CN102282479B - 具有距离传感器的传感器设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有距离传感器以及电子单元的传感器设备(17)，所述距离传感器包括发送设备(2)和接收设备(3)，所述发送设备(2)具有包含光源的至少一个发送器并且所述接收设备(3)具有至少一个接收器；其中所述电子单元被设计为经由所述发送器传送光以及确定所述发送器传送的光所经历的、从受监视区域中的物体的反射表面到相应接收器的距离。根据本发明，用于传送光的导光部件(18-23)布置在所述发送设备(2)与所述受监视区域之间和/或布置在所述受监视区域与所述接收设备(3)之间，其中所述导光部件反射光至少一次，使得光可以在成角度的路径上从所述发送设备(2)传送到所述受监视区域和/或从所述受监视区域传送到所述接收设备。

Description

具有距离传感器的传感器设备

背景技术

在许多应用中需要检测到各种物体的距离。如果这些物体在空间上是分隔的，则每个物体都需要一个距离传感器。

发明内容

本发明的目标是改进距离测量系统。

通过权利要求1的特征实现了此目标。在从属权利要求中指定了有利的改进。

本发明源自一种传感器装置，所述传感器装置包括：距离传感器，其包括发送设备和接收设备，所述发送设备具有包含光源的至少一个发送器并且所述接收设备具有至少一个接收器；以及包括电子单元，所述电子单元被设计为借助所述发送器发射光以及确定被所述发送器发射的光覆盖的、从受监视区域中的物体的反射表面到相应接收器的距离。可以例如通过计算光的飞行时间和/或在光上调制的振荡相位来完成距离测量。此类传感器也称为“光照时间”传感器(TOF传感器)。

本发明的核心在于用于传送光的导光部件布置在所述发送设备与所述受监视区域之间和/或布置在所述受监视区域与所述接收设备之间，所述导光部件反射光至少一次，使得光可以在成角度的路径上(具体地说，多角度的路径上，例如在基于光纤的公知导光件的情况下)从所述发送设备传送到所述受监视区域和/或从所述受监视区域传送到所述接收设备。在光纤导光件的情况下，尤其是就其外部形状而言，还可以涉及曲线路径。基本上，反射可以包括镜面反射和/或由全反射进行的反射。对于基于光纤的导光件，例如在弯曲玻璃纤维时，在玻璃纤维的外部边界表面处存在光信号的多次全反射。但是，还可以应用一个或多个反射器或棱镜元件，以便实现光的成角度的(具体地说，多角度的)路径。

只要监视多个单独的区域，接收设备在没有导光部件的情况下无法看到所有单独的区域，和/或发送设备在没有导光部件的情况下无法使用光照射所有单独的受监视区域，在成角度的路径上引导光的过程就尤其有利。所述导光部件然后可用于同时返回光以及使用来自直接路径上的在光学上完全隔离的区域的光来照射物体。

即使在监视相对较大(具体地说，在空间上细分)的区域时，由于此测量，只需一次性地需要昂贵的传感器装置组件，例如，TOF芯片、电源和/或微控制器，因为光可以经由所述导光部件例如从中央单元传送到相应的受监视位置。受监视位置反射的光可以经由导光部件传送回中央单元。只要光经由导光部件被“带到”相应的受监视位置，作用于物体的光的强度就相对较高。同样，在受监视区域回射的光可以经由导光部件传送回接收设备时，其损耗更少。从而通常可以避免正常情况下在较大范围上发生的散射损耗。

基本上，本发明的过程的优点在于，距离传感器无需位于要执行测量的位置。由此还可以监视相对较小并难以接近的区域。此类系统可以例如在自动售货机中使用。在此类自动售货机中，可以通过距离测量来检测单独储物槽中的产品数。

为了获得与受监视位置处的物体有关的信息，可以根据颜色估计物体(例如，自动售货机中的产品)回射的光。发送设备可以以各种频率(即，颜色)发射光，以便获得与受监视区域中的物体有关的颜色信息项。例如，使用一种颜色的光照射物体，并另外检测反射光。对于另一种颜色也是如此。根据回射光强度，可以从其导出要分派的物体的颜色。可以以此方式标识产品。还构想了使用白光照射物体并至少部分地在接收设备中计算反射的频带。使用不同颜色同时或顺序地照射物体无需在可见区中进行。还可以使用不可见光。

所述导光部件在导光件的体积内有均匀地传送光。可以例如使用玻璃纤维传输部件和/或玻璃纤维导光件。

在本发明的特别优选的改进中，所述距离传感器仅包括一个接收器并包括多个发送器，或者仅包括一个发送器并包括多个接收器。

由此可以构建成本高效的传感器装置。但是，可以监视在空间上彼此分隔的各个受监视区域。

此外，还优选地提供控制单元，所述控制单元使能独立控制发送器和接收器。

单独控制可用于在接收器与发送器之间提供唯一分配。例如，在已知哪个光源发射光时，可以向受监视区域提供唯一分配，即使当所有将光传送到接收设备的导光部件都仅导向一个接收器时也是如此。

此外，还优选地以这样的方式设计导光部件：一个并且是同一个导光元件将光从所述发送设备传送到所述受监视区域中并且将光从所述受监视区域传送到所述接收设备。由此可以减小设计所述导光部件的费用。

多个导光件优选地可以例如组合成束以形成一个导光元件。

在本发明的改进中，还优选地以这样的方式布置所述导光部件：经由受监视位置处的导光元件，来自所述发送设备的光直接到达将光传输回所述接收设备的导光元件。还可以构想例如经由反射器使光间接导向将光传送到所述接收设备的导光件。在本发明的进一步有利的改进中，用于所传送和接收的光的导光元件被导向头部。可以在距离传感器侧或受监视区域侧两者上完成此操作。所述头部可以包括透镜或其他光学元件。以此方式，可以确保发送器和接收器的所需对准。

所述头部还可以包括电子组件。例如，提供了电子开闭器(shutter)、电子偏光器和/或电子转向器(切换器)。还可以构想将发送器和/或接收器至少部分地置于导光头部内。头部可以包括抗反射层、物理光学过滤器(pofilter)和/或阻滞层。

由此确保了可靠地引导光。

在此之外的本发明的有利改进中，提供了导向部件，使得所传送和接收的光的对准在头部中明显不同，和/或可以设置所传送和接收的光的对准。导光件通常不能被弯到较大程度。这意味着在导光件以不是优选方向的方向到达头元件中的情况下，需要相对较大量的空间，以便将离开光的方向转变成期望方向。因此，可以在所述头部中提供光学组件，以便确保光以期望方向进入和离开。

可以使用光学单元将光耦合到导光件中。还可以构想在导光件的光离开位置处和/或在从离开位置到受监视物体的光路径上使用此类系统。此类光学元件可以至少部分地聚焦或扩展光，使得光精确地照亮要监视的受监视区域。

可以例如使用附加的光学元件以将更多的光引入导光件，由此允许提高信噪比。可以通过仅精确照射要监视的表面来增加测量的准确度。

优选地以光不会遇到任何光学中断的方式配置导光部件到头元件的过渡。为此，所述头部可以例如结合或焊接到所述导光部件，或者与所述导光部件一起在一个部件中制造所述头部。

这样，来自发送器的光可以更高效地耦合到导光部件中。此外，在光进入或离开导光部件时可以避免干扰反射。由此提高了系统的“光学效率”。

基本上，导光部件可以被配置为使得导光部件可被以期望长度分离，以便然后耦合到传感器或头部。

因此，可以更容易地实现客户特定的解决方案。

此外，可以假设可使用耦合部件将导光部件彼此耦合。此测量可以覆盖发送设备与待监视区域之间的非常大的距离范围。

如果适当，可以仅通过插接在一起或卡扣进行耦合，并且这进一步简化了调整导光部件的长度的整个过程。

在本发明的进一步优选的改进中，所述装置被设计为在所接收光的光强和/或所测量的距离低于规定阈值或超过规定阈值时采取措施。

此外，优选地，可以设置所述规定阈值和/或所述装置自身采取操作以适应阈值。

在客户可以根据需要更改导光部件的长度时，此改进是特别优选的。例如，如果更改了光纤导光件的长度，光的测量距离也会改变，并且因此会改变光的阻尼行为。阈值应可以适应这些改变后的环境。系统优选地自身能够确定导光部件的长度和/或与之相关的参数。在优选的改进中，本发明的装置为此生成一种协议。

这些措施使得传感器装置的使用更加可靠和简单。

例如，为了确定导光件的长度，使用光的各种调制频率或基本频率。

此操作的背景在于，导光件对于光的不同频率具有不同的特性，可以由此确定导光件的绝对长度。

可以使用具有不同配置的导光件。例如，单模式导光件以及多模式导光件。在单模式导光件中使用单模式光纤。此类光纤只有一个可能的光路径。因此，对于给定频率，不会产生飞行时间差异，并且这对于快速数据传输和准确的距离测量是有利的。

在多模式导光件中，以不同的角度反射光，这会导致各个光分量的飞行时间差异。通过有针对性地利用所比较的光模式，可以从其计算导光件的长度。此外，优选地，使光导向受监视区域的导光件在所述头部中被直接耦合到用于被反射光的导光件中。这样，可以容易地确定导光件的长度。

如果应用多模式导光件，优选地校正与光可以返回导光件内部的不同路径有关的测量距离。通过实例的方式，为此可以执行基准测量以便确定传感器和/或物体表面所见到的导光件的有效长度。可以在安装此类系统或在制造期间采用此类基准测量。多模式导光件的成本当然更高，但是其更易于将光耦合到导光件中。

优选地，使用芯直径小于50μm，具体地说，小于20μm，例如还小于10μm的光纤。从而在导光件中产生较少的模式。

此外，优选地，导光件具有可随横截面变化的折射率，具体地说，在外侧折射率较小。具体地说，这在结合多模式导光件时是有利的，因为此测量导致在导光件中几乎没有反射的光与被多次反射且相应具有较长路径的光之间的飞行时间差异减小。这基于光在光学上较疏松的介质中速度较快的原理。如果朝向外侧折射率较低，则光会更快速地经过这些区域，这对在外侧区域上多次反射并由此经过较长路径的光尤其有益。

此外，优选地，针对要使用的频率优化导光件(具体地说，光纤)。

以此方式，还可以将导光件中的各种模式的飞行时间差异保持为尽可能小。

在额外优选的本发明的改进中，导光件的端部具备微透镜。

例如，由此可以改进导光件的光纤到传感器的耦合。可以例如将菲涅耳透镜或梯度折射微透镜用作透镜。

此外，优选地，所述光源具有相对较小的辐射角。通过实例的方式，使用布鲁斯二极管或具有特别小的辐射角的二极管。同样，还可以构想激光或垂直腔面发射激光器或垂直腔面发射激光器组件。

还可以通过使用适当的滤波器(例如，带通滤波器)来减小带宽。

LED作为光源基本上是相对成本高效的，但是其具有较大的发射锥，并且这使得耦合到光纤中更加困难。相比之下，激光较昂贵，但是具有可容易地耦合到导光件(具体地说，光纤)中的平行光。

重要地，可以执行基准测量以便校正由导光件(例如，光纤)引起的误差。

基本上，可以例如通过焊接(具体地说，铁焊接或热封(只是列出两个实例))将印刷电路板固定在光学传感器中。印刷电路板可以具有集成的导光部件和/或光学层。

通过实例的方式，本发明的系统可例如用于监视人是否在床上。在此情况下，例如，在使用一个传感器监视多张床时，或通过一个传感器监视床上的多个区域时，本发明的系统变得尤其有利。

附图说明

附图中示出了多个示意性实施例并在具有其他优点的说明书中更详细地说明了多个示意性实施例，这些附图是：

图1在概略的侧视图中示出了结合传感器装置的现有技术已知的自动售货机的高度简化的部件；

图2示出了具有本发明的传感器装置的自动售货机的在图1中已非常概略地示出的部件；

图3在概略图中示出了布置在电梯中的本发明的传感器装置；以及

图4示出了在概略地示出的本发明的传感器装置的基础上的门的安全系统。

具体实施方式

图1示出了其中尝试使用包括光源2和接收设备3的距离传感器1来监视自动售货机7的三个彼此分隔的产品存放槽4、5、6的情况。

产品11的堆8、9、10布置在产品存放槽4、5、6中。虽然借助光源2经由光束13、14可以到达产品存放槽5、6，但是由于产品存放槽4与5之间的中间壁12而无法到达产品堆10。此外，接收设备只能检测到来自产品堆9的反射光15，但是由于产品存放槽6与产品存放槽5之间的中间壁16，来自产品堆8的光无法到达接收设备3。没有任何光从产品堆10传送到接收设备3，因为中间壁12阻隔了来自光源2的光。

结果，只能确定到产品堆9的距离。使用根据图2的本发明的传感器装置17以便能够执行关于所有产品堆的可靠测量。

传感器装置17同样包括光源2和接收设备3。

导光件18、19、20分别从光源2被导向每个产品堆槽4、5、6，并且导光件21、22、23分别被引导回接收设备3。

结果，经由导光件18、19、20将光从光源2精确地引导到这样的区域，即要监视的产品存放槽4、5、6。同样，导光件21、22、23接收产品堆8、9、10所回射的监视光束并将其引导到接收设备3。

为了借助光源2获得对产品堆8、9、10的所需照射，相应导光件18、19、20可以配备有导光头24。同样可以提供导光头25以便优化将反射光25从相应产品堆8、9、10引入导光件21、22、23。

可以例如通过光从光源2到接收器3的飞行时间或通过计算在来自光源3的光上调制的振荡相位来确定到相应产品堆8、9、10的最上面的产品11的距离。

为了获得与堆的相应高度有关(因而与相应产品存放槽4、5、6的填充水平有关)的结果，有必要考虑导光件18-23的不同导光长度。

可以仅借助一个接收设备和一个光源通过导光件18-23实现对与产品堆槽4、5、6一致的在空间上分隔的受监视区域的监视。

图3示出了由包括距离传感器32的传感器装置31监视的门洞30。首先通过两个光束33、34监视门洞30。光束来自传感器设备31，这是借助将光分别经由导光件35、36引导到导光头37、38来实现的，光束33、34然后以所需的方向离开导光头37、38。为此，在需要时，相应导光头包括额外的光学器件。此外，如图3所示，可以使用第三光束39监视门框之间的距离。

所述光优选地以来自距离传感器32并作为光束39以所需方向离开的方式经由导光件40被引导到导光头41。

为了区分这些光，可以例如通过时分复用操作两个光束33、34或光锥33、34，或者可以使用不同的调制频率。

当门的前沿接近门框中的受监视区域时，所述前沿将被检测为物体本身。为了防止这种情况，可以将两个光束33、34彼此进行比较。两个光束都测量到相同的距离时为门，否则为物体，在此基础上，如果适当，将采取安全措施。这可以包括立即打开门。

使用附加的光束39可以实现监视门洞30中的增加的安全性，类似于光束33、34，如果适合，通过多路复用操作光束39或对所述光束使用不同的调制频率。一旦借助光束测量到距离的突然变化，并且此外，光束33、34测量的距离不同，则可以由此推断物体在门洞30中。此后，可以采取规定的措施，例如立即打开门，如以上已经说明的。

图4示出了所提供的用于监视门44的门洞43的传感器装置42。

门44例如是滑动门，其在与图的平面垂直的平面中移动。

传感器装置42具有光源2和接收设备3。光源直接向下照射区域49。接收设备3同样向下查看区域50以便监视门洞。通过镜面元件46使光源2上的发射光45的一部分偏向门44的方向。如果光束45到达门，该光束作为反射光47被反射到镜面元件48，镜面元件48将所述光反射到接收设备3中。

这样，可以借助一个传感器同时监视门洞以及与之关联的门移动。

可以通过镜面反射和/或全反射完成镜面元件46和48处的反射。

标号列表

1  距离传感器

2  光源

3  接收设备

4  产品存放槽

5  产品存放槽

6  产品存放槽

7  自动售货机

8  堆

9  堆

10 堆

11 产品

12 中间壁

13 光束

14 光束

15 光

16 中间壁

17 传感器装置

18 导光件

19 导光件

20 导光件

21 导光件

22 导光件

23 导光件

24 导光头

25 导光头

26 光

30 门洞

31 传感器装置

32 距离传感器

33 光束

34 光束

35 导光件

36 导光件

37 导光头

38 导光头

39 光束

40 导光件

41 光头

42 传感器装置

43 门洞

44 门

45 发射的光

46 镜面元件

47 反射光

48 镜面元件

49 区域

50 区域

Claims (13)

1.一种传感器装置（17、31），包括：距离传感器（1、32），其包括发送设备（2）和接收设备（3），所述发送设备（2）具有包含光源的至少一个发送器并且所述接收设备（3）具有至少一个接收器；以及所述传感器装置包括电子单元，所述电子单元被设计为借助所述发送器发射光以及确定被所述发送器发射的光覆盖的、从受监视区域中的物体的反射表面到相应接收器的距离，其特征在于，用于传送光的导光部件（18-23；35、36、40）布置在所述发送设备（2）与所述受监视区域之间和/或布置在所述受监视区域与所述接收设备（3）之间，所述导光部件反射光至少一次，使得光在成角度的路径上从所述发送设备（2）传送到所述受监视区域和/或从所述受监视区域传送到所述接收设备（3），提供了多个在光学上隔离的受监视区域，并且所述导光部件被设计为将光从所述发送设备导入至少一个受监视区域，和/或将光从至少一个受监视区域导向所述接收设备。

2.根据权利要求1的装置，其特征在于，所述导光部件包括全内反射（TIR）透镜。

3.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，提供了控制单元以便独立控制发送器和接收器。

4.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，以这样的方式设计所述导光部件（18-23；35、36、40）：同一导光元件将光从所述发送设备（2）传送到所述受监视区域中并且将光从所述受监视区域传送到所述接收设备（3），其中所述导光部件在导光件的体积内传送光以及多个所述导光件组合成束以形成所述导光元件。

5.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，将多个导光件组合成束，所述导光部件在所述导光件的体积内传送光。

6.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，以这样的方式布置所述导光部件：经由受监视位置处的导光元件，来自所述发送设备（2）的光直接到达将光传输回所述接收设备（3）的导光元件，其中所述导光部件在导光件的体积内传送光以及多个所述导光件组合成束以形成所述导光元件。

7.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，用于所传送和接收的光的导光元件被导向头部（24、25、37、38、41），其中所述导光部件在导光件的体积内传送光以及多个所述导光件组合成束以形成所述导光元件。

8.根据权利要求7的装置，其特征在于，所述头部（24、25、37、38、41）包括电子组件。

9.根据权利要求7的装置，其特征在于，提供了导向部件，使得所传送和接收的光的对准在所述头部中明显不同。

10.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述装置能够自动确定导光部件（18-23；35、36、40）的长度。

11.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，导光件的末端具备微透镜，其中所述导光部件在所述导光件的体积内传送光。

12.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，所述光源具有相对小的辐射角。

13.根据权利要求1或2的装置，其特征在于，提供了装置以便基于比较不同频率的照射光和/或评价关于不同频率的由所述物体反射的光而获得与所述受监视区域中的物体有关的颜色信息项。