AT16365U1

AT16365U1 - Optische Erkennung sehr kleiner oder langsamer Bewegungen

Info

Publication number: AT16365U1
Application number: ATGM59/2018U
Authority: AT
Inventors: Krasser Edwin
Original assignee: Edwin Krasser Ingenieurbuero Fuer Elektrotechnik Schwerpunkt F&E Elektronik
Priority date: 2018-03-19
Filing date: 2018-03-19
Publication date: 2019-07-15

Abstract

Ein bewegliches Objekt verändert über die Abschattung die Kopplung eines optischen Kanals zwischen einer LED und einem Fototransistor. Diese Kopplung wird mit einer geeigneten elektronischen Schaltung zu einem elektrischen Spannungssignal umgesetzt. Damit auch langsame Bewegungen im pm- Bereich detektiert werden können, wird dieses Signal mit einem Wechselspannungsverstärker mit sehr geringer Grenzfrequenz ausreichend verstärkt, sodass dann mit einem Mikrocontroller die Auswertung dieses Signals einfach durchgeführt werden kann.

Description

Beschreibung

OPTISCHE ERKENNUNG SEHR KLEINER ODER LANGSAMER BEWEGUNGEN

[0001] Die vorliegende Erfindung betrifft eine LED-Fototransistor-Schaltung bzw. Anordnung gemäß dem Oberbegriff von Anspruchs 1 bis 4, welche das optische Erkennen sehr kleiner Bewegungen mit einer sehr großer Empfindlichkeit (Wellenlänge des verwendeten Lichts) selbst bei sehr langsamen Bewegungen (weniger als 10 pm pro Sekunde) ermöglicht.

[0002] Die hier vorgestellte Schaltung mit dem dazugehörige Aufbau benötigt ausschließlich einfache elektronische Bauteile (Standardbauteile), welche alle automatisch bestückt werden können und keine weitere elektrische Justierung benötigen.

[0003] Im aktuellen Stand der Technik gibt es viele Möglichkeiten diverse mechanische Größen wie Bewegung, Schwingung, Biegung, Beschleunigung, ... zu messen. Für diese Anwendungen gibt es bekannte Lösungen mit Sensoren wie zum Beispiel Dehnmessstreifen, kapazitive oder induktive Sensoren, Piezo-Elemente, Sensoren für Beschleunigung oder Drehung, ... . Diese Verfahren haben gemeinsam, dass es sich entweder um komplexe oder teure Sensoren handelt (zum Beispiel MEMS-Beschleunigungssensor, Laser-Interferometer, ...) oder eine aufwendige (kaum automatisiert durchführbare) Montage benötigt wird (zum Beispiel das Aufkleben von Sensor-Elementen).

[0004] Fig. 1 zeigt den schematischen Aufbau mit Leiterplatte, optoelektronischen Bauteilen und dem beweglichen Objekt.

[0005] Fig. 2 zeigt die elektronische Schaltung zur Ansteuerung der analogen Lichtschranke.

[0006] Fig. 3 zeigt die elektronische Schaltung eines Wechselsignal-Verstärkers mit sehr niedriger Grenzfrequenz, der den Arbeitspunkt am Eingang unverstärkt am Ausgang ausgibt.

[0007] Fig. 4 zeigt ein Oszillogramm des Ausgangssignals, welches von einem Mikrocontroller ausgewertet werden kann.

[0008] In Figur 1 ist der schematische Aufbau dargestellt: Auf einer Leiterplatte L bilden die LED 1 und der Fototransistor 3 eine analoge Lichtschranke, welche die Abschattung durch das normal zur Leiterplatte bewegliche Objekt 4 detektiert. Damit das Objekt 4 nicht mit der Leiterplatte kollidieren kann, kann auf der Leiterplatte ein Loch 2 zwischen den beiden optischen Bauteilen vorgesehen werden um das zu verhindern.

[0009] Das abschattende Objekt 4 kann zum Beispiel als gerader Kreiszylinder ausgeführt werden, aber auch andere Formen sind einsetzbar: Kegel, Pyramide, einseitig oder beidseitig schräg abgeschnittener gerade Kreiszylinder oder Quader, siehe Darstellung der Seitenansicht mit Abschattung in Figur 1, 5.

[0010] Dabei soll ein Kompromiss zwischen Änderung der Abschattung und der mechanischen Toleranz des Arbeitspunkts des abschattenden Objekts 4 gefunden werden und ist von der Anwendung des Systems abhängig.

[0011] Wie das bewegliche, abschattende Objekt 4 mit der Leiterplatte mechanisch verbunden wird (mechanischer Aufbau), ist von der Anwendung dieses Systems abhängig.

[0012] Figur 2 zeigt die Schaltung zur Ansteuerung der analogen Lichtschranke. Der Operationsverstärker bildet mit dem Kondensator C1 einen Integrator für die Differenz der Ströme durch den Widerstand R2 und den Fototransistor 3. Die Ausgangsspannung INT dieses Integrators stellt die Gate-Spannung des P-Kanal-MOSFETs P nach, was zu einem Verändern des Stroms durch die beleuchtende LED 1 bzw. den Fototransistor 3 führt. Da hier eine Gegenkopplung vorliegt, wird sich die Spannung INT so einstellen, dass der Strom durch die LED 1 im Fototransistor 3 einen Strom verursacht, der gleich dem Strom durch den Widerstand R2 ist:

I 1 Fototransistor 2-R2 [0013] Somit wird der Strom durch die LED 1 so geregelt, dass sich durch den Fototransistor 3 ein durch die Spannung V+ und den Widerstand R2 vorgegebener Strom IFototransistor einstellt.

[0014] Kleine Veränderungen in der Abschattung durch das Objekt 4 führen zu einer Veränderung der Kopplung zwischen LED 1 und Fototransistor 3, was zum Nachregeln des Stroms durch die LED 1 führt. Dabei sind die Spannung über den Widerstand R1 und somit auch die Integratorspannung INT Größen, die sich mit der Position des abschattenden Objekts 4 ändern.

[0015] Da geringe Veränderungen der Abschattung auch nur geringe Veränderungen der Integratorspannung INT verursachen (Größenordnung von mV), muss diese Spannung noch weiter verstärkt werden. Dabei soll nur die Veränderung verstärkt werden, jedoch nicht der ruhende Arbeitspunkt. Um hier auch sehr langsame Bewegungen erkennen zu können, muss eine Wechselspannungskopplung eine sehr geringe Grenzfrequenz aufweisen.

[0016] In Figur 3 ist eine Schaltung dargestellt, die es erlaubt kleine Veränderungen um den

Arbeitspunkt der Eingangsspannung IN (verbunden mit der Integratorspannung INT in Figur 2) R2 zu verstärken (hier um den Faktor A = — = 100 ). Der Arbeitspunkt der Eingangsspannung wird

RI unverstärkt an OUT ausgegeben. OUT — IN^rbeitspunkt — A ' INwechselanteil [0017] Im Signalpfad befindet sich dabei kein Frequenz bestimmendes Bauteil, was erlaubt die Grenzfrequenz unabhängig von den die Verstärkung bestimmenden Bauteilen zu wählen. Damit ist es möglich, selbst mit Standardbauteilen eine sehr geringe Grenzfrequenz zu erreichen. Durch die Wechselspannungskopplung wird auch jegliche elektrische Justierung unnötig.

[0018] Die Zeitkonstante τ bzw. die Grenzfrequenz fg wird durch R und C bestimmt (hier: t=RC=1s , 4=^~=0- 159Hz ), die Übertragungsfunktion besteht aus einem Tiefpassfilter GLpf(s) (Verstärkung des Arbeitspunkts beträgt 1 ) und dem um A verstärkten Hochpassfilter GHpf(s) (Verstärkung des Wechselanteils): G(s)=GLpf(s)-AOHPf(s)=^-^ [0019] Figur 4 zeigt ein beispielhaftes Oszillogramm für das Ausgangssignal OUT mit der Zeitablenkung von einer Sekunde pro Division und einer Amplitudenskalierung von 500 mV pro Division. Dabei ist zu erkennen, dass eine langsame Veränderung der Abschattung (ca. 10pm in 0.5 s) eine Auslenkung verursacht, wobei dann nach ca. zwei Sekunden, also zwei Zeitkonstanten, sich das Ausgangssignal wieder dem Arbeitspunkt angenähert hat.

Das zuverlässige Erkennen einer Bewegung aus diesem Signal ist z.B. mit einem Mikrocontroller mit ADC und Software einfach möglich.

[0020] Das Erkennen einer Bewegung mit einem solchen Aufbau bzw. einer solchen Schaltung kann vielfältig angewendet werden. Dazu gehören unter anderem: [0021] · Schwingungen an Platten, Trägern, Rohren, Achsen, Wellen, ....

[0022] · Auftretende mechanische Belastungen welche eine Biegung eines Objektes verursachen.

[0023] · Endschalter oder Kollisionserkennung in einem bewegten System mit wenigen pm Weg zum Schalten ohne dabei Kraft zum Schalten zu benötigen.

Claims

Ansprüche

1. Vorrichtung zum Detektieren einer Bewegung mit einer auf einer Leiterplatte (L) angeordneten analogen Lichtschranke, welche eine LED (1) und einen mit der LED (1) optisch gekoppelten Fototransistor (3) umfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung ein normal zu der Leiterplatte (L) bewegliches Bauteil (4) umfasst, welches die Lichtschranke zumindest teilweise abschattet.
2. Vorrichtung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das Bauteil (4) eine Form ausgewählt aus einem, vorzugsweise einseitig oder beidseitig schräg abgeschnittenen, geraden, Kreiszylinder, einem Quader, einem Kegel, oder einer Pyramide aufweist.
3. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet dass der Fototransistor (3) ein elektrisches Signal erzeugt, welches die optische Kopplung mit der LED (1) abbildet.
4. Vorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Vorrichtung eine mit der Lichtschranke verbundene elektrische Schaltung mit einem Operationsverstärker und einem Kondensator aufweist. Hierzu 1 Blatt Zeichnungen