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Die
Erfindung betrifft eine Sensoranordnung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs
1.
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Eine
derartige Sensoranordnung ist aus der
DE 20 2005 020 654 U1 bekannt.
Die dort beschriebene Sensoranordnung dient zur Detektion von Etiketten
auf einem Trägermaterial
und umfasst einen optischen Sensor sowie einen Ultraschallsensor,
welche über
Schaltmittel wahlweise zur Detektion der Etiketten aktivierbar sind.
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Sowohl
der optische Sensor als auch der Ultraschallsensor arbeiten nach
einer Transmissionsmessung, das heißt der Sender und der Empfänger des
optischen Sensors einerseits sowie der Ultraschallsender und der
Ultraschallempfänger
des Ultraschallsensors andererseits sind jeweils beidseits einer
Nachweisebene, in welcher das Trägermaterial mit
den Etiketten relativ zur Vorrichtung geführt wird, angeordnet. Dabei
ist die Sensoranordnung in einem gabelförmigen Gehäuse mit zwei Gabelarmen, zwischen
welchen die Nachweisebene verläuft,
angeordnet. Die Komponenten des optischen Sensors und des Ultraschallsensors
sind so in diesem Gehäuse
angeordnet, dass sich die Strahlachse der Ultraschallwellen, die
vom Ultraschallsender emittiert werden, und die optische Achse der
Sendelichtstrahlen, die vom Sender emittiert werden, in der Nachweisebene
schneiden. Damit ist der aktuelle Messort und Messzeitpunkt zur
Etikettendetektion unabhängig
davon, ob der Ultraschallsensor oder optische Sensor hierfür eingesetzt
wird.
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Da
bei dieser Sensoranordnung wahlweise ein Ultraschallsensor oder
ein optischer Sensor zur Etikettendetektion eingesetzt werden kann,
wird mit dieser eine sichere Etikettendetektion für ein breites Materialspektrum
von Etiketten- und
Trägermaterialien
erreicht.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranordnung der eingangs
genannten Art bereitzustellen, welche bei geringem konstruktivem Aufwand
eine erhöhte
Nachweissicherheit aufweist.
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Zur
Lösung
dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte
Ausführungsformen
und zweckmäßige Weiterbildungen
der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
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Die
erfindungsgemäße Sensoranordnung dient
zur Erfassung von Objekten und weist einen optischen Sensor und
einen Ultraschallsensor auf. Die Sensoranordnung umfasst zudem einen
Ultraschallwellen emittierenden Ultraschallempfänger und einen Ultraschallwellen
empfangenden Ultraschallempfänger.
Dem Ultraschallsender sind Umlenkmittel zur Fokussierung der Ultraschallwellen
in einer Nachweisebene nachgeordnet.
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Durch
die dem Ultraschallsender nachgeordneten Umlenkmittel erfolgt nicht
nur eine Ausrichtung der Ultraschallwellen derart, dass diese in
einem vorgegebenen Einfallswinkel auf die Oberfläche des jeweils zu detektierenden
Objekts geführt
sind, sondern auch eine Fokussierung der Ultraschallwellen in einer
Nachweisebene, in welcher sich das zu detektierende Objekt befindet.
Durch diese Fokussierung wird die Nachweisempfindlichkeit erheblich
erhöht.
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Besonders
vorteilhaft sind dem Empfänger entsprechende
Umlenkmittel vorgeordnet, mittels derer vom Objekt kommende Ultraschallwellen
auf den Empfänger
fokussiert werden. Durch diesen weiteren Fokussierungseffekt wird
die Nachweisempfindlichkeit der Sensoranordnung weiter erhöht.
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Der
Ultraschallsensor und der optische Sensor der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
sind vorteilhaft so angeordnet, dass sich die optische Achse, entlang derer
die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen verlaufen und die
Strahlachse der Ultraschallwellen in der Nachweisebene, in welcher
das zu detektierende Objekt angeordnet ist, schneiden. Dadurch ist
gewährleistet,
dass das jeweilige Objekt unabhängig
davon, ob der Ultraschallsensor und/oder der optische Sensor aktiviert
ist beziehungsweise sind, an derselben Position detektiert wird.
Dabei kann bei der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
der Ultraschallsensor und/oder der optische Sensor wahlweise aktiviert
werden. Vorzugsweise wird während
eines Einlernvorgangs festgelegt, ob die Signale des Ultraschallsensors
und/oder des optischen Sensors am besten zur Objektdetektion geeignet
sind und in Abhängigkeit
dann die Entscheidung getroffen, ob der Ultraschallsensor und/oder
der optische Sensor aktiviert wird. Vorzugsweise wird während des
Einlernvorgangs ein Objekt mit dem Ultraschallsensor und dem optischen
Sensor abgetastet, welches auch im späteren Arbeitsbetrieb der Sensoranordnung
erfasst werden soll. Anhand der dabei generierten Signale des Ultraschallsensors
und des optischen Sensors wird dann für den späteren Arbeitsbetrieb festgelegt,
ob der Ultraschallsensor, der optische Sensor oder beide Sensoren
aktiviert werden.
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In
einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden
sowohl mit dem Ultraschallsensor als auch mit dem optischen Sensor
die Objekte mittels einer Transmissionsmessung erfasst. In einer
hierfür
besonders geeigneten Bauform ist die erfindungsgemäße Sensoranordnung
in einem gabelförmigen
Gehäuse
mit zwei parallel verlaufenden Gabelarmen integriert, wobei die
Nachweisebene zwischen den Gabelarmen parallel zu diesem verläuft. Durch
die Integration der Komponenten des Ultraschallsensors und des optischen
Sensors in den Gabelarmen befinden sich diese in ihren Sollpositionen
zueinander, so dass eine manuelle Ausrichtung dieser Komponenten
entfallen kann. Dabei sind besonders vorteilhaft der Ultraschallsender
und der Sender in einem ersten Gabelarm integriert und werden von
einer gemeinsamen Steuereinheit angesteuert. Entsprechend befinden
sich der Ultraschallempfänger
und der Empfänger
im zweiten Gabelarm, wobei die Empfangssignale des Ultraschall empfängers und
des Empfängers
in einer Auswerteeinheit ausgewertet werden. Durch die Doppelnutzung
sowohl der Steuereinheit als auch der Auswerteeinheit für die Komponenten
Ultraschallsensor und optischer Sensor wird der elektronische Aufwand
der Sensoranordnung gering gehalten.
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Bei
dieser Ausführungsform
der erfindungsgemäßen Sensoranordnung
kann auch der mechanische Aufwand äußerst gering gehalten werden.
Der Sender und der Empfänger
als Komponenten des optischen Sensors sind so in den Gabelarmen
des Gehäuses
eingebaut, dass deren optische Achsen senkrecht zur Nachweisebene
und damit auch zu den Längsachsen
der Gabelarme orientiert sind.
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Die
Längsachsen
des Ultraschallsenders und des Ultraschallempfängers als Komponenten des Ultraschallsensors
verlaufen dagegen jeweils in Richtung der Längsachse des jeweiligen Gabelarms. Durch
die dem Ultraschallsender nachgeordneten Umlenkmittel werden die
vom Ultraschallsensor emittierten, zunächst in Längsrichtung des Gabelarms verlaufenden
Ultraschallwellen so umgelenkt, dass diese in einem vorgegebenen
Neigungswinkel auf das Objekt in der Nachweisebene geführt sind.
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Durch
diese Anordnung können
aufwändige Schrägbohrungen
in den Gabelarmen zur Aufnahme der Komponenten des Ultraschallsensors
und des optischen Sensors vermieden werden, da allein durch die
Umlenkmittel erreicht wird, dass die Sendelichtstrahlen und die
Ultraschallwellen in unterschiedlichen Neigungswinkeln auf die Objektoberfläche geführt werden.
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Die
Umlenkmittel können
als Leitbleche ausgebildet sein und sind somit sehr einfach und
kostengünstig
herstellbar. Damit die Sendelichtstrahlen in geringem Abstand zu
den Ultraschallwellen geführt werden
können,
sind in den dem Ultraschallsender und dem Ultraschallempfänger zugeordneten
Leitblechen bevorzugt Lochblenden vorgesehen, durch welche die Sendelichtstrahlen
geführt
sind. In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform sind die Leitble che
durch halbdurchlässige
Spiegel ersetzt, an welchen die Ultraschallwellen vollständig reflektiert
werden, jedoch von den Sendelichtstrahlen teilweise durchsetzt werden.
In diesem Fall müssen
keine Lochblenden in den Umlenkmitteln vorgesehen werden, um die
Sendelichtstrahlen durch diese führen
zu können.
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Die
Sensoranordnung kann zur Detektion unterschiedlicher Objekte eingesetzt
werden. Insbesondere kann die Sensoranordnung zur Detektion von
Strukturen mehrschichtiger und/oder mehrlagiger Objekte eingesetzt
werden. Derartige Objektstrukturen können beispielsweise von Einfachbögen oder
aufeinanderliegenden Mehrfachbögen
gebildet sein. Durch eine Schwellwertbewertung der Empfangssignale
des Ultraschallempfängers
und/oder des Empfängers
kann dann festgestellt werden, ob ein Einfachbogen oder ein Mehrfachbogen
vorliegt. Entsprechend kann die Sensoranordnung zur Detektion von
auf Trägermaterialien
aufgebrachten Etiketten eingesetzt werden.
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Die
Erfindung wird im Nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Längsschnitt
durch eine Sensoranordnung mit einem Ultraschallsensor und einem
optischen Sensor zur Detektion von auf Trägermaterialien aufgebrachten
Etiketten.
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2:
Draufsicht auf die Anordnung gemäß 1.
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1 zeigt
den Aufbau einer Sensoranordnung 1, welche einen Ultraschallsensor
und einen optischen Sensor umfasst. Die Sensoranordnung 1 ist
in einem gabelförmigen
Gehäuse 2 integriert.
Die Gabelarme 2a, 2b des Gehäuses 2 verlaufen parallel in
Abstand zueinander jeweils in horizontaler Richtung. Im unteren
Gabelarm 2a des Gehäuses 2 ist
als erste Komponente des optischen Sensors ein Sendelichtstrahlen 3 emittierender
Sender 4 vorgesehen. Im oberen Gabelarm 2b ist
als weitere Komponenten des optischen Sensors ein Sende lichtstrahlen 3 empfangender
Empfänger 5 integriert.
Der Sender 4 ist beispielsweise von einer Leuchtdiode gebildet,
der Empfänger 5 besteht
aus einer Photodiode oder dergleichen. Der Sender 4 ist
so im unteren Gabelarm 2a montiert, dass dessen optische
Achse, in welcher die Sendelichtstrahlen 3 emittiert werden,
in vertikaler Richtung verläuft.
Entsprechend ist der Empfänger 5 so
im oberen Gabelarm 2b montiert, dass dessen optische Achse
in vertikaler Richtung verläuft. Die
optischen Achsen des Senders 4 und des Empfängers 5 fallen
zusammen. Der optische Sensor arbeitet nach dem Lichtschrankenprinzip.
Befindet sich kein Objekt zwischen den Gabelarmen 2a, 2b,
so gelangen die vom Sender 4 emittierten Sendelichtstrahlen 3 ungehindert
zum Empfänger 5.
Befindet sich ein Objekt zwischen den Gabelarmen 2a, 2b,
so werden die Sendelichtstrahlen 3 zumindest teilweise
am Objekt reflektiert, so dass der reflektierte Anteil der Sendelichtstrahlen 3 nicht
mehr zum Empfänger 5 gelangt.
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Im
unteren Gabelarm 2a des Gehäuses 2 ist als erste
Komponente des Ultraschallsensors ein Ultraschallwellen 6 emittierender
Ultraschallsender 7 integriert. Im oberen Gabelarm 2b ist
als zweite Komponente des Ultraschallsensors ein Ultraschallwellen 6 empfangender
Ultraschallempfänger 8 integriert. Der
Ultraschallsender 7 und der Ultraschallempfänger 8 weisen
jeweils einen Ultraschalwandler auf. Der Ultraschallsensor ist so
im unteren Gabelarm 2a montiert, dass dessen Längsachse,
das heißt
dessen Achse entlang derer die Ultraschallwellen 6 emittiert werden,
in Längsrichtung
des unteren Gabelarms 2a, das heißt in horizontaler Richtung
verläuft.
Der Ultraschallempfänger 8 ist
in einer entsprechenden horizontalen Einbaulage im oberen Gabelarm 2b integriert.
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Der
Sender 4 und der Ultraschallsender 7 werden von
einer Steuereinheit 9 angesteuert, die im unteren Gabelarm 2a integriert
ist. Die an den Ausgängen
des Ultraschallempfängers 8 und
des Empfängers 5 generierten
Empfangssignale werden in einer Auswerteeinheit 10 ausgewertet.
Die Steuereinheit 9 und die Auswerteeinheit 10 können jeweils
von einem Mikroprozessor gebildet sein. Über die Steuereinheit 9 kann
wahlweise der Ultraschallsender 7 und/oder der Sender 4 aktiviert
werden. In der Auswerteeinheit 10 wird in Abhängigkeit
der Empfangssignale des Empfängers 5 und/oder
des Ultraschallempfängers 8 ein
Objektfeststellungssignal generiert. Das Objektfeststellungssignal
wird über
einen Ausgang 11 ausgegeben.
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Zur
Führung
der vom Ultraschallsender 7 emittierten Ultraschallwellen 6 in
dem Überwachungsbereich
zwischen den beiden Gabelarmen 2a, 2b ist dem
Ultraschallsender 7 als erstes Umlenkmittel ein erstes
Leitblech 12 nachgeordnet. Das Leitblech 12 weist
eine paraboloidförmige
Form auf. Entsprechend ist dem Ultraschallempfänger 8 als zweites
Umlenkmittel ein zweites Leitblech 13 vorgeordnet, welches
ebenfalls eine paraboloidförmige
Form aufweist. Durch das dem Ultraschallsender 7 nachgeordnete
Leitblech 12 werden die Ultraschallwellen 6 so
umgelenkt, dass diese in einer Nachweisebene E fokussiert werden,
in welcher die zu detektierenden Objekte angeordnet sind. Die Strahlführung der
Ultraschallwellen 6 über
das erste Leitblech 12 erfolgt derart, dass die Ultraschallwellen 6 in
einem vorgegebenen Neigungswinkelbereich auf die Nachweisebene zulaufen.
Dabei schneiden sich die Ultraschallwellen 6 und die Sendelichtstrahlen 3 in
der Nachweisebene. Ist kein Objekt in der Nachweisebene, so gelangen
die Ultraschallwellen 6 ungehindert zum zweiten Leitblech 13 und
werden von dort auf den Ultraschallempfänger 8 fokussiert.
Auch mit dem Ultraschallsensor wird eine Transmissionsmessung durchgeführt, das
heißt
es wird die Schwächung
der Ultraschallwellen 6 bei Durchgang durch das Objekt registriert.
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Damit
die Sendelichtstrahlen 3 in der Nachweisebene überschneidend
mit den Ultraschallwellen 6 geführt werden können, müssen die
Sendelichtstrahlen 3 in den Bereichen der Leitbleche 12, 13 geführt werden.
Die Leitbleche 12, 13 weisen dabei jeweils eine
Lochblende 12a, 13a auf, durch welche die Sendelichtstrahlen 3 geführt sind.
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Anstelle
von Leitblechen 12, 13 können auch halbdurchlässige Spiegel
als Umlenkmittel vorgesehen sein. An diesen halbdurchlässigen Spiegeln
werden zwar die Ultraschallwellen 6 vollständig reflektiert,
jedoch durchbrechen die Sendelichtstrahlen 3 die halbdurchlässigen Spiegel
teilweise, so dass in diesem Fall keine Lochblenden 12a, 13a in
den Umlenkmitteln vorgesehen sein müssen.
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Die
Sensoranordnung 1 dient im vorliegenden Fall zur Detektion
von auf einem Trägermaterial 14 angeordneten
Etiketten 15. Wie aus 2 ersichtlich,
wird das Trägermaterial 14 mit
den Etiketten 15 entlang einer Förderrichtung F gefördert. Dabei
wird das Trägermaterial 14 mit
den Etiketten 15 in der Nachweisebene E zwischen den Gabelarmen 2a, 2b des
Gehäuses 2 der
Sensoranordnung 1 gefördert (1).
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Je
nachdem, ob in der Nachweisebene nur das Trägermaterial 14 oder
eine auf dem Trägermaterial 14 aufgebrachte
Etikette 15 detektiert wird, werden die Sendelichtstrahlen 3 beziehungsweise
die Ultraschallwellen 6 bei Durchgang durch diese Objekte
unterschiedlich stark geschwächt.
Durch eine Schwellwertbewertung der Empfangssignale des Ultraschallempfängers 8 beziehungsweise
des Empfängers 5 wird
in der Auswerteeinheit 10 als Objektfeststellungssignal
ein binäres
Schaltsignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob eine Etikette 15 vorliegt
oder nicht.
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Die
für die
Schwellwertbewertung erforderlichen Schwellwerte werden in einem
Einlernvorgang ermittelt, der vor Beginn des Arbeitsbetriebs der
Sensoranordnung 1 durchgeführt wird. In diesem Einlernvorgang
wird besonders vorteilhaft das Trägermaterial 14 mit
oder ohne Etikette 15 vermessen, so dass aus den dadurch
erhaltenen Empfangssignalen des Ultrachallempfängers 8 und des Empfängers 5 die Schwellwerte
abgeleitet werden. Vorteilhaft wird anhand der während des Einlernvorgangs ermittelten Empfangssignale
in der Auswerteeinheit 10 auch entschieden, ob der optische
Sensor und/oder der Ultraschallsensor für den nachfolgenden Arbeitsbetrieb der
Sensoranordnung 1 aktiviert werden. Beispielsweise kann
in der Auswerteeinheit 10 derjenige Sensor aktiviert werden,
für welchen
während
des Einlernvorgangs bei Detektion des Trägermaterials 14 alleine
und zusammen mit einer Etikette 15 der größte Signalhub
erhalten wird.
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- 1
- Sensoranordnung
- 2
- Gehäuse
- 2a
- Gabelarm
- 2b
- Gabelarm
- 3
- Sendelichtstrahlen
- 4
- Sender
- 5
- Empfänger
- 6
- Ultraschallwelle
- 7
- Ultraschallsender
- 8
- Ultraschallempfänger
- 9
- Steuereinheit
- 10
- Auswerteeinheit
- 11
- Ausgang
- 12
- Leitblech
- 12a
- Lochblech
- 13
- Leitblech
- 13a
- Lochblech
- 14
- Trägermaterial
- 15
- Etikette