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Dokumentenidentifikation DE102004008925B4 13.04.2006
Titel Optoelektronische Vorrichtung
Anmelder Leuze electronic GmbH & Co KG, 73277 Owen, DE
Erfinder Argast, Martin, 72584 Hülben, DE
Vertreter Ruckh, R., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 73277 Owen
DE-Anmeldedatum 24.02.2004
DE-Aktenzeichen 102004008925
Offenlegungstag 09.09.2004
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 13.04.2006
Veröffentlichungstag im Patentblatt 13.04.2006
IPC-Hauptklasse G01V 8/20(2006.01)A, F, I, 20051017, B, H, DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich.

Aus der DE 44 36 597 A1 ist eine als Barcodelesegerät ausgebildete optoelektronische Vorrichtung bekannt. Das Barcodelesegerät weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender sowie einen einzelnen Empfänger auf. Die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen werden über eine Ablenkeinheit in Form eines Polygonspiegelrads abgelenkt und werden auf diese Weise periodisch innerhalb eines Erfassungsbereichs geführt. Der Überwachungsbereich ist durch ein Kontrastmuster in Form eines Barcodes begrenzt. Mit den Sendelichtstrahlen wird bei freiem Strahlengang das Kontrastmuster vollständig abgetastet. Bei einem Objekteingriff wird das Kontrastmuster nicht mehr vollständig erfasst, worauf von der optoelektronischen Vorrichtung eine Objektmeldung ausgegeben wird.

Nachteilig bei dieser optoelektronischen Vorrichtung ist, dass die Ablenkeinheit zur Strahlablenkung der Sendelichtstrahlen einen erheblichen konstruktiven Aufwand der optoelektronischen Vorrichtung bedingt, wobei zudem durch die bewegten Teile der Ablenkeinheit die Lebensdauer der optoelektronischen Vorrichtung begrenzt ist. Weiterhin ist durch die Periodendauer der Abtastbewegung der Sendelichtstrahlen die Ansprechzeit der optoelektronischen Vorrichtung bei der Objektdetektion begrenzt.

Aus der DE 102 02 305 A1 ist ein optischer Sensor bekannt, der zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich dient und jeweils wenigstens einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit ur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale aufweist. Die Sendelichtstrahlen sind über ein im Überwachungsbereich angeordnetes Reflexionselement oder Transmissionselement geführt, welches eine aktive Fläche mit einem vorgebbaren Muster von Reflexionskoeffizienten oder Transmissionskoeffizienten aufweist, wodurch den auf den Empfänger geführten Empfangslichtstrahlen eine Kodierung aufgeprägt ist, welche in der Auswerteeinheit erfasst wird.

Die EP 1 221 582 A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zur Ermittlung von Distanzprofilen von Objekten mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden aus einer flächigen Anordnung von Empfangselementen bestehenden Empfänger sowie einer Auswerteeinheit zur Auswertung von in den Empfangselementen generierten Empfangssignalen. Nur die Sendelichtstrahlen werden über einen Schwingspiegel periodisch in zwei Raumrichtungen abgelenkt, so dass diese auf der Oberfläche des Objekts eine Abtastfläche überstreichen. Die am Objekt reflektierten Sendelichtstrahlen sind als Empfangslichtstrahlen zum Empfänger geführt.

Die DE 197 30 341 A1 betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer optoelektronischen Sensoranordnung mit einer Lichtempfangseinheit zum Empfang von aus einem Überwachungsbereich stammenden Licht und mit einer Steuer- und Auswerteinheit. Bei dem Verfahren wird die Lichtempfangseinheit in mehrere Empfangszonen unterteilt, die jeweils einer Objektzone im Überwachungsbereich entsprechen.

Je nach Größe des Objekts und dessen Distanz zur Sensoranordnung werden unterschiedliche Empfangszonen der Lichtempfangseinheit beleuchtet.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde eine optoelektronische Vorrichtung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mittels derer bei geringem Aufwand eine möglichst sichere Detektion von Objekten ermöglicht wird.

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

Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Diese optoelektronische Vorrichtung umfasst einen Empfänger, der aus mindestens zwei Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfangselementen besteht. Ebenso weist die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung ein aus Kontrastelementen bestehendes, den Überwachungsbereich begrenzendes Kontrastmuster auf. Die bei freiem Überwachungsbereich von Kontrastelementen mit ersten Reflexionskoeffizienten zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen treffen auf ein erstes Empfangselement und die von Kontrastelementen mit zweiten Reflexionskoeffizienten zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen treffen auf das zweite Empfangselement. Weiterhin weist die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung eine Auswerteeinheit auf, in welcher aus den Differenzen der Empfangssignale an den Ausgängen der Empfangselemente ein binäres Objektfeststellungssignal generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt im Überwachungsbereich befindet oder nicht.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht darin, ein Kontrastmuster als Begrenzung des Überwachungsbereichs derart vorzusehen, dass ein oder mehrere Kontrastelemente mit ersten Reflexionskoeffizienten auf wenigstens ein erstes Empfangselement des Empfängers und ein oder mehrere Kontrastelemente mit zweiten Reflexionskoeffizienten, die sich von den Reflexionskoeffizienten der ersten Kontrastelemente unterscheiden, auf ein zweites Empfangselement des Empfängers abgebildet werden.

Die dabei erhaltenen Empfangssignale der Empfangselemente unterscheiden sich damit entsprechend der unterschiedlichen Reflexionskoeffizienten der Kontrastelemente des Kontrastmusters signifikant. Entsprechend groß ist die in der Auswerteeinheit gebildete Differenz der Empfangssignale beider Empfangselemente.

Dringt ein Objekt in den Überwachungsbereich ein, so wird die Differenz der Empfangssignale der Empfangselemente signifikant verringert, da dessen Oberfläche nicht dem definierten Kontrastmuster entspricht, sondern typischerweise eine homogene oder eine unregelmäßige Reflektivität aufweist.

Somit kann insbesondere durch eine Schwellwertbewertung der Differenz der Empfangssignale eine sichere Objektdetektion mit der optoelektronischen Vorrichtung durchgeführt werden.

Besonders. vorteilhaft hierbei ist, dass bei der optoelektronischen Vorrichtung kein Sender und insbesondere auch keine Ablenkeinheit zur Ablenkung der vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen innerhalb des Überwachungsbereichs benötigt wird. Vielmehr reicht das stets vorhandene Umgebungslicht, welches auf das Kontrastmuster beziehungsweise auf ein zu detektierendes Objekt fällt, zur Objekterfassung aus. Die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung weist somit einen äußerst einfachen und kostengünstigen Aufbau auf.

Im einfachsten Fall kann das Kontrastmuster aus zwei Kontrastelementen mit unterschiedlichen Reflexionskoeffizienten bestehen. Die Nachweisempfindlichkeit der optoelektronischen Vorrichtung kann auf einfache Weise dadurch erhöht werden, dass das Kontrastmuster eine lineare oder flächige Anordnung mehrerer Kontrastelemente aufweist, wobei das Kontrastmuster eine alternierende Anordnung von Kontrastelementen geringer und hoher Reflektivität aufweist.

Im einfachsten Fall besteht der Empfänger aus zwei Empfangselementen, wobei die Kontrastelemente mit hohen Reflexionskoeffizienten auf das erste Empfangselement und die Kontrastelemente mit geringen Reflexionskoeffizienten auf das zweite Empfangselement abgebildet werden. In diesem Fall wird unmittelbar die Differenz der Empfangssignale beider Empfangselemente zur Objektdetektion herangezogen.

Alternativ umfasst der Empfänger eine Mehrfachanordnung von ersten Empfangselementen, auf welche die Kontrastelemente mit hohen Reflexionskoeffizienten abgebildet werden, und eine Mehrfachanordnung von zweiten Empfangselementen, auf welche die Kontrastelemente mit geringen Reflexionskoeffizienten abgebildet werden. In diesem Fall wird zunächst jeweils die Summe der Empfangssignale der ersten und zweiten Empfangselemente gebildet. Anschließend wird die Differenz beider Summen zur Objektdetektion herangezogen. Diese Ausführungsform der optoelektronischen Vorrichtung eignet sich insbesondere für Kontrastmuster mit komplexen Strukturen unterschiedlicher Kontrastelemente.

In einer besonders vorteilhaften Ausführungsform weist die optoelektronische Vorrichtung eine autarke Energieversorgung auf. Dabei sind in der optoelektronischen Vorrichtung Solarzellen zur Energiegewinnung und eine Speichereinheit zur Speicherung der mit den Solarzellen gewonnenen Energie integriert. Die so ausgebildete optoelektronische Vorrichtung benötigt damit keinen Spannungsversorgungsanschluss mehr. Besonders vorteilhaft weist die optoelektronische Vorrichtung zudem eine Ausgabeeinheit zur berührungslosen Ausgabe von Ausgangssignalen auf. Dann benötigt die erfindungsgemäße optoelektronische Vorrichtung keinerlei kabelgebundene Anschlüsse mehr. Damit kann die optoelektronische Vorrichtung insbesondere auf beweglichen Gegenständen wie Türen, rotierenden Teilen, wie zum Beispiel Achsen oder Wellen, angebracht werden, ohne dass Kabelanschlüsse oder dergleichen zu stationären Einheiten, insbesondere Spannungsversorgungen, geführt werden müßten.

Gemäß einer weiteren vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung sind die Empfangselemente des Empfängers als Solarzellen ausgebildet, so dass diese sowohl zur Objektdetektion als auch zur Energiegewinnung genutzt werden kann. Dabei kann mittels wenigstens eines Schalters eine Umschaltung zwischen Messbetrieb und Energiespeicherbetrieb der optoelektronischen Vorrichtung vorgenommen werden. Diese Ausführungsform weist aufgrund der geringen Anzahl von Komponenten innerhalb der optoelektronischen Vorrichtung einen besonders einfachen und kostengünstigen Aufbau auf.

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

1: Schematische Darstellung eines ersten Ausführungsbeispiels einer optoelektronischen Vorrichtung zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich.

2: Schematische Darstellung des Differenzsignals der Empfangselemente der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 1 bei Eindringen eines Objektes in den Überwachungsbereich.

3: Zweites Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung.

4: Schematische Darstellung des Differenzsignals der Empfangselemente der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 3 bei Eindringen eines Objektes in den Überwachungsbereich.

5: Drittes Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung.

6: Viertes Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung.

7: Fünftes Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung.

8: Applikationsbeispiel einer Objektdetektion auf einer Transportbahn mittels der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 7.

9: Schematische Darstellung einer optoelektronischen Vorrichtung mit autarker Energieversorgung.

10: Signaldiagramme für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 9.

11: Optische Komponenten einer weiteren optoelektronischen Vorrichtung mit autarker Energieversorgung.

12: Ersatzschaltbild der Solarzellenverschaltung bei gemeinsamer Nutzung für die Status- und Energiegewinnung für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 11.

13: Diagramm der Solarzellenkennlinien für die Anordnung nach 12.

14a: Teildarstellung der optoelektronischen Vorrichtung gemäß 11.

14b-d: Diagramme der Fotoströme und Solarzellenspannungen in Abhängigkeit der Objekteintauchtiefe für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 14a.

15: Erstes Beispiel einer antiparallelen Schaltung der Empfangselemente für die optoelektronische Vorrichtung gemäß 9.

16: Spannungsdiagramme zur Schaltung nach 15.

17: Zweites Beispiel einer antiparallelen Schaltung der Empfangselemente.

18: Spannungsdiagramme zur Schaltung nach 17.

19a, b: Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung mit separaten Empfangselementen und Solarzellen zur Energiegewinnung.

20: Schaltung zur Kodierung und Ausgabe des Statussignals.

1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 1 zur Erfassung von Objekten 2 in einem Überwachungsbereich. Der Überwachungsbereich wird von einem Kontrastmuster 3 begrenzt, welches im vorliegenden Fall aus einem schwarzen Kontrastelement 3a und einem weißen Kontrastelement 3b besteht.

Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen Empfänger 4 mit zwei Empfangselementen 4a, 4b auf, auf welcher Empfangslichtstrahlen 5, die vom Kontrastmuster 3 oder einem Objekt 2 zurückreflektiert werden, auftreffen. Zur Fokussierung der Empfangslichtstrahlen 5 auf die Empfangselemente 4a, 4b ist dem Empfänger 4 eine Empfangsoptik 6 vorgeordnet. Die optoelektronische Vorrichtung 1 arbeitet ohne eigenen Sender. Zur Objektdetektion wird allein das Umgebungslicht 7 ausgenutzt, welches von dem Kontrastmuster 3 oder einem Objekt 2 zur optoelektronischen Vorrichtung 1 reflektiert wird.

Der Empfänger 4 ist an eine Auswerteeinheit 8 angeschlossen. Die Auswerteeinheit 8 umfasst ein Subtrahierglied 9, in welchem die Differenzen der an den Ausgängen der Empfangselemente 4a, 4b anstehenden Empfangssignale gebildet werden. Der Ausgang 11 des Subtrahierglieds 9 ist an eine Rechnereinheit 10 angeschlossen, die ebenfalls Bestandteil der Auswerteeinheit 8 ist. In der Rechnereinheit 10 wird die im Subtrahierglied 9 gebildete Differenz der Empfangssignale zur Generierung eines Objektfeststellungssignals ausgewertet. Das Objektfeststellungssignal wird über einen Ausgang 11 ausgegeben. Das Objektfeststellungssignal ist als binäres Schaltsignal ausgebildet, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt 2 im Überwachungsbereich befindet oder nicht.

Das Kontrastmuster 3 wird derart zur optoelektronischen Vorrichtung 1 ausgerichtet, dass bei freiem Überwachungsbereich die vom ersten Kontrastelement 3a zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 nur zum Empfangselement 4a und die vom Kontrastelement 3b zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 nur zum Empfangselement 4b reflektiert werden. Diese Einstellung kann derart kontrolliert werden, dass die im Subtrahierglied 9 gebildete Differenz der Empfangssignale bei freiem Strahlengang einen Maximalwert aufweist.

2 zeigt den Verlauf des Differenzsignals A am Ausgang 11 des Subtrahierglieds 9 in Abhängigkeit der Eintauchtiefe x eines Objektes 2 in den Überwachungsbereich. Zur Generierung des Objektfeststellungssignals wird das Differenzsignal A mit einem Schwellwert S1 bewertet. Der Schwellwert S1 wird bevorzugt während einer Einlernphase bei freiem Überwachungsbereich in Abhängigkeit des dort registrierten Differenzsignals A0 festgelegt. Im vorliegenden Fall entspricht der Schwellwert S1 etwa der Hälfte des Pegels des Differenzsignals A0 bei freiem Überwachungsbereich.

In 2 ist mit A1 der Verlauf des Differenzsignals bei Eindringen eines weißen Objektes 2 in den Überwachungsbereich dargestellt. Bis zu einer Eindringtiefe x, bei welcher 50% des Kontrastmusters 3 vom weißen Objekt 2 abgedeckt werden, wird sukzessive das schwarze Kontrastelement 3a vom weißen Objekt 2 abgedeckt, so dass das Differenzsignal A1 kontinuierlich auf einen Wert nahe Null absinkt. Bei freiem Überwachungsbereich liegt das Differenzsignal A1 = A0 oberhalb des Schwellwerts S1, so dass das Objektfeststellungssignal den Schaltzustand „freier Überwachungsbereich" annimmt. Bei der in 1 und 2 dargestellten Eintauchtiefe. x1 des weißen Objektes 2 hat das Differenzsignal A1 gerade den Schwellwert S1 unterschritten, so dass das Objektfeststellungssignal den Schaltzustand „Objekt erkannt" einnimmt. Dieser Schaltzustand bleibt auch bei Eindringtiefen x des Objektes 2 bis 100% erhalten, da das weiße Objekt 2 bei Abdeckung des weißen Kontrastelements 3b nicht mehr zu einer Erhöhung des Differenzsignals führt.

In 2 ist weiterhin mit A1' das Differenzsignal bei Eindringen eines schwarzen Objektes 2 in den Überwachungsbereich dargestellt. Bis zu der Eindringtiefe, bei welcher das schwarze Objekt 2 50% des Kontrastmusters 3 abdeckt, bleibt das Differenzsignal A1' etwa bei dem Ausgangswert A0, da die Abdeckung des schwärzen Kontrastelements 3a durch das schwarze Objekt 2 nicht zu einer Reduzierung des Differenzsignals A1' gegenüber dem Wert A0 bei freiem Überwachungsbereich führt. Erst bei Abdeckung des weißen Kontrastelements 3b durch das schwarze Objekt 2 wird eine Reduzierung des Differenzsignals A1' erhalten, bis dieses schließlich bei x = x2 den Schwellwert S1 unterschreitet, wodurch eine Objektmeldung ausgelöst wird.

Wie aus diesen Beispielen ersichtlich ist, können mit der optoelektronischen Vorrichtung 1 sowohl helle, insbesondere weiße, als auch dunkle, insbesondere schwarze Objekte 2 sicher erkannt werden. Ebenso werden Objekte 2 sicher erfasst, deren Reflexionskoeffizienten in einem mittleren Bereich liegen. Weiterhin werden auch Objekte 2 mit unregelmäßig variierenden Reflexionskoeffzienten sicher erfasst, solange diese sich signifikant zum Kontrastmuster 3 unterscheiden.

3 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel einer optoelektronischen Vorrichtung 1, wobei deren Aufbau, im Wesentlichen der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 1 entspricht. Im Unterschied zur Ausführungsform gemäß 1 weist die Empfangsoptik 6 zwei Optikelemente 6a, b auf. Weiterhin besteht im vorliegenden Fall das Kontrastmuster 3 aus vier Kontrastelementen 3a, 3b, wobei in alternierender Folge jeweils zwei schwarze Kontrastelemente 3a und zwei weiße Kontrastelemente 3b vorgesehen sind. Die Ausrichtung des Kontrastmusters 3 erfolgt wiederum derart, dass die von den schwarzen Kontrastelementen 3a nur auf das Empfangselement 4a und die weißen Kontrastelemente 3b nur auf das Empfangselement 4b abgebildet werden. Zur Erhöhung der Nachweisempfindlichkeit wird das Kontrastmuster 3 mit einer externen Beleuchtungseinheit 12 beleuchtet.

Die Objektdetektion erfolgt analog zur Ausführungsform gemäß den 1 und 2, in dem das Differenzsignal am Ausgang 11 des Subtrahierglieds 9 zur Generierung des Objektfeststellungssignals mit einem Schwellwert S1 bewertet wird. 4 zeigt analog zu 2 die Verläufe der Differenzsignale A1, A1' bei Eintauchen eines weißen beziehungsweise schwarzen Objektes 2 in Abhängigkeit der Eintauchtiefe x des jeweiligen Objektes 2. Wie aus 4 ersichtlich unterschreitet das Differenzsignal A1, A1' sowohl für das weiße als auch das schwarze Objekt 2 den Schwellwert S1, bevor das jeweilige Objekt 2 vollständig in den Überwachungsbereich eingetaucht ist, so dass in beiden Fällen eine sichere Objektdetektion gewährleistet ist.

5 zeigt eine Erweiterung der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 3 dahingehend, dass das Kontrastmuster 3 aus einer Mehrfachanordnung von linear angeordneten schwarzen Kontrastelementen 3a und weißen Kontrastelementen 3b besteht. Entsprechend besteht die Empfangsoptik 6 aus einer Mehrfachanordnung von Optikelementen 6a-d.

6 zeigt eine weitere Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung 1. Analog zur Ausführungsform gemäß 5 besteht das Kontrastmuster 3 aus einer alternierenden Linearanordnung von schwarzen Kontrastelementen 3a und weißen Kontrastelementen 3b. Die von den schwarzen Kontrastelementen 3a zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 werden jedoch nicht auf ein Empfangselement 4a, sondern mehrere Empfangselemente 4a abgebildet. Entsprechend werden die von den weißen Kontrastelementen 3b zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 auf mehrere Empfangselemente 4b abgebildet.

Die hierzu vorgesehene Empfangsoptik 6 besteht aus einer Mehrfachanordnung von Optikelementen 6a-d auf einer Frontscheibe 13. Die Empfangssignale der Empfangselemente 4a werden auf ein Summierglied 14a geführt und dort aufsummiert. Entsprechend werden die Empfangssignale der Empfangselemente 4b auf ein Summierglied 14b geführt und dort aufsummiert. Aus den in den Summiergliedern 14a, 14b gebildeten Summensignalen wird im nachgeordneten Subtrahierglied 9 die Signaldifferenz A gebildet, die in der Rechnereinheit 10 zur Generierung des Objektfeststellungssignals analog zu den Ausführungsformen gemäß den 1 bis 5 ausgewertet wird.

Diese Ausführungsform ist auf eine beliebige Anzahl von Empfangselementen 4a, 4b, Optikelementen 6a-d und zugehörigen Kontrastelementen 3a, 3b erweiterbar. Durch die Mehrfachanordnung wird die Detektionssicherheit erhöht und der Verlauf der Differenzspannung A als Funktion der Objekteintauchtiefe linearisiert.

7 zeigt die optischen Komponenten einer optoelektronischen Vorrichtung 1 mit einem Kontrastmuster 3, das aus einer flächigen, schachbrettartigen Anordnung von schwarzen Kontrastelementen 3a und weißen Kontrastelementen 3b besteht.

Entsprechend der Flächenstruktur des Kontrastmusters 3 besteht der Empfänger 4 aus einer flächenförmigen Anordnung von jeweils zwei ersten Empfangselementen 4a, auf welche von den Kontrastelementen 3a reflektierte Empfangslichtstrahlen 5 geführt sind, und zwei zweiten Empfangselementen 4b, auf wel che von den Kontrastelementen 3b reflektierte Empfangslichtstrahlen 5 geführt sind. Entsprechend besteht auch die Empfangsoptik 6 aus einer flächigen Anordnung von Optikelementen 6a-d. Die Signalauswertung erfolgt analog zur Ausführungsform gemäß 6.

8 zeigt ein Applikationsbeispiel für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 7. Dabei werden auf einer Transportbahn 15 geförderte Objekte 2 detektiert. Die optoelektronische Vorrichtung 1 und das Kontrastmuster 3 sind an gegenüberliegenden Seiten der Transportbahn 15 montiert, so dass die Objekte 2 quer zu deren Förderbewegung mittels der optoelektronischen Vorrichtung 1 erfassbar sind.

9 zeigt eine optoelektronische Vorrichtung 1 mit einer autarken Energieversorgung. Die Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 zur Objektdetektion sowie das Kontrastmuster 3 entsprechen der Ausführungsform gemäß 9.

Dabei sind die Empfangselemente 4a, 4b des Empfängers 4 im vorliegenden Fall als Solarzellen ausgebildet, so dass diese nicht nur zur Objektdetektion, sondern auch zur Energiegewinnung eingesetzt werden können. Zur Energiespeicherung ist eine Speichereinheit 16 in Form eines Ladekondensators vorgesehen, welche als niederohmige Spannungsquelle zur Energieversorgung der optoelektronischen Vorrichtung 1 dient.

Weiterhin weist die optoelektronische Vorrichtung 1 einen Schalter 17 zur Umschaltung zwischen einem Messbetrieb und einem Energiespeicherbetrieb auf. Während des Messbetriebs, das heißt bei geöffnetem Schalter 17, werden die Empfangselemente 4a, 4b zur Objektdetektion genutzt, welche analog zu 2 erfolgt. Während des Energiespeicherbetriebs, das heißt bei geschlossenem Schalter 17, werden die Empfangselemente 4a, 4b zur Energiegewinnung genutzt.

Die Ausgabe des Objektfeststellungssignals erfolgt berührungslos über eine Ausgabeeinheit 18, die im vorliegenden Fall von einem Funksender gebildet ist. Dieser Funksender wirkt mit einem Funkempfänger zusammen, der beispielsweise an eine externe Steuerung angeschlossen ist.

In 10 sind Zeitdiagramme zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 9 dargestellt. Das erste Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf eines Objekteingriffs im Überwachungsbereich.

Das zweite Diagramm zeigt den zeitlichen Verlauf der Spannung UC3 des Ladekondensators. Durch Bewertung der Spannung UC3 mit dem Schwellwert S1 wird analog zu 2 ein Objektfeststellungssignal generiert.

Das dritte Diagramm zeigt die Sendeintervalle des Funksenders. Das vierte Diagramm zeigt den entsprechenden Status des Funkempfängers.

Wie aus 10 ersichtlich wird bei Erreichen des Schwellwerts S1, der unterhalb der maximalen Spannung UC3 des Ladekondensators liegt, die Ausgabeeinheit 18, das heißt der Funksender aktiviert. Während der Zeit t_send sinkt die Spannung UC3. Die Zeit t_pause bis zum Erreichen des Schwellwerts S1 ist von der durch das Raumlicht gegebenen Beleuchtungsstärke abhängig. Der Schalter 17 ist vorzugsweise als FET-Schalter ausgeführt, der in der Ladephase t_pause sperrt und wie auch alle anderen aktiven Schaltungen keinen Strom benötigt. Dadurch wird die Speichereinheit 16 auch bei geringer Raumbeleuchtung aufgeladen. Taucht ein Objekt 2 in den Überwachungsbereich ein, wird sofort eine Statusmeldung durch den Funksender zum Funkempfänger übertragen und dort das Schaltsignal „Objekt erkannt" generiert. Auf der Empfangsseite wird aus der Zeit zwischen den letzten beiden Statusmeldungen die Zeit t_pause ermittelt. Wird nach der letzten Statusmeldung innerhalb der zwei- bis dreifachen Zeit t_pause keine weitere Statusmeldung empfangen, wird als Objektfeststellungssignal das binäre Schaltsignal „Überwachungsbereich frei" generiert. Wie aus 10 ersichtlich besteht zwischen der Reaktion des Funkempfängers auf den Betrieb des Funksenders sowohl eine Einschaltverzögerung &Dgr;E als auch eine Abschaltverzögerung &Dgr;A.

11 zeigt die Optikkomponenten einer weiteren Ausführungsform einer optoelektronischen Vorrichtung 1. Die optoelektronische Vorrichtung 1 weist einen Empfänger 4 mit zwei Linearanordnungen von Empfangselementen 4a, 4b auf, welchen jeweils ein Optikelement 6a, b einer Empfangsoptik 6 vorgeordnet ist. Bei freiem Überwachungsbereich werden wiederum von Kontrastelementen 3a zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen 5 auf die Empfangselemente 4a und von Kontrastelementen 3b zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen 5 auf die Empfangselemente 4b zurückreflektiert. Die Empfangselemente 4a, 4b sind wiederum als Solarzellen ausgebildet, so dass diese zur Energiegewinnung genutzt werden können. Die Energiespeicherung erfolgt wiederum in einer als Ladekondensator ausgebildeten Speichereinheit 16.

12 zeigt das Ersatzschaltbild der Verschaltung der die Empfangselemente 4a, 4b bildenden Solarzellen bei gemeinsamer Nutzung für die Objektdetektion und Energiegewinnung für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 11. Durch die Reihenschaltung der Empfangselemente 4a wird eine ausreichende Spannung UC3 des Ladekondensators erreicht, um eine nachfolgende Auswerteschaltung für die Objektdetektion betreiben zu können. Die zugehörigen Kennlinien K_a sind im 1. Quadranten des Diagramms von 13 dargestellt. Die Empfangselemente 4b sind parallel geschaltet, beziehungsweise werden durch ein Element mit größerer Fläche gebildet und liefern bei gleicher Beleuchtungsstärke einen entsprechend größeren Fotostrom. Wird der Schalter 17 geschlossen, arbeiten die Empfangselemente 4a und 4b gegeneinander und bei Abdeckung durch ein helles Objekt 2 bestimmen die Empfangselemente 4b die resultierende Spannung U, die dann negative Werte annimmt. Damit bei freiem Überwachungsbereich die Spannung U nicht zum Durchbruch der Empfangselemente 4b führen kann, ist die Diode D1 vorgesehen. Durch die antiparallele Schaltung erübrigt sich ein nachgeschaltetes Subtrahierglied 9 in der Auswerteeinheit 8.

Die 14b-d zeigen die Diagramme der auf die Empfangselemente 4a, 4b bezogene Beleuchtungsstärke, Fotoströme und Solarzellenspannungen in Abhängigkeit der Objekteintauchtiefe x für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 11, die in 14a für ein in den Überwachungsbereich teilweise eingedrungenes Objekt 2 schematisch dargestellt ist. Bei freiem Überwachungsbereich ist die Beleuchtungsstärke durch das dunkle Kontrastelement 3a gering und damit überwiegt der Fotostrom des Empfangselementes 4a, wodurch die Spannung U auf ca. + 0,6 V steigt. Wenn wie in 14a gezeigt, ein helles Objekt 2 in den Bereich des Kontrastelementes 3a eintaucht, steigt die Beleuchtungsstärke (14b) für das Empfangselement 4a und damit der Fotostrom (14c) überproportional an. Bedingt durch den steilen Verlauf der Empfangselementekennlinie springt die Spannung U auf ca. – 0,4 V (14c), sobald der Fotostrom des Empfangselementes 4a überschritten wird. Dadurch ist keine zusätzliche Komparatorfunktion erforderlich.

15 zeigt eine antiparallele Schaltung der Empfangselemente 4a, 4b der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 11, welche bei geschlossenem Schalter 17 (und gleichzeitig geöffnetem Schalter 17') zur Objektdetektion herangezogen werden. Bei geschlossenem Schalter 17' und geöffnetem Schalter 17 werden die von Solarzellen gebildeten Empfangselemente 4a, 4b zur Energiegewinnung genutzt. Dabei wird bei geschlossenem Schalter 17' der Fotostrom des Empfangselementes 4a zur Aufladung des Ladekondensators C3 verwendet, um die Versorgungsspannung für die nachfolgende Objektdetektion zur Verfügung zu stellen.

16 zeigt das Spannungsdiagramm zur Schaltung nach 15, wobei die Spannung U1 bei geschlossenem Schalter 17 in der Zeit von t1 bis t2 bei freiem Überwachungsbereich auf die Schwellspannung der Diode D1 von + 0,6 V sinkt und bei vorhandenem Objekt 2 auf ca. – 0,4 V absinkt. In diesen Zeitintervallen wird somit durch eine Schwellwertbewertung der Spannung U1 das Objektfeststellungssignal generiert. In der restlichen Zeit steht die Spannung U1 mit ca. 0,4 V pro Zelle zur Energiegewinnung zur Verfügung.

17 zeigt eine weitere Variante einer Beschaltung der Komponenten der optoelektronischen Vorrichtung 1 gemäß 11. Wie aus 17 ersichtlich erfolgt in diesem Fall eine Parallelschaltung der Empfangselemente 4a, 4b durch Schließen des als Doppelschalters ausgebildeten Schalters 17, wodurch die beiden den Empfangselementen 4a, 4b zugeordneten Kondensatoren C1 und C2 den Ladekondensator C3 aufladen. In der Zeit t1 bis t2 wird der Schalter 17 geöffnet und die Fotoströme der einzelnen Empfangselemente 4a, 4b laden ihre zugeordneten Kondensatoren auf (18). Zum Zeitpunkt t2 wird die Differenz der Kondensatorspannungen an C1 und C2 ausgewertet, woraus in der Auswerteeinheit 8 das Objektfeststellungssignal generiert wird. Bei gleicher Fläche der Empfangselemente 4a, 4b wird der Wert des Kondensators C2 = ½ C1 gewählt, wodurch dieser bei gleichen Fotoströmen schneller aufgeladen wird und der Status vom Vorzeichenwechsel abgeleitet werden kann.

Die 19a, b zeigen eine weitere Variante einer optoelektronischen Vorrichtung 1 mit autarker Energieversorgung. In diesem Fall werden die an die nicht dargestellte Auswerteeinheit 8 angeschlossenen Empfangselemente 4a, 4b des Empfängers 4 nicht zur Energiegewinnung genutzt. Vielmehr sind im vorliegenden Fall separate Solarzellenelemente 19 zur Energiegewinnung vorgesehen. Der Empfänger 4 der optoelektronischen Vorrichtung 1 sitzt auf einem Bauteilträger 20 auf. Die von einem Objekt 2 oder dem Kontrastmuster 3 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 werden über Optikelemente 6a, 6b der Empfangsoptik 6 und einen Abschirmtubus 21 zu den Empfangselementen 4a, 4b des Empfängers 4 geführt. Die Optikelemente 6a, 6b sind Bestandteil eines Frontfensters 22. Hinter dem Frontfenster 22 liegen die Solarzellenelemente 19, so dass auf diese ungehindert das Umgebungslicht 7 auftreffen kann.

20 zeigt eine Ausführungsform einer Anschaltung für die von einem Funksender gebildeten Ausgabeeinheit 18 für die optoelektronische Vorrichtung 1 gemäß 9. In diesem Fall ist der Ausgabeeinheit 18 ein Parallel-Seriell-Wandler 23 vorgeordnet. Über den Parallel-Seriell-Wandler 23 können Datenworte mit Wortbreiten von 8 bit über den Funksender ausgegeben werden. Im vorliegenden Fall wird mit dem niederwertigsten Bit 0 das Objektfeststellungssignal, das Statussignal der optoelektronischen Vorrichtung 1, über den Funksender ausgegeben. Zur Identifizierung der optoelektronischen Vorrichtung 1 wird vom Funksender zudem eine Sensornummer ausgegeben, welche die optoelektronische Vorrichtung 1 eindeutig kennzeichnet. Die Sensornummer wird durch die Bits 1 – 7 vorgegeben, deren Schaltzustände 0 oder 1 über eine von Binärschaltern gebildete Schalteranordnung 24 vorgegeben werden können.


Anspruch[de]
  1. Optoelektronische Vorrichtung (1) zur Erfassung von Objekten (2) in einem Überwachungsbereich mit einem Empfänger (4) bestehend aus mindestens zwei Empfangslichtstrahlen (5) empfangenden Empfangselementen (4a, 4b), mit einem aus Kontrastelementen (3a, 3b) bestehenden, den Überwachungsbereich begrenzenden Kontrastmuster (3), wobei bei freiem Überwachungsbereich von Kontrastelementen (3a, 3b) mit ersten Reflexionskoeffizienten zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen (5) auf ein erstes Empfangselement (4a) treffen und von Kontrastelementen (3a, 3b) mit zweiten sich von den ersten Reflexionskoeffizienten unterscheidenden Reflexionskoeffizienten zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen (5) auf das zweite Empfangselement (4b) treffen, und mit einer Auswerteeinheit (8), in welcher aus den Differenzen der Empfangssignale an den Ausgängen der Empfangselemente (4a, 4b) ein binäres Objektfeststellungssignal generiert wird, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt (2) im Überwachungsbereich befindet oder nicht.
  2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Generierung des Objektfeststellungssignals die Differenz der Empfangssignale mit einem Schwellwert bewertet wird.
  3. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Schwellwert in einem Einlernvorgang aus der Differenz der Empfangssignale bei freiem Strahlengang abgeleitet wird.
  4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmuster (3) zwei Kontrastelemente (3a, 3b) mit unterschiedlichen Reflexionskoeffizienten aufweist, wobei bei freiem Überwachungsbereich von einem ersten Kontrastelement (3a) zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen (5) auf das erste Empfangselement (4a) abgebildet werden und von dem zweiten Kontrastelement (3b) zurückreflektierte Empfangslichtstrahlen (5) auf das zweite Empfangselement (4b) abgebildet werden.
  5. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmuster (3) eine Mehrfachanordnung von alternierend angeordneten Kontrastelementen (3a, 3b) mit ersten und zweiten Reflexionskoeffizienten aufweist.
  6. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmuster (3) aus einer linearen Anordnung von Kontrastelementen (3a, 3b) mit ersten und zweiten Reflexionskoeffizienten besteht.
  7. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass das Kontrastmuster (3) aus einer flächenförmigen Anordnung von Kontrastelementen (3a, 3b) mit ersten und zweiten Reflexionskoeffizienten besteht.
  8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Kontrastelementen (3a, 3b) mit ersten Reflexionskoeffizienten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen (5) auf das erste Empfangselement (4a) und die von den Kontrastelementen (3a, 3b) mit zweiten Reflexionskoeffizienten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen (5) auf das zweite Empfangselement (4b) abgebildet werden.
  9. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die von den Kontrastelementen (3a) mit ersten Reflexionskoeffizienten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen (5) auf eine Anordnung von ersten Empfangselementen (4a) abgebildet werden und die von den Kontrastelementen (3b) mit zweiten Reflexionskoeffizienten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen (5) auf eine Anordnung von zweiten Empfangselementen (4b) abgebildet werden, und dass in der Auswerteeinheit (8) die Differenz der Summen der Empfangssignale der ersten und zweiten Empfangselemente (4a, 4b) zur Generierung des Objektfeststellungssignals bewertet wird.
  10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass dem Empfänger (4) eine Anordnung von Empfangsoptiken (6) zur Abbildung der Empfangslichtstrahlen (5) auf die einzelnen Empfangselemente (4a, 4b) vorgeordnet ist.
  11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine autarke Energieversorgung aufweist.
  12. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Anordnung von Solarzellen zur Energiegewinnung aufweist.
  13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Speichereinheit (16) zur Energiespeicherung aufweist.
  14. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass die Speichereinheit (16) von einem Ladekondensator gebildet ist.
  15. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 12 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Solarzellen von den Empfangselementen (4a, 4b) des Empfängers (4) gebildet sind.
  16. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass den die Empfangselemente (4a, 4b) bildenden Solarzellen und der Speichereinheit (16) wenigstens ein Schalter (17) zugeordnet ist, mittels dessen eine Betriebsumschaltung zwischen einem Messbetrieb und einem Energiespeicherbetrieb durchführbar ist.
  17. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16, dadurch gekennzeichnet, dass diese eine Ausgabeeinheit (18) zur berührungslosen Ausgabe von Ausgangssignalen aufweist.
  18. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die Ausgabeeinheit (18) einen Funksender aufweist.
Es folgen 14 Blatt Zeichnungen






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