DE102008030518A1

DE102008030518A1 - Optoelektronischer Sensor

Info

Publication number: DE102008030518A1
Application number: DE200810030518
Authority: DE
Inventors: Kai Waslowski; Gerhard Merettig; Patrick Auer
Original assignee: Sick AG
Current assignee: Sick AG
Priority date: 2008-06-27
Filing date: 2008-06-27
Publication date: 2009-12-31
Anticipated expiration: 2028-06-28
Also published as: DE102008030518B4

Abstract

Ein optoelektronischer Sensor umfasst wenigstens einen Lichtsender zur Aussendung von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich, wenigstens einen Lichtempfänger zum Empfang von dem Lichtsender ausgesandten Signalen und einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zur Ansteuerung des Lichtsenders und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals im Falle des Vorhandenseins eines Objekts im Überwachungsbereich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Lichtempfängers. Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung umfasst zur Verstärkung des Ausgangssignals des Lichtempfängers einen Verstärker und zum Vergleich des verstärkten Ausgangssignals des Lichtempfängers mit einem über ein verstellbares Bedienelement variabel einstellbaren Referenzsignal einen Komparator. Dabei ändert sich eine Ausgangsgröße wie insbesondere der maximale Abstand zwischen dem Lichtempfänger und dem Objekt, bei dem noch ein Objektfeststellungssignal erzeugt wird, mit der Einstellung des verstellbaren Bedienelements entsprechend einer Einstellkennlinie. Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung ist so ausgeführt, dass die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements erfasst und zur Linearisierung der Einstellkennlinie das Referenzsignal und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers jeweils entsprechend einem der erfassten Einstellung zugeordneten Wert eines vorgebbaren Kennfeldes eingestellt werden.

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor mit wenigstens einem Lichtsender zur Aussendung von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich, wenigstens einem Lichtempfänger zum Empfang von vom Lichtsender ausgesandten Signalen und einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zur Ansteuerung des Lichtsenders und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im Überwachungsbereich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal des Lichtempfängers, wobei die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zur Verstärkung des Ausgangssignals des Lichtempfängers einen Verstärker und zum Vergleich des verstärkten Ausgangssignals des Lichtempfängers mit einem über ein verstellbares Bedienelement variabel einstellbaren Referenzsignal einen Komparator umfasst, und wobei sich eine Ausgangsgröße wie insbesondere der maximale Abstand zwischen dem Lichtempfänger und dem Objekt, bei dem noch ein Objektfeststellungssignal erzeugt wird, mit der Einstellung des verstellbaren Bedienelements entsprechend einer Einstellkennlinie ändert.
Bei einem solchen optoelektronischen Sensor kann es sich beispielsweise um eine Sender-Empfänger-Lichtschranke, eine Reflexions-Lichtschranke, einen Energetischen Lichttaster, einen Triangulations-Lichttaster oder dergleichen handeln.
Die Vorgabe des Schaltpunkts eines derartigen optoelektronischen Sensors erfolgt üblicherweise über einen Einlernvorgang (Teach-In), über eine Datenschnittstelle (IO-Link) oder über ein z. B. rotatorisches Bedienele ment wie insbesondere ein Potentiometer. Im letzteren Fall muss die die Abhängigkeit einer bestimmten Ausgangsgröße von der Stellgröße wiedergebende Einstellkennlinie bestimmten Qualitätskriterien und insbesondere einem linearen Zusammenhang zwischen Ausgangs- und Stellgröße genügen. Zu diesen Qualitätskriterien zählen insbesondere:

– Die Steigung der Einstellkennlinie, d. h. die Änderung der Ausgangsgröße je Änderung der Stellgröße sollte stetig und über den ganzen Stellbereich näherungsweise konstant bleiben.
– Es sollte kein Bereich im Stellbereich existieren, in dem eine jeweilige Änderung der Stellgröße keine Änderung der Ausgangsgröße mit sich bringt.
– Anwendungen, bei denen nur ein Teilbereich hoch aufgelöst werden soll.

1 zeigt drei unterschiedliche beispielhafte Kennlinien, die jeweils die Tastweite D in mm als Ausgangsgröße, d. h. den Abstand zwischen Sensor und Objekt, bei der der Sensor sein Objektfeststellungssignal aktiviert, in Abhängigkeit vom die Eingangsgröße bildenden Einstellwinkel Φ beispielsweise eines Schleifkontakts eines Potentiometers wiedergeben.
Dabei zeigt 1a) eine ”gute” Einstellkennlinie, da die Einstellauflösung dD/dΦ über den gesamten Einstellbereich näherungsweise konstant ist.
Dagegen zeigt 1b) eine ”schlechte” Einstellkennlinie, da bei großen Tastweiten die Einstellauflösung dD/dΦ wesentlich größer ist als bei kleinen Tastweiten.
Auch bei der in der 1c) wiedergegebenen Einstellkennlinie handelt es sich um eine ”schlechte” Einstellkennlinie, da in diesem Fall der mögliche Einstellbereich des Potentiometers nur zu etwa 50% genutzt wird.
Der Zusammenhang zwischen der physikalischen Messgröße wie insbesondere der Lichtmenge oder der Lichtfleckposition auf dem Sensorelement und der gewünschten Ausgangsgröße wie beispielsweise der Tastweite ist abhängig vom gewählten Sensor-Typ, dem damit einhergehenden physikalischen Messprinzip und der zugrunde liegenden Messaufgabe.
Bei einem so genannten Energetischen Lichttaster ist der Fotodiodenstrom I_PD näherungsweise proportional zu 1/D², wobei D wieder dem Abstand zwischen Objekt oder Tastgut und Sensor entspricht. Um einen möglichst großen Arbeitsbereich des Sensors zu erhalten, ist es erforderlich, sowohl sehr kleine Fotodiodenströme für einen großen Abstand D als auch sehr große Fotodiodenströme für einen kleinen Abstand D detektieren zu können. In der Praxis sind eine Dynamik > 1:1000 und für die relative Einstellauflösung ein Wert < 10% gefordert.
Bei einer Reflexions-Lichtschranke zur Detektion transparenter Materialien ist der Fotodiodenstrom proportional zur optischen Transmission des Materials und zur relativen Abdeckung des Reflektors, wenn der Reflektor vom Sender überstrahlt wird und das Objekt oder Tastgut den Reflektor nicht komplett abdeckt.
Daraus ergibt sich, dass für die genannten Sensor-Typen und gegebenenfalls sogar speziell für bestimmte Anwendungen unterschiedliche Einstellkennlinien realisiert werden müssen. Bisher war eine relativ hohe Anzahl unterschiedlicher Elektronik-Varianten erforderlich, um die ge nannten unterschiedlichen Sensor-Typen fertigen zu können, was mit entsprechend hohen Kosten verbunden ist.
Eine weitere Anforderung an einen optoelektronischen Sensor ist ein möglichst genauer Abgleich der Leistungsdaten des Sensors. Auf der einen Seite müssen die dem Kunden zugesicherten Leistungsdaten wie insbesondere die maximale Reichweite oder Schaltfrequenz durch den Sensor erfüllt werden. Auf der anderen Seite sollte die Streuung dieser Daten möglichst klein sein, damit sich baugleiche Sensoren in einer jeweiligen Anwendung identisch verhalten und stets eine gleiche Qualität der Sensoren gewährleistet ist. Dazu erfolgt in der Praxis ein Abgleich bestimmter Parameter wie beispielsweise des Sendestroms oder der Verstärkung in der Fertigung.
2 zeigt in schematischer, stark vereinfachter Darstellung einen herkömmlichen einkanaligen optoelektronischen Sensor 10.
Dabei erzeugt ein Pulsgenerator 12 Pulse, die über eine Sendestufe 14 einen eine Leuchtdiode (LED) umfassenden Lichtsender 16 periodisch mit einer bestimmten Pulsdauer von beispielsweise 10 μs und einer bestimmten Pulsperiode von z. B. 100 μs ein- und ausschaltet.
Die Sende- und Empfangsoptik ist hier der Einfachheit halber weggelassen.
Ein Lichtempfänger 18 umfasst eine Fotodiode, deren Diodenstrom mittels eines Operationsverstärkers 20 verstärkt wird, dessen Verstärkung oder Verstärkungsfaktor über ein Potentiometer 22 variabel einstellbar ist. Im vorliegenden Fall ist das Potentiometer 22 beispielsweise zwischen dem Ausgang und dem invertierenden Eingang des Operationsverstärkers 20 vorgesehen, der zudem mit der Anode der dem Lichtempfänger 18 zugeordneten Fotodiode verbunden ist. Der nicht invertierende Eingang des Operationsverstärkers 20 liegt auf Masse. Es liegt somit ein Strom-Spannungs-Wandler vor.
Mittels eines Hochpasses 24 wird der Sendepuls vom Umgebungssignal getrennt. Im Anschluss an den Hochpass 24 ist ein Komparator 26 vorgesehen, der am Ende des Sendepulses den Wechselspannungs- oder AC-Anteil des verstärkten und hochpassgefilterten Fotodiodensignals mit einer von einem Potentiometer 28 erzeugten Referenzspannung vergleicht. Das Vergleichsergebnis wird in einem Flip-Flop 29 gespeichert und steht gegebenenfalls als Objektfeststellungssignal zur Verfügung.
Üblicherweise wird entweder das Potentiometer 22 oder das Potentiometer 28 durch einen Festwiderstand ersetzt, während über das jeweils verbleibende Potentiometer 28 bzw. 22 eine bestimmte Einstellkennlinie erzeugt werden kann.
Dabei ist die Einstellkennlinie des Potentiometers 22 proportional zum Kehrwert des Dreh- oder Einstellwinkels Φ des diesem Potentiometer 22 zugeordneten Schleifkontakts, wobei davon ausgegangen wird, dass der betreffende Widerstandswert mit zunehmendem Einstellwinkel Φ kleiner wird. Eine solche Verschaltung wird üblicherweise bei Energetischen Lichttastern eingesetzt. Eine Kennlinie, die den annähernd linearen Zusammenhang wie bei der Kennlinie gemäß 1a) verwirklicht, ist mit dieser Schaltung nicht realisierbar.
Die Einstellkennlinie des Potentiometers 28 ist proportional zum Dreh- oder Einstellwinkel Φ des diesem Potentiometer 28 zugeordneten Schleif kontakts, wobei wieder davon ausgegangen wird, dass mit zunehmendem Einstellwinkel Φ der betreffende Widerstandswert kleiner wird. Eine solche Verschaltung wird üblicherweise bei Sender-Empfänger-Lichtschranken und Reflexions-Lichtschranken eingesetzt.
Die Realisierung der analogen Hysterese ist in dieser 2 der Einfachheit halber nicht dargestellt.
Abhängig vom digitalen Ausgangssignal Q muss die Referenzschwelle am negativen Eingang des Komparators 26 um einen bestimmten Betrag erhöht oder reduziert werden, um sicherzustellen, dass der Rauschanteil des rauschbehafteten Eingangssignals am positiven Eingang des Komparators 26 kein unerwünschtes zufälliges Umschalten des Ausgangssignals Q bewirkt.
Durch Einfügen weiterer Trenn-Potentiometer beispielsweise in Serie mit dem Potentiometer 22 oder dem Potentiometer 28 und Festwiderständen können die Endpunkte der Kennlinie teilweise abgeglichen bzw. angepasst werden. Ein solches Verfahren wird beispielsweise angewandt, um die maximal einstellbare Verstärkung der Schaltung zu begrenzen. Um einen elektronischen Abgleich zu ermöglichen, kommen teilweise elektronische Potentiometer (EPOT) zum Einsatz.
Optoelektronische Sensoren der eingangs genannten Art sind beispielsweise aus den folgenden Veröffentlichungen bekannt: "Optoelektronische Sensoren", Günter Fetzer und Heinrich Hippenmeyer, 1988, Verlag Modernde Industrie, ISBN 3-478-93023-5; EP 1 465 335 B1 .
Eine weitere Möglichkeit zur Modifikation der Einstellkennlinie ist der Einsatz von analogen Funktionsnetzwerken, wie sie beispielsweise aus "Halbleiterschaltungstechnik", U. Tietze und Ch. Schenk, 12. Auflage, Springer, ISBN 3-540-24849-6, Seiten 765 bis 780, bekannt sind. Hier wird die gewünschte Funktion (Logarithmus, Exponentialfunktion, Wurzel) durch eine elektronische Schaltung dargestellt, indem z. B. die Strom/Spannungskennlinie eines Transistors oder einer Diode geeignet ausgenutzt wird. Bei einem optoelektronischen Sensor der in 2 wiedergegebenen Art müsste ein derartiges Funktionsnetzwerk im Signalpfad oder im Referenzpfad vorgesehen werden.
Der genannte Stand der Technik weist unter anderem die folgenden Nachteile auf:

– Unterschiedliche Kennlinien benötigen unterschiedliche Schaltungselemente, d. h. unterschiedliche Bestückungsvarianten oder Leiterplattenvarianten.
– Ein Abgleich in der Fertigung über Trim-Potentiometer ist relativ zeit- und kostenaufwendig. Das mechanische Kontaktieren und Verstellen der Trim-Potentiometer über Stellmotoren ist durch mechanische Toleranzen fehleranfällig.
– Mechanische und elektronische Trim-Potentiometer benötigen im Vergleich zur reinen Auswerte-Elektronik relativ viel Fläche auf der Leiterplatte.
– Die ideale, lineare Kennlinie kann nicht erreicht werden.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen optoelektronischen Sensor der eingangs genannten Art zu schaffen, der die zuvor erwähnten Anforderungen erfüllt, ohne dabei die genannten Nachteile in Kauf nehmen zu müssen. Dabei soll insbesondere bei minimalem Bedarf an Leiterplattenfläche und ohne mechanischen Abgleich eine sehr einfache und entsprechend kostengünstige Anpassung der jeweiligen Einstellkennlinie an unterschiedliche Sensor-Typen und unterschiedliche Sensor-Anwendungen möglich sein.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die kennzeichnenden Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung ist also so ausgeführt, dass die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements erfasst und zur Linearisierung der Einstellkennlinie das Referenzsignal und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers jeweils entsprechend einem der erfassten Einstellungen zugeordneten Wert eines vorgebbaren Kennfeldes eingestellt werden. Dabei kann es sich bei dem vorgebbaren Kennfeld insbesondere um ein frei parametrisierbares Kennfeld handeln.
Aufgrund dieser Ausbildung ist zur Linearisierung der betreffenden Einstellkennlinie keinerlei mechanischer Abgleich mehr erforderlich. Für die unterschiedlichen Sensor-Typen bzw. unterschiedlichen Sensor-Anwendungen sind auch keine unterschiedlichen Elektronik-Varianten mehr nötig. Stattdessen kann eine entsprechende Anzahl unterschiedlicher vorgebbarer Kennfelder, insbesondere parametrisierter Kennfelder vorgesehen sein. Im Ergebnis wird somit auch Leiterplattenfläche eingespart. Eine jeweilige Anpassung der Einstellkennlinie an unterschiedliche Sensor-Typen und unterschiedliche Sensor-Anwendungen ist auf äußerst einfache und entsprechend kostengünstige Weise möglich.
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist bevorzugt in diskreten Stufen einstellbar. Dabei können die diskreten Stufen insbesondere durch Zweierpotenzen definiert sein.
Das Referenzsignal ist vorteilhafterweise mit einer quasi-kontinuierlichen Auflösung einstellbar. Dazu kann beispielsweise eine entsprechend hohe Auflösung bei der Digitalisierung des entsprechend der Einstellung am verstellbaren Bedienelement erzeugten Analogsignals und bei der anschließenden Rückwandlung des über das jeweilige Kennfeld bestimmten Wertes vorgesehen sein. Es ist somit eine hoch aufgelöste Referenzwert- oder Schwellwerteinstellung möglich.
Wie bereits erwähnt, sind bevorzugt über unterschiedliche Kennfelder auch unterschiedliche Einstellkennlinien vorgebbar.
Gemäß einer praktischen zweckmäßigen Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors umfasst das verstellbare Bedienelement ein Potentiometer.
Dabei kann das verstellbare Bedienelement vorteilhafterweise ein Drehpotentiometer umfassen, dessen zu erfassende Einstellung insbesondere durch den jeweiligen Drehwinkel beispielsweise eines zugeordneten Schleifkontakts bestimmt ist.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform des optoelektronischen Sensors ist die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung zumindest teilweise in Form einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC) vorgesehen. Dabei kann die Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC) beispielsweise einen integrierten OTP-ROM-Speicher umfassen, d. h. einen Einmal Programmierbaren Speicher. Bei der Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC) kann es sich vorzugsweise um eine so genannte ”Mixed-Signal”-ASIC handeln, d. h. eine Kombination aus analogen und digitalen Komponenten.
Der Verstärker ist bevorzugt als Strom-Spannungs-Wandler ausgeführt. Umfasst der Lichtempfänger eine Fotodiode, so kann also deren Fotodiodenstrom durch den Verstärker in eine Spannung umgewandelt werden.
Der Komparator ist vorzugsweise als analoger Komparator vorgesehen, wobei das diesem zugeführte Referenzsignal über einem Digital-Analog-Wandler erzeugt wird.
Zweckmäßigerweise wird an dem verstellbaren Bedienelement ein von dessen Einstellung abhängiges analoges elektrisches Signal erzeugt, wobei die jeweilige Einstellung über einen Analog-Digital-Wandler, vorzugsweise einem Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler erfasst wird. Dabei bringt die Erfassung über einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler unter anderem die Vorteile mit sich, dass ein solcher Wandler relativ kostengünstig ist, einen geringen Stromverbrauch aufweist, extrem linear ist und eine inhärente Filterwirkung besitzt.
Das Kennfeld ist vorteilhafterweise zumindest teilweise dynamisch über eine digitale IC-Schnittstelle, vorzugsweise eine SPI-Schnittstelle (SPI = Serial Peripheral Interface), eine I²C-Schnittstelle (I²C = Inter-Integrated Circuit) oder ein Schieberegister vorgebbar. Das Kennfeld kann jedoch zumindest teilweise auch statisch insbesondere über eine OTP-ROM-parametrisierbare interne digitale Schaltung vorgebbar sein.
Zweckmäßigerweise umfasst die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung Filtermittel zur Filterung des vorzugsweise verstärkten Ausgangssignals des Lichtempfängers.
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors zeichnet sich dadurch aus, dass sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte Ausgangssignal des Lichtempfängers als auch das für die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements repräsentative analoge elektrische Signal jeweils über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert wird und durch eine entsprechende Programmierung der Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung die gesamte Einstellkennlinie abgebildet bzw. das betreffende Kennfeld vorgegeben ist.
Es kann also beispielsweise die gesamte Signalverarbeitung in einer ASIC, insbesondere Mixed-Signal-ASIC mit integriertem OTP-ROM-Speicher erfolgen. Die Strom-Spannungs-Konversion kann dann insbesondere mit in diskreten Stufen einstellbarer Verstärkung erfolgen. Bei den Verstärkungsfaktoren kann es sich beispielsweise um Zweierpotenzen handeln. Das Referenzsignal am Komparator kann über einen Digital-Analog-Wandler erzeugt werden. Die Potentiometerstellung kann über einen internen Analog-Digital-Wandler, insbesondere einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler ermittelt werden, wobei ein Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler unter anderem die Vorteile mit sich bringt, dass er kostengünstig ist, einen geringen Stromverbrauch aufweist, extrem linear ist und eine inhärente Filterwirkung besitzt. Vorteilhafterweise wird die Funktion des Verstärkers oder des insbesondere kontinuierlich verstellbaren Bedienelements bzw. Potentiometers 22 des in der 2 wiedergegebenen optoelektronischen Sensors abgebildet auf Verstärkereinstellungen in wenigen diskreten Stufen und eine Schwellwert- oder Referenzwerteinstellung mit einer hohen und damit quasi-kontinuierlichen Auflösung. Mit einer entsprechenden Schaltungstopologie kann dann auch der Konflikt zwischen den beiden Potentiometern 22, 28 des in der 2 wiedergegebenen optoelektronischen Sensors gelöst werden.
Das die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements repräsentierende, über einen Analog-Digital-Wandler digitalisierende Signal kann beispielsweise über eine wahlweise durch eine digitale IC-Schnittstelle wie beispielsweise eine SPI-Schnittstelle, eine I²C-Schnittstelle oder ein Schieberegister dynamisch oder durch ein OTP-ROM statisch parametrisierbare interne digitale Schaltung in einen über einen Digital-Analog-Wandler erzeugten analogen Referenzwert für den Komparator und eine Verstärkungseinstellung umgerechnet werden.
Es kann beispielsweise über eine wahlweise abschaltbare Funktionstabelle die Funktion f(x) = 1/x² nachgebildet werden, die beispielsweise dem Umstand Rechnung trägt, dass bei einem Energetischen Lichttaster der Fotodiodenstrom I_PD näherungsweise proportional zu 1/D² (D = Abstand Sensor/Objekt) ist. Es können beispielsweise über eine ALU-Einheit (ALU = Arithmetic Logic Unit) verschiedene Referenzschwellen beispielsweise zur Darstellung der analogen Hysterese zur Rauschunterdrückung und zur Darstellung unterschiedlicher Schwellwerte zur Ermittlung einer Vorausfallmeldung berechnet werden. Die ALU-Einheit kann insbesondere mehrere seriell angeordnete einfache Schaltungsblöcke wie Multiplexer, Shifter, Limiter, Addierer, Subtrahierer usw. umfassen. Durch eine integrierte Rückkopplung können Daten mehrfach addiert, subtrahiert und geshiftet werden, so dass auch komplexere Rechenoperationen möglich sind. Die parametrisierbare Ablaufsteuerung kann ein fest verdrahtetes Programm aus einem Microcode enthalten, das jedoch durch die flexible Parametrisierung Varianten berücksichtigt.
Es ist beispielsweise auch denkbar, sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte Messsignal als auch die Einstellgröße über einen Analog-Digital-Wandler zu digitalisieren und die komplette Einstellkennlinie in Software abzubilden. Wäre die Verstärkung des einen Strom-Spannungs- Wandler bildenden Verstärkers 20 des in 2 wiedergegebenen Operationsverstärkers konstant, so müsste der Analog-Digital-Wandler zur Erzeugung des für die Einstellung des verstellbaren Bedienelements repräsentativen Signals zur Einhaltung der geforderten Einstelldynamik und -auflösung des Systems eine Auflösung von ≥ 14 Bit aufweisen. Die Verwendung eines Strom/Spannungs-Wandlers mit verstellbarer Verstärkung bietet hier einen Ausweg.
Die zuletzt genannte Variante eignet sich für eine Implementierung in einem System mit wenigstens einem Mikrocontroller (μC). Für eine Implementierung in einem kostenoptimalen ASIC ist diese Variante dagegen weniger geeignet, da sowohl ein schneller, hoch auflösender Analog-Digital-Wandler als auch ein integrierter Mikrocontroller mit einem Daten-RAM und einem Programm-ROM deutlich mehr Fläche benötigen würde als die bevorzugten anderen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors.
Besonders kostengünstig ist eine solche Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors, bei der die digitale Logik und der Sigma-Delta-Analog-Digital-Wandler in einer ASIC, insbesondere einer CMOS-ASIC realisiert sind.
Ein weiterer entscheidender Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ist dessen Flexibilität. So sind durch die betreffende Struktur alle bisher bestehenden analog realisierten Einstellkennlinien durch digitale Parametrisierung darstellbar. Der Abgleich wie beispielsweise bezüglich Schwelle und Verstärkung bei Linksanschlag/Rechtsanschlag des Potentiometers kann ebenfalls vollständig durch digitale Parametrisierung realisiert werden. Damit ist es auch möglich, über eine digitale Schnittstelle, z. B. IO-Link, die Einstellkennlinie ”online” abzugleichen bzw. zu verändern. Zudem ist es möglich, über ein weiteres Bedienelement die Auswahl der Einstellkennlinie durch den Benutzer durchführen zu lassen. Damit sind Universal-Sensoren darstellbar, deren Ausprägung wie insbesondere Sender-Empfänger-Lichtschranke, Reflexions-Lichtschranke, Energetischer Lichttaster, erst vom Kunden ausgewählt wird.
Ein weiterer Vorteil des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors ist durch den minimierten Platzbedarf gegeben. So erfordert die gesamte Funktionalität keinen weiteren Mikrocontroller (μC) oder Bauteile wie Widerstände oder Kondensatoren zur Parametrisierung, wodurch deutlich stärker miniaturisierte Leiterplatten möglich sind.
Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung; in dieser zeigen:
1 drei unterschiedliche beispielhafte Kennlinien, die jeweils die Tastweite als Ausgangsgröße in Abhängigkeit vom Einstellwinkel beispielsweise eines Schleifkontakts eines Potentiometers wiedergeben,
2 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen einkanaligen optoelektronischen Sensors,
3 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung einer beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors und
4 eine schematische, stark vereinfachte Darstellung einer weiteren beispielhaften Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors.
3 zeigt in schematischer, stark vereinfachter Darstellung eine beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors 30.
Der optoelektronische Sensor 30 umfasst wenigstens einen Lichtsender (nicht gezeigt) zur Aussendung von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich, wenigstens einen Lichtempfänger 32 zum Empfang von vom Lichtsender ausgesandten Signalen und eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 zur Ansteuerung des Lichtsenders und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals 36 im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im Überwachungsbereich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal 38 des Lichtempfängers 32.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 umfasst zur Verstärkung des Ausgangssignals 38 des Lichtempfängers 32 einen Verstärker 40 und zum Vergleich des verstärkten Ausgangssignals 42 des Lichtempfängers 32 mit einem über ein verstellbares Bedienelement 44 variabel einstellbaren Referenzsignal 46 einen Komparator 48.
Dabei ändert sich eine Ausgangsgröße wie beispielsweise der maximale Abstand zwischen dem Lichtempfänger 32 und dem Objekt, bei dem noch ein Objektfeststellungssignal 36 erzeugt wird, mit der Einstellung des verstellbaren Bedienelements 44 entsprechend einer Einstellkennlinie.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 ist so ausgeführt, dass die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements 44 erfasst und zur Linearisierung der Einstellkennlinie das Referenzsignal 46 und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 40 jeweils entsprechend einem der erfassten Einstellung des Bedienelements 44 zugeordneten Wert eines vorgebbaren Kennfeldes eingestellt werden. Dabei kann es sich bei dem vorgebbaren Kennfeld insbesondere um ein frei parametrisierbares Kennfeld zur Linearisierung der Einstellkennlinie handeln. Dabei sind bevorzugt mehrere unterschiedliche Kennfelder zur Einstellung unterschiedlicher Einstellkennlinien vorgegebbar.
Wie anhand der 3 zu erkennen ist, umfasst der Verstärker 40 beim vorliegenden Ausführungsbeispiel einen Operationsverstärker 50, dessen nicht invertierender Eingang auf Masse liegt und mit dessen invertierendem Eingang die Kathode einer dem Lichtempfänger 32 zugeordneten Fotodiode verbunden ist. Der Ausgang des Operationsverstärkers 50 ist über einen einstellbaren Widerstand 52 auf den nicht invertierenden Eingang rückgekoppelt. Es ergibt sich somit ein Strom/Spannungs-Wandler, der im vorliegenden Fall den Fotodiodenstrom I_PD der dem Lichtempfänger 32 zugeordneten Fotodiode in eine Spannung umwandelt, die proportional zum jeweiligen Wert des Widerstandes 52 ist.
Der Ausgang des Operationsverstärkers 50 ist mit dem negativen Eingang des Komparators 48 verbunden, an dessen positivem Eingang das analoge Referenzsignal 46 anliegt. Über das Ausgangssignal des Komparators 48 wird gegebenenfalls das Objektfeststellungssignal 36 erzeugt.
Der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 40 kann über den jeweiligen Wert des Widerstandes 52 eingestellt werden. Wie anhand der 3 zu erkennen ist, kann der Verstärkungsfaktor des Verstärkers 40 insbesondere in diskreten Stufen einstellbar sein. Dabei können die diskreten Stufen des einstellbaren Verstärkungsfaktors wie dargestellt insbesondere durch Zweierpotenzen definiert sein.
Das Referenzsignal 46 ist insbesondere mit einer quasi-kontinuierlichen Auflösung einstellbar.
Wie bereits erwähnt, kann die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 insbesondere so ausgeführt sein, dass über unterschiedliche Kennfelder auch unterschiedliche Einstellkennlinien vorgebbar sind.
Beim vorliegenden Ausführungsbeispiel umfasst das verstellbare Bedienelement 44 ein Potentiometer. Dabei kann es sich beispielsweise um ein Drehpotentiometer handeln, dessen zu erfassende Einstellung insbesondere durch den jeweiligen Drehwinkel beispielsweise eines zugeordneten Schleifkontakts bestimmt ist.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 kann zumindest teilweise in Form einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC), vorzugsweise einer Mixed-Signal-ASIC vorgesehen sein. Dabei kann diese Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC) insbesondere einen integrierten OTP-ROM-Speicher umfassen.
Als Komparator 48 ist im vorliegenden Fall beispielsweise ein analoger Komparator vorgesehen. Dabei wird das diesem zugeführte Referenzsignal 46 über einen Digital-Analog-Wandler 54 erzeugt.
An dem verstellbaren Bedienelement 44 wird ein von dessen Einstellung abhängiges analoges elektrisches Signal 56 erzeugt. Dazu wird an das hier durch ein Potentiometer gebildete verstellbare Bedienelement 44 eine Spannung VDD angelegt. Die jeweilige Einstellung des verstellbaren Be dienelements 44 bzw. Potentiometers wird über einen Analog-Digital-Wandler 58 erfasst. Dabei kann als solcher Analog-Digital-Wandler 58 insbesondere ein Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler eingesetzt werden.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 kann insbesondere so ausgelegt sein, dass das jeweilige Kennfeld zumindest teilweise dynamisch über eine digitale IC-Schnittstelle, vorzugsweise eine SPI-Schnittstelle, eine I²C-Schnittstelle oder ein Schieberegister und/oder zumindest teilweise statisch insbesondere über eine OTP-ROM-parametrisierbare interne digitale Schaltung vorgebbar ist. Der vom Analog-Digital-Wandler 58 gelieferte Wert kann also beispielsweise über eine wahlweise durch eine digitale IC-Schnittstelle wie z. B. eine SPI-Schnittstelle, eine I²C-Schnittstelle oder ein Schieberegister dynamisch oder ein OTP-ROM statisch parametrisierbare interne digitale Schaltung in einen vom Digital-Analog-Wandler 54 gelieferten Wert für das Referenzsignal 46 und eine Verstärkungseinstellung umgerechnet werden. Dabei können beispielsweise auch ein Links-Anschlag und ein Rechts-Anschlag des verstellbaren Bedienelements 44, unterschiedliche statische Schwellen, eine statische Hysterese, eine minimale Hysterese, eine statische Abschwächung und/oder dergleichen vorgegeben werden.
Über eine wahlweise abschaltbare Funktionstabelle kann beispielsweise die Funktion f(x) = 1/x² nachgebildet werden. Über eine ALU-Einheit können verschiedene Referenzschwellen beispielsweise zur Darstellung der analogen Hysterese zur Rauschunterdrückung und zur Darstellung unterschiedlicher Schwellwerte zur Ermittlung einer Vorausfallmeldung berechnet werden. Die ALU kann aus mehreren seriell angeordneten einfachen Schaltungsblöcken wie beispielsweise Multiplexer, Shifter, Limiter, Addierer/Subtrahierer und/oder dergleichen, aufgebaut sein. Durch eine integrierte Rückkopplung können Daten mehrfach addiert, subtrahiert und geshiftet werden, so dass auch komplexere Rechenoperationen möglich sind. Eine parametrisierbare Ablaufsteuerung kann ein fest verdrahtetes Programm in Form eines Microcodes umfassen, das durch die flexible Parametrisierung jedoch auch Varianten berücksichtigen kann.
Die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 kann zudem Filtermittel zur Filterung des vorzugsweise verstärkten Ausgangssignals 42 des Lichtempfängers 32 umfassen.
4 zeigt in schematischer, stark vereinfachter Darstellung eine weitere beispielhafte Ausführungsform des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors 30.
Auch dieser optoelektronische Sensor 30 umfasst wieder wenigstens einen Lichtsender 60, einen Lichtempfänger 32 und eine Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 mit einem Verstärker 40 und einem Komparator, der im vorliegenden Fall in einem Mikrocontroller 62 integriert ist. Der Verstärker 40 ist zumindest im Wesentlichen so aufgebaut wie der des in 3 wiedergegebenen optoelektronischen Sensors. Im Anschluss an den Verstärker 40 ist ein Hochpassfilter 64 vorgesehen. Ein Pulsgenerator 66 erzeugt Pulse, die über eine Sendestufe 68 eine dem Lichtsender 60 zugeordnete LED periodisch ein- und ausschaltet.
Das verstellbare Bedienelement 44 umfasst auch im vorliegenden Fall beispielsweise wieder ein Potentiometer. Das Ausgangssignal des verstellbaren Bedienelements 44 sowie des Hochpasses 64 ist jeweils einem im Mikrocontroller 62 integrierten Analog-Digital-Wandler 70 zugeführt. Zudem ist auch der Ausgang des Pulsgenerators 66 mit dem Mikrocontroller 62 verbunden. Der Controller 62 liefert das entsprechende Objektfeststellungssignal 36.
Im vorliegenden Fall wird also sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte Ausgangssignal 42 des Lichtempfängers 32 als auch das für die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements 44 repräsentative analoge elektrische Signal 56 jeweils über einen Analog-Digital-Wandler 70 digitalisiert.
Dabei kann die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 im vorliegenden Fall insbesondere so ausgeführt sein, dass durch eine entsprechende Programmierung insbesondere des dieser Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 zugeordneten Mikrocontrollers 62 die gesamte Einstellkennlinie abgebildet bzw. das gesamte betreffende Kennfeld vorgegeben ist.
Es können also sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte Messsignal als auch die Einstellgröße über einen Analog-Digital-Wandler digitalisiert und die komplette Einstellkennlinie in Software abgebildet werden. Wäre die Verstärkung des als Strom/Spannungs-Wandler vorgesehenen Verstärkers konstant, so müsste der Analog-Digital-Wandler zur Einhaltung der geforderten Einstelldynamik und -auflösung des Systems eine Auflösung ≥ 14 Bit aufweisen. Mit der Verwendung eines Verstärkers mit verstellbarer Verstärkung wird hier ein Ausweg angegeben.
Die vorliegende Ausführungsform eignet sich für eine Implementierung in einem System mit Mikrocontroller (μC).
Im Übrigen kann diese Ausführungsform zumindest im Wesentlichen gleich ausgeführt sein wie die gemäß 3. Einander entsprechenden Teilen sind gleiche Bezugszeichen zugeordnet.

10: optoelektronischer Sensor
12: Pulsgenerator
14: Sendestufe
16: Lichtsender
18: Lichtempfänger
20: Operationsverstärker
22: Potentiometer
24: Hochpass
26: Komparator
28: Potentiometer
29: Flip-Flop
30: optoelektronischer Sensor
32: Lichtempfänger
34: Steuer- und/oder Auswerteinrichtung
36: Objektfeststellungssignal
38: Ausgangssignal des Lichtempfängers
40: Verstärker
42: verstärktes Ausgangssignal
44: verstellbares Bedienelement, Potentiometer
46: Referenzsignal
48: Komparator
50: Operationsverstärker
52: Widerstand
54: Digital-Analog-Wandler
56: analoges elektrisches Signal
58: Analog-Digital-Wandler
60: Lichtsender
62: Microcontroller
64: Hochpassfilter
66: Pulsgenerator
68: Sendestufe
70: Analog-Digtial-Wandler
D: Tastweite
Q: digitales Ausgangssignal
Φ: Einstellwinkel

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

- EP 1465335 B1 [0024]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

- ”Optoelektronische Sensoren”, Günter Fetzer und Heinrich Hippenmeyer, 1988, Verlag Modernde Industrie, ISBN 3-478-93023-5 [0024]
- ”Halbleiterschaltungstechnik”, U. Tietze und Ch. Schenk, 12. Auflage, Springer, ISBN 3-540-24849-6, Seiten 765 bis 780 [0025]

Claims

Optoelektronischer Sensor (30) mit wenigstens einem Lichtsender (60) zur Aussendung von Lichtsignalen in einen Überwachungsbereich, wenigstens einem Lichtempfänger (32) zum Empfang von vom Lichtsender ausgesandten Signalen und einer Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (34) zur Ansteuerung des Lichtsenders und zur Erzeugung eines Objektfeststellungssignals (36) im Falle des Vorhandenseins eines Objektes im Überwachungsbereich in Abhängigkeit vom Ausgangssignal (38) des Lichtempfängers (32), wobei die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (34) zur Verstärkung des Ausgangssignals des Lichtempfängers (32) einen Verstärker (40) und zum Vergleich des verstärkten Ausgangssignals (42) des Lichtempfängers (32) mit einem über ein verstellbares Bedienelement (44) Variabel einstellbaren Referenzsignal (46) einen Komparator (48) umfasst, und wobei sich eine Ausgangsgröße wie insbesondere der maximale Abstand zwischen dem Lichtempfänger (32) und dem Objekt, bei dem noch ein Objektfeststellungssignal erzeugt wird, mit der Einstellung des verstellbaren Bedienelements (44) entsprechend einer Einstellkennlinie ändert, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (34) so ausgeführt ist, dass die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements (44) erfasst und zur Linearisierung der Einstellkennlinie das Referenzsignal (46) und der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (40) jeweils entsprechend einem der erfassten Einstellung zugeordneten Wert eines vorgebbaren Kennfeldes eingestellt werden.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärkungsfaktor des Verstärkers (40) in diskreten Stufen einstellbar ist.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die diskreten Stufen des einstellbaren Verstärkungsfaktors durch Zweierpotenzen definiert sind.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Referenzsignal mit einer quasi-kontinuierlichen Auflösung einstellbar ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass über unterschiedliche Kennfelder unterschiedliche Einstellkennlinien vorgebbar sind.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Bedienelement ein Potentiometer umfasst.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das verstellbare Bedienelement ein Drehpotentiometer umfasst, dessen zu erfassende Einstellung insbesondere durch den jeweiligen Drehwinkel insbesondere eines zugeordneten Schleifkontaktes bestimmt ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (34) zumindest teilweise in Form einer Anwendungsspezifischen Integrierten Schaltung (ASIC), vorzugsweise einer Mixed-Signal-ASIC vorgesehen ist.
Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Anwendungsspezifische Integrierte Schaltung (ASIC) einen integrierten OTP-ROM-Speicher umfasst.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Verstärker (40) als Strom-Spannungs-Wandler ausgeführt ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass als Komparator (48) ein analoger Komparator vorgesehen ist und das diesem zugeführte Referenzsignal über einen Digital-Analog-Wandler (54) erzeugt wird.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass an dem verstellbaren Bedienelement (44) ein von dessen Einstellung abhängiges analoges elektrisches Signal (56) erzeugt und die jeweilige Einstellung über einen Analog-Digital-Wandler (58), vorzugsweise einen Delta-Sigma-Analog-Digital-Wandler erfasst wird.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld zumindest teilweise dynamisch über eine digitale IC-Schnittstelle, vorzugsweise eine SPI-Schnittstelle, eine I²C-Schnittstelle oder ein Schieberegister vorgebbar ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Kennfeld zumindest teilweise statisch insbesondere über eine OTP-ROM-parametrisierbare interne digitale Schaltung vorgebbar ist.
Optoelektronischer Sensor nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass sowohl das verstärkte und vorzugsweise gefilterte Ausgangssignal (42) des Lichtempfängers (32) als auch das für die jeweilige Einstellung des verstellbaren Bedienelements (44) repräsentative analoge elektrische Signal (56) jeweils über einen Analog-Digital- Wandler (70) digitalisiert wird und durch eine entsprechende Programmierung der Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung (34) die gesamte Einstellkennlinie abgebildet bzw. das betreffende Kennfeld vorgegeben ist.