DE3823007A1 - Optischer sensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Optische Sensoren, die die Änderung des von einer Sende­ einheit emittierten und von einer Empfangseinheit detek­ tierten Signals ausnützen, werden in vielfältiger Weise, beispielsweise zur Positionserfassung, zur Detektion von Gegenständen, zur Mustererkennung oder in Lichtschranken eingesetzt.

Je nachdem, ob die Empfangseinheit die von der Sendeein­ heit emittierte Strahlung direkt detektiert oder erst nachdem die Strahlung an einer Reflexionsfläche reflek­ tiert wurde, spricht man von Gabelkopplung oder Reflex­ kopplung.

Das Sendeelement der Sendeeinheit, meist eine Leuchtdiode im sichtbaren (LED) oder im infraroten (IRED) Spektral­ bereich, wird dabei aus einer Gleichstromquelle betrie­ ben.

Wird die optische Verbindung zwischen Sendeeinheit und Empfangseinheit, beispielsweise durch einen Gegenstand unterbrochen, kann die Empfangseinheit kein Licht mehr detektieren, der Sensor spricht also an.

Hierbei muß sichergestellt werden, daß die Empfangsein­ heit nur das vom Sendeelement emittierte Licht detek­ tiert, d.h. daß kein unerwünschtes Fremdlicht das Emp­ fangselement erreichen und somit die Funktionsfähigkeit des Sensors beeinträchtigen kann. Dies wird bei opti­ schen Sensoren üblicherweise dadurch erreicht, daß ein Farbstoff-Kantenfilter, welches mit dem Empfangselement vergossen wird, für eine Selektion des gewünschten Spek­ tralbereichs sorgt. Da die Leistung des zu detektieren­ den Signals oft nur im µW- oder mW-Bereich liegt, muß die Empfangseinheit sehr empfindlich sein, d.h. bereits auf kleine Strahlungsflüsse ansprechen; daher darf das Nutzband, d.h. der zur Emission und Detektion verwendete Spektralbereich, nicht zur Unterdrückung von störendem Fremdlicht gedämpft werden. Das aufgrund externer Strah­ lungsquellen immer vorhandene Fremdlicht kann folglich nie vollständig ausgeschaltet werden, worunter die Zu­ verlässigkeit bzw. das Ansprechverhalten des Sensors leidet.

Aufgabe der Erfindung ist es, diese Nachteile zu vermei­ den und einen optischen Sensor zu entwickeln, bei dem das störende Fremdlicht mit einfachen Mitteln nahezu vollständig ausgeschaltet wird.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß das Sen­ deelement der Sendeeinheit mit einem in der Sendeeinheit erzeugten periodischen Signal betrieben wird und daß die Empfangseinheit selektiv auf die Sendeeinheit abgestimmt ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung erge­ ben sich aus den Unteransprüchen.

Da der Sensor durch selektive Abstimmung der Empfangs­ einheit nur auf die vorgebbare Frequenz der Sendeeinheit anspricht, können Störungen oder Fremdlichteinflüsse nahezu vollständig unterdrückt werden, wodurch die Zu­ verlässigkeit des Sensors beträchtlich erhöht wird.

Anhand der Fig. 1 bis 3 soll nun der Aufbau des opti­ schen Sensors nach der Erfindung und dessen Wirkungswei­ se besprochen werden.

Es zeigen:

Fig. 1 ein Blockschaltbild des optischen Sensors,

Fig. 2 ein Blockschaltbild des optischen Sensors in einer anderen Ausführungsform,

Fig. 3 eine Gegenüberstellung der Signale an den Aus­ gängen des frequenzselektiven Elements A ₁ und der Aus­ werteeinheit A ₂.

Der optische Sensor gemäß dem Blockschaltbild aus Fig. 1 und 2 besteht aus einer Sendeeinheit 1, einer Empfangs­ einheit 4 sowie einer Auswerteeinheit 8.

Die Sendeeinheit 4 besteht aus einer mit einem periodi­ schen Signal gesteuerten Stromquelle 2 und einem Sende­ element 3, wobei die gesteuerte Stromquelle 2 das Sende­ element 3 mit der Frequenz des periodischen Signals, beispielsweise 30 kHz, betreibt.

Das Sendeelement 3 ist vorzugsweise eine Leuchtdiode im infraroten Spektralbereich, deren Emission beispielswei­ se bei einer Wellenlänge von 880 nm mit einer spektralen Breite von 70 nm oder bei einer Wellenlänge von 950 nm mit einer spektralen Breite von 50 nm stattfindet.

Die Empfangseinheit 4 besteht aus einem Empfangselement 5, einer dem Empfangselement 5 nachgeschalteten Verstär­ kerstufe 6 und einem frequenzselektiven Element 7, 9 mit dem Ausgang A ₁.

Das fotoempfindliche Empfangselement 5 ist beispielswei­ se als Fotodiode, Fototransistor, Foto-IC, die im ge­ wünschten Spektralbereich empfindlich sind, oder einer Kombination dieser Bauelemente ausgebildet.

Die vom Sendeelement 3 emittierte und vom Empfangsele­ ment 5 detektierte Strahlung wird von einer Verstärker­ stufe 6 verstärkt und auf ein frequenzselektives Ele­ ment, das in Fig. 1 als Bandfilter 7 dargestellt ist, gegeben. Das Bandfilter 7 läßt nur die Frequenz durch, mit der das Sendeelement 3 von der Stromquelle 2 betrie­ ben wird und unterdrückt alle anderen Frequenzen. Daher tritt am Ausgang A ₁ der Empfangseinheit 4 nur dann ein Signal auf, wenn vom Sendeelement 3 emittiertes Licht das Empfangselement 5 erreicht; Fremdlicht wird dagegen vollständig vom Bandfilter 7 unterdrückt.

Zur Auswertung kann der Empfangseinheit 4 eine Auswerte­ einheit 8 nachgeschaltet werden, die beispielsweise als Integrator ausgebildet sein kann. Auf den genauen Aufbau eines derartigen Integrationsglieds, das bekanntermaßen aus Dioden, Widerständen und Kondensatoren besteht, soll an dieser Stelle nicht weiter eingegangen werden.

Gemäß Fig. 3 formt das Integrationsglied 8 das am Aus­ gang A ₁ der Empfangseinheit 4 anliegende Wechselspan­ nungssignal in ein am Ausgang A ₂ des Integrationsglieds 8 anliegendes Gleichspannungssignal mit zwei Zuständen "High" (H) und "Low" (L) um.

Diese beiden Zustände können zur externen Auswertung herangezogen werden, um beispielsweise einen Schalter S in Abhängigkeit des Signals am Ausgang A ₂ zu betätigen.

Der Schalter S kann beispielsweise als Feldeffekttran­ sistor ausgebildet sein und schaltet erst dann um, wenn der Zustand H nach einer bestimmten vorgebbaren Zahl von Perioden des am Ausgang A ₁ detektierten Signals am Aus­ gang A ₂ erscheint.

Die ist in Fig. 3 für zwei Integrationsglieder mit unterschiedlicher Zeitkonstante dargestellt. Beim Inte­ grationsglied mit der kleineren Zeitkonstante gemäß dem gestrichelt dargestellten zeitlichen Verlauf, wird der Zustand H bereits nach einer Periode des am Ausgang A ₁ anliegenden Signals erreicht. Beim Integrationsglied mit der größeren Zeitkonstante gemäß dem anderen in Fig. 3 dargestellten zeitlichen Verlauf, werden bis zum Errei­ chen des Zustands H am Ausgang A ₂, und damit bis zur Bestätigung des Schalters S, ungefähr drei Perioden des am Ausgang A ₁ anliegenden Signals benötigt.

Es wird ersichtlich, daß durch das Integrationsglied eine Ansprechschwelle des Sensors bzw. eine Zeitkonstan­ te, mit der der Sensor reagiert, eingestellt werden kann. Andererseits lassen sich einzelne Störpulse noch effek­ tiver unterdrücken, da diese noch keinen Schaltvorgang am Schalter S auslösen.

In einer anderen Ausführungsform gemäß Fig. 2 ist als frequenzselektives Element ein Synchrondetektor 9 nach dem bekannten Lock-in-Prinzip vorgesehen; die gesteuerte Stromquelle 2 ist dazu über eine Leitung 10 mit dem Syn­ chrondetektor 9 verbunden. Der Detektor 9 läßt nur die mit der Frequenz des periodischen Signals der Stromquel­ le 2 modulierten Signale der Sendeeinheit 3 durch und stimmt somit die Empfangseinheit 4 selektiv auf die Sen­ deeinheit 1 ab. Fremdlicht wird nahezu vollständig un­ terdrückt.

Der gesamte Sensor kann in einem IC integriert werden, wobei der Status des Sensors an einem externen Ausgang des ICs abgefragt werden kann.

Der erfinderische optische Sensor kann als Reflexkopp­ ler, beispielsweise für Endschalter oder Näherungsschal­ ter oder als Gabelkoppler, beispielsweise für Initiato­ ren oder als Drehzahlmesser eingesetzt werden.

Claims (11)

1. Optischer Sensor, der eine optisch gekoppelte Sende- und Empfangseinheit enthält, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement (3) der Sendeeinheit (1) mit einem in der Sendeeinheit (1) erzeugten periodischen Signal be­ trieben wird und daß die Empfangseinheit (4) selektiv auf die Sendeeinheit (1) abgestimmt ist.

2. Optischer Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß die Empfangseinheit (4) aus einem fotoempfind­ lichen Empfangselement (5) mit nachgeschalteter Verstär­ kerstufe (6) und nachgeschaltetem frequenzselektiven Element (7, 9) besteht.

3. Optischer Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das frequenzselektive Element ein Band­ filter (7) ist, das auf das periodische Signal der Sende­ einheit (1) abgestimmt ist.

4. Optischer Sensor nach Anspruch 1 und 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das frequenzselektive Element ein Syn­ chrondetektor (9) ist, der über eine elektrisch leitende Verbindung (10) selektiv auf das periodische Signal der Sendeeinheit (1) abgestimmt ist.

5. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement (3) der Sendeeinheit (1) als Lumineszenzdiode im sichtbaren oder infraroten Spektralbereich ausgebildet ist.

6. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangselement (5) der Empfangseinheit (4) als Fotodiode, Fototran­ sistor oder Foto-IC ausgebildet ist.

7. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß dem Ausgang A ₁ der Empfangseinheit (4) eine Auswerteeinheit (8) nachge­ schaltet ist.

8. Optischer Sensor nach Anspruch 7, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Auswerteeinheit (8) als Integrator ausgebildet ist, der mit seinem Ausgang A ₂ einen exter­ nen Schalter S ansteuert.

9. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden Ansprü­ che, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement (3) und das Empfangselement (5) Teile eines optischen Kopp­ lers (11) mit direkter optischer Kopplung sind.

10. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sendeelement (3) und das Empfangselement (5) Teile eines optischen Kopplers (11) mit optischer Kopplung über eine Refle­ xionsfläche sind.

11. Optischer Sensor nach einem der vorangehenden An­ sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der gesamte Sensor, bestehend aus Sendeeinheit (1), Empfangseinheit (4) und Auswerteeinheit (8), in einem Gehäuse integriert ist.