对于传送设备的表面的高度；并且当存在所测量的延迟时间从较低值增大到较高值时，较高值被用作新的参考值；并且当存在所测量的延迟时间从较高值减小到较低值时，较低值被认为是从物体表面反射的超声波脉冲的延迟时间值。
可以看到本发明根本的最初基本概念在于，当对超声波延迟时间进行求值时，能够考虑关于期望测量值的预知信息。
更准确地说，可以看到本发明根本的基本中心思想在于，当所测量的延迟时间从较低值增大到较高值时，新的较高值被存储且被用作新的参考值。原则上，这是基于要被探测的物体具有大致立方形或板状形状的假设。在物体的这种形状的情形下，当存在所测量的延迟时间增大时，可安全地假设物体的边缘刚好已离开超声波传感器的探测区域，并且随后的延迟时间值能够归于从传送设备的表面的反射。
表述“延迟时间的存储”应被理解为具有用于本发明目的的宽泛的意思和解释。例如，该表述可能包括变量的存储而不是存储延迟时间本身，与延迟时间相关的该变量诸如是距离或距离的两倍，也就是说超声波脉冲经过的总距离。
超声波传感器相对于传送设备的位置仅仅由其向传送设备和置于传送设备上的物体发射超声波脉冲的能力支配。超声波传感器非常优选地定位在传送带上方并且沿向下的方向发出超声波脉冲。然而，原则上，超声波传感器例如能够可选地置于传送带的侧面。于是，超声波脉冲将必须由适当的装置诸如反射器偏转，从而使得超声波脉冲向传送设备和要被探测的物体行进。
本发明的第一基本优点可认为是这样的事实，基准被连续追踪并且因此在任何时间点被很精确地得知。
因此，能够几乎最优地利用通常能够通过测定超声波脉冲的延迟时间得到的距离分辨率。
由于在根据本发明的方法中在任何时间点很精确地得知基准，高度测量等同于要被测量的物体的厚度测量。这基本上也揭示在相应的测量情况或应用中期望的物体是否被定位于传送设备上的信息。
例如，如此测定的高度能够作为与高度成比例的电压信号在超声波传感器的输出端被输出。
传送设备基本上能够是使要被探测的物体移过为此目的适当定位的超声波传感器的探测区域或监控领域的任何类型的设备。本发明的方法和本发明的超声波传感器能够用于特别有利地与传送带组合。
控制与求值单元能够由微控制器或功能上相当和等价的部件、诸如可编程逻辑模块组成。本发明方法和本发明超声波传感器的相应功能性的基本零件能够具体合并入用于控制与求值单元的软件。
例如，软件可以通过下面的方式来编程，在上电程序之后得到的第一个值被用作参考值。可选地，最近存储的值在上电程序之后可以立即被用作参考值。
由于本发明的参考值的实时追踪的概念，也能够考虑移开超声波传感器几毫米的传送带的表面的情况。
在本发明方法的优选变型中，也能够考虑减小传送设备的表面与超声波传感器之间的距离。在这方面，应当注意根据本发明所测量的延迟时间的减小通常意味着物体存在于探测区域中。
因此，在本发明的方法的有利变型中，其中也能够考虑减小传送设备的表面与超声波传感器之间的距离，假设在所测量的延迟时间从较高值减小到较低值的情形下，如果在给定数量的连续测量中测量到延迟时间的较低值，则较低值被存储并且被用作新的参考值。
连续测量的数量换句话说在延迟时间的较低值被用作新的参考值之前经过的时间被有利地选择成能够可靠地排除在物体行进的正常速度下物体仍存在于探测区域内。
如果参考值的最大期望的变化小于要被探测的物体的厚度或高度，还有利的是，如果在所测量的延迟时间从较高值下降到较低值的情形下，如果较低值处在包含最近存储的参考值的设置范围内，较低值被存储并且被用作新的参考值。于是该范围被有利地选择成小于要被探测的物体的厚度。
如果传送设备的向前前进信号发信号到超声波传感器，则能够进一步提高本发明的方法的功能性。例如，物体的长度能够根据传送设备的向前前进速度和所测量的延迟时间的减小与随后的增大之间的时间差来测定。
为了防止将较低延迟时间值错误地用作新的参考值，传送设备的向前前进信号也能够考虑用于求值。能够以下面的方式对控制与求值单元的逻辑进行编程，例如，当传送设备已停止时，已下降到较低值的延迟时间不被用作新的参考值。
在本发明的方法的具体优选地实施例中，对物体所测定的高度与至少一个比较值进行比较，并且当在该比较过程中发现的偏差超出偏离比较值的允许偏差的给定范围时，超声波传感器发出信号。
原则上，比较值能够根据已经通过超声波传感器的探测区域的物体的高度来测定。因此，例如最近通过探测区域的给定数量的物体的高度的平均值能够被用作比较值。
然而，具体优选的是，针对要被探测的物体的至少一个比较值被输入到超声波传感器。于是，这能够以很高水平的灵敏度检查要被探测的物体实际上是否是用于当前应用的正确物体。
在本发明的方法的又一具体优选的变型中，对应于片状物体的厚度的整数倍的一定数目的比较值被输入到超声波传感器。金属片或纸片在本文中是这种片状物体的示例。于是，能够可靠探测是否仅一个所述物体在传送设备上或超过一个的这种片状物体可能叠置在传送设备上。
因此，使用本发明的方法和本发明的超声波传感器能够可靠地避免将两个叠置的金属片不正确地供给到压罐。
【附图说明】
下面参考附图来描述本发明的方法和本发明的超声波传感器的附加优点和特征，其中：
图1至4是当在传送带上实施本发明的方法时本发明的超声波传感器在不同测量情况下的示意性视图。
图5是作为所探测的物体高度的函数的本发明超声波传感器的输出信号的曲线图。
图6是示出对于两种不同测量情况的超声波传感器输出信号的时间分布的曲线图。
【具体实施方式】
在所有附图中，相同的附图标记总是表示相同和等价的部件。
图1至4分别示出定位在传送设备200上方的超声波传感器100。
在图1至3中所示情形中下，传送设备200在所示的示例性实施例中是传送带220，该传送设备200用于在箭头230所指的方向上、也就是图1至3中的从左向右传送立方形的物体10、20。物体10、20可以是包装有货物的纸板盒。
超声波传感器100的基本部件包括发射器110、接收器120和控制与求值单元130。发射器110和接收器120能够是单个压电元件的形式。控制与求值单元130连接到发射器110和接收器120，并且包含示意性示出的端子150、160、170。超声波传感器100的测量信号和开关信号在端子150、160处获得。来自传送设备200的向前前进信号和/或附加的数据能够经由可以是数据接口的端子170输入到的超声波传感器100。当因此由控制与求值单元130触发时，发射器110在方向144上向传送带220和在其上存在的任何物体10、20反复发射超声波脉冲140。
超声波脉冲从传送带220的表面210或从由传送带传送的物体10、20的表面12、22被反射，从而在方向142上向接收器120传播，以便由接收器进行探测。在图1中所示的情形下，超声波脉冲140从传送带220的表面210被反射，而在图2、3和4中所示的测量情形下，超声波140从物体10、33的表面12被反射。
在控制与求值单元130中处理由发射器110发射超声波脉冲140的时刻和由接收器120探测反射的超声波脉冲140的时刻。通过减法根据关于同一超声波脉冲的发射和接收时刻来测量延迟时间。通过落实超声波的声速，于是能够测定超声波的绝对传播路径，该绝对传播路径等于相应的反射表面距超声波传感器100的距离的两倍。通过测定超声波传感器100距物体表面12和距传送带220的表面210的距离，并且通过从一个距离减去另一个距离，最后得到传送带220的表面210上方的物体10的高度14。物体10的高度14等于物体10相对于传送带220的表面210的厚度。在图中所示的示例中，与该高度14成比例的电压在输出端160输出。图5中以曲线图示出电压楔形145，该电压楔形表明从0到高度16的高度范围相对于从0到10伏的电压范围成比例相关，高度16例如可以是30mm。
如果需要，能够使输出电压的比例适合于期望的应用并且适合于在每种情况下所使用的仪器。
可以看出本发明的基本中心思想在于，超声波传感器100由于权利要求中所阐述的特征相对于传送带220的表面210自动调整自身的基准和校准自身。连续测量超声波传感器100与传送带220的表面210之间的延迟时间，并且在所示的示例中，如果在超声波传感器100与传送带220之间没有物体10存在，则在输出端160输出零伏。这考虑到温度和机械漂移的补偿。当物体10从图1中所示的位置开始从左侧移动到超声波传感器100的探测区域中时，由超声波传感器100探测的延迟时间将从较高值、即关于传送带220的表面210的值下降到关于物体10的表面12的较低值。根据本发明，这由控制与求值单元130解释为由物体产生的变化，并且如上所述，因此，将传送带220的表面210上方的物体10的高度14作为比例电压信号在超声波传感器100的输出端160输出。
本发明的超声波传感器100的附加基本功能和本发明的方法在于，在所测量的延迟时间从较低值上升到较高值的情况下，该较高值作为新的基准被存储并且用于随后的高度测定。
例如，事实上，如果从图2中所示的位置开始，物体10进一步向右移动并且最后离开超声波传感器100的探测区域。于是，本发明的超声波传感器100将其距传送带220的表面210的距离快速重新调整为新的参考值。由此，使用本发明的方法，通过不同的参考值来测定物体10和20的高度或厚度。因此，补偿或消除可在短时段内发生的可能的偏移或漂移，在该短时段内，物体10移动离开探测区域并且下一个物体20移动到超声波传感器100的探测区域内。
原则上，由于热或机械漂移可以缩短超声波传感器100与传送带220的表面210之间的距离，引起超声波脉冲更短的延迟时间。根据本发明，将延迟时间的这种较低值最初分配给物体。具有同样从较低延迟时间值得到新的参考值的方式。
首先，关于要被探测的物体相对于超声波传感器100的移动速度的信息能够用于测定时间常数。在该测定时段或等同给定数量的连续测量过去之后，更短的延迟时间值被存储并且被用作新的基准。然后，电压在输出端160再次下降到零。
图6中以曲线图示出在超声波传感器100的输出端160的电压对应于时间的分布图。曲线147表示如果传送带220停止并且物体10因此静止地竖立在超声波传感器100下方所产生的时间分布图。在传送带220正常前进的情形下，输出端160输出相应于曲线149的电压特性。
可选地或另外地，已减小到较低值的距离可以与比较值相比较，并且例如，仅与到目前为止所用的参考值的差小于给定的最大偏差的值能够允许作为新的参考值。
本发明的方法和本发明的超声波传感器100也能够有利地探测很薄的材料，诸如很薄的金属片或纸片。参考图4更加详细地描述这种情况。图4中所示的且要被探测的物体30、31、32、33是例如薄金属片。两个金属片31、32被叠置，这是不期望的并且能够使用本发明的超声波传感器100进行探测。由于参考值的连续追踪，能够在高达0.17mm的分辨率的范围内非常精确地测定传送带220的表面210上方的物体的厚度或相当于厚度的高度。通过上述比例方法的选择性调整并且通过设置合适的比较阈值161、162，通过将测定厚度与值161、162进行比较能够可靠地区分测量情况“无材料”、“单层材料”、和“双层材料”。例如，如果探测到双层材料，如在金属片31、32的情形下，能够在开关输出端150输出适当的错误信号。
本发明提供一种测量置于传送设备上的物体的厚度的新颖的方法和一种新颖的超声波传感器，其能够在正在进行的测量模式中连续重新校准参考值，能够可靠地探测很薄的物体，并且具体能够识别双层材料。