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Die
Erfindung betrifft einen optischen Sensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Derartige
optische Sensoren sind insbesondere als Lichttaster ausgebildet
und weisen neben einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender einen ortsauflösenden Empfänger auf.
Mit einem derartigen Aufbau kann ein Lichttaster mit Hintergrundunterdrückung realisiert
werden, das heißt
mit dem optischen Sensor werden Objekte innerhalb eines bis zu einer
Tastweite reichenden Überwachungsbereichs
erfasst, nicht jedoch in einem an die Tastweite zu größeren Distanzen
hin anschließenden
Hintergrundbereich.
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Aus
der
DE 40 40 225 A1 ist
ein gattungsgemäßer Reflexionslichttaster
bekannt, bei dem ein Lichtsender und ein Lichtempfänger mit
jeweils vorgeordneter Sende- und Empfangsfrontlinse benachbart zueinander
angeordnet sind und der mit einer Einrichtung zum Einstellen der
Tastweite eines Tastobjekts vom Tastergehäuse versehen ist, innerhalb der
ein Tastobjekt nachweisbar ist, und der lichtempfangsseitig wenigstens
zwei lichtempfindliche Elemente aufweist, deren Ausgangssignale
einen Differenzverstärker
beaufschlagen, dessen Ausgangssignal in einer Auswerteschaltung
bezüglich
Amplitude und Vorzeichen bewertet wird. Der Lichtsender enthält wenigstens
zwei derart unterschiedlich ansteuerbare, je ein Lichtzentrum definierende
Lichtquellen, dass die jeweilige Tastweite durch inverse Steuerung der
Ströme
der Lichtquellen über
eine an einer Steuerleitung anliegende Steuerspannung stufenlos
einstellbar ist, so dass bei einem Mindestwert der Steuerspannung
die eine Lichtquelle maximalen Strom führt und die andere Lichtquelle
stromlos ist und bei einem Ma ximalwert der Steuerspannung die eine Lichtquelle
stromlos ist und die andere Lichtquelle mit maximalem Strom beaufschlagt
ist.
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Nachteilig
bei diesem optischen Sensor ist, dass die von den Lichtzentren emittierenden
Sendelichtstrahlen durch eine gemeinsame Linse geführt werden,
was bedeutet, dass die Sendelichtstrahlen der Lichtzentren in einem
Neigungswinkel zueinander verlaufen. Dies führt zu einem divergenten Strahlverlauf
der Sendelichtstrahlen im Überwachungsbereich.
Dadurch bedingt können
nur Objekte mit einer relativ großen Breite detektiert werden.
Weiterhin ist nachteilig, dass der einstellbare Tastweiten-Bereich im
Vergleich zum Maximalwert der Tastweite unerwünscht gering ist.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen optischen Sensor der
eingangs genannten Art so weiter zu bilden, dass dessen Tastweite
in einem möglichst
großen
Bereich variiert werden kann und dass innerhalb des von der Tastweite
begrenzten Überwachungsbereichs
Objekte unterschiedlicher Beschaffenheit und Größe sicher detektiert werden können.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Der
erfindungsgemäße optische
Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich
und umfasst mindestens zwei Sendelichtstrahlen emittierende Sender,
einen ortsauflösenden,
Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger sowie eine Auswerteeinheit
zur Generierung eines Objektfeststellungssignals. Die Sender sind
in unterschiedlichen Abständen
zum Empfänger
derart angeordnet, dass die Strahlachsen der Sender zumindest näherungsweise
parallel verlaufen. Die Pegel der Sendelichtstrahlen sind frei vorgebbar.
In der Auswerteeinheit werden die Empfangssignale zur Definition
einer Tastweite mit einem Schwellwert bewertet.
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Ein
wesentlicher Vorteil der Erfindung besteht darin, dass durch die
Variation der Pegel der Sendelichtstrahlen auf rein elektronischem
Weg und ohne mechanische Einstellmittel die Tastweite des optischen
Sensors einfach und präzise
verändert werden
kann.
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Ein
weiterer Vorteil besteht darin, dass durch die parallele Strahlführung der
Sendelichtstrahlen im Überwachungsbereich
auch kleine Objekte sicher erfasst werden können.
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Weiterhin
ist vorteilhaft, dass bei dem erfindungsgemäßen optischen Sensor die Tastweite
in einem großen
Bereich variiert werden kann. Dies kann insbesondere dadurch realisiert
werden, das ein Sender sehr dicht am Empfänger liegt, der zweite Sender
jedoch in erheblich größerem Abstand
zum Empfänger
liegt.
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Der
ortsauflösende
Empfänger
weist bevorzugt ein Nahelement und ein Fernelement auf. Der mit
diesem Empfänger
ausgestattete optische Sensor arbeitet nach dem Triangulationsprinzip.
Die Differenz der Empfangssignale des Nahelements und des Fernelements
wird mit einem Schwellwert bewertet, der die Tastweite definiert.
Durch die Variation der Pegel der Sendelichtstrahlen wird die Lage
des Schwerpunkts des Sendelichtflecks zum Empfänger verschoben, wodurch sich
eine Änderung
der Tastweite ergibt. Die Tastweiten-Einstellung des optischen Sensors
erfolgt bevorzugt in einem Initialisierungsprozess, das heißt einem
Einlernvorgang vor dessen Inbetriebnahme.
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Durch
eine Auswertung des Quotienten der Differenzen und Summen der Empfangssignale
des Nahelements und Fernelements lassen sich Informationen über die
Objektdistanz gewinnen. Durch Erfassen des zeitlichen Verlaufs der
Summen der Empfangssignale des Nahelements und Fernelements können zudem
Informationen über
die Bewegungsrichtung und Geschwindigkeit eines Objekts gewonnen
werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild eines als Lichttasters ausgebildeten optischen Sensor.
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2:
Erstes Ausführungsbeispiel
der optischen Komponenten des optischen Sensors gemäß 1.
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3:
Diagramm der Leistungsverteilung der Sendelichtflecke auf dem Objekt
für den
optischen Sensor gemäß 1.
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4:
Zweites Ausführungsbeispiel
der optischen Komponenten des optischen Sensors gemäß 1.
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5:
Ausführungsbeispiel
eines optischen Sensors mit drei Sendern.
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6:
Diagramm der Summen- und Differenzsignale bei unterschiedlichen
aktivierten Sendern über
dem Objektabstand für
den optischen Sensor gemäß 5.
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7:
Diagramm der Distanzabhängigkeit von
Kennlinien der Quotienten von Differenz- und Summensignalen des
Empfängers
bei unterschiedlichen aktivierten Sendern des optischen Sensors
gemäß 5.
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8:
Strahlengang des optischen Sensors gemäß 5 bei einem
seitlich eintauchenden Objekt.
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9:
Diagramm der Sendepulse und der Summensignale für die Anordnung nach 8.
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1 zeigt
schematisch ein erstes Ausführungsbeispiel
eines optischen Sensors 1. Der als Lichttaster ausgebildete
optische Sensor 1 weist zwei Sender 2a, 2b auf,
die jeweils von einer Leuchtdiode gebildet sind. Die von den Sendern 2a, 2b emittierten
Sendelichtstrahlen 3a, 3b weisen zumindest näherungsweise
parallel verlaufende Strahlachsen auf. Der optische Sensor 1 weist
weiterhin einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf,
der ein Nahelement 5a und ein Fernelement 5b aufweist.
Dabei treffen Empfangslichtstrahlen 4, die von einem Objekt 6,
welches in kleineren Distanzen zum optischen Sensor 1 angeordnet
ist, vorwiegend auf das Nahelement 5a, während Empfangslichtstrahlen 4 die
von Objekten 6 in größeren Distanzen zurückreflektiert
werden, vorwiegend auf das Fernelement 5b.
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Die
Sender 2a, 2b und der Empfänger 5 sind mit den übrigen Komponenten
des optischen Senders 1 in einem Gehäuse 7 angeordnet.
Die Sender 2a, 2b und der Empfänger 5 sind an eine
Auswerteeinheit 8 angeschlossen, die von einem Mikroprozessor
oder dergleichen gebildet ist. Die Auswerteeinheit 8 dient
zur Ansteuerung der Sender 2a, 2b. Diese können von
der Auswerteeinheit 8 einzeln oder zusammen aktiviert werden.
Zudem können über die Auswerteeinheit 8 die
Pegel der Sendelichtstrahlen 3a, 3b vorgegeben
werden. Weiterhin erfolgt in der Auswerteeinheit 8 die
Auswertung der Empfangssignale der Empfänger 5 zur Generierung
eines binären Objektfeststellungssignals,
dessen Schaltzustände angeben,
ob sich ein Objekt 6 in einem vom optischen Sensor 1 überwachten Überwachungsbereich befindet
oder nicht. Im vorliegenden Fall ist der optische Sensor 1 als
Lichttaster mit Hintergrundausblendung ausgebildet. Dies bedeutet,
dass mit dem optischen Sensor 1 nur Objekte 6 innerhalb
eines von einer Tastweite begrenzten Überwachungsbereichs erfasst
werden, nicht jedoch in einem sich von der Tastweite zu größeren Distanzen
hin erstreckenden Hintergrundbereich.
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Die
Tastweite wird dadurch definiert, dass die Differenz der Empfangsignale
des Nahelements 5a und des Fernelements 5b mit
einem Schwellwert bewertet wird. Besonders vorteilhaft liegt der
Schwellwert im Nullpunkt des Differenzsignals. Das Objektfeststellungssignal
nimmt dann den Schaltzustand „Objekt
erkannt" ein, wenn
das Differenzsignal der Empfangssignale des Nahelements 5a und
des Fernelements 5b einen Wert kleiner als die Tastweite
liefert, das heißt
die Differenz der Empfangssignale des Nahelements 5a und
Fernelements 5b oberhalb des Schwellwerts liegt.
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Der
optische Sensor 1 gemäß 1 weist weiterhin
einen Schaltausgang 9 zur Ausgabe des Objektfeststellungssignals
sowie eine serielle Schnittstelle 10 zur Eingabe von Parametern
und zur Ausgabe gegebenenfalls weiterer im optischen Sensor 1 generierter
Signale auf.
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2 zeigt
eine erste Ausführungsform
der Optikkomponenten des optischen Sensors 1 gemäß 1.
Der Empfänger 5 ist
in diesem Fall von einer Differentialdiode gebildet, deren beide
Segmente das Nahelement 5a und das Fernelement 5b bilden.
Jedem Sender 2a, 2b ist im Strahlengang der Sendelichtstrahlen 3a, 3b eine
separate Sendeoptik 11a, 11b nachgeordnet. Dem
Empfänger 5 ist
im Strahlengang der Empfangslichtstrahlen 4 eine Empfangsoptik 12 vorgeordnet.
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Wie
aus 2 ersichtlich überlappen
sich die Sendelichtstrahlen 3a, 3b teilweise in
größeren Distanzen
zum optischen Sensor 1. Wie aus 2 weiter
ersichtlich, ist der erste Sender 2a in einem Abstand dax zum Empfänger 5 angeordnet,
der erheblich kleiner ist als der Abstand dbx des
zweiten Senders 2b zum Empfänger 5. Durch die
Ausbildung des Empfängers 5 mit
einem Nahelement 5a und einem Fernelement 5b erfolgt
die Objekterfassung nach dem Triangulationsprinzip. Da die Basisabstände der
Sender 2a, 2b zum Empfänger 5 stark unterschiedlich
sind, können
mit diesen stark unterschiedliche Distanzbereiche bei der Objektdetektion
abgedeckt werden.
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Dementsprechend
kann durch eine Variation der Pegel der Sendelichtstrahlen 3a, 3b der
Sender 2a, 2b die Tastweite des optischen Sensors 1 auf elektroni schem
Weg eingestellt werden, da sich durch die Variation der Pegel der
Sendelichtstrahlen 3a, 3b der Schwerpunkt des
resultierenden Sendelichtflecks relativ zum Empfänger 5 und damit der vom
optischen Sensor 1 erfasste Distanzbereich ändert.
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Dies
ist in 3 veranschaulicht. 3 zeigt das
Diagramm der Leistungsverteilung der Sendelichtflecke beider Sender 2a, 2b auf
dem Objekt 6. Für
den Fall, dass der Sendepegel des Senders 2b auf 100% und
der des Senders 2a auf 0% eingestellt ist, ergibt sich
der ortsabhängige
Pegelverlauf V0 mit dem Pegelschwerpunkt
bei x0. Verschiebt sich das Pegelverhältnis (V1, V2, V3)
zum Sender 2a hin, verschiebt sich auch der Pegelschwerpunkt
(x1, x2, x3).
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Bei
feststehendem Schwellwert zur Bewertung der Differenz der Empfangssignale
des Nahelements 5a und des Fernelement 5b ändert sich
durch die Verschiebung des Schwerpunkts des Sendelichts die dem
Schwellwert auch der durch diesen definierten Tastweite zugeordnete
Distanzwert, das heißt
die Tastweite, die den Überwachungsbereich
begrenzt, wird durch die Variation der Pegel der Sendelichtstrahlen 3a, 3b des
Senders 2a, 2b verschoben. Wie aus 2 ersichtlich,
kann mit dieser Einstellmöglichkeit
die Tastweite in einem sehr großen,
sich nahezu über
den maximal erfassbaren Überwachungsbereich
erstreckenden Tastweiten-Bereich eingestellt werden.
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4 zeigt
eine zweite Ausgestaltung der Optikkomponenten des optischen Sensors 1 gemäß 1.
Bei dieser Ausführungsform
sind das Nahelement 5a und das Fernelement 5b des
Empfängers 5 jeweils
von einer separaten Empfangsdiode gebildet. Dabei ist das Nahelement 5a direkt
dem ersten Sender 2a und das Fernelement 5b dem
zweiten Sender 2b zugeordnet. Den Sendern 2a, 2b,
deren Sendelichtstrahlen 3a, 3b wiederum im Wesentlichen
parallel zueinander verlaufen, ist wiederum jeweils eine separate
Sendeoptik 11a, 11b zugeordnet. Den Empfangsdioden
ist jeweils eine separate Empfangsoptik 12a, 12b zugeordnet.
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Der Überwachungsbereich
liegt zwischen der in 4 dargestellten minimalen Distanz
s_min und der maximalen Distanz s_max. Die Empfangsdioden sind so
angeordnet, dass die vom ersten Sender 2a emittierten Sendelichtstrahlen 3a als
Empfangslichtstrahlen 4 nur auf das Nahelement 5a treffen,
und die vom zweiten Sender 2b emittierten Sendelichtstrahlen 3b als
Empfangslichtstrahlen 4 nur auf das Fernelement 5b treffen.
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Die
Objektdetektion und Tastweiten-Einstellung erfolgt analog zu der
Ausführungsform
gemäß den 2 und 3.
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5 zeigt
die Optikkomponenten einer weiteren Ausführungsform des optischen Sensors 1.
Der optische Sensor 1 weist in diesem Fall drei Sender 2a, 2b, 2c mit
jeweils einer vorgeordneten Sendeoptik 11a, 11b, 11c auf.
Die Strahlachsen der Sendelichtstrahlen 3a, 3b, 3c verlaufen
wiederum parallel zueinander, wobei die Sendelichtstrahlen 3a, 3b,
beziehungsweise 3c benachbarter Sender 2a, 2b,
beziehungsweise 2c zu größeren Distanzen zum optischen
Sensor 1 überlappen.
Der Empfänger 5 besteht
aus einer Differentialdiode, deren Segmente das Nahelement 5a und
das Fernelement 5b bilden. Dem Empfänger 5 ist eine Empfangsoptik 12c vorgeordnet.
Die elektronischen Komponenten des optischen Sensors 1 gemäß 5 entsprechen
der Ausführungsform
gemäß 1.
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Der
maximale Überwachungsbereich
und der maximal einstellbare Tastweiten-Bereich sind in 5 dargestellt.
Zur Variation der Tastweite können selektiv
einzelne Sender 2a, 2b, 2c aktiviert
werden und dann die Pegel der Sendelichtstrahlen 3a, 3b, 3c variiert
werden.
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6 zeigt
den Verlauf der Differenzen der Empfangssignale des Nahelements 5a und
Fernelements 5b in Abhängigkeit
der Distanz s zum optischen Sensor 1 für das Ausführungsbeispiel gemäß 5.
Dabei sind mit Uda, Udb beziehungsweise
Udc die Differenzsignale bei allein aktiviertem
Sender 2a, 2b beziehungsweise 2c bezeichnet.
Mit US ist die Summe dieser Differenzsignale
bezeichnet.
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Die
jeweilige Tastweite ist wiederum durch den Nulldurchgang des jeweiligen
Differenzsignals definiert. Wie aus 6 ersichtlich,
wird die minimale Tastweite Tmin für das Differenzsignal
Udc, das heißt für den Fall erhalten, dass nur
der Sender 2c aktiviert ist. Entsprechend wird die maximale
Tastweite Tmax für das Differenzsignal Uda, das heißt für den Fall erhalten, dass nur
der Sender 2a aktiviert ist. Soll beispielsweise eine Tastweite
T1, wie in 6 dargestellt,
eingestellt werden, werden nur die Sender 2b und 2c aktiviert
und deren Pegel so eingestellt, dass sich die gewünschte Tastweite
T1 ergibt.
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Durch
eine Auswertung der Quotienten der Differenz- und Summensignale
des Nahelements 5a und Fernelements 5b kann mit
dem optischen Sensor 1 gemäß 5 zusätzlich ein
Maß für die Objektdistanz
erhalten werden. Die Distanzabhängigkeit der
Quotienten Qa, Qb beziehungsweise
Qc, die erhalten werden, wenn nur der Sender 2a, 2b beziehungsweise 2c aktiviert
ist, ist in 7 dargestellt.
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8 zeigt
eine Anwendung des optischen Sensors 1 gemäß 5 zur
Erfassung der Bewegungsrichtung eines vor einem Hintergrund H bewegten
Objekts 6. In der 5 dargestellten
Momentaufnahme wird das seitlich in den Überwachungsbereich eintauchende
Objekt 6 von den Sendelichtstrahlen 3a, 3b der
Sender 2a, 2b erfasst, während die Sendelichtstrahlen 3c des
Senden 2c, auf den Hintergrund treffen.
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Zur
Objektverfolgung werden die Sender 2a, 2b, 2c des
optischen Sensors 1 alternierend aktiviert. Dies zeigt
das obere Zeitdiagramm in 9, in welchem
die zeitliche Folge der von den Sendern 2a, 2b beziehungsweise 2c emittierten
Sendepulse Ua, Ub beziehungsweise
Uc dargestellt ist.
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Die
darauf am Empfänger 5 registrierten Summensignale
U_summe der Empfangssignale sind im unteren Zeitdiagramm von 9 dargestellt. Zur
Unterscheidung der vom Objekt 6 und Hintergrund stammenden
Signale wird das Summensignal mit einem Schwellwert S1 bewertet.
Signale, die oberhalb von S1 liegen, stammen vom Objekt 6,
Signale die unterhalb von S1 liegen, stammen vom Hintergrund. So
kann aus der Analyse der Signale im unteren Diagramm von 9 festgestellt
werden, dass die Objektkante zwischen den Sender 2b und 2c liegt.
Aus der zeitlichen Wanderung der Objektkante kann die Objektgeschwindigkeit
erfasst werden.
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- 1
- Optischer
Sensor
- 2a
- Sender
- 2b
- Sender
- 2c
- Sender
- 3a
- Sendelichtstrahlen
- 3b
- Sendelichtstrahlen
- 4
- Empfangslichtstrahlen
- 5
- Empfänger
- 5a
- Nahelement
- 5b
- Fernelement
- 6
- Objekt
- 7
- Gehäuse
- 8
- Auswerteeinheit
- 9
- Schaltausgang
- 10
- Serielle
Schnittstelle
- 11a
- Sendeoptik
- 11b
- Sendeoptik
- 11c
- Sendeoptik
- 12
- Empfangsoptik
- 12a
- Empfangsoptik
- 12b
- Empfangsoptik
- H
- Hintergrund