DE3535100A1 - Multifunktionssensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Multifunktionssensor zur elektro­ nischen Erfassung des ortsabhängigen Durchlaufes eines trans­ latorisch bewegten Objektes, beruhend auf der elektronischen Auswertung des Dopplereffektes, der Laufzeitmessung für Schall- oder elektromagnetische Wellen, der Lichtstrahlbrechung oder Lichtreflexion, wobei mindestens ein Sensor für den Objekt­ einlauf und ein Sensor für den Objektauslauf eingesetzt ist.

Die Objekterfassung wird heute in vielen Anwendungen dazu be­ nutzt, um automatische Steuerungsvorgänge auszulösen. In der Regel wird hierzu ein physikalischer Effekt elektronisch ausge­ wertet und daraus ein geeigneter elektrischer Steuerimpuls ge­ leitet. Einfache Anwendungen sind z. B. das Öffnen eines Schlag­ baumes durch Unterbrechung eines vor dieser Schranke fest in­ stallierten Lichtstrahles. Es werden z. B. auch vor Toren oder Türen schräg nach unten gerichtete Infrarot- oder Ultraschall- Signale benutzt, um bei deren Reflexion ein Schaltsignal für die Toröffnung auszulösen. Es können auch selektive Verfahren einge­ setzt werden, die ausschließlich auf Metalle ansprechen, und nur dann einen Schaltimpuls abgeben, wenn sich z. B. ein Transport­ fahrzeug über eine induktive Schleife hinweg bewegt.

Zur Geschwindigkeitserfassung werden heute z. B. Lichtschranken eingesetzt. Wo dies nicht möglich ist, finden die Auswertung des Dopplereffektes bei Ultraschall, der Phasenlaufzeit bei Laser­ strahlen oder der Dopplereffekt bei Mikrowellen Anwendung.

Für definierte Arbeits- und Installationsbedingungen arbeiten die angeführten Verfahren zuverlässig. Im rauhen Industrieeinsatz, oder im Außenbereich treten jedoch oft erhebliche Verfälschungen der Meßwerte durch die Umweltbedingungen, wie z. B. Einflüsse durch Temperaturschwankungen, Feuchtigkeit, Vibration, Wasserdampf, oder Hintergrundstörungen durch Drittobjekte auf.

Aufgabe der Erfindung war es daher, einen Sensor für den rauhen Industrieeinsatz anzugeben. Wegen der beengten Verhältnisse in vielen Industrieanlagen sollte es möglich sein, den Sensor nur an einem Ort oberhalb oder seitlich der Transportbahn zu montieren. Es sollte ferner neben einer eindeutigen Objekterfassung möglich sein, die Objektgeschwindigkeit zu bestimmen, und die Dimensionen des Objektes abzuschätzen. Der Sensor sollte ferner so aufgebaut sein, daß ein minimaler elektronischer Abgleichaufwand erforder­ lich war, und daß die Kosten für den Sensor niedrig gehalten werden könnten.

Erfindungsgemäß ist der Sensor so ausgebildet, daß zwei iden­ tische Sensorsysteme in einem Winkel von vorzugsweise 45° zuein­ ander montiert sind. In einer Ausführung besteht je ein Sensor­ system aus einem Infrarot-Lichtsender und einem Infrarot-Licht­ empfänger. Das gesamte System wird in einem definierten Abstand oberhalb der Transportbahn montiert, in der Weise, daß jeder durch eine Optik fokussierte Lichtstrahl die Transportbahn trifft. Wegen der winkligen Anordnung der beiden Sendestrahlen zueinander, ergibt sich auf der Transportbahn ein definierter Abstand zwischen beiden Trefferpunkten der Lichtflecken. Ein Objekt, welches sich entlang der durch die beiden Lichtflecken markierten Meßstrecke bewegt, unterbricht zuerst den ersten Lichtstrahl und danach den zweiten. Diese Strahlunterbrechung wird durch den jedem Licht­ sender zugeordneten Lichtempfänger erfaßt und zu einem Schaltim­ puls gewandelt. Auf diese Weise kann die Intervallzeit zwischen beiden elektrischen Impulsen gemessen werden. Weil die Wegstrecke durch die Geometrie eindeutig definiert ist, läßt sich auch ein­ deutig die Objektgeschwindigkeit ableiten.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung wird der Lichtpunkt durch eine geeignete Optik in ein Lichtband, welches senkrecht zur Transportbahn läuft, gewandelt, so daß jedes Objekt, das auf der ganzen Breite des Transportbandes entlangläuft, erfaßt werden kann. Ein wesentliches Problem dieser Meßtechnik besteht nun darin, daß die Reflexionseigenschaften, sowohl des Transport­ weges, wie auch der Transportobjekte, sehr unterschiedlich sein können. Dies kann dazu führen, daß durch Objektreflexion oder Ab­ sorbtion der Meßeffekt gestört wird. Erfindungsgemäß wird diese Schwierigkeit dadurch beseitigt, daß die Sendeenergie jedes Sen­ sors so geregelt ist, daß eine gerade hinreichende Empfangs­ energie vorliegt. Dieser Regelkreis wird den Umweltbedingungen entsprechend langsam mit einer großen Zeitkonstante nachgeregelt. Bewegte Objekte ändern nun in eindeutiger Weise die jetzt stabi­ lisierte Lichtstrecke. Für jeden Sensor und für jedes Objekt ergibt sich dann ein Reflexionsmuster, welches für den gesamten Durchlauf des Objektes durch den Strahlungsbereich typisch ist. Um bei einem häufigen Objektdurchlauf die Werte für den langsamen Regelkreis nicht zu verfälschen, wird die Nachregelung während eines Objektdurchlaufes abgeschaltet. Für jedes Durchlaufobjekt verschiedener Höhe, ergibt sich nun eine charakteristisches Re­ flexionsmuster. Wesentlich für die Funktion des erfindungsgemäßen Systems ist es nun, daß beide Reflexionsmuster miteinander ver­ glichen werden. Eine hinreichende Meßgenauigkeit ist nämlich nur zu erreichen, wenn die Meßzeit zwischen beiden Lichtbändern in­ variant gegenüber Formvariationen insbesondere der Höhe der ver­ schiedenen Objekte ist. Während für definierte Objekte diese In­ varianzforderung erfüllbar ist, wenn z. B. bei schwankender Objekt­ höhe die Objektlänge konstant gehalten wird, und unter diesen Be­ dingungen das elektrische Signal für den Objekteinlauf und für den Objektauslauf herangezogen wird, muß erfindungsgemäß zur Er­ fassung aller Formvarianten ein dritter Sensor, der genau senk­ recht nach unten gerichtet ist, angewendet werden. Dieser Sensor kann höhenunabhängig die Objektdurchlaufzeit für die Objektlänge bestimmen. Wird dieser Sensor nicht auf Infrarotbasis sondern als Ultraschallgeber ausgeführt, kann neben der Durchlaufzeit auch noch die Objekthöhe, d. h. das Höhenprofil des durchlaufenden Ob­ jektes, erfaßt werden. Auf diese Weise kann auch die richtige Lage in der Durchlaufebene für das Objekt bestimmt werden.

In einer weiteren Ausbildung der Erfindung kann der Eintrittsbe­ reich in das senkrecht zum Transportweg verlaufende Lichtband dadurch präziser ausgebildet werden, daß der Detektor als Diffe­ rentialempfänger in der Weise ausgebildet ist, daß bei gepulstem Lichtstrahl jeweils eine Fotodiode einer Diodenmatrixanordnung eingeschaltet ist. Dadurch kann eine Phasenvergleichsschaltung angewendet werden, die das Lichtband genau in Längsrichtung in zwei Empfangsbereiche aufspaltet. Dies hat zur Folge, daß beim Durchtritt eines Objektes durch das Lichtband eine Meßspannung abgeleitet werden kann, die einen ortsfesten Vorzeichenwechsel aufweist, d. h., beim Nulldurchgang des elektrischen Signals kann ein präziser Impuls abgeleitet werden, der eindeutig den Beginn der Meßstrecke festlegt. Dieses Phasenvergleichsverfahren ermög­ licht auch eine eindeutige Richtungserkennung, so daß das System auch eingesetzt werden kann, um Stoppsignale bei falscher Be­ wegungsrichtung zu setzen oder auszulösen. Die oben geschilderte Methode der Präzisierung des Nulldurchgangs vermittels einer Phasenvergleichsschaltung kann im Prinzip auch durch zwei im Ab­ strahlwinkel verschobene Ultraschallsensoren realisiert werden. Ein solches System läßt sich dadurch weiter optimieren, daß zwei verschiedene Sendefrequenzen angewendet werden. Voraussetzung für solche Phasenvergleichsverfahren ist aber immer, daß bei dem gewählten Meßsystem eine schnelle Phasenumschaltung zulässig ist.

Die beiden winklig zueinander angeordneten lichtbanderzeugenden Sensoren können erfindungsgemäß auch durch Ultraschallsensoren ersetzt werden, die den Dopplereffekt des sich annähernden und sich wieder entfernenden Objektes ausnutzen. In diesem Fall ist keine definierte Meßstrecke und damit auch keine definierte Durchlaufzeit erforderlich, um die Geschwindigkeit zu bestimmen. Durch Fehlervergleich der erhöhten entgegenkommenden und er­ niedrigten sich entfernenden Dopplerfrequenz läßt sich die Meß­ genauigkeit erheblich verbessern. Eine zusätzliche Aussage über das Objektprofil ist nur über einen senkrecht nach unten ge­ richteten Sensor möglich. Die genaue Objektlänge kann dann auf Grund der aus der Dopplerverschiebung errechneten Geschwindig­ keit und der Durchlaufzeit unter dem senkrecht nach unten strahlenden Sensor erfaßt werden. Für hohe Formgenauigkeit ist für diese senkrechte Strecke insbesondere eine Entfernungs­ messung mit Hilfe einer Laseranordnung geeignet. In einer solchen Anordnung würden insbesondere Laufzeitdifferenzen des Laserlichtes zur Anwendung kommen.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher er­ läutert.

In einem zylinderförmigen Rohr (1) ist ein Linsenfiltersystem (1 a), ein optoelektrischer Wandler (1 b) und eine Auswertungs­ elektronik (1 c) untergebracht. Die Abschnitte 1 c und 1 b sind vollgießharzvergossen. Die einzelnen Teile sind vermittels eines Gewinde zusammenschraubbar ausgeführt. Jede Sensoreinheit be­ steht aus einem Infrarotsender (1) und einem Infrarot-Empfänger (2), wobei in der Ansicht von oben die Sensoreinheit 1, 2 und die Sensoreinheit 3, 4 in entgegengesetzte Richtungen zeigen. Die Sensoreinheiten 1-4 sind mechanisch fest mit einem Tragerohr (6) verbunden. Alle Sensoreinheiten 1-4 sind erforderlichenfalls in einem gemeinsamen Gehäuse (7) untergebracht. In der seitlichen Ansicht umschließen die Einheiten 1 und 3 einen Winkel von 90°, der durch die Aufhängung am Trägerrohr (6) erforderlichenfalls geändert werden kann. Diese mechanische Anordnung würde für eine Ultraschall- oder Laseranwendung entsprechend ausgeführt werden.

Bild 4 zeigt den Funktionsaufbau mit den entsprechenden Zeitver­ läufen für die elektrischen Signale. An der gemeinsamen Auf­ hängung (6) sind die Sensoren 1, 2, 5 befestigt. Der Sensor 1 mar­ kiert an seinem Auftrefferpunkt auf dem Transportweg (8) den Einlaufbereich, der Sensor 2 entsprechend an dem Punkt 9 den Aus­ laufbereich für das bewegte Objekt. Die Gesamtdurchlaufzeit, die unabhängig von Höhenänderungen ist, ist die Zeit TQ. Das Re­ flexionsprofil am Einlaufpunkt (8) ist durch die Zeit T 1 für die Höhe H 1 gekennzeichnet. Entsprechend ergibt sich ein Reflexions­ profil (T 2) für den Auslaufpunkt (9). Das Höhenprofil wird durch den Sensor 5 aufgezeichnet, die Durchlaufzeit ist durch T 3 ge­ kennzeichnet.

Bild 5 zeigt eine Anwendung nach dem Phasenvergleichsverfahren. Die Sensoren 1, 2 sind oberhalb des Transportweges und in einem Winkel von 90° zueinander angeordnet. Der Empfangsbereich jedes Sensors ist durch einen Differentialempfänger in zwei Bereiche (10, 11) aufgespalten. Dem Empfangsbereich (10) wird eine posi­ tive, dem Empfangsbereich (11) eine negative Amplitude zugeord­ net (12). Auf diese Weise ergibt sich ein eindeutiger Nulldurch­ gang des Meßsignals.

Bild 6 zeigt das von einem winklig angeordneten Sensor auf dem Transportweg erzeugtes Reflexionsstreufeld. Hierbei ist wesent­ lich, daß die verbreitete Annahme, daß bei einer solchen Anord­ nung kein Licht in den Empfänger zurück reflektiert werden könne, falsch ist. Richtig ist dagegen, daß die rückgestreute Amplitude kleiner ist, als die in der Hauptreflexionsrichtung bei diesen Winkelverhältnissen.

Das vorhergehend beschriebene Meßverfahren ist nicht nur für An­ wendungen im industriellen Bereich für die Überwachung von Transportgütern geeignet, sondern kann ebenso im Straßenverkehr und ähnlich gearteten Anwendungsfällen eingesetzt werden. So ist die Anordnung z. B. auch geeignet, die Funktion einer Alarmanlage zu erfüllen.

Claims (7)

1. Multifunktionssensor zur elektronischen Erfassung des ortsab­ hängigen Durchlaufes eines translatorisch bewegten Objektes, be­ ruhend auf der elektronischen Auswertung des Dopplereffektes der Laufzeitmessung für Schall- oder elektromagnetische Wellen, der Lichtstrahlunterbrechung oder der Lichtreflektion, wobei mindestens ein Sensor für den Objekteinlauf und ein Sensor für den Objektauslauf eingesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor für den Objekteinlauf und der Sensor für den Objektauslauf fest miteinander verbunden sind und in einem festen Winkel zuein­ ander montiert sind.

2. Multifunktionssensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei Sensoren einen Winkel von 90° zueinander aufweisen.

3. Multifunktionssensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß je ein Sensor aus einem parallel ausgerichteten Doppelrohr- oder Mehrfachrohrsystem aufgebaut ist.

4. Multifunktionssensor nach Anspruch 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor oberhalb eines Transportweges mit nach unten ge­ richteter Erfassungsvorrichtung montiert ist.

5. Multifunktionssensor nach Anspruch 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß ein zusätzlicher in einem rohr- und/oder rechteckförmigen Ge­ häuse eingebauter Sensor senkrecht nach unten zeigt.

6. Multifunktionssensor nach Anspruch 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor an einem Mast mit einer in einer parallelen Ebene zum Transportweg ausgerichteten Erfassungsrichtung montiert ist.

7. Multifunktionssensor nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekenn­ zeichnet, daß jeder Einzelsensor in einem mehrteilig zusammen­ geschraubten, zylinderförmigen Gehäuse eingebaut und die Elek­ tronikteile gießharzvergossen sind.