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Die Erfindung betrifft in einem ersten Gesichtspunkt einen Triangulationssensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1. Außerdem betrifft die Erfindung ein Verfahren zum Auswerten von Messdaten eines Triangulationssensors nach dem Oberbegriff des Anspruchs 18.
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Ein gattungsgemäßer Triangulationssensor und ein gattungsgemäßes Verfahren sind beispielsweise beschrieben in
DE19721105A1 . Die Überwachung eines Verschmutzungszustands einer Frontscheibe eines optischen Sensors ist beispielsweise bekannt aus
DE202006014925U1 .
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Ein gattungsgemäßer Triangulationssensor zum Nachweisen von Objekten in einem Überwachungsbereich weist zunächst einen Sender zum Aussenden von Sendelicht in den Überwachungsbereich und einen Detektor zum Nachweisen von von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahltem Sendelicht auf. Der Detektor weist eine Mehrzahl von Detektorsegmenten auf, die entlang einer Triangulationsrichtung angeordnet sind. Weiterhin ist eine Empfangsoptik zum Leiten von aus dem Überwachungsbereich zurückgestrahltem Sendelicht auf den Detektor vorhanden, wobei durch von einem Objekt im Überwachungsbereich zurückgestrahltes Sendelicht auf dem Detektor ein Lichtfleck generierbar ist, dessen Position in der Triangulationsrichtung vom Abstand des Objekts von dem Triangulationssensor abhängig ist. Sodann ist mindestens ein Gehäuse vorhanden, in dem mindestens der Detektor zum Schutz vor Umwelteinwirkung aufgenommen ist. In dem mindestens einen Gehäuse ist mindestens eine für das Sendelicht transparente Frontscheibe vorhanden. Schließlich ist eine Steuer- und Auswerteeinheit vorhanden zum Ansteuern des Senders, zum Auswerten der von dem Detektor gelieferten Messsignale und zum Erzeugen eines Signals „Objekt nachgewiesen“ in Abhängigkeit der Auswertung. Die Steuer- und Auswerteeinheit ist dazu eingerichtet, Bereichssignale zu erzeugen, die zu verschiedenen Detektorbereichen gehören, wobei die verschiedenen Detektorbereiche jeweils mindestens ein Detektorsegment umfassen.
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Bei einem gattungsgemäßen Verfahren zum Auswerten von Messdaten eines Triangulationssensors wird Sendelicht wird in den Überwachungsbereich gestrahlt, und von Objekten im Überwachungsbereich zurückgestrahltes Sendelicht wird mit einem Detektor nachgewiesen. Dabei weist der Detektor eine Mehrzahl von Detektorsegmenten auf, die entlang einer Triangulationsrichtung angeordnet sind. Eine Position eines auf ein Objekt im Überwachungsbereich zurückgehenden Lichtflecks auf dem Detektor in der Triangulationsrichtung ist abhängig vom Abstand des Objekts von dem Triangulationssensor. Mindestens der Detektor befindet sich in einem Gehäuse mit einer für das Sendelicht transparente Frontscheibe. Es werden mehrere unterschiedliche Detektorbereiche gebildet, die jeweils mindestens ein Detektorsegment umfassen, und mindestens für einige der Detektorbereiche wird jeweils ein Bereichssignal generiert. Die Bereichssignale können ausgewertet werden und gegebenenfalls kann ein Signal „Objekt erkannt“ erzeugt werden.
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Eine Information über den Verschmutzungsgrad einer Frontscheibe eines optoelektronischen Sensors, wie zum Beispiel eines Triangulationssensors, ist wesentlich für den sicheren Betrieb und die optimale Wartung oder Reinigung der Sensoren. Das ist insbesondere der Fall bei Anwendungen mit hoher Staubbelastung, wie zum Beispiel in Druckereimaschinen, in der Palettenfördertechnik oder in der Zementindustrie.
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Neben einer Verschmutzung durch staubartige Materialien können auch Benetzungen der optischen Frontscheibe mit Flüssigkeiten den zur Objektdetektion genutzten Strahlengang des Sensors beeinflussen und somit seine Betriebssicherheit beeinträchtigen.
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Bei
DE202006014925U1 wird eine Frontscheibe mit einer zusätzlichen Lichtquelle beleuchtet und von eventuell vorhandenen Schmutzpartikeln zurückgestrahltes Licht wird mit einem zusätzlichen Detektor nachgewiesen. Gegebenenfalls wird ein Fehlersignal entsprechend einem Zustand „Frontscheibe verschmutzt“ ausgegeben.
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Als eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, einen Triangulationssensor und ein Verfahren der oben angegebenen Art anzugeben, die im Vergleich zum Stand der Technik einen reduzierten apparativen Aufwand erfordern.
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Diese Aufgabe wird durch den Triangulationssensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und durch das Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 17 gelöst.
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Der Triangulationssensor der oben angegebenen Art ist dadurch weitergebildet, dass die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet ist, die Bereichssignale auszuwerten und in Abhängigkeit dieser Auswertung ein einem Status „Frontscheibe verschmutzt“ entsprechendes Signal zu generieren.
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Das Verfahren zum Auswerten von Messdaten eines Triangulationssensors der oben angegebenen Art ist dadurch weitergebildet, dass die Bereichssignale ausgewertet werden und dass in Abhängigkeit dieser Auswertung ein einem Status „Frontscheibe verschmutzt“ entsprechendes Signal generiert wird.
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Das Sendelicht kann grundsätzlich elektromagnetische Strahlung im sichtbaren Bereich, im infraroten Bereich und, gegebenenfalls für Sonderanwendungen, im UV-Bereich sein. Besonders bevorzugt wird Infrarotlicht verwendet, weil es für das menschliche Auge nicht sichtbar ist.
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Als Sender zum Aussenden von Sendelicht können grundsätzlich bekannte Komponenten, beispielsweise Leuchtdioden oder Halbleiterlaser, verwendet werden.
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Zum Leiten des Sendelichts in den Überwachungsbereich kann eine Sendeoptik vorhanden sein. Die Sendeoptik kann eine oder mehrere der folgenden Komponenten aufweisen: Linsen, Spiegel, Blenden.
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Als Überwachungsbereich wird derjenige Bereich bezeichnet, in dem Objekte mit dem Triangulationssensor nachgewiesen werden können.
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Mit dem Begriff des zurückgestrahlten Sendelichts wird derjenige Anteil des Sendelichts bezeichnet, der von einem nachzuweisenden Objekt im Überwachungsbereich zurückgestrahlt wird, beispielsweise zurückreflektiert oder zurückgestreut wird.
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Bei dem Detektor handelt es sich um einen segmentierten Detektor, im Prinzip also um eine größere Anzahl von Einzeldetektoren, die dicht nebeneinander, nämlich entlang der Triangulationsrichtung angeordnet sind. Die Detektorsegmente können auch als Pixel bezeichnet werden. Beispielsweise kann der Detektor 64 Detektorsegmente aufweisen. Typischerweise können Halbleiterkomponenten, beispielsweise eine CCD-Zeile oder CMOS-Detektoren, verwendet werden.
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Die Triangulationsrichtung ist diejenige Richtung, in welcher ein Lichtfleck, der von dem von einem Objekt zurückgestrahlten Sendelicht auf dem Detektor erzeugt wird, wandert, wenn der Abstand des Objekts vom Triangulationssensor variiert wird.
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Diejenigen Bereiche oder Detektorsegmente des Detektors, auf denen der Lichtfleck generiert wird, wenn sich das Objekt vergleichsweise nah vor dem Triangulationssensor befindet, werden auch als Nahbereich oder Detektorsegmente des Nahbereichs bezeichnet.
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Die Bereiche oder Detektorsegmente des Detektors, auf denen der Lichtfleck generiert wird, wenn sich das Objekt vergleichsweise weit entfernt vom Triangulationssensor im Überwachungsbereich befindet, werden auch als Fernbereich oder Detektorsegmente des Fernbereichs bezeichnet.
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Mit dem Begriff der Empfangsoptik werden diejenigen optischen Komponenten, beispielsweise Linsen, Spiegel, Blenden, bezeichnet, welche das aus dem Überwachungsbereich kommendem Licht passiert, bevor es auf den Detektor trifft.
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Als Steuer- und Auswerteeinheit können grundsätzlich bekannte Komponenten, beispielsweise Mikrocontroller oder vergleichbare programmierbare Komponenten, wie FPGAs, insbesondere mit digitaler und analoger Funktionalität, verwendet werden.
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Es ist bekannt, die verschiedenen Detektorsegmente zu Detektorbereichen zusammenzufassen. Ein Objektnachweis bei einem Triangulationssensor erfolgt dann durch Auswerten, insbesondere durch Vergleichen, beispielsweise Dividieren oder Subtrahieren, von zu einzelnen Detektorbereichen gehörenden Bereichssignalen. Durch geeignete Wahl der Detektorbereiche kann in grundsätzlich bekannter Weise ein Schaltabstand des Triangulationssensors eingestellt werden.
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Als eine wesentliche Idee der vorliegenden Erfindung kann angesehen werden, diejenigen Komponenten, die für den Objektnachweis verwendet werden, nämlich sowohl den Sender als auch den Detektor auch für die Überprüfung eines Verschmutzungszustands der Frontscheibe zu verwenden.
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Als wesentlicher Vorteil im Vergleich zum Stand der Technik, beispielsweise im Vergleich zu
DE2020060004925U1 , wird dabei erreicht, dass keine zusätzliche Lichtquelle und kein zusätzlicher Detektor notwendig sind.
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Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Triangulationssensors und bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden, insbesondere im Zusammenhang mit den abhängigen Ansprüchen und den Figuren erläutert.
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Der erfindungsgemäße Triangulationssensor eignet sich insbesondere zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens. Das erfindungsgemäße Verfahren eignet sich insbesondere zum Auswerten von Messdaten eines erfindungsgemäßen Triangulationssensors.
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Grundsätzlich ist es zwar möglich, dass ein Detektorbereich nur aus einem einzigen Detektorsegment besteht. Vorteilhafte Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Triangulationssensors zeichnen sich aber dadurch aus, dass mindestens ein Detektorbereich, insbesondere mehrere oder alle Detektorbereiche, mindestens zwei Detektorsegmente umfasst oder umfassen.
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Wenn die Detektorsegmente zu Detektorbereichen zusammengefasst werden, kann die Auswertung der Messdaten schneller erfolgen, weil nicht mehr alle Detektorsegmente separat ausgelesen werden müssen.
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Grundsätzlich können Detektorbereiche zwar auch gebildet werden durch Detektorsegmente, die einander nicht unmittelbar benachbart sind. Bevorzugte Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Triangulationssensors zeichnen sich aber dadurch aus, dass die Detektorbereiche aus paarweise unmittelbar benachbarten Detektorsegmenten bestehen.
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Bei der Dimensionierung der Detektorbereiche besteht grundsätzlich Gestaltungsfreiheit. Weil es bei dem Fernbereich in der Regel nicht auf eine differenzierte Messung, sondern nur darauf ankommt, wieviel Licht insgesamt aus Bereichen zurückgestrahlt wird, die weiter als der Schaltabstand vom Triangulationssensor beanstandet sind (Hintergrund), sind Ausgestaltungen zweckmäßig oder gefordert, bei denen alle Detektorsegmente des Fernbereichs einen einzigen Detektorbereich bilden.
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Im Unterschied zum Fernbereich kann es häufig zweckmäßig sein, den Nahbereich differenzierter zu vermessen. Es sind deshalb Ausführungsbeispiele des erfindungsgemäßen Triangulationssensors bevorzugt, bei denen die Detektorsegmente des Nahbereichs mehrere Detektorbereiche, beispielsweise vier Detektorbereiche, bilden.
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Im Hinblick auf die Erzeugung der Bereichssignale aus den Messsignalen der einzelnen Detektorsegmente besteht Gestaltungsfreiheit. Bei einer bevorzugten Variante werden die Bereichssignale generiert durch Bildung einer Summe oder eines Mittelwerts der Messsignale der die betreffenden Detektorbereiche konstituierenden Detektorsegmente. Zur besseren Vergleichbarkeit können die so gewonnenen Bereichssignale noch mit Faktoren gewichtet werden, welche die Geometrie des Strahlengangs im Hinblick auf die jeweils betrachteten Detektorsegmente berücksichtigen.
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In vorrichtungsmäßiger Hinsicht kann die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, die Bereichssignale mindestens für einige, insbesondere für alle Detektorbereiche zu generieren jeweils durch Bilden einer Summe oder eines Mittelwerts der Messsignale der die betreffenden Detektorbereiche konstituierenden Detektorsegmente.
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Grundsätzlich ist es zwar möglich, dass für die Verschmutzungsdetektion auch aus dem Überwachungsbereich kommendes Licht erzeugt wird, welches an Schmutzpartikeln auf der Frontscheibe gestreut oder anderweitig umgelenkt wird und sodann in den Detektor gelangt. Bevorzugte Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens zeichnen sich aber dadurch aus, dass im Wesentlichen Sendelicht, welches von Schmutzpartikeln an der Frontscheibe zurückgestrahlt und von dem Detektor nachgewiesen wird, zur Überwachung eines Verschmutzungsgrades der Frontscheibe verwendet wird.
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Bei Triangulationssensoren und anderen optischen Sensoren ist grundsätzlich bekannt, die Sendeleistung in Abhängigkeit einer insgesamt auf den Detektor einkommenden Lichtmenge zu verändern. Konkret ist es zweckmäßig, mit einer höheren Sendeleistung des Senders zu arbeiten, wenn vergleichsweise viel Licht aus dem Überwachungsbereich auf den Detektor fällt, und die Sendeleistung entsprechend zu reduzieren, wenn vergleichsweise wenig Licht aus dem Überwachungsbereich auf den Detektor fällt. In diesem Zusammenhang kann es im Hinblick auf die vorliegende Erfindung zweckmäßig sein, wenn die oberen Grenzen und/oder die unteren Grenzen mindestens eines Werteintervalls, insbesondere von mehreren oder allen Werteintervallen, in Abhängigkeit einer Sendeleistung des Senders angepasst oder verändert werden.
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Typischerweise werden die Werteintervalle bei höheren Sendeleistungen zu höheren Empfangsintensitäten hin verschoben und umgekehrt.
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Bei dem Triangulationssensor kann dann es dann zweckmäßig sein, dass sich der Sender in demselben Gehäuse befindet wie der Empfänger, dass von dem Sender ausgesandtes Sendelicht durch die Frontscheibe in den Überwachungsbereich transmittierbar ist und dass von Schmutzpartikeln an der Frontscheibe zurückgestrahltes Sendelicht durch den Detektor nachweisbar ist.
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Der Sender, der Detektor und die Frontscheibe sind außerdem bevorzugt so angeordnet und gestaltet, dass von Komponenten innerhalb des Triangulationssensors, insbesondere von der Frontscheibe zurückreflektiertes Sendelicht durch den Detektor nicht nachweisbar ist und dass von dem Sender abgestrahltes Sendelicht nicht auf direktem Weg in den Detektor gelangen kann.
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Bei einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des erfindungsgemäßen Triangulationssensors ist die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet,
- a) auszuwerten, ob sich die jeweiligen Bereichssignale in einem für den betreffenden Detektorbereich festgelegten Werteintervall befinden, und
- b) das dem Status „Frontscheibe verschmutzt“ entsprechende Signal zu erzeugen, wenn die Auswertung unter a) mindestens für eine festzulegende Anzahl der Detektorbereiche Bereichssignale innerhalb eines der jeweiligen Werteintervalle liefert.
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Grundsätzlich können die Werteintervalle für jeden Detektorbereich individuell gewählt werden. Bei bevorzugten Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Triangulationssensors weisen die Werteintervalle aber mindestens für zwei Detektorbereiche und insbesondere für alle Detektorbereiche, dieselbe untere Grenze und/oder dieselbe obere Grenze auf.
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Weil sich die einzelnen Detektorbereiche in der Regel relativ zur Empfangsoptik und relativ zum Sender im Hinblick auf mögliche Streugeometrien unterscheiden, kann es zweckmäßig sein, dass die oberen Grenzen der Werteintervalle für mindestens zwei Detektorbereiche, insbesondere für alle Detektorbereiche, verschieden sind.
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Weiterhin kann es zum Vermeiden eines Hin- und Herschaltens des Triangulationssensors, verursacht etwa durch verrauschte Signale, zweckmäßig sein, Schalthysteresen vorzusehen. Dazu werden die oberen Grenzen und/oder die unteren Grenzen mindestens eines Werteintervalls, insbesondere von mehreren oder allen Werteintervallen, unterschiedlich gewählt, je nachdem, in welche Richtung die betreffende Grenze von einem zeitabhängigen Signal durchstoßen wird.
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In aller Regel wird die Frontscheibe eines Triangulationssensors, beispielsweise durch Staubeintrag, weitgehend gleichmäßig verschmutzt. Aus diesem Grund kann es zweckmäßig sein, zu überprüfen, ob der Eintrag von Streulicht auf die einzelnen Detektorbereiche in qualifizierter Weise gleichmäßig ist. Beispielsweise kann von der Erzeugung eines Signals „Frontscheibe verschmutzt“ abgesehen werden, wenn mindestens ein Bereichssignal qualifiziert von einem Mittelwert der Bereichssignale abweicht.
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Entsprechend kann bei dem erfindungsgemäßen Triangulationssensor, die Steuer- und Auswerteeinheit dazu eingerichtet sein, einen Mittelwert der Bereichssignale zu bilden, die Bereichssignale mit dem Mittelwert zu vergleichen und das Signal „Frontscheibe verschmutzt“ nur dann zu erzeugen, wenn mindestens eine festzulegende Zahl von Bereichssignalen, insbesondere alle Bereichssignale, sich nicht um mehr als einen festzulegenden Maximalwert von dem Mittelwert unterscheiden.
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Grundsätzlich ist es von Vorteil, für die Auswertung im Hinblick auf den Status „Frontscheibe verschmutzt“ möglichst viele Detektorsegmente und/oder möglichst viele Bereichssignale zu verwenden, wobei die Detektorbereiche zweckmäßig so gewählt sind, dass möglichst viele Detektorsegmente zu jeweils einem der Detektorbereiche gehören. Beispielsweise können für die Auswertung im Hinblick auf den Status „Frontscheibe verschmutzt“ Detektorbereiche aus dem Nahbereich und ein Detektorbereich aus dem Fernbereich ausgewertet werden.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit kann bei dem erfindungsgemäßen Triangulationssensors entsprechend dazu eingerichtet sein, für die Auswertung im Hinblick auf den Status „Frontscheibe verschmutzt“ Detektorbereiche aus dem Nahbereich und einen Detektorbereich aus dem Fernbereich auszuwerten.
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Bevorzugt können die Messignale von allen Detektorsegmenten oder die Bereichssignale von allen Detektorbereichen für die Auswertung im Hinblick auf den Verschmutzungszustand der Frontscheibe berücksichtigt werden.
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Grundsätzlich können die Detektorsegmente für die Überprüfung des Verschmutzungszustands der Frontscheibe anders zu Detektorbereichen zusammengefasst werden als für den Objektnachweis. Bei vorteilhaften Ausgestaltungen der Erfindung wird aber für die Überprüfung des Verschmutzungszustands der Frontscheibe und für den Objektnachweis dieselbe Aufteilung der Detektorbereiche verwendet. Bei vorteilhaften Varianten des erfindungsgemäßen Verfahrens können die Bereichssignale, die für eine Bestimmung eines Verschmutzungszustands der Frontscheibe verwendet werden, auch für die Detektion eines Objekts im Überwachungsbereich verwendet werden.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit kann entsprechend dazu eingerichtet sein, die Bereichssignale, die für eine Bestimmung eines Verschmutzungszustands der Frontscheibe verwendet werden, auch für die Detektion eines Objekts im Überwachungsbereich zu verwenden.
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Die Sicherheit der Erkennung einer verschmutzten Frontscheibe kann gesteigert werden, wenn eine Überprüfung des Verschmutzungszustands der Frontscheibe nur durchgeführt wird, wenn kein Objekt im Überwachungsbereich detektiert wird.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit kann entsprechend dazu eingerichtet sein, keine Überprüfung des Verschmutzungszustands der Frontscheibe durchzuführen, wenn ein Objekt im Überwachungsbereich detektiert wird.
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Weitere Vorteile und Eigenschaften des erfindungsgemäßen Triangulationssensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens werden im Folgenden mit Bezug auf die beigefügten Figuren erläutert. Darin zeigt:
- 1: eine schematische Ansicht eines erfindungsgemäßen Triangulationssensors;
- 2: ein Diagramm, in dem die Messsignale der einzelnen Detektorsegmente aufgetragen sind und welches einen typischen Signalverlauf beim Nachweis eines Objekts im Überwachungsbereich zeigt;
- 3: ein Diagramm, in dem die Gruppierung der Detektorsegmente in Detektorbereiche und die Bereichssignale entsprechend einem Objekt im Überwachungsbereich bei sauberer Frontscheibe veranschaulicht sind;
- 4: ein Diagramm, in dem typische Bereichssignale bei leicht und gleichmäßig verschmutzter Frontscheibe ohne Objekt im Überwachungsbereich gezeigt sind;
- 5: ein Diagramm, in dem typische Bereichssignale bei stärker gleichmäßig verschmutzter Frontscheibe ohne Objekt im Überwachungsbereich gezeigt sind;
- 6: ein Diagramm, in dem typische Bereichssignale bei ungleichmäßig verschmutzter Frontscheibe ohne Objekt im Überwachungsbereich sowie separate untere und obere Grenzen zum Zweck einer Schalthysterese gezeigt sind und
- 7: ein Diagramm, in dem typischen Bereichssignale bei verschmutzter Frontscheibe mit einem Objekt im Überwachungsbereich gezeigt sind.
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In 1 ist ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Triangulationssensors 100 zum Nachweisen von Objekten T1, T2, in einem Überwachungsbereich 40 gezeigt. Als wesentliche Komponenten weist der Triangulationssensor 100 einen Sender 10 zum Aussenden von Sendelicht 12 in den Überwachungsbereich 40, einen Detektor 20 und eine Steuer- und Auswerteeinheit 30 zum Ansteuern des Senders 10 und zum Auswerten der von dem Detektor 20 gelieferten Messsignale auf.
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Der Sender 10 kann beispielsweise ein Infrarot-Laser-Diode sein. Zum Leiten des Sendelichts 14 in den Überwachungsbereich ist eine Sendeoptik 12 vorhanden, die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Linse gebildet ist.
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Der Detektor 20 dient zum Nachweisen von Sendelicht 16, welches von Objekten T1, T2 im Überwachungsbereich 40 in Richtung des Triangulationssensors 100 zurückgestrahlt wurde. Erfindungsgemäß weist der Detektor 20 eine Mehrzahl von Detektorsegmenten 24 auf, die entlang einer Triangulationsrichtung 26 angeordnet sind. Beispielsweise kann der Detektor 20, der beispielsweise ein CMOS-Detektor ist, 64 Detektorsegmente aufweisen.
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Zum Leiten von aus dem Überwachungsbereich 40 zurückgestrahltem Sendelicht 16 auf den Detektor 20 ist eine Empfangsoptik 22 vorhanden, die im gezeigten Ausführungsbeispiel durch eine Linse 22 gebildet ist.
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Gemäß dem bekannten Triangulationsprinzip entsteht durch Sendelicht 16, welches von einem Objekt T1, T2 im Überwachungsbereich 40 in Richtung des Triangulationssensors 100 zurückgestrahlt wurde, auf dem Detektor 20 ein Lichtfleck, dessen Position in der Triangulationsrichtung 26 vom Abstand d1, d2 des Objekts T1, T2 von dem Triangulationssensor 100 abhängig ist. Genauer gesagt wandert der Lichtfleck, den das von einem Objekt T1, T2 in Richtung des Triangulationssensors 100 zurückgestrahlte Sendelicht 16 auf dem Detektor 20 erzeugt, in 1 in der Triangulationsrichtung 26 nach oben, je weiter sich das Objekt vom Triangulationssensor 100 entfernt. Der Abstand d2 des Objekts T2 vom Triangulationssensor 100 ist größer als der Abstand d1 des Objekts T1. Entsprechend liegt der Lichtfleck, den das vom Objekt T2 zurückgestrahlte Sendelicht 16 auf dem Detektor 20 erzeugt, in Triangulationsrichtung 26 weiter oben als der entsprechende Lichtfleck, der auf das vom Objekt T1 zurückgestrahlte Sendelicht 16 zurückgeht.
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Schließlich ist ein Gehäuse 60 vorhanden mit einer für das Sendelicht 14, 16 transparenten Frontscheibe 62. In dem Gehäuse 60 ist erfindungsgemäß der Detektor 20 aufgenommen. Im gezeigten Ausführungsbeispiel befinden sich in dem Gehäuse außerdem der Sender 10, die Sendeoptik 12, die Empfangsoptik 22 und die Steuer- und Auswerteeinheit 30.
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Die Steuer- und Auswerteeinheit 30 dient, wie im Stand der Technik bekannt, auch zum Erzeugen eines Signals „Objekt nachgewiesen“ in Abhängigkeit der Auswertung der Messdaten des Detektors 20.
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Im Betrieb am Einsatzort kann sich der Lichtdurchgang durch die Frontscheibe 62 durch Verschmutzung, etwa durch Staubeintrag, verschlechtern. Die Erfindung dient dazu, den Verschmutzungszustand der Frontscheibe 62 zuverlässig festzustellen.
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Bei dem in 1 gezeigten Beispiel eines erfindungsgemäßen Triangulationssensors 100 wird Sendelicht 14, welches von Schmutzpartikeln an der Frontscheibe 62 zurückgestrahlt und von dem Detektor 20 nachgewiesen wird, zur Überwachung eines Verschmutzungsgrades der Frontscheibe 62 verwendet. Das bedeutet, dass der Sender 10 und der Detektor 20 relativ zur Frontscheibe 62 dergestalt im Gehäuses 60 angeordnet sind, dass von Schmutzpartikeln an der Frontscheibe 62 zurückgestrahltes Sendelicht 14 durch den Detektor 20 nachgewiesen werden kann. Zweckmäßig sind der Sender 10 und der Detektor 20 außerdem so im Gehäuse 60 positioniert, dass Sendelicht 14 nicht auf direktem Weg oder durch Reflexion an anderen Komponenten auf den Detektor 20 gelangen kann und insbesondere so, dass von der Frontscheibe 62 zurückreflektiertes Sendelicht 14 durch den Detektor 20 nicht nachweisbar ist.
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Im Zusammenhang mit den 2 bis 7 werden weitere Eigenschaften des erfindungsgemäßen Triangulationssensors und des erfindungsgemäßen Verfahrens beschrieben, wobei die in diesen Figuren gezeigten Diagramme zu einem Detektor 20 mit 64 Detektorsegmenten gehören.
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Die 2 bis 7 zeigen jeweils Diagramme, in denen eine Intensität I in beliebigen Einheiten auf der vertikalen Achse gegen die Nummer 1 bis 64 der Detektorsegmente 24 des Detektors 20, hier als Pixel bezeichnet, aufgetragen ist. Die Triangulationsrichtung 26 erstreckt sich in den 2 bis 7 in Richtung der horizontalen Achse, d. h., dass sich das Pixel Nummer 1 in 1 am unteren Ende und das Pixel Nummer 64 in 1 entsprechend am oberen Ende des Detektors 20 befindet.
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In 2 ist auf der vertikalen Achse die Intensität I der Messsignale der jeweiligen Detektorsegmente in beliebigen Einheiten aufgetragen. Gezeigt ist in 1 ein typischer Verlauf derjenigen Intensitäten, die man für ein Objekt messen würde, welches sich im Schaltabstand vor dem Triangulationssensor 100 befindet, wenn jedes Detektorsegment 24, also jedes Pixel, individuell ausgelesen und ausgewertet würde. Beispielsweise sind p40 und p42 die Intensitäten, die man mit dem Pixel Nummer 40 beziehungsweise dem Pixel Nummer 42 messen würde.
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Wie zu erwarten, sind die Intensitäten des Messsignals für die Pixel im Nahbereich zunächst im Wesentlichen 0. Beginnend beim Pixel Nummer 18 steigt die Intensität sodann bis zu einem Maximalwert an, der beim Pixel Nummer 26 erreicht wird, und fällt dann wieder ab. Ab dem Pixel Nummer 43 bis zum Ende des Fernbereichs beim Pixel Nummer 64 sind die gemessenen Intensitäten wieder im Wesentlichen 0. Die Lage und die Breite der Signalverteilung hängt ab vom Objekt und dessen Abstand vom Triangulationssensor.
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Erfindungsgemäß werden Detektorbereiche gebildet, die jeweils mindestens ein Detektorsegment 24 umfassen. Die Einteilung der Detektorbereiche ist für die Beispiele der 3 bis 7 jeweils dieselbe. Der Nahbereich ist in vier gleich große Detektorbereiche unterteilt, bestehend jeweils aus sieben jeweils paarweise unmittelbar benachbarten Detektorsegmenten oder Pixeln. Der Fernbereich wurde in einem einzigen Detektorbereich f bestehend aus den Pixeln 29 bis 64 zusammengefasst.
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Im Einzelnen:
| Detektorbereich n1: | Pixel 1 bis 7 | Nahbereich |
| Detektorbereich n2: | Pixel 8 bis 14 | Nahbereich |
| Detektorbereich n3: | Pixel 15 bis 21 | Nahbereich |
| Detektorbereich n4: | Pixel 22 bis 28 | Nahbereich |
| Detektorbereich f: | Pixel 29 bis 64 | Fernbereich |
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Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit 30 sodann dazu eingerichtet, zu den Detektorbereichen n1, n2, n3, n4 und f jeweils Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F zu erzeugen. Beispielsweise können die Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F generiert werden durch Bildung einer Summe der Messsignale der die betreffenden Detektorbereiche n1, n2, n3, n4, f jeweils konstituierenden Detektorsegmente 24. Die Steuer- und Auswerteeinheit 30 kann also dazu eingerichtet sein, die Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F jeweils zu generieren durch Bilden der Summe der Messsignale derjenigen Detektorsegmente, die den betreffenden Detektorbereich bilden.
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In dem gezeigten Ausführungsbeispiel ist die Steuer- und Auswerteeinheit 30 dazu eingerichtet, die Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F auszuwerten und in Abhängigkeit dieser Auswertung ein Signal „Objekt nachgewiesen“ auszugeben, wenn sich ein Objekt im Schaltabstand vor dem Triangulationssensor 100 befindet. Der Schaltabstand wird dabei definiert durch die Festlegung der zum Nahbereich und zum Fernbereich gehörenden Detektorbereiche.
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Dieses wird im Zusammenhang mit dem Diagramm in 3 erläutert, welches die Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F zeigt, die man für die in 2 dargestellten Intensitäten der Messsignale der einzelnen Detektorsegmente (Pixel) erhält. Wie ersichtlich sind die Bereichssignale N1 und N2 jeweils 0, entsprechend den Messsignalen der Pixel 1 bis 14. Das Bereichssignal N3 beträgt in den dargestellten Einheiten 1, entsprechend den gemittelten Messsignalen der Pixel 15 bis 21. Das Bereichssignal N4 sodann beträgt in den dargestellten Einheiten etwa 14, entsprechend den gemittelten Messsignalen der Pixel 22 bis 28. Das Bereichssignal F, also das dem Fernbereich entsprechende Signal, beträgt in den dargestellten Einheiten etwa 9.
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Durch grundsätzlich bekannte Auswerteverfahren, bei denen Bereichssignale N1, N2, N3, N4 des Nahbereichs mit dem Bereichssignal F des Fernbereichs verglichen werden, beispielsweise durch Division oder Subtraktion und anschließenden Vergleich mit Schwellwerten, kann bei Erfüllung der jeweils definierten Kriterien ein Signal „Objekt nachgewiesen“ erhalten werden. Dieses Signal kann beispielsweise an einem Ausgang 64 des erfindungsgemäßen Triangulationssensors 100, der beispielsweise eine Busschnittstelle sein kann, zur weiteren Verarbeitung bereitgestellt werden.
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Erfindungsgemäß ist die Steuer- und Auswerteeinheit 30 außerdem dazu eingerichtet, die Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F auszuwerten und in Abhängigkeit dieser Auswertung ein einem Status „Frontscheibe verschmutzt“ entsprechendes Signal zu generieren. Hierzu werden im Folgenden die 4 bis 7 betrachtet.
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Bei dem Triangulationssensor 100 kann die Steuer- und Auswerteeinheit 30 dazu eingerichtet sein a) auszuwerten, ob sich die jeweiligen Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F in einem für den betreffenden Detektorbereich n1, n2, n3, n4, f festgelegten Werteintervall S1, S2 befinden, und b) das dem Status „Frontscheibe verschmutzt“ entsprechende Signal zu erzeugen, wenn die Auswertung unter a) mindestens für eine festzulegende Anzahl der Detektorbereiche und insbesondere für alle Detektorbereiche n1, n2, n3, n4, f Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F innerhalb eines der jeweiligen Werteintervalle liefert. Dieses wird anhand von 4 näher erläutert. 4 zeigt ein Diagramm mit den Bereichssignalen N1, N2, N3, N4 und F für eine Situation, bei der sich im Überwachungsbereich kein Objekt befindet und die Frontscheibe 62 (im Unterschied zu den Gegebenheiten bei den 2 und 3) geringfügig verschmutzt ist. Durch Verschmutzungspartikel auf der Frontscheibe 62 wird von dem Sender 10 ausgesandtes Sendelicht 14 in Richtung des Detektors 20 zurückgestreut. Dieses führt, wie in 4 ersichtlich, dazu, dass alle Bereichssignale N1, N2, N3, N4 und F geringfügig erhöht sind und sich insbesondere in einem geeignet gewählten Werteintervall zwischen einer oberen Grenze S2 und einer unteren Grenze S1 befinden. Die Auswertelogik der Steuer- und Auswerteeinheit 30 würde in diesem Fall dazu führen, dass ein Signal „Frontscheibe verschmutzt" erzeugt wird, welches beispielsweise am Ausgang 64 des Triangulationssensors 100 bereitgestellt und weiterverarbeitet werden kann.
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Grundsätzlich können die Werteintervalle für jeden Detektorbereich separat gewählt werden. In dem Ausführungsbeispiel der 4 ist das aber nicht der Fall und die Werteintervalle sind für alle Detektorbereiche n1, n2, n3, n4, f identisch, d. h. sie weisen dieselbe untere Grenze S1 und dieselbe obere Grenze S2 auf.
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5 zeigt eine Situation wiederum ohne Objekt im Überwachungsbereich 40, diesmal aber stärker verschmutzter Frontscheibe 42. Auch hier liegen alle Bereichssignale N1, N2, N3, N4 und F innerhalb des durch die obere Grenze S2 und die untere Grenze S1 gegebenen Wertebereichs. Wie ersichtlich, nehmen die Bereichssignale aber vom Nahbereich zum Fernbereich hin ab. Der Grund dafür kann die Lage der jeweiligen Detektorsegmente relativ zum Sender 10 und zur Frontscheibe 62 sein. Prinzipiell könnten die Bereichssignale mit geeigneten Faktoren gewichtet werden, um diese Geometrieeffekte zu kompensieren. Beispielsweise könnte zur Bestimmung der Gewichtungsfaktoren gezielt eine homogene Verschmutzung auf die Frontscheibe 62 aufgebracht werden.
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Damit eine Signalsituation als Verschmutzung erkannt wird, müssen sich also bei den Situationen der 4 und 5 alle Bereichssignale zwischen S1 und S2 befinden. Unterhalb von S1 geht die Steuer- und Auswerteeinheit 30 davon aus, dass keine Verschmutzung vorhanden ist. Oberhalb von S2 geht die Steuer- und Auswerteeinheit 30 davon aus, dass sich Objekte vor dem Triangulationssensor 100 befinden.
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In diesem Zusammenhang kann auch zweckmäßig sein, eine Plausibilitätsüberprüfung insoweit durchzuführen, als geprüft wird, ob alle Bereichssignale gleichmäßig ansteigen. Beispielsweise kann ein Mittelwert der Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F gebildet werden und es kann geprüft werden, ob ein Bereichssignal N1, N2, N3, N4, F qualifiziert, d. h. um mehr als einen Mindestbetrag, von diesem Mittelwert der Bereichssignale abweicht.
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Der Schwellwert der zulässigen Abweichung vom Mittelwert sei so gewählt, dass die Bereichssignale N1, N2, N3, N4 und F der 5 das so definierte Gleichmäßigkeitskriterium noch erfüllen und mithin bei der Situation der 5 noch ein Signal „Frontscheibe verschmutzt“ ausgegeben wird. Die Bereichssignale N1, N2, N3, N4 und F der 6 sind im Vergleich zu denjenigen der 5 deutlich weniger gleichmäßig und das erläuterte Gleichmäßigkeitskriterium sei bei den Bereichssignalen der 6 nicht mehr erfüllt. Der Schwellwert der zulässigen Abweichung vom Mittelwert sei beispielsweise so gewählt, dass die Bereichssignale N1 und F sich stärker als die zulässige Abweichung vom Mittelwert der Bereichssignale unterscheiden. In diesem Fall wird kein Signal „Frontscheibe verschmutzt“ erzeugt. Die Auswertelogik der Steuer- und Auswerteeinheit 30 kann so programmiert sein, dass in diesem Fall kein Signal „Frontscheibe verschmutzt“, sondern gegebenenfalls eine andere Fehlermeldung, ausgegeben wird.
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Zweckmäßig kann außerdem sein, die oberen Grenzen S2, S4 und die unteren Grenzen S1, S3 unterschiedlich zu wählen, je nachdem, in welche Richtung die betreffende Grenze von einem zeitabhängigen Signal durchstoßen wird. Dadurch wird eine Schalthysterese erzeugt und ein rasches Hin- und Herschalten der Steuer- und Auswerteeinheit 30 bei verrauschten Messsignalen kann vermieden werden. Dieses wird ebenfalls mit Bezug auf 6 erläutert.
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Gezeigt sind in 6 eine erste obere Grenze S2 und eine zweite obere Grenze S4 sowie eine erste untere Grenze S1 und eine zweite untere Grenze S3. Für zeitlich anwachsende Bereichssignale gelten die erste obere Grenze S2 und die zweite untere Grenze S3. Für zeitlich absinkende Bereichssignale gelten die zweite obere Grenze S4 und die erste untere Grenze S1. So wird ein rasches Hin- und Herschalten eines Signals „Frontscheibe verschmutzt“ vermieden.
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7 schließlich zeigt eine Situation mit einem Objekt im Überwachungsbereich 40 bei verschmutzter Frontscheibe 62. Wie ersichtlich zeigen sich, je nach Lage des Objekts auch Beiträge zu den Bereichssignalen N1, N2, N3 und N4 des Nahbereichs.
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Diese Beiträge addieren sich zu den Intensitäten, die von der Verschmutzung der Frontscheibe herrühren. Eine Unterscheidung, welcher Anteil von einem Objekt und welcher Anteil von einer Verschmutzung stammt, ist nicht ohne weiteres möglich.
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Zweckmäßig wird deshalb keine Überprüfung des Verschmutzungszustands der Frontscheibe 62 durchgeführt, wenn ein Objekt im Überwachungsbereich 40 detektiert wird. Die Steuer- und Auswerteeinheit 30 kann mithin dazu eingerichtet sein, keine Überprüfung des Verschmutzungszustands der Frontscheibe 62 durchzuführen, wenn ein Objekt T1, T2 im Überwachungsbereich 40 detektiert wird.
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Vorstehend wurde im Zusammenhang mit den 3 bis 7 Ausführungsbeispiel erläutert, bei denen für die Auswertung im Hinblick auf den Status „Frontscheibe verschmutzt“ Detektorbereiche n1, n2, n3, n4 aus dem Nahbereich und ein Detektorbereich f aus dem Fernbereich ausgewertet werden.
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Insbesondere werden bei den erläuterten Beispielen Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F von allen Detektorbereichen n1, n2, n3, n4, f für die Auswertung im Hinblick auf den Verschmutzungszustand der Frontscheibe 62 und mithin die Messsignale von allen Detektorsegmenten oder Pixeln berücksichtigt.
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Grundsätzlich können diejenigen Bereichssignale N1, N2, N3, N4, F, die für eine Bestimmung eines Verschmutzungszustands der Frontscheibe 62 verwendet werden, auch für die Detektion eines Objekts T1, T2 im Überwachungsbereich 40 verwendet werden. Es ist aber auch möglich, nur das Bereichssignal des Fernbereichs und aus dem Nahbereich beispielsweise nur die beiden höchsten Bereichssignale für die Auswertung für die Detektion eines Objekts zu verwenden.
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Vorstehend wurden im Wesentlichen die Abläufe für die Erkennung der Verschmutzung der Frontscheibe erläutert. Die Erkennung von Objekten und die Programmierung der Steuer- und Auswerteeinheit 30 für das Ausgeben von Schaltsignalen bei der Anwesenheit von Objekten erfolgen in grundsätzlich aus dem Stand der Technik bekannter Weise. Die Erkennung von Verschmutzungen gemäß der vorliegenden Erfindung hat auf die Erkennung von Objekten keinen Einfluss.
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Ein, gegebenenfalls helles, Objekt im Hintergrund kann, wenn die Sendeleistung automatisch anhand beispielsweise der im Fernbereich gemessenen Intensität, nach geregelt wird, zu einer Reduktion der Sendeleistung führen. Dabei kann es zu Situationen kommen dass von Verschmutzungspartikel nicht mehr ausreichend Licht zurückgestrahlt wird. Gegebenenfalls können die Werteintervalle S1, S2, in Abhängigkeit der Sendeleistung des Senders 10 eingestellt werden. Beispielsweise können die Werte S1, S2 monoton mit der Sendeleistung anwachsen.
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Grundsätzlich arbeitet die Verschmutzungserkennung gemäß der vorliegenden Erfindung die besten Ergebnisse, wenn sich keine Objekte im Hintergrund, also in einem Abstand von etwa 1,5 m und darüber befinden. Ein, gegebenenfalls helles, Objekt im Hintergrund kann ein starkes Signal im Fernbereich generieren, welches möglicherweise größer wird als die obere Schwelle S2. Dem könnte dadurch begegnet werden, dass man den Wertebereich für den Fernbereich gezielt anpasst und beispielsweise für den Fernbereich mit einer höheren Schwelle S2 arbeitet.
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Wird für den Triangulationssensor eine vergleichsweise geringe Tastweite, beispielsweise kleiner als 15 cm, eingestellt, wird der Nahbereich sehr klein und der Fernbereich wird sehr groß. Dadurch kann eine ungleiche Gewichtung entstehen und die Erkennung der Objekte wird unsicherer. Generell sollten deshalb tastweiten von kleiner als 15 cm vermieden werden.
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Die Verschmutzungserkennung gemäß der vorliegenden Erfindung arbeitet grundsätzlich am besten bei gleichmäßigen Verschmutzungen, wie beispielsweise bei Staubeintrag.
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Mit der vorliegenden Erfindung wird ein neuartiger Triangulationssensor und ein Verfahren zum Auswerten von Messdaten eines Triangulationssensors bereitgestellt, die im Vergleich zum Stand der Technik eine weniger aufwändige, dabei aber zuverlässige Feststellung eines Verschmutzungszustands einer Frontscheibe ermöglichen.
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Bezugszeichenliste
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- 10
- Sender
- 12
- Sendeoptik
- 14
- Sendelicht
- 16
- von Objekt T1, T2 im Überwachungsbereich 40 zurückgestrahltes Sendelicht
- 20
- Detektor
- 22
- Empfangsoptik
- 24
- Detektorsegmente
- 26
- Triangulationsrichtung
- 30
- Steuer- und Auswerteeinheit
- 40
- Überwachungsbereich
- 60
- Gehäuse
- 62
- Frontscheibe
- 64
- Schnittstelle
- 100
- erfindungsgemäßer Triangulationssensor
- d1
- Abstand des Objekts T1 vom Triangulationssensor 100
- d2
- Abstand des Objekts T2 vom Triangulationssensor 100
- p40
- Messsignal des Pixels Nr. 40
- p42
- Messsignal des Pixels Nr. 42
- F
- Signal des Fernbereichs f
- N1
- Signal des Nahbereichs n1
- N2
- Signal des Nahbereichs n2
- N3
- Signal des Nahbereichs n3
- N4
- Signal des Nahbereichs n4
- S1
- untere Schwelle / erste untere Schwelle
- S2
- obere Schwelle / erste obere Schwelle
- S3
- zweite untere Schwelle
- S4
- zweite obere Schwelle
- T1
- erstes Objekt im Überwachungsbereich 40
- T2
- zweites Objekt im Überwachungsbereich 40
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 19721105 A1 [0002]
- DE 202006014925 U1 [0002, 0007]
- DE 2020060004925 U1 [0025]