Title:
Lichtgitter
Kind Code:
U1


Abstract:

Lichtgitter zur Detektion eines durch ein Schutzfeld des Lichtgitters (10) in eine Bewegungsrichtung (y-Richtung) bewegten Objekts (30) mit
- einer Lichtsendeeinheit (12), umfassend mehrere Lichtsender (14),
- einer Lichtempfangseinheit (20), umfassend mehrere Lichtempfänger (22), wobei jeder der Lichtempfänger (22) einem der Lichtsender (14) zugeordnet ist und ein Lichtempfänger (22) von der einfallenden Lichtintensität abhängige Empfangssignale (S) bereitstellt,
- jedes Paar zugeordneter Lichtsender (14) und Lichtempfänger (22) zwischen sich ein effektives Lichtstrahlenbündel (28) definiert, das dadurch definiert ist, dass an jedem Abstand (x) zur Lichtsendeeinheit (12) eine Teilabschattung dieses effektiven Lichtstrahlenbündels (28) eine der Teilabschattung entsprechende und messbare Intensitätsveränderung in dem zugeordneten Lichtempfänger (22) bewirkt, und die effektiven Lichtstrahlenbündel (28) das Schutzfeld (in x-z Ebene) bilden,
- einer Auswerteeinheit (32) zur Auswertung der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, zu zwei Zeiten (t1 und t2) die Empfangssignale eines der Lichtempfänger (22) aufzunehmen und
- aus einer Differenz der Empfangssignale (S2-S1) und aus einer Differenz der Zeiten (t1-t2) und aus der Ausdehnung (deff) des dem Lichtempfänger (22) zugeordneten effektiven Lichtstrahlenbündels (28) in Bewegungsrichtung (y) eine Geschwindigkeit (v) des Objekts (30) zu bestimmen. embedded image




Application Number:
DE202017102044U
Publication Date:
07/09/2018
Filing Date:
04/06/2017
Assignee:
SICK AG, 79183 (DE)
International Classes:



Claims:
Lichtgitter zur Detektion eines durch ein Schutzfeld des Lichtgitters (10) in eine Bewegungsrichtung (y-Richtung) bewegten Objekts (30) mit
- einer Lichtsendeeinheit (12), umfassend mehrere Lichtsender (14),
- einer Lichtempfangseinheit (20), umfassend mehrere Lichtempfänger (22), wobei jeder der Lichtempfänger (22) einem der Lichtsender (14) zugeordnet ist und ein Lichtempfänger (22) von der einfallenden Lichtintensität abhängige Empfangssignale (S) bereitstellt,
- jedes Paar zugeordneter Lichtsender (14) und Lichtempfänger (22) zwischen sich ein effektives Lichtstrahlenbündel (28) definiert, das dadurch definiert ist, dass an jedem Abstand (x) zur Lichtsendeeinheit (12) eine Teilabschattung dieses effektiven Lichtstrahlenbündels (28) eine der Teilabschattung entsprechende und messbare Intensitätsveränderung in dem zugeordneten Lichtempfänger (22) bewirkt, und die effektiven Lichtstrahlenbündel (28) das Schutzfeld (in x-z Ebene) bilden,
- einer Auswerteeinheit (32) zur Auswertung der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet,
- dass die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, zu zwei Zeiten (t1 und t2) die Empfangssignale eines der Lichtempfänger (22) aufzunehmen und
- aus einer Differenz der Empfangssignale (S2-S1) und aus einer Differenz der Zeiten (t1-t2) und aus der Ausdehnung (deff) des dem Lichtempfänger (22) zugeordneten effektiven Lichtstrahlenbündels (28) in Bewegungsrichtung (y) eine Geschwindigkeit (v) des Objekts (30) zu bestimmen.

Lichtgitter nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Bewegungsrichtung (y) senkrecht zum Schutzfeld liegt.

Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Geschwindigkeit (v) nach der Formel v=|S2S1|defft2t1embedded imagebestimmt wird, wobei S1 und S2 die Empfangssignale zu den Zeiten t1 und t2 sind, die auf ein maximales Empfangssignal ohne Teilabschattung normiert sind und deff die Ausdehnung des dem Lichtempfänger (22) zugeordneten effektiven Lichtstrahlenbündels (28) in Bewegungsrichtung (y) ist.

Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausdehnung (deff) des effektiven Lichtstrahlenbündels (28) in Bewegungsrichtung (y) mit größer werdendem Abstand (x) bei freiem Strahlengang sich stetig monoton verändert und die Auswerteeinheit (32) ausgebildet ist, bei bekannter Geschwindigkeit des Objekts (30) den Abstand (x) des Objekts (30) zur Lichtsendeeinheit (12) zu bestimmen.

Lichtgitter zur Detektion eines durch ein Schutzfeld des Lichtgitters (10) in eine Bewegungsrichtung (y-Richtung) bewegten Objekts (30) mit
- einer Lichtsendeeinheit (12), umfassend mehrere Lichtsender (14),
- einer Lichtempfangseinheit (20), umfassend mehrere Lichtempfänger (22), wobei jeder der Lichtempfänger (22) einem der Lichtsender (14) zugeordnet ist und ein Lichtempfänger (22) von der einfallenden Lichtintensität abhängige Empfangssignale bereitstellt,
- jedes Paar zugeordneter Lichtsender (14-1 bzw. 14-2) und Lichtempfänger (22-1 bzw. 22-2) zwischen sich ein effektives Lichtstrahlenbündel (28-1 bzw. 28-2) definiert, das dadurch definiert ist, dass an jedem Abstand (x) zur Lichtsendeeinheit (12) eine Teilabschattung dieses effektiven Lichtstrahlenbündels (28-1, 28-2) eine der Teilabschattung entsprechende und messbare Intensitätsveränderung in dem zugeordneten Lichtempfänger (22-1, 22-2) bewirkt, und die effektiven Lichtstrahlenbündel das Schutzfeld (in x-z Ebene) bilden,
- einer Auswerteeinheit (32) zur Auswertung der Empfangssignale, dadurch gekennzeichnet,
- dass in der Auswerteeinheit (32) Schaltlinien (A, B, C, D) definiert sind, wobei eine Schaltlinie (A; B; C; D) innerhalb eines effektiven Lichtstrahlenbündels die Orte (x, y) zwischen einem Lichtsender-Lichtempfänger-Paar angibt, an denen eine Objektkante (34) liegt, wenn die Teilabschattung des effektiven Lichtstrahlenbündels (28-1; 28-2) durch das Objekt (30) ein gleiches Empfangssignal erzeugt,
- dass pro Lichtsender-Lichtempfänger-Paar zwei erste, unterschiedliche Schaltlinien (A und B) definiert sind,
- dass wenigstens zwei weitere, zweite Schaltlinien (C und D) eines anderen Lichtsender-Lichtempfänger-Paares definiert sind,
- dass an jedem Punkt (x) der Schaltlinien, also zu jedem Abstand von der Lichtsendeeinheit (12), ein Quotient einer Differenz der y-Werte der ersten Schaltlinien (A und B) und einer Differenz der y-Werte der zweiten Schaltlinien (C und D) einen anderen Wert hat,
- dass die Auswerteeinheit (32) dazu ausgebildet ist, beim Bewegen des Objektes (30) durch das Schutzfeld die vier Zeitpunkte (t1, t2, t3, t4) zu bestimmen, an denen die ersten und zweiten Schaltlinien (A, B, C, D) von der Objektkante (34) überschritten werden,
- und die Auswerteeinheit (32) weiter ausgebildet ist, aus diesen vier Zeitpunkten (t1, t2, t3, t4) die Geschwindigkeit (v) des Objektes (30) und den Abstand (x) des Objektes (30) von der Lichtsendeeinheit (12) im Schutzfeld zu bestimmen.

Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die effektiven Lichtstrahlenbündel (28, 28-1, 28-2) durch Blenden in einer Lichtsendeoptik geformt sind.

Lichtgitter nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden durch Bedrucken einer Linse gebildet sind.

Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Blenden Lichtstrahlenbündel formen, deren Querschnitte (y-z Ebene) derart ausgebildet sind, dass die Ausdehnung in z-Richtung sich in Bewegungsrichtung (y-Richtung) stetig monoton verändert.

Lichtgitter nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass der Querschnitt trapezförmig ist.

Lichtgitter nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass Lichtsender und Lichtempfänger sich auf einer Seite des Schutzfeldes befinden und auf der gegenüberliegenden Seite ein Reflektor angeordnet ist und die Lichtstrahlen vom Lichtsender über den Reflektor zum Lichtempfänger verlaufen.

Description:

Die Erfindung betrifft ein Lichtgitter zur Detektion eines durch ein Schutzfeld des Lichtgitters in eine Bewegungsrichtung bewegtes Objekt, wobei das Lichtgitter eine Lichtsendeeinheit umfasst mit mehreren zumeist in Reihe angeordneten Lichtsendern, eine Lichtempfangseinheit umfasst mit mehreren Lichtempfängern und jeder der Lichtempfänger einem der Lichtsender zugeordnet ist (Lichtsender-Lichtempfänger-Paare). Jeder Lichtempfänger stellt von der einfallenden Lichtintensität abhängige Empfangssignale bereit. Diese Empfangssignale werden in einer Auswerteeinheit ausgewertet. Die Lichtstrahlen der Lichtsender-Lichtempfänger-Paare definieren das Schutzfeld des Lichtgitters.

Solche Lichtgitter dienen zur Erkennung von Objekten, wenn das Objekt einen oder mehrere der Lichtstrahlen unterbricht. Mit Identifikation der einzelnen unterbrochenen Lichtstrahlen kann in gewissen Grenzen, also zumindest in einer Dimension eine Ortung oder Vermessung des Objektes im Schutzfeld erfolgen, z.B. eine Objekthöhenbestimmung.

Zur Bestimmung der Geschwindigkeit von sich durch das Schutzfeld bewegenden Objekten ist es z.B. aus der DE 10 2005 030 829 C5 bekannt, die Zeitfolge der nacheinander erfolgenden Strahlunterbrechungen zu erfassen und daraus die Objektgeschwindigkeit abzuleiten. Das geht aber nur, wenn das Objekt in seiner Bewegung auch nacheinander die einzelnen Lichtstrahlen unterbricht. Das funktioniert nicht mehr, wenn das Objekt sich senkrecht zur Ebene des Schutzfeldes bewegt, denn dann ist die Unterbrechung nur abhängig von der Geometrie des Objektes und nicht von der Bewegung.

Für diesen Fall müssen zwei Lichtgitter hintereinander angeordnet sein, deren Lichtstrahlen dann bei Durchfahren des Objektes nacheinander unterbrochen werden. Die US 7,038,764 B2 zeigt eine solche Anordnung, wobei dort sogar die beiden Lichtgitter in einem gemeinsamen Gehäuse angeordnet sind.

Ausgehend von diesem Stand der Technik ist es Aufgabe der Erfindung, ein verbessertes Lichtgitter bereitzustellen, mit dem eine Geschwindigkeitsmessung bei einer Objektbewegung senkrecht zum Schutzfeld möglich ist.

Diese Aufgabe wird gelöst durch ein Lichtgitter mit den Merkmalen des Anspruchs 1 oder in einer anderen Variante mit den Merkmalen des Anspruchs 5

In der ersten Variante umfasst das erfindungsgemäße Lichtgitter zur Detektion eines durch ein Schutzfeld des Lichtgitters in eine Bewegungsrichtung (y-Richtung) bewegten Objekts:

  • - eine Lichtsendeeinheit mit mehreren Lichtsendern,
  • - eine Lichtempfangseinheit mit mehreren Lichtempfängern, wobei jeder der Lichtempfänger einem der Lichtsender zugeordnet ist und ein Lichtempfänger von der einfallenden Lichtintensität abhängige Empfangssignale bereitstellt,
  • - jedes Paar zugeordneter Lichtsender und Lichtempfänger zwischen sich ein effektives Lichtstrahlenbündel definiert, das dadurch definiert ist, dass an jedem Abstand zur Lichtsendeeinheit eine Teilabschattung dieses effektiven Lichtstrahlenbündels eine der Teilabschattung entsprechende und messbare Intensitätsveränderung in dem zugeordneten Lichtempfänger bewirkt, und die effektiven Lichtstrahlenbündel das Schutzfeld bilden,
  • - eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale,
wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, zu zwei Zeitpunkten t1 und t2 die Empfangssignale eines der Lichtempfänger aufzunehmen und aus einer Differenz der Empfangssignale, einer Differenz der Zeiten t1 und t2 und der Ausdehnung des dem Lichtempfänger zugeordneten effektiven Lichtstrahlenbündels in Bewegungsrichtung eine Geschwindigkeit des Objekts zu bestimmen.

Ein solches Lichtgitter hat den wesentlichen Vorteil, dass es damit möglich ist, eine Objektgeschwindigkeit senkrecht zur Ebene eines Lichtgitters zu bestimmen. Wesentliche Voraussetzung ist die genaue Kenntnis der sogenannten „effektiven“ Lichtstrahlenbündel, also die Messbarkeit von Teilabschattungen und die Kenntnis der Abmessungen der effektiven Strahlabmessungen jedenfalls in Bewegungsrichtung.

Prinzipiell ist es möglich, auch Bewegungen des Objektes zu messen, die nicht senkrecht zur Ebene des Schutzfeldes liegen, denn die Erfindung funktioniert mit nur einem Lichtstrahlenbündel, oder anders ausgedrückt, kann die Geschwindigkeit mit jedem Lichtstrahlenbündel bestimmt werden. Der ganze Vorteil zeigt sich aber insbesondere, wenn die Bewegungsrichtung senkrecht zum Schutzfeld liegt, da dann auf jeden Fall alle bisherigen Systeme prinzipiell versagen.

In Weiterbildung der Erfindung wird die Geschwindigkeit v nach der Formel v=|S2S1|defft2t1embedded imagebestimmt wird, wobei S1 und S2 die Empfangssignale zu den Zeiten t1 und t2 sind, die auf ein maximales Empfangssignal ohne Teilabschattung normiert sind und deff die Ausdehnung des dem Lichtempfänger zugeordneten effektiven Lichtstrahlenbündels in Bewegungsrichtung ist.

Wenn in Weiterbildung der Erfindung die Ausdehnung deff des effektiven Lichtstrahlenbündels in Bewegungsrichtung sich mit größer werdendem Abstand x bei freiem Strahlengang stetig monoton verändert und der funktionale Zusammenhang deff(x) bekannt ist, ist es möglich die Auswerteeinheit derart auszubilden, dass bei bekannter Geschwindigkeit v des Objekts der Abstand x des Objekts zur Lichtsendeeinheit bestimmt werden kann. Beispielsweise muss dazu lediglich die obige Formel (1) nach deff(x) aufgelöst werden. Aus deff(x) kann dann x bestimmt werden.

In der zweiten Variante umfasst das erfindungsgemäße Lichtgitter zur Detektion eines durch ein Schutzfeld des Lichtgitters in eine Bewegungsrichtung (y-Richtung) bewegten Objekts:

  • - eine Lichtsendeeinheit mit mehreren Lichtsendern,
  • - eine Lichtempfangseinheit mit mehreren Lichtempfängern, wobei jeder der Lichtempfänger einem der Lichtsender zugeordnet ist und ein Lichtempfänger von der einfallenden Lichtintensität abhängige Empfangssignale bereitstellt,
  • - jedes Paar zugeordneter Lichtsender und Lichtempfänger zwischen sich ein effektives Lichtstrahlenbündel definiert, das dadurch definiert ist, dass an jedem Abstand zur Lichtsendeeinheit eine Teilabschattung dieses effektiven Lichtstrahlenbündels eine der Teilabschattung entsprechende und messbare Intensitätsveränderung in dem zugeordneten Lichtempfänger bewirkt, und die effektiven Lichtstrahlenbündel das Schutzfeld bilden,
  • - eine Auswerteeinheit zur Auswertung der Empfangssignale,
  • - wobei in der Auswerteeinheit Schaltlinien definiert sind, wobei eine Schaltlinie innerhalb eines effektiven Lichtstrahlenbündels die Orte (x, y) zwischen einem Lichtsender-Lichtempfänger-Paar angibt, an denen eine Objektkante liegt, wenn die Teilabschattung des effektiven Lichtstrahlenbündels durch das Objekt ein gleiches Empfangssignal erzeugt,
  • - und wobei pro Lichtsender-Lichtempfänger-Paar zwei erste unterschiedliche Schaltlinien definiert sind,
  • - und wobei wenigstens zwei weitere, zweite Schaltlinien eines anderen Lichtsender-Lichtempfänger-Paares definiert sind,
  • - und wobei an jedem Punkt x der Schaltlinien, also zu jedem Abstand von den Lichtsendern, ein Quotient einer Differenz der y-Werte der ersten Schaltlinien und einer Differenz der y-Werte der zweiten Schaltlinien einen anderen Wert hat,
  • - und wobei die Auswerteeinheit dazu ausgebildet ist, beim Bewegen des Objektes durch das Schutzfeld die vier Zeitpunkte zu bestimmen, an denen die ersten und zweiten Schaltlinien von der Objektkante überschritten werden,
  • - und wobei die Auswerteeinheit weiter ausgebildet ist, aus diesen vier Zeitpunkten die Geschwindigkeit des Objektes und den Abstand x des Objektes von den Lichtsendern im Schutzfeld zu bestimmen.

In dieser Variante erfolgt die Bewegungsgeschwindigkeit letztendlich aufgund einfacher Bestimmung der vier Zeitpunkte, wann die Objektkante die vier Schaltlinien überschreitet. Wieder ist die genaue Kenntnis der effektiven Lichtstrahlen, diesmal in Form der Schaltlinien notwendig. Wurden die Schaltlinien jedoch bestimmt, z.B. bei der Produktion des Lichtgitters, dann kann im laufenden Betrieb schnell und ohne größeren Rechenaufwand die Geschwindigkeitsbestimmung erfolgen. Weiter vorteilhaft ist, dass auch gleichzeitig der Abstand des Objekts von den Lichtsendern bestimmbar ist. Über die Kenntnis, welche der Lichtstrahlen unterbrochen sind und welche nicht, kann damit eine echte Lokalisierung des Objekts im Schutzfeld erfolgen.

Vorteilhafterweise sind die effektiven Lichtstrahlenbündel durch Blenden in einer Lichtsendeoptik geformt , wobei mit besonderem Vorteil eine Blende durch Bedrucken einer Linse gebildet sein kann. Das ist sehr einfach und kostengünstig und lässt fast beliebige Formen von Blendenöffnungen zu, so dass die effektiven Lichtstrahlenbündel in vergleichsweise einfacher Weise „designed“ werden können.

Wenn die Blenden Lichtstrahlenbündel formen, deren Querschnitte, also in der y-z Ebene, derart ausgebildet sind, dass die Ausdehnungen der Strahlenbündel in z-Richtung sich in Bewegungsrichtung, also in y-Richtung, stetig monoton verändern, dann kann durch einfaches Beobachten des Intensitätsverlaufes auf einem Lichtempfänger eine Richtungserkennung für die Bewegung des Objektes erfolgen.

Im Folgenden wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung im Einzelnen erläutert. In der Zeichnung zeigen:

  • 1 eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Lichtgitters mit Objekt;
  • 2 eine schematische Ansicht des Lichtgitters im Querschnitt in der x-y Ebene;
  • 3 eine schematische Ansicht wie 2 zur Darstellung des Konzepts der effektiven Lichtstrahlenbündel;
  • 4 ein Diagramm, das die Signalabhängigkeit von der Eindringtiefe eines Objekts in ein Lichtstrahlenbündel zeigen soll;
  • 5 zwei Paar Schaltlinien zweier unterschiedlicher effektiver Lichtstrahlenbündel;
  • 6 eine schematische Darstellung von zwei unterschiedlichen, effektiven Lichtstrahlenbündeln;
  • 7 Beispiele für Blenden;
  • 8 eine weitere Blendenform;
  • 9 ein Diagramm, das die Abhängigkeit des Signals von der Eindringtiefe eines Objekts zeigt, wenn eine Blende nach 8 verwendet wird.

Ein erfindungsgemäßes Lichtgitter 10 umfasst eine Lichtsendeeinheit 12 mit mehreren in Reihe angeordneten Lichtsendern 14. Ein Lichtsender 14 kann bedarfsweise auch eine Sendeoptik 16 aufweisen. Weiter umfasst das Lichtgitter 10 eine Lichtempfangseinheit 20 mit mehreren in Reihe angeordneten Lichtempfängern 22, die ebenfalls neben einem Empfangselement 24 eine Empfangsoptik 26 aufweisen können.

Jeder der Lichtempfänger 22 ist einem der Lichtsender 14 zugeordnet, so dass ein solches Paar von Lichtsender 14 und Lichtempfänger 22 ein Lichtstrahlenbündel 28 zwischen sich definiert. Der Lichtempfänger 22 stellt von der einfallenden Lichtintensität abhängige elektrische Empfangssignale bereit.

Folgende Richtungen sollen für die folgende Beschreibung definiert sein. Die Lichtsender 14 strahlen ihr Licht in x-Richtung ab. Die längliche Lichtsendeeinheit 12 erstreckt sich in z-Richtung. Das durch die zwischen Lichtsendern 14 und Lichtempfängern 22 liegende Lichtstrahlen 28 erzeugt Schutzfeld erstreckt sich somit in der z-x Ebene. Senkrecht dazu liegt die y-Richtung, in die ein Objekt 30 durch das Schutzfeld hindurch, beispielsweise durch ein nicht dargestelltes Förderband, bewegt wird.

Die Lichtstrahlenbündel 28 dieser Erfindung sind in spezieller Weise definiert und werden daher im Folgenden „effektive“ Lichtstrahlenbündel 28 genannt.

Bei den „effektiven“ Lichtstrahlenbündeln 28 handelt es sich um realistischere Strahlenbündel als die theoretischen, idealisierten Strahlenbündel. Im theoretischen Idealfall sind die Lichtsender punktförmige, ideale Lambert'sche Strahler und im Fokus einer idealen Sammellinse angeordnet. Je nach Abstand von idealem Lichtsender und idealer Sammellinse ist das enstehende Strahlenbündel genau parallel oder ideal divergent oder ideal konvergent.

Das ist in der Realität nicht der Fall. Allein schon durch die endliche Ausdehnung der realen Lichtsender 14 ergibt sich nie einer der Idealfälle. Die Erfindung definiert das effektive Lichtstrahlenbündel 28 so, dass an jedem Abstand x zum Lichtsender 14 eine Teilabschattung dieses effektiven Lichtstrahlenbündels 28 durch ein in y-Richtung einfahrendes Objekt 30 eine der Teilabschattung entsprechende und messbare Intensitätsveränderung in dem zugeordneten Lichtempfänger 22 bewirkt.

Das soll im Folgenden zum tieferen Verständnis noch detaillierter beschrieben werden. Dabei sollen die 3 und 4 helfen. In dem erfindungsgemäßen Lichtgitter 10 befindet sich der in y- und z-Richtung ausgedehnte Lichtsender 14 etwa im Fokus der Sendeoptik 16 und strahlt Sendelicht ab. Das Sendelicht hat Anteile von parallelem Licht und auch divergente Anteile. Die Erfindung definiert nun die „effektiven“ Lichtstrahlenbündel 28 dadurch, dass eine Teilabschattung des Lichtstrahlenbündels 28 eine entsprechende und messbare Intensitätsveränderung in dem zugeordneten Lichtempfänger 22 bewirkt. Dies ist in 4 anhand des Diagramms dargestellt. Wird das Objekt 30, das eine Abschattung bewirken kann, in y-Richtung in den Strahlengang eingeschoben, erfolgt eine der Eindringtiefe y entsprechende Teilabschattung und damit Absenkung des Empfangssignals S(y), das bei freiem Strahlengang als S0 definiert wird. Das Signal S0 bei freiem Strahlengang muss für alle Lichtstrahlenbündel 28 und für jeden mechanischen Aufbau, also für jeden Sender-Empfängerabstand, in einem Einlernprozess eingelernt werden. Das Empfangssignal S(y) sinkt bis auf Null, wenn das Objekt 30 das effektive Strahlenbündel 28 vollständig abdeckt. Die Differenz zwischen dem y-Wert bei vollständiger Abschattung und dem y-Wert bei beginnender Abschattung wird als deff bezeichnet, also Durchmesser des effektiven Lichtstrahlenbündels 28 an der Stelle x. Es sei bemerkt, dass sich ein annähernd linearer Verlauf, wie er in 4 dargestellt ist, nur dann ergibt, wenn das effektive Lichtstrahlenbündel 28 im Wesentlichen einen rechteckigen Querschnitt hat. Bei Verwendung von kreisförmigen Empfangs- und Sendeoptiken hat das effektive Strahlenbündel 28 einen runden Querschnitt und die Abhängigkeit wäre nicht mehr linear, aber immer noch eindeutig.

In der Realität wird es so sein, dass der y-Wert, bei dem ein bestimmter fester Bruchteil von S0 durch Teilabschattung erreicht wird, von der x-Position, also vom Abstand x zur Lichtsendeeinheit 12, abhängt. Die Wertepaare x-y, die einem solchen festen Bruchteil entsprechen, bilden in der x-y Ebene Linien, die in dieser Erfindung als „Schaltlinien“ bezeichnet werden, was weiter unten bei der Beschreibung einer zweiten Variante wichtig wird. In dem theoretischen, idealen Fall eines exakt parallelen effektiven Strahlenbündels sind die Schaltlinien stets Konstante, also der y-Wert ist unabhängig von x. In der Realität sind die Schaltlinien stetige Funktionen, deren Verlauf nur durch Messungen oder Simulation bestimmt werden kann. Der jeweilige Verlauf hängt in erster Linie von der Sendeoptik und der Empfangsoptik ab.

Des Weiteren weist das erfindungsgemäße Lichtgitter 10 eine Auswerteeinheit 32 zur Auswertung der Empfangssignale auf, die in der Regel in der Lichtempfangseinheit 20 angeordnet ist.

Die wesentlichen Elemente der Erfindung sind in dem Gedanken der Teilabschattung der effektiven Lichtstrahlenbündel 28 und in der Ausbildung der Auswerteeinheit 32 zur Auswertung der Teilabschattungen enthalten.

Dazu ist die Auswerteeinheit 32 in einer ersten Variante ausgebildet, zu zwei Zeitpunkten t1 und t2 die Empfangssignale S(t1) und S(t2) eines der Lichtempfänger 22 aufzunehmen und aus einer Differenz der Empfangssignale S(t2)-S(t1), einer Differenz t2-t1 und der Ausdehnung deff des dem Lichtempfänger zugeordneten effektiven Lichtstrahlenbündels 28 in Bewegungsrichtung y eine Geschwindigkeit v des Objekts 30 zu bestimmen.

Diese geschieht nach der Formel v=|S2S1|defft2t1embedded imagewobei S1 und S2 auf das maximale Empfangssignal S0 ohne Teilabschattung normiert sind.

Für diese Bestimmung der Bewegungsgeschwindigkeit v des Objekts 30 ist eine wesentliche Voraussetzung, dass das effektive Lichtstrahlenbündel 28 genau bekannt, also vermessen ist oder aus einer Simulation bekannt ist. Wenn das Objekt 30 bei seinem Durchfahren durch das Schutzfeld mehrere Lichtstrahlenbündel 28 abschattet, kann die Geschwindigkeit v mit jedem Lichtstrahlenbündel 28 bestimmt werden, wodurch die Genauigkeit der Geschwindigkeitsbestimmung erhöht werden kann.

Prinzipiell können auch mehr als zwei Messungen zu zwei Zeitpunkten erfolgen. Dann würde an die Empfangssignale, welche jeweils durch eine Teilabschattung erzeugt wären, eine Ausgleichslinie angepasst und darüber die Geschwindigkeit ermittelt. Dadurch ließe sich die Genauigkeit erhöhen.

Wenn das effektive Lichtstrahlenbündel über x stetig konvergent oder divergent ist, also deff eine stetig monotone Abhängigkeit hat und der funktionale Zusammenhang deff(x) bekannt ist, kann bei bekannter Geschwindigkeit v des Objekts der Abstand x des Objekts zur Lichtsendeeinheit bestimmt werden, nämlich aus Gleichung (1), so dass dann deff=(t2t1)v|S2S1|embedded imageund mit der Kenntnis des funktionalen Zusammenhangs kann aus deff das gesuchte x bestimmt werden.

In einer zweiten Variante ist die Auswerteeinheit 32 etwas anders ausgebildet. Jetzt kommt das Konzept der oben bereits erwähnten Schaltlinien zum Tragen. Wie beschrieben gibt eine Schaltlinie innerhalb eines effektiven Lichtstrahlenbündels 28 die Orte (x, y) an, an denen eine Objektkante 34 liegt, wenn ein bestimmter fester Bruchteil von S0 durch Teilabschattung erreicht wird, also die Teilabschattung des effektiven Lichtstrahlenbündels 28 durch das Objekt 30 stets das gleiche Empfangssignal S erzeugt.

In dieser Variante ist es weiter Voraussetzung, dass das Objekt 30 beim Durchfahren des Schutzfeldes zwei Lichtstrahlenbündel 28-1 und 28-2 unterbricht (5 und 6).

Für das erste Lichtstrahlenbündel 28-1 zwischen einem ersten Lichtsender 14-1 und einem ersten Lichtempfänger 22-1 sind zwei unterschiedliche Schaltlinien A und B definiert, die als erste Schaltlinien bezeichnet werden. Darüber hinaus sind zwei weitere, zweite Schaltlinien C und D eines zweiten Lichtstrahlenbündels 28-2 definiert. Die Schaltlinien A, B, C, D müssen durch Messungen oder durch Simulation im Vorhinein bestimmt werden.

Die effektiven Lichtstrahlen 28-1 und 28-2 und damit ihre Schaltlinie A, B, C, D müssen so ausgebildet sein, also so designed sein, dass der Quotient einer Differenz der y-Werte der ersten Schaltlinien A und B, also yB-yA, und einer Differenz der y-Werte der zweiten Schaltlinien C und D, also yD-yC, an jedem Punkt x einen anderen Wert hat. Zum Beispiel kann das dadurch erreicht werden, dass das erste Lichtstrahlenbündel 28-1 konvergent ist und das zweite Lichtstrahlenbündel 28-2 divergent. Andere Verläufe der Lichtstrahlenbündel sind denkbar, z.B. eines divergent und das andere konstant, solange sie zu dazu führen, dass der Quotient sich mit x ändert.

Nun ist die Auswerteinheit 32 so ausgebildet, dass beim Bewegen des Objektes 30 durch das Schutzfeld die vier Zeitpunkte bestimmt werden, an denen die Schaltlinien A, B, C, D von der Objektkante 34 überschritten werden (5). Diese Zeitpunkte heißen im Folgenden Schaltzeiten und sollen mit

  • t1 beim Überschreiten der Schaltlinie A,
  • t4 beim Überschreiten der Schaltlinie B,
  • t2 beim Überschreiten der Schaltlinie C,
  • t3 beim Überschreiten der Schaltlinie D
bezeichnet werden. Dann lässt sich aus diesen vier Zeitpunkten die Geschwindigkeit des Objektes 30 und der Abstand x des Objektes 30 von den Lichtsendern 12-1 und 12-2 im Schutzfeld bestimmen.

Eine Bestimmung kann wie folgt erfolgen:

Das Objekt 30 erreicht beim Einfahren in das Schutzfeld zu den verschiedenen Schaltzeiten die gewählten Schaltlinien A, B, C, D. Hieraus können Schaltzeitdifferenzen berechnet werden: Δt1=t4t1Δt2=t3t2embedded image

Die ortsabhängigen Abstände der Schaltlinien A und B bzw. C und D (siehe Fig. xx) sollen mit d1 bzw. d2 bezeichnet werden.

Da bei gleichförmiger Geschwindigkeit des Objektes (jedenfalls für die Dauer der Messungen) gilt, dass Δt1~d1 und Δt2~d2 ist und damit Δt1Δt2=d1d2embedded imaged1 und d2 sind von x abhängig, wobei die Abhängigkeit bekannt ist, da die Schaltlinien bekannt sind. Damit gibt es eine bekannte Funktion d(x)=d1(x)d2(x)embedded image

Der Zusammenhang d(x) kann beispielsweise in der Auswerteeinheit 32 in einer Look-Up Tabelle oder als Funktion abgelegt sein. Damit ist zu jedem x ein eindeutiges d bekannt bzw. zu jedem d(x) eindeutig ein x.

Mit der Kenntnis von d1(x) und/oder d2(x) kann somit der Ort xObjekt, an dem das Objekt 30 oder besser dessen Vorderkante 34 sich befindet, ermittelt werden.

Die Objektgeschwindigkeit kann berechnet werden mit v=d1(xObjekt)Δt1embedded image

Somit können gleichzeitig die Objektgeschwindigkeit v und der Objektort xObjekt zwischen Sender und Empfänger bestimmt werden.

Wenn die Objektbewegung langsam im Vergleich zur Messfrequenz ist, können die vier Schaltpunkte direkt gemessen werden. Wenn sich das Objekt jedoch relativ schnell bewegt, so dass es passieren kann, dass zwischen zwei Schaltzeitpunkterfassungen das Objekt sich signifikant über die Schaltlinie bewegt, ist es sinnvoller oder besser gesagt genauer, wenn die der Objektbewegung entsprechende Signalabnahme in Abhängigkeit der Zeit auf dem Lichtempfänger erfasst wird. Dann können aus dem ermittelten Signalabnahmeverlauf bzw. aus den Signal/Zeitpunkt-Wertepaaren die Zeiten t1 bis t4 beispielsweise durch Interpolation im Nachhinein für die entsprechenden Schaltlinien ermittelt werden.

Weiter oben wurde angesprochen, dass die Lichtstrahlenbündel 28 und damit ihre Schaltlinien so designed werden müssen, dass verschiedene Bedingungen erfüllt sind, z.B. dass die Lichtstrahlenbündel 28 stetig konvergent oder stetig divergent sind. Eine solche Ausbildung lässt sich abhängig von der Sende- und Empfangsoptik vorteilhafterweise mit Blenden unterschiedlicher Geometrie und Anordnung erzeugen. In den 7 sind zwei Beispiele möglicher Blenden aufgezeigt, wobei in den Figuren eine Frontansicht der Lichtsendeeinheit 12 mit Ansicht der Sendeoptiken dargestellt ist. Vorteilhafterweise sind die Blenden in einer Lichtsendeoptik geformt, wobei mit besonderem Vorteil eine Blende durch Bedrucken einer Linse gebildet sein kann. Das ist sehr einfach und kostengünstig und lässt fast beliebige Formen von Blendenöffnungen zu, so dass die effektiven Lichtstrahlenbündel in vergleichsweise einfacher Weise „designed“ werden können.

Wenn die Blenden Lichtstrahlenbündel 28 formen, deren Querschnitte, also in der y-z Ebene, derart ausgebildet sind, dass die Ausdehnung der Strahlenbündel in z-Richtung sich in Bewegungsrichtung (8), also in y-Richtung, stetig monoton verändert, zum Beispiel trapezförmig wie in 8 dargestellt, dann kann durch einfaches Beobachten des Intensitätsverlaufes S(y) (9) auf einem Lichtempfänger 22 eine Richtungserkennung für die Bewegung des Objektes 30 erfolgen.

Die Erfindung wurde beschrieben bzgl. des Einfahrens einer Vorderkante eines Objekts in das Schutzfeld, d.h. wenn die Vorderkante des Objekts die Strahlenbündel abdeckt. Die Ideen sind nahezu analog übertragbar auf ein ausfahrendes Objekt, d.h. wenn die letzte Objektkante den Lichtweg wieder frei macht.

Die Erfindung kann ebenso Anwendung finden, wenn Sender und Empfänger sich nicht wie beschrieben gegenüberliegen, sondern wenn sie sich auf der gleichen Seite des Schutzfeldes befinden und auf der gegenüberliegenden Seite ein Reflektor.

Die Erfindung kann ebenso Anwendung finden bei der Detektion von teiltransparenten Objekten. Dann muss zusätzlich die Transmission T0 des Objekts bekannt sein oder durch einen unabhängigen Messvorgang, beispielsweise im Lichtgitter, ermittelt werden. Bei zwei Messpunkten kann die Geschwindigkeit mit folgender Formel berechnet werden: v=|S2S1|deff.Strahlt2t11(1T0)embedded image

Wie bei jeder Messung gibt es auch bei der vorgestellten Geschwindigkeitsmessung Messabweichungen vom richtigen Wert. Da die nacheinander detektierten Objekte häufig dieselbe Geschwindigkeit besitzen, z.B. weil sie auf demselben Förderband gefördert werden, kann aus einer Reihe von Geschwindigkeitsmessungen von Objekten ein genauerer Wert für die Geschwindigkeit ermittelt werden. Zufällige Abweichungen werden eliminiert.

Prinzipiell funktionieren die hier vorgestellten Methoden zur Geschwindigkeitsermittlung mittels Beobachtung von Teilabschattungen auch bei 1-Strahl- oder 2-Strahl-Systemen, denn die Geschwindigkeit wird ja nur an einem Lichtstrahl ermittelt. Also auch in einfachen Lichtschranken mit nur einem Lichtstrahl kann eine Geschwindigkeitsermittlung erfolgen.

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG

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Zitierte Patentliteratur

  • DE 102005030829 C5 [0003]
  • US 7038764 B2 [0004]