DE3214306C2 - - Google Patents

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Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Erfassen der von einem dreidimensionalen Gegenstand ausgeübten flächigen Gewichtsverteilung, die aus einer Vielzahl von über eine Fläche nach Zeilen und Spalten matrixartig verteilten und von der Oberfläche des Gegenstandes individuell beeinflußbaren Sensoren besteht, die im Multiplex-Betrieb von einer Abfrageeinheit nacheinander abfragbar sind.
Eine Vorrichtung dieser Art ist aus der Zeitschrift "Elektronik", 1979, Heft 12, Seite 11 bekannt. Bei der aus dieser Zeitschrift bekannten Einrichtung werden als Sensoren Kapazitäten verwendet, die den Druck messen, den der Gegenstand am jeweiligen Ort der Fläche auf sie ausübt. Die Kapazitäten haben bei dieser bekannten Anordnung ein gemeinsames Dielektrikum in Form einer durch die Kraftwirkung des Gegenstandes verformbaren Gummimatte. Aufgrund dieser gemeinsamen Gummimatte sind jedoch die von den einzelnen Sensorpunkten gemessenen Signale nicht unabhängig voneinander, so daß die Form einer Oberfläche eines Gegenstandes hiermit nicht feinfühlig genug erfaßt werden kann.
Daher liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Einrichtung der eingangs genannten Art zu schaffen, mit der sowohl die flächige Gewichtsverteilung als auch die Form der Oberfläche eines Gegenstandes erfaßt werden kann.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Sensoren aus Fototransistoren und Leuchtdioden gebildete Lichtschranken sind, bei denen das auf die Fototransistoren fallende Licht mit einem von der zu erfassenden Oberfläche des Gegenstandes bewegbaren Element dämpfbar ist, und daß die Leuchtdioden einer jeden Spalte in Reihe geschaltet sind und von der Abfrageeinheit diese Reihenschaltungen zyklisch an eine Konstantstromquelle anschließbar sind und daß die Fototransistoren einer jeden Zeile parallelgeschaltet über einen Arbeitswiderstand an einer Konstantspannungsquelle angeschlossen sind, wobei die einzelnen Parallelschaltungen von der Abfrageeinheit zyklisch abgefragt werden.
Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung werden aus den Unterschieden in den Auslenkungen der einzelnen, von der zu erfassenden Oberfläche des Gegenstandes bewegbaren Elemente zum einen die Erhebungen und Vertiefungen, also die Unebenheiten der aufliegenden Fläche, und zum anderen die Gewichtsverteilung festgestellt. Damit ist nicht nur eine Information über die von dem Gegenstand ausgeübte flächige Gewichtsverteilung, sondern auch über die Form der aufliegenden Fläche möglich.
Die Erfindung wird im folgenden anhand einer ein Ausführungsbeispiel darstellenden Zeichnung erläutert. Hierbei zeigt
Fig. 1 die rasterförmige Anordnung einer Sensorfläche mit den zugehörigen einzelnen Lichtschranken;
Fig. 2 eine perspektivische Darstellung eines Ausführungsbeispiels;
Fig. 3 die räumliche Anordnung der elektronischen Bauelemente bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2; und
Fig. 4 ein Blockschaltbild des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 unter Zuordnung zu den peripheren elektronischen Einrichtungen.
Das X-Y-Raster (Fig. 1) besteht in der unteren Ebene aus Lichtschranken, wie in dieser Figur schematisch dargestellt ist. Über dem flächig angeordneten Lichtschrankenraster befindet sich die in Fig. 2 dargestellte zweite Etage.
Die obere Etage besteht aus einem stabilen und feststehenden Rahmen 1, der, jeweils auf eine einzelne Lichtschranke 2 bezogen, einen Einsatz 3, 4, 5 beinhaltet. Dieser Einsatz setzt sich zusammen aus der Lichtschrankeneintauchfahne 3, dem Auflagepunkt 4, sowie dem mechanischen Element 5, in welchem Fahne 3 und Auflagepunkt 4 elastisch im Rahmen 1 gelagert sind. Die auszuwertende Kraft ist hierbei der Auflagedruck 6, der von oben senkrecht auf die Achse Auflagepunkt-Eintauchfahne 4-3 wirkt. Durch die in der Richtung der Auflagekraft elastisch wirkende Lagerung dieses Punktes 4 wird dieser proportional der auftreffenden Kraft 6 eingedrückt. Damit taucht die Fahne 3 bei einer nicht vorhandenen Kraft gar nicht und bei jeder anderen Kraft entsprechend in den Lichtschrankenspalt ein. Die Kraft 6 ist dabei natürlich nur die auf diesen Punkt wirkende Teilkraft der Gesamtkraft des Gegenstandes.
Die Erfindung beinhaltet ebenfalls die Ausführung der elektronischen Schaltung zur Messung der von einem dreidimensionalen Gegenstand ausgeübten flächigen Gewichtsverteilung. Die zu verwendenden elektronischen Bauelemente können diskret oder integriert sein.
Fig. 3 zeigt die Zusammenschaltung von Fototransistoren mit Arbeitswiderstand und Leuchtdioden, hier z. B. die fünfte Zeile und dritte Spalte des Rasters. Alle Fototransistoren 7 der einzelnen Zeilen sind mit Bassis und Kollektor jeweils zueinander parallelgeschaltet, wobei die Kollektoren der jeweiligen Zeile einen gemeinsamen Arbeitswiderstand 8 haben. Die Leuchtdioden 9 sind jeweils spaltenweise zusammengefaßt. Hier geschieht die Zusammenfassung durch Serienschaltung. Die Speisung der Leuchtdioden 9 erfolgt mit eingeprägtem Strom 10, während die Speisung der Fototransistoren 7 bzw. dem jeweiligen Zeilenarbeitswiderstand 8 mit aufgeprägter Spannung 13 realisiert wird.
Das Blockschaltbild der Verschaltung des flächenhaften Sensors mit den elektronischen Peripheriebausteinen wird am Beispiel eines 8 × 8 (x-y-Achsen)-Raster mit jeweils acht Empfindlichkeitsstufen pro einzelnen Sensorpunkt (z-Achse) erläutert. Die Ansteuerung und Abfrage des flächigen Sensors ist in Fig. 4 dargestellt.
Die Gesamtschaltung sieht so aus, daß alle Fototransistoren der Fläche 12 einschließlich aller Zeilenarbeitswiderstände 7-8 über einen gemeinsamen Anschlußpunkt 25 ständig mit Konstantspannung 13 gespeist werden. Die einzelnen Leuchtdiodenspalten 9 werden Spalte für Spalte 26 von einem Spaltenmultiplexer 14 angesteuert. Der Spaltenmultiplexer14 schaltet dabei den Strom der Konstantstromquelle 15 auf die einzelnen Spalten 9, 26. Dabei geschieht die Ansteuerung 27 des Spaltenmultiplexers 14 aufgrund des Untersetzers 16 achtmal schneller als die Ansteuerung des Zeilenmultiplexers 17 über den Ausgang 28 des Untersetzers 16. Die Umwandlung der in das jeweilige analoge elektrische Signal umgeformte punktuellen Auflagekraft in digitale serielle oder auch parallele Impulse erfolgt mittels eines A/D-Wandlers 18, der vom Untersetzer 16 ein im Vergleich zum Ausgang 28 wiederum achtmal schnelleres Taktsignal erhält. Diese Impulse des Ausgangs 19 sind die Eingangsgrößen für den Rechner 20, der in Verbindung mit dem vom Rechner ausgegebenen Grundtakt 21 und dem empfangenen Zyklustakt 22 sowie mit entsprechender Software die Auflageprofil- Auflagekraftinformation als Informationsblock mit der Aussage über die dreidimensionale Beaufschlagung des Sensors ausgibt, der computergrafisch darstellbar ist.
Der Rechner ist in der Lage, über einen Kompensationsausgang 23 die Stromquelle 15 so zu steuern, daß über eine angepaßte Änderung der Leuchtdiodenspeisung eine Kompensation der Temperaturfehler und der Alterungsdrift pauschal für alle Sensorpunkte gleichzeitig oder individuell auf jeden Abtastpunkt bezogen durchgeführt wird.
Hierzu können aus einem immer wieder zwischendurch ablaufenden Computerunterprogramm aus dem Sensor Informationen abgefragt werden, derart, daß ein im Moment der Abfrage von Daten für die Kompensation unbeaufschlagter Sensorpunkt gesteuert über die Steuerleitung 23 der Konstantstromquelle 15 diese Angabe liefert. Die Informationen können auch von allen Sensorpunkten gleichzeitig kommen. Als Meßgrößenlieferant für solche Kompensationen können auch separate, im Flächensensor unterzubringende, z. B. Temperatursensoren, dienen. Es können auch Lichtschranken verwendet werden, die aus einer Leuchtdiode und zwei Fototransistoren bestehen, wobei ein Fotottransistor nicht im Abschattungsbereich der Fahne 3 liegt. Dieser kann dann der Kompensationsgrößenerarbeitung dienen.
Der Rechner ist in sich in der Lage, über Software eine Linearisierung sowie einen selbständigen Nullabgleich durchzuführen.
Eine Anordnung aller Leuchtdioden und aller Fototransistoren auf nur einer gemeinsamen Fläche, wie dies bei Verwendung eines integrierten Schaltkreises unumgänglich ist, bewirkt, daß die Leuchtdioden ihr Licht senkrecht zur Oberfläche der integrierten Schaltung abstrahlen und daß die Fototransistoren mit Strahlung beaufschlagt werden müssen, die aus der Senkrechten dieser Fläche kommt. In einem solchen Fall kann man mit Eintauchfahnen die erfindungsgemäße Wirkung nicht erzielen. Hier ist eine Lösung unter Verwendung von Umlenkspiegeln oder Umlenkprismen praktikabel.
Eine weitere Möglichkeit der Anordnung von Leuchtdiode und Fototransistor in einem Sensorpunkt besteht darin, beide Elemente in Beaufschlagungsrichtung übereinander anzuordnen. Das Maß für die Kraft ist hier der Abstand des Lichtschrankenspaltes.
In Verbindung mit einem Lichtleiter je Sensorpunkt ist es auch möglich, Leuchtdioden und Fototransistoren in verschiedenen Bereichen des Gesamtsensors anzuordnen und den Lichtleitereintritt bzw. -austritt beweglich zu gestalten, wobei diese Möglichkeit an die Stelle der Verwendung einer Abtastfahne 3 tritt.

Claims (6)

1. Einrichtung zum Erfassen der von einem dreidimensionalen Gegenstand ausgeübten flächigen Gewichtsverteilung, bestehend aus einer Vielzahl von über eine Fläche nach Zeilen und Spalten matrixartig verteilten und von der Oberfläche des Gegenstandes individuell beeinflußbaren Sensoren, die im Multiplex-Betrieb von einer Abfrageeinheit nacheinander abfragbar sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensoren aus Fototransistoren (7) und Leuchtdioden (9) gebildete Lichtschranken sind, bei denen das auf die Fototransistoren (7) fallende Licht mit einem von der zu erfassenden Oberfläche des Gegenstandes bewegbaren Element (3) dämpfbar ist, und daß Leuchtdioden (9) einer jeden Spalte in Reihe geschaltet sind und von der Abfrageeinheit (14, 16, 17) diese Reihenschaltungen zyklisch an eine Konstantstromquelle (15) anschließbar sind und daß die Fototransistoren (7) einer jeden Zeile parallelgeschaltet über einen Arbeitswiderstand (8) an einer Konstantspannungsquelle (13) angeschlossen sind, wobei die einzelnen Parallelschaltungen von der Abfrageeinheit (14, 16, 17) zyklisch abgefragt werden.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der zu erfassenden Oberfläche des Gegenstandes bewegbare Element eine sich parallel zur Kraftrichtung des Gegenstandes erstreckende Fahne (3) ist, die kraftabhängig in den Bereich der senkrecht zu dieser Kraftrichtung angeordneten Lichtschranke eintaucht.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der zu erfassenden Oberfläche des Gegenstandes bewegbare Element eine Fotodiode oder ein Fotottransistor ist, die bzw. der mit dem Fototransistor (7) eine sich parallel zur Kraftrichtung des Gegenstandes erstreckende Lichtschranke mit kraftabhängig veränderlichem Abstand bildet.
4. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das von der zu erfassenden Oberfläche des Gegenstandes bewegbare Element eine von einer Leuchtdiode gespeiste Lichtleitfaser ist, deren Spitze mit dem Fototransistor (7) eine sich parallel zur Kraftrichtung des Gegenstandes erstreckende Lichtschranke mit kraftabhängig veränderlichem Abstand bildet.
5. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abfrageeinheit aus einem Spaltenmultiplexer (14) zur Ansteuerung der Leuchtdiode (9) und einem Zeilenmultiplexer (17) zur Ansteuerung der Fototransistoren (7), die jeweils von den Ausgängen eines den Takt eines Rechners (20) herunterteilenden Untersetzers (16) getaktet werden, sowie einem Analog-Digitalwandler (18) besteht, deren Ausgangssignal einer den Meßwerten der individuellen Sensoren entsprechenden seriellen oder parallelen Impulsfolge entspricht, die im Rechner (20) weiterverarbeitet wird.
6. Einrichtung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Konstantstromquelle (15) vom Ausgang (23) des Rechners (20) angesteuert wird, wobei der Rechner (20) eine Korrektureinheit aufweist, die mittels ihr von Eichsensoren zuführbaren Signalen eine Änderung in der Umgebungstemperatur der Einrichtung kompensierende Ansteuerung der Konstantstromquelle (15) bewirkt, wobei die Eichsensoren bei bekannter Temperatur mit einer bekannten Kraft beaufschlagbar sind.
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