DE4102152A1

DE4102152A1 - Optoelektronischer sensor

Info

Publication number: DE4102152A1
Application number: DE4102152A
Authority: DE
Inventors: Jean-Luc Lamarche; Robert Buck
Original assignee: LAMARCHE JEAN LUC 7994 LANGENARGEN DE
Current assignee: LAMARCHE JEAN LUC 7994 LANGENARGEN DE
Priority date: 1991-01-25
Filing date: 1991-01-25
Publication date: 1992-07-30

Description

Die Erfindung betrifft einen optoelektronischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Es gibt prinzipiell dreierlei Arten von optoelektronischen Sensoren:

1. Einweglichtschranken,
2. Reflexlichtschalter
3. Reflextaster.

Einweglichtschranke bestehen aus zwei voneinandergetrennten Einheiten: die Sendeeinheit und die Empfangseinheit.

Reflexlichtschranken und Reflextaster vereinen diese beide Einheiten in einem gemeinsamen Gehäuse.

Die Elektronikrealisierung der beiden Letztgenannten ist nach dem Stand der Technik ausführlich in dem Buch "Optoelektronische Sensoren" vom Günter Fetzer und Heinrich Hippenmeyer beschrieben, erschienen im "Verlag moderne Industrie" (Seite 49 ff).

Diese Elektronik erfüllt eine Reihe von Aufgaben:

- Ansteuerung des Lichtsenders, in der Regel eine LED im Impulsbetrieb, um kurzzeitig hohe Strahlungsintensitäten zu erhalten.
- Verstärkung der vom Strahlungsempfänger gelieferten Signale.
- Filterung dieser Signale, um Einflüsse von Fremdlichtquellen zu unterdrücken, Störabtastung, die sowohl analog als auch digital erfolgen kann.
-Bereitstellung eines Leistungsausganges.

Das vom Strahlungsempfänger gelieferte Signal ist in der Regel sehr schwach (bei Verwendung von Fotodioden nur einige 100 mA). Dieses Signal muß sehr stark verstärkt werden; um den Wert von einigen 100 mV zu erreichen (dieses entspricht eine Verstärkung von 10⁶ V/A). Diese Verstärkung würde an sich aber keine zu großen Probleme hervorrufen wenn nicht die Anforderung hinzukäme, daß sie stabil sein muß. Dies ist durch eine noch höhere Verstärkung, die zurückgekoppelt wird, zu realisieren. Darüberhinaus muß man das Steuersignal verstärken, um das Sendeelement (in der Regel eine Leuchtdiode: LED) anzusteuern. Dafür werden in der Regel einige 100 mA gebraucht. Dieser Strom muß ebenfalls stabil sein, bzw. einen bestimmten Temperaturgradienten besitzen, der die Temperaturabhängigkeit des Sendeelementes kompensiert.

Bei modernen Geräten hat man, um den letzten Punkt, sowie die Alterung des Sendeelementes zu kompensieren, eine Monitordiode eingeführt welche den Strom durch das Sendeelement regelt, indem sie einen Teil des ausgesandten Lichtes auswertet.

Wenn darüberhinaus ein Analogsignal generiert werden soll, welches proportional zum Abstand ist, muß ein Verstärker realisiert werden, dessen Verstärkung umgekehrt proportional zum Eingangssignal ist
(kleines Eingangssignal =weitentferntes Objekt großes Ausgangssignal
Großes Eingangssignal =nahes Objekt kleines Ausgangssignal).

Der Erfindung liegt demnach die Aufgabe zu Grunde, eine Schaltung zu definieren, welche für die Auswertung des Empfangssignals keine definierte Verstärkung braucht Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß ein Regelkreis gebaut wird, welcher versucht, den Strom durch das Sendeelement so einzustellen, daß das Empfangssignal einem bestimmten Wert entspricht. Danach muß der Empfangssignalverstärker nur eine große Signalverstärkung besitzen, jedoch keine definierte Verstärkung. Als Meßsignal für die Entfernung steht dann der Strom durch das Sendeelement zur Verfügung.

Dieses Signal ist 1. proportional zum Abstand, 2. steht niederohmig zur Verfügung.

Das Sendeelement wird gleichzeitig ohne zusätzlichen Verstärker angesteuert.

Die Regelung kann entweder innerhalb der Taktzeit erfolgen oder durch Bildung eines Mittelwertes mit anschließender Taktung. Die erste Lösung erfordert einen schnellen Verstärker, die Zweite ist einfacher zu realisieren, jedoch langsam.

Die in der Erfindung vorgeschlagene Lösung erlaubt aber auch den Einsatz einer Monitordiode oder besser gesagt, sie kann den gleichen Effekt wie den einer Monitordiode nach dem Stand der Technik auch erreichen. Dies wird wie im Anspruch 3 realisiert. Dafür wird das Signal, das von einem zweiten Empfangselement, welches einen Teil des vom Sendeelement gesandten Lichtes oder Streulichtes empfängt und wie die Monitordiode im Stand der Technik im Gerät eingebaut ist, verstärkt und als Bild der gesandten optischen Leistung ausgewertet.

Diese Lösung bietet folgende Vorteile:

1. Die für dieses Signal notwendige Verstärkung ist erheblich kleiner als die für eine Empfangsdiode nach dem Stand der Technik.
2. Das Signal ist proportional zum Abstand.
3. Die Empfangs-Sende-Einheit bleibt immer gleich, egal ob ein "zweites Empfangselement" eingebaut wird oder nicht (Modulbauweise).

Zeichungen Fig. 1 Einfache Ausführung nach der Erfindung

Der Sendegenerator (20) steuert den Sende-Empfangsverstärker (21). Dieser steuert das lichtemittierende Sendeelement (25). Das Sendeelement (25) sendet dann die Lichtimpulse (24). Falls ein Gegenstand vorhanden ist, reflektiert dieser die Lichtimpulse (24). Die reflektierten Lichtimpulse (23) werden von dem lichtempfindlichen Empfangselement (22) empfangen. Das dann erhaltene Signal wird mit dem Steuersignal (43) im Verstärker (21) verglichen, um das lichtemittierende Sendeelement (25) nachzusteuern. Der durch das lichtemittierende Sendelement (25) fließende Strom (45) wird mit dem Meßwiderstand (26) gemessen. Dieses Meßsignal wird, eventuell synchron mit dem Sendesignal, zwischengespeichert in (27). Die weitere Signalverarbeitung erfolgt wie im Stand der Technik (Fig. 3) mit einem Schwellwertschalter.

Fig. 2 Einbau eines "zweiten Empfangselementes" nach der Erfindung

Der Sendegenerator (28) steuert den Sende-Empfangsverstärker (29). Dieser steuert das lichtemittierende Sendeelement (33). Das Sendeelement sendet dann die Lichtimpulse (32). Falls ein Gegenstand vorhanden ist, reflektiert dieser die Lichtimpulse (32). Diese reflektierten Lichtimpulse (31) werden von dem lichtempfindlichen ersten Empfangselement (30) empfangen. Das dann erhaltene Signal wird mit dem Steuersignal (44) im Verstärker (29) verglichen, um das lichtemittierende Sendeelement (33) nachzusteuern. Von den gesandten Lichtimpulsen (32) wird ein Teil, oder Streulicht hiervon, (34) von einem zweiten Empfangselement (35) empfangen. Dieses Streulicht (34) ist eine Darstellung der Menge des gesandten Lichts (32). Das dann erhaltene Signal wird von dem Verstärker (36) verstärkt und, eventuell synchron mit dem Sendesignal, zwischengespeichert in (37). Die weitere Signalverarbeitung erfolgt wie im Stand der Technik (Fig. 3) mit einem Schwellwertschalter.

Fig. Stand der Technik

Der Sendegenerator (1) steuert das lichtemittierende Sendeelement (7), meistens mit Impulsen (typisch sind Impulse von 5 bis 10 µs Dauer und einer Wiederholfrequenz von 3 kHz). Das Sendeelement (7) sendet dann die Lichtimpulse (8). Falls ein Gegenstand vorhanden ist, reflektiert dieser die Lichtimpulse (8). Diese reflektierten Lichtimpulse (9) werden von dem lichtempfindlichen Empfangselement (10) empfangen. Das dann erhaltene Signal wird von dem Verstärker (2) verstärkt und, eventuell synchron mit dem Sendesignal, zwischengespeichert in (3). Der Schwellwertschalter (4) steuert dann die Folgeschaltungen (5) und (6).

Fig. 4 Einbau einer Monitordiode nach dem Stand der Technik

Der Sendegenerator (11) steuert den Sendeverstärker (13). Dieser steuert das lichtemittierende Sendeelement (14). Das Sendeelement (14) sendet dann die Lichtimpulse (15). Von diesen ausgesandten Lichtimpulsen (15) wird ein Teil oder Streulicht hiervon (41) von einer Monitordiode (12) und mit dem Steuersignal (42) im Verstärker (13) verglichen, um das lichtemittierende Sendeelement (14) nachzusteuern. Falls ein Gegenstand vorhanden ist, reflektiert dieser die Lichtimpulse (15). Diese reflektierten Lichtimpulse (16) werden von dem lichtempfindlichen Empfangselement (18) empfangen. Das dann erhaltene Signal wird von dem Verstärker (17) verstärkt und, eventuell synchron mit dem Sendesignal, zwischengespeichert in (19). Die weitere Signalverarbeitung erfolgt wie im Stand der Technik (Fig. 3) mit einem Schwellwertschalter.

Fig. 5 Schnitt eines optoelektronischen Sensors (optisches Teil) mit einem zweiten Empfangselement

Das lichtemittierende Sendeelement (38) ist im gleichen Gehäuseteil wie das "zweite lichtempfindliche Empfangselement" (39). Das eigentliche Empfangselement (40) ist von diesem Teil durch eine entsprechende optische Trennung (46) isoliert. Der Steg (45) verhindert, daß das zweite Empfangselement (39) Licht empfängt, das von dem Gegestand reflektiert würde, denn das zweite Empfangselement (39) soll nur Streulicht des Sendeelements (38) empfangen. Die Optik (47) und (48) dient der entsprechenden Bündelung des gesandten Lichtes.

Claims

1. Optoelektronischer Sensor insbesondere Näherungsschalter wie Reflextaster oder Reflexlichtschranke bestehend aus wenigstens einem lichtemittierenden Sendeelement und aus ein ein photoempfindlichen Empfangselement, welches ein Teil des von dem Sendeelement ausgesandten Lichtes in Abhängigkeit des Vorhandenseins eines Gegenstandes empfangen soll, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement von dem aus dem Empfangselement gewonnenen Signal gesteuert wird und daß die optische Sendeleistung oder ein Bild davon als Maß für die Entfernung oder das Vorhandensein des Gegenstandes dient.

2. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal des Empfangselementes durch eine Regelung der Sendeleistung auf einem vorgegebenen Sollwert gehalten wird.

3. Optoelektronischer Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiteres Empfangselement vorgesehen ist, welches einen Teil des vom Sendeelement gesandten Lichtes oder Streulichtes empfängt, das als Bild der optischen Sendeleistung dient, wobei das Signal verstärkt wird und als Maß für die Entfernung oder das Vorhandensein des Gegenstandes auswertbar ist.