DE202007006342U1

DE202007006342U1 - Anordnung zur Driftkompensation von Dreibereichsfarbdetektionssystemen für Nichtselbstleuchter

Info

Publication number: DE202007006342U1
Application number: DE202007006342U
Authority: DE
Original assignee: SILICANN TECHNOLOGIES GmbH
Current assignee: Silicann Systems De GmbH
Priority date: 2007-01-29
Filing date: 2007-05-02
Publication date: 2007-07-12
Anticipated expiration: 2017-05-03

Abstract

Anordnung zur Driftkompensation von Dreibereichsfarbdetektionssystemen für Nichtselbstleuchter gekennzeichnet dadurch,
– dass eine Blende (7) und eine Sendelinse (5) so zu einer Weißlicht-Sende-LED (6) angeordnet sind, dass ein breitbandiges Licht unter einem Winkel (18) auf das zu detektierende Objekt (17) projiziert wird, und
– dass eine Empfangslinse (4) zu einem Dreibereichsfotoempfänger (2) so angeordnet ist, dass das vom Objekt (17) diffus reflektierte Licht gesammelt und auf den Dreibereichsfotoempfänger (2) projiziert wird, und
– dass ein Monitorlichtkanal (8) so zu der Weißlicht-Sende-LED (6) angeordnet ist, dass ein geringer Teil des Sendelichtes ausgekoppelt wird und auf einen Dreibereichsmonitorempfänger (3) gelangt, wobei ein anfänglicher Farbsignalwert des Dreibereichsmonitorempfängers (3) als Referenzwert (R_MONREF, G_MONREF, B_MONREF) im System gespeichert Und nachfolgend der momentane Farbsignalwert (R_MON, G_MON, B_MON) des Dreibereichsmonitorempfängers (3) intermittierend gemessen und aus dem Verhältnis zwischen Referenzwert und Momentanwert für alle drei Farbkanäle ein Kompensationskoeffizient (C_R, C_G, C_B) errechnet und als Korrekturfaktor im...

Description

Die Erfindung beschreibt eine wirksame Anordnung zur Kompensation von Drifterscheinungen bei Dreibereichsfarbdetektionssystemen für Nichtselbstleuchter für die Industriesensorik.
Die Farbdetektion wird häufig zur Lösung von Erkennungsproblemen in der Automatisierungstechnik eingesetzt. Objekte werden anhand Ihrer charakteristischen Farbe oder durch bewusst aufgebrachte Farbmarkierungen von dem Detektionssystem erkannt. Dadurch lassen sich Sortiervorgänge und Produktionsströme einfach steuern. Bei einer weiteren verbreiteten Anwendung wird mittels Farbdetektion die Einhaltung der gewünschten Farbgebung von Produkten bei der Qualitätssicherung überprüft.
[Stand der Technik]
Die Sensorik unterliegt im Allgemeinen bei Langzeitanwendungen einer Drift. Die Drift wird einerseits durch wechselnde Umgebungsbedingungen wie Temperaturänderungen und andererseits durch Alterung der verwendeten Bauelemente ausgelöst. Die Drift führt zur Verfälschung der Messwerte und kann damit Fehlfunktionen des Detektionssystems auslösen.
Eine bei der Industriesensorik verbreitete Methode zur Farbdetektion verwendet zur Objektbeleuchtung eine breitbandige Lichtquelle. Das vom Objekt reflektierte Licht wird mit Hilfe von drei Farbfiltern spektral zerlegt und jeweils drei Fotoempfängern zugeführt. Bei dieser Methode bestimmen die spektralen Charakteristiken von Lichtquelle, Fotoempfängern und Farbfiltern die Eigenschaften der Farbdetektion.
Um von Temperatureinflüssen und alterungsbedingten Änderungen unabhängige Farbsignalwerte zu erhalten, sind entsprechende Vorkehrungen im System vorzusehen. Die üblichen elektronischen Schaltungen wie Operationsverstärker und Analog/Digital-Umsetzer sind weitestgehend stabilisiert und tragen daher keinen wesentlichen Beitrag zur Drift des Systems bei. Besonders aber der Fotoempfänger und die Weißlichtquelle haben Einfluss auf die Stabilität des Detektionssystems. Der Fotoempfänger ist aufgrund seiner Diodenstruktur exponentiell temperaturabhängig. Die Lichtleistung der LED-Weißlichtquelle unterliegt einem Temperatureinfluss und der Alterung. Daher werden durch Temperaturschwankungen und Alterung die Farbsignalwerte des Systems verfälscht.
Ein bekanntes Verfahren zur Kompensation der Temperaturabhängigkeit ist das Messen der Temperatur und das gezielte Gegensteuern auf Grundlage des bekannten Temperaturgangs. Dabei kann der Temperaturgang in Form einer Tabelle vorliegen und die Korrektur numerisch in einem Mikrokontroller erfolgen. Der Nachteil dieser Methode besteht darin, dass bei zu erwartenden Streuungen der Bauteilparameter für jedes System individuell der Temperaturgang aufgenommen werden muss. Das Abspeichern der Tabelle für den Temperaturgang erfordert Speicherkapazität im Mikrocontroller. Bei Auftreten von stärkeren Temperaturgradienten im System (zum Beispiel durch einseitige Kühlung von außen) ist die zugrunde liegende Temperaturtabelle nicht mehr gültig und die Kompensation unwirksam. Weiterhin ist diese Methode nicht zur Vermeidung von alterungsbedingten Drifterscheinungen geeignet.
[Aufgabe der Erfindung]
Aufgabe der Erfindung ist es, Maßnahmen zur Kompensation von Drifterscheinungen zu treffen, um die Detektionszuverlässigkeit des Systems zu erhöhen.
Die erfindungsgemäße Lösung basiert auf einem intermittierenden Monitoring.
Die Anordnung zur Driftkompensation ist dadurch gekennzeichnet, dass eine Blende und eine Sendelinse so zu einer Weißlicht-Sende-LED angeordnet sind, dass ein breitbandiges Licht unter einem Winkel auf das zu detektierende Objekt projiziert wird. Eine Empfangslinse ist zu einem Dreibereichsfotoempfänger so angeordnet, dass das vom Objekt diffus reflektierte Licht gesammelt und auf den Dreibereichsfotoempfänger projiziert wird. Gleichzeitig ist ein Monitorlichtkanal so zu der Weißlicht-Sende-LED angeordnet, dass ein geringer Teil des Sendelichtes ausgekoppelt wird und auf einen Dreibereichsmonitorempfänger gelangt. Ein anfänglicher Farbsignalwert des Dreibereichsmonitorempfängers wird so als Referenzwert (R_MONREF, G_MONREF, B_MONREF) im System gespeichert. Nachfolgend wird der momentane Farbsignalwert (R_MON, G_MON, B_MON) des Dreibereichsmonitorempfängers intermittierend gemessen und aus dem Verhältnis zwischen Referenzwert und Momentanwert wird für alle drei Farbkanäle ein Kompensationskoeffizient (C_R, C_G, C_B) errechnet und als Korrekturfaktor im Empfangskanal verwendet.
Der Dreibereichsfotoempfängers und der Dreibereichsmonitorempfänger sind über jeweils einen Transimpedanzwandler mit einem Umschalter, einer Verstärkerstufe, einem Analog/Digital-Umsetzer und einem Mikrokontroller verbunden, wobei der Mikrokontroller über den Leistungstreiber die Modulation der Weißlicht-Sende-LED steuert.
Die Werte von Dreibereichsfotoempfänger und Dreibereichsmonitorfarbempfänger liegen im gleichen Signalbereich und werden durch die Transimpedanzwandler in äquivalente Spannungen überführt.
Der Winkel des breitbandigen, auf das zu detektierende Objekt projizierten Lichts beträgt 15° (Grad).
[Beispiele]
Die Erfindung wird anhand eines Beispiels erläutert. Hierzu zeigt 1 eine schematische Anordnung der optischen, fotoelektrischen und elektronischen Bauteile des Detektionssystems. Die Anordnung besteht aus einem Frontend 1, in dem Dreibereichsfotoempfänger 2, Dreibereichsmonitorempfänger 3, Empfangslinse 4, Sendelinse 5, Weißlicht-Sende-LED 6, Blende 7 und Monitorlichtkanal 8 gehaltert und optisch angeordnet sind. Das Frontend besteht aus schwarzem Kunststoff. Die Leiterkarte 9 nimmt das Frontend 1 und die elektronischen Bauteile, wie Transimpedanzwandler 10, Transimpedanzwandler 11, Leistungstreiber 12, Umschalter 13, Verstärkerstufe 14, Analog/Digital-Umsetzer (ADU) 15 und Mikrokontroller 16 auf.
Die Weißlicht-Sende-LED 6 emittiert breitbandiges Licht, welches durch die Blende 7 tritt und von der Sendelinse 5 unter einem Winkel 18 von 15° auf das zu detektierende Objekt 17 projiziert wird. Das vom Objekt 17 diffus reflektierte Licht wird von der Empfangslinse 4 gesammelt und auf den Dreibereichsfotoempfänger 2 projiziert. Ein geringer Teil des Sendelichtes der Weißlicht-Sende-LED 6 wird ausgekoppelt und gelangt über einen Monitorlichtkanal 8 auf den Dreibereichsmonitorempfänger 3. Der Durchmesser des Kanals ist so gewählt, dass die Signalverhältnisse der beiden Fotoempfänger in etwa übereinstimmen.
Die Fotoströme des Dreibereichsfotoempfängers 2 und des Dreibereichsmonitorempfänger 3 werden mit Hilfe der Transimpedanzwandler 10 bzw. 11 in äquivalente Spannungen überführt. Der Umschalter 13 schaltet zwischen beiden Empfängern um. Das durchgeschaltete analoge Spannungssignal wird in einer Verstärkerstufe 14 verstärkt und anschließend durch den Analog/Digital-Umsetzer 15 digitalisiert. Die digitale Verarbeitung der Signale erfolgt im Mikrokontroller 16.
Der Mikrokontroller 16 steuert über den Leistungstreiber 12 die Modulation der Weißlicht-Sende-LED 6.
Eine Kompensation der durch Temperatur oder Drift hervorgerufenen Schwankungen wird durch folgende Methode erreicht. Ein anfänglicher Farbsignalwert des Dreibereichsmonitorempfängers 3 wird als Referenzwert im System gespeichert (R_MONREF, G_MONREF, B_MONREF). Nachfolgend wird der momentane Farbsignalwert des Dreibereichsmonitorempfängers 3 intermittierend gemessen (R_MON, G_MON, B_MON). Aus dem Verhältnis zwischen Referenzwert und Momentanwert wird für alle drei Farbkanäle ein Kompensationskoeffizient errechnet (C_R, C_G C_B). Die drei Kompensationskoeffizienten werden anschließend als Korrekturfaktoren im Empfangskanal verwendet, indem sie mit dem aktuellen Messwert (R, G, B) zum kompensierten Messwert (R_C G_C, B_C) verrechnet werden. Die folgenden Gleichungen zeigen den mathematischen Zusammenhang.
Die Berechnung des aktuellen Kompensationswertes erfolgt intermittierend, um den Farberkennungsprozess so geringfügig wie möglich zu stören. Das Intermittionsintervall ist variabel und liegt im Bereich von 1 bis einige 100 Sekunden. Ein kurzes Intervall ist vorteilhaft, um den Aufwärmeffekt nach dem Einschalten zu kompensieren. Danach kann mit langen Intervallen gearbeitet werden, da die thermischen Zeitkonstanten im Minutenbereich liegen. Die Alterungsdrift wird mit den langen Intermittionsintervallen mitkompensiert.

1: Frontend
2: Dreibereichsfotoempfänger
3: Dreibereichsmonitorempfänger
4: Empfangslinse
5: Sendelinse
6: Weißlicht-Sende-LED
7: Blende
8: Monitorlichtkanal
9: Leiterkarte
10: Transimpedanzwandler
11: Transimpedanzwandler
12: Leistungstreiber
13: Umschalter
14: Verstärkerstufe
15: Analog/Digital-Umsetzer
16: Mikrokontroller
17: Zu detektierendes Objekt
18: Winkel

Claims

Anordnung zur Driftkompensation von Dreibereichsfarbdetektionssystemen für Nichtselbstleuchter gekennzeichnet dadurch, – dass eine Blende (7) und eine Sendelinse (5) so zu einer Weißlicht-Sende-LED (6) angeordnet sind, dass ein breitbandiges Licht unter einem Winkel (18) auf das zu detektierende Objekt (17) projiziert wird, und – dass eine Empfangslinse (4) zu einem Dreibereichsfotoempfänger (2) so angeordnet ist, dass das vom Objekt (17) diffus reflektierte Licht gesammelt und auf den Dreibereichsfotoempfänger (2) projiziert wird, und – dass ein Monitorlichtkanal (8) so zu der Weißlicht-Sende-LED (6) angeordnet ist, dass ein geringer Teil des Sendelichtes ausgekoppelt wird und auf einen Dreibereichsmonitorempfänger (3) gelangt, wobei ein anfänglicher Farbsignalwert des Dreibereichsmonitorempfängers (3) als Referenzwert (R_MONREF, G_MONREF, B_MONREF) im System gespeichert Und nachfolgend der momentane Farbsignalwert (R_MON, G_MON, B_MON) des Dreibereichsmonitorempfängers (3) intermittierend gemessen und aus dem Verhältnis zwischen Referenzwert und Momentanwert für alle drei Farbkanäle ein Kompensationskoeffizient (C_R, C_G, C_B) errechnet und als Korrekturfaktor im Empfangskanal verwendet wird, und – dass der Dreibereichsfotoempfängers (2) und der Dreibereichsmonitorempfänger (3) über jeweils einen Transimpedanzwandler (10) und (11) mit einem Umschalter (13), einer Verstärkerstufe (14), einem Analog/Digital-Umsetzer (15) und einem Mikrokontroller (16) verbunden sind, wobei der Mikrokontroller (16) über den Leistungstreiber (12) die Modulation der Weißlicht-Sende-LED (6) steuert.
Anordnung nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass der Durchmesser des Monitorlichtkanal (8) so gewählt ist, dass die Werte von Dreibereichsfotoempfänger (2) und Dreibereichsmonitorfarbempfänger (3) im gleichen Signalbereich liegen und durch die Transimpedanzwandler (10) und (11) in äquivalente Spannungen überführt werden.
Anordnung nach Anspruch 1 oder 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Winkel (18) des breitbandigen, auf das zu detektierende Objekt (17) projizierten Lichts 15° (Grad) beträgt.