通過超聲波檢測物體位置的設(shè)備及方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種通過超聲波檢測物體位置的設(shè)備，包括至少一個超聲波傳感器，用于接收從物體發(fā)來的超聲波信號，及計算裝置，基于接收到的超聲波信號，計算物體的位置。還設(shè)有至少一個激光器單元，用于產(chǎn)生脈沖激光束，其中所述脈沖激光束被定向至物體，并適用于在物體表面造成振動，借此物體被激發(fā)產(chǎn)生超聲波信號。本發(fā)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(fā)出的超聲波信號，并基于接收到的超聲波信號計算物體的位置。脈沖激光束由至少一個激光器單元產(chǎn)生，所述激光束被定向至物體，并且通過脈沖激光束在物體表面造成振動，其中物體被激發(fā)以產(chǎn)生超聲波信號。
【專利說明】通過超聲波檢測物體位置的設(shè)備及方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種如前文權(quán)利要求1所述的設(shè)備。
[0002]本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種通過如權(quán)利要求9所述的超聲波檢測物體位置的方法。該設(shè)備包括至少一個超聲波傳感器，用于接收從物體發(fā)來的超聲波信號，及計算裝置，基于接收的超聲波信號計算物體的位置。
【背景技術(shù)】
[0003]眾所周知的是，通過超聲波信號可檢測物體的距離。采用在超聲波距離測量的技術(shù)原理在于傳輸超聲波脈沖至工作介質(zhì)，并測量傳輸時刻與收到距離目標(biāo)的回波的時刻間的脈沖時間。多個應(yīng)用可能性中，超聲波測距可用于標(biāo)記設(shè)備，例如通過超聲波在平均灌裝線上用條形碼標(biāo)記每個瓶子。為了通過激光設(shè)備應(yīng)用于一種可讀性良好的條形碼，檢測要精確標(biāo)記的物體的位置是至關(guān)重要的。
[0004]通常，物體在傳送帶上相對于標(biāo)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于標(biāo)記儀器的速度應(yīng)該盡可能快。使用常規(guī)超聲波換能器執(zhí)行發(fā)射器和接收器的雙重功能會產(chǎn)生進(jìn)一步的問題。由此，在關(guān)閉激發(fā)電壓或輸電電壓后，超聲波換能器不可用于即時接收信號，因為壓電晶體具有有限的衰減時間。因此，由于換能器元件不能同時進(jìn)行傳輸和接收，可在一定的時間間隔內(nèi)執(zhí)行的測距的數(shù)量受限。
[0005]美國專利US5646907A公開了一種設(shè)置在浮動平臺上的方法和系統(tǒng)，用于探測等于或低于水體表面的物體。高功率波束被被定向至水的表面，且當(dāng)它撞擊浮動在水表面或在水表面下的物體時，壓力脈沖或是在物體表面或是在水表面產(chǎn)生。壓力脈沖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盡可能將他們歸類。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006]本發(fā)明的目的在于提供一種通過超聲波快速可靠地檢測物體位置的系統(tǒng)，通過上述系統(tǒng)很大程度上避免了上述缺陷。
[0007]該目的可由具有權(quán)利要求1的特征的用于檢測位置的設(shè)備解決。
[0008]優(yōu)選的實施例在從屬權(quán)利要求中及下文說明書，尤其是聯(lián)系附圖給出。
[0009]根據(jù)本發(fā)明，上述提到的那種用于檢測物體位置的設(shè)備的特征在于設(shè)有至少一個激光器單元，用于產(chǎn)生脈沖激光束，所述脈沖激光束被定向至物體，并適用于在物體表面造成振動，借此物體被激發(fā)，來產(chǎn)生超聲波信號。
[0010]在需要檢測位置的物體上直接產(chǎn)生超聲波信號可被認(rèn)為是本發(fā)明的基本思路。沒有任何電聲換能器元件下，物體本身變?yōu)槌暡òl(fā)射元件。
[0011]其可通過光聲效應(yīng)取得，其中撞擊到所述物體表面的激光束的能量被表面的局部區(qū)域吸收。
[0012]這可導(dǎo)致以下效果中的至少一種，取決于被擊中的物體的特性，尤其是其表面。[0013]該局部區(qū)域可發(fā)熱并造成熱膨脹，借此產(chǎn)生振動。因此物體發(fā)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(qū)域，甚至可傳播至物體的主要部分，這導(dǎo)致了超聲波信號的更密集的發(fā)射。進(jìn)一步地，脈沖激光束造成單粒子噴射出表面也是可能的。因此，可產(chǎn)生短小密集的超聲波信號。
[0015]脈沖激光束的特性可根據(jù)物體、物體表面狀態(tài)、或其他相對于照射時間的情況下作調(diào)整，舉例來說可以是單一激光脈沖的能量及激光束的脈沖序列的頻率。
[0016]有利地，沒有額外的超聲波傳輸單元是必要的。進(jìn)一步，避免了如果使用常規(guī)超聲波傳輸單元通常會發(fā)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(fā)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(chǎn)品，比如玻璃瓶、金屬片、塑料、食品或其他原料類似于紙或紙板。因此，對物體的定位在上述方法中由傳輸帶移動用于即使在所述物體的高吞吐量下也能正確定位的標(biāo)記設(shè)備。
[0019]用于產(chǎn)生所述脈沖激光束的至少一個激光器單元未由特定種類的激光類型確定。優(yōu)選地，可使用氣體激光器或固體激光器，尤其分別是二氧化碳或釔鋁石榴石激光器(Nd: YAG激光器)。
[0020]本發(fā)明所述設(shè)備的一個示范性實施例中，至少一個激光器單元被設(shè)計為產(chǎn)生一個以上激光束，其中所述激光束的光波頻率互不相同。舉例來說，一個激光器單元可包括準(zhǔn)分子激光器，使用惰性氣體和活性氣體的分別不同組合產(chǎn)生具有不同波長的激光束。任何通常熟知種類的激光器類型可被集成至激光器單元，發(fā)射不同頻率的光波。這樣設(shè)置可以使光波的頻率適應(yīng)物體表面的情況，用以改善由光聲效應(yīng)導(dǎo)致而產(chǎn)生的超聲波信號。因此，應(yīng)用可能性相對于使用的物體而增加。
[0021]通常，設(shè)置一個以上激光器單元是可能的，其中激光器單元分別位于不同位置，產(chǎn)生分別被定向至同一物體的脈沖激光束。激光器單元可直接彼此相對地設(shè)置或剛好位于各自分開在不同角度的位置定向激光束至所述物體。激光束可聚焦在所述物體的同一點來加強(qiáng)位于該點的影響?？蛇x地，激光束可在不同點上撞擊物體，借此，產(chǎn)生的超聲波信號可在多個方向更均勻地被發(fā)射出物體，由此可改善所述物體的定位。
[0022]本發(fā)明進(jìn)一步涉及一種通過標(biāo)記單元標(biāo)記物體的儀器，包括運輸設(shè)備，用于運輸物體，及標(biāo)記單元，用于標(biāo)記所述物體，其進(jìn)一步包括上述的設(shè)備。
[0023]常規(guī)地，運輸設(shè)備被設(shè)計為一傳輸帶，在其上物體相對于標(biāo)記單元被移動并經(jīng)過標(biāo)記單元來被標(biāo)記。為將所述物體的定位被置于傳輸帶上，還設(shè)置一上述用于檢測所述物體位置的設(shè)備。可使用各種類型的標(biāo)記單元，例如貼標(biāo)設(shè)備，通過加標(biāo)簽、壓印或壓紋來標(biāo)記物體。
[0024]該儀器的一個優(yōu)選實施例中，標(biāo)記單元被設(shè)計用作產(chǎn)生激光束，所述激光束被定向至物體，用于標(biāo)記。為了產(chǎn)生激光束，可使用所有種類的常規(guī)激光器類型，例如氣體激光器，尤其是二氧化碳激光器、IS激光器、準(zhǔn)分子激光器、固體激光器或光纖激光器。
[0025]標(biāo)記的信號可被設(shè)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(nèi)激活來在物體上生成點或在設(shè)定時間內(nèi)造成一定長度的線的氣體激光器器付諸實踐。
[0026]本發(fā)明一優(yōu)選實施例的特征在于設(shè)置了一個以上激光器單元，其中第一激光器單元包括標(biāo)記單元，用于產(chǎn)生激光束，所述激光束被定向至物體，用以標(biāo)記所述物體，且設(shè)置了第二激光器單元，用于產(chǎn)生脈沖激光束，所述脈沖激光束被定向至物體，適用于造成物體表面的振動，借此物體被激發(fā)以產(chǎn)生超聲波信號。
[0027]有利地是，第一和第二激光器單元為不同類型的激光器，其中相比于第一激光器單元的激光束，第二激光器單元能夠產(chǎn)生能量更高的激光束。激光器單元互相間的空間布置并未確定。兩個激光器單元可彼此分開，其中他們的激光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(biāo)記的表面區(qū)域未被從第二激光器單元產(chǎn)生所述超聲波信號的脈沖激光束所影響。單束激光束可互相平行對準(zhǔn)或是互相間包含各種角度。除了一個以上標(biāo)記單元可被設(shè)置來減少標(biāo)記的時間，借此通過物體的吞吐量可進(jìn)一步提高。
[0029]本發(fā)明儀器另一優(yōu)選實施例中，至少一個激光器單元可在第一操作模式下運行，該模式下脈沖激光束被產(chǎn)生，所述脈沖激光束被定向至物體，并適用于造成物體表面的振動，借此物體被激發(fā)以產(chǎn)生超聲波信號，并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激光器單元產(chǎn)生的激光束標(biāo)記。
[0030]本發(fā)明的實施例具有優(yōu)勢的是，只需要一方面用于標(biāo)記物體，另一方面也可產(chǎn)生用于檢測所述物體位置的超聲波傳輸信號的一個激光器單元。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，激光器單元可產(chǎn)生脈沖激光束，其中激光束通過調(diào)Q (Q-switching)被調(diào)至具有高峰功率的脈沖。短脈沖激光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(qū)域提高的溫度。相反地，激光器單兀可被切換至具有恒定輸出的連續(xù)波模式，其中物體被在此模式下掃描的激光束標(biāo)記。
[0031]調(diào)Q可在活躍的方式下通過機(jī)械設(shè)備完成，例如快門或調(diào)制盤，或機(jī)械設(shè)備可以是某種形式的調(diào)解器，例如聲光設(shè)備或電光設(shè)備，類似于普克爾盒(pockels cell)或卡耳電池(kerr-cell)。同樣地,被動調(diào)Q也是可能的,其中Q開關(guān)(Q_switch)是一個可飽和吸收體，一種當(dāng)光強(qiáng)超過一定閾值時增加傳輸?shù)牟牧?。鎖模也可用于改變激光器單兀操作模式。
[0032]本設(shè)備可使用所有具有在不同操作模式下操作的常規(guī)種類的激光類型，其中產(chǎn)生的激光束可適用于在第一操作模式下標(biāo)記所述物體，并在第二模式下通過擊打所述物體產(chǎn)生超聲波信號。
[0033]激光器單元的典型應(yīng)用可以是Q開關(guān)激光器，舉例來說，釔鋁石榴石(Nd:YAG)激光器，其中脈沖激光束的峰值功率遠(yuǎn)高于它的平均功率。
[0034]優(yōu)選地，設(shè)有一調(diào)整設(shè)備，用于調(diào)整由至少一個激光器單元產(chǎn)生的激光束，以定向激光束至物體，其由運輸設(shè)備基于從計算裝置傳輸至調(diào)整設(shè)備的移動物體的位置信息移動。激光束可通過移動或旋轉(zhuǎn)激光器單元或通過可被例如振鏡掃描儀(galvo scanners)執(zhí)行的XV-光束偏轉(zhuǎn)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(nèi)的發(fā)射器和作為調(diào)整設(shè)備的部分的響應(yīng)接收器間的傳輸電信號或光信號傳輸。
[0036]調(diào)整設(shè)備必須能夠保證由標(biāo)記單元制造的信號被撞擊在物體表面上正確的部分和/或點。調(diào)整設(shè)備也可被設(shè)計為由計算裝置產(chǎn)生的超聲波信號用于檢測位置的脈沖信號的游標(biāo)調(diào)整。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0037]圖1示出了本發(fā)明用于標(biāo)記物體的儀器15的第一實施例。
【具體實施方式】
[0038]本發(fā)明將參照所附的一張附圖進(jìn)一步地描述。
[0039]圖1示出了本發(fā)明用于標(biāo)記物體的儀器15的第一實施例的示意圖，包括標(biāo)記單元及通過超聲波手段用于檢測物體位置的設(shè)備10。
[0040]兩個具有氣體激光器的激光器單元20，22產(chǎn)生脈沖激光束85，該激光束85被兩個振鏡掃描儀反射，用以設(shè)置需要的光束方向。通過擊打所述物體50的表面55，物體優(yōu)選地可以是玻璃瓶或塑料瓶，所述脈沖激光束85的激光束能量在碰撞點75上造成了強(qiáng)大的局部加熱。
[0041]這導(dǎo)致了局部振動，其中超聲波信號70被發(fā)射。信號79可被超聲波傳感器30檢測到，優(yōu)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(zhuǎn)換為電信號，并被轉(zhuǎn)移到計算裝置40。計算裝置40被設(shè)計為計算被運輸設(shè)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(shè)備64上的所述物體50的計算位置啟動設(shè)置了由標(biāo)記單元25發(fā)射的激光束80至物體50的表面55的點的方向，該點上已寫有標(biāo)記或標(biāo)志52。另外，如果需要的話，由激光器單元20，22發(fā)射的脈沖激光束85也可被調(diào)整。根據(jù)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(quán)利要求】
1.一種用于標(biāo)記物體(50)的儀器，包括: -一標(biāo)記單元(25),通過激光束(80)標(biāo)記物體(50), -一運輸設(shè)備(64),用于運輸物體(50), -一設(shè)備(10)，通過超聲波檢測運輸?shù)奈矬w(50)的位置，包含至少一個超聲波傳感器(30 )，用于接收從物體(50 )發(fā)來的超聲波信號(70 )，其中 -設(shè)有至少一個用于產(chǎn)生脈沖激光束(85)的激光器單元(20，22)，所述脈沖激光束被定向至運輸?shù)奈矬w(50)并適用于在物體(50)的表面(55)造成振動，借此產(chǎn)生超聲波信號(70)，及 -計算裝置(40)，基于接收到的超聲波信號(70)，用于計算物體(50)的位置，其中基于所述物體(50)的計算位置用于標(biāo)記的激光束(80)被定向至所述物體(50)。
2.如權(quán)利要求1所述的用于標(biāo)記物體的儀器(15)，其特征在于至少一個激光器單元(20，22)被設(shè)計為產(chǎn)生一個以上激光束，其中所述激光束(80)的光波頻率互不相同。
3.如權(quán)利要求1或2所述的用于標(biāo)記物體的儀器(15)，其特征在于設(shè)有一個以上激光器單元(20，22)，其中激光器單元(20， 22)分別位于不同位置，產(chǎn)生分別被定向至同一物體(50)的脈沖激光束(85)。
4.如權(quán)利要求1至3任一項所述的儀器(15)，其特征在于設(shè)有一個以上激光器單元(20)，其中第一激光器單元(20)設(shè)于標(biāo)記單元，用于產(chǎn)生激光束(80)，所述激光束(80)被定向至物體(50)，用于標(biāo)記所述物體(50)，及設(shè)有第二激光器單元(22)，用于產(chǎn)生脈沖激光束(85)，所述脈沖激光束(85)被定向至物體(50)，適用于造成物體(50)的表面(55)的振動，借此物體(50 )被激發(fā)以產(chǎn)生超聲波信號(70 )。
5.如權(quán)利要求1至3任一項所述的用于標(biāo)記物體的儀器(15)，其特征在于至少一個激光器單元(20，22)可在第一操作模式下運行，該模式下脈沖激光束被產(chǎn)生，所述脈沖激光束被定向至物體(50 )，并適用于造成物體(50 )的表面(55 )的振動，借此超聲波信號(70 )被產(chǎn)生，并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激光器單元(20，22)產(chǎn)生的激光束(80)標(biāo)記。
6.如權(quán)利要求1至4任一項所述的用于標(biāo)記物體的儀器(15)，其特征在于設(shè)有一調(diào)整設(shè)備，用于調(diào)整由至少一個激光器單元(20)產(chǎn)生的激光束(80)，以定向激光束(80)至物體(50 )，其由運輸設(shè)備(64 )基于從計算裝置(40 )傳輸至調(diào)整設(shè)備(34 )的移動物體(50 )的位置信息移動。
7.—種標(biāo)記物體(50)的方法，其中 -標(biāo)記物體(50)通過運輸設(shè)備(64)運輸， -運輸?shù)奈矬w(50)的位置通過超聲波檢測，其中 -一脈沖激光束(85)被至少一個激光器單元(20，22)產(chǎn)生， -所述激光束(85)被定向至運輸物體(50), -通過脈沖激光束(85 )在運輸物體(50 )的表面(55 )造成振動，借此物體(50 )被激發(fā)以產(chǎn)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 -基于接收到的超聲波信號(70)，計算標(biāo)記物體(50)的位置。
8.如權(quán)利要求7所述方法，其特征在于-物體(50)由至少一個激光束(80)標(biāo)記，及-基于所述物體(50)的計算位置，激光束(80)被定向至物體(50)。
9.如權(quán)利要求7或8所述的方法，其特征在于使用如權(quán)利要求1至6任一`項所述的標(biāo)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(yōu)先權(quán)日:2011年9月5日
【發(fā)明者】凱文·L·安布魯斯特, 布拉德·D·吉爾馬丁, 彼得·J·屈克達(dá)爾, 伯納德·J·理查德, 丹尼爾·J·瑞安 申請人:奧迪克激光應(yīng)用技術(shù)股份有限公司