DE19907547A1 - Optoelektronische Vorrichtung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft eine optoelektronsiche Vorrichtung (1) zum Erfassen von Objekten (11) in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen (3) emittierenden Sender (2) und einem Empfangslichtstrahlen (4) empfangenden Empfangselement (5), welches ein Nahelement (5a) und ein Fernelement (5b) aufweist, wobei die vom Objekt (11) reflektierten Empfangslichtstrahlen (4) mit zunehmendem Objektabstand zunächst auf das Nahelement (5a) und dann auf das Fernelement (5b) treffen. In einer Auswerteeinheit (12) wird in Abhängigkeit der Empfangssignale an den Ausgängen der Nah- (5a) und Fernelements (5b) ein binäres Schaltsignal generiert. Das Empfangselement (5) weist mehrere Segmente (6-10) auf, wobei eine vorgebbare Anzahl dieser Segmente (7-10) zum Nahelement (5a) und die übrigen Segmente (6-8) zum Fernelement (5b) verknüpft sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbe­ griff des Anspruchs 1.

Eine derartige Vorrichtung stellt der Lichttaster der Baureihe 46 der Firma Leuze electronic dar. Derartige Vorrichtungen werden typischerweise zur Ob­ jektdetektion bei der Überwachung von Maschinen oder Anlagen eingesetzt. Durch eine geeignete Auswertung der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- und Fernelements werden unerwünschte Hintergrundeinflüsse eliminiert, welche die Objektdetektion verfälschen würden. Der Lichtfleck der Empfangs­ lichtstrahlen wird auf das Empfangselement so fokussiert, daß ein Lichtanteil auf das Nahelement und ein Anteil auf das Fernelement fällt. Übersteigt die Differenz der Empfangssignale eine Schaltschwelle, so wird eine Objektmel­ dung generiert. Dabei entspricht das Empfangssignal der Höhe der Schalt­ schwelle, wenn sich ein Objekt in einem der Tastweite entsprechenden Abstand zur Vorrichtung befindet. Sobald sich das Objekt in geringeren Distanzen zur Vorrichtung befindet, liegt die Differenz der Empfangssignale oberhalb der Schaltschwelle, was einer Objektdetektion entspricht. Vom Hintergrund re­ flektiertes Licht fällt vorwiegend auf das Fernelement und führt deshalb nicht zu einer Objektmeldung.

Der Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, daß zur Detektion im Nahbe­ reich eine gegenüber dem Fernelement wesentlich größere Nahelementsfläche benötigt wird, was unterschiedlich große Kapazitätswerte der als Fotodioden ausgebildeten Nah- und Fernelemente zur Folge hat. Die großen Kapazitätswer­ te des Nahelements begrenzen die Signalanstiegszeiten und durch die Kapazi­ tätsunterschiede entstehen unerwünschte Signalüberschwinger bei der Diffe­ renzbildung.

Ein weiterer Nachteil besteht darin, daß zur Einstellung der Tastweite eine me­ chanische Verschiebevorrichtung erforderlich ist, wobei der Verschiebeweg nichtlinear zur einzustellenden Tastweite verläuft. Bei größeren Tastweiten wird eine hohe Einstellgenauigkeit und bei kleinen Tastweiten ein großer Ver­ schiebeweg gefordert.

Andere Vorrichtungen nutzen eine CCD-Zeile als Empfangselement. Die Nachteile dabei sind, daß alle Einzelsignale seriell ausgelesen und bearbeitet werden müssen und dadurch Verarbeitungszeiten von mehr als 100 µs entste­ hen. Außerdem ist die Zeilenbreite wesentlich kleiner als 1 mm, wodurch nur ein Teil des Empfangslichtes detektiert werden kann.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art so zu auszubilden, daß eine möglichst einfache genaue und flexible Tastweiteneinstellung ermöglicht wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Erfindungsgemäß weist die optoelektronische Vorrichtung ein in mehrere Segmente untergliedertes Empfangselement auf, wobei eine vorgegebene An­ zahl dieser Segmente zum Nahelement und eine vorgegebene Anzahl der übri­ gen Segmente zum Fernelement verknüpfbar sind.

Durch eine Anpassung der Breiten der einzelnen Segmente an die abstandsab­ hängige Verschiebung des Lichtflecks der Empfangslichtstrahlen kann die elektronische Tastweitenumschaltung weitgehend linearisiert werden.

Durch die Auswertung mehrerer Empfangssegmente können die Gültigkeit des Schaltsignals auf Plausibilität geprüft und Störungen erkannt werden.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die einzelnen Segmente jeweils im wesentlichen flächengleich ausgebildet. Dabei ist jedem Segment ein separater Verstärker nachgeordnet, wobei die Ausgangssignale der Verstär­ ker in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden. Durch die Entkoppelung über die Verstärker weisen die flächengleichen Segmente im wesentlichen dieselben Kapazitätswerte auf, so daß diese jeweils dieselben geringen Signalanstiegszei­ ten aufweisen.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 Schematische Darstellung der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.

Fig. 2 Erstes Ausführungsbeispiel der Segmentanordnung des Empfangsele­ ments.

Fig. 3 Blockschaltbild der Vorrichtung gemäß Fig. 1.

Fig. 4 Empfangselement gemäß Fig. 2 mit einem nachgeordneten Addi­ tions- und Subtraktionsnetzwerk.

Fig. 5 Wahrheitstabelle zur Tastweitenumschaltung für das Additions- und Subtraktionsnetzwerk gemäß Fig. 4.

Fig. 6 Zweites Ausführungsbeispiel der Segmentanordnung des Empfangsele­ mentes.

Fig. 7 Drittes Ausführungsbeispiel der Segmentanordnung des Empfangsele­ mentes.

Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau einer als Lichttaster ausgebildeten op­ toelektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen Sender 2 auf, welcher vorzugsweise von einer Leuchtdiode gebildet ist und welcher Sendelichtstrahlen 3 emittiert. Die Sendelichtstrahlen 3 werden mittels einer Sendeoptik 30 gebündelt. Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist zudem ein Empfangslichtstrahlen 4 empfangendes Empfangselement 5 auf, wobei die Empfangslichtstrahlen 4 mittels einer Empfangsoptik 40 auf das Empfangselement 5 fokussiert werden.

Die von einem Objekt 11 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 treffen auf das Empfangselement 5, welches ein Nahelement 5a und ein Fernelement 5b aufweist. Dabei variiert die Position des Lichtflecks der Empfangslichtstrah­ len 4 auf dem Empfangselement 5 in Abhängigkeit des Abstands des Objekts 11 zur Vorrichtung 1. Bei großen Abständen trifft das Empfangslicht nahezu vollständig auf das Fernelement 5b. Mit geringer werdendem Abstand trifft das Empfangslicht vermehrt auf das Nahelement 5a.

Die Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- und Fernelements 5a, 5b werden in einer Auswerteeinheit 12 ausgewertet, an welche der Sender 2 und das Empfangselement 5 angeschlossen sind. Dabei wird in Abhängigkeit der Empfangssignale ein binäres Schaltsignal generiert und über einen Schaltaus­ gang 13 ausgegeben. Das binäre Schaltsignal wird mittels einer Schaltschwelle generiert, wobei der Schaltausgang 13 dann den Schaltzustand wechselt, wenn sich das Objekt 11 in einem der Tastweite entsprechenden Abstand zur Vor­ richtung 1 befindet.

In einer ersten Ausführungsform wird in der Auswerteeinheit die Differenz der Empfangssignale des Nah- und Fernelements 5a, 5b gebildet. Diese Differenz wird dann mit einem die Schaltschwelle bildenden Schwellwert 51 bewertet. Das Objekt 11 befindet sich in der Tastweite zur Vorrichtung 1, wenn die Dif­ ferenz dem Schwellwert S1 entspricht.

In einer zweiten Ausführungsform wird der Quotient der Empfangssignale gebildet. Dieser Quotient wird mit einem die Schaltschwelle bildenden Schwellwert S2 bewertet. Das Objekt 11 befindet sich in der Tastweite zur Vorrichtung 1, wenn der Quotient dem Schwellwert S2 entspricht.

Zweckmäßigerweise wird der Quotient aus der Differenz und der Summe der Empfangssignale des Nah- und Fernelements 5a, 5b gebildet. Alternativ kann mittels einer Senderegelung kann Summe der Empfangssignale auf einen kon­ stanten Wert geregelt werden. Durch diese Signalauswertung wird ein von der Objektreflexion unabhängiges Schaltsignal erhalten. Zudem wird die Quotien­ tenbildung durch die Rückführung auf eine Differenzbildung erheblich verein­ facht.

Erfindungsgemäß ist die lichtempfindliche Fläche des Empfangselements 5 in mehrere Segmente 6-10 unterteilt. Die Segmente 6-10 sind jeweils von Fo­ todioden gebildet. Jedem Segment 6-10 ist ein Verstärker 16 zur Verstärkung der jeweiligen Ausgangssignale nachgeordnet. Diese Ausgangssignale werden in der Auswerteeinheit 12 logisch verknüpft, so daß eine vorgegebene Anzahl von Segmenten 7-10 das Nahelement 5a bildet und die übrigen Segmente 6-8 das Fernelement 5b bilden.

Die Segmente 6-10 sind im wesentlichen flächengleich ausgebildet und ne­ beneinanderliegend, unmittelbar aneinander angrenzend angeordnet, so daß diese sich zu einer lückenlosen lichtempfindlichen Fläche ergänzen. Die Längsachse dieser Anordnung verläuft im wesentlichen quer zur optischen Achse der Empfangslichtstrahlen 4.

Fig. 2 zeigt ein Empfangselement 5, dessen lichtempfindliche Fläche in fünf flächengleiche rechteckige Segmente 6-10 aufgeteilt ist. Das Segment 6 bildet das Fernelement 5b, die übrigen Segmente 7-10 bilden das Nahelement 5a. Bei kürzer werdendem Objektabstand wandert der Lichtfleck der Empfangs­ lichtstrahlen 4 vom Segment 6 über die Segmente 7-10.

Die abstandsabhängige Fleckposition wird dazu ausgenutzt, das zu detektieren­ de Objekt 11 von einem Hintergrund zu unterscheiden. Dazu wird das Fern-Em­ pfangssignal des Segmentes 6 mit der Summe der Nah-Empfangssignale der Segmente 7-10 verglichen. Überwiegt das Nahsignal der Segmente 7-10, gilt das Objekt 11 als erkannt.

Durch eine Änderung der Verknüpfung der einzelnen Segmente 6-10, kann ein unterschiedlicher Nah- und Fernbereich definiert und damit die Tastweite auf einfache Weise geändert werden.

Fig. 3 zeigt das Blockschaltbild der Vorrichtung 1 gemäß Fig. 1 mit dem Empfangselement 5.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Auswerteeinheit 12 aus einem Prozessor mit Analog-Digital-Wandler. Als Ergebnis wird am Schaltausgang 13 das Schaltsignal ausgegeben. Die Auswerteeinheit 12 weist einen Parame­ triereingang 14 auf, über welchen die Tastweite, Schaltschwelle und Schalthy­ sterese eingegeben werden. Diese Parameter erlauben eine applikationsbedingte Anpassung der Vorrichtung 1. Der Parametriereingang 14 ist dabei vorzugs­ weise als serielle Schnittstelle ausgebildet. Insbesondere wird durch die Para­ meter auch die Art der logischen Verknüpfung der Segmente 6-10 des Emp­ fangselements 5 vorgegeben. Die Parameterwerte werden schließlich in einem Parameterspeicher 15 abgelegt.

Der Prozessor mit Analog-Ditigal-Wandler erlaubt außerdem die Erkennung von Meßwertfehlern oder Störungen durch Analyse der Pegelverteilung über den einzelnen Segmenten 6-10.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausführung des Empfangselementes 5, wobei den Verstärkern 16 an den Ausgängen der Segmente 6-10 ein Additions- und Subtraktionsnetzwerk nachgeordnet ist. Die Anordnung der Segmente 6-10 des Empfangselements 5 entspricht dabei der Anordnung gemäß Fig. 2. Zur Auswertung der Empfangssignale ist es vorteilhaft eine analoge Vorverarbei­ tung im Subtraktions- und Additionsnetzwerk in Form einer Summen- und Differenzbildung der digitalen Auswertung in der Auswerteeinheit 12 vorzu­ schalten. Insbesondere wird eine Übersteuerung durch hohe Empfangssignal­ pegel bei stark reflektierendem Objekt 11 durch die Differenzbildung in der Nähe der Tastweite unterdrückt.

Mit Hilfe der Schalter s1-s5 können Empfangssignale verschiedener Segmen­ te 6-10 kombiniert werden.

Fig. 5 zeigt die Wahrheitstabelle für die Tastweitenumschaltung. Damit bei gleichzeitiger Überstrahlung der Nah- und Fernelementfläche durch die Emp­ fangslichtstrahlen 4 ein Objekt 11 sicher detektiert wird, muß die Nahelement­ fläche größer als die Fernelementfläche sein. Aus diesem Grund wird für die Erzeugung des Fernsignals immer nur ein Segment 6, 7 oder 8 ausgewählt, was mit den Schaltern s3-s5 erfolgt. Für den Nahbereich werden mindestens die Signale der beiden Segmente 9 und 10 im Summierer 17 zusammengefaßt. Zu­ sätzlich werden vorteilhaft die zwischen dem als Fernelement 5b gewählten Segment 6, 7 und dem Segment 9 liegenden Segmente 7, 8 mit Hilfe der Schalter s1 und s2 dem Nahelement 5a zugeordnet. Durch Differenzbildung von Nah- und Fernsignal im Subtrahierer 19 entsteht das am Differenzsig­ nal-Ausgang 20, anstehende Differenzsignal von dem der Schaltzustand des Sen­ sors abgeleitet wird.

Zusätzlich wird über den Summierer 18 ein Summensignal am Summensig­ nal-Ausgang 21 zur Verfügung gestellt, das die gesamte Empfangsleistung reprä­ sentiert und zur Senderegelung oder Quotientenbildung herangezogen werden kann.

Die an dem Differenzsignal-Ausgang 20 und dem Summensignal-Ausgang 21 anstehenden Signale werden zur weiteren Auswertung in die nicht dargestellte Auswerteeinheit 12 eingelesen, welche zweckmäßigerweise wieder als Prozes­ sor ausgebildet sein kann. Von der Auswerteeinheit 12 führt ein Steuereingang 22 zu dem Additions- und Subtraktionsnetzwerk. Über diesen Steuereingang 22 wird im Schaltwerk 23 zur Bestätigung der Schalter angesteuert. Auf diese Weise wird wiederum über die Auswerteeinheit 12 die logische Verknüpfung der Ausgangssignale der Segmente 6-10 vorgegeben.

Ein weitere Ausführungsform des Empfangselementes 5 ist in Fig. 6 gezeigt, wo die Segmentlänge auf die abstandsabhängige Fleckverschiebung abge­ stimmt ist. Dadurch werden beim Umschalten der Tastweite nahezu äquidistan­ te Tastweitenschritte erzielt.

Eine weitere Ausführungsform ist in Fig. 7 gezeigt, wo das Empfangselement 5 längs geteilt ist, so daß spiegelsymmetrisch zu den Segmenten 6-10 jeweils weitere Segmente 6'-10' angeordnet sind und dadurch auch die seitliche Fleckverschiebung erfaßt werden kann.

Diese Möglichkeit kann ausgenutzt werden, um Plausibilitätskontrollen, wie z. B.:

• - Umspiegelung durch seitliche Objekte 11,
• - seitlich einfallendes Fremdlicht,
• - Verzerrungen durch Objekt-Oberflächenstrukturen

durchzuführen.

Die Längsteilung der Segmente 6-10 kann auch dazu genutzt werden die seit­ liche Objekteintauchrichtung zu detektieren, wobei während des Eintauchens die Signalpegel der einen Segmentseite z. B. 6-10 wesentlich größer sind als die der Segmente 6'-10'.

Claims (16)

1. Optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sen­ der und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfangselement, welches ein Nahelement und ein Fernelement aufweist, wobei die vom Objekt reflektierten Empfangslichtstrahlen mit zunehmendem Objektab­ stand zunächst auf das Nahelement und dann auf das Fernelement treffen, und wobei in einer Auswerteeinheit in Abhängigkeit der Empfangssigna­ le an den Ausgängen des Nah- und Fernelements ein binäres Schaltsignal generiert wird, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangselement (5) mehrere Segmente (6-10) aufweist, wobei eine vorgebbare Anzahl die­ ser Segmente (7-10) zum Nahelement (5a) und eine vorgebbare Anzahl der übrigen Segmente (6-8) zum Fernelement (5b) verknüpfbar sind.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Segmente (6-10) des Empfangselements (5) im wesentli­ chen flächengleich sind.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Segmente (6-10) nebeneinander liegend angeordnet sind und die Längsachse der Anordnung im wesentlichen quer zur opti­ schen Achse der auftreffenden Empfangslichtstrahlen (4) verläuft.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Segmente (6-10) von Fotodioden gebildet sind.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-4, dadurch gekennzeichnet, daß jedem Segment (6-10) ein separater Verstärker (16) nachgeordnet ist.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgangssignale der Verstärker (16) über einen Analog- Digital-Wandler in einen die Auswerteeinheit (12) bildenden Prozessor eingelesen werden, und daß im Prozessor die Ausgangssignale zu den Empfangssignalen des Nah- und Fernelements (5a, 5b) logisch verknüpft werden.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich­ net, daß die Ausgangssignale der Verstärker (16) einem analogen Additi­ ons- und Subtraktionsnetzwerk zugeführt sind, in welchem eine vorgeb­ bare Anzahl von Ausgangssignalen durch Additionen und/oder Sub­ traktionen verknüpfbar ist, und daß die so gewonnenen Ausgangssignale in einen die Auswerteeinheit (12) bildenden Prozessor einlesbar sind.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (12) einen als serielle Schnitt­ stelle ausgebildeten Parametriereingang (14) aufweist, über welchen die Art der Verknüpfung der Segmente (6-10) vorgebbar ist.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß der binäre Schaltzustand über einen an die Auswer­ teeinheit (12) angeschlossenen Schaltausgang (13) ausgegeben wird.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß bei einem in einer vorgegebenen Tastweite befindlichen Objekt (11) der Schaltausgang (13) seinen Schaltzustand wechselt.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Auswerteeinheit (12) die Differenz der Empfangssignale des Nah- und Fernelements (5a, 5b) gebildet wird, und diese Differenz mit einem die Schaltschwelle bildenden Schwellwert S1 bewertet wird.

12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeich­ net, daß die Differenz der Empfangssignale des Nah- und Fernelements (5a, 5b) der Höhe des Schwellwerts S1 entspricht, falls sich das Objekt (11) in einem der Tastweite entsprechenden Abstand zur Vorrichtung (1) befindet.

13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeich­ net, daß in der Auswerteeinheit (12) der Quotient der Empfangssignale des Nah- und Fernelements (5a, 5b) gebildet wird und dieser Quotient mit einem die Schaltschwelle bildenden Schwellwert S2 bewertet wird.

14. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeich­ net, daß der Quotient der Empfangssignale des Nah- und Fernelements (5a, 5b) der Höhe des Schwellwerts entspricht, falls sich das Objekt (11) in einem der Tastweite entsprechenden Abstand zur Vorrichtung (1) be­ findet.

15. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Quotient aus der Differenz und der Summe der Empfangssignale des Nah- und Fernelements (5a, 5b) gebildet wird.

16. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeich­ net, daß mittels einer Senderegelung die Summe der Empfangssignale des Nah- und Fernelements (5a, 5b) auf einen konstanten Wert geregelt wird.