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Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Näherungsschalters nach dem Lichtlaufzeitprinzip entsprechend dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1. Weiterhin wird ein erfindungsgemäß betriebener optischer Näherungsschalter beansprucht.
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Optische Näherungsschalter sind in der Automatisierungstechnik weit verbreitet. Neben den energetischen Tastern gibt es sowohl nach dem Triangulationsprinzip als auch nach dem Lichtlaufzeitprinzip arbeitende optische Näherungsschalter. Geräte diese Art werden auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
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Eine bekannte Methode zur Messung der Lichtlaufzeit (time-of-flight) ist der Phasenvergleich zwischen einem vorzugsweise moduliertem Sendesignal und dem von einem Objekt reflektierten Empfangssignal.
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Ein für diese Messung geeignetes, nach dem Phasenlaufzeitprinzip arbeitendes Bauelement ist aus der
DE 198 21 974 B4 bekannt. Die dort beschriebenen Photomischdetektoren (PMD) weisen zwei lichtempfindliche Modulationsphotogates und zwei nicht lichtempfindliche Akkumulationsgates auf. Die Modulationsphotogates sind mit einer Moduliereinrichtung und die Akkumulationsgates mit einer Ausleseeinrichtung verbunden. Diese Mischelemente sind auch als PMD-Pixel oder PMD-Empfänger bekannt. Da sie zur Erzeugung dreidimensionaler Kamerabilder entwickelt wurden, erfassen sie neben den aus der Laufzeit stammenden Phasendifferenzen auch die Amplitude des von einem Objekt reflektierten Sendesignals.
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Mit einem solchen PMD-Einzelempfänger ausgestattete Abstandssensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung O1D, OID oder O5D angeboten. Sie können ein analoges Abstandssignal oder ein binäres Schaltsignal (Objektfeststellungssignal) erzeugen, und somit auch als optische Näherungsschalter betrieben werden.
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Aus der
EP 1 312 936 A2 ist eine nach dem Phasenvergleichsprinzip arbeitende Vorrichtung zur Überwachung eines Schutzfeldes bekannt, die ein binäres Objektfeststellungssignal generiert. Um ein unnötiges Wechseln der Schaltzustände bei geringfügigen Schwankungen des Demodulationssignals zu vermeiden, wird mindestens ein zweiter Schwellwert zur Erzeugung einer (Schalt-) Hysterese generiert.
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Auf diese Weise entsteht an Stelle des „exakten“ Abstandes ein von der gewählten Hysterese abhängiges Abstandsintervall. Da bei der Wahl der Hysterese auch die bei schwarzen Objekten auftretende Schwankung des Messwertes zu berücksichtigen ist, ist die Hysterese für viele Anwendungen größer als notwendig.
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Um den die Auflösung des Sensors begrenzenden Hysteresebereich zu vermeiden, lehrt die
DE 10 2008 020 416 B3 , Häufigkeitsverteilungen durch einen Einlernvorgang zu generieren, um eine Gewichtsfunktion zu ermitteln, welche den Wertebereich in einen ersten und einen zweiten Schaltzustand unterteilt. Nachteilig ist der aufwändige Einlernvorgang.
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DE 10 2009 046 812 B3 zeigt ein für optische Näherungsschalter mit Lichtlaufzeitempfänger geeignetes Verfahren mit einer vom Objektabstand abhängigen Hysterese, wobei der Schaltausgang aktiviert wird, wenn der gemessene Objektabstand den Schaltabstand SAE erreicht, und der Schaltausgang deaktiviert wird, wenn ein Objektabstand SAE+H(SAE) gemessen wird. Das Reflexionsvermögen (Reflektivität) des Objektes wird dabei nicht berücksichtigt.
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Wie aus dem Datenblatt des von der ifm electronic gmbh hergestellten optischen Abstandssensors O1D101 bekannt ist, hängen Genauigkeit und Reproduzierbarkeit der Messung von der Reflektivität der Objekte ab. Deshalb sollte die Hysterese so gewählt werden, dass sich die Toleranzbereiche nicht überlappen können, was wiederum zu einer unerwünscht großen Hysterese führt.
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Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die Nachteile des Standes der Technik zumindest teilweise zu überwinden und ein Verfahren zur Einstellung der Hysterese für die nach dem Phasenvergleichsprinzip arbeitenden optischen Näherungsschalter, sowie eine geeignete Anordnung anzugeben.
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Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung des Verfahrens, sowie eine zur Lösung der Aufgabe geeignete Anordnung.
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Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, die Amplitude des Empfangssignals oder auch das Signal-Rausch-Verhältnis als Kriterium für die Festlegung der Hysterese zu verwenden. So bleibt das oben genannte Abstandsintervall bei gut reflektierenden Messobjekten mit starken Empfangssignalen bzw. guten Signal-Rausch-Verhältnissen klein, ohne die Arbeit mit weniger gut reflektierenden Objekten zu verbieten. Weiterhin ergibt sich die Möglichkeit, sichere von unsicheren Zuständen zu unterscheiden, und das anhand der Hysterese zu signalisieren.
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Hierbei wird der Objektabstand anhand der Lichtlaufzeit bestimmt und die Amplitude des reflektierten Lichtsignals gemessen. Mit Hilfe dieser beiden Messwerte wird eine Reflektivität R des Messobjekts ermittelt und schließlich eine vom Objektabstand und der Reflektivität des Objekts abhängiger Wert für die Hysterese festgelegt, wobei dieser Wert mit fallender Amplitude, d. h. mit wachsendem Abstand oder Verschlechterung der Reflektivität zunimmt.
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Hierbei kann Hysterese einer in der Steuereinheit des Näherungsschalters hinterlegten Tabelle entnommen werden, von einem Mikroprozessor nach einem ebenfalls dort hinterlegtem Algorithmus berechnet, über ein Kommunikationsunterface (Datenschnittstelle), z.B. einem IO-Link, oder manuell über eine Tastatur bzw. über ein Potentiometer eingegeben werden.
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Ein Einlernvorgang, bei dem das Objekt in verschiedenen Abständen gezeigt und seine Reflektivität anhand der Amplitude gemessen wird, ist ebenfalls möglich. Es kann auch ein Mittelwert aus mehreren Messungen oder deren Standardabweichung als Kriterium für die Festlegung der Hysterese verwendet werden.
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Bei starken Signalen oder kleinen Standardabweichungen können die Hysterese und damit auch das Hystereseintervall klein bleiben. Bei schwachen und verrauschten Signalen wird eine größere Hysterese gewählt, damit es nicht zu den oben genannten unerwünschten Signalwechseln am Schaltausgang kommt.
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Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit dem oben genannten PMD-Empfänger realisiert werden, wobei ein Objektabstand E in einem vorgegeben (Überwachungs-) Bereich mittels eines Lichtlaufzeitverfahrens ermittelt, und zusätzlich ein Amplitudensignal ausgegeben wird.
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Der vorgegebene Bereich wird in bekannter Weise durch einen einstellbaren Schaltabstand SAE begrenzt, wobei der binäre Schaltausgang aktiviert wird, wenn ein Objektabstand E1<SAE detektiert wird. Er wird deaktiviert, wenn ein Objektabstand E2>SAE+H(SAE) detektiert wird. Erfindungsgemäß ist im optischen Näherungsschalter eine vom Schaltabstand SAE und einer Reflektivität R abhängige Hysterese H(SAE,R) hinterlegt, wobei nach der Aktivierung des Schaltausgangs neben dem Objektabstand E2 auch die Reflektivität R des Objekts ermittelt wird, und der Schaltausgang erst dann deaktiviert wird, wenn die Bedingung E2< H(SAE,R) erfüllt ist.
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In einer vorteilhaften Ausgestaltung wird die Reflektivität R bei der Aktivierung des Schaltausgangs als Reflektivität R1 gespeichert und nach Aktivierung des Schaltausgangs die aktuelle Reflektivität R2 gemessen, wobei eine Hysterese H(SAE,R1,R2) in Abhängigkeit von der nach Aktivierung des Schaltausgangs gemessenen Reflektivität R2 bestimmt wird.
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Die Lehre der Erfindung kann selbstverständlich auch bei Dunkelschaltung (Kontrastumkehr) angewendet werden. In diesem Fall sind Einschalt- und Ausschaltvorgang zu vertauschen.
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Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert.
- 1 zeigt einen optischen Näherungsschalter mit PMD-Empfänger als Prinzipschaltbild, 2 zeigt den typischen Verlauf der Hysterese für gut und schwach reflektierende Objekte,
- 3 zeigt eine weitere Darstellung der Hysterese für verschiedenen Objekte und Abstände.
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Die 1 zeigt die wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen optischen Näherungsschalters nach dem Phasenlaufzeitprinzip mit einem PMD-Empfänger 3 in einer grob vereinfachten, schematischen Darstellung.
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Der Sender 1 kann ein sinusförmiges oder wie hier gezeigt, auch rechteckig moduliertes Lichtsignal aussenden. Das Lichtsignal wird von Messobjekt 4 reflektiert und kommt um die Lichtlaufzeit phasenverschoben am PMD-Empfänger 3 an, der in bekannter Weise mit verschiedenen Phasen des Sendesignals wie 0° und 180° bzw. 90° und 270° moduliert wird. Die so entstehenden Ladungen qa und qb werden einer Auswertereinheit 5 zugeführt, die ein den Objektabstand E repräsentierendes Phasensignal 8 (Phasenlaufzeit) und ein u. a. auch das Reflexionsvermögen R repräsentierendes Amplitudensignal 9 erzeugen kann.
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Ausgegeben wird in der Regel ein Analogsignal oder ein binäres Schaltsignal, dessen Hysterese H bisher in bekannter Weise allein vom gemessenen Objektabstand E abhängig war. Erfindungsgemäß wird, wie in der folgenden 2 gezeigt, das Reflexionsvermögen R des Objekts 4, und damit auch die Signalamplitude und das Rauschverhalten berücksichtigt.
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Um ein statistisches Schalten des Näherungsschalters bei einem festen Objektabstand zu verhindern, sind zwei Schaltschwellen im Näherungsschalter hinterlegt. Eine Schaltschwelle für das Einschalten und eine Schaltschwelle für das Ausschalten. Diese beiden Schwellen definieren die Hysterese. Beiden Schaltschwellen ist ein entsprechender Abstand vom Sensor, nämlich ein Einschalt- und ein Ausschaltabstand zugeordnet. Sobald der Abstandsmesswert eines detektierten Objekts unterhalb des Einschaltabstands bzw. oberhalb des Ausschaltabstands liegt, schaltet der Sensor Ein bzw. Aus.
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Der Hysteresebereich zwischen Einschalt- und Ausschaltabstand muss mindestens so breit gewählt werden, dass ein Objekt, das sich in der Mitte dieses Bereichs befindet, aufgrund der Messwertschwankungen nicht zu einem statistischem Schaltwechsel führt, d. h. der Hysteresebereich muss zwingend größer als die Messunsicherheit sein.
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Die Messunsicherheit ist bei optischen Näherungsschaltern im Wesentlichen von zwei Faktoren abhängig, einerseits vom Abstand zum Näherungsschalter und andererseits von der Reflektivität des Objekts.
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Die 2 zeigt einen empirisch gefundenen typischen Verlauf der Hysterese für gut und schwach reflektierende Objekte als Funktion des Abstandes. Die obere Kurve betrifft ein Objekt mit 6% Reflexionsvermögen mit einer niedrigen Empfangsamplitude. Die untere Kurve betrifft ein Objekt mit 90% Reflexionsvermögen mit einer entsprechend hohen Empfangsamplitude und guten Signal-Rausch-Verhältnis S/N.
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Die Reflektivität (Reflexionsvermögen) R eines Objekts kann bei bekanntem Objektabstand aus der Amplitude, z. B. aus dem am PMD-Empfänger entstehenden Summensignal qa+qb, gewonnen werden, da sich die Amplitude proportional zu Reflektivität verhält.
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Bei Kenntnis der Amplitude als Funktion des Objektabstandes für ein Referenzobjekt lässt sich die Reflektivität jedes beliebigen unbekannten Objektes bei beliebigem Abstand abschätzen.
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Wird z. B. die Amplitude eines schwarzen Objekts (6%) im Werksabgleich über den gesamten Messabstand ermittelt, so kann der Näherungsschalter fortan jeder gemessenen Amplitude einen Helligkeitsfaktor im Verhältnis zu dem Referenzobjekt (6%) zuordnen.
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Sofern die Streuung der Messwerte von hauptsächlich durch Fremdlicht hervorgerufenem Schrotrauschen dominiert ist, kann man davon ausgehen, dass sich die Messwertstreuung um den Faktor 1 / Wurzel des Helligkeitsfaktors reduziert. Folglich kann die Hysterese H im gleichen Maßstab reduziert werden.
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Die 3 zeigt den Signalwechsel für Objekte mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen in verschiedenen Schaltabständen SAE, wobei die Pfeile die Einschalt- und Ausschaltpunkte markieren.
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Die Hysterese nimmt mit wachsendem Abstand und geringerem Reflexionsvermögen, d. h. mit schwächerer Signalamplitude und erhöhtem Rauschen zu.
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Die Punktlinien zeigen die Messunsicherheit, und damit auch die tatsächlich möglichen maximalen und minimalen Schaltabstände Sein und Saus.
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Die Hysterese H wurde hier so gewählt, dass der Abstand der Messunsicherheitsintervalle (verbotener Bereich) stets gleich groß ist, was die Erfindung aber nicht einschränken soll. Die Messunsicherheitsintervalle sollten sich aber keinesfalls überlappen.
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Um für langsam bewegte Objekte mit unterschiedlichem Reflexionsvermögen stets den gleichen physikalischen Schaltpunkt zu erzeugen, sind die Schaltschwellen an die jeweilige, hier mit Smax in bezeichnete obere Grenze des Messunsicherheitsintervalls anzupassen.
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Für sicherheitsrelevante Anwendungen, kann es auch erforderlich sein, Smin zu verwenden.
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Abschließend sei noch bemerkt, dass die Lehre der Erfindung bei Vordergrundausblendung, für mehrere Schaltpunkte oder auch bei Kontrastumkehr (Dunkelschaltung) in entsprechend angepasster Form ebenfalls anwendbar ist.
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Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert. Der optische Näherungsschalter überwacht einen Bereich, der sich vom Näherungsschalter S bis zum Schaltabstand SAE 60% erstreckt. Sobald ein Objekt in diesen Bereich eindringt sollte der Schalter reagieren. Wird also ein Objektabstand E1 detektiert, der kleiner als der Schaltabstand SAE ist, wird der Schaltausgang aktiviert, der Schalter geht in den Ein Zustand. Häufig ist am Näherungsschalter eine Schaltzustands-LED vorgesehen, die signalisiert, wenn ein Objekt im Überwachungsbereich detektiert worden ist. Diese Information wird auch an eine Steuerung weitergeleitet, die das Schaltsignal auswertet oder verarbeitet. Bei der Steuerung kann es sich um eine SPS oder eine Überwachungseinheit handeln.
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Der Schaltabstand SAE ist zwischen 10-100% des Nennschaltabstands einstellbar, damit der Anwender diesen an seine konkrete Überwachungssituation anpassen kann.
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Häufig werden mit optischen Näherungsschaltern Objekte (z. B. schwarze Verpackungen), die auf einem Fertigungsband senkrecht zur Achse des Näherungsschalters vorbeilaufen, erfasst.
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Verlässt das Objekt den Überwachungsbereich soll der Schalter wieder in den AusZustand wechseln.
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Nach dem Einschalten des Näherungsschalters ist der Hysteresebereich noch nicht definiert.
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Wird ein Objektabstand ermittelt, der größer als der Schaltabstand SAE 60 ist, das kann z. B. der Hintergrund sein, vor dem die Verpackungen durchlaufen, so wird als erstes die Reflektivität dieses Objektes (weiße Wand als Hintergrund) ermittelt. Dazu kann z. B. eine im Näherungsschalter abgelegte Kurvenschar herangezogen werden, die die Reflektivität verschieden stark reflektierender Objekte als Funktion des Abstandes angibt. Zu dem Objekt (weißer Hintergrund) kann aufgrund des gemessenen Objektabstands die Reflektivität R 90% angegeben werden. Mit dieser ermittelten Reflektivität 90% wird über die in 2 angegeben Kurvenschar der zu dem gewählten Schaltabstand 60 passende Hysteresebereich 0.8 ermittelt.
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Ist der gemessene Objektabstand größer als 60+0.8% *60 = 60,48 so wird der Schaltausgang deaktiviert, d. h. der Näherungsschalter geht in den Aus Zustand. Einen wesentlichen Vorteil, den die Erfindung bietet besteht darin, dass für schwarze Objekte, die vor einem weißen Hintergrund zu detektieren sind, trotz der relativ hohen Messunsicherheit für schwarze Objekte ein schmaler Hysteresebereich gewählt werden kann, weil ein schwarzes Objekt, das sich relativ nahe zum Schaltabstand vorbeibewegt wird, den Schalter zwar Einschalten aber nicht wieder Ausschalten kann. Wird nämlich für das gleiche schwarze Objekt nach dem Einschalten ein Objektabstand ermittelt der größer als SAE ist, so wird seine Reflektivität bestimmt, die bei 6% liegt, was zu einem relativ großen Hysteresebereich führt, dessen Ende sogar hinter der weißen Wand als Hintergrund liegen kann.
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Bezugszeichenliste
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- 1
- Sender
- 2
- Oszillator
- 3
- PMD-Empfänger
- 4
- Objekt, Messobjekt
- 5
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 6
- Binärer Schaltausgang
- 7
- Analogausgang
- 8
- Phasensignal, Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangssignal
- 9
- Empfangsamplitude
- qa
- Ladung im Kanal a
- qb
- Ladung im Kanal b
- H
- Hysterese
- E
- Objektabstand
- SAE
- Schaltabstand
- R
- Reflektivität = Reflexionsvermögen des Objektes
