DE202009002340U1

DE202009002340U1 - Triangulationssensor

Info

Publication number: DE202009002340U1
Application number: DE200920002340
Authority: DE
Original assignee: Pepperl and Fuchs SE
Current assignee: Pepperl and Fuchs SE
Priority date: 2009-02-18
Filing date: 2009-02-18
Publication date: 2010-07-08
Anticipated expiration: 2019-02-19

Abstract

Triangulationssensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich,
mit einer Sendeeinheit (20) zum Aussenden von Sendelicht (22) in den Überwachungsbereich (80),
mit einer Detektoreinheit (30) zum Nachweis von von Objekten (10) im Überwachungsbereich (80) zurückgestrahltem Detektionslicht (24),
wobei die Detektoreinheit (30) mindestens ein Nahelement (32), mindestens ein Fernelement (34) und einen Differenzverstärker (36) aufweist zum Verstärken einer Differenz zwischen einem Nachweissignal (33) des Nahelements (32) und einem Nachweissignal (35) des Fernelements (34) und zum Ausgeben eines Differenzsignals (37; Udiff), und
mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Ansteuern der Sendeeinheit (20), zum Auswerten des Differenzsignals (37; Udiff) und zum Abgeben von Schaltsignalen nach außen,
dadurch gekennzeichnet,
dass die Detektoreinheit (30) einen separaten Verstärker (38) zum separaten Verstärken des Nachweissignals (33) des Nahelements (32) aufweist und
dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) eingerichtet ist zum Auswerten des Differenzsignals (37) gemeinsam mit einem Ausgangssignal...

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Triangulationssensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
Solche Triangulationssensor sind in einer Vielzahl von Varianten, beispielsweise aus EP 1 271 183 B1 , bekannt und weisen folgende Komponenten auf: Eine Sendeeinheit zum Aussenden von Sendelicht in den Überwachungsbereich, eine Detektoreinheit zum Nachweis von von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahltem Detektionslicht, wobei die Detektoreinheit mindestens ein Nahelement, mindestens ein Fernelement und einen Differenzverstärker aufweist zum Verstärken einer Differenz zwischen einem Nachweissignal des Nahelements und einem Nachweissignal des Fernelements und zum Ausgeben eines Differenzsignals. Schließlich ist eine Steuer- und Auswerteeinheit vorhanden zum Ansteuern der Sendeeinheit, zum Auswerten des Differenzsignals und zum Abgeben von Schaltsignalen nach außen.
Die Funktion eines solchen Triangulationssensors wird mit Bezug auf die 1 bis 3 erläutert. In 1 ist schematisch ein Triangulationssensor 200 aus dem Stand der Technik dargestellt, der als wesentliche Komponenten eine Sendeeinheit 20, eine Detektoreinheit 30 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 50 aufweist. Die Sendeeinheit 20 beinhaltet einen Lichtsender 28, typischerweise eine Leuchtdiode oder eine Laserdiode, einen Treiber 26 für den Lichtsender 28 und eine Sendeoptik 21, mit welcher Sendelicht 22 in einen Überwachungsbereich 80 gestrahlt wird. Auf einem Objekt 10 im Überwachungsbereich 80 erzeugt das Sendelicht 22 einen Lichtfleck 23. Die Detektoreinheit 30 weist eine Empfangsoptik 25, einen Detektor mit einem Nahelement 32 und einem Fernelement 34 sowie einen Differenzverstärker 36 auf. Aus dem Überwachungsbereich 80, beispielsweise von dem dort befindlichen Objekt 10 zurückgestrahltes Licht 24 gelangt über die Empfangsoptik 25 auf das Nahelement 32 und/oder das Fernelement 34. Ein Nachweissignal 33 des Nahelements 32 und ein Nachweissignal 35 des Fernelements 34 wird dem Differenzverstärker 36 zugeführt, der hieraus ein Differenzsignal 37 generiert. Dieses Differenzsignal 37 wird sodann der Steuer- und Auswerteeinheit 50 zugeführt, und dort zunächst in einer Analogeinheit 56 verarbeitet. Abhängig von der Auswertung des Differenzsignals 37 stellt die Steuer- und Auswerteeinheit 50 schließlich an einem Ausgang 59 ein Schaltsignal, beispielsweise ein Signal „Objekt erkannt”, bereit.
Bei dem in 1 gezeigten Triangulationssensor 200 handelt es sich um einen Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung nach dem optisch-geometrischen Prinzip der Triangulation, welches durch den Strahlverlauf des Sendelichts 22 und des Detektionslichts 24 verdeutlicht wird. Befindet sich das Objekt 10 in einer Position, welche zwischen der eingezeichneten Position x1 und der Position x = 0 liegt, also bei einer Position 0 < x < x1, so trifft der überwiegende Teil des vom Lichtsender 28 ausgestrahlten Lichts 22, welches durch das Objekt 10 als Detektionslicht 24 reflektiert wird, auf das für das Nahfeld vorgesehene Nahelement 32. Bei einer größeren Entfernung, also bei x > x1, wird der überwiegende Anteil des Detektionslichts 24 auf das für das Fernfeld vorgesehene Fernelement 34 gestrahlt. Aus dem Nachweissignal 33 des Nahelements als Minuend und dem Nachweissignal 35 des Fernelements 34 als Subtrahend wird sodann eine Differenz gebildet, welche vom Verstärker 36 verstärkt wird.
Die Analogeinheit 56 der Steuer- und Auswerteeinheit 50 kann insbesondere einen Analog-Digital-Wandler oder einen analogen Vergleicher aufweisen. Ist das vom Differenzverstärker 36 abgegebene Differenzsignal 37 größer als eine Einschaltschwelle Uon, nimmt der Triangulationssensor 200 den Zustand „Objekt erkannt” ein und ein entsprechendes Signal wird durch die Steuer- und Auswerteeinheit 50 am Ausgang 59 bereitgestellt. Bei Unterschreiten einer Ausschaltschwelle Uoff gibt der Triangulationssensor 200 ein Signal „Objekt nicht erkannt” am Ausgang 59 aus. Der Abstand der beiden Schwellen Uon und Uoff bildet die Hysterese. Die Hysterese muss größer sein als das real durch die Empfänger- und Verstärkerbauelemente auftretende Rauschen, damit der Sensorausgang zuverlässig schaltet. Weiterhin muss Uoff größer als 0 sein, damit der Sensor ausschaltet, wenn sich kein Objekt im Lichtweg befindet. Die Niveaus der Schwellwerte Uon und Uoff bezogen auf den Nullpunkt sind in 2 schematisch dargestellt.
Durch das erläuterte Prinzip lassen sich grundsätzlich beliebige Objekte mit einer diffus reflektierenden Oberfläche nahezu unabhängig von der Farbe und Reflexionsgrad im Bereich zwischen dem Triangulationssensor 200 und der in 1 dargestellten Position x1 detektieren. Objekte, die sich in einer größeren Entfernung befinden, werden zuverlässig ausgeblendet. Damit sind in beengten Platzverhältnissen, zum Beispiel in Anlagen der Industrieautomation, verschiedene Objekte zu erkennen, ohne dass ein im Hintergrund befindliches Objekt den Betrieb stört.
Allerdings ist bei der im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Anordnung im Hinblick auf die Lage der Schaltschwellen Folgendes zu beachten. Zunächst muss Uoff jedenfalls soviel größer als 0 sein, dass das durch die Empfänger- und Verstärkerbauelemente verursachte Rauschen nicht zu einem Überschreiten von Uoff führt, wenn sich kein Objekt im Lichtweg befindet. Nur wenn diese Voraussetzung erfüllt ist, schaltet der Triangulationssensor 200 zuverlässig aus, wenn ein Objekt 10 den Lichtweg derart verlässt, dass es von einer Position x < x1 nie zu einer Position x > x1 kommt. In 1 könnte sich beispielsweise ein Objekt 10 in einer Position zwischen dem Triangulationssensor 200 und x1 befinden und sich soweit nach oben bewegen, bis es den Lichtweg verlässt.
Außerdem muss Uon um soviel größer als Uoff sein, dass bei keiner Objektposition das durch die Empfänger- und Verstärkerbauelemente verursachte Rauschen beide Schwellen erreichen kann. Nur so kann ein rasches Ein- und Ausschalten des Triangulationssensors, was auch als Schnarren bezeichnet wird, bei jeder Objektposition verhindert werden.
Das Einschalten des Triangulationssensors ist darüber hinaus nicht nur von der Objektposition, sondern auch von der reflektierten Energie abhängig. In gewissem Maß hängt demgemäß das Ein- und Ausschalten des Triangulationssensors auch von der Oberflächenbeschaffenheit, zum Beispiel der Farbe des Objekts, ab.
3 zeigt typische Verläufe der von zwei verschiedenen Objekten generierten Differenzsignale Udiff abhängig vom Abstand x der jeweiligen Objekte zum Triangulationssensor. Die durchgezogene Linie stellt dabei den Signalverlauf für ein schwarzes Objekt dar, wohingegen der Verlauf für ein weißes Objekt durch die gepunktet dargestellte Linie repräsentiert wird. Ebenso sind die Einschaltschwelle Uon und die Ausschaltschwelle Uoff eingezeichnet. Aus den Schnittpunkten der Kurven für die Differenzsignale Udiff für das schwarze Objekt und das weiße Objekt ist ersichtlich, dass der Sensor für die beiden unterschiedlichen Objekte bei unterschiedlichen Abständen einschaltet. Das Differenzsignal Udiff des schwarzen Objekts überschreitet die Einschaltschwelle Uon erst bei geringerem Abstand als das weiße Objekt. Um einen Einschaltvorgang auszulösen, muss sich also ein schwarzes Objekt dem Triangulationssensor 200 dichter annähern als ein weißes Objekt. Diese Abstands- oder Wegdifferenz wird als Schwarz-Weiß-Differenz bezeichnet. In 1 ist für die dort gezeigte Situation die Schwarz-Weiß-Differenz mit dem Buchstaben d bezeichnet. Eine geringe Schwarz-Weiß-Differenz gehört zu den wesentlichen Qualitätsmerkmalen eines Triangulationssensors oder Reflexionslichttasters mit Hintergrundausblendung. Aus den in 3 gezeigten Verläufen der Differenzsignale Udiff für das schwarze und das weiße Objekt ist außerdem ersichtlich, dass die Schwarz-Weiß-Differenz umso größer wird, je größer die Einschaltschwelle Uon gewählt wird.
In der Schrift EP 1 271 183 B1 wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der zusätzlich zur Auswertung einer Differenz der Nachweissignale des Nahelements und des Fernelements eine Summenbildung durchgeführt und auch das Summensignal in die Auswertung einfließt.
Da hierbei prinzipiell das gesamte auf den Detektor einfallende Licht berücksichtigt wird, ist dieser Aufbau vergleichsweise empfindlich gegenüber Fremdlichteinflüssen. Darüber hinaus erfordert diese Lösung einen höheren Bauteileaufwand.
Als eine Aufgabe der Erfindung kann angesehen werden, einen Triangulationssensor der genannten Art bereitzustellen, bei dem die Schwarz-Weiß-Differenz mit einfachen Mitteln reduziert werden kann.
Diese Aufgabe wird durch den Triangulationssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Bevorzugte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Triangulationssensors werden im Folgenden im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und insbesondere mit Bezug auf die beigefügten Figuren beschrieben.
Der Triangulationssensor der oben genannten Art ist erfindungsgemäß dadurch weitergebildet, dass die Detektoreinheit einen separaten Verstärker zum separaten Verstärken des Nachweissignals des Nahelements aufweist und dass die Steuer- und Auswerteeinheit eingerichtet ist zum Auswerten des Differenzsignals gemeinsam mit einem Ausgangssignal des separaten Verstärkers und zum Generieren eines Schaltsignals „Objekt erkannt” auf Grundlage dieser Auswertung.
Als ein erster Kerngedanke der Erfindung kann die Erkenntnis angesehen werden, dass es zum Bereitstellen eines zusätzlichen auszuwertenden Signals prinzipiell ausreicht, wenn nur das Nachweissignal des Nahelements separat verstärkt wird. Im Vergleich zu der in EP 1 271 183 B1 beschriebenen Lösung ist dabei weniger Hardware-Aufwand erforderlich.
Ein weiterer Kerngedanke der Erfindung besteht darin, das verstärkte Nachweissignal des Nahelements, welches auch als energetisches Signal bezeichnet wird, bei der Auswertung mit einer geeigneten Logik zu berücksichtigen.
Da nur das Nachweissignal des Nahelements separat ausgewertet wird, ist der erfindungsgemäße Triangulationssensor insgesamt weniger empfindlich gegenüber Fremdlicht und Störlichteinflüssen.
Durch die Einführung des zusätzlichen Signalpfads, also durch das verstärkte Nachweissignal des Nahelements, welches ein Maß für die reflektierte Energie ist, kann die Einschaltschwelle Uon auf ein geringeres Niveau gesetzt werden. Ein wesentlicher Vorteil der vorliegenden Erfindung ist demgemäß darin zu sehen, dass die Schwarz-Weiß-Differenz deutlich reduziert werden kann.
Der zusätzliche Verstärker wertet nur Licht aus, welches auf das Nahelement fällt. Das verstärkte Nachweissignal des Nahelements ist immer positiv, wenn sich ein Objekt im Lichtweg befindet und 0, das heißt kleiner als eine festzulegende Schwelle, wenn der Lichtweg frei ist. Die oben genannte Bedingung, wonach Uoff jedenfalls um soviel größer als 0 sein muss, dass das durch die Empfänger- und Verstärkerbauelemente verursachte Rauschen nicht zu einem Überschreiten von Uoff führt, wenn sich kein Objekt im Lichtweg befindet, kann deshalb entfallen, weil durch den zusätzlichen Verstärkerzweig ermittelt werden kann, ob sich ein Objekt im Lichtweg befindet oder nicht.
Unter dem Begriff Licht wird im Rahmen der vorliegenden Beschreibung im Wesentlichen elektromagnetische Strahlung des sichtbaren Bereichs und angrenzender Bereiche verstanden. Bevorzugt werden Triangulationssensoren der hier beschriebenen Art mit Infrarotlicht betrieben.
Als Detektoren werden üblicherweise Fotodioden eingesetzt. Insbesondere kann es sich um SMD-Komponenten handeln, die im Hinblick auf die Triangulationsgeometrie unterschiedliche Größen aufweisen können.
Zweckmäßig ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet, nur dann ein Signal „Objekt erkannt” zu liefern, wenn das Ausgangssignal des separaten Verstärkers größer als eine festzulegende Schwelle ist. Diese Maßnahme ermöglicht, wie vorstehend beschrieben, die Ausschaltschwelle Uoff auf einen Wert kleiner als 0 zu setzen.
Beispielsweise können die Einschalt- und die Ausschaltschwelle für das Differenzsignal symmetrisch um den Nullpunkt und betragsmäßig gleich groß gewählt werden. Hierdurch kann erreicht werden, dass im Prinzip nur noch ein Wert, nämlich der Betrag dieser Schwellen, eingestellt werden muss.
Bei bevorzugten Varianten des erfindungsgemäßen Triangulationssensors kann der Schaltabstand elektronisch oder mechanisch eingestellt werden. Der Triangulationssensor kann dann variabel für verschiedene Einsatzzwecke angepasst werden.
Eine mechanische Einstellung kann dabei über eine Positionsänderung des Senders, der Senderlinse, des Empfängers und/oder der Empfängerlinse erfolgen. Besonders bevorzugt sind jedoch Ausführungsformen, bei denen der Schaltabstand elektronisch, das heißt ohne mechanisch bewegliche Teile, eingestellt werden kann.
Bei einer komfortablen Variante kann dabei zum elektronischen Einstellen des Schaltabstands ein Mehrsegmentdetektor vorhanden sein, dessen Detektorsegmente variabel zu einem Nahelement und einem Fernelement zusammenschaltbar sind. Prinzipiell ist auch eine separate Auswertung sämtlicher Detektorsegmente möglich.
Bei einer einfachen und kostengünstigen Variante ist zwischen Nahelement und Fernelement ein mittleres Empfangselement vorhanden, dessen Nachweissignal teilweise zum Nachweissignal des Nahelements und teilweise zum Nachweissignal des Fernelements hinzuaddiert wird.
Schaltungsmäßig kann dies kostengünstig dadurch verwirklicht werden, dass das mittlere Empfangselement mit einem Schleiferanschluss eines Potentiometers verbunden ist und dass die Endanschlüsse des Potentiometers mit den Ausgängen des Nahelements und des Fernelements verbunden sind.
Der wesentliche Vorteil der vorliegenden Erfindung besteht darin, dass im Hinblick auf die Wahl der Schwellwerte für das Einschalten und das Ausschalten deutlich größere Freiheiten bestehen. Bei einer bevorzugten Variante des erfindungsgemäßen Triangulationssensors sind die Einschaltschwelle und die Ausschaltschwelle so gewählt, dass eine Schwarz-Weiß-Differenz beim Einschalten und beim Ausschalten gleich groß ist. Auch die Hysterese ist deshalb für schwarze und weiße Objekte gleich groß.
Bei einer weiteren besonders bevorzugten Variante wird die Einschaltschwelle für das Differenzsignal so gewählt, dass die Schwarz-Weiß-Differenz beim Einschalten 0 ist.
Prinzipiell sind auch Einstellungen möglich und können für bestimmte Anwendungen zweckmäßig sein, bei denen die Schwarz-Weiß-Differenz beim Ausschalten zu 0 wird. Hierzu muss die Ausschaltschwelle geeignet eingestellt werden.
Die Steuer- und Auswerteeinheit kann bevorzugt ein Mikrocontroller oder ein programmierbarer Logikbaustein sein.
Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung werden nachstehend mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Hierin zeigt:
1 eine schematische Ansicht eines Triangulationssensors aus dem Stand der Technik;
2 in schematischer Ansicht die Lage der Einschaltschwelle und der Ausschaltschwelle für den Triangulationssensor aus 1;
3 ein Diagramm der Differenzsignale für ein weißes Objekt und ein schwarzes Objekt in Abhängigkeit des Objektabstands zum Sensor für den Triangulationssensor aus 1;
4 in schematischer Ansicht ein Ausführungsbeispiel des erfindungsgemäßen Triangulationssensors;
5 eine Tabelle, welche eine Schaltlogik für einen erfindungsgemäßen Triangulationssensor beinhaltet;
6 ein Diagramm mit Signalverläufen des Differenzsignals für ein weißes Objekt und ein schwarzes Objekt in Abhängigkeit des Objektabstands vom Sensor sowie Schaltschwellen für einen erfindungsgemäßen Triangulationssensors;
7 ein alternatives Ausführungsbeispiel einer Detektoreinheit für einen erfindungsgemäßen Triangulationssensor.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Triangulationssensors 100 wird mit Bezug auf die 4 bis 6 erläutert. Äquivalente Komponenten sind in allen Figuren mit denselben Bezugszeichen versehen.
Von dem oben im Zusammenhang mit 1 beschriebenen Triangulationssensor 200 aus dem Stand der Technik unterscheidet sich der in 4 dargestellte erfindungsgemäße Triangulationssensor 100 durch den in der Detektoreinheit 30 zusätzlich vorgesehenen Verstärker 38, welcher das Nachweissignal 33 des Nahelements 32 verstärkt. Das verstärkte Signal 39 wird einer weiteren Analogeinheit 58 der Steuer- und Auswerteeinheit 50 zugeführt. Der Verstärker 38 wertet demgemäß nur den Teil des Detektionslichts 24 aus, der auf das Nahelement 32 gestrahlt wird. Das verstärkte Signal 39 des Verstärkers 38 ist demgemäß immer positiv, wenn sich ein Objekt 10 im Lichtweg befindet und es ist 0, wenn der Lichtweg frei ist. Als 0 wird hierbei ein Wert verstanden, der kleiner als eine festzulegende Schwelle ist. Die oben erwähnte Bedingung, wonach Uoff um so viel größer als 0 sein muss, dass das durch die Empfänger- und Verstärkerbauelemente verursachte Rauschen nicht zu einem Überschreiten von Uoff führt, wenn sich kein Objekt im Lichtweg befindet, muss deshalb nicht mehr eingehalten werden, da durch die separate Auswertung des Nachweissignals des Nahelements 32 festgestellt werden kann, ob sich ein Objekt 10 im Lichtweg befindet oder nicht.
Prinzipiell können beim erfindungsgemäßen Triangulationssensor 100 beide Schwellen, d. h. sowohl die Einschaltschwelle Uon als auch die Ausschaltschwelle Uoff kleiner als 0 sein. Es muss nur noch die oben ebenfalls statuierte Bedingung erfüllt sein, dass der Abstand zwischen den beiden Schwellen so groß sein muss, dass bei keiner Objektposition das durch die Empfänger- und Verstärkerbauelemente verursachte Rauschen beide Schwellen erreichen kann. Dies ist notwendig, um ein Schnarren, also ein rasches Ein- und Ausschalten des Sensors bei jeder Objektposition auszuschließen.
5 zeigt eine Tabelle, in der für insgesamt vier verschiedene Fälle eine Schaltlogik für einen erfindungsgemäßen Triangulationssensor dargestellt ist. Das Ausgangssignal 37 des Differenzverstärkers 36 ist dabei als Udiff bezeichnet und das Ausgangssignal 39 des Verstärkers 38 ist als Uenerg bezeichnet. Für Signale, die höher als eine jeweils geeignet gewählte Einschaltschwelle Uon sind, ist eine 1 angegeben. Signale, welche die Ausschaltschwelle Uoff unterscheiden, werden mit einer 0 dargestellt. Signale im Bereich der Hysterese lösen keine Zustandsänderung aus.
Der Fall Nr. 1 wird beispielsweise realisiert, wenn sich ein Objekt in sehr großem Abstand vor dem Triangulationssensor 100 befindet. Da dann praktisch kein Licht auf das Nahelement 32 fällt, ist das Ausgangssignal 39 des Verstärkers 38 kleiner als eine entsprechend gewählte Schwelle. Weiterhin ist auch das Differenzsignal Udiff kleiner als die Einschaltschwelle, da man sich in der in den 3 und 6 dargestellten Diagrammen bei großen Abständen x, also sehr weit rechts, befindet.
Die Auswertelogik führt deshalb zu einem Schaltsignal „kein Objekt im Tastfeld”.
Fall Nr. 2 tritt zum Beispiel ein, wenn ein nachzuweisendes Objekt bereits bis auf einen bestimmten Abstand an dem Triangulationssensor 100 herangekommen ist. Zwar ist das Differenzsignal Udiff immer noch kleiner als die Einschaltschwelle Uon, jedoch fällt schon ein gewisser Anteil des Lichts auf das Nahelement 32, so dass das Ausgangssignal 39 des Verstärkers 38, also das Signal Uenerg bereits größer ist als die hierfür gewählte Einschaltschwelle. Noch immer führt aber die Auswertelogik zu einem Schaltsignal „kein Objekt im Tastfeld”.
Die Situation des Fall Nr. 3 kann beispielsweise eintreten, wenn die Einschaltschwelle Uon negativ gewählt wurde, sich aber kein Objekt vor dem Triangulationssensor befindet. Die Differenz der Nachweissignale des Nahelements 32 und des Fernelements 34 ist dann praktisch 0 und somit größer als die Einschaltschwelle. Da aber auch das energetische Signal, also das Ausgangssignal 39 des Verstärkers 38 praktisch 0 und damit kleiner als die hierfür relevante Schwelle ist, kommt die Steuer- und Auswerteeinheit 50 noch immer zu dem Ergebnis „kein Objekt im Tastfeld” und stellt ein entsprechendes Schaltsignal am Ausgang 59 des Triangulationssensors 100 bereit.
Fall Nr. 4 aus der Tabelle in 5 schließlich stellt eine Situation dar, bei der ein nachzuweisendes Objekt 10 sich in einem Abstand vor dem Triangulationssensor 100 befindet, der kleiner ist als ein Schaltabstand s. Auf das Nahelement 32 fällt dann so viel mehr Licht im Vergleich zu dem Fernelement 34, dass das Ausgangssignal 37 des Differenzverstärkers 36 größer ist als die Einschaltschwelle Uon. Da außerdem auf das Nahelement 32 vergleichsweise viel Licht fällt, ist auch das verstärkte Nachweissignal 39 größer als die hierfür relevante Schwelle. Folgerichtig kommt die Steuer- und Auswerteeinheit 50 bei der Auswertung dann zum Ergebnis „Objekt im Tastfeld” und stellt ein entsprechendes Schaltsignal am Ausgang 59 bereit.
Ein Objekt 10 wird also von dem erfindungsgemäßen Triangulationssensor 100 nur dann detektiert, wenn sowohl das Differenzsignal Udiff als auch das energetische Signal Uenerg positiv sind. Damit lassen sich die Einschaltschwelle und die Ausschaltschwelle zur Auswertung von Udiff beliebig wählen, solange die oben genannte Bedingung, wonach der Abstand der beiden Schwellen jedenfalls so groß sein muss, dass bei keiner Objektposition das durch die Empfänger- und Verstärkerbauelemente verursachte Rauschen beide Schwellen erreichen kann, erfüllt ist.
6 zeigt ein Beispiel, in dem die Einschaltschwelle Uon und die Ausschaltschwelle Uoff symmetrisch um den Nullpunkt gelegt sind. Ein Vergleich mit dem in 3 dargestellten Diagramm, in dem die Lage der Einschaltschwelle Uon und der Ausschaltschwelle Uoff bei einer konventionellen Lösung dargestellt ist, zeigt die erhebliche Reduzierung der Schwarz-Weiß-Differenz beim Einschalten, die mit dem erfindungsgemäßen Triangulationssensor 100 erzielt wird.
Das hier beschriebene erfindungsgemäße Prinzip lässt sich besonders vorteilhaft auch auf Reflexionslichttaster mit Hintergrundausblendung anwenden, deren Schaltabstand s oder Schaltpunkt elektronisch oder mechanisch eingestellt werden kann. Eine mechanische Einstellung kann in prinzipiell bekannter Weise über eine Positionsänderung des Senders 28, der Sendelinse 21, der Detektoreinheit 30, insbesondere der Empfangslinse 25, erfolgen.
7 zeigt eine Variante der Detektoreinheit 30 aus 4, bei der eine elektronische Einstellung des Schaltabstands s durch ein zusätzliches Empfangselement 31 verwirklicht wird. Dieses zusätzliche Empfangselement ist zwischen dem Nahelement 32 und dem Fernelement 34 positioniert. Ein Ausgang 41 des zusätzlichen Empfangselements 31 ist mit einem Schleiferanschluss 61 eines Potentiometers 60 verbunden, welches das von dem zusätzlichen Empfangselement 31 empfangene Signal aufteilt und zu dem Nah- und/oder dem Fernzweig addiert. Die weiteren Anschlüsse 62, 64 des Potentiometers 60 sind mit dem Nahelement 32 beziehungsweise dem Fernelements 34 verbunden. Abhängig von der vorgenommenen Aufteilung, also von der Position des Schleiferanschlusses 61 des Potentiometers 60 wird das Verhältnis des Anteils, der zum Nahzweig addiert wird, relativ zu dem Anteil, der zum Fernzweig addiert wird, geändert. Abhängig von dieser Einstellung befindet sich der Schaltabstand s oder der Schaltpunkt in unterschiedlichen Entfernungen.
Das Nahelement 32, das Fernelement 34 und das zusätzliche Empfangselement 31 können jeweils als Photodioden, insbesondere als SMD-Photodioden verwirklicht sein. Prinzipiell kann hierfür auch ein Dreifachphotoelement verwendet werden.
Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Triangulationssensor bereitgestellt, bei dem mit besonders einfachen Mitteln eine deutliche Steigerung der Möglichkeiten, die entsprechenden Schwellwerte zu legen, erzielt wird. Außerdem ist eine erhebliche Reduzierung der Schwarz-Weiß-Differenz eines Reflexionslichttasters mit Hintergrundausblendung, prinzipiell sogar bis auf 0, möglich.
Im Vergleich zum Stand der Technik ergibt sich außerdem als weiterer besonderer Vorteil, dass die Empfindlichkeit gegenüber Rauschen und Fremdlichteinwirkung geringer ist, da nur das Nachweissignal des Nahelements zusätzlich ausgewertet wird.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

- EP 1271183 B1 [0002, 0011, 0017]

Claims

Triangulationssensor zum Nachweis von Objekten in einem Überwachungsbereich, mit einer Sendeeinheit (20) zum Aussenden von Sendelicht (22) in den Überwachungsbereich (80), mit einer Detektoreinheit (30) zum Nachweis von von Objekten (10) im Überwachungsbereich (80) zurückgestrahltem Detektionslicht (24), wobei die Detektoreinheit (30) mindestens ein Nahelement (32), mindestens ein Fernelement (34) und einen Differenzverstärker (36) aufweist zum Verstärken einer Differenz zwischen einem Nachweissignal (33) des Nahelements (32) und einem Nachweissignal (35) des Fernelements (34) und zum Ausgeben eines Differenzsignals (37; Udiff), und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit (50) zum Ansteuern der Sendeeinheit (20), zum Auswerten des Differenzsignals (37; Udiff) und zum Abgeben von Schaltsignalen nach außen, dadurch gekennzeichnet, dass die Detektoreinheit (30) einen separaten Verstärker (38) zum separaten Verstärken des Nachweissignals (33) des Nahelements (32) aufweist und dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) eingerichtet ist zum Auswerten des Differenzsignals (37) gemeinsam mit einem Ausgangssignal (39; Uenerg) des separaten Verstärkers (38) und zum Generieren eines Schaltsignals „Objekt erkannt” auf Grundlage dieser Auswertung.
Triangulationssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit (50) dazu eingerichtet ist, nur dann ein Signal „Objekt erkannt” zu liefern, wenn das Ausgangssignal (39) des separaten Verstärkers (38) größer als eine festzulegende Schwelle ist.
Triangulationssensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass eine Einschalt- (Uon) und eine Ausschaltschwelle (Uoff) für das Differenzsignal (Udiff; 37) symmetrisch um den Nullpunkt gewählt sind und betragsmäßig gleich groß sind.
Triangulationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass ein Schaltabstand (s) elektronisch oder mechanisch einstellbar ist.
Triangulationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zum elektronischen Einstellen des Schaltabstands (s) ein Mehrsegmentdetektor vorhanden ist, dessen Detektorsegmente variabel zu einem Nahelement und einem Fernelement zusammenschaltbar sind.
Triangulationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen Nahelement (32) und Fernelement (34) ein mittleres Empfangselement (31) vorhanden ist, dessen Nachweissignal (41) teilweise zum Nachweissignal (33) des Nahelements (32) und teilweise zum Nachweissignal (35) des Fernelements (34) hinzuaddiert wird.
Triangulationssensor nach Anspruch 6. dadurch gekennzeichnet, dass das mittlere Empfangselement (31) mit einem Schleiferanschluss (61) eines Potentiometers (60) verbunden ist und dass die Endanschlüsse (62, 64) des Potentiometers (60) mit den Ausgängen des Nahelements (32) und des Fernelements (34) verbunden sind.
Triangulationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltschwelle (Uon) und die Ausschaltschwelle (Uoff) für das Differenzsignal (37; Udiff) so gewählt sind, dass eine Schwarz-Weiß-Differenz beim Einschalten und beim Ausschalten gleich groß ist.
Triangulationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Einschaltschwelle (Uon) so gewählt ist, dass die Schwarz-Weiß-Differenz beim Einschalten Null ist.
Triangulationssensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausschaltschwelle (Uoff) so gewählt ist, dass die Schwarz-Weiß-Differenz beim Ausschalten Null ist.