DE3823007A1 - Optical sensor - Google Patents
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention relates to an optical sensor according to the Preamble of claim 1.
Optische Sensoren, die die Änderung des von einer Sende einheit emittierten und von einer Empfangseinheit detek tierten Signals ausnützen, werden in vielfältiger Weise, beispielsweise zur Positionserfassung, zur Detektion von Gegenständen, zur Mustererkennung oder in Lichtschranken eingesetzt.Optical sensors that change the transmission of one unit emitted and detected by a receiving unit exploited signals are used in a variety of ways, for example for position detection, for the detection of Objects, for pattern recognition or in light barriers used.
Je nachdem, ob die Empfangseinheit die von der Sendeein heit emittierte Strahlung direkt detektiert oder erst nachdem die Strahlung an einer Reflexionsfläche reflek tiert wurde, spricht man von Gabelkopplung oder Reflex kopplung.Depending on whether the receiving unit is the one from the sending emitted radiation directly detected or only after the radiation is reflected on a reflecting surface was spoken of as fork coupling or reflex coupling.
Das Sendeelement der Sendeeinheit, meist eine Leuchtdiode im sichtbaren (LED) oder im infraroten (IRED) Spektral bereich, wird dabei aus einer Gleichstromquelle betrie ben.The transmitter element of the transmitter unit, usually a light emitting diode in the visible (LED) or in the infrared (IRED) spectral area, is operated from a direct current source ben.
Wird die optische Verbindung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit, beispielsweise durch einen Gegenstand unterbrochen, kann die Empfangseinheit kein Licht mehr detektieren, der Sensor spricht also an.Is the optical connection between the transmitter and Receiving unit, for example by an object interrupted, the receiving unit can no longer light detect, the sensor responds.
Hierbei muß sichergestellt werden, daß die Empfangsein heit nur das vom Sendeelement emittierte Licht detek tiert, d.h. daß kein unerwünschtes Fremdlicht das Emp fangselement erreichen und somit die Funktionsfähigkeit des Sensors beeinträchtigen kann. Dies wird bei opti schen Sensoren üblicherweise dadurch erreicht, daß ein Farbstoff-Kantenfilter, welches mit dem Empfangselement vergossen wird, für eine Selektion des gewünschten Spek tralbereichs sorgt. Da die Leistung des zu detektieren den Signals oft nur im µW- oder mW-Bereich liegt, muß die Empfangseinheit sehr empfindlich sein, d.h. bereits auf kleine Strahlungsflüsse ansprechen; daher darf das Nutzband, d.h. der zur Emission und Detektion verwendete Spektralbereich, nicht zur Unterdrückung von störendem Fremdlicht gedämpft werden. Das aufgrund externer Strah lungsquellen immer vorhandene Fremdlicht kann folglich nie vollständig ausgeschaltet werden, worunter die Zu verlässigkeit bzw. das Ansprechverhalten des Sensors leidet.Here it must be ensured that the reception unit only detects the light emitted by the transmitting element animals, i.e. that no unwanted extraneous light the Emp catch element and thus the functionality of the sensor. At opti cal sensors usually achieved in that a Dye edge filter, which with the receiving element is shed for a selection of the desired spec tral range ensures. Because the performance of the to detect the signals are often only in the µW or mW range the receiving unit be very sensitive, i.e. already respond to small radiation flows; therefore that is allowed Useful band, i.e. the one used for emission and detection Spectral range, not to suppress disturbing Foreign light can be damped. This is due to external beam Sources of external light that are always present can consequently be found never be completely turned off, including the Zu reliability or the response behavior of the sensor suffers.
Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermei den und einen optischen Sensor zu entwickeln, bei dem das störende Fremdlicht mit einfachen Mitteln nahezu vollständig ausgeschaltet wird.The object of the invention is to avoid these disadvantages to develop the and an optical sensor in which the disturbing extraneous light almost with simple means is completely turned off.
Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Sen deelement der Sendeeinheit mit einem in der Sendeeinheit erzeugten periodischen Signal betrieben wird und daß die Empfangseinheit selektiv auf die Sendeeinheit abgestimmt ist.This is achieved in that the Sen deelement of the transmission unit with one in the transmission unit generated periodic signal is operated and that the Receiver unit selectively matched to the transmitter unit is.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erge ben sich aus den Unteransprüchen.Other advantageous embodiments of the invention are derived from the subclaims.
Da der Sensor durch selektive Abstimmung der Empfangs einheit nur auf die vorgebbare Frequenz der Sendeeinheit anspricht, können Störungen oder Fremdlichteinflüsse nahezu vollständig unterdrückt werden, wodurch die Zu verlässigkeit des Sensors beträchtlich erhöht wird.Because the sensor by selective tuning of the reception unit only on the predefinable frequency of the transmission unit responds, disturbances or extraneous light influences are almost completely suppressed, which means the Zu reliability of the sensor is considerably increased.
Anhand der Fig. 1 bis 3 soll nun der Aufbau des opti schen Sensors nach der Erfindung und dessen Wirkungswei se besprochen werden.Referring to Figs. 1 to 3, the structure of the optical rule sensor according to the invention and its Wirkungswei se will now be discussed.
Es zeigen:Show it:
Fig. 1 ein Blockschaltbild des optischen Sensors, Fig. 1 is a block diagram of the optical sensor,
Fig. 2 ein Blockschaltbild des optischen Sensors in einer anderen Ausführungsform, Fig. 2 is a block diagram of the optical sensor in another embodiment,
Fig. 3 eine Gegenüberstellung der Signale an den Aus gängen des frequenzselektiven Elements A 1 und der Aus werteeinheit A 2. Fig. 3 is a comparison of the signals at the transitions from the frequency-selective element A 1 and A 2 of the evaluation unit.
Der optische Sensor gemäß dem Blockschaltbild aus Fig. 1 und 2 besteht aus einer Sendeeinheit 1, einer Empfangs einheit 4 sowie einer Auswerteeinheit 8.The optical sensor according to the block diagram from FIGS. 1 and 2 consists of a transmitter unit 1 , a receiver unit 4 and an evaluation unit 8 .
Die Sendeeinheit 4 besteht aus einer mit einem periodi schen Signal gesteuerten Stromquelle 2 und einem Sende element 3, wobei die gesteuerte Stromquelle 2 das Sende element 3 mit der Frequenz des periodischen Signals, beispielsweise 30 kHz, betreibt.The transmission unit 4 consists of a with a periodic signal controlled current source 2 and a transmission element 3 , the controlled current source 2, the transmission element 3 with the frequency of the periodic signal, for example 30 kHz, operates.
Das Sendeelement 3 ist vorzugsweise eine Leuchtdiode im infraroten Spektralbereich, deren Emission beispielswei se bei einer Wellenlänge von 880 nm mit einer spektralen Breite von 70 nm oder bei einer Wellenlänge von 950 nm mit einer spektralen Breite von 50 nm stattfindet. The transmitting element 3 is preferably a light-emitting diode in the infrared spectral range, the emission of which takes place, for example, at a wavelength of 880 nm with a spectral width of 70 nm or at a wavelength of 950 nm with a spectral width of 50 nm.
Die Empfangseinheit 4 besteht aus einem Empfangselement 5, einer dem Empfangselement 5 nachgeschalteten Verstär kerstufe 6 und einem frequenzselektiven Element 7, 9 mit dem Ausgang A 1.The receiving unit 4 is composed of a receiving member 5, the receiving element 5 of a downstream amplifier stage 6 and a frequency-selective element 7, 9 to the output of A1.
Das fotoempfindliche Empfangselement 5 ist beispielswei se als Fotodiode, Fototransistor, Foto-IC, die im ge wünschten Spektralbereich empfindlich sind, oder einer Kombination dieser Bauelemente ausgebildet.The photosensitive receiving element 5 is formed, for example, as a photodiode, phototransistor, photo IC, which are sensitive in the desired spectral range, or a combination of these components.
Die vom Sendeelement 3 emittierte und vom Empfangsele ment 5 detektierte Strahlung wird von einer Verstärker stufe 6 verstärkt und auf ein frequenzselektives Ele ment, das in Fig. 1 als Bandfilter 7 dargestellt ist, gegeben. Das Bandfilter 7 läßt nur die Frequenz durch, mit der das Sendeelement 3 von der Stromquelle 2 betrie ben wird und unterdrückt alle anderen Frequenzen. Daher tritt am Ausgang A 1 der Empfangseinheit 4 nur dann ein Signal auf, wenn vom Sendeelement 3 emittiertes Licht das Empfangselement 5 erreicht; Fremdlicht wird dagegen vollständig vom Bandfilter 7 unterdrückt.The radiation emitted by the transmitting element 3 and detected by the receiving element 5 is amplified by an amplifier stage 6 and applied to a frequency-selective element, which is shown in FIG. 1 as a band filter 7 . The bandpass filter 7 only allows the frequency with which the transmitting element 3 is operated by the current source 2 and suppresses all other frequencies. Therefore, a signal occurs at the output A 1 of the receiving unit 4 only when light emitted by the transmitting element 3 reaches the receiving element 5 ; In contrast, extraneous light is completely suppressed by the bandpass filter 7 .
Zur Auswertung kann der Empfangseinheit 4 eine Auswerte einheit 8 nachgeschaltet werden, die beispielsweise als Integrator ausgebildet sein kann. Auf den genauen Aufbau eines derartigen Integrationsglieds, das bekanntermaßen aus Dioden, Widerständen und Kondensatoren besteht, soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden.For the evaluation, the receiving unit 4 can be followed by an evaluation unit 8 , which can be designed as an integrator, for example. The exact structure of such an integration element, which is known to consist of diodes, resistors and capacitors, will not be discussed further at this point.
Gemäß Fig. 3 formt das Integrationsglied 8 das am Aus gang A 1 der Empfangseinheit 4 anliegende Wechselspan nungssignal in ein am Ausgang A 2 des Integrationsglieds 8 anliegendes Gleichspannungssignal mit zwei Zuständen "High" (H) und "Low" (L) um.Referring to FIG. 3, the integration element formed 8 4 applied AC clamping voltage signal into a at the output A 2 of the integration element 8 fitting DC voltage signal with two states "high" (H) and "Low" (L) around the gear on from A 1 to the receiving unit.
Diese beiden Zustände können zur externen Auswertung herangezogen werden, um beispielsweise einen Schalter S in Abhängigkeit des Signals am Ausgang A 2 zu betätigen.These two states can be used for external evaluation, for example to actuate a switch S depending on the signal at output A 2 .
Der Schalter S kann beispielsweise als Feldeffekttran sistor ausgebildet sein und schaltet erst dann um, wenn der Zustand H nach einer bestimmten vorgebbaren Zahl von Perioden des am Ausgang A 1 detektierten Signals am Aus gang A 2 erscheint.The switch S may be, for example, formed as a field effect sistor and then only switches to when the state H after a certain predetermined number of periods of the detected at the output A 1 signal at the transition from A 2 appears.
Die ist in Fig. 3 für zwei Integrationsglieder mit unterschiedlicher Zeitkonstante dargestellt. Beim Inte grationsglied mit der kleineren Zeitkonstante gemäß dem gestrichelt dargestellten zeitlichen Verlauf, wird der Zustand H bereits nach einer Periode des am Ausgang A 1 anliegenden Signals erreicht. Beim Integrationsglied mit der größeren Zeitkonstante gemäß dem anderen in Fig. 3 dargestellten zeitlichen Verlauf, werden bis zum Errei chen des Zustands H am Ausgang A 2, und damit bis zur Bestätigung des Schalters S, ungefähr drei Perioden des am Ausgang A 1 anliegenden Signals benötigt.This is shown in Fig. 3 for two integration elements with different time constants. When Inte grationsglied with the smaller time constant according to the time course shown by dashed lines, the state H is already achieved after a period of the signal at the output A 1 signal. When integrating circuit with the greater time constant in accordance with the different temporal profile illustrated in Fig. 3 are to Errei chen the state H at the output of A 2, and thus to the confirmation of the switch S, approximately three periods of the signal at the output A 1 signal requires .
Es wird ersichtlich, daß durch das Integrationsglied eine Ansprechschwelle des Sensors bzw. eine Zeitkonstan te, mit der der Sensor reagiert, eingestellt werden kann. Andererseits lassen sich einzelne Störpulse noch effek tiver unterdrücken, da diese noch keinen Schaltvorgang am Schalter S auslösen.It can be seen that a response threshold of the sensor or a time constant with which the sensor reacts can be set by the integration element. On the other hand, individual interference pulses can be suppressed even more effectively, since they do not yet trigger a switch at switch S.
In einer anderen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist als frequenzselektives Element ein Synchrondetektor 9 nach dem bekannten Lock-in-Prinzip vorgesehen; die gesteuerte Stromquelle 2 ist dazu über eine Leitung 10 mit dem Syn chrondetektor 9 verbunden. Der Detektor 9 läßt nur die mit der Frequenz des periodischen Signals der Stromquel le 2 modulierten Signale der Sendeeinheit 3 durch und stimmt somit die Empfangseinheit 4 selektiv auf die Sen deeinheit 1 ab. Fremdlicht wird nahezu vollständig un terdrückt.In another embodiment according to FIG. 2, a synchronous detector 9 according to the known lock-in principle is provided as the frequency-selective element; The controlled current source 2 is connected via a line 10 to the synchro detector 9 . The detector 9 only lets through the signals of the transmission unit 3 modulated with the frequency of the periodic signal of the current source 2 and thus tunes the reception unit 4 selectively to the transmission unit 1 . Extraneous light is almost completely suppressed.
Der gesamte Sensor kann in einem IC integriert werden, wobei der Status des Sensors an einem externen Ausgang des ICs abgefragt werden kann.The entire sensor can be integrated in an IC, where the status of the sensor at an external output of the IC can be queried.
Der erfinderische optische Sensor kann als Reflexkopp ler, beispielsweise für Endschalter oder Näherungsschal ter oder als Gabelkoppler, beispielsweise für Initiato ren oder als Drehzahlmesser eingesetzt werden.The inventive optical sensor can be used as a reflex coupler ler, for example for limit switches or proximity scarf ter or as a fork coupler, for example for Initiato Ren or be used as a tachometer.
Claims (11)
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