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Die
Erfindung betrifft einen opto-elektronischen Sensor mit einem Lichtsender
zum Aussenden eines Sendelichtbündels
in einen Überwachungsbereich,
mit einem Lichtempfänger
zum Empfang eines Empfangslichtbündels,
das durch das von einem Gegenstand im Überwachungsbereichs in Richtung
des Lichtempfängers
reflektierte Sendelicht gebildet ist, wobei das Empfangslichtbündel in
Abhängigkeit
vom Abstand des Gegenstandes vom Sensor in einem veränderlichen
Strahlwinkel zum Sendelichtbündel steht,
und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Verarbeitung des Ausgangssignals
des Lichtempfängers
gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Derartige
Sensoren erlauben aufgrund ihrer Empfindlichkeit gegenüber dem
Strahlwinkel zwischen Sende- und Empfangslichtbündel die Bestimmung des Abstands
eines das Sendelicht reflektierenden Gegenstands vom Sensor bzw.
die Eingrenzung des Überwachungsbereiches
durch elektronisches Ausblenden von Gegenständen im Vorder- oder Hintergrund
des Überwachungsbereiches.
Sensoren, die zur Durchführung
dieses Triangulationsverfahrens ausgebildet sind, sind in verschiedenen Ausführungsformen
bekannt.
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Entsprechende
Sensoren weisen als Lichtsensoren ortsauflösende Photoelemente auf, wie beispielsweise
PSD-Dioden, welche zwei Ausgangssignale liefern, aus denen der Konzentrationsschwerpunkt
des den Lichtsensor beaufschlagenden Empfangslichtbündels ermittelt
wird. Weiterhin bekannt sind Differenzelemente, die im wesentlichen
aus zwei benachbart angeordneten Photodioden bestehen. Die Ortsauflösung des
das Differenzelement beaufschlagenden Empfangslichtbündels erfolgt
durch Vergleich und Auswertung der jeweiligen Ausgangssignale der
beiden Photodioden.
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Um
diese Sensoren auf einen Strahlwinkel zu justieren, bei dem das
Empfangslichtbündel
den jeweiligen Lichtsensor nicht in dessen Mittelpunkt beaufschlagt
und bei dem die beiden Ausgangssignale des Lichtsensors somit nicht
symmetrisch sind, wird insbesondere bei den Differenzelementen üblicherweise
die Symmetrie der Beaufschlagung des Lichtsensors durch das Empfangslichtbündel über eine mechanische
Einstellvor richtung hergestellt. Diese mechanische Einstellvorrichtung
umfaßt
beispielsweise um eine Querachse verschwenkbare Umlenkspiegel.
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Die
Verwendung einer mechanischen Einstellvorrichtung bedingt in nachteiliger
Weise eine konstruktiv aufwendige Herstellung, eine großvolumige
Bauweise sowie mechanische Störanfälligkeit
des Sensors, und sie erfordert die Durchführung eines manuellen Justiervorgangs.
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Die
bekannten Sensoren der eingangs genannten Art weisen überdies
den Nachteil auf, daß die
analoge Schwerpunktsbildung ihrer beiden Ausgangssignale lediglich
eine ungenaue Bestimmung des Strahlwinkels und somit des Abstands
eines das Sendelicht reflektierenden Gegenstands vom Sensor ermöglicht.
Weiterhin ist ihre Genauigkeit einer unerwünschten und nachteiligen Ortsabhängigkeit
der Lichtempfindlichkeit des verwendeten Lichtsensors unterworfen.
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Aus
der
DE 42 04 013 A1 ist
ein Reflexionslichttaster bekannt, der empfangsseitig wenigstens vier
photosensitive Elemente aufweist, die paarweise antiparallel geschaltet
sind. Jedes Elementenpaar bildet einen einem Sensorbereich entsprechenden Empfangskanal,
wobei das eine Elementenpaar einem Nahbereich und das andere einem
Fernbereich zugeordnet ist. Dieser Reflexionslichttaster ermöglicht ohne
mechanische Einstellvorrichtung das Einstellen einer Tastweite,
indem die Ausgangssignale der beiden Empfangskanäle vor ihrer Weiterleitung an
einen Differenzverstärker
unterschiedlich stark verstärkt
werden. Allerdings ist die räumliche
Ausdehnung einer einem Empfangskanal zugeordneten Zone des Überwachungsbereichs
aufgrund der paarweise antiparallelen Schaltung der Elemente begrenzt
durch die Breite der Elemente.
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Eine
Aufgabe der Erfindung besteht darin, einen Sensor der eingangs genannten
Art dergestalt auszubilden, daß er
ohne die Verwendung einer mechanischen Einstellvorrichtung mit hoher
Genauigkeit auf verschiedene Bezugsabstände eines Gegenstandes im Überwachungsbereich
vom Sensor einstellbar ist.
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Eine
erfindungsgemäße Lösung der
Aufgabe erfolgt durch die im Anspruch 1 aufgeführten Merkmale.
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Der
Lichtempfänger
des erfindungsgemäßen Sensors
weist also wenigstens vier diskrete Sensorelemente auf, die einzeln
ausgelesen und ausgewertet werden können. Dadurch können Lage,
Struktur und Intensität
eines den Lichtempfänger
beaufschlagenden Empfangslichtbündels
anhand der Signale der einzelnen Sensorelemente bestimmt werden. Diese
mehreren Ausgangssignale des erfindungsgemäßen Sensors ermöglichen
eine genauere Auswertung als das Vorhandensein von lediglich zwei
Ausgangssignalen, die im wesentlichen nur ein analoges Integral über das
Empfangslichtsignal der gesamten lichtempfindlichen Fläche des
Lichtsensors liefern. Die Unterteilung der lichtempfindlichen Fläche des Lichtsensors
in eine Vielzahl von diskreten Sensorelementen kann dem erfindungsgemäßen Sensor
somit zur Erzielung einer höheren
Ortsauflösung
verhelfen.
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Ein
wesentlicher Vorteil der erfindungsgemäßen Anordnung kann auch darin
gesehen werden, daß bei
einer entsprechend großen
Auslegung des erfindungsgemäßen Mehrelement-Lichtsensors
mit vielen einzelnen Sensorelementen eine mechanische Zuordnung
bzw. Justage von Sendeoptik, gewünschter
Ausrichtung bzw. Nullpunkteinstellung durch die veränderliche
Zuordnung der einzelnen Sensorelemente zur Steuer- und Auswerteeinheit
bewirkt werden kann.
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Inhomogene
Strukturen des den Mehrelement-Lichtsensor beaufschlagenden Empfangslichtbündels können vom
erfindungsgemäßen Sensor aufgelöst und derart
ausgewertet werden, daß sie
die Genauigkeit des Sensors noch weiter erhöhen. Störeffekte, wie beispielsweise
unerwünschte
Reflexionen des Sende- oder Empfangslichtbündels, können vom Sensor erkannt, ausgewertet
und ausgefiltert werden. Insbesondere eine spiegelnde Reflexion
des Sendelichts an einem anderen Gegenstand als dem zu detek tierenden
Gegenstand im Überwachungsbereich
kann aufgrund der Fähigkeit
des Sensors, Abstände
zu den verschiedenen reflektierenden Gegenständen zu unterscheiden, erkannt
werden, so daß die
fälschliche
Erzeugung eines Gegenstandsfeststellungssignals unterdrückt werden
kann.
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Die
geometrische Ausdehnung des an einem Gegenstand im Überwachungsbereich
reflektierten Empfangslichtbündels
entlang der Oberfläche
des Mehrelement-Lichtsensors kann ermittelt werden und als weitere
Information für
die Bestimmung des Abstands des Gegenstands vom Sensor verwendet werden.
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Da
die Signalinformation der mehreren einzelnen Elemente des Lichtsensors
zur Verfügung steht,
kann diese Information mit Hilfe digitalelektronischer Vorrichtungen
auf sehr vielfältige,
flexible und einer Einzelanwendung des Sensors jeweils angepaßten Weise
verarbeitet werden. Hierbei können insbesondere
abgespeicherte und abrufbare Auswerte-Programme verwendet werden.
Auch sogenannte "teach-in"-Verfahren können die
Anpassung des Sensors an die Anforderungen einer Einzelanwendung
in vorteilhaft einfacher Weise ermöglichen.
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Die
Einstellung eines einem bestimmten Bezugsabstand entsprechenden
Strahlwinkels kann bei dem erfindungsgemäßen Sensor durch Zuweisung des
Lichtintensitätsmaximums
des den Mehrelement-Lichtsensor beaufschlagenden Empfangslichtbündels an
ein oder mehrere einzelne Sensorelemente erfolgen.
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Es
ist hierbei besonders vorteilhaft, wenn die Sensorelemente des Mehrelement-Lichtsensors durch
die Steuer- und Auswerteeinheit in mehrere Sensorbereiche unterteilbar
sind. Dadurch können diese
Sensorbereiche danach unterschieden werden, ob sie von dem von einem
Gegenstand im Überwachungsbereich
reflektierten Empfangslichtbündel beaufschlagt
sind. In diesem Fall können
die Sensorbereiche, gemäß dem jeweiligen
Strahl winkel, verschiedenen Zonen des Überwachungsbereichs entsprechen.
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In
bevorzugter Weise erfolgt die Unterteilung der Sensorelemente insbesondere
in zwei oder drei Sensorbereiche, entsprechend einer Unterteilung des Überwachungsbereiches
in zwei bzw. drei Zonen. Diese Zonen können dann beispielsweise eine Objektzone
und Vorder- bzw. Hintergrundzone bilden, in denen Gegenstände die
Erzeugung eines Gegenstandsfeststellungssignals bewirken oder beabsichtigt
nicht bewirken. Diese Unterteilung des Überwachungsbereichs kann aufgrund
der hohen Ortsauflösung
des erfindungsgemäßen Sensors
in derselben Weise jedoch auch in mehr als drei Zonen erfolgen,
beispielsweise um innerhalb einer Objektzone und zusätzlich zu
einer Vorder- und
einer Hintergrundzone eine weitere auszublendende Zone zu bilden.
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Die
Unterteilung der Sensorelemente basiert bevorzugt auf einer einmalig
vorgenommenen und dem jeweiligen Anwendungsfall angepaßten Kalibrierungs-Einstellung.
Hierfür
kann sich ein Referenzgegenstand in einem bestimmten Bezugs-Abstand
zum Sensor innerhalb dessen Überwachungsbereichs
befinden. Daraufhin können
die entsprechenden Signale der Sensorelemente ermittelt und dahingehend ausgewertet
werden, daß die
Sensorelemente in Sensorbereiche unterteilt werden, die genau dem Bezugs-Abstand
des Referenzgegenstands entsprechen. Um mehrere Zonen des Überwachungsbereichs
zu definieren, können
entsprechende unterschiedliche Bezugs-Abstände durch den Sensor vermessen
und in der vorstehend beschriebenen Art ausgewertet werden.
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Die
Anordnung der Sensorelemente im Mehrelement-Lichtsensor kann in
einer eindimensionalen Zeile erfolgen.
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Es
ist bevorzugt, wenn die Anzahl der Sensorelemente durch eine ganzzahlige
Potenz der Zahl 2 gegeben ist und insbesondere zwischen 8 und 1024
liegt. Dies vereinfacht die Auswertung der Signale der Sensorelemente
insbesondere mit Hilfe digitalelektronischer Mittel.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn die geometrische Ausdehnung eines
Sensorelements entlang wenigstens einer Richtung in der Ebene seiner
lichtempfindlichen Fläche
geringer, insbesondere wesentlich geringer, als die geometrische
Ausdehnung des Empfangslichtbündels
entlang dieser Richtung ist (2). In diesem
Fall werden mehrere Sensorelemente durch das Empfangslichtbündel beaufschlagt,
und es ergibt sich eine höhere
Auflösung
bei der Bestimmung der geometrischen Ausdehnung des Querschnitts
des Empfangslichtbündels.
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Weiterhin
ist es vorteilhaft, wenn die geometrische Ausdehnung der Anordnung
mehrerer Sensorelemente entlang wenigstens einer Richtung in der Ebene
der lichtempfindlichen Fläche
des Mehrelement-Lichtsensors größer ist
als die geometrische Ausdehnung des Empfangslichtbündels entlang
dieser Richtung (2). Dadurch wird verhindert,
daß das
Lichtbündel
alle Sensorelemente gleichzeitig beaufschlagt. Somit kann auch erreicht
werden, daß von
verschiedenen Sensorelementen des Mehrelement-Lichtsensors sowohl
ein maximales, der höchsten
Lichtintensität
des Empfangslichtbündels
entsprechendes Signal, als auch ein minimales, dem Restlicht und
Untergrundrauschen entsprechendes Signal, erzeugt werden, und daß somit
der Signalkontrast des Mehrelement-Lichtsensors optimiert wird.
Darüber
hinaus begünstigt
diese Anordnung der Sensorelemente deren Unterteilung in verschiedene
Bereiche, entsprechend ihrer Beaufschlagung durch das Empfangslichtbündel.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
kann als Mehrelement-Lichtsensor eine Photodioden-Matrix aufweisen,
die insbesondere einstü ckig
ausgebildet ist. Derartige Photodioden-Matrizen, beispielsweise aus
Silizium gefertigt, bilden üblicherweise
einen kostengünstigen
Detektor mit einer Vielzahl von diskreten Kanälen und sie besitzen bei kleinvolumigem Aufbau
ein hohes Verhältnis
von lichtempfindlicher Fläche
zu lichtunempfindlicher Fläche.
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Es
ist weiterhin von Vorteil, wenn den einzelnen Sensorelementen des
Mehrelement-Lichtsensors jeweils ein Verstärkungsmittel zugeordnet ist, welches
insbesondere zur Vermeidung von Störeffekten dem jeweiligen Sensorelement
räumlich
nahe angeordnet ist. Jedem Sensorelement können auch ein oder mehrere
Schalter zugeordnet sein, durch welche das Auslesen der Signale
der Sensorelemente steuerbar ist. Es ist besonders vorteilhaft,
wenn die Verstärkungsmittel
und/oder Schalter im Mehrelement-Lichtsensor innerhalb eines einzigen
Chips integriert sind.
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Der
erfindungsgemäße Sensor
funktioniert besonders gut, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit
Mittel zum parallelen Auslesen der Signale von Sensorelementen enthält. Falls
die Sensorelemente in Sensorbereiche unterteilt sind, ist es von
Vorteil, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit Mittel zum parallelen
Auslesen der Signale dieser Sensorbereiche umfaßt. Die genannten Mittel können durch
mehrere parallele Leitungen ausgebildet sein, wobei einer parallelen
Leitung insbesondere die Sensorelemente eines Sensorbereiches zugeordnet
sind.
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Die
Anzahl der parallelen Leitungen kann der Anzahl der Sensorbereiche
entsprechen. Durch Zusammenfassen mehrerer Sensorbereiche auf einer parallelen
Leitung kann sie jedoch auch geringer sein als die Anzahl der Sensorbereiche.
Bevorzugt weist die Steuer- und Auswerteeinheit eine Schaltersteuereinheit
auf, durch welche die Zuschaltung einzelner Sensorelemente auf eine
parallele Leitung gesteuert wird.
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In
vorteilhafter Ausführungsform
ist jedem Sensorelement jeweils ein erster und ein zweiter Schalter
zugeordnet, wobei alle ersten Schalter mit einer ersten parallelen
Leitung und alle zweiten Schalter mit einer zweiten parallelen Leitung
verbunden sind. In diesem Fall kann jedem Sensorelement zusätzlich jeweils
ein dritter Schalter zugeordnet sein, wobei alle dritten Schalter
mit einer dritten parallelen Leitung verbunden sind. Es ist bevorzugt, wenn
die über
erste, zweite oder dritte Schalter durch eine parallele Leitung
miteinander verbundenen Sensorelemente dann jeweils einen Sensorbereich
bilden, der den Vordergrund, die Objektzone oder den Hintergrund
des Überwachungsbereichs
repräsentiert.
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Bevorzugt
ist jedes Sensorelement nur mit jeweils einer parallelen Leitung
verbunden. Ein Sensorelement kann jedoch auch gleichzeitig mit mehreren
parallelen Leitungen verbunden sein. Dies kann beispielsweise dann
von Vorteil sein, wenn dieses Sensorelement zwischen Sensorelementen
verschiedener Sensorbereiche liegt.
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In
einer weiteren bevorzugten Ausführungsform
umfaßt
die Steuer- und Auswerteeinheit Mittel zum seriellen Auslesen der
Signale von Sensorelementen. Diese Mittel können derart ausgestaltet sein, daß sie bei
einer Unterteilung der Sensorelemente in Sensorbereiche diese Sensorbereiche
seriell auslesen. Die Mittel können
insbesondere durch eine Multiplex-Datenübertragungseinheit ausgebildet
sein, in der die Signale der Sensorelemente oder die Signale der
Sensorelemente eines Sensorbereiches oder die Signale der Sensorbereiche
zeitlich nacheinander eingelesen und ausgegeben werden.
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Die
Steuer- und Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen Sensors kann Mittel zur
Bildung der Summe der Signale von Sensorelementen aufweisen. Dadurch
läßt sich
ein über
einen bestimmten Bereich der lichtempfindlichen Fläche des
Mehrelement-Lichtsensors
integriertes Signal erzeugen, wobei dieser Bereich entsprechend
einer Unterteilung der Sensorelemente in Sensorbereiche in vorteilhafter
Weise frei wählbar
ist. Die Summenbildung kann beispielsweise durch Aufschalten der
Signale der Sensorelemente eines Sensorbereichs auf eine parallele
Leitung, der diese Sensorelemente gemeinsam zugeschaltet sind, oder
mit Hilfe eines Mikroprozessors erfolgen.
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Es
ist von Vorteil, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit Mittel zur
Bildung der Differenz zwischen Signalen aufweist. Diese Signale
können
entweder Ausgangssignale von Sensorelementen oder Summen der Signale
von Sensorelementen, insbesondere eines Sensorbereichs, sein. Anhand
dieser Differenzen läßt sich
beispielsweise der Kontrast zwischen den integralen Lichtsignalen
verschiedener Sensorbereiche ermitteln, wobei die Sensorbereiche wiederum
in vorteilhafter Weise frei wählbar
sind.
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In
diesem Fall ist es bevorzugt, wenn die Steuer- und Auswerteeinheit
weiterhin Mittel aufweist, durch die ein Gegenstandsfeststellungssignal erzeugbar
ist, wenn die ermittelte Differenz einen definierten Schwellwert
unter- oder überschreitet
oder diesem gleich ist. Die Erzeugung eines derartigen Gegenstandsfeststellungssignals
kann auch dann erfolgen, wenn die ermittelte Differenz innerhalb
oder außerhalb
eines Toleranzbereiches liegt, der einen definierten Schwellwert
umgibt.
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Die
Funktionsweise des erfindungsgemäßen Sensors
ist außerdem
begünstigt,
wenn die Steuer- und Auswerteeinheit Mittel zur Digitalisierung
der Signale der Sensorelemente bzw., falls eine Unterteilung der
Sensorelemente in Sensorbereiche erfolgt ist, der Signale der Sensorelemente
der Sensorbereiche umfaßt.
In diesem Fall können
diesem Mittel nachgeschaltete digitalelektronische Auswertemittel verwendet
werden, beispielsweise um die Lage, Breite oder Struktur des den
Mehrelement-Lichtsensor beaufschlagenden Empfangslichtbündels zu
analysieren.
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Die
Steuer- und Auswerteeinheit kann in vorteilhafter Weise einen Mikroprozessor
enthalten. Dieser kann beispielsweise zur Steuerung des parallelen oder
des seriellen Auslesens der Signale der Sensorelemente des Mehrelement-Lichtsensors
dienen. Ebenso kann er die Signale der Sensorelemente verarbeiten
und analysieren. Auf eingespeicherten Berechnungsgrundlagen basierend
kann dieser Mikroprozessor auch die Unterteilung der Sensorelemente in
Sensorbereiche beurteilen und festlegen. Der Mikroprozessor kann
insbesondere eine selbstadaptierende Logik aufweisen, die eine Anpassung
des Sensors bzw. der Sensorbereichsunterteilung an veränderliche
Auswertungs- und Umweltbedingungen ermöglicht.
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Zum
Zwecke der Justierung des erfindungsgemäßen Sensors ist es vorteilhaft,
wenn die Steuer- und Auswerteeinheit Mittel zur manuellen und/oder automatischen
Kalibrierungs-Einstellung
aufweist, wobei diese Kalibrierungs-Einstellung sich auf einen Bezugs-Abstand
eines innerhalb des Überwachungsbereichs
befindlichen Referenzgegenstands vom Sensor beziehen kann.
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Eine
manuelle Kalibrierungs-Einstellung kann beispielsweise durch äußere Betätigung der Mittel
derart erfolgen, daß bei
Anwesenheit eines Referenzgegenstands innerhalb des Überwachungsbereichs
in einem Bezugsabstand vom Sensor durch den Sensor ein Soll-Ausgangssignal
oder Gegenstandsfeststellungssignal erzeugt wird, welches diesem
Bezugsabstand entspricht.
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Eine
automatische Kalibrierungs-Einstellung kann beispielsweise dadurch
erfolgen, daß geeignete
Signale der Sensorele mente bzw. Sensorbereiche ermittelt und abspeichert
werden, wobei diese Signale einem oder mehreren Bezugs-Abständen zum Sensor
entsprechen können,
in denen jeweils ein Referenzgegenstand innerhalb des Überwachungsbereichs
angeordnet ist.
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In
vorteilhafter Weise wird mit einer Kalibrierungs-Einstellung, insbesondere
mit der automatischen Kalibrierungs-Einstellung, durch die Steuer- und
Auswerteeinheit eine Unterteilung der Sensorelemente des Mehrelement-Lichtsensors
in mehrere Sensorbereiche individuell festgelegt.
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Bevorzugt
erfolgt die Kalibrierungs-Einstellung einmalig für den nachfolgenden Praxiseinsatz des
Sensors. Die Kalibrierungs-Einstellung kann jedoch auch im Praxiseinsatz
wiederholt werden, um gegebenenfalls eine an veränderte Umgebungsbedingungen
angepaßte Änderung
der Unterteilung der Sensorelemente in Sensorbereiche zu bewirken.
So können
beispielsweise alterungsbedingte Trifteffekte des Sensors ausgeglichen
werden.
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Eine
weiterhin vorteilhafte Ausführungsform des
erfindungsgemäßen Sensors
ermöglicht
zumindest näherungsweise
die quantitative Bestimmung der Abstände von im Überwachungsbereich befindlichen
Gegenständen
vom Sensor. Diese Abstandsbestimmung kann anhand der Auswertung
der Signale der Sensorelemente erfolgen. Hierfür und für die Ausgabe der ermittelten
Abstände
kann die Steuer- und Auswerteeinheit des Sensors geeignete Mittel aufweisen.
Der Abstandsmessung kann insbesondere eine Kalibrierungs-Einstellung
zugrunde liegen, welche die Auswertung und das Abspeichern von Signalen
der Sensorelemente umfaßt,
die bei Anwesenheit von Referenzgegenständen in verschiedenen Abständen zum
Sensor innerhalb des Überwachungsbereichs
ermittelt werden.
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Schließlich ist
es bevorzugt, wenn der Lichtsender des Sensors zur Aussendung von
pulsförmigen
Lichtsignalen ausgebildet ist. In diesem Fall ist es von Vorteil,
wenn der Mehrelement-Lichtsensor und/oder die Steuer- und Auswerteeinheit
in geeigneter Weise mit der Frequenz der pulsförmigen Lichtsignale synchronisiert
sind.
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Weitere
Ausführungsformen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen offenbart, wobei auch andere
Kombinationen der einzelnen Ausführungsformen
möglich
sind als in den Unteransprüchen
angegeben.
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Die
Erfindung wird nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme
auf die Zeichnungen beschrieben; in diesen zeigen:
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1 das
Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Sensors,
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2 die
schematische Darstellung einer bevorzugten Anordnung der Sensorelemente
eines von einem Empfangslichtbündel
beaufschlagten erfindungsgemäßen Mehrelement-Lichtsensors,
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3 das
Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Sensors mit parallelem
Auslesen der Sensorelemente,
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4a und 4b jeweils
den Prinzipverlauf des Ausgangssignals eines die Signale der Sensorelemente
verarbeitenden Mittels der Steuer- und Auswerteeinheit des erfindungsgemäßen Sensors, und
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5 das
Prinzipschaubild eines erfindungsgemäßen Sensors mit seriellem Auslesen
der Sensorelemente.
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1 zeigt
den schematischen Aufbau eines opto-elektronischen Sensors 1.
Dieser enthält
einen Lichtsender 2, der sich im wesentlichen in der Brennebene
einer am Gehäuse
des Sensors 1 angeordneten Sendeoptik 3 befindet.
Das Gehäuse
des Sensors 1 weist weiterhin eine der Sendeoptik 3 benachbarte
Empfangsoptik 4 auf.
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Innerhalb
des Sensors 1, im Bereich der Bildebene der Empfangsoptik 4,
befindet sich ein Lichtsensor 5 dergestalt, daß seine
lichtempfindliche Fläche
im wesentlichen parallel zur Bildebene der Empfangsoptik 4 angeordnet
ist und daß der
Mittelpunkt seiner lichtempfindlichen Fläche von der Hauptachse der
Empfangsoptik 4 weg vom Lichtsender 2 seitlich versetzt
ist. Über
mehrere Sensor-Signalausgänge 6, von
denen in 1 nur einer dargestellt ist,
ist der Lichtsensor 5 mit einer ebenfalls innerhalb des
Sensors 1 befindlichen Steuer- und Auswerteeinheit 7 verbunden.
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Weiterhin
ist in 1 ein vom Lichtsender 2 ausgehendes,
die Sendeoptik 3 durchdringendes Sendelichtbündel 8 eingezeichnet,
das außerhalb des
Sensors 1 einen näherungsweise
parallelen Verlauf aufweist.
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Im Überwachungsbereich
des Sensors 1, in einem Abstand D vom Sensor 1,
befindet sich ein Gegenstand 9, welcher das Licht des Sendelichtbündels 8 reflektiert.
Derjenige Teil des reflektierten Lichts, der durch die Empfangsoptik 4 in
das Innere des Sensors 1 auf den Lichtsensor 5 gelangt,
bildet das Empfangslichtbündel 10.
Der Abstand des Mittelpunkts des den Lichtsensor 5 beaufschlagenden Lichtflecks
von dem dem Licht sender 2 abgewandten Ende des Lichtsensors 5 ist
als Strahlablenkung A bezeichnet.
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Außerhalb
des Sensors
1 stehen das Sendelichtbündel
8 und das Empfangslichtbündel
10 im
wesentlichen in einem Strahlwinkel
zueinander.
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Außerdem ist
in 1 im Überwachungsbereich
des Sensors 1 ein weiterer Gegenstand gestrichelt eingezeichnet,
der als Referenzgegenstand 9' in
einem Bezugs-Abstand D' vom
Sensor 1 angeordnet ist.
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Der
Lichtsensor
5 ist ortsauflösend ausgebildet, d.h. seine
Ausgangssignale liefern eine Information darüber, in welchem Bereich seiner
lichtempfindlichen Fläche
er vom Empfangslichtbündel
beaufschlagt ist. Falls sich der Abstand D des Gegenstands
9 vom
Sensor
1 verändert, ändert sich
auch der Strahlwinkel
und
somit die Strahlablenkung A entlang der lichtempfindlichen Fläche des
Lichtsensors
5.
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Die
Ausgangssignale des Lichtsensors 5 werden über die
Sensor-Signalausgänge 6 der
Steuer- und Auswerteeinheit 7 zugeführt. Diese ist derart ausgebildet,
daß sie
unterschiedliche Ausgangssignale des Lichtsensors 5 verschiedenen
Abständen
D des Gegenstands 9 vom Sensor zuzuordnen vermag.
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Somit
entspricht der in 1 dargestellte Sensor 1 bekannten
Sensoren der im Oberbegriff des Anspruchs 1 genannten Art. Durch
Ausbildung des Lichtsensors 5 des Sensors 1 als
Mehrelement-Lichtsensor gemäß dem kennzeichnenden
Teil des Anspruchs 1 entspricht der in 1 gezeigte
Aufbau jedoch auch dem Aufbau eines neuartigen erfindungsgemäßen Sensors.
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2 zeigt
in schematischer Darstellung den Aufbau eines erfindungsgemäßen Mehrelement-Lichtsensors 5.
Der Mehrele ment-Lichtsensors 5 weist acht geradlinig benachbart
angeordnete Sensorelemente 11 auf. Zwei mit dem Bezugszeichen
Y markierte Sensorelemente 11 sind zumindest teilweise
von einem Empfangslichtbündel 10 beaufschlagt. Dieses
besitzt einen kreisförmigen
Querschnitt 12, dessen Mittelpunkt, wie bereits im Zusammenhang mit 1 beschrieben,
durch eine Strahlablenkung A von einem Ende des Lichtsensors 5 beabstandet
ist. Speziell die in 2 dargestellte Lage des Mittelpunkts
des Querschnitts 12 ist durch eine Strahlablenkung A' gekennzeichnet.
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Die
vom Empfangslichtbündel
im wesentlichen nicht beaufschlagten Sensorelemente 11 sind in 2 auf
der bezogen auf das Empfangslichtbündel einen Seite mit X, auf
der anderen Seite des Mehrelement-Lichtsensors 5 mit Z
bezeichnet. Die Bezeichnungen X, Y und Z für die Sensorelemente 11 entsprechen
einer Unterteilung des Mehrelement-Lichtsensors 5 in drei
verschiedene Sensorbereiche.
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Zwei
Möglichkeiten
des Auslesens der Sensorelemente 11 und zur Unterteilung
des Mehrelement-Lichtsensors 5 in Sensorbereiche werden
im folgenden beispielhaft anhand der 3, 4 und 5 erläutert. Dabei
wird die Verwendung des Mehrelement-Lichtsensors 5 als
Lichtsensor 5 innerhalb des in 1 dargestellten
Sensors 1 vorausgesetzt.
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3 zeigt
den Mehrelement-Lichtsensor 5 gemäß 2 sowie
schematisch Bestandteile einer Steuer- und Auswerteeinheit 7.
Jedes Sensorelement 11 des Mehrelement-Lichtsensors 5 besitzt
einen Sensor-Signalausgang 6, der jeweils mit einem Pol
eines ersten Schalter 13 und einem Pol eines zweiten Schalters 14 elektrisch
verbunden ist. Der jeweils andere Pol der ersten Schalter 13 ist
mit einer ersten parallelen Leitung 15, der jeweils andere
Pol der zweiten Schalter 14 ist mit einer zweiten parallelen
Leitung 16 verbunden. Alle Schalter 13, 14 sind weiterhin
mit einer Schaltersteuereinheit 17 verbunden.
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Die
erste parallele Leitung 15 ist dem negativen Eingang, die
zweite parallele Leitung 16 dem positiven Eingang eines
Differenzverstärkers 18 zugeführt. Das
analoge Ausgangssignal S des Differenzverstärkers 18 wird einem
Analog/Digital-Wandler 19 zugeführt. Der Ausgang des Analog/Digital-Wandlers 19 sowie
die Schaltersteuereinheit 17 sind mit einem Mikroprozessor 20 verbunden,
der einen Ausgang 21 besitzt.
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Mittels
der Schalter 13, 14 wird jeder Signalausgang 6 der
Sensorelemente 11 durch die Schaltersteuereinheit 17 wahlweise
genau einer der beiden parallelen Leitungen 15, 16 zugeschaltet.
Dadurch werden die Signale jeweils der einen der beiden parallelen
Leitungen 15, 16 zugeschalteten Sensorelemente
zu einem Summensignal aufsummiert. Da der Mehrelement-Lichtsensor 5 drei
Sensorbereiche aufweist, die in 3 gemäß 2 durch
die Markierung der Sensorelemente 11 mit den Bezeichnungen
X bzw. Y bzw. Z gekennzeichnet sind, müssen zumindest einer der beiden
Leitungen 15, 16 die Ausgangssignale der Sensorelemente
von zwei verschiedenen der drei Sensorbereiche zugeführt werden.
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Bei
der in 3 dargestellten Stellung der Schalter 13, 14 werden
also die Signale der Sensorelemente 11 der Sensorbereiche
X und Z der parallelen Leitung 15 zugeführt, und die Signale der Sensorelemente 11 des
Sensorbereichs Y der parallelen Leitung 16 zugeführt.
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Der
negative Eingang des Differenzverstärkers 18 empfängt somit
ein Signal, welches die Summe der Signale der Sensorelemente 11 sowohl
des Sensorbereichs X als auch des Sensorbereichs Z darstellt. Dementsprechend
wird dem positiven Eingang des Differenzverstärkers 18 über die
parallele Leitung 16 ein Signal zugeführt, welches aus der Summe
der Signale der Sensorelemente 11 des Sensorbereichs Y
gebildet ist.
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Falls
der Mehrelement-Lichtsensor 5 von einem Empfangslichtbündel 10 beispielsweise,
wie in 2 dargestellt, im wesentlichen nur im Sensorbereich
Y beaufschlagt wird, liefert der Differenzverstärker 18 dem Analog/Digital-Wandler 19 ein
positives Ausgangssignal S. Nach Digitalisierung durch den Analog/Digital-Wandler 19 wird
dieses Signal im Mikroprozessor 20 weiterverarbeitet, beispielsweise
um nach Vergleich des Signals mit einem Schwellwert ein Gegenstandsfeststellungssignal
an seinem Ausgang 21 zu erzeugen.
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Es
ist nun möglich,
den in 3 dargestellten Sensor 1 gemäß der Anordnung
nach 1 auf einen Bezugs-Abstand D' von Gegenständen innerhalb des Überwachungsbereichs
vom Sensor 1 zu kalibrieren. Dadurch sollen in nachfolgenden
Messungen zum Beispiel ein Vordergrund und ein Hintergrund des Überwachungsbereichs
derart ausgeblendet werden, daß der
Sensor nur auf Gegenstände
innerhalb einer dazwischen liegenden Objektzone reagiert.
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Zu
diesem Zweck ist im Überwachungsbereich
in dem gewünschten
Bezugsabstand vom Sensor
1 ein Referenzgegenstand
9' anzuordnen.
Falls der Referenzgegenstand
9' das Sendelichtbündel
8 als
Empfangslichtbündel
10 beispielsweise
unter einem Strahlwinkel
reflektiert,
der die in
2 dargestellte Beaufschlagung
des Mehrelement-Lichtsensors
5 mit dem Empfangslichtbündel
10 zur
Folge hat, ist genau die in
2 bzw.
3 dargestellte Unterteilung
der Sensorelemente
11 des Mehrelement-Lichtsensors
5 in
die Sensorbereiche X, Y und Z sinnvoll. Diese Unterteilung muß also von
der Steuer- und Auswerteeinheit
7 erkannt und als Kalibrierungseinstellung
beibehalten werden.
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Hierfür ermittelt
der Mikroprozessor 20 zunächst das Ausgangssignal eines
jeden Sensorelements 11, indem er bei über die Schaltersteuereinheit 17 erwirkten
verschiedenen Stellungen der Schalter 13, 14 das
vom Analog/Digital-Wandler 19 digitalisierte Ausgangssignal
des Differenzverstärkers 18 ermittelt
und auswertet. Nach erfolgter Auswertung weist der Mikroprozessor 20 für nachfolgende
Messungen die Schaltersteuereinheit 17 zur Einstellung der
Schalter 13, 14 in genau den Stellungen an, die in 3 dargestellt
sind und die der ebenfalls dargestellten Unterteilung der Sensorelemente 11 in
die drei Sensorbereiche X, Y und Z entsprechen. Somit liegt diese
Unterteilung des Mehrelement-Lichtsensors 5 den nachfolgenden
Messungen als Kalibrierungs-Einstellung zugrunde.
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Falls
sich nun in anschließenden
Messungen ein Gegenstand 9 in dem Bezugs-Abstand D', auf dem die vorgenommene
Kalibrierungs-Einstellung basiert, vom Sensor 1 innerhalb
des Überwachungsbereichs
befindet, ist am Differenzverstärker 18 infolge
der vorgenommenen Einstellung der Schalter 13, 14 das
größtmögliche positive
Ausgangssignal S abzulesen.
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Befindet
sich dagegen ein Gegenstand
9 in einem anderen Abstand
D vom Sensor
1 innerhalb des Überwachungsbereichs, so stellen
sich ein Strahlwinkel
und
eine Strahlablenkung A ein, die sich von den der Kalibrierungs-Einstellung
des Sensors
1 zugrunde liegenden Werten unterscheiden.
Da die Beaufschlagung des Mehrelement-Lichtsensors
5 entgegen
der Darstellung in
2 in diesem Fall nicht mehr
im wesentlichen im Sensorbereich Y erfolgt, liefert der Differenzverstärker
18,
unter Voraussetzung einer beibehaltenen Stellung der Schalter
13,
14,
ein schwächeres
positives oder ein negatives Ausgangssignal S.
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Die
Abhängigkeit
des Ausgangssignals S des Differenzverstärkers 18 von dem Abstand
D eines im Überwachungsbereich
be findlichen Gegenstands 9 vom Sensor 1 ist für die in 3 dargestellte
Stellung der Schalter 13, 14 durch den in 4a gezeigten
Verlauf 22 gegeben. Diesem Signalverlauf 22 ist
zu entnehmen, daß das
Ausgangssignal S einen maximalen Wert liefert, falls der Gegenstand 9 sich
im Bezugsabstand D' befindet
bzw. falls der Mehrelement-Lichtsensor 5 im Sensorbereich
Y vom Empfangslichtbündel 10 beaufschlagt
wird.
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Weiterhin
ist dem Signalverlauf 22 zu entnehmen, daß der Ausgang
des Differenzverstärkers 18 negative
Werte S liefert, falls der Mehrelement-Lichtsensor 5 durch
das Empfangslichtbündel deutlich
abseits der Bezugs-Strahlablenkung A' beaufschlagt wird. Zur Veranschaulichung
dieses Zusammenhangs ist in 4a die
näherungsweise Lage
der Sensorbereiche X, Y und Z angedeutet.
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4a macht
deutlich, daß im
erfindungsgemäßen Sensor
die dem Signalverlauf 22 zugrundeliegende und in 3 dargestellte
Stellung der Schalter 13, 14 auf einfache Weise
dafür verwendet
werden kann, den Vordergrund und den Hintergrund des Überwachungsbereichs
entsprechend den Sensorbereichen X bzw. Z elektronisch auszublenden.
Hierfür
liefert der Mikroprozessor 20 an seinem Ausgang 21 beispielsweise
nur dann ein Gegenstandsfeststellungssignal, wenn das Ausgangssignal
S des Differenzverstärkers 18 den
in 4a eingezeichneten Schwellwert 23 überschreitet.
Dann können
nur solche Gegenstände,
die sich in einer dem Sensorbereich Y entsprechenden Objektzone
des Überwachungsbereichs
befinden, die Auslösung
eines Gegenstandsfeststellungssignals bewirken.
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Falls
die in 3 dargestellte Stellung der Schalter 13, 14 dahingehend
geändert
wird, daß die Sensorelemente 11 der
Sensorbereiche X und Y der ersten parallelen Leitung 15 und
die Sensorelemente 11 des Sensorbereichs Z der zweiten
parallelen Leitung 16 zugeschaltet sind, bilden die Sensorbereiche X
und Y nur noch einen einzigen gemeinsamen Sensorbereich. In diesem
Fall sind die Sensorelemente 11 des Mehrelement-Lichtsensors 5 nur
noch in zwei unterscheidbare Sensorbereiche unterteilt, nämlich Sensorbereiche
X mit Y und Sensorbereich Z.
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Die
der vorstehend beschriebenen Schalterstellung entsprechende Abhängigkeit
des Ausgangssignals S des Differenzverstärkers 18 vom Abstand
D eines im Überwachungsbereich
befindlichen Gegenstands 9 vom Sensor 1 bzw. dessen
Abhängigkeit
von der dem Abstand D entsprechenden Strahlablenkung A ist dem in 4b schematisch dargestellten
Verlauf 24 zu entnehmen. Solange die Strahlablenkung A
im wesentlichen innerhalb der beiden Sensorbereiche X und Y liegt,
liefert der Differenzverstärker 18 ein
negatives Ausgangssignal S. Falls dagegen die Strahlablenkung A
im wesentlichen innerhalb des Sensorbereichs Z liegt, liefert der Differenzverstärker 18 ein
positives Ausgangssignal S. Somit kann bei dieser Schalterstellung
anhand eines Vergleichs des Signals S mit einem Schwellwert durch
den Mikroprozessor 20 auf einfache Weise eine Zone, nämlich ein
Vordergrund oder ein Hintergrund, des Überwachungsbereichs ausgeblendet werden.
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Die
durch die 4a und 4b veranschaulichten
Ausblendmöglichkeiten
beruhen allein auf Anweisungen an die Schaltersteuereinheit 17 durch
den Mikroprozessor 20. Im Mikroprozessor 20 können auf
sehr einfache Weise verschiedene Schemata von Anweisungen an die
Schaltersteuereinheit 17 abgelegt und bei Bedarf aufgerufen
werden. Somit ist die in 3 dargestellte Steuer- und Auswerteeinheit äußerst flexibel
in der Erkennung von Gegenständen 9 und
in der elektronischen Ausblendung verschiedener Zonen innerhalb
des Überwachungsbereiches.
Durch unterschiedliche Kalibrierung reagiert der Sensor auf variable
Zonen des Überwachungsbereichs,
wobei eine der speziellen Anwendung angepaßte Kalibrierung automatisiert
und rein elektronisch, ohne mechanische Einflußnahme, durchführbar ist.
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Die
in 3 dargestellte Anordnung der Steuer- und Auswerteeinheit 7 zum
Auslesen der Sensorelemente 11 und zur deren Unterteilung
in verschiedene Sensorbereiche kann auch nach dem in 5 schematisch
gezeigten Aufbau erfolgen. In dieser Anordnung sind alle Sensorelemente 11 des Mehrelement-Lichtsensors 5 über ihre
Sensor-Signalausgänge 6 mit
der Multiplex-Datenübertragungseinheit 25 verbunden.
Die Multiplex-Datenübertragungseinheit 25 ist
an einen Analog-Digital-Wandler 19 angeschlossen,
der wiederum mit einem Mikroprozessor 20 verbunden ist.
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Die
an den Sensor-Signalausgängen 6 der Sensorelemente 11 des
Mehrelement-Lichtsensors 5 anliegenden Signale werden mit
einer geeigneten Frequenz einzeln zeitlich nacheinander von der
Multiplex-Datenübertragungseinheit 25 eingelesen
und an den Analog-Digital-Wandler 19 weitergegeben. Dieser
digitalisiert jedes der Signale und gibt es in digitaler Form an
den Mikroprozessor 20 weiter.
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Somit
liegen dem Mikroprozessor 20 nach vollständig erfolgtem
Auslesen aller Sensorelemente 11 deren Signale einzeln
vor, ohne daß zu
diesem Zeitpunkt eine Aufsummierung verschiedener Signale ähnlich der
im Zusammenhang mit 3 beschriebenen Art geschehen
ist. Der Mikroprozessor 20 kann die Signale nun entweder
einzeln oder kollektiv auswerten.
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Die
Auswertung der einzelnen Signale durch den Mikroprozessor ist insbesondere
dann sinnvoll, wenn eine Kalibrierungs-Einstellung des Sensors 1 durchgeführt werden
soll. Dann kann die Auswertung, ähnlich
der im Zusammenhang mit 3 beschriebenen Art, derart
erfolgen, daß als
Ergebnis eine Unterteilung der Sensorelemente 11 in verschiedene
Sensorberei che vorliegt. Dabei entsprechen diese Sensorbereiche
wiederum Zonen innerhalb des Überwachungsbereichs,
in denen Gegenstände detektiert
oder beabsichtigt nicht detektiert werden.
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Eine
kollektive Auswertung der Signale der Sensorelemente im Mikroprozessor 20 erfolgt
insbesondere dann, wenn bereits eine Unterteilung der Sensorelemente 11 in
Sensorbereiche, Zonen des Überwachungsbereichs
entsprechend, durchgeführt ist.
In diesem Fall können
die Signale der Sensorelemente 11 der Sensorbereiche beispielsweise,
in ähnlicher
Weise wie im Zusammenhang mit 3 beschrieben,
aufsummiert werden, so daß Differenzen zwischen
den resultierenden Summenwerten gebildet und mit Schwellwerten verglichen
werden können.
Somit kann der Mikroprozessor an seinem Ausgang 21 ein
Signal liefern, das eine Aussage darüber trifft, ob ein Gegenstand
sich im Überwachungsbereich
des Sensors 1 befindet bzw. in welcher Zone des Überwachungsbereichs
sich dieser Gegenstand befindet.
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In
jedem Fall ist der Mikroprozessor 20 in der Auswertung
der Signale wiederum äußerst flexibel. Er
ist deshalb in einfacher Weise mit einer selbstadaptierender Logik
versehen, die beispielsweise eine automatische Kalibrierungs-Einstellung
unterstützt und
zeitlich langsame Änderungen
der Signale, die auf unerwünschten
Effekten beruhen, zu erkennen vermag.
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- 1
- Sensor
- 2
- Lichtsender
- 3
- Sendeoptik
- 4
- Empfangsoptik
- 5
- Lichtsensor
bzw. Mehrelement-Lichtsensor
- 6
- Sensor-Signalausgang
- 7
- Steuer-
und Auswerteeinheit
- 8
- Sendelichtbündel
- 9
- Gegenstand
- 9'
- Referenzgegenstand
- 10
- Empfangslichtbündel
- 11
- Sensorelement
- 12
- Querschnitt
des Empfangslichtbündels
- 13
- erster
Schalter
- 14
- zweiter
Schalter
- 15
- erste
parallele Leitung
- 16
- zweite
parallele Leitung
- 17
- Schaltersteuereinheit
- 18
- Differenzverstärker
- 19
- Analog/Digital-Wandler
- 20
- Mikroprozessor
- 21
- Ausgang
des Mikroprozessors
- 22
- Signalverlauf
- 23
- Schwellwert
- 24
- Signalverlauf
- 25
- Multiplex-Datenübertragungseinheit
- A
- Strahlablenkung
- A'
- Bezugs-Strahlablenkung
- α
- Strahlwinkel
- D
- Abstand
des Gegenstands 9 vom Sensor 1
- D'
- Bezugs-Abstand
- S
- Ausgangssignal
des Differenzverstärkers 18
- X,Y,Z
- Sensorbereich
