DE4200777A1

DE4200777A1 - Licht-schranke-unterbrechungs-detektor

Info

Publication number: DE4200777A1
Application number: DE4200777A
Authority: DE
Inventors: Walter Jakob Spirig; Jacques Tetrault
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1991-01-14
Filing date: 1992-01-10
Publication date: 1992-07-23
Also published as: US5160850A; CA2059226A1; CA2059226C

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Licht-Schranke für eine vibrierende Umgebung. Im Weiteren bezieht sich die Erfindung auf eine Licht-Schranke, die in einer vibrierenden Umgebung funktionieren kann, wobei eine teilweise Unterbrechung des Lichtstrahles erfaßt wird, wenn das Objekt kleiner als der Lichtstrahl oder die Licht-Schranke ist.

Lichtschrankenunterbrechungsapparate finden Anwendungen einem großen Anwendungskreis für Positionierung, Messung usw. ohne physische Abtastung des Gegenstandes. Unter gewissen Umständen, nämlich wenn die Lichtquelle oder der Lichtempfänger auf oder an einen Gegenstand angebaut ist, der physisch oder durch kalt-warm Luftströme vibriert, wird die Zuverlässigkeit der Anlage dadurch sehr behindert. Natürlich wirkt eine kleine Vibration besonders über eine große Entfernung, damit der Lichtstrahl nicht immer 100%ig auf den Lichtempfänger auftritt.

Eine zuverlässige Operation in einer vibrierender Umgebung verlangt unter normalen Umständen den Gebrauch einer Lichtquelle mit einem Lichtstrahl der entscheidend größer ist als die Vibrationen oder die "Wanderung des Lichtstrahles". Dieses ist zur Sicherstellung des Lichtpegels am Empfänger. Ein größerer Lichtstrahl beantragt eine größere Lichtquelle die wiederum mehr Energie fordert.

Im weiteren, wenn ein Empfänger kleiner als der Lichtstrahl zur Sicherung der Vibration gebraucht wird, besteht die Gefahr, daß das brauchbare Licht am Empfänger reduziert wird, möglicherweise auf einen Punkt, da das Messverhältniss bemerkenswert leidet.

Der Zweck der Erfindung ist die Beschaffung einer Lichtschranke Unterbrechung Detektor Apparat zum Gebrauch in einer vibrierenden Umgebung, welches funktionfähig ohne Einbüßung der Zuverlässigkeit des Systemes ist.

Erfindungsgemäß wird ein elektronischer Lichtschranken- Detektor für den Gebrauch in einer vibrierenden Umgebung versehen, der weist: eine Lichtquelle zur Produktion eines Lichtstrahls; und einen Lichtempfänger zur Aufnahme und Auswertung des Strahls, der Empfänger, mit einer Oberfläche genügend größer, damit der Lichtstrahl auch während der Vibration ganz auf der Oberfläche des Empfängers auftritt. Der Empfänger produziert ein Ausgangssignal, das wesentlich konstant ist, wenn sich der Lichtstrahl ungebrochen über die Oberfläche des Empfängers bewegt. Das Ausgangssignal des Empfängers wird weitergeleitet zur Signalauswertung des gebrochenen Lichtstrahls durch einen Gegenstand.

Vorzugsweise ist eine Signalauswertung versehen, die eine Veränderung des Ausganssignales erfaßt, die durch eine teilweise Unterbrechung des Lichtstrahls hervorgerufen wird, d. h., das Objekt, das durch den Lichtstrahl tritt, kann wesentlich kleiner als der Lichtstrahl oder der Lichtempfänger sein.

Vorzugsweise besteht die Lichtquelle aus einer Laserdiode, und der Empfänger besteht aus einer einzigen Siliziumphotozelle. Die Erfindung wird vorzüglich zur Erfassung gerissener Fäden an einem mechanischen Webstuhl gebraucht.

Die Erfindung wird jetzt mit Bezug auf die Zeichnungen weiter beschrieben.

Fig. 1 ist ein Blockschema des Lichtschrankeunterbrechungs- Detektor nach einer bevorzugten Ausführung.

Fig. 2 ist ein Blockschema des Lichtempfängers und Vorverstärker-Schaltkreis nach der bevorzugten Ausführung; und

Fig. 3 zeigt ein Beispielkurvenbild des Ausgangssignales nach der bevorzugten Ausführung.

Wie in Fig. 1 dargestellt weist der Apparat nach bevorzugter Ausführung einen Laser (10) auf, der einen Laserstrahl (32) mit minimaler Abweichung produziert. Mit wesentlicher Distanz von Laser (10) ist ein Lichtempfänger (30) zur Aufnahme des Lichtstrahles (32) positioniert. Empfänger (30) schließt Lichtfilter (14) ein, das ein Licht von einer Frequenz möglichst nahe der Lichtfrequenz des Laserstrahles (32) zum Eingang des Gehäuses des Emfängers (30) durchläßt, hat eine zylindrische Form, und wird aus Aluminium mit schwarzer Eloxierung gebaut. Positioniert gegen das Ende des Empfängergehäuses (30) ist eine Siliziumphotozelle (12), die ein wesentlich konstantes Ausgangssignal vom Lichtstrahl (32) produziert, während der Strahl (30) über die Oberfläche der Zelle (12) vibriert. Ein Vorverstärker-Schaltkreis (16), ausführlich unten erklärt, ist im Licht-Empfänger (30) in unmittelbarer Nähe der Zelle (12) inbegriffen. Das vom Vorverstärker (16) produzierte Signal kann dann über ein abgeschirmtes Kabel zu einem entfernten Computer (18) weitergeleitet werden.

In der bevorzugten Ausführung ist Photozelle (12) eine herkömmliche Siliziumphotozelle mit einer Empfängeroberfläche ohne lichtundurchlässigen Elektroden und mit konstanter Wirksamkeit über die ganze Oberfläche. Die Zellen werden für bestes Ausgangsignal für ungefähr 672 Nanometer gemessen und ausgewählt. Die Empfindlichkeit ist so gewählt, daß eine 1,0 mW Laser-Diode mit 672 Nanometer Wellenlänge mit einem Strahldurchmesser von 3,0 mm ein Ausgangssignal von 0,08 V produziert. Filter (14) enthält rotes Plexiglas (Nr 2423, Hersteller: ROHM & HAAS). Lichtstrahl (32) ist ungefähr 5 bis 6 mm im Durchmesser mit einer Leistung von ungefähr 1 mW. Die Laser-Quelle (10) kann eine Laser Diode sein von Toshiba (TOLD 9211) mit einem maximum Ausgang von 5 mW sein. Der Faden (20) hat normalerweise einen Durchmesser von 0,01 bis 1,0 mm. Die Siliziumphotozelle hat normalerweise einen Durchmesser von 1,0 bis 6,0 cm und der Strahldurchmesser ist normalerweise von 1 bis 10 mm.

Wie in Fig. 2 dargestellt ist die Siliziumphotozelle (12) mit Vorverstärker (16) verbunden, der ein von Verstärkern (22) und (24) zusammengesetzten Zweistufenwechselstromverstärker ist. Der Ausgang der zweiten Stufe (24) ist mit dem positiven Eingang des Kompensators (28) verbunden.

Nenn der Strahl (32) vollkommen von einem Objekt blockiert ist, oder eine Vibration den Strahl (32) weg von Zelle (12) bringt, dann steigt das Ausgangssignal am Verstärker oder Kompensator (26) und zeigt, daß der Spannungspegel an der Zelle (12) unter dem minimum Wert (Vref) ist. Eine Falschmeldung von einem gebrochenen Strahl (32) kann beim Gebrauch des Verstärkers (26) verhindert werden. Kompensator (28) dient zur Haltung des Ausgangssignales "niedrig" mit einem vorhandenen Signal von Verstärker (26) und auch zur Erhöhung des Strompegels des Spannungsverstärkersignals, der von Verstärkern (22) und (24) kommt.

Die Vorteile im Aufbau des Vorverstärkers (16) wie in Fig. 2 gezeigt werden in der folgenden Beschreibung der Fig. 3 klar gemacht, worin das Ausgangssignal des Kompensators (28) gezeigt ist, als Faden (20) durch den Lichtstrahl (32) fällt, und eine totale Blockierung des Lichtstrahles (32) zum Beispiel durch Stellung einer Hand im Lichtstrahl (32) entsteht. Verstärker (22) und (24) funktionieren, damit ihr Ausgang normalerweise "Hoch" (dh 10 V) ist und die von Zelle (12) erzeugte Spannungsabweichungen ein auf Null fallendes Ausgangssignal des Verstärkers (24) veranlaßt, als Faden (20) durch den Lichtstrahl (32) fällt.

Wenn ein Faden (20) durch den Lichtstrahl (32) fällt, wird der Gleichstrom-Pegel-Diskriminator (Kompensator) (26) angeben, daß die in Zelle (12) erzeugte Spannung nicht unter den eingestellten Wert (Vref) fällt, während die Zweistufenverstärker (Wechselstrom) (22) und (24) das schnell fallende Signal verstärken, um ein null Ausgang am Kompensator (28) zu produzieren. Im Falle einer größeren Blockierung des Laserstrahles (10) stellt Kompensator (26) fest, daß der bei Zelle (12) erzeugte Pegel tiefer als der eingestellte Referenzwert gefallen ist, und verursacht Kompensator (28) das Ausgangssignal auf Null zu stellen.

Wenn das Signal an der Zelle (12) auf Null fällt, werden die Wechselstromverstärker (22) und (24) ein null Ausgangssignal für einen kurzen Zeitpunkt und dann wieder ein 10 V Ausgangssignal erzeugen, weil die Spannung an Zelle (12) konstant bleibt, wenn Lichtstrahl (32) blockiert ist. Ohne den Schwellenwert-Detektor- Verstärker (Schwellenwert-Kompensator) (26) würde die Blockierung des Lichtstrahles (32) veranlassen, daß das Ausgangssignal von 10 V auf 0 V und dann wieder zurück auf 10 V fällt, was keinen Unterschied von einem fallenden Faden (20) machen würde. Mit der Zugabe des Schwellenwert-Erfassungs-Verstärkers (Schwellenwert-Kompensators) (26) wird das Ausgangssignal vom Kompensator (28) auf 0 V gehalten, auch wenn der Ausgang vom Verstärker (24) zurück auf 10 V geht. Wenn die Hand aus dem Lichtstrahl (32) wie in Fig. 3 gezeigt entfernt wird, werden die Schwankungen in der Spannung von der Zelle (12) veranlassen, daß die Verstärker (22) und (24) ihr Ausgangssignal von 10 V auf 0 V und dann wieder zurück auf 10 V fallen lassen.

In der bevorzugten Ausführung wird die Dauer des 0 V Zustandes des Ausgangssignales von Computer (18) gemessen, um festzustellen, ob das Ausgangssignal zu einem durch den Lichtstrahl (32) fallenden Faden gehört, d. h. ob das Ausgangssignal ein gutes Alarm-Signal zur Abstellung des Webstuhles oder einen falschen durch die Unterbrechung des Lichtstrahles (32) durch eine Hand oder das Ausbleiben einer Laserquelle (10) erzeugten Alarm darstellt. Die oben genannten Bedingungen sind bei kurzen und langen null Zustände dargestellt. Wenn ein längerer 0 V Zustand entdeckt wird, wird der darauffolgende Anstieg, Fall und Aufstieg im Ausgangssignal nicht beachtet, um einen falschen Alarm zu vermeiden. Obwohl ein falscher Alarm nicht zur sofortigen Abstellung des Webstuhles gebraucht wird, erhält der Weber trotzdem eine Warnung durch den Computer. Das Ausgangssignal des Vorverstärkers ist vorzugsweise ein digitales "Hoch/Nieder"-Signal, das der Computer (18) einfach verarbeiten kann.

Obwohl in der bevorzugten Ausführung des Vorverstärker schalterkreises (16) einen Schwellenwert-Detektor weist, ist es natürlich möglich, das Signal von Zelle (12) zu verstärken und direkt zum Computer (18) zur Analyse weiterzuleiten.

Obwohl in der bevorzugten Ausführung werden kleine Wechselstromabweichungen in der von Zelle (12) erzeugte Spannung gebraucht, kann der Fachmann auch erkennen, daß es möglich ist, ein Gleichstromsignal von Zelle (12) zur Erkennung eines gebrochenen oder teils gebrochenen Lichtstrahles (32) zu gebrauchen, besonders in Fällen wo ein großer Teil des Lichtstrahles (32) durch ein durch den Lichtstrahl (32) fallendes Objekt blockiert wird. Selbstverständlich muß es geschätzt werden, daß es zur Festhaltung eines Fadens (20) von einem Durchmesser von weniger als 0,01 mm eine sehr hohe Empfindlichkeit braucht.

10 Laser
12 Siliziumphotozelle
14 Filter
16 Signalverarbeitungsmittel
18 Computer
20 Faden
22 Erste Vorverstärker
24 Zweite Vorverstärker
26 Schwellenwertkompensator
28 Kompensator

Claims

1. Ein Lichtschranke-Unterbrechungs-Detektor-Apparat mit einer Lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (32); einem Lichtempfänger (30,12) zur Aufnahme und Entdeckung des Lichtstrahls (32), um ein Ausgangssignal zu erzeugen; und einem an das Ausganssignal des Empfängers (30, 12) angeschlossenen Signalverarbeitungsmittel (16, 18) zur Festhaltung einer Unterbrechung vom Strahl (32) durch ein Objekt (20), dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (30, 12) eine Detektor-Oberfläche genügend größer als der Lichtstrahl (32) weist, damit der Strahl (32) auf die Oberfläche des Empfängers (30, 12) aufschlägt, auch wenn der Strahl (32) über die Oberfläche vibriert, und daß das Ausgangssignal des Empfängers (30, 12) hauptsächlich konstant ist, wenn sich der Strahl (32) über die Empfängeroberfläche bewegt, ohne daß der Strahl (32) gebrochen wird.

2. Apparat nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsmittel (16, 18) einen Wechselstrom-Signal- Detektor zur Erfassung einer durch einen teilweise gebrochenem Strahl (32) hervorgerufenen Veränderung im Ausgangssignal weist, und daß der Strahl (32) im Vergleich zum Objekt (20) so dimensioniert ist, daß es nur ein Teil des Strahls (32) unterbricht, wenn sich das Objekt (20) durch den Strahl (32) bewegt.

3. Apparat nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) eine Laser-Diode ist.

4. Apparat nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (12) eine einzige Siliziumphotozelle ist.

5. Apparat nach Anspruch 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (30) aus einem Gehäuse besteht, worin sich die Detektor-Oberfläche (12) und ein Licht-Filter (14) befinden, der zur Blockierung des umgebenden Lichtes und zum Durchlaß des Strahls (32) dient.

6. Apparat nach Anspruch 2, 3, 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) und der Lichtempfänger (30, 12) an einen mechanischen Webstuhl angebaut sind, und daß das Objekt (20) einer der vielen Fäden des Webstuhles ist.

7. Apparat nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsmittel (16) einen hoch-empfindlichen Wechselstrom-Verstärker und einen Gleichstrom-Schwellenwert- Spannungspegel-Detektor weist.

8. Apparat nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß das Signalverarbeitungsmittel (16) im weiteren aus einem Kompensator (28) besteht, die an den Ausgang des Wechselstrom-Verstärkers (22, 24) und an den Ausgang des Schwellenwert-Kompensators (26) angeschlossen ist, um den Ausgang des hoch-empfindlichen Wechselstrom-Verstärkers (22, 24) zu unterdrücken, während der Schwellenwert-Kompensator (26) einen vorgewählten "niedrig Pegel" des Signales erfaßt.

9. Apparat nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (32) einen Durchmesser von 1 bis 9 mm hat, daß der Faden (20) einen Durchmesser von 0,01 bis 1,0 mm hat, und daß der Empfänger (30) eine Siliziumphotozelle (12) mit Durchmesser von wenigstens 1,0 cm weist.

10. Apparat nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Oberfläche (12) vom Licht-Filter (14) entfernt ist, und daß ein Teil des Empfängergehäuses zwischen dem Filter (14) und der Detektor-Oberfläche (12) lichtabsorbierend ist, damit eindringendes Fremdlicht, das durch den Filter (14) durchdringt aber nicht direkt auf die Oberfläche (12) aufschlägt, hauptsächlich vom lichtabsorbierenden Teil absorbiert wird.

11. Ein Lichtschranke-Unterbrechungs-Detektor-Apparat mit einer Lichtquelle (10) zur Erzeugung eines Lichtstrahls (32) und einem Lichtempfänger (30, 12) zur Aufnahme und Entdeckung des Lichtstrahls (32), um ein Ausgangssignal zu erzeugen, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (30, 12) eine Detektor-Oberfläche (12) genügend größer als der Lichtstrahl (32) weist, damit der Strahl (32) auf die Oberfläche des Empfängers (30, 12) aufschlägt, auch wenn der Strahl (32) über die Oberfläche vibriert, und daß das Ausgangssignal des Empfängers (30, 12) hauptsächlich konstant ist, wenn sich der Strahl (32) über die Empfängeroberfläche bewegt, ohne daß der Strahl (32) gebrochen wird.

12. Apparat nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) eine Laser-Diode ist.

13. Apparat nach Anspruch 11 oder 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger (12) eine einzige Siliziumphotozelle ist.

14. Apparat nach Anspruch 11, 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Lichtempfänger (30) aus einem Gehäuse besteht, worin sich die Detektor-Oberfläche (12) und ein Licht-Filter (14) befinden, der zur Blockierung des umgebenden Lichtes und zum Durchlaß des Strahls (32) dient.

15. Apparat nach Anspruch 11, 12, 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Lichtquelle (10) und der Lichtempfänger (30, 12) an einen mechanischen Webstuhl angebaut sind, und daß das Objekt (20) einer der vielen Fäden des Webstuhles ist.

16. Apparat nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Strahl (32) einen Durchmesser von 1 bis 9 mm hat, daß der Faden (20) einen Durchmesser von 0,01 bis 1,0 mm hat, und daß der Empfänger (30) eine Siliziumphotozelle (12) mit Durchmesser von wenigstens 1,0 cm weist. 17. Apparat nach Anspruch 14 oder 15, dadurch gekennzeichnet, daß die Detektor-Oberfläche (12) vom Licht-Filter (14) entfernt ist, und daß ein Teil des Empfängergehäuses zwischen den Filter (14) und der Detektor-Oberfläche (12) lichtabsorbierend ist, damit eindringendes Fremdlicht, das durch dem Filter (14) durchdringt aber nicht direkt auf die Oberfläche (12) aufschlägt, haupt sächlich vom lichtabsorbierenden Teil absorbiert wird.