DE10338108A1

DE10338108A1 - Vorrichtung zur Detektion von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen

Info

Publication number: DE10338108A1
Application number: DE10338108A
Authority: DE
Inventors: Martin Arnold; Norbert Irmer; Hubert Schill; Markus Heinzler
Original assignee: Minebea Co Ltd
Current assignee: Minebea Co Ltd
Priority date: 2003-08-19
Filing date: 2003-08-19
Publication date: 2005-03-24
Anticipated expiration: 2023-08-20
Also published as: DE10338108B4; US7271381B2; JP2005062168A; US20050058387A1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen. Die Vorrichtung umfasst erfindungsgemäß eine Lichtschranke mit mindestens einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, wobei sich die zu erfassenden Objekte durch den Strahlengang der Lichtschranke bewegen, ein erstes Bündel von Lichtwellenleitern, deren Eingänge mit dem Lichtsender verbunden sind und deren Ausgänge in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die von den Ausgängen emittierten Lichtstrahlen den Strahlengang der Lichtschranke bilden, eine zweites Bündel von Lichtwellenleitern, die in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, deren Eingänge die von dem ersten Bündel von Lichtwellenleitern emittierten Lichtstrahlen aufnehmen und deren Ausgänge mit dem Lichtempfänger verbunden sind, und eine Auswerteelektronik, die mit dem Lichtsender und dem Lichtempfänger gekoppelt ist und eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte hervorgerufene Veränderung der empfangenen Lichtintensität der Lichtschranke erfasst.

Description

Gebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Detektion von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen, insbesondere Abmessungen im sub-mm Bereich.

Zur Detektion beweglicher Objekte werden häufig Lichtschranken eingesetzt. Käuflich zu erwerbende Lichtschranken ohne strahlformende Zusatzoptiken haben zu große Messvolumen, das heißt einen Strahlengang mit zu großem Durchmesser, um einzelne, sehr kleine Objekte bei großer Wiederholrate und geringem Objektabstand zu detektieren. Strahlformende Optiken die dieses Problem beheben könnten, benötigen großen Einbauraum gegenüber den sehr kleinen Objekten. Steht nur ein Einbauraum mit beschränkter Größe zur Verfügung, können derartige Lichtschranken nicht eingesetzt werden.

Bestehende Auswerteelektroniken bewerten die Signaländerungen beim Passieren eines Objekts und erkennen so die Objekte. Aber gerade bei sehr kleinen Objekten führen Umwelteinflüsse, elektrische Störungen und Einschwingvorgänge zu Fehldetektionen, da das vom Lichtempfänger aufgenommene Signal im Vergleich zu den Störsignalen sehr klein ist. Das Zählergebnis ist mit dieser Art von Auswerteschaltungen nicht zuverlässig genug, um zum Beispiel Flüssigkeitströpfchen mit einem Durchmesser von 200 μm oder kleiner zu zählen.

Offenbarung der Erfindung

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung zur Detektion von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen anzugeben, die in der Lage ist, eine durch die passierenden Objekte hervorgerufene Änderung der Lichtsignale so zu detektieren und auszuwerten, dass jedes einzelne sich hindurchbewegende Objekt zuverlässig erkannt wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung umfasst eine Lichtschranke mit mindestens einem Lichtsender und einem Lichtempfänger, wobei sich die zu erfassenden Objekte durch den Strahlengang der Lichtschranke bewegen, ein erstes Bündel von Lichtwellenleitern, deren Eingänge mit dem Lichtsender verbunden sind und deren Ausgänge in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die von den Ausgängen emittierten Lichtstrahlen den Strahlengang der Lichtschranke bilden, ein zweites Bündel von Lichtwellenleitern, die in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, deren Eingänge die von dem ersten Bündel von Lichtwellenleitern emittierten Lichtstrahlen aufnehmen und deren Ausgänge mit dem Lichtempfänger verbunden sind, und eine Auswerteelektronik, die mit dem Lichtsender und dem Lichtempfänger gekoppelt ist und eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte hervorgerufene Veränderung der empfangenen Lichtintensität der Lichtschranke erfasst.

Erfindungsgemäß werden zur Detektion der kleinen Objekte sowohl die mechanischen, sehr kleinen Abmaße sowie die optischen Einkoppeleigenschaften der Lichtwellenleiter ausgenutzt. Die mechanischen Abmaße der Lichtwellenleiter liegen in der Größenordnung der zu erfassenden Objekte. Deshalb kann zum Erkennen der Objekte auf zusätzliche strahlformende optische Elemente verzichtet werden. Weiterhin verhindern die Einkoppeleigenschaften der Wellenleiter, insbesondere der bei Lichtwellenleitern typische begrenzte Einstrahlwinkel, im eingebauten Zustand das Einkoppeln von durch fremde Lichtquellen hervorgerufenen optischen Störsignalen. Um die Optik tolerant gegenüber mechanischen Einbautoleranzen zu gestalten, werden mehrere Wellenleiter zu einer Zeile angeordnet. Die Breite der Zeile in Verbindung mit Ihrer Höhe ergibt das Detektionsvolumen.

Die beschriebene Detektionsvorrichtung ermöglicht ein zuverlässiges Erkennen und/oder Charakterisieren von den durch die Lichtschranke sich bewegenden Objekten auf sehr kleinem Einbauraum und ist unempfindlich gegen Störungen.

Sollten die optischen Aus- und/oder Einkoppeleigenschaften der Wellenleiter nicht ausreichen, um die kleinen Objekte beim Durchtreten der Lichtschranke zu erkennen oder zu charakterisieren, kann der Lichtstrahl mit Hilfe von faseroptischen Bauelementen (z.B. GRIN Linsen) zusätzlich konditioniert werden.

In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung sind die Lichtwellenleiter des ersten Bündels und des zweiten Bündels parallel zueinander angeordnet, wobei die Ausgänge des ersten Bündels von Lichtwellenleitern in einer Ebene mit den Eingängen des zweiten Bündels von Lichtwellenleitern angeordnet sind und diesen gegenüberliegen. Der Strahlengang der Lichtschranke hat etwa die Form einer Scheibe, deren Dicke in der Größenordnung der zu erfassenden Objekte liegt, wobei der in Bewegungsrichtung der Objekte verlaufende Querschnitt des Detektionsvolumens wesentlich kleiner ist als der quer zur Bewegungsrichtung der Objekte verlaufende Querschnitt.

Aufgrund des schmalen, scheibenförmigen Detektionsvolumens ergibt sich eine sehr gute Detektionsempfindlichkeit für schnell aufeinanderfolgende, kleine Objekte.

Um die Detektionsempfindlichkeit zusätzlich zu steigern, kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, dass die Wellenlänge des vom Lichtsender abgestrahlten Lichts mindestens einer Absorptionswellenlänge des Objekts entspricht. Dies ist insbesondere bei der Detektion von flüssigen Objekten, wie z.B. Flüssigkeitstropfen, vorteilhaft.

Die Auswertelektronik umfasst erfindungsgemäß einen mit dem Lichtempfänger verbundenen ersten Verstärker, einen mit dem Ausgang des ersten Verstärkers verbundenen Addierer, einen mit dem Ausgang des Addierers verbundenen zweiten Verstärker, einen mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers verbundenen Schwellwertschalter. Der Ausgang des Schwellwertschalters ist mit einer Mikroprozessorsteuerung verbunden, die mehrere analoge und mehrere digitale Eingänge und Ausgänge aufweist.

Die Mikroprozessorsteuerung ermöglicht es mit Hilfe von variablen Verstärkungsfaktoren der Verstärker, einer Subtraktion von Offsets, einer einstellbaren Schaltschwelle des Schwellwertschalters und einer veränderbaren Lichtintensität des Lichtsenders, die Auswerteelektronik optimal an die Arbeitsbereiche der einzelnen Komponenten anzupassen. Es kann automatisch ein Abgleich der Elektronik hinsichtlich Umwelteinflüssen, Alterung der Bauteile, Verschmutzung der Lichtschranke, etc, vorgenommen werden.

Ein anwendungsbezogenes Ausführungsbeispiel der Erfindung wird nun anhand der Zeichnungsfiguren näher erläutert. Aus den Zeichnungen und deren Beschreibung ergeben sich weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen
1 zeigt eine schematische Blockdarstellung der Detektionsvorrichtung
2 zeigt eine vergrößerte Ansicht auf die Lichtwellenleiter des Lichtsenders gemäß den Pfeilen II in 1.
Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung
Eine mögliche Anwendung der Erfindung liegt im Zählen von Flüssigkeitstropfen, insbesondere Tropfen mit einem Durchmesser im sub-mm Bereich. Derartig kleine Tropfen lassen sich mit einem sogenannten Mikrodispenser erzeugen. Der Mikrodispenser schießt Tröpfchen mit einem Durchmesser von weniger als 100 μm aus einer Düse. Bei vielen Anwendungen ist es notwendig, jeden einzelnen Tropfen, der den Mikrodispenser verlässt, zu zählen. Bei einer Tropfengeschwindigkeit von ca. 2 m/s und einer Wiederholfrequenz von 2000Hz bis 4000Hz ist das Zählen der einzelnen Tropfen schwierig. Die erfindungsgemäße Vorrichtung löst diese Aufgabe jedoch problemlos.
Wie man in 1 erkennt, umfasst die Vorrichtung einen Lichtsender 1, z.B. eine Leuchtdiode oder Laserdiode, die von einem Treiber 2 angesteuert wird. Das Licht wird einem ersten Bündel von Lichtwellenleitern 3 zugeführt, deren Eingänge mit dem Lichtsender 1 verbunden sind. Der Eingangsquerschnitt des Bündels von Lichtwellenleitern ist an den Querschnitt des verwendeten Lichtsenders, z.B. kreisförmig, angepasst. Die Ausgänge der einzelnen Lichtwellenleiter 3 sind in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet und bilden einen flachen Streifen. Die von den Ausgängen emittierten Lichtstrahlen definieren den Strahlengang der Lichtschranke und passieren ein Detektionsvolumen 24, durch welches sich die zu detektierenden Objekte bewegen.
Gegenüberliegend den Ausgängen der ersten Lichtwellenleiter 3 ist ein zweites Bündel von Lichtwellenleitern 4 vorgesehen, deren Eingänge ebenfalls in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, und welche die von dem ersten Bündel von Lichtwellenleitern 3 emittierten Lichtstrahlen aufnehmen. Die Ausgänge der Lichtwellenleiter 4 sind mit einem Lichtempfänger 5 verbunden, der die Lichtsignale erfasst und in elektrische Signale umwandelt. Als Lichtempfänger 5 kann beispielsweise eine Photodiode oder ein Phototransistor verwendet werden. Grundsätzlich ist auch ein CCD-Zeilensensor als Lichtempfänger geeignet. Wird ein CCD-Zeilensensor verwendet, so kann das empfängerseitige Bundel von Lichtwellenleitern (4) entfallen, da der CCD-Zeilensensor direkt gegenüber dem senderseitigen Bündel von Lichtwellenleitern (3) angeordnet werden kann. In diesem Fall kann zusätzlich detektiert werden, an welcher lateralen Stelle des CCD-Lichtempfängers das Objekt die Lichtschranke durchquert. Eine Auswerteelektronik liest dazu die einzelnen Empfängerfelder des CCD-Sensors hintereinander aus. Die Detektionsgeschwindigkeit eines CCD-Sensors ist durch die maximale Auslesegeschwindigkeit der Empfängerfelder nach oben begrenzt.
Eine oben angesprochene Auswerteelektronik ist mit dem Lichtsender 1 und dem Lichtempfänger 5 gekoppelt und erfasst eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte hervorgerufene Veränderung der Lichtintensität der Lichtschranke. Hierzu wird das vom Lichtempfänger 5 kommende elektrische Signal in einem ersten Verstärker 6 verstärkt. Von diesem verstärkten Signal wird in einem Addierer 7 analog eine Spannung subtrahiert, die im Betrag etwa dem Gleichspannungsanteil der Signalspannung entspricht. Anschließend wird das Signal in einem zweiten Verstärker 8 nochmals verstärkt. Änderungen des Signals am Lichtempfänger 5 werden nun über den vollen Bereich des Verstärkers 8 auswertbar, da im Addierer 7 der Gleichspannungsanteil entfernt wurde. Anschließend wird mit einem Schwellwertschalter 9 eine Schaltschwelle detektiert und das Ausgangssignal 18 auf eine Zählschaltung geführt, die durch eine Mikroprozessorsteuerung 10 realisiert ist.
Die Signale an den Ausgängen des Verstärkers 6, des Addierers 7 und des Verstärkers 8 werden ebenfalls über Signalleitungen 21, 20, 19 zur Mikroprozessorsteuerung geführt und dort ausgewertet.
Die Verstärkungsfaktoren der Verstärker 6 und 8 sind einstellbar, wobei die Mikroprozessorsteuerung 10 die Verstärkungsfaktoren in Abhängigkeit der über die Leitungen 21 und 19 gemessenen Ausgangssignale optimal anpassen kann. Dies erfolgt über die Signalleitungen 14 und 16.
Anhand des Ausgangssignals 21 des ersten Verstärkers kann die Mikroprozessorsteuerung die Höhe der dem Addierer über die Leitung 15 zuzuführenden Spannung ermitteln, die dann von der Signalspannung subtrahiert wird. Über die Signalleitung 17 kann der Schwellwert des Schwellwertschalters 9 an das Eingangssignal angepasst werden.
Außerdem kann die Lichtstärke des Lichtsenders durch die Mikroprozessorsteuerung gesteuert werden. Hierbei wird durch die Leitung 13 der Treiber 2 und damit der dem Lichtsender 1 zugeführte Strom beeinflusst.
Die Mikroprozessorsteuerung 10 ist so programmiert, dass mit Hilfe der variabel gestalteten Verstärkungen, Offsets, Schwellen und Lichtsenderströme die Auswerteelektronik optimal an die Arbeitsbereiche der einzelnen Komponenten angepasst wird. Durch das Steuern der Lichtstärke des Lichtsenders lässt sich ein sich bewegendes Objekt simulieren, so dass hier eine optimale Einstellung der Auswerteelektronik auf das Signal des Lichtempfängers und die Eigenschaften der Lichtschranke möglich ist. Der Abgleichvorgang kann automatisch von der Mikroprozessorsteuerung ausgeführt werden, so dass Umwelteinflüsse, wie Temperatur, Alterung, Verschmutzung der Lichtschranke, etc., ständig ausgleichbar sind.
In 2 ist eine vergrößerte Draufsicht auf das Bündel von Lichtwellenleitern 3 dargestellt. Das Bündel besteht aus einer Reihe von nebeneinanderliegenden Wellenleitern 3a, 3b, 3c, 3d, etc, die eine Detektionsebene mit der Höhe h ausbilden. Die zu detektierenden Objekte 22 bewegen sich mit der Geschwindigkeit v in Pfeilrichtung 23 durch die Detektionsebene.
Die erfindungsgemäße Detektionsvorrichtung mit Auswerteelektronik ist unempfindlich gegen Störungen, eliminiert Umwelteinflüsse, gleicht Bauteiletoleranzen aus und ermöglicht zuverlässiges Zählen von den durch die Lichtschranke sich bewegenden Objekten.

1: Lichtsender
2: Treiber
3: Lichtwellenleiter (Bündel) 3a, 3b, 3c, 3d,
4: Lichtwellenleiter (Bündel)
5: Lichtempfänger
6: Verstärker
7: Addierer
8: Verstärker
9: Schwellwertschalter
10: Mikroprozessorsteuerung
11: Anzeige
12: Schnittstelle
13: Signalleitung
14: Signalleitung
15: Signalleitung
16: Signalleitung
17: Signalleitung
18: Signalleitung
19: Signalleitung
20: Signalleitung
21: Signalleitung
22: Objekt
23: Bewegungsrichtung
24: Detektionsvolumen

Claims

Vorrichtung zur Detektion von einzelnen sich bewegenden Objekten mit sehr kleinen Abmessungen, welche umfasst: eine Lichtschranke mit mindestens einem Lichtsender (1) und einem Lichtempfänger (5), wobei sich die zu erfassenden Objekte (22) durch den Strahlengang der Lichtschranke bewegen, ein erstes Bündel von Lichtwellenleitern (3), deren Eingänge mit dem Lichtsender (1) verbunden sind und deren Ausgänge in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, wobei die von den Ausgängen emittierten Lichtstrahlen den Strahlengang der Lichtschranke bilden, ein zweites Bündel von Lichtwellenleitern (4), die in einer Reihe nebeneinanderliegend angeordnet sind, deren Eingänge die von dem ersten Bündel von Lichtwellenleitern (3) emittierten Lichtstrahlen aufnehmen und deren Ausgänge mit dem Lichtempfänger (5) verbunden sind, und eine Auswerteelektronik (6-10), die mit dem Lichtsender (1) und dem Lichtempfänger (5) gekoppelt ist und eine durch die den Strahlengang passierenden Objekte (22) hervorgerufene Veränderung der empfangenen Lichtintensität der Lichtschranke erfasst.
Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter (3) des ersten Bündels parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Lichtwellenleiter des zweiten Bündels (4) parallel zueinander angeordnet sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge des ersten Bündels von Lichtwellenleitern (3) in einer Ebene mit den Eingängen des zweiten Bündels von Lichtwellenleitern (4) angeordnet sind und diesen gegenüber liegen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Strahlengang der Lichtschranke die Form einer Scheibe hat, deren Dicke (h) in der Größenordnung der zu erfassenden Objekte (22) liegt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der in Bewegungsrichtung der Objekte verlaufende Querschnitt (h) des Detektionsvolumens wesentlich kleiner ist als der quer zur Bewegungsrichtung der Objekte verlaufende Querschnitt.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Wellenlänge des vom Lichtsender (1) abgestrahlten Lichts mindestens einer Absorptionswellenlänge des Objekts (22) entspricht.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Auswerteelektronik einen mit dem Lichtempfänger (5) verbundenen ersten Verstärker (6), einen mit dem Ausgang des ersten Verstärkers verbundenen Addierer (7), einen mit dem Ausgang des Addierers verbundenen zweiten Verstärker (8), einen mit dem Ausgang des zweiten Verstärkers verbundenen Schwellwertschalter (9) und eine mit dem Schwellwertschalter verbundene Mikroprozessorsteuerung (10) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroprozessorsteuerung (10) mehrere analoge und mehrere digitale Eingänge und Ausgänge aufweist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgänge des ersten Verstärkers (6), des Addierers (7), des zweiten Verstärkers (8) und des Schwellwertschalters (9) jeweils mit einem analogen Eingang (21, 20, 19, 18) der Mikroprozessorsteuerung (10) verbunden sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Verstärker (6) einen Eingang zur Steuerung des Verstärkungsfaktors aufweist, wobei ein Ausgang (14) der Mikroprozessorsteuerung (10) mit diesem Eingang verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Verstärker (8) einen Eingang zur Steuerung des Verstärkungsfaktors aufweist, wobei ein Ausgang (16) der Mikroprozessorsteuerung (10) mit diesem Eingang verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass ein Ausgang (15) der Mikroprozessorsteuerung (10) mit einem Eingang des Addierers (7) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwertschalter (9) einen Eingang zur Steuerung des Schwellwertes aufweist, wobei ein Ausgang (17) der Mikroprozessorsteuerung (10) mit diesem Eingang verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kombination aus Lichtsender (1) und Treiber (2) einen Eingang zur Regelung der Lichtstärke aufweist, wobei ein Ausgang (13) der Mikroprozessorsteuerung (10) mit diesem Eingang verbunden ist.
Verfahren zum Betrieb einer Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass das vom Lichtsender (1) emittierte Licht vom Lichtempfänger (5) aufgefangen, in ein elektrisches Signal umgewandelt und dem ersten Verstärker (6) zugeführt wird, dass das vom ersten Verstärker verstärkte Signal einem Eingang des Addierers (7) zugeführt und dort von diesem Signal ein von der Mikroprozessorsteuerung (10) vorgegebener Gleichspannungswert abgezogen wird, dass das Ausgangssignal des Addierers dem zweiten Verstärker (8) zugeführt wird, dass das vom zweiten Verstärker verstärkte Signal einem Eingang des Schwellwertschalters (9) zugeführt wird und, dass das Ausgangsignal des Schwellwertschalters der Mikroprozessorsteuerung (10) zugeführt und dort ausgewertet wird.
Verfahren nach Anspruch 16. dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroprozessorsteuerung (10) die Verstärkungsfaktoren des ersten und zweiten Verstärkers (6, 8) derart steuert, dass das verstärkte Ausgangssignal einen vorgegebenen Signalpegel nicht überschreitet und/oder ein verfügbarer Signalpegel voll ausgenutzt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 16 oder 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Mikroprozessorsteuerung (10) den Schwellwert des Schwellwertschalters (9) derart steuert, dass eine durch ein Objekt hervorgerufene Veränderung des Eingangssignals sicher erkannt wird.