DE68913743T2 - Detektorschaltung. - Google Patents

Description

• Die Erfindung betrifft eine Objekt-Detektorschaltung.
• Detektorschaltungen werden heute in einer breiten Vielzahl von Applikationen eingesetzt. Zum Beispiel werden Lift- oder Aufzugstüren mit einer Detektorschaltung versehen, um zu verhindern, daß sich die Türen schließen, wenn das Vorhandensein eines Hindernisses in der Türöffnung wahrgenommen wird.
• Bei automatischen Handtrocknern wird eine Detektorschaltung verwendet, um die Annäherung der zu trocknenden Hände wahrzunehmen und als Reaktion darauf die Zufuhr vom heißer Luft zu aktivieren.
• Bei automatischen Toiletten wird eine Detektorschaltung verwendet, um das Verlassen eines Benutzers vom Toilettensitz zu überwachen und die Schaltung aktiviert nach einer vorbestimmten Verzögerungszeit den Spülmechanismus. Die gleiche Schaltung kann verwendet werden, um in Reaktion auf die Annäherung eines Benutzers zu dem Toilettensitz einen Ventilator einzuschalten.
• Eine derartige Schaltung kann Infrarotsender und -detektoren verwenden. Die Sender und die Detektoren sind vorteilhaft Halbleitersender und -detektoren, vorzugsweise jedoch wegen der kostengünstigerer Herstellung in der Form von Dioden.
• Wenn solche Dioden als Detektoren verwendet werden, sind sie im allgemeinen über ein Paar Energiezuführungsschienen mit einem Widerstand in Serie geschaltet. Diese Dioden sind derart angeordnet, daß sie entweder direkt oder über Reflektion Licht von einer lichtemittierenden Diode. empfangen.
• Die Umgebung, in der solche Dioden arbeiten müssen, bedeutet oft, daß die Detektionsdioden Sonnenlicht ausgesetzt sind, welches vielfach stärker ist als die Lichtausstrahlung der lichtemittierenden Diode. Um die Diode vor einer Sättigung zu bewahren, muß der Wert des in Serie geschalteten Widerstands relativ klein (z.B. 200 Ohm) sein. Als Konsequenz davon ist die Änderung im Ausgangssignalpegel der Detektordiode relativ klein und auch das Signal-Rausch- Verhältnis ist sehr gering.
• In der Praxis bedeutet dies, daß die Detektorschaltung im allgemeinen auf diejenigen Applikationen beschränkt ist, bei denen der Bereich, über den eine Detektion erforderlich ist, relativ gering ist.
• Das deutsche Patent Nr. 2 538 275, das US-Patent Nr. 4 260 882 und das australische Patent Nr. 509 436 offenbaren eine Detektorschaltung, die eine Aufeinanderfolge von beabstandeten Bereichen überwachen kann, wobei nur ein Sender und ein Empfänger in jedem Bereich vorgesehen sind. Die vorliegende Erfindung ist derart ausgebildet, daß mehr als ein Sender oder Empfänger in jedem Bereich vorhanden ist, um das empfangene Signal zu vergrößern.
• Das britische Patent Nr. 1 524 564 beschreibt einem Lichtschrankenapparat zum Detektieren der Anwesenheit eines Objekts in einem zu überwachenden Bereich.
• Einer Reihe von Lichtgeneratoren liegt eine Reihe von Lichtrezeptoren gegenüber und schafft eine Reihe von Strahlen, welche den zu überwachenden Bereich durchqueren.
• Es sind Taktmittel vorgesehen, so daß jeder Lichtgenerator in Folge eingeschaltet wird und jeder Lichtrezeptor in Synchronität mit seinem entsprechenden Lichtgenerator aktiviert wird, so daß nur ein Lichtgenerator und ein Lichtrezeptor gleichzeitig für den gleichen Detektionbereich aktiv sind.
• Die Beschreibung erwähnt beiläufig, daß zwei oder nehr Lichtrezeptoren einem Lichtgenerator zugeordnet sein können, und daß ein einziger Lichtrezeptor zwei oder mehr Lichtgeneratoren zugeordnet sein kann, jedoch ist der Austastprozeß derart, daß nur einer der zwei oder mehr Rezeptoren oder Generatoren gleichzeitig aktiviert ist.
• Die vorliegende Erfindung ist gegenüber dem Stand der Technik dahingehend vorteilhaft, daß sie eine Matrix von Lichtrezeptoren und -generatoren vorsieht, welche zusammengeschaltet sind, so daß ihre Wirkungen kumulativ sind und die Wirkung der Umgebungsbeleuchtung im wesentlichen eliminiert ist.
• Aufgabe der Erfindung ist es, eine verbesserte Detektorschaltung bereitzustellen.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist eine Objekt-Detektorschaltung vorgesehen, enthaltend eine Sender-Matrix, die n lichtemittierende Elemente aufweist, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist, eine Empfänger-Matrix, die in lichtempfangende Elemente aufweist, wobei m eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist, und wobei wenigstens eine der Zahlen in und n größer als 1 ist und jedes Element einer jeden Matrix derart angeordnet ist, daß das Vorhandensein des gleichen Objekts in einem vorbestimmten räumlichen Bereich gleichzeitig beleuchtet bzw. erfaßt ist, ein Schild, das zwischen der Sender- und der Empfänger-Matrix angeordnet ist und verhindert, daß die Empfänger-Matrix Licht direkt von der Sender-Matrix empfängt, jedoch zuläßt, daß Licht von der Sender-Matrix an einem zu erfassenden Objekt in diesem vorbestimmten räumlichen Bereich reflektiert und von der Empfänger-Matrix empfangen wird, eine Energiequelle zur Energieversorgung der Sender- und der Empfänger-Matrix, erste Taktmittel zum Takten der Energie von der Energieguelle zur Sender-Matrix, zweite Taktmittel zum Takten der Ausgänge der Empfänger- Matrix, Synchronisationsmittel, die bei einer vorbestimmten Frequenz arbeiten, zur simultanen Betätigung des ersten und des zweiten Taktmittels, so daß das Licht von dem oder von allen emittierenden Elementen, wenn es auf die Empfänger- Matrix gerichtet ist, gleichzeitig von dem oder von allen empfangenden Elementen erfaßt wird, und Summiermittel zum Summieren der Ausgänge der zweiten Taktmittel, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, welches um das Produkt von n und in größer ist als das Ausgangssignal, das erzeugt würde, wenn sowohl n und m gleich 1 wären.
• Entsprechend der vorliegenden Erfindung ist desweiteren eine Objekt-Detektorschaltung vorgesehen, enthaltend eine Sender- Matrix, die ein oder mehrere lichtemittierende Elemente aufweist, eine Empfänger-Matrix, die wenigstens zwei lichtempfangende Elemente aufweist, wobei jedes Element einer jeden Matrix derart angeordnet ist, daß das Vorhandensein des gleichen Objekts in einem vorbestimmten räumlichen Bereich gleichzeitig beleuchtet bzw. erfaßt ist, eine Energiequelle zur Energieversorgung der Senden- und der Empfänger-Matrix, erste Taktmittel zum Takten der Energie von der Energiequelle zur Sender-Matrix, zweite Taktmittel zum Takten der Ausgänge der Empfänger-Matrix, Synchronisationsmittel, die bei einer vorbestimmten Frequenz arbeiten, zur simultanen Betätigung des ersten und des zweiten Taktmittels, so daß das Licht von dem oder von allen einittierenden Elementen, wenn es auf die Empfänger-Matrix gerichtet ist, gleichzeitig von allen empfangenden Elementen erf aßt wird, und Summierinittel zum Summieren der Ausgänge der zweiten Taktmittel, um ein Ausgangssignal bereitzustellen, welches um das Produkt aus der Anzahl der lichtemittierenden Elemente und der Anzahl der lichtempfangenden Elemente größer ist als das Ausgangssignal, welches erzeugt würde, wenn das Produkt gleich 1 wäre.
• Eine die Erfindung verkörpernde Detektorschaltung wird nun beispielhafterweise anhand der beigefügten schematischen Zeichnung beschrieben, die ein Schaltbild der Schaltung zeigt.
• Die in der einzigen Figur dargestellte Detektorschaltung dient zum Einbau bspw. in einem Handtrockner, um einen Ventilator und ein Heizelement automatisch einzuschalten, wenn das Vorhandensein einer Hand in der Nähe des Auslasses des Trockners wahrgenommen wird. Der Ventilator und das Heizelement sind in der Zeichnung durch eine Auslasseinrichtung 10 dargestellt. Das Vorhandenseln einer Hand wird durch eine Matrix von Sendern, die mit einer Matrix von Empfängern zusammenwirken, wahrgenommen.
• Die Matrix von Empfänger ist in vorteilhafter Weise gegen eine direkte Sichtlinie mit dem Sender abgeschirmt reagiert jedoch auf Licht der Sender, wenn es von der Hand dann, wenn sie da ist, reflektiert wird. Anstelle dessen können die Sender-Matrix und die Empfänger-Matrix in direkter Sichtlinie zueinander positioniert und derart angeordnet sein, daß sie ansprechen, wenn das Licht durch die Gegenwart einer Hand unterbrochen wird.
• Wie mehr im Detail gezeigt wird, enthält die Schaltung eine Energieversorgung 2, die eine Stromquelle 4 speist. Die Stromquelle 4 wird durch die Ausgangssignale eines Oszillators 6 getaktet, die beispielsweise Rechteckimpulse mit einem Tastverhältnis von 1 : 10 und einer Frequenz von 2 kHz sind. Die Frequenz von 2 kHz ist gewählt, damit die folgenden Empfängerschaltungen den Gleichstromanteil des Sonnenlichts und den Wechselstromanteil von künstlichem Licht (fluoreszentes Licht arbeitet bei 50 oder 60 Hz) ausfiitern können.
• Die Stromquelle 4 wiederum speist die Serienkombination von vier iichtemittierenden Dioden 12, 14, 16, 18. Ein Schalter 20 ist zu zwei in Serie geschalteten Dioden 16, 18 parallelgeschaltet, um diese in Nebenschluß zu legen und aus der Schaltung zu bringen, wenn sie nicht benötigt werden. Ein Schalter 8 ist zu drei in Serie geschalteten Dioden 14, 16, 18 parallelgeschaltet, um diese in Nebenschluß zu legen und aus der Schaltung zu bringen, wenn sie nicht benötigt werden. Vier Dioden 12, 14, 16, 18 definieren eine Sender- Matrix.
• Eine Empfänger-Matrix enthält vier Fotodioden 22, 24, 26, 28. Jede Fotodiode 22, 24, 26, 28 ist mit einem entsprechenden von vier Widerständen 32, 34, 36, 38 in Serie geschaltet, und die vier Serienkombinationen sind zwischen eine positive Versorgungsschiene 30 und Erde parallel geschaltet.
• Das am Verbindungspunkt zwischen der Diode 22 und (dem Widerstand 32 auftretende Signal wird von einem getakteten Trennverstärker 42 gepuffert geschaltet, und über einen Kondensator 52, der ein Gleichstromfilter und ein 50-60 Hz Wechselstrom-Filter bildet, und einen Widerstand 62 zu einem Summierverstärker 70 geführt.
• Entsprechend werden die Signale, die an den Verbindungspunkten zwischen den Dioden 24, 26, 28 und an den korrespondierenden Widerständen 34, 36, 38 auftreten, durch entsprechende Kondensatoren 44, 46, 48 gepuffert geschaltet, durch entsprechende Widerstände 54, 56, 58 gefiltert und dem gemeinsamen Summierverstärker über entsprechende Widerstände 64, 66, 68 zugeführt.
• Das Ausgangssignal des Summierverstärkers 70 ist der Auslaßeinrichtung 10 zu deren Steuerung zugeführt. Ein Schild 31 ist zwischen der Sender- und der Empfänger- Matrix vorgesehen und eine reflektierende Oberfläche 40 (wie eine Hand) ist unterhalb des Schildes gezeigt, durch welche Licht von der Sender-Matrix auf die Empfänger-Matrix gerichtet werden kann.
• Der Ausgang eines jeden getakteten Trennverstärkers 42, 44, 46, 48 ist mit dem Oszillator verbunden, so daß die getakteten Trennverstärker 42, 44, 46, 48 synchron mit dem von der Senderdioden-Matrix ausgesandten Licht getaktet sind.
• Die Widerstände 32, 34, 36, 38 können variable Widerstände sein und sind derart ausgewählt, daß sie für eine an ihre entsprechenden Dioden angepaßte Impedanz sorgen.
• Insbesondere wenn es wahrscheinlich ist, daß die Dioden 22, 24, 26, 28 Sonnenlicht (direkt oder indirekt) ausgesetzt sind, werden die Werte der Widerstände derart gewählt, daß die Dioden nicht sättigen und ihre Empfindlichkeit gegenüber Licht von der Sender-Matrix beibehalten.
• Durch die Verwendung von vier lichtemittierenden Dioden bei der Sende-Matrix wird die Empfindlichkeit jeder Diode 22, 24, 26, 28 um einen Faktor von 4 wirksam gesteigert. Dies bedeutete daß der Detektionsbereich ohne Verlust an Empfindlichkeit gegenüber dem Fall, wenn nur eine Senderdiode verwendet wird, erweitert werden kann.
• Darüberhinaus kann durch die Verwendung von vier Dioden, jede davon in einem unabhängigen Schaltkreis, und durch eine Wechselstrom-Entkopplung und einer daran anschließenden Kombination der vier Ausgänge in einem Summierverstärker die Größe des Ausgangssignals um einen Faktor 4 gesteigert werden, ohne den Rauschpegel signifikant zu erhöhen (das Rauschen, welches zufällig verteilt ist, neigt dazu, im Summierverstärker gemittelt zu werden statt kumulativ zu sein wie bei den detektierten Signalen). Auch Sättigungswirkungen werden vermieden, da das verstärkte Ausgangssignal sich niemals dem Spannungsniveau auf der positiven Schiene 30 annähern kann.
• Infolgedessen ist das Signal-Rausch-Verhältnis verbessert.
• Die beschriebene Detektorschaltung ist ein Vielzweck- Schaltkreis, der in einfacher Weise zur Abdeckung verschiedener Detektionsbereichserfordernisse in verschiedenen Umgebungen angepaßt werden kann. Um den Betriebsbereich zu verkleinern, können die Schalten 20, 8 progressiv geschlossen werden. Anstelle dessen oder zusätzlich hierzu können die Ausgänge der Verstärker durch Verbindungen oder Schaltungen (nicht gezeigt) selektiv gesperrt werden. Selbstverständlich kann die Anzahl der lichtemittierenden Dioden und Photodioden nach Wunsch vergrößert oder verkleinert werden.
• Verallgemeinert gilt, daß das Ausgangssignal S des Summierverstärkers eine Funktion der Anzahl n der Fotodioden im Schaltkreis und der Anzahl in der lichtemittierenden Dioden im Schaltkreis ist,
• d.h. S = f (m.n),
• wobei wenigstens in oder n eine ganze Zahl größer als 1 ist.
• Dies stellt einen signifikaten Vorteil gegenüber dem Stand der Technik dar, bei dem - um den Wert von S zu erhöhen und Sättigung durch Sonnenlicht zu vermeiden - teurere Komponenten (z.B. Fototransitoren) und teurere Verstärker verwendet werden müssen (um ein geringeres Signal-Rausch- Verhältnis zu vermeiden). Die zusätzlichen Kosten derartiger Komponenten überschreitet gewöhnlicherweise die Kosten der erhöhten Änzahl von billigeren Komponenten, die beim vorliegenden Ausführungsbeispiel verwendet werden, bei weitem.
• Darüber hinaus kann mit der vorliegenden Ausführungsform der effektive Betriebsbereich des Detektors praktisch bis ins Unendliche gesteigert werden - etwas, was mit dem aus dem Stand der Technik bekannten Anordnungen nicht möglich ist.
• Das Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung sorgt daher für unerwartetes Ergebnis, daß durch die Verwendung von Matrizen aus billigeren Komponenten und durch Summation ihrer Effekte bessere Ergebnisse erzielt werden können als durch die Verwendung teuerer herkömmlicher Anordnungen, bei denen die Empfindlichkeit gewöhnlicherweise begrenzt ist.
• Das ausgesandte und empfangene Licht ist vorzugsweise im Infrarotbereich.

Claims (11)

1. Objekt-Detektorschaltung, enthaltend eine Sender- Matrix, die n lichtemittierende Elemente (12,14,16,18) aufweist, wobei n eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist, eine Empfänger-Matrix, die m lichtempfangende Elemente (22,24,26,28) aufweist, wobei m eine ganze Zahl gleich oder größer als 1 ist, und wobei wenigstens eine der Zahlen m und n größer als 1 ist und jedes Element (12,16,18,22,24,26,28) einer jeden Matrix derart angeordnet ist, daß das Vorhandensein des gleichen Objekts in einem vorbestimmten räumlichen Bereich gleichzeitig beleuchtet bzw. erfaßt ist, ein Schild (31), das zwischen der Sender- und der Empfänger-Matrix angeordnet ist und verhindert, daß die Empfänger-Matrix Licht direkt von der Sender-Matrix empfängt, jedoch zuläßt, daß Licht von der Sender-Matrix an einem zu erfassenden Objekt (40) in diesem vorbestimmten räumlichen Bereich reflektiert und von der Empfänger- Matrix empfangen wird, eine Energiequelle (2) zur Energieversorgung der Sender- und der Empfänger-Matrix, erste Taktmittel (4) zum Takten der Energie von der Energiequelle (2) zur Sender-Matrix, zweite Taktmittel (42,44,46,48) zum Takten der Ausgänge der Empfänger- Matrix, Synchronisationsmittel (6), die bei einer vorbestimmten Frequenz arbeiten, zur simultanen Betätigung des ersten und des zweiten Taktmittels 4,42,44,46,48), so daß das Licht von dem oder von allen emittierenden Elementen (12,14,16,18), wenn es auf die Empfänger-Matrix gerichtet ist, gleichzeitig von dem oder von allen empfangenden Elementen 22,24,26,28) erfaßt wird, und Summiermittel (70) zum Summieren der Ausgänge der zweiten Taktmittel (42,44,46,48), um ein Ausgangssignal bereitzustellen, welches um das Produkt von n und m größer ist als das Ausgangssignal, das erzeugt würde, wenn sowohl n und m gleich 1 wären.

2. Objekt-Detektorschaltung, enthaltend eine Sender- Matrix, die ein oder mehrere lichtemittierende Elemente (12,14,16,18) aufweist, eine Empfänger-Matrix, die wenigstens zwei lichtempfangende Elemente (22,24,26,28) aufweist, wobei jedes Element (12,14,16,18,22,24,26,28) einer jeden Matrix derart angeordnet ist, daß das Vorhandensein des gleichen Objekts in einem vorbestimmten räumlichen Bereich gleichzeitig beleuchtet bzw. erfaßt ist, eine Energiequelle (2) zur Energieversorgung der Sender- und der Empfänger-Matrix, erste Taktmittel (4) zum Takten der Energie von der Energiequelle zur Sender-Matrix, zweite Taktmittel (42,44,46,48) zum Takten der Ausgänge der Empfänger- Matrix, Synchronisationsmittel (6), die bei einer vorbestimmten Frequenz arbeiten, zur simultanen Betätigung des ersten und des zweiten Taktmittels (42,44,46,48), so daß das Licht von dem oder von allen emittierenden Elemente (12,14,16,18), wenn es auf die Empfänger-Matrix gerichtet ist, gleichzeitig von allen empfangenden Elementen (22,24,26,28) erfaßt wird, und Summiermittel (70) zum Summieren der Ausgänge der zweiten Taktinittel (42,44,48), um ein Ausgangssignal bereitzustellen, welches um das Produkt aus der Anzahl der lichtemittierenden Elemente (12,14,16,18) und der Anzahl der lichtempfangenden Elemente (22,24,26,28) größer ist als das Ausgangssignal, welches erzeugt würde, wenn das Produkt gleich 1 wäre.

3. Detektorschaltung nach Anspruch 1 oder Anspruih 2, enthaltend Schaltmittel (20,8) zum selektiven Andern der Anzahl der lichtemittierenden oder Lichtempfangenden Elemente (12,14,16,18,22,24,26,28).

4. Detektorschaltung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der das oder jedes lichtemittierende Element (12,14,16,18) eine lichtemittierende Diode enthält, und bei der das oder jedes detektierende Element (22,24,26,28) eine Fotodiode enthält.

5. Detektorschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der jedes lichtempfangende Element (22,24,26,28) einen Fotodetektor aufweist und Widerstandsmittel (64-68) mit dem Fotodetektor in Serie geschaltet sind, um einen Verbindungspunkt damit testzulegen, und bei der die zweiten Taktmittel 42,44,46,48) die Ausgänge an den Verbindungspunkten zwischen jedem Fotodetektor und dessen korrespondierenden Widerstandsmittel takten.

6. Detektorschaltung nach Anspruch 5, enthaltend Filterinittel (52,58), die zwischen jedem Verbindungspunkt und den Summiermitteln (70) (geschaltet sind und die Gleichstromkomponente und die niederfrequente Wechselstromkomponente im Ausgang an jedem Verbindungspunkt vor dem Anlegen an die Summiermittel (70) filtern.

7. Detektorschaltung nach Anspruch 5 oder Anspruch 6, enthaltend Verstärkermittel (42-48), die zwischen jedem Verbindungspunkt und den Summiermitteln (70) geschaltet sind.

8. Detektorschaltung nach einem der vorangehenden Ansprüche, bei der die Vielzahl von lichtemittierenden Elementen (12-18) in Serie geschaltet ist und die eine Stromquelle (4) enthält, die zur Energieversorgung der lichtemittierenden Elemente (12-18) geschaltet ist.

9. Detektorschaltung nach Anspruch 8, bei der die Synchronisationsmittel einen Oszillator (6) enthalten, der mit der Stromquelle (4) zu deren Takten und mit den zweiten Taktmitteln verbunden ist.

10. Detektorschaltung nach Anspruch 3, bei der die Schaltmittel die lichtemittierenden Elemente (12-18) selektiv in die und aus den Schaltkreisen zu- bzw. wegschalten.

11. Detektorschaltung nach mindestens einem der vorangehenden Ansprüche, bei der das ausgesandte und empfangene Licht im Infrarotbereich liegt.