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Die
vorliegende Erfindung betrifft in einem ersten Aspekt einen optischen
Sensor zum Nachweis von Personen, Tieren oder Gegenständen im
Bereich einer sicherheitsmäßig zu überwachenden
Einrichtung.
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In
einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren
zum Nachweis von Personen, Tieren oder Gegenständen im Bereich einer sicherheitsmäßig zu überwachenden
Einrichtung unter Einsatz eines erfindungsgemäßen Sensors.
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Optische
Sensoren sind bekannt und weisen unter anderem folgende Komponenten
auf: Eine Sendeeinheit zum Senden von elektromagnetischer Strahlung
auf eine Referenzfläche
in einem Überwachungsbereich
der zu überwachenden
Einrichtung, eine Detektoreinheit zum Nachweis von elektromagnetischer
Strahlung aus dem Überwachungsbereich, eine
Intensitätsauswerteeinheit
zum Auswerten einer von der Detektoreinheit nachgewiesenen Intensität der elektromagnetischen
Strahlung und eine mit der Intensitätsauswerteeinheit und der Sendeeinheit
verbundenen Steuer- und Auswerteeinrichtung zum Steuern einer Intensität der in
den Überwachungsbereich
eingestrahlten Strahlung, zum Verarbeiten der von der Detektorein heit
nachgewiesenen Intensität und
zum Ausgeben von Schaltsignalen an die zu überwachende Einrichtung in
Abhängigkeit
der von der Detektoreinheit nachgewiesenen Intensität. Ein erfindungsgemäßer optischer
Sensor nach Anspruch 1 weist ebenfalls die oben genannten Merkmale
auf.
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Bei
einem bekannten Verfahren werden unter anderem folgende Schritte
durchgeführt:
Elektromagnetische Strahlung einer Sendeeinheit wird auf eine Referenzfläche in einem Überwachungsbereich der
zu überwachenden
Einrichtung gesendet, aus dem Überwachungsbereich
kommende elektrische Strahlung wird mit einer Detektoreinheit nachgewiesen
und es wird die Intensität
der nachgewiesenen elektromagnetischen Strahlung ausgewertet. Außerdem werden
in Abhängigkeit
der nachgewiesenen Intensität
der zu überwachenden
Einrichtung Schaltsignale zugeführt.
Ein erfindungsgemäßes Verfahren nach
Anspruch 10 weist ebenfalls die oben genannten Schritte auf.
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Das
Dokument
DE 103 41
008 A1 beschreibt eine optoelektronische Vorrichtung mit
einem Sender, einem Reflektor, einem Empfänger, mindestens zwei Auswerteeinheiten
und einem Vergleicher. Dabei werden mindestens zwei Distanzmessungen durchgeführt, wobei
bei der ersten geprüft
wird, ob sich der Reflektor vor einem ersten Abstand d3 befindet
und bei der zweiten Messung geprüft
wird, ob sich der Reflektor hinter einem zweiten Abstand d1 befindet.
Zur Kontrolle der Distanzen d1 und d3 wird jeweils eine definierte
Messfrequenz f1 und f3 benutzt. Für unterschiedliche Distanzen
d1 und d3 müssen
unterschiedliche Messfrequenzen f1 und f3 benutzt werden. Ein solcher
Umschaltvorgang muss in der Regel durch eine kostspielige Elektronik
realisiert werden.
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Druckschrift
EP 1 367 363 A2 offenbart
einen optoelektronischen Sensor mit einem Lichtsender, der gemäß einem
Lichtsendesteuersignal HF-moduliert ist, und mit einer Modulationsschaltung
zur Er zeugung des Lichtsendesteuersignals und der Frequenz des HF-Steuersignals und
mit einer einstellbaren Lichtsendeamplitude. Um eine gleichmäßige Lichtsendeintensität zu erhalten
ist die Modulationsschaltung zur Regelung der Lichtsendeamplitude
mit einer Regelungsschaltung verbunden. Aufgrund der Phasendifferenz
der gesendeten und empfangenen Lichtphase kann die Entfernung zum
Objekt bestimmt werden.
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Gegenstand
der Druckschrift
DE
10 2004 056 743 A1 ist ein Verfahren und eine Vorrichtung
zur berührungslosen
Detektion von flächigen
Objekten, insbesondere in Bogenform, wie Papier und ähnlichen
flächigen
Materialien. Hierbei sendet ein Ultraschallsender Wellen auf Mehrfachbögen. Die
transmittierten Wellen werden dann von einem Ultraschallempfänger detektiert.
Eine nachgeschaltete Auswerteeinheit verstärkt mit Hilfe einer Korrektur-Kennlinie das gemessene
Signal, welches dann von einem Mikroprozessor ausgewertet wird.
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Die
Druckschrift
DE 195
37 615 B4 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines optischen
Lichttasters zur Feststellung von in einem Überwachungsbereich vorhandenen
Gegenständen.
Hierbei werden in bestimmten zeitlichen Abständen Lichtsignale in den Überwachungsbereich
gesandt. Die gesendeten Lichtsignale sowie auftretende Störsignale
werden empfangen und zur Feststellung der im Überwachungsbereich vorhandenen
Gegenstände
ausgewertet.
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Dokument
EP 0 281 085 A2 beschreibt
einen Nähesensor
zur Benutzung mit einer entfernten Oberfläche mit einer Strahlungsquelle,
einem ersten Strahlungsdetektor und einem zweiten Strahlungsdetektor.
Hierbei ist der eine Strahlungsdetektor optisch weiter entfernt
von der Oberfläche
als der andere Strahlungsdetektor. Durch einen Vergleich der beiden
Detektorsignale kann die Distanz zur entfernten Oberfläche ermittelt
werden.
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In
der Druckschrift
DE
198 47 548 A1 werden ein Näherungssensor und ein Verfahren
zur Personenerkennung beschrieben. Der Näherungssensor umfasst ein Mikrowellenmodul
sowie ein den Nahbereich des Näherungssensors überwachendes
Optomodul. Darüber
hin aus ist eine Steuervorrichtung zur Auswertung der vom Mikrowellenmodul
und vom Optomodul erzeugten Ausgangssignale vorgesehen. Bei dem
Verfahren zur Personenerkennung wird ein Differenzsignal aus dem
ausgestrahlten und dem reflektierten Mikrowellensignal erzeugt,
einzelne Perioden des Differenzsignals werden bestimmt und eine unregelmäßige Bewegung
wird festgestellt, wenn der Betrag der Differenz zweier Perioden
einen vorgegebenen Wert überschreitet.
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Optische
Anwesenheitssensoren, die das Prinzip einer Intensitätsmessung
anwenden, sind preiswert in der Herstellung aber unsicher und mehrdeutig
im Detektionsverhalten. Ein Sensor dieses Typs sendet Licht aus
und empfängt
beispielsweise das vom Boden reflektierte Licht. Detektionskriterium ist
meist eine plötzliche
Veränderung
der empfangenen Lichtmenge. Langsame Signalveränderungen werden häufig eingelernt,
um unempfindlich gegen Verschmutzung, Alters- und Temperaturdriften
zu werden. Wenn dieser Sensor im gewählten Beispiel einen hellen
Boden sieht und plötzlich
ein dunkleres Objekt im Detektionsbereich erscheint, könnte die geringere
Lichtreflexion dieses dunklen Objekts durch eine geringere Entfernung
zum Sensor gerade so ausgeglichen werden, dass dieses Objekt nicht detektiert
werden kann. Dieses Beispiel zeigt, dass dieser Sensortyp eine Sicherheitslücke aufweist. Eine
besondere Stärke
dieses Sensortyps besteht jedoch darin, dass in unserem Beispiel
auch extrem flache Objekte erkannt werden können, wenn sich deren Reflexionsvermögen vom
Boden nur ausreichend unterscheidet.
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Optische
Anwesenheitssensoren für
mittlere Entfernungen verwenden dagegen häufig das Prinzip einer Phasenvergleichsmessung
und sie können
bei niedrigen Sendefrequenzen einen großen Messbereich überdecken,
wobei in dieser Betriebsart Messgenauigkeit und Herstellkosten gering
sind. Bei höheren
Anforderungen an die Messgenauigkeit werden zunächst bei niedrigen Sendefrequenzen Übersichtsmessungen
durchgeführt
und anschließend werden
die Frequenzen schrittweise erhöht.
Durch dieses Verfahren kann man bei hohen Frequenzen eine hohe Messgenauigkeit
innerhalb eines kleinen Messintervalls erzielen. In welchem Messintervall man
sich dabei befindet, wird durch die jeweils vorhergehende Übersichtsmessung
mit niedrigerer Frequenz bestimmt. Nach diesem Verfahren arbeitende Sensoren
sind jedoch vergleichsweise teuer, da die gesamte Signalerzeugung
und Signalauswertung für einen
umschaltbaren oder hohen Frequenzbereich ausgelegt werden muss.
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Für große Entfernungen
können
auch optische Anwesenheitssensoren verwendet werden, die nach dem
Lichtlaufzeitverfahren arbeiten. Diese Sensoren sind besonders aufwändig und
deshalb mit besonders hohen Kosten verbunden. Die optimale Leistungsfähigkeit
dieses Sensortyps liegt im Bereich von etwa 4 m bis zu mehreren
km.
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Für kleinere
Entfernungen werden auch Triangulationssensoren eingesetzt. Dieser
Sensortyp besteht aus einer Sender- und aus einer Empfängeroptik,
wobei die Basisbreite, also der Abstand zwischen Sender- und Empfängeroptik
besonders groß sein
soll. Die Geräteabmessungen
vergrößern sich damit
mit der Einsatzreichweite.
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Wenn
ein Lichtstrahl aus der Senderoptik auf ein diffus reflektierendes
Detektionsobjekt fällt,
wird ein Teil des reflektierten Lichts von einer Empfangslinse der
Empfängeroptik
eingesammelt und auf ein positionsempfindliches Empfangselement
abgebildet. Eine wechselnde Entfernung zwischen Sensor und Detektionsobjekt
führt zu
einer ebenfalls geänderten
Abbildungsposition auf dem ortsempfindlichen Empfangselement, woraus
sich die Entfernung zum Detektionsobjekt errechnen lässt.
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Aufgabe
der Erfindung ist, einen optischen Sensor zum Nachweis von Personen,
Tieren oder Gegenständen
zu schaffen, der besonders zuverlässig arbeitet und dabei in
der Herstellung kostengünstig
ist. Weiterhin soll ein Verfahren zum Nachweis von Personen, Tieren
oder Gegenständen
angegeben werden, welches unaufwändig
durchzuführen
und gleichzeitig zuverlässig
ist.
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Diese
Aufgabe wird in einem ersten Aspekt durch den optischen Sensor mit
den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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In
einem zweiten Aspekt wird diese Aufgabe durch das Verfahren mit
den Merkmalen des Anspruchs 10 gelöst.
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Bevorzugte
Ausführungsbeispiele
des optischen Sensors und vorteilhafte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens
sind Gegenstand der abhängigen
Ansprüche.
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Bei
einem optischen Sensor der oben genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass zum hochfrequenten Modulieren der Intensität der in den Überwachungsbereich
eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung mit einer Modulationsfrequenz ein
mit der Sendeeinheit verbundener HF-Generator vorhanden ist, dass
zum frequenzselektiven Verstärken
eines Detektorsig signals ein schmalbandiger Verstärker vorhanden
ist, dass ein mit der Steuer- und Auswerteeinheit verbundener Phasenvergleicher
vorhanden ist zum Bestimmen einer relativen Phasenlage des Detektorsignals
im Vergleich zu einer Phase eines Modulationssignals des HF-Generators
und dass die Steuer- und Auswerteeinheit sowohl bei Änderung
der von der Detektoreinheit nachgewiesenen Intensität als auch
bei Änderung
der relativen Phasenlage des Detektorsignals Schaltsignale an die
zu überwachende
Einrichtung übermittelt.
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Bei
einem Verfahren der oben genannten Art ist erfindungsgemäß vorgesehen,
dass die Intensität der
in den Überwachungsbereich
eingestrahlten Strahlung mit einer hochfrequenten Modulationsfrequenz
moduliert wird, dass ein Detektorsignal der Detektoreinheit schmalbandig
verstärkt
wird, dass eine relative Phasenlage des Detektorsignals im Vergleich
zu einer Phase eines Modulationssignals des HF-Generators mit einem
Phasenvergleicher bestimmt wird und dass sowohl bei Änderung
der nachgewiesenen Intensität
als auch bei Änderung
der relativen Phasenlage des Detektorsignals Schaltsignale an die
zu überwachende
Einrichtung übermittelt werden.
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Als
ein Kerngedanke der Erfindung kann angesehen werden, zusätzlich und
ergänzend
zu einer Bestimmung oder Auswertung der Intensität von aus dem Überwachungsbereich
kommender elektromagnetischer Strahlung außerdem eine relative Phasenlage
der nachgewiesenen Intensität,
also des Detektorsignals, zu bestimmen. Hierzu wird dem in den Überwachungsbereich
eingestrahlten Licht eine hochfrequente Modulationsfrequenz aufgeprägt und ein
Ausgangssignal des Detektors wird frequenzselektiv, nämlich nur
in einem schmalen Bereich um die Modulationsfrequenz, verstärkt. Damit
zusammenhängend
besteht ein weiterer Kerngedanke der Erfindung darin, dass die Steuer-
und Auswerteeinheit Steuer- und Schaltsignale für die zu überwachende Einrichtung auf
Grundlage sowohl der Intensitätsinformation
als auch basierend auf der Information über die relative Phasenlage
bereitstellt.
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Ein
weiterer Kerngedanke der Erfindung besteht schließlich darin,
dass für
die Generierung der Steuer- oder Schaltsignale für die zu überwachende Einrichtung nur Änderungen
von Intensität
oder Phasenlage berücksichtigt
werden. Hieraus ergibt sich eine besonders hohe Zuverlässigkeit
und Sicherheit des Nachweises, da sich die herangezogenen Informationen über Intensität und Phasenlage
wechselseitig ergänzen.
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Beispielsweise
verursacht ein sehr flacher Gegenstand, der nur eine mit der Vorrichtung
nicht nachweisbare Phasenverschiebung bewirkt, jedenfalls eine Änderung
der Reflektivität
im Vergleich zur Referenzfläche
und deshalb der rückgestreuten
Intensität.
Andererseits kann eine Mehrdeutigkeit einer Intensitätsinformation
bei zusätzlicher
Berücksichtigung
der relativen Phasenlage ausgeschaltet werden.
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Ein
erster wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Sensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens
ist darin zu sehen, dass die Bestimmung von Intensität und relativer
Phasenlage auf vergleichsweise einfachem Niveau gehalten werden kann,
da diese beiden Methoden sich ergänzende Informationen liefern.
Bereits mit sehr kostengünstigen Komponenten
kann deshalb eine hohe Zuverlässigkeit
des Nachweises erreicht werden.
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Diese
wichtigen Vorteile werden gerade durch die Kombination von Intensitäts- und
Phasenauswertung erreicht.
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Im
Unterschied zu zahlreichen Verbesserungsvorschlägen einzelner Methoden im Stand
der Technik besteht die Kernidee der vorliegenden Erfindung gerade
in der Kombination zweier als solcher bekannter Methoden, wobei
sich die Stärken
dieser Methoden addieren und jeweilige Schwächen kompensiert und ausgeglichen
werden.
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Ein
weiterer wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung ist, dass
aufwändige
Stabilisierungsmaßnahmen
zum Ausschalten etwa von Temperaturdriften entfallen können und
besonders hochwertige Komponenten zum Vermeiden beispielsweise von
Alterungsdriften oder zur Erzielung einer besonders hohen Genauigkeit
nicht notwendig sind.
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Dies
wird dadurch erreicht, dass für
die Auswertung nur Änderungen
berücksichtigt
werden. Insbesondere werden mit der vorliegenden Erfindung im Grundsatz
keine absoluten Entfernungen bestimmt.
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Vorteilhaft
ist außerdem,
dass sich der Phasenvergleich mit der hier erforderlichen Genauigkeit sehr
kostengünstig,
nämlich
weitgehend mit Standardkomponenten realisieren lässt. Insbesondere kann ein
aufwändiges
Umschalten von Frequenzbereichen entfallen.
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Auch
ist kein großer
Abstand zwischen Sender und Empfänger
nötig,
so dass der Sensor insgesamt sehr kompakt aufgebaut werden kann.
Hierdurch eröffnen
sich neue und vielfältige
Einsatzmöglichkeiten.
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Neu
an der vorliegenden Erfindung sind die Arbeitsweise des Verfahrens
und des Kombi-Geräts in
Hintergrundauswertung, die dynamische Betriebsart, wonach Absolutentfernungen
im Wesentlichen bedeutungslos sind, und die zur Steigerung der Empfindlichkeit
getroffenen Maßnahmen
im Hinblick auf das Sendekonzept und die entsprechend auf der Nachweisseite
getroffenen Vorkehrungen. Nachteile des Stands der Technik, beispielsweise
die geringe bei Phasenvergleichsverfahren erzielte Empfindlichkeit
können
mit dem erfindungsgemäßen Anwesenheitssensor
vermieden werden. Da hierbei im Stand der Technik sonst übliche und
erforderliche Mischer wegfallen können und viele Schaltungskomponenten des
erfindungsgemäßen Sensors
nicht langzeitstabil zu sein brauchen, ist der erfindungsgemäße Sensor sehr
preiswert herzustellen.
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Aufgrund
der beiden erfindungsgemäß durchgeführten Auswertungen
nach Intensität
und Phase, kann der erfindungsgemäße Sensor sehr zuverlässig und
dabei einfach getestet werden und eignet sich somit hervorragend
auch zum Einsatz in sicherheitsrelevanten Bereichen, wobei vergleichsweise
große
und genau definierte Überwachungsfelder möglich sind.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
und das erfindungsgemäße Verfahren
können
grundsätzlich
bei allen Anwendungen eingesetzt werden, wo es auf den zuverlässigen Nachweis
von Personen, Tieren und Gegenständen
ankommt und dies kostengünstig verwirklicht
werden soll. Beispielsweise können
automatische Türen
oder Tore, insbesondere Dreh- und Karusselltüren, überwacht werden.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird insbesondere ein kleiner und testbarer
Anwesenheitssensor bereitgestellt, welcher im Allgemeinen feststehend
montiert ist und sich insbesondere für die Überwachung von Schließkanten
bei Automatik- insbesondere Karusselltüren eignet. Der erfindungsgemäße Sensor
weist einen leicht veränderbaren
Detektionsbereich auf und kann beispielsweise sowohl eine flach
auf dem Boden liegende Hand als auch jedes andere Detektionsobjekt
mit beliebigem Reflexionsgrad sicher erkennen. Neben den genannten
Haupteinsatzbereichen können
der erfindungsgemäße Sensor
und das erfindungsgemäße Verfahren
auch in allen anderen Sicherheits- und Komfortanwendungen eingesetzt
werden, bei denen der Sensor bei freiem Detektionsfeld auf eine
feststehende Referenzfläche
sieht. Hierzu gehören
auch zahlreiche Anwendungen im industriellen Bereich.
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Einsatzmöglichkeiten
ergeben sich beispielsweise für
Entfernungsmesssensoren in der Automatisierungstechnik, im Bereich
von Lichtgittern, für
Aufzüge
und allgemein für
Sicherheits-Anwendungen.
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Ein
besonders schmalbandiger Verstärker wird
bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel
erzielt, bei dem der HF-Generator mindestens einen Quarz aufweist
und der Verstärker
mindestens einen schmalbandigen Bandpass mit zwei zu dem Quarz des
HF-Generators baugleichen Quarzen aufweist. Bevorzugt weist der
Verstärker
im Bereich des Eingangs, also nach den ersten Verstärkerstufen,
einen ersten solchen Bandpass und kurz vor dem Ausgang, also kurz
vor dem Phasenvergleicher, einen zweiten Bandpass auf.
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Bei
einer solchen Anordnung können
Driften und Alterungserscheinungen der Filter im frequenzselektiven
Verstärker
weitestgehend kompensiert werden. Erforderlich ist hierfür, dass
der Bandpass im Verstärkungszweig
aus zwei Quarzen besteht, die genau baugleich mit dem Quarz des
HF-Generators sind.
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Eine
weitere Erhöhung
der Nachweisgenauigkeit und -sicherheit kann erzielt werden, wenn
unerwünschte
Kopplungen zwischen Lichtquelle und Detektor unterdrückt werden.
Dies kann besonders wirkungsvoll erfolgen, wenn die Sendeeinheit
und/oder die Detektoreinheit jeweils in einem getrennten, abgeschirmten
Gehäuse
untergebracht sind. Bei diesen Gehäusen, die auch als dichte Abschirmkästen bezeichnet
werden können,
sind bevorzugt die für
die optischen Bauelemente notwendigen Öffnungen durch vor diesen Öffnungen
angebrachte Metallgitter elektrisch abgedichtet. Diese Metallgitter
sind mit den im Allgemeinen geerdeten Abschirmkästen leitend verbunden.
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Bei
einer besonders bevorzugten Weiterbildung des erfindungsgemäßen Verfahrens
wird nur bei raschen Änderungen
von Intensität
und/oder relativer Phasenlage der nachgewiesenen elektromagnetischen
Strahlung ein Schaltsignal an die zu überwachende Einrichtung abgegeben.
Insbesondere werden typischerweise bei Änderungen von Intensität und/oder
relativer Phasenlage der nachgewiesenen elektromagnetischen Strahlung
auf einer Millisekunden- oder Sekundenskala Schaltsignale an die
zu überwachende
Einrichtung abgegeben. Diese Verfahrensvariante eignet sich besonders
zum Einsatz bei automatischen Türen,
wo die fraglichen Änderungen
realistisch in den genannten zeitlichen Größenordnungen auftreten, beispielsweise
wenn eine Person in den überwachten
Bereich einer Drehtür
eintritt. Die jeweils relevanten Zeitkonstanten für die Auswertung
werden im Hinblick auf die konkrete Überwachungsaufgabe angepasst.
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Bei
einer weiteren besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Sensors
ist im Bereich der Referenzfläche
ein Reflektor angeordnet. Auf diese Weise kann die Einsatzreichweite
des erfindungsgemäßen Sensors
deutlich gesteigert werden.
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Bevorzugt
kann außerdem
die Intensität
der nachgewiesenen elektromagnetischen Strahlung zum Steuern der
Sendeeinheit verwendet werden. Insbesondere wird die Helligkeit
der Licht- oder Strahlungsquelle
oder des Senders so angepasst, dass der Verstärker nicht übersteuert wird. Auf diese Weise
kann sowohl eine zuverlässige
Intensitäts-
als auch eine genaue Bestimmung der relativen Phasenlage, jedenfalls
soweit dies die eingesetzten Komponenten zulassen, erreicht werden.
Alternativ kann, um eine Übersteuerung
des Verstärkers
und die damit einhergehenden Schwierigkeiten bei Intensitäts- und
Phasenauswertung zu vermeiden, auch die Verstärkung des frequenzselektiven
Verstärkers
gezielt angepasst werden.
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Ein
weiterer im Hinblick auf die Sicherheitserfordernisse bedeutsamer
Vorteil der Erfindung ist, dass der Sensor besonders unaufwändig und
dabei zuverlässig
getestet werden kann.
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Beispielsweise
kann die Intensitätsauswertung
getestet werden durch gezieltes Ändern
der Intensität
der in den Überwachungsbereich
eingestrahlten elektromagnetischen Strahlung und durch Messen der
Intensität
der von der Detektoreinheit nachgewiesenen elektromagnetischen Strahlung. Nur
wenn die im Detektor gemessene Intensitätsänderung mit der auf Seite der
Lichtquelle veranlassten Änderung
der Strahlungsintensität
richtig korreliert, liegt eine einwandfreie Funktion des Sensors
vor.
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In
vergleichbarer Weise kann die Messung der relativen Phasenlage getestet
werden durch gezieltes Ändern
der Phasenlage eines dem Phasenvergleicher von dem HF-Generator
zugeführten
Modulationssignals. Das Generator- oder Modulationssignal wird also
auf dem Weg zum Phasenvergleicher kurzzeitig um einen ausreichenden
Betrag verzögert.
Diese Verzögerung
muss ein korrekt arbeitender Phasenvergleicher wie eine Längenveränderung
zwischen Sensor und Reflexionsfläche
beziehungsweise zwischen Sensor und einem im Überwachungsbereich befindlichen
Detektionsobjekt anzeigen.
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In
vorrichtungsmäßiger Hinsicht
ist es deshalb zweckmäßig, wenn
zum Funktionstest der Messung der relativen Phasenlage ein steuerbarer
Phasenschieber zwischen HF-Generator und Phasenvergleicher angeordnet
ist.
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Wenn
man bei einem erfindungsgemäßen Sensor
zur Steigerung der Genauigkeit der Phasenvergleichsmessung mit höheren Frequenzen
arbeitet, kann die Signalauswertung dadurch vereinfacht werden,
dass man den eigentlichen Phasenvergleich bei niedrigeren Frequenzen
durchführt,
indem man die Generatorfrequenz und das Empfangssignal mit jeweils
einem Mischer auf eine niedrigere Frequenz heruntersetzt.
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Wenn
aufgrund der Überwachungsaufgabenstellung
klar ist, dass die nachzuweisenden Objekte eine gewisse Mindesthöhe haben,
die zur Bereitstellung jedenfalls einer gewissen, aus der Phasenvergleichsmessung
abzuleitenden Entfernungsinformation ausreicht, kann die Intensitätsbestimmung
sehr einfach gehalten werden. Im Extremfall kann auf die Bestimmung
oder Messung der Intensität
ganz verzichtet werden.
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Wenn
es auf eine erhöhte
Genauigkeit der Entfernungsmessung ankommt, können eventuelle Driften und
Alterungserscheinungen der Komponenten Empfänger, Verstärker und Phasenvergleicher Ungenauigkeiten
hervorrufen. Diese können
ausgeschaltet oder kompensiert werden, wenn ein direkt auf die Detektoreinheit
strahlender Hilfssender eingesetzt wird, der mit demselben HF-Generator wie die
Sendeeinheit moduliert wird, der Hilfssender abwechselnd zu der
Sendeeinheit betrieben wird und zur Kompensierung von Driften der
Detektoreinheit, des Verstärkers
und/oder des Phasenvergleichers, die mit dem Hilfssender und der
Sendeeinheit gewonnenen Messergebnisse voneinander subtrahiert werden.
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In
vorrichtungsmäßiger Hinsicht
ist dann zweckmäßig ein
Hilfssender vorhanden zum Aussenden von elektromagnetischer Strahlung
direkt auf die Detektoreinheit, wobei dieser Hilfssender mit demselben
HF-Generator wie die Sendeeinheit moduliert wird. Die Messung der
Entfernung zur Referenzfläche
oder zum Detektionsobjekt lässt
sich dann mit erhöhter
Genauigkeit messen, indem der Hilfssender immer abwechselnd mit
der bereits vorhandenen Sendeeinheit aus demselben HF-Generator
betrieben wird. Man misst dann in einem ersten Schritt mit dem Phasenvergleicher
und dem Hilfssender eine reine Signallaufzeit durch die Schaltungen
des Sensors. In einem zweiten Schritt wird an Stelle des Hilfssenders
die Sendeeinheit eingeschaltet, wobei zweimal die Signallaufzeit
vom Sensor zu einer Reflexionsfläche
beziehungsweise einem nachzuweisenden Objekt sowie die Signallaufzeit
durch die Schaltungen des Sensors ermittelt wird. Eine Subtraktion der
Messergebnisse aus dem ersten und dem zweiten Schritt ergibt dann
einen Messwert, der die doppelte Entfernung zum Reflexionsobjekt
repräsentiert.
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Bei
dieser Signalauswertungsvariante kompensieren sich entsprechend
die Drift- und Alterungserscheinungen der Komponenten Empfänger, Verstärker und
Phasenvergleicher.
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Weitere
Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug
auf die beigefügte Zeichnung
erläutert.
Hierin zeigt:
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1 eine
schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen optischen Sensors.
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1 zeigt
schematisch ein Ausführungsbeispiel
eines erfindungsgemäßen Sensors 100,
anhand dessen auch das erfindungsgemäße Verfahren erläutert wird.
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Als
wesentliche Komponenten weist der erfindungsgemäße Sensor 100 eine
Sendeeinheit 20, einen HF-Generator 26, eine Detektoreinheit 40,
einen schmalbandigen Verstärker 46,
eine Intensitätsauswerteeinheit 44,
einen Phasen vergleicher 48 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 50 auf.
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Die
Sendeeinheit 20 besteht im gezeigten Beispiel aus einer
Lichtquelle 21 und einer durch eine schematisch dargestellte
Linse repräsentierten
Sendeoptik 22. Alternativ könnte eine Sendeoptik auch aus
Spiegeln, beispielsweise Hohlspiegeln, oder einer Kombination aus
Linsen und Spiegeln aufgebaut sein. Die Sendeeinheit 20 ist
in einem durch eine gestrichelte Linie schematisch angedeuteten
abgeschirmten Gehäuse 25 untergebracht.
Eine Austrittsöffnung
für von
der Sendeeinheit 20 ausgesandte, elektromagnetische Strahlung
kann beispielsweise mit Hilfe eines feinen Drahtgitters abgedeckt
und somit gegenüber
hochfrequenten Ausstrahlungen abgeschirmt sein.
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Über einen
Treiberbaustein 23 und eine Senderlichtregelung 27 ist
die Sendeeinheit 20 mit dem HF-Generator 26 verbunden.
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Von
der Strahlungsquelle 21 abgestrahlte elektromagnetische
Strahlung 24, beispielsweise Infrarot- oder sichtbares
Licht, wird mit Hilfe der Sendeoptik 22 auf eine Referenzfläche 32 in
einem Überwachungsbereich 30 einer
zu überwachenden
Einrichtung 10 geleitet. Bei der zu überwachenden Einrichtung 10 soll
es sich im gezeigten Beispiel um eine automatische Tür 10 handeln,
die mit dem Überwachungsbereich 30 schematisch
dargestellt ist.
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Bei
der Referenzfläche 32 kann
es sich beispielsweise um einen Fußboden im Bereich der zu überwachenden
automatischen Tür 10 handeln.
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Aus
dem Überwachungsbereich 30 kommende
elektromagnetische Strahlung 34 gelangt auf die Detektoreinheit 40 und
wird dort von einer Detektoroptik 42, die hier ebenfalls
durch eine schematisch dargestellte Linse repräsentiert ist, auf einen Detektor 41 geleitet.
Die Detektoroptik kann, wie auch die Sedeoptik, in einer alternativen
Variante aus Spiegeln, beispielsweise Hohlspiegeln, oder aus einer Kombination
von Linsen und Spiegeln aufgebaut sein. Bei der aus dem Überwachungsbereich 30 kommenden
elektromagnetischen Strahlung 34 kann es sich sowohl um
direkt von der Referenzfläche 32 reflektierte
oder gestreute Strahlung aber auch um solche Strahlung handeln,
die von einem im Überwachungsbereich 30 befindlichen
Objekt, beispielsweise einer Person, reflektiert oder gestreut wurde.
Detektoroptik 42 und Detektor 41, die im gezeigten
Beispiel die Detektoreinheit 40 bilden, sind, wie die Sendeeinheit 20,
in einem separaten abgeschirmten Gehäuse 45 untergebracht.
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Ein
als Detektorsignal bezeichnetes Ausgangssignal der Detektoreinheit 40 wird
einem mit der Detektoreinheit 40 verbundenen schmalbandigen Verstärker 46 zugeführt. Die
Schmalbandigkeit des Verstärkers 46 wird
im Wesentlichen durch mindestens einen aus zwei Quarzen aufgebauten
Bandpass erzielt, wobei diese beiden Quarze mit einem im HF-Generator 26 eingesetzten
Quarz baugleich sind. Es kann deshalb von praktisch identischen
Eigenschaften der eingesetzten Quarze, insbesondere praktisch identischen
Temperatur- und Alterungsdriften, dieser Komponenten ausgegangen
werden. Ein Ausgang 47 des Verstärkers 46 ist sowohl
mit dem Eingang einer als Intensitätsauswerte einheit 44 arbeitenden
Gleichrichterstufe als auch mit einem Eingang φ1 des Phasenvergleichers 48 verbunden. Über einen
steuerbaren Phasenschieber 52 ist außerdem der HF-Generator 26 mit
einem zweiten Eingang φ2
des Phasenvergleichers 48 verbunden.
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Der
Ausgang 43 des Phasenvergleichers 48 ist mit einem
ersten, in der Steuer- und Auswerteeinheit 50 integrierten
Analog- Digital-Wandler
AD1 und ein Ausgang der Intensitätsauswerteeinheit 44 ist
mit einem zweiten, in der Steuer- und Auswerteeinheit 50 integrierten
Analog-Digital-Wandler AD2 verbunden.
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Außerdem ist
der schmalbandige Verstärker 46 über eine
Steuerleitung 49 mit einem Steuerausgang P2 der Steuer-
und Auswerteeinheit 50 zum Zweck der Verstärkungsregelung
verbunden. Ein weiterer Steuerausgang P1 der Steuer- und Auswerteeinheit 50 ist
mit der Senderlichtregelung 27 verbunden.
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Schaltsignale 56 werden
von der Steuer- und Auswerteeinheit über einen Ausgang OUT an die
zu überwachende
Einrichtung 10 abgegeben. Schließlich weist die Steuer- und
Auswerteeinheit 50 einen Eingang IN auf, über den
Signale 60 zur Auslösung eines
Sensorselbsttests eingegeben werden können.
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Der
erfindungsgemäße optische
Sensor 100 arbeitet wie folgt. Zunächst wird im HF-Generator 26 ein
Modulationssignal mit einer Sendefrequenz erzeugt. Dieses Modulationssignal
steuert über
den Treiberbaustein 23 die Strahlungsquelle 21,
wobei es sich um eine Leuchtdiode, aber auch um einen Laser handeln
kann. Die Strahlungsquelle 21 strahlt demgemäß amplitudenmoduliertes
Licht über
die Sendeoptik 22 auf die Referenzfläche 32 im Überwachungsbereich 30 der
automatischen Tür 10.
Wenn sich die im Überwachungsbereich 30 nachzuweisenden
Objekte in ihrem Abstand zum Sensor 100 oder in ihrem Reflexionsverhalten
gegenüber
der Referenzfläche 32 sehr
unterschiedlich verhalten, ist die im gezeigten Beispiel außerdem zwischen
HF-Generator 26 und Treiberbaustein 23 angeordnete
Senderlichtregelung 27 von Vorteil, die manuell oder auch
mit Hilfe der Steuer- und Auswerteeinheit 50 gesteuert
werden kann.
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Die
Detektoroptik 42 sammelt die aus dem Überwachungsbereich 30 zurückreflektierte
oder zurückgestreute
elektromagnetische Strahlung 34 und bildet diese auf dem
Detektor 41 ab. Der Detektor 41, bei dem es sich
beispielsweise um eine Photodiode handeln kann, wandelt die amplitudenmodulierte elektromagnetische
Strahlung, insbesondere das amplitudenmodulierte Licht, in ein elektrisches
Signal, welches vom schmalbandigen Verstärker 46 verstärkt wird,
um. Das verstärkte
Signal, also das Ausgangssignal des Verstärkers 46, welches
auch als Detektorsignal bezeichnet wird, wird nun in zwei verschiedenen
Auswerteeinheiten gleichzeitig ausgewertet. Im ersten Auswertezweig
wird zunächst
das Ausgangssignal des Verstärkers 46 über die
Gleichrichterstufe 44 in ein zur Amplitude proportionales
Signal umgewandelt, das im Anschluss dem Analog-Digital-Wandler
AD2 der Steuer- und Auswerteeinheit 50 zugeführt und
dort ausgewertet wird.
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Im
zweiten Auswertezweig wird das Ausgangssignal des Verstärkers dem
ersten Eingang φ1 des
Phasenvergleichers 48 zugeführt und dort mit der Phase
des Modulationssignals des HF-Generators 26,
welches auf den zweiten Eingang φ2
des Phasenvergleichers 48 geführt ist, verglichen. Das Ausgangssignal
des Phasenvergleichers wird dem Analog-Digital-Wandler AD1 der Steuer-
und Auswerteeinheit 50 zugeführt und dort ausgewertet.
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Hierbei
ist es bedeutungslos, ob die beiden beschriebenen Analog-Digital-Wandler
eigenständige
Baugruppen sind oder, wie im gezeigten Beispiel, in die Steuer-
und Auswerteeinheit 50 integriert sind. Die beschriebene
Schaltungsanordnung kann man auch dahingehend modifizieren, dass
man nur einen Analog-Digital-Wandler
einsetzt, der über
einen oder mehrere Analogschalter in schneller Folge abwechselnd
auf die beiden auszuwertenden Signale, also das Ausgangssignal der
Gleichrichterstufe 44 oder das Ausgangssignal des Phasenvergleichers 48,
geschaltet wird.
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Eine
Besonderheit der dargestellten Schaltungsanordnung besteht auch
darin, dass man die Signalauswertungen im Hinblick auf Vergleich
der Phasen sowie die Messung der Intensität oder Amplitude in der Originalfrequenz
des HF-Generators 26 durchführt. Die Signale des HF-Generators 26 und
die Ausgangssignale der Gleichrichterstufe 44 und des Phasenvergleichers 48 werden
demgemäß nicht
auf eine niedrigere Frequenz heruntergemischt, wodurch sich erhebliche
Vereinfachungen des Schaltungsaufbaus ergeben.
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Die
Steuer- und Auswerteeinheit 50 wertet die beiden den Analog-Digital-Wandlern
AD1, AD2 zugeführten
Intensitäts-
und Phasensignale so aus, dass der Absolutwert für eine Detektion von geringer Bedeutung
ist. Als Detektionskriterium werden demgemäß im Wesentlichen nur plötzliche
oder rasche Signalveränderungen
herangezogen. Durch diese dynamische Auswertung der Signale können Schaltungsbaugruppen,
die bei alternativen Sensoren die Temperaturunabhängigkeit,
die Alterungsbeständigkeit
und die absolute Messgenauigkeit sicherstellen sollen, entfallen.
Auch hierdurch sind bedeutende Kosteneinsparungen möglich.
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Ein
detektiertes Objekt, beispielsweise eine Person, wird über den
Signalausgang OUT gemeldet. Bei sicherheitsrelevanten Anwendungen
kann der Steuer- und Auswerteeinheit 50 über den
Eingang IN ein Signal für
einen Geräteselbsttest
zugeführt
werden.
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Über die
Steuerausgänge
P1 und P2 werden im gezeigten Beispiel die Senderlichtregelung 27 beziehungsweise
der Verstärker 46 so
gesteuert, dass der Verstärker 46 durch
das vom Detektor 41 gelieferte Ausgangssignal nicht übersteuert
wird.
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Im
Allgemeinen werden im Rahmen des erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Vorrichtung,
wie vorstehend beschrieben, nur vergleichsweise rasche Signaländerungen
im Hinblick auf Intensität
oder Phase zur Detektion berücksichtigt.
Für bestimmte
Anwendungen, bei denen es auf eine zeitlich unbegrenzte Detektion
von Objekten ankommt, können
auch langsame oder lang andauernde Signalveränderungen vom Sensor als Detektionssignal
gewertet werden. Die abgespeicherten Signale der Referenzfläche werden
dann im Sensor dauerhaft abgespeichert, wobei dieser Vorgang in vorteilhafter
Weise durch ein extern zugeführtes Teach-Signal
oder durch einen Teach-Taster am Sensor ausgelöst werden kann.
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Mit
der vorliegenden Erfindung wird ein Anwesenheitssensor bereitgestellt,
der als wesentliche Komponenten zunächst einen Generator aufweist, der über einen
Sendertreiber mindestens eine Sendeeinheit oder eine Senderbaugruppe
ansteuert. Diese Senderbaugruppe besteht insbesondere aus einem
HF-modulierbaren Lichtsender und einer lichtbündelnden Optikbaugruppe, die
auch als Senderoptik bezeichnet werden kann und die ihr Licht auf
eine externe Referenzfläche
abbildet.
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Von
dieser externen Referenzfläche
zurückreflektiertes
Licht wird von mindestens einer Detektoreinheit, die auch als Empfängerbaugruppe
bezeichnet werden kann, und aus einer lichtsammelnden Optik und
einem lichtempfindlichen Empfangselement oder Detektor besteht,
nachgewiesen. Ein Empfangs- oder Detektionssignal des Detektors
wird sodann von einem frequenzselektiven Verstärker verstärkt und anschließend von
einer ersten Auswerteeinheit bezüglich
der Signalamplitude und gleichzeitig von einer zweiten Auswerteeinheit
bezüglich einer
Phasenverschiebung zwischen einem vom HF-Generator bereitgestellten
Modulationssignal und dem verstärkten
Detektorsignal ausgewertet.
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Beide
Ergebnisse werden kontinuierlich aktualisiert und im Sensor wenigstens
zeitweise abgespeichert. Diese Analyseergebnisse repräsentieren einen
Reflexionsgrad der externen Referenzfläche und einen Abstand zwischen
dieser Referenzfläche und
dem Sensor. Detektionskriterium für den erfindungsgemäßen Sensor
kann entweder eine plötzliche
Veränderung
der empfangenen Signalamplitude oder eine plötzliche Veränderung der zuvor gemessenen
Phasenverschiebung oder auch die Veränderung beider Werte sein.
Die Auswertung wird dabei bevorzugt so durchgeführt, dass langsame Änderungen,
die durch Alterung, Verschmutzung oder Temperaturveränderungen
hervorgerufen werden, nicht zu einem Schaltsignal an die zu überwachende
Einrichtung führen,
da diese langsamen Veränderungen vom
erfindungsgemäßen Sensor
so interpretiert werden als ob sie weiterhin von der freien Referenzfläche kommen.
Ein besonderes Merkmal dieses nach dem Prinzip einer Hintergrundauswertung
arbeitenden Sensortyps besteht auch darin, dass die absoluten Entfernung-
und Reflexionswerte von möglichen Detektionsobjekten
und von der hier notwendigen Referenzfläche für die Funktionalität des erfindungsgemäßen Sensors
bedeutungslos sind.
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Der
anhand der Figur beschriebene erfindungsgemäße Sensor eignet sich besonders
für den Einsatz
im Tür-
und Torbereich als Anwesenheitssensor, da ein Sensor in diesem Anwendungsfall
in einem Höhenbereich
von 1,8 bis 5 m montiert wird. Die meisten Detektionsfälle würden durch
die Auswertung der Intensitätsänderung
abgedeckt werden. Wenn ein im Vergleich zum Boden, also der Referenzfläche, dunkleres
Detektionsobjekt so dicht vor dem Sensor in den Senderstrahl eintaucht,
dass das dunklere Detektionsobjekt genauso viel Licht wie der Boden
in die Detektoroptik reflektiert oder streut, kommt in vorteilhafter
Weise das erfindungsgemäß vorgesehene
Detektionsverfahren für
eine sichere Erkennung des Objekts zum Tragen. Dieses Verfah ren
beinhaltet erfindungsgemäß eine Entfernungsmessung über einen
dynamischen Phasenvergleich, also eine Auswertung von Änderungen
der relativen Phasenlage des Detektorsignals im Vergleich zu einem
Modulationssignal. Da diese Entfernungsmessung nur für bestimmte
Sonderfälle
benötigt
wird, wird an sie nur eine geringe Genauigkeitsanforderung gestellt,
so dass man hierzu mit kostengünstigen
Komponenten auskommt. Um die derzeit gültigen Sicherheitsnormen zu
erfüllen,
reicht für
die Entfernungsmessung beispielsweise eine Genauigkeit von etwa
5 cm aus.