DE2544216B2

DE2544216B2 - Lichtoptische Vorrichtung zum Feststellen von Verschiebungen oder Änderungen der Oberfläche eines Meßobjektes

Info

Publication number: DE2544216B2
Application number: DE2544216A
Authority: DE
Inventors: Frans Betz; Jacobus Johannes De Haas; Petrus Cornelis Van Der Zoetermeer Kraan
Original assignee: Nederlanden Volksgezondheid Welzijn en Sport VWS
Current assignee: Nederlanden Volksgezondheid Welzijn en Sport VWS
Priority date: 1974-10-09
Filing date: 1975-10-03
Publication date: 1979-11-08
Also published as: NL169693C; NL169693B; US4029957A; GB1495084A; DE2544216A1; NL7413282A; FR2287701A1; DE2544216C3; FR2287701B1

Description

Die Erfindung betrifft eine lichtoptische Vorrichtung zum Feststellen von Verschiebungen oder Änderungen der Oberfläche eines Meßobjekts, insbesondere der Oberseite eines Papier- oder Briefstapels mittels reflektierten Lichtes, bei welcher die Oberfläche durch eine Lichtquelle bestrahlt und das reflektierte Licht von einer auf der gleichen Seite des Objekts angeordneten Fotozelle aufgenommen wird, der ein Verstärker und eine Auswerteschaltung nachgeschaltet sind.

Eine derartige Vorrichtung ist aus der DF.-AS 89 J29 bekannt.

Derartige Vorrichtungen können z. B. im Handsortierbetrieb eines Postamtes verwendet werden, wo es wichtig ist, die Menge der sortierten Post pro Richtung zumindest annähernd feststellen zu können. Bei dieser Verwendung ergibt sich aber eine Reihe von Schwierig-

•5 ketten solcher Art, daß eine gut funktionierende Zählvorrichtung für diesen Verwendungszweck bisher nicht vorhanden ist Die Dimensionen der Apparatur vor oder in den Sortierfächern müssen so klein wie möglich sein, um das Sortieren als solches und die

i» Aufnahmekapazität der Fächer nicht zu beeinträchtigen.

Die bekannte Vorrichtung arbeitet mit einer üblichen Lichtquelle, wie beispielsweise einer Glühlampe, die die Oberfläche des Objekts kontinuierlich beleuchtet Ebenso wird von der dort vorgesehenen Auswerteschaltung ein kontinuierliches Signal der Fotozelle aufgenommen. Dieses Signal wirkt auf einen Regelkreis, der daraufhin die Höhe eines Papierstapels aus untereinander gleichartig beschaffenen Blättern positioniert

Die kontinuierliche Bestrahlung und Auswertung muß zwangsläufig zu einer Empfindlichkeit der Vorrichtung gegen Umgebungslicht führen, was wiederum zu Fehiposiiionierungen des Stapeis Anlaß geben kann. Wegen des relativ hohen Energieverbrauchs von Glühlampen und der damit verbundenen Wärmeentwicklung ist die bekannte Vorrichtung auch für den Einsatz in den zahlreichen Sortierfächern von Briefsortieranlagen nicht geeignet.
Aufgabe der Ernndung ist daher die Verringerung des

to Energiebedarfs einer derartigen Vorrichtung und die Ausschaltung einer Empfindlichkeit gegenüber Schwankungen des Umgebungslichtes.

Diese Aufgabe löst die Erfindung dadurch, daß die Speisung der Lichtquelle durch die Impulse eines

r> Impulsgebers erfolgt und die Auswerteschaltung einen Differenzdetektor aufweist, der ebenfalls Impulse des Impulsgebers empfängt und bei deren Eintreffen jeweils das momentane Signal der Fotozelle mit dem gespeicherten Signal derselben während des vorherigen

4(i Impulses vergleicht.

Diese Lösung bietet außerdem ;!en Vorteil, gegenüber Glanz- und Farbunterschieden der zu sortierenden Briefe unempfindlich zu sein. Andererseits ist sie empfindlich genug, daß auch ein Brief, der vorsichtig auf

4Ί den Stapel geschoben wird, dieselbe Farbe und den gleichen Glanz wie der oberste Brief auf dem Stapel hat, ermittelt wird.

Durch die impulsweisc Speisung der Lichtquelle mit z. B. 1000 Impulsen pro Sekunde und einer Impulsdauer

,(ι von 10 ms Sekunden beträgt derjenige Zeitraum, in dem die Lichtquelle gespeist wird, nur 1% des zeitlichen Abstandes zweier Impulse. Ist die Stromstärke der ununterbrochenen Speisung der Lichtquelle, die eine lichtemittierende Diode ist, einige mA. so kann diese

,-. Stromstärke infolge der geringen Zeit der Ansteuerung der Lichtquelle dank der Erfindung einige Ampere betragen. Umgekehrt ausgedrückt, der erforderliche kontinuierliche Speiscsirom betrügt daher nur einen Bruchteil desjenigen Stroms, der durch die Lichtquelle

mi fließt und bleibt dadurch auf einige mA beschränkt. Dank der geringen Leistung ist also keine kostspielige Speisung erforderlich, demzufolge ist auch die Wärmeentwicklung auf ein Minimum reduziert, was insbesondere für die Anwendung in räumlich beengten

-,; Verhältnissen von entscheidender Bedeutung ist.

Eine Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Verstärker ein Wcchselstromverstärkcr ist der ein durch Umgebungslicht hervorgerufenes (irundsignal

der Fotozelle ausblendet und dessen Ausgangssignal dem Differenzdetektor zugeführt ist.

Ein derartiger Wechselstromverstärker ist im Vergleich zu Gleichstromverstärkern wesentlich stabiler. Er wirkt insofern filtrierend, als er das von dem Umgebungslicht hervorgerufene Grundsignal der Fotozelle von dem Signal der Lichtimpulse trennen kann. Dadurch spielt die Stärke des Umgebungslichtes keine Rolle mehr, da deren Änderungsfrequenz sehr viel niedriger ab die Frequenz der Lichtimpulse ist. Insofern dient dieser Verstärker als Hochpaßfilter.

Außerdem ist der Verstärker derart programmiert, daß er Ausgangssignale nur zu den Augenblicken weitergibt, zu denen ein Impuls vorhanden sein kann. Damit wird eine weitgehende Rausch- und Störungsunterdrückung erzielt

Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung sieht vor, daß der Differenzdetektor zur vorübergehenden Speicherung der jeweils neuen Lichtstärkesignale der Fotozelle einen Kondensator aufweist

Die Ladung dieses Kondensators ist ein Maßstab für den zuletzt vom Fotodetektor empfangenen Impuls. Eine Ladungsänderung kann nur zu den Augenblicken stattfinden, zu denen die Lichtquelle Licht ausstrahlt. In der Ruheperiode wird die letzte Ladung vom Kondensator gespeichert

Eine weitere Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Lösung sieht vor, daß in der Speiseleitung der Lichtquelle ein Regler angeordnet ist, der über ein Verzögerungsglied von der Ausgangsgröße des Differenzdetektors gesteuert wird, wodurch die empfindlichkeit des Meßkreises selbsttätig den Reflektionseigenschaften des Objekts angepaßt wird.

Dies ist deswegen sinnvoll, da die Stapelhöhe oder der Reflektionskoeffizient so groß sein kann, daß die Reflektion einen derart großen Fotostrom verursacht, daß der nachgeschaltete Verstärker voll ausgesteuert und eine Änderung der Reflektion daher nicht mehr wahrgenommen wird. Um das zu vermeiden, erfolgt bei bestimmten Grenzwerten eine Rückregelung. Dieser Effekt kann auch erzielt werden, wenn nach einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung ein derartiger Regler zwischen der Fotozelle und dem dieser nachgeschalteten Verstärker angeordnet ist.

Eine weitere Ausgestaltung besteht darin, daß die Lichtquelle eine Fotodiode (sog. LED) ist, die infrarotes Licht abgibt

Der Vorteil einer derartigen Lichtquelle im Vergleich zu einer Glühbirne liegt vor allem darin, daß sehr schnelle Lichtimpulse gesendet werden kösinen. Ein weiterer Vorteil liegt darin, daß kein den Sortierer störendes Licht ausgestrahlt wird. Weitere Vorteile sind: kleine Dimensionen, sehr lange Lebensdauer und Stoß- und Schwingiingsfestigkeit. Der Lichtertrag ist an sich zwar gering, wird aber gerade durch die erfindungsgemiiße Lösung erheblich gesteigert.

Eine vorteilhafte Anwendungsmöglichkeit der erfin-(Jungsgcmäßen Vorrichtung besteht in ihrer Anordnung in den Sorlierfächern der Sortierschränke einer manuellen oder maschinellen Briefsoi tieranlüge, wobei die Daten aller Vorrichtungen auf eine zentrale Verarbeitungseinheit geschaltet sind.

Die Verbindung der Ermittlungsvorrichtungen mit der zentralen Verarbeitungseinheit kann im Zeit-Vielfachbetrieb über Multiplexer und Demultiplexer durchgeführt werden.

Die Erfindung; wird anhand der Zeichnungen erläutert. Darin zeipt

F i g, I ein Sortierfach mit dem Blockschema eines Briefermittlers,

F i g. 2 das Diagramm eines Fotodiodenstroms,
Fig, 3 ein Blockschema für den Impulsgeber und für > die LED-Steuerung,

F i g. 4 einen Gleichrichter,

Fig.5 einen Gleichrichter mit elektronischen Schaltern und
Fig.6 eine Übersicht über die Sammlung und

in Verarbeitung der ermittelten Daten.

An der Decke eines jeden Sortierfaches 1 ist eine Dose 2 montiert, in der u. a. eine Lichtquelle 3 und ein Fotodetektor 4 untergebracht sind. Ein Brief in dem Fach verursacht nun, je nach dem Abstand zwischen

ii diesem Brief und dem Fotodetektor und dem Reflexionskoeffizienten des Papiers, eine bestimmte Reflexion, die die Stromstärke im Fotodetektor bestimmt. Wird der nächste Brief in das Fach geworfen, dann ändert sich die gegebene Reflexion infolge eines

Ji) aventuellen anderen Reflexionskoeffizienten und eines anderen Abstandes. Die Reflexionsänderung hat zur Folge, daß sich der Fotodetektor- .rom ändert. Das wird von einer elektronischen Schaltung remeidet. Die Zahi der Meldungen wird zentral registriert. Eine Meldung

.'"> besagt also, daß eine Reflexionsänderung stattgefunden hat, woraufhin angenommen wird, daß ein Brief in das Sor;'erfach geworfen wurde. Der Fotodetektor ist mit einem Verstärker 5 verbunden, dessen Ausgang zu einem Differenzdetektor 6 führt. Dieser Differenzdetek-

i» tor arbeitet periodisch dank der Steuerung seitens des Impulsgebers 7. Der Impulsgeber sorgt über den Regler 8 dafür, daß der Lichtquelle 3 während 1% der Zeit Energie zugeführt wird. Über den Verzögerer 9 wird der Regler von dem Differenzdetektor 6 aus gesteuert. Der

r> Ausgang des Differenzdetektors 6 führt über den Verzögerer 10 und den Verstärker 11 zu der zentralen Verarbeitungseinheit. Die Verzögerer dienen dazu, einander schnell folgende Differenzen zu integrieren. Pro Sortierfach ist eine Schaltung laut Fig. 1 vorhan-

ni den. Der Verstärker 5 dient überdies als Hochpaßfilter. Damit wird eine zweckmäßige Trennung zwischen dem Lichtstrom von außen und den Lichlimpulsen erzielt.

Fig. 2 zeigt das Diagramm eines Fotodiodenstroms, der durch die Vorrichtung derart getrennt werden kann,

i) daß der Einfluß des Außenlichlwechsels (Linie 12) eliminiert wird und die Impulse 13 des Fotodetektors 4 übrigbleiben.

Der Impulsgeber 7 ist im Prinzip ein rückgekoppelter Verstärker, der als Relaxationsoszillator arbeitet (siehe

in Fig. 3, linke Hälfte). Die Ausgangsspannung wird über die Widerstände 14 und 15 und die Dioden 16 und 17 zum Eingang rückgekoppelt, was bei ausreichend hoher Eingangsspannung eine Potentialänderung am Ausgang verursacht. Der Kondensator 18 sorgt aber für eine

">"· V i::ögerung, und zwar zusammen mit dem Widerstand 14, wenn der Ausgang in bezug auf die Eingangsspannung positiv ist, jder zusanmen mit dem Widerstand 15, wenn der Ausgang in bezug auf die tingangsspannung negativ ist. Werden nun die Werte der Widerstände 14

» und 15 z.B. im Verhältnis I zu 100 gewählt, dann verhalten sich nie WC-Zeiten auch wie 1 zu 100. und es cnistchl ein Arbeit/Ruhe-Verhältnis von 1%. Die Widerstände 19 und 20 geben dem Verstärlcereingang 21 eine mit der Ausgangsspannung sich ändernde

'Ί Vorspannung. Dadurch muß die Ladung des Kondensators 18 mindestens diese Spannung haben, soll sich die Polarität des Ausgangs ändern. Diese Vorspannung ist so niedrig, daß die Aufladekurvc des Kondensators mir

den Beginn der normalen /?C-Kurve bildet. In diesem Bereich ist die Charakteristik praktisch linear.

Da die Lichtquelle 3 eine Diode ist, die je nach der Größe des Diodenstroms Licht ausstrahlt, ist eine große Verstärkung erforderlich, um einen starken Diodenstrom und damit auch viel Licht zu erzielen. Hierfür eignet sich die Darlington-Schaltung 22, wobei die Diode in den Emitterkreis aufgenommen ist (siehe Fig. 3, rechte Hälfte). In der Kollektorleitung befinden sich cm Widersland 23 und ein Entkopplungskondensa tor 24. Der totale Impulsstrom wird in erster Instanz dem Kondensator 24 entnommen. Dadurch erfährt die Speisung keine Impulsbelastung und wird Übersprechen Ii. dgl. durch die Speisung und die Speisungslcitiingcn vermieden. Die Speisung lädt den Kondensator praktisch ununterbrochen mit einem Strom auf. der gleich

Λ ι iX:ii>/.t;ii

Ruhezeit

Spitze ist. Wie bereits erwähnt, wird der rotostrom geregelt (Leitung 25). Das erfolgt mit Hilfe eines der Darlingtonschaltung parallel aufgestellten Transistors 26. der je nach der Stärke des empfangenen Signals Basisstrom empfängt. Dadurch wird der Kondensator entladen. Die Spannung in der Darlingtonschaltung ist dann gefallen, und das hat zur Folge, daß auch der Strom durch die Diode 3 abnimmt.

In dem Differenzdetektor kann im Prinzip eine Diode 27 und ein Kondensator 28 (siehe F i g. 4) benutzt werden, und zusätzlich im Auflade- bzw. im Entlade-Stromkreis ein Schalter 29 bzw. 30. Eine Ladungsänderung kann nur zu den Augenblicken stattfinden, zu denen der Schalter 30 geschlossen und der Schalter 29 offen ist. Diese Augenblicke des Offen- und Geschlos- ^ensem^ werden von dem Impulsgeber 7 bestimmt, der auch die Diode 3 steuert. Eine Ladungsänderung kann also nur zu den Augenblicken stattfinden, zu denen die Diode 3 Licht ausstrahlt. In der Ruheperiode wird die [e!/ie ! iidung im Kondensator 28 gespeichert, der also eine Speicherfunktion erfüllt. Diese Methode der synchron geschalteten Gleichrichtung verschafft den Voreil, schnelle Änderungen gut verfolgen zu können. und überdies bietet sich die Möglichkeit sehr großer Arbeit/RuheVerhältnisse. Der Vorteil eines großen Arbeit/Ruhe-Verhältnisscs liegt in der Möglichkeit, mit einerr ziemlich geringen ununterbrochenen Speisestrom cr.cn großen Lichtertrag der Diode zu erzielen. Dadurch verbessert sich das Signal/Rausch-Verhältnis.

In Wirklichkeit benutzt man nicht die Schalter 29 und 30. sondern zwei Transistoren 31 und 32. die die gleichen Funktionen erfüllen (siehe F i g. 5).

Detaillierte Ermittlungsunterschiede pro Brief werden mit Hilfe des Verzögerers 10 zu einer einzigen Zählung integriert.

Alle Ausgänge der Briefermittler gehen über die Filter 33 und die Speicher 34 zu dem Multiplexer 35, wo sie Stück für Stück abgetastet werden. Damit ist eine ParallelSerien-Umsetzung der Information gegeben (siehe F i g. 6). Diese Umsetzung kann sehr einfach mit ι Hilfe digitaler, integrierter Schaltungen, die speziell für diesen 7.weck hergestellt sind, erfolgen. Start und Synchronisierung finden von einem zentralen Punkt aus statt. Der Vorteil ist, daß pro Sortierschrank nur ein einziger Draht erforderlich ist, um die Zählungsergeb-

Mi nisse aller Fächer dem zentralen Punkt zuzuführen. Dieser eine Draht, zusammen mit Drähten, die die gleiche Funktion haben und aus anderen Sortierschränken kommen, kommen bei einer Schaltung zusammen, wo pro Schritt von einem Multiplexer 37 entsprechende

; , Fächer aller Sorlicrschränke nacheinander abgetastet werden. Dies ist wiederum eine Parallcl-Serien-Umsetzung. jetzt aber sind die Ausgangssignale entsprechen-UCi rücliCi dtii veiM'Micuci'ici'i Suiiici Suiit änkc ciiiiiiidei nachgeordnet. Diese Signale werden von dem Dcmulti-

.■ii plexer 38 an die für das betreffende Fach vorgesehene Zähleinheit 39 weitergegeben, die die Impulse zählt. Dann folgt der nächste Schritt. Die Zahl der Schritte wird durch die Zahl der Fächer pro Schrank bestimmt und bildet einen Zyklus. Die einzelnen Schritte des , Fächerschieberegisters werden durch einen Taktgeberimpuls seitens des Multivibrators 40 ausgelöst. Mit 41 ist ei: J Rückstelleitung angegeben. Am Anfang eines jeden Zyklus wird ein Impuls gegeben, der die Übertragung der Daten aus den Speichern 34 in den Parallel-Serien-

;n Umsetzer und die Rückstellung der Speicher auslöst. Dieser Impuls entsteht durch Teilung der Taktgeberimpulse. Für die Übertragung der Impulse zwischen den .Sortierschränken und der zentralen Zähleinheit werden optische Lntkoppler benutzt, die eine galvanische

; Trennung zwischen der Speisung der Sortierschränke und der der zentralen Einheit bewerkstelligen. Das wird für notwendig erachtet, um einen gewissen Grad der .Störungsunterdrückung zu erzielen. Das ganze Zählsystem ist derart konstruiert, daß nur niederfrequente

: Signale übertragen werden. Dadurch bringen einfache Filter 42 auf den Leitungen einen störungsfreien Empfang zustande.

Als Zähler ist im Prinzip jede Vorrichtung, die imstande ist, eine Ziffer um I zu erhöhen, brauchbar —

:. abgesehen von der Geschwindigkeit, die beim Gebrauch mehrerer Sortierschränke eine Rolle spielt. Die Benutzung eines Steuerrechners als Zähler und Datensammler bietet eine Reihe von Vorteilen, die essentielle Bedeutung besitzen. Ein kleiner Steuerrech-

V' ner kann die ganze Zählung überwachen, die Ergebnisse verarbeiten, signalisieren, wenn übermäßig viel oder zu wenig Zählungen stattfinden, die Sortierungen pro Zeiteinheit registrieren usw. Werden dem Steuerrechner verschiedene Programme mitgegeben, dann kann er

Vi voll und ganz für das Sortier- und Rechenverfahren eingesetzt werden.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Lichtoptische Vorrichtung zum Feststellen von Verschiebungen oder Änderungen der Oberfläche eines Meßobjekts, insbesondere der Oberseite eines Papier- oder Briefstapels mittels reflektierten Lichtes, bei welcher die Oberfläche durch eine Lichtquelle bestrahlt und das reflektierte Licht von einer auf der gleichen Seite des Objekts angeordneten Fotozelle aufgenommen wird, der ein Verstärker und eine Auswerteschaltung nachgeschaltet sind, dadurchgekennzeichnet, daß die Speisung der Lichtquelle (3) durch die Impulse eines Impulsgebers (7) erfolgt und die Auswerteschaltung einen Differenzdetektor (6) aufweist, der ebenfalls die Impulse des Impulsgebers empfängt und bei deren Eintreffen jeweils das momentane Signa! der Fotozelle (4) mit dem gespeicherten Signal derselben während des vorherigen Impulses vergleicht

2. Vorrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzdetektor (6) zur vorübergehenden Speicherung der jeweils neuen Lichtstärkesignale der Fotozelle (4) einen Kondensator (28) aufweist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß in der Speiseleitung der Lichtquelle (3) ein Regler (8) angeordnet ist, der über ein Verzögerungsglied (9) von der Ausgangsgröße des Differenzdetektors (6) gesteuert wird, wodurch die Empfindlichkeit des Meßkreises selbsttätig den Reflexionseigenschaften des Objekts angepaßt wird

4. Vorrk'itung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß solcher R?<j|_er (8) zwischen der Fotozelle (4) und dem dieser nachgeschalteten Verstärker (5) angeordnet ist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Verstärker (5) ein Wt'chselstromverstärker ist, der ein durch Umgebungslicht hervorgerufenes Grundsignal der Fotozelle (4) ausblendet und dessen Ausgangssignal dem Differenzdetektor (6)zugeführt ist.

6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche ! bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (3) eine Fotodiode (sog. LED) ist, welche infrarotes Licht abgibt.

7. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, gekennzeichnet durch ihre Anordnung in den Sortierfächern der Sortierschränks einer manuellen oder maschinellen Briefsortieranlage, wobei die Daten aller Vorrichtungen auf eine zentrale Verarbeitungseinheit geschaltet sind.