DE19620642A1

DE19620642A1 - Kantensensor

Info

Publication number: DE19620642A1
Application number: DE1996120642
Authority: DE
Inventors: Georg Spoerl
Original assignee: Precitec GmbH and Co KG
Current assignee: Precitec KG
Priority date: 1996-05-22
Filing date: 1996-05-22
Publication date: 1997-11-27
Anticipated expiration: 2016-05-23
Also published as: DE19620642C2

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Detektoranordnung zur Erfassung der Lage eines Objekts, mit einem ersten lichtempfindlichen Detektor, der mit von einer Lichtquelle ausgesandter Strahlung beaufschlagt wird, die sich entsprechend einer Abdunklung durch das Objekt ändert, und durch des sen Ausgangssignal die Lage des Objekts erfaßt wird, sowie mit einem zweiten lichtempfindlichen Detektor, der ebenfalls von der Lichtquelle ausgesandte Strahlung empfängt. Insbesondere bezieht sie sich auf eine solche Detektoranordnung, mit der sich die Wirkungen von Störungen zwischen der Lichtquelle und den beiden Detektoren ausgleichen lassen.

Eine Lichtschranke, die im speziellen die Wirkungen von Schwankungen der Versorgungsspannung der Lichtquelle auf die Messung bis zu einem gewissen Grad ausgleicht, ist bereits aus der DE 22 31 776 bekannt. Bei dieser Detektoranordnung wird aus den Signalen des ersten und zweiten photoelektrischen Empfängers mittels einer einen einfachen Differenzver stärker enthaltenden Schaltungsanordnung der Quotient gebildet, damit eine Unabhängigkeit des Meßergebnisses von der Lampenemission er reicht wird.

Eine Quotientenbildung hat hier den Nachteil, daß sie schaltungstech nisch aufwendig ist und infolge der Verwendung von mehreren optischen Bauelementen in der Schaltung auch in ihrem Aufbau exakt justiert wer den muß. Weiterhin hat die Quotientenbildung generell den Nachteil, daß sich das Signal/Rauschverhältnis abhängig vom Signalpegel und dem Al terungszustand der Komponenten ändert.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, eine Detektoranord nung der eingangs erläuterten Art so weiterzubilden, daß für den Aus gleich der Wirkungen von Schwankungen der Versorgungsspannung, des Umgebungslichts der Lichtschranke oder von im Betrieb auftretenden Schwankungen der Helligkeit der Lichtquelle infolge von Nachdunklung oder Verschmutzung der Lichtquellenoberfläche keine Quotientenbildung der Signale des ersten und zweiten lichtempfindlichen Detektors mehr be nötigt wird.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Detektoran ordnung eine Regeleinrichtung enthält, durch die die Strahlung der Licht quelle abhängig von der mit dem zweiten lichtempfindlichen Detektor empfangenen Strahlung in ihrer Intensität regelbar ist.

Durch einen solchen Aufbau der Detektoranordnung werden zusätzlich zu den in der Aufgabe beschriebenen Wirkungen Änderungen durch Tempe raturschwankungen und Alterung der Komponenten ausgeglichen und ei ne gleichbleibende Empfindlichkeit der Detektoranordnung erreicht.

Eine bevorzugte Ausführungsform ist derart ausgestaltet, daß die Regel einrichtung die Strahlungsintensität der Lichtquelle in Abhängigkeit der Differenz zwischen einem konstanten Sollwert und dem Ausgangssignal des zweiten Detektors regelt.

So wird gewährleistet, daß das Ausgangssignal des zweiten Detektors un abhängig von Alterungsprozessen der Bauelemente oder von Schmutz- oder Staubeinwirkungen auf die Lichtquelle oder die Detektoren konstant ist. Dadurch wird bei einem gleichen Aufbau des zweiten Detektors und des ersten Detektors, durch den die Lage eines zu messenden Objekts fest gestellt wird, ein nur von der Lage des Objekts abhängiges Ausgangssignal des ersten Detektors erhalten.

Eine weitere bevorzugte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung das Ausgangssignal des zweiten Detektors an ihrem negativen Eingang und den konstanten Sollwert an ihrem positiven Ein gang empfängt.

Durch diese Schaltungsanordnung ist ein einfacher Aufbau einer stabil arbeitenden Regeleinrichtung gewährleistet.

Die bevorzugte Ausführungsform ist in einer vorteilhaften Weiterbildung dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung über einen Verstärker mit der Lichtquelle verbunden ist.

Durch die Verwendung eines Verstärkers braucht die Regeleinrichtung selbst nicht die Lichtquelle zu treiben, wodurch sie von der Lichtquelle un abhängig auslegbar ist und somit nicht an unterschiedliche Lichtquellen angepaßt werden muß.

Weiterhin ist eine bevorzugte Weiterbildung der Ausführungsform da durch gekennzeichnet, daß der Sollwert vorgebbar ist.

Durch einen vorgebbaren Sollwert kann leicht der Arbeitspunkt der ge samten Detektoranordnung verändert und an unterschiedliche Signalan zeigeeinheiten angepaßt werden, ohne schaltungstechnische Änderungen vornehmen zu müssen.

Eine andere vorteilhafte Ausgestaltung ist dadurch gekennzeichnet, daß ein Verstärkungsgrad des Verstärkers vorgebbar ist.

Durch einen solchen vorgebbaren Verstärkungsgrad kann jede Lichtquel le, die prinzipiell in der Lage ist, genug Licht abzustrahlen, an eine gegebe ne Detektoranordnung angepaßt werden, wodurch ein problemloses Um rüsten der gesamten Anordnung oder das Auswechseln einer defekten Lichtquelle möglich wird, auch wenn eine baugleiche Lichtquelle nicht mehr zur Verfügung steht.

Vorzugsweise ist jedem der Detektoren eine Reihenschaltung bestehend aus einem Verstärker, einer Diode und einem Tiefpaßfilter nachgeschal tet.

Durch eine solche Reihenschaltung, die direkt hinter den Detektoren an geordnet ist, wird eine Verstärkung und Filterung der Meßsignale der bei den Detektoren ohne Leitungsverluste gewährleistet. Werden die beiden aus einem Detektor mit Verstärker, sowie einer Diode und einem nachge schalteten Tiefpaßfilter gebildeten Kanäle aus gleichen Bauteilen einer Produktionsserie aufgebaut, so kann davon ausgegangen werden, daß die Alterung der Bauteile identisch ist und somit auch eine dadurch bedingte Änderung der Bauteile selber. Mit dieser Annahme werden durch die erfin dungsgemäße Schaltungsanordnung sämtliche durch Alterung bedingten Änderungen der Bauteile ausgeregelt.

Weiterhin ist eine andere bevorzugte Ausführungsform dadurch gekenn zeichnet, daß dem ersten Detektor ein Spannungs/Strom-Wandler nach geschaltet ist.

Da der erste Detektor zur Messung der Lage des zu messenden Objekts ein gesetzt wird, ist durch diese bevorzugte Ausführungsform eine verlustfreie Übertragung des Meßsignals über weite Strecken möglich.

In einer noch anderen vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung wird das Licht der Lichtquelle mit Hilfe einer Zylinderlinse zu einem flächigen, pa rallelen Strahl ausgeweitet.

Vorzugsweise handelt es sich hier um eine langgestreckte Lichtquelle, die parallel zu der Kante zwischen zwei rechteckigen Detektoren verläuft. Durch die Verwendung eines flächigen, parallelen Lichtstrahls wird der Einfluß des Abstandes zwischen dem Meßobjekt und den Detektoren aus geschaltet.

In einer noch anderen bevorzugten Ausführungsform der Detektoranord nung wird das Licht der Lichtquelle hinter der Lichtquelle und vor den De tektoren durch mindestens einen Tubus hindurchgeführt.

Dies geschieht, damit zur schärferen Abschattung des ersten Detektors durch das Meßobjekt der Einfluß von Streulicht möglichst verhindert wird.

Diese bevorzugte Ausführungsform kann weiter dadurch gekennzeichnet sein, daß durch jeden Tubus Luft geführt wird.

Durch die Luftführung in einem länglichen Tubus wird das Vordringen von staubiger oder öliger Umgebungsluft verhindert. Die optischen Fenster des Sensors und/oder der Lichtquelle werden so durch eine geeignete Luftspülung vor einem Verschmutzen geschützt.

Eine noch andere bevorzugte Ausführungsform ist derart ausgebildet, daß großflächige Detektoren ohne Fokussierungsoptik verwendet werden.

Dadurch erübrigt sich auf der Empfängerseite eine Optik und deren Justa ge.

Eine dazu alternative Ausführungsform verwendet Detektoren mit kleiner Fläche zusammen mit einer Fokussierungsoptik.

Durch diese alternative Ausführungsform kann durch die Verwendung ei ner Fokussierungsoptik Platz eingespart und der Kostenaufwand für die Detektoren verringert werden.

Eine weitere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Detektoranord nung verwendet eine LED-Zeile als Lichtquelle.

Hierdurch ist eine lange Lebensdauer der Lichtquelle bei einem sehr gerin gen Stromverbrauch gewährleistet. Ein weiterer Vorteil ist, daß Leucht dioden ohne großen schaltungstechnischen Aufwand in ihrer Strahlungs intensität geregelt werden können.

Schließlich ist eine letzte bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung derart ausgebildet, daß jeder Tubus Kollimatoren enthält.

Durch die Verwendung von Kollimatoren braucht auf der Seite der Licht quelle keine Zylinderoptik eingesetzt zu werden.

Nachfolgend wird in Bezug auf die beigefügten Figuren ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel erläutert, es zeigen:

Fig. 1 eine bevorzugte Ausführungsform einer Detektoranordnung nach der Erfindung;

Fig. 2 einen Aufbau einer erfindungsgemäßen Detektoranordnung, der zur Erläuterung des Funktionsprinzips einer Lagemessung dient;

Fig. 3 eine Lichtquelle und einen der Detektoren, die jeweils mit ei nem mit Kollimatoren versehenen Tubus ausgestattet sind; und

Fig. 4 Detektoren mit und ohne eine Fokussierungsoptik.

Das in der Fig. 1 gezeigte Ausführungsbeispiel der Erfindung weist eine aus einer Leuchtdiode bestehende Lichtquelle L auf, deren Licht auf die Detektoren M, R eines Meßkanals und eines Referenzkanals fällt. Hinter den Detektoren M, R sind der Meßkanal und der Referenzkanal identisch aufgebaut. Das Ausgangssignal m, reines jeweiligen Detektors M, R wird jeweils einem Verstärker VM, VR zugeführt, dessen Ausgangssignal je weils von einer Diode DM, DR gleichgerichtet und jeweils von einem Tief paßfilter TPM, TPR gefiltert wird. Das verstärkte, gleichgerichtete und tief paßgefilterte Ausgangssignal r des Detektors R des Referenzkanals wird in einem Subtrahierer SR von einem Sollwert Φsoll abgezogen. Das Aus gangssignal des Subtrahierers SR wird einem Verstärker V mit einem Ver stärkungsgrad T zugeführt, der die Lichtquelle L ansteuert. Das verstärk te, gleichgerichtete und tiefpaßgefilterte Ausgangssignal m des Detektors M des Meßkanals wird von einem U/I Wandler in einen Strom zwischen 4 und 20 mA gewandelt.

In einer solchen erfindungsgemäßen Detektoranordnung ist der Meßka nal, bis auf die Bestrahlung durch die vom Referenzkanal in ihrer Intensi tät geregelte Lichtquelle, vom Referenzkanal vollständig unabhängig auf gebaut. Durch die erfindungsgemäße Lehre, die Helligkeit der Lichtquelle so zu regeln, daß die vom Referenzkanal gemessene Lichtintensität immer konstant ist, kann auf eine Quotientenbildung der Signale des Meßdetek tors M und des Referenzdetektors R verzichtet werden. Durch einen vor gebbaren Sollwert Φsoll und einen einstellbaren Verstärkungsfaktor T im Regelzweig der Lichtquelle L kann ein Ausgangswert des Meßkanals in wei ten Bereichen eingestellt werden.

Die Fig. 2 erläutert allgemein das Funktionsprinzip einer Detektoranord nung zur Erfassung der Lage eines Objekts am Beispiel eines zwischen der Lampe L und dem Detektor M bewegten Bandes, dessen Position anhand der Lage der Kante K relativ zum Detektor M festgestellt werden soll.

Das Band bewegt sich in der y-Richtung und seine Lage x soll in der x-Rich tung erfaßt werden, wobei der Einfluß von Umgebungslicht, Staub oder Störkonturen weitgehend vermieden werden soll.

Zwischen der Lichtquelle L und den Detektoren R, M befindet sich ober halb von dem zu messenden bewegten Band eine Zylinderlinse Z, die das Licht der Lichtquelle L in einen flächigen, parallelen Strahl umwandelt. Der Strahl beleuchtet die zwei lichtempfindlichen Detektoren R, M. Die vom Detektor R gemessene Lichtintensität wird zur Regelung der Hellig keit der Lichtquelle L benutzt. Das zu messende Band schattet nur einen Teil des Detektors M ab.

Durch diese Anordnung werden Änderungen durch Temperaturschwan kungen und Alterung der Komponenten ausgeglichen und eine gleichblei bende Empfindlichkeit der gesamten Detektoranordnung erreicht, da die vom Detektor R gemessene Lichtintensität der Lichtquelle L aufgrund der erfindungsgemäßen Schaltungsanordnung immer gleich bleibt.

Die vom Detektor M gemessene Lichtintensität wird zur Lagebestimmung der Kante K genutzt. Ein in den Meßstrahl M′ zwischen der Zylinderlinse Z und dem Detektor M eintauchendes Objekt schattet den Meßdetektor ab und bewirkt eine geringere Lichtintensität auf dem Detektor M. Die Aus werteelektronik des Meßkanals gibt in diesem Fall eine geringere Aus gangsspannung als in dem nicht abgeschatteten Zustand oder dem weni ger abgeschatteten Zustand aus. Die Höhe der Ausgangsspannung ist da mit proportional zur Lage x der Objektkante im Meßstrahl. Da die Lichtin tensität der Lichtquelle in Bezug auf den Referenzkanal geregelt wird, der gleich zum Meßkanal aufgebaut ist, ist auch die am Meßdetektor M an kommende Lichtintensität unabhängig von äußeren Störeinflüssen oder einer Alterung der Bauelemente.

Vorzugsweise werden die Detektoren so angeordnet, daß der nichtabge schattete Bereich des Detektors M in Größe und Form dem Detektor R ent spricht. In diesem Fall haben auf dem bewegten Band mittig laufende Stör konturen, die den Referenzkanal und den Meßkanal gleichermaßen ab schatten, keinen Einfluß auf die Messung.

Die Fig. 3 zeigt eine Anordnung der Lichtquelle L und eines der Detekto ren M, R, wobei im Strahlengang von der Lichtquelle L zu dem jeweiligen Detektor M, R jeweils hinter der Lichtquelle L und vor dem Detektor M, R ein Tubus T angeordnet ist. Dieser Tubus T weist eine längliche Form auf und er kann Kollimatoren KO enthalten, sowie von einem Luftstrom durch strömt werden. Durch den Einsatz von Kollimatoren erübrigt sich die Ver wendung einer Zylinderlinse Z bei gleichbleibendem Effekt. Mittels eines Luftstromes durch den jeweiligen Tubus T kann einer Verschmutzung der Lichtquelle L oder der Detektoren M, R vorgebeugt werden und ein Einsatz unter rauhen Bedingungen wird möglich.

Die Fig. 4 zeigt zum einen großflächige Detektoren R, M, deren Einsatz ei ne Optik und deren Justage auf der Empfängerseite erübrigt, und zum an deren Detektoren mit kleinerer Fläche, bei denen eine Linse zur Fokussie rung des Meß- und Referenzstrahls verwendet wird.

Claims

1. Detektoranordnung zur Erfassung der Lage eines Objekts, mit einem ersten lichtempfindlichen Detektor (M), der mit von einer Lichtquelle (L) ausgesandter Strahlung beaufschlagt wird, die sich entsprechend einer Abdunklung durch das Objekt ändert, und durch dessen Ausgangssignal die Lage des Objekts erfaßt wird, sowie mit einem zweiten lichtempfindli chen Detektor (R) der ebenfalls von der Lichtquelle (L) ausgesandte Strah lung empfängt, gekennzeichnet durch eine Regeleinrichtung (SR), durch die die Strahlung der Lichtquelle (L) abhängig von der durch den zweiten lichtempfindlichen Detektor (R) empfangenen Strahlung in ihrer Intensi tät regelbar ist.

2. Detektoranordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (SR) die Strahlungsintensität der Lichtquelle (L) in Abhängigkeit der Differenz zwischen einem konstanten Sollwert (Φsoll) und einem Ausgangssignal (r) des zweiten Detektors (R) regelt.

3. Detektoranordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Regeleinrichtung (SR) das Ausgangssignal (r) des zweiten Detek tors (R) an ihrem negativen Eingang (-) und den konstanten Sollwert (Φsoll) an ihrem positiven Eingang (+) empfängt.

4. Detektoranordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeich net, daß die Regeleinrichtung (SR) über einen Verstärker (V) mit der Licht quelle (L) verbunden ist.

5. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 2 bis 4, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sollwert (Φsoll) vorgebbar ist.

6. Detektoranordnung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeich net, daß ein Verstärkungsgrad (T) des Verstärkers (V) vorgebbar ist.

7. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge kennzeichnet, daß jedem der Detektoren (M, R) eine Reihenschaltung be stehend aus einem Verstärker (VM, VR), einer Diode (DM, DR) und einem Tiefpaßfilter (TPM, TPR) nachgeschaltet ist.

8. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge kennzeichnet, daß dem ersten Detektor ein Spannungs/Strom-Wandler nachgeschaltet ist.

9. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge kennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (L) mit Hilfe einer Zylinder linse (Z) zu einem flächigen, parallelen Strahl aufgeweitet wird.

10. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge kennzeichnet, daß das Licht der Lichtquelle (L) hinter der Lichtquelle (L) und vor den Detektoren (M, R) durch mindestens einen Tubus (T) hin durchgeführt wird.

11. Detektoranordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß durch jeden Tubus (T) Luft geführt wird.

12. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß als erste und zweite Detektoren (M, R) großflächige Detektoren (M, R) ohne Fokussierungsoptik zum Einsatz kommen.

13. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge kennzeichnet, daß als erste und zweite Detektoren (M, R) Detektoren mit kleiner Fläche zusammen mit einer Fokussierungsoptik (O) zum Einsatz kommen.

14. Detektoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge kennzeichnet, daß die Lichtquelle (L) eine LED-Zeile ist.

15. Detektoranordnung nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekenn zeichnet, daß jeder Tubus (T) Kollimatoren (KO) enthält.