ES2287780T3 - Metodo para la determinacion y/o el analisis de una señal optica diferencial. - Google Patents

Abstract

Método para determinar y/o analizar una señal óptica, diferencial, con por lo menos dos primeras fuentes de luz (S1, S2), que emiten, fase a fase, luz sincronizada secuencialmente en el tiempo, y con por lo menos un receptor (E) para recibir por lo menos la parte de luz alternativa sincronizada procedente de las primeras fuentes de luz (S1, S2), donde la intensidad luminosa irradiada en el dispositivo de medición con, por lo menos una fuente de luz (S1, S2, K), se regula de forma que la parte de luz alternativa sincronizada, que se produce entre fases diferentes, se vuelve cero en el receptor E, caracterizado porque para la intensidad de luz irradiada, se determina la señal de recepción en el receptor (E) respecto de la posición de fases y, de este modo, se genera la magnitud de ajuste (R) para regular la intensidad luminosa radiada.

Description

Método para la determinación y/o el análisis de una señal óptica diferencial.

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La invención se refiere a un método para la determinación y/o el análisis de una señal óptica diferencial según el término genérico de la reivindicación 1.

Los fotodiodos presentan, para la luz modulada, una sensitividad que depende de la claridad absoluta, el denominado "efecto de luz ambiente". Por consiguiente, la señal de recepción de una barrera de luz de reflexión depende no solamente del grado de reflexión que se va a medir sino también de la luz ambiente. Por consiguiente, ya no es posible el análisis fiable de la señal de recepción en el caso de luz ambiente fluctuante.

Por el documento EP 706 648 B1, en el que se basa el término genérico de las reivindicaciones 1 y 4, se conoce un método de medición, en el que se elimina la función de transferencia del fotodiodo. Para ello, emiten al menos dos fuentes de luz alternativamente a por lo menos un receptor, regulándose dichas fuentes de modo que, visto por el receptor, presentan siempre la misma claridad luminosa. La señal de recepción del fotodiodo sirve por lo tanto únicamente para comparar dos señales recibidas cercanas en el tiempo. Si las dos fuentes de luz emiten una señal rectangular en oposición de fase, se obtiene en el circuito regulado una señal de recepción igual a cero, es decir que la amplificación del receptor se puede elegir de la forma deseada, ya que solo se evalúa la señal de recepción filtrada en pasa banda. Si una de las fuentes de luz es demasiado fuerte, la señal de recepción corresponde a su ciclo/fase y viceversa. Una conmutación ulterior se da cuenta de ello y regula en consonancia la intensidad de las fuentes de luz.

Básicamente, para una regulación de este tipo, con por ejemplo dos fuentes de luz, existen dos métodos de regulación diferentes:

1. Una fuente de luz emite siempre con nivel constante, la otra fuente de luz se reajusta. Esto resulta particularmente conveniente cuando una fuente de luz ilumina el objeto de medición, mientras que la otra incide directamente en el receptor.

2. Ambas fuentes de luz se regulan siempre de modo que su intensidad acumulada permanece constante. Esto resulta conveniente cuando ambas fuentes de luz iluminan el objeto que se va a medir.

Los dos métodos de regulación se pueden combinar también. Hay que asegurarse de que la condición de regulación no se cumple desconectando ambas fuentes de luz. En las siguientes fórmulas que se utilizan para la explicación, las abreviaturas significan lo siguiente:

1

Se parte de la base de que la función de conversión de la fuente de luz entre variable activa y flujo de radiación es lineal para las siguientes ecuaciones.

(1.1)\Phi_{I} = k. \ I_{1}

(1.2)\Phi_{2} = k. \ I_{2}

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La condición de regulación es la siguiente:

(1.3)f_{e} \ (\Phi_{I} \ . \ D_{1}) = f_{e} \ (\Phi_{2} \ . \ D_{2})

Utilizando la ecuación 1.1 y 1.2. se tiene:

(1.4)I_{1} \ . \ D_{1} = I_{2} \ . \ D_{2}

Para el principio de regulación 1, introduce la siguiente condición adicional:

(1.5)I_{1} = I_{m}

Por consiguiente, I_{2} es la señal de salida y se tiene:

(1.6)I_{2} = \frac{I_{m} \ . \ D_{1}}{D_{2}}

Utilizando el principio de regulación 2, se aplica la condición adicional:

I_{1} + I_{2} = I_{m}

De ello se sigue, por ejemplo para I_{2}:

(1.7)I_{2} = \frac{I_{m} \ . \ D_{1}}{D_{1} + D_{2}}

En la figura 1, se reproduce el método de regulación 1 en forma de diagrama de bloques. Dos primeras fuentes de luz S1, S2, aquí LEDs, emiten luz modulada de forma rectangular en oposición de fase con el receptor E. Se puede regular una amplitud de emisión. El receptor con característica de pasabanda amplifica la señal de recepción y la lleva hasta un regulador 10. Este regulador, en ejecución PI, establece entonces la amplitud de la primera fuente de luz regulable S1, de modo que la señal alternativa se vuelve cero en la salida del receptor. El regulador 10 evalúa para ello la señal del receptor sincrónicamente con la fase/ciclo del emisor para detectar de este modo la dirección de regulación. El regulador 10 se divide en dos partes: una de detección de cuál es el emisor más fuerte, y un integrador para generar la magnitud de ajuste.

Hasta ahora, para la realización del detector, se utiliza esencialmente el siguiente método:

- La señal de recepción se explora en cada semi período y se evalúa la diferencia de los dos valores de exploración respecto de la señal previa.

- La señal de recepción se demodula sincrónicamente y la señal previa del producto de demodulación se utiliza para controlar el integrador.

En la realización hasta ahora analógica, la integración se realiza mediante un circuito integrador clásico, y en una realización digital, el integrador es un contador controlado por el ciclo/fase, cuya dirección de recuento es controlada por la señal previa calculada.

Como la implementación digital realizada hasta ahora supone una transformación directa del circuito regulador analógico, no se aprovechan las ventajas de un sistema puramente digital. En particular, se producen tensiones analógicas en el reconocimiento de la señal previa, que se han que comparar de forma muy sensible, sin provocar ninguna oscilación del sistema. Para ello se usa por lo general una histéresis que reduce la sensibilidad del sistema.

Por el documento DE 101 06 998 Al se conoce un método para el análisis de una señal óptica diferencial que se emite sincronizada secuencialmente y en desplazamiento de fase desde dos fuentes de luz. Se produce una compensación de la luz ajena mediante mediciones de referencia, estando los emisores desconectados o mediante análisis de señal de recepción durante las pausas de emisión. Las señales de recepción son analizadas en cuanto a su amplitud, aunque no se produce un control de acoplamiento por reacción sobre la base del análisis de la posición de fase de las señales.

Partiendo de este estado de la técnica, el problema que tiene que resolver la presente invención es crear una implementación digital simplificada de este método, a ser posible sin pérdida de sensibilidad.

Este problema se resuelve mediante un método que tiene las características de la reivindicación 1.

Esta solución se basa en la observación de que, para determinar qué emisor emite con mayor potencia, basta con evaluar la señal de recepción respecto de la posición de fase. Una consideración adicional de la amplitud no es, en principio, necesaria. Debido a este hecho, se pueden realizar de forma rápida y favorable acondicionamientos digitales sin que se produzcan señales defectuosas. Existe aquí la posibilidad de volver a llevar al tramo de regulación la magnitud regulada así obtenida como luz a través de uno de los emisores o de otra fuente de luz, como fuente de luz de compensación; no obstante, también es posible, como alternativa, añadir en el receptor la señal así obtenida como señal de corriente. La segunda alternativa no tiene en cuenta todas las perturbaciones que se pueden producir en función de los componentes utilizados, aunque en ciertas condiciones, una solución de este tipo resulta suficiente, particularmente para formas de realización más favorables, en las cuales no se trata de reconocer completamente la posición o el acercamiento.

De preferencia, la compensación se realiza a través de las fuentes de luz mismas. Aquí también existe la posibilidad de adicionar la corriente calculada como magnitud regulada, correspondientemente escalada, a la corriente de la fuente de luz más débil. La conmutación de la posición de fases tiene entonces el mismo significado que la conmutación de esta corriente adicional de un LED al otro. En las subreivindicaciones así como en la descripción que sigue, se podrán apreciar otras ventajas.

A continuación, se describirá con más detalle la invención, tomando como base las figuras adjuntas.

La figura 1 es un diagrama de bloques de un método para el cálculo de una señal óptica, independiente de la luz ajena, según el estado de la técnica,

La figura 2 muestra la variación de la señal en un circuito regulador según la figura 1,

Las figuras 3, 4 muestran diversas formas de realización de un receptor,

Las figuras 5, 6 muestran diagramas de bloque para el control digital de un método de este tipo,

La figura 7 muestra un diagrama de bloque para una regulación con una fuente de luz de compensación separada.

Las figuras muestran un método para determinar y/o analizar una señal óptica diferencial con por lo menos dos primeras fuentes de luz S1, S2, que emiten por fases, luz sincronizada secuencialmente con el tiempo. Para la recepción de la señal así emitida, se ha previsto por lo menos un receptor E, que recibe la primera parte de luz alternativa sincronizada, procedente de las primeras fuentes de luz S1, S2. La intensidad de luz emitida en la disposición de medición con, por lo menos una fuente de luz S1, S2, que puede ser también una fuente de luz de compensación K, se regula entonces de forma que la parte de luz alternativa sincronizada que se produce entre las diversas fases llega a ser igual a cero en el receptor E. Esto ya se explicó en la introducción a la descripción.

Partiendo de ello, se describirá en lo que sigue y de forma general, el principio seguido antes de tratar de las implementaciones más exactas según las figuras 5 a 7.

Para regular la intensidad de luz radiada, ya no se evalúa y valora en cuanto a su amplitud la señal de recepción como en un análisis analógico, sino que se determina la señal de recepción en el receptor E respecto de la posición de fase y se genera de este modo una magnitud de ajuste. Esta magnitud de ajuste R se puede transmitir como señal luminosa por medio de una corriente correspondiente a por lo menos una de las primeras fuentes de luz S1, S2, aunque también es posible llevar la totalidad por medio de una señal de corriente hasta el receptor por adición de corrientes. La otra fuente de luz que regula la intensidad luminosa puede ser una de las primeras fuentes luminosas S1, S2. Pero también puede ser, alternativamente, otra fuente de luz K acoplada al receptor, realizándose la regulación por medio de esta otra fuente de luz K, de modo que cambia su fase direccionando esta otra fuente de luz K al menos por un ExOr-Gatter 21 o por lo menos un ExNor-Gatter.

Para generar la magnitud de ajuste R, se integra el valor entero de la posición de fase, o sea +1 o -1 corresponde a 0° ó 180° por medio de un contador Z. La señal de recepción digitalizada se utiliza como señal de dirección para el receptor E. La señal de recepción se lleva hasta un Flip-Flop 11, y el sincronismo del Flip-Flop se deriva del sincronismo de emisión, de tal modo que, como señal de control para el sentido del contador Z se restituye la señal de una de las primeras fuentes de luz S1, en posición de fase correcta y la señal de la otra fuente de luz primera S2 invertida (figura 5). Alternativamente, se puede utilizar también la señal de recepción digitalizada como señal de sincronismo para el contador Z, mientras que el sentido de recuento viene dado por el sincronismo de un generador de sincronismo 12 que determina el sincronismo de la primera fuente de luz S1, S2 (figura 6). La señal de recepción presenta respecto del sincronismo del generador de sincronismo 12 en el último caso un desplazamiento de fase de 90°, de preferencia. De preferencia, la señal de recepción, como sincronismo del contador, se almacena intercalada en el período de tiempo del flanco del sincronismo.

Para lograr un aumento más rápido del contador Z, el estado del contador Z puede venir dado previamente si es preciso o dado eventualmente por software. Para aprovechar de la forma más completa posible la resolución del regulador, la magnitud de ajuste R puede presentar una parte fija, dada previamente o que se puede introducir. Esto es lo que ocurre en particular cuando en una aplicación concreta solo se utiliza un ámbito de regulación determinado. Para el ámbito de regulación que entonces queda, que se determina por la parte variable de la magnitud de ajuste, se logra de este modo una resolución muy superior. Esta parte variable de la magnitud de ajuste se suma a la parte fija por adición de corrientes, por ejemplo en la fuente de luz S1, S2, K. De forma complementaria, la magnitud de ajuste R se puede sumar por adición de corrientes de forma sincronizada a la o las fuentes de luz más débiles S1, S2, K.

Con referencia a las figuras, se explicará ahora con más detalle la invención en unos ejemplos de realización. Según la figura 2, la señal del receptor corresponde al sincronismo del emisor S1 o del emisor S2. Se da además un desplazamiento de fase adicional d causado por la función de transferencia de los excitadores de LED, el receptor y en menor medida por el tiempo de recorrido de la luz. En la figura 2, se representan las variaciones de la señal. De arriba hacia abajo, se representan las señales de emisión del emisor S1 y emisor S2 así como las señales de recepción correspondientes E(S1) y E(S2) en las cuales predomina el emisor S1 o S2 según la fase.

Lo que tienen en común las implementaciones que se presentan a continuación es que la señal de recepción se amplifica hasta la limitación, de forma que se da una señal rectangular. Esta señal rectangular se puede obtener, según la figura 3, por medio de un comparador 14, a partir de la señal de recepción filtrada en pasa alto, o según la figura 4, por medio de una primera amplificación limitadora mediante un amplificación de transimpedancia 13 y un limitador de amplitud 15 que, en una etapa ulterior, se convierte al nivel digital necesario. Esta segunda realización tiene la ventaja de que se evitan los efectos de saturación en los amplificadores o los tiempos de conexión diferentes para el flanco ascendente y descendente en los comparadores.

La implementación se puede realizar según la figura 5, de modo que la señal de recepción digitalizada se lleve hasta la línea de datos de un D-Flip-Flop 16. El sincronismo para el Flip-Flop se deriva -si es preciso retardado mediante un circuito retardador 19- del sincronismo de emisión del emisor de sincronismo 12, de forma que, por ejemplo, la señal de sincronismo del emisor S1 se reproduce con la fase correcta y la del emisor S2 con la fase invertida. Estos valores almacenados sirven de señal de control para la dirección de recuento del contador Z. El estado del contador se convierte por medio de un convertidor DA 17, 18 en la amplitud de emisión de, por ejemplo el emisor 2. Según las dos posibilidades de regulación mencionadas al principio, se direcciona en caso de necesidad la potencia de emisión del emisor S1 con el estado del contador invertido o el resultado invertido del convertidor DA. Cuando está regulado, el contador Z fluctúa siempre periódicamente un paso de recuento en el sincronismo dado. El receptor E controla de este modo la dirección del contador Z. Las características de esta implementación son:

-

un paso de recuento por período

-

el receptor E solo debe regenerar la fase

-

el receptor E se puede concebir con una amplificación extremadamente elevada

-

un sincronismo de funcionamiento sincronizado del contador Z

-

un circuito para generar un impulso de exploración.

En la implementación alternativa según la figura 6, la señal de recepción digitalizada presenta respecto del sincronismo un desplazamiento de fase que suele ser de 90°. Esto se puede conseguir por ejemplo con un pasa banda en el receptor E. Esta señal de recepción sirve de sincronismo para el contador Z, mientras la dirección de recuento viene dada por el sincronismo. Para evitar cruzamiento de flancos no permitidos. La señal de recepción que sirve de sincronismo del contador se almacena temporalmente justo antes y después de cada flanco del sincronismo que sirve de dirección para el recuento. Por lo demás, se utilizan los convertidores DA17, 18 como en la figura 5. Las características de esta implementación son las siguientes:

-

un paso de recuento por período, en caso de cambio de dirección cada semiperiodo

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el receptor solo debe regenerar fase; es necesario desplazamiento de fase

-

el receptor puede diseñarse con amplificación extremadamente elevada

-

ritmo/sincronismo asincrónico del contador

-

se necesita un circuito para bloquear la señal de recepción en caso de cambio de flanco del sincronismo.

Al igual que ocurre en la implementación de la figura 5, el estado del contador se traslada a los excitadores del emisor.

Por la antigua solicitud de patente DE 103 00 223.5, se conoce un método para la compensación correcta de fase de una señal óptica diferencial. Lo esencial aquí es que el único emisor regulado, por lo general otra fuente de luz K como compensador, debe cambiar su fase. En la medida en que esto es importante para la invención, se aclarará en lo que sigue el contenido de la citada solicitud. En principio, cuando una fuente de luz emite luz, en un fotodiodo, que recibe esta luz después de ser reflejada por un objeto, se genera una señal eléctrica sincronizada. Si, por ejemplo, el diodo luminoso emite luz con una frecuencia de sincronismo 40 KHz, el fotodiodo generará una señal correspondiente con la misma frecuencia y casi la misma fase. Si se considera ahora, en el caso de dos diodos luminosos accionados por sincronismo, la parte aquí relevante de luz alternativa respecto de la fase de emisión de 0°, esta parte de luz alterna puede ser positiva y negativa, es decir presentar una fase de 0° o 180°, ya que un diodo luminoso irradia con una fase de 0° y el otro con una fase de 180°. Aquí se identifica 0° con signo positivo y 180° con signo negativo. Si se añade otra fuente de luz K, que trabaja independientemente de las fuentes de luz que emiten la luz, esta luz puede irradiar en amplitud y signo con fases cambiadas. En otras palabras, la otra fuente de luz K con la irradiación adicional puede hacerse cargo, en gran parte o incluso sola, de la compensación. De este modo, por medio de la potencia luminosa de la otra fuente de luz K, se influye en la amplitud de la señal de recepción sincrónica, incluso en el caso de medición compleja con detección de posición, dirección y alejamiento/distancia, de modo que la señal de recepción llega a ser cero.

Esto se consigue según la presente invención (figura 7) haciendo que el estado del contador no se de directamente sino a través de ExOr-Gatter 21 o eventualmente un ExNor-Gatter a un convertidor DA 22. Un ExOr-Gatter 21 con dos entradas puede considerarse un inversor controlable. Si en una entrada (entrada de control) hay un nivel lógico 0, la salida del Gatter sigue la segunda entrada (entrada de datos). Si en cambio hay en la entrada de control un 1 lógico, la salida del Gatter corresponde a la entrada inversa de datos. En cada salida del contador Z se ha conectado uno de estos Gatter y todas las entradas de control están conectadas con el most significant Bit (MBS) invertido del contador. De este modo, se obtiene en las salidas del Gatter la relación funcional mostrada en la figura 2 respecto del estado del contador. El MSB actúa asimismo como señal de control sobre un ExOr-Gatter 23, por medio del cual se lleva el sincronismo al modulador 24 de la fuente luminosa K como LED de compensación. En el ejemplo de realización de la figura 7, no se regulan los emisores S1 y S2.

El contador Z puede rebosar. Esto hace que, cuando el circuito regulador no se puede regular debido a circunstancias de atenuación óptica no favorables, el circuito regulador oscila de modo que el contador Z recuenta de forma permanente y se modifica cíclicamente la intensidad de un LED o de los dos. Para evitarlo, se impide que rebose mediante un cableado/conexión adecuada. Para ello, al alcanzarse el estado máximo o mínimo del contador, se produce un bloqueo del contador Z para la dirección de recuento correspondiente. La implementación de este bloqueo se realiza por ejemplo por medio de un acoplamiento de la salida de transferencia sobre la entrada ENABLE del contador Z. La ejecución exacta depende del tipo de contador elegido.

El estado del contador se modifica, en las implementaciones indicadas, un paso por sincronismo/cadencia. Por medio de una lógica adecuada, que reconoce si los últimos pasos de recuento iban en la misma dirección, se puede producir también un paso de recuento mayor. Esto corresponde a una parte D en el regulador.

Para acelerar una oscilación del regulador, el contador Z puede presentar también la posibilidad de ponerlo a un estado de contador prefijado.

Si la modificación de la transmisión óptica solo se mueve dentro de una pequeña zona, existe la posibilidad de ampliar esta zona. Para ello, la magnitud de ajuste está formada por dos partes, es decir un ajuste fijo en forma de un offset y una parte variable, controlada por el regulador. En caso de compensación, como se ha propuesto en la antigua solicitud DE de patente mencionada anteriormente 103 00 223.5, es posible ahorrarse el LED de compensación y añadir la parte regulada, de modo aditivo, por adición de corrientes al emisor correspondiente en fase correcta.

Leyendas

10

Regulador

11

Flip-Flop

12

Emisor de sincronismo/emisor de impulsos

13

Amplificador de transimpedancia

14

Comparador

15

Limitador de amplitud

16

Flip-Flop

17, 18, 22

Convertidor Analógico Digital

19

Circuito de retardo

21, 23

ExOr-Gatter

24

Modulador

d

Desplazamiento de fases

E

Receptor

E(S1), E(S2)

Señales de recepción de S1, S2

K

Fuente de luz adicional

R

Magnitud de ajuste

S1, S2

Primera fuente de luz

Z

Contador.

Claims (13)

1. Método para determinar y/o analizar una señal óptica, diferencial, con por lo menos dos primeras fuentes de luz (S1, S2), que emiten, fase a fase, luz sincronizada sequencialmente en el tiempo, y con por lo menos un receptor (E) para recibir por lo menos la parte de luz alternativa sincronizada procedente de las primeras fuentes de luz (S1, S2), donde la intensidad luminosa irradiada en el dispositivo de medición con, por lo menos una fuente de luz (S1, S2, K), se regula de forma que la parte de luz alternativa sincronizada, que se produce entre fases diferentes, se vuelve cero en el receptor E, caracterizado porque para la intensidad de luz irradiada, se determina la señal de recepción en el receptor (E) respecto de la posición de fases y, de este modo, se genera la magnitud de ajuste (R) para regular la intensidad luminosa radiada.

2. Método según la reivindicación 1, caracterizado porque para que la parte de luz alternativa sincronizada, que se produce entre fases diferentes se vuelva cero en el receptor (E), se utiliza otra fuente de luz (K) o una de las primeras fuentes de luz (S1, S2) como fuente de luz adicional.

3. Método según la reivindicación 2, caracterizado porque la fuente de luz adicional (K), acoplada al receptor, se regula, por medio de la regulación, de modo que cambia de fase al ser direccionada la fuente de luz adicional (K) al menos por un ExOr-Gatter 21 o por lo menos por un ExNor-Gatter.

4. Método según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la magnitud de ajuste (R) se suma, por adición de corrientes, a la señal de corriente del receptor (E).

5. Método según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque para generar la magnitud de ajuste (R), se integra el valor de la posición de fase por medio de un contador (Z) y el estado del contador (Z) viene dado o se puede dar previamente según sea necesario.

6. Método según la reivindicación 5, caracterizado porque el valor de la posición de fase se calcula en 0° o en 180°.

7. Método según la reivindicación 5 o 6, caracterizado porque la señal de recepción digitalizada se utiliza como señal de dirección para el receptor.

8. Método según la reivindicación 7, caracterizado porque la señal de recepción se lleva hasta un Flip-Flop (11), donde el sincronismo del Flip-Flop se deriva del sincronismo de emisión, de modo que, como señal de control para la dirección de recuento del contador (Z), se restituye la señal de una de las primeras fuentes de luz (S1) con fases correctas y la señal de la otra fuente de luz primera (S2) invertida.

9. Método según una de las reivindicaciones 1 a 6, caracterizado porque la señal de recepción digitalizada se utiliza como señal de sincronismo para el contador (Z), mientras que la dirección de recuento viene dada por el sincronismo de un emisor de sincronismo (12) que determina el sincronismo de las primeras fuentes de luz (S1, S2).

10. Método según la reivindicación 9, caracterizado porque la señal de recepción presenta, respecto del sincronismo del emisor de sincronismo (12), un desplazamiento de fase de 90° de preferencia y/o se almacena temporalmente como sincronismo del contador en la zona temporal del flanco del sincronismo.

11. Método según una de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque la magnitud de ajuste (R) presenta una parte fija dada o que se puede dar previamente.

12. Método según la reivindicación 11, con referencia a una de las reivindicaciones 1-3 y 5-10, caracterizado porque una parte variable de la magnitud de ajuste (R) se suma a la parte fija por adición de corriente a la fuente de luz (S1, S2, K).

13. Método según una de las reivindicaciones 1-3, 5-12, caracterizado porque la magnitud de ajuste (R) se suma, de forma sincronizada, por adición de corriente a la o las fuentes de luz más débiles (S1, S2, K).