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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Vorrichtung stellt der Lichttaster der Baureihe 46 der
Firma Leuze electronic dar. Derartige Vorrichtungen werden typischerweise
zur Objektdetektion bei der Überwachung
von Maschinen oder Anlagen eingesetzt. Durch eine geeignete Auswertung
der Empfangssignale an den Ausgängen
des Nah- und Fernelements werden unerwünschte Hintergrundeinflüsse eliminiert,
welche die Objektdetektion verfälschen
würden.
Der Lichtfleck der Empfangslichtstrahlen wird auf das Empfangselement
so fokussiert, daß ein
Lichtanteil auf das Nahelement und ein Anteil auf das Fernelement
fällt. Übersteigt
die Differenz der Empfangssignale eine Schaltschwelle, so wird eine
Objektmeldung generiert. Dabei entspricht das Empfangssignal der
Höhe der
Schaltschwelle, wenn sich ein Objekt in einem der Tastweite entsprechenden
Abstand zur Vorrichtung befindet. Sobald sich das Objekt in geringeren Distanzen
zur Vorrichtung befindet, liegt die Differenz der Empfangssignale
oberhalb der Schaltschwelle, was einer Objektdetektion entspricht.
Vom Hintergrund reflektiertes Licht fällt vorwiegend auf das Fernelement
und führt
deshalb nicht zu einer Objektmeldung.
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Der
Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß zur Detektion im Nahbereich
eine gegenüber dem
Fernelement wesentlich größere Nahelementsfläche benötigt wird,
was unterschiedlich große
Kapazitätswerte
der als Fotodioden ausgebildeten Nah- und Fernelemente zur Folge
hat. Die großen
Kapazitätswerte
des Nahelements begrenzen die Signalanstiegszeiten und durch die
Kapazitätsunterschiede entstehen
unerwünschte
Signalüberschwinger
bei der Differenzbildung.
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Ein
weiterer Nachteil besteht darin, daß zur Einstellung der Tastweite
eine mechanische Verschiebevorrichtung erforderlich ist, wobei der
Verschiebeweg nichtlinear zur einzustellenden Tastweite verläuft. Bei
größeren Tastweiten
wird eine hohe Einstellgenauigkeit und bei kleinen Tastweiten ein
großer
Verschiebeweg gefordert.
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Andere
Vorrichtungen nutzen eine CCD-Zeile als Empfangselement. Die Nachteile
dabei sind, dass alle Einzelsignale seriell ausgelesen und bearbeitet
werden müssen
und dadurch Verarbeitungszeiten von mehr als 100μs entstehen. Außerdem ist die
Zeilenbreite wesentlich kleiner als 1 mm, wodurch nur ein Teil des
Empfangslichtes detektiert werden kann.
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Die
nachveröffentlichte
DE 197 21 105 A1 betrifft
einen optoelektronischen Sensor mit einem Lichtsender zum Aussenden
eines Sendelichtbündels
in einem Überwachungsbereich,
mit einem Lichtempfänger
zum Empfang eines Empfangslichtbündels,
das durch das von einem Gegenstand im Überwachungsbereich in Richtung
des Lichtempfängers
reflektierte Sendelicht gebildet ist, wobei das Empfangslichtbündel in
Abhängigkeit
vom Abstand des Gegenstandes vom Sensor in einem veränderlichen
Strahlenwinkel zum Sendelichtbündel
seht, und mit einer Steuer- und Auswerteeinheit zur Verarbeitung
des Ausgangssignals des Lichtempfängers. Der Lichtempfänger weist
einen Mehrelement-Lichtsensor auf, der wenigstens vier einzelne
Sensorelemente besitzt, die dergestalt benachbart angeordnet sind, dass
in Abhängigkeit
vom Strahlwinkel unterschiedliche Sensorelemente vom Empfangslichtbündel beaufschlagt
sind.
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In
der
DE 295 02 329
U1 ist eine optische Triangulationsvorrichtung für eine Steuereinrichtung
zur Steuerung einer sanitären
Anlage beschrieben. Die Triangulationsvorrichtung weist einen Sendelicht emittierenden
Sender und zwei nebeneinander liegende Empfänger auf, wobei ein Empfänger ein
Nahelement und ein Empfänger
ein Fernelement bildet. Durch Vergleich der auf die Empfänger auftreffenden Empfangslichtintensitäten wird
eine Information über den
Abstand eines Objekts zur Triangulationsvorrichtung gewonnen.
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Die
DE 35 06 304 C1 betrifft
einen optoelektronischen Messempfänger zum Bestimmen der relativen
Lage des Messempfängers
bezüglich
einer durch einen optischen Sender erzeugten Strahlungsebene. Der
Messempfänger
hat eine Vielzahl von optoelektronischen Empfangseinheiten, die
jeweils ein Ausgangssignal erzeugen, das ein Auftreffen auf die jeweilige
Empfangseinheit darstellt.
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Jede
Empfangseinheit ist an ein steuerbares Umschaltelement angeschlossen,
welche mit einer Steuerschaltung in Verbindung steht. Zur Abdeckung eines
großen
Messbereichs kann bei dieser Anordnung die Zahl der Empfangseinheiten
ohne großen Schaltungsaufwand
erhöht
werden.
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In
der WO 93/00 568 A1 ist eine nach dem Triangulationsprinzip arbeitende
Distanzmessvorrichtung beschrieben. Diese Distanzmessvorrichtung weist
eine lineare Anordnung von mehreren Empfangselementen auf. Die Auswertung
der Empfangssignale der Empfangselemente erfolgt im Zeitmultiplexbetrieb,
wobei jeweils die Empfangssignale zweier Empfangselemente gleichzeitig
ausgewertet werden.
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In
der
US 4,575,237 ist
eine Distanzmessvorrichtung beschrieben, welche einen Empfänger mit
mehreren Empfangselementen aufweist. Aus den Ausgangssignalen der
Empfangselemente wird die Lage des 5ignalspitzenwerts auf dem Empfänger berechnet.
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In
Messen/Steuern/Regeln 103, 10, 1995 Seiten 640, 641 ist ein nach
dem Triangulationsprinzip arbeitender Lichttaster beschrieben. Der
Empfänger
dieses Lichttasters besteht aus einem PSD-Element.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs
genannten Art so zu auszubilden, dass eine möglichst einfache genaue und
flexible Tastweiteneinstellung ermöglicht wird.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Erfindungsgemäß weist
die optoelektronische Vorrichtung ein in mehrere Segmente untergliedertes
Empfangselement auf, wobei eine vorgegebene Anzahl dieser Segmente
zum Nahelement und eine vorgegebene Anzahl der übrigen Segmente zum Fernelement
verknüpfbar
sind.
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Durch
eine Anpassung der Breiten der einzelnen Segmente an die abstandsabhängige Verschiebung
des Lichtflecks der Empfangslichtstrahlen kann die elektronische
Tastweitenumschaltung weitgehend linearisiert werden.
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Durch
die Auswertung mehrerer Empfangssegmente können die Gültigkeit des Schaltsignals auf
Plausibilität
geprüft
und Störungen
erkannt werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die einzelnen
Segmente jeweils im Wesentlichen flächengleich ausgebildet. Dabei
ist jedem Segment ein separater Verstärker nachgeordnet, wobei die
Ausgangssignale der Verstär ker
in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden. Durch die Entkoppelung über die
Verstärker
weisen die flächengleichen
Segmente im wesentlichen dieselben Kapazitätswerte auf, so daß diese
jeweils dieselben geringen Signalanstiegszeiten aufweisen.
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Die
Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.
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2:
Erstes Ausführungsbeispiel
der Segmentanordnung des Empfangselements.
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3:
Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß 1.
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4:
Empfangselement gemäß 2 mit einem
nachgeordneten Additions- und
Subtraktionsnetzwerk.
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5:
Wahrheitstabelle zur Tastweitenumschaltung für das Additions- und Subtraktionsnetzwerk
gemäß 4.
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6:
Zweites Ausführungsbeispiel
der Segmentanordnung des Empfangselementes.
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7:
Drittes Ausführungsbeispiel
der Segmentanordnung des Empfangselementes.
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1 zeigt
den prinzipiellen Aufbau einer als Lichttaster ausgebildeten optoelektronischen
Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen
Sender 2 auf, welcher vorzugsweise von einer Leuchtdiode
gebildet ist und welcher Sendelichtstrahlen 3 emittiert.
Die Sendelichtstrahlen 3 werden mittels einer Sendeoptik 30 gebündelt. Die
optoelektronische Vorrichtung 1 weist zudem ein Empfangslichtstrahlen 4 empfangendes
Empfangselement 5 auf, wobei die Empfangslichtstrahlen 4 mittels
einer Empfangsoptik 40 auf das Empfangselement 5 fokussiert
werden.
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Die
von einem Objekt 11 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 treffen
auf das Empfangselement 5, welches ein Nahelement 5a und
ein Fernelement 5b aufweist. Dabei variiert die Position
des Lichtflecks der Empfangslichtstrahlen 4 auf dem Empfangselement 5 in
Abhängigkeit
des Abstands des Objekts 11 zur Vorrichtung 1.
Bei großen
Abständen
trifft das Empfangslicht nahezu vollständig auf das Fernelement 5b.
Mit geringer werdendem Abstand trifft das Empfangslicht vermehrt
auf das Nahelement 5a.
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Die
Empfangssignale an den Ausgängen des
Nah- und Fernelements 5a, 5b werden in einer Auswerteeinheit 12 ausgewertet,
an welche der Sender 2 und das Empfangselement 5 angeschlossen sind.
Dabei wird in Abhängigkeit
der Empfangssignale ein binäres
Schaltsignal generiert und über
einen Schaltausgang 13 ausgegeben. Das binäre Schaltsignal
wird mittels einer Schaltschwelle generiert, wobei der Schaltausgang 13 dann
den Schaltzustand wechselt, wenn sich das Objekt 11 in
einem der Tastweite entsprechenden Abstand zur Vorrichtung 1 befindet.
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In
einer ersten Ausführungsform
wird in der Auswerteeinheit die Differenz der Empfangssignale des
Nah- und Fernelements 5a, 5b gebildet. Diese Differenz
wird dann mit einem die Schaltschwelle bildenden Schwellwert S1
bewertet. Das Objekt 11 befindet sich in der Tastweite
zur Vorrichtung 1, wenn die Differenz dem Schwellwert S1
entspricht.
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In
einer zweiten Ausführungsform
wird der Quotient der Empfangssignale gebildet. Dieser Quotient
wird mit einem die Schaltschwelle bildenden Schwellwert S2 bewertet.
Das Objekt 11 befindet sich in der Tastweite zur Vorrichtung 1,
wenn der Quotient dem Schwellwert S2 entspricht.
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Zweckmäßigerweise
wird der Quotient aus der Differenz und der Summe der Empfangssignale des
Nah- und Fernelements 5a, 5b gebildet. Alternativ
kann mittels einer Senderegelung die Summe der Empfangssignale auf
einen konstanten Wert geregelt werden. Durch diese Signalauswertung
wird ein von der Objektreflexion unabhängiges Schaltsignal erhalten.
Zudem wird die Quotientenbildung durch die Rückführung auf eine Differenzbildung
erheblich vereinfacht.
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Erfindungsgemäß ist die
lichtempfindliche Fläche
des Empfangselements 5 in mehrere Segmente 6-10 unterteilt.
Die Segmente 6-10 sind jeweils von Fotodioden
gebildet. Jedem Segment 6-10 ist ein Verstärker 16 zur
Verstärkung
der jeweiligen Ausgangssignale nachgeordnet. Diese Ausgangssignale werden
in der Auswerteeinheit 12 logisch verknüpft, so daß eine vorgegebene Anzahl von
Segmenten 7-10 das Nahelement 5a bildet
und die übrigen
Segmente 6-8 das
Fernelement 5b bilden.
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Die
Segmente 6-10 sind im wesentlichen flächengleich
ausgebildet und nebeneinanderliegend, unmittelbar aneinander angrenzend
angeordnet, so daß diese
sich zu einer lückenlosen
lichtempfindlichen Fläche
ergänzen.
Die Längsachse
dieser Anordnung verläuft
im wesentlichen quer zur optischen Achse der Empfangslichtstrahlen 4.
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2 zeigt
ein Empfangselement 5, dessen lichtempfindliche Fläche in fünf flächengleiche
rechteckige Segmente 6-10 aufgeteilt ist. Das
Segment 6 bildet das Fernelement 5b, die übrigen Segmente 7-10 bilden
das Nahelement 5a. Bei kürzer werdendem Objektabstand
wandert der Lichtfleck der Empfangslichtstrahlen 4 vom
Segment 6 über
die Segmente 7-10.
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Die
abstandsabhängige
Fleckposition wird dazu ausgenutzt, das zu detektierende Objekt 11 von einem
Hintergrund zu unterscheiden. Dazu wird das Fern-Empfangssignal des Segmentes 6 mit
der Summe der Nah-Empfangssignale der Segmente 7-10 verglichen. Überwiegt
das Nahsignal der Segmente 7-10, gilt das Objekt 11 als
erkannt.
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Durch
eine Änderung
der Verknüpfung
der einzelnen Segmente 6-10, kann ein unterschiedlicher Nah-
und Fernbereich definiert und damit die Tastweite auf einfache Weise
geändert
werden.
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3 zeigt
das Blockschaltbild der Vorrichtung 1 gemäß 1 mit
dem Empfangselement 5.
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Bei
diesem Ausführungsbeispiel
besteht die Auswerteeinheit 12 aus einem Prozessor mit
Analog-Digital-Wandler. Als Ergebnis wird am Schaltausgang 13 das
Schaltsignal ausgegeben. Die Auswerteeinheit 12 weist einen
Parametriereingang 14 auf, über welchen die Tastweite,
Schaltschwelle und Schalthysterese eingegeben werden. Diese Parameter
erlauben eine applikationsbedingte Anpassung der Vorrichtung 1.
Der Parametriereingang 14 ist dabei vorzugsweise als serielle
Schnittstelle ausgebildet. Insbesondere wird durch die Parameter
auch die Art der logischen Verknüpfung
der Segmente 6-10 des Empfangselements 5 vorgegeben.
Die Parameterwerte werden schließlich in einem Parameterspeicher 15 abgelegt.
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Der
Prozessor mit Analog-Ditigal-Wandler erlaubt außerdem die Erkennung von Meßwertfehlern
oder Störungen
durch Analyse der Pegelverteilung über den einzelnen Segmenten 6-10.
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4 zeigt
eine weitere Ausführung
des Empfangselementes 5, wobei den Verstärkern 16 an den
Ausgängen
der Segmente 6-10 ein Additions- und Subtraktionsnetzwerk
nachgeordnet ist. Die Anordnung der Segmente 6-10 des
Empfangselements 5 entspricht dabei der Anordnung gemäß 2.
Zur Auswertung der Empfangssignale ist es vorteilhaft eine analoge
Vorverarbeitung im Subtraktions- und Additionsnetzwerk in Form einer
Summen- und Differenzbildung der digitalen Auswertung in der Auswerteeinheit 12 vorzuschalten.
Insbesondere wird eine Übersteuerung
durch hohe Empfangssignalpegel bei stark reflektierendem Objekt 11 durch
die Differenzbildung in der Nähe
der Tastweite unterdrückt.
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Mit
Hilfe der Schalter s1-s5 können
Empfangssignale verschiedener Segmente 6-10 kombiniert
werden.
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5 zeigt
die Wahrheitstabelle für
die Tastweitenumschaltung. Damit bei gleichzeitiger Überstrahlung
der Nah- und Fernelementfläche
durch die Empfangslichtstrahlen 4 ein Objekt 11 sicher
detektiert wird, muß die
Nahelementfläche
größer als
die Fernelementfläche
sein. Aus diesem Grund wird für die
Erzeugung des Fernsignals immer nur ein Segment 6, 7 oder 8 ausgewählt, was
mit den Schaltern s3-s5 erfolgt. Für den Nahbereich werden mindestens
die Signale der beiden Segmente 9 und 10 im Summierer 17 zusammengefaßt. Zusätzlich werden vorteilhaft
die zwischen dem als Fernelement 5b gewählten Segment 6, 7 und
dem Segment 9 liegenden Segmente 7, 8 mit
Hilfe der Schalter s1 und s2 dem Nahelement 5a zugeordnet.
Durch Differenzbildung von Nah- und Fernsignal im Subtrahierer 19 entsteht das
am Differenzsignal-Ausgang 20,
anstehende Differenzsignal von dem der Schaltzustand des Sensors abgeleitet
wird.
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Zusätzlich wird über den
Summierer 18 ein Summensignal am Summensignal-Ausgang 21 zur Verfügung gestellt,
das die gesamte Empfangsleistung repräsentiert und zur Senderegelung
oder Quotientenbildung herangezogen werden kann.
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Die
an dem Differenzsignal-Ausgang 20 und dem Summensignal-Ausgang 21 anstehenden
Signale werden zur weiteren Auswertung in die nicht dargestellte
Auswerteeinheit 12 eingelesen, welche zweckmäßigerweise
wieder als Prozessor ausgebildet sein kann. Von der Auswerteeinheit 12 führt ein Steuereingang 22 zu
dem Additions- und Subtraktionsnetzwerk. Über diesen Steuereingang 22 wird
im Schaltwerk 23 zur Bestätigung der Schalter angesteuert.
Auf diese Weise wird wiederum über
die Auswerteeinheit 12 die logische Verknüpfung der
Ausgangssignale der Segmente 6-10 vorgegeben.
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Ein
weitere Ausführungsform
des Empfangselementes 5 ist in 6 gezeigt,
wo die Segmentlänge
auf die abstandsabhängige
Fleckverschiebung abgestimmt ist. Dadurch werden beim Umschalten der
Tastweite nahezu äquidistante
Tastweitenschritte erzielt.
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Eine
weitere Ausführungsform
ist in 7 gezeigt, wo das Empfangselement 5 längs geteilt
ist, so daß spiegelsymmetrisch
zu den Segmenten 6-10 jeweils weitere Segmente 6'-10' angeordnet
sind und dadurch auch die seitliche Fleckverschiebung erfaßt werden
kann.
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Diese
Möglichkeit
kann ausgenutzt werden, um Plausibilitätskontrollen, wie z.B.:
- – Umspiegelung
durch seitliche Objekte 11,
- – seitlich
einfallendes Fremdlicht,
- – Verzerrungen
durch Objekt-Oberflächenstrukturen
durchzuführen.
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Die
Längsteilung
der Segmente 6-10 kann auch dazu genutzt werden
die seitliche Objekteintauchrichtung zu detektieren, wobei während des Eintauchens
die Signalpegel der einen Segmentseite z.B. 6-10 wesentlich
größer sind
als die der Segmente 6'-10'.