DE102004001157A1

DE102004001157A1 - Vorrichtung zur Detektion und/oder Charakterisierung von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen

Info

Publication number: DE102004001157A1
Application number: DE102004001157A
Authority: DE
Inventors: Martin Arnold; Norbert Irmer
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2004-01-07
Filing date: 2004-01-07
Publication date: 2005-08-11
Also published as: US20050151097A1; JP2005195578A; US7242017B2

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion und/oder Charakterisierung von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen, welche eine Lichtschranke umfasst, mit mindestens einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, wobei sich die zu erfassenden Objekte durch den Strahlengang der Lichtschranke bewegen, eine erste Anzahl von Lichtwellenleitern, deren Eingänge mit dem Lichtserver verbunden sind, wobei die von den Ausgängen der Lichtwellenleiter emittierten Lichtstrahlen den Strahlengang der Lichtschranke bilden, eine zweite Anzahl von Lichtwellenleitern, deren Eingänge die von den Lichtwellenleitern emittierten Lichtstrahlen aufnehmen und deren Ausgänge mit dem Lichtempfänger verbunden sind, wobei die Ausgänge der Lichtwellenleiter und die Eingänge der Lichtwellenleiter in Form eines Ringes in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und eine Auswerteelektronik, die mit dem Lichtempfänger gekoppelt ist und eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte hervorgerufene Veränderung der empfangenen Lichtintensität der Lichtschranke erfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion und/oder Charakterisierung von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen, insbesondere Abmessungen im sub-mm Bereich.
Beschreibung des Standes der Technik
Zur Detektion beweglicher Objekte werden häufig Lichtschranken eingesetzt. Käuflich zu erwerbende Lichtschranken ohne strahlformende Zusatzoptiken haben zu große Messvolumen, das heißt einen Strahlengang mit zu großem Durchmesser, um einzelne, sehr kleine Objekte bei großer Wiederholrate und geringem Objektabstand zu detektieren. Strahlformende Optiken, die dieses Problem beheben könnten, benötigen großen Einbauraum gegenüber den sehr kleinen Objekten. Steht nur ein Einbauraum mit beschränkter Größe zur Verfügung, können derartige Lichtschranken nicht eingesetzt werden.
Bestehende Auswerteelektroniken bewerten die Signaländerungen beim Passieren eines Objekts und erkennen so die Objekte. Aber gerade bei sehr kleinen Objekten führen Umwelteinflüsse, elektrische Störungen und Einschwingvorgänge zu Fehldetektionen, da das vom Lichtempfänger aufgenommene Signal im Vergleich zu den Störsignalen sehr klein ist. Das Zählergebnis ist mit dieser Art von Auswerteschaltungen nicht zuverlässig genug, um zum Beispiel Flüssigkeitströpfchen mit einem Durchmesser von 200 μm oder kleiner zu zählen.
Aus der nicht vorveröffentlichten DE 103 38 108.2 ist eine Lichtschranke mit mindestens einem Lichtsender und einem Lichtempfänger bekannt, wobei sich die zu erfassenden Objekte durch den Strahlengang der Lichtschranke bewegen. Die Lichtschranke umfasst ein erstes Bündel von Lichtwellenleitern (LWL), deren Eingänge mit dem Lichtsender verbunden sind und deren Ausgänge in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die von den Ausgängen emittierten Lichtstrahlen den Strahlengang der Lichtschranke bilden. Es ist ein zweites Bündel von Lichtwellenleitern vorgesehen, die in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, deren Eingänge die von dem ersten Bündel von Lichtwellenleitern emittierten Lichtstrahlen aufnehmen und deren Ausgänge mit dem Lichtempfänger verbunden sind. Ferner ist eine Auswerteelektronik vorhanden, die mit dem Lichtsender und dem Lichtempfänger gekoppelt ist und eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte hervorgerufene Veränderung der empfangenen Lichtintensität der Lichtschranke erfasst.
Bei dieser linienförmigen Anordnung von gleichartigen Lichtwellenleitern, deckt die Schattenfläche A_{Objektschatten} eines zu detektierenden Objekts nur einen geringen Teil des Strahlengangs, d.h. der Gesamtfläche aller Lichtwellenleiter, ab. Die Gesamtfläche A_{Ges_LWL} entspricht der Anzahl n der Empfänger-Lichtwellenleiter multipliziert mit der Fläche A_LWL jedes Wellenleiters.
Die Signaländerung am Empfänger ist daher proportional zum Quotienten aus Schattenfläche des Objekts und der Gesamtfläche:
Daraus ergibt sich, dass eine durch ein Objekt hervorgerufene Signaländerung mit zunehmender Anzahl der verwendeten Lichtwellenleitern schlechter wird.
Offenbarung der Erfindung
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Detektion und/oder Charakterisierung von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen anzugeben, mit der – unabhängig von der Anzahl der verwendeten Lichtwellenleiter – eine sichere Erfassung und/oder Charakterisierung der die Optik passierenden Objekte erreicht wird.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.
Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Zur Detektion der kleinen Objekte werden sowohl die mechanischen, sehr kleinen Abmaße sowie die optischen Einkoppeleigenschaften von Lichtwellenleitern ausgenutzt. Die mechanischen Abmaße der Lichtwellenleiter liegen in der Größenordnung der zu erfassenden Objekte. Deshalb kann zum Erkennen der Objekte auf zusätzliche strahlformende optische Elemente verzichtet werden. Weiterhin verhindern die Einkoppeleigenschaften der Wellenleiter, insbesondere der bei Lichtwellenleitern typische begrenzte Einkoppelwinkel, im eingebauten Zustand das Einkoppeln von durch fremde Lichtquellen hervorgerufenen optischen Störsignalen aufgrund der Lichtleitung durch Totalreflexion im Inneren des LWL. Erfindungsgemäß werden die Ausgänge der Sender-Lichtwellenleiter und die Eingänge der Empfänger-Lichtwellenleiter in Form eines Ringes in einer gemeinsamen Ebene angeordnet.
In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind Lichtwellenleiter derart zu einem Ring angeordnet, dass jedem Ausgang eines Sender-Lichtwellenleiters ein Eingang eines Empfangs-Lichtwellenleiters gegenüberliegt.
Dabei ist insbesondere vorgesehen, dass die Sender- und Empfangs-Lichtwellenleiter abwechselnd entlang des Umfangs des Ringes angeordnet sind.
Es ergibt sich dadurch ein Detektionsvolumen, das durch die von den Lichtwellenleitern umschlossene Fläche und dem Durchmesser der Lichtwellenleiter definiert wird.
Das Detektionsvolumen hat die Form einer Scheibe, deren Dicke durch den Durchmesser der LWL-Fasern bestimmt ist und die vorzugsweise in der Größenordnung der zu erfassenden Objekte liegt, wobei der in Bewegungsrichtung der Objekte verlaufende Querschnitt dieser Scheibe wesentlich kleiner ist als der quer zur Bewegungsrichtung der Objekte verlaufende Querschnitt. Aufgrund des schmalen, scheibenförmigen Detektionsvolumens ergibt sich eine sehr gute Detektionsempfindlichkeit für schnell aufeinanderfolgende, kleine Objekte.
Um die Detektionsempfindlichkeit zusätzlich zu steigern, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Wellenlänge des vom Lichtsender abgestrahlten Lichts mindestens einer Absorptionswellenlänge des Objekts entspricht. Dies ist insbesondere bei der Detektion von bei Tageslicht nahezu transparenten Objekten, wie z.B. Flüssigkeitstropfen, vorteilhaft. Viele Flüssigkeiten haben ein ausgeprägtes Absorptionsverhalten im Infrarotbereich des Lichtes.
Die Auswerteelektronik umfasst mindestens einen mit dem Lichtempfänger verbundenen Verstärker, und eine Mikroprozessorsteuerung.
Die Mikroprozessorsteuerung ermöglicht es mit Hilfe von zum Beispiel variablen Verstärkungsfaktoren der Verstärker, einer Subtraktion von Offsets, einer einstellbaren Schaltschwelle des Schwellwertschalters und einer veränderbaren Lichtintensität des Lichtsenders, die Auswerteelektronik optimal an die Arbeitsbereiche der einzelnen Komponenten anzupassen. Es kann automatisch ein Abgleich der Elektronik hinsichtlich Umwelteinflüssen, Alterung der Bauteile, Verschmutzung der Lichtschranke, etc, vorgenommen werden.
Die beschriebene Detektionsvorrichtung ermöglicht ein zuverlässiges Erkennen und / oder Charakterisieren von den durch die Lichtschranke sich bewegenden Objekten auf sehr kleinem Einbauraum und ist weitgehend unempfindlich gegen Störungen.
Ein anwendungsbezogenes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Aus den Zeichnungen und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße ringförmige Anordnung von insgesamt sechs Lichtwellenleitern (LWL), drei Sender-LWL und drei Empfänger-LWL;
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht auf die Empfänger-Lichtwellenleiter und die Abschattung durch ein Objekt.
3 zeigt eine Draufsicht auf eine erfindungsgemäße ringförmige Anordnung von insgesamt vierzehn Lichtwellenleitern, sieben Sender-LWL und sieben Empfänger-LWL.
Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen
Eine mögliche Anwendung der Erfindung liegt im Zählen von Flüssigkeitstropfen, insbesondere Tropfen mit einem Durchmesser im sub-mm Bereich. Derartig kleine Tropfen lassen sich mit einem sogenannten Mikrodispenser erzeugen. Der Mikrodispenser schießt Tröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm aus einer Düse. Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, jeden einzelnen Tropfen, der den Mikrodispenser verlässt, zu zählen. Ferner kann es notwendig sein, den Tropen zu charakterisieren, das heißt dessen ungefähre Größe und dessen Flugbahn zu erfassen.
Wie man in 1 erkennt, umfasst die Vorrichtung einen Lichtsender 1, z.B. eine Leuchtdiode oder Laserdiode, die von einem Treiber 2 angesteuert wird. Das Licht wird einer ersten Anzahl von Lichtwellenleitern 3 (LWL), in diesem Beispiel drei Lichtwellenleitern, zugeführt, deren Eingänge mit dem Lichtsender 1 verbunden sind. Der Eingangsquerschnitt des Bündels von Lichtwellenleitern ist an den Querschnitt des verwendeten Lichtsenders, z.B. kreisförmig, angepasst. Die Ausgänge der einzelnen Lichtwellenleiter 3 sind ringförmig entlang einer Kreislinie angeordnet. Die von den Ausgängen emittierten Lichtstrahlen definieren den Strahlengang der Lichtschranke.
Jedem Sender-Lichtwellenleiter 3 ist ein Empfangs-Lichtwellenleiter 4 zugeordnet. Die Eingänge der Empfangs-LWL sind gegenüberliegend den Ausgängen der Sender-LWL 3 angeordnet und nehmen die von den Sender-Lichtwellenleitern 3 emittierten Lichtstrahlen auf. Die Lichtwellenleiter 3 und 4 werden also in Sender-Empfängerpaaren so zu einem Ring angeordnet, dass die Enden der LWL sich gegenüberstehen und auf den Mittelpunkt des Rings gerichtet sind. Dabei werden die LWL entlang dem Ringumfang so angeordnet, dass jeweils eine Sendefaser neben einer Empfangsfaser zu liegen kommt. Die von den LWL eingeschlossenen Fläche in Verbindung mit dem Durchmesser der LWL ergibt das Detektionsvolumen 13.
Die Ausgänge der Lichtwellenleiter 4 sind mit einem Lichtempfänger 5 verbunden, der die Lichtsignale erfasst und in elektrische Signale umwandelt. Als Lichtempfänger 5 kann beispielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor verwendet werden. Eine oben angesprochene Auswerteelektronik 10 ist mit dem Lichtsender 1 und dem Lichtempfänger 5 gekoppelt und erfasst eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte hervorgerufene Veränderung der Lichtintensität der Lichtschranke. Hierzu wird das vom Lichtempfänger 5 kommende elektrische Signal in einem ersten Verstärker 6 verstärkt. Von diesem verstärkten Signal wird in einem Addierer 7 analog eine Spannung subtrahiert, die im Betrag etwa dem Gleichspannungsanteil der Signalspannung entspricht. Anschließend wird das Signal in einem zweiten Verstärker 8 nochmals verstärkt. Änderungen des Signals am Lichtempfänger 5 werden nun über den vollen Bereich des Verstärkers 8 auswertbar, da im Addierer 7 der Gleichspannungsanteil entfernt wurde. Anschließend wird mit einem Schwellwertschalter 9 eine Schaltschwelle detektiert und das Ausgangssignal auf eine Zählschaltung geführt, die durch eine Mikroprozessorsteuerung 10 realisiert ist.
Die 2 zeigt eine vergrößerte Darstellung des Bereichs um das Detektionsvolumen 13. Die Lichtwellenleiter 3 bilden drei Sender-LWL S1, S2 und S3. Jedem der Sender liegt ein Empfänger-LWL E1, E2 und E3 gegenüber, die aus den Lichtwellenleitern 4 gebildet sind. Es ergibt sich die beschriebene ringförmige Annordnung der LWL 3, 4.
Wie man in 3 erkennt, bildet sich beim Durchtritt eines Objekts 11 durch das Detektionsvolumen 13 auf jedem der Empfänger-Lichtwellenleiter E1, E2, E3 ein Schattenbild des Objekts 11 ab. Das Objekt 11 passiert das Detektionsvolumen in Richtung 12, also im wesentlichen senkrecht zu der durch die LWL 3, 4 gebildeten Ebene.
Da das Schattenbild gleichzeitig auf jedem der drei Empfänger-LWL abgebildet wird, ergibt sich die Signaländerung bei einem passierenden Objekt zu:
wobei
A_{Ges_Objektschatten}: Gesamtfläche aller Objektschatten
A_{Objektschatten}: Fläche eines Objektschattens
A_{Ges_LWL}: Gesamtfläche der Empfangs-LWL
A_LWL: Querschnittsfläche eines LWL
n = 0, 1, 2, ... Anzahl der Empfänger-LWL
Man erkennt, dass die durch die Abschattung der Empfänger LWL 4 eintretende Signaländerung am Empfänger 5 nicht von der Anzahl n der Empfangs-Lichtwellenleiter 4 abhängig ist, sondern nur vom Verhältnis der Schattenfläche A_{Objektschatten} des Objektes 11 zur wirksamen Fläche eines Lichtwellenleiters A_LWL.
4 zeigt eine erfindungsgemäße Anordnung von vierzehn LWL, sieben Sender-LWL und sieben Empfänger-LWL. Die Gesamtanzahl N von Sender- und Empfangs-LWL für die erfindungsgemäße Anordnung ist nicht willkürlich sondern folgt der Beziehung:
N = 2 + 4i, wobei i = 0, 1, 2, 3, ...
Es ist bekannt, dass die relative Strahlungsleistung (Raumstrahlungswinkel) am Ausgang eines Lichtwellenleiters, hier zum Beispiel des Sender-LWL S1, abhängig ist vom Abstrahlwinkel ε. Der Raumstrahlungswinkel kann durch ein Polardiagramm dargestellt werden. Man erkennt, dass mit zunehmendem Abstrahlwinkel ε die relative Strahlungsleistung abnimmt. Das bedeutet, dass der dem Sender-LWL S1 zugeordnete Empfänger-LWL E1 die maximale relative Strahlungsleistung empfängt, aber auch die anderen Empfänger-LWL, insbesondere E2, E7, E3, und E6 ebenfalls einen Anteil der von S1 abgestrahlten Strahlungsleistung empfangen.
Objekte, die das Detektionsvolumen 13 genau in der Mitte passieren bewirken daher eine andere Signaländerung am Lichtempfänger 5 als Objekte, die das Detektionsvolumen 13 an einer anderen Stelle passieren. Beispielsweise passiert das Objekt 11a das Detektionsvolumen genau in der Mitte. Dies ergibt bei jedem der einander zugeordneten LWL-Paare, z.B. S1-E1, S2-E2, eine maximale Abschattung und eine entsprechend geringere Abschattung bei den anderen Empfänger-LWL.
Ein anderes Objekt 11b passiert das Detektionsvolumen außerhalb der Mitte in einem Radius r. Dieses Objekt bewirkt nur bei den LWL-Paaren S3, E3 und S6, E6 eine maximale Abschattung und eine entsprechend geringere Abschattung bei den anderen Empfänger-LWL. Je nach dem, auf welchem Radius r die Objekte den Detektionsbereich 13 passieren, ergibt sich daher eine bestimmte charakteristische Signaländerung am Lichtempfänger 5. Die Signaländerung ist daher ein Maß für den Radius r, auf dem die Objekte des Detektionsvolumen passieren. Diese Aussage gilt nur unter der Bedingung, dass alle erfassten Objekte 11a, 11b die selbe gleichbleibende Größe aufweisen. Somit kann eine grobe Positionsbestimmung der Objekte innerhalb des Detektionsvolumens 13 durchgeführt werden.
Wenn man die Signaländerungen an den einzelnen LWL-Paaren getrennt auswertet, kann man sogar die exakte Durchtritts-Position des Objekts innerhalb des Detektionsvolumens bestimmen.

1: Lichtsender
2: Treiber
3: Lichtwellenleiter (Sender S1, S2, S3)
4: Lichtwellenleiter (Empfänger E1, E2, E3)
5: Lichtempfänger
6: Verstärker
7: Addierer
8: Verstärker
9: Schwellwertschalter
10: Mikroprozessorsteuerung
11: Objekt
12: Bewegungsrichtung
13: Detektionsvolumen

Claims

Vorrichtung zur Detektion und/oder Charakterisierung von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen, welche umfasst: eine Lichtschranke mit mindestens einem Lichtsender (1) und einem Lichtempfänger (5), wobei sich die zu erfassenden Objekte (11) durch den Strahlengang der Lichtschranke bewegen, eine erste Anzahl von Lichtwellenleitern (3), deren Eingänge mit dem Lichtsender (1) verbunden sind, wobei die von den Ausgängen der Lichtwellenleiter (3) emittierten Lichtstrahlen den Strahlengang der Lichtschranke bilden, eine zweite Anzahl von Lichtwellenleitern (4), deren Eingänge die von den Lichtwellenleitern (3) emittierten Lichtstrahlen aufnehmen und deren Ausgänge mit dem Lichtempfänger (5) verbunden sind, wobei die Ausgänge der Lichtwellenleiter (3) und die Eingänge der Lichtwellenleiter (4) in Form eines Ringes in einer gemeinsamen Ebene angeordnet sind, und eine Auswerteelektronik (6-10), die mit dem Lichtempfänger (5) gekoppelt ist und eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte (11) hervorgerufene Veränderung der empfangenen Lichtintensität der Lichtschranke erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (3) und (4) derart zu einem Ring angeordnet sind, dass jedem Ausgang eines Lichtwellenleiters (3) ein Eingang eines Lichtwellenleiters (4) gegenüberliegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (3) und (4) abwechselnd entlang dem Umfang des Ringes angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Lichtwellenleitern (3; 4) umschlossene Fläche zusammen mit dem Durchmesser der Lichtwellenleiter ein Detektionsvolumen (13) definiert.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Anordnung insgesamt eine Anzahl N = 2 + 4i Lichtwellenleiter umfasst, wobei i = 0, 1, 2, 3, ...
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Bewegungsrichtung (12) der Objekte (11) verlaufende Querschnitt des Detektionsvolumens wesentlich kleiner ist als der quer zur Bewegungsrichtung der Objekte verlaufende Querschnitt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des vom Lichtsender (1) abgestrahlten Lichts mindestens einer Absorptionswellenlänge des Objekts (11) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik mindestens einen mit dem Lichtempfänger (5) verbundenen Verstärker (6), und eine mit dem Verstärker verbundene Mikroprozessorsteuerung (10) umfasst.