CH633398A5

CH633398A5 - Opto-electrical proximity switch

Info

Publication number: CH633398A5
Application number: CH671878A
Authority: CH
Inventors: Alfred Heim
Original assignee: Grieshaber Ag
Priority date: 1978-06-20
Filing date: 1978-06-20
Publication date: 1982-11-30
Also published as: DE2919314A1; DE2919314C2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen optoelek-trischen Näherungsschalter mit Arbeitsbereich im sichtbaren wie im unsichtbaren Licht.

Näherungsschalter arbeiten mit einem Sender, der ein 5 moduliertes Signal ausstrahlt und einem Empfänger, der das reflektierte Signal aufbereitet und mit dem ausgesandten Signal vergleicht. Solche Näherungsschalter gibt es für die verschiedensten Anwendungsbereiche mit diversen Wellenlängen als Arbeitsbereich. Gearbeitet wird heute sowohl im Ultra-i° schall- als auch im sichtbaren oder unsichtbaren Lichtbereich.

Für optoelektrische Näherungsschalter wurden je nach Arbeitsbereich verschiedene Lichtquellen als Sender verwendet. Für den sichtbaren Lichtbereich wurden bisher Näherungsschalter mit Glühlampen hergestellt. Diese weisen den Vorteil 's auf, das gesamte Farbenspektrum zu emittieren, so dass mit Farbfilter eine beliebige Farberkennung möglich ist Nachteilig ist jedoch, dass die Glühlampe eine relativ geringe Lebensdauer aufweist, erschütterungsempfindlich ist und wegen ihrer Trägheit mit höheren Frequenzen nicht modulierbar ist. so In neuerer Zeit sind Halbleiter-Leuchtdioden im sichtbaren Lichtbereich mit genügender Leistung erhältlich, die auch zum Einzatz im Näherungsschalter geeignet sind. Diese Lichtquellen haben gegenüber der Glühlampe diverse Vorteile. Sie lassen sich hervorragend frequenzmodulieren, haben eine fast 25 unbegrenzte Lebensdauer, benötigen nur wenig Energie und sind äusserst unempfindlich. Leider arbeiten diese Elemente mit fast monochromatischem Licht, so dass zur Erfassung des gesamten Farbenspektrums verschiedene Spektralfarben verwendet werden müssen. Hierzu stehen bereits hervorragende 3o Leuchtdioden für die Farben rot, gelb und grün zur Verfügung und laut einer Pressemitteilung der Firmen Plessy & Ferranti werden auch blaue LEDs in naher Zukunft auf den Markt kommen.

Schliesslich sind auch noch Näherungsschalter mit Arbeits-35 bereich im unsichtbaren Licht erhältlich. Auch hier werden verschiedene Lichtquellen als Sender verwendet. Einerseits die bereits genannte Glühlampe, die auch einen erheblichen Infra-rot-Anteil ausstrahlt und andererseits Halbleiter mit Infrarot-Emitter, wie zum Beispiel die Gallium-Arsenid-Diode. In die-40 sem Bereich weist der Halbleiter keine Nachteile, sondern Vorteile gegenüber der Glühlampe auf.

Jeder bisher bekannte Näherungsschalter hat somit seinebesondere Charakteristik und dadurch seinen besonderen Einsatzbereich. Eine Anwendung von Näherungsschalter für kom-45 plexere Einsätze, bei denen mehrere Informationssignale erfasst und gewertet werden müssen, war bisher nicht möglich.

Die Erfindung stellt sich zur Aufgabe, einen Näherungsschalter zu schaffen, der mehrere Sendesignale verschiedener Wellenlänge ausstrahlen und empfangen kann, wobei die Emp-50 fangssignale gewertet werden können.

Diese Aufgabe wird durch einen optoelektrischen Näherungsschalter gelöst, welcher dadurch gekennzeichnet ist, dass sein Sendeteil mindestens ein monochromatisches, sichtbares Licht ausstrahlendes und mindestens ein unsichtbares Licht 55 ausstrahlendes Halbleiterelement umfasst, wobei die einzelnen lichtemittierenden Halbleiterelemente sequentiell und in gleichen periodischen Abständen Sendesignale ausstrahlen und dass sein Empfängerteil mindestens einen Photoempfänger und eine Auswerteinheit umfasst.

60 Wünscht man die anstehenden Signale zu werten, kann untersucht werden, ob sie innerhalb eines einstellbaren Spannungsbereiches liegen. Dies lässt sich beispielsweise dadurch erreichen, dass die vom Photoempfänger kommenden sequentiellen Signale über einen Vorverstärker auf eine der Anzahl 65 lichtemittierenden Halbleiter entsprechende Anzahl Analog-UND-Tore geleitet werden und dass jedes Analog-UND-Tor über einen Ladekreis mit einem Fensterdiskriminator in Verbindung steht.

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Da beim Sortieren oder Kontrollieren von Stückgütern auf analogen Spannungswerte beizubehalten. Sollten aus einem

Transportbändern oft erhebliche Distanzunterschiede zum anwendungstechnischen Grund einzelne Impulse, beispiels-

Näherungsschalter vorkommen können, kann die analoge weise alle Signale der «Grünphase», stärker verstärkt werden, Grösse des reflektierten Signals erheblich schwanken. Folglich so wäre dies durch eine zeitselektive Verstärkung möglich,

kann dann die Fensterweite des Fensterdiskriminators nicht 5 Durch den Zeitvergleich der jeweiligen Sende- und Empfangs-

soweit geöffnet werden, dass Stückgüter jeder Grösse und signale werden auch automatisch alle zwischen zwei Impulsen

Lage ein vernünftiges reflektiertes Signal ergeben, da sonst liegenden Störsignale ausgefällt.

keine Aussagekraft mehr darin liegt. Verhindern lässt sich dies Die Ausgangsimpulse an den Analog-UND-Toren, die je beispielsweise dadurch, dass das vom infrarotlichtemittieren- nach Zielgegenstand verschiedene Werte annehmen können, den Halbleiter im Sendeteil stammende Signal am Ausgang des io laden die Kapazitäten der Ladekreise 1 la-c proportional auf. korrespondierenden Analog-UND-Tores im Empfängerteil mit Die Lade- und Entladegeschwindigkeit muss so gewählt sein,

einem einstellbaren Referenzsignal verglichen wird, und dass dass die Ausgangssignale der Fensterdiskriminatoren 12a-c bei Differenz der Signale der Regelverstärker die Gegenkopp- ständig am nachfolgenden UND-Tor 13 anliegen. Nur so ist lung proportional steuert. garantiert, dass das über die Endstufe 14 angesteuerte Relais 15

Anhand der Zeichnung sind zwei Ausführungsbeispiele des 15 nicht flattert. Die optimale Dimensionierung der Ladekapazitä-

Erfindungsgegenstandes schematisch dargestellt, deren Funk- ten der Ladekreise 11 a-c muss experimentell ermittelt werden,

tion nachfolgend erläutert wird: Einerseits müssen alle von den Analog-UND-Toren kommen-

Es zeigt: den Impulse einzeln gewertet werden, andererseits darf die

Fig. 1 ein Schema für einen optoelektrischen Näherungs- Restwelligkeit an den Ladekapazitäten nicht so gross sein, dass

Schalter mit drei Fensterdiskriminatoren 20 damit die Hystérésis der nachfolgenden Stufe überschritten

Fig. 2 stellt ein Impulsdiagramm dar wird.

Fig. 3 zeigt eine zweite Variante eines optoelektrischen Die nachfolgenden, als intergrierte Schaltkreise (IC) auf

Näherungsschalters mit Rückkopplung des Infrarot-Signales. dem Markt erhältlichen Fensterdiskriminatoren oder Kompa-

Das Schema in Fig. 1 zeigt in der oberen Hälfte den Sender- ratoren 12a-c vergleichen die an den Ladekapazitäten anlie-teil und in der unteren Hälfte den Empfängerteil des optoelek- 25 genden Spannungen mit einer Referenzspannung. Die Refe-trischen Näherungsschalters. Im Senderteil des Näherungs- renzspannung kann mit einem Regelwiderstand Ra-c eingeschalters wird das Sendesignal geformt. Ausgehend von einem stellt werden. Neben der Referenzspannung kann auch noch Taktgenerator wird ein Rechtecksignal mit einer Frequenz f, die zulässige Abweichung, d.h. die sogenannte Fensterweite beispielsweise 3 kHz erzeugt. Das Signal des Taktgebers wird eingestellt werden. ]e nach der Reflexion kann vom gleichen auf einen Zähler 2 geleitet, der durch Teilung n Rechteck- 30 Gegenstand ein unterschiedlich starkes Empfangssignal emp-signale mit der Frequenz f/n abgibt. Dabei steht n für die fangen werden. Liegt nur die Ladespannung innerhalb der vom Anzahl Sendedioden 5-7, im dargestellten Beispiel drei. Folg- Fensterdiskriminator geprüften Grenzen, entsteht ein Auslich erscheinen am Zählerausgang drei Rechtecksignale mit gangssignal. Liegen alle drei Istwerte innerhalb des entspre-der Frequenz von je 1 kHz. chend eingestellten Fensters, so liegen alle Ausgänge der Kom-

Jedes Signal mit der Frequenz f/n wird einem von n mono- 35 paratoren auf einem ebenfalls einstellbaren Pegel. Entspricht stabilen Multivibratoren 3a-c zugeleitet. Das jeweilige Signal eines der Eingangssignale nicht dem gewünschten Sollwert, so triggert den flankengesteuerten Multivibrator, der einen liefert der entsprechende Komparator kein Ausgangssignal,

Impulszug von Impulsen von vorgewählter Impulsdauer das UND-Tor 13 sperrt und das Relais 15 fällt ab.

erzeugt. In der Figur 2 sind die drei Impulszüge dargestellt. Die In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel des Erfin-Impulsbreite ist hier mit 20 |is angegeben. Aus der Frequenz 40 dungsgegenstandes dargestellt. Der Sendeteil in der oberen von 1000 Hz ergibt sich eine Zeit von 1 ms von Impuls zu Blatthälfte ist mit dem Sendeteil nach Fig. 1 identisch. Auch der Impuls des gleichen Impulszuges. Die Impulszüge sind jedoch Empfängerteil ist prinzipiell gleich aufgebaut. Der am Analoggegenüber einander um 1/f • 1/n, im Beispiel folglich um UND-Tor 10a ausgetastete Impuls des Infrarot-Licht-Signales 0,33 ms, verschoben. Die erzeugten, sequentiell verteilten wird jedoch nicht vom Ladekreis 11 a auf einen Komparator, Impulse steuern nun sequentiell die n Endstufen 4a-c. Die End- 45 sondern auf einen Regelverstärker 17 geleitet. Überschreitet stufen 4a-c sind Stromtreiber. Stromtreiber 4a treibt eine Infra- der anliegende Wert einen am Regelwiderstand 16 einstellba-rot LED 5, Stromtreiber 4b eine rote (lichtemittierende Diode) ren Wert, so steuert das Ausgangssignal des Regelverstärkers LED 6 und Stromtreiber 4c eine grüne LED 7. Selbstverständ- proportional die Gegenkopplung 18, wodurch wiederum die lieh können auch andersfarbige LEDs verwendet werden. Im anliegenden Analogsignale an den Analog-UND-Toren 10b Beispiel nach Fig. 1 werden mit drei sequentiell verteilte Licht- 50 und 10c proportional geändert werden. Die anliegenden impulse von je 20 |is gesendet. Impulse für die Rot- und Grünphase werden somit abhängig

Auf den Photoempfänger 8 treffen nun alle drei Signale vom Infrarot-Impuls gewertet. Vorzugsweise nimmt man den zeitverschoben wieder auf. Im Vorverstärker 9 werden die Infrarot-Impuls, da dieser die höchsten Werte erreicht, empfangenen Signale verstärkt und allen nachfolgenden Ana- Diese Schaltung wird insbesondere dort verwendet, wo log-UND-Toren lOa-c zugeleitet. So erhält das Analog- 55 Stückgüter sortiert werden müssen, deren Reflexionsfläche UND-Tor 10a an einem Eingang das Ausgangssignal des Multi- unterschiedlich weit am Sender vorbeigeführt werden. Durch vibrators 3a, am anderen Eingang alle vom Vorverstärker 9 die ständige Anpassung kann somit distanzunabhängig gearbei-verstärkten, vom Photoempfänger empfangenen Signale. Nur tet werden. Es ist jedoch durchaus möglich, einen monochro-während der Zeit, da die Diode 5 von der Stufe getrieben einen matischen Lichtimpuls zur Rückkopplung zu verwenden. Infrarot-Impuls abgibt, der reflektiert und vom Photoempfän- 6o Die gleiche Wirkung wie bei der vorgenannten Schaltung ger empfangen und über den Vorverstärker an das Analog- erhält man, wenn der Regelverstärker 17 statt mit der Gegen-UND-Tor gelangt, öffnet dieses und leitet ein Signal weiter. kopplung 18 mit der Endstufe 4a in Wirkverbindung stehen Der Photoempfänger sollte für alle ausgestrahlten Wellenlän- würde. Dadurch würde bereits der Analogwert des Sendegen ungefähr die gleiche Empfindlichkeit besitzen, damit er die signais beeinflusst.

empfangenen Lichtsignale in analoge elektrische Signale 65 Der erfindungsgemässe optoelektrische Näherungsschalter umwandeln kann. Prinzipiell kommen dafür Photodioden, Pho- ermöglicht neue Anwendungen des Näherungsschalters. Es totransistoren und photovoltaische Elemente in Frage. Der können beispielsweise Stückgüter auf Fliessbändern sortiert

Vorverstärker 9 ist üblicherweise ein Linearverstärker, um die werden, ohne dass diese zuvor genau ausgerichtet worden sind.

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Zusätzlich lassen sich mehrere Erkennungswerte berücksichtigen. Auch Anwendungen an Orten mit stark störenden Hintergrundreflexionen lassen sich realisieren.

Markierungen auf Verpackungen lassen sich nach Farbe und Material erkennen und die Informationen entsprechend weiter verwerten.

Ein wesentliches Anwendungsgebiet ist insbesondere die Sortierung von Früchten. Durch die Infrarot-Abtastung lassen sich Fremdkörper erkennen und mit der Farb-Abtastung werden unreife Früchte erkannt. Dieser Anwendung kommt wegen der starken Rationalisierung in der Landwirtschaft grosse

Bedeutung zu.

Immer häufiger werden Erntemaschinen eingesetzt, die Fremdkörper in das Erntegut einschleusen. Ein weiteres wichtiges Anwendungsgebiet ist die Kontrolle verpackter Waren, s Durch die kombinierte Abtastung durch sichtbares und unsichtbares Licht lassen sich verpackte Waren erkennen und entsprechend weiterleiten oder behandeln.

Über die diversen Kombinationsmöglichkeiten von sichtbarem und unsichtbarem Licht Betrachtungen anzustellen, ist 10 müssig. Der jeweilige Anwendungsfall wird über die Wahl der besten Kombination entscheiden.

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3 Blatt Zeichnungen

Claims

633398 PATENTANSPRÜCHE

1. Optoelektrischer Näherungsschalter, dadurch gekennzeichnet, dass sein Sendeteil (1-7) mindestens ein monochromatisches, sichtbares Licht ausstrahlendes (6,7) und mindestens ein unsichtbares Licht (5) ausstrahlendes Halbleiterelement umfasst, wobei die einzelnen lichtemittierenden Halbleiterelemente (5-7) sequentiell und in gleichen periodischen Abständen Sendesignale ausstrahlen, und dass sein Empfängerteil (8-15) mindestens einen Photoempfänger (8) und eine Auswerteinheit umfasst.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Photoempfänger (8) ein Photo-Transistor dient.

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Photoempfänger (8) eine Photodiode dient.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Photoempfänger (8) ein photovoltaisches Element dient.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Photoempfänger (8) ein Photo-Thyristor dient.

6. Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass die vom Photoempfänger (8) kommenden sequentiellen Signale über einen Vorverstärker (9) auf eine der Anzahl lichtemittierenden Halbleiter (5-7) entsprechende Anzahl Analog-UND-Tore (lOa-c) geleitet werden und dass jedes Analog-UND-Tor über einen Ladekreis (1 la-c) mit einem Fensterdiskriminator (12a-c) in Verbindung steht.

7. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Fensterweiten der Fensterdiskriminatoren (12a-c) einstellbar sind.

8. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender einen Infrarotemittierenden Halbleiter (5) und zwei monochromatisches Licht emittierende Halbleiter (6,7) umfasst.

9. Näherungsschalter nach den Ansprüchen 6 und 8, dadurch gekennzeichnet, dass das vom infrarotlichtemittieren-den Halbleiter (5) im Sendeteil stammende Signal am Ausgang des korrespondierenden Analog-UND-Tores (10a) im Empfängerteil mit einem einstellbaren (16) Referenzsignal verglichen wird, und dass bei Differenz der Signale der Regelverstärker (17) die Gegenkopplung ( 18) proprotional steuert.

10. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sender eine Optik zur Bündelung der Sendesignale zugeordnet ist.

11. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dem Empfänger eine Optik zum richtungsselektiven Empfang zugeordnet ist.

12. Näherungsschalter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass bei Differenz der Signale der Regelverstärker (17) die Stromtreiber (4a-c) im Sendeteil proportional steuert.

13. Näherungsschalter nach Anspruch 1, mit lichtemittierenden Dioden als Halbleiterelemente, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender einen Taktgeber, der ein periodisches Rechtecksignal erzeugt, und einen Zähler aufweist, der dieses Signal in eine Anzahl Rechtecksignale mit der gleichen Periode teilt, welche Anzahl der Anzahl lichtemittierender Dioden entspricht, wobei diese Signale jeweils einen flankengesteuerten, monostabilen Multivibrator triggern und deren erzeugte Impulse Stromtreiber steuern, die die lichtemittierenden Dioden sequentiell treiben.

14. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Vorverstärker die sequentiellen Empfangssignale zeitselektiv verstärkt.