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HINTERGRUND
DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Vorrichtung
zum Bereitstellen einer Anzeige der Anwesenheit eines Gegenstands
bzw. Objekts innerhalb einer Klemmzone, die im Pfad bzw. Weg einer
automatisierten Schließvorrichtung,
wie beispielsweise ein mit einem Motor angetriebenen bzw. kraftbetriebenen
Fenster, einem mit einem Motor betriebenen Schiebedach, einem mit
Motor betriebenen Tor oder Luke, unter Verwendung eines optischen
Sensors, und genauer die Verwendung eines optischen Sensors, der
einen synchronen Detektionsverstärker
inkorporiert bzw. enthält,
um selektiv das gewünschte
Lichtsignal bei der Anwesenheit von Umgebungslicht und elektronischem
Rauschen zu verstärken.
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Schließvorrichtungen
für Öffnungen,
wie beispielsweise Fahrzeugfenster, Sonnen- bzw. Schiebedächer und
Schiebetüren
sind nun gewöhnlich
motorangetrieben. Als eine Annehmlichkeit bzw. Bequemlichkeit für eine Bedienungsperson
oder einen Fahrgast eines Fahrzeugs sind mit Motor bzw. Kraft angetriebene
Fenster häufig
mit Regel- bzw. Steuermerkmalen für das automatische Schließen und Öffnen einer Öffnung ausgestattet
bzw. versehen, die einem einfachen, kurzen Befehl von der Bedienungsperson
bzw. dem Betätiger
oder Fahrgast folgen. Alternativ kann ein automatisches Schließen und Öffnen einer Öffnung in
Antwort auf eine Eingabe von einer getrennten Vorrichtung, wie beispielsweise
einem Regen- oder Temperatursensor sein. Beispielsweise kann einem
Fahrerseitenfenster befohlen werden, sich von irgendeiner hinuntergelassenen
Position zu einer vollständig
geschlossenen Position anzusteigen, einfach durch augenblickliches
bzw. momentanes Anheben eines Abschnitts eines Fensterregel- bzw.
-steuerschalters, worauf der Schalter freigegeben wird. Dies wird
manchmal als ein "Expreßschließ"-Merkmal erwähnt bzw.
bezeichnet. Dieses Merkmal wird auch gewöhnlich in Verbindung mit Fahrzeugschiebedächern vorgesehen
bzw. bereitgestellt. Autohersteller können auch diese Merkmale in Verbindung
mit motor- bzw.
kraftangetriebenen Türen,
Luken bzw. Heckklappen und dgl. bereitstellen. Derartige automatisierte Öffnungsschließmerkmale können auch
in verschiedenen anderen Heim- oder industriellen
Schauplätzen
verwendet werden.
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Zusätzlich zum
Bereitstellen einer erhöhten Bequemlichkeit
können
jedoch solche Merkmale ein früher
nicht angetroffenes Sicherheitsrisiko einführen. Körperteile oder nicht belebte
Gegenstände
können
innerhalb einer Öffnung
vorhanden sein, wenn ein Befehl gegeben wird, das Fenster oder Tor
automatisch zu schließen.
Beispielsweise kann ein automatisches Windschließmerkmal aktiviert werden aufgrund
von Regen, der auf einen damit verbundenen Regensensor auftrifft,
während
ein Tier im Fahrzeug seinen Kopf außerhalb des Fensters hat. Ein
weiteres Beispiel beinhaltet ein Kind, das seinen Kopf durch ein
Fenster oder Schiebedach plaziert hat, das durch den Fahrer, einen
anderen Fahrgast oder zufällig
durch das Kind aktiviert wird zu schließen.
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Um
potentiell bzw. möglicherweise
tragische Unfälle
oder eine Eigentumsbeschädigung
zu vermeiden, die plötzlich
dazwischenkommende Gegenstände
mit sich bringen, die durch mit einem Motor bzw. Kraft angetriebene
Fenster oder Schiebedächer gefangen
sind, wurden Systeme entwickelt, welche den Umstand detektieren,
in welchem einem Fenster befohlen wurde, expreß bzw. rasch zu schließen, wobei
je doch ein Schließen
nicht innerhalb einer bestimmten Zeitperiode aufgetreten ist. Als
ein Beispiel kann ein System die Zeit überwachen, die ein Fenster
braucht, um einen geschlossenen Zustand zu erreichen. Wenn eine
Zeitschwelle überschritten
ist bzw. wird, wird das Fenster automatisch heruntergelassen bzw.
abgesenkt. Ein anderes System überwacht
den elektrischen Stromabfluß,
der dem Motor zugeschrieben wird, der das Fenster antreibt. Wenn er
eine vorbestimmte Schwelle bei einer unangebrachten Zeit während der
Schließtätigkeit
bzw. des Schließvorgangs überschreitet,
wird das Fenster nochmals heruntergelassen.
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Das
Problem mit solchen Sicherheitssystemen ist, daß ein dazwischentretender Gegenstand zuerst
gefangen und der Schließkraft
des Fensters oder einer anderen Schließvorrichtung für eine diskrete
Zeitperiode ausgesetzt sein muß,
bevor der Sicherheitsmechanismus das Fenster herunterläßt oder
das Schiebedach oder eine andere Schließvorrichtung umkehrt. Eine
Verletzung einer Person oder eine Beschädigung am Eigentum kann noch
in solchen Systemen auftreten. Außerdem kann, wenn ein mechanisches
Versagen im Fensterantriebssystem auftritt oder wenn eine Sicherung
durchgebrannt ist, die Person oder der Gegenstand gefangen bleiben.
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Detektionssysteme,
die den Gegenstand nicht kontaktieren, sind bekannt, welche das
Vorhandensein bzw. die Anwesenheit eines dazwischentretenden Gegenstands
innerhalb eines offenen Bereichs detektieren. Derartige Systeme
umfassen bzw. enthalten beispielsweise Sicherheitssysteme und Garagentor-Sicherheitsverriegelungen,
um die Unterbrechung eines Lichtstrahls über eine Öffnung zu detektieren. Andere
Systeme werden mit selbstbewegenden Öffnungen verwendet, die motorisierte Schließglieder
aufweisen, wie beispielsweise Fenster, Schiebedächer, Schiebetore bzw. -türen, um
einen dazwischentretenden Gegenstand nahe der oder sich erstreckend
durch die entsprechende Öffnung
zu detektieren. Eine unerwünschte
Betätigung eines Öffnungsschließglieds
wird deshalb verhindert, wenn ein dazwischentretender Gegenstand,
wie beispielsweise ein Finger oder Arm durch die Öffnung während eines
Schließens
ausgestreckt wird; es ist nicht erforderlich, daß das Schließglied mit
dem dazwischentretenden Gegenstand in Kontakt gelangt, damit der
Gegenstand detektiert wird.
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Derartige
Objekt- bzw. Gegenstands-Detektionssysteme messen typischerweise
die Größe eines
reflektierten Signals, um das Vorhandensein oder Nicht-Vorhandensein
eines dazwischentretenden Gegenstands zu bestimmen. Ein Licht- bzw. Photoemitter
emittiert einen Lichtstrahl, welchen ein optisches System quer über die Öffnung richtet,
die überwacht
wird. Eine nicht unterbrochene Öffnung kann
in einer Reflexion wenigstens eines gewissen Teils bzw. Anteils
des emittierten Strahls von der gegenüberliegenden Seite der Öffnung resultieren.
Ein Photo- bzw. Lichtempfänger,
der in einer geeigneten Stelle angeordnet ist, empfängt den
reflektierten Lichtstrahl und erzeugt ein Ausgangs- bzw. Ausgabesignal,
das für
die Intensität
des reflektierten Strahls hinweisend bzw. anzeigend ist. Eine Reflexion
von der gegenüberliegenden
Seite resultiert gewöhnlich in
einem reflektierten Signal einer gut definierten Intensität, die zu
dem Empfänger
retourniert wird. Alternativ kann der emittierte Strahl so gerichtet
sein bzw. werden, daß er
ein gegenüberliegendes
Glied streifen oder nicht treffen kann, in welchem Fall wenig oder
keine Lichtenergie in Abwesenheit eines Gegenstands in der Öffnung retourniert
werden kann. Ein dazwischentretender Gegenstand, der im Pfad des
Lichtstrahls angeordnet ist, ändert
die Intensität des
reflektierten Lichtstrahls, einen Zustand, der im Detektorausgabesignal
reflektiert bzw. wiedergegeben ist. Das Detektorausgabesignal mit
einem Gegenstand in der Öffnung,
die überwacht
wird, wird sich somit vom Detektorausgabesignal in der Abwesenheit
eines Gegenstands bzw. Objekts unterscheiden. Abhängig von
der Reflektivität
des dazwischentretenden Gegenstands und der Reflexionsmerkmale bzw.
-charakteristika der Öffnungsumgebung
wird das Detektorausgabesignal größer oder kleiner als das nominelle
bzw. Nennausgabesignal vom Detektor sein.
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Diese
optischen Systeme jedoch sind anfällig für eine Beeinträchtigung
bzw. Interferenz durch Umgebungslicht, wie beispielsweise Sonnenlicht
als auch fluoreszierende und glühende
obenliegende Beleuchtung. Lösungen
gemäß dem Stand
der Technik haben die Verwendung von synchronen Detektoren und "Beurteilungsschaltungen" enthalten, die aus einer
Anzahl von logischen Schaltungen bestehen, die miteinander gekoppelt
sind. Diese Beurteilungsschaltungen jedoch sind noch anfällig für beeinträchtigendes
Sonnenlicht. Außerdem
enthalten diese Beurteilungsschaltungen typischerweise mehrere Stufen,
von denen jede mehrere digitale Logikschaltungen enthält. Die
große
Anzahl von Teilen, die mit den Beurteilungsschaltungen assoziiert
bzw. verbunden sind, kann sowohl die Energie bzw. Leistung, die
verbraucht wird und als Wärme
abgeleitet wird, erhöhen als
auch die Kosten erhöhen,
die mit der Gegenstandsdetektionsschaltung assoziiert bzw. verbunden
sind.
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Es
würde deshalb
erwünscht
sein, eine Vorrichtung und ein Verfahren zum Detektieren des Vorhandenseins
eines Gegen stands bzw. Objekts bereitzustellen, indem eine Änderung
in einem Lichtsignal gemessen wird, das bei Vorhandensein von Umgebungslicht
empfangen wird, und welches auf eine derartige Weise kalibriert
oder initialisiert werden kann, um den Anteil des Signals zu löschen bzw.
aufzuheben, der nicht mit einem Hindernis assoziiert bzw. verbunden
ist. Vorzugsweise stellt eine derartige Vorrichtung eine erhöhte Genauigkeit
bereit, indem die Wirkung bzw. der Effekt des beeinträchtigenden
Umgebungslichts verringert wird, während weniger Teile verwendet
werden und weniger Energie als im Stand der Technik verbraucht wird.
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KURZE ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Es
werden ein Verfahren und eine Vorrichtung für das Abtasten bzw. Erfassen
eines Gegenstands bzw. Objekts durch einen optischen Sensor geoffenbart,
der eine synchrone Detektion und einen Integrator zum Trennen eines
gewünschten
optischen Signals von Umgebungslicht und elektronischem Rauschen
als auch Mittel zum Annullieren bzw. Aufheben modulierter Energie
von Merkmalen bzw. Eigenschaften der Umgebung verwendet, die nicht
mit dem Gegenstand in der Öffnung
assoziiert bzw. verbunden sind.
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In
einer Ausführungsform
enthält
das System einen Modulator, der einen Licht- bzw. Photoemitter und
einen geschalteten Verstärker
mit jeweils ersten und zweiten Modulationssignalen antreibt. Ein Licht-
bzw. Photodetektor empfängt
einen Anteil des Lichts, das von der Klemmzone und/oder einem Gegenstand
bzw. Objekt darin reflektiert wird, und stellt ein optisches Detektorsignal
bzw. Signal eines optischen Detektors an den geschalteten Verstärker zur Verfügung.
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Der
geschaltete Verstärker
weist einen ersten Eingang, der mit dem Signal des optischen Detektors
gekoppelt ist, und einen zweiten Eingang auf, der mit einer Referenz-
bzw. Bezugsspannung verbunden ist. Dieser Verstärker schaltet abwechselnd zwischen
zwei Phasen um, womit eine erste Verstärkung entsprechend dem aktiven
Zustand des Photoemitters und eine zweite Verstärkung von entgegengesetzter
Polarität
entsprechend dem inaktiven Zustand des Photoemitters zur Verfügung gestellt
werden. Der geschaltete bzw. umgeschaltete Verstärker stellt ein Ausgangs- bzw.
Ausgabesignal bereit, das eine erste Spannung enthält, die
aus dem Unterschied zwischen dem verstärkten Signal des optischen
Detektors beim ersten Eingang und dem Bezugssignal beim zweiten
Eingang resultiert, das mit der ersten Verstärkung während der aktiven Phase multipliziert
ist, gefolgt von der zweiten Spannung, die aus dem Unterschied zwischen
dem Detektorausgabesignal und dem Bezugssignal resultiert, das durch
die zweite Verstärkung
während
der inaktiven Phase multipliziert wird. Die erste und zweite Verstärkung und
die Dauer der aktiven und inaktiven Phase der Meßperioden sind bzw. werden
auf eine solche Weise ausgewählt,
daß die
Verstärkung
des geschalteten Verstärkers
einen Durchschnittswert von null aufweist, wenn kein optisches Signal
vorhanden ist, wenn über
eine vorbestimmte Meßperiode
gemittelt wird, welche wenigstens ein Paar von aktiven und inaktiven
Phasen enthält
und viele solche Paare enthalten kann.
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Das
Hindernisdetektionssystem enthält
weiterhin Mittel, um elektronisch den Unterschied zwischen einer
Ausgabe des geschalteten Verstärkers und
einer einstellbaren Referenz- bzw.
Bezugsspannung für
eine vorbestimmte Meßzeit
zu inte grieren. Der Integrator ist konfiguriert und angeordnet,
um das Ausgabesignal des geschalteten Verstärkers über wenigstens eine aktive
Phase und inaktive Phase zu integrieren, und um ein Integratorausgabesignal
bereitzustellen. Ein Detektor empfängt das Integratorausgabesignal
und ist konfiguriert und angeordnet, um Indizes bzw. Anzeigen der
Anwesenheit oder Abwesenheit eines Gegenstands innerhalb der Klemmzone
bereitzustellen. In einer bevorzugten Ausführungsform ist die Bezugsspannungseingabe an
den Integrator so ausgewählt,
daß sich
die Ausgabespannung nur signifikant bzw. merklich ändert, wenn
ein Gegenstand in der überwachten Öffnung vorhanden
ist. Ein Detektorelement überwacht
das Integratorausgabesignal und ist konfiguriert und angeordnet,
um Anzeigen bzw. Hinweise der Anwesenheit oder Abwesenheit eines
Gegenstands innerhalb der Klemmzone bereitzustellen.
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KURZE BESCHREIBUNG
VON MEHREREN ANSICHTEN DER ZEICHNUNG
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Die
Erfindung wird vollständiger
unter Bezugnahme auf die folgende detaillierte Beschreibung in Verbindung
mit den Zeichnungen verstanden werden, von welchen:
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1 ein
Blockdiagramm des optischen Erfassungs- bzw. Abtastsystems ist,
das in der gegenwärtig
geoffenbarten Erfindung verwendet wird;
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2 ein
schematisches Diagramm des Photodetektors und Eingabeverstärkers von 1 ist;
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3 ein
schematisches Diagramm des geschalteten Verstärkers von 1 ist;
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4 ein
schematisches Diagramm des Subtraktionsmoduls und Integrators von 1 ist;
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5 ein
Blockdiagramm des Modulators und Photoemitter-Treibers/Verstärkers von 1 ist;
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6 ein
schematisches Diagramm der Treiber/Verstärkerschaltung 508 von 5 zusammen
mit einer typischen Temperaturkompensationsschaltung 510 ist;
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7 ein
Timing- bzw. Zeitgeberdiagramm eines Modulationssignals ist, das
an den geschalteten Verstärker
und Photoemitter von 1 bereitgestellt wird; und
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8 ein
Timing- bzw. Taktdiagramm eines Modulationssignals ist, das an den
geschalteten Verstärker
und Photoemitter von 1 bereitgestellt wird.
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DETAILLIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Ein
Verfahren und eine Vorrichtung zum Detektieren bzw. Erkennen der
Anwesenheit eines Gegenstands innerhalb einer Klemmzone einer automatisierten
Schließvorrichtung,
wie beispielsweise eines motor- bzw. kraftbetriebenen Schiebedachs,
motor- bzw. kraftbetriebenen Fensters, oder eines motor- bzw. kraftbetriebenen
Tors bzw. einer Türe
oder Heckklappe wird geoffenbart. Die Definition der Klemmzone variiert
abhängig
von der Natur bzw. Beschaffenheit der automatisierten Schließvorrichtung. Beispielsweise
ist, wenn die automatisierte Schließvorrichtung ein energie- bzw. kraftunterstütztes Schiebeschließglied,
wie beispielsweise ein motor- bzw. kraftangetriebenes Schiebedach,
ein motor- bzw. kraftangetriebenes Fenster, oder ein motor- bzw. kraftangetriebenes
Tor umfaßt,
die Klemmzone durch eine vordere Kante eines Schließglieds
und eines Abschnitts der Öffnung
definiert, die einen Anschlußabschnitt
der Durchtrittsöffnung
mit der vorderen Kante des Schließglieds definiert. Wenn die Schließvorrichtung
ein mit motor- bzw. kraftbetriebenes, angelenktes bzw. mit Scharnier
versehenes Tor oder eine Heckklappe oder eine motor- bzw. kraftgetriebene
Drehtür
umfaßt,
ist die Klemmzone allgemein eine Ebene, die durch einen Rand bzw.
eine Kante der Öffnung
definiert ist, die durch den vorderen Rand des Tors bzw. der Türe oder
Heckklappe angenähert
ist, und eine Linie benachbart dem Öffnungsrand im Weg einer Bewegung
des vorderen Rands der Türe
oder Heckklappe.
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In
jeder der hierin beschriebenen Ausführungsformen ist eine Meßperiode
eine vorbestimmte Zeitperiode, die wenigstens eine aktive Phase
und wenigstens eine inaktive Phase enthält. Wie hierin verwendet, ist
eine aktive Phase eine Zeitperiode, in welcher ein Photoemitter
eine Beleuchtung bereitstellt. Ähnlich
ist, wie hierin verwendet, eine inaktive Phase eine Zeitperiode,
in welcher ein Photoemitter eine Beleuchtung nicht bereitstellt.
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Das
Hindernisdetektions- bzw. -erkennungssystem beinhaltet einen optischen
Sensor, der ein moduliertes Lichtsignal empfängt, das durch einen Photoemitter
bereitgestellt wird, der temporär
bzw. zeitlich vorübergehend
durch ein Modulationssignal geregelt bzw. gesteuert wird. Der Photoemitter
stellt eine Beleuchtung des Fensters oder einer anderen Öffnung während der
zwei oder mehreren aktiven und inaktiven Phasen einer Meßperiode
bereit. Ein dazwischen tretender Gegenstand innerhalb der Klemmzone
reflektiert einen Anteil der Beleuchtung, die durch den Photoemitter
bereitgestellt wird, und stellt ein reflektiertes Lichtsignal zur
Verfügung.
Außerdem
kann oder kann nicht abhängig
von der Richtung und der Form bzw. Gestalt des emittierten Lichtstrahls
die gegenüberliegende
Seite der Öffnung auch
Licht zurück
zum Photodetektor reflektieren. Ein oder mehrere Photodetektor(en)
empfängt
(empfangen) das reflektierte Lichtsignal und stellt (stellen) ein
Detektorausgabesignal bereit, das für ein oder mehrere Merkmal(e)
des empfangenen reflektierten Lichtsignals hinweisend ist. Das Detektorausgabesignal
kann ein analoges Signal, wie beispielsweise eine Spannung oder
ein elektrischer Strom, oder ein digitales Ausgabesignal sein. Das
Hindernisdetektionssystem be- bzw.
verarbeitet das Detektorausgabesignal, um eine Anzeige der Anwesenheit
oder Abwesenheit eines dazwischen tretenden Gegenstands innerhalb
der Klemmzone bereitzustellen.
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Das
Detektorausgabesignal wird zuerst vorverstärkt und dann synchron durch
einen schaltenden bzw. Schaltverstärker detektiert. Das resultierende
Signal wird durch ein Integrieren über eine vorbestimmte Meßperiode
vor einem Vergleich mit einem vorbestimmten Schwellwert gemittelt.
Der vorbestimmte Schwellwert ist bzw. wird bestimmt, um die Wirkung
eines Gegenstands bzw. Objekts in der Öffnung darzustellen. Wie hierin
verwendet, verwendet eine synchrone Detektion einen Schaltverstärker, der einen
ersten und zweiten Eingang aufweist. Jeder Eingang wird zwischen
einer ersten und zweiten Verstärkung
in einer Weise umgeschaltet, die synchron zu der (den) aktiven Phase(n)
und inaktiven Phase(n) einer Meßperiode
ist. Der Schaltverstärker
schaltet das Detektorausgabesignal von der ersten Verstärkung auf
die zweite Verstärkung
synchron mit der Beleuchtung um, die durch die modulierte Lichtquelle bereitgestellt
wird.
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Die
erste und zweite Verstärkung,
die Dauer der aktiven und inaktiven Phase, und die Anzahl von aktiven
und inaktiven Phasen innerhalb einer Meßperiode sind bzw. werden ausgewählt, um
das Niveau einer Hintergrundinterferenz von Umgebungslichtquellen
zu verringern. Die obigen Werte sind so ausgewählt, daß in Abwesenheit eines modulierten Lichtsignals
der durchschnittliche oder integrierte Wert der Schaltverstärkerausgabe
sich nicht von seinem Anfangswert über eine Meßperiode ändern wird. Somit werden irgendwelche
Signale, die nicht synchron mit dem modulierten Lichtsignal sind,
d.h. Signale, die sowohl während
der aktiven als auch inaktiven Phasen einer Meßperiode vorhanden sind, gemittelt
oder über
die Meßperiode
auf null integriert. Ein Mitteln oder Integrieren der Ausgabe des
geschalteten Verstärkers
wird die nicht synchronen Hintergrundsignale von einer weiteren
Verarbeitung entfernen, so daß sie
nicht die Detektion von Hindernissen innerhalb der Klemmzone stören wird.
Die Ausgabe aus dem Schaltverstärker
wird über
eine Meßperiode
integriert, die eine oder mehrere aktive und inaktive Phase(n) enthalten
kann. Indem erlaubt wird, daß die
Meßperiode
mehrere Phasen enthält,
können
falsche Signale, die zufällig
mit dem modulierten Lichtsignal über
nur eine oder zwei Aktivierungsperiode(n) korreliert sind bzw. werden,
entfernt werden und die Anzahl von falschen Alarmen wird verringert. Der
gemittelte oder integrierte Wert wird mit einem vorbestimmten Schwellwert
verglichen, um die Anwesenheit oder Abwesenheit eines Hindernisses
innerhalb der Klemmzone zu bestimmen, und eine geeignete Anzeige
kann erzeugt werden.
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Bezugnehmend
auf 1 stellt ein Modulator 110, oder alternativ
eine Mikroregel- bzw. -steuereinrichtung bzw. ein Mikrocontroller 122,
welche(r) ein internes Timing- bzw.
Zeitgeber- bzw. Taktsystem aufweisen kann, ein Modulationssignal 109 an
den Photoemitter-Treiber 111 bereit. Der Photoemitter-Treiber 111 stellt
die Energie bzw. Leistung an den Photoemitter 102 bereit,
der das modulierte Lichtsignal 103 bereitstellt. Der Photoemitter 102 kann
mit einem optischen System konfiguriert und angeordnet sein, um
verschiedene Muster einer Beleuchtung bereitzustellen. Bei spielsweise
können
die verschiedenen Muster einer Beleuchtung in der Form einer Ebene
von Licht, eines Lichtfächers
aus mehreren Facetten, der eine Mehrzahl von Fingern aufweist, oder
ein enger bzw. schmaler Lichtstrahl sein. Ein Gegenstand bzw. Objekt 101 reflektiert
wenigstens einen Anteil des einfallenden Lichts 103 und
einen gewissen Anteil des reflektierten Lichtsignals 105,
das auf einen Photodetektor 104 auftrifft. Der Photodetektor 104 erzeugt
ein Detektorausgabesignal 107, das auf wenigstens ein Merkmal
des reflektierten Lichtsignals 105 hinweisend ist. Der
Photodetektor 104 stellt das Detektorausgabesignal 107 an
den Eingang des Vorverstärkers 106 zur
Verfügung.
Der Vorverstärker 106 verstärkt das
Detektorausgabesignal 107 und stellt das verstärkte Detektorausgabesignal
an den geschalteten Verstärker 108 zur
Verfügung.
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Der
geschaltete Verstärker 108 ist
mit einem Modulationssignal 123 gekoppelt. Das Modulationssignal 123 regelt
bzw. steuert den geschalteten Verstärker 108 derart, daß der geschaltete
Verstärker 108 das
vorverstärkte
Detektorausgabesignal und ein Referenz- bzw. Bezugsspannungssignal 125 zwischen
der ersten und zweiten Verstärkung
umschaltet. Der geschaltete Verstärker 108 stellt eine
Ausgabe bereit, die der Unterschied zwischen den zwei Eingaben,
multipliziert mit der entsprechenden Verstärkung ist. Wie unten erklärt wird,
ist in einigen Ausführungsformen
die Dauer der inaktiven Phase des Modulationssignals 123 geringfügig länger in
der Dauer als die entsprechende aktive Phase des Modulationssignals 109,
das an den Photoemitter-Treiber 111 zur Verfügung bzw.
bereitgestellt wird. Diese längere Dauer
hindert kleine Phasenverschiebungen, die im Photosignal im Vorverstärker 106 auftreten
könnten, sich
in der Zeit in die inaktive Phase des Verstärkers zu verschieben und eine Selbst-Interferenz
zu verursachen. Ein Nicht-Null-Bezugsspannungssignal kann verwendet
werden, um ein "kein-Signal"-Spannungsniveau
zu etablieren bzw. aufzubauen, wenn eine Einzelschienen-Spannungszufuhr
in der illustrierten Ausführungsform
verwendet wird. Wie unten erklärt werden
wird, wird das vorverstärkte
Detektorausgabesignal mit der ersten Verstärkung während der aktiven Phase der
Meßperiode
und mit der zweiten Verstärkung
während
der inaktiven Phase der Meßperiode
multipliziert. Der schaltende bzw. Schaltverstärker 108, der durch
das Modulationssignal 123 angetrieben wird, führt eine
synchrone Detektion des vorverstärkten
Detektorausgabesignals durch.
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Eine
einstellbare vorbestimmte Offsetspannung 112 kann arithmetisch
mit dem synchron detektierten Signal kombiniert werden, um den Unterschied
zwischen der Ausgabe des geschalteten Verstärkers und der Bezugsspannung 113 zu
verringern und einen im wesentlichen Null-Durchschnittswert bereitzustellen,
wenn kein Hindernis innerhalb der Klemmzone ist. Deshalb wird, selbst
obwohl etwas reflektiertes Licht von den gegenüberliegenden Gliedern der überwachten Öffnung rückgeführt werden kann,
ein kleines oder kein Signal vorhanden sein. Wie unten erklärt werden
wird, kann die einstellbare Offsetspannung 112 während eines
Kalibrierungs- oder Initialisierungsprozesses vor einer Verwendung bestimmt
werden oder kann auf einer periodischen oder wie benötigten Basis
bestimmt werden.
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Ein
Integrator 114 empfängt
den Unterschied zwischen dem synchron detektierten Signal und der einstellbaren
Offsetspannung 112. Der Integrator 114 integriert
dieses Differenz- bzw. Unterschiedsignal über eine Meßperiode und stellt ein integriertes
Signal an den Detektor 116 zur Ver fügung. Eine Meßperiode
wird eingeleitet, indem der Integrator auf einen bekannten Wert
rückgestellt
wird.
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Die
Ausgabe des Integrators wird durch einen Detektor 116 überwacht,
der das integrierte Signal während
einer Meßperiode
mit einer vorbestimmten Schwelle vergleicht und Anzeigen bzw. Hinweise der
Abwesenheit oder Anwesenheit eines Gegenstands innerhalb der Klemmzone
erzeugt. In einer anderen Ausführungsform
wird ein Gegenstand detektiert, wenn der Detektor die Zeit mißt, die
für die Ausgabe
der Integratorstufe erforderlich ist, um sich um einen vorbestimmten
Wert zu ändern,
und die gemessene Zeit geringer als ein vorbestimmter Wert ist. In
einer anderen Ausführungsform
kann eine Mikroregel- bzw. -steuereinrichtung 122 entweder
die Spannung oder die Zeit überwachen,
wie dies oben diskutiert ist. In einer noch anderen Ausführungsform kann
der Detektor 116 konfiguriert sein, um den Löschungs- bzw. Rücksetzimpuls
unabhängig
vom Eingreifen der Mikroregel- bzw. -steuereinrichtung bzw. des
Mikrocontrollers zu erzeugen. In dieser Ausführungsform kann die Frequenz,
bei welcher die Rücksetzimpulse
erzeugt werden, als Hinweis eines Hindernisses in der Öffnung verwendet
werden.
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5 illustriert
eine Ausführungsform
eines Modulators 110 und eines Photoemitter-Treibers 111, die
für eine
Verwendung mit dem Hindernisdetektionssystem 100 geeignet
sind. Der Modulator 110 enthält einen Oszillator 502,
der betätigbar
ist bzw. arbeitet, um einen Zug bzw. eine Kette von geeigneten Pulsen
bzw. Impulsen mit bzw. bei einer vorbestimmten Frequenz und einem
vorbestimmten Lastzyklus zu einem Frequenzteiler 504 bereitzustellen.
In der illustrierten Ausführungsform
ist der Frequenzteiler 504 ein D-Flip-Flop- bzw. -Kippglied, das als
ein Frequenzteiler kon figuriert ist. Das D-Flip-Flop stellt eine Ausgabe
von Rechteck- bzw. Quadratwellenimpulsen bei einer Frequenz bereit,
die eine Hälfte
der vorbestimmten Frequenz des Oszillators ist, und stellt den Lastzyklus
auf im wesentlichen 50 % ein. Dieses Signal wird verwendet, um den
Schaltverstärker
zu modulieren. Indem der Lastzyklus im wesentlichen 50 % gemacht
wird, werden die aktiven Phasen und die inaktiven Phasen des schaltenden
bzw. Schaltverstärkers
die gleiche Dauer aufweisen. Dementsprechend wird der Zustand einer
Null-Durchschnittverstärkung
des Schaltverstärkers
erzielt, wenn die Verstärkerverstärkung während der
aktiven Phase gleich in der Größe, aber
entgegengesetzt im Vorzeichen zur Verstärkerverstärkung während der inaktiven Phasen
der Modulation ist. Wenn einige Fehler, die mit Signalphasenverschiebungen
assoziiert bzw. verbunden sind, toleriert werden können, kann
das Signal 123 auch verwendet werden, um die Lichtquelle
direkt zu modulieren. Andernfalls kann, wie illustriert, die 50
% Lastzyklus-Quadratwellenmodulation verwendet werden, um einen
Impuls von kürzerer
Dauer als die aktive Phase des Signals auszulösen, das verwendet wird, um
den Schaltverstärker
zu modulieren. Wie oben erwähnt,
erlaubt die Verwendung dieses sekundären Impulsgenerators, daß diese
aktive Phase der Lichtausgabe gänzlich
auf die aktive Phase des Schaltverstärkers in der Gegenwart von
verstärkerinduzierten
Phasenverschiebungen beschränkt
wird, und verhindert eine Selbst-Interferenz.
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In
anderen Ausführungsformen
kann der Verstärker
periodisch sein, aber einen Lastzyklus anders als 50 % aufweisen,
wie dies in 7 gezeigt ist. Das Erfordernis
für eine
Null-Durchschnittverstärkung über ein
Paar von Zyklen in diesem Fall wird erfüllt, wenn das Produkt der Verstärkerverstärkung während der
aktiven Phase mal der Dauer 708 der aktiven Phase gleich
in der Größe, aber
entgegengesetzt im Vorzeichen zum Produkt der Verstärkung der inaktiven
Phase mal ihrer Dauer 710 ist. Wie dies der Fall für eine 50
% Lastzyklusmodulation ist, kann die Dauer 706 der aktiven
Phase des Photoemitters eingestellt, um kürzer als die entsprechende
Phase 708 des Schaltverstärkers zu sein, um Fehler aufgrund von
Phasenverschiebungen zu vermeiden. Der Schaltverstärker 108 empfängt diese
Ausgabe 123 von Rechteck- bzw. Quadratwellen 702 vom
Frequenzteiler 504. Der Schaltverstärker 108 verwendet diese
Quadratwellen-Pulskette 702 zum Schalten der geschalteten
Verstärkereingaben
zwischen der ersten und zweiten Verstärkung. Zusätzlich empfängt ein monostabiler Multivibrator 506 die
Quadratwellen-Pulskette 702. In der illustrierten Ausführungsform
löst der
Monostabile 506 bei einem positiv gehenden Übergang
von jedem Puls bzw. Impuls aus. Der Monostabile 506 erzeugt
einen Impuls, der eine Breite hat, die geringfügig kleiner in der Dauer ist
als die positiven Impulse 708, die durch den Frequenzteiler 504 an
den geschalteten Verstärker 108 bereitgestellt
werden. 7 illustriert dies, wo die Puls- bzw.
Impulskette 702 an den geschalteten Verstärker 108 und
den Monostabilen 506 zur Verfügung gestellt wird. Es kann
gesehen werden, daß die
Ausgabe 109 des Monostabilen 506, die Impulskette 704,
eine kürzere
Dauer 706 aufweist, wenn mit der Dauer 708 der Impulskette 702 verglichen.
Dieser Unterschied in der Dauer der Aktivierungsphasen stellt sicher,
daß die
Beleuchtungszeit des Photoemitters 102 kleiner als die
aktive Phase des geschalteten Verstärkers ist. Dieses verhindert
jegliches "Ergießen" bzw. "Überlaufen" in die inaktive Phase der Meßperiode
durch die aktive Phase. In einer bevorzugten Ausführungsform
kann der Oszillator 502 ein 555 Zeitgeber sein, der
für eine
astabile Betätigung
konfiguriert ist. Der Mono stabile kann ein 555 Zeitgeber
sein, der für
eine monostabile Betätigung
konfiguriert ist, und in einer Ausführungsform kann ein 556 dualer
Zeitgeber sowohl für
den astabilen Abschnitt als auch den monostabilen Abschnitt der
Schaltung verwendet werden.
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In
einigen Fällen
können
komplexere Modulationswellenformen nützlich sein. Beispielsweise wird
es in Anwendungen, wo eine Sicherheit erforderlich ist, nützlich sein,
daß das
Modulationsschema nicht durch eine einfache externe Vorrichtung
zunichte gemacht werden kann. In diesem Fall kann eine Mikroregel-
bzw. -steuereinrichtung 122 verwendet werden, um komplexere
Modulationswellenformen zu erzeugen, die verschiedene Merkmale bzw.
Eigenschaften in bezug auf den Lastzyklus und die Periodizität und Symmetrie
der Wellenformen aufweisen. Beispielsweise kann die Mikroregel-
bzw. -steuereinrichtung 122 programmiert sein, um eine
aperiodische oder pseudozufällige
Impulskette bereitzustellen, in welcher der Lastzyklus viel weniger
oder viel mehr als 50 % ist. In diesen Fällen kann es mehr als ein Paar
von aktiven und inaktiven Phasen in jeder Meßperiode geben. Solange die
Bedingung bzw. der Zustand für
die Null-Durchschnitts-Schaltverstärkerverstärkung über die
Meßperiode
erzielt wird, wird das Detektionsschema die gewünschte Selektivität bereitstellen.
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In
dieser Ausführungsform
kann eine Mikroregel- bzw. -steuereinrichtung verwendet werden,
um die Phasendauer(n) aus einer vorbestimmten Tabelle der pseudozufälligen Werte
auszuwählen,
die so berechnet wurden, daß die
Gesamtdauer der inaktiven und aktiven Phase die gleiche ist, wenn über die
gesamte Meßperiode
summiert wird. Alternativ könnten RDAC's als R312 und R
308 verwendet werden und durch die Mikroregel- bzw. -steuereinrichtung
programmiert werden, um das Signal an einer phasenweisen Basis auszugleichen.
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In
einigen Anwendungen kann es wünschenswert
sein, einen Lichtemitter, wie beispielsweise eine Blitzlampe und
bestimmte Typen von LED's
und Laservorrichtungen zu verwenden, für welche die aktive Phase als
Ereignisse von sehr kurzer Dauer charakterisiert ist. In diesen
Fällen
kann sich der Lastzyklus, der mit der aktiven Phase assoziiert bzw.
verbunden ist, 0 % annähern.
Wenn dieser Zustand zutrifft, wird eine sehr einfache Implementierung
des geschalteten Verstärkers
möglich.
Anstelle eines Schaltens zwischen positiver und nicht positiver
Verstärkung
während
der jeweiligen Phasen braucht der Verstärker nur zwischen einer Null-Verstärkung während der
inaktiven Phase und einer Nicht-Null-Verstärkung zu schalten, wenn die
Lichtquelle aktiv ist. Mit anderen Worten, der Schaltverstärker ist
einfach ein Verstärker,
der eingeschaltet wird, wenn das Licht eingeschaltet ist, und ausgeschaltet
wird, wenn das Licht ausgeschaltet ist. Die durchschnittliche Verstärkung wird
nun ungefähr
null über
die Meßperiode.
Wellenformen 802 und 804 zeigen das Modulationssignal 123 bzw. 109,
wobei eine Wellenform 804 die Aktivierungsphasenimpulse 806 kürzerer Dauer
enthält.
Wie illustriert, weist diese Wellenform einen Lastzyklus auf, der
viel kleiner als 50 % ist und in welchem es mehr als eine aktive
Phase und inaktive Phase pro Meßperiode 808 geben kann.
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Der
Monostabile 506 stellt die Aktivierungsphasenimpulse kürzerer Dauer
an den Photoemitter-Verstärker/Treiber 508 bereit,
welcher seinerseits den Photoemitter 102 zu einer Beleuchtung
antreibt. Der Photoemitter 102 kann ein, zwei, oder mehr
Photoemitter sein und die Konfiguration der Photoemitter ist derart,
daß die
Klemmzone gänzlich
beleuchtet wird. In einer bevorzugten Ausführungsform sind die Photoemitter
Licht emittierende Dioden (LED's),
die im Infrarotbereich des optischen Spektrums arbeiten.
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In
der illustrierten bzw. dargestellten Ausführungsform enthält der Verstärkertreiber
ein optionales Temperaturkompensationsmodul 510. Wie dies bekannt
ist, ändert
eine Änderung
in der Umgebungstemperatur die Intensität der Beleuchtung einer LED.
Um einen falschen Alarm oder einen entgangenen dazwischentretenden
Gegenstand aufgrund von Schwankungen in der Intensität der Beleuchtung
zu vermeiden, die durch die Temperatur verursacht ist, ist ein stabiles
konstantes Niveau einer Beleuchtung wünschenswert. Wenn es eine signifikante
bzw. merkliche Menge an Hintergrundenergie gibt, kann die durch
Temperatur induzierte bzw. herbeigeführte Änderung im Beleuchtungssignal
mit dem Entstehen von einem Hindernis verwechselt werden. In einer Ausführungsform
kann ein Temperaturkompensationsmodul 510 ein konstantes
Antriebsniveau an die LED's
in Antwort auf Signale 512 von einem Temperatursensor (nicht
gezeigt) beibehalten.
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6 illustriert
eine Ausführungsform
einer Temperaturkompensationsschaltung 510 und LED Treiber/Verstärkungsschaltung 508,
die zur Verwendung mit dem Hindernisdetektionssystem 100 geeignet
ist. Die LED Treiber/Verstärkerschaltung 508 umfaßt ein Paar
von Invertern, 610 und 612, die an den Modulator 110 gekoppelt
sind, um die aktive Ausgabe auf ein Signal umzuwandeln, das zum
Schalten der Basis des Drive- bzw. Treibertransistors 618 geeignet ist.
Die spannungsteilende Schaltung der Widerstände 614 und 616 stellt
eine Nennvorspannung an der Basis des Transistors 618 ein.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Transistor 618 ein Darlington-Transistor, der eine
Stromverstärkung
von wenigstens 300 aufweist. Die Emitter-Spannung des Darlington-Transistors 618 wird
zwei Diodenabfälle ungefähr 1,3 Volt,
unter der Vorspannung sein, die an der Basis des Transistors 618 vorhanden
ist. Diese Emitterspannung wird an den Widerstand 634 angelegt,
und bestimmt den Kollektorstrom, der sowohl durch den Transistor 618 als
auch die drei LED's 626, 628 und 630 fließt. Der
Kollektorstrom wiederum bestimmt die Intensität der Beleuchtung der LED's. Die Widerstände 620, 622 und 624 wirken
als vorübergehende
Dämpfungs-
bzw. Halteelemente, welche eine Hochfrequenzstrahlung beseitigen,
indem ein Strompfad bereitgestellt wird, wenn die LED's abrupt ausgeschaltet
werden. Diese Widerstände
sind typischerweise von hohem Widerstand und leiten nicht einen
wesentlichen Anteil des LED ON bzw. LED EIN Stroms.
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Ein
Temperatursensor (nicht gezeigt) stellt ein Temperatursignal an
den nicht invertierenden Verstärker
bereit, der aus op-amp bzw. einem Operationsverstärker 604 und
Widerständen 606 und 608 besteht.
Die Ausgabe des nicht invertierenden Verstärkers wird an die Basis des
Transistors 618 über den
Widerstand 635 bereitgestellt. Diese Ausgabe verursacht,
daß sich
die Gleichstromvorspannung an der Basis des Transistors 618 mit
der Temperatur ändert,
und stellt deshalb die Emitterspannung und den Kollektorstrom durch
den Widerstand 634, wie oben diskutiert, ein. Auf diese
Art und Weise kann die Intensität
der Beleuchtung der LED's
bei einem konstanten Wert über
einen vorbestimmten Temperaturbereich beibehalten werden.
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Jedoch
können,
wie einem Fachmann auf dem Gebiet bekannt, verschiedene andere Mittel
verwendet werden, um die LED's
anzutreiben und eine Temperaturkompensation dafür zur Verfügung zu stellen.
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Der
Photoemitter 102 ist bzw. wird selektiv so positioniert,
daß ein
im wesentlichen ebener bzw. planarer Lichtstrahl, der von einem
Photoemitter und dem damit verbundenen bzw. assoziierten optischen System 102 emittiert
wird, wenigstens einen Anteil der Klemmzone überquert und auf das Fahrzeuginnere
auftrifft, möglicherweise
enthaltend die assoziierten Verkleidungs- bzw. Trimmelemente, die
die Öffnung
(nicht gezeigt) umgeben.
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Im
Fall, daß ein
Gegenstand im Feld des emittierten Lichtstrahls vorhanden ist, ist
es wahrscheinlich, daß die
Amplitude des Signals, die vom Gegenstand (nicht gezeigt) weg reflektiert
wird, basierend auf der Größe, Ausrichtung
bzw. Orientierung und dem Reflexionsvermögen des Gegenstands variiert.
Das Hindernisdetektionssystem detektiert Veränderungen im Ausgabesignal
vom Photodetektor 104 und vergleicht die Ausgabe mit einem bekannten
Schwellwert, um die Abwesenheit oder die Gegenwart bzw. Anwesenheit
eines Gegenstands innerhalb der Klemmzone zu bestimmen. Das Hindernisdetektionssystem
stellt ein Signal bereit, das für
das Vorhandensein oder die Abwesenheit eines Gegenstands innerhalb
der Klemmzone anzeigend bzw. hinweisend ist.
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2 illustriert
eine Ausführungsform
eines geeigneten Photodetektors 104 und einer Eingangs- bzw.
Eingabeverstärkerstufe 106.
Der Photodetektor 104 kann eine Photodiode 201 sein
und erzeugt einen Photostrom, der eine Funktion der Intensität des auftreffenden
Lichts ist. Eine ge eignete Photodiode wird typischerweise eine PIN
Photodiode sein, die eine ausreichend schnelle Antwort- bzw. Reaktionszeit
aufweist, um einen zufriedenstellenden Betrieb bei der gewünschten
Modulationsfrequenz zu erlauben. Außerdem kann die PIN Photodiode
in einem umgekehrten Vorspannmodus betrieben werden, wie dies in 2 gezeigt
ist, um die Breite der Verarmungsregion zu vergrößern, womit eine größere Bandbreite
eines Betriebs bereitgestellt wird. In der illustrierten Ausführungsform
wurde eine Photodiode gewählt,
die in den Infrarotwellenlängen
betätigbar
ist und sichtbares Licht blockierende Filter für Wellenlängen aufweist, die mit Sonnenlicht
assoziiert sind.
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Op-amp 202 und
Widerstand 204 bilden einen Strom-zu-Spannungs-Wandler
bzw. -Konverter 228, welcher den Photostrom, der durch
die Photodiode 201 erzeugt wird, in eine Spannung umwandelt. In
einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Widerstand 204 ein 10 k Widerstand. Op-amp 202 weist vorzugsweise
einen Eingangsvorlaststrom auf, der wesentlich geringer als der
Signalstrom ist, der von der Photodiode 201 empfangen wird,
und sollte zusätzlich
eine Schwenk- bzw.
Kipprate von wenigstens 3-4 Volt/Mikrosekunden aufweisen, um bei
Modulationsfrequenzen über
10 KHz zu arbeiten bzw. zu funktionieren. In der illustrierten Ausführungsform
ist das op-amp 202 ein op-amp mit einer einzigen Zufuhr, und
deshalb muß eine
Nicht-Nullspannung-Bezugsschiene eingestellt werden, um welche das
Signal schwingen wird. Diese Referenz- bzw. Bezugsschiene wird durch
die Kombination von op-amp 206, Widerständen 208 und 210 und
Vcc, der Zufuhrspannung 203 eingestellt. Die Spannungsteilung
der Zufuhrspannung 203 wird die Bezugsschiene durch das Paar
von Widerständen 208 und 210 einstellen.
In einer bevorzugten Ausführungsform
sind die Widerstände 208 und 210 vom
gleichen Wert und die Bezugsschiene 236 ist bzw. wird deshalb
auf Vcc/2 Volt eingestellt. Op-amp 206 ist als ein Einheitsverstärkungs-Verstärker konfiguriert
und stellt eine Niedrigimpedanz-Bezugsschiene 236 an den
AC- bzw. Wechselstromverstärker 230 und
andere Teile des Systems zur Verfügung, wie dies unten diskutiert werden
wird.
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Das
Ausgabesignal von op-amp 202 ist über die Kapazität bzw. den
Kondensator 229 an den AC- bzw. Wechselstromverstärker 230 AC
bzw. Wechselstrom gekoppelt, um Signale niedriger Frequenz und DC-
bzw. Gleichstromsignale zu blockieren, die von der Umgebungsbeleuchtung,
insbesondere Sonnenlicht herrühren.
Der Kondensator 299 und der Widerstand 222 bilden
ein Einzelpol-Hochpaßfilter
mit einer kritischen bzw. Cutoff-Frequenz von einigen hundert Hertz.
Die nächste
Stufe in dieser Ausführungsform
ist ein AC Verstärker,
der besteht aus: op-amp 212; Widerständen 214, und 218;
und Kapazitäten bzw.
Kondensatoren 216 und 220. Der AC Verstärker 230 stellt
ein verstärktes
Signal an der Leitung 224 bereit. Der bevorzugte Typ von
op-amps 202, 206, und 212 für einen
Einzelzufuhrbetrieb sind Schiene-zu-Schiene-Eingabe und -Ausgabe Op-amps, die eine
niedrige Offsetspannung und ein niedriges Rauschen aufweisen. Weil
eine Einzelschienen-Spannungszufuhr verwendet wird, sollte der Eingabebereich
des gemeinsamen Modus der op-amps sowohl Erdung als auch Vcc enthalten.
In einer bevorzugten Ausführungsform
ist der Widerstand 214 100 k, die Kapazität bzw. Kondensator 216 ist
3 pf, der Widerstand 218 ist 5,1 k, Kapazität bzw. Kondensator 220 ist,
01 of und die Kapazität 229 ist,
22 uf. Op-amp 212 ist ein MAX4126, op-amp 206 ist
ein TLC082, und op-amp 202 ist ein TLC082. Alle Werte sind
Beispiele einer bevorzugten Ausführungsform.
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3 illustriert
eine Ausführungsform
eines geschalteten Verstärkers 108 in
Kombination mit dem Ausgabesignal 123 des Modulators 110,
die eine synchrone Detektion des vorverstärkten Detektorausgabesignals
bereitstellt, das für
eine Verwendung mit dem hierin geoffenbarten Hindernisdetektionssystem
geeignet ist. Der Schaltverstärker 108 verwendet
ein Doppelpol-Doppelausgangs-Schalterpaar 302, das gleichzeitig
beide Eingangs- bzw. Eingabeleitungen 224 und 226 zwischen
einer normalerweise offenen (NO) Position und einer normalerweise geschlossenen
(NC) Position in Antwort auf die Modulationseingabe 123 schaltet.
Die Eingabeleitung 224, welche mit dem vorverstärkten Detektorausgabesignal
verbunden ist, und die Eingabeleitung 226, welche mit der
Bezugsspannung verbunden ist, werden zwischen den Eingabeanschlüssen 305 und 307 des
op-amp 310 vom Differenzverstärker 316 umgeschaltet.
Der Schalter 302 stellt das vorverstärkte Detektorausgabesignal
an der Eingabeleitung 224 an die negative Eingabe 305 während der
aktiven Phase des Modulationssignals 123 und an die positive
Eingabe 307 während
der inaktiven Phase des Modulationssignals 123 zur Verfügung. Ähnlich wird
die Bezugssignalspannung an die positive Eingabe 307 während der
aktiven Phase des Modulationssignals und an die negative Eingabe 305 während der
inaktiven Phase des Modulationssignals 123 bereitgestellt.
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Der
Op-amp 310 und die Widerstände 304, 306, 308,
und 312 umfassen einen herkömmlichen Differentialverstärker. Die
Widerstände 308 und 312 können den
gleichen Wert aufweisen, wie es die Widerstände 304 und 306 tun.
Wenn der geschaltete Verstärker
in der aktiven Phase ist, ist die Ausgabe des Differenzverstärkers 316 gegeben
durch Vo = V(Bezug) + G[V (Signal) – V(Bezug)] wo
die Verstärkung
G = R308/R304. Wenn der geschaltete Verstärker in der inaktiven Phase
ist, werden die Eingaben an den Differentialverstärker umgekehrt,
so daß die
Ausgabespannung die gleiche Größe bzw.
Größenordnung,
aber entgegengesetzte Polarität
aufweisen wird, und ist gegeben durch Vo = V(Bezug) – G[V (Signal) – V (Bezug)].
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Die
Ausgabespannung über
wenigstens eine Meßperiode
wird sich dann auf V(Bezug) mitteln, wenn die Dauer der aktiven
Phase des geschalteten Verstärkers
der Dauer der inaktiven Phase gleichkommt.
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In
der illustrierten Ausführungsform
sind die Widerstände 308 und 312 100
k und die Widerstände 304 und 306 sind
10 k. Somit stellt der Differenzverstärker in der illustrierten Ausführungsform
eine nominelle bzw. Nennausgabe von 10 (V+ – V–)
bereit, wo V+ die Spannung an dem positiven
Eingang 307 ist, und V– die
Spannung an dem negativen Eingang 305 ist.
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4 illustriert
eine Ausführungsform
des Differenzmoduls 118 und des Integrators 114,
die zur Verwendung mit dem Hindernisdetektionssystem geeignet sind.
In der illustrativen bzw. veranschaulichenden Ausführungsform
sind das Differenzmodul 118 und der Integrator 114 in
eine Schaltung 120 kombiniert, umfassend op-amp 406,
Kapazität
bzw. Kondensator 402, Widerstand 404 und Offset-Spannungsquelle 126.
Somit wird das Signal, das an der Ausgangs- bzw. Ausgabeleitung 408 vorhanden
ist, aus der Integration des Stroms, der durch den Widerstand 404 fließt, als
ein Resultat des Unterschieds bzw. der Differenz zwischen der Spannung
des Eingabesignals an Leitung 314 und der ein stellbaren Offsetspannung 416 resultieren,
welche an den nicht invertierenden Anschluß von op amp 406 angelegt wird.
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Die
Schaltung 112 in 4 zeigt
eine Ausführungsform
einer einstellbaren Spannungsquelle, welche die einstellbare Offsetspannung 416 für den Integrator
bereitstellt. In dieser Ausführungsform
wird ein resistiver Digital-zu-Analog-Wandler (RDAC) 414, wie
beispielsweise ein AD8400 verwendet. Diese Vorrichtung ist äquivalent
mit einem digitalen geregelten bzw. gesteuerten Potentiometer mit
256 möglichen
Widerstandseinstellungen. Sie ist als ein Spannungsteiler in Verbindung
mit Widerständen 413 und 415 konfiguriert.
Durch ein Verwenden eines RDAC im Gegensatz zu einem herkömmlichen
Digital-zu-Analog-Wandler (DAC) ist es möglich, die Gesamtspannungseinstellung
auf einen engen Bereich an jeder Seite der Systembezugsspannung
zu beschränken.
In der illustrierten Ausführungsform
weisen beispielsweise die Widerstände 413 und 415 den gleichen
Wert auf und die Werte von 413, 414 und 415 sind
ausgewählt,
um eine Zunahme von 200 Mikrovolt für jeden der 256 Schritte bereitzustellen.
In anderen Ausführungsformen
kann die Schaltungsfunktion 112 mit der Verwendung eines
DAC, eines manuell eingestellten Potentiometers oder irgendeiner
Kombination eines RDAC, DAC und manuellen Potentiometers implementiert
sein bzw. werden.
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Der
Einzelpol-Einzelausgangs-Schalter, der in 4 illustriert
ist, dient der Funktion eines Entladens des Integrationskondensators 402 der
Schaltung 120. Dieser kann ein normalerweise offener oder
normalerweise geschlossener Schalter sein, wie beispielsweise der
MAX4502 bzw. MAX4501. Beide Vorrichtungen antworten auf einen Betrieb bzw.
eine Betätigung
durch das Regel- bzw. Steuersystem, wie bei spielsweise die Mikroregel-
bzw. -steuereinrichtung 122. Ein Meßzyklus beginnt mit dem Schalter,
der auf die geschlossene Position für eine ausreichende Zeitdauer
eingestellt ist, um die Kapazität
bzw. den Kondensator 402 zu entladen. Die Entladungszeit
ist ein kleines Vielfaches der Zeitkonstante, die mit dem Kondensator 402 und
Widerstand 416 assoziiert ist. Der Widerstand 416 repräsentiert
die Kombination des intrinsischen bzw. Eigenwiderstands des Schalters
und beliebiger Widerstände,
welche hinzugefügt
werden können,
um die Stromentladung des Kondensators 402 daran zu hindern,
die spezifizierten Grenzen zu übersteigen,
die mit dem Schalter 410 assoziiert sind. In der illustrierten
Ausführungsform
erfordert das Rückstellungsereignis 412,
daß der
Schalter 410 für
ein Minimum von einer Millisekunde geschlossen wird.
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In
einigen Ausführungsformen,
insbesondere jenen, in welchen Kosten ein primärer Faktor sind und eine hohe
Leistung nicht erforderlich ist, kann der Schalter 410 durch
einen Widerstand ersetzt werden. Der Wert des Widerstands-Stellvertreters
wird derart ausgewählt,
daß die
resultierende Zeitkonstante, die durch das Produkt des ausgewählten Widerstandswerts
mal dem Wert der Kapazität 402 repräsentiert wird,
der Meßzeit
gleich kommt.
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In
der Abwesenheit eines Signals an der Leitung 314, verursacht
durch das Vorhandensein eines Gegenstands in der Öffnung,
ist es wünschenswert, daß die integrierte
Ausgabe von 120 bei einem konstanten Wert verbleibt, so daß jegliche Änderung
im Zustand der Integratorausgabe verwendet werden kann, um anzuzeigen,
daß es
ein Hindernis in der Öffnung
gibt. Das Vorhandensein einer einstellbaren Referenz- bzw. Bezugsspannung
für die
elektronische Integra tion 120 des Signals 314 macht
es möglich,
den Sensor zu initialisieren, um jegliche modulierten Signale zu
löschen,
die zu dem Sensor von gegenüberliegenden
Gliedern der Fenster- oder Türöffnung oder
fixierten bzw. festgelegten Merkmalen in der Nachbarschaft zurückgeführt werden,
die nicht von einem Hindernis resultieren. Eine Initialisierung kann
bei einem beliebigen Moment bzw. Augenblick stattfinden, wenn es
bekannt ist, daß es
kein Hindernis in der Öffnung
gibt. Ein typischer Fall für
dieses, um aufzutreten, ist zu der Zeit eines Zusammenbaus des integrierten
Systems, das aus dem Sensor und der assoziierten bzw. verbundenen
Türe oder
dem Fenster besteht. Es kann jedoch andere Zeiten geben, bei welchen
eine Initialisierung über
die Lebensdauer des Systems stattfinden kann, und wird von der Natur
der Anwendung abhängen.
Der Prozeß einer
Initialisierung findet statt, wobei der Sensor im normalen Modus
durch ein Einstellen der Bezugsspannung von 112 betrieben
wird bzw. arbeitet, während
gleichzeitig die Ausgabe des Integrators 408 überwacht
wird. In der Abwesenheit eines Gegenstands in der Öffnung wird
die Offsetspannung auf einen Wert eingestellt, für welchen die Integratorausgabe 408 konstant über die
Meßperiode
bleibt. Somit wird jeglicher Gegenstand, welcher in der Öffnung erscheint,
welcher eine Änderung
im reflektierten Signal vom initialisierten Wert verursacht, Hinweise
seiner Gegenwart bereitstellen.
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Die
Sensitivität
bzw. Empfindlichkeit des oben beschriebenen Detektionsschemas wird
mit der Dauer der Meßzeit
zunehmen. Jedoch erfordert die Anwendung auch, daß der Meßprozeß mit ausreichender
Schnelligkeit auftritt, daß eine
Bewegung des Fensters rasch angehalten werden kann, ohne einen Gegenstand
zwischen den Meßzyklen
zu schlagen bzw. zu stoßen
oder zu fangen. In der illustrierten Ausführungsform wurde die maximale
Meßzeit,
die erforderlich ist, um das kleinste Hindernis von Interesse zu
detektieren, auf 100 ms eingestellt. Es sollte erkannt werden, daß größere Hindernisse eine
Anzeige in geringerer Zeit bereitstellen werden.
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Eine
Initialisierung, wie sie oben beschrieben ist, findet statt, wobei
der Photoemitter zwischen dem aktiven und inaktiven Zustand umschaltet,
wodurch eine modulierte Beleuchtung in die Öffnung bereitgestellt wird.
In einigen Ausführungsformen,
die eine größere Sensitivität bzw. Empfindlichkeit
oder einen Betrieb über
einen weiteren Bereich von Umgebungszuständen erfordern, ist es nützlich,
das Erfassungs- bzw. Abtastsystem auch zu initialisieren, wobei
der Photoemitter inaktiv ist. In einer der oben beschriebenen Initialisierung ähnlichen
Art und Weise wird die Offsetspannung eingestellt, wobei der Photoemitter
inaktiv ist, während
die Modulationseingabe zu dem geschalteten Verstärker beibehalten wird, bis die
Ausgabespannung über
die Meßperiode
unverändert
ist. Auf diese Weise können
Signale, die der Schaltung selbst intrinsisch sind, wie beispielsweise Leckströme und Offsetspannungen
gelöscht
werden, bevor eine nachfolgende Messung gemacht wird, wobei die
Photoemitter aktiv sind. Dieser sekundäre Initialisierungsprozeß kann unmittelbar
vor einer aktiven Messung oder zu einer beliebigen Zeit stattfinden,
wenn der Sensor schlummert.
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Der
Detektor 116 kann ein Spannungskomparator sein, der eine
erste Eingabe, die an eine Bezugsschwellspannung gekoppelt ist,
und eine zweite Eingabe aufweist, die an die Ausgabe 408 des
Integrators 114 gekoppelt ist. Der Komparator verändert den
Ausgabezustand, wenn die Integratoraus gabe die Referenz- bzw. Bezugsschwellspannung übersteigt.
In diesem Fall kann die Länge
der Zeit, die für den
Integrator erforderlich ist, um die Schwellspannung zu erreichen,
wie sie aus der Zeit einer Rückstellung
des Schalters 410 von 4 gemessen wird,
verwendet werden, um die relative Größe des Hindernisses abzuleiten.
In einer bevorzugten Ausführungsform
wird eine Schwelle von 1,25 V verwendet. Wie oben beschrieben, kann
die Ausgabe des Komparators verwendet werden, um einen Puls- bzw.
Impulsgenerator auszulösen
bzw. zu triggern, der den Schalter 410 direkt rückstellt,
wodurch ein neuer Meßzyklus
eingeleitet wird. In diesem Fall wird ein freilaufender Oszillator
ausgebildet, wodurch die Frequenz der Rücksetz- bzw. Rückstellimpulse
als eine Anzeige des Zustands der überwachten Öffnung verwendet werden kann.
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Alternativ
kann der Detektor eine Mikroregel- bzw. -steuereinrichtung oder
ein Mikroprozessor sein, der einen internen Analog-Digital- (A/D-)
Wandler aufweist oder einen externen A/D-Wandler regelt bzw. steuert,
in welchem die Ausgabe von dem Integrator 114 in eine Binärzahl umgewandelt
wird und mit einer Schwellzahl verglichen wird, die vorher in einem
Speicher gespeichert worden ist.