DE2704565A1

DE2704565A1 - Photoelektronisches geraet

Info

Publication number: DE2704565A1
Application number: DE19772704565
Authority: DE
Inventors: Arthur Dr Ing Walter
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Priority date: 1977-02-03
Filing date: 1977-02-03
Publication date: 1978-08-10
Also published as: FR2379825A1; FR2379825B1; SE7801247L; CA1134474A; CH624482A5; IT7819665A0; DE2704565B2; IT1092377B; JPS5397479A; US4388528A; DE2704565C3

Description

PATENTANWÄLTE

MANITZ. F1N5TERWALD & GRÄMKOW

Hünchen, 3. Februar 1977 S/w - S 3305

Erwin Sick GmbH Optik-Elektronik An der Allee 7-9
7808 Waldkirch

Photoelektronisches Gerät

Die Erfindung betrifft ein photoelektronisches Gerät mit wenigstens einem photoelektrischen Nutzwandler, welcher ein in seiner Intensität veränderliches Nutzlichtbündel empfängt und an eine elektronische Auswerteschaltung angeschlossen ist, die ein von der Intensität des Nutzlichtbündels abhängiges Ausgangssignal liefert.

Bei photoelektronischen Geräten muß stets mit Störlicht gerechnet werden, das von irgendwelchen in der Umgebung vorhandenen Lichtquellen stammt. Derartiges Störlicht kann bis zur Zerstörung des photoelektronischen Wandlers führen. Wenn etwa der Empfänger einer Einweglichtschranke direkt von der Sonne oder einer anderen Strahlungsquelle entsprechender Leistung getroffen wird, wirkt das Empfangsobjektiv wie ein Brennglas, das die Strahlungsenergie auf den photoelektronischen Wandler konzentriert, so daß dieser häufig weit über seine zulässigen Grenzen erhitzt wird. Aber auch

8uaü32/0161

OB. C. VANlTZ · DIPL.-INC. M FINSTERWALD DIPL. -INC. W. ORAMKOW ZEN THALKASSE BAYER. VOLKSBAN K (IM

β MÜNCHEN 22. RODtRT-KOCH-STUASSE I 7 STUVTOAMT ^r)0 (MAL) CA¹JNSTATTi MONCHtN. KONTO-NUMMtR 7270

TlL. IOU9> 22 H2 II. TLLtX S-29672 PATMF SL ELBL RCSTk. 2 3/2 5. T Γ L. 107 11156 7 2 6 I POST bell LCK : MONCH EN 7 7 O Λ 2 · β OS

schon bei geringerer Strahlungsleistung der Störlichtquellen kann eine Funktionsstörung am photoelektronischen Gerät eintreten. Eine besonders unangenehme Störung besteht darin, daß durch das Störlicht ein Ausgangssignal ausgelöst wird, welches nicht mit den tatsächlichen Gegebenheiten im Nutzlichtbereich übereinstimmt. Ist das photoelektronische Gerät z. B. eine Lichtschranke, deren Ausgangssignal davon abhängt, ob der Lichtstrahl unterbrochen ist oder nicht, kann Störlicht dazu führen, daß eine Unterbrech-ung des Lichtstrahls durch irgendeinen Gegenstand nicht zur Anzeige gebracht wird. Dieser Einfluß von Störlicht ist besonders dann gefährlich, wenn es sich um photoelektronische Sicherheitsgeräte beispielsweise Sicherheitslichtschranken handelt, die bei einer Reduzierung oder Unterbrechung des Nutzlichtbündels ein elektrisches Signal auslösen sollen, das einen Gefahrenzustand anzeigt.

Dieser Nachteil gilt praktisch für alle photoelektronischen Geräte, gleichgültig ob sie mit Gleich- oder Wechsellicht arbeiten oder ob ihr Funktionslichtstrahl ruht oder als bewegter Fahrstrahl beispielsweise eine Fläche abtastet.

Das Ziel der Erfindung besteht somit darin, ein sehr einfach und funktionssicher aufgebautes photoelektronisches Gerät der eingangs genannten Gattung zu schaffen, bei dem im Falle einer Störung durch externe Störlichtquellen das Ausgangssignal in seiner Aussage bis zu möglichst großen Leistungswerten dieser externen Strahlung von dieser unbeeinflußt bleibt und bei noch höheren Leistungswerten die Auswerteschaltung so beeinflußt, daß das Ausgangssignal nach der sicheren Seite verläuft, d. h., daß im Falle einer Reduzierung oder Unterbrechung des Nutzlichtbündels das Störlicht nicht eine Feststellung eines Gefahrenzustandes verhindert. Das Störlicht soll also allenfalls einen Gefahrenzustand signalisieren, wenn er noch nicht vorhanden

8U9Ö32/0161

ist, keinesfalls aber dessen Anzeige verhindern, wenn er tatsächlich auftritt.

Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß in unmittelbarer Nähe neben dein Nutzwandler ein ebenfalls dem Lichtbündel zugewandter photoelektronischer Hilfswandler angeordnet ist, der derart mit dem Nutzwandler gegeneinander geschaltet ist, daß beim Auftreffen von Licht auf den Hilfswandler eine von der Intensität dieses Lichtes abhängige Erniedrigung des der Auswerteschaltung zugeführten Signales herbeigeführt wird. Auf diese Weise wird Störlicht eine Erniedrigung des der Auswerteschaltung zugeführten Signales bewirken, was bei entsprechender Störlichtintensität in der Auswerteschaltung zu einem Schaltvorgang ausgenutzt werden kann, der einem von dem photoelektronischen Gerät zu erfassenden Ereignis entspricht, das mit einer Reduzierung der dem Nutzwandler zugeführten Lichtmenge verbunden ist. Dieser Schaltvorgang kann dann beispielsweise eine Sicherheitsmaßnahme auslösen und Anlaß dazu geben festzustellen, ob das betreffende Ereignis oder Störlicht den Schaltvorgang bewirkt hat. Auf diese Weise wird verhindert, daß Störlicht eine Auslösung oder Anzeige , die mit einer Verringerung der Intensität des Nutzlichtbündels am Nutzwandler verbunden sein soll, in dem Sinne beeinflußt, daß sie erst bei unterhalb einer vorbestimmten Schwelle liegenden Intensitäten des Nutzlichtbündels erfolgt. Das Störlicht verschiebt also den Schaltvorgang bzw. die damit verbundene Anzeige oder Auslösung zur sicheren Seite hin.

Die Erfindung geht davon aus, daß der Ort der Störlichtquelle aus geometrischen Gründen nicht der Ort der eigentlichen Gerätelichtquelle sein kann. Bei photoelektronischen Geräten, die nach dem Autokollimationsprinzip arbeiten, stimmt der Ort der Störlichtquelle aus geometrischen Gründen nicht mit dem Ort des Reflektors überein. Dementsprechend

8U9832/0161

muß der Ort des Abbildes der Störlichtquelle auf dem photoelektronischen Wandler - ideale Abbildungsverhältnisse vorausgesetzt - ein anderer sein als der der eigentlichen Lichtquelle bzw. des Reflektors, d. h. daß das Abbild der Störlichtquelle neben dem photoelektrischen Wandler zu liegen kommt. Ein in unmittelbarer Nähe des Nutzwandlers angeordneter Hilfswandler muß also im wesentlichen das Störlicht empfangen, was dann erfindungsgemäß zur Schaffung einer Aussage am Signalausgang zur sicheren Seite hin ausgenutzt v/erden kann.

Bevorzugt grenzt der Hilfswandler an den Nutzwandler an. Um sämtliches Störlicht zu erfassen, umgibt der Hilfswandler zweckmäßigerweise den Nutzwandler. Es können auch mehrere Hilfswandler rund um den Nutzwandler angeordnet und zusammengeschaltet werden.

Durch Einsatz entsprechender Blenden und vor allem bei !''ahrstrahlgeräten kann die Anordnung so sein, daß der Hilfswandler aus zwei Einzelwandlern besteht, welche zu beiden Seiten des Nutzwandlers angeordnet und parallel geschaltet sind.In diesem Falle kann sich die Störlichtquelle an einem beliebigen Ort,also sogar vor dem Reflektor befinden.

Nach einer'ersten praktischen Ausführungsform sind die Nutz- und Hilfswandler an einen im Eingangskreis der Auswerteschaltung angeordneten Widerstand unmittelbar gegeneinander geschaltet. Diese Ausführungsform arbeitet bevorzugt mit einer solchen Auswerteschaltung zusammen, welche eine Schaltschwelle enthält, derart, daß unterhalb eines bestimmten Eingangsstromes ein digitales Anzeigesignal (z. B. O) oberhalb der Schaltschwelle ein anderes digitales Ausgangssignal (z. B. L) geliefert wird. Ist die Schaltschwelle ausreichend niedrig, so v/ird bis zu einem bestimmten Störlichtpegel eine Unterbrechung des Nutzlichtbündels einwandfrei angezeigt. Oberhalb eines bestimmten Störlichtpegels v/ird dann die Schaltschwelle auch dann unter-

809832/0161

schritten, wenn kein Hindernis im Lichtstrahl ist. Es wird also ein Unterbrechen des Lichtstrahles vorgetäuscht, so daß das Störlicht das Gerät zur sicheren Seite hin beeinflußt, was erfindungsgemäß gewünscht ist.

Da im allgemeinen nicht mit idealen optischen Abbildungsverhältnissen gerechnet wenden .kann und insbesondere damit gerechnet werden muß, daß / auch auf den Nutzwandler fallt, sieht eine bevorzugte Ausführungsform der Erfindung vor, daß Nutz- und Hilfswandler derart gegeneinander geschaltet sind, daß der Einfluß des Hilfswandlers größer als der des Nutzwandlers ist. Dies kann nach einer ersten praktischen Ausführungsform dadurch erreicht werden, daß im Eingangskreis der Auswerteschaltung zwei hintereinandergeschaltete Widerstände vorgesehen sind, an einem von denen der Nutzwandler angeschlossen ist, während der Hilfswandler mit entgegengesetzter Polarität an beide Widerstände angelegt ist. Durch geeignete Wahl der Größe der beiden Widerstände kann eine Empfindlichkeitseinstellung vorgenommen v/erden.

Eine andere vorteilhafte Möglichkeit besteht darin, daß der Hilfswandler über einen Verstärker mit dem Nutzwandler gegeneinandergeschaltet ist. Der Verstärker darf keine Phasenumkehr bewirken, wenn Hilfs- und Nutzwandler Spannungen entgegengesetzter Polarität liefern.

Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben; in dieser zeigt

Figur 1 eine schematische Draufsicht einer ersten bevorzugten Wandleranordnung bei dem photoelektronischen Gerät genäß der Erfindung,

Figur 2 eine schematische Draufsicht einer v/eiteren vorteilhaften Wandleranordnung bei einem photoelektronischen Gerät gemäß der Erfindung, welches bevorzugt mit einem Fahrstrahl arbeitet,

8U9832/0161

Figur 3 ein schematisches Blockschaltbild einer ersten bevorzugten Schaltung der Wandleranordnung bei einem photoelektronischen Gerät gemäß der Erfindung,

Figur U- ein schematisches Blockschaltbild einer weiteren besonders bevorzugten Schaltung der Wandleranordnung für das photoelektronische Gerät gemäß der Erfindung, und

Figur 5 eiⁿ schematisches Blockschaltbild einer weiteren möglichen Schaltung, welche analog der nach Fig. 4· arbeitet.

Nach Figur 1 ist um einen das Nutzlichtbündel empfangenden Nutzwandler 11 herum ein Hilfswandler/gelegt, welcher im wesentlichen nur Störlicht empfängt. Figur 2 zeigt demgegenüber eine lineare Anordnung, wobei zu beiden Seiten des Nutzwandlers 11 Hilfswandler 12a, 12b angeordnet sind, die in der dargestellten V/eise parallelgeschaltet werden. Die erfindungsgemäße Wandleranordnung weist also in jedem Fall einen vom Nutzwandler kommenden Ausgang und einen von den Hilfswandlern kommenden Ausgang auf.

Nach Figur 3 sind der Nutzwandler 11 und der bzw. die Hilfswandler 12 in dem Eingangskreis einer elektronischen Auswerteschaltung 13 gegeneinander an einen Widerstand 14 geschaltet. Da man die vorzugsweise durch Photoelemente gebildeten Wandler im Kurzschlußbetrieb bzw. bei niederohmigem Abschluß als Stromquellen mit unendlich hohem Widerstand auffassen kann, gilt für den Strom I₁ des Nutzwandlers 11 nach Fig. 3 folgende Beziehung:

U₁ = I₁ .R (1)

809832/0161

Entsprechend gilt für den Strom i₂ des Hilfswandlers 12:

U₂ = i₂ · R (2)

Die an der Auswerteschaltung 13 anliegende Ausgangsspannung

U beträgt demnach
a

U_a = Ci₁ - i₂) · R (3)

Aus dieser Beziehung ergibt sich, daß für i^, = i₂ gilt: u_a - o.

Die Auswerteschaltung 13 ist eine solche mit digitalem Ausgang, v/elche eine Schwelle für die Eingangsgröße aufweist. Dieser Schvjellenwert sei mit i bezeichnet. Für ip = 0 würde also bei einem Wert i^, Z i geschaltet,für χ_Λ < i_ nicht. Bei idealem, d. h. störlichtfreiem Betrieb arbeitet die Schaltung also wie vorgesehen. Für den Fall, daß Störlicht auftritt, entsteht zunehmend auch ein Strom ip, so daß die Schaltschwelle i_o schon bei höheren Werten von i^, unterschritten wird. Ein durch das Unterschreiten des Normalwertes von i^ signalisierter Gefahrenzustand wird also schon vor Erreichen desselben, d. h. auf jeden Fall nicht zu spät angezeigt. Durch nicht zu große Wahl von i kann erreicht werden, daß erst bei größeren Störlichtströmen i₂ eine Unterschreitung der Schaltschwelle erfolgt.

Am Ausgang der Auswerteschaltung befindet sich im allge-

oder ,eine Signallampe

meinen ein Anzeigegerät/18, das den Zustand der Lichtschranke anzeigt. Ein Ausgang 19 kann zur Auslösung irgendwelcher Sicherheitsschaltmaßnahmen herangezogen werden.

Im allgemeinen muß jedoch mit nicht idealen optischen Abbildungsverhältnissen in dem photoelektronischen Gerät

809832/0181

gerechnet werden, weil ζ. B. für die Fokussierung des Nutzlichtbündels auf dem Nutzwandler keine korrigierten Qualitätsobjektive verwendet v/erden. In diesen Fällen muß einerseits damit gerechnet werden, daß ein Teil des Nutzlichtes auf den bzw. die Hilfswandler 12 fällt und andererseits ein Teil des Störlichtes auf den Nutzwandler 11. Da es für die Intensität und Anordnung von Störlichtquellen eine Fülle von Möglichkeiten gibt, kann eine allgemein gültige Aussage über die Verteilung der von ihnen bewirkten Bestrahlungsstärke an der Wandleranordnung kaum gemacht

Störlichtea v/erden. Es ist deshalb sinnvoll, eine konstante verteilung des/ über den Bereich der Flächen der Wandler 11, 12 als ungünstigsten Fall zugrundezulegen. Dies entspricht auch den Verhältnissen mit einem bewegten Lichtstrahl (Fahrstrahl). Hier kann bei entsprechender geometrischer Anordnung der Störlichtquelle der Fall eintreten, daß bei der Erfassung eines Hindernisses kein Nutzlicht den Wandler 11 erreicht, wohl aber Störlicht. Sofern das Störlicht ausreichen würde, einen Wandlerstrom zu erzeugen, der über der Schwelle liegt, dann würde das Hindernis nicht erfaßt. Erzeugt die Störlichtquelle neben dem Hindernis dagegen einen Strom am Hilfswandler 12, während das Nutzlicht den Wandler 11 trifft, dann muß ersterer so groß sein, daß die Differenz der Strömenicht höher als der Wert der Schaltschwelle ist.

Diese Verhältnisse lassen sich mit der Schaltung nach Fig. beherrschen. Betrachtet man v/ieder die durch Photoelemente gebildeten Wandler 11 und 12 als Stromquellen mit unendlich großem Innenwiderstand, dann liefert der Nutzwandler 11 einen Strom I₁₁ v/elcher an einen mit ihm zusammengeschalteten Widerstand 15, welcher einen Wert r,, haben möge, einen Spannungsabfall

U₁₁ = I₁₁ . P₁ (4)

hervorruft.

809832/0161

Der Widerstand 15 liegt mit einem weiteren Widerstand 16 in Reihe. Die Reihenschaltung liegt am Eingang der elektronischen Auswerteschaltung 13 und ist im übrigen dem Hilfswandler 12 parallel geschaltet. Nutzwandler 11 und Hilfswandler 12 sind wieder gegeneinander geschaltet.

Aufgrund dieser Schaltung ergibt sich für den Spannungsabfall aufgrund des Stromes i^₂ des Hilfswandlers 12:

^U12 ^{= i}i2 * ^^r2 ^{+ 1}V
Die Ausgangsspannung U , welche an die Auswerteschaltung

el

13 angelegt wird/beträgt, sofern der Eingangswiderstand R der Auswerteschaltung/als unendlich angenommen wird:

^Ua = ¹H^I - Η2'^(Γ1 ^{+ r}2^} Für den Fall, daß der Eingangswiderstand R₀ der Auswerte-

el

schaltung 13 endlich ist, gilt für den Spannungsabfall U folgende Beziehung:

^Ua - [¹H ^r1 -

a - [¹H ^r1 - H2 ^(r1 ^{+ r}2>]

■]

VV^₂

(8)

Man erkennt daraus, daß der Strom i^p des Hilfswandlers 12 um den Faktor (r^ + r^) / r,- wirksamer ist als der Strom i,,,, des Nutzv;andlers 11. Durch geeignete Wahl dieses Faktors kann somit eine Empfindlichkeitseinstellung vorgenommen werden, die so vorzunehmen ist, daß nur Störlicht entsprechender Strahlungsleistung ein derart ausgerüstetes photoelektronisches Gerät am Ausgang nach der sicheren Seite hin auslöst. Die auf diese Weise erreichte Sicherheit ist dabei so groß, daß insbesondere bei Geräten mit Fahrstrahl selbst bei Störlichtquellen vor dem Reflektor, also innerhalb

8U9832/0161

-Tf-

der zu überwachenden Fläche, als Hindernis gemeldet werden.

Die Empfindlichkeit für Störlicht kann durch Blenden, Euter und dergleichen zwar verringert werden, jedoch nicht soweit, daß die erfindungsgemäße Anordnung unnötig wird. Blenden und Filter können aber zusätzlich zu"dem zu erzielenden Zweck unterstützend wirken. Insbesondere beim Einsatz entsprechender Blenden z. B. bei Fahrstrahlgeräten kann statt mit einem oder mehreren den Nutzwandler 11 umgebenden Hilfswandlern 12 auch nur mit zwei zu beiden Seiten des Nutzwandlers 11 angeordneten Hilfswandlern 12a, 12b gemäß Figur 2 gearbeitet werden.

Anstelle der Schaltung nach Fig. 4- können nach Fig. 5 die Hilfsv/andler 12 und der Nutzwandler 11 auch über einen Verstärker 17 gegeneinander geschaltet werden, und zwar wieder derart, daß der Einfluß des bzw. der Hilfswandler 12 größer ist. Die Empfindlichkeitseinstellung könnte durch Verwendung eines Regelverstärkers vereinfacht werden. Der Verstärker 17 ist so gestaltet, daß er keine Phasenumkehr hat. Sofern der Eingangswiderstand der Auswerteschaltung 13 den Wert RA hat und die Verstärkung des Verstärkers 17 mit V angenommen wird, erhält man am Eingang der Auswerteschaltung 13 eine Spannung U wie folgt:

^Ua ^{= (i}11 - ^V * ⁱ12⁾ ' ³^
Bei einem sehr niederohmigen Eingang der Auswerteschaltung 13 ergibt sich ein Eingangsstrom i wie folgt:

ia ■ ¹H - ^12 ⁽¹⁰>

Es liegt mithin eine gleiche Wirkungsweise vor, wie sie Gleichung (7) bzw. (8) beschreiben.

Patentansprüche:

8uy832/0161

Claims

Patentansprüche

/ 1. JPhotoelektronisches Gerät mit wenigstens einem photo-V / elektrischen Nutzwandler, v/elcher ein in seiner Intensität veränderliches Nutzlichtbündel empfängt und an eine elektronische Auswerteschaltung angeschlossen ist, die ein von der Intensität des Lichtbündels abhängiges Ausgangssignal liefert, dadurch gekennzeichnet , daß in unmittelbarer Nähe neben dem Nutzwandler (11) ein ebenfalls dem Lichtbündel zugewandter fotoelektrischer Hilfswandler (12) angeordnet ist, der derart mit dem Nutzwandler (11) gegeneinander geschaltet ist, daß beim Auftreffen von Licht auf den Hilfsv/andler (12) eine von der Intensität dieses Lichtes abhängige Erniedrigung des der Auswerteschaltung (13) zugeführten Signales herbeigeführt wird.
2. Gerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilf sv/andler (12) an den Nutzwandler (11) angrenzt.
3. Gerät n.ach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Hilfswandler (12) den Nutz-

- wandler (11) umgibt.
4. Gerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn-, zeichnet , daß der Hilfswandler aus zwei/Einzelwandlern (12a, 12b) besteht, welche zu beiden Seiten des Nutzwandlers (11) angeordnet und parallel geschaltet sind.
5· Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Nutz- und Hilfswandler (11, 12) an einem im Eingangskreis der Auswerteschaltung (13) angeordneten Widerstand unmittelbar gegeneinander geschaltet sind.

8U9832/0161
6. Gerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß Nutz- und Hilf swandler (11, 12) derart gegeneinander geschaltet sind, daß der Einfluß des Hilfswandlers (12) größer als der des Nutzwandlers (11) ist.
7. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß im Eingangskreis der Auswerteschaltung (13) zwei hintereinandergeschaltete Widerstände (15» 16) vorgesehen sind, an einen von denen der Nutzwandler (11) angeschlossen ist, während der Hilfswandler (12) mit entgegengesetzter Polarität an beide Widerstände angelegt ist.
8. Gerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hilfswandler (12) über einen Verstärker (17) mit den Nutzwandler (11) gegeneinander geschaltet ist.

9- Gerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Auswerteschaltung (13) eine Schwellenwertschaltung ist.

8U9 832/0161