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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.
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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.
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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.
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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.
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Dabei
zeigt 1a) eine ”gute” Einstellkennlinie,
da die Einstellauflösung dD/dΦ über den
gesamten Einstellbereich näherungsweise konstant ist.
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Dagegen
zeigt 1b) eine ”schlechte” Einstellkennlinie,
da bei großen Tastweiten die Einstellauflösung
dD/dΦ wesentlich größer ist als bei kleinen
Tastweiten.
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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.
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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.
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Bei
einem so genannten Energetischen Lichttaster ist der Fotodiodenstrom
IPD 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.
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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.
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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.
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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.
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2 zeigt
in schematischer, stark vereinfachter Darstellung einen herkömmlichen
einkanaligen optoelektronischen Sensor 10.
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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.
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Die
Sende- und Empfangsoptik ist hier der Einfachheit halber weggelassen.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Realisierung der analogen Hysterese ist in dieser 2 der
Einfachheit halber nicht dargestellt.
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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.
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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.
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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 .
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Der
Verstärkungsfaktor des Verstärkers ist bevorzugt
in diskreten Stufen einstellbar. Dabei können die diskreten
Stufen insbesondere durch Zweierpotenzen definiert sein.
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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.
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Wie
bereits erwähnt, sind bevorzugt über unterschiedliche
Kennfelder auch unterschiedliche Einstellkennlinien vorgebbar.
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Gemäß einer
praktischen zweckmäßigen Ausführungsform
des erfindungsgemäßen optoelektronischen Sensors
umfasst das verstellbare Bedienelement ein Potentiometer.
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Dabei
kann das verstellbare Bedienelement vorteilhafterweise ein Drehpotentiometer
umfassen, dessen zu erfassende Einstellung insbesondere durch den
jeweiligen Drehwinkel beispielsweise eines zugeordneten Schleifkontakts
bestimmt ist.
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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.
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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.
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Der
Komparator ist vorzugsweise als analoger Komparator vorgesehen,
wobei das diesem zugeführte Referenzsignal über
einem Digital-Analog-Wandler erzeugt wird.
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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.
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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.
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Zweckmäßigerweise
umfasst die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung Filtermittel zur
Filterung des vorzugsweise verstärkten Ausgangssignals des
Lichtempfängers.
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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.
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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.
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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.
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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 IPD 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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Weitere
Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der Zeichnung;
in dieser zeigen:
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1 drei
unterschiedliche beispielhafte Kennlinien, die jeweils die Tastweite
als Ausgangsgröße in Abhängigkeit vom
Einstellwinkel beispielsweise eines Schleifkontakts eines Potentiometers wiedergeben,
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2 eine
schematische, stark vereinfachte Darstellung eines herkömmlichen
einkanaligen optoelektronischen Sensors,
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3 eine
schematische, stark vereinfachte Darstellung einer beispielhaften
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optoelektronischen Sensors und
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4 eine
schematische, stark vereinfachte Darstellung einer weiteren beispielhaften
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optoelektronischen Sensors.
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3 zeigt
in schematischer, stark vereinfachter Darstellung eine beispielhafte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optoelektronischen Sensors 30.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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 IPD der dem
Lichtempfänger 32 zugeordneten Fotodiode in eine
Spannung umwandelt, die proportional zum jeweiligen Wert des Widerstandes 52 ist.
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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.
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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.
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Das
Referenzsignal 46 ist insbesondere mit einer quasi-kontinuierlichen
Auflösung einstellbar.
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Wie
bereits erwähnt, kann die Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 insbesondere
so ausgeführt sein, dass über unterschiedliche
Kennfelder auch unterschiedliche Einstellkennlinien vorgebbar sind.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
Steuer- und/oder Auswerteeinrichtung 34 kann zudem Filtermittel
zur Filterung des vorzugsweise verstärkten Ausgangssignals 42 des
Lichtempfängers 32 umfassen.
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4 zeigt
in schematischer, stark vereinfachter Darstellung eine weitere beispielhafte
Ausführungsform des erfindungsgemäßen
optoelektronischen Sensors 30.
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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.
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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.
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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.
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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.
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- 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
-
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Zitierte Patentliteratur
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Zitierte Nicht-Patentliteratur
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- - ”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]