DE3530011A1 - Verfahren und vorrichtung zur verbesserung der genauigkeit von messlichtschranken - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Verbesserung der Genauigkeit von Meßlichtschranken.

Meßlichtschranken werden beispielsweise zur Feststellung der Größe eines in den Strahlengang hineinragenden Objekts verwendet. Es kann sich dabei um eine Materialbahn handeln, deren Randlage gegenüber einer vorgege­ benen Bezugslage erfaßt werden soll. Vielfach werden derartige Meßlicht­ schranken als Istwertgeber innerhaIb eines Regelkreises für die Positio­ nierung einer laufenden Materialbahn eingesetzt. Die Amplitude des empfangenen Signals ist dabei ein Maß für den vom Objekt abgeschatteten Teils des Querschnitts des Strahlengangs der Meßlichtschranke.

Der Empfänger der jeweiligen Meßlichtschranke ist auch Störlicht ausge­ setzt, durch das Meßfehler hervorgerufen werden können. Je nach der Intensität des Störlichts gegenüber der Intensität der vom Sender erzeugten Strahlung wird hierbei unter Umständen ein für Meßzwecke nicht mehr geeignetes Ausgangssignal am Empfänger hervorgerufen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung für Meßlichtschranken zu entwickeln, mit denen auch bei großem Störlichteinfluß im Vergleich mit dem vom Sender erzeugten Nutzlicht eine hohe Meßgenauigkeit erreicht werden kann.

Diese Aufgabe wird für das Verfahren erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 beschriebenen Maßnahmen gelöst. Mit dem im Anspruch 1 angegebenen Verfahren ist es auf einfache Weise möglich, den Störlicht­ einfluß festzustellen und aus dem weiterzuverarbeitenden Signal zu ent­ fernen. Die Lichtimpulse können von so kurzer Dauer sein, daß sich der Störlichtpegel während der Impulsdauer praktisch nicht ändert. Der Einfluß des Störlichts auf das nach der Subtraktion erhaltene Signal ist deshalb vernachlässigbar.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform werden die kurz vor einem Sende­ lichtimpuls, bei einem Sendelichtimpuls und kurz nach einem Sendelicht­ impuls empfangenen Signale gespeichert, wobei der Mittelwert der kurz vor und kurz nach einem Sendelichtimpuls empfangenen Signale gebildet und von dem bei einem Sendelichtimpuls empfangenen Signal subtrahiert wird. Mit diesem Verfahren kann die Größe des empfangenen Nutzlichtimpulses genauer festgestellt werden. Insbesondere wird die Genauigkeit bei grö­ ßeren Sendeimpulsbreiten verbessert. Aufgrund der Bildung des arithme­ tischen Mittelwerts wird der störende Einfluß von Störlichtschwankungen während der Dauer des Sendeimpulses weitgehend beseitigt. Es findet dabei eine Art lineare Interpolation statt.

Die Aufgabe wird mit einer Vorrichtung erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei geringfügig gegeneinander phasenverschobene Taktimpulsfolgen erzeugt werden, von denen die zweite den Sender der Meßlichtschranke beaufschlagt, daß die Impulse der ersten Taktimpulsfolge die Speicherung des Ausgangssignalwerts des Empfängers in einer ersten Abtast- und Halteschaltung und die Impulse der zweiten Taktimpulsfolge die Speiche­ rung der Ausgangssignalwerte des Empfängers in einer zweiten Abtast- und Halteschaltung auslösen und daß die Ausgänge der Abtast- und Halte­ schaltungen an eine Subtrahierschaltung angeschlossen sind. Mit geringem schaltungstechnischem Aufwand wird mit dieser Anordnung ein vom Stör­ lichteinfluß unabhängiges Ausgangssignal erzeugt, dessen Amplitude ein Maß für den vom Meßobjekt eingenommenen Teil des Querschnitts des Strahlengangs der Meßlichtschranke ist.

Eine hohe Genauigkeit auch bei längeren Taktimpulsen läßt sich mit der im Anspruch 4 beschriebenen Vorrichtung erreichen. Bei dieser Vorrichtung wird der Einfluß von Schwankungen des Störlichts im Verlauf des Sende­ impulses zum größten Teil ausgeglichen.

Vorzugsweise ist ein die erste Taktimpulsfolge erzeugender Taktgenerator vorgesehen, dem ein zeitverzögertes Monoflop zur Erzeugung der zweiten Taktimpulsfolge nachgeschaltet ist. Es reicht somit aus, für die erste Taktimpulsfolge einen Generator mit entsprechendem Aufwand für die Einhaltung der Frequenz vorzusehen. Die zweite Taktimpulsfolge wird mit einfachen Mitteln synchron zu der ersten Taktimpulsfolge hervorgerufen.

Die Taktimpulsfolgen können auch mit einem von einem Taktgenerator zyklich fortschaltbaren Ringzähler erzeugt werden, der an Ausgängen seiner Ringzählerstufen Taktimpulsfolgen ausgibt. Die Anzahl der Ringzählerstufen legt auch in Verbindung mit der Frequenz des Taktgebers die Periode der Taktimpulsfolgen fest.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Ansprü­ chen 6 und 8 bis 12 beschrieben.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von in einer Zeichnung darge­ stellten Ausführungsbeispielen näher beschrieben, aus denen sich weitere Merkmale sowie Vorteile ergeben.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Schaltbild einer Anordnung zur Verbesserung der Genauig­ keit von Meßlichtschranken,

Fig. 2 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Spannungen und Strömen der Anordnung gemäß Fig. 1,

Fig. 3 ein Schaltbild einer anderen Anordnung zur Verbesserung der Genauigkeit von Meßlichtschranken,

Fig. 4 ein Schaltbild einer dritten Anordnung zur Verbesserung der Genauigkeit von Meßlichtschranken,

Fig. 5 eine vierte Anordnung zur Verbesserung der Genauigkeit von Meßlichtschranken,

Fig. 6 ein Diagramm des zeitlichen Verlaufs von Spannungen und Strömen der Anordnung gemäß Fig. 5.

Eine Meßlichtschranke 1 enthält einen Sender 2 und einen Empfänger 3 für vorzugsweise sichtbare Strahlen. Bei dem Sender 2 handelt es sich z. B. um eine Lumineszenzdiode, während der Empfänger eine Photozelle, eine Photodiode oder ein Phototransistor sein kann.

Der Sender 2 ist mit dem Ausgang einer monostabilen Kippstufe 4 ver­ bunden. Der Eingang der monostabilen Kippstufe 4 ist an einen Takt­ generator 5 angeschlossen.

Der Ausgang des Empfängers 3 ist über eine nicht dargestellte Impuls­ verstärkerstufe mit einer ersten und einer zweiten Abtast- und Halteschal­ tung 6, 7 verbunden. Die erste Abtast- und Halteschaltung 6 wird durch den Taktgenerator 5 gesteuert. Die zweite Abtast- und Halteschaltung 7 wird durch das Monoflop 4 gesteuert. Der Ausgang der Abtast- und Halte­ schaltung 7 steht mit dem Minuendeneingang einer Subtrahierschaltung 8 in Verbindung, deren Subtrahendeneingang an die erste Abtast- und Halte­ schaltung 6 angeschlossen ist. An den Ausgang der Subtrahierschaltung 8 ist ein Tiefpaßfilter 9 angeschlossen.

Der Taktgenerator 5 erzeugt die erste Taktimpulsfolge mit Rechteck­ impulsen 10. Die erste Taktimpulsfolge hat eine in etwa gleichbleibende Frequenz. Je nach Bedarf kann auch eine ImpulsfoIge mit stabiler Frequenz z. B. mit Hilfe eines Quarzoszillators erzeugt werden. Die Impulse 10 stoßen die monostabile Kippstufe 4 an, die auf die Rückflanke jedes Impulses 10 hin einen Impuls 11 abgibt. Am Ausgang der monostabilen Kippstufe 4 steht daher die zweite Impulsfolge zur Verfügung. Die Impulse 11 haben gegen die Impulse 10 eine geringe Phasenverschiebung, die vorzugsweise der Impulsdauer der Impulse 10 entspricht.

Es sei angenommen, daß auf den Empfänger 3 ein Störlicht einwirkt, das den in Fig. 2 mit 12 bezeichneten Verlauf hat. Ein derartiger Verlauf kann z. B. durch eine Gasentladungslampe erzeugt werden, die Licht mit 100 Hz abstrahlt. Der Sender 2 gibt entsprechend der zweiten Impulsfolge Lichtimpulse ab, die im Empfänger 3 als dem Störlicht überlagerte Impulse 13 feststellbar sind.

Mit Hilfe der Impulse 10 wird jeweils das Ausgangssignal des Empfängers 3 in der Abtast- und Halteschaltung 6 gespeichert. Die entsprechenden Signalwerte 14, 15, 16 sind in Fig. 2 dargestellt. Die Impulse 11, die im wesentlichen gleichzeitig mit den Impulsen 13 auftreten, veranlassen das Speichern der Ausgangssignale des Empfängers 3 zu den Zeitpunkten, an denen die Impulse 13 dem Störlicht überlagert sind. Die entsprechenden Werte der Ausgangssignale 17, 18, 19 sind ebenfalls in Fig. 2 dargestellt.

Während die Werte 14, 15, 16 dem Störlicht zum jeweiligen Abtastzeitpunkt entsprechen, enthalten die Werte 17, 18, 19 sowohl den Anteil des Stör­ lichts als auch den auf die Sendeimpulse 11 zurückgehenden Anteil des empfangenen Lichts. In der Subtrahierschaltung 8 werden die Wertpaare 17, 14; 18, 15 und 19, 16 voneinander subtrahiert. Das Ergebnis ist ein analoges Signal 20, dessen Pegel dem Pegel der Impulse 13 ohne Störlicht propor­ tional ist. Durch die Phasenverschiebung zwischen den Impulsen 10, 11 treten im Signal 20 kurze Impulse 21 auf, die mit dem Filter 9 unterdrückt werden. Am Ausgang des Filters 9 steht daher ein analoges Signal 22 zur Verfügung, dessen Pegel der Meßwert ist, der mit der Meßlichtschranke 1 festgestellt wird. Dieser Meßwert ist weitgehend unabhängig vom Störlicht.

Die Meßlichtschrankte 1 wird vorzugsweise zur Feststellung der Position einer laufenden Materialbahn verwendet, die zumindest mit einem Rand im optisch wirksamen Strahlenbündel hindurchbewegt wird. Die Meßlicht­ schranke 1 kann eine Einweg- oder Reflexlichtschranke sein.

Die Fig. 3 zeigt insbesondere ein Schaltbild einer Anordnung zur Erzeugung von Taktimpulsfolgen.

Ein Ringzähler 23 enthält eine Reihe von Ringzählerstufen 24, 25, 26, 27, 28, 29, die zu einem Ring verbunden sind. Die Schiebetakteingänge der Ringzählerstufen 24 bis 29 sind jeweils mit einem Taktgenerator 30 ver­ bunden. Im Ringzähler 23 wird ein bestimmter Wert, z. B. eine binäre "1", mit jedem Taktimpuls von Ringzählerstufe zu Ringzählerstufe weiterge­ schaltet. An den Ausgängen der Ringzählerstufen 24 bis 29 treten daher Taktimpulsfolgen auf, deren Periode durch die Anzahl der Ringzählerstufen und die Periode der Impulse des Taktgenerators 30 bestimmt ist. Die Periode der Taktimpulsfolgen ist das Produkt aus der Anzahl der Ringzähler­ stufen und der Periode der Impulse des Taktgenerators 30.

Die Ausgänge zweier benachbarter Ringzählerstufen, z. B. der Ringzähler­ stufen 25 und 26, sind jeweils mit der ersten und der zweiten Abtast- und Halteschaltung 6 und 7 verbunden. Falls noch weitere Taktimpulsfolgen benötigt werden, wie bei der nachfolgend noch erläuterten Anordnung, können an anderen Ringzählerstufen entsprechende Taktimpulsfolgen abge­ griffen werden. Die Ringzählerstufe 26 ist ausgangsseitig auch an den Sender 2 angeschlossen. Die übrigen Schaltungsteile der Anordnung gemäß Fig. 3 stimmen mit der in Fig. 1 dargestellten Anordnung überein, so daß sich eine eingehendere Beschreibung erübrigt.

Bei der in Fig. 4 dargestellten Anordnung ist eine zusätzliche Abtast- und Halteschaltung 31 vorgesehen, die mit einem ODER-Glied 32 gesteuert wird, das mit je einem Eingang an den Ausgang des Taktgenerators 5 und den Ausgang des Monoflops 4 angeschlossen ist. Die Abtast- und Halte­ schaltung 31 ist mit dem Ausgang der Subtrahierschaltung 8 verbunden.

Die übrigen Teile der Anordnung gemäß Fig. 4 entsprechen der in Fig. 1 dargestellten Schaltung. Der aus dem ODER-Glied 32 und der Abtast- und Halteschaltung 31 bestehende Teil ersetzt den in Fig. 1 dargestellten Tiefpaß 9.

Die in Fig. 5 dargestellte Anordnung unterscheidet sich von der in Fig. 1 gezeigten Anordnung durch eine dritte Abtast- und Halteschaltung 33, ein weiteres Monoflop 34, eine Addierschaltung 35 und eine Dividierschal­ tung 36. Das Monoflop 34 ist an den Ausgang des Monoflops 4 angeschlos­ sen und wird mit der Rückflanke des Ausgangsimpulses des Monoflops 4 getriggert. Das Monoflop 34 steuert über seinen Ausgang die dritte Abtast- und Halteschaltung 33, die eingangsseitig an den Empfänger 3 angeschlossen ist. Die beiden Abtast- und Halteschaltungen 6 und 33 sind mit der Summierschaltung 35 verbunden, der die Dividierschaltung 36 nachgeschaltet ist, die durch den Faktor 2 dividiert. Die Dividierschaltung 36 speist den Subtrahendeneingang der Subtrahierschaltung 8, deren Minuendeneingang mit der Abtast- und Halteschaltung 7 verbunden ist.

Die Übernahme der Speicherwerte in die Abtast- und Halteschaltungen 6, 7, 33 erfolgt beispielsweise mit Rückflanken der an die Steuereingänge angelegten Impulse. Bei drei, je von dem Taktgeber 5 und den Monoflops 4 und 34 erzeugten, gegeneinander phasenverschobenen Taktimpulsfolgen 37, 38, 39 werden bei einer auf Störlicht zurückgehenden Empfängerspannung 40 jeweils drei Spannungsamplituden 41, 42, 43 in den Abtast- und Halte­ schaltungen 6, 7 und 33 gespeichert. Die Amplituden 41 und 43 werden addiert. Anschließend wird der arithmetische Mittelwert der Summe der Amplituden 41, 43 von der Amplitude 42 subtrahiert. Die in Fig. 5 darge­ stellte Anordnung eignet sich für solche Anwendungsfälle, bei denen sich während der Dauer des Sendeimpulses stärkere Änderungen des Störlichts ergeben.

Mit der in Fig. 5 gezeigten Anordnung wird die sich hieraus ergebende Ungenauigkeit verringert. Es wird dabei ein linear interpolierter Störlichtwert aus den vor und nach dem Sendeimpuls gemessenen Störlichtwerten gebildet.

Die Taktimpulsfolgen für die Steuereingänge der Abtast- und Halteschal­ tungen 6, 7, und 33 können auch mit dem in Fig. 3 dargestellten Ringzäh­ ler 23 erzeugt werden. In diesem Fall wird der Ausgang der Ringzähler­ stufe 27 mit dem Steuereingang der Abtast- und Halteschaltung 33 ver­ bunden, während die Abtast- und Halteschaltungen 6 und 7 mit ihren Steuereingängen an die Ringzählerstufen 25 und 26 angeschlossen sind.

Der Sendeimpuls kann zweckmäßigerweise eine Dauer von 50 µs haben.

Claims (12)

1. Verfahren zur Verbesserung der Genauigkeit von Meßlichtschranken, dadurch gekennzeichnet, daß für die Messung Lichtimpulse erzeugt werden und daß die kurz vor und bei einem Sendelichtimpuls empfangenen Signale gespeichert und anschließend voneinander subtrahiert werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die kurz vor einem, bei einem und kurz nach einem Sende­ lichtimpuls empfangenen Signale gespeichert werden und daß der Mittel­ wert der kurz vor und kurz nach einem Sendelichtimpuls empfangenen Signale gebildet und von dem bei einem Sendelichtimpuls empfangenen Signal subtrahiert wird.

3. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei geringfügig gegeneinander phasenverschobene Taktimpulsfolgen erzeugt werden, von denen die zweite den Sender (2) der Meßlicht­ schranke (1) beaufschlagt, daß die Impulse (10) der ersten Taktimpuls­ folge die Speicherung der Ausgangssignalwerte (14, 15, 16) des Emp­ fängers (3) in einer ersten Abtast- und Halteschaltung (6) und die Impulse (11) der zweiten Taktimpulsfolge die Speicherung der Ausgangs­ signalwerte (17, 18, 19) in einer zweiten Abtast- und Halteschaltung (7) auslösen und daß die Ausgänge der Abtast- und Halteschaltungen (6, 7) an eine Subtrahierschaltung (8) angeschlossen sind.

4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß drei jeweils geringfügig gegeneinander phasenverschobene Taktim­ pulsfolgen (37, 38, 39) erzeugt werden, von denen die zweite den Sender (2) der Meßlichtschranke (1) beaufschlagt, daß die Impulse der ersten Taktimpulsfolge (37) die Speicherung der Ausgangssignalwerte des Empfängers (3) in einer ersten Abtast- und Halteschaltung (6), die Impulse der zweiten Taktimpulsfolge (38) die Speicherung der Aus­ gangssignalwerte in einer zweiten Abtast- und Halteschaltung (7) und die Impulse der dritten Taktimpulsfolge (39) die Speicherung der Aus­ gangssignalwerte in einer dritten Abtast- und Halteschaltung (33) auslösen, daß die Ausgänge der ersten und dritten Abtast- und Halte­ schaltung (6, 33) an eine Summierschaltung (35) angeschlossen sind, die über eine Dividierschaltung (36) mit dem Subtrahendeneingang einer Subtrahierschaltung (8) verbunden ist, deren Minuendeneingang an die zweite Abtast- und Halteschaltung (7) angeschlossen ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein die erste Taktimpulsfolge erzeugender Taktgenerator (5) vorge­ sehen ist, dem ein erstes zeitverzögertes Monoflop (4) nachgeschaltet ist, das von der Rückflanke jedes ersten Taktimpulses getriggert wird und die zweite Taktimpulsfolge erzeugt.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß dem ersten zeitverzögerten Monoflop (4) ein zweites Monoflop (34) nachgeschaltet ist, das von der Rückflanke jedes Impulses des ersten Monoflops (4) getriggert wird und die dritte Taktimpulsfolge (39) erzeugt.

7. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß ein von einem Taktgenerator (30) zyklisch fortschaltbarer Ring­ zähler (23) vorgesehen ist, der an Ausgängen von Ringzählerstufen (25, 26, 27) die dritte und/oder die erste und zweite Taktimpulsfolge (39, 37, 38) erzeugt.

8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an die Subtrahierschaltung (8) eine weitere Abtast- und Halte­ schaltung (31) angeschlossen ist, die durch die ODER-Verknüpfung (32) der Signale der dritten und/oder der ersten und zweiten Taktimpulsfol­ ge (39, 37, 38) steuerbar ist.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß an die Subtrahierschaltung (8) ein Tiefpaß (9) angeschlossen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Taktimpulsfolge hochfrequent ist.

11. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (2) und der Empfänger (3) für sichtbare Strahlung ausgelegt sind.

12. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder einem der folgenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die Verwendung zur Messung der Position einer laufenden Materialbahn.