DE29709961U1

DE29709961U1 - Optoelektronischer Sensor

Info

Publication number: DE29709961U1
Application number: DE29709961U
Authority: DE
Original assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Current assignee: Leuze Electronic GmbH and Co KG
Priority date: 1997-06-07
Filing date: 1997-06-07
Publication date: 1998-07-02
Anticipated expiration: 2007-06-08

Description

Leuze electronic GmbH + Co.
73277 Owen/Teck

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen werden insbesondere bei optoelektronischen Sensoren, wie zum Beispiel Datenlichtschranken, verwendet, die Lichtsignale über große Distanzen austauschen. Datenlichtschranken und vergleichbare Sensoren emittieren Lichtstrahlen in einem engen Winkelbereich. Die Empfangselemente dieser Sensoren weisen eine ähnliche Richtcharakteristik auf. Üblicherweise können diese Empfangselemente Lichtsignale empfangen, die in einem dem Richtungsvektor des Empfangselements entsprechenden Winkel auf den Sensor auftreffen. Daher müssen diese Sensoren prinzipiell bei der Inbetriebnahme ausgerichtet werden. Die Sensoren emittieren Lichtsignale üblicherweise im unsichtbaren Infrarotbereich, so daß eine manuelle Ausrichtung der Sensoren ohne weitere Hilfsmittel nicht möglich ist.

Bei bekannten Sensoren ist wenigstens an einem der Sensoren wenigstens ein Retro-reflektor so angeordnet, daß dieser während des Ausrichtens vor oder neben dem Empfangselement des Sensors angeordnet ist. Die vom anderen Sensor emittierten Lichtsignale treffen auf diesen Retroreflektor und werden von dort in der gleichen Richtung auf das Empfangselement dieses Sensors zurückreflektiert. Die dort auftreffende Lichtmenge wird in einer Auswerteeinheit als Maß für die Güte der Ausrichtung der Sensoren ausgewertet. Je größer die auf den Empfänger aufftrefende Lichtmenge ist, desto besser ist die Ausrichtung der Sensoren. Die optimale Aussrichtung ist erreicht, wenn die auftreffende Lichtmenge maximal ist.

Der Retroreflektor bzw. die Retroreflektoren sind an dem betreffenden Sensor beweglich angebracht, so daß sämtliche Retroreflektoren nach erfolgter Ausrichtung aus dem Strahlengang des gegenüberliegenden Sensors entfernt werden können und somit diesen nicht mehr beeinflussen.

Da sämtliche Retroreflektoren am Sensor beweglich angebracht sind, können diese schnell und ohne großen Justieraufwand montiert werden.

Das Ziel der Erfindung ist die Kombination der optischen Freiraum-Datenübertragung mit einer optischen Entfernungsmessung innerhalb eines Gehäuses für die Anwendung in Hochregallagern. Dabei ermöglicht die Datenübertragung eine Anbindung an die gängigen Feldbussysteme Interbus und Profibus, mit Hilfe derer die Gesamtanlage gesteuert wird. Die Entfernungsmessung wird zur Positionierung des Regalbediengeräts verwendet. Dabei bestimmt der Sensor den Abstand zu einem Retroreflektor, der den Lichtstrahl zum Entfernungsmeßgerät zurückwirft. Die Entfernungsgmeßdaten müssen auf dem Regalbediengerät verfügbar sein, weshalb das Entfernungmeßgerät zweckmäßigerweise auf der Fahrzeugseite installiert wird, während der Retroreflektor an der gegenüberliegenden Wand montiert wird.

Dabei darf es zu keiner gegenseitigen Beeinflussung zwischen der Datenübertragung und der Entfernungsmessung kommen. Da die Enfernungsmessung mit sehr hoher Spitzenleistung arbeitet, ist eine sehr gute Kanaltrennung erforderlich, die sowohl optisches als auch elektrisches Übersprechen verhindert.

Damit die Datenübertragung und die Entfernungsmessung über den gesamten Meßbereich von 0,5 bis 200 m funktioniert, müssen folgende räumliche Gegebenheiten erfüllt sein:

Für die Datenübertragung muß der Sender des einen Sensors dem Empfänger des anderen Sensors direkt gegenüberstehen.

Der Sender und der Empfänger des Entfernungsmeßgeräts müssen möglichst dicht beieinanderliegen und müssen dem Retroreflektor direkt gegenüberstehen.

Um diese Punkte erfüllen zu können, wird die in Abbildung 1 gezeigte Anordnung vorgeschlagen, die an die mechanischen und optischen Gegebenheiten des Sensors angelehnt ist. Dabei muß zwischen den beiden Sensoren ein Höhenver-

satz von ca. 10 cm bestehen, da die Entfernungsmessung auch im Nahbereich auf den Retroreflektor treffen muß. Falls der Sensor im Nahbereich auf den zweiten Sensor trifft, würde dies eine Verfälschung des Meßwerts zur Folge haben. Für die Ausrichtung müßte eine entsprechende Markierung am Sensor angebracht werden, damit die Wasserwaage dort angesetzt werden kann. Alternativ wäre es denkbar einen entsprechenden Abstandshalter vorzusehen.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen
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Fig. 1 a) Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels zweier

zueinander ausgerichteter optoelektronischer Sensoren

b) Draufsicht auf die Anordnung gemäß Fig. la während

des Ausrichtvorgangs

Fig. 2 Halterung für einen optoelektronischen Sensor

Fig. 3 a) Draufsicht auf ein zweites Ausführungsbeispiel zweier

zueinander ausgerichteter optoelektronischer Sensoren

b) Anordnung gemäß Fig. 2a während des Ausrichtvorgangs

Fig. 4 Schematische Darstellung des erfindungsgemäßen Sensors

Fig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel zweier optoelektronischer Sensoren 1, die über eine Distanz Lichtsignale austauschen. Die Sensoren 1 sind als Datenlichtschranken ausgebildet und weisen jeweils ein Sendeelement 2 und ein Empfangselement 3 auf, die in einem Gehäuse 4 integriert sind. Das Sendeelement 2 besteht aus einer Lichtquelle, vorzugsweise einer Infrarot-Leuchtdiode oder einer Laserdiode, mit nachgeschalteter Sendeoptik zur Fokussierung des von der Lichtquelle emittierten, die Lichtsignale übermittelnden emittierenden

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Sendelichtstrahls 5.

Das Empfangselement 3 besteht aus einem Empfänger, vorzugsweise einer Photodiode, und einer vorgeschalteten Empfangsoptik.
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Die Datenlichtschranken sind im vorliegenden Ausführungsbeispiel identisch aufgebaut. Sobald die Datenlichtschranken wie in Fig. la ausgerichtet sind, d.h. die Datenlichtschranken gegenüberliegend angeordnet sind, so daß das vom Sendeelement 2 emittierte Sendelicht der einen Datenlichtschranke auf das Empfangselement 3 der anderen Datenlichtschranke trifft, werden zwischen den Datenlichtschranken Lichtsignale, die in Form von Bitfolgen den Sendelichtstrahlen 5 aufgeprägt sind, bidirektional ausgetauscht.

Üblicherweise erfolgt die Datenübertragung zwischen den Sensoren 1 als Freiraumdatenübertragung. In bestimmten Applikationen kann die Datenübertragung auch durch andere Medien erfolgen.

Die Abstrahlung des Sendelichts durch das Sendeelement 2 erfolgt innerhalb eines Öffnungswinkels &agr;, der typischerweise in der Größenordnung von 2-4° liegt. Aufgrunddessen müssen die Sensoren 1 bei Inbetriebnahme möglichst genau ausgerichtet werden, damit auf den Empfangselementen 3 eine hinreichende große Lichtmenge, die für eine fehlerfreie Datenübertragung notwendig ist, auftrifft.

Wie in Fig. la, b dargestellt ist an jedem Sensor 1 eine Vorrichtung zu deren Ausrichtung angebracht.

Diese Vorrichtung weist zwei Retroreflektoren 6 auf, die an jeweils einer Seitenwand des Gehäuses 4 an einem Gelenk 7 schwenkbar angeordnet sind. Die Retroreflektoren 6 sind vorzugsweise als rechteckige Spiegelelemente ausgebildet und bestehen aus Kunststoff-Trippelreflektoren. Prinzipiell können die Retroreflektoren 6 auch auf den Sensor 1 aufgesteckt werden. Nachteilig hierbei

ist jedoch, daß die Retroreflektoren 6 als separate Teile aufbewahrt werden müssen. Dies erhöht den Aufwand bei der Lagerhaltung. Zudem besteht die Gefahr, daß die Retroreflektoren 6 verloren gehen.

Sind die Sensoren 1 zueinander ausgerichtet, so werden die Reflektoren 6 nicht benötigt und liegen an den Seitenwänden des Gehäuses 4 des Sensors 1 an (Fig. la).

Zum Ausrichten der Sensoren 1 werden an einem Sensor 1 die Retroreflektoren 6 geschwenkt, so daß sie im rechten Winkel von der Seitenwand des Gehäuses 4 abstehen. In dieser Position zeigen die Flächenormalen der Retroreflektoren 6 in die Richtung des Richtungsverkehrs R des Empfangselements 3.

Die von den Retroreflektoren 6 begrenzte Fläche F ist kleiner als die Fläche f des Lichtflecks des Sendelichtstrahls 5 des gegenüberliegenden Sensors 1 am Ort der Retroreflektoren 6. Die Fläche f des Lichtflecks kann nicht exakt definiert werden, da die Intensitätsverteilung des Lichtflecks vom Zentrum zu den Randbereichen kontinuierlich abnimmt, beispielsweise in Form einer Gaußverteilung. Üblicherweise wird der Rand des Lichtflecks entlang der Linie definiert, auf der die Lichtintensität auf 1/e der Maximalintensität abgeklungen ist. (e = Euler sehe Zahl).

Zum Ausrichten der Sensoren 1 wird die vom ersten Sensor 1 emittierte und über die Retroreflektoren 6 des anderen Sensors 1 zum Empfangselement 3 des ersten Sensors 1 rückreflektierte Lichtmenge gemessen und in einer nicht dargestellten Auswerteeinheit ausgewertet.

Die Sensoren 1 werden zuerst in einer Grobeinstellung so ausgerichtet, daß der Lichtkegel des ersten Sensors 1 auf die Retroreflektoren 6 des zweiten Sensors auftrifft, so daß am Empfangselement 3 des ersten Sensors 1 ein Empfangssignal registriert wird. Um keine Signalverfälschungen zu erhalten bleibt der zweite Sensor 1 während der Ausrichtphase abgeschaltet.

Danach wird der erste Sensor 1, in dem das Empfangssignal ausgewertet wird, senkrecht zur Strahlachse des Sendelichtstrahls 5, d. h. zum Richtungsverkehr R des Sendeelements 2, so lange verschwenkt, bis das Empfangssignal seinen Maximalwert annimmt. In dieser Position trifft der Sendelichtstrahl 5 des ersten Sensors 1 auf das Zentrum des zweiten Sensors 1 und überdeckt die beiden Retroreflektoren 6 vollständig.

Zweckmäßigerweise kann die auf das Empfangselement 3 des ersten Sensors 1 auftreffende Lichtmenge über eine nicht dargestellte Anzeigevorrichtung am Sensor 1 angezeigt werden. Die Anzeigevorrichtung kann als Ziffernanzeige, Zeigeranzeige oder Leuchtdiodenbalkenanzeige ausgebildet sein. Auf diese Weise kann die Ausrichtung der Sensoren 1 auf einfache Weise von dem Bedienpersonal kontrolliert werden.

Zum Ausrichten des Sensors 1 ist dieser zweckmäßigerweise an einer Halterung 8 gemäß Fig. 2 befestigt. Der Übersichtlichkeit halber ist die Halterung in Fig. 1 nicht dargestellt.

Die Halterung 8 besteht im wesentlichen aus drei Platten 9, 11, 12. Eine Montageplatte 9 dient zur Befestigung der Halterung 8 auf einem Untergrund, beispielsweise einer Wand. Auf der Mitte der Montageplatte 9 sitzt eine Blechhalbkugel 10 auf, auf die eine Gegenplatte 11 mit darauf aufsitzender Befestigungsplatte 12 mit einer Schraube 13 befestigt ist. Die Befestigungsplatte 12 ist mit drei Befestigungsmitteln 14, 15, 16 an der Gegenplatte 11 befestigt. Eines der Befestigungsmittel 14 stellt eine starre Verbindung dar, mittels derer ein konstanter Abstand zwischen der Gegenplatte 11 und der Befestigungsplatte 12 eingehalten wird. Diese Verbindung kann beispielsweise von einem Metallstift gebildet sein. Die anderen Befestigungsmittel 15, 16 sind verstellbar und beispielsweise von Schrauben gebildet sein. Auf der Befestigungsplatte 12 ist der Sensor 1 befestigt. Der Sensor 1 kann mittels der Halterung 8 in der Ebene senkrecht zum Richtungsvektor R des Sendeelements 2 verschwenkt werden. Zur Grobverstellung des Sensors 1 wird die Montageplatte 11 auf der Blechhalbkugel 10

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verstellt und in der Endposition mit der Schraube 13, die in die Blechhalbkugel 10 greift, fixiert.

Zur Feinverstellung der Lage des Sensors 1 werden die beiden Befestigungsmittel 15, 16 an der Befestigungsplatte 12 verstellt.

Während der Verstellung der Lage des Sensors 1 wird vom Bedienpersonal fortlaufend die an der Anzeigevorrichtung angezeigte Lichtmenge, die auf das Empfangselement 3 auftrifft, beobachtet und so die Ausrichtung des Sensors 1 kontrolliert.

In einer weiteren Ausführungsform der Erfindung kann die Ausrichtung des Sensors 1 automatisch über eine nicht dargestellte Abgleichvorrichtung erfolgen. Der Sensor 1 ist auf einer automatischen, beispielsweise mittels eines Schrittmotors verstellbaren Verstelleinheit gelagert, die mit der Auswerteeinheit des Sensors 1 verbunden ist. Die Auswerteeinheit steuert die Verstelleinheit an, so daß diese in einem vorgegebenen Bereich die Position des Sensors kontinuierlich verstellt. Die am Empfangselement 3 registrierte Lichtmenge wird in Abhängigkeit der Position der Verstelleinheit in der Auswerteeinheit gespeichert.

Anschließend wird in der Auswerteeinheit die Position der Verstelleinheit ermittelt, für die die maximale Empfangsleistung registriert wurde. Anschließend wird die Verstelleinheit durch die Auswerteeinheit aktiviert und in diese Position verfahren. Bei einer derartigen Vorrichtung braucht keine Anzeigevorrichtung am Sensor 1 vorgesehen sein, da die Ausrichtung ohne Eingriff des Bedienspersonals erfolgt.

In Fig. 3 ist ein weiteres Ausführungsbeispiel zweier Sensoren 1 mit einer Vorrichtung zu deren Ausrichtung dargestellt. Die Sensoren 1 sind wiederum von identisch ausgebildeten Datenlichtschranken gebildet, wobei in diesem Fall nur am zweiten Sensor 1 ein Retroreflektor 6 zur Ausrichtung der Sensoren 1 vorgesehen ist. Der erste Sensor 1 ist wiederum an einer verschwenkbaren Halterung 8 befestigt und weist eine Auswerteeinheit zur Auswertung der von dem

Retroreflektor 6 auf das Empfangselement 3 reflektierten Sendelichtstrahlen 5 auf.

Der Retroreflektor 6 ist an einer von einer Seitenwand des Gehäuses 4 des zweiten Sensors 1 hervorstehenden Haltung 17 an einem Gelenk 18 schwenkbar gelagert. Aus Gründen der Übersichtlichkeit ist die Halterung in Fig. 3 ebenso wie in Fig. 1 nicht dargestellt.

Sind die Sensoren 1 zueinander ausgerichtet, so wird der Retroreflektor 6 nicht benötigt. Demzufolge liegt der Retroreflektor 6 an der Halterung 17 so an, daß er nicht in den Strahlengang des Sendelichtstrahls 5 des ersten Sensors 1 ragt (Fig. 3a).

Zum Ausrichten der Sensoren 1 wird der Retroreflektor 6 vor das Sende- 2 und Empfangselement 3 des Sensors 1 geschwenkt. Zweckmäßigerweise ist die Fläche F des Retroreflektors 6 so gewählt, daß er die gesamte Frontseite des Sensors 1 verdeckt.

Andererseits entspricht die Fläche F des Retroreflektors 6 im wesentlichen der Fläche f des Lichtflecks des Sendelichtstrahls 5 des ersten Sensors 1 am Ort des Retroreflektors 6.

Die Ausrichtung des Sensors 1 erfolgt auf dieselbe Weise wie beim Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 muß die Fläche f des Lichtflecks am Ort des Retroreflektors 6 größer oder gleich der von den Retroreflektoren 6 begrenzten Fläche F sein, da ansonsten die Gefahr besteht, daß der Sendelichtstrahl 5 des ersten Sensors 1 auf einen der Retroreflektoren 6 ausgerichtet wird und nicht auf den Sensor 1 selbst. Diese Einschränkung entfällt bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 3, da dort ein einzelner Retroreflektor 6 unmittelbar vor dem Sensor 1 angeordnet ist. Dennoch ist es zweckmäßig, daß die Retroreflektorfläche von derselben Größenordnung wie die Größe des Lichtflecks

am Ort des Retroreflektors 6 ist, da auf diese Weise gewährleistet ist, daß das Maximum der Empfangsleistung im ersten Sensor 1 gerade dann erhalten wird, wenn der erste Sensor 1 dem zweiten Sensor 1 exakt gegenübersteht. Wäre der Lichtfleck erheblich kleiner als die Retroreflektorfläche, so ergäbe sich ein größerer Bereich der Position des ersten Sensors 1, für den eine maximale Empfangsleistung erhalten wird. Prinzipiell kann jedoch die Größe des Lichtflecks kleiner, größer oder gleich der Fläche F des Retroreflektors sein, da für sämtliche Ausbildungen eine hinreichend genaue Ausrichtung möglich ist.

In Figur 4 ist der erfindungsgemäße Sensor 1 dargestellt. Der Sensor 1 weist zwei gegenüberliegende Gehäuse (n, n+1) 19, 20 auf.

In den Gehäusen (n, n+1) 19, 20 sind Sendeelemente Sl - S4 und Empfangselemente El - E4 untergebracht. Dabei wirken jeweils ein durch einen Sendelichtstrahlen verkörpernden Pfeil verbundenes Sende- und Empfangselement als Datenlichtschranke zusammen.

Alternativ können auch weniger als die dargestellten Sende- und Empfangselemente vorgesehen sein. Wenigstens ist jedoch ein Paar eines Sende- und Empfangselements vorgesehen.

Zusätzlich ist in einem Gehäuse ein Distanzsensor bestehend aus einem Sender S 5 und einem Empfänger E5 vorgesehen. Die von dem Sender emittierten Sendelichtstrahlen treffen auf einen Reflektor am gegenüberliegenden Gehäuse und werden von dort auf den Empfänger E5 zurückreflektiert. Die Distanzmessung erfolgt zweckmäßigerweise nach dem Prinzip der Pulslaufzeit-Methode oder dem Prinzip der Phasenmessung.

Die Wellenlänge der zur Distanzmessung verwendeten Sendelichtstrahlen liegt vorzugsweise im Bereich von 1300 - 1550 nm. Die Datenübertragung der Datenlichtschranken erfolgt bei einer Sendelicht-Wellenlänge im Bereich 800 900 nm.

Dadurch wird, ggf. auch durch eine geeignete Wahl wellenlängenselektiver Empfangselemente, eine gegenseitige Beeinflussung weitgehend ausgeschlossen.

Claims

Leuze electronic GmbH + Co. 73277 Owen/Teck Optoelektronischer Sensor Schutzansprüche

1. Anordnung zweier über eine Distanz Lichtsignale austauschender optoelektronischer Sensoren, wobei der erste Sensor wenigstens ein die Lichtsignale aussendendes Sendeelement und ein Empfangselement aufweist und der zweite Sensor wenigstens ein Sende- und Empfangselement aufweist,dadurch gekennzeichnet, daß ein Sensor (1) wenigstens ein Sende- und Empfangselement zur Distanzmessung gegen einen am andern Sensor befestigten Reflekor aufweist.