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Die
Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff
des Anspruchs 1.
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Eine
derartige Vorrichtung stellt der Laser-Distanz-Sensor LDS der Firma
Leuze electronic dar. Dieser Sensor erfaßt die Distanz von Objekten
in einem Überwachungsbereich
nach dem Triangulationsprinzip und arbeitet mit einem als PSD-Element ausgebildeten
Empfänger.
Entsprechend der Lage des Lichtflecks der Empfangslichtstrahlen
wird an den Enden des PSD-Elements ein bestimmtes Nahsignal und
Fernsignal erhalten. Durch Quotientenbildung des Nah- und Fernsignals
wird eine Information über
die Distanz des Objekts gewonnen, die weitgehend unabhängig von
der Reflektivität
des Objektes ist.
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Nachteilig
hierbei ist jedoch, daß der
Schaltungsaufwand für
die Auswertung der Signale des Empfängers relativ aufwendig ist.
Dabei sind insbesondere die Bauelemente, die für die Quotientenbildung benötigt werden,
aufwendig und kostenintensiv.
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Der
Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, den Schaltungsaufwand bei
einer Vorrichtung der eingangs genannten Art zu reduzieren.
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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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Erfindungsgemäß werden
zur Objekterfassung die am Empfänger
anstehenden Nah- und Fernsignale dividiert, wobei die Quotientenbildung
derart erfolgt, daß bei
auf konstantem Wert geregelter Summe von Nah- und Fernsignal die
Differenz zwischen dem Nah- und Fernsignal gebildet wird.
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Dabei
wird ausgenutzt, daß bei
einer Regelung auf einen konstanten Wert der Summe von Nah- und
Fernsignal die Differenz von Nah- und Fernsignal dieselbe Information
enthält
wie der Quotient von Nah- und Fernsignal.
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Der
wesentliche Vorteil dabei besteht darin, daß die Quotientenbildung auf
eine Differenzbildung zurückgeführt ist.
Anstelle aufwendiger Bauteile zur Quotientenbildung können demzufolge
einfache und kostengünstige
Bauteile zur Differenzbildung verwendet werden.
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Alternativ
kann anstelle der Differenz von Nah- und Fernsignal auch das Nah- oder Fernsignal selbst
zur Auswertung herangezogen werden.
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Besonders
vorteilhaft wird der Sender der optoelektronischen Vorrichtung im
Pulsbetrieb betrieben. Mittels eines Reglers wird das Summensignal von
Nah- und Fernsignal
durch Regelung der Sendeleistung des Senders jeweils für jeden
Sendelichtimpuls auf einen konstanten Wert geregelt. Dabei ist die Einschwingzeit
des Reglers so gewählt,
daß der
Regelvorgang bereits abgeschlossen ist, bevor die Differenz des
Nah- und Fernsignal durch ein Sample & Hold Glied übernommen und zur Auswertung
herangezogen wird. Auf diese Weise ist gewährleistet, daß der Regelprozeß die Auswertung
nicht verfälscht. Diese
Regelung läßt sich
ohne großen
baulichen Aufwand äußerst kostengünstig realisieren.
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Die
Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
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1:
Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels
der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.
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2:
Impulsdiagramme für
die Vorrichtung gemäß 1.
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3:
Differenz von Nah- und Fernsignal am Ausgang des Empfängers der
Vorrichtung gemäß 1 in
Abhängigkeit
der Objektdistanz.
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1 zeigt
ein Ausführungsbeispiel
einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zum Erfassen von Objekten 2 in
einem Überwachungsbereich.
Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen Sendelichtstrahlen 3 emittierenden
Sender 4 auf, welcher von einer Leuchtdiode oder einem
Laser gebildet sein kann. In Abstand neben dem Sender 4 ist
ein Empfangslichtstrahlen 5 empfangender Empfänger 6 angeordnet.
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Der
Empfänger 6 kann
prinzipiell zwei Empfangselemente aufweisen, wobei ein Empfangselement
das Nahelement und das andere Empfangselement das Fernelement bildet.
Die am Ausgang des Nahelements anstehenden Empfangssignale bilden die
Nahsignale, die am Ausgang des Fernelements anstehenden Empfangsignale
bilden die Fernsignale.
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Im
vorliegenden Ausführungsbeispiel
ist der Empfänger 6 von
einem PSD-Element
gebildet. Die Längsachse
des PSD-Elements verläuft
im wesentlichen senkrecht zu den Strahlachsen der Sende- 3 und
Empfangslichtstrahlen 5. An einem der längsseitigen Enden wird über eine
Zuleitung 7 das Nahsignal abgegriffen, während über eine
zweite Zuleitung 8 am anderen längsseitigen Ende das Fernsignal
abgegriffen wird.
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Die
optoelektronische Vorrichtung 1 arbeitet nach dem Triangulationsprinzip.
Aus dem Auftreffort der Empfangslichtstrahlen 5 auf den
Empfänger 6 ergibt
sich ein bestimmtes Verhältnis
des Nah- und Fernsignals, welches ein Maß für die Distanz des Objekts 2 zur
optoelektronischen Vorrichtung 1 liefert. Bei großen Objektdistanzen
ist das Fernsignal erheblich größer als
das Nahsignal, während
für geringere Objektdistanzen
das Verhältnis
des Fernsignals zum Nahsignal immer kleiner wird.
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Demzufolge
ergibt der Quotient von Nah- und Fernsignal ein direktes Maß für die Distanz
des Objekts 2. Üblicherweise
werden zur Quotientenbildung kostenaufwendige Dividierer eingesetzt.
Derartige Bauelemente mit den hierfür notwendigen Schaltungsanordnungen
sind nicht nur aufwendig, sondern auch anfällig gegen äußere Störeinflüsse. Analoge Schaltungsanordnungen
weisen den Nachteil auf, daß sie äußerst empfindlich
gegen Schwankungen der Umgebungstemperatur sind. Bei digitalen Schaltungsanordnungen
besteht das Problem, daß sowohl das
Nah- als auch das Fernsignal digitalisiert werden muß. Dabei
besteht die Schwierigkeit darin, daß die Digitalisierung des Nah-
und Fernsignals zeitgleich durchgeführt werden muß.
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Um
diese Nachteile zu vermeiden wird bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen
Vorrichtung 1 die Quotientenbildung auf eine Differenzbildung
zurückgeführt. Dabei
wird die Summe von Nah- und Fernsignal mittels einer Reglereinheit 9 auf
einen konstanten Wert geregelt und dann die Differenz von Nah- und
Fernsignal gebildet.
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Wie
aus 1 ersichtlich, emittiert der Sender 4 Sendelichtstrahlen 3,
welche von einem Objekt 2 als Empfangslichtstrahlen 5 zum
Empfänger 6 zurückreflektiert
werden. Entsprechend der Lage des Lichtflecks auf dem von einem
PSD-Element gebildeten Empfänger 6 ergibt
sich ein bestimmtes Verhältnis
des Nah- und Fernsignals an den Ausgängen des PSD-Elements. Das
Nah- und Fernsignal wird über jeweils
eine der Zuleitungen 7, 8 einem Vorverstärker 10, 11 zugeführt, in
welchen das Nah- und Fernsignal verstärkt werden. Die Ausgänge der
Vorverstärker 10, 11 sind
jeweils auf einen Addierer 12 und einen Subtrahierer 13 geführt. Im
Addierer 12 wird die Summe des Nah- und Fernsignals gebildet,
während
im Subtrahierer 13 die Differenz von Nah- und Fernsignal
gebildet wird.
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Das
auf diese Weise gebildete Differenzsignal wird direkt in eine Auswerteeinheit 14 eingelesen, welche
von einem Microcontroller oder dergleichen gebil det ist. Das Summensignal
wird dagegen über die
Reglereinheit 9 der Auswerteeinheit 14 zugeführt.
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Die
Auswerteeinheit 14 weist einen Schaltausgang 15 zur
Ausgabe eines Schaltsignals auf. Zudem weist die Auswerteeinheit 14 einen
Parametriereingang 16 auf.
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Die
Reglereinheit 9 weist einen Subtrahierer 17 auf,
in welchem die Summe des Nah- und Fernsignals mit einer Referenzspannung
Uref verglichen wird. Die Referenzspannung
Uref steht am Ausgang eines Bandpaßfilters 18 an,
welcher an den Ausgang eines Taktgebers 19 angeschlossen
ist.
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Der
Taktgeber 19 weist einen Oszillator auf, über welchen
der Sender 4 im Pulsbetrieb betrieben wird. Dadurch sendet
der Sender 4 periodisch Sendelichtimpulse mit einem vorgegebenen
Puls-Pausenverhältnis
aus.
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Dem
Subtrahierer 17 der Reglereinheit 9 ist ein Regler 20 nachgeordnet,
mit welchem die Summe des Nah- und Fernsignals auf einen konstanten Wert
geregelt wird. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist der Regler 20 von
einem I-Regler gebildet, mit welchem die Sendeleistung des Senders 4 regelbar
ist. Am Ausgang des Reglers 20 ist eine Zuleitung zu einem
Komparator 21 mit einem nachfolgenden Bereichs- Endausgang 22 geführt, der
an einen Eingang der Auswerteeinheit 14 angeschlossen ist.
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Auf
die Zuleitung am Ausgang des Reglers 20 ist ein erster
Schalter 23 geführt.
Dieser Schalter 23 wird vom Taktgeber 19 gesteuert.
Dabei ist der Schalter 23 über eine Zuleitung mit dem
Sender 4 verbunden. Über
diese Zuleitung wird mittels des Reglers 20 die Sendeleistung
des Senders 4 geregelt.
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An
den Eingang des Reglers 20 ist ein zweiter Schalter 24 angeschlossen.
Dieser Schalter 24 ist über
Zuleitungen mit dem Subtrahierer 17 und dem Taktgeber 19 verbunden,
wobei der Schalter 24 über den
Taktgeber 19 gesteuert wird.
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Die
Funktionsweise der Schaltungsanordnung gemäß 1 wird im
folgenden anhand der Diagramme in 2 erläutert. Wie
aus dem oberen Diagramm in 2 ersichtlich
ist, werden durch die Ansteuerung des Senders 4 mit dem
Taktgeber 19 vom Sender 4 periodisch Sendelichtimpulse
emittiert, wobei die Pulsdauer eines Sendelichtimpulses jeweils gleich
dem Zeitintervall t4-t1 ist.
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Während der
Dauer eines Sendelichtimpulses wird jeweils mittels des Reglers 20 die
Sendeleistung des Sender 4 geregelt, so daß die Summe
des Nah- und Fernsignals einen vorgegebenen konstanten Wert einnimmt.
Dieser Wert ist durch die Referenzspannung Uref definiert.
Somit bildet die Differenz zwischen dem Summensignal und der Referenzspannung
Uref, welche im Subtrahierer 17 gebildet wird,
die Regelgröße für den Regler 20,
welche an dessen Eingang anliegt.
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Die
Referenzspannung Uref wird dabei über den
Taktgeber 19 synchron zu dem Sendetakt der Sendelichtimpulse
generiert. Wie in 2 dargestellt steigt der Wert
der Referenzspannung Uref vom Wert null
mit einer vorgegebenen Anstiegszeit kontinuierlich auf einen Maximalwert
an.
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Die
Anstiegszeit der Referenzspannung Uref ist
dabei durch die Filtercharakteristik des Bandpaßfilters 18 bestimmt.
Dabei weist das Bandpaßfilter 18 einen
gleichartigen Schaltungsaufbau wie die dem Empfänger 6 nachgeordneten
Vorverstärker 10, 11 auf.
Somit wird für
die Impulsform der Referenzspannung Uref im
wesentlichen derselbe Signalverlauf erhalten, wie an den Ausgängen der
Vorverstärker 10, 11 beim
Empfang eines Empfangslichtimpulses. Der Vorteil hierbei liegt darin,
daß dadurch
der Verlauf der Referenzspannung Uref an
den Verlauf des Summensignals am Ausgang des Addierers bestmöglichst
angepaßt
wird. Insbesondere ist die Anstiegszeit der Referenzspannung Uref an die Anstiegszeit des Nah- und Fernsignals
am Ausgang des Empfängers 6 an gepaßt. Dadurch
wird erreicht, daß während des
Regelvorgangs im Regler 20 Überschwinger weitgehend vermieden
werden.
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Die
Regelung durch den Regler 20 erfolgt jeweils nur während der
Emission eines Sendelichtimpulses. Hierzu wird der Regler 20 im
Sendetakt der Sendelichtimpulse periodisch aktiviert. Wie aus 2 ersichtlich
ist, erfolgt die Aktivierung des Reglers 20 jeweils zeitlich
versetzt zum Beginn eines Sendelichtimpulses. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel
wird der Regler 20 um ein Zeitintervall t2-t1 verzögert
zum Beginn eines Sendelichtimpulses aktiviert.
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Das
Abschalten des Reglers 20 fällt dabei jeweils zeitlich
mit dem Ende eines Sendelichtimpulses zusammen.
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Die
Beschaltung des Reglers 20 erfolgt dabei über die
beiden Schalter 23, 24. Durch Schließen des ersten
Schalters 23 wird der Ausgang des Reglers 20 mit
dem Sender 4 verbunden, wodurch ein Sendelichtimpuls emittiert
wird. Die Sendetaktvorgabe erfolgt dabei über den Taktgeber 19.
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Um
das Zeitintervall t2-t1 versetzt
wird über den
Taktgeber 19 der zweite Schalter 24 am Eingang des
Reglers 20 geschlossen wodurch der Regler 20 aktiviert
wird. Der zeitlich Verlauf der Aktivierung des Reglers 20 ist
im zweiten Diagramm in 2 dargestellt.
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Der
Regelungsvorgang des Reglers 20 ist in den beiden unteren
Diagrammen in 2 dargestellt. Während der
Dauer des ersten Sendelichtimpulses im Zeitintervall zwischen t1 und t4 folgt der
Verlauf des Summensignals, das heißt der Summe von Nah- und Fernsignal,
exakt dem Verlauf der Referenzspannung Uref.
Dieser Fall tritt im eingeschwungenen Zustand ein, wenn beispielsweise über eine längere Zeit
mit den Sendelichtimpulsen jeweils dasselbe Objekt 2 in
gleicher Distanz erfaßt
wird. Der Sender 4 ist in diesem Fall bereits eingeregelt,
so daß eine
Nachregelung des Summensignals durch den Regler 20 kaum
noch nötig
ist.
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Während des
zweiten Sendelichtimpulses im Zeitintervall zwischen T+t1 und T+t4 hat sich
beispielsweise die Distanz des Objekts 2 plötzlich erhöht, so daß nur noch
eine geringere Lichtmenge auf den Empfänger 6 trifft. Ohne
Regelung des Reglers 20 würde sich dann der gestrichelt
dargestellte Signalverlauf des Summensignals ergeben. Infolge der Regelung
des Reglers 20 wird jedoch die Sendeleistung des Senders 4 erhöht, so daß das Summensignal
auf den Wert der Referenzspannung Uref eingeregelt
wird. Da das Bandpaßfilter 18 einen
gleichartigen Aufbau wie die Vorverstärker 10, 11 aufweist,
entstehen während
der Regelung im Zeitintervall zwischen T+t2 und
T+t3 kaum Überschwinger, so daß sich das Summensignal
nahezu kontinuierlich dem durch die Referenzspannung Uref vorgegebenen
Maximalwert nähert.
Dabei ist der Regelvorgang zum Zeitpunkt T+t3 bereits
abgeschlossen.
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In
der Auswerteeinheit (14) ist ein nicht dargestelltes Sample & Hold Glied vorgesehen,
welches von Sample-Impulsen, die im Taktgeber (19) generiert
werden, angesteuert wird. Diese Folge von Sample-Impulsen ist im
dritten Diagramm in 2 dargestellt. Der Anfang der
Sample-Impulse ist jeweils um ein Zeitintervall t3-t1 gegenüber
dem Beginn eines Sendelichtimpulses verzögert. Das Ende eines Sample-Impulses
fällt jeweils
mit dem Ende des entsprechenden Sendelichtimpulses zusammen.
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Während der
Dauer eines Sample-Impulses wird mittels des Sample & Hold Glieds jeweils
die Differenz zwischen Nah- und Fernsignal am Ausgang des Subtrahierers 13 in
der Auswerteeinheit 14 festgehalten und zur Quotientenbildung
in der Auswerteeinheit 14 herangezogen. Hierzu wird die
Quotientenbildung in der Auswerteeinheit 14 durch eine
Differenzbildung ersetzt, in dem die Differenz von Nah- und Fernsignal
am Ausgang des Subtrahierers 17 auf die auf den konstanten
Wert der Referenzspannung Uref geregelte
Summe des Nah- und
Fernsignals bezogen wird. Da dieses Summensignal auf den konstanten
Wert von Uref geregelt ist braucht dabei
in der Auswerteeinheit 14 keine Divi sion mehr durchgeführt werden,
so daß die
Differenz von Nah- und Fernsignal bereits dem Quotienten des Nah-
und Fernsignals entspricht.
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Die
zeitliche Folge der Sample-Impulse ist dabei so gewählt, daß deren
zeitliche Verzögerung t3-t2 zur Aktivierung
des Reglers 20 so groß ist,
daß der
Regelvorgang des Reglers 20 bereits abgeschlossen ist,
wenn ein Sample-Impuls ansteht. Auf diese Weise ist gewährleistet,
daß durch
den Regelprozeß des
Reglers 20 das Differenzsignal am Ausgang des Subtrahierers 17 nicht
verfälscht
wird.
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Das
Differenzsignal liefert somit ein genaues Maß für die Distanz des Objekts 2 zur
optoelektronischen Vorrichtung 1. Der typische Signalverlauf
des Differenzsignals in Abhängigkeit
der Objektdistanz ist in 3 dargestellt.
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Zur
Objekterfassung wird dieses Differenzsignal in der Auswerteeinheit 14 mit
einem Schwellwert S bewertet. Dadurch wird ein binäres Schaltsignal generiert,
welches über
den Schaltausgang 15 ausgebbar ist. Dabei ist der Schwellwert
S so gewählt, daß für große Objektdistanzen
das Schaltsignal den Schaltzustand „aus" einnimmt, während für kleine Objektdistanzen der
Schaltzustand „ein" eingenommen wird,
was einer Objektdetektion entspricht. Dadurch wird erreicht, daß von in
großer
Distanz angeordneten Hintergrundobjekten keine Fehldetektionen ausgelöst werden.
Vielmehr werden Objekte 2 nur bis zu einer Maximaldistanz
zur optoelektronischen Vorrichtung 1 erfaßt, welche
durch die Höhe
des Schwellwerts S vorgebbar ist.
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Wie
in 3 dargestellt, läßt sich bei der optoelektronischen
Vorrichtung 1 zudem der nutzbare Tastweitenbereich im Intervall
zwischen d1 und d2 begrenzen.
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Hierzu
ist dem Regler 20 der Komparator 21 mit dem Bereichs-Endausgang 22 nachgeordnet.
Im Komparator 21 wird das Ausgangssignal des Reglers 20 mit
einem Schwellwert S1 bewertet.
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Solange
der Regler 20 in seinem Aussteuerbereich arbeitet, kann
mittels des Reglers 20 das Summensignal auf den Wert von
Uref eingeregelt werden. Der Schwellwert
S1 im Komparator ist so gewählt,
daß bei
innerhalb des Aussteuerbereichs arbeitendem Regler 20 dessen
Ausgangssignal unterhalb des Schwellwerts S1 des Komparators 21 liegt. Bei
sehr großen
Objektdistanzen oder bei schwach reflektierenden Objekten 2 werden
die Amplituden des Nah- und
Fernsignals jedoch so klein, daß der Regler 20 außerhalb
des Aussteuerbereichs arbeitet und eine Einregelung des Summensignals
auf Uref nicht mehr möglich ist. Dies entspricht
in 3 dem Bereich von Objektdistanzen größer als
d2. In diesem Fall liegt das Ausgangssignal
oberhalb des Schwellwerts S1 des Komparators 21, so daß der Bereichs-Endausgang 22 aktiviert
wird. Vorzugsweise wird dadurch eine Stör- oder Warnmeldung generiert oder
der Schaltausgang der Vorrichtung 1 deaktiviert. Dasselbe
gilt für
kleine Objektdistanzen oder bei sehr stark reflektierenden Objekten 2.
Dieser Fall entspricht in 3 dem Bereich
für Objektdistanzen kleiner
als d1. Auch in diesem Bereich arbeitet
der Regler 20 außerhalb
des Aussteuerbereichs, so daß das
Ausgangssignal des Reglers 20 oberhalb des Schwellwerts
S1 des Komparators 21 liegt.