CN110132337B - 具有检验发送器的tof传感器 - Google Patents

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Abstract

一种用于监测监测区域传感器，所述传感器具有发送器(20)、检验发送器(30)、接收器(40)和分析处理装置(50)，所述发送器用于将辐射发出至所述监测区域中并且在所述监测区域内的对象处进行反射，所述检验发送器用于发出由辐射构成的检验信号，所述接收器用于接收在所述对象处反射的所述发送器的辐射或所述检验发送器的辐射，所述分析处理装置用于根据所述传感器发送的辐射与所述传感器接收到的辐射之间的调制的运行时间的延迟或相位的延迟求取距离值，其中，所述传感器还被构造具有存储器(60)和比较装置(70)，所述存储器用于存储对于所接收到的检验信号的所期望的距离值的期望值，所述比较装置用于将基于所接收到的检验信号的距离值与所述期望值作比较并且根据比较输出安全信号。

Description

具有检验发送器的TOF传感器
技术领域
本发明涉及一种用于监测监测区域的传感器，所述传感器具有用于检查该传感器的检验发送器。
背景技术
由现有技术已知所提及的类型的传感器。申请人的专利EP 2 453 260 B1公开了这种传感器，其中第二发送器给传感器的接收器施加测试信号并且该传感器基于所接收到的辐射强度检查其状态。
发明内容
本发明的任务是提供一种所提及的类型的经改善的传感器。
该任务从开头所提及的类型的传感器出发通过根据权利要求1所述的传感器解决。在其他相关的从属权利要求中说明有利的设计方案。
根据本发明的传感器是一种用于监测监测区域的传感器，该传感器具有发送器、检验发送器、接收器、分析处理装置、存储器和比较装置。
所提及的单元是功能单元。传感器的装置可以彼此分离、彼此合并或彼此包含。装置或装置的部分可以在传感器的壳体以内或在传感器的壳体以外实现。
所述发送器被设计用于将辐射发出至监测区域中，该辐射在监测区域内的对象处反射后又部分地再次反射回到传感器。检验发送器被设计用于发出由辐射构成的检验信号。接收器被设计用于接收发送器在监测区域内的一个或多个对象处反射的辐射并且接收检验发送器的辐射。在此，发送器也能够被设计用于已经以某种方式处理或加工接收信号。分析处理装置被设计用于根据由发送器或检验发送器发送的辐射与由接收器接收到的辐射之间的调制的运行时间延迟或相位延迟求取距离值。存储器被设计用于存储对于要接收的检验信号的期望的距离值的期望值。比较装置被设计用于将基于由接收器接收到的检验信号的距离值与期望值作比较并且根据比较输出安全信号。
比较装置能够被设计用于当所接收到的检验信号中的距离值偏差容许误差或者还与预期值偏差时输出安全信号。
比较装置能够如此被构造使得该比较装置从分析处理装置接收所述接收到的检验信号中的距离值或者该比较装置根据接收器的输出信号自身形成该值。检验发送器和/或存储器和/或比较装置可以共同地构造为自测试装置。
这种传感器能够形成如下优点：该传感器能够检查其多个功能单元。这种传感器能够形成如下优点：该传感器能够检查接收器的正确运行和/或分析处理装置的正确运行。
优选地，检验发送器被布置用于通过不变的路径辐射到接收器。也就是说，在可能改变射束路径的可运动的对象处不发生反射。这能够形成如下优点：接收器始终从检验发送器获得相等的辐射并且这种相等的辐射能够更容易地与期望值进行比较。
优选地，检验发送器被布置用于直接辐射到接收器或通过不变的反射进行辐射。优选地，检验发送器被布置用于通过在传感器的壳体以内的一个或多个面处的反射辐射到接收器。优选地，检验发送器、接收器和接收器光学部件如此布置，使得检验发送器的辐射从接收器光学部件的边界面、尤其从接收光学部件的面向接收器的外部的透镜表面反射至接收器。优选地，检验发送器和接收器完全被壳体和封闭壳体的元件包围。
优选地，发送器和/或检验发送器的辐射被调制、尤其被强度调制、尤其经过以20MHz被调制。这能够形成以下优点：接收器和分析处理装置能够接收并且分析通过发送器和/或检验发送器和接收器的发出之间的经调制的强度的相位延迟。这种原理也称为飞行时间(TOF)。
优选地，该辐射是IR辐射。由此，该辐射对人是不可见的并且因此不会造成干扰。
优选地，该传感器如此构造，使得该传感器具有用于在一方面为发送器和/或检验发送器与另一方面为接收器之间进行同步的装置，该装置使发送器和/或检验发送器的辐射的调制和/或调制的模式和/或其他模式与接收器同步或以确定的时间延迟进行同步。这可以形成如下优点：能够更简单地求取所发送的光和所接收到的光之间的相位延迟。辐射的其他模式可以是辐射的时间上的开始。
优选地，该传感器如此构造，使得该传感器具有用于在检验发送器与接收器之间进行同步的装置，该装置使检验发送器与接收器的辐射的调制和/或调制的模式和/或其他模式以确定的时间延迟进行同步，该时间延迟与发送器与接收器之间的同步不同。检验发送器与接收器之间的同步的时间延迟尤其可以长于发送器与接收器之间的时间延迟。这也可以通过用于检验发送器的操控电子部件的构件的其他开关时间简单地实现。用于同步的触发器尤其可以晚于接收器到达检验发送器。由此，模拟辐射从检验发送器至接收器的延长时间延迟的飞行持续时间。这能够形成如下优点：期望值得到如下值，该值能够更简单地处理并且尤其相应于在关于监测区域的平均距离的面。
优选地，接收器被构造为具有接收器矩阵元件的接收器矩阵，所述接收器矩阵元件用于接收各个像素点并且尤其用于采集3D图像。这可以形成如下优点：可以详细地监测监测区域。
优选地，分析处理装置被构造用于对各个接收器元件或所有接收器元件或者分别对成组的接收器元件求取值，尤其用于求取3D图像。这能够形成如下优点：能够详细地监测监测区域。
优选地，该传感器被如此构造，使得期望值通过一次或多次接收检验发送器的辐射进行求取，并且尤其通过分析处理装置进行求取，并且在通过接收器接收到一个或多个检验信号的情况下尤其相应于分析处理装置的一个值或分析处理装置的多个值的函数，尤其取平均值。这能够形成如下优点：更容易地确定期望值和/或改善期望值的精度。
优选地，所述传感器如此构造，使得期望值具有最小值和最大值或具有偏差值(阈值)的平均值，并且尤其具有对于几个接收器矩阵元件或每个接收器矩阵元件或成组的接收器矩阵元件的单个值，并且尤其代表面和平面的形状或者通过2个面或平面限界的空间区段的形状。这能够具有以下优点：该期望值以其种类相应于以下值或者图像，其由所述分析处理装置基于检验信号输出。这能够具有以下优点，即所述期望值能够更简单地与源自所接收的检验信号的值进行比较。
优选地，所述传感器被构造用于激活所述检验发送器而不是发送器。这能够形成如下优点：发送器在接收到所述检验发送器的检验信号时不干扰接收器。
优选地，所述传感器被构造用于通过激活信号激活所述检验发送器。
优选地，所述传感器被构造用于周期性地、尤其每隔100毫秒地激活所述检验发送器。这能够具有如下优点：所述传感器始终以正确的功能运行或者根据安全信号去激活。
优选地，所述传感器被构造用于监测门或大门的开口区域或周围环境区域。
在附图中说明本发明的其他特征。
附图说明
在附图中示出并且以下进一步阐述本发明的实施例。在此，各个附图中相同的附图标记表示彼此相对应的元件。附图示出：
图1示出了一种根据本发明的传感器的3D视图；
图2示出了图1的传感器的截面；
图3示出了图2的截面中的片段。
具体实施方式
图1示出了一种根据本发明的传感器10的部分截面的3D视图。
传感器具有壳体11，电路板12处于该壳体的内部。在壳体以内布置有发送器20、检验发送器30、接收器40、分析处理装置50、存储器60、比较装置70和同步装置80。
发送器20包括在多个电路板12中的一个电路板上的一个或三个VCSEL半导体激光器22，所述VCSEL半导体激光器由电路板12上的未示出的发送器电子部件21操控并且所述VCSEL半导体激光器的辐射通过发送器光学部件22向外辐射到传感器前的监测空间中。
发送器电子部件如此操控VCSEL半导体激光器，使得该VCSEL半导体激光器发出具有20MHz的调制频率的经强度调制的辐射。VCSEL半导体激光器的光波长是红外线。
检验发送器30包括在多个电路板12中的一个电路板上的LED 32，该LED由多个电路板12中的一个电路板上的未示出的检验发送器电子部件31操控。检验发送器电子部件如此操控LED，使得LED发送具有与在发送器中相同的调制频率的经强度调制的辐射作为检验信号。LED的光波长是类似于VCSEL的光波长的红外线。
同步装置80布置在多个电路板12中的一个电路板上并且仅象征性地加以示出。同步装置被设计用于向发送器或检验发送器以及接收器输出信号或信号序列，以便使接收器与发送器的辐射的调制同步，从而使得接收器能够求取辐射在发送器与接收器之间的相移。通过操控电子部件的组件的其他开关时间，同步信号以时间延迟到达检验发送器更晚于到达接收器。
接收器40包括在多个电路板12中的一个电路板上的传感器芯片41，所述传感器芯片由未示出的接收器电子部件42进行操控并且进行读取，并且所述传感器芯片通过接收器光学部件43从传感器前面的监测空间接收经过反射的发送器的辐射。传感器芯片41是具有矩阵形地布置的传感器像素的传感器矩阵。传感器像素是2抽头的解调像素。接收器接收同步装置80的信号并且使得传感器像素与由发送器或检验发送器发送的辐射的调制同步。以这种方式，传感器芯片被设计用于对每个传感器像素输出输出信号，该输出信号相应于在由发送器或检验发送器发送的辐射与由接收器接收到的辐射之间的相位差。
分析处理装置50布置在多个电路板12中的一个电路板上并且仅象征性地加以示出。分析处理装置对每个传感器像素接收接收器的输出信号，并且由此计算出对于每个像素的距离值，该距离值相应于监测空间中的由像素成像的对象的距离，该对象将发送器的辐射反射回到接收器上。因此，分析处理装置计算监测空间的3D图像，该监测空间以定标比例或毫米表示所成像的对象的距离。在通过检验发送器进行辐射的情况下，发送器中断并且分析处理装置计算3D面，该3D面由于时间延迟的缘故虚拟地相应于监测空间中的平均间距。该3D图像是由传感器探测到的表面，即3D面。在传感器矩阵的情况下，该面可以是分析处理装置求取的距离值。
分析处理装置被构造用于当与传感器像素相关联的距离值中的一个距离值低于确定的阈值时输出控制信号。
存储器60布置在多个电路板12中的一个电路板上并且仅象征性地加以示出。存储器包含经确定的距离值。期望值能够是距离或在确定的距离的面或3D图像。
比较装置70布置在多个电路板12中的一个电路板上并且仅象征性地加以示出。比较装置被设计用于：将在通过检验发送器辐射检验信号的情况下由接收器测量到的并且由分析处理装置计算出的距离值与存储器的期望值进行比较并且根据该比较输出安全信号。尤其是，如果分析处理装置对于检验信号的情况没有输出在确定的阈值以内相应于期望值的3D图像的3D图像，那么比较装置输出安全信号。
图2示出通过图1的传感器的截面，以便能够在检验发送器30和接收器40的区域内更简单地分配图3的片段。
图3示出图2的截面中的片段，该片段具有检验发送器30的LED 31的射束路径33。
检验发送器30的LED 31在空间上靠近接收器40的传感器芯片41地布置在与传感器芯片相同的电路板12上。接收器40的接收器光学部件43向外封闭传感器10的壳体11。检验发送器30的LED 31和接收器的传感器芯片在空间上不彼此封闭并且完全被壳体和封闭壳体的接收器光学部件刚性(starr)地包围。
检验发送器30的LED 31发出用于检验信号的辐射，所述辐射如在射束路径33中示出的那样在发送光学部件43的朝向传感器芯片41的方向的表面处在接收器40的传感器芯片41的方向上反射。LED、发送器光学部件和传感器芯片彼此固定地连接，从而使得LED与传感器芯片之间的射束路径不发生变化。
通过同步装置80，接收器与检验发送器类似于在发送器的情况下进行同步，但是与发送器相比检验发送器的同步恒定地延迟一些。由此，接收器对于每个传感器像素产生相应于如下距离的输出信号，该距离比检验发送器的LED与传感器芯片之间的射束路径的长度更长并且尤其相应于监测区域的扩展的中间区域的距离。因此，与现实相比，由检验发送器产生的3D图像是虚拟更远的3D图像。结果，通过传感器能够更简单地处理距离值。
为了产生期望值，检验发送器发送检验信号，该检验信号由接收器接收并且由分析处理装置进行分析。在此得到的3D图像近似等于具有恒定间距的平面并且作为间距值在存储器中存储为期望值。能够从传感器读取期望值并且将其存储在外部，并且与多个如此形成的期望值求平均成平均期望值。相同类型的根据本发明的传感器从外部得到平均期望值，从而在这些传感器中可以停止产生期望值。
在传感器运行期间，发送器大约每隔100毫秒中断，并且在发送器暂停期间检验发送器发送持续时间小于一毫秒的检验信号。如以上说明的那样，接收器和分析处理装置进行探测并且计算出由接收器探测到的虚拟更远的3D图像。
比较装置70现在接收检验信号的虚拟更远的3D图像并且将该3D图像的3D面与期望值的间距值进行比较。如果现在检验信号的3D图像的3D面偏离对于确定数量的传感器像素偏差超过预定义的阈值，那么比较装置输出安全信号。安全信号具有以下作用：传感器过渡到安全的运行模式、输出其故障状态以便外部识别、并且直到复位不输出测量值或基于测量值的指令。
附图标记列表
10 传感器
11 壳体
12 电路板
20 发送器
21 发送器电子部件
22 VCSEL
23 发送器光学部件
30 检验发送器
31 检验发送器电子部件
32 LED
33 检验信号的射束路径
40 接收器
41 传感器芯片
42 接收器电子部件
43 接收器光学部件
50 分析处理装置
60 存储器
70 比较装置
80 同步装置

Claims (9)

1.一种用于监测监测区域的传感器，所述传感器具有：
发送器(20)，所述发送器用于将辐射发出到所述监测区域中并且在所述监测区域内的对象处进行反射；
检验发送器(30)，所述检验发送器用于发出由辐射构成的检验信号；
接收器(40)，所述接收器用于接收所述发送器的在所述对象处反射的辐射或所述检验发送器的辐射；和
分析处理装置(50)，所述分析处理装置用于根据所述传感器发出的辐射与接收到的辐射之间的调制的运行时间的延迟或相位的延迟来求取距离值；
其特征在于，所述传感器还构造有：
存储器(60)，所述存储器用于存储对于所接收到的检验信号的所期望的距离值的期望值；和
比较装置(70)，所述比较装置用于将基于所接收到的检验信号的距离值与所述期望值进行比较并且根据所述比较输出安全信号，以将所述传感器过渡到安全的运行模式，
其中，所述期望值通过一次或多次接收所述检验发送器的辐射进行求取，其中，所述传感器具有如下装置：所述装置用于所述检验发送器与所述接收器之间的同步(80)，所述装置使所述检验发送器的辐射的调制和/或所述调制的模式与所述接收器同步或者以确定的时间延迟同步，用于同步(80)的装置使同步触发器以时间延迟比传递到所述接收器更晚地传递到所述检验发送器。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述检验发送器被布置用于通过不变的路径(33)入射到所述接收器上，并且所述检验发送器被布置用于直接辐射到所述接收器上，或者所述检验发送器被布置用于通过不变的反射进行辐射，所述检验发送器被布置用于通过在壳体(11)内的一个或多个面处的反射而辐射到所述接收器上。
3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述发送器的和/或所述检验发送器的辐射被调制并且是IR辐射。
4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述接收器被构造为具有接收器矩阵元件的接收器矩阵，所述接收器矩阵元件用于接收各个像素点并且用于采集3D图像。
5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述接收器被构造为接收器矩阵并且所述分析处理装置被构造用于对各个接收器矩阵元件或所有接收器矩阵元件或分别对成组的接收器矩阵元件求取值，以便求取3D图像。
6.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述期望值通过所述分析处理装置进行求取，并且所述期望值在通过所述接收器接收到一个或多个检验信号的情况下相应于所述分析处理装置的一个值或所述分析处理装置的多个值的函数，所述期望值是取平均值。
7.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述期望值具有带有偏差值的平均值、最小值和最大值，并且所述期望值具有对于几个接收器矩阵元件或每个接收器矩阵元件或成组的接收器矩阵元件的单个值。
8.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述传感器被构造用于激活所述检验发送器而不是所述发送器，所述激活是通过激活信号对所述检验发送器的激活，所述传感器构造用于自主地、周期性地激活所述检验发送器。
9.根据以上权利要求中任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器被构造用于监测门的周围环境区域。
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