Title:
Optoelektronischer Sensor zur Detektion eines Objekts in einem Überwachungsbereich
Document Type and Number:
Kind Code:
A1

Abstract:

Optoelektronischer Sensor zur Detektion eines Objekts in einem Überwachungsbereich mit einem Lichtsensender 1 zur Aussendung eines modulierten Lichtsignals, einer abbildenden Sendeoptik 2, einer abbildenden Empfangsoptik 3 und einer Fotodiodenzeile 4 mit mehreren Fotodioden als Empfangselemente, sowie einer elektronischen Schaltung 5 zur Erzeugung eines objektabhängigen Ausgangssignals, wobei die Empfangselemente der Fotodiodenzeile 4 einer Nahgruppe 6 und eine Ferngruppe 7 zugeordnet werden, wobei anhand der Fotoströme der Nahgruppe 6 und der Ferngruppe 7 bestimmt wird, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich des Sensors befindet, wobei erfindungsgemäß jedem Empfangselement der Fotodiodenzeile 4 ein Mischer 8 zugeordnet ist, der dessen Fotostrom zeitgleich mit mindestens zwei phasenverschobenen Signalen mischt, wobei beide Signale dieselbe Frequenz wie das modulierte Lichtsignal aufweisen und deren Phasenwinkel für jedes Empfangselement wählbar sind, wobei der erste Phasenwinkel zwischen -90° und +90° und der zweite Phasenwinkel zwischen -90° und +270° liegt. embedded image





Inventors:
Baumann, Robert (88239, Wangen, DE)
Application Number:
DE102017203215A
Publication Date:
08/30/2018
Filing Date:
02/28/2017
Assignee:
ifm electronic gmbh, 45128 (DE)
International Classes:
G01S17/02; G01B11/14; G01D5/30; G01S7/491; G01V8/10
Domestic Patent References:
DE102013216693B3N/A
DE102015205840A1N/A
Foreign References:
EP1816488
Claims:
Optoelektronischer Sensor zur Detektion eines Objekts in einem Überwachungsbereich mit einem Lichtsensender (1) zur Aussendung eines modulierten Lichtsignals, einer abbildenden Sendeoptik (2), einer abbildenden Empfangsoptik (3) und einer Fotodiodenzeile (4) mit mehreren Fotodioden als Empfangselemente, sowie einer elektronischen Schaltung (5) zur Erzeugung eines objektabhängigen Ausgangssignals, wobei die Empfangselemente der Fotodiodenzeile (4) einer Nahgruppe (6) und eine Ferngruppe (7) zugeordnet werden, wobei anhand der Fotoströme der Nahgruppe (6) und der Ferngruppe (7) bestimmt wird, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich des Sensors befindet, dadurch gekennzeichnet, dass jedem Empfangselement der Fotodiodenzeile (4) ein Mischer (8) zugeordnet ist, der dessen Fotostrom zeitgleich mit mindestens zwei phasenverschobenen Signalen mischt, wobei beide Signale dieselbe Frequenz wie das modulierte Lichtsignal aufweisen und deren Phasenwinkel für jedes Empfangselement wählbar sind, wobei der erste Phasenwinkel zwischen -90° und +90° und der zweite Phasenwinkel zwischen -90° und +270° liegt.

Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit der Mischung auch eine Zuordnung zur Nahgruppe (6) oder zur Ferngruppe (7) erfolgt, wobei das objektabhängige Ausgangssignal durch Differenzbildung der Fotoströme der Nahgruppe (6) und der Ferngruppe (7) generiert wird.

Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2dadurch gekennzeichnet, dass die die Aufteilung der Fotodiodenzeile (4) in eine Nahgruppe (6) und eine Ferngruppe (7) durch eine sukzessive Approximation erfolgt, wobei diejenige Aufteilung mit der geringsten Signaldifferenz zwischen den Summensignalen der Teilströme ermittelt wird.

Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass den Modulationsfrequenz des modulierten Lichtsignals so gewählt ist, dass die laufzeitbedingte Phasendifferenz zwischen dem Sendesignal und dem Empfangssignal weniger als 30° beträgt.

Verfahren zum Betreiben eines optoelektronischen Sensors nach einem der vorigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die den Elementen der Fotodiodenzeile (4) zugeordneten Mischer (8) deren Fotoströme synchron zum modulierten Lichtsignal mit antivalenten Taktsignalen multiplizieren, wobei mit der phasenempfindlichen Gleichrichtung eine Zuordnung zur Nahgruppe oder zur Ferngruppe erfolgt, und anschließend die Differenz der Fotoströme der Nahgruppe (6) und der Ferngruppe (7) ausgewertet wird.

Description:

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor zur Detektion eines Objekts in einem Überwachungsbereich und ein zugehöriges Auswerteverfahren gemäß den Oberbegriffen der Patentansprüche 1 und 5.

Auch als Näherungsschalter bezeichnete optoelektronische Sensoren, insbesondere Reflexlichttaster, sind in der Automatisierungstechnik weit verbreitet und werden unter u. A. auch von der Anmelderin in hohen Stückzahlen hergestellt und vertrieben.

Neben den energetischen Reflexlichttastern, die lediglich die von einem Objekt reflektierte Lichtmenge auswerten, sind seit langem auch nach dem Triangulationsprinzip arbeitende Sensoren bekannt. Sie werden vorzugsweise eingesetzt, um störende Hintergrundobjekte auszublenden. Derartige Triangulations-Reflexlichttaster werden von der Anmelderin beispielsweise unter der Bezeichnung OJ5068 oder O7H208 angeboten.

Sie besitzen einen modulierten optischen Sender, der ein meistens kollimiertes Lichtbündel in einen Überwachungsbereich aussendet. Neben dem Sender befindet sich eine abbildende Empfangsoptik mit einem ortsauflösenden Empfänger. Die beiden optischen Achsen sind meist parallel, können aber je nach Messaufgabe auch in spitzwinklig zueinander verlaufen. Diffus reflektierende Objekte werden in einem von ihrem Abstand abhängigen Winkel von der Empfangsoptik erfasst und auf einen von diesem Einfallswinkel abhängigen Ort auf dem mindestens zwei Empfangselemente aufweisenden optischen Empfänger abgebildet. Eine derartige Anordnung wird als Triangulation bezeichnet.

Als Empfänger kommen alle ortsauflösenden Fotoempfänger in Frage. Es kann sich dabei um eine (mechanisch verschiebbare) Fotodiode mit mindestens 2 Elementen, eine positionsempfindliche Fotodiode (PSD), eine CCD-Zeile oder CCD-Matrix, oder wegen der geringeren Fremdlichtempfindlichkeit meist um eine Fotodiodenzeile mit beispielsweise 64 Elementen handeln.

Der Empfänger liefert im Allgemeinen ein Nahsignal und ein Fernsignal, die zur Feststellung eines Objektes im Überwachungsbereich miteinander verknüpft werden.

Damit schwarze und weiße Objekte mit stark unterschiedlichem Reflexionsvermögen im selben Abstand „schalten“, werden die Empfangssignale in der Regel normiert, was durch eine Quotientenbildung geschehen kann.

Die DE 197 21 105 A1 zeigt einen derartigen nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Reflexlichttaster mit einer Diodenzeile, dessen Funktionsweise später noch näher erläutert wird (siehe 2).

Als nachteilig werden die beim Umschalten der Schalter 13, 14 mit transportierten Ladungen angesehen, die unerwünschte Stromimpulse erzeugen, die das Ergebnis der Messung verfälschen, und deren Abklingen deshalb „abgewartet“ werden muss.

Dieses Problem verschärft sich, wenn an Stelle eines binären Schaltsignals, wo lediglich ein „teach- in“ oder ein Einstellvorgang notwendig ist, eine permanente Abstandsmessung erfolgen soll, was eine ständige Veränderung der Schalterstellung erfordert.

Die DE 199 07 547 A1 zeigt eine nach dem gleichen Prinzip arbeitenden Anordnung, wobei die Empfangselemente mit separaten Verstärkern verbunden sind, was das Problem zwar abmildert aber nicht beseitig. Außerdem steigt der Platzbedarf auf dem Siliziumchip für die meistens kundenspezifische elektronische Schaltung (ASIC).

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, diesen Nachteil zu überwinden und einen ohne störende Umschaltimpulse arbeitenden optoelektronischen Sensor anzugeben.

Diese Aufgabe wird entsprechend den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruchs 1 und des nebengeordneten Verfahrensanspruchs 5 gelöst. Die Unteransprüche betreffen die vorteilhafte Ausgestaltung der Erfindung.

Die wesentliche Idee der Erfindung besteht darin, jedem Empfangselement der Fotodiodenzeile einen separaten Mischer zuzuordnen, der dessen Fotostrom zeitgleich mit mindestens zwei zueinander phasenverschobenen (Lokal-) Signalen mischt, wobei die beiden Signale dieselbe Frequenz wie das modulierte Lichtsignal, also die Sendefrequenz, aufweisen, und deren Phasenwinkel für jedes Empfangselement wählbar sind, wobei der erste Phasenwinkel zwischen - 90° und + 90° und der zweite zwischen - 90° und + 270° liegt.

Wenn die den einzelnen Empfangselemente zugeordneten Mischer antivalente Ausgänge aufweisen, und deren Lokalsignale um 0° + c oder 180° + c gegenüber dem Sendesignal verschoben sind, wobei c eine vernachlässigbare geräteabhängige Phasenverschiebung darstellt, kann die an sich bekannte Synchrongleichrichtung mit der Zuordnung der Empfangselemente zu einer Nahgruppe und einer Ferngruppe verbunden werden. Die Mischer sind deshalb mit zwei antivalenten, d. h. um 180° phasenverschobenen Stromausgängen a und b ausgeführt, um durch deren Zusammenfassung eine einfache Summierung der Fotoströme auf zwei Stromleitungen zu erreichen. Mit einem Differenzverstärker kann nun bestimmt werden, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet. Die Weiterverarbeitung des Differenzsignals kann auf bekannte Weise erfolgen, wobei auch eine Normierung der beiden Fotoströme erfolgen oder deren Quotient gebildet werden kann. Neben oder an Stelle eines binären Schaltsignals kann natürlich auch ein analoges oder ein digitales Abstandssignal erzeugt werden.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert.

  • 1 zeigt die Baugruppen eines Reflexlichttasters nach dem Triangulationsprinzip.
  • 2 zeigt den Stand der Technik aus der DE 197 21 105 mit störenden Schaltelementen.
  • 3 zeigt die eine erste Ausführung einer erfindungsgemäßen Empfängerschaltung.
  • 4 zeigt eine zweite Ausführung einer erfindungsgemäßen Empfängerschaltung.

Die 1 zeigt die wesentlichen Baugruppen eines nach dem Triangulationsprinzip arbeitenden Reflexlichttasters. Der Lichtsender 1 weist meistens eine LED oder eine Laserdiode auf, die hier vorteilhaft mit einem symmetrischen Rechtecksignal moduliert ist. Das Licht wird mit einer sammelnden Optik 2, meist einem Kollimator, in den Überwachungsbereich gelenkt. Die auf einem dort befindlichen, im Wesentlichen diffus reflektierenden Objekt entstehende Struktur (Lichtfleck), wird von einer sammelnden Empfangsoptik 3 auf eine Fotodiodenzeile 4 abgebildet. Deren Empfangselemente D1 bis Dn können mit in 2 dargestellten Schaltern einer Nahgruppe 6 oder einer Ferngruppe 7 zugordnet werden.

Ein wie gezeigt auf die Trennlinie abgebildeter Lichtfleck wird in beiden Gruppen den gleichen Fotostrom erzeugen, wobei durch eine wie auch immer geartete Wichtung der Fotoströme interpoliert werden kann. Beispielsweise kann ein Schaltvorgang ausgelöst werden wenn die Differenz der beiden Fotoströme Inah -Ifern eine vorgegebene Schaltschwelle überschreitet.

Die der DE 197 21 105 A1 entnommene 2 zeigt den Stand der Technik, bei dem die Sensorelemente 11 mit Hilfe von Schaltern 13 und 14 wahlweise den parallelen Leitungen 15 oder 16 zugeschaltet werden. Wo sie aufsummiert und dem Differenzverstärker 18 zugeführt werden. Die daran anschließende Analog-Digital-Wandlung und die Weiterverarbeitung zur Erzeugung eines Schaltsignals werden als bekannt vorausgesetzt. Andernfalls wird auf die genannte Druckschrift verwiesen.

Für eine Entfernungsmessung wäre die Trennstelle zwischen den beiden Gruppe genau in den Schwerpunkt des Lichtflecks zu legen, was die sukzessive Umschaltung der Empfangselemente erfordert, wobei die genannten Umschalt-Stromimpulse besonders störend wären.

Die 3 zeigt eine erste erfindungsgemäße Auswerteschaltung für die Fotodiodenzeile 4. Deren mit D1 bis Dn bezeichneten Empfangselemente sind mit Masse und andererseits mit Mischern 8 verbunden. Die Mischer 8 besitzen antivalente Stromausgänge, die wie in 2 mit zwei parallelen Leitungen verbunden sind, wo sie aufsummiert, gefiltert und die Summen voneinander abgezogen werden. Verstärker, Filter, sowie ein Summierer für beide Leitungen werden als bekannt vorausgesetzt und deshalb nicht näher erläutert.

Die Mischer 8 werden vom Multiplexeren 9 mit zum Lichtsender synchronen Taktsignalen versorgt, die mindestens zwei unterschiedliche, vorzugsweise um 180 Grad gegeneinander verschobene Phasenwinkel aufweisen.

So kann die Zuordnung einer beliebigen Fotodiode D1..n erfindungsgemäß durch Mischung ihres Fotostroms mit dem um 0 Grad verschobenen Sendesignal oder mit dem um 180 Grad verschobenen inversen Sendesignal erfolgen. Der nur während der Sendephase anfallende Fotostrom erscheint je nach Phasenlage entweder an einem ersten Mischerausgang (a1..an) oder an einem zweiten Mischerausgang (b1..bn), womit neben einer Synchrongleichrichtung auch die Zuordnung zu einer der beiden parallelen Leitungen erfolgt ist.

Permanentes Fremdlicht oder elektromagnetische Störungen erscheinen zu gleichen Teilen an den beiden Mischerausgängen und werden bei der Differenzbildung ausgelöscht.

Die Steuerung und Auswertung, sowie die Erzeugung eines Ausgangssignals erfolgt in der mit „Control“ bezeichneten Steuereinheit, die Bestandteil der bereits in der 1 gezeigten elektronischen Schaltung 5 ist, die sämtliche weitere dem Fachmann bekannte und deshalb nicht näher zu erläuternde Steuerungsfunktionen eines optoelektronischen Sensors oder Näherungsschalters übernimmt.

Die 4 zeigt eine zweite erfindungsgemäße Auswerteschaltung, die weitgehend der 3 entspricht. Hier weisen die Mischer Spannungsausgänge auf, die bei einem Lokalsignal von 0° ein positives und bei einem Lokalsignal des Mischers von 180° ein negatives Vorzeichen erhalten. Nach der Summenbildung durch einen mit Add-n bezeichneter Addierer steht wie in 3 auch hier ein Differenzsignal „Nahgruppe minus Ferngruppe“ zur Verfügung.

In einer ersten vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Fotoströme der Empfangselemente mit antivalenten Taktsignalen multipliziert, wodurch neben einer phasenempfindlichen Gleichrichtung auch die Zuordnung zur Nahgruppe oder zur Ferngruppe erfolgt, und ein objektabhängiges Ausgangssignals durch Differenzbildung der Fotoströme von Nahgruppe und Ferngruppe generiert wird. So werden die oben genannten störenden Stromimpulse vermieden, was Messung und Auswertung wesentlich beschleunigt.

Bei Mischung mit einem um 90° oder 270° verschobenen Sendesignal wird der Fotostrom des betreffenden Empfangselements D1..n zu gleichen Teilen auf die o. g. parallelen Leitungen verteilt, was zu dessen Auslöschung und damit zur Ausblendung des Empfangselements führt.

In einer weiteren vorteilhaften Ausgestaltung erfolgt die Aufteilung der Fotodiodenzeile 4 in die Nahgruppe 6 und die Ferngruppe 7 durch eine sukzessive Approximation, wobei die Empfangselemente zunächst in zwei gleich große Gruppen aufgeteilt werden, danach wird gemessen, in welcher Gruppe das größere Empfangssignal vorliegt, diese Gruppe ebenfalls wieder in zwei gleiche Gruppen aufgeteilt wird, und so fort, bis die Signale der schließlich nahezu gleich groß sind. Die Entfernungsbestimmung erfolgt dann anhand der ermittelten Position auf der Fotodiodenzeile 4 unter Beachtung der in der 1 gezeigten geometrischen Verhältnisse, wobei der Basisabstand zwischen den beiden optischen Achsen und der Abbildungsmaßstab der Empfangsoptik zu berücksichtigen sind.

Außerdem wird noch auf die dem Fachmann bekannte Interpolationsmöglichkeit unter Berücksichtigung der Amplitudenunterschiedes zwischen dem Nah- und dem Fernsignal hingewiesen, wobei die Erfindung eine äußerst vorteilhafte lineare Interpolation erlaubt. Hierzu werden die Gruppenaufteilungen mit dem kleinsten positiven diejenige mit dem kleinsten negativen Differenzsignal ermittelt und der tatsächliche Abstand wird unter Berücksichtigung der genannten geometrischen Verhältnisse und der zugehörigen Signalhöhe bestimmt.

Beispielsweise kann das kleinste positive Differenzsignal bei der Aufteilung 32/32 und das kleinste negative Differenzsignal bei der Aufteilung von 31/33 bei einer Fotodiodenzeile mit 64 Empfangselemente vorliegen. Falls die beiden Signale betragsgleich sind, ergibt sich ein Objektabstand s = f‘ * (a / l) * (31,5/32,5), wobei f‘ die Brennweite der Empfangsoptik 3, a den Abstand der optischen Achsen und l die Länge der Fotodiodenzeile 4 darstellt (siehe. 1).

Das zuweilen recht unterschiedliche Reflexionsvermögen der Objekte wirkt sich zwar auch hier auf die Höhe der Differenzsignale aus und führt natürlich zu Interpolationsgeraden mit unterschiedlichem Anstieg, die sich aber alle in einem geneinsamen Schnittpunkt treffen, so dass die oben erwähnte Normierung oder Quotientenbildung entfallen kann.

Die Modulationsfrequenz für das modulierte Lichtsignal ist vorteilhaft so zu wählen, dass die (licht-) laufzeitbedingte Phasendifferenz zwischen Sendesignal und Empfangssignal weniger als 30° beträgt.

Nicht benötigte Empfangselemente D1..n können wie bereits erwähnt durch Mischung mit um 90° oder 270° Phasenverschiebung auf einfache Weise ausgeblendet werden. Außerdem ist eine (In Phase - Quadratur) - Demodulation (I Q) mit den vier oben genannten um (0°, 90°, 180° und 270°) phasenverschobenen Signalen möglich. Dadurch eignet sich die Empfängerschaltung für Triangulationsmessung in Nahbereich mit geringer laufzeitbedingter Phasenverschiebung und zur Lichtlaufzeitmessung im Fernbereich mit einer hohen laufzeitbedingten Phasenverschiebung.

Dier Erfindung umfasst auch ein Verfahren zum Betreiben des beschriebenen Sensors, bei dem die den Empfangselementen der Fotodiodenzeile 4 zugeordneten Mischer 8 deren Fotoströme synchron zum modulierten Lichtsignal mit antivalenten Taktsignalen multiplizieren, wobei mit der phasenempfindlichen Gleichrichtung auch eine Zuordnung zur Nahgruppe oder zur Ferngruppe erfolgt, und anschließend die Differenz der Fotoströme der Nahgruppe 6 und der Ferngruppe 7 ausgewertet wird.

Bezugszeichenliste

1
Lichtsender zur Aussendung eines modulierten Lichtsignals
2
Abbildende Sendeoptik (Kollimator)
3
Abbildende Empfangsoptik (Sammellinse)
4
Fotodiodenzeile
5
Elektronische Schaltung (Control)
6
Nahelement der Fotodiodenzeile (Fotodioden i... n)
7
Fernelement der Fotodiodenzeile (Fotodioden 1... i-1)
8
Mischer zur Mischung der Fotoströme mit dem Sendesignal
9
Multiplexer zur Steuerung der Mischer 8
ADC
Analog-Digital-Wandler für die Differenz von Nah- und Fernsignal
CLK
Taktgenerator für das Sendesignal und die Mischung
D1...Dn
Empfangselemente der Fotodiodenzeile 4 (Fotodioden 1...n)
a1 ...an
Erste Mischerausgänge für das Mischprodukt mit 0°
b1...bn
Zweite Mischerausgänge für das Mischprodukt mit 180°
Add_n
Addierer für die Ausgangssignale der 4-Quadrantenmischer 1..n

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.

Zitierte Patentliteratur

  • DE 19721105 A1 [0008, 0019]
  • DE 19907547 A1 [0011]
  • DE 19721105 [0016]