DE3627972A1 - Photoelektrischer taster - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen photoelektrischen Taster mit einer Lichtprojektionsvorrichtung zum Ausstrahlen eines Sendelichtbündels und einer neben der Lichtprojektionsvor­ richtung angeordneten Lichtempfangsvorrichtung für ein Empfangs­ lichtbündel, wobei sich das Sendelichtbündel und das durch Reflexion erzeugte Empfangslichtbündel kreuzen.

Mit den sich kreuzenden Bündeln des Sende- und Empfangslichts soll eine Nachweiszone geschaffen werden, innerhalb der reflektierende Körper vom Taster festgestellt werden können, indem das von den Körpern reflektierte Licht zum Lichtempfänger gelangt. Werden reflektierende Körper außerhalb der Nachweiszone vom Sendelichtbündel getroffen, dann gelangt kein oder nur wenig Licht zum Lichtempfänger. Durch einen Schwellenwert wird empfangenes Licht nur ab einer bestimmten Stärke in ein aus­ zuwertendes elektrisches Signal umgewandelt.

Bei einer solchen Anordnung besteht die Gefahr, daß von außer­ halb der Nachweiszone angeordneten Körpern aufgrund einer Licht zum Lichtempfänger reflektierenden Oberflächenbeschaffenheit die Anwesenheit eines Körpers in der Nachweiszone vorgetäuscht wird.

Die Nachweiszone läßt sich daher nicht genauer begrenzen. Infolgedessen sind solche Anordnungen dann nicht geeignet, wenn eine in den Grenzen vorgegebene Nachweiszone auf reflektierende Körper überwacht werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Taster der eingangs beschriebenen Gattung derart weiterzuentwickeln, daß außerhalb einer vorgegebenen Nachweiszone vorhandene reflek­ tierende Körper nicht die Anwesenheit von Körpern innerhalb der Nachweiszone vortäuschen können.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Anspruch 1 ange­ gebenen Maßnahmen gelöst. Bei der im Anspruch 1 beschriebenen Anordnung tritt an dem Ausgang bei Anwesenheit eines Körpers bzw. Gegenstands in der Nachweiszone eine bestimmte Signal­ kombination auf, die sich von den Signalkombinationen unter­ scheidet, die von außerhalb der Nachweiszone angeordneten, reflektierenden Körpern hervorgerufen werden. Damit ist über eine diese Signalkombinationen verarbeitende bzw. auswertende Schaltung eine Erkennung eines Körpers bzw. Gegenstands in der Nachweiszone möglich. Beim Einsetzen des Tasters gemäß dem Anspruch 1 ist es nicht notwendig, auf die Einhaltung bestimmter Verhältnisse außerhalb der Nachweiszone zu achten, damit keine falsche Meldung ausgelöst wird.

Bei einer bevorzugten Ausführungsform sind die Ausgänge der Rechenschaltung je an einen Eingang eines Komparators gelegt, dessen anderer Eingang von einem Schwellenwert beaufschlagt ist, dessen Höhe nach dem Ansprechen des Komparators um den maximalen Rauschpegel des Ausgangssignals erniedrigbar ist.

Da mit dem Taster in der Nachweiszone auch schwach reflek­ tierende Körper festgestellt werden sollen, werden die empfangenen Signale relativ hoch verstärkt. Aufgrund der hohen Verstärkung ist den Differenzsignalen jeweils ein hoher Rausch­ pegel überlagert. Bei einem Schwellenwert, dessen Höhe durch überlagerte Rauschspannungen vom Differenzsignal bei der Erfassung eines Körpers bzw. Gegenstands in der Nachweiszone über- und unterschritten wird, würden häufige Wechsel des Ausgangssignals auftreten, die keine genaue Zuordnung zum Körper bzw. Gegenstand zulassen. Deshalb wird der Körper bzw. Gegen­ stand zunächst mit einem höheren Schwellenwert erfaßt, der eine sichere Erkennung zuläßt. Danach wird der Schwellenwert soweit abgesenkt, daß die Rauschspannung keinen Wechsel des Komparator­ signals bewirken kann, solange der Körper in der Nachweiszone ist.

Vorzugsweise wird das Sendlichtbündel in Form von aufeinander­ folgenden Lichtimpulsen erzeugt, wobei die Ausgangssignale der Rechenschaltungen nur während der Dauer der Lichtimpulse den Komparatoren zuführbar sind. Durch den impulsweisen Betrieb können die lichtemittierenden Elemente kurzzeitig mit hoher Leistung beaufschlagt werden, was die Empfindlichkeit des Tasters erhöht, d. h., auch schwach reflektierende Körper bzw. Gegenstände werden innerhalb der Nachweiszone erkannt. Außerdem wird die Störanfälligkeit des Tasters reduziert, indem sicher­ gestellt wird, daß nur bei Aussendung eines Lichtbündels auf Empfang eingestellt ist.

Bei einer günstigen Ausführungsform ist beim Ansprechen des jeweiligen Komparators ein retriggerbares Monoflop anstoßbar, dessen Mono-Zeit größer als der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen ist und durch das jeweils der um den maximalen Rauschpegel erniedrigte Schwellenwert dem Komparator vorgebbar ist. Bei dieser Anordnung wird nach dem Ansprechen der Komparatoren aufgrund eines Körpers der niedrigere Schwellenwert solange als Vergleichswert benutzt, bis der Körper die Nachweiszone verlassen hat.

Es ist günstig, die Ausgänge der Monoflops in UND-Verknüpfung an eine Melde- und/oder Auswerteanordnung anzu­ schließen. Die UND-Verknüpfung erzeugt ein Ausgangssignal, wenn ein Körper bzw. Gegenstand in der Nachweiszone vorhanden ist.

Der oben beschriebene Taster läßt sich vorteilhafterweise zur Überwachung von Türen einsetzen, ohne daß ein separater, in einem anderen Gehäuse angeordneter Empfänger oder ein Reflektor eingesetzt werden muß. In manchen Fällen treten bei der An­ ordnung des Lichtempfängers oder eines Reflektors auf der anderen Seite der Türöffnung Schwierigkeiten auf. Wenn es sich z. B. um die Tür eines Omnibusses handelt, dann bedeckt bei offener Tür das geschwenkte um eine vertikale Achse gefaltete Türelement an einer Seite den Türrahmen. Deshalb muß sich das Gehäuse des Lichtempfängers oder der Reflektor an oder in diesem Türelement befinden. Hierbei ist es zunächst günstiger, statt eines Lichtempfängers einen Reflektor in Verbindung mit einer Reflexlichtschranke einzusetzen. Da der Einstieg auch während des Türzulaufs überwacht werden soll, muß der an der beweglichen Tür befindliche Reflektor Licht zur Reflexlichtschranke zurückwerfen, wobei durch die sich ergebende Schrägstellung der Tür, und damit auch des Reflektors, die optische Sicherheit abnimmt. Wenn nun noch Verschmutzung der Reflektoroberfläche hinzukommt, kann schnell ein Störfall entstehen. Diese Nachteile werden mit dem oben beschriebenen Taster vermieden, der vorzugsweise auf der im Innern des Fahrzeugs befindlichen Einstiegshaltestange angeordnet sein kann und keinen Reflektor wie eine Lichtschranke benötigt. Der Taster ist in der Nachweiszone auf die Türbreite abgestimmt. Selbst spiegelnde Hintergründe mit hohen optischen Rückstrahlwerten können außerhalb der Nachweiszone keinen "Gegenstand innerhalb der Nachweiszone" vor­ täuschen.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in einer Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher beschrieben, aus dem sich weitere Einzelheiten, Merkmale und auch Vorteile ergeben. Es zeigt

Fig. 1 eine schematische, geschnittene Seitenansicht eines photoelektrischen Tasters,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Anordnung zur Verarbeitung der von den photoelektrischen Empfängern des Tasters gemäß Fig. 1 erzeugten Signale,

Fig. 3 eine schematische Ansicht einer Lichtprojektionsvor­ richtung und einer von zwei Lichtempfängern,

Fig. 4 ein Diagramm der Lichtintensitäten an beiden photoelektrischen Empfängern eines Lichtempfängers in Abhängigkeit von der Entfernung eines reflektierenden Gegenstandes,

Fig. 5 ein Schaltbild eines Teils einer anderen Anordnung zur Verarbeitung der von den photoelektrischen Empfängern des Tasters gemäß Fig. 1 erzeugten Signale.

Ein Taster 1 enthält eine Lichtprojektionsvorrichtung 2, die aus einer Lichtquelle 3, einer infraroten oder sichtbaren Lumineszenzdiode und einer Optik 4 besteht. Die Lichtquelle 3 und die Optik 4 sind in einem Gehäuse 5 angeordnet, in dessen einer Wand in einer Öffnung die Optik 4 eingesetzt ist. Die Lichtprojektionsvorrichtung 2 strahlt ein Sendelichtbündel 6 aus, das in Fig. 1 gestrichelt dargestellt ist. Im Gehäuse 5 sind weiterhin zwei Lichtempfangsvorrichtungen 7, 8 neben der Lichtprojektionsvorrichtung 2 angeordnet. Die Lichtempfangsvorrichtungen 7, 8 enthalten je zwei photoelektrische Empfänger 9, 10 bzw. 11, 12 und eine Optik 13 bzw. 14. Die Optiken 13, 14 sind in Öffnungen des Gehäuses 5 eingesetzt. Wenn ein Gegenstand 15 in den Bereich des Lichtbündels 6 gelangt, wird von ihm, je nach den Reflexionseigenschaften und der Neigung der Oberfläche bzw. der Oberflächenabschnitte, Licht auch in die Empfänger­ optiken reflektiert. Die optischen Achsen der beiden Optiken 13, 14 sind jeweils um den gleichen Winkel gegen die optische Achse der Optik 4 geneigt.

Die von einem Gegenstand 15 reflektierte Strahlung gelangt immer dann zu den Lichtempfangsvorrichtungen 7, 8, wenn die Empfängerlichtbündel 17, 18 sich mit dem Sendelichtbündel 6 durchdringen. Durch die genannte Neigung der optischen Achsen und die jeweils nebeneinander liegenden Empfänger 9, 10 bzw. 11, 12 entstehen in den Empfängern Signale unter­ schiedlicher Amplitude. Je nach Art der Verknüpfung der Signale ent­ stehen neue Signale, die eine Aussage gestatten, in welcher Entfernung sich ein Gegenstand 15 zum Taster 1 befindet. Bei z. B. einer Differenz­ bildung der Signale der Empfänger 9, 10 bzw. 11, 12 haben die Differenzsignale eine abstandsabhängige Polarität. Die Nachweiszone 16, die in Fig. 1 schraffiert dargestellt ist, wird durch Differenzsignale einer bestimmten z. B. positiven Polarität gebildet. Außerhalb der Nachweiszone erzeugt ein Gegenstand ein Differenzsignal mit umgekehrter Polarität. Der Differenzimpuls änders sich abstandsabhängig. Die Differenzsignale innerhalb und außerhalb der Nachweiszone unterscheiden sich immer in der Polarität. Trotz Spiegelung außerhalb der Nachweis­ zone 16 durch einen ungünstig angeordneten Spiegel wird von den beiden optischen Empfangssystemen kein Gegenstand innerhalb der Nachweiszone vorgetäuscht. Die Spiegelung führt zu unterschiedlichen Einwirkungen auf die beiden Empfangssysteme. Ein außerhalb der Nachweiszone ange­ ordneter ungünstig gestellter Spiegel löst unterschiedliche Differenz­ signale aus, eine positive Differenz in einem Kanal und eine negative Differenz im anderen Kanal. Durch die konjunktive Verknüpfung der Signale der beiden Kanäle wird verhindert, daß ein Gegenstand in der Nachweiszone vorgetäuscht wird.

Die photoelektrischen Empfänger 9, 10 bzw. 11, 12 sind, wie in Fig. 2 gezeigt ist, jeweils an einen Strom-/Spannungsumsetzer 19, 20, 21, 22 angeschlossen. Die Ausgangssignale der Paare von Strom-/ Spannungsumsetzern 19, 20 bzw. 21, 22 werden so miteinander verknüpft, daß störende Einflüsse beseitigt werden. Eine einfache Verknüpfung wird durch Differenzbildung erzielt. Gemäß Fig. 2 sind die Ausgänge der Strom-/Spannungsumsetzer 19, 20 bzw. 21, 22 je an Eingänge von Differenzverstärkern 23, 24 gelegt. Die Ausgänge der Differenzverstärker 23, 24 sind jeweils mit einer Tastschaltung 25 und einem Eingang eines Komparators 26, 27 verbunden. Die Tastschaltung 25 legt die Ausgänge der Differenzverstärker 23, 24 periodisch an das Referenzspannungspotential und gibt sie während der Impulse eines Taktgebers 28 frei, der über einen Verstärker 29 die Lichtquelle 3 speist.

Der Ausgang des Komparators 26 ist mit einem Monoflop 30 und einer Schwellwertsteuerschaltung 31 verbunden, die eingangsseitig je mit den Ausgängen des Komparators 26, des Monoflops 30 und einer Referenzspannungsschaltung 32 verbunden ist, die auch einen Referenzwert für die Strom-/Spannungsumsetzer 19, 20, 21, 22 erzeugt.

Der Ausgang des Komparators 27 ist mit einem Monoflop 33 und einer Schwellwertsteuerschaltung 34 verbunden, die eingangsseitig je mit den Ausgängen des Komparators 27, des Monoflops 33 und der Referenzspannungsschaltung 32 verbunden ist.

Die Ausgänge der Monoflops 30, 33 sind mit Eingängen eines UND-Gliedes 35 verbunden, dem ein nicht näher bezeichneter Verstärker nachgeschaltet ist, an dessen Ausgang bei Anwesenheit eines Gegen­ standes 15 innerhalb der Nachweiszone 16 ein entsprechendes Signal ver­ fügbar ist, das in einer Melde- und/oder Auswerteanordnung verarbeitet wird.

Die Schwellenwertsteuerschaltung 31 bzw. 34 erzeugt einen voreinge­ stellten Schwellenwert, der unter Berücksichtigung der maximalen Höhe des Rauschpegels ausgewählt ist, der von den photoelektrischen Empfängern 9, 10 bzw. 11, 12 in Verbindung mit den Strom-/Spannungsumsetzern 19, 20 bzw. 21, 22 und den Differenzverstärkern 23, 24 erzeugt wird. Der Schwellenwert liegt um ein bestimmtes Maß höher als der maximale Rauschpegel an den Ausgängen der Differenzverstärker 23, 24. Dieser Schwellenwert wird über die Schwellwertsteuerschaltungen 31, 34 an die nicht invertierenden Eingänge der Komparatoren 26, 27 gelegt. Überschreitet z. B. ein Ausgangssignal des Differenzverstärkers 23 den voreinge­ stellten Schwellenwert, dann ändert sich das Ausgangssignal des Komparators 26 sprunghaft und stößt dabei das Monoflop 30 an, das retriggerbar ausgebildet ist. Die Mono-Zeiten der Monoflops 30 und 33 sind länger als eine Periode der Taktfrequenz, aber kürzer als zwei Perioden eingestellt. Nach dem Ansprechen des Monoflops 30 steuert dessen Ausgangssignal die Übernahme eines neuen Schwellenwerts in die Schwellwertsteuerschaltung. Dieser neue Schwellenwert entspricht beispielsweise dem um den maximalen Rauschpegel verminderten ersten Schwellenwert. Wird vor dem Ablauf der Mono-Zeit des Monoflops 30 vom Differenzverstärker 23 ein Ausgangssignal erzeugt, das diesen neuen Schwellenwert überschreitet, dann wird das Monoflop 30 erneut angestoßen, wodurch der niedrigere Schwellenwert eingestellt bleibt. Erst wenn das Monoflop 30 in den ursprünglichen Schaltungs­ zustand zurückgefallen ist, wird über die Schwellenwertsteuer­ schaltung 31 der ursprüngliche, höhere Schwellenwert wieder an den Komparator 26 gelegt. Die Verwendung zweier Schwellenwerte hat den Zweck, eine Impulseinschalthysterese für den Komparator 26 zu schaffen, damit die an der Schaltgrenze liegenden verrauschten Signale vom Gegen­ stand zu einem eindeutigen Ausgangssignal führen. Diese Methode erlaubt eine schnelle empfindliche Impulsauswertung, die auch an der Empfindlichkeitsgrenze trotz Rauschens eindeutige Ausgangssignale erzeugt.

Wenn sich ein Gegenstand 15 ganz oder teilweise in der Nachweiszone 16 befindet, dann treten an den photoelektrischen Empfängern 9, 10 bzw. 11, 12 derartige Beleuchtungsverhältnisse auf, daß die Differenzen der Ausgangssignale der Empfänger 9, 10 und 11, 12 die gleiche, bestimmte Signalkombination zeigen. Bei der in Fig. 2 ge­ zeigten Schaltungsanordnung rufen die Differenzen der Empfänger 9 bis 12 an den Ausgängen der Differenzverstärker 23, 24 gleichartige Pegel hervor, die über die Monoflops 30, 33 im UND-Glied 35 verknüpft werden. Die anderen Signalkombinationen treten dann auf, wenn kein Gegenstand 15 innerhalb der Nachweiszone 16 vorhanden ist oder wenn von einem außerhalb der Nachweiszone 16 angeordneten Gegenstand Licht zum Taster 1 reflektiert und von den Lichtempfangs­ vorrichtungen 7, 8 erfaßt wird. Vom Taster 1 werden somit selbst schwach reflektierende Gegenstände 15 innerhalb der Nachweiszone 16 erkannt, während auch stark reflektierende Gegenstände außerhalb der Nachweiszone 16 keinen innerhalb der Nachweiszone angeordneten Gegen­ stand vortäuschen können.

In einer bestimmten Entfernung, die in Fig. 3 mit a ₀ bezeichnet ist, beleuchtet das von einem Gegenstand reflektierte Licht die beiden photoelektrischen Empfänger 9 und 10 gleichmäßig. Es sei angenommen, daß die Beleuchtungsstärken Φ₁ und Φ₂ jeweils am Empfänger 9 und 10 bei einem Gegenstand 15, der im Abstand a ₀ reflektiert, gleich groß sind. Bei Gegenständen, die sich in anderen Abständen, z. B. den Abständen a ₁ und a ₂ verschieden. Mittels der Empfänger 9 und 10 wird eine Beleuchtungsstärkendifferenz ΔΦ = Φ ₁ - Φ ₂ festgestellt. Die Fig. 4 zeigt für den Abstandsbereich a ₁ bis a ₂, in dessen Mitte sich der Abstand a ₀ befindet, den Verlauf der Beleuchtungsstärken Φ ₁ und Φ ₂ der Differenz ΔΦ, sowie die Summe Φ = Φ₁ + Φ₂. Der Beleuchtungs­ stärkendifferenz ΔΦ entsprechende Signale werden in den Komparatoren 26, 27 mit Schwellenwerten verglichen. Für schwarz reflektierende Körper ergibt sich ein anderer, mit ΔΦ _S bezeichneter Wert der Beleuchtungsstärkendifferenz als bei weiß reflektierenden Körpern, deren Beleuchtungsstärkendifferenz mit ΔΦ _W bezeichnet ist. Es sei angenommen, daß die Beleuchtungsstärken ΔΦ _{W 1} bzw. Φ _{W 2} um einen Faktor n höher als die Beleuchtungsstärken Φ _{S 1} und Φ _{S 2} sind. Es gilt dann ΔΦ _W = n ΔΦ s. Bei konstantem Schwellenwert würden die Komparatoren bei weiß reflek­ tierenden Körpern in einem etwas größeren Abstand vom Taster 1 ansprechen als bei schwarz reflektierenden Körpern.

Falls die Nachweiszone 16 unabhängig vom Reflexionsvermögen der Gegenstände exakt gleich bleiben soll, werden vorzugsweise die Signale der Paare von photoelektrischen Empfängern dividiert. Ein dem Quotienten der Signale entsprechendes Signal wird dem jeweiligen Komparator 26 bzw. 27 zugeführt.

Die Fig. 5 zeigt die beiden photoelektrischen Empfänger 9, 10, die mit den Strom-/Spannungswandlern 19, 20 verbunden sind, deren Ausgänge an eine analoge Dividierschaltung 36 angeschlossen sind, der in gleicher Weise wie bei der in Fig. 2 gezeigten Anordnung der Komparator 26 und die Tastschaltung 25 nachgeschaltet sind. Die photoelektrischen Empfänger 11 und 12 sind auf die gleiche Art wie in Fig. 5 dargestellt, über die Strom-/Spannungswandler 21, 22 mit einer analogen Dividierschaltung verbunden, der der Komparator 27 und die Tastschaltung 25 nachgeschaltet sind. Die Dividier­ schaltungen ersetzen somit die Differenzverstärker 23 und 24.

Claims (7)

1. Photoelektrischer Taster mit einer Lichtprojektionsvorrichtung zum Ausstrahlen eines Sendelichtbündels und mit einer neben der Lichtprojektionsvorrichtung angeordneten Lichtempfangs­ vorrichtung für ein Empfangslichtbündel, wobei sich das Sendelichtbündel und das durch Reflexion erzeugte Empfangs­ lichtbündel kreuzen, dadurch gekennzeichnet, daß eine zweite Lichtempfangsvorrichtung (8) neben der Licht­ projektionsvorrichtung (2) angeordnet ist, daß sich das durch Reflexion erzeugbare Empfangslichtbündel der zweiten Lichtempfangsvorrichtung und das Sendelichtbündel kreuzen, daß jede Lichtempfangsvorrichtung (7, 8) zwei nebeneinander angeordnete photoelektrische Empfänger (9, 10; 11, 12) enthält, deren Signale jeweils derart an eine Rechenschaltung gelegt sind, daß die beiden Rechenschaltungen nur bei einem reflektierenden Gegenstand (15), der sich ganz oder teilweise innerhalb einer von den Neigungen der Empfangslichtbündel gegenüber dem Sendelichtbündel abhängigen Nachweiszone (16) befindet, eine bestimmte Kombination der Ausgangssignale erzeugen, die bei einem unterhalb der Nachweiszone (16) angeordneten Gegenstand bzw. Gegenständen nicht auftritt.

2. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung ein Differenzverstärker (23; 24) ist.

3. Taster nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechenschaltung eine Dividierschaltung (36) ist.

4. Taster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Rechenschaltungen je an einen Eingang eines Komparators (26, 27) gelegt sind, dessen anderer Eingang von einem Schwellenwert beaufschlagt ist, dessen Höhe nach dem Ansprechen des jeweiligen Komparators (26, 27) um den maximalen Rauschpegel des Ausgangssignals erniedrigbar ist.

5. Taster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendelichtbündel (6) in Form von aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen erzeugt wird, wobei die Ausgangssignale der Rechenschaltungen nur während der Dauer der Lichtimpulse den Komparatoren (26, 28) zuführbar sind.

6. Taster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß beim Ansprechen des jeweiligen Tasters ein retriggerbares Monoflop anstoßbar ist, dessen Mono-Zeit größer als der zeitliche Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Lichtimpulsen ist und durch das jeweils der um den maximalen Rauschpegel erniedrigte Schwellenwert dem Komparator vorgebbar ist.

7. Taster nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausgänge der Monoflops (30, 33) in UND-Verknüpfung an eine Melde- und/oder Auswerteanordnung anschließbar sind.