DE60130184T2

DE60130184T2 - Optischer Sensor mit Regelung der Sendeleistung

Info

Publication number: DE60130184T2
Application number: DE60130184T
Authority: DE
Inventors: Frederic Couillaud
Original assignee: Schneider Electric Industries SAS
Current assignee: Schneider Electric Industries SAS
Priority date: 2000-09-22
Filing date: 2001-09-19
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2021-09-20
Also published as: US6723976B2; EP1191350A1; JP2002174509A; FR2814542A1; ES2291282T3; US20020038846A1; DE60130184D1; JP4854890B2; EP1191350B1; FR2814542B1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen optischen Detektor, der ein Sende- und Empfangssystem enthält, das geeignet ist, einen gepulsten elektrischen Sendestrom zu erzeugen und demnach ein gepulstes Lichtstrahlenbündel zu einem Objekt zu senden, und das geeignet ist, mittels einer elektronischen Empfangsschaltung ein empfangenes Spannungssignal, das durch das von dem Objekt zurückgesendete gepulste Lichtstrahlenbündel erzeugt wird und das von dem Vorhandensein und/oder der Entfernung des Objekts abhängt, zu verarbeiten.
Es ist bekannt, dass optische Detektoren, vor allem Fotozellen mit Hintergrundlöschung, ein Empfangsspannungssignal erzeugen, das je nachdem, ob das erfasste Objekt einen kleinen oder einen großen Bruchteil der ausgesendeten Energie zurücksendet, sehr stark schwanken kann. Demnach sollte beispielsweise die Sendelichtstärke bei Vorhandensein eines Objekts, das wenig Licht zurücksendet, erhöht werden können. Andererseits ist es bei elektronischen Schaltungen solcher Fotozellen wichtig, die Sättigung der Verstärkungsketten der Pfade bzw. Kanäle, da diese Sättigung die Erfassung stört, zu vermeiden, wozu die Sendelichtstärke reduziert werden können sollte.
Es ist bekannt, in dem Sende- und Empfangssystem der Fotozelle Mittel zur Regelung des Sendestroms zu verwenden, wobei diese Regelungsmittel das Niveau der ausgesendeten Energie durch Modifikation der Sendefrequenz der Stromimpulse verändern. Jedoch kann es erforderlich sein, bei bestimmten Zellentypen eine unveränderte Sendefrequenz zu bewahren, womit die besagten Regelungsmittel unnütz sind.
Aus dem Dokument EP 0 926 512 ist auch ein optischer Detektor bekannt, dessen Sendeniveau nicht geregelt, sondern in diskreter Weise auf einem vorgegebenen Niveau gehalten wird.
Das Dokument US 4,589,773 beschreibt einen optischen Detektor mit ständiger Regelung des Sendeniveaus.
Das Dokument EP 0 623 829 beschreibt seinerseits ein Verfahren zum Regeln des Sendestroms eines optischen Sensors durch Vergleich des empfangenen Signals mit einem bestimmten Nominalwert.
Die Erfindung hat die Aufgabe, den Sendestrom eines optischen Detektors, insbesondere einer Fotozelle zur Erfassung eines Objekts durch Triangulierung, speziell mit Hintergrundlöschung unter Bewahrung einer stabilen Sendefrequenz der Stromimpulse schnell zu regeln.
Diese Aufgabe wird durch den optischen Detektor, wie er in Anspruch 1 definiert ist, gelöst.
Gemäß der Erfindung erfassen die Mittel zur Regelung des Sendestroms den Wert des empfangenen Spannungssignals relativ zu einem vorgegebenen maximalen Regelungsspannungswert und einem vorgegebenen minimalen Regelungsspannungswert, wobei diese Werte ein Regelungsintervall sowie beiderseits dieses Intervalls eine hohe Spannungszone und eine tiefe Spannungszone definieren; zum anderen sind die Regelungsmittel so kombiniert, dass dann, wenn das empfangene Spannungssignal in dem Regelungsintervall liegt, der Sendestrom durch Nachführungsmittel geregelt wird, derart, dass das empfangene Spannungssignal auf einen Sollwert geführt und auf diesem gehalten wird, und dann, wenn das Spannungssignal in der hohen bzw. der tiefen Spannungszone liegt, der Sendestrom mit einem vorgegebenen Faktor multipliziert (oder durch diesen dividiert) wird, derart, dass das Spannungssignal schnell in der Mitte des Regelungs intervalls zentriert wird und danach durch die Nachführungsmittel geregelt wird.
Die so verwirklichte Kombination einer Schnellkorrektur und einer Nachführung ist besonders wirkungsvoll. Eine starke Auslenkung des empfangenen Signals bringt in einer ersten Zeit eine Verminderung oder Erhöhung der Amplitude des Sendestroms um einen deutlichen Faktor, die das empfangene Spannungssignal in das Regelungsintervall führt, mit sich, wobei danach in einer zweiten Zeit die endgültige Regelung des Sendestroms das empfangene Spannungssignal auf den Sollwert führt. Dank der ersten Phase einer fast exponentiellen Zentrierung erfolgt der Regelungsvorgang sehr schnell, d. h. innerhalb einiger Sendezyklen und jedenfalls innerhalb einer Anzahl von Sendezyklen, die viel kleiner als bei herkömmlichen Detektoren ist.
Der vorgegebene Faktor ist im Höchstfall gleich dem Verhältnis von maximalem zu minimalem bzw. minimalem zu maximalem Spannungswert, beispielsweise von der Größenordnung 4 oder 1/4.
Die Nachführungsmittel können vorteilhafterweise durch einen Digital-Analog-Umsetzer gebildet sein, der gegebenenfalls mit einem Mikrocontroller kombiniert ist, der das Niveau des Sendestroms berechnet. Dieser erzeugt dann Impulse modulierter Breite, die an ein integrierendes Element angelegt werden, derart, dass ein Analogsignal erzeugt wird, das einen Sendestrom bestimmt, der das Erreichen des gewünschten Sollspannungswerts ermöglicht.
Die Beschreibung erfolgt nachstehend anhand einer die Erfindung nicht einschränkenden Ausführungsform in Verbindung mit den beigefügten Zeichnungen.
1 zeigt schematisch einen erfindungsgemäßen optischen Detektor.
2 ist ein Diagramm, das die Entwicklung der Empfangsspannung des Detektors von 1 im Verlauf von Regelungsvorgängen zeigt.
Der in 1 gezeigte optische Detektor ist eine Zelle zur Erfassung durch Triangulierung, die ein Sende- und Empfangssystem 10 enthält, das mit einer elektronischen Schaltung 11 und zugeordneten Softwaremitteln sowie einem elektrooptischen Sendeorgan 12 und einem elektrooptischen Empfangsorgan 13 versehen ist. Das Organ 12 sendet ein gepulstes Strahlenbündel, wobei das Organ 13 bei Vorhandensein eines Objekts O ein entsprechendes Strahlenbündel empfängt. Die besagte Zelle ist vom Typ mit Hintergrundlöschung, wobei ihre elektronische Schaltung 11 dann einen Fernempfangskanal 14 und einen Nahempfangskanal 15 enthält, jedoch von unterschiedlichem Typ sein könnte. Jeder Empfangskanal weist Verstärkungsmittel 16 auf, deren Ausgang an eine Schaltung 17 zur Steuerung des Sendestroms angelegt ist.
Die Steuerschaltung 17 weist einen Controller 18, beispielsweise einen Mikrocontroller, auf, der anhand der empfangenen Signale ein Spannungssignal V bestimmt und in Abhängigkeit des Niveaus dieses Signals den Sendestrom I in unterschiedlicher Weise steuert (siehe 2).
Für das Spannungssignal werden ein Maximalwert V_max und ein Minimalwert V_min definiert, die zwischen sich ein Regelungsintervall Z1 sowie außerhalb dieses Intervalls eine hohe Zone Z2 und eine tiefe Zone Z3, die einer Übersättigung bzw. einer Untersättigung der Verstärkungsmittel entsprechen, bestimmen.
Wenn das Spannungssignal V durch den Controller außerhalb des Intervalls Z1, d. h. in der Zone Z2 oberhalb des Maximalwerts V_max oder in der Zone Z3 unterhalb des Minimalwerts V_min, erfasst wird, dividiert oder multipliziert der Controller 18 die Amplitude des Sendestroms durch einen bzw. mit einem vorgegebenen festen Faktor k, beispielsweise von der Größenordnung 4. Dies hat das Ziel, das resultierende Spannungssignal schnell wiederzuzentrieren, um es in die Konvergenzzone, die das Regelungsintervall Z1 (V_max, V_min) bildet, zu führen.
Wenn das Spannungssignal V in dem Intervall Z1 liegt, bringt der Controller 18 den Sendestrom entweder gleich mit dem ersten Impulsbeschuss oder mit dem folgenden Beschuss, der auf die oben beschriebene Wiederzentrierungsphase folgt, auf einen Wert I_opt, der ein Spannungssignal V_opt ergibt, und zwar durch eine Regelung, die durch Modulation der Impulsbreite erhalten wird.
Der Controller 18 kann von dem Typ mit analogem Ausgang sein, der das Sendeorgan 12 direkt steuert. In einer kostengünstigeren Version besitzt der Controller einen digitalen Ausgang und ist einem Digital-Analog-Umsetzer 19 zugeordnet, der durch Erzeugung von Impulsen modulierter Breite (PWM) und Integration mittels einer RC-Schaltung arbeitet. In 2 ist bei I der Fall, wo das anfängliche Spannungssignal Va größer als V_max ist und zuerst auf den Wert Va₁, der in Z1 enthalten ist, geführt wird, bevor es auf den Wert V_opt gebracht wird, und bei II der Fall, wo das anfängliche Spannungssignal Vb kleiner als V_max ist und zuerst auf den Wert Vb₁, der in Z1 enthalten ist, und danach auf den Wert V_opt geführt wird, gezeigt.
In jedem Fall ist das Spannungssignal kleiner als ein durch die Verstärkungskette 16 definierter Wert V1. V1 kann beispielsweise gleich 5 V sein, V_max gleich 4,5 V, V_opt gleich 4 V und V_min gleich 1 V. Der Faktor k, mit dem der Sendestrom multipliziert wird oder durch den der Sendestrom dividiert wird, ist beispielsweise von der Größenordnung 4. Die Regelungsendphase hat den Vorteil, dass sie während eines einzigen Sendezyklus erfolgt; in der Endphase verändert die Schaltung 18, wenn das zyklische Modulationsverhältnis der Steuerimpulse zu Beginn dieser Phase mit τ bezeichnet wird, dieses zyklische Verhältnis in T_opt = τ × V_opt/Va₁ (oder V_opt/V_b1), so dass der Sendestrom entsprechend modifiziert wird und das Spannungssignal V auf den Sollwert V_opt geführt wird.

Claims

Optischer Detektor, der ein Sende- und Empfangssystem enthält, das geeignet ist, einen gepulsten elektrischen Sendestrom zu erzeugen und demnach ein gepulstes Lichtstrahlenbündel zu einem Objekt zu senden, und das geeignet ist, ein empfangenes Spannungssignal, das durch das von dem Objekt zurückgesendete gepulste Lichtstrahlenbündel erzeugt wird und das von dem Vorhandensein und/oder der Entfernung des Objekts abhängt, zu verarbeiten, wobei das Sende- und Empfangssystem Mittel zur Regelung des Sendestroms enthält, die den Wert (V) des empfangenen Spannungssignals relativ zu einem vorgegebenen maximalen Regelungsspannungswert (V_max) und einem vorgegebenen minimalen Regelungsspannungswert (V_min) erfassen, wobei diese Werte ein Regelungsintervall (Z1) sowie eine hohe Spannungszone (Z3) und eine tiefe Spannungszone (Z2) definieren, dadurch gekennzeichnet, dass – die Regelungsmittel so kombiniert sind, dass dann, wenn das Spannungssignal (V) in dem Regelungsintervall (Z1) liegt, der Sendestrom durch Nachführungsmittel (18, 19) geregelt wird, um das Spannungssignal auf einen Sollwert (V_opt) zu bringen, und dann, wenn das Spannungssignal (V) in der hohen Zone (Z2) oder der tiefen Zone (Z3) liegt, der Sendestrom mit einem vorgegebenen Faktor (k) multipliziert (oder durch diesen dividiert) wird, damit das Spannungssignal schnell in der Mitte des Regelungsintervalls (Z1) zentriert wird und danach durch die Nachführungsmittel (18, 19) geregelt wird, und – der vorgegebene Faktor (k) im Höchstfall gleich dem Verhältnis von maximalem zu minimalem Spannungswert V_max/V_min bzw. von minimalem zu maximalem Spannungswert V_min/V_max ist.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass dann, wenn das Spannungssignal (V) in dem Regelungsintervall (Z1) liegt, der Sendestrom mit einem Faktor multipliziert wird, der von dem Verhältnis zwischen dem Sollspannungswert (V_opt) und dem Spannungswert (V_a1, V_b1) des empfangenen Signals abhängt.
Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Nachführungsmittel einen Mikrocontroller (18) enthalten, der Mitteln (19) zur Modulation und Integration von Impulsen modulierter Breite zugeordnet ist, derart, dass ein Analogsignal erzeugt wird, das einen Sendestrom bestimmt, der dem zu erreichenden Sollspannungswert (V_opt) entspricht.