CH652874A5

CH652874A5 - Optischer naeherungsschalter.

Info

Publication number: CH652874A5
Application number: CH716880A
Authority: CH
Inventors: Alfred Heim
Original assignee: Grieshaber Ag
Priority date: 1980-09-25
Filing date: 1980-09-25
Publication date: 1985-11-29
Also published as: DE3137835C2; DE3137835A1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Näherungsschalter gemäss Oberbegriff des Anspruches 1.

Auf dem Markt sind Näherungsschalter mit verschiedensten Arbeitsmethoden und unterschiedlichsten Abtastcharakteristiken bekannt.

Die sechs bekanntesten Näherungsschaltersysteme sind: magnetische, induktive, kapazitive und optische Näherungsschalter sowie Radar- und Ultraschall-Doppler-Detektoren. Alle diese Systeme haben bestimmte Abtastcharakteristiken, die den spezifischen Anwendungsbereich bestimmen.

Will man sowohl stillstehende als auch bewegende Objekte erfassen, so kommen die rein dynamischen mit dem Doppler-Effekt arbeitenden Detektoren nicht in Frage.

Sollen zudem auch nichtmagnetische, bzw. nichtmetallische Objekte erfasst werden, so fallen auch magnetische und induktive Näherungsschalter ausser Betracht. Müssen zudem noch grosse Abtastfelder kontrolliert werden, so fallen auch noch die beiden letzten Möglichkeiten, nämlich die kapazitiven und optischen Näherungsschalter, aus. Kapazitive Näherungsschalter, die in Abhängigkeit der relativen Dielektrizitätskonstante Er arbeiten, sind materialabhängig und arbeiten nur innert einer Distanz von etwa 100 mm zuverlässig.

Gerade diese nicht erfüllten Aufgaben sind aber recht häufig erwünscht. So zum Beispiel bei der Erfassung von Objekten auf einer Rollenbahn oder bei anderen Transportsystemen, bei automatischen Türöffnern sowie bei Alarm- und Sicherungssystemen. Ein besonders heikles Anwendungsgebiet sind Auswurfkontrollen an Pressen und Kunststoff-Spritzgussmaschinen. In all diesen Bereichen musste man auf eine optimale Lösung verzichten oder aber mehrere, verschiedenartige Näherungsschaltersysteme verwenden, zeitweise kombiniert mit weiteren Schaltsystemen wie Druckschalter, Lichtschranken, pneumatische Schalter usw. Die hiermit verbundenen hohen Kosten, vielfältige Ursachen für Fehlschaltungen und Komplexität in der Wartung, sind verständlich.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Näherungsschalter zu schaffen, der die vorgenannten Nachteile behebt, kostengünstig und wartungsarm ist, und insbesondere statische wie auch dynamische Objekte wahrnimmt.

Die Aufgabe löst ein optischer Näherungsschalter der eingangs genannten Art mit den Merkmalen gemäss Patentanspruch 1.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes dargestellt und anhand der nachfolgenden Beschreibung erläutert.

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Anordnung von Sender und Empfänger, die zugeordneten balkenförmigen Linsen sowie das sich ergebende Abtastfeld. In

Fig. 2 ist das Blockschema des erfindungsgemässen Näherungsschalter dargestellt, und

Fig. 3 dient der Erläuterung der Schaltanordnung des Empfängers.

Fig. 4 zeigt einen Querschnitt der Linse und den Strahlengang in derselben.

Für den Anwender ist das Abtastfeld eines Näherungsschalters einer der wesentlichsten Punkte, neben der Arbeitsweise desselben. Daher sei vorerst auf das Abtastfeld eingegangen. In Fig. 1 ist eine bevorzugte Ausführungsform des Näherungsschalters dargestellt. In einem strichlinierten dargestellten Gehäuse-10 sind drei balkenförmige Linsen 20,21 und 22, deren Längsachsen in einer Ebene liegen,-montiert. Die balkenförmigen Linsen 20-22 sind kreisbogenförmig angeordnet. Hinter der Linsen 20 und 22 sind zum Sendeteil gehörende lichtemittierende Dioden (LED) 23,23' angeordnet, die in bestimmten Abständen Lichtimpulse ausstrahlen. Die balkenförmigen Linsen 20,22 bewirken, dass das von den Dioden kegelförmig ausgestrahlte Licht nur in flächenförmi-gen Bereichen A, B verläuft. Die beiden Bereiche decken sich teilweise.

Zwischen den beiden Linsen der Sender liegt die Zylinderlinse 21, die dem Empfänger bzw. den Empfängern 24,24' zugeordnet ist. Die Anzahl der Empfänger, dass heisst genau gesagt die Anzahl der Photodioden des Empfängerteiles, ist abhängig von der Anordnung und dem Winkel des erwünschten Abtastfeldes. Auch hier wird wiederum der kegelförmige Empfangsbereich der Photodioden durch die balkenförmige Linse in einem fächerförmigen Abtastbereich C gewandelt.

Das Abtastfeld ergibt sich nun aus den sich überschneidenden fächerförmigen Bereichen von Sendern und Empfängern, d.h. den Zonen A' und B'. Der direkt vor der Empfangslinse 21 liegende Raum, der von keinem der beiden Sender erreicht wird, heisst Parallaxzone. Diese Parallaxzone ist erforderlich, um ein direktes Übersprechen eines Sendesignals auf den Empfänger zu vermeiden. Die Abtastdistanz ist mehr oder weniger einzig von der Leistung der elektronischen

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Schaltung und der mit infrarotem Licht arbeitenden Dioden (LED) abhängig.

In der einfachsten Ausführung mit je einer balkenförmigen Linse, einem Sender und Empfänger wird ein fächerförmiges Abtastfeld von etwa 60° erzielt. Die bevorzugte Ausführung mit zwei Sendern beidseits von zwei zusammengenommenen Empfängern ermöglicht ein Abtastfeld wie in der Zeichnung dargestellt von 120° Ausbreitwinkel. Der Halbwertswinkel des fächerförmigen Abtastfeldes beträgt normal 3-5°.

Falls erforderlich, können mehrere gleichartige Näherungsschalter nebeneinander gekoppelt angeordnet werden bis zu einem 360°-Panorama. Dabei ist einzig darauf zu achten, dass immer ein Empfängerteil an einem Empfängerteil und ein Sendeteil an einen Sendeteil stösst, damit keine ungewünschte Beeinflussung auftritt.

Wie aus dem Blockschema nach Fig. 2 ersichtlich ist, ist die vorgenannte Möglichkeit bereits schaltungsmässig berücksichtigt. Dies ist aus der eingangseitig angeordneten Synchronisationsschaltung 30 ersichtlich, die dafür sorgt,

dass ein Gerät frequenzbestimmend für das andere ist. Folglich werden sonst auftretende Interferenzstörungen verhindert. Ein Impulsgenerator 31 erzeugt die gewünschte Signalfolge. Mit einer Frequenz von etwa 900-1100 Hz werden Impule mit einer Breite von etwa 10 us und einem Abstand von etwa 1 m/s produziert. Die Signale des Impulsgebers gehen über eine Leistungsendstufe 32 auf die LED 23, 23'.

Die vom Empfänger empfangenen reflektierten Signale werden mittels eines Vorverstärkers 33 verstärkt. Die vorverstärkten Signale gehen nun über einen Filterverstärker 34, in dem die niederfrequenten Signalanteile ausgeschaltet werden, und das verbleibende Nutzsignal, welches nur unwesentlich verzerrt wird, auf eine Koinzidenzstufe 35. Die Koinzidenzstufe 35 steht mit dem Impulsgeber 31 in Verbindung und vergleicht die zeitliche Koinzidenz der Sende- und Empfangssignale. Nur die koinzidenten Signale werden durchgelassen.

Die passierten koinzidenten Signale gelangen zum Integrator 36 und werden in eine Ausgangsspannung proportional zum Empfangssignal gewandelt. Diese Ausgangsspannung liegt an einem Komparator 37 an. Der Komparator vergleicht die proportionale Spannung mit einer einstellbaren 5 Referenzspannung. Die Referenzspannung gibt die Ansprechschwelle an. Erreicht die Ausgangsspannung die Höhe der Ansprechschwelle, schaltet der Komparator 37 durch auf eine Endstufe 38. Die Endstufe 38 kann als statischer Ausgang ausgebildet sein oder, falls dies von der Anwendung her io bevorzugt wird, ein Relais 39 treiben. s

Die Schaltung 40 des Empfängers weist gewisse Besonderheiten auf, auf die hier noch kurz eingegangen wird. Als Empfänger 24, 24' werden vorteilhafterweise zwei schnelle Photodioden, die als Photoelemente in Serie geschaltet sind, 15 verwendet. Folglich arbeiten die Photodioden nicht wie Dioden, d.h. strommässig, sondern spannungsmässig in Abhängigkeit der empfangenen Lichtstärke. Der Oparationsverstärker 41 weist eine Gleichtaktunterdrückung von etwa 80 dB auf. Treten somit Störungen im Verknüpfungspunkt Rx, Ry 20 auf, werden dieselben unterdrückt, weil die Photodioden 24, 24' nicht direkt dem Operationsverstärkereingang vorgeschaltet sind. Die Art der Schaltung wird oft als «Floating Input» bezeichnet.

Es kann von Vorteil sein, vor oder hinter der Linse des 25 Empfängers einen optischen Filter einzubauen, der nur den infraroten Anteil der Strahlung durchlässt.

Die Querschnittsform der Linsen ist am deutlichsten aus dem Schnittbild der Fig. 4 ersichtlich, in welchem auch der Strahlengang dargestellt ist.

30 Die balkenförmige Linse 20 weist eine zum Empfänger bzw. Sender gelegene plane Fläche 25 auf, während die gegenüberliegende Fläche 26 halbkreisförmig gewölbt ist. Der emittierte Lichtstrahl wird beim Eintritt in die Linse zum Lot und beim Austritt vom Lot gebogen, wodurch eine erhebliche 35 Bündelung der Strahlen in der Schnittebene der Linse entsteht. Hierdurch erklärt sich die scheibenförmige Ausdehnung des Abtastfeldes.

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2 Blatt Zeichnungen

Claims

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1. Optischer Näherungsschalter mit mindestens einem lichtausstrahlenden Sender und mindestens einem auf dessen Licht ansprechenden Empfänger, dadurch gekennzeichnet, dass Sender (23, 23') und Empfänger (24,24') je einer separaten balkenförmigen Linse (20-22) zugeordnet sind, deren Längsachsen in einer Ebene liegen.

2. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Längsachsen je zwei benachbarter Linsen (20-22) einen Winkel einschliessen.

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PATENTANSPRÜCHE

3. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Linse (21) mindestens zwei Empfänger (24,24') zugeordnet sind, die eine Empfängereinheit bilden.

4. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfängereinheit zwischen zwei Sendern (23,23') angeordnet ist.

5. Näherungsschalter nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger mindestens zwei Photodioden umfasst, die als Photoelemente in Serie geschaltet sind, und dass ein Operationsverstärker (41) mit hoher Gleichtaktunterdrückung nachgeschaltet ist.

6. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass als Lichtquellen des oder der Sender Infrarot-Leuchtdioden vorgesehen sind und dass im Empfänger der balkenförmigen Linse (21) ein optischer Filter vorgeschaltet ist, der nur den Infrarot-Lichtanteil durchlässt.

7. Näherungsschalter nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass im Sender mindestens zwei Infrarot-Leuchtdioden angeordnet sind.

8. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass eine Synchronisationsschaltung (30) eingangs-seitig vorgesehen ist, die frequenzbestimmend für einen weiteren angekoppelten Näherungsschalter gleichen Bautyps wirkt.

9. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ein Impulsgenerator (31), der die Sendesignale liefert, mit einer Koinzidenzstufe (35) der Empfängerschaltung gekoppelt ist und nur bei zeitlicher Koinzidenz der Sende- und Empfangssignale das empfangene Signal an einen Integrator (36) weiterleitet, der eine dem empfangenen Signal proportionale Spannung einem Komparator (37) zuleitet, der das verglichene Signal bei Erreichen einer Referenzspannung auf eine Endstufe (38) durchschaltet.

10. Näherungsschalter nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die balkenförmigen Linsen plankonvex sind.