DE19951557A1 - Optoelectronic arrangement for detecting objects in monitored region has light transmitter and receiver with near and far elements for light from near and far objects - Google Patents
Optoelectronic arrangement for detecting objects in monitored region has light transmitter and receiver with near and far elements for light from near and far objectsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Ober begriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optoelectronic device according to the Ober Concept of claim 1.
Eine derartige optoelektronische Vorrichtung ist aus der DE 41 19 797 A1 be kannt. Diese Vorrichtung ist als Distanzsensor ausgebildet und weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender sowie einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Während eines Einlernvorgangs wird die Dis tanz zu einer den Überwachungsbereich begrenzenden Referenzfläche ermittelt und als erster Referenzwert abgespeichert. Zudem wird die dabei erhaltene Amplitude des Empfangssignals am Ausgang des Empfängers erfasst und als zweiter Referenzwert abgespeichert. Während der auf den Einlernvorgang fol genden Betriebsphase werden fortlaufend die aktuellen Distanzwerte und Amplituden der Empfangssignale mit den jeweiligen Referenzwerten vergli chen. Stimmen die Distanzwerte oder Amplituden nicht innerhalb vorgegebe ner Toleranzbänder mit den Referenzwerten überein, so wird eine Objektmel dung generiert.Such an optoelectronic device is known from DE 41 19 797 A1 knows. This device is designed as a distance sensor and has one Transmitting light rays emitting transmitter and a receiving light rays receiving recipient. During a teach-in process, the Dis dance to a reference area delimiting the monitoring area and stored as the first reference value. In addition, the one obtained Amplitude of the received signal at the output of the receiver detected and as second reference value saved. During the following on the teach-in process the current distance values and Compare the amplitudes of the received signals with the respective reference values chen. Are the distance values or amplitudes not correct within the given range? If the tolerance bands match the reference values, an object mel generated.
Nachteilig hierbei ist zum einen, dass die Verwendung eines Distanzsensors zur Objekterfassung relativ aufwendig ist und daher einen unerwünschten Kostenaufwand bedeutet.The disadvantage here is that the use of a distance sensor for object detection is relatively complex and therefore an undesirable Cost means.
Weiterhin ist nachteilig, dass es beim Eindringen eines Objekts in den Überwa chungsbereich zu einem Messfehler bei der Distanzmessung kommen kann.It is also disadvantageous that when an object penetrates the surface range can lead to a measurement error in the distance measurement.
Dies beruht darauf, dass beim Eindringen des Objekts in den Überwachungsbe reich nur ein Teil der Sendelichtstrahlen auf das Objekt trifft, während der an dere Teil der Sendelichtstrahlen am Objekt vorbei verläuft und auf die Refe renzfläche trifft. Auf diese Weise wird im Empfänger nicht allein die Distanz zum Objekt ermittelt, sondern ein Mittelwert aus den Distanzen des Objekts und der Referenzfläche. Das Objekt erscheint somit weiter entfernt als es tat sächlich der Fall ist. Ist diese Messwertverschiebung derart, dass der so ermit telte Distanzwert innerhalb des Toleranzbandes liegt, so wird keine Objektmel dung ausgelöst, obwohl sich tatsächlich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet. Verbleibt das Objekt in dieser Position, so kann es zu dauerhaften Fehldetektionen kommen.This is due to the fact that when the object enters the surveillance area only a part of the transmitted light beams hits the object during the the part of the transmitted light rays passes the object and onto the ref interface meets. In this way the distance is not the only thing in the receiver determined for the object, but an average of the distances of the object and the reference surface. The object appears further away than it did is essentially the case. Is this measured value shift such that it If the distance value is within the tolerance band, no object is triggered even though there is actually an object in the surveillance area located. If the object remains in this position, it can become permanent False detections come.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge nannten Art so auszubilden, dass mit möglichst geringem baulichen Aufwand eine sichere Erfassung von Objekten ermöglicht wird.The invention has for its object a device of the beginning ge mentioned type so that with the least possible construction effort a secure detection of objects is made possible.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The features of claim 1 are provided to achieve this object. Advantageous embodiments and expedient further developments of the Erfin tion are described in the subclaims.
Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung ist als Lichttaster ausge bildet, deren Empfänger ein Nah- und Fernelement aufweist, wobei die aus großen Distanzen von Objekten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen vorwiegend auf das Fernelement und die aus geringen Distanzen von Objekten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen vorwiegend auf das Nahelement geführt sind.The optoelectronic device according to the invention is designed as a light scanner forms, the receiver has a near and far element, the from long distances from objects reflecting back received light beams predominantly on the remote element and from short distances of objects received light rays reflected back predominantly onto the near element are led.
Während des Einlernvorgangs sind die vom Sender emittierten Sendelicht strahlen auf die Referenzfläche gerichtet. Dabei erfolgt eine Einstellung der Differenz und/oder der Summe der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- und Fernelements auf einen Referenzwert oder auf Referenzwerte Urda, Ursa, welche innerhalb vorgegebener Toleranzbänder liegen. During the teach-in process, the transmit light emitted by the transmitter is on radiate directed onto the reference surface. An adjustment of the Difference and / or the sum of the received signals at the outputs of the Near and far elements to a reference value or to reference values Urda, Ursa, which are within specified tolerance bands.
Nach Beendigung des Einlesevorgangs wird bei einem Abweichen der aktuel len Differenzen Uda und/oder der Summen Usa der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- und Fernelements von dem Referenzwert oder den jewei ligen Referenzwerten Ursa, Urda eine Objektmeldung generiert.After completing the import process, the current value will be displayed if there is a deviation len differences Uda and / or the sums Usa of the received signals to the Outputs of the near and far element from the reference value or the respective current reference values Ursa, Urda generated an object message.
Der wesentliche Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung besteht darin, dass durch den Vergleich der Differenz und/oder der Summe der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- und Fernelements mit dem jeweiligen Referenz wert oder den jeweiligen Referenzwerten Objekte im Überwachungsbereich sicher erfasst werden können, da sich die entsprechenden Signalwerte von den Referenzwerten signifikant unterscheiden. Besonders vorteilhaft dabei ist, dass die Referenzwerte in geeigneter Weise einstellbar sind, um eine entsprechend hohe Nachweisempfindlichkeit zu erreichen. Dabei können insbesondere auch Objekte sehr dicht vor der Vorrichtung und dicht vor der Referenzfläche erfasst werden, und zwar unabhängig von deren Reflexionsgrad. Desweiteren ist vor teilhaft, dass die Objekte bereits beim Eindringen in den Überwachungsbereich sicher erfasst werden. Ist beispielsweise das Objekt so angeordnet, dass nur ein Teil der Sendelichtstrahlen auf das Objekt trifft und der restliche Teil am Ob jekt vorbei auf die Referenzfläche geführt ist, so wird dabei insbesondere eine Differenz der Empfangssignale am Nah- und Fernelement erhalten, welche vom zugehörigen Referenzwert abweicht, so dass eine Objektmeldung gene riert wird. Dadurch wird auch eine Objektkante sicher erfasst.The main advantage of the device according to the invention is that by comparing the difference and / or the sum of the received signals at the outputs of the near and far element with the respective reference value or the respective reference values objects in the monitoring area can be detected reliably since the corresponding signal values differ from the Differentiate reference values significantly. It is particularly advantageous that the reference values can be set in a suitable manner in order to achieve a corresponding to achieve high detection sensitivity. In particular, it can also Objects detected very close to the device and close to the reference surface regardless of their reflectance. Furthermore is before partial that the objects are already entering the surveillance area be recorded safely. For example, if the object is arranged so that only one Part of the transmitted light beams strikes the object and the rest of the object on the ob is passed past the reference surface, then in particular one Difference of the received signals at the near and far element receive which deviates from the associated reference value, so that an object message is generated is riert. This also reliably detects an object edge.
Schließlich ist vorteilhaft, dass der Lichttaster einen einfachen und kosten günstigen Aufbau aufweist. Zur Auswertung müssen lediglich die Summen und/oder Differenzen der Empfangssignale am Nah- und Fernelement ausge wertet werden, was ohne großen Rechenaufwand möglich ist.Finally, it is advantageous that the light scanner is simple and cost-effective has a favorable structure. Only the sums have to be evaluated and / or differences in the received signals at the near and far element be evaluated, which is possible without great computational effort.
In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist zwischen dem Sender und dem Empfänger ein weiterer Sender vorgesehen. Die beiden Sender werden vorzugsweise alternierend im Pulsbetrieb betrieben. Die dabei erhaltenen Empfangssignale können in eindeutiger Weise einem Objekt zuge ordnet werden, welches sich an einer beliebigen Position im Überwachungsbe reich aufhält. Mit dem zweiten Sender ist daher eine besonders sichere Objekt erfassung gewährleistet.In a particularly advantageous embodiment of the invention, between a further transmitter is provided for the transmitter and the receiver. The two Transmitters are preferably operated alternately in pulse mode. The one there Received signals received can be clearly assigned to an object are arranged, which is located at any position in the surveillance area stopping rich. The second transmitter is therefore a particularly safe object detection guaranteed.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the drawings. It demonstrate:
Fig. 1 Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der erfin dungsgemäßen Vorrichtung zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich mit zwei Sendelichtimpulsen emittierenden Sendern. Fig. 1 shows a schematic representation of an embodiment of the inventive device for detecting objects in a surveillance area with two transmit light pulses emitting transmitters.
Fig. 2 Lage der Sendelichtflecke auf einem im Überwachungsbereich an geordneten Objekt. Fig. 2 Location of the transmitted light spots on an ordered object in the surveillance area.
Fig. 3 Impulsdiagramme der von den Sendern der Vorrichtung gemäß Fig. 1 emittierten Sendelichtimpulse. FIG. 3 shows pulse diagrams of the transmitted light pulses emitted by the transmitters of the device according to FIG. 1.
Fig. 4 Blockschaltbild mit den optoelektronischen Komponenten der Vor richtung gemäß Fig. 1. Fig. 4 is a block diagram of the opto-electronic components of the pre direction of FIG. 1.
Fig. 5 Diagramm der Empfangssignalpegel am Empfänger der Vorrich tung gemäß Fig. 1 in Abhängigkeit der Objektdistanz. FIG. 5 diagram of the received signal level at the receiver of the device according to FIG. 1 as a function of the object distance.
Fig. 6 Ausschnitt des Diagramms gemäß Fig. 5 mit den Toleranzgrenzen für die während eines Einlernvorgangs eingestellten Referenzwerte. Fig. 6 section of the diagram of FIG. 5 with the tolerance limits for the set during a learning process reference values.
Fig. 7 Diagramm gemäß Fig. 5 mit einem Beispiel für die Änderung der Empfangssignalpegel bei einem Objekteingriff. FIG. 7 diagram according to FIG. 5 with an example for the change in the received signal level in the case of an object intervention.
Fig. 8 Diagramm gemäß Fig. 5 mit einem Beispiel für die Änderung der Empfangssignalpegel bei einer Veränderung des Reflexionsgrads eines Objekts. FIG. 8 diagram according to FIG. 5 with an example of the change in the received signal level when the reflectance of an object changes.
Fig. 9 Flussdiagramm für die Einstellung und Überwachung der Refe renzwerte bei der Vorrichtung gemäß Fig. 1. Fig. 9 flow chart for the setting and monitoring of the Refe rence values in accordance with the apparatus of Fig. 1,.
Fig. 10 Erstes Anwendungsbeispiel für die Vorrichtung gemäß Fig. 1. Fig. 10 First application example of the apparatus of FIG. 1.
Fig. 11 Zweites Anwendungsbeispiel für die Vorrichtung gemäß Fig. 1. Fig. 11 Second application example of the apparatus of FIG. 1.
Fig. 12 Drittes Anwendungsbeispiel für die Vorrichtung gemäß Fig. 1. Fig. 12 Third application example of the apparatus of FIG. 1.
Fig. 1 zeigt den Aufbau eines Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 ist als Lichttaster ausge bildet und weist einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 sowie einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf. Der Sender 3 und der Empfänger 5 sind in Abstand nebeneinander liegend angeordnet. Zwischen dem ersten Sender 3 und dem Empfänger 5 ist ein zweiter Sendelichtstrahlen 6 emittierender Sender 7 angeordnet. Die Sender 3, 7 bestehen vorzugsweise aus Leuchtdioden. Der Empfänger 5 weist ein Nahelement 8 und ein Fernelement 9 auf und ist beispielsweise von einer Doppel-Photodiode gebildet. Fig. 1 shows the construction of an embodiment of the device 1 according to the invention. The optoelectronic device 1 is formed as a light scanner and has a transmitter light emitting transmitter 2 3 and a receiving light beam 4 receiving receiver 5 . The transmitter 3 and the receiver 5 are arranged next to each other at a distance. Between the first transmitter 3 and the receiver 5 , a second transmitter 7 emitting light beams 6 is arranged. The transmitters 3 , 7 preferably consist of light-emitting diodes. The receiver 5 has a near element 8 and a remote element 9 and is formed, for example, by a double photodiode.
Dabei treffen Empfangslichtstrahlen 4, die aus großen Distanzen zum Empfän ger 5 zurückreflektiert werden, vorwiegend auf das Fernelement 9. Entspre chend treffen Empfangslichtstrahlen 4, die aus geringen Distanzen zum Emp fänger 5 zurückreflektiert werden, vorwiegend auf das Nahelement 8.Receiving light rays 4 , which are reflected back from long distances to the receiver 5 , predominantly hit the remote element 9 . Accordingly, receive light rays 4 , which are reflected from short distances to the receiver 5 , mainly on the near element 8 .
Somit wird für verschiedene Objektdistanzen eine unterschiedliche Verteilung der auf das Nah- 8 und Fernelement 9 auftreffenden Lichtmengen erhalten. Diese Verteilung kann durch ein Verschieben des Empfängers 5 in Längsrich tung verändert werden. Zur Einstellung der Position des Empfängers 5 ist eine nicht dargestellte Stellvorrichtung vorgesehen.Thus, a different distribution of the incident on the local and remote 8 element 9 light quantity is obtained for different object distances. This distribution can be changed by moving the receiver 5 in the longitudinal direction. An adjusting device (not shown) is provided for adjusting the position of the receiver 5 .
Den Sendern 3, 7 ist im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 2, 6 jeweils eine Sendeoptik 10, 11 nachgeordnet. Dem Empfänger 5 ist im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen 4 eine Empfangsoptik 12 vorgeordnet. Die Sendeopti ken 10, 11 und die Empfangsoptik 12 sind jeweils von einer Linse gebildet, welche in Abstand nebeneinander liegend in der Frontwand eines Gehäuses 13 angeordnet sind.The transmitters 3 , 7 are each followed by a transmission optics 10 , 11 in the beam path of the transmission light beams 2 , 6 . In the beam path of the received light rays 4, the receiver 5 is preceded by an optical receiving system 12 . The transmission optics 10 , 11 and the receiving optics 12 are each formed by a lens, which are arranged at a distance from one another in the front wall of a housing 13 .
Mit den Sendelichtstrahlen 2, 6 wird ein Überwachungsbereich überwacht, welcher von der Referenzfläche 14 1 eines Referenzobjekts 14 begrenzt ist. Da bei werden mit den Sendelichtstrahlen 2, 6 Objekte 15 erfasst, welche in den Überwachungsbereich zwischen dem Lichttaster und der Referenzfläche 14 1 eindringen.A monitoring area, which is delimited by the reference surface 14 1 of a reference object 14 , is monitored with the transmitted light beams 2 , 6 . Since with the transmitted light beams 2 , 6 objects 15 are detected, which penetrate into the monitoring area between the light sensor and the reference surface 14 1 .
Die Strahlachsen der Sendelichtstrahlen 2, 6 verlaufen innerhalb des Überwa chungsbereichs parallel in Abstand zueinander. Dementsprechend ergeben sich auf einem Objekt 15 im Überwachungsbereich die in Fig. 2 dargestellten Sen delichtflecke. Die Strahldurchmesser der Sendelichtstrahlen 2, 6 sowie deren Abstand d zueinander sind so gewählt, dass sich die Sendelichtflecke nicht überlappen. Dadurch ist gewährleistet, dass bei seitlichem Eintauchen eines Objekts 15 in den Überwachungsbereich das Objekt 15 zuerst von den Sende lichtstrahlen 2 eines Senders 3 erfasst wird, während die Sendelichtstrahlen 6 des anderen Senders 7 noch auf die Referenzfläche 14 1 treffen.The beam axes of the transmitted light beams 2 , 6 run parallel to one another within the monitoring area at a distance from one another. Accordingly, the sensor light spots shown in FIG. 2 result on an object 15 in the monitoring area. The beam diameters of the transmitted light beams 2 , 6 and their spacing d from one another are selected such that the transmitted light spots do not overlap. This ensures that when an object 15 is laterally immersed in the monitoring area, the object 15 is first detected by the transmitted light beams 2 from a transmitter 3 , while the transmitted light beams 6 from the other transmitter 7 still strike the reference surface 14 1 .
Die Sender 3, 7 werden vorzugsweise im Pulsbetrieb betrieben und emittieren jeweils Sendelichtimpulse mit einem vorgegebenen Puls-Pausen-Verhältnis. Dabei werden, wie in Fig. 3 dargestellt, jeweils von einem Sender 3 oder 7 Sendelichtimpulse in den Sendepausen des jeweils anderen Senders 7 oder 3 emittiert. Dadurch können im Empfänger 5 die von den einzelnen Sendern 3, 7 emittierten Sendelichtstrahlen 2, 6 die als Empfangslichtstrahlen 4 auf den Empfänger 5 zurückreflektiert werden, separat ausgewertet werden.The transmitters 3 , 7 are preferably operated in pulse mode and each emit transmission light pulses with a predetermined pulse-pause ratio. In this case, as shown in FIG. 3, 3 or 7 transmission light pulses are emitted by one transmitter in the transmission pauses of the other transmitter 7 or 3 . Thereby, in the receiver 5, the light emitted from the individual transmitters 3, 7 transmitted light beams 2, 6 which are reflected back as the received light beams 4 to the receiver 5, are evaluated separately.
Zur Einstellung der Pegel der Sendelichtstrahlen 2, 6 und damit auch der Pegel der auf den Empfänger 5 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 4 sind die Puls breiten der von den einzelnen Sendern 3, 7 emittierten Sendelichtimpulse ein stellbar.To adjust the level of the transmitted light beams 2 , 6 and thus also the level of the incoming light beams 4 incident on the receiver 5 , the pulse widths of the transmitted light pulses emitted by the individual transmitters 3 , 7 are adjustable.
Fig. 4 zeigt ein Blockschaltbild der optoelektronischen Komponenten der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1. Die von den Sendern 3, 7 emittierten Sendelicht strahlen 2, 6 werden von der Referenzfläche 14 1 oder von einem Objekt 15 als Empfangslichtstrahlen 4 auf den Empfänger 5 zurückreflektiert. Die Emp fangslichtstrahlen 4 werden in dem Nahelement 8 und dem Fernelement 9 in elektrische Empfangssignale umgesetzt und anschließend in jeweils einem Ver stärker 16, 16 1 verstärkt. Zur Weiterverarbeitung werden die Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- 8 und Fernelements 9 einem Subtrahierer 17 und einem Summierer 18 zugeführt. Die Signale an den Ausgängen des Subtrahie rers 17 und Summierers 18 werden über weitere Verstärker 19, 19 1 in eine Auswerteeinheit 20 eingelesen. Dabei besteht die Auswerteeinheit 20 vorzugs weise aus einem Microcontroller mit integriertem Analog-Digital-Wandler, mittels dessen die eingelesenen Signale digitalisiert werden. In der Auswerte einheit 20 wird ermittelt, ob sich ein Objekt 15 im Überwachungsbereich be findet oder nicht. In Abhängigkeit hiervon wird eine Objektmeldung generiert, die als binäres Schaltsignal über einen an die Auswerteeinheit 20 angeschlos senen Schaltausgang 21 ausgegeben wird. Zur Ausgabe von Stör- und Warn meldungen ist ein Warnausgang 22 an die Auswerteeinheit 20 angeschlossen. Zur Parametrierung bzw. Aktivierung der Vorrichtung 1 werden über einen ebenfalls an die Auswerteeinheit 20 angeschlossenen Parametriereingang 23 Daten eingespeist und in einem Parameterspeicher 24 abgelegt. Zudem kann der Gerätestatus über den Parametriereingang 23 ausgelesen werden. FIG. 4 shows a block diagram of the optoelectronic components of the device 1 according to FIG. 1. The transmitted light beams 2 , 6 emitted by the transmitters 3 , 7 are reflected back by the reference surface 14 1 or by an object 15 as received light beams 4 onto the receiver 5 . The Emp fangslichtstrahl 4 are converted in the near element 8 and the far element 9 in electrical reception signals and then amplified in a Ver 16 , 16 1 each. For further processing of the received signals at the outputs of the near and remote 8 element 9 to a subtractor 17 and an adder 18 are fed. The signals at the outputs of the subtractor 17 and summer 18 are read into an evaluation unit 20 via further amplifiers 19 , 19 1 . The evaluation unit 20 preferably consists of a microcontroller with an integrated analog-digital converter, by means of which the read signals are digitized. In the evaluation unit 20 , it is determined whether an object 15 is in the monitoring area or not. Depending on this, an object message is generated which is output as a binary switching signal via a switching output 21 connected to the evaluation unit 20 . To output fault and warning messages, a warning output 22 is connected to the evaluation unit 20 . For parameterization or activation of the device 1 , data is fed in via a parameterization input 23, which is also connected to the evaluation unit 20 , and is stored in a parameter memory 24 . In addition, the device status can be read out via parameter input 23 .
Fig. 5 zeigt den typischen Verlauf der Summen und Differenzen der Emp fangssignalpegel an den Ausgängen des Summierers 18 und Subtrahierers 17 in Abhängigkeit der Objektdistanz. Dabei ist mit Usa die Summe der Empfangs signale an den Ausgängen des Nah- 8 und Fernelements 9 bei aktiviertem ers ten Sender 3 bezeichnet. Fig. 5 shows the typical course of the sums and differences of the Emp signal level at the outputs of the summer 18 and subtractor 17 as a function of the object distance. It is with Usa the sum of the reception signals at the outputs of the near and remote 8 element 9 referred to with activated ers th transmitter. 3
Mit Usb ist die Summe der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- 8 und Fernelements 9 bei aktiviertem zweiten Sender 7 bezeichnet.With USB, the sum of the received signals at the outputs of the near and remote 8 element 9 is designated with activated second transmitter. 7
Entsprechend sind die Differenzen der Empfangssignale an den Ausgängen des
Nah- 8 und Fernelements 9 bei aktiviertem Sender 3, 7 und Empfänger 5 mit
Uda und Udb bezeichnet. Somit ergeben sich folgende Beziehungen
Accordingly, the differences of the received signals at the outputs of the near and remote 8 element 9 with activated transmitter 3, 7 and receiver 5 are denoted by Uda and Udb. This leads to the following relationships
Usa = Un+Uf
Uda = Un-Uf
Usa = U n + U f
Uda = U n -U f
wobei Un, Uf die Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- 8 und Fernele
ments 9 bei aktivem ersten Sender 3 sind und
where U n , U f are the received signals at the outputs of the near- 8 and Fernele element 9 when the first transmitter 3 is active and
Usb = Un+Uf
Udb = Un-Uf
Usb = U n + U f
Udb = U n -U f
wobei Un, Uf in diesem Fall die Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- 8 und Fernelements 9 bei aktivem zweiten Sender 7 sind.where U n, U f in this case, the reception signals at the outputs of the near and remote 8 element 9 with active second transmitter 7 are.
Wie aus Fig. 5 ersichtlich ist, nähern sich die einzelnen Signale für große Objektdistanzen dem Wert 0. Mit geringer werdender Distanz steigen die Sig nale an, bis diese in einem mittleren Distanzbereich eine positive Aussteuer grenze erreichen. Schließlich fallen die Signale im Nahbereich steil bis auf null ab. Dort fallen Differenz- und Summenspannungen zusammen. Die Referenz fläche 14 1 befindet sich in einem Abstand d1 zur Vorrichtung 1, der so gewählt ist, dass dort die Signale an den Ausgängen des Nah- 8 und Fernelements 9 nicht die Aussteuergrenze erreichen. Bei der Auswertung der einzelnen Emp fangssignale wird der Umstand ausgenutzt, dass bei keiner Distanz die gleiche Signalpegelkombination wie für die im Abstand d1 angeordnete Referenzfläche 14 1 erhalten wird, wodurch die Objekte 15 im Überwachungsbereich eindeutig von der Referenzfläche 14 1 unterschieden werden können.As can be seen from FIG. 5, the individual signals for large object distances approach the value 0. As the distance becomes smaller, the signals increase until they reach a positive modulation limit in a medium distance range. Finally, the signals drop sharply down to zero at close range. Differential and total voltages coincide there. The reference surface 14 1 is located at a distance d 1 from the device 1 , which is selected so that the signals at the outputs of the near and far elements 8 and 9 do not reach the modulation limit. The evaluation of the individual received signals takes advantage of the fact that at no distance the same signal level combination is obtained as for the reference surface 14 1 arranged at a distance d 1 , whereby the objects 15 in the monitoring area can be clearly distinguished from the reference surface 14 1 .
Erfindungsgemäß werden zur Objekterkennung die Signale Usa, Uda und/oder Udb ausgewertet. Für den Fall, dass die Vorrichtung 1 nur mit einem Sender 3 arbeitet, werden lediglich die Signale Usa und/oder Uda ausgewertet. In einem ersten Schritt wird während eines Einlernvorgangs die Referenzfläche 14 1 bei freiem Strahlengang der Vorrichtung 1 mit den Sendelichtstrahlen 2, 6 der ein zelnen Sender 3, 7 beaufschlagt.According to the invention, the signals Usa, Uda and / or Udb are evaluated for object detection. In the event that the device 1 works with only one transmitter 3 , only the signals Usa and / or Uda are evaluated. In a first step, the reference surface 14 1 is exposed to the transmitted light beams 2 , 6 of an individual transmitter 3 , 7 during a teach-in process when the beam path of the device 1 is clear.
Während des Einlernvorgangs wird die Vorrichtung 1 derart eingestellt, dass für die Signale Usa und Udb bestimmte Werte erhalten werden, welche inner halb vorgegebener Toleranzbänder liegen. Die so erhaltenen Werte bilden Re ferenzwerte Ursa und Urda und werden in der Auswerteeinheit 20 abgespei chert.During the teach-in process, the device 1 is set in such a way that certain values are obtained for the signals Usa and Udb, which lie within predetermined tolerance bands. The values obtained in this way form reference values Ursa and Urda and are stored in the evaluation unit 20 .
Die Lage dieser Werte und der zugehörigen Toleranzbänder ist in Fig. 6 ver anschaulicht. Die Differenz Uda der Empfangssignale am Nah- 8 und Fernele ment 9 wird dabei auf einen Referenzwert Urda eingestellt, welcher möglichst genau einem Schwellwert S1 entspricht, dessen Höhe in der Auswerteeinheit 20 vorgegeben ist. Der Schwellwert S1 liegt innerhalb eines Toleranzbandes, welches durch die Toleranzgrenzen g1o und g1u begrenzt ist. Die Toleranz grenzen g1o und g1u sind in der Auswerteeinheit 20 als Parameterwerte abge speichert. Zudem wird der Referenzwert Ursa für das Summensignal so einge stellt, dass dieser innerhalb eines durch die Toleranzgrenzen g3u und g3o be grenzten Toleranzbandes liegt. Auch diese Toleranzgrenzen sind in der Aus werteeinheit 20 als Parameter abgespeichert, wobei der Wert von g3o der posi tiven Aussteuergrenze des entsprechenden Summensignals Usa entspricht. The location of these values and the associated tolerance bands is illustrated in FIG. 6. The difference Uda of the received signals at the near 8 and Fernele element 9 is set to a reference value Urda, which corresponds as closely as possible to a threshold value S1, the level of which is predetermined in the evaluation unit 20 . The threshold value S1 lies within a tolerance band, which is limited by the tolerance limits g1o and g1u. The tolerance limits g1o and g1u are stored in the evaluation unit 20 as parameter values. In addition, the reference value Ursa for the sum signal is set so that it lies within a tolerance band limited by the tolerance limits g3u and g3o. These tolerance limits are also stored in the evaluation unit 20 as parameters, the value of g3o corresponding to the positive control limit of the corresponding sum signal Usa.
Zum Abgleich der Vorrichtung 1 wird der Empfänger 5 so verschoben, dass von der Referenzfläche 14 1 zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen 4 zu etwa gleichen Teilen auf das Nah- 8 und Fernelement 9 fallen und die Differenz spannung Uda etwa den Schwellwert S1 erreicht. Als Einstellhilfe sind an der Vorrichtung 1 zwei nicht dargestellte verschiedenfarbige Anzeigedioden vorge sehen, von denen eine den Zustand Uda < S1 und die andere den Zustand Uda < S1 signalisiert. Durch diese Einstellhilfe wird der Wert von Uda auf einen Wert eingestellt, der nahezu exakt dem Schwellwert S1 entspricht.For calibration of the device 1, the receiver 5 is displaced so as to reach from the reference surface 14 1 return reflected reception light beams 4 approximately equal parts to the local and long-distance element 9 8 fall and the voltage difference Uda about the threshold value S1. As a setting aid, two differently colored display diodes are provided on the device 1 , one of which signals the state Uda <S1 and the other the state Uda <S1. This setting aid sets the value of Uda to a value that corresponds almost exactly to the threshold value S1.
Durch Eingabe eines Teachbefehls, die über eine Taste an der Vorrichtung 1 oder über den Parametriereingang 23 erfolgen kann, werden in der Auswerte einheit 20 die einzelnen Messwerte über eine definierte Zeit gemittelt und ab gespeichert. Die Mittelung der Messwerte erfolgt typischerweise über eine Zeit von z. B. 0,1 s-1 s. Anschließend wird in der Auswerteeinheit 20 geprüft, ob die Referenzwerte Ursa, Ursa innerhalb der jeweiligen Toleranzbänder liegen.By entering a teach command, which can take place via a button on the device 1 or via the parameter setting input 23 , the individual measured values are averaged over a defined time in the evaluation unit 20 and are saved. The measured values are typically averaged over a time of e.g. B. 0.1 s-1 s. The evaluation unit 20 then checks whether the reference values Ursa, Ursa are within the respective tolerance bands.
Bei korrekter Einstellung des Empfängers 5 mittels der Einstellhilfe ist in je dem Fall gewährleistet, dass der Wert von Urda innerhalb des durch die Tole ranzgrenzen g1o, g1u begrenzten Toleranzbandes liegt. Normalerweise liegt dann auch der Wert von Ursa innerhalb des durch die Toleranzgrenzen g3o, g3u liegenden Toleranzbandes.When the receiver 5 is set correctly by means of the setting aid, it is ensured in each case that the value of Urda lies within the tolerance band delimited by the tolerance limits g1o, g1u. Normally, the value of Ursa then lies within the tolerance band lying through the tolerance limits g3o, g3u.
Nur für den Fall, dass der Überwachungsbereich von einer stark reflektierenden Referenzfläche 14 1 begrenzt ist liegt die Summenspannung Usa über den Grenzwert g3o. Dann werden die Pulsbreiten der vom ersten Sender 3 emit tierten Sendelichtimpulse schrittweise reduziert, bis der Wert von Usa unter dem Grenzwert g3o liegt. Die Pegelreduzierung wird dadurch erreicht, dass der Empfangspuls bei kürzeren Sendepulsbreiten wegen der vorgegebenen Emp fangsbandbreite nicht mehr ganz einschwingt. Liegen die Referenzwerte Ursa, Urda innerhalb der vorgegebenen Toleranzbänder, ist der Einlernvorgang be endet und in einer nachfolgenden Betriebsphase werden Objekte 15 im Über wachungsbereich erfasst. Liegt einer der Referenzwerte Urda, Ursa außerhalb des jeweiligen Toleranzbandes, so wird der Einlernvorgang abgebrochen und eine Warnmeldung über den Warnausgang 22 ausgegeben.Only in the event that the monitoring area is delimited by a strongly reflecting reference surface 14 1 is the total voltage Usa above the limit value g3o. Then the pulse widths of the transmitted light pulses emitted by the first transmitter 3 are gradually reduced until the value of Usa is below the limit value g3o. The level reduction is achieved in that the reception pulse no longer settles completely with shorter transmission pulse widths because of the predetermined reception bandwidth. If the reference values Ursa, Urda are within the specified tolerance bands, the learning process has ended and objects 15 are detected in the monitoring area in a subsequent operating phase. If one of the reference values Urda, Ursa lies outside the respective tolerance band, the learning process is terminated and a warning message is output via warning output 22 .
Während der Betriebsphase werden zur Erfassung der Objekte 15 die aktuellen Summen- und Empfangssignale Usa, Uda mit dem jeweiligen Referenzwert Ursa, Urda verglichen. Eine Objektmeldung wird in der Auswerteeinheit 20 dann generiert, wenn das Summensignal Usa wenigstens um einen Betrag Asa vom Referenzwert Ursa abweicht, oder wenn das Differenzsignal Uda wenigs tens um einen Betrag Ada vom Referenzwert Urda abweicht. Die Beträge Ada und Asa sind vorzugsweise jeweils so gewählt, dass diese wenigstens gleich groß wie die Breiten der entsprechenden Toleranzbänder für die Referenzwerte Urda, Ursa sind. Weist die Vorrichtung 1 zudem einen zweiten Sender 7 auf, so wird eine Objektmeldung auch dann generiert, wenn der Wert von Udb größer als null ist.During the operating phase, the current sum and receive signals Usa, Uda are compared with the respective reference value Ursa, Urda to detect objects 15 . An object message is generated in the evaluation unit 20 when the sum signal Usa deviates from the reference value Ursa by at least an amount Asa, or when the difference signal Uda deviates from the reference value Urda at least by an amount Ada. The amounts Ada and Asa are preferably selected in such a way that they are at least as large as the widths of the corresponding tolerance bands for the reference values Urda, Ursa. If the device 1 also has a second transmitter 7 , an object message is generated even if the value of Udb is greater than zero.
Ein Beispiel für eine Objekterfassung ist in Fig. 7 dargestellt. Bei freiem Strahlengang werden die Signalpegel für die in der Entfernung d1 angeordnete Referenzfläche 14 1 erhalten. Tritt ein Objekt 15 bei einer Distanz d2 (d2<d1) in den Strahlengang, so werden die in Fig. 7 dargestellten Pegel erhalten. Da der Pegel von Uda bei einem in der Distanz d2 angeordneten Objekt 15 außerhalb des Toleranzbandes für Urda liegt, erfolgt eine Objektmeldung.An example of an object detection is shown in FIG. 7. With a free beam path, the signal levels for the reference surface 14 1 arranged at the distance d1 are obtained. If an object 15 enters the beam path at a distance d2 (d2 <d1), the levels shown in FIG. 7 are obtained. Since the level of Uda for an object 15 arranged at a distance d2 lies outside the tolerance band for Urda, an object message is issued.
Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung 1 kann zudem erfasst werden, ob sich die Reflexionseigenschaften der Referenzfläche 14 1 im Laufe der Zeit, bei spielsweise aufgrund von Verschmutzungen, ändern.In the device 1 according to the invention, it can also be detected whether the reflection properties of the reference surface 14 1 change over time, for example due to soiling.
Fig. 8 zeigt ein Beispiel für eine derartige Signalpegeländerung bei Reduzie rung des Reflexionsgrades, durch Verschmutzung der Referenzfläche 14 1. Die gestrichelten Linien repräsentieren die Signalpegel bei unverschmutzter Refe renzfläche 14 1, die durchgezogenen Linien die Signalpegel bei verschmutzter Referenzfläche 14 1. Der Messwert Usa sinkt mit fortschreitender Verschmut zung und bewirkt eine Objektmeldung, sobald Usa um wenigstens den Betrag Asa unterhalb von Ursa liegt. Fig. 8 shows an example of such a signal level change when reducing the degree of reflection, by contamination of the reference surface 14 1 . The dashed lines represent the signal levels with uncontaminated Refe rence surface 14 1, the solid lines, the signal levels at contaminated reference surface 14. 1 The measured value Usa decreases with increasing pollution and causes an object message as soon as Usa is at least the amount Asa below Ursa.
Fig. 9 zeigt das Flussdiagramm für den Abgleich- und Überwachungsmodus für die Referenzwerte Ursa, Urda. Nach dem mechanischen Distanzabgleich durch Verschieben des Empfängers 5 erfolgt die Eingabe des Teachbefehls zur Ermittlung und Kontrolle der Referenzwerte. Liegen die Signale Usa und Uda innerhalb der jeweiligen Toleranzbänder so werden die gemittelten Messwerte als Referenzwerte Ursa und Urda gespeichert und die Vorrichtung 1 geht in die Betriebsphase über. Hier wird zyklisch kontrolliert, ob eine Abweichung der jeweiligen Messwerte bei freiem Strahlengang zu den Referenzwerten vorliegt. Liegen die einzelnen Messwerte an den Rändern der Toleranzbänder, so wer den die Referenzwerte in größeren Zeitabschnitten, z. B. 0,1 h-1 h, an die ge mittelten Messwerte angeglichen und damit langsame Temperaturdriften oder Verschmutzungen der Sendeoptiken 10, 11, der Empfangsoptik 12 und/oder der Referenzfläche 14 1 kompensiert. Wird trotz dieser Kompensation ein Messwert an der Grenze eines Toleranzbandes erhalten, so wird eine Warn meldung generiert und über den Warnausgang 22 ausgegeben, um dem Be dienpersonal anzuzeigen, dass die Vorrichtung 1 gewartet werden muss. Fig. 9 shows the flow chart for the calibration and monitoring mode for the reference values Ursa, Urda. After the mechanical distance adjustment by moving the receiver 5 , the teach command is entered to determine and check the reference values. If the signals Usa and Uda lie within the respective tolerance bands, the averaged measured values are stored as reference values Ursa and Urda and the device 1 goes into the operating phase. Here it is checked cyclically whether there is a deviation of the respective measured values with a free beam path to the reference values. Are the individual measured values on the edges of the tolerance bands, so who the reference values in larger periods, z. B. 0.1 h-1 h, adjusted to the ge averaged measured values and thus slow temperature drifts or contamination of the transmitting optics 10 , 11 , the receiving optics 12 and / or the reference surface 14 1 are compensated. If, despite this compensation, a measured value is received at the limit of a tolerance band, a warning message is generated and output via the warning output 22 in order to indicate to the operating personnel that the device 1 must be serviced.
Fig. 10 zeigt ein Applikationsbeispiel, bei welchem die Vorrichtung 1 zu ei ner Torüberwachung eingesetzt wird. An der Oberkante des Tores 25 montierte Vorrichtungen 1 sind vertikal auf den Boden 26 gerichtet, der als Referenzflä che dient. Objekte 15, die sich zwischen Vorrichtung 1 und Boden 26 schieben, werden von den Vorrichtungen 1 erkannt. Damit können auch hoch glänzende Objekte 15, wie z. B. Pkws sicher erfasst werden. Fig. 10 shows an application example, in which the device 1 is used for egg gate monitoring. At the upper edge of the gate 25 mounted devices 1 are directed vertically onto the floor 26 , which serves as a reference surface. Objects 15 that slide between device 1 and floor 26 are recognized by devices 1 . This means that even high-gloss objects 15 , such as. B. Cars are detected safely.
Fig. 11 zeigt ein Applikationsbeispiel, bei welchem die Vorrichtung 1 zur Transportgutüberwachung eingesetzt wird. Der Abgleich und Teachvorgang erfolgen auf die Oberfläche eines Transportbandes 28 an einer Transportvor richtung 27. Objekte 15, die auf dem Transportband 28 liegen, werden sicher detektiert, sobald sie in den Bereich der Sendelichtstrahlen 2, 6 gelangen. Der Vorteil dabei ist; dass die Detektion auch bei sehr kleinen Objekthöhen mög lich ist, wenn sich nur die Objektoberfläche im Reflexionsgrad vom Transport band 28 unterscheidet. Fig. 11 shows an application example in which the device 1 is used for Transportgutüberwachung. The adjustment and teaching process take place on the surface of a conveyor belt 28 on a transport device 27 . Objects 15 that lie on the conveyor belt 28 are reliably detected as soon as they reach the area of the transmitted light beams 2 , 6 . The advantage here is; that the detection is possible even with very small object heights if only the object surface differs in the degree of reflection from the conveyor belt 28 .
Fig. 12 zeigt ein Applikationsbeispiel, bei welchem die optoelektronische Vorrichtung 1 zur Transportgutsortierung eingesetzt wird. Dabei entspricht die Anordnung gemäß Fig. 12 im wesentlichen der Anordnung gemäß Fig. 11. Zuerst wird ein zusätzlicher Teachvorgang auf die Objektoberfläche des ord nungsgemäßen Transportgutes 29 vorgenommen. Dann wird ein Objekt 15, welches in der Höhe oder Reflexion von den eingelernten Referenzwerten ab weicht, sicher erkannt und kann aussortiert werden. Da mit Hilfe der Abfrage auf Abweichung von der Summendifferenz Ursa die Objektkante erkannt wird, führt diese nicht zum Ansprechen bei einem Transportgut 29. Fig. 12 shows an application example in which the opto-electronic device 1 is used for Transportgutsortierung. The arrangement of Figure 12 corresponds to Fig. Essentially the arrangement shown in Fig. 11. First, an additional teaching process is carried out on the object surface of the ord voltage according transported 29th Then an object 15 which differs in height or reflection from the learned reference values is reliably recognized and can be sorted out. Since the object edge is recognized with the aid of the query for a deviation from the sum difference Ursa, this does not lead to a response with a transport good 29 .
Der erfindungsgemäße Lichttaster erschließt weitere Anwendungsmöglichkei ten als Sicherheitstaster für die Zugangsabsicherung.The light scanner according to the invention opens up further possible applications as a security button for access security.
Die Messwerte von der Referenzfläche 14 1 am gegenüberliegenden Ende des Überwachungsraumes werden ständig bezüglich Übereinstimmung mit den gespeicherten Referenzwerten kontrolliert. Durch die zusätzliche Kontrolle des Pegels des Empfangssignals, der in der Sendepause, kurz vor dem folgenden Sendelichtimpuls aufgenommen wird, wird die Schaltung auf ordnungsgemäße Funktion überwacht. Eine ordnungsgemäße Funktion liegt vor, wenn dieser Pegel erheblich unterhalb der Pegel der Empfangssignale bei der Detektion der Referenzfläche 14 1 liegt.The measured values from the reference surface 14 1 at the opposite end of the interstitial space are constantly checked for agreement with the stored reference values. The circuit is monitored for proper functioning by the additional control of the level of the received signal, which is recorded in the transmission pause, shortly before the following transmission light pulse. A proper function is present if this level is significantly below the level of the received signals when the reference surface 14 1 is detected.
Fig. 13 zeigt die optoelektronische Vorrichtung 1 mit einer Referenzfläche 14 1 für Sicherheitsanwendungen mit erhöhten Anforderungen. Diese Referenz fläche 14 1 weist zwei Teilflächen 14a, 14b mit unterschiedlicher Reflektivität auf. Die Sendelichtstrahlen 2 des ersten Senders 3 sind auf eine schwach re flektierende Teilfläche 14a gerichtet, während die Sendelichtstrahlen 6 des zweiten Senders 7 auf eine zweite, stark reflektierende Teilfläche 14b gerichtet sind. Ein Referenzwert Urds für die Differenz zwischen den Summen Usa und Usb wird durch den Reflektionsunterschied der Teilflächen 14a, 14b bestimmt. Während des Einlernvorgangs wird hierzu aus den Summensignalen Usa und Usb zur Bestimmung des Referenzwertes Urds die Differenz von Usa und Usb gebildet. Taucht während der Betriebsphase ein Objekt 15 in den Strahlengang der Vorrichtung 1, so werden beide Summenspannungen Usa, Usb ähnliche Werte annehmen und die Differenz Uds = Usa-Usb wird sich deutlich vom Referenzwert Urds unterscheiden. Dadurch kann ein Objekt 15 auch sehr dicht vor der Referenzfläche 14 1 sicher erkannt werden. Die Manipulationssicherheit wird durch die unterschiedlich reflektierenden Teilflächen 14a, 14b deutlich erhöht, da nicht nur die Distanz und der Reflektionsgrad, sondern auch die Po sitionder Kontrastkante der Referenzfläche 14 1 überwacht wird. Fig. 13 shows the optoelectronic device 1 with a reference surface 14 1 for security applications with high demands. This reference surface 14 1 has two partial surfaces 14 a, 14 b with different reflectivity. The transmitted light beams 2 of the first transmitter 3 are directed onto a weakly reflecting partial surface 14 a, while the transmitted light beams 6 of the second transmitter 7 are directed onto a second, highly reflective partial surface 14 b. A reference value Urds for the difference between the sums Usa and Usb is determined by the difference in reflection of the partial areas 14 a, 14 b. During the teach-in process, the difference between Usa and Usb is formed from the sum signals Usa and Usb to determine the reference value Urds. If an object 15 dips into the beam path of the device 1 during the operating phase, then the two total voltages Usa, Usb will assume similar values and the difference Uds = Usa-Usb will differ significantly from the reference value Urds. As a result, an object 15 can also be reliably recognized very close to the reference surface 14 1 . The security against manipulation is significantly increased by the differently reflecting partial surfaces 14 a, 14 b, since not only the distance and the degree of reflection, but also the position of the contrast edge of the reference surface 14 1 is monitored.
((
11
) Vorrichtung
() Contraption
(
22nd
) Sendelichtstrahl
() Transmitted light beam
(
33rd
) Sender
() Channel
(
44th
) Empfangslichtstrahlen
() Received light rays
(
55
) Empfänger
() Receiver
(
66
) Sendelichtstrahl
() Transmitted light beam
(
77
) Sender
() Channel
(
88th
) Nahelement
() Near element
(
99
) Fernelement
() Remote element
(
1010th
) Sendeoptik
() Transmission optics
(
1111
) Sendeoptik
() Transmission optics
(
1212th
) Empfangsoptik
() Receiving optics
(
1313
) Gehäuse
() Casing
(
1414
) Referenzobjekt
() Reference object
(
1414 11
) Referenzfläche
() Reference surface
(
1414
a) Teilfläche
(a) Partial area
(
1414
b) Teilfläche
(b) partial area
(
1515
) Objekt
() Object
(
1616
) Verstärker
() Amplifier
(
1616 11
) Verstärker
() Amplifier
(
1717th
) Subtrahierer
() Subtractor
(
1818th
) Summierer
() Totalizer
(
1919th
) Verstärker
() Amplifier
(
1919th 11
) Verstärker
() Amplifier
(
2020th
) Auswerteeinheit
() Evaluation unit
(
2121
) Schaltausgang
() Switching output
(
2222
) Warnausgang
() Warning output
(
2323
) Parametriereingang
() Parameter input
(
2424th
) Parameterspeicher
() Parameter memory
(
2525th
) Tor
() Goal
(
2626
) Boden
() Ground
(
2727
) Transportvorrichtung
() Transport device
(
2828
) Transportband
() Conveyor belt
(
2929
) Transportgut
) Transport goods
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