DE102014002194A1

DE102014002194A1 - Kompensierendes optisches Mikrosystem

Info

Publication number: DE102014002194A1
Application number: DE102014002194.7A
Authority: DE
Inventors: Andreas Sonntag
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2014-02-12
Filing date: 2014-02-12
Publication date: 2015-08-13
Anticipated expiration: 2034-02-13
Also published as: DE102014002194B4

Abstract

Bei dem erfindungsgemäßen handelt es sich ein Verfahren zum Betreiben eines kompensierten Sensorsystems dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwert als „ungestört” durch eine Bewertungseinheit bewertet wird, wenn sich dieser Messwert einer Messfrequenz von dem Messwert einer Prüffrequenz unterscheidet. Der Messwert bei der Messfrequenz dann als „gestört” durch die Bewertungseinheit bewertet wird, wenn sich dieser Messwert von dem Messwert bei der Prüffrequenz um mehr als einen vorbestimmten relativen unterscheidet. Die Unterschiede der Modulationsfrequenzen benachbarter Modulationsfrequenzen sind dabei typischerweise kleiner ein vorbestimmter Anteil der der Frequenzbandbreite des Reglers der die Kompensation regelt. Typischerweise werden drei Modulationsfrequenzen benutzt, von den eine als Messfrequenz, eine als Prüffrequenz und eine als Reservefrequenz dient. Bei einer Bewertung als „gestört” wird die Messfrequenz zur Reservefrequenz, die Prüffrequenz zur Messfrequenz und die bisherige Reservefrequenz zur Prüffrequenz.

Description

Einleitung und Stand der Technik
Ein wesentliches Problem bei kompensierenden optischen Sensorsystemen, wie beispielsweise in DE10001955A1 , DE10024156A1 , DE19839730C1 , DE10346741B3 , DE102004025345B3 , DE102005010745B3 oder DE102007005187B4 ist, dass die Störsignale, deren Oberwellenfrequenz der Systemfrequenz oder umgekehrt, deren Frequenz einer Oberwelle der Systemfrequenz entspricht, leicht in ein solches System einkoppeln können. Ein typisches Beispiel hierfür sind beispielsweise Oberwellen, die durch eine typischerweise flackernde Leuchtstoffröhrenbeleuchtung des Betriebsortes des kompensierenden optischen Systems hervorgerufen werden.
Anhand der 1, 2 und 3 wird kurz der Stand der Technik erläutert. Die 1 zeigt ein kompensierendes optisches Sensorsystem (1), bestehend aus einem Sender (H), einem Kompensationssender (K) und einem Empfänger (D). Der Sender (H) strahlt über eine optische Übertragungsstrecke bestehend aus einer ersten optischen Übertragungsstrecke (11) und einer zweiten optischen Übertragungsstrecke (12) in den Empfänger (D) ein. Dabei wird das optische Signal am Übergang von der ersten optischen Übertragungsstrecke (11) zur zweiten optischen Übertragungsstrecke (12) am Objekt (O) reflektiert und/oder durch dieses transmittiert. Der Kompensationssender (K) strahlt ebenso in eine dritte Übertragungsstrecke (13) ein, an deren Ende sich ebenfalls der Empfänger (D) befindet. Die beiden Übertragungsstrecken überlagern sich typischerweise summierend und/oder multiplizierend, wobei der Summierung typischerweise der Vorzug gegeben wird. Der Empfänger (D) wird in diesem Fall durch eine Fotodiode mit einem Widerstand symbolisiert. An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, dass die Zeichnungen nur soweit ausgeführt sind, dass das Funktionsprinzip deutlich wird und einem Fachkundigen die Nacharbeitung der Erfindung möglich wird. Die Zeichnungen sind also generell nur als grobe schematische Skizzen zu verstehen. Das Empfängerausgangssignal (S0) dient einem Regler (CT) als Eingangssignal. Das zur Modulation des Senders (H) verwendete Sendesignal (S5) wird durch einen Generator (G) erzeugt, der in vielen Fällen im Stand der Technik auch Teil des Reglers (CT) ist. Der Regler (CT) erzeugt aus dem Empfängerausgangssignal (S0) und dem zur Modulation des Senders (H) verwendeten Sendesignal (S5) ein zur Modulation des Kompensationssenders (K) verwendetes Kompensationssendesignal (S3) in der Art, dass das Empfängerausgangssignal (S0) typischerweise keine Anteile des Sendesignals (S5) bis auf einen Reggelfehler und Signalrauschen mehr enthält. Ein internes Reglersignal (S4) stellt dabei ein Maß für die optischen Eigenschaften des Objekts (O), wie beispielsweise Entfernung und/oder Reflektivität, und/oder die Eigenschaften der ersten Übertragungsstrecke (I1) und der zweiten Übertragungsstrecke (I2), wie Transmissionsgrad und/oder Lichtlaufzeit durch diese, dar. Im Stand der Technik ist es üblich, die optischen Eigenschaften der dritten Übertragungsstrecke (I3) als bekannt vorauszusetzen.
Darüber hinaus enthält die 1 noch Elemente, die im veröffentlichten Stand der Technik noch nicht offenbart sind und weiter unten erläutert werden. 2 zeigt ein ähnliches System, wie das der 1 mit dem Unterschied, dass hier der Kompensationssender (K) durch den Generator (G) getrieben wird und das Sendesignal (S5) durch den Regler (CT) so geregelt wird, dass das Empfängerausgangssignal (S0) typischerweise keine Anteile des Kompensationssendesignals (S3) bis auf einen Regelfehler und Signalrauschen mehr enthält. Darüber hinaus enthält auch die 2 noch Elemente, die im Stand der Technik noch nicht offenbart sind und weiter unten erläutert werden. Im Stand der Technik sind unterschiedliche Methoden zum Betrieb eines solchen Systems und zur Ausprägung des Reglers (CT) bekannt. Insbesondere ist es möglich, das zur Modulation des Senders (H) verwendete Sendesignal (S5) bzw. das zur Modulation des Kompensationssenders (K) verwendete Kompensationssendesignal (S3) monofrequent oder bandbegrenzt moduliert mit einer unteren Grenzfrequenz f_min und einer oberen Grenzfrequenz f_max und einer Mittenfrequenz f_mitte = (f_max – f_min)2 + f_min und einer Bandbreite f_b = (f_max – f_min)/2 zu betreiben. Es ist bekannt, dass das Spektrum der Modulation beispielsweise durch Verwendung von Spreiz-Codes gesteuert werden kann.
In einem anderen Verfahren (3) werden das zur Modulation des Senders (H) verwendete Sendesignal (S5) und das zur Modulation des Kompensationssenders (K) verwendete Kompensationssendesignal (S3) mit einer gleichen Modulationsfrequenz betrieben und vom Regler (CT) erzeugt. Die Duty-Cycle der typischerweise rechteckförmigen Signale (S3, S5) sind jedoch komplementär zueinander. Das bedeutet, dass der Sender (H) immer dann zu einer höheren Sendeleistung hin durch das Sendesignal (S5) moduliert oder eingeschaltet wird, wenn der Kompensationssender (K) durch das Kompensationssendesignal (S3) gedämpft oder ausgeschaltet wird und umgekehrt. Der Regler (CT) steuert in diesem Fall nicht die Amplitude, sondern den Duty-Cycle der beiden Signale (S3, S5). Der Regler erhält durch einen Generator (G) den Sendetakt. Eine entsprechende Vorrichtung stellt 3 dar.
Im Stand der Technik wird jedoch kein Verfahren zur optimalen Einstellung der Modulationsfrequenz eines monofrequent modulierten Systems angegeben.
Aufgabe der Erfindung
Aufgabe der Erfindung ist es daher ein Verfahren anzugeben, wie die Modulationsfrequenz des erfindungsgemäßen kompensierenden Sensorsystems, das mit einem monofrequent modulierten Sendesignal (S5) oder einem monofrequent modulierten Kompensationssendesignal (S3) betrieben wird, so ausgewählt werden kann, dass eine minimale Beeinflussung durch den jeweiligen Störer erfolgt. Dies ist insbesondere bei der Verwendung als Regensensor sinnvoll.
Beschreibung der grundlegenden Erfindung
Bevor die Unterdrückung von Störsignalen diskutiert wird, wird an dieser Stelle noch kurz auf die nicht im publizierten Stand der Technik offenbarten Elemente der 1, 2 und 3 eingegangen, da diese ebenfalls zur Unterdrückung von Störern dienen.
Zwischen dem Sender (H) und dem Kompensationssender (K) befindet sich typischerweise eine zweite Barriere (B2), die ein Eindringen des Lichts des Senders (H) in den Kompensationspfad verhindert. Vorzugsweise ist der Kompensationssender (K) in einer Kompensationssenderkavität (CAV_K) untergebracht, die den Kompensationssender (K) vorzugsweise bis auf ein optisches Kompensationspfadfenster (WK) vollständig von der Außenwelt optisch abtrennt. Dieses optische Kompensationspfadfenster hat unter anderem die Aufgabe, das Licht des Kompensationssenders (K) zum Ersten nur auf den Empfänger (D) fallen zu lassen und dieses Licht beim Durchgang durch den Kompensationspfad so abzuschwächen, dass das Licht des Kompensationssenders bei dessen Vollaussteuerung mit in etwa der gleichen Lichtintensität auf die Fotodiode, also den Empfänger (D) fällt, wie das Licht des Senders (H) unter optimalsten Bedingungen, wie beispielsweise minimaler Abstand des Objekts (O) vom Sensorsystem (1) und maximale Reflektivität des Objekts (O). Hierdurch kann sichergestellt werden, dass der elektrooptische Arbeitspunkt des Kompensationssenders (K) definiert durch Beleuchtungsstärke des Signals des Kompensationssenders (K) auf dem Empfänger (D) und elektrische Energieversorgung des Kompensationssenders (K), beispielsweise elektrische Stromstärke der Bestromung des Kompensationssenders (K), in zumindest einem typischen Arbeitspunkt annähernd mit dem entsprechenden elektrooptischen Arbeitspunkt des Senders (H) übereinstimmen. Der Empfänger (D) ist typischerweise ebenfalls durch eine Empfängerkavität (CAV_D) optisch weitestgehend von der Außenwelt abgetrennt. Einzig das besagte Kompensationspfadfenster (WK) und ein Empfangspfadfenster (WD) erlauben den Zugang von Licht zur Empfängerkavität (CAV_D) und damit zum Empfänger (D). Es hat sich gezeigt, dass es günstig ist, wenn die Wand (B), die den Empfänger (D) von dem Objekt (O) optisch trennt, und/oder die zweite Barriere (B2) mit einem Reflektor (R) versehen ist, der das Licht des Kompensationssenders (K) so auf den Empfänger (D) streut, dass dieser vollflächig ausgeleuchtet wird. Die ist deshalb typischer Weise notwendig, weil das Kompensationspfadfenster (WK) typischerweise eine kleiner Fläche als der möglichst empfindliche Empfänger (D) aufweisen muss. Somit ist es möglich, zum einen die Lichtintensität des Signals des Kompensationssenders (K) durch die Querschnittsfläche und die Dämpfung des Kompensationspfadfensters (WK) zu steuern und trotzdem den Empfänger (D) ganzflächig auszuleuchten. Darüber hinaus ist es sinnvoll, das Empfangspfadfenster (WD) optisch nur für das zu detektierende Licht transparent zu gestalten. Dies kann insbesondere so geschehen, dass es für Licht der Wellenlänge des Senders (H) oder des zu detektierenden Lichts transparent ist, also das Licht des Senders (H) oder das zu detektierende Licht bei dessen Schwerpunktswellenlänge um nicht mehr als 50% besser nicht mehr als 25%, besser nicht mehr als 10%, besser nicht mehr als 5%, besser, nicht mehr als 2%, besser nicht mehr als 1% dämpft. Die Wellenlänge des zu detektierenden Lichts kann dabei von der Schwerpunktswellenlänge des Senders (H) abweichen. Dies ist beispielsweise bei der Messung von Fluoreszenzeigenschaften des Objekts (O) wichtig. Dabei wird die Dämpfung berechnet als 100% minus die Intensität des Lichts vor dem Empfangspfadfilter (FD) geteilt durch Intensität des Lichts hinter dem Empfangspfadfilter (FD). Gleichzeitig soll das Empfangspfadfilter (FD), also das Empfangspfadfenster (WD), für Licht der Wellenlänge des Störers intransparent sein, also das Licht des Störers zumindest bei dessen Schwerpunktswellenlänge um mehr als 50% besser mehr als 75%, besser mehr als 90%, besser mehr als 95%, besser, mehr als 98%, besser mehr als 99% dämpfen. Dabei wird die Dämpfung wieder berechnet als 100% minus die Intensität des Lichts vor dem Empfangspfadfilter (FD) geteilt durch Intensität des Lichts hinter dem Empfangspfadfilter (FD). Noch besser ist, wenn diese Dämpfungsverhältnisse für die integrale Dämpfung des Lichts des Störers in dem Spektralbereich gelten, in dem der Empfänger (D) empfindlich ist. Es sollte nicht unerwähnt bleiben, dass auch der Sendepfad typischerweise ein Sendepfadfenster (WH) aufweist, das mit einem Sendepfadfilter (FH) versehen sein kann. Es ist sinnvoll, wenn auch das Sendepfadfilter (FH) optisch nur für das zu Licht des Senders (H) transparent zu gestalten. Dies kann insbesondere so geschehen, dass es für Licht der Wellenlänge des Senders (H) transparent ist, also das Licht des Senders (H) bei dessen Schwerpunktswellenlänge um nicht mehr als 50% besser nicht mehr als 25%, besser nicht mehr als 10%, besser nicht mehr als 5%, besser, nicht mehr als 2%, besser nicht mehr als 1% dämpft. Dabei wird die Dämpfung berechnet als 100% minus die Intensität des Lichts vor dem Sendepfadfilter (FH) geteilt durch Intensität des Lichts hinter dem Sendepfadfilter (FH). Gleichzeitig soll das Sendepfadfilter (FH), also das Sendepfadfenster (WH) für Licht der Wellenlänge eines anwendungstypischen Störers, beispielsweise einer Leuchtstoffröhre, intransparent sein, also das Licht des Störers zumindest bei dessen Schwerpunktswellenlänge um mehr als 50% besser mehr als 75%, besser mehr als 90%, besser mehr als 95%, besser, mehr als 98%, besser mehr als 99% dämpfen. Dabei wird die Dämpfung wieder berechnet als 100% minus die Intensität des Lichts vor dem Sendepfadfilter (FH) geteilt durch Intensität des Lichts nach Durchgang durch den Sendepfadfilter (FH). Noch besser ist, wenn diese Dämpfungsverhältnisse für die integrale Dämpfung des Lichts des Störers in dem Spektralbereich gelten, in dem der Empfänger (D) empfindlich ist. Das Eindringen des Lichts des Störers in das System (1) kann auf diese Weise verhindert oder zumindest vermindert werden. Dieses Verfahren ist teilweise in Anmeldungen der Schutzrechtsfamilie zur deutschen Anmeldung DE 10 2013 003 791.3 offenbart, die vollumfänglich Teile dieser Offenbarung sind.
Darüber hinaus wurde aber erkannt, dass diese Maßnahmen nicht ausreichen, um Störer zu unterdrücken, deren Licht spektrale optische Anteile im Bereich der Wellenlänge der zu detektierenden Strahlung besitzt und das gleichzeitig entweder zum einen mit einer Frequenz moduliert ist, die einer Oberwelle der Modulationsfrequenz des Sendesignals (S5) und/oder der Modulationsfrequenz des Kompensationssendesignals (S3) entspricht oder zum Anderen mit einer Frequenz moduliert ist, die eine Oberwelle besitzt, die der Modulationsfrequenz des Sendesignals (S5) und/oder der Modulationsfrequenz des Kompensationssendesignals (S3) entspricht.
Die Erfahrung hat gezeigt, dass es sich bei den Störsignalen der Störer typischerweise in der Regel um sehr schmalbandige Signale handelt, die im Bereich der Senderwellenlänge auf das Störerlicht aufmoduliert sind. Diese werden, wenn sie derartig ungeeignet im Frequenzspektrum liegen, vom System als Messsignal fehlinterpretiert und stören somit den Regler (CT), was diesen veranlasst, auch das Störsignal zu kompensieren, was wiederum zu einem fehlerhaften Ausgangssignal (S4) führt.
Neben diesen rein optischen Störungen kommen noch elektromagnetische Störungen hinzu, die die elektromagnetische Verträglichkeit des Systems (EMV) vermindern und die eine ähnliche Wirkung haben können.
Erfindungsgemäß ist es notwendig, dass der Regler (CT) eine Empfindlichkeit um die Modulationsfrequenz des Sendesignals herum aufweist, die einer Modulationsfrequenzbandbreite von betragsmäßig kleiner +/–10%, besser betragsmäßig kleiner +/–5% besser betragsmäßig kleiner +/–2%, besser betragsmäßig kleiner +/–1%, besser betragsmäßig kleiner +/–0,5% der Modulationsfrequenz des Sendesignals (S5) bzw. des Kompensationssendesignals (S3) aufweist. Diese Bandpassfiltereigenschaft des Reglers (CT) definiert die Empfindlichkeit gegenüber Störeren. Daher ist es wichtig, dass diese Bandbreite so schmal wie möglich gewählt wird, um die Wahrscheinlichkeit von Störungen zu minimieren. Die optimale Bandbreite wird dabei durch die jeweilige Anwendung bestimmt und sollte durch Berechnung oder Experiment (DoE) bestimmt werden.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Reduktion der Störempfindlichkeit sieht nun vor, gestörte von ungestörten möglichen Modulationsfrequenzen des Sendesignals (S5) bzw. des Kompensationssendesignals (S3) zu unterscheiden. Es wurde erfindungsgemäß erkannt, dass hierfür sowohl eine Bewertung einer möglichen Modulationsfrequenz des Sendesignals (S5) bzw. des Kompensationssendesignals (S3) dahingehend erfolgen muss, ob diese potenzielle Modulationsfrequenz gestört ist oder ob diese potenzielle Modulationsfrequenz ungestört ist. Außerdem ist es möglich dass die Bewertung ein Ergebnis ergibt, dass weder die Bewertung „gestört” noch die Bewertung „ungestört” zulässt. Im einfachsten Fall ist nur die Bewertung „ungestört” erforderlich und alle Frequenzen, die nicht mit „ungestört” bewertet werden können, werden als „gestört” bewertet.
Das erfindungsgemäße Verfahren sieht nun vor, dass der Regler (CT) veranlasst wird, bei mindestens drei, besser mehr verschiedenen Modulationsfrequenzen des Sendesignals (S5) bzw. des Kompensationssendesignals (S3) je eine Messung vorzunehmen. Durch die mindestens drei Modulationsfrequenzen kann eine Mehrheitsentscheidung getroffen werden. Es werden also die zwei Modulationsfrequenzen als ungestört angenommen, die in etwa den gleichen Messwert am Ausgang (S4) des Reglers (CT) liefern. Ein in diesem Sinne gleicher Messwert bedeutet, dass die jeweiligen Werte des Ausgangssignals (S4) des Reglers (CT) bei zwei verschiedenen Modulationsfrequenzen um nicht mehr als 50% besser nicht mehr als 25%, besser nicht mehr als 10%, besser nicht mehr als 5%, besser nicht mehr als 2%, besser nicht mehr als 1%, besser nicht mehr als 0,5% abweichen. Die Modulationsfrequenzen werden dabei typischerweise dicht beieinander gewählt. Es wurde erfindungsgemäß erkennt, dass es sinnvoll ist, den Unterschied zwischen den mindestens drei Modulationsfrequenzen in der Größenordnung kleiner des Zehnfachen der Frequenzbandbreite des Reglers (CT), besser kleiner der fünffachen, besser kleiner der doppelten, schlechter kleiner der einfachen, schlechter kleiner der halben, schlechter kleiner zwei Zehntel, schlechter kleiner einem Zehntel der Bandbreite des Reglers (CT) zu wählen. Der Unterschied zwischen den Frequenzen sollte also typischerweise in der Größenordnung der Bandbreite des Reglers (CT) liegen.
Wird im Betrieb nun erkannt, dass eine Modulationsfrequenz ungestört ist, so wir diese für die nächste Messung als Messfrequenz, also als Modulationsfrequenz des Sendesignals (S5) bzw. des Kompensationssendesignals (S3), eingestellt.
Ganz besonders hat sich bewährt, die mindestens eine weitere als ungestört eingestufte Modulationsfrequenz als Prüffrequenz zu benutzen und immer wieder, vorzugsweise regelmäßig und/oder periodisch, eine Probemessung bei dieser Prüffrequenz durchzuführen und das Ergebnis mit der Messung bei der Messfrequenz zu vergleichen. Werden die Ergebnisse als gleich bewertet, so werden Prüf- und Messfrequenz beibehalten. Werden die Ergebnisse als ungleich bewertet, so wird im einfachsten Fall auf die dritte Modulationsfrequenz gewechselt. Ist diese jedoch auch gestört und führen alle 3 mögliche Paarungen von Mess- und Prüffrequenz in diesem Beispiel mit drei Modulationsfrequenzen zu dem Ergebnis einer gestörten Messung, so ist das System als Ganzes gestört. In dem Fall muss mindestens eine der beispielhaften drei Modulationsfrequenzen auf eine neue Modulationsfrequenz umgestellt werden, die mit keiner anderen beiden Modulationsfrequenzen gleich ist. Werden mehr Modulationsfrequenzen verwendet, so ist die Anzahl der Paarungen natürlich höher. Auch können andere Verfahren zur Bewertung als ein einfacher Mehrheitsschätzer herangezogen werden.
4 zeigt die drei möglichen Paarungen der Modulationsfrequenzen bei beispielhaften drei Frequenzen.
5 verdeutlicht das Verhalten des Systems bei einer Änderung des Messwertes (S4) infolge einer nicht auf einer Störung beruhenden Änderung der Verhältnisse im Übertragungskanal (I1, I2, O). Das Messsignal (S4) befindet sich zu Beginn – ganz links gezeichnet, innerhalb eines vordefinierten Korridors. Überschreitet oder unterschreitet die Änderung gegenüber dem Mittelwert der vorausgehenden Zeit einen vorgegebenen Wert, so gelangt das Messsignal (S4) in die Prüfzone (PZ). Das System schaltet dann von der Messfrequenz (MF) auf die Prüffrequenz (PF) um. Die Pfeile markieren die Bereiche in denen die Messfrequenz (MF) bzw. die Prüffrequenz (PF) zur Messung verwendet wird. Der Bereich der Umschaltung ist mit einem gestrichelten umgebenden Kreis markiert. Da es sich um eine echte Änderung der Verhältnisse im Kanal (I1, I2, O) handelt, Ändert sich der Messwert (S4) durch die Umschaltung von der Messfrequenz (MF) auf die Prüffrequenz (PF) nicht. Der Messwert (S4) steigt infolge der Trägheit des Reglers (CT) weiter mist zu einem maximalen Signalpunkt (SIG) an. Das System regelt sich somit mit einem kleinen Ausschlag aus.
6 zeigt den Fall, dass es sich um eine Störung durch einen Störer handelt. Der Störer führt zu einem hier beispielhaft gewählten Ausschlag nach unten. Das Signal gerät wieder in die Prüfzone (PZ). In diesem Fall handelt es sich jedochum die untere Prüfzone (PZ). Das System schaltet wieder von der Messfrequenz (MF) auf die Prüffrequenz (PF) um. Der entsprechende Bereich ist wieder durch einen gestrichelten Kreis umgeben. Die Umschaltun führt jedoch dazu, dass der Messwert (S4) die Prüfzone nicht verlässt, sondern sich wieder dem zuvor bestehenden Mittelwert des Messwertes (S4) annähert. Das bedeutet, dass der Messwert bei der Messfrequenz (MF) gestört war. Somit kann eine Bewertungseinrichtung feststellen, dass der Messwert (S4) bei der Prüffrequenz (PF) mehr als erlaubt von dem Messwert (S4) bei der Messfrequenz (MF) abweicht. Die Prüffrequenz wird daraufhin von einer Steuerungseinrichtung als neue Messfrequenz (NMF) eingestellt. Die dritte Modulationsfrequenz wird von der Steuerungseinrichtung als neue Prüffrequenz (NPF) eingestellt. Ein darauf folgendes echtes Ereignis kann dann korrekt in der Art, wie bei 5 beschrieben erfasst werden. Bei diesem Ereignis wird die Messung dann mit der somit neu eingestellten Messfrequenz (NMF) und der neuen Prüffrequenz (NPF) gemessen. Der Punkt der Prüfung mit der neuen Prüffrequenz ist wieder mit einem gestrichelten Kreis umgeben.
Bei dem erfindungsgemäßen handelt es sich also um eines zum Betreiben eines kompensierten Sensorsystems wobei diese aus mindestens einem Empfänger D, dem Sensor, mindestens einem Kompensationssender (K) und mindestens einer Regelschleife mit einem Regler (CT), der im ungestörten Betriebsfall durch kompensierende Regelung eines monofrequent modulierten Sendesignals (S5) des Senders (H) und/oder eines monofrequent modulierten Kompensationssendesignals (S3) des Kompensationssender (K) das Empfängerausgangssignal (S0) des Empfängers (D) so ausregelt, das es bis auf einen Regelfehler und Systemrauschen das Empfängerausgangssignals (S0) keine Anteile des Sendesignals (S5) und/oder des Kompensationssendesignals (S3) mehr enthält. Dies betrifft auch den diskutierten Fall einer komplementären Regelung des Duty-Cycles von Kompensationssendesignal (S3) und Sendesignal (S5). Dabei gibt der Regler (CT) zumindest.
Das Sensorsystem kann dabei bei zumindest drei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen (potenzielle Mess- und Prüffrequenzen) durch eine Steuereinheit betrieben werden. Dabei wird das Sensorsystem bei zumindest bei zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen, der Mess- und der Prüffrequenz, durch eine Steuereinheit betrieben. Die Messergebnisse für die Messung bei Mess- und Prüffrequenz werden durch eine Bewertungseinheit zumindest auf den Zustand „ungestört” geprüft. Abhängig vom Prüfungsergebnis erzeugt die Bewertungseinheit eine Bewertung „ungestört” oder „gestört”. Im einfachsten Fall wird die Bewertung „gestört” vergeben, wenn die Bewertung „ungestört” nicht vergeben werden kann.
In einer konkreteren Ausprägung ist das erfindungsgemäße Verfahren dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwert als „ungestört” durch die Bewertungseinheit bewertet wird, wenn sich dieser Messwert von dem Messwert einer zweiten Modulationsfrequenz, typischerweise der Prüffrequenz, mindestens jedoch von den Messwerten der Mehrheit der anderen Modulationsfrequenzen, um nicht mehr als 50% und/oder nicht mehr als 25% und/oder nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% und/oder nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% unterscheidet.
In einer zweiten Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dieses dadurch aus, dass ein Messwert bei der Messfrequenz als „gestört” durch die Bewertungseinheit bewertet wird, wenn sich dieser Messwert von dem Messwert bei mindestens einer zweiten und einer dritten Modulationsfrequenz, typischerweise der Prüffrequenz, um mehr als 50% und/oder mehr als 25% und/oder mehr als 10% und/oder mehr als 5% und/oder mehr als 2% und/oder mehr als 1% und/oder mehr als 0,5% unterscheidet.
In einer dritten Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich diese dadurch aus, dass die Bewertung durch die Bewertungseinheit vorgenommen wird, wenn der Messwert bei der Messfrequenz um mehr als 1% und/oder mehr als 2% und/oder mehr als 5% und/oder mehr als 10% vom Mittelwert dieses Messwertes integriert über eine Zeitkonstante τ abweicht.
Dabei sollte diese Zeitkonstante τ kürzer als die Zeitkonstante der Regelung durch den Regler (CT) sein.
In einer vierten Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dieses dadurch aus, dass mindestens eine der mindestens drei Modulationsfrequenzen, die gleichzeitig mit der Messfrequenz nicht gleich ist, als Prüffrequenz dient und eine neue Messfrequenz dann durch eine Steuereinheit gesucht wird, wenn die Bewertung des Messergebnisses bei der Prüffrequenz im Vergleich zum Messergebnis bei der Messfrequenz eine Bewertung durch die Bewertungseinheit als „gestört” ergibt.
In einer fünften Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dieses dadurch aus, dass die bisherige Prüffrequenz durch eine Steuereinheit als neuen Messfrequenz eingestellt wird, wenn die Bewertung durch die Bewertungseinheit des Messergebnisses bei der Prüffrequenz im Vergleich zum Messergebnis bei der Messfrequenz eine Bewertung durch die Bewertungseinheit als „gestört” ergibt.
In einer sechsten Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dieses dadurch aus, dass eine der Modulationsfrequenzen, die weder Mess- noch Prüffrequenz ist, als neue Prüffrequenz durch eine Steuereinheit eingestellt wird, wenn die Bewertung des Messergebnisses bei der Prüffrequenz durch eine Bewertungseinheit im Vergleich zum Messergebnis bei der Messfrequenz eine Bewertung durch die Bewertungseinheit als „gestört” ergibt.
In einer siebten Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dieses dadurch aus, dass der Regler eine Frequenzbandbreite des geöffneten Regelkreises aufweist, die betragsmäßig kleiner als +/–10%, besser betragsmäßig kleiner als +/–5% besser betragsmäßig kleiner als +/–2%, besser betragsmäßig kleiner als +/–1%, besser betragsmäßig kleiner als +/–0,5% als die Modulationsfrequenz des Sendesignals (S5) bzw. des Kompensationssendesignals (S3) ist.
In einer achten Konkretisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnet sich dieses dadurch aus, dass die Unterschiede der Modulationsfrequenzen benachbarter Modulationsfrequenzen kleiner als das Zehnfache und/oder kleiner als das doppelte und/oder kleiner als das einfache und/oder größer als das halbe und/oder größer als zwei Zehntel und/oder größer eine Zehntel der Frequenzbandbreite des Reglers (CT) betragen.
Die Vorrichtung und das Verfahren sind besonders für die Verwendung in Automobilen mit erhöhten Anforderungen hinsichtlich der elektromagnetischen Verträglichkeit geeignet.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10001955 A1 [0001]
DE 10024156 A1 [0001]
DE 19839730 C1 [0001]
DE 10346741 B3 [0001]
DE 102004025345 B3 [0001]
DE 102005010745 B3 [0001]
DE 102007005187 B4 [0001]
DE 102013003791 [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines kompensierten Sensorsystems bestehend aus mindestens einem Empfänger D (Sensor), mindestens einem Kompensationssender (K) und mindestens einer Regelschleife mit einem Regler (CT), der im ungestörten Betriebsfall durch kompensierende Regelung eines monofrequent modulierten Sendesignals (S5) des Senders (H) und/oder eines monofrequent modulierten Kompensationssendesignals (S3) des Kompensationssender (K) das Empfängerausgangssignal (S0) des Empfängers (D) so ausregelt, das es bis auf einen Regelfehler und Systemrauschen das Empfängerausgangssignals (S0) keine Anteile des Sendesignals (S5) und/oder des Kompensationssendesignals (S3) mehr enthält, wobei der Regler (CT) zumindest zeitweise ein Signal (S4) ausgibt, dass das Messergebnis enthält, dadurch gekennzeichnet, – dass das Sensorsystem bei zumindest drei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen (potenzielle Mess- und Prüffrequenzen) durch eine Steuereinheit betrieben werden kann und – dass das Sensorsystem bei zumindest zwei unterschiedlichen Modulationsfrequenzen (Mess- und Prüffrequenz) durch eine Steuereinheit betrieben wird und- dass die Messergebnisse für die Mess- und Prüffrequenz durch eine Bewertungseinheit auf den Zustand „ungestört” geprüft werden und, – eine Bewertung „ungestört” oder „gestört” durch die Bewertungseinheit erzeugt wird.
Verfahren nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwert als „ungestört” durch die Bewertungseinheit bewertet wird, wenn sich dieser Messwert von dem Messwert einer zweiten Modulationsfrequenz, mindestens jedoch von den Messwerten der Mehrheit der Modulationsfrequenzen, um nicht mehr als 50% und/oder nicht mehr als 25% und/oder nicht mehr als 10% und/oder nicht mehr als 5% und/oder nicht mehr als 2% und/oder nicht mehr als 1% und/oder nicht mehr als 0,5% unterscheidet.
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass ein Messwert als „gestört” durch die Bewertungseinheit bewertet wird, wenn sich dieser Messwert von dem Messwert mindestens einer zweiten und einer dritten Modulationsfrequenz um mehr als 50% und/oder mehr als 25% und/oder mehr als 10% und/oder mehr als 5% und/oder mehr als 2% und/oder mehr als 1% und/oder mehr als 0,5% unterscheidet.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Bewertung durch die Bewertungseinheit vorgenommen wird, wenn der Messwert bei der Messfrequenz um mehr als 1% und/oder mehr als 2% und/oder mehr als 5% und/oder mehr als 10% vom Mittelwert dieses Messwertes integriert über eine Zeitkonstante τ abweicht.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4 dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine der mindestens drei Modulationsfrequenzen, die mit der Messfrequenz nicht gleich ist, als Prüffrequenz dient und eine neue Messfrequenz dann gesucht wird, wenn die Bewertung des Messergebnisses bei der Prüffrequenz im Vergleich zum Messergebnis bei der Messfrequenz eine Bewertung als „gestört” ergibt.
Verfahren nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, dass die bisherige Prüffrequenz zur neuen Messfrequenz wird, wenn die Bewertung des Messergebnisses bei der Prüffrequenz im Vergleich zum Messergebnis bei der Messfrequenz eine Bewertung als „gestört” ergibt.
Verfahren nach Anspruch 5 oder 6 dadurch gekennzeichnet, dass eine der Modulationsfrequenzen, die weder Mess- noch Prüffrequenz ist, zur neuen Prüffrequenz wird, wenn die Bewertung des Messergebnisses bei der Prüffrequenz im Vergleich zum Messergebnis bei der Messfrequenz eine Bewertung als „gestört” ergibt.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7 dadurch gekennzeichnet, dass der Regler eine Frequenzbandbreite des geöffneten Regelkreises aufweist, die betragsmäßig kleiner als +/–10%, besser betragsmäßig kleiner als +/–5% besser betragsmäßig kleiner als +/–2% besser betragsmäßig kleiner als +/–1%, besser betragsmäßig kleiner als +/–0,5% als die Modulationsfrequenz des Sendesignals (S5) bzw. des Kompensationssendesignals (S3) ist.
Verfahren nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8 dadurch gekennzeichnet, dass die Unterschiede der Modulationsfrequenzen benachbarter Modulationsfrequenzen kleiner als das Zehnfache und/oder kleiner als das doppelte und/oder kleiner als das einfache und/oder größer als das halbe und/oder größer als zwei Zehntel und/oder größer eine Zehntel der Frequenzbandbreite des Reglers (CT) betragen.
Vorrichtung zur optischen Vermessung einer Übertragungsstrecke (I1, I2, O) mit mindestens einem Sender (H) und einem Kompensationssender (K) und mindestens einem Empfänger (D) und einem Regler (CT) wobei der mindestens eine Sender (H) und der mindestens eine Kompensationssender (K) jeweils mit einem zeitlich komplementären Modulationssignal (S5, S3) betrieben werden und wobei der Regler (CT) mindestens einen der Kompensationssender (K) und/oder den mindestens einen Sender (H) zeitlich komplementär so steuert, dass das Ausgangssignal (S0) des mindestens einen Empfängers (D) bis auf einen Regelfehler und Signalrauschen keine Anteile des Sendersignals (S5) und des Kompensationssendersignals (S3) mehr enthält gekennzeichnet dadurch, a. dass der Kompensationssender über einen Kompensationspfad in Form einer dritten Übertragungsstrecke (I3) in den Empfänger (D) einstrahlt und b. dass der Kompensationssender (K) in einer Kompensationssenderkavität (CAV_K) platziert ist und c. und dass dieser Kompensationspfad (I3) i. ein Kompensationspfadfenster (WK) und ii. einen Reflektor (R) umfasst und d. dass der Reflektor (R) die räumliche Verteilung des Lichts des Kompensationssenders (K) auf dem Empfänger (D) verändert und e. dass das Kompensationspfadfenster (WK) die Intensität des Lichts des Kompensationssenders (K) auf dem Empfänger (D) reduziert.