DE102014203381B4

DE102014203381B4 - Verfahren zum Betreiben eines optischen Näherungsschalters nach dem Lichtlaufzeitprinzip

Info

Publication number: DE102014203381B4
Application number: DE102014203381.0A
Authority: DE
Inventors: Rolf Fensterle; Hartmut Bielefeldt; Eduard Gjabri
Original assignee: IFM Electronic GmbH
Current assignee: IFM Electronic GmbH
Priority date: 2014-02-25
Filing date: 2014-02-25
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2034-02-26
Also published as: CN106030338A; CN106030338B; US20160363655A1; DE102014203381A1; WO2015128186A1; US10145943B2

Abstract

Verfahren zum Betreiben eines optischen Näherungsschalters mit einem binären Schaltausgang (6), wobei der Objektabstand durch Messung der Lichtlaufzeit bestimmt wird, die Schalthysterese als von der Lichtlaufzeit abhängiges Abstandsintervall definiert ist, und neben der Lichtlaufzeit auch die Amplitude des empfangenen Lichtsignals gemessen wird, wobei der Objektabstand anhand der Lichtlaufzeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des reflektierten Lichtsignals gemessen wird und die Hysterese des zu erzeugenden binären Schaltsignals in Abhängigkeit von der Amplitude und der Lichtlaufzeit des empfangenen Lichtsignals festgelegt wird, wobei die Hysterese mit fallender Amplitude zunimmt.

Description

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.
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 u. a. auch von der Anmelderin hergestellt und vertrieben.
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.
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.
Mit einem solchen PMD-Einzelempfänger ausgestattete Abstandssensoren werden von der Anmelderin unter der Bezeichnung O1D, OID oder O5D angeboten. Weiter ist aus der Bedienungsanleitung ein PMD 3D Sensor (O3D1xx) bekannt. Sie können ein analoges Abstandssignal oder ein binäres Schaltsignal (Objektfeststellungssignal) erzeugen, und somit auch als optische Näherungsschalter betrieben werden.
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 Schalthysterese generiert. Auf diese Weise entsteht allerdings an Stelle des „exakten“ Abstandes ein von der Hysterese abhängiges Abstandsintervall.
Da bei der Wahl der Hysterese die größtmögliche erlaubten Schwankung des Messwertes zu berücksichtigen sind, ist die Hysterese ist in vielen Fällen größer als eigentlich notwendig.
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.
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.
Diese Aufgabe wird entsprechend den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Die weiteren Ansprüche betreffen eine zur Lösung der Aufgabe geeignete Anordnung.
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. Zu diesem Zweck kann die aktuelle Schalthysterese als Abstandsintervall oder in Prozent angezeigt oder ausgegeben werden.
Im ersten Schritt wird der Objektabstand anhand der Lichtlaufzeit bestimmt. Im zweiten Schritt wird die Amplitude des reflektierten Lichtsignals gemessen. Im dritten Schritt wird die Hysterese des zu erzeugenden binären Schaltsignals in Abhängigkeit von der Amplitude und der Phase des empfangenen Lichtsignals festgelegt, wobei die Hysterese mit fallender Amplitude zunimmt.
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.
Ein Einlernvorgang, bei dem das Objekt in verschiedenen Abständen gezeigt und sein Reflexionsvermögen 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.
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, so dass es nicht zu den oben genannten unerwünschten Signalwechseln am Schaltausgang kommen kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann mit dem oben genannten PMD-Empfänger realisiert werden.
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

Die 1 zeigt die wesentlichen Baugruppen eines erfindungsgemäßen optischen Näherungsschalters nach dem Phasenlaufzeitprinzip mit einem PMD-Empfänger 3 in einer grob vereinfachten, schematischen Darstellung.
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 repräsentierendes Phasensignal 8 (Phasenlaufzeit) und ein u. a. auch das Reflexionsvermögen repräsentierendes Amplitudensignal 9 erzeugen kann.
Ausgegeben wird in der Regel ein Analogsignal oder ein binäres Schaltsignal, dessen Hysterese bisher in bekannter Weise allein vom gemessenen Objektabstand abhängig war. Erfindungsgemäß wird, wie in der folgenden 2 gezeigt, das Reflexionsvermögen des Objekts 4, und damit auch die Amplitude des Messsignals berücksichtigt.
Die 2 zeigt einen empirisch gefundenen typischen Verlauf der Hysterese für gut und schwach reflektierende Objekte. 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.
Die Reflektivität (Reflexionsvermögen) R eines Objekts kann bei bekanntem Objektabstand aus der Amplitude ermittelt werden, da sich die Amplitude proportional zu Reflektivität verhält.
Bei Kenntnis der Amplitude als Funktion des Objektabstandes für ein Referenzobjekt lässt sich die Reflektivität jedes beliebigen unbekannten Objektes bei beliebigem Abstand abschätzen.
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. $Helligkeitsfaktor = Amplitude - Objekt / Amplitude - Referenzobjekt$
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. $Reflektivit \ddot{a} t R = Reflexionsverm \ddot{o} gen des Objektes$
Liste der Bezugszeichen

1: Sender
2: Oszillator
3: PMD-Empfänger
4: Messobjekt
5: Steuer- und Auswerteeinheit
6: Binärer Schaltausgang
7: Analogausgang
8: Phase, Phasenverschiebung zwischen Sendesignal und Empfangssignal
9: Empfangsamplitude, Amplitudensignal
qa: Ladung im Kanal a
qb: Ladung im Kanal b

Claims

Verfahren zum Betreiben eines optischen Näherungsschalters mit einem binären Schaltausgang (6), wobei der Objektabstand durch Messung der Lichtlaufzeit bestimmt wird, die Schalthysterese als von der Lichtlaufzeit abhängiges Abstandsintervall definiert ist, und neben der Lichtlaufzeit auch die Amplitude des empfangenen Lichtsignals gemessen wird, wobei der Objektabstand anhand der Lichtlaufzeit bestimmt wird, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude des reflektierten Lichtsignals gemessen wird und die Hysterese des zu erzeugenden binären Schaltsignals in Abhängigkeit von der Amplitude und der Lichtlaufzeit des empfangenen Lichtsignals festgelegt wird, wobei die Hysterese mit fallender Amplitude zunimmt.
Optischer Näherungsschalter mit einem Sender (1), einem Empfänger (3) und einer Auswerteeinheit (5) mit einem binären Schaltausgang (6) zur Erzeugung eines binären Schaltsignals, wobei der Abstand eines Messobjekts (4) nach dem Lichtlaufzeitverfahren ermittelt wird und eine Schalthysterese die Differenz zwischen einem Einschaltpunkt und einem Ausschaltpunkt für einen Signalwechsel bestimmt, wobei die Auswerteeinheit die Schalthysterese anhand eines Schaltabstandes und einer Reflektivität des Messobjekts vorgibt.
Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektivität des Messobjekts als Kennwerttabelle in der Auswerteeinheit hinterlegt ist.
Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Reflektivität des Messobjekts manuell oder über eine Datenschnittstelle eingegeben wird.
Optischer Näherungsschalter nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Amplitude gemessen wird und die Reflektivität als Funktion des Schaltabstandes und der Amplitude nach einem im Näherungsschalter hinterlegten Algorithmus berechnet wird.
Optischer Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass der optische Empfänger ein PMD-Empfänger ist.
Optischer Näherungsschalter nach einem der Ansprüche 2 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die aktuelle Schalthysterese als Abstandsintervall oder in Prozent angezeigt oder ausgegeben wird.