DE102016122335A1

DE102016122335A1 - Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich und Verfahren zum Betreiben eines optischen Sensors

Info

Publication number: DE102016122335A1
Application number: DE102016122335.2A
Authority: DE
Inventors: Hinrik Weber; Ernst Tabel
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2016-11-21
Filing date: 2016-11-21
Publication date: 2018-05-24

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Lichtsender zum Aussenden von Sendelicht, insbesondere von Lichtpulsen, in den Überwachungsbereich, einem einen Empfänger zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich, insbesondere von nachzuweisenden Objekten, zurückgestrahltem Licht, insbesondere zurückgestrahlten Lichtpulsen, einer Steuer- und Auswerteeinheit, die mit dem Lichtsender und dem Empfänger zusammenwirkt, zum Ansteuern des Lichtsenders und zum Ermitteln eines Intensitätswerts, der das nachgewiesene, von dem Objekt zurückgestrahlte Licht quantitativ erfasst. Der erfindungsgemäße optische Sensor ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit außerdem eingerichtet ist zum Ermitteln einer Entfernung eines Objekts auf Grundlage des von diesem Objekt zurückgestrahlten Lichts und zum Bestimmen eines Ausgangssignals abhängig von der ermittelten Entfernung und dem ermittelten Intensitätswert und abhängig von hinterlegten Paaren von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten. Die Erfindung betrifft außerdem ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Sensors.

Description

Die Erfindung betrifft in einem ersten Gesichtspunkt einen optischen Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. In einem weiteren Aspekt bezieht sich die Erfindung auf ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Sensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 15.
Ein gattungsgemäßer optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich weist folgende Komponenten auf: einen Lichtsender zum Aussenden von Sendelicht, insbesondere von Lichtpulsen, in den Überwachungsbereich, einen Empfänger zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich, insbesondere von nachzuweisenden Objekten, zurückgestrahltem Licht, insbesondere zurückgestrahlten Lichtpulsen, und eine Steuer- und Auswerteeinheit, die mit dem Lichtsender und dem Empfänger zusammenwirkt, zum Ansteuern des Lichtsenders und zum Ermitteln eines Intensitätswerts, der das nachgewiesene, von dem Objekt zurückgestrahlte Licht quantitativ erfasst.
Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Betreiben eines optischen Sensors zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich werden mit einem Lichtsender Sendelicht, insbesondere Lichtpulse, in den Überwachungsbereich, ausgesendet, mit einem Empfänger wird aus dem Überwachungsbereich, insbesondere von nachzuweisenden Objekten, zurückgestrahltes Licht nachgewiesen, insbesondere werden zurückgestrahlte Lichtpulse nachgewiesen, und ein Intensitätswert wird ermittelt, der das nachgewiesene, von dem Objekt zurückgestrahlte Licht quantitativ erfasst.
Sensoren und Verfahren dieser Art sind in den unterschiedlichsten Ausprägungen bekannt. So werden heute überwiegend energetisch messende Sensoren eingesetzt, um beispielsweise zu erfassen, ob ein Retroreflektor vorhanden ist oder nicht. Die Sensoren dienen beispielsweise auch dazu, etwaige Strahlunterbrechungen, nämlich über starke Veränderungen der gemessenen optischen Energie, für Steuerungszwecke heranzuziehen.
In vergleichbarer Weise werden energetische Taster verwendet, um Objekte zu detektieren. Hier wird allerdings nicht eine Strahlunterbrechung, sondern das von einem Objekt direkt reflektierte Licht für die Auswertung herangezogen.
Die Detektion beruht jeweils allein auf einer energetischen Messung. Das führt oft zu Fehldetektionen, insbesondere wenn das zu messende Objekt eine stark schwankende Reflektivität aufweist oder nur schwer von einem Reflektor zu unterscheiden ist. Zu Fehldetektionen kann es auch kommen, wenn die Geometrie des Messaufbaus verändert oder manipuliert wurde, beispielsweise wenn eine Position des Reflektors verändert wurde.
Darüber hinaus bestehen bei einer rein energetischen Detektion weitere Limitierungen. So kommt bei sogenannten Reflexlichtschranken üblicherweise ein fest angebrachter Reflektor zum Einsatz. Das kann zu erheblichen Kosten führen.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, einen optischen Sensor mit gesteigerter Detektionssicherheit zu schaffen. Außerdem soll ein Verfahren zum Betreiben eines optischen Sensors mit gesteigerter Detektionssicherheit angegeben werden.
Diese Aufgabe wird durch den optischen Sensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 15 gelöst.
Der optische Sensor der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit außerdem eingerichtet ist zum Ermitteln einer Entfernung eines Objekts auf Grundlage des von diesem Objekt zurückgestrahlten Lichts und zum Bestimmen eines Ausgangssignals abhängig von der ermittelten Entfernung und dem ermittelten Intensitätswert und abhängig von hinterlegten Paaren von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten.
Das Verfahren der oben angegebenen Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass auf Grundlage des von einem Objekt zurückgestrahlten Lichts eine Entfernung dieses Objekts ermittelt wird und dass ein Ausgangssignal bestimmt wird abhängig von der ermittelten Entfernung und dem ermittelten Intensitätswert und abhängig von hinterlegten Paaren von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten.
Das erfindungsgemäße Verfahren kann insbesondere mit einem erfindungsgemäßen optischen Sensor durchgeführt werden.
Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors und bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden in der folgenden Beschreibung, insbesondere mit Bezug auf die abhängigen Ansprüche und die Figuren, beschrieben.
Unter einem optischen Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich wird im Rahmen dieser Beschreibung allgemein ein Gerät verstanden, bei dem Objekte in einem Überwachungsbereich mithilfe von elektromagnetischer Strahlung nachgewiesen werden. Ein Überwachungsbereich ist ein bestimmter Raumbereich.
Unter den Begriffen Licht, Sendelicht und Empfangslicht wird für die Zwecke dieser Beschreibung elektromagnetische Strahlung verstanden, die typischerweise bei optischen Sensoren verwendet wird. Dabei kann es sich um elektromagnetische Strahlung aus dem sichtbaren Bereich handeln. Häufig wird aber auch Infrarotstrahlung verwendet und theoretisch könnte auch UV-Licht zum Einsatz kommen.
Als Lichtsender können dabei grundsätzlich alle Quellen elektromagnetischer Strahlung verwendet werden, die die Strahlung in den gewünschten Wellenlängenbereichen mit der gewünschten Intensität aussenden. Besonders bevorzugt kommen bei optischen Sensoren der hier beschriebenen Art Leuchtdioden (LEDs) und/oder Laser, insbesondere Halbleiterlaser, im sichtbaren oder infraroten Bereich des Spektrums als Lichtsender zum Einsatz. Insbesondere können auch VCSELs (Englisch: Vertical-Cavity Surface-Emitting Laser) und RCLEDs (Englisch: Resonant-Cavity Light Emitting Diode; Leuchtdiode mit optischem Resonator) verwendet werden. Kurze Pulse der elektromagnetischen Strahlung werden als Lichtpulse bezeichnet. Die zeitliche Länge solcher Pulse kann über einen großen Bereich variieren, beispielsweise in dem Bereich von Nanosekunden bis Millisekunden.
Als Empfänger werden Einrichtungen bezeichnet, mit denen die elektromagnetische Strahlung nachgewiesen werden kann. Grundsätzlich können dabei alle Komponenten zum Einsatz kommen, mit denen die elektromagnetische Strahlung in den jeweiligen Wellenlängenbereichen hinreichend empfindlich nachgewiesen werden kann. Besonders bevorzugt weist der Empfänger Halbleiterdetektoren, nämlich Photodioden, insbesondere PIN-Dioden (Englisch: Positive Intrinsic Negative Diode) oder Avalanche-Dioden auf.
Als zurückgestrahltes Licht wird im Rahmen dieser Beschreibung elektromagnetische Strahlung bezeichnet, die durch irgendeinen Wechselwirkungsprozess in Richtung der Lichtquelle oder des Lichtsenders zurückgestrahlt wird. Beispielsweise kann das Sendelicht, insbesondere die Lichtpulse des Sendelichts, zurückreflektiert oder zurückgestreut werden.
Unter einem Intensitätswert, der das nachgewiesene von dem Objekt zurückgestrahlte Licht quantitativ erfasst, soll eine Größe verstanden werden, die jedenfalls mit einer Intensität der nachgewiesenen Strahlung oder einem Energiegehalt eines nachgewiesenen Lichtpulses monoton wächst. Insbesondere kann es sich bei dem Intensitätswert um eine Größe handeln, die proportional zur Intensität der nachgewiesenen Strahlung oder proportional zu einem Energiegehalt eines nachgewiesenen Lichtpulses ist. Grundsätzlich ist die Proportionalität aber keine Voraussetzung für die Funktionstüchtigkeit des erfindungsgemäßen optischen Sensors oder die Eignung des erfindungsgemäßen Verfahrens, Objekte besonders zuverlässig nachweisen und identifizieren zu können.
Mit dem Begriff einer Steuer- und Auswerteeinheit wird im Rahmen dieser Beschreibung eine elektronische Einrichtung verstanden, die in der Lage ist, die für den erfindungsgemäßen optischen Sensor und das erfindungsgemäße Verfahren notwendigen Steuer- und Auswertevorgänge durchzuführen. Insbesondere können Mikrocontroller oder vergleichbare programmierbare Komponenten mit sowohl digitaler wie auch analoger Funktionalität, beispielsweise Zeitmesseinrichtungen, Analog-DigitalWandler, zum Einsatz kommen.
Wenn im Rahmen dieser Beschreibung von einer Entfernung eines Objekts die Rede ist, so ist damit in der Regel die Entfernung eines Objekts in einem Überwachungsbereich zu dem optischen Sensor gemeint. Gegebenenfalls kann darunter aber auch eine Entfernung eines Objekts in dem Überwachungsbereich zu einem anderen Referenzpunkt, dessen räumliche Position sich in Relation zu dem optischen Sensor nicht ändert, verstanden werden.
Das erfindungsgemäß zu generierende Ausgangssignal wird bevorzugt an einer Schnittstelle des erfindungsgemäßen optischen Sensors nach außen abgegeben. Es ist prinzipiell aber auch möglich, dass das Ausgangssignal innerhalb des Sensors weiter verarbeitet wird. Beispielsweise kann daran gedacht werden, dass in einem Speicher des optischen Sensors abgelegt wird, wie oft ein Objekt eines bestimmten Typs in einem gewissen Zeitintervall erkannt wurde. Solche Daten könnten dann zu einem späteren Zeitpunkt wieder ausgelesen werden.
Als Sollentfernungen und Sollintensitätswerte werden Werte für Entfernungen und Intensitätswerte bezeichnet, die für den optischen Sensor als Vergleichs- und Referenzwerte für die aufgrund von Messdaten ermittelten Entfernungen und Intensitätswerte bei der Ermittlung des Ausgangssignals dienen.
Die Sollentfernungen und Sollintensitätswerte können in dem optischen Sensor selbst, beispielsweise in einem Speicher der Steuer- und Auswerteeinheit, gespeichert sein. Grundsätzlich reicht für die Realisierung der Erfindung aber aus, wenn die Sollentfernungen und Sollintensitätswerte in irgendeiner Weise abrufbar für den optischen Sensor hinterlegt sind. Es genügt, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit des optischen Sensors in irgendeiner Weise Zugriff auf die Paare von Sollentfernungen und Sollintensitätswerte hat. Beispielsweise könnte der optische Sensor diese Daten über einen Datenbus, an dem der Sensor angeschlossen ist, abrufen.
Als ein Kerngedanke der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, zusätzlich zu einer energetischen Messung eine, gegebenenfalls auch einfache, nicht hochgenaue Ermittlung einer Entfernung eines Objekts durchzuführen. Durch Vergleich mit zuvor hinterlegten Daten über Paare von Intensitätswerten und Entfernungen, die beispielsweise in einer Einlernphase bestimmt wurden, können im realen Messbetrieb erhaltene Messdaten auf ihre Plausibilität hin überprüft werden. Die Zuverlässigkeit der Auswertung wird so gesteigert.
Die Erfindung umgeht die oben erläuterten Schwierigkeiten also dadurch, dass neben der energetischen Messung, also einer Messung einer Energie eines einlaufenden Lichtpulses, auch eine Entfernung zu dem Objekt gemessen wird. Beispielsweise kann das über eine Messung der Laufzeit des Lichts zum Objekt erfolgen. Das bedeutet, dass die Zeitpunkte, zu denen ein Lichtpuls ausgesandt wird, zu dem der reflektierte Lichtpuls auf den Empfänger trifft, gemessen werden. Aus der Differenz dieser Zeitpunkte erhält man die Laufzeit und Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit liefert den doppelten Abstand des Objekts von dem Sensor. Solche Sensoren sind aus anderen Bereichen der Entfernungsmessung grundsätzlich bekannt.
Weil für die Zwecke der vorliegenden Erfindung die bei bekannten Entfernungsmessern bereitgestellte Genauigkeit nicht immer notwendig ist, können der Aufwand für Bestimmung der Geschwindigkeit und die damit zusammenhängenden Kosten vergleichsweise niedrig gehalten werden. Der erfindungsgemäße optische Sensor kann deshalb bei deutlich gesteigerter Funktionalität kostengünstig hergestellt werden.
Eine wesentliche Rolle spielt hierbei, dass für die Zwecke des erfindungsgemäßen optischen Sensors und das erfindungsgemäße optische Verfahren keine absolute Genauigkeit der Entfernungsmessung notwendig ist. Die dafür notwendigen aufwendigen Messverfahren und Kalibrierungsverfahren, die bei aus dem Stand der Technik bekannten Entfernungsmessgeräten einen wesentlichen Kostenfaktor darstellen, können deshalb bei der hier beschriebenen Erfindung gespart werden. Die vorliegende Erfindung umgeht diese Schwierigkeiten durch ein vereinfachtes Messverfahren und das Hinterlegen der Referenzdaten, also der Paare von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten, die beispielsweise im Rahmen einer Einlernphase bei der Installation des Sensors, gewonnen und in dem optischen Sensor hinterlegt werden können. Durch den Hinterlegungsvorgang, der auch als Installationsvorgang bezeichnet werden kann, reicht es aus, dass der erfindungsgemäße optische Sensor relative Entfernungswerte und Intensitätswerte, die auch als Reflektivitätsdaten bezeichnet werden können, liefert. Lediglich die Veränderung dieser Daten führt zu der gewünschten Detektion durch den Sensor.
Ein besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors ist dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, für ein Paar einer ermittelten Entfernung und eines ermittelten Intensitätswerts ein Ausgangssignal „Objekt x erkannt“ zu bestimmen, wenn die ermittelte Entfernung innerhalb eines festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit einer Sollentfernung übereinstimmt und der ermittelte Intensitätswert innerhalb eines weiteren festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit demjenigen Sollintensitätswert übereinstimmt, der zusammen mit der Sollentfernung, insbesondere in einem Speicher der Steuer- und Auswerteeinheit, als Paar hinterlegt ist. Das Ausgangssignal kann über eine Schnittstelle nach außen ausgegeben werden oder intern weiterverarbeitet werden.
Mit diesem Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen optischen Sensors korrespondieren Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens, bei denen für ein Paar einer ermittelten Entfernung und eines ermittelten Intensitätswerts ein Ausgangssignal „Objekt x erkannt“ bestimmt wird, wenn die ermittelte Entfernung innerhalb eines festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit einer Sollentfernung übereinstimmt und der ermittelte Intensitätswert innerhalb eines weiteren festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit demjenigen Sollintensitätswert übereinstimmt, der zusammen mit der Sollentfernung als Paar hinterlegt ist.
Durch diese Merkmale wird eine Plausibilitätsprüfung definiert, mit der die Detektionssicherheit erheblich gesteigert werden kann.
Für die Verwirklichung der vorliegenden Erfindung kommt es wesentlich darauf an, dass anhand des von einem nachzuweisenden Objekt in einem Überwachungsbereich zurückgestrahlten Lichts eine Entfernungsbestimmung durchgeführt wird. Wie diese Entfernung im Detail bestimmt wird, spielt zunächst eine nachrangige Rolle. Prinzipiell können dabei aus dem Stand der Technik bekannte Verfahren zum Einsatz kommen. Beispielsweise kann die Bestimmung der Entfernung eine Messung einer Laufzeit von Lichtpulsen, eine Messung eines Phasenversatzes des empfangenen Lichts im Vergleich zu dem ausgesendeten Licht und/oder eine Triangulationsmessung beinhalten.
Bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor kann also die Steuer- und Auswerteeinheit zum Ermitteln einer Entfernung zu einem nachzuweisenden Objekt auf Grundlage eines Phasenversatzes des von dem Empfänger nachgewiesenen Lichts im Vergleich zu dem Sendelicht eingerichtet sein.
Alternativ oder ergänzend kann der erfindungsgemäße optische Sensor auch als entfernungsmessender Triangulationssensor ausgebildet sein.
Besonders bevorzugt sind Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors, die zur Durchführung von Laufzeitmessungen eingerichtet sind. Dabei ist der Lichtsender zum Aussenden von Lichtpulsen eingerichtet, der Empfänger ist zum Empfangen von Lichtpulsen eingerichtet und die Steuer- und Auswerteeinheit ist zum Ermitteln einer Entfernung zu einem nachzuweisenden Objekt auf Grundlage einer Laufzeit der Lichtpulse eingerichtet. Der optische Sensor kann dann auch als Laufzeitsensor bezeichnet werden. Ein Vorteil von Laufzeitsensoren ist, dass diese auch für sehr große Objektentfernungen verwendbar sind.
Bei einer vorteilhaften Ausführung eines als Laufzeitsensor ausgebildeten erfindungsgemäßen optischen Sensors ist die Steuer- und Auswerteeinheit zum Durchführen einer analogen Zeitmessung, insbesondere auf Grundlage eines Lade- oder Entladevorgangs eines Kondensators, eingerichtet ist. Diese Variante ist wegen der geringen Kosten bevorzugt.
Eine bessere Genauigkeit der Entfernungsmessung, die bei Laufzeitsensoren naturgemäß mit der Genauigkeit der Zeitmessung zusammenhängt, kann bei Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen optischen Sensors erreicht werden, bei denen die Steuer- und Auswerteeinheit zum Durchführen einer digitalen Zeitmessung, insbesondere zum Zählen von Zählpulsen, eingerichtet ist. Es ist zu betonen, dass für die Zwecke der vorliegenden Erfindung, gemessen an prinzipiell bei Laufzeitsensoren erreichbaren Genauigkeiten, eine vergleichsweise geringe Genauigkeit bereits ausreicht, um die für die beschriebenen Plausibilitätsüberprüfung notwendigen Vergleiche mit hinterlegten Solldaten durchführen zu können. Das bedeutet, dass die Kostenvorteile auch bei Verwendung von digitalen Zeitmesseinrichtungen erhalten bleiben.
Weitere Genauigkeitssteigerungen und damit Steigerungen der Aussagekraft der beschriebenen Plausibilitätsüberprüfungen können erreicht werden, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit zum Durchführen einer kombinierten digitalen und analogen Zeitmessung eingerichtet ist.
Bei einer besonders bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen optischen Sensors ist eine Schnittstelleneinrichtung vorhanden zum Transfer von Information an die und/oder von der Steuer- und Auswerteeinheit, insbesondere zum Transfer der Paare von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten. Dieser Schnittstelleneinrichtung kommt eine besondere Bedeutung zu beispielsweise bei der Installation eines erfindungsgemäßen optischen Sensors an einem Einsatzort. Die Schnittstelleneinrichtung kann insbesondere dazu dienen, einem optischen Sensor bei dessen Installation die für den Messbetrieb notwendigen Referenzwerte, also die Paare von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten, die auch als Kombinationen von Messsignalen bezeichnet werden können, zu übermitteln.
Für die Schnittstelleneinrichtung kommt es grundsätzlich nur darauf an, dass sie in der gewünschten und definierten Weise einen Datentransfer ermöglicht. Beispielsweise kann die Schnittstelleneinrichtung eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, eine berührungslos arbeitende optische Schnittstelle und/oder eine NFC- Schnittstelle aufweisen. Prinzipiell können bekannte Schnittstellen und Schnittstellenprotokolle, beispielsweise auch Bus-Schnittstellen, zum Einsatz kommen.
Ein weiteres besonders bevorzugtes Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, in einem Einlernmodus über die Schnittstelleeinrichtung die Paare von Entfernungen und Intensitätswerten zu importieren und/oder zu exportieren. Beispielsweise kann der Einlernmodus im Rahmen eines Installationsvorgangs manuell gestartet werden. Dem erfindungsgemäßen optischen Sensor können dann die Objekte, die in einem späteren Messbetrieb zuverlässig erkannt werden müssen, präsentiert werden und die entsprechenden Intensitätswerte und Entfernungswerte können eingelernt werden. Die zu verschiedenen Objekten oder die zu ein und demselben Objekt in verschiedenen Entfernungen gehörenden Intensitätswerte können als Paare mit den jeweiligen Entfernungen hinterlegt, also abgespeichert werden.
Entsprechend zeichnet sich eine besonders bevorzugte Variante des erfindungsgemäßen Verfahrens dadurch aus, dass in einem Einlernmodus die Paare von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten über eine Schnittstelleneinrichtung an den optischen Sensor übergeben werden.
Grundsätzlich kommt es bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor nur darauf an, dass die Steuer- und Auswerteeinheit in irgendeiner Weise Zugriff auf die Paare von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten hat, damit diese bei der Generierung des Ausgangssignals berücksichtigt werden können. Zweckmäßig sind Varianten, bei denen die Paare von Sollentfernungen und Sollintensitätswerten in einem Speicher der Steuer- und Auswerteeinheit hinterlegt sind.
Weitere Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden mit Bezug auf die beigefügten schematischen Figuren erläutert. Darin zeigt:

1: ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors;
2: eine Veranschaulichung des Speicherinhalts der Steuer- und Auswerteeinheit des in 1 gezeigten Ausführungsbeispiels.

Das Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen optischen Sensors 100 wird mit Bezug auf 1 erläutert.
Der dargestellte optische Sensor 100, bei dem es sich beispielsweise um einen Laufzeitsensor handeln kann, weist als wesentliche Komponenten einen Sender 20, einen Empfänger 30 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 50 mit einem Speicher 52 auf, die in einem Gehäuse 70 untergebracht sind. Dem Sender 20 ist eine Sendeoptik 28 vorgeordnet und dem Empfänger 30 ist eine Empfangsoptik 38 vorgeordnet. Bei diesen optischen Komponenten kann es sich jeweils um eine Kombination von Linsen, Spiegeln und anderen lichtleitenden oder lichtmanipulierende Mitteln handeln. Wesentlich ist, dass das Sendelicht mit einer gewünschten räumlichen Verteilung abgestrahlt wird und das zu empfangende Licht aus einem gewünschten Raumvolumen erfasst wird.
Der Sender 20 ist über eine Verbindung 25 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 50 wirkungsmäßig verbunden. Der Empfänger 30 ist über eine Verbindung 35 mit der Steuer- und Auswerteeinheit 50 wirkungsmäßig verbunden. Die Verbindungen 25 und 35 können Kabelverbindungen sein.
Die Steuer- und Auswerteeinheit 50 weist eine Schnittstelleneinrichtung 60 auf, die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch Anschlüsse 62 repräsentiert ist.
Der erfindungsgemäße optische Sensor 100 und das erfindungsgemäße Verfahren arbeiten wie folgt: Der Sender 20 sendet Sendelicht 22 aus. Im gezeigten Beispiel wird das Sendelicht 22 in Form von Lichtpulsen 24 ausgesandt. Diese Lichtpulse 24 gelangen über die Sendeoptik 28 in einen Überwachungsbereich 40. In dem Überwachungsbereich 40 befindet sich ein nachzuweisendes Objekt 10, auf welches die Lichtpulse 24 auftreffen. Mindestens ein Teil des Sendelichts 22 und der Lichtpulse 24 wird durch das nachzuweisende Objekt 10 zurückgestrahlt. Das bedeutet, dass das Sendelicht 22, also die Lichtpulse 4 und 20 durch das nachzuweisende Objekt 10 reflektiert oder gestreut werden.
Das von dem nachzuweisenden Objekt 10 zurückgestrahlte Licht 32, besteht in dem in 1 gezeigten Fall im Wesentlichen aus zurückgestrahlten Lichtpulsen 34, die über die Empfangsoptik 38 auf den Empfänger 30 gelangen. In dem Empfänger 30 werden die eintreffenden Lichtpulse 34 nachgewiesen und jeweils in ein elektrisches Signal umgewandelt. Dieses elektrische Signal wird üblicherweise in einem Vorverstärker, der noch Teil des Empfängers 30 ist, impedanzmäßig gewandelt und gelangt dann über die Verbindung 35 in die Steuer- und Auswerteeinheit 50. Aus diesem gewandelten Signal ermittelt die Steuer- und Auswerteeinheit den Intensitätswert I. Dabei handelt es sich um eine Größe, die mindestens mit einem Energieinhalt oder einer Intensität des empfangenen Lichtpulses 34 monoton anwächst. Bevorzugt ist der ermittelte Intensitätswert proportional zu dem Energieinhalt des empfangenen Lichtpulses 34. Außerdem misst die Steuer- und Auswerteeinheit 50 die Laufzeit der Lichtpulse 24, also einen zeitlichen Abstand zwischen einem Zeitpunkt, zu dem die Lichtpulse 24 ausgesendet werden, und dem Zeitpunkt, zu dem die korrespondierenden zurückgestrahlten Pulse 34 in dem Empfänger 30 empfangen werden. Durch Multiplikation mit der Lichtgeschwindigkeit erhält man die Laufstrecke des Lichts, die durch den doppelten Abstand d, in dem sich das nachzuweisende Objekt 10 von dem optischen Sensor 100 befindet, gegeben ist.
Für die weitere Auswertung in dem erfindungsgemäßen optischen Sensor 100 wird eine Plausibilitätsüberprüfung des erhaltenen Paars eines Intensitätswerts I und einer Entfernung d durch Vergleich mit Paaren von Sollentfernungen ds und Sollintensitätswerten Is vorgenommen. 2 zeigt schematisch eine Tabelle 54, die in einem Speicher 52 der Steuer- und Auswerteeinheit 50 abgelegt sein kann. Diese Tabelle 54 beinhaltet Paare von Sollentfernungen ds und Sollintensitätswerten Is, die jeweils zu einem bestimmten Objekt in einer bestimmten Entfernung gehören. Beispielsweise können diese Daten im Rahmen einer Einlernphase, insbesondere bei der Installation des optischen Sensors, ermittelt und in dem Speicher 52 abgelegt worden sein.
Beispielsweise können die drei gezeigte Paare (d1, I1), (d2, I2), (d3, I3) jeweils denselben Wert für die Sollentfernung d1=d2=d3 aufweisen und sich nur in dem jeweiligen Sollintensitätswert unterscheiden. Das bedeutet, dass das erste Wertepaar (d1, I1) zu einem ersten Objekt und das zweite Wertepaar (d2, I2) zu einem zweiten Objekt gehört, dass sich im Hinblick auf seine Rückstrahlungs- oder Reflexionseigenschaften, von dem ersten Objekt unterscheidet. Das dritte Wertepaar (d3, I3) sodann gehört zu einem dritten Objekt, welches sich bezüglich seiner Rückstrahlung- oder Reflexionseigenschaften sowohl von dem ersten Objekt und als auch von dem zweiten Objekt unterscheidet.
Wenn die Intensitätswerte der drei Wertepaare (d1, I1), (d2, I2), (d3, I3) sich jeweils um eine Differenz unterscheiden, die größer ist als ein relevantes Genauigkeitsintervall, und wenn außerdem die im Rahmen einer Messung ermittelte Entfernung d innerhalb eines festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit der Sollentfernung d1=d2=d3 übereinstimmt und der bei derselben Messung ermittelte Intensitätswert I innerhalb eines weiteren festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit einem der Sollintensitätswerte I1, I2 oder I3 übereinstimmt, der zusammen mit der Sollentfernung d1=d2=d3 in dem Speicher 52 als Paar hinterlegt ist, kann die Steuer- und Auswerteeinheit ein Ausgangssignal „Objekt x erkannt“ ausgeben, wobei x = 1, x = 2 oder x = 3.
Besonders deutlich werden die Vorteile des erfindungsgemäßen optischen Sensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens bei dem nächsten Beispiel. Dabei sollen sich die drei Wertepaare (d1, I1), (d2, I2), (d3, I3) nur in den Werten für die Sollentfernungen unterscheiden. Es sei also 11=12=13.
Es wird nun angenommen, dass sich die Entfernungen d1, d2 und d3 der drei Wertepaare (d1, I1), (d2, I2), (d3, I3) sich jeweils um eine Differenz unterscheiden, die größer ist als ein relevantes Genauigkeitsintervall. Wenn jetzt der im Rahmen einer Messung ermittelte Intensitätswert I innerhalb eines festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit dem Sollintensitätswert I1=I2=I3 übereinstimmt und die bei derselben Messung ermittelte Entfernung d innerhalb eines weiteren festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit einer der Sollentfernungen d1, d2 oder d3 übereinstimmt, die mit dem Sollintensitätswert I1=I2=I3 in dem Speicher 52 als Paar hinterlegt sind, kann die Steuer- und Auswerteeinheit ein Ausgangssignal „Objekt x erkannt“ ausgeben, wobei x = 1, x = 2 oder x = 3.
Auch in diesem Fall, in dem bei bisherigen, nur energetisch messenden Sensoren wegen der identischen Intensitätswerte keine Unterscheidung möglich ist, können also die Objekte durch Berücksichtigung des Entfernungswerts bei der Auswertung unterschieden werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger optischer Sensor und ein neuartiges Verfahren zum Betrieb eines optischen Sensors bereitgestellt, bei denen durch Kombination einer energetischen Messung mit einer Entfernungsmessung Plausibilitätstests ermöglicht werden, durch die die Detektionssicherheit deutlich gesteigert werden kann.
Durch die Kombination eines Entfernungswerts und eines Intensitätswerts, der auch als Reflexionswert bezeichnet werden kann, kann eine sichere Aussage über die die Detektion von Objekten getroffen werden.
Bezugszeichenliste

10: nachzuweisendes Objekt
20: Lichtsender
22: Sendelicht
24: Sendelichtpulse
25: Verbindung
28: Sendeoptik
30: Empfänger
32: nachgewiesenes zurückgestrahltes Licht
34: zurückgestrahlte Lichtpulse
35: Verbindung
38: Empfangsoptik
40: Überwachungsbereich
50: Steuer- und Auswerteeinheit
52: Speicher
54: Tabelle
60: Schnittstelleneinrichtung
62: Anschlüsse der Schnittstelleneinrichtung
70: Gehäuse
100: optischer Sensor
d: Entfernung eines Objekts
ds: Sollentfernung
d1, d1, d3: Sollentfernungen
I: Intensitätswert für von einem Objekt zurückgestrahltes Licht
Is: Sollintensitätswert
I1, I2, I3: Sollintensitätswerte
S: Ausgangssignal

Claims

Optischer Sensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Lichtsender (20) zum Aussenden von Sendelicht (22), insbesondere von Lichtpulsen (24), in den Überwachungsbereich (40), mit einem Empfänger (30) zum Nachweisen von aus dem Überwachungsbereich (40), insbesondere von nachzuweisenden Objekten (10), zurückgestrahltem Licht (32), insbesondere zurückgestrahlten Lichtpulsen (34), und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (50), die mit dem Lichtsender (20) und dem Empfänger (30) zusammenwirkt, zum Ansteuern des Lichtsenders (20) und zum Ermitteln eines Intensitätswerts (I), der das nachgewiesene, von dem Objekt (10) zurückgestrahlte Licht (32) quantitativ erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) außerdem eingerichtet ist zum Ermitteln einer Entfernung (d) eines Objekts (10) auf Grundlage des von diesem Objekt (10) zurückgestrahlten Lichts (32) und zum Bestimmen eines Ausgangssignals (S) abhängig von der ermittelten Entfernung (d) und dem ermittelten Intensitätswert (I) und abhängig von hinterlegten Paaren (ds, Is) von Sollentfernungen (ds) und Sollintensitätswerten (Is).
Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist, für ein Paar (d, I) einer ermittelten Entfernung (d) und eines ermittelten Intensitätswerts (I) ein Ausgangssignal „Objekt x erkannt“ zu bestimmen, wenn die ermittelte Entfernung (d) innerhalb eines festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit einer Sollentfernung (ds) übereinstimmt und der ermittelte Intensitätswert (I) innerhalb eines weiteren festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit demjenigen Sollintensitätswert (Is) übereinstimmt, der zusammen mit der Sollentfernung (ds), insbesondere in einem Speicher (52) der Steuer- und Auswerteeinheit (50), als Paar (ds, Is) hinterlegt ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (20) zum Aussenden von Lichtpulsen (24) eingerichtet ist, dass der Empfänger (30) zum Empfangen von Lichtpulsen (34) eingerichtet ist und dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Ermitteln einer Entfernung (d) zu einem nachzuweisenden Objekt (10) auf Grundlage einer Laufzeit der Lichtpulse (24, 34) eingerichtet ist.
Optischer Sensor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Durchführen einer analogen Zeitmessung, insbesondere auf Grundlage eines Lade- oder Entladevorgangs eines Kondensators, eingerichtet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Durchführen einer digitalen Zeitmessung, insbesondere zum Zählen von Zählpulsen, eingerichtet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Durchführen einer kombinierten digitalen und analogen Zeitmessung eingerichtet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass eine Schnittstelleneinrichtung (60) vorhanden ist zum Transfer von Information an die und/oder von der Steuer- und Auswerteeinheit (50), insbesondere zum Transfer der Paare (ds, Is) von Sollentfernungen (ds) und Sollintensitätswerten (Is).
Optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schnittstelleneinrichtung (60) eine Mensch-Maschine-Schnittstelle, eine berührungslos arbeitende optische Schnittstelle und/oder eine NFC- Schnittstelle aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist, in einem Einlernmodus über die Schnittstelleeinrichtung (60) die Paare (ds, Is) von Entfernungen (ds) und Intensitätswerten (Is) zu importieren und/oder zu exportieren.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtsender (20) eine Leuchtdiode oder einen Laser, insbesondere eine Laserdiode, aufweist.
Optischer Sensor einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass der Empfänger (30) einen Fotodiode, insbesondere eine PIN-Diode oder eine Avalanche-Photodiode, aufweist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Ermitteln einer Entfernung (d) zu einem nachzuweisenden Objekt (10) auf Grundlage eines Phasenversatzes des von dem Empfänger (30) nachgewiesenen Lichts (32) im Vergleich zu dem Sendelicht (22) eingerichtet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 12, der als entfernungsmessender Triangulationssensor ausgebildet ist.
Optischer Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Paare (ds, Is) von Sollentfernungen (ds) und Sollintensitätswerten (Is) in einem Speicher (52) der Steuer- und Auswerteeinheit (50) hinterlegt sind.
Verfahren zum Betreiben eines optischen Sensors zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich, insbesondere nach einem der Ansprüche 1 bis 14, bei dem mit einem Lichtsender (20) Sendelicht (22), insbesondere Lichtpulse (24), in den Überwachungsbereich (40), ausgesendet werden, bei dem mit einem Empfänger (30) aus dem Überwachungsbereich (40), insbesondere von nachzuweisenden Objekten (10), zurückgestrahltes Licht (32), insbesondere zurückgestrahlte Lichtpulse (34), nachgewiesen werden und bei dem ein Intensitätswert (I) ermittelt wird, der das nachgewiesene, von dem Objekt (10) zurückgestrahlte Licht (32) quantitativ erfasst, dadurch gekennzeichnet, dass auf Grundlage des von einem Objekt (10) zurückgestrahlten Lichts (32) eine Entfernung (d) dieses Objekts (10) ermittelt wird und dass ein Ausgangssignal (S) bestimmt wird abhängig von der ermittelten Entfernung (d) und dem ermittelten Intensitätswert (I) und abhängig von hinterlegten Paaren (ds, Is) von Sollentfernungen (ds) und Sollintensitätswerten (Is).
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass für ein Paar (d, I) einer ermittelten Entfernung (d) und eines ermittelten Intensitätswerts (I) ein Ausgangssignal „Objekt x erkannt“ bestimmt wird, wenn die ermittelte Entfernung (d) innerhalb eines festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit einer Sollentfernung (ds) übereinstimmt und der ermittelte Intensitätswert (I) innerhalb eines weiteren festzulegenden Genauigkeitsintervalls mit demjenigen Sollintensitätswert (Is) übereinstimmt, der zusammen mit der Sollentfernung (ds) als Paar (ds, Is) hinterlegt ist.
Verfahren nach Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Einlernmodus die Paare (ds, Is) von Sollentfernungen (ds) und Sollintensitätswerten (Is) über eine Schnittstelleneinrichtung (60) an den optischen Sensor übergeben werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 15 bis 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Entfernung (d) eine Messung einer Laufzeit von Lichtpulsen (24, 34), eine Messung eines Phasenversatzes des empfangenen Lichts (32) im Vergleich zu dem ausgesendeten Licht (22) und/oder eine Triangulationsmessung beinhaltet.