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Die Erfindung betrifft einen optischen Optischer Näherungsschalter für die Automatisierungstechnik, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Optische Näherungsschalter werden in der Automatisierungstechnik vielfach eingesetzt, um die Anwesenheit eines Objektes in einem Überwachungsbereich zu detektieren. Unter der Bezeichnung O1D101 vertreibt die Anmelderin einen optischen Näherungsschalter, der nach dem PMD-Prinzip arbeitet.
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Bei diesem optischen Näherungsschalter wird ein moduliertes Lichtsignal von einem Lichtsender ausgesendet und die von der Entfernung des Objekts abhängige Phasenverschiebung zwischen dem Modulationssignal, mit dem der Lichtsender angesteuert wird, und dem vom Objekt reflektierten Licht gemessen.
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Als Empfänger dient ein PMD-Pixel, das auch als Smart-Pixel bezeichnet wird. Das PMD-Pixel erlaubt die Bestimmung der Autokorrelationsfunktion zwischen dem Modulationssignal und dem vom Objekt reflektierten Signalanteils. Das PMD-Pixel arbeitet als optischer Gegentaktmischer, wobei die Mischersignale an zwei Auslesegates A und B, die auch Kanal A und als Kanal B bezeichnet werden, ausgegeben werden.
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Zur exakten Bestimmung der Phasenverschiebung (und damit des Abstandes) mittels der Autokorrelationsfunktion reicht eine einzige Messung, bei dem das reflektierte Licht direkt mit dem Modulationssignal demoduliert wird, nicht aus. Allgemein sind mehrere Messungen bei unterschiedlichen Phasenlagen notwendig, typischerweise bei den Phasenlagen 0°, 90°, 180 und 270° wie in 2 dargestellt. Hierfür muss das Taktsignal mit dem die elektrooptische Mischung erfolgt, gegenüber dem Modulationssignal mit dem das Lichtsignal demoduliert wird, entsprechend verzögert werden.
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Die Zeit für eine Messung, d. h. die Integrationszeit, beträgt ca. 20 msec.
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Der wesentliche Vorteil eines PMD-Pixels besteht darin, dass mit einer Messung bereits die Autokorrelationsfunktion für zwei um 180° verschobenen Phasenlagen gemessen wird und dass durch die Gegentaktmischung keine Lichtintensität „verloren“ geht.
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Die Phasenverschiebung und damit der Abstand ergeben sich aus der bekannten Formel α = tan–1((I270° – I90°)/I0° – I180°)) wobei I die bei der entsprechenden Phasenlage ermittelte Intensität ist.
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Die Intensität I270° wird z. B. am Auslesegate A und die Intensität I90° am Auslesegate B abgegriffen.
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Die Abstandsmessung ist Fremdlicht unabhängig, da im Differenzsignal I270° – I90° bzw. I0° – I180° der Gleichlichtanteil sich aufhebt.
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Der Schaltabstand und die Schalthysterese, d. h. die Wegdifferenz zwischen dem Einschaltpunkt bei Annäherung eines Objektes und dem Ausschaltpunkt, wenn sich das Objekt wieder entfernt, sind bei optischen Näherungsschalter einstellbar.
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Da die Objektentfernung im gesamten Überwachungsbereich hochgenau ermittelt wird, ist dieser optische Näherungsschalter entsprechend aufwendig aufgebaut.
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Der Näherungsschalter O1D101 besitzt zwei Schaltausgänge. Die Tastweite, die das Ende des Überwachungsbereichs definiert, beträgt ca. 10m.
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Aus der
DE 10 2012 200 153.0 ist ein optischer Näherungsschalter bekannt, bei dem ein PMD-Pixel verwendet wird. Dieser optische Näherungsschalter wertet nicht die Autokorrelationsfunktion, die für eine genau Abstandsbestimmung erforderlich ist aus, sondern verwendet nur das PMD-Pixel als Gegentaktmischer für die Bestimmung der vom reflektierenden Objekt empfangenen Lichtmenge. Typischerweise nimmt die Lichtintensität am Näherungsschalter mit der Objektentfernung wie 1/r
2 ab.
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Damit sich mehrere Näherungsschalter dieser Bauweise gegenseitig nicht stören wird eine Pseudozufallsfolge als Modulationssignal verwendet.
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Bei separat angeordneten Näherungsschaltern ist eine Pseudozufallsfolge nicht erforderlich. Hier kann ein Standard-Rechtecksignal verwendet werden. Bei einem energetischen Taster sollte das Signal im Kanal A im Wesentlichen von der empfangenen Lichtintensität abhängen, deshalb wird eine sehr niedrige Modulationsfrequenz verwendet. Der Kanal B empfängt nur das Hintergrundlicht und keine Anteile des modulierten Lichtsignals und zwar unabhängig vom Abstand des Objekts.
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Durch die Differenzbildung der Signale beider Kanäle wird der Einfluss des Hintergrundlichts minimiert.
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Der Näherungsschalter gibt an einem Schaltausgang ein Anwesenheitssignal aus, wenn die Differenz D, die der Gegentaktmischer liefert, größer als eine eingestellte Schaltschwelle SSW ist. D = A – B > SSW -> Anwesenheitssignal.
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Dieser optische Näherungsschalter funktioniert sowohl als energetischer Taster wie auch als Näherungsschalter bei ähnlichen Objekten mit einer definierten Reflektivität, z.B. weißes Papier, sehr gut.
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Um bei Objekten mit unterschiedlicher Reflektivität den gleichen Schaltabstand zu erhalten, muss dieser Näherungsschalter jedoch entsprechend eingelernt werden.
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Aufgabe der Erfindung ist es einen optischen Näherungsschalter anzugeben, der einfach aufgebaut ist, der auch bei Objekten unterschiedlicher Reflektivität stets bei dem gleichen Schaltabstand schaltet.
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Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäß den Ansprüchen.
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Die wesentliche Idee des Verfahrens besteht darin, in einer Einlernphase, während sich ein Objekt in einem definierten Abstand (dem Schaltabstand) zum optischen Näherungsschalter befindet, die Phasenlage zwischen Modulationssignal für den Lichtsender und dem Ansteuersignal für das pmd-Pixel so zu verzögern, dass die Mischsignale an den beiden Auslesegates A, B gleich sind und damit das Differenzsignal zu Null wird.
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Der Schaltabstand wird so einfach eingelernt. Ist das Differenzsignal ungleich Null, so befindet sich das Objekt entweder vor oder hinter der durch den Schaltabstand definierten Grenze.
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Die wesentliche Idee der gegenständlichen Erfindung besteht darin, bei einem auf dem pmd-Prinzip basierenden optischen Näherungsschalter, ein mittels eines Mikrocontrollers einstellbares Verzögerungsglied, das das Ansteuersignal für das pmd-Pixel gegenüber dem Modulationssignal definiert einstellbar verzögert, vorzusehen.
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In vorteilhafter Weise wird die Zeitverzögerung durch eine Kette von Gattern realisiert, die jeweils eine feste Zeitverzögerung z. B. von 1 ns liefern.
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Nachfolgend ist die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
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Es zeigen:
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1 erfindungsgemäßer optischer Näherungsschalter mit einem Objekt im Überwachungsbereich
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2 Autokorrelationsfunktion mit 4 Abtastpunkten/Abtastphasen
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In 1 ist ein erfindungsgemäßer optischer Näherungsschalter 1 schematisch als Blockdiagramm dargestellt. Der optische Näherungsschalter 1 umfasst im Wesentlichen eine Sende- und Empfangsoptik, einen Lichtsender S, einen Lichtempfänger E, eine Modulationseinheit ME und einen Mikrocontroller µC.
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Die Modulationseinheit ME liefert ein Modulationssignal MS von 50 MHz mit dem der Lichtsender S angesteuert wird. Der Lichtsender S kann eine Infrarot-LED oder ein Laserdiode sein. Als Modulationssignal MS kann ein Sinussignal oder ein Rechtecksignal dienen. Der Lichtsender S sendet ein intensitätsmoduliertes Lichtsignal Li in einen Überwachungsbereich Ü der sich etwa über 3 m erstreckt, aus.
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Das von einem Objekt O reflektierte Licht Lr wird in einem Lichtempfänger E detektiert. Der Lichtempfänger E, der auf den Überwachungsbereich Ü gerichtet ist, umfasst einen Demodulator D, der als Gegentaktmischer arbeitet, und der mit einem Taktsignal TS angesteuert wird, das aus dem Modulationssignal MS gewonnen wird.
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Der Demodulator DM teilt das empfangene reflektierte Licht Lr des Objekts O in einen ersten In-Phase Anteil ia und in einen zweiten 180°-Phase Anteil ib auf. In einer Differenzeinheit DE wird das Differenzsignal DS = ia – ib der beiden Anteile gebildet und dem Mikrocontroller µC zugeführt. Im Mikrocontroller µC wird der Differenzwert DW mit einem Schaltschwellwert SSW verglichen.
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Das Taktsignal TS kann mittels des Verzögerungsglieds TD definiert verzögert werden. Die Verzögerungszeit ist so einstellbar, dass das Differenzsignal zu Null wird.
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Nachfolgend ist das erfindungsgemäße Verfahren näher erläutert.
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In einer Einlernphase (teach-Phase) wird ein Objekt O im Überwachungsbereich Ü in einem bestimmten Abstand, dem sogenannten Schaltabstand S0, angeordnet und der Mikrocontroller µC steuert das Verzögerungsglied TD, das eine Zeitverzögerung zwischen Taktsignal TS und Modulationssignal MS erzeugt, so an, dass der Differenzwert DW zu Null wird.
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Nach dieser Einlernphase ist der optische Näherungsschalter 1 einsatzbereit. Er funktioniert wie folgt. Wenn das Differenzsignal D z. B. größer als Null ist, gibt der Mikrocontroller µC ein Schaltsignal SA aus, Dies ist der Fall, wenn sich das Objekt Oz. B. in einem Abstand zum Näherungsschalter 1 befindet, der kleiner als der Schaltabstand S0 ist. Das Schaltsignal SA kann z. B. zu einer Steuerung z. B. einer SPS weitergeleitet werden.
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Die Signalverarbeitung ist erheblich einfacher als bei einem herkömmlichen optischen Näherungsschalter nach dem pmd-Prinzip. Auf eine genaue Abstandsbestimmung bzw. Ermittlung der Autokorrelationsfunktion wird hier bewusst verzichtet. Die Messzeit ist sehr kurz, da nicht vier sondern nur zwei Phasen gemessen wird.
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Der erfindungsgemäße optische Näherungsschalter schaltet bei unterschiedlichen Objekten (weiss, schwarz, reflektierend) immer beim gleichen Schaltabstand.
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In einer Weiterentwicklung der Erfindung wird das Differenzsignal DS = ia – ib noch auf das Summensignal S = ia + ib normiert. Damit erhält man eine von der Reflektivität der Objekte unabhängige Hysterese.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
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Zitierte Patentliteratur
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