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Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Optoelektronische Sensoren gibt es in einem breiten Spektrum, das von eindimensionalen Lichtschranken und Lichttastern über Laserscanner bis zu Kameras reicht. Über die reine Objekterfassung hinaus wird in entfernungsmessenden Systemen auch eine Distanz zu dem Objekt bestimmt. Distanzsensoren nach dem Lichtlaufzeitprinzip messen dazu die Laufzeit eines Lichtsignals, die über die Lichtgeschwindigkeit der Entfernung entspricht. Man unterscheidet herkömmlich die pulsbasierte und die phasenbasierte Messung. In einem Pulslaufzeitverfahren wird ein kurzer Lichtpuls ausgesandt und die Zeit bis zum Empfang einer Remission oder Reflexion des Lichtpulses gemessen. Alternativ wird bei einem Phasenverfahren Sendelicht amplitudenmoduliert und eine Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslicht bestimmt, wobei die Phasenverschiebung ebenfalls ein Maß für die Lichtlaufzeit ist. Die Grenze zwischen den beiden Verfahren lässt sich aber nicht immer scharf ziehen, denn etwa bei komplexen Pulsmustern wird ein Pulslaufzeitverfahren einem Phasenverfahren ähnlicher als einer klassischen Einzelpulsmessung.
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Speziell in einem Laserscanner überstreicht ein von einer Laserlichtquelle erzeugter Lichtstrahl mit Hilfe einer beweglichen Ablenkeinheit periodisch einen Überwachungsbereich. Das Licht wird an Objekten in dem Überwachungsbereich remittiert und in dem Laserscanner ausgewertet. Aus der Winkelstellung der Ablenkeinheit wird auf die Winkellage des Objektes und aus der Lichtlaufzeit unter Verwendung der Lichtgeschwindigkeit zusätzlich auf die Entfernung des Objektes von dem Laserscanner geschlossen. Mit den Winkel- und Entfernungsangaben ist der Ort eines Objektes in dem Überwachungsbereich in zweidimensionalen Polarkoordinaten erfasst. Die dritte Raumkoordinate kann durch eine Relativbewegung in Querrichtung ebenfalls erfasst werden, beispielsweise durch einen weiteren Bewegungsfreiheitsgrad der Ablenkeinheit in dem Laserscanner oder indem das Objekt relativ zu dem Laserscanner bewegt wird. So können auch dreidimensionale Konturen ausgemessen werden.
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Neben solchen Messanwendungen werden Laserscanner auch in der Sicherheitstechnik zur Überwachung einer Gefahrenquelle eingesetzt, wie sie beispielsweise eine gefährliche Maschine darstellt. Ein derartiger Sicherheitslaserscanner ist aus der
DE 43 40 756 A1 bekannt. Dabei wird ein Schutzfeld überwacht, das während des Betriebs der Maschine vom Bedienpersonal nicht betreten werden darf. Erkennt der Laserscanner einen unzulässigen Schutzfeldeingriff, etwa ein Bein einer Bedienperson, so löst er einen Nothalt der Maschine aus. Andere Eingriffe in das Schutzfeld, beispielsweise durch statische Maschinenteile, können vorab als zulässig eingelernt werden. Oft sind den Schutzfeldern Warnfelder vorgelagert, wo Eingriffe zunächst nur zu einer Warnung führen, um den Schutzfeldeingriff und damit die Absicherung noch rechtzeitig zu verhindern und so die Verfügbarkeit der Anlage zu erhöhen. Sicherheitslaserscanner arbeiten meist pulsbasiert.
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In der Sicherheitstechnik eingesetzte Sensoren müssen besonders zuverlässig arbeiten und deshalb hohe Sicherheitsanforderungen erfüllen, beispielsweise die Norm EN13849 für Maschinensicherheit und die Gerätenorm EN61496 für berührungslos wirkende Schutzeinrichtungen (BWS). Zur Erfüllung dieser Sicherheitsnormen sind eine Reihe von Maßnahmen zu treffen, wie beispielsweise sichere elektronische Auswertung durch redundante, diversitäre Elektronik, Funktionsüberwachung oder speziell Überwachung der Verschmutzung optischer Bauteile, insbesondere einer Frontscheibe, und/oder Vorsehen von einzelnen Testzielen mit definierten Reflexionsgraden, die unter den entsprechenden Scanwinkeln erkannt werden müssen.
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Von Laserscannern und anderen optoelektronischen Sensoren wird erwartet, dass sie in einem großen Temperaturbereich eingesetzt werden, der ohne externe Heizung von –25°C bis +50°C reicht oder sogar noch größer ist. Dies stellt hohe Anforderungen besonders an eine Laserdiode des Sensors, aber auch an das übrige Messsystem, denn die Temperaturschwankungen in diesem weiten Temperaturbereich können auf der Sende- und Empfängerplatine zu spürbaren Messfehlern führen. Es ist möglich, aber aufwändig, diese Messfehler in der Produktion durch Einlernen von Temperaturkurven zu kompensieren.
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Bekannte Lösungen sehen nicht vor, diesen Temperaturbereich insbesondere der Laserdiode mit speziellen Techniken einzuschränken, sondern erweitern vielmehr den Einsatzbereich des Endgerätes auf einen größeren Außentemperaturbereich durch allgemeine Maßnahmen wie ein Umgehäuse oder großflächige interne oder externe Heizungen.
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In der
US 5 371 753 A ist eine Halterung für eine Laserdiode aus einem Material hergestellt, das sich je nach Temperatur verformt. Dadurch wird mit der Temperatur ein Luftspalt zwischen der Laserdiode und einer Wärmesenke variiert, um die Laserdiode in einem geeigneten Temperaturbereich zu halten. Die
WO 96/34434 A1 offenbart eine temperaturgeregelte Laserdiodenanordnung, in welcher die Laserdiode auf einem thermoelektrischen Kühler und einer Wärmesenke montiert ist. Beides verhindert zwar eine übermäßige Erwärmung der Laserdiode. Eine Kühlung ist jedoch vergleichsweise aufwändig und ungeeignet, den Temperaturbereich bei tiefen Temperaturen einzuschränken.
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Aus der
WO 2015 031 255 A1 ist ein heizbares Lasermodul bekannt, in dem ein Heizwiderstand und ein Transistor einen Heizkreis bilden. Der Transistor regelt den Strom durch den Heizwiderstand. Der Einsatz in einem optoelektronischen Sensor oder gar Laserscanner wird nicht diskutiert. Folglich fehlt es auch an Überlegungen, wie dann der Strom tatsächlich zweckmäßig zu regeln wäre.
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Es ist daher Aufgabe der Erfindung, einen optoelektronischen Sensor in einer verbesserten Weise für den Einsatz bei unterschiedlichen Temperaturen auszurüsten.
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Diese Aufgabe wird durch einen optoelektronischen Sensor zum Überwachen eines Überwachungsbereichs nach Anspruch 1. Der Sensor sendet mit Hilfe eines Lichtsenders ein Lichtsignal in den Überwachungsbereich aus, etwa einen Lichtstrahl wie bei einem Lichttaster oder Laserscanner, oder auch eine Beleuchtung oder Musterprojektion. Umgekehrt empfängt der Sensor Empfangslicht aus dem Überwachungsbereich, also eine Reflexion oder Remission des ausgesandten Lichtsignals überlagert mit Umgebungslicht, um daraus mit einem Lichtempfänger ein Empfangssignal zu erzeugen. Das Empfangssignal wird dann zur Anwesenheitsfeststellung von Objekten, Entfernungsmessung mit einem Lichtlaufzeitverfahren oder dergleichen ausgewertet.
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Die Erfindung geht nun von dem Grundgedanken aus, den Sensor nicht als Ganzes zu beheizen, sondern ein Heizelement gezielt an einem temperaturempfindlichen Element wie dem Lichtsender oder allgemein einem PCBA (Printed Circuit Board Assembly) anzuordnen. Um den Temperaturbereich möglichst deutlich zu reduzieren, wird außerdem auf eine Zieltemperatur geheizt, die höher ist als für die Funktionsfähigkeit des Elements erforderlich wäre. Beispielsweise wird nicht lediglich eine Temperatur über dem Gefrierpunkt gewährleistet oder für ein Ausheizen von Kondensation gesorgt. Vielmehr soll das temperaturempfindliche Element stets vergleichsweise nahe an einer Maximaltemperatur betrieben sein, so dass sich der Temperaturkorridor auf eine recht kleine Umgebung dieser Maximaltemperatur beschränkt.
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Die Erfindung hat den Vorteil, dass der Temperaturbereich für das temperaturempfindliche Element und damit zugleich der temperaturbedingte Messfehler trotz großem Temperaturbereichs der Geräte minimiert beziehungsweise eingeschränkt wird. In dem noch verbleibenden kleinen Temperaturbereich müssen temperaturbedingte Variationen der Messwerte im Idealfall gar nicht mehr korrigiert werden, und jedenfalls genügt es, in der Produktion kleine Korrekturkurven einzulernen. Es ist keine aufwändige und energetisch ungünstige Absenkung der Temperatur erforderlich. Es ergibt sich eine sehr kostengünstige Lösung mit einer einfachen Heizung, deren Bauteilkosten gegenüber dem bislang erforderlichen Einlernen von komplexen Kompensationskurven nicht ins Gewicht fallen.
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Die Zieltemperatur entspricht bevorzugt einer Temperatur, die in einer Betrachtung der Lebensdauer des Sensors zugrunde gelegt ist. Grundsätzlich bedeutet eine künstliche Erwärmung auf eine Zieltemperatur, die für die Funktionsfähigkeit gar nicht erforderlich wäre, auch eine beschleunigte thermische Alterung. Allerdings wird bei einer Betrachtung der Lebensdauer (MTTF, Mean Time to Failure) ohnehin eine Reserve vorgehalten, d.h. sicherheitshalber von einer erhöhten Temperatur ausgegangen. Es beeinträchtigt daher die Lebensdauer im Sinne dieser Betrachtung nicht, wenn das Element nahe dieser erhöhten Temperatur betrieben wird. Das zusätzliche Heizen hat also keine Auswirkung auf die MTTF, aber erhebliche Vorteile wie oben genannt.
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Die Zieltemperatur ist bevorzugt die Raumtemperatur oder beträgt mindestens 30 °C, 35 °C oder 40 °C. So wird der Temperaturbereich als Korridor zwischen der Zieltemperatur als kleinster Betriebstemperatur und möglichen höheren Betriebstemperaturen signifikant verkleinert. Dabei ist 40 °C eine typische Temperatur, die einer MTTF zugrunde gelegt wird, wobei die Erfindung auch für andere Zieltemperaturen wie genannt oder noch höher einsetzbar ist. Bei besonders kalter Umgebung reicht die Leistung der Heizung, die unter anderem durch die Stromversorgung des Sensors begrenzt ist, möglicherweise nicht aus, die Zieltemperatur zu erreichen. Dann wird vorzugsweise so stark geheizt wie möglich, um den Temperaturbereich zumindest klein zu halten.
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Der Lichtsender weist bevorzugt eine Laserlichtquelle auf. Beispielsweise handelt es sich um eine als Kantenemitter oder VSCEL ausgebildete Laserdiode. Ein Kantenemitter hat bei tiefen Temperaturen eine deutlich erhöhte optische Ausgangsleistung. Das ist nun aber kein Vorteil, denn der Sensor soll auch bei höheren Temperaturen noch funktionieren. Vielmehr schafft es Probleme bei der Augenschutzbetrachtung, welche alle Szenarien berücksichtigen muss. Deshalb ist für einen Kantenemitter besonders vorteilhaft, wenn durch Heizen auf die Zieltemperatur solche Bereich tiefer Temperatur mit erhöhter optischer Ausgangsleistung ausgeschlossen sind. Ein VCSEL hat zwar eine andere Charakteristik, denn bei tiefen Temperaturen nimmt die optische Ausgangsleistung erst zu und dann stark ab. Das Grundproblem, dass die optische Ausgangsleistung bei tiefen Temperaturen in unerwünschter Weise variiert, ist aber das gleiche.
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Das Heizelement weist bevorzugt einen Temperaturfühler auf. Dadurch kann kontrolliert werden, inwieweit die Zieltemperatur tatsächlich erreicht ist. Ein solcher Temperaturfühler kann ausgesprochen einfach beispielsweise als Transistor ausgebildet sein.
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Das Heizelement weist bevorzugt eine Regelung auf. Dadurch kann die Heizleistung angepasst werden, um möglichst nahe an die Zieltemperatur heranzukommen. Die Regelung kann mit einem Transistor als Schalter und Temperatursensor ausgesprochen kostengünstig realisiert sein.
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Das Heizelement reduziert bevorzugt die Heizleistung oberhalb einer Höchsttemperatur oder schaltet ab. Diese Höchsttemperatur liegt vorzugsweise oberhalb der Zieltemperatur und spätestens dort, wo das temperaturempfindliche Element wegen zu großer Wärme nicht mehr zuverlässig arbeitet oder eine zu hohe thermische Alterung erfährt. Die Heizung ist oberhalb der Höchsttemperatur zumindest überflüssig und möglicherweise sogar schädlich.
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Das temperaturempfindliche Element ist bevorzugt auf einer Leiterkarte (PCB, Printed Circuit Board) angeordnet, wobei das Heizelement in die Leiterkarte integriert ist. Beispielsweise ist das Heizelement als dünne Ebene oder als Heiztransistor ausgestaltet. Diese Implementierung ist äußerst kostengünstig und spart Bauraum.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die Abbildungen der Zeichnung zeigen in:
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1 eine schematische Darstellung eines optoelektronischen Sensors mit beheizbarem Lichtsender; und
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2 eine schematische Darstellung eines als Laserscanner ausgebildeten optoelektronischen Sensors mit beheizbarem Lichtsender.
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1 zeigt eine vereinfachte schematische Blockdarstellung eines optoelektronischen Sensors 10 in einer beispielhaften Ausführungsform als einstrahliger Lichttaster. Ein Lichtsender 12, vorzugsweise eine Laserlichtquelle, möglicherweise aber auch eine LED oder andere Lichtquelle, sendet über eine Sendeoptik 14 ein Lichtsignal 16 in einen Überwachungsbereich 18 aus. Trifft es dort auf ein Objekt 20, so kehrt ein remittiertes oder reflektiertes Lichtsignal 22 über eine Empfangsoptik 24 zu einem Lichtempfänger 26 zurück, beispielsweise einer Photodiode, einer Lawinenphotodiode, einer SPAD (Single Photon Avalanche Diode) oder einer Mehrfach- beziehungsweise Matrixanordnung solcher lichtempfindlicher Elemente. Das Empfangssignal des Lichtempfängers 26 wird von einer Steuer- und Auswertungseinheit 28 ausgewertet. Beispielsweise wird der Abstand zu dem Objekt 20 gemessen, indem eine Lichtlaufzeit von Aussenden des Lichtsignals 16 bis zum Empfang des zurückkehrenden Lichtsignals 22 gemessen und dies über die Lichtgeschwindigkeit in einen Abstand umgerechnet wird.
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Der Sensor 10 soll in einem großen Bereich möglicher Außentemperaturen einsetzbar sein. Dazu ist prinzipiell eine Heizung für den gesamten Sensor 10, die dessen Einsatzbereich erweitert, gut und hilfreich. Es ist aber sinnvoller und deshalb erfindungsgemäß zusätzlich oder alternativ zu einer solchen unspezifischen Heizung vorgesehen, den Temperaturbereich von temperaturempfindlichen Elementen schon im Sensor 10 selbst zu beschränken.
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Der Effekt ist für Laserlichtquellen besonders ausgeprägt und wird daher am Beispiel des Lichtsenders 12 beschrieben. Eigentlich liegt nämlich das hier relevante Temperaturproblem für eine Laserdiode darin, dass bei tiefen Temperaturen bei Kantenemittern die Leistung übermäßig ansteigt, was aufgrund des Laserschutzes problematisch werden kann, oder aber bei tiefen Temperaturen bei VCSELn die Leistung mit verminderter Temperatur erst zu nimmt, um dann wieder stark abzunehmen.
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Deshalb soll ausgeschlossen werden, dass der Lichtsender 12 überhaupt bei tiefen Temperaturen betrieben wird, obwohl Kälte prinzipiell seine Funktionsfähigkeit gar nicht beschränken oder sogar verbessern würde. Dazu ist an dem Lichtsender 12 ein Heizelement 30 vorzugsweise mit Temperaturfühler 32 vorgesehen. Mit Hilfe des Heizelements 30 wird der Lichtsender 12 auf eine Zieltemperatur gebracht, die höher ist als für dessen Funktionsfähigkeit erforderlich und die insbesondere den genannten Bereich mit erhöhter oder schwankender Leistung für den Betrieb ausschließt.
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Vorzugsweise ist das Heizelement 30 als Heizplatte oder Heiztransistor im PCB-Design für den Lichtsender 12 berücksichtigt. Mit anderen Worten ist das Heizelement kosten- und platzsparend in eine vorhandene Leiterplatte des Lichtsenders 12 integriert. Die Funktionalität für die Regelung kann Teil der Steuer- und Auswertungseinheit 28 oder ein eigener, nicht dargestellter Schaltkreis sein. Über einen Treiber und den Temperaturfühler 32 wird die Temperatur auf die gewünschte Zieltemperatur eingeregelt. Das ist nicht immer möglich. Wenn die Heizleistung bei Kälte nicht ausreicht, kann beispielsweise maximal geheizt werden, um der Zieltemperatur zumindest nahe zu kommen. Umgekehrt schaltet der Regler vorzugsweise ab Erreichen einer bestimmten Temperatur ab, damit die Zieltemperatur möglichst wenig überschritten wird. Eine Kühlung ist dann prinzipiell denkbar, aber dazu müsste das Heizelement 30 zu einem sehr aufwändigen Heiz- und Kühlelement aufgerüstet werden, und dieser Aufwand wird vorzugsweise vermieden.
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Damit ist durch ein einfaches Heizelement 30 möglich, den Temperaturbereich von temperaturempfindlichen Elementen zu reduzieren, auch wenn der Temperaturbereich des Sensors 10 selbst weiterhin einen großen Bereich abdeckt.
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In besonders sensiblen Anwendungen beispielsweise als Teil einer sicherheitstechnischen Anlage wird für den Sensor 10 auch die Lebensdauer gemäß der EN 13849-1 angegeben. Hierzu muss die Lebensdauer (MTTF, Mean Time to Failure) bei 25°C berechnet werden, unabhängig vom typischen Temperaturprofil am Einsatzort. Bauteile, die bei diesen Bedingungen auch eine Bauteiltemperatur von unter 40°C haben, finden mit einer Ausfallrate bei 40°C Berücksichtigung. Bauteile oberhalb von 40°C müssen mit einer erhöhten Ausfallrate bei dieser Temperatur berücksichtigt werden. Deshalb ist es besonders bevorzugt, die Zieltemperatur bei 40°C zu wählen und somit den Lichtsender stets so zu betreiben, dass dessen Mindesttemperatur 40°C beträgt. Dies ist natürlich nur soweit denkbar, wie dies die interne Stromversorgung zulässt. Da die genannten Temperaturen Festlegungen und keine technischen Anforderungen sind, ist die Erfindung bevorzugt so ausgelegt, aber nicht darauf beschränkt.
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Die Anordnung des Sensors 10 in 1 ist rein beispielhaft zu verstehen. Es sind alternativ andere bekannte optische Lösungen einsetzbar, wie Autokollimation etwa mit einem Strahlteiler und einer gemeinsamen Optik oder die Anordnung des Lichtsenders 12 vor dem Lichtempfänger 26. Prinzipiell sind auch passive Sensoren ohne eigene Beleuchtung durch eine Lichtquelle 12 denkbar. Eine Laserlichtquelle ist lediglich ein besonders gutes Beispiel für ein temperaturempfindliches Element, das von der Erfindung profitiert. Das Heizelement 30 oder ein separates Heizelement kann alternativ oder zusätzlich an einem anderen temperaturempfindlichen Element wie dem Lichtempfänger 26 oder dem Messkern angeordnet sein, d.h. zumindest Teilen der Steuer- und Auswertungseinheit 28. Dabei ist das Heizelement 30 vorzugsweise in der beschriebenen Weise in eine jeweilige Leiterkarte integriert.
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Ein Lichttaster wie in 1 gezeigt ist nur ein Beispiel eines optoelektronischen Sensors 10. 2 zeigt eine schematische Schnittdarstellung durch einen als entfernungsmessenden Laserscanner ausgebildeten optoelektronischen Sensor 10 als weiteres nicht abschließend genanntes Beispiel.
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Ein Laserscanner kann rein funktionell als rotierender Lichttaster verstanden werden. Das Lichtsignal 16 des Lichtsenders 12 wird dazu über Lichtablenkeinheiten 34a–b in den Überwachungsbereich 18 gelenkt. Das an einem hier nicht dargestellten Objekt remittierte Lichtsignal 22 gelangt wieder zu dem Laserscanner zurück und wird dort über die Lichtablenkeinheit 34b durch die Empfangsoptik 24 auf den Lichtempfänger 26 geleitet. Die Lichtablenkeinheit 34b ist als rotierender Drehspiegel ausgestaltet, die durch Antrieb eines Motors 36 kontinuierlich rotiert. Die jeweilige Winkelstellung der Lichtablenkeinheit 34b wird über einen Encoder 38 erfasst. Das von dem Lichtsender 12 erzeugte Lichtsignal 16 überstreicht somit den durch die Rotationsbewegung erzeugten Überwachungsbereich 18. Die Auswertungseinheit 28 kennt über den Encoder 38 den Winkel und durch Bestimmung der Lichtlaufzeit den Abstand einer jeweiligen Messung mit dem Lichtsignal 16 und somit zweidimensionale Polarkoordinaten aller Objekte in dem Überwachungsbereich 18.
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In sicherheitstechnischer Anwendung ist häufig das Ziel der Auswertung, Schutzfeldverletzungen zu erkennen. Dazu kann die Auswertungseinheit 28 zusätzlich prüfen, ob ein unzulässiges Objekt in innerhalb des Überwachungsbereichs 18 festgelegte Schutzfelder eingreift. Ist das der Fall, wird über einen nicht dargestellten Sicherheitsausgang (OSSD, Output Signal Switching Device) ein Absicherungssignal an eine überwachte Gefahrenquelle, beispielsweise eine Maschine ausgegeben. Der Laserscanner ist in derartigen sicherheitstechnischen Anwendungen durch Maßnahmen entsprechend der einleitend genannten Normen ein sicherer Laserscanner.
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An dem Lichtsender 12 sind wie in 1 ein Heizelement 30 und ein Temperaturfühler 32 angeordnet, dessen Funktion und mögliche Ausgestaltung der Ausführungsform nach 1 entsprechen und daher nicht erneut beschrieben werden. Die konkrete Bauform des Laserscanners gemäß 2 ist erneut rein beispielhaft zu verstehen. Es sind andere Aufbauten bekannt, beispielsweise mit einem Polygonspiegelrad oder einem als Ganzes einschließlich Lichtsender 12 und Lichtempfänger 26 rotierenden Messkopf anstelle der Lichtablenkeinheit 34a–b, die von der Erfindung ebenso umfasst sind.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 4340756 A1 [0004]
- US 5371753 A [0008]
- WO 96/34434 A1 [0008]
- WO 2015031255 A1 [0009]
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- Norm EN13849 [0005]
- EN61496 [0005]
- EN 13849-1 [0030]
