DE19506312A1 - Vorrichtung zum Ausrichten optoelektronischer Sensoren - Google Patents
Vorrichtung zum Ausrichten optoelektronischer SensorenInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des
Anspruchs 1.
Derartige Vorrichtungen werden insbesondere bei optoelektronischen Sensoren,
wie zum Beispiel Datenlichtschranken, verwendet, die Lichtsignale über große
Distanzen austauschen. Datenlichtschranken und vergleichbare Sensoren emit
tieren Lichtstrahlen in einem engen Winkelbereich. Die Empfangselemente
dieser Sensoren weisen eine ähnliche Richtcharakteristik auf. Üblicherweise
können diese Empfangselemente Lichtsignale empfangen, die in einem dem
Richtungsvektor des Empfangselements entsprechenden Winkel auf den Sensor
auftreffen. Daher müssen diese Sensoren prinzipiell bei der Inbetriebnahme aus
gerichtet werden. Die Sensoren emittieren Lichtsignale üblicherweise im un
sichtbaren Infrarotbereich, so daß eine manuelle Ausrichtung der Sensoren ohne
weitere Hilfsmittel nicht möglich ist.
Zum Aussichten derartiger Sensoren wird üblicherweise ein Zielfernrohr an dem
auszurichtenden Sensor montiert, mit dem der zweite Sensor anvisiert wird.
Diese Ausrichtmethode ist jedoch ungenau und kostenintensiv.
Alternativ kann ein Ausrichtgerät mit einem im sichtbaren Bereich emittieren
den Laser am Sensor montiert werden. Der sichtbare Laserstrahl kann von einer
Bedienperson verfolgt werden und auf den zweiten Sensor ausgerichtet werden.
Auch diese Vorrichtung ist äußerst aufwendig und kostenintensiv.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine Vorrichtung zu schaffen, die ein
genaues Ausrichten von optoelektronischen Sensoren bei geringem Aufwand ge
währleistet.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Ansprüchen 2-10 beschrieben.
Erfindungsgemäß ist wenigstens an einem der Sensoren wenigstens ein Retro-re
flektor so angeordnet, daß dieser während des Ausrichtens vor oder neben dem
Empfangselement des Sensors angeordnet ist. Die vom anderen Sensor emit
tierten Lichtsignale treffen auf diesen Retroreflektor und werden von dort in der
gleichen Richtung auf das Empfangselement dieses Sensors zurückreflektiert.
Die dort auftreffende Lichtmenge wird in einer Auswerteeinheit als Maß für die
Güte der Ausrichtung der Sensoren ausgewertet. Je größer die auf den Empfän
ger auftrefende Lichtmenge ist, desto besser ist die Ausrichtung der Sensoren.
Die optimale Aussrichtung ist erreicht, wenn die auftreffende Lichtmenge
maximal ist.
Der Retroreflektor bzw. die Retroreflektoren sind an dem betreffenden Sensor
beweglich angebracht, so daß sämtliche Retroreflektoren nach erfolgter Aus
richtung aus dem Strahlengang des gegenüberliegenden Sensors entfernt werden
können und somit diesen nicht mehr beeinflussen.
Da sämtliche Retroreflektoren am Sensor beweglich angebracht sind, können
diese schnell und ohne großen Justieraufwand montiert werden.
Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung ist darin zu sehen, daß
zur Ausrichtung keine weiteren aktiven Sensoren oder autarken Justiereinheiten
verwendet werden müssen. Die zur Ausrichtung benötigten Retroreflektoren
sind äußerst kostengünstig. Die zur Auswertung der vom Retroreflektor auf das
Empfangselement des gegenüberliegendem Sensors auftreffenden Lichtmenge
benötigte Auswerteeinheit kann beispielsweise als Mikrocontroller ausgebildet
sein. Derartige Mikrocontroller sind üblicherweise in Sensoren moderner Bauart
standardmäßig integriert und stellen somit keinen zusätzlichen Aufwand an Bau
elementen dar.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen
Fig. 1 a) Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels zweier
zueinander ausgerichteter optoelektronischer Sensoren
b) Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. 1a während
des Ausrichtvorgangs
Fig. 2 Haltung für einen optoelektronischen Sensor
Fig. 3 a) Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel zweier
zueinander ausgerichteter optoelektronischer Sensoren
b) Anordnung gemäß Fig. 2a während des Ausrichtvorgangs.
Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zweier optoelektronischer Sensoren
1, die über eine Distanz Lichtsignale austauschen. Die Sensoren 1 sind als Da
tenlichtschranken ausgebildet und weisen jeweils ein Sendeelement 2 und ein
Empfangselement 3 auf, die in einem Gehäuse 4 integriert sind. Das Sende
element 2 besteht aus einer Lichtquelle, vorzugsweise einer Infrarot-Leuchtdiode
oder einer Laserdiode, mit nachgeschalteter Sendeoptik zur Fokussierung des
von der Lichtquelle emittierten, die Lichtsignale übermittelnden emittierenden
Sendelichtstrahls 5.
Das Empfangselement 3 besteht aus einem Empfänger, vorzugsweise einer
Photodiode, und einer vorgeschalteten Empfangsoptik.
Die Datenlichtschranken sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel identisch
aufgebaut. Sobald die Datenlichtschranken wie in Fig. 1a ausgerichtet sind, d. h.
die Datenlichtschranken gegenüberliegend angeordnet sind, so daß das vom
Sendeelement 2 emittierte Sendelicht der einen Datenlichtschranke auf das Emp
fangselement 3 der anderen Datenlichtschranke trifft, werden zwischen den Da
tenlichtschranken Lichtsignale, die in Form von Bitfolgen den Sendelichtstrah
len 5 aufgeprägt sind, bidirektional ausgetauscht.
Üblicherweise erfolgt die Datenübertragung zwischen den Sensoren 1 als Frei
raumdatenübertragung. In bestimmten Applikationen kann die Datenübertragung
auch durch andere Medien erfolgen.
Die Abstrahlung des Sendelichts durch das Sendeelement 2 erfolgt innerhalb
eines Öffnungswinkels α, der typischerweise in der Größenordnung von 2-4°
liegt. Aufgrunddessen müssen die Sensoren 1 bei Inbetriebnahme möglichst
genau ausgerichtet werden, damit auf den Empfangselementen 3 eine hinrei
chende große Lichtmenge, die für eine fehlerfreie Datenübertragung notwendig
ist, auftrifft.
Wie in Fig. 1a, b dargestellt ist an jedem Sensor 1 eine Vorrichtung zu deren
Ausrichtung angebracht.
Diese Vorrichtung weist zwei Retroreflektoren 6 auf, die an jeweils einer Sei
tenwand des Gehäuses 4 an einem Gelenk 7 schwenkbar angeordnet sind. Die
Retroreflektoren 6 sind vorzugsweise als rechteckige Spiegelelemente ausgebil
det und bestehen aus Kunststoff-Trippelreflektoren. Prinzipiell können die Re
troreflektoren 6 auch auf den Sensor 1 aufgesteckt werden. Nachteilig hierbei
ist jedoch, daß die Retroreflektoren 6 als separate Teile aufbewahrt werden
müssen. Dies erhöht den Aufwand bei der Lagerhaltung. Zudem besteht die Ge
fahr, daß die Retroreflektoren 6 verloren gehen.
Sind die Sensoren 1 zueinander ausgerichtet, so werden die Reflektoren 6 nicht
benötigt und liegen an den Seitenwänden des Gehäuses 4 des Sensors 1 an (Fig.
1a).
Zum Ausrichten der Sensoren 1 werden an einem Sensor 1 die Retroreflektoren
6 geschwenkt, so daß sie im rechten Winkel von der Seitenwand des Gehäuses
4 abstehen. In dieser Position zeigen die Flächennormalen der Retroreflektoren
6 in die Richtung des Richtungsverkehrs R des Empfangselements 3.
Die von den Retroreflektoren 6 begrenzte Fläche F ist kleiner als die Fläche f
des Lichtflecks des Sendelichtstrahls 5 des gegenüberliegenden Sensors 1 am
Ort der Retroreflektoren 6. Die Fläche f des Lichtflecks kann nicht exakt de
finiert werden, da die Intensitätsverteilung des Lichtflecks vom Zentrum zu den
Randbereichen kontinuierlich abnimmt, beispielsweise in Form einer Gaußver
teilung. Üblicherweise wird der Rand des Lichtflecks entlang der Linie definiert,
auf der die Lichtintensität auf 1/e der Maximalintensität abgeklungen ist. (e =
Eulersche Zahl).
Zum Ausrichten der Sensoren 1 wird die vom ersten Sensor 1 emittierte und
über die Retroreflektoren 6 des anderen Sensors 1 zum Empfangselement 3 des
ersten Sensors 1 rückreflektierte Lichtmenge gemessen und in einer nicht darge
stellten Auswerteeinheit ausgewertet.
Die Sensoren 1 werden zuerst in einer Grobeinstellung so ausgerichtet, daß der
Lichtkegel des ersten Sensors 1 auf die Retroreflektoren 6 des zweiten Sensors
auftrifft, so daß am Empfangselement 3 des ersten Sensors 1 ein Empfangs
signal registriert wird. Um keine Signalverfälschungen zu erhalten bleibt der
zweite Sensor 1 während der Ausrichtphase abgeschaltet.
Danach wird der erste Sensor 1, in dem das Empfangssignal ausgewertet wird,
senkrecht zur Strahlachse des Sendelichtstrahls 5, d. h. zum Richtungsverkehr
R des Sendeelements 2, so lange verschwenkt, bis das Empfangssignal seinen
Maximalwert annimmt. In dieser Position trifft der Sendelichtstrahl 5 des ersten
Sensors 1 auf das Zentrum des zweiten Sensors 1 und überdeckt die beiden Re
troreflektoren 6 vollständig.
Zweckmäßigerweise kann die auf das Empfangselement 3 des ersten Sensors 1
auftreffende Lichtmenge über eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung am
Sensor 1 angezeigt werden. Die Anzeigevorrichtung kann als Ziffernanzeige,
Zeigeranzeige oder Leuchtdiodenbalkenanzeige ausgebildet sein. Auf diese
Weise kann die Ausrichtung der Sensoren 1 auf einfache Weise von dem
Bedienpersonal kontrolliert werden.
Zum Ausrichten des Sensors 1 ist dieser zweckmäßigerweise an einer Halterung
8 gemäß Fig. 2 befestigt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Halterung in
Fig. 1 nicht dargestellt.
Die Halterung 8 besteht im wesentlichen aus drei Platten 9, 11, 12. Eine Monta
geplatte 9 dient zur Befestigung der Halterung 8 auf einem Untergrund, bei
spielsweise einer Wand. Auf der Mitte der Montageplatte 9 sitzt eine Blechhalb
kugel 10 auf, auf die eine Gegenplatte 11 mit darauf aufsitzender Befestigungs
platte 12 mit einer Schraube 13 befestigt ist. Die Befestigungsplatte 12 ist mit
drei Befestigungsmitteln 14, 15, 16 an der Gegenplatte 11 befestigt. Eines der
Befestigungsmittel 14 stellt eine starre Verbindung dar, mittels derer ein kon
stanter Abstand zwischen der Gegenplatte 11 und der Befestigungsplatte 12 ein
gehalten wird. Diese Verbindung kann beispielsweise von einem Metallstift ge
bildet sein. Die anderen Befestigungsmittel 15, 16 sind verstellbar und beispiels
weise von Schrauben gebildet sein. Auf der Befestigungsplatte 12 ist der Sensor
1 befestigt. Der Sensor 1 kann mittels der Halterung 8 in der Ebene senkrecht
zum Richtungsvektor R des Sendeelements 2 verschwenkt werden. Zur Grobver
stellung des Sensors 1 wird die Montageplatte 11 auf der Blechhalbkugel 10
verstellt und in der Endposition mit der Schraube 13, die in die Blechhalbkugel
10 greift, fixiert.
Zur Feinverstellung der Lage des Sensors 1 werden die beiden Befestigungs
mittel 15, 16 an der Befestigungsplatte 12 verstellt.
Während der Verstellung der Lage des Sensors 1 wird vom Bedienpersonal fort
laufend die an der Anzeigevorrichtung angezeigte Lichtmenge, die auf das Emp
fangselement 3 auftrifft, beobachtet und so die Ausrichtung des Sensors 1 kon
trolliert.
In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Ausrichtung des
Sensors 1 automatisch über eine nicht dargestellte Abgleichvorrichtung erfolgen.
Der Sensor 1 ist auf einer automatischen, beispielsweise mittels eines Schritt
motors verstellbaren Verstelleinheit gelagert, die mit der Auswerteeinheit des
Sensors 1 verbunden ist. Die Auswerteeinheit steuert die Verstelleinheit an, so
daß diese in einem vorgegebenen Bereich die Position des Sensors kontinuier
lich verstellt. Die am Empfangselement 3 registrierte Lichtmenge wird in Ab
hängigkeit der Position der Verstelleinheit in der Auswerteeinheit gespeichert.
Anschließend wird in der Auswerteeinheit die Position der Verstelleinheit er
mittelt, für die die maximale Empfangsleistung registriert wurde. Anschließend
wird die Verstelleinheit durch die Auswerteeinheit aktiviert und in diese Posi
tion verfahren. Bei einer derartigen Vorrichtung braucht keine Anzeigevor
richtung am Sensor 1 vorgesehen sein, da die Ausrichtung ohne Eingriff des
Bedienspersonals erfolgt.
In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier Sensoren 1 mit einer Vor
richtung zu deren Ausrichtung dargestellt. Die Sensoren 1 sind wiederum von
identisch ausgebildeten Datenlichtschranken gebildet, wobei in diesem Fall nur
am zweiten Sensor 1 ein Retroreflektor 6 zur Ausrichtung der Sensoren 1 vor
gesehen ist. Der erste Sensor 1 ist wiederum an einer verschwenkbaren Halte
rung 8 befestigt und weist eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von dem
Retroreflektor 6 auf das Empfangselement 3 reflektierten Sendelichtstrahlen 5
auf.
Der Retroreflektor 6 ist an einer von einer Seitenwand des Gehäuses 4 des
zweiten Sensors 1 hervorstehenden Haltung 17 an einem Gelenk 18 schwenkbar
gelagert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Halterung in Fig. 3 ebenso
wie in Fig. 1 nicht dargestellt.
Sind die Sensoren 1 zueinander ausgerichtet, so wird der Retroreflektor 6 nicht
benötigt. Demzufolge liegt der Retroreflektor 6 an der Halterung 17 so an, daß
er nicht in den Strahlengang des Sendelichtstrahls 5 des ersten Sensors 1 ragt
(Fig. 3a).
Zum Ausrichten der Sensoren 1 wird der Retroreflektor 6 vor das Sende- 2 und
Empfangselement 3 des Sensors 1 geschwenkt. Zweckmäßigerweise ist die
Fläche F des Retroreflektors 6 so gewählt, daß er die gesamte Frontseite des
Sensors 1 verdeckt.
Andererseits entspricht die Fläche F des Retroreflektors 6 im wesentlichen der
Fläche f des Lichtflecks des Sendelichtstrahls 5 des ersten Sensors 1 am Ort des
Retroreflektors 6.
Die Ausrichtung des Sensors 1 erfolgt auf dieselbe Weise wie beim Ausfüh
rungsbeispiel gemäß Fig. 1.
Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 muß die Fläche f des Lichtflecks
am Ort des Retroreflektors 6 größer oder gleich der von den Retroreflektoren 6
begrenzten Fläche F sein, da ansonsten die Gefahr besteht, daß der Sendelicht
strahl 5 des ersten Sensors 1 auf einen der Retroreflektoren 6 ausgerichtet wird
und nicht auf den Sensor 1 selbst. Diese Einschränkung entfällt bei dem Aus
führungsbeispiel gemäß Fig. 3, da dort ein einzelner Retroreflektor 6 unmittel
bar vor dem Sensor 1 angeordnet ist. Dennoch ist es zweckmäßig, daß die Re
troreflektorfläche von derselben Größenordnung wie die Größe des Lichtflecks
am Ort des Retroreflektors 6 ist, da auf diese Weise gewährleistet ist, daß das
Maximum der Empfangsleistung im ersten Sensor 1 gerade dann erhalten wird,
wenn der erste Sensor 1 dem zweiten Sensor 1 exakt gegenübersteht. Wäre der
Lichtfleck erheblich kleiner als die Retroreflektorfläche, so ergäbe sich ein
größerer Bereich der Position des ersten Sensors 1, für den eine maximale
Empfangsleistung erhalten wird. Prinzipiell kann jedoch die Größe des Licht
flecks kleiner, größer oder gleich der Fläche F des Retroreflektors sein, da für
sämtliche Ausbildungen eine hinreichend genaue Ausrichtung möglich ist.
Claims (10)
1. Vorrichtung zum Ausrichten zweier über eine Distanz Lichtsignale aus
tauschender optoelektronischer Sensoren, wobei der erste Sensor ein die
Lichtsignale aussendendes Sendeelement und ein Empfangselement auf
weist und der zweite Sensor wenigstens ein Empfangselement aufweist,
dadurch gekennzeichnet, daß am zweiten Sensor (1) wenigstens ein Re
flektor (6) beweglich angebracht und vor oder neben das Empfangsele
ment (3) positionierbar ist, und daß zum Ausrichten der Sensoren (1) die
vom ersten Sensor (1) emittierte und über den Retroreflektor (6) auf das
Empfangselement (3) des ersten Sensors (1) gelangende Lichtmenge als
Maß für die Güte der Ausrichtung in einer Auswerteeinheit ausgewertet
wird.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangs
element (3) des zweiten Sensors (1) an dessen dem ersten Sensor (1) zu
gewandeter Stirnfläche angeordnet ist, und daß Retroreflektoren (6) von
den Seitenwänden des zweiten Sensors (1) hervorstehen, wobei die Flä
chennormalen der Retroreflektorflächen parallel zum Richtungsvektor (R)
des Empfangselements (3) ausgerichtet sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, daß die Retroreflek
toren (6) an Gelenken (7) an den Seitenwänden des Sensors (1)
schwenkbar angeordnet sind.
4. Vorrichtung nach Anspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, daß die von
den Retroreflektoren (6) begrenzte Fläche (F) kleiner oder gleich ist als
die Fläche (f) des Lichtflecks des Lichtsignals des ersten Sensors (1) am
Ort der Retro-Reflektoren (6).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, daß ein Retrore
flektor (6) an einer von einer Seitenwand des zweiten Sensors (1) hervor
stehenden Haltung (17) so befestigt ist, daß der Retroreflektor (6) vor das
Empfangselement (3) schwenkbar ist.
6. Vorrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß die Retrore
flektorfläche (F) in derselben Größenordnung wie die Fläche (f) des Licht
flecks des Lichtsignals am Ort des Retroreflektors (6) ist.
7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6 dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens der erste Sensor (1) an einer Halterung (8) verschwenkbar an
geordnet ist.
8. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7 dadurch gekennzeichnet, daß
wenigstens am ersten Sensor (1) eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige der
auf dem Empfangselement (3) auftreffenden Lichtmenge vorgesehen ist.
9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-8 dadurch gekennzeichnet, daß
beide Sensoren (1) identisch ausgebildet sind und jeweils ein Sende- (2)
und Empfangselement (3) sowie Retroreflektoren (6) zum Ausrichten der
Sensoren (1) aufweisen.
10. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-9 dadurch gekennzeichnet, daß
die Sensoren (1) als Datenlichtschranken ausgebildet sind.
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