ITUB20154173A1

ITUB20154173A1 - Sensore optoelettronico e metodo di funzionamento di un sensore optoelettronico

Info

Publication number: ITUB20154173A1
Application number: ITUB2015A004173A
Authority: IT
Inventors: Marco Mestieri; Paolo Tosato; Alberto Fabbri; Andrea Locarni; Danilo Naldi
Original assignee: Datalogic IP Tech Srl
Priority date: 2015-10-01
Filing date: 2015-10-01
Publication date: 2017-04-01
Also published as: US10823878B2; US20190162874A1; WO2017056047A3; EP3356852A2; WO2017056047A2

Description

Sensore optoelettronico e metodo di funzionamento di un sensore optoelettronico

Campo tecnico

La presente invenzione è relativa ad un sensore elettronico ed ad un metodo di funzionamento di un sensore optoelettronico, preferibilmente, ma non esclusivamente, sviluppati per fa re si che il sensore possa essere utilizzato in una pluralità di campi di applicazione.

Sfondo tecnologico

Sensori optoelettronici sono utilizzati da tempo nel settore deH’automazione industriale, in macchine confezionatrici o nell'industria alimentare per rilevare la presenza o una caratteristica di un oggetto. Esistono diversi tipi di sensori optoelettronici, ogni tipo essendo specializzato in una specifica applicazione 0 per rilevare una caratteristica specifica di un oggetto posizionato all’interno di un intervallo di distanze operative.

1 sensori optoelettronici fondano il loro funzionamento sulle capacità fisiche degli elementi fotosensibili impiegati a cambiare le loro caratteristiche elettriche in relazione all'intensità luminosa della luce che li colpisce. La variazione dell'intensità luminosa della sorgente di luce che investe l'elemento ricevitore, condizionata dalla presenza o dall'assenza dell'oggetto da rilevare, o dalle sue caratteristiche, fa si che il ricevitore emetta un segnale elettrico. Il sensore optoelettronico non ha nessun contatto fisico con l'oggetto da rilevare, il quale può essere di qualsiasi natura e distante da pochi millimetri fino a diversi metri.

Un primo tipo di sensore optoelettronico viene definito con termini diversi, quali a diffusione, a riflessione diretta, a tasteggio oppure di prossimità. Secondo questo tipo, emettitore e ricevitore sono nel medesimo contenitore, insieme all'elettronica di controllo. Il funzionamento si basa sulla luce riflessa da qualsiasi oggetto posto in prossimità. Il fascio luminoso viene generato dall'emettitore e, quando riflesso da un oggetto, ritorna verso l'involucro, sensibilizzando il ricevitore.

Un secondo tipo viene denominato a retroriflessione o a riflessione. Esso funziona sull'interruzione del fascio di luce da parte dell'oggetto e in questa versione il fascio di luce generato dall'emettitore viene riflesso da un riflettore prismatico (ha la caratteristica di riflettere parallelamente la luce incidente) verso il ricevitore. Anche in questo caso emettitore e ricevitore sono nello stesso contenitore insieme all'elettronica di controllo.

Il terzo tipo di sensori optoelettronici si chiama a sbarramento e funziona anch'esso sul principio dell'interruzione del fascio di luce. In questo tipo però l'emettitore e il ricevitore sono separati in contenitori diversi, e quindi il fascio di luce viene convogliato dall'emettitore verso il ricevitore.

Indipendentemente dal tipo, in un sensore optoelettronico è pertanto presente almeno un emettitore atto ad emettere una radiazione elettromagnetica ed un ricevitore atto a ricevere la radiazione elettromagnetica, sia essa diffusa, rifratta o trasmessa dovuta alla radiazione emessa. La radiazione emessa include genericamente un impulso oppure un treno di impulsi avente una durata relativamente breve rispetto al periodo in cui non viene trasmessa nessuna radiazione elettromagnetica. La ricezione dell'impulso ed una sua successiva elaborazione determina la rilevazione della caratteristica di interesse, ovvero ad esempio la mancanza di ricezione di uno o più impulsi determina la presenza di un oggetto tra emettitore e rilevatore. Questo è vero per sensori asincroni (emettitore e ricevitore separati) e per i modelli che utilizzano un riflettore, perché in entrambi i casi il ricevitore vede il suo riferimento (emettitore nel caso di asincroni e riflettore nel caso di retro-reflex) quando non è presente alcun oggetto all'interno del campo di rilevazione. I modelli a diffusione invece vedono l'emettitore solo quando questo incide sul target e la radiazione viene diffusa. In questo caso il segnale ricevuto vuol dire che il target è presente.

Data la numerosità dei sensori opto elettro ni ci, ed ai diversi requisiti che devono soddisfare, dal guadagno necessario a rilevare un segnale al numero di foto rilevatori inclusi, spesso è necessario sviluppare una pluralità di circuiti elettronici, ciascuno per un tipo di sensore distinto, per far fronte alle specifiche esigenze di ogni determinato tipo di sensore. Avere un circuito specificatamente realizzato per un solo sensore impone una certa rigidità nel processo del segnale nonché una grande pluralità di componenti distinte da realizzare.

Tuttavia realizzare un unico circuito che possa essere applicato a tutti i sensori presenti è parimenti complesso, in quanto se detto circuito viene sviluppato tramite una elettronica analogica, a seconda dell'applicazione vi saranno molti blocchi non utilizzati. Inoltre, l'architettura nella sua interezza risulta particolarmente complessa, aumentando altresì i costi di produzione. Non ultimo, le dimensioni dello spazio a disposizione per i circuiti di comando ed elaborazione del segnale sono relativamente modeste e pertanto un circuito analogico includente tutte le componenti necessarie per operare in tutte le condizioni sopra illustrate sarebbe eccessivamente ingombrante. Le soluzioni 'solo digitali' sono invece compatte, flessibili come funzionamento, ma non permettono di raggiungere le distanze operative e le frequenze operative dei sensori totalmente analogici.

E' pertanto desiderabile avere a disposizione un circuito elettronico rappresentante un "front-end" per un sensore elettronico che sia applicabile al maggior numero di sensori presenti nel mercato e che allo stesso tempo consenta di avere una elevata sensibilità, che sia flessibile, sia relativamente piccolo e di costi relativamente contenuti.

Questo aspetto è particolarmente evidente in sensori che necessitano di due fotodiodi, quali i sensori soppressori di sfondo, oppure che includono un sensore PSD come nei sensori di posizione, che generano pertanto almeno due segnali in corrente. Ogni segnale in corrente è collegato ad una catena di amplificatori che è atta ad amplificare il relativo segnale. In soluzioni note, particolarmente nell'elettronica analogica, viene usato un'operazionale differenziale, visto che la differenza tra i segnali contiene l'informazione relativa alla posizione dell'oggetto. Tuttavia, per ottenere le prestazioni migliori, sono necessari anche un sommato re per sommare i due segnali ed un divisore per effettuare il rapporto tra la differenza e la somma prima ottenute. Tuttavia questa architettura è estremamente complessa, non è flessibile e necessita di molto spazio. Alternativamente, i segnali potrebbero essere direttamente inviati ad un microcontrollore, senza effettuare analogicamente tutte le operazioni sopra indicate, tuttavia nei micro contro Ilo ri standard a basso costo usati per queste applicazioni la computazione matematica necessaria per ottenere i valori richiesti richiederebbe un tempo eccessivo ed il tempo di risposta del sensore viene aumentato limitando la frequenza operativa massima del sensore.

Un altro aspetto da considerare in sensori optoelettronici è la necessità della cancellazione del rumore. Molte sorgenti di rumore che possono essere presenti vicino al ricevitore e che possono alterare la risposta del sensore ad un segnale emesso dall'emettitore sono sorgenti di un segnale a frequenza genericamente bassa o continua, quali ad esempio lampade alogene o la radiazione solare. In sensori standard, è noto separare una componente alternata dal segnale ricevuto da quella a corrente continua che deriva dall'interferenza con altre sorgenti diverse dall'emettitore presenti nell'ambiente. Questo disaccoppiamento risolve alcuni problemi, tuttavia ne pone altri di difficile soluzione. In particolare risulta complesso, quando questo disaccoppiamento viene effettuato, determinare il valore massimo del segnale ricevuto nonché effettuare una sincronizzazione tra emettitore e ricevitore, in particolare se il segnale ricevuto viene successivamente elaborato con un convertitore A/D. Ulteriormente, nel caso di emissione di treni di impulsi da parte dell'emettitore, è molto difficile determinare il valore dell'ampiezza del treno se avente alta frequenza poiché il valore dell'ampiezza del segnale ricevuto in media ha valore pari a zero. Questo generalmente impone ad esempio di aumentare l'intervallo temporale presente tra due impulsi dello stesso treno.

E' noto inoltre che la sensibilità di un sensore optoelettronico definisce l'intensità del segnale ottico ricevuto al quale il sensore "rivela" un'oggetto od una caratteristica dello stesso. In molte applicazioni, la sensibilità del sensore deve venire regolata a seconda del campo di applicazione, ad esempio tramite un trimmer. L'utilizzato re richiede di avere un aggiustamento della sensibilità che sia "senza gradini o salti" in modo da o selezionare la distanza operativa del sensore o la sensibilità del sensore nel modo più corretto. Ulteriormente, la sensibilità in alcune applicazioni richiede di essere variata all'interno di un intervallo molto ampio.

Al fine di ottemperare a questa esigenza, è generalmente previsto nel sensore optoelettronico uno stadio di amplificazione all'interno del ricevitore atto a ricevere un segnale elettrico generato dalla ricezione di radiazione elettromagnetica avente un guadagno variabile. Questo guadagno viene regolato da un utente che seleziona una sensibilità del sensore, ad esempio in modo dipendente dalla distanza di lavoro (cioè una distanza tra emettitore e ricevitore oppure una distanza entro la quale si vuole che sia rilevato un oggetto) ad esempio tramite un elemento di regolazione il quale a sua volta determina corrispondentemente il guadagno dello stadio di amplificazione. Questo guadagno variabile è generalmente ottenuto tramite un set di resistori di guadagno, uno per ciascun step di guadagno, e pertanto per ottenere una dinamica ampia in modo "sostanzialmente continuo" è necessaria una vasta pluralità di resistori e di interruttori che rendono il circuito complesso e ne limitano la larghezza di banda e il rapporto segnale/rumore.

Ulteriormente, se il segnale elettrico in corrente generato dal fotorilevatore a causa della radiazione elettromagnetica ricevuta viene trasformato in un segnale in tensione tramite un amplificatore a transimpedenza, una ulteriore possibilità per variare la sensibilità del sensore è quella di variare la corrente di polarizzazione dell'amplificatore a transimpedenza. Questa è una soluzione in apparenza semplice e di facile realizzazione, tuttavia una tale regolazione può aumentare considerevolmente il rumore in tutto lo stadio di amplificazione.

Una ulteriore possibilità di variazione della sensibilità di un sensore è quella di variare l'ampiezza del segnale in uscita dall'emettitore, ad esempio variando la corrente di emissione. Tuttavia anche questa variazione può comportare delle problematiche. Innanzitutto una variazione della corrente di emissione determina una variazione visiva del fascio emesso dall'emettitore (se il sensore emette nel visibile) che non è particolarmente apprezzata dall'utente. Inoltre questa regolazione richiede un accurato e preciso controllo della corrente di emissione e della sua temporizzazione, che aumentano la complessità del circuito elettronico.

Sommario dell'invenzione

La presente invenzione mette a disposizione un sensore ed un metodo di funzionamento di tale sensore, o di parti di esso, che risolve almeno uno dei problemi sopra esposti con riferimento alla tecnica nota.

In un primo aspetto, l'invenzione è relativa ad un sensore optoelettronico includente:

o un emettitore atto ad emettere una radiazione elettromagnetica;

o un ricevitore atto a ricevere una radiazione elettromagnetica, detto ricevitore comprendendo:

uno o più fotorilevatori atti a ricevere una radiazione elettromagnetica ed a trasformarla in un primo e/o in un secondo segnale elettrico;

un primo ed un secondo amplificatore, atti ad amplificare indipendentemente tra loro detto primo e/o detto secondo segnale, così da generare un primo e/o un secondo segnale amplificato, detto primo segnale amplificato essendo indipendente da detto secondo segnale amplificato, e viceversa;

un convertitore analogico/digitale atto a ricevere in un primo ed in un secondo input detto primo e/o detto secondo segnale amplificato, rispettivamente, ed a fornire un primo e/o un secondo segnale digitale;

un acceleratore hardware configurato per ricevere detto primo e/o secondo segnale digitale ed ad elaborare detto primo e/o secondo segnale digitale eseguendo una operazione matematica su uno di essi o tra di essi così da generare un segnale elaborato; ed

un processore atto a ricevere detto segnale elaborato da detto acceleratore hardware.

Il sensore optoelettronico dell'invenzione è un qualunque tipo di sensore optoelettronico atto al rilevamento di oggetti o di caratteristiche di oggetti. Ad esempio, esso può essere a diffusione, cioè il sensore risponde a qualunque oggetto che riflette la luce, a retroriflessione, cioè il sensore risponde solo alla luce riflessa da una ben determinata superfice detta riflettore, o a sbarramento, quando il sensore risponde a qualunque interruzione del flusso luminoso.

Il sensore dell'invenzione è ad esempio un sensore di posizione in cui sono utilizzati due foto ri levato ri o un Positioning Sensing Detector (PSD) per determinare la posizione di un oggetto tramite una triangolazione.

L'emettitore può essere di qualunque tipo, ad esempio includente un dispositivo policromatico (a emissione non coerente} a stato solido. Alternativamente può includere un laser. Preferibilmente, l'emettitore include un LED (Light Emitting Diode}, ad esempio con emissione nella fascia del visibile o dell'infrarosso o nell'ultravioletto. L'emettitore è atto ad emettere una radiazione elettromagnetica, ad esempio preferibilmente, ma non necessariamente, ad impulsi. Una radiazione ad impulsi significa che l'emissione dell'emettitore è una radiazione elettromagnetica diversa da zero per un "breve" intervallo di tempo Tone pari a zero altrimenti. Nell'intervallo di tempo Tonpossono essere anche presenti una pluralità di impulsi, ovvero dall'emettitore potrebbe essere inviato un treno di impulsi di durata complessiva Ton. In questo caso, nell'intervallo di tempo T0nvi sono dei sotto intervalli in cui il segnale ha ampiezza pari a 0, o molto minore della massima ampiezza del segnale, e questi sotto intervalli sono la distanza tra i vari impulsi dello stesso treno. La radiazione elettromagnetica emessa dall'emettitore nel suo complesso è preferibilmente periodica.

Il ricevitore preferibilmente comprende uno o più foto ri levato ri quali fotodiodi o foto resistenze, dispositivi sensibili ad uno spettro di frequenze molto ampio. Il ricevitore è in grado di trasformare una radiazione elettromagnetica in un segnale elettrico. Pertanto, quando rilevata, la radiazione elettromagnetica ricevuta viene trasformata in un segnale elettrico che viene quindi opportunamente elaborato come indicato nel seguito. In altre parole, un foto ri levato re converte un segnale luminoso in un segnale elettrico, in genere in una corrente che quindi dall'elettronica viene trasformata in una tensione. Esistono foto ri levato ri che sfruttano diversi principi fisici. Preferibilmente è usato un fotodiodo.

L'architettura implementata nel sensore dell'invenzione include sostanzialmente un "front-end" per uno o due foto ri levato ri, il cui segnale in uscita viene prima amplificato analogicamente e poi elaborato digitalmente. I foto ri levato ri trasformano la radiazione elettromagnetica che incide su di essi in un segnale elettrico. Pertanto sono possibili tre tipi di configurazioni: può essere presente un solo foto ri levato re generante un unico segnale di corrente, possono essere presenti due foto rilevatori generanti due segnali in corrente, o può essere presente un foto ri levato re quale un PSD che genera più di un segnale di corrente, ad esempio un primo ed un secondo. E' preferita sia la configurazione in cui due segnali in corrente sono generati, che anche la configurazione con un segnale emesso, poiché si desidera che la presente configurazione circuitale del sensore sia "multi-purpose" vale a dire che è preferibile che questa architettura di sensore sia configurabile per sensori applicabili in diverse applicazioni, anche quelle che necessitano di un solo foto ri levato re generante un unico segnale in corrente in risposta alla radiazione elettromagnetica ricevuta.

La componente analogica, includente sostanzialmente da una prima e da una seconda catena analogica, è particolarmente semplificata nella presente soluzione, in particolare poiché non sono eseguite da essa operazioni matematiche come somma sottrazione o divisione dei due segnali, e quindi sono assenti i corrispondenti elementi. Non vi è "cooperazione" tra le due catene, ed ogni catena di amplificazione amplifica il segnale ricevuto in input. I due segnali nelle due catene sono lasciati indipendenti e sono non correlati. In altre parole, in uscita della prima catena di amplificazione, il primo segnale amplificato è indipendente dal secondo, ed in uscita dalla seconda catena di amplificazione, il secondo segnale amplificato è indipendente dal primo. Nel caso in cui un unico foto ri levato re generante un unico segnale in corrente sia presente, ovviamente un unico segnale elettrico è generato ed una sola delle due catene di amplificazione è funzionante.

I segnali amplificati primo e secondo sono portati in input ad un convertitore analogico/digitale così da creare un primo ed un secondo segnale digitale. Questi due segnali sono elaborati successivamente in modo digitale da un acceleratore hardware.

La possibilità di avere un acceleratore hardware, che altro non è che un processore separato dal processore principale, consente nel sensore dell'invenzione una rilevazione rapida del segnale ed una sua altrettanto rapida elaborazione.

II sensore dell'invenzione include anche un processore, ma vi è preferibilmente una sostanziale "divisione dei compiti" tra processore ed acceleratore hardware proprio per aumentare la velocità di risposta del sensore stesso. Al processore principale, generalmente un microcontrollore, viene preferibilmente lasciata la gestione dei parametri di configurazione delle periferiche, mentre all'acceleratore hardware viene lasciata preferibilmente la gestione della rilevazione con le operazioni logiche ad essa connesse. L'acceleratore hardware ad esempio può gestire anche la sincronizzazione dell'emissione dell'impulso in sensori sincroni, ad esempio includendo un clock utilizzato per la sincronizzazione. Il processore pertanto, anche se selezionato nella gamma dei processori relativamente economici così da limitare i costi complessivi del sensore, non è sovraccarico e rallentato a causa della computazione matematica necessaria nella rilevazione.

In questo modo è possibile una rilevazione rapida ed accurata per una architettura "spendibile" in una pluralità di campi di applicazione distinti.

Preferibilmente, detto primo e/o detto secondo amplificatore è/sono a guadagno variabile.

Come anzidetto, è preferibile che l'architettura proposta sia applicabile in sensori che sono destinati a vari campi di applicazione. Tra i vari campi di applicazione rientrano anche quelli in cui è necessario gestire distanze di rilevazione assai diverse tra loro, da pochi cm a decine di metri. Per ottenere con uno stesso sensore la sensibilità desiderata a tutte queste distanze, è preferito che gli amplificatori siano a guadagno variabile così da variare la sensibilità del sensore a seconda della distanza d'uso.

Più preferibilmente, il sensore dell'invenzione include un elemento di regolazione del guadagno variabile di detto primo e/o secondo amplificatore, detto elemento di regolazione essendo collegato a detto processore, detto processore essendo atto ad inviare un segnale di comando a detto primo e/o secondo amplificatore funzione di un valore selezionato in detto elemento di regolazione.

Tramite l'elemento di regolazione può essere quindi variato il guadagno degli amplificatori, o deN'amplificatore, a seconda ad esempio della distanza tra emettitore e ricevitore. Alternativamente, nei sensori sincroni, variando il guadagno si varia l'intensità di segnale rilevabile nell'applicazione. Inoltre, semplicemente variando software nel processore, il firmware della regolazione, è possibile usare il sensore in una applicazione o in un'altra che necessitano di una diversa regolazione, senza modificare l'architettura proposta.

Preferibilmente, detto segnale elaborato è un segnale indicativo della rilevazione di un oggetto.

Preferibilmente, come anzidetto, all'acceleratore hardware sono imputate tutte le attività relative alla fase di rilevazione, con le conseguenti operazioni matematiche da realizzare sui segnali provenienti dalle catene di amplificazione. Le elaborazioni sono relativamente veloci essendo gestite con una logica digitale dedicata. L'acceleratore hardware preferibilmente elabora i valori campionati del segnale ricevuto e fornisce al processore diverse informazioni tra cui:

i valori elaborati,

l'esito della rilevazione,

altre informazioni relative all'ampiezza del segnale ricevuto,

informazioni sulla presenza di disturbi accoppiati al segnale utile.

Vantaggiosamente, detto acceleratore hardware è configurato per elaborare detto primo e/o detto secondo segnale digitale. Generalmente, è noto che la fase di decisione della presenza o meno di un oggetto, è eseguita comparando un segnale ricevuto dal ricevitore con una o più soglie. Preferibilmente, le operazioni relative alla fase di rilevazione sono eseguite dall'acceleratore hardware.

In un esempio di realizzazione, il sensore optoelettronico dell'invenzione include un driver per l'emissione di un segnale in corrente per generare detta radiazione elettromagnetica ad impulsi da parte di detto emettitore, detto driver essendo comandato da detto acceleratore hardware.

Ad esempio, è possibile variare l'ampiezza del segnale emesso dall'emettitore. Anche in questo caso quindi, semplicemente con una variazione di software, è possibile adattare il sensore a campi di applicazione che richiedono un impulso diverso l'uno dall'altro.

Vantaggiosamente, detto primo e secondo amplificatore, detto convertitore analogico/digitale, detto acceleratore hardware e detto processore sono implementati nel medesimo circuito integrato. Più preferibilmente, il circuito integrato è un ASIC (application-specific integrated Circuit).

Tramite un unico circuito integrato per diverse applicazioni, i componenti del circuito elettronico sono tutti integrati nello stesso, così da rendere l'assemblaggio dei sensori il più semplice possibile ed avere un numero assai ridotto di elementi, anche per sensori tra loro molto diversi.

In un secondo aspetto, l'invenzione è relativa ad un sensore optoelettronico, includente:

o un emettitore atto ad emettere una radiazione elettromagnetica ad impulsi;

un foto ri levato re atto a ricevere detta radiazione elettromagnetica ed a trasformarla in un segnale elettrico in corrente;

un amplificatore, ricevente in ingresso il segnale di corrente ed emettendo in uscita un segnale in tensione, detto amplificatore comprendente:

• un primo stadio avente come input il segnale in corrente e configurato a convertire il segnale in corrente in un segnale in tensione ed a fornire il segnale in tensione ad un output, detto output essendo l'output dell'amplificatore;

• un secondo stadio di feedback, atto a ricevere come input il segnale in tensione in output a detto primo stadio ed ad fornire un segnale in corrente di feedback come output funzione del segnale in tensione in output al primo stadio e atto a sommarsi al segnale in corrente del foto rilevatore introdotto nel primo stadio in modo tale da cancellare nel segnale in tensione in output emesso dal primo stadio contributi delle componenti a bassa frequenza del segnale in corrente del foto ri levato re; e

• un commutatore collegato a detto secondo stadio ed atto ad attivare o meno detto secondo stadio, spostabile in una configurazione di attivazione, in cui detto secondo stadio emette detta corrente di feedback ed in una configurazione di non-attivazione, in cui detto secondo stadio emette una corrente sostanzialmente costante.

L'emettitore può essere di qualunque tipo, ad esempio includente un dispositivo policromatico (a emissione non coerente) a stato solido. Alternativamente può includere un laser. Preferibilmente, l'emettitore include un LED (Light Emitting Diode}, ad esempio con emissione nella fascia del visibile o dell'infrarosso. L'emettitore è atto ad emettere una radiazione elettromagnetica, preferibilmente una radiazione elettromagnetica ad impulsi. Una radiazione ad impulsi significa che l'emissione dell'emettitore è una radiazione elettromagnetica diversa da zero per un "breve" intervallo di tempo Tone pari a zero altrimenti. Nell'intervallo di tempo Tonpossono essere anche presenti una pluralità di impulsi, ovvero dall'emettitore potrebbe essere inviato un treno di impulsi di durata complessiva Ton. In questo caso, nell'intervallo di tempo Tonvi sono dei sotto intervalli in cui il segnale ha ampiezza pari a 0, o molto minore della massima ampiezza del segnale, e questi sotto intervalli sono la distanza tra i vari impulsi dello stesso treno. Preferibilmente, gli impulsi nello stesso treno sono essi stessi periodici, ovvero la distanza tra gli impulsi nello stesso treno è la stessa per tutti gli impulsi del treno. La radiazione elettromagnetica emessa dall'emettitore nel suo complesso è preferibilmente periodica, di periodo T =T0n+Toffove un intervallo di tempo pari a Toffè presente tra due distinti impulsi o tra due successivi treni di impulsi.

Il ricevitore preferibilmente comprende un foto ri levato re quali fotodiodi o foto resistenze, dispositivi sensibili ad uno spettro di frequenze molto ampio. Il ricevitore è in grado di trasformare una radiazione elettromagnetica in un segnale elettrico. Pertanto, quando rilevata, la radiazione elettromagnetica ricevuta viene trasformata in un segnale elettrico che viene quindi opportunamente elaborato come indicato nel seguito. In altre parole, un foto ri levato re converte un segnale luminoso in un segnale elettrico. Esistono foto ri levato ri che sfruttano diversi principi fisici. Preferibilmente è usato un fotodiodo.

Il ricevitore si trova generalmente in un ambiente in cui l'emettitore non è l'unica sorgente possibile di radiazione elettromagnetica. Ad esempio la luce ambientale (dal sole), lampade alogene o altro sono presenti nell'ambiente circostante il ricevitore. Pertanto anche quando l'emettitore non emette alcuna radiazione, un segnale viene ricevuto dal ricevitore e commutato in un segnale elettrico dal foto ri levato re. Il foto ri levato re può comprendere in un esempio preferito ad esempio un fotodiodo. Come noto, nei fotodiodi la risposta in corrente è lineare in un ampio intervallo di radiazioni luminose, pertanto il fotodiodo converte il segnale in un segnale di corrente.

Il ricevitore include quindi un fotorilevatore atto a trasformare la radiazione elettromagnetica ricevuta in un segnale in corrente. Per essere elaborato nel modo migliore, il segnale di corrente proveniente dal foto ri levato re viene amplificato da un amplificatore. L'amplificatore potrebbe essere ad esempio un amplificatore realizzato secondo il primo aspetto dell'invenzione o parte di esso.

L'amplificatore include un primo stadio, atto a trasformare il segnale in corrente ricevuto dal fotodiodo in un segnale in tensione. Quando l'emettitore non emette alcun impulso, il segnale in corrente e quindi il conseguente segnale in tensione è sostanzialmente un segnale di rumore, mentre quando un impulso viene emesso dall'emettitore, il segnale in corrente o in tensione è una sovrapposizione del rumore e del segnale dovuto all'impulso.

In uscita dal primo stadio è quindi presente un segnale in tensione, che nel caso in cui non vi è emissione di impulso dall'emettitore, è un puro segnale di rumore, includente con alta probabilità delle componenti in continua o a bassa frequenza, date da sorgenti di rumore come sopra descritte; in emissione invece è una sovrapposizione di queste componenti in continua o a basse frequenze ed un segnale dovuto all'impulso. L'amplificatore include quindi un secondo stadio, che ha le funzioni di stadio di feedback. Questo stadio, sulla base del segnale di uscita in tensione, effettua un feedback, ovvero invia un segnale in corrente in ingresso al primo stadio, per far si che le componenti in continua od a bassa frequenza vengano tagliate, ovvero al fine che l'insieme primo e secondo stadio operi sostanzialmente come un passa-alto. Grazie al funzionamento del secondo stadio, nel segnale in uscita dal primo stadio sono tagliate le componenti dovute al segnale in DC o a bassa frequenza del segnale in corrente proveniente dal fotodiodo. Per fare questo, il secondo stadio emette una corrente in uscita di feedback, proporzionale al segnale in tensione in uscita del primo stadio, che va a sommarsi alla corrente proveniente dal fotodiodo in entrata al primo stadio. In altre parole, si può dire che il secondo stadio operi come un integratore, che converte le componenti in continua o in basse frequenze in correnti che vengono usate come feedback per attenuare componenti del segnale in corrente dovute al rumore.

Secondo il secondo aspetto dell'invenzione, è possibile una commutazione, tramite un commutatore connesso al secondo stadio, dell'azione del secondo stadio. Vi è una prima configurazione operativa in cui questa cancellazione della componente DC viene effettuata, come sopra descritta, tramite la generazione della corrente di feedback funzione del segnale in uscita dal primo stadio, ed una seconda configurazione operativa in cui questa cancellazione non viene più effettuata in modo modulato e la corrente emessa dal secondo stadio è costante. Il termine costante non è un termine usato nel senso assoluto, ma il suo significato è da intendersi che può assumersi costante nel l'utilizzo effettuato. Pertanto il secondo stadio può emettere o una corrente di feedback "modulata" che dipende dal segnale in uscita del primo stadio, o una corrente costante, indipendente dal valore che il segnale in uscita dal primo stadio assume dopo che la disattivazione è avvenuta.

Preferibilmente, l'intervallo di tempo in cui il commutatore è in una configurazione in cui la cancellazione non viene effettuata è molto più breve dell'intervallo di tempo in cui la cancellazione viene fatta. La cancellazione del segnale di disturbo in bassa frequenza è ottimale se è vera questa condizione.

Sostanzialmente, una cancellazione del segnale in bassa frequenza è ancora attiva anche quando il commutatore porta il secondo stadio nella condizione operativa di non-attivazione, ma il valore cancellato è costante. Per definizione il segnale in bassa frequenza che genera il rumore cambia lentamente nel tempo e quindi se anche il valore cancellato "viene congelato" per brevi intervalli di tempo in questo breve intervallo di non-attivazione non si è modificato in modo significativo.

La corrente "costante" emessa durante la configurazione di disattivazione non dipende dal valore istantaneo del segnale in uscita dal primo stadio successiva alla commutazione in una configurazione di non attivazione.

Sostanzialmente quindi, nella configurazione di attivazione il secondo stadio emette una corrente di feedback modulata dipendente dal rumore e questa corrente viene emessa in input al primo stadio come feedback. Invece nella condizione disattivata, emette comunque una corrente che viene immessa in input al primo stadio, ma tale corrente non viene modulata e viene mantenuta costante.

Se la commutazione si ripete, ovvero il secondo stadio torna ad essere in una configurazione di attivazione, allora la corrente emessa dal secondo stadio torna ad essere modulata in funzione della Vout del primo stadio.

In questo modo è possibile passare da una configurazione all'altra durante la ricezione di radiazione elettromagnetica. La Richiedente ha trovato che una particolare sequenza di commutazione migliora la forma del segnale ricevuto ed amplificato dal primo e dal secondo stadio rispetto ad una configurazione in cui non vi sia nessuna commutazione. La possibilità di effettuare una commutazione tra queste due configurazioni porta i seguenti vantaggi:

se questa architettura viene usata in combinazione con un convertitore analogico/digitale alla fine dell'amplificatore, è più facile la sincronizzazione del campionamento per trovare il valore massimo del segnale;

se questa architettura viene usata con treni di impulsi emessi dall'emettitore ed in combinazione con il convertitore analogico/digitale, è possibile ridurre l'intervallo in tensione del convertitore e la dinamica delle catene analogiche;

il massimo del segnale ricevuto è accresciuto;

se questa architettura viene usata con due o più impulsi e con comparatori alla fine dell'amplificatore, semplifica la logica di demodulazione.

Questi vantaggi portano ad avere un sensore optoelettronico avente un miglioramento del range di distanze alle quali è possibile effettuare una misura.

Preferibilmente, detto commutatore è configurato per essere spostabile in detta configurazione di attivazione quando non è emessa alcuna radiazione elettromagnetica da detto emettitore.

Vantaggiosamente, detto commutatore è configurato per essere spostabile in detta configurazione di nonattivazione quando detto emettitore emette un impulso di radiazione elettromagnetica.

La commutazione tra una configurazione di attivazione ed una di disattivazione avviene preferibilmente in modo dinamico seguendo gli impulsi emessi dall'emettitore. Pertanto viene effettuata una cancellazione della componente DC o a basse frequenze da parte del secondo stadio quando non viene emesso alcun segnale dall'emettitore, mentre viene emessa una corrente costante dal secondo stadio quando un segnale è emesso dall'emettitore. Questa corrente costante effettua comunque una cancellazione di rumore, ma non "si aggiorna" di valore e viene mantenuto costante. Generalmente l'emettitore emette impulsi periodici con Ton« TQffe pertanto una condizione di buon funzionamento del circuito descritto è rispettata.

Vantaggiosamente, detta corrente costante è pari alla corrente di feedback ad un istante prima di detta emissione di detto impulso.

Per non avere distorsioni nel segnale ricevuto in uscita dall'amplificatore, viene mantenuta una continuità nel segnale, vale a dire che durante la configurazione di non-attivazione viene "cancellata" una componente fittizia della componente DC o a bassa frequenza nel segnale in input al primo stadio pari all'ultima componente cancellata dal secondo stadio nella configurazione di attivazione. In altre parole, viene emesso dal secondo stadio un segnale in corrente non dipendente dal segnale in uscita del primo stadio, ma dipendente unicamente dal segnale in corrente di feedback ultimo emesso, che viene mantenuto per il tempo in cui il commutatore è posto sulla configurazione di non-attivazione.

Vantaggiosamente, l'amplificatore è implementato in un circuito integrato. Un circuito integrato, e più preferibilmente un ASIC, consente in un unico circuito una implementazione di diverse funzionalità e un unico elemento deve essere assemblato in ogni sensore.

Vantaggiosamente, in cui detto primo stadio include un amplificatore in transimpedenza, detto amplificatore in transimpedenza ricevendo come input il segnale in corrente dal foto ri levato re ed emettendo come output il segnale di uscita in tensione. Amplificatori in transimpendeza sono usati frequentemente per amplificare il segnale in corrente proveniente da fotodiodi e trasformarli in un segnale in tensione.

Più preferibilmente, detto secondo stadio include un amplificatore di transconduttanza, detto amplificatore di transconduttanza ricevendo come input il segnale di uscita in tensione di detto primo stadio ed emettendo come output un segnale in corrente utilizzato per generare detta corrente di feedback.

Preferibilmente, detto commutatore include un segnale di "enable".

Ad esempio, se il secondo stadio comprende un amplificatore a transconduttanza, il segnale di enable può essere uno degli ingressi dell'amplificatore stesso, garantendo una commutazione semplice e rapida.

Secondo un terzo aspetto, l'invenzione è relativa ad un metodo per la cancellazione di un segnale di rumore in un sensore optoelettronico, detto sensore includendo:

o un emettitore atto ad emettere una radiazione elettromagnetica;

o un ricevitore atto a ricevere una radiazione elettromagnetica,

detto metodo comprendendo:

ricevere una radiazione elettromagnetica e trasformarla in un primo segnale in corrente, quando detta radiazione elettromagnetica è ricevuta mentre detto emettitore non emette un segnale ad impulsi allora:

o trasformare detto segnale in corrente in un segnale in tensione in un primo stadio; o generare un segnale in corrente di feedback funzione di detto segnale in tensione, e sommare detto segnale in corrente di feedback a detto primo segnale in corrente e immettere il risultato in ingresso a detto primo stadio in modo tale da cancellare nel segnale in tensione emesso dal primo stadio contributi delle componenti a bassa frequenza del primo segnale in corrente;

quando detta radiazione elettromagnetica è ricevuta mentre detto emettitore emette un segnale ad impulsi allora:

o trasformare detto segnale in corrente in un segnale in tensione in un primo stadio; o emettere un segnale in corrente costante e sommare detto segnale di corrente costante a detto primo segnale in corrente ed immettere il risultato in ingresso a detto primo stadio.

Più preferibilmente il metodo include:

Determinare una corrente di feedback prima dell'emissione di detto impulso;

Emettere detto impulso; e

Durante l'emissione di detto impulso emettere un segnale di corrente costante pari a detta corrente di feedback misurata e sommare detto segnale di corrente costante a detto primo segnale di corrente.

I vantaggi del terzo aspetto dell'invenzione sono stati giù delineati con riferimento al secondo aspetto e non sono qui ripetuti.

Secondo un quarto aspetto, l'invenzione è relativa ad un sensore optoelettronico includente:

o un ricevitore atto a ricevere una radiazione elettromagnetica, il ricevitore comprendendo un foto ri levato re atto a trasformare la radiazione elettromagnetica ricevuta in un segnale elettrico ricevuto ed uno stadio di amplificazione a guadagno variabile tra un guadagno minimo Gmm ed un guadagno massimo G™* atto ad amplificare detto segnale elettrico ricevuto;

o un emettitore atto ad emettere una radiazione;

o un circuito di rilevazione atto ad elaborare detto segnale elettrico ricevuto ed amplificato e a paragonare detto segnale elettrico ricevuto, amplificato ed elaborato con una soglia di rilevazione;

o un elemento di regolazione configurato per la regolazione della sensibilità del sensore avente un campo di regolazione suddiviso in un numero m di zone consecutive, la prima zona relativa a una sensibilità del sensore a partire da una sensibilità minima possibile di utilizzo del sensore optoelettronico e la zona m-esima relativa a sensibilità terminanti con una massima sensibilità possibile di utilizzo del sensore optoelettronico; detto guadagno di detto stadio amplificatore essendo selezionato selezionando un punto in una zona di detto campo di regolazione dell'elemento di regolazione; detto campo di regolazione essendo realizzato così che per ogni punto di ogni zona j del campo di regolazione, il guadagno selezionato è costante e pari a:

Gj— crGy_i

Con Gmax= Gm= a<m~1>Gi= a<m~1>G1ed a è un numero prefissato maggiore di zero; e detto campo di regolazione essendo così configurato che spostando un punto selezionato in detto campo di regolazione all'interno della zona j-esima nella direzione dal punto di inizio adiacente alla zona (j-l)-esima verso il punto di fine adiacente alla zona (j+l}-esima, la corrispondente soglia di rilevazione impostata nel circuito di rilevazione viene spostata dalla massima soglia impostabile alla minima soglia impostabile, dove la massima soglia impostabile è pari alla minima soglia impostabile moltiplicata per il numero a.

Il sensore optoelettronico dell'invenzione è un qualunque tipo di sensore optoelettronico atto al rilevamento di oggetti o di caratteristiche di oggetti. Ad esempio, esso può essere a diffusione, cioè il sensore risponde a qualunque oggetto che riflette la luce, a retro riflessione, cioè il sensore risponde solo alla luce riflessa da una ben determinata superfice detta riflettore, o a sbarramento, quando il sensore risponde a qualunque interruzione del flusso luminoso.

L'emettitore può essere di qualunque tipo, ad esempio includente un dispositivo policromatico (a emissione non coerente) a stato solido. Alternativamente può includere un laser. Preferibilmente, l'emettitore include un LED (Light Emitting Diode}, ad esempio con emissione nella fascia del visibile o dell'infrarosso. L'emettitore è atto ad emettere una radiazione elettromagnetica, per esempio una radiazione ad impulsi. Una radiazione ad impulsi significa che l'emissione dell'emettitore è una radiazione elettromagnetica diversa da zero per un "breve" intervallo di tempo Tone pari a zero altrimenti. Nell'intervallo di tempo Τοηpossono essere anche presenti una pluralità di impulsi, ovvero dall'emettitore potrebbe essere inviato un treno di impulsi di durata Ton. In questo caso, nell'intervallo di tempo Tonvi sono dei sotto intervalli in cui il segnale ha ampiezza pari a 0, o molto minore della massima ampiezza del segnale, e questi sotto intervalli sono la distanza tra i vari impulsi dello stesso treno. Preferibilmente, gli impulsi nello stesso treno sono essi stessi periodici, ovvero la distanza tra gli impulsi nello stesso treno è la stessa per tutti gli impulsi del treno. La radiazione elettromagnetica emessa dall'emettitore nel suo complesso è preferibilmente periodica, di periodo T =Toti+Toffove un intervallo di tempo pari a TDffè presente tra due distinti impulsi.

Il ricevitore preferibilmente comprende un foto ri levato re quale fotodiodi o fotoresistenze, dispositivi sensibili ad uno spettro di frequenze molto ampio. Il ricevitore è in grado di trasformare una radiazione elettromagnetica in un segnale elettrico. Pertanto, quando rilevata, la radiazione elettromagnetica ricevuta viene trasformata in un segnale elettrico che viene quindi opportunamente elaborato come indicato nel seguito. In altre parole, un foto ri levato re converte un segnale luminoso in un segnale elettrico, in genere in una tensione. Esistono fotorilevatori che sfruttano diversi principi fisici. Preferibilmente è usato un fotodiodo.

Inoltre, il ricevitore include uno stadio di amplificazione a guadagno variabile, a partire da un guadagno minimo Gmìnad un guadagno massimo G™*. La dinamica del sensore è data dal rapporto D= Gmax/ Gmìn.

La sensibilità di un sensore optoelettronico dipende sostanzialmente da tre parametri: il guadagno dello stadio di amplificazione, la soglia di rilevazione e la potenza della radiazione emessa dall'emettitore.

Sensibilità OC SgLiBdagroo ‘ Ssoglia ' Semissione

dove

SGuadagoocc guadagno G dello stadio analogico di amplificazione

SEmissìoneoc ampiezza della corrente di emissione generante la radiazione elettromagnetica emessa

Ssogiiaoc l/(soglia di rilevazione)

Per impostare un determinato valore di sensibilità pertanto è possibile agire su uno o più dei parametri di cui sopra. La presente invenzione è focalizzata alla contemporanea variazione di due parametri, ovvero alla variazione del guadagno dello stadio di amplificazione ed al valore della soglia di rilevazione.

La sensibilità del sensore optoelettronico viene regolata, dall'utente oppure automaticamente, tramite un elemento di regolazione. L'elemento di regolazione ha un campo di regolazione per regolare la sensibilità da un valore minimo impostabile ad un valore massimo impostabile.

Innanzitutto secondo l'invenzione il numero di resistori possibili, o comunque di differenti valori di guadagno possibili per lo stadio di amplificazione, viene ridotto rispetto a quanto disponibile nella tecnica nota, semplificando il circuito di amplificazione e limitando il rumore.

Difatti il guadagno G dell'amplificatore può essere selezionato pari ad un punto all'interno di una pluralità m di punti discreti da un valore di guadagno minimo G™, ad un valore di guadagno massimo G™*. Preferibilmente Gmaxè compreso tra i 20 ed i 40ΜΩ, mentre Gmìnè compreso tra 20 e 40 kO. Pertanto, il guadagno dello stadio di amplificazione è impostabile unicamente pari a uno di questi m punti discreti selezionati, ogni punto corrispondente ad uno specifico valore del guadagno dello stadio di amplificazione. Il numero di punti m è scelto relativamente "piccolo" e pertanto numero di eventuali resistori pertanto è relativamente modesto.

Ciascun punto j degli m ha un guadagno pari a:

Gj &Gj_i

con Gmajc= Gm= a<m~1>G1= a<m~1>Gied a è un numero prefissato maggiore di zero.

Nel caso in cui vi siano più stadi di amplificazione corrispondenti a diversi foto rive lato ri, o per esempio corrispondenti ad un sensore di tipo PSD (Position Sensitive Detector}, ovvero un sensore sensibile alla posizione, che significa un sensore che misura la posizione di un oggetto misurando la posizione del fascio emesso su una superficie del ricevitore, il medesimo guadagno G viene preferibilmente impostato in tutti gli stadi di amplificazione, ovvero l'elemento di regolazione fissa un valore di guadagno per tutte le distinte catene di amplificazione nel circuito.

Il valore del guadagno G viene fissato pari ad uno dei valori disponibili tramite un elemento di regolazione ad esempio un trimmer. Tuttavia qualunque elemento di regolazione è possibile, che sia atto a regolare il guadagno G dello stadio di amplificazione ed a selezionarne uno degli M possibili valori. L'elemento può essere comandato da un utente o anche automaticamente. Generalmente l'elemento di regolazione riporta nella regolazione una pluralità di valori di sensibilità del sensore, da una sensibilità minima ad una sensibilità massima. Il valore di sensibilità può corrispondere ad esempio ad un valore di distanza, ovvero selezionare una sensibilità in certe applicazioni equivale a selezionare la distanza d tra le distanze possibili a cui è posiziona bile l'emettitore rispetto al ricevitore, da una distanza minima dmì„ ad una distanza massima dmax- Nei sensori noti con amplificazione a guadagno variabile, maggiore è la distanza, generalmente maggiore è il guadagno e analogamente più bassa è la distanza più basso è il guadagno.

Alternativamente, nei sensori di tipo PSD il guadagno selezionato semplicemente imposta la sensibilità delle catene di amplificatori, ma non definisce una distanza operativa che è invece determinata dalla sola soglia di rilevazione.

Secondo l'invenzione, il campo di regolazione dell'elemento di regolazione viene suddiviso in un numero m di zone consecutive pari al numero m dei differenti valori che può assumere il guadagno dello stadio o degli stadi di amplificazione. Le m zone sono zone corrispondenti ad altrettanti range di sensibilità del sensore, ovvero il range globale di sensibilità è suddiviso in m sub-range in ciascuno dei quali il guadagno della catena di amplificatori è costante. Per convenzione, viene definita la prima zona come quella porzione di campo di regolazione relativa a sensibilità a partire dalla sensibilità minima smìnpossibile di utilizzo del sensore optoelettronico ad una sensibilità intermedia Siintermediae l'ultima zona o zona m-esima è la porzione di campo di regolazione relativa a sensibilità a partire da una sensibilità Sjm-ijintermediae terminanti con la massima sensibilità possibile di utilizzo smaxdel sensore optoelettronico. La generica zona } pertanto è relativa ad una sensibilità tra sy-ijìntermedìo e Sjintermedso del sensore in cui smì„... Sj... smax è una funzione monotona crescente. Pertanto ad esempio l'utente (o automaticamente} seleziona nel campo di regolazione un punto appartenente alla prima, seconda, ...j-esima...., m-esima zona a seconda del valore della sensibilità a cui desidera il sensore.

Ognuna di queste zone corrisponde ad un range di guadagno dello stadio di amplificazione dell'elemento di regolazione. Secondo l'invenzione, in ciascuna di queste zone, selezionato un punto al loro interno, il corrispondente guadagno viene posto pari al valore di guadagno costante. Selezionando un punto in una zona j-esima di detto campo di regolazione dell'elemento di regolazione, il corrispondente guadagno selezionato nello stadio di regolazione è, per ogni zona del campo di regolazione, una costante pari a

Gj OLGJ—I

Da notare che spostandosi in zone contigue, ovvero spostandosi dalla zona j-esima alla zona (j+l}-esima, il guadagno selezionato ha un brusco incremento pari ad ot.

Pertanto un campo di regolazione dell'elemento di regolazione dell'invenzione, campo che nella tecnica nota generalmente viene suddiviso in modo monotono crescente da un punto che imposta la distanza minima smintra emettitore e ricevitore corrispondente al guadagno minimo Gmindello stadio di amplificazione ad un punto che imposta la distanza massima Smaxtra emettitore e ricevitore corrispondente al un guadagno massimo Gmaxdello stadio di amplificazione, viene suddiviso in zone a guadagno costante in modo tale che nella transizione da una zona all'altra vi sia un "salto" nel guadagno dello stadio di amplificazione pari a a.

All'interno di ogni zona, i vari punti della zona corrispondono ad una regolazione della soglia di rilevazione del circuito di rilevazione.

Difatti ciascuna zona j del campo di regolazione corrisponde ad un sub-campo di regolazione per la soglia. La prima estremità della zona j, adiacente con una estremità della zona j-1, corrisponde al valore della soglia massima impostabile, mentre il valore alla seconda estremità, adiacente ad una estremità della zona j+1, corrisponde al valore della soglia minima impostabile. Da ricordare che la soglia è inversamente proporzionale alla sensibilità. Muovendosi pertanto da una prima estremità ad una seconda estremità della zona j, la soglia di rivelazione viene spostata da un valore massimo ad un valore minimo. Questa variazione avviene secondo una funzione monotona decrescente. Preferibilmente, il numero di punti in cui è possibile selezionare un valore di soglia è "elevato", più punti sono presenti (più il numero è alto} più è possibile regolare la sensibilità del sensore in modo fine..

Il valore massimo della soglia impostabile è pari a:

Valore soglia massima = valore soglia minima * a

Pertanto, nella regolazione dell'elemento di regolazione, benché tra una zona e l'altra vi sia un salto di guadagno pari a a, questa perdita di guadagno viene "compensata" dalla contro-variazione della soglia di rilevazione che da un valore minimo passa ad un valore massimo , i due valori minimo e massimo avendo un rapporto proprio pari allo stesso a pari al rapporto dell'aumento di guadagno tra una zona e la zona successiva. Pertanto, per ogni diversa zona selezionata del campo di regolazione, è possibile selezionare, un guadagno fisso in tutta la zona ed una soglia di rilevazione che varia passando da un estremo all'altro della zona.

Con questo tipo di regolazione di un campo di regolazione del guadagno diviso in m zone con un salto di guadagno pari a atra il guadagno agli estremi a contatto di due zone adiacenti del campo di regolazione, ed una corrispondente variazione della soglia, è possibile mantenere la sensibilità del sensore opto elettronico sostanzialmente variabile con continuità, passando dal primo estremo del campo di regolazione nella prima zona all'ultimo estremo del campo di regolazione nell'ultima zona.

Il significato del termine soglia di rilevazione dipende dal tipo di sensore utilizzato.

La regolazione grossolana della sensibilità del sensore secondo l'invenzione è quindi effettuata tramite una regolazione del guadagno, mentre la regolazione fine è fatta tramite una regolazione della soglia di rilevazione.

Preferibilmente, detto circuito di rilevazione comprende un comparatore a valle di detto stadio di amplificazione, detto comparatore essendo atto a comparare il segnale ricevuto ed amplificato con detta soglia di rilevazione per stabilire o meno la rilevazione di un oggetto.

In alcuni sensori, in cui genericamente è incluso un unico foto ri levato re, quali i sensori di rilevazione di un oggetto tra emettitore e ricevitore, la sensibilità impostata con l'elemento di regolazione corrisponde sostanzialmente ad una distanza tra emettitore e ricevitore. Il segnale amplificato dall'amplificatore viene comparato con una soglia di rilevazione che rappresenta una "soglia" sull'ampiezza minima del segnale amplificato. Se il segnale supera la soglia implica genericamente che non vi è stata rilevazione di alcun oggetto tra ricevitore e emettitore. Pertanto in ogni zona viene selezionato un guadagno del l'amplificatore e quindi viene selezionata una soglia, più alta è implica che tanto più alta deve essere l'ampiezza minima del segnale rilevato per superare la comparazione.

Alternativamente, detto ricevitore comprende uno o più foto ri levato ri atti a trasformare la radiazione elettromagnetica ricevuta in un primo ed un secondo segnale elettrico ricevuto ed un primo ed un secondo stadio di amplificazione a guadagno variabile tra un guadagno minimo G™, ed un guadagno massimo Gma>:atti ad amplificare detto primo e detto secondo segnale elettrico, rispettivamente; ed in cui detto circuito di rilevazione è atto ad elaborare detto primo e secondo segnale ricevuto ed amplificato per emettere un segnale congiunto dipendente da detto primo e detto secondo segnale ricevuto ed amplificato e comprende un comparatore, detto comparatore essendo atto a comparare il segnale congiunto con detta soglia di rilevazione.

In sensori utilizzanti un PSD, vengono prodotti due segnali amplificati da due diverse catene, che vengono quindi elaborati per determinare una distanza a cui un oggetto è o meno presente. In altre parole, il funzionamento del sensore è tale per cui viene impostata una distanza operativa, definita dalla soglia di rilevazione, e la risposta del sensore è "ho rilevato oppure non ho rilevato" un oggetto all'interno della distanza operativa impostata. I segnali amplificati pertanto non sono direttamente comparati con la soglia di rilevazione, ma sono prima elaborati, ad esempio sommati e sottratti per poi farne il rapporto, prima di emettere la risposta. La soglia quindi quando variata implica una variazione della distanza operativa del sensore.

Preferibilmente, il sensore include due foto rilevatori.

Sensori utilizzanti due fotori levato ri sono ad esempio i soppressori di sfondo o di primo piano (BGS o FGS), che si distinguono in elettronici e meccanici in base al tipo di regolazione. Alternativamente, invece di due foto rilevatori, anche i sensori di sfondo o di primo piano possono includere un PSD. Vantaggiosamente, detto elemento di regolazione è configurato in modo tale che un punto in detto campo di regolazione è atto ad essere selezionato da un utente. In aggiunta o in alternativa, detto sensore include un processore, detto processore essendo configurato così da selezionare un punto in detto campo di regolazione. Il punto definente la sensibilità nel campo di regolazione può essere impostato dall'utente, ma anche da un processore interno al ricevitore per migliorare la rilevazione sulla base dei segnali di rilevazione ricevuti, ad esempio tramite un acceleratore hardware secondo il primo aspetto dell'invenzione. Pertanto il processore è in grado, assieme o in sostituzione all'utente, di variare la sensibilità del sensore stesso sulla base delle misure già effettuate.

Preferibilmente, detta soglia di rilevazione è una soglia digitale.

Vantaggiosamente, detto sensore include un convertitore analogico/digitale atto a convertire detto segnale ricevuto ed amplificato in un segnale digitale.

In un esempio realizzativo, detto emettitore e detto ricevitore sono posizionati ad una distanza d e dove detto elemento di regolazione è così configurato che punto selezionato in detto campo di regolazione è rappresentativo della distanza d. nei sensori asincroni, la distanza tra emettitore e ricevitore detta d sostanzialmente "determina" la sensibilità del sensore. L'elemento di regolazione quindi viene posizionato su un valore di sensibilità dipendente da questa distanza. Il guadagno dell'amplificatore deve essere maggiore tanto maggiore è la distanza ed analogamente la soglia deve essere posizionata a seconda della DLIA15038+DLIA15039+DLIA15040

distanza selezionata tra emettitore e ricevitore, soglia che è una soglia nell'ampiezza minima del segnale ricevuto ed amplificato per avere una corretta ricezione di un segnale corrispondente ad un impulso dell'emettitore.

Preferibilmente, detto comparatore è configurato per comparare detta soglia di rilevazione con una ampiezza di detto segnale ricevuto ed amplificato. Come anzidetto, preferibilmente per i sensori asincroni, la soglia di rilevazione è una soglia sull'ampiezza del segnale ricevuto ed amplificato.

Alternativamente, detta soglia di rilevazione è una soglia indicativa di una distanza operativa di detto sensore. Nei sensori di distanza, ad esempio includenti un PSD, il segnale da due catene di amplificatori viene ricevuto, amplificato, elaborato ad esempio sommato, sottratto e quindi un rapporto tra questi due valori viene effettuato, ed il valore risultante viene comparato con la soglia di rilevazione. La comparazione ha il significato di determinare se un oggetto è o meno all'interno della distanza operativa che viene impostata determinando il valore della soglia. La soglia pertanto ha un significato di distanza operativa dentro la quale determinare o meno la presenza di un oggetto.

Vantaggiosamente, il sensore optoelettronico secondo l'invenzione include uno stadio di linearizzazione, detto stadio essendo configurato per associare ad ogni punto x in detto campo di regolazione di detto elemento di regolazione una funzione f, così che a detta posizione x nel campo di regolazione sia associata una sensibilità pari a f(x}.

Nella regolazione della sensibilità del sensore è preferito avere una regolazione lineare della stessa, ovvero chiamando x la posizione nel campo di regolazione dell'elemento di regolazione del sensore, la funzione sensibilità = mx+q. Tuttavia come noto, l'intensità della radiazione elettromagnetica emessa dall'emettitore decade con il quadrato della distanza, ovvero ad esempio chiamando d la distanza tra emettitore e ricevitore (oppure tra ricevitore ed oggetto riflettente}, l'intensità decade come l/d<2>. Pertanto viene applicata una funzione di "linearizzazione" ad ogni valore di x nel campo di regolazione così che alla posizione x il valore della sensibilità s = f(x) sia lineare. Per compensare questo effetto è necessaria una funzione parabolica.

f(x) per un sensore asincrono o sincrono ad unico fotodiodo con un unico segnale elaborato può essere ad esempio a+bx+cx<2>.

Nel caso invece di un sensore di distanza, vi sono due componenti di cui tenere conto. Non vi è solo l'attenuazione dell'intensità della radiazione dovuta alla distanza dall'oggetto da rilevare pari a d che segue la legge indicata, ma anche una relazione iperbolica l/d dovuta all'interazione del fascio emesso con il sensore PSD. In questo caso, è preferita una curva di linearizzazione iperbolica del tipo

/(x) c.

x b

Secondo un quinto aspetto, l'invenzione è relativa ad un metodo di elaborazione di un segnale elettrico funzione di una radiazione elettromagnetica emessa da un emettitore di un sensore optoelettronico realizzato in accordo con il quarto aspetto, detto metodo includendo:

• selezionare nel elemento di regolazione un punto nella zona j-esima del campo di regolazione così da regolare il guadagno di detto stadio di amplificazione ad un valore pari a Gjed un valore di detta soglia di rilevazione;

• Emettere detta radiazione elettromagnetica da parte di detto emettitore;

• Ricevere una radiazione elettromagnetica da parte di detto ricevitore durante l'emissione di detta radiazione elettromagnetica da parte di detto emettitore;

• generare un segnale elettrico funzione di detta radiazione ricevuta ed amplificare il segnale elettrico;

• comparare detto segnale elettrico con detta soglia di rilevazione; e

• Stabilire se detto segnale ricevuto amplificato è indicativo di una presenza o meno di un oggetto tra il ricevitore e l'emettitore sulla base di detta comparazione.

Secondo un sesto aspetto, l'invenzione è relativa ad un metodo di elaborazione di un segnale elettrico funzione di una radiazione elettromagnetica emessa da un emettitore di un sensore optoelettronico realizzato in accordo con il quarto aspetto, detto metodo includendo:

• Emettere detta radiazione elettromagnetica da parte di detto emettitore;

• generare un primo ed un secondo segnale elettrico funzione di detta radiazione ricevuta ed amplificare il primo ed il secondo segnale elettrico;

• elaborare detto primo e detto secondo segnale elettrico così da generare un segnale elettrico elaborato;

• comparare detto segnale elettrico elaborato con detta soglia di rilevazione; e

• Stabilire se detto segnale elaborato è indicativo di una presenza o meno di un oggetto ad una distanza d operativa sulla base di detta comparazione.

1 vantaggi del quinto e sesto aspetto dell'invenzione sono stati giù delineati con riferimento al quarto aspetto e non sono qui ripetuti.

Breve descrizione dei disegni

Questi ed ulteriori vantaggi dell'invenzione saranno maggiormente evidenti da una sua descrizione dettagliata con riferimento agli uniti disegni, in cui:

la figura 1 è uno schema esemplificativo di un sensore optoelettronico secondo l'invenzione; le figure 2a e 2b mostrano una versione semplificata di un circuito di un sensore optoelettronico secondo la tecnica nota e secondo l'aspetto dell'invenzione di figura 1, rispettivamente;

la figura 3 è un diagramma circuitale più dettagliato del sensore di figura 2b;

le figure 4a e 4b sono due distinti esempi preferiti di realizzazione di un circuito di una porzione di un sensore optoelettronico secondo un secondo aspetto dell'invenzione;

le figure 5a e 5b sono due grafici di risposta in frequenza del primo stadio in una prima ed in una seconda configurazione operativa;

le figure 6a e 6b sono due diagrammi di un segnale in uscita da un circuito realizzato secondo la tecnica nota e dal circuito di figura 4a o 4b quando un emettitore del sensore emette un treno di impulsi;

le figure 7a e 7b sono due diagrammi di un segnale in uscita da un circuito realizzato secondo la tecnica nota e dal circuito di figura 4a o 4b quando un emettitore del sensore emette un unico impulso;

le figure Sa ed Sb sono corrispondenti alle figure 7a e 7b, con delle note esplicative; la figura 9 mostra un segnale di impulso emesso dall'emettitore del sensore optoelettronico ed un segnale di enable del circuito 4a o 4b;

Le figure 10a e 10b rappresentano un primo ed un secondo grafico di una operazione di linearizzazione del campo di regolazione del sensore in un primo ed un secondo esempio preferito di sensore, rispettivamente; e

La figura 11 rappresenta un esempio schematico della procedura di linearizzazione.

Descrizione dettagliata di esempi di realizzazione

In figura 1, con 1 è denotato un sensore elettronico secondo l'invenzione. Il sensore 1 include un emettitore 2 atto ad emettere una radiazione elettromagnetica ad impulsi ed un ricevitore 3 atto a ricevere la radiazione elettromagnetica ed a trasformarla in un segnale elettrico.

L'emettitore 2 emette preferibilmente un segnale ad impulsi, come rappresentato in figura 1. L’emettitore è pilotato per una emissione preferibilmente periodica, ad esempio da un opportuno driver 4 di un circuito 50, ad esempio parte di un circuito integrato, che definisce il front-end del circuito stesso.

La parte di front end 50 è dettagliata nelle figure 2 e 3.

Inoltre, il circuito 50 include un primo ed un secondo pin 5, 6 per l'ingresso di un primo ed un secondo segnale proveniente da un primo ed un secondo fotodiodo (non raffigurati). Il primo ed il secondo fotodiodo sono atti a ricevere radiazione elettromagnetica e a trasformarla in un primo e secondo segnale elettrico, immesso al circuito tramite i pin 5 e 6. Il primo ed il secondo segnale elettrico sono amplificati da una prima e da una seconda catena di amplificatori 7, 8, collegate ai pin 5 e 6, rispettivamente. Le due catene 7,8 sono tra loro indipendenti, ovvero sono tra loro separate elettricamente ed in cui i segnali elettrici primo e secondo non vengono tra loro correlati. La prima catena genera così un primo segnale amplificato e la seconda catena un secondo segnale amplificato.

Il circuito 50 include inoltre un convertitore analogico/digitale 9 atto a ricevere in input il primo ed il secondo segnale amplificato, così da trasformarli in un primo ed un secondo segnale digitale.

Il circuito 50 quindi comprende un acceleratore hardware 10, il quale riceve in ingresso il primo ed il secondo segnale digitale da parte del convertitore analogico/digitale 9. L'acceleratore hardware esegue tutte le operazioni sui segnali digitali primo e secondo così da emettere un segnale elaborato identificativo ad esempio della rilevazione o della non rilevazione di un oggetto. L'acceleratore 10 pertanto preferibilmente include un blocco per la comparazione dei segnali in input con una o più soglie (blocco 11} , un blocco per le operazioni aritmetiche sui segnali (blocco 13), un blocco per la generazione di un impulso temporale così da comandare il driver dell'emettitore (blocco 12}. Inoltre l'acceleratore hardware 10 può effettuare rilevazioni relative alla diagnostica o elaborare i segnali primo e secondo ricevuti in modo tale da ottenere delle informazioni sullo status degli stati di amplificazione e/o dei fotodiodi.

L'acceleratore hardware 10 è inoltre configurato per emettere in uscita uno o più segnali relativi ad informazioni sulla diagnostica e/o sulla rilevazione. Questi segnali sono inviati ad un microcontrollore 20, sempre parte del circuito 50. Il microcontrollore 20 riceve questi segnali ed è configurato per effettuare eventualmente delle opzionali elaborazioni. Inoltre il microcontrollore può impostare l'ampiezza del segnale ad impulsi emesso dall'emettitore, il valore delle soglie di comparazione con il segnale digitale nell'acceleratore hardware 10, ed il guadagno delle catene di amplificazione 5 e 6. Queste funzioni sono parte della funzione più generale di controllo e aggiustamento della sensibilità del sensore 1, funzione eseguita nel microcontrollore 20 nel blocco 21. Il guadagno delle catene è preferibilmente impostato manualmente dall'utente tramite ad esempio un trimmer 22, connesso al blocco 21.

In figura 2a, una comparazione viene effettuata con un circuito secondo la tecnica nota. Nei circuito secondo la tecnica nota, generalmente tutte le operazioni sui segnali amplificati relativi alla rilevazione sono effettuate dal microcontrollore. Questa gestione "centralizzata" delle operazioni sui segnali amplificati genera un ritardo della risposta del sensore, ritardo superato tramite l'invenzione.

Con riferimento ora alle figure 4a e 4b, una porzione di una catena amplificatrice per amplificare il segnale elettrico generato dal fotodiodo è mostrata. La catena può essere parte delle catene 7, 8 oppure essere diversa. Nell'esempio preferito, figura 4a o 4b è considerata una porzione della catena amplificatrice 7, amplificante un segnale elettrico in corrente generato dal fotodiodo 30 in risposta alla ricezione di una radiazione luminosa e generante un segnale in tensione Vout in uscita.

Tipicamente la radiazione elettromagnetica ricevuta è in impulsi che il fotodiodo 30 può convertire in impulsi di corrente. La porzione di catena 7 converte questi impulsi di corrente in un segnale in tensione Vout. La porzione di catena amplificatrice 7 comprende un primo stadio 31 che è connesso al fotodiodo 30. Il primo stadio ha la funzione di trasformare il segnale di corrente in ingresso proveniente dal fotodiodo 30 ed ad emettere un corrispondente segnale in tensione Vout. Preferibilmente, ha anche la funzione di amplificare il segnale in corrente e più preferibilmente ha la funzione di un amplificatore a transimpedenza. La porzione di catena 7 include anche un secondo stadio 32 che ha la funzione di monitorare l'output del primo stadio Vout e di produrre una corrente di feedback dipendente da Vout. La corrente di feedback viene utilizzata per cancellare almeno in parte il rumore dell'ambiente circostante il sensore in particolare rumore in forma di componenti a bassa frequenza o in continua del segnale in corrente prodotto dal fotodiodo 30. Questa cancellazione provvede una attenuazione del rumore presente nel segnale in corrente. In generale, il secondo stadio di feedback 32 agisce preferibilmente come un integratore che provvede una risposta come filtro passa alto per convertire componenti in DC ed a basse frequenze dell'output Vout in componenti in corrente che sono re-inviate al primo stadio per attenuare le componenti del segnale in corrente dal fotodiodo 30 dovute al rumore.

Ulteriormente, secondo l'invenzione, la porzione di amplificatore 7 comprende un commutatore 33, atto a attivare o disattivare il secondo stadio 32. Quando il secondo stadio è attivato, ha il funzionamento sopra descritto, ovvero di emettere un segnale di feedback in corrente re-inviato al primo stadio per effettuare una cancellazione delle componenti continue o a frequenze basse. Quando il secondo stadio non è attivato, esso non emette più una corrente di feedback, ma in uscita emette un segnale in corrente sostanzialmente costante e preferibilmente pari all'ultimo valore della corrente di feedback emessa prima che il commutatore passasse alla configurazione di disattivazione.

Il commutatore 33 può ad esempio essere un segnale ad onda quadra, quale un segnale di enable.

Passando dalla configurazione di attivazione alla configurazione di disattivazione, si modifica la funzione di trasferimento della porzione di catena 7. In figura 5a, è rappresentata la funzione di trasferimento della porzione di catena 7 quando il commutatore 33 è nella configurazione di attivazione del secondo stadio. La porzione ha una funzione di trasferimento pari a quella di un bassa-banda. Con riferimento invece alla figura 5b, quando il commutatore 33 è nella configurazione di disattivazione, la funzione di trasferimento è quella di un passa basso.

In un esempio preferito dell'invenzione, il passaggio da configurazione di attivazione a configurazione di disattivazione ha luogo quando l'emettitore emette una radiazione elettromagnetica. Come raffigurato nella figura 9, la radiazione elettromagnetica emessa dall'emettitore può essere ad esempio ad impulsi di durata Ton e separati tra loro di una distanza temporale Toff. Il commutatore 33 si trova pertanto secondo l'invenzione nella configurazione di attivazione nel periodo Toff e nella configurazione di disattivazione al tempo Ton. Il ciclo viene ripetuto ad ogni emissione dell'emettitore ottenendo un sistema che cambia dinamicamente da amplificatore passa banda a passa basso e viceversa.

Questa commutazione consente sia di cancellare efficacemente il rumore, che di ottenere una buona conformazione del segnale ricevuto in uscita Vout. Per meglio apprezzare questa forma migliore del segnale, con riferimento ora alle figure 6a e 6b, un primo caso è presentato, in cui l'emettitore emette un treno di impulsi, ad esempio 4 impulsi, spaziati tra loro di 3 ps e ciascuno di durata di 1 ps. La curva 6a rappresenta il segnale di uscita dalle catene di amplificazione 7 e 8 lasciando il commutatore 33 sempre nella configurazione di attivazione. La figura 6b rappresenta invece lo stesso segnale di uscita dalle catene di amplificazione 7 e 8 ma con il circuito di figura 4a o 4b operante secondo l'invenzione dinamicamente commutando tra la configurazione di attivazione e quella di disattivazione. Come visibile, valutare l'ampiezza e la sequenza di codifica del segnale di figura 6a può porre qualche problema. Innanzitutto l'ampiezza dell'ultimo impulso potrebbe essere inferiore ad una soglia prestabilita e quindi potrebbe essere non rilevato. Questo è dovuto al fatto che il segnale in media è nullo e questo comporta che il valore di picco di questi impulsi dipenda dal segnale precedentemente ricevuto. Difatti mancando la componente continua nel segnale, la componente temporale del segnale ha media nulla. Potrebbe quindi essere necessario apportare delle modifiche al sistema per correttamente valutare questo segnale, ad esempio ampliare la dimensione della finestra del convertitore analogico/digitale 9. Il segnale invece di figura 6b non pone nessuno di questi problemi ed è facilmente elaborabile.

Figure 7a e 7b mostrano un secondo caso, in cui l'emettitore emette un singolo impulso di durata di 5 ps. La curva 7a rappresenta il segnale di uscita dalle catene di amplificazione 7 e 8 lasciando il commutatore 33 sempre nella configurazione di attivazione. La figura 7b rappresenta invece lo stesso segnale di uscita dalle catene di amplificazione 7 e 8 ma con il circuito di figura 4a o 4b operante secondo l'invenzione dinamicamente commutando tra la configurazione di attivazione e quella di disattivazione. Nel segnale di figura 7a, potrebbe essere difficile sincronizzare il campionamento del convertitore analogico/digitale con il valore massimo del segnale ricevuto. Osservando la figura 8a che corrisponde alla 7a, il valore del segnale di uscita dalle catene di amplificazione 7 e 8 all'istante di tempo in cui l'impulso del segnale emesso dall'emettitore scende a 0 (si veda il segnale ad impulsi dell'emettitore sovrapposto al segnale di uscita dalle catene di amplificazione nelle figure 8a ed 8b) non corrisponde il valore massimo del segnale di uscita dalle catene di amplificazione (il valore al tempo in cui l'impulso emesso torna a zero corrisponde ad un valore di segnale di uscita di 1.29 V) . La posizione temporale di questo massimo del segnale di uscita dipende da tantissimi parametri quali il guadagno, la temperatura, etc. e quindi per ottenere una buona sincronizzazione è genericamente necessario aggiungere un rilevatore di picco al circuito 50 che tuttavia accresce il consumo del circuito stesso, ne aumenta la complessità e riduce il tempo di risposta del sensore. Il segnale di figura 7b, come evidenziato anche nella sua elaborazione di figura 8b dove viene sovrapposto al segnale di emissione, si trova al suo massimo quando il segnale di emissione torna a 0. Questo facilita la sincronizzazione. Ulteriormente, l'ampiezza massima del segnale di uscita è maggiore con la commutazione dinamica proposta.

In figura 4a, un esempio realizzativo del circuito di figura 4b è proposto. Il primo stadio 31 include un amplificatore operazionale a transipendenza 311 (TIA). Un primo ingresso dell'operazionale 311 è connesso al fotodiodo 30, mentre l'altro ingresso è posto pari ad una tensione di riferimento fissa Vref. L'output dell'operazionale 311 è l'output Vout di tutto il circuito. Il primo ingresso e l'output sono tra loro collegate da una resistenza 312 ed un capacitore 313 tra loro posti in parallelo. Il secondo stadio di feedback 32 include un amplificatore operazionale a transconduttanza 321 (OTA) un cui primo ingresso è collegato all'uscita del primo stadio, ovvero all'uscita dell'operazionale 311 ed un secondo ingresso è collegato alla tensione di riferimento Vref. Un terzo ingresso dell'operazionale a transconduttanza 321 è collegato al commutatore 33, ovvero riceve un segnale di enable. Un capacitore 322 è collegato tra l'output dell'operazionale 321 e terra. L' assieme operazionale a transconduttanza 321 e capacitore 322 forma un integratore per generare un feedback dall'output Vout, quando il commutatore è nella configurazione di attivazione. Il secondo stadio 32 include inoltre un MOSFET 323 che ha un gate collegato all'output dell'operazionale di transconduttanza 321, il source a massa attraverso un resistore ed il drain collegato all'uscita del fotodiodo 30.

In operazione, con il commutatore in configurazione di attivazione (quindi segnale di enable "alto") poiché non è emesso alcun segnale dall'emettitore, il circuito di figura 4a processa i segnali di corrente provenienti dal fotodiodo 30 per produrre una tensione in uscita Vout. Il primo stadio 31 funziona da amplificatore a transimpedenza con un certo guadagno.. L'amplificatore a transconduttanza 321 e il capacitore 322 trasportano una corrente di feedback generata attraverso il MOSFET 323. L'amplificatore a transconduttanza 321 monitora l'output Vout del primo stadio 31 e lo compara con lo stesso riferimento Vref usato dal primo stadio, L'amplificatore a transconduttanza 321 quindi opera per portare la differenza tra i due valori pari a zero per produrre una corrente di feedback negativa. Qualunque segnale avente frequenza inferiore alla frequenza di cut-off del secondo stadio 32 viene attenuato. Segnali a più alta frequenza possono passare perché il secondo stadio 32 non è in grado di reagire velocemente a sufficienza per cancellare il segnale. L'operazionale di transconduttanza 321 è configurato per produrre una corrente di feedback per componenti a frequenze basse o DC.

Quando dinamicamente il segnale di enable passa a "basso", ovvero il commutatore viene spostato nella configurazione di disattivazione poiché è stato emesso un impulso da parte dell'emettitore, l'operazionale di transconduttanza 321 non emette più alcuna corrente. Ai capi del condensatore 322 pertanto rimane la stessa tensione presente prima dello spegnimento dell'amplificatore 321.

Difatti IOTA 321 carica la capacità 322 in base al segnale in uscita dal primo stadio. La tensione ai capi della capacità pilota il MOSFET 323 per sottrarre più o meno corrente dall'ingresso del TIA 311. Quando il commutatore commuta nella non-attivazione, IOTA è disattivato attraverso il pin ENABLE, la capacità 322 mantiene il valore costante, ed il MOSFET 323 continua a drenare via dall'ingresso del TIA 311 una corrente costante. Essendo il disturbo in bassa frequenza, se anche non viene aggiornato il valore da cancellare per un intervallo breve (brave rispetto al tempo in cui può variare il disturbo) una cancellazione degli stessi avviene comunque, ovvero nel tempo di disattivazione il disturbo a bassa frequenza non fa in tempo a cambiare.

Viene ora descritta una regolazione della sensibilità di un sensore optoelettronico 1 secondo l'invenzione, con riferimento al sensore 1 rappresentato in figura 3. Questa regolazione può essere applicata ad un sensore optoelettronico 1 con circuito 50 in cui è presente un unico foto ri levato re 30, due foto ri levato ri o un PSD, che generano uno o due segnali in corrente che sono quindi opzionalmente trasformati in un segnale in tensione ad esempio dal primo stadio 31 di figura 4a o 4b e quindi amplificati da una o due catene di amplificatori 7 o 8. La sensibilità s del sensore è comandata tramite un trimmer, ad esempio il trimmer 22. Il trimmer è connesso al microcontrollore 20 che comanda il guadagno della catena 7, B nonché il valore della soglia di rilevazione del circuito di rilevazione, in questo caso l'acceleratore hardware 10. Il trimmer 22 ha un campo di regolazione (visibile in figura 11} diviso in una pluralità di m intervalli o zone. Ciascun intervallo o zona corrisponde ad un valore di guadagno G della catena analogica 7,8 costante per tutto l'intervallo (in altre parole, all'interno dello stesso intervallo, qualunque punto sia selezionato il guadagno è sempre lo stesso). Intervalli contigui presentano un salto di guadagno pari ad or valore preimpostato all'interno ad esempio del microcontrollore 20. Invece passando da un capo all'altro dell'intervallo, ovvero spostandosi da un suo punto terminale all'altro, viene variato con continuità il valore della soglia nell'acceleratore hardware 10 da un massimo ad un minimo. La posizione del massimo e del minimo corrispondono rispettivamente al punto di inizio (cioè al punto di contatto con l'intervallo precedente) e al punto di fine (cioè al punto di contatto con l'intervallo successivo) dell'intervallo. Ad esempio, per una dinamica D desiderata pari a 1000 si suppone che siano necessari 1000 punti in cui si possa selezionare un valore di sensibilità. Viene scelto in questo esempio preferito un fattore a pari a 2.

Pertanto il valore di 1000 può essere suddiviso in 11 intervalli operando la progressione Gj<=>

Con et pari a due. Gli 11 intervalli in cui è diviso il campo di regolazione hanno pertanto in ciascuno un guadagno costante e pari ad uno dei valori:

(Gmin= Gì= 1; G2= 2* Gì= 2; Gì= 2* G2= 4; G4= 2* GÌ= 8; G5= 2* G4= 16; ...; Gma* = Gm= Gu= 2<10>*Gi = 1024} per coprire tutto l'intervallo da Gmìn= 1 fino a G™* = 1024*Gmm.

Considerando ora un sensore di tipo asincrono o sincrono ad un unico fotodiodo, la soglia di rilevazione è una soglia impostata sul valore dell'ampiezza del segnale ricevuto ed amplificato, che è un segnale in tensione, per cui la soglia è un valore in tensione con cui il segnale deve essere comparato. La soglia minima di rilevazione può essere scelta pari ad esempio a 500mV e la soglia quindi può essere variata in ogni intervallo del campo di regolazione dal valore minimo di 5Q0mV ad un valore massimo 500mV*ct = IV. Ad esempio, usando un convertitore analogico/digitale 9 che effettua una conversione digitale del segnale analogico ricevuto ed amplificato a 10-bit, con un intervallo di 5V è possibile avere una risoluzione digitale pari a ~5mV/bit nel convertitore AD (5V/1024bit).

Pertanto per ogni intervallo, o zona, del campo di regolazione del trimmer 22, si possono avere 100 step di soglia, ovvero in ogni zona ci sono 100 punti a diversa sensibilità — - — — — — = 100

bifl v j DIC

Usando solo 11 intervalli di guadagno distinti uniti a due a due da 100 punti distinti di soglia, si ottengono più di 1000 punti di sensibilità globale, con il semplice calcolo

Numero di punti a diversa sensibilità = numero di step di guadagno * numero di step di soglia = 11 * 100 = 1100

In questo modo pertanto una complessità della parte analogica viene ridotta considerevolmente e spostata nella parte digitale.

Il numero di punti presenti in ogni intervallo relativamente al valore della soglia può essere facilmente modificato a seconda dell'applicazione del sensore utilizzata, semplicemente tramite una variazione di un valore digitale.

Nelle figure 10a, 10b sono mostrati due esempi di linearizzazione del segnale in uscita dal trimmer 22 relativo alla posizione del trimmer nel campo di regolazione. L'operazione effettuata è quella esemplificata nella figura 11, ovvero a punto di regolazione x selezionato nel campo di regolazione del trimmer 22 corrisponde un valore di sensibilità s. La curva corrispondente sensibilità/posizione trimmer non è lineare ma è, a seconda del tipo di sensore usato, una curva generalmente polinomiale. Il sensore vantaggiosamente include uno stadio di linearizzazione, ad esempio interno al microcontrollore 20, che applica una funzione di linearizzazione al valore del punto x così che il valore in uscita dal microcontrollore 20 a posizione x sul trimmergeneri una funzione lineare.

In un sensore con una unica catena di amplificatori in uso, ovvero un unico segnale ricevuto ed elaborato, questa linearizzazione comporta il passaggio dalla curva in basso (curva ottenuta senza linearizzazione} alla curva in alto di figura IOa. La linearizzazione è ottenuta con una funzione parabolica. Una diversa linearizzazione è usata per un sensore di distanza con sensore PSD e un grafico analogo alla figura IOa è riportato in figura 10b ove la linearizzazione è stata effettuata con una funzione iperbolica.

Claims

Rivendicazioni 1. Sensore opto elettronico (1} includente: o un emettitore (2} atto ad emettere una radiazione elettromagnetica; o un ricevitore {3} atto a ricevere una radiazione elettromagnetica, detto ricevitore comprendendo: uno o più foto rilevatori (30} atti a ricevere una radiazione elettromagnetica ed a trasformarla in un primo e/o in un secondo segnale elettrico; un primo ed un secondo amplificatore (7, 8}, atti ad amplificare indipendentemente tra loro detto primo e/o detto secondo segnale, così da generare un primo e/o un secondo segnale amplificato, detto primo segnale amplificato essendo indipendente da detto secondo segnale amplificato, e viceversa; un convertitore analogico/digitale (9) atto a ricevere in un primo ed in un secondo input detto primo e/o detto secondo segnale amplificato, rispettivamente, ed a fornire un primo e/o un secondo segnale digitale; un acceleratore hardware (10) configurato per ricevere detto primo e/o secondo segnale digitale ed ad elaborare detto primo e/o secondo segnale digitale eseguendo una operazione matematica su uno di essi o tra di essi così da generare un segnale elaborato; ed un processore (20) atto a ricevere detto segnale elaborato da detto acceleratore hardware (10).
2. Sensore optoelettronico (1) secondo la rivendicazione 1, in cui detto primo e/o detto secondo amplificatore (7,8} è/sono a guadagno (G) variabile.
3. Sensore optoelettronico (1} secondo la rivendicazione 2, includente un elemento di regolazione (22} del guadagno variabile di detto primo e/o secondo amplificatore (7, 8}, detto elemento di regolazione essendo collegato a detto processore (20}, detto processore essendo atto ad inviare un segnale di comando a detto primo e/o secondo amplificatore funzione di un valore selezionato in detto elemento di regolazione.
4. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto segnale elaborato è un segnale indicativo della rilevazione di un oggetto.
5. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti in cui detto acceleratore hardware (10} è configurato per elaborare detto primo e/o detto secondo segnale digitale. .
6. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, includente un driver (4} per l'emissione di un segnale in corrente per generare detta radiazione elettromagnetica ad impulsi da parte di detto emettitore (2), detto driver essendo comandato da detto acceleratore hardware (10).
7. Sensore optoelettronico (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti, in cui detto primo e secondo amplificatore (7,8), detto convertitore analogico/digitale (9), detto acceleratore hardware (10) e detto processore {20} sono implementati nel medesimo circuito integrato
8. Sensore optoelettronico {1} includente: o un emettitore (2) atto ad emettere una radiazione elettromagnetica periodica ad impulsi; o un ricevitore (3) atto a ricevere una radiazione elettromagnetica, detto ricevitore comprendendo: un fotorilevatore (30) atto a ricevere una radiazione elettromagnetica ed a trasformarla in un segnale elettrico in corrente; un amplificatore (7,8), detto amplificatore comprendente: • un primo stadio (31) avente come input il segnale in corrente e configurato a convertire il segnale in corrente in un segnale in tensione ed a fornire il segnale in tensione ad un output (Vout}; • un secondo stadio {32} di feedback, atto a ricevere come input il segnale in tensione in output (Vout} a detto primo stadio ed a fornire un segnale in corrente di feedback come output atta a sommarsi al segnale in corrente del fotorilevatore introdotto nel primo stadio in modo tale da cancellare nel segnale in tensione in output emesso dal primo stadio contributi delle componenti a bassa frequenza del segnale in corrente del foto ri levato re; e • un commutatore (33} collegato a detto secondo stadio {32} ed atto ad attivare o meno detto secondo stadio, spostabile in una configurazione di attivazione, in cui detto secondo stadio emette detta corrente di feedback ed in una configurazione di nonattivazione, in cui detto secondo stadio emette una corrente sostanzialmente costante.
9. Sensore optoelettronico {1} secondo la rivendicazione 8, in cui detto commutatore (33} è configurato per essere spostabile in detta configurazione di attivazione quando non è emessa alcuna radiazione elettromagnetica da detto emettitore.
10. Sensore optoelettronico (1} secondo la rivendicazione 8 od 9, in cui detto commutatore (33} è configurato per essere spostabile in detta configurazione di non-attivazione quando detto emettitore emette un impulso di radiazione elettromagnetica.
11. Sensore optoelettronico {1} secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 10, in cui detta corrente costante è pari alla corrente di feedback ad un istante prima di detta emissione di detto impulso.
12. Sensore optoelettronico (1) secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 11, in cui il foto ri le vaio re (30} include un fotodiodo.
13. Sensore optoelettronico {1} secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 12, in cui l'amplificatore {7,8} è implementato in un circuito integrato.
14. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 13, in cui detto primo stadio (31} include un amplificatore in transimpedenza (311}, detto amplificatore in transimpedenza ricevendo come input il segnale in corrente dal foto rilevatore (30} ed emettendo come output il segnale di uscita in tensione {VDut}.
15. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 14, in cui detto secondo stadio {32} include un amplificatore di transconduttanza (321}, detto amplificatore di transconduttanza ricevendo come input il segnale di uscita in tensione di detto primo stadio (31} ed emettendo come output un segnale in corrente utilizzato per generare detta corrente di feedback.
16. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni da 8 a 15, in cui detto commutatore {33} include un segnale di "enable".
17. Metodo per la cancellazione di un segnale di rumore in un sensore optoelettronico (1}, detto sensore includendo: o un emettitore (2} atto ad emettere una radiazione elettromagnetica; o un ricevitore (3} atto a ricevere una radiazione elettromagnetica, detto metodo comprendendo: ricevere una radiazione elettromagnetica e trasformarla in un primo segnale in corrente, quando detta radiazione elettromagnetica è ricevuta mentre detto emettitore non emette un segnale ad impulsi allora: o trasformare detto segnale in corrente in un segnale in tensione in un primo stadio {31}; o generare un segnale in corrente di feedback funzione di detto segnale in tensione, e sommare detto segnale in corrente di feedback a detto primo segnale in corrente e immettere il risultato in ingresso a detto primo stadio in modo tale da cancellare nel segnale in tensione emesso dal primo stadio contributi delle componenti a bassa frequenza del primo segnale in corrente; quando detta radiazione elettromagnetica è ricevuta mentre detto emettitore emette un segnale ad impulsi allora: o trasformare detto segnale in corrente in un segnale in tensione in un primo stadio; o emettere un segnale in corrente costante e sommare detto segnale di corrente costante a detto primo segnale in corrente ed immettere il risultato in ingresso a detto primo stadio.
18. Metodo secondo la rivendicazione 17, includente: Determinare una corrente di feedback prima dell'emissione di detto impulso; Emettere detto impulso; Durante l'emissione di detto impulso emettere un segnale di corrente costante pari a detta corrente di feedback misurata e sommare detto segnale di corrente costante a detto primo segnale di corrente.
19. Un sensore optoelettronico (1) includente: • un ricevitore (3) atto a ricevere una radiazione elettromagnetica, il ricevitore comprendendo un foto ri levato re (30} atto a trasformare la radiazione elettromagnetica ricevuta in un segnale elettrico ricevuto ed uno stadio di amplificazione (7,8) a guadagno variabile tra un guadagno minimo (G™,} ed un guadagno massimo {Gmax} atto ad amplificare detto segnale elettrico ricevuto; • un emettitore (2) atto ad emettere una radiazione elettromagnetica; • un circuito di rilevazione (10} atto ad elaborare detto segnale elettrico ricevuto ed amplificato e a paragonare detto segnale elettrico ricevuto, amplificato ed elaborato con una soglia di rilevazione; • un elemento di regolazione (22} configurato per la regolazione della sensibilità del sensore avente un campo di regolazione suddiviso in un numero m di zone consecutive, la prima zona relativa a una sensibilità del sensore a partire da una sensibilità minima possibile di utilizzo del sensore optoelettronico e la zona m-esima relativa a sensibilità terminanti con una massima sensibilità possibile di utilizzo del sensore optoelettronico; detto guadagno di detto stadio amplificatore essendo selezionato selezionando un punto in una zona di detto campo di regolazione dell'elemento di regolazione; detto campo di regolazione essendo realizzato così che per ogni punto di ogni zona j del campo di regolazione, il guadagno selezionato è costante e pari a: Gj- CtGj-]_ con = Gìn= a<m>G1= a<m~1>G1ed a è un numero prefissato maggiore di zero; e detto campo di regolazione essendo così configurato che spostando un punto selezionato in detto campo di regolazione all'interno della zona j-esima nella direzione dal punto di inizio adiacente alla zona (j-l)-esima verso il punto di fine adiacente alla zona {j+l}-esima, la corrispondente soglia di rilevazione impostata nel circuito di rilevazione viene spostata dalla massima soglia impostabile alla minima soglia impostabile, dove la massima soglia impostabile è pari alla minima soglia impostabile moltiplicata per il numero a.
20. Sensore optoelettronico {1} secondo la rivendicazione 19, in cui detto circuito di rilevazione comprendente un comparatore (11} a valle di detto stadio di amplificazione (7,8), detto comparatore essendo atto a comparare il segnale ricevuto ed amplificato con detta soglia di rilevazione per stabilire o meno la rilevazione di un oggetto.
21. Sensore optoelettronico (1) secondo la rivendicazione 19, in cui detto ricevitore comprende uno o più foto ri levato ri atti a trasformare la radiazione elettromagnetica ricevuta in un primo ed un secondo segnale elettrico ricevuto ed un primo ed un secondo stadio di amplificazione (7,8) a guadagno variabile tra un guadagno minimo Gmìned un guadagno massimo Gmaxatti ad amplificare detto primo e detto secondo segnale elettrico, rispettivamente; ed in cui detto circuito di rilevazione (10} è atto ad elaborare detto primo e secondo segnale ricevuto ed amplificato per emettere un segnale congiunto dipendente da detto primo e detto secondo segnale ricevuto ed amplificato e comprende un comparatore (11}, detto comparatore essendo atto a comparare il segnale congiunto con detta soglia di rilevazione.
22. Sensore optoelettronico (1} secondo la rivendicazione 20, in cui detto foto ri levato re include un sensore PSD.
23. Sensore optoelettronico (1} secondo la rivendicazione 20, includente due foto ri levato ri.
24. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 19 a 23, in cui detto elemento di regolazione {22} è configurato in modo tale che un punto in detto campo di regolazione è atto ad essere selezionato da un utente.
25. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 19 a 24, includente un processore (20}, detto processore essendo configurato così da selezionare un punto in detto campo di regolazione.
26. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 19 a 25, in cui detta soglia di rilevazione è una soglia digitale.
27. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 19 a 26, includente un convertitore analogico/digitale (9} atto a convertire detto segnale ricevuto ed amplificato in un segnale digitale.
28. Sensore optoelettronico (1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 19 a 27, in cui detto emettitore (2} e detto ricevitore {3} sono posizionati ad una distanza d e dove detto elemento di regolazione (22} è così configurato che punto selezionato in detto campo di regolazione è rappresentativo della distanza d.
29. Sensore optoelettronico {1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti quando dipendenti dalla 20, in cui detto comparatore {11} è configurato per comparare detta soglia di rilevazione con una ampiezza di detto segnale ricevuto ed amplificato.
30. Sensore opto elettronico {1} secondo una o più delle rivendicazioni precedenti quando dipendenti dalla 21 o 22, in cui detta soglia di rilevazione è una soglia indicativa di una distanza operativa di detto sensore.
31. Sensore optoelettronico (1) secondo una o più delle rivendicazioni precedenti da 19 a 30, includente uno stadio di linearizzazione, detto stadio essendo configurato per associare ad ogni punto x in detto campo di regolazione di detto elemento di regolazione una funzione f, così che a detta posizione x nel campo di regolazione sia associata una sensibilità pari a f(x}.
32. Metodo di elaborazione di un segnale elettrico funzione di una radiazione elettromagnetica emessa da un emettitore di un sensore optoelettronico realizzato in accordo con una o più delle rivendicazioni da 19 a 31, detto metodo includendo: • selezionare nel elemento di regolazione (22) un punto nella zona j-esima del campo di regolazione così da regolare il guadagno di detto stadio di amplificazione ad un valore pari a Gjed un valore di detta soglia di rilevazione; • Emettere detta radiazione elettromagnetica da parte di detto emettitore; • Ricevere una radiazione elettromagnetica da parte di detto ricevitore durante l'emissione di detta radiazione elettromagnetica da parte di detto emettitore; • generare un segnale elettrico funzione di detta radiazione ricevuta ed amplificare il segnale elettrico; • comparare detto segnale elettrico con detta soglia di rilevazione; e • Stabilire se detto segnale ricevuto amplificato è indicativo di una presenza o meno di un oggetto tra il ricevitore e l'emettitore sulla base di detta comparazione.
33. Metodo di elaborazione di un segnale elettrico funzione di una radiazione elettromagnetica emessa da un emettitore di un sensore optoelettronico {1} realizzato in accordo con una o più delle rivendicazioni da 19 a 31, detto metodo includendo: • selezionare nel elemento di regolazione {22} un punto nella zona j-esima del campo di regolazione così da regolare il guadagno di detto stadio di amplificazione ad un valore pari a Gjed un valore di detta soglia di rilevazione; • Emettere detta radiazione elettromagnetica da parte di detto emettitore; • Ricevere una radiazione elettromagnetica da parte di detto ricevitore durante l'emissione di detta radiazione elettromagnetica da parte di detto emettitore; • generare un primo ed un secondo segnale elettrico funzione di detta radiazione ricevuta ed amplificare il primo ed il secondo segnale elettrico; • elaborare detto primo e detto secondo segnale elettrico così da generare un segnale elettrico elaborato; • comparare detto segnale elettrico elaborato con detta soglia di rilevazione; e • Stabilire se detto segnale elaborato è indicativo di una presenza o meno di un oggetto ad una distanza d operativa sulla base di detta comparazione.