DE10033905A1 - Optische Sensoranordnung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung (1) zur Erfassung von Objekten (2) in einem Überwachungsbereich mit einer ersten Anzahl von in Abstand zueinander an einem Ende des Überwachungsbereichs angeordneten, Sendelichtstrahlen (3) ermittierenden Sendern (4), wobei die Sendelichtstrahlen (3) den Überwachungsbereich vollständig ausleuchten, und mit einer zweiten Anzahl von am gegenüberliegenden Ende des Überwachungsbereichs angeordneten Empfängern (5), auf welche die Sendelichtstrahlen (3) gerichtet sind. Zur Erfassung von Objekten (2) sind die Empfangssignale an den Ausgängen paarweise jeweils auf ein Differenzglied zur Bildung der Differenz der Empfangssignale der jeweiligen Empfänger (5) geführt. Die Ausgangssignale der Differenzglieder sind einer Schwellwerteinheit (16) zugeführt, in welcher aus den Ausgangssignalen ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird.

Description

Die Erfindung betrifft eine optische Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Sensoranordnungen sind typischerweise in Form eines Lichtgitters ausgebildet. Mit einem Lichtgitter wird das Eindringen von Objekten in einen in einer Ebene verlaufenden Überwachungsbereich erfasst. An einer Seite des Überwachungsbereichs ist eine Anordnung von nebeneinanderliegenden Sen­ dern vorgesehen.

Auf der gegenüberliegenden Seite des Überwachungsbereichs ist eine Anord­ nung von Empfängern vorgesehen. Jeweils ein Sender liegt einem Empfänger gegenüber, so dass die vom jeweiligen Sender emittierten Sendelichtstrahlen bei freiem Strahlengang auf den zugeordneten Empfänger treffen.

Der Sender und der zugeordnete Empfänger bilden ein Sender-/Empfängerpaar. Während des Betriebs des Lichtgitters werden die einzelnen Sender- /Empfängerpaare zyklisch nacheinander aktiviert. Wird bei wenigstens einem Sender-/Empfängerpaar durch einen Objekteingriff eine Strahlunterbrechung registriert, so erfolgt an einem binären Schaltausgang eine entsprechende Schaltzustandsänderung.

Nachteilig hierbei ist zum einen der relativ hohe Schaltungsaufwand, der zur Synchronisierung der einzelnen Sender-/Empfängerpaare notwenig ist. Ferner ist nachteilig, dass durch die serielle Aktivierung der Sender-/Empfängerpaare das Lichtgitter eine unerwünscht hohe Ansprechzeit aufweist, so dass Objekte, die sehr schnell durch den Überwachungsbereich bewegt werden, nicht sicher erfassbar sind.

Schließlich ist nachteilig, dass die Objekte eine Mindestgröße aufweisen müs­ sen, damit diese vom Lichtgitter erfassbar sind. Die Mindestgröße ist im we­ sentlichen durch die Abstände benachbarter Sender und Empfänger vorgegeben und liegt typischerweise in der Größe eines menschlichen Fingers.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung der eingangs genannten Art so auszubilden, dass auch sehr kleine und schnell durch den Überwachungsbereich bewegte Objekte mit möglichst geringem Schaltungs­ aufwand sicher erfassbar sind.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß sind zur Erfassung von Objekten die Empfangssignale paar­ weise auf ein Differenzglied zur Bildung der Differenz der Empfangssignale der jeweiligen Empfänger geführt.

Die Ausgangssignale der Differenzglieder sind einer Schwellwerteinheit zuge­ führt, in welcher aus den Ausgangssignalen ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird.

Bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung stehen sich eine erste Anzahl vorzugsweise nebeneinander liegend angeordnete Sender einerseits und eine zweite Anzahl von vorzugsweise dicht nebeneinander liegend angeordneten Empfänger beidseits des Überwachungsbereiches gegenüber.

Im Gegensatz zu bekannten Lichtgittern bilden einzelne Sender und Empfänger keine zusammenarbeitende Paare, wobei einzelne Paare nacheinander aktiviert werden. Vielmehr werden die Sender vorzugsweise gleichzeitig aktiviert, so dass bei freier Strahlung die Empfänger mit den von den Sendern emittierten Sendelichtstrahlen beaufschlagt werden.

Dabei kann die Anzahl der Sender von der Anzahl der Empfänger verschieden sein. Besonders vorteilhaft ist dabei, dass die Sendelichtstrahlen die Empfänger bei freiem Strahlengang möglichst homogen ausleuchten.

Durch die erfindungsgemäße Differenzbildung der Empfangssignale der ein­ zelnen Empfängerpaare wird dann bei freiem Strahlengang jeweils ein Diffe­ renzsignal mit dem Signalwert Null erhalten. Besonders vorteilhaft dabei ist, wenn nicht unmittelbar benachbarte Empfänger sondern jeweils übernächste Nachbarin ein Empfängerpaar bilden.

Die Differenzsignale der einzelnen Empfängerpaare werden zeitgleich der Schwellwerteinheit zugeführt. Bei freiem Strahlengang liegt das Signal am Eingang der Schwellwerteinheit vorzugsweise unterhalb des Schwellwertes und nimmt idealerweise exakt den Signalwert Null an.

Sobald ein Objekt in den Überwachungsbereich eindringt, wird wenigstens ein Empfänger abgeschattet. Die Differenzsignale der Differenzglieder, an welche dieser Empfänger angeschlossen ist, erfahren dadurch eine plötzliche Signalän­ derung, die zu einem Überschreiten des Schwellwertes führt und damit zu einer Objektmeldung.

Besonders vorteilhaft hierbei ist, dass durch die erfindungsgemäße Anwendung auch kleine und kurze Signaländerungen sicher erfaßbar sind. Somit können mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung auch sehr kleine und den Über­ wachungsbereich mit hoher Geschwindigkeit passierende Objekte sicher erfasst werden. Die Ortsauflösung der Sensoranordnung kann insbesondere dadurch erhöht werden, dass die Empfänger dicht nebeneinander liegend angeordnet sind.

Ein weiterer wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung besteht darin, dass keinerlei Schaltungsaufwand zur Synchronisierung einzelner Sender und/oder Empfänger notwendig ist, da sämtliche Sender und Empfän­ ger jeweils gleichzeitig aktiviert sind.

Besonders vorteilhaft wird die Sensoranordnung zur Auswurfkontrolle an blechverarbeitenden Maschinen eingesetzt, wobei mit der Sensoranordnung Bleche mit einer Stärke von etwa 0,5 mm sicher erfaßbar sind.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung der optischen Komponenten der erfin­ dungsgemäßen Sensoranordnung mit einer ersten Anzahl von Sen­ dern und einer zweiten Anzahl von Empfängern.

Fig. 2 Blockschaltbild zur Ansteuerung der Sender der Sensoranordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 3 Auswerteschaltung zur Anwendung der Empfangssignale der Emp­ fänger der Sensoranordnung gemäß Fig. 1.

Fig. 1 zeigt die optischen Komponenten der erfindungsgemäßen Sensoran­ ordnung 1 zur Erfassung von Objekten 2 in einem Überwachungsbereich.

Der Überwachungsbereich ist von einer in einer Ebene liegenden Fläche gebil­ det. An einem Rand des Überwachungsbereichs sind mehrere Sendelichtstrah­ len 3 emittierende Sender 4 in Abstand nebeneinander liegend angeordnet.

Die Sendelichtstrahlen 3 sind durch den Überwachungsbereich geführt und treffen bei freiem Strahlergang auf mehrere Empfänger 5, die am gegenüber liegenden Rand des Überwachungsbereichs angeordnet sind.

Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die Anzahl der Sender 4 erheblich geringer als die Anzahl der Empfänger 5. Die Sender 4 sind in vorgegebenen gleichen Abständen längs der Ränder des Überwachungsbereichs so angeord­ net, dass die Sendelichtstrahlen 3 wenigstens nahezu dem gesamten Überwa­ chungsbereich gleichmäßig ausleuchten. Vorzugsweise sind die Sender 4 von Leuchtdioden gebildet.

Die Empfänger 5 liegen dicht, vorzugsweise ohne Zwischenräume längs des zweiten Randes des Überwachungsbereichs nebeneinander. Vorzugsweise sind die Empfänger 5 von auf einer nicht dargestellten Leiterplatte angeordneten Photodioden gebildet.

Zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3 ist den Sendern 4 im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 3 eine erste Zylinderlinse 6 nachgeordnet. Den Empfän­ gern 5 ist eine zweite Zylinderlinse 7 vorgeordnet, welche die Sendelichtstrah­ len 3 auf die Empfänger 5 fokussiert. Die Zylinderlinsen 6, 7 sind vorzugswei­ se identisch ausgebildet und stehen einander an den Rändern des Überwa­ chungsbereichs gegenüber.

Zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 3 sind zudem mehrere Blenden 8 vorgesehen. Jeweils eine Blende 8 liegt zwischen zwei benachbarten Sendern 4 und verläuft von diesem bis zur Zylinderlinse 6. Wie aus Fig. 1 ersichtlich, verlaufen die Längsstrahlen der Zylinderlinsen 6, 7 in vertikaler Richtung, wäh­ rend die Blenden 8 in horizontaler Richtung zu der Zylinderlinse 6 verlaufen.

Durch die Blenden 8 wird für die Sendelichtstrahlen 3 eine flächige Abstrahl­ charakteristik erhalten. Während die Sendelichtstrahlen 3 in vertikaler Rich­ tung in einem kleinen Öffnungswinkel in den Überwachungsbereich abge­ strahlt werden, ist dieser Öffnungswinkel in der jeweiligen horizontalen Ebene erheblich größer. Auf diese Weise wird die Überlappung der einzelnen Sende­ lichtstrahlen 3 im Überwachungsbereich begrenzt. Insbesondere lässt sich durch diese Abstrahlcharakteristik eine homogene Anstrahlung der Empfänger 5 bei freiem Strahlengang realisieren.

Durch die erfindungsgemäße Ausbildung der optischen Komponenten können insbesondere auch sehr flache Objekte 2, wie in Fig. 1 dargestellt, im Über­ wachungsbereich erfasst werden. Insbesondere kann die Sensoranordnung 1 zur Auswurfkontrolle an blechverarbeitenden Maschinen eingesetzt werden. Die Objekte 2 sind dann vor dünnen Blechen gebildet, die über eine nicht darge­ stellte Rampe gefördert werden.

Ein im Überwachungsbereich angeordnetes Objekt 2 führt zur Abschattung wenigstens einer der Empfänger 5. Durch diese Abschattung wird der Pegel des Empfangssignals am Ausgang des Empfängers 5 reduziert. Diese Reduktion des Signalpegels wird zur Objekterfassung ausgewertet. Erfindungsgemäß lie­ gen die Empfänger 5 dicht nebeneinander und weisen eine geringe photoemp­ findliche Fläche auf, so dass auch das Eindringen sehr kleiner Objekte 2 sicher erfaßbar ist.

Dabei wird eine Objektmeldung unabhängig davon ausgelöst, ob mehrere oder nur ein Empfänger 5 abgeschattet werden. Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 wird durch den Objekteingriff nur ein Empfänger 5 abgeschattet, wel­ cher in Fig. 1 schraffiert dargestellt ist.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild zur Ansteuerung der Sender 4 der erfindungs­ gemäßen Sensoranordnung 1. Die Sender 4 werden über einen Pulsgenerator 9 und einen Konstantstromtreiber 10 angesteuert, so dass die Sender 4 jeweils zeitgleich Sendelichtimpulse mit einem vorgegebenen Puls-Pausenverhältnis emittieren. Da die Sender 4 gleichzeitig und nicht zeitverkehrt nacheinander aktiviert werden, müssen keinerlei weitere Schaltungskomponenten zur Syn­ chronisation der Sender 4 vorgesehen werden.

Fig. 3 zeigt die Auswerteschaltung zur Auswertung der Empfangssignale der einzelnen Empfänger 5.

In den als Photodioden ausgebildeten Empfängern 5 wird bei Auftreffen der Sendelichtstrahlen 3 ein Empfangssignal generiert. Das Empfangssignal wird auf einer Zuleitung 15 zwischen dem jeweiligen Empfänger 5 und einem diesen zugeordneten Widerstand 11 und einem Begrenzerverstärker 12 zugeführt. Der Begrenzerverstärker 12 weist ein im wesentlichen logarithonisches Verhalten auf und gleicht damit die aufgrund der unterschiedlichen Pegel der Sendelicht­ strahlen 3 entstandene Signaldynamik aus.

Die Ausgangssignale der Begrenzerverstärker 12 werden zum einen in einen dynamischen Auswertekanal und zum anderen in einem statischen Auswerte­ kanal ausgewertet.

Der statische Auswertekanal weist eine vorgegebene Anzahl von Differenz­ gliedern auf. Erfindungsgemäß werden jeweils die verstärkten Empfangssignale zweier Empfänger S auf ein Differenzglied geführt. Im vorliegenden Ausfüh­ rungsbeispiel werden jeweils die Empfangssignale von zwei übernächsten Nachbarn bildenden Empfängern 5 diesem Differenzglied zugeführt.

Mit Ausnahme der beiden ersten Empfänger 5 der Empfängeranordnung wer­ den die Empfangssignale der beiden Empfänger 5 einem Differenzglied zuge­ führt, welches von einem Differenzverstärker 13 und einer nachgeordneten Diode 14 gebildet ist.

Bei freiem Strahlengang sind die Empfangssignale der beiden Empfänger 5 jeweils gleich groß, so dass das Signal am Ausgang des jeweiligen Differenz­ glieds den Wert Null annimmt.

Bei einem Objekteingriff, bei welchem einer der Empfänger 5 teilweise abge­ schattet wird, wird ein positives Signal generiert.

Damit auch für die beiden ersten Empfänger 5 bei einem derartigen Objektein­ griff ebenfalls ein positives Signal generiert wird, bestehen die diesem Emp­ fänger 5 zugeordneten Differenzglieder aus zwei Differenzverstärkern 13 mit jeweils einer nachgeordneten Diode 14.

Die Ausgangssignale der Differenzglieder werden über eine gemeinsame Zu­ leitung 15 auf eine Schwellwerteinheit 16 geführt, in welchen das auf der Zu­ leitung 15 anstehende Signal mit einem Schwellwert bewertet wird. Durch die Bewertung mit dem Schwellwert wird das auf der Zuleitung 15 anstehende Signal in ein binäres Schaltsignal gewandelt, welches über einen der Schwell­ werteinheit 16 nachgeordneten Inverter 17 einer Auswertelogik 18 zugeführt wird.

Die Schwellwerteinheit 16 besteht im wesentlichen aus einer Komparator­ schaltung mit einem Komparator 19 und diesem zugeordnetem Widerständen 20, 21, 22. Der Komparatorschaltung ist ein weiterer Widerstand 23 und ein Kondensator 24 zur Elimination von hochfrequenten Signalanteilen vorgeord­ net.

Die Auswertelogik 18 besteht aus einem Microcontroller oder dergleichen. In Abhängigkeit des Schaltzustands des binären Schaltzustands wird ein digitaler Schaltausgang 25 angesteuert, der an einem Ausgang der Auswertelogik 18 angeschlossen ist. Zudem ist an einem Ausgang der Auswertelogik 18 ein binä­ rer Warnausgang 26 angeschlossen.

Der dynamische Auswertekanal weist ein Summationsglied 27 auf. Die ver­ stärkten Empfangssignale an den Ausgängen der Begrenzerverstärker 12 wer­ den jeweils über einen diesem nachgesonderten Widerstand 28 über eine ge­ meinsame Zuleitung 29 dem Summationsglied 27 zugeführt. Die im Summati­ onsglied 27 addierten Empfangssignale werden zwei Verstärkerstufen zuge­ führt.

Die erste Verstärkerstufe umfasst einen geregelten Verstärker 30, dem eine Diode 31, ein Widerstand 32, zwei Kondensatoren 33, 33a und ein einstellbares Widerstandselement 34 nachgeordnet sind.

In dieser Verstärkerstufe ist die Empfindlichkeit der Auswerteschaltung ein­ stellbar, wobei das einstellbare Widerstandselement 34 vorzugsweise über ei­ nen nicht dargestellten Stufenschalter oder dergleichen betätigbar ist. Der Aus­ gang der ersten Verstärkerstufe ist auf ein Bandpassfilter 35 geführt, in wel­ chem hochfrequente Signalanteile ausgefiltert werden. Das Bandpassfilter 35 ist an die Auswertelogik 18 angeschlossen.

Die zweite Verstärkerstufe besteht aus einem Verstärker 36, welchem eine Di­ ode 37, ein Widerstand 38 und ein Kondensator 39 nachgeordnet sind. Der Ausgang der Verstärkerstufe ist auf die Auswertelogik 18 geführt.

Von der Verstärkerstufe zweigt eine Zuleitung 40 zu einer Schaltungsanord­ nung mit einem Differenzverstärker 41 und mehreren Widerständen 42-46, einem einstellbaren Widerstandselement 46 und Kondensatoren 47, 48 ab. Vom Ausgang dieser Schaltungsanordnung ist eine Zuleitung 49 auf dem Aus­ gang des Inverters 17 geführt. Diese Schaltungsanordnung dient zur Regelung der Vorspannung VB für Differenzglieder mit deren Vorstufen. Sie bildet eine adaptive Schwellennachführung.

Mittels der ersten Verstärkerstufe wird die am Ausgang des Summationsglieds 27 anstehende Summe der Empfangssignale, auf einen vorgegeben konstanten Wert geregelt. Sobald ein kurzzeitiger Objekteingriff in dem Überwachungsbe­ reich erfolgt, ergibt sich durch die Abschattung wenigstens eines Empfängers 5 ein kurzer Signalimpuls am Ausgang dieses Empfängers 5.

Dieser Signalimpuls führt auch zu einer kurzzeitigen Veränderung des Signals am Ausgang des Summationsgliedes 27, die über das Bandpassfilter 35 in die Auswertelogik 18 eingelesen wird. Dort wird bei Vorliegen einer derartigen Signaländerung über den Schaltausgang 25 ein Objektfeststellungssignal gene­ riert.

Über den Schaltausgang 25 werden zwei Schaltzustände "aus" und "ein" aus­ gegeben, wobei der Schaltzustand "aus" einem freien Strahlergang entspricht und wobei der Schaltzustand "ein" einem Objekteingriff entspricht.

Über den Schaltausgang 25 wird der Schaltzustand "aus" ausgegeben, wenn das Signal am Eingang der Schwellwerteinheit 16 unterhalb des Schwellwerts liegt und wenn im dynamischen Auswertekanal kein Signalimpuls registriert wird.

Dagegen wird über den Schaltausgang 25 der Schaltzustand "ein" ausgegeben, wenn durch einen Objekteingriff das Signal am Eingang der Schwellwertein­ heit 16 den Schwellwert überschreitet und/oder wenn im dynamischen Aus­ wertekanal ein Signalimpuls registriert wird.

Der an die Auswertelogik 18 angeschlossene Warnausgang 26 kann beispiels­ weise dann aktiviert werden, wenn aufgrund der Verschmutzung oder Alterung von Komponenten der Sensoranordnung 1 in der ersten Verstärkerstufe der Signalpegel nicht mehr auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt werden kann.

Bezugszeichenliste

1

Sensoranordnung

2

Objekt

3

Sendelichtstrahlen

4

Sender

5

Empfänger

6

Zylinderlinse

7

Zylinderlinse

8

Blende

9

Pulsgenerator

10

Konstantstromtreiber

11

Widerstand

12

Begrenzerverstärker

13

Differenzverstärker

14

Diode

15

Zuleitung

16

Schwellwerteinheit

17

Inverter

18

Auswertelogik

19

Komparator

20

Widerstand

21

Widerstand

22

Widerstand

23

Widerstand

24

Kondensator

25

Schaltausgang

26

Warnausgang

27

Summationsglied

28

Widerstand

29

Zuleitung

30

Verstärker

31

Diode

32

Widerstand

33

Kondensator

33

a Kondensator

34

Widerstandselement

35

Bandpassfilter

36

Verstärker

37

Diode

38

Widerstand

39

Kondensator

40

Zuleitung

41

Differenzverstärker

42

Widerstand

43

Widerstand

44

Widerstand

45

Widerstand

46

Widerstandselement

47

Kondensator

48

Kondensator

49

Zuleitung

Claims (10)

1. Optische Sensoranordnung zur Erfassung von Objekten in einem Über­ wachungsbereich mit einer ersten Anzahl von in Abstand zueinander an einem Ende des Überwachungsbereichs angeordneten, Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern, wobei die Sendelichtstrahlen den Überwachungs­ bereich vollständig ausleuchten, und mit einer zweiten Anzahl von am gegenüberliegenden Ende des Überwachungsbereichs angeordneten Emp­ fängern, auf welche die Sendelichtstrahlen gerichtet sind, dadurch ge­ kennzeichnet, dass zur Erfassung von Objekten (2) die Empfangssignale an den Ausgängen paarweise jeweils auf ein Differenzglied zur Bildung der Differenz der Empfangssignale der jeweiligen Empfänger (5) geführt sind, und dass die Ausgangssignale der Differenzglieder einer Schwell­ werteinheit (16) zugeführt sind, in welcher aus den Ausgangssignalen ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird.

2. Sensoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Erfassung von Objekten (2) die Summe der Empfangssignale bewertet wird.

3. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, dass zur Einstellung deren Nachweisempfindlichkeit die Sum­ me der Empfangssignale bei freiem Strahlengang auf einen vorgegebenen Sollwert geregelt wird.

4. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Empfänger (5) längs einer Geraden dicht nebeneinan­ derliegend angeordnet sind.

5. Sensoranordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass jeweils zwei übernächste Nachbarn bildende Empfänger (5) ein Paar zur Bildung der Differenz der Empfangssignale bilden.

6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sender (4) längs einer Geraden nebeneinanderliegend angeordnet sind.

7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Sender (4) gleichzeitig aktiviert werden.

8. Sensoranordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Sender (4) im Pulsbetrieb betrieben werden.

9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1-8, dadurch gekenn­ zeichnet, dass den Sendern (4) und den Empfängern (5) jeweils eine Zy­ linderlinse (6, 7) vorgeordnet ist, wobei die Zylinderlinsen (6, 7) gegenü­ berliegend den in einer Ebene liegenden Überwachungsbereich begren­ zen.

10. Sensoranordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass zwi­ schen benachbarten Sendern (4) jeweils eine Blende (8) vorgesehen ist, welche sich bis zu der vorgeordneten Zylinderlinse (6) erstreckt.