WO2009015665A1 - Sensor system for the open circuit-proof detection of objects - Google Patents

Sensor system for the open circuit-proof detection of objects Download PDF

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WO2009015665A1
WO2009015665A1 PCT/DE2008/050022 DE2008050022W WO2009015665A1 WO 2009015665 A1 WO2009015665 A1 WO 2009015665A1 DE 2008050022 W DE2008050022 W DE 2008050022W WO 2009015665 A1 WO2009015665 A1 WO 2009015665A1
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WO
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comparator
sensor
sensor system
proximity
proximity sensor
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PCT/DE2008/050022
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Inventor
Tino Becker
Jürgen Wolf
Original Assignee
Jenoptik Laserdiode Gmbh
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Publication date
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    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K17/00—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking
    • H03K17/94—Electronic switching or gating, i.e. not by contact-making and –breaking characterised by the way in which the control signals are generated
    • H03K17/945—Proximity switches
    • H—ELECTRICITY
    • H03—ELECTRONIC CIRCUITRY
    • H03K—PULSE TECHNIQUE
    • H03K2217/00—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00
    • H03K2217/94—Indexing scheme related to electronic switching or gating, i.e. not by contact-making or -breaking covered by H03K17/00 characterised by the way in which the control signal is generated
    • H03K2217/94084—Transmission of parameters among sensors or between sensor and remote station
    • H03K2217/94094—Wired transmission, e.g. via bus connection or similar

Definitions

  • the invention relates to a sensor system for line break-proof
  • Object detection comprising at least one non-contact two-wire proximity sensor which is flowed through upon detection of an existing object of a lower current than in the absence of object and a sensor connected to the two-wire proximity evaluation for detecting sensor signals, which are formed from the differing current levels ,
  • Optical fibers with ferrule z. B. be detected by mechanical switches. Outside of the housing provided switches must be regularly maintained due to contamination. In addition, such switches do not detect the ferrule of the optical fiber, but only a throw, which represents an additional source of error. When mounted inside the housing switches there is the disadvantage that the tightness of the housing can be realized only with great effort.
  • Tiny chips which are caused by abrasion of the fiber ferrule, can also lead to premature failure of the optical fiber or the laser. Thus, these operating according to the displacement principle switch are not reactive. This is influenced by direct contact with the material or object.
  • Proximity sensors with three-wire connection have the disadvantage that three Connecting cables are required for which when accommodating the sensors within a housing according to three electrical feedthroughs are required.
  • an operating voltage of at least 12V is necessary, which must be provided by a power supply.
  • Two-wire proximity sensors which have no evaluation and / or switching amplifier in contrast to proximity sensors with three-wire connection, are much smaller and can be more easily integrated into systems. Another advantage of two-wire proximity sensors is the compliance with NAMUR for inductive proximity sensors. Due to their design, these can also be used under extreme conditions or in endangered areas.
  • Fig. 1 shows the transfer function of an exemplary proximity sensor according to NAMUR, from which it can be seen that decreases with decreasing distance between an object to be detected from ferromagnetic material and the proximity sensor of the flowing stream. If the object to be detected, in the present case the optical fiber with the ferrule, is missing, a high current flows, whereas on detection of such a small current flows.
  • Circuit arrangements which convert the analogue output signal UR or IR of proximity sensors into a binary signal which is customary for digital technology.
  • a connected to a sensor transmitter according to EP 337 396 Bl contains one or more thresholds existing logical function blocks that make an evaluation in terms of the flowing currents, based on the signal level generated by the threshold and their connection statements about the state of the Proximity switch to be taken.
  • a disadvantage is the conditional by the logic function blocks unfavorable size.
  • an increased number of components causes an increased probability of failure, which reduces system security.
  • This object is achieved with a sensor system of the type mentioned above in that the sensor signals are applied simultaneously to non-inverting inputs of a first and a second comparator, and that the first comparator is supplied with a fixed reference voltage and the output side with the inverting input of the second comparator is connected, whereby the second comparator is supplied with a variable reference voltage generated from the output signal of the first comparator.
  • the output side of the first comparator is connected via a voltage divider to the inverting input of the second comparator.
  • the connected to the proximity sensor transmitter can completely dispense with separate logic function blocks due to the direct output signal generation via the comparators and in particular the reference voltage generation for the second comparator from the output of the first comparator by a logical AND operation is generated in the transmitter ,
  • the invention ensures that only when the proximity sensor is intact and when there is a connection between the laser radiation source and the optical fiber, a signal for laser clearing is generated.
  • a particular advantage of the sensor system is that only one supply voltage is needed for both the transmitter and the proximity sensor.
  • the output signal of the second comparator indicates the logical AND linkage of intact proximity sensor and existing object.
  • the sensor system can also have a separate output for the direct detection of a sensor or line break.
  • the different switching states at the signal outputs can z. B. displayed by optical means and / or processed by other evaluation means.
  • the sensor system according to the invention is based on certain proximity sensors only limited insofar as they are flowed through by detection of an existing object of a lower current than in the absence of object.
  • the proximity sensors can operate on an inductive or capacitive basis.
  • Proximity sensors of small size based sensor system when it is designed in particular for the detection of a ferrule in which an optical fiber to be connected to a laser radiation source is guided.
  • FIG. 1 shows the transfer function of an exemplary proximity sensor according to NAMUR
  • FIG. 2 shows a circuit arrangement of an evaluation electronics connected to a proximity sensor.
  • FIG. 3 shows a circuit arrangement for a second embodiment of an evaluation electronics connected to a proximity sensor
  • FIG. 4 shows a circuit arrangement for a transmitter connected to two proximity sensors
  • FIG. 5 is a block diagram of a diode laser module with integrated sensor system
  • a two-pole proximity sensor S forms with connected
  • an inventive sensor system for line breakage-proof object detection in particular for the detection of a plug connection between an optical fiber and a laser radiation source, such as. B. a diode laser.
  • the plug connection is realized by a suitable plug-socket combination with ferrule.
  • the proximity sensor S supplies as a sensor signal a current signal whose value is different depending on the distance of an existing of a ferromagnetic material object (ferrule) to the proximity switch S. In particular, in case of sufficient approximation, the proximity sensor S of the present embodiment flows less current than the larger distance.
  • the transmitter contains two comparators 1, 2.
  • a first comparator 1 detects the connection and the functionality of the proximity sensor S via a fixed, dependent on the proximity sensor S reference voltage U ref .
  • Proximity sensor S a current flows through the sensor circuit of the proximity sensor S, which causes a voltage drop across a measuring resistor RM and a Sensor signal forms, which is applied to the serving as a measuring input non-inverting input of the first comparator 1.
  • a voltage divider R1 / R2 which is negligible for the function at the first comparator 1 serves as a level shifter for the sensor signal before it is applied to the noninverting input of a second comparator 2.
  • the voltage drop across the measuring resistor RM is compared at the first comparator 1 with the reference voltage Uref which is dependent on the proximity switch S. If the measured voltage is above the reference voltage U ref , the output of the first comparator 1 is switched over and supplies an output level different from zero volts, which is used as input voltage by a second voltage divider R4 / R5 to generate the reference voltage for the second comparator 2 ,
  • a first diode LED1 is provided as an indicator for the signal level of a first output A, which is preceded by a series resistor R3.
  • a series resistor R3 is preceded by a series resistor R3.
  • the voltage at the measuring input of the first comparator 1 through the voltage divider (R1 + R2) / RM to a fixed potential below the reference voltage U ref of the first comparator 1 placed.
  • the output voltage of the first comparator 1 is zero volts. This zero-volt voltage signal is used for reliable detection of the connected to the evaluation and functional proximity sensor S.
  • the reference voltage applied to the second comparator 2 as input values is the reference voltage dependent on the first comparator 1 and the second voltage divider R4 / R5 and the sensor signal raised via the level shifter R1 / R2. If the reference voltage at the inverting input of the second comparator 2 is zero, its output will have a maximum output voltage, regardless of the state at the input of the transmitter.
  • the output of the second comparator 2 is brought to zero volts depending on the state of the proximity sensor S, as soon as the proximity sensor S is in the damped state.
  • the positive feedback via the high-resistance resistor R7 at the non-inverting input of the second comparator 2 ensures a corresponding hysteresis and prevents the bounce of the output in the transition state.
  • the resistors R6 and R8 serve the short-circuit protection of the signal outputs and can also be omitted with appropriate external circuit.
  • a second diode LED2 with a series resistor R8 is used to index the output signal to a second output B.
  • the resistor R6 is used to decouple the outputs A and B.
  • the first diode LED1 at the output A is also true the possibility that alternative indicators can be used.
  • the transmitter provides at the outputs A and B two independently usable output signals.
  • the first output A indicates whether a proximity sensor S is connected to the transmitter and whether it is functional.
  • the second output B is used to indicate an existing plug connection between the optical fiber and the laser radiation source as a result of detection by the proximity sensor S.
  • the output signal at the output B is dependent on the output signal of the output A by a compelling AND operation, so that at the output B at a defective or non-connected proximity sensor S, there may be no output signal which can indicate an existing connection of the optical fiber with the laser radiation source.
  • Table 1 The different circuit states are documented in Table 1.
  • a further embodiment of the evaluation of the level shifter as shown in Fig. 3, alternatively be equipped with a Zener diode Dl.
  • the Zener diode Dl connected in the reverse direction, a more accurate level adjustment for the trigger level can be achieved in the level shift than with the resistor R2 in FIG. 2. This increases the detection accuracy for the object to be detected.
  • the number of proximity sensors can be increased by simple parallel connection (FIG. 4). By also dependent on the number of Nährungssensoren current flow through the measuring resistor RM, the presence of multiple proximity sensors can be detected.
  • the first comparator 1 only has to be adapted in its reference voltage to the respective number of proximity sensors.
  • the diode laser module shown in Fig. 5 includes in a housing 3 a
  • Diode laser 4 a monitor diode 5 and the sensor system 6 according to the invention, through which advantageously a single common power supply (5 V) is sufficient.
  • a single common power supply (5 V) is sufficient.
  • passages through the housing for an additional voltage sources (12 V) can be saved when using Three-wire proximity sensors would also be necessary.
  • the signal of the monitor diode 5 is applied via a photodiode output PDA to an evaluation device, not shown.

Abstract

The aim of the invention is to decrease the size of the evaluation electronics in a sensor system for the open circuit-proof detection of objects by lowering the number of components used, reduce the probability of a failure in the sensor system, and make the sensor system less expensive. Said aim is achieved by a contactless two-wire proximity sensor through which a smaller current flows when a present object is detected than when there is no object and in which sensor signals are simultaneously applied to non-inverting inputs of a first and a second comparator (1, 2). A set reference voltage (Uref) is applied to the inverting input of the first comparator (1), while the output end of the first comparator (1) is connected to the inverting input of the second comparator (2) such that a reference voltage that depends on the output signal of the first comparator (1) is applied to the inverting input of the second comparator (2).

Description

Beschreibung Sensorsystem zur leitungsbruchsicheren Objektdetektion Description Sensor system for line-break-proof object detection
[0001] Die Erfindung bezieht sich auf ein Sensorsystem zur leitungsbruchsicherenThe invention relates to a sensor system for line break-proof
Objektdetektion, enthaltend mindestens einen berührungslos arbeitenden Zweidraht- Näherungssensor, der bei Detektion eines vorhandenen Objektes von einem niedrigeren Strom durchflössen ist als bei fehlendem Objekt und eine an den Zweidraht-Näherungs sensor angeschlossene Auswerteelektronik zur Erfassung von Sensorsignalen, die aus den sich unterscheidenden Strompegeln gebildet sind.Object detection, comprising at least one non-contact two-wire proximity sensor which is flowed through upon detection of an existing object of a lower current than in the absence of object and a sensor connected to the two-wire proximity evaluation for detecting sensor signals, which are formed from the differing current levels ,
[0002] Im Hochleistungslaserbereich ist es möglich, durch Lichtleitfasern mit geringem Querschnitt hohe optische Leistungen zu führen, wodurch eine räumliche Trennung zwischen der Laserstrahlungsquelle und dem Arbeitsort überbrückt werden kann. Ist infolge von Verschleiß und Alterung ein Austausch der Lichtleitfasern notwendig, erfolgt dieser üblicherweise über Steckverbinder, in denen Ferrulen aus zumeist metallischen Werkstoffen integriert sind. Jedoch ist aufgrund hoher Leistungsdichten am Strahlungserzeuger, insbesondere bei Lasern der Laserklassen 2 bis 4 und der damit verbundenen Gefahren, eine sichere Detektion des funktionsgerechten Steckens der Lichtleitfaser notwendig, um das Einschalten des Lasers ohne angesteckte Lichtleitfaser zu verhindern.In the high-power laser range, it is possible to perform high optical power by optical fibers with a small cross-section, whereby a spatial separation between the laser radiation source and the work can be bridged. If replacement of the optical fibers is necessary as a result of wear and aging, this usually takes place via plug connectors in which ferrules of mostly metallic materials are integrated. However, due to high power densities at the radiation generator, especially lasers of the laser classes 2 to 4 and the associated dangers, a reliable detection of the functional fit of the optical fiber necessary to prevent the switching on of the laser without infected optical fiber.
[0003] Lichtleitfasern mit Ferrule können z. B. durch mechanische Schalter detektiert werden. Außen am Gehäuse vorgesehene Schalter müssen aufgrund von Verschmutzungen regelmäßig gewartet werden. Zudem detektieren derartige Schalter nicht die Ferrule der Lichtleitfaser, sondern lediglich einen Überwurf, was eine zusätzliche Fehlerquelle darstellt. Bei im Gehäuseinneren angebrachten Schaltern besteht der Nachteil, dass die Dichtheit des Gehäuses nur mit großem Aufwand realisiert werden kann.Optical fibers with ferrule z. B. be detected by mechanical switches. Outside of the housing provided switches must be regularly maintained due to contamination. In addition, such switches do not detect the ferrule of the optical fiber, but only a throw, which represents an additional source of error. When mounted inside the housing switches there is the disadvantage that the tightness of the housing can be realized only with great effort.
[0004] Allen mechanischen Schaltern gemeinsam ist der Nachteil, dass infolge vonCommon to all mechanical switches is the disadvantage that due to
Verschleiß durch Abnutzung beim Gebrauch die Zuverlässigkeit beeinträchtigt werden kann. Winzige Späne, die durch Abrieb von der Faserferrule entstehen, können außerdem zum vorzeitigen Ausfall der Lichtleitfaser oder des Lasers führen. Somit sind diese nach dem Verdrängungsprinzip arbeitenden Schalter nicht rückwirkungsfrei. Durch den direkten Kontakt mit dem Werkstoff oder Gegenstand wird dieser beeinflusst.Wear due to wear during use may affect reliability. Tiny chips, which are caused by abrasion of the fiber ferrule, can also lead to premature failure of the optical fiber or the laser. Thus, these operating according to the displacement principle switch are not reactive. This is influenced by direct contact with the material or object.
[0005] Dagegen arbeiten im industriellen und medizinischen Bereich eingesetzte Näherungssensoren mit Drei- und Zweileiteranschluss rückwirkungsfrei und berührungslos, sind verschleißfrei bezüglich der Schaltzyklen, erlauben hohe Schaltfrequenzen und sind ausgezeichnet gegen Umwelteinflüsse geschützt.In contrast, used in the industrial and medical field proximity sensors with three- and two-wire connection reaction-free and non-contact, are wear-free with respect to the switching cycles, allow high switching frequencies and are well protected against environmental influences.
[0006] Näherungssensoren mit Dreileiteranschluss haben den Nachteil, dass drei Anschlussleitungen benötigt werden, für die bei Unterbringung der Sensoren innerhalb eines Gehäuses entsprechend drei elektrische Durchführungen erforderlich sind. Zudem ist eine Betriebsspannung von wenigstens 12V notwendig, die von einem Netzteil bereitgestellt werden muss.Proximity sensors with three-wire connection have the disadvantage that three Connecting cables are required for which when accommodating the sensors within a housing according to three electrical feedthroughs are required. In addition, an operating voltage of at least 12V is necessary, which must be provided by a power supply.
[0007] Zweileiter-Näherungssensoren, die im Unterschied zu Näherungssensoren mit Dreileiteranschluss keine Auswerteeinheit und/oder Schaltverstärker besitzen, sind wesentlich kleiner und lassen sich einfacher in Systeme integrieren. Ein weiterer Vorteil von Zweileiter-Näherungssensoren ist die Konformität mit NAMUR für induktive Näherungssensoren. Diese sind durch Ihre Bauweise auch unter extremen Bedingungen oder in gefährdeten Bereichen einsetzbar.Two-wire proximity sensors, which have no evaluation and / or switching amplifier in contrast to proximity sensors with three-wire connection, are much smaller and can be more easily integrated into systems. Another advantage of two-wire proximity sensors is the compliance with NAMUR for inductive proximity sensors. Due to their design, these can also be used under extreme conditions or in endangered areas.
[0008] Zur Veranschaulichung zeigt Fig. 1 die Übertragungsfunktion eines beispielhaften Näherungssensors nach NAMUR, aus dem zu entnehmen ist, dass bei geringer werdendem Abstand zwischen einem nachzuweisenden Objekt aus ferromagnetischem Werkstoff und dem Näherungssensor der fließende Strom sinkt. Fehlt das nachzuweisende Objekt, im vorliegenden Fall die Lichtleitfaser mit der Ferrule, fließt ein hoher Strom, wogegen bei Detektion einer solchen ein geringer Strom fließt.To illustrate, Fig. 1 shows the transfer function of an exemplary proximity sensor according to NAMUR, from which it can be seen that decreases with decreasing distance between an object to be detected from ferromagnetic material and the proximity sensor of the flowing stream. If the object to be detected, in the present case the optical fiber with the ferrule, is missing, a high current flows, whereas on detection of such a small current flows.
[0009] Die alleinige Verwendung dieser Näherungssensoren zur gemeinsamen sicheren Detektion von Lichtleitfaser und Ferrule ist für Laserstrahlungsquellen aus Gründen der Lasersicherheit nicht zulässig, denn ein Ausfall des Näherungssensors oder ein Leitungsbruch würde aufgrund des resultierenden hochohmigen Widerstandes auch bei fehlender Lichtleitfaser fälschlicherweise das Vorhandensein einer Lichtleitfaser anzeigen. Es würde ein Freigabesignal aufgrund einer mit der Laserstrahlungsquelle vermeintlich verbundenen Lichtleitfaser generiert werden, um die Laserstrahlungsquelle in Betrieb zu nehmen. Besonders bei sicherheitsrelevanten Anwendungen und der Medizintechnik sind jedoch Aussagen über die sichere funktionsgerechte Detektion der Lichtleitfaser durch den Näherungssensor notwendig.The sole use of these proximity sensors for common reliable detection of optical fiber and ferrule is not permitted for laser radiation sources for reasons of laser safety, because a failure of the proximity sensor or a line break would erroneously indicate the presence of an optical fiber due to the resulting high resistance even in the absence of optical fiber , An enable signal would be generated due to an optical fiber supposedly connected to the laser radiation source in order to operate the laser radiation source. Especially in safety-relevant applications and medical technology, however, statements about the safe functionally appropriate detection of the optical fiber by the proximity sensor are necessary.
[0010] Es sind Schaltungsanordnungen bekannt, die das analoge Ausgangssignal UR oder IR von Näherungssensoren in ein für die Digitaltechnik übliches binäres Signal wandeln.Circuit arrangements are known which convert the analogue output signal UR or IR of proximity sensors into a binary signal which is customary for digital technology.
[0011] Eine an einen Sensor angeschlossene Auswerteelektronik nach der EP 337 396 Bl enthält aus einem oder mehreren Schwellwertschaltern bestehende logische Funktionsbausteine, die eine Auswertung hinsichtlich der fließenden Ströme vornehmen, wobei anhand der durch die Schwellwertschalter generierten Signalpegel und deren Verknüpfung Aussagen über den Zustand des Näherungs Schalters getroffen werden.A connected to a sensor transmitter according to EP 337 396 Bl contains one or more thresholds existing logical function blocks that make an evaluation in terms of the flowing currents, based on the signal level generated by the threshold and their connection statements about the state of the Proximity switch to be taken.
[0012] Von Nachteil ist die durch die logischen Funktionsbausteine bedingte unvorteilhafte Baugröße. Außerdem verursacht eine erhöhte Bauteileanzahl eine erhöhte Ausfallwahrscheinlichkeit, wodurch sich die Systemsicherheit verringert. [0013] Es besteht deshalb die Aufgabe, die Baugröße für die Auswerteelektronik durch eine verringerte Anzahl an Bauelementen zu verkleinern und die Ausfallwahrscheinlichkeit sowie die Kosten für ein Sensorsystem zur leitungsbruchsicheren Objektdetektion zu verringern.A disadvantage is the conditional by the logic function blocks unfavorable size. In addition, an increased number of components causes an increased probability of failure, which reduces system security. There is therefore the task of reducing the size of the transmitter by a reduced number of components and to reduce the probability of failure and the cost of a sensor system for line breakage-proof object detection.
[0014] Diese Aufgabe wird bei einem Sensorsystem der eingangs genannten Art dadurch gelöst, dass die Sensorsignale gleichzeitig an nichtinvertierenden Eingängen eines ersten und eines zweiten Komparators angelegt sind, und dass der erste Komparator mit einer fest eingestellten Referenzspannung versorgt ist und ausgangsseitig mit dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators in Verbindung steht, wodurch der zweite Komparator mit einer aus dem Ausgangs signal des ersten Komparators erzeugten veränderlichen Referenzspannung versorgt ist.This object is achieved with a sensor system of the type mentioned above in that the sensor signals are applied simultaneously to non-inverting inputs of a first and a second comparator, and that the first comparator is supplied with a fixed reference voltage and the output side with the inverting input of the second comparator is connected, whereby the second comparator is supplied with a variable reference voltage generated from the output signal of the first comparator.
[0015] In einer bevorzugten Ausgestaltung ist der erste Komparator ausgangsseitig über einen Spannungsteiler mit dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators verbunden.In a preferred embodiment, the output side of the first comparator is connected via a voltage divider to the inverting input of the second comparator.
[0016] Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen enthalten.Further advantageous embodiments of the invention are contained in the dependent claims.
[0017] Die an den Näherungssensor angeschlossene Auswerteelektronik kann aufgrund der direkten Ausgangs signalerzeugung über die Komparatoren und insbesondere der Referenzspannungserzeugung für den zweiten Komparator aus dem Ausgangssignal des ersten Komparators vollständig auf separate logische Funktionsbausteine verzichten, indem in der Auswerteelektronik eine logische UND- Verknüpfung generiert wird. Durch die Erfindung ist gewährleistet, dass nur bei intaktem Näherungssensor und bei vorhandener Verbindung zwischen Laserstrahlungsquelle und Lichtleitfaser ein Signal zur Laserfreischaltung generiert wird.The connected to the proximity sensor transmitter can completely dispense with separate logic function blocks due to the direct output signal generation via the comparators and in particular the reference voltage generation for the second comparator from the output of the first comparator by a logical AND operation is generated in the transmitter , The invention ensures that only when the proximity sensor is intact and when there is a connection between the laser radiation source and the optical fiber, a signal for laser clearing is generated.
[0018] Ein besonderer Vorteil des Sensorsystems besteht darin, dass lediglich eine Versorgungsspannung sowohl für die Auswerteelektronik als auch den Näherungssensor benötigt wird.A particular advantage of the sensor system is that only one supply voltage is needed for both the transmitter and the proximity sensor.
[0019] Während durch das Ausgangs signal des ersten Komparators ein durch Leitungsoder Fühlerbruch verursachter offener Sensorschaltkreis des Näherungssensors angezeigt wird, gibt das Ausgangssignal des zweiten Komparators die logische UND- Verknüpfung von intaktem Näherungssensor und vorhandenem Objekt an.While a signal caused by conduction or sensor open sensor circuit of the proximity sensor is indicated by the output signal of the first comparator, the output signal of the second comparator indicates the logical AND linkage of intact proximity sensor and existing object.
[0020] Aufgrund dieser logischen UND- Verknüpfung ist es ausreichend, wenn lediglich für das Ausgangssignal des zweiten Komparators ein Indikationsausgang vorgesehen ist. Darüber hinaus kann das Sensorsystem aber auch einen separaten Ausgang für die direkte Erkennung eines Fühler- oder Leitungsbruches aufweisen. Die unterschiedlichen Schaltzustände an den Signalausgängen können z. B. durch optische Mittel angezeigt und/oder durch andere Auswertemittel verarbeitet werden.Because of this logical AND operation, it is sufficient if only an indication output is provided for the output signal of the second comparator. In addition, the sensor system can also have a separate output for the direct detection of a sensor or line break. The different switching states at the signal outputs can z. B. displayed by optical means and / or processed by other evaluation means.
[0021] Das erfindungsgemäße Sensorsystem ist auf bestimmte Näherungssensoren nur insoweit eingeschränkt, als dass diese bei Detektion eines vorhandenen Objektes von einem niedrigeren Strom durchflössen sind als bei fehlendem Objekt. Insbesondere können die Näherungssensoren auf induktiver oder kapazitiver Basis arbeiten.The sensor system according to the invention is based on certain proximity sensors only limited insofar as they are flowed through by detection of an existing object of a lower current than in the absence of object. In particular, the proximity sensors can operate on an inductive or capacitive basis.
[0022] Um eine zusätzliche Redundanz zur Risikominimierung zu erhalten, ist der Einsatz mehrerer Näherungssensoren mittels einfacher Parallelschaltung möglich. Für die Näherungssensoren, die gemeinsam mindestens ein Ausgangssignal erzeugen, sind ebenfalls nur zwei Anschlussleitungen zur Auswerteelektronik erforderlich.In order to obtain additional redundancy for risk minimization, the use of multiple proximity sensors by means of simple parallel connection is possible. For the proximity sensors, which together produce at least one output signal, only two connecting leads to the transmitter are also required.
[0023] Ein Höchstmaß an Sicherheit gewährleistet das auf kostengünstigen zweipoligenThe highest level of security ensures the cost-effective bipolar
Näherungssensoren von kleiner Baugröße basierende erfindungsgemäße Sensorsystem, wenn es insbesondere zur Detektion einer Ferrule ausgelegt ist, in der eine mit einer Laserstrahlungsquelle zu verbindende Lichtleitfaser geführt ist.Proximity sensors of small size based sensor system according to the invention, when it is designed in particular for the detection of a ferrule in which an optical fiber to be connected to a laser radiation source is guided.
[0024] Die Erfindung soll nachstehend anhand der schematischen Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to the schematic drawing. Show it:
[0025] Fig. 1 die Übertragungsfunktion eines beispielhaften Näherungssensors nach NAMUR[0025] FIG. 1 shows the transfer function of an exemplary proximity sensor according to NAMUR
[0026] Fig. 2 eine Schaltungsanordnung einer an einen Näherungssensors angeschlossenen AuswerteelektronikFIG. 2 shows a circuit arrangement of an evaluation electronics connected to a proximity sensor. FIG
[0027] Fig. 3 eine Schaltungsanordnung für eine zweite Ausführungsform einer an einen Näherungssensor angeschlossenen Auswerteelektronik3 shows a circuit arrangement for a second embodiment of an evaluation electronics connected to a proximity sensor
[0028] Fig. 4 eine Schaltungsanordnung für eine an zwei Näherungssensoren angeschlossene Auswerteelektronik4 shows a circuit arrangement for a transmitter connected to two proximity sensors
[0029] Fig. 5 ein Blockschaltbild eines Diodenlasermoduls mit integriertem Sensorsystem5 is a block diagram of a diode laser module with integrated sensor system
[0030] Gemäß Fig. 2 bildet ein zweipoliger Näherungssensor S mit angeschlossener2, a two-pole proximity sensor S forms with connected
Auswerteelektronik ein erfindungsgemäßes Sensorsystem zur leitungsbruchsicheren Objektdetektion, insbesondere zur Detektion einer Steckverbindung zwischen einer Lichtleitfaser und einer Laserstrahlungsquelle, wie z. B. einem Diodenlaser. Die Steckverbindung wird durch eine geeignete Stecker-Buchsen-Kombination mit Ferrule realisiert. Der Näherungssensor S liefert als Sensorsignal ein Stromsignal, dessen Wert in Abhängigkeit vom Abstand eines aus einem ferromagnetischen Werkstoff bestehenden Objektes (Ferrule) zum Näherungsschalter S unterschiedlich ist. Insbesondere fließt bei dem Näherungssensor S des vorliegenden Ausführungsbeispiels bei ausreichender Annäherung ein geringerer Strom als bei größerem Abstand.Evaluation an inventive sensor system for line breakage-proof object detection, in particular for the detection of a plug connection between an optical fiber and a laser radiation source, such as. B. a diode laser. The plug connection is realized by a suitable plug-socket combination with ferrule. The proximity sensor S supplies as a sensor signal a current signal whose value is different depending on the distance of an existing of a ferromagnetic material object (ferrule) to the proximity switch S. In particular, in case of sufficient approximation, the proximity sensor S of the present embodiment flows less current than the larger distance.
[0031] Die Auswerteelektronik enthält zwei Komparatoren 1, 2. Ein erster Komparator 1 detektiert über eine feste, vom Näherungssensor S abhängige Referenzspannung Uref den Anschluss und die Funktionstüchtigkeit des Näherungssensors S.The transmitter contains two comparators 1, 2. A first comparator 1 detects the connection and the functionality of the proximity sensor S via a fixed, dependent on the proximity sensor S reference voltage U ref .
[0032] In einem mit der Auswerteelektronik verbundenen, funktionstüchtigenIn one connected to the transmitter, functional
Näherungssensor S fließt ein Strom durch den Sensorschaltkreis des Näherungssensor S, der an einem Mess widerstand RM einen Spannungsfall verursacht und ein Sensorsignal bildet, das an den als Messeingang dienenden nichtinvertierenden Eingang des ersten Komparators 1 angelegt ist. Ein für die Funktion am ersten Komparator 1 zu vernachlässigender Spannungsteiler R1/R2 dient als Pegelshifter für das Sensorsignal, bevor dieses am nichtinvertierenden Eingang eines zweiten Komparators 2 anliegt.Proximity sensor S, a current flows through the sensor circuit of the proximity sensor S, which causes a voltage drop across a measuring resistor RM and a Sensor signal forms, which is applied to the serving as a measuring input non-inverting input of the first comparator 1. A voltage divider R1 / R2 which is negligible for the function at the first comparator 1 serves as a level shifter for the sensor signal before it is applied to the noninverting input of a second comparator 2.
[0033] Der Spannungsfall an dem Messwiderstand RM wird am ersten Komparator 1 mit der vom Näherungsschalter S abhängigen Referenzspannung Uref verglichen. Liegt die gemessene Spannung über der Referenzspannung Uref so wird der Ausgang des ersten Komparators 1 umgeschaltet und liefert einen von Null Volt verschiedenen Ausgangspegel, der von einem zweiten Spannungsteiler R4/R5 als Eingangsspannung genutzt wird, um die Referenzspannung für den zweiten Komparator 2 zu erzeugen.The voltage drop across the measuring resistor RM is compared at the first comparator 1 with the reference voltage Uref which is dependent on the proximity switch S. If the measured voltage is above the reference voltage U ref , the output of the first comparator 1 is switched over and supplies an output level different from zero volts, which is used as input voltage by a second voltage divider R4 / R5 to generate the reference voltage for the second comparator 2 ,
[0034] Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 ist als Indikator für den Signalpegel eines ersten Ausgangs A eine erste Diode LEDl vorgesehen, der ein Vorwiderstand R3 vorgeschaltet ist. Die Verwendung alternativer Indikatoren, wie z. B. ein Mikrokontroller ist selbstverständlich möglich.In the embodiment according to FIG. 2, a first diode LED1 is provided as an indicator for the signal level of a first output A, which is preceded by a series resistor R3. The use of alternative indicators, such. B. a microcontroller is of course possible.
[0035] Wird kein Näherungssensor S an die Auswerteelektronik angeschlossen oder die Zuleitung des Näherungssensors S ist infolge eines Leitungsbruches unterbrochen, so wird die Spannung am Messeingang des ersten Komparators 1 durch den Spannungsteiler (R1+R2)/RM auf ein festes Potenzial unterhalb der Referenzspannung Uref des ersten Komparators 1 gelegt. In der Folge beträgt die Ausgangsspannung des ersten Komparators 1 null Volt. Dieses Null- Volt-Spannungssignal wird zum sicheren Erkennen des an die Auswerteelektronik angeschlossenen und funktionstüchtigen Näherungssensors S genutzt.If no proximity sensor S connected to the transmitter or the supply of the proximity sensor S is interrupted due to a line break, the voltage at the measuring input of the first comparator 1 through the voltage divider (R1 + R2) / RM to a fixed potential below the reference voltage U ref of the first comparator 1 placed. As a result, the output voltage of the first comparator 1 is zero volts. This zero-volt voltage signal is used for reliable detection of the connected to the evaluation and functional proximity sensor S.
[0036] Wie bereits erwähnt, liegen am zweiten Komparator 2 als Eingangswerte die vom ersten Komparator 1 und vom zweiten Spannungsteiler R4/R5 abhängige Referenzspannung und das über den Pegelshifter R1/R2 angehobene Sensorsignal an. Ist die Referenzspannung am invertierenden Eingang des zweiten Komparators 2 null, wird dessen Ausgang eine maximale Ausgangspannung aufweisen, unabhängig vom Zustand am Eingang der Auswerteelektronik.As already mentioned, the reference voltage applied to the second comparator 2 as input values is the reference voltage dependent on the first comparator 1 and the second voltage divider R4 / R5 and the sensor signal raised via the level shifter R1 / R2. If the reference voltage at the inverting input of the second comparator 2 is zero, its output will have a maximum output voltage, regardless of the state at the input of the transmitter.
[0037] Ist ein funktionsfähiger Näherungssensor S angeschlossen und steht dieIs a functional proximity sensor S connected and is the
Referenzspannung von dem ersten Komparator 1 zur Verfügung, wird der Ausgang des zweiten Komparators 2 in Abhängigkeit vom Zustand am Näherungssensor S auf null Volt gebracht, sobald der Näherungssensor S im bedämpften Zustand ist. Die Mitkopplung über den hochohmigen Widerstand R7 am nichtinvertierenden Eingang des zweiten Komparators 2 sorgt für eine entsprechende Hysterese und verhindert das Prellen des Ausganges im Übergangszustand.Reference voltage from the first comparator 1 available, the output of the second comparator 2 is brought to zero volts depending on the state of the proximity sensor S, as soon as the proximity sensor S is in the damped state. The positive feedback via the high-resistance resistor R7 at the non-inverting input of the second comparator 2 ensures a corresponding hysteresis and prevents the bounce of the output in the transition state.
[0038] Die Widerstände R6 und R8 dienen dem Kurzschlussschutz der Signalausgänge und können bei entsprechender Außenbeschaltung auch entfallen. [0039] Eine zweite Diode LED2 mit einem Vorwiderstand R8 dient der Indizierung des Ausgangssignals an einem zweiten Ausgang B. Der Widerstand R6 dient der Entkopplung der Ausgänge A und B. Ebenso wie bereits für die erste Diode LEDl am Ausgang A zutreffend ist auch die Möglichkeit, dass alternative Indikatoren verwendet werden können.The resistors R6 and R8 serve the short-circuit protection of the signal outputs and can also be omitted with appropriate external circuit. A second diode LED2 with a series resistor R8 is used to index the output signal to a second output B. The resistor R6 is used to decouple the outputs A and B. As already for the first diode LED1 at the output A is also true the possibility that alternative indicators can be used.
[0040] Bei der Ausführung gemäß Fig. 2 liefert die Auswerteelektronik an den Ausgängen A und B zwei unabhängig voneinander nutzbare Ausgangssignale. Der erste Ausgang A indiziert, ob ein Näherungssensor S an die Auswerteelektronik angeschlossen ist und ob dieser funktionstüchtig ist. Der zweite Ausgang B dient der Indikation einer bestehenden Steckverbindung zwischen der Lichtleitfaser und der Laserstrahlungsquelle infolge der Detektion durch den Nährungssensor S. Das Ausgangssignal am Ausgang B ist durch eine zwingende UND- Verknüpfung abhängig vom Ausgangs signal des Ausganges A, so dass am Ausgang B bei einem defekten oder nicht angeschlossenen Näherungssensor S kein Ausgangssignal vorliegen kann, welches eine bestehende Verbindung der Lichtleitfaser mit der Laserstrahlungsquelle anzeigen kann. Die unterschiedlichen Schaltungszustände sind in Tabelle 1 dokumentiert.In the embodiment of FIG. 2, the transmitter provides at the outputs A and B two independently usable output signals. The first output A indicates whether a proximity sensor S is connected to the transmitter and whether it is functional. The second output B is used to indicate an existing plug connection between the optical fiber and the laser radiation source as a result of detection by the proximity sensor S. The output signal at the output B is dependent on the output signal of the output A by a compelling AND operation, so that at the output B at a defective or non-connected proximity sensor S, there may be no output signal which can indicate an existing connection of the optical fiber with the laser radiation source. The different circuit states are documented in Table 1.
[0041] In einer weiteren Ausführungsform der Auswerteelektronik kann der Pegelshifter, wie in Fig. 3 gezeigt, alternativ mit einer Zenerdiode Dl ausgestattet sein. Mit der in Sperrrichtung geschalteten Zenerdiode Dl kann bei der Pegelverschiebung eine genauere Pegelabstimmung für den Auslösepegel erreicht werden als mit dem Widerstand R2 in Fig. 2. Dies erhöht die Detektionsgenauigkeit für das zu erkennende Objekt.In a further embodiment of the evaluation of the level shifter, as shown in Fig. 3, alternatively be equipped with a Zener diode Dl. With the Zener diode Dl connected in the reverse direction, a more accurate level adjustment for the trigger level can be achieved in the level shift than with the resistor R2 in FIG. 2. This increases the detection accuracy for the object to be detected.
[0042] Die Anzahl von Näherungssensoren kann durch einfache Parallelschaltung erhöht werden (Fig. 4). Durch den ebenfalls von der Anzahl der Nährungssensoren abhängigen Stromfluss durch den Mess widerstand RM kann das Vorhandensein von mehreren Nährungssensoren erfasst werden. Der erste Komparator 1 muss lediglich in seiner Referenzspannung an die jeweilige Anzahl der Nährungssensoren angepasst werden.The number of proximity sensors can be increased by simple parallel connection (FIG. 4). By also dependent on the number of Nährungssensoren current flow through the measuring resistor RM, the presence of multiple proximity sensors can be detected. The first comparator 1 only has to be adapted in its reference voltage to the respective number of proximity sensors.
[0043] Somit besteht die Möglichkeit, sowohl die Auswertung des Vorhandenseins von Nährungssensoren und deren Funktionstüchtigkeit als auch die Auswertung der Faserferrulendetektion in unterschiedlichen Kombinationen zusammenzufassen oder zu vereinzeln.Thus, it is possible to summarize or separate both the evaluation of the presence of Nährungssensoren and their functioning as well as the evaluation of fiber ferrule detection in different combinations.
[0044] Das in Fig. 5 gezeigte Diodenlasermodul enthält in einem Gehäuse 3 einenThe diode laser module shown in Fig. 5 includes in a housing 3 a
Diodenlaser 4, eine Monitordiode 5 und das erfindungsgemäße Sensorsystem 6, durch das in vorteilhafter Weise eine einzige gemeinsame Spannungsversorgung (5 V) ausreichend ist. Somit können auch Durchführungen durch das Gehäuse für eine zusätzliche Spannungsquellen (12 V) eingespart werden, die bei Verwendung von Dreileiter-Näherungssensoren außerdem notwendig wäre. Das Signal der Monitordiode 5 wird über einen Fotodioden- Ausgang PDA an eine nicht dargestellte Auswerteeinrichtung gegeben. Diode laser 4, a monitor diode 5 and the sensor system 6 according to the invention, through which advantageously a single common power supply (5 V) is sufficient. Thus, passages through the housing for an additional voltage sources (12 V) can be saved when using Three-wire proximity sensors would also be necessary. The signal of the monitor diode 5 is applied via a photodiode output PDA to an evaluation device, not shown.

Claims

Ansprücheclaims
[0001] Sensorsystem zur leitungsbruchsicheren Objektdetektion, enthaltend mindestens einen berührungslos arbeitenden Zweidraht-Näherungssensor, der bei Detektion eines vorhandenen Objektes von einem niedrigeren Strom durchflössen ist als bei fehlendem Objekt und eine an den Zweidraht-Näherungssensor angeschlossene Auswerteelektronik zur Erfassung von Sensorsignalen, die aus den sich unterscheidenden Strompegeln gebildet sind, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale gleichzeitig an nichtinvertierenden Eingängen eines ersten und eines zweiten Komparators (1, 2) angelegt sind, dass am invertierenden Eingang des ersten Komparators (1) eine fest eingestellte Referenzspannung angelegt ist und dass der erste Komparator ausgangsseitig mit dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators (2) in Verbindung steht, wodurch am invertierenden Eingang des zweiten Komparators (2) eine aus dem Ausgangssignal des ersten Komparators (1) erzeugte veränderliche Referenzspannung anliegt.Sensor system for line breakage-proof object detection, comprising at least one non-contact two-wire proximity sensor, which is flowed through upon detection of an existing object of a lower current than in the absence of object and connected to the two-wire proximity sensor transmitter for detecting sensor signals from the differing current levels are formed, characterized in that the sensor signals are applied simultaneously to non-inverting inputs of a first and a second comparator (1, 2) that at the inverting input of the first comparator (1) a fixed reference voltage is applied and that the first Comparator on the output side with the inverting input of the second comparator (2) is in communication, whereby at the inverting input of the second comparator (2) from the output signal of the first comparator (1) generated variable reference voltage is applied.
[0002] Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der ersteSensor system according to claim 1, characterized in that the first
Komparator (1) ausgangsseitig über einen Spannungsteiler (R4/R5) mit dem invertierenden Eingang des zweiten Komparators (2) verbunden ist.Comparator (1) on the output side via a voltage divider (R4 / R5) to the inverting input of the second comparator (2) is connected.
[0003] Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass dieSensor system according to claim 1 or 2, characterized in that the
Auswerteelektronik einen Signalausgang (B) für das Ausgangs signal des zweiten Komparators (2) aufweist, das eine logische Und- Verknüpfung von intaktem Näherungssensor (S) und vorhandenem Objekt angibt.Transmitter has a signal output (B) for the output signal of the second comparator (2) indicating a logical AND linkage of intact proximity sensor (S) and existing object.
[0004] Sensorsystem nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass dieSensor system according to claim 3, characterized in that the
Auswerteelektronik einen weiteren Signalausgang (A) für das Ausgangssignal des ersten Komparators (1) aufweist, durch das ein durch Leitungs- oder Fühlerbruch verursachter offener Sensorschaltkreis des Näherungssensors (S) angezeigt ist.Transmitter has a further signal output (A) for the output signal of the first comparator (1) through which an open sensor circuit caused by line or sensor break open sensor circuit (S) is displayed.
[0005] Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Sensorsignale an wenigstens einem der Komparatoren (1, 2) über einen Spannungsteiler oder Pegelshifter angelegt sind.Sensor system according to one of claims 1 to 4, characterized in that the sensor signals are applied to at least one of the comparators (1, 2) via a voltage divider or level shifter.
[0006] Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor (S) als induktiver Näherungssensor ausgebildet ist.Sensor system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the proximity sensor (S) is designed as an inductive proximity sensor.
[0007] Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Näherungssensor (S) als kapazitiver Näherungssensor ausgebildet ist.Sensor system according to one of claims 1 to 5, characterized in that the proximity sensor (S) is designed as a capacitive proximity sensor.
[0008] Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass der Schaltzustand wenigstens eines Komparators (1, 2) mit optischen Mitteln angezeigt ist.Sensor system according to one of claims 1 to 7, characterized in that the switching state of at least one comparator (1, 2) is indicated by optical means.
[0009] Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens zwei Näherungsschalter (Sl, S2) parallel geschaltet sind und gemeinsam an die Auswerteschaltung angeschlossen sind, die gemeinsam mindestens ein Ausgangssignal erzeugen. [0010] Sensorsystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das zu detektierende Objekt eine mit einer Laserstrahlungsquelle zu verbindende und in einer Ferrule geführte Lichtleitfaser ist. [0011] Sensorsystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass dieSensor system according to one of claims 1 to 8, characterized in that at least two proximity switches (Sl, S2) are connected in parallel and are connected in common to the evaluation circuit, which together generate at least one output signal. Sensor system according to one of claims 1 to 9, characterized in that the object to be detected is to be connected to a laser radiation source and guided in a ferrule optical fiber. Sensor system according to claim 10, characterized in that the
Laserstrahlungsquelle ein Diodenlaser (4) ist. Laser radiation source is a diode laser (4).
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