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Dokumentenidentifikation DE102004031024C5 28.04.2011
Titel Optischer Sensor
Anmelder Leuze lumiflex GmbH + Co. KG, 82256 Fürstenfeldbruck, DE
Erfinder Brunner, Rolf, 82223 Eichenau, DE;
Lohmann, Lutz, Dr., 82140 Olching, DE
Vertreter Ruckh, R., Dipl.-Phys. Dr.rer.nat., Pat.-Anw., 73277 Owen
DE-Anmeldedatum 26.06.2004
DE-Aktenzeichen 102004031024
Offenlegungstag 12.01.2006
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 07.09.2006
Date of publication of amended patent 28.04.2011
Veröffentlichungstag im Patentblatt 28.04.2011
IPC-Hauptklasse G01V 8/12  (2006.01)  A,  F,  I,  20051017,  B,  H,  DE
IPC-Nebenklasse G01S 17/42  (2006.01)  A,  L,  I,  20051017,  B,  H,  DE

Beschreibung[de]

Die Erfindung betrifft einen optischen Sensor.

Es sind optische Sensoren in Form von nach dem Laufzeitverfahren arbeitende Distanzsensoren bekannt, bei welchen aus der Laufzeit der von dem Sender des optischen Sensors emittierten Sendelichtstrahlen zu einem Objekt und wieder zurück zum Empfänger die Distanz des Objekts zum optischen Sensor berechnet wird.

Mit derartigen optischen Sensoren werden im einfachsten Fall eindimensionale Distanzmessungen durchgeführt, das heißt die vom Sender emittierten Sendelichtstrahlen werden in eine fest vorgegebene Richtung emittiert. Der Überwachungsbereich ist dann auf den Bereich der Strahlachse der Sendelichtstrahlen begrenzt.

Stand der Technik

In einer weiteren Ausführungsform können die optischen Sensoren als so genannte Flächendistanzsensoren ausgebildet sein. Ein derartiger optischer Sensor ist aus der DE 19 917 509 C1 bekannt.

Dieser optische Sensor umfasst einen Distanzsensor, welcher einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger aufweist, sowie eine Auswerteeinheit zur Auswertung der am Empfänger anstehenden Empfangssignale und eine Ablenkeinheit, an welcher die Sendelichtstrahlen abgelenkt werden, so dass diese periodisch den Überwachungsbereich überstreichen.

Die Erfassung von Objekten erfolgt innerhalb eines definierten Schutzfeldes. Der Distanzsensor dieses optischen Sensors arbeitet vorzugsweise nach dem Laufzeitprinzip. Durch die Distanzmessung sowie durch die fortlaufende Erfassung der Ablenkposition der Sendelichtstrahlen können die Positionen von Objekten innerhalb des Schutzfeldes bestimmt werden.

Derartige optische Sensoren werden insbesondere auch im Bereich des Personenschutzes eingesetzt. Zur Gewährleistung der Schutzfunktion des optischen Sensors ist es erforderlich, dass Objekte mit unterschiedlichen Reflektivitäten innerhalb des gesamten Überwachungsbereichs beziehungsweise Schutzfeldes sicher erfasst werden können.

Aufgrund der stark unterschiedlichen Reflektivitäten verschiedener Objektoberflächen variieren die durch die Empfangslichtimpulse im Empfänger generierten Amplituden der Empfangssignale entsprechend stark. Insbesondere bei der Detektion hoch reflektierender Objekte kann der Empfänger bei Empfang eines Empfangslichtimpulses übersteuern. In diesem Fall ist die Amplitude des Empfangssignals nicht proportional zur Amplitude des Empfangslichtimpulses. Vielmehr ist bei Übersteuern des Empfängers beziehungsweise der empfangsseitigen Bauteile die Amplitude des Empfangssignals auf einen Sättigungswert begrenzt, obwohl die Amplitude des Empfangslichtimpulses noch ansteigen kann. Die Übersteuerung des Empfängers bleibt auch noch nach Abklingen des Empfangslichtimpulses erhalten, so dass das Empfangssignal entsprechend später als der Empfangslichtimpuls abklingt. Damit entspricht im Falle der Übersteuerung des Empfängers der Amplitudenverlauf des Empfangssignals nicht mehr dem Amplitudenverlauf des Empfangslichtimpulses. Insbesondere ist die Breite des Empfangssignals gegenüber dem jeweiligen Empfangslichtimpuls verbreitert.

Aus der DE 101 43 107 A1 ist ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitender Distanzsensor bekannt; bei welchem Effekte durch derartige Übersteuerungen des Empfängers zur Erhöhung der Messgenauigkeit des Empfängers kompensiert werden. Hierzu wird als Zusatzmessung zur eigentlichen Laufzeitmessung für jeden empfangenen Empfangslichtimpuls die Breite des hierbei registrierten Empfangssignals gemessen. Für die jeweils gemessene Breite wird ein empirisch bestimmter Entfernungskorrekturwert aus einer Korrekturtabelle entnommen, mittels dessen das Resultat der durchgeführten Entfernungsmessung korrigiert wird.

Die DE 199 51 557 A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem von einer Referenzfläche begrenzten Überwachungsbereich mit wenigstens einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger. Der Empfänger weist ein Nah- und Fernelement auf, wobei die aus großen Distanzen von Objekten zurückreflektierenden Empfangslichtstrahlen vorwiegend auf das Fernelement und die aus geringen Distanzen von Objekten zurückreflektierenden Empfangslichtstrahlen vorwiegend auf das Nahelement geführt sind. Während eines Einlernvorgangs sind die Sendelichtstrahlen auf die Referenzfläche gerichtet. Dabei ist oder sind die Differenz und/oder die Summe der Empfangssignale an den Ausgängen des Nah- und Fernelements auf einen Referenzwert oder auf Referenzwerte Urda, Ursa jeweils innerhalb eines vorgegebenen Toleranzbandes liegend einstellbar. Nach Beendigung des Einlernvorgangs wird bei Abweichen der aktuellen Differenzen Uda und/oder der Summen Usa der Empfangssignale an den Ausgängen des Nahelements und Fernelements von dem Referenzwert oder den jeweiligen Referenzwerten Ursa, Urda eine Objektmeldung generiert.

Die DE 40 31 142 C3 betrifft ein Verfahren zum Betrieb eines optischen Lichttasters zur Feststellung von in einem Überwachungsbereich vorhandenen Gegenständen mit einem nacheinander einen zeitlichen Abstand aufweisende Sende-Lichtimpulse in den Überwachungsbereich aussendenden Impulslichtsender und einem Lichtempfänger, der bei Abwesenheit von festzustellenden Gegenständen im Überwachungsbereich im Wesentlichen kein Licht vom Impulslichtsender empfängt, jedoch bei Anwesenheit eines festzustellenden Gegenstandes im Überwachungsbereich durch Reflexion oder Transmission so viel Licht vom Impulssender erhält, dass eine an dem Lichtempfänger angeschlossene Empfangssignalverarbeitungsstufe ein Gegenstands-Feststellungssignal abgibt.

Bei Feststellung eines veränderlichen Störsignals wird die Aussendung des nächsten Sende-Impulses aufgrund einer Auswertung des innerhalb eines Zeitintervalls erfassten Verhaltens des veränderlichen Störsignals zeitlich soweit verschoben, dass bei Aussendung des nächsten Sende-Lichtimpulses das Störsignal mit einer bestimmten Wahrscheinlichkeit beendet ist.

Die DE 197 01 803 A1 betrifft einen Lichttaster mit einem Lichtsender zur Aussendung eines Lichtsignals in einen zu überwachenden Bereich und einem Lichtempfänger zum Empfangen eines von einem im Überwachungsbereich vorhandenen Objekt reflektierten Lichtsignals mit zumindest einem Signalgenerator zur Erzeugung eines ersten Signals zur Beaufschlagung des Lichtsenders sowie zur Erzeugung eines zweiten, in einer definierten Phasenbeziehung zum ersten Signal stehenden zweiten Signals mit im Vergleich zum ersten Signal unterschiedlicher Signalform, sowie mit einer Korrelationsstufe zur Erzeugung der Korrelationsfunktion zwischen dem empfangenden Lichtsignal und dem zweiten Signal und einer der Korrelationsstufe nachgeschalteten Auswertestufe zur Ermittlung einer auf den Abstand zwischen Lichttaster und Objekt bezogenen Information.

Die DE 199 17 487 A1 betrifft eine optoelektronische Vorrichtung zum Erfassen von Objekten in einem Überwachungsbereich mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden, ein Nahsignal oder Fernsignal abgebenden ortsauflösenden Empfäger, und einer Auswerteeinheit, in welcher zur Erfassung von Objekten der Quotient des Nah- und Fernsignals gebildet wird. Zur Quotientenbildung wird bei auf konstantem Wert geregelter Summe von Nah- und Fernsignal die Differenz zwischen dem Nah- und Fernsignal gebildet.

Die DE 102 38 075 A1 betrifft einen optischen Sensor zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich mit zwei in Abstand angeordneten, Sendelichtstrahlen emittierenden Sendern und zwei Empfängerzeilen. Jeweils eine Empfängerzeile ist einem der Sender zur Durchführung einer Distanzmessung zugeordnet. In einer Auswerteeinheit wird aus den Ausgangssignalen der Empfängerzeilen ein Objektfeststellungssignal generiert.

Die DE 198 52 173 A1 betrifft einen Lichttaster mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger mit einem Nahelement und einem Fernelement, wobei der Sender und der Empfänger in Abstand nebeneinanderliegend angeordnet sind. Die am Ausgang des Nah- und Fernelements anstehenden Ausgangssignale werden einer Auswerteeinheit mit einem Addierer und einem Subtrahierer zugeführt, wobei im Addierer die Summe und im Subtrahierer die Differenz der Ausgangssignale gebildet wird. Die Werte werden mit in der Auswerteeinheit abgespeicherten Schwellwerten verglichen. In Abhängigkeit dieses Vergleichs nimmt ein an die Auswerteeinheit angeschlossener binärer Schaltausgang einen vorgegebenen Schaltzustand ein.

Aufgabenstellung

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen optischen Sensor der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit welchem auch bei unterschiedlichen Reflektivitäten von zu detektierenden Objekten eine genaue Distanzmessung durchführbar ist.

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

Der erfindungsgemäße optische Sensor dient zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich. Der optische Sensor weist einen Sendelichtimpulse emittierenden Sender, einen Empfangslichtimpulse empfangenden Empfänger und eine Auswerteeinheit auf, in welcher aus der Laufzeit eines zu einem Objekt geführten und von diesem als Empfangslichtimpuls zum Empfänger zurückreflektierenden Sendelichtimpulses die Distanz des Objekts bestimmbar ist. In der Auswerteeinheit ist als Bezugspunkt für die Laufzeitmessung der Scheitelpunkt des Empfangslichtimpulses bestimmbar.

Durch den Bezug der Laufzeitmessung auf den Scheitelpunkt eines auf einen Sendelichtimpuls hin empfangenen Empfangslichtimpulses wird eine besonders genaue Distanzmessung gewährleistet, insbesondere auch im Fall der Übersteuerung des Empfängers.

Erfindungsgemäß wird der Scheitelpunkt des Empfangslichtimpulses aus zwei Stoppsignalen bestimmt, die durch die Bewertung des durch den Empfangslichtimpuls generierten Empfangssignals mit einem Schwellwert gewonnen werden. Dabei wird das erste Stoppsignal generiert, wenn das Empfangssignal den Schwellwert überschreitet und das zweite Stoppsignal generiert, wenn das Empfangssignal den Schwellwert unterschreitet.

Mit jedem Stoppsignal wird eine Laufzeitmessung beendet, wobei beide Laufzeitmessungen von einem gemeinsamen Startsignal gestartet werden, welches von einem emittierten Sendelichtimpuls generiert wird. Mit beiden Laufzeitmessungen wird die Laufzeit eines Sendelichtimpulses zu einem Objekt und zurück zum Empfänger bestimmt, wobei diese durch die unterschiedlichen Stoppsignale auf verschiedene Abtastpunkte des Empfangssignals bezogen sind.

Durch Bildung einer geeigneten Linearkombination kann der Scheitelpunkt des Empfangslichtimpulses in einfacher Weise bestimmt werden, das heißt die Laufzeitmessung auf diesen Scheitelpunkt bezogen werden, dessen Lage unabhängig von der Amplitude des Empfangslichtimpulses ist. Dadurch ist auch die Distanzmessung weitgehend unabhängig von der Amplitude der Empfangslichtimpulse, so dass gewährleistet ist, dass auch für Objekte mit stark unterschiedlichen Reflektivitäten eine genaue Distanzbestimmung ermöglicht wird.

Dabei liegt der erfindungsgemäßen Auswertung der Laufzeitmessungen die Erkenntnis zugrunde, dass im analogen, nicht übersteuerten Bereich sowohl die Empfangslichtimpulse als auch die hierzu proportionalen Empfangssignale im Wesentlichen symmetrisch zu ihrem Scheitelpunkt sind, da auch die vom Sender emittierten Sendelichtimpulse eine entsprechende Symmetrie aufweisen.

Da zur Generierung der Stoppsignale das Empfangssignal mit demselben Schwellwert abgetastet wird, ist gewährleistet, dass diese Stoppsignale symmetrisch zum Scheitelpunkt liegen.

Damit kann durch Bildung des arithmetischen Mittelwerts beider Laufzeitmessungen die Bestimmung des Distanzwerts auf den Scheitelpunkt des Empfangslichtimpulses bezogen werden.

Ein Bezug auf den Scheitelpunkt des Empfangslichtimpulses ist auch im Fall einer Übersteuerung des Empfangssignals gewährleistet. Hierzu ist in der Auswerteeinheit eine empirisch bestimmte Korrekturtabelle von Korrekturwerten in Abhängigkeit verschiedener Differenzen der Stoppsignale und damit der Laufzeitdifferenzen der mit diesen Stoppsignalen beendeten Laufzeitmessungen abgespeichert. Diese Korrekturwerte berücksichtigen die Formen der Verzerrungen der übersteuerten Empfangssignale für die einzelnen Laufzeitdifferenzen, die beispielsweise durch Messungen der Empfangssignalverläufe während eines Einlernvorganges bestimmt werden können.

Während des Betriebs des optischen Sensors wird dann für die aktuell durchgeführten, mit den Stoppsignalen beendeten Laufzeitmessungen deren Differenz ermittelt. Dann wird der für die jeweilige Differenz in der Auswerteeinheit hinterlegte Korrekturwert ausgelesen, um mit diesem als Gewichtungsfaktor einen gewichteten Mittelwert beider Laufzeitmessungen zu bilden. Dadurch wird wieder ein Bezug der Distanzwertbestimmung auf den Scheitelpunkt des Empfangslichtimpulses erhalten.

Da der Korrekturwert von der Differenz der beiden Laufzeitmessungen abhängig ist, erfolgt die Bildung des gewichteten Mittelwerts dadurch, dass der Korrekturwert zu der in der ersten Laufzeitmessung bestimmten Laufzeit, die auf die steigende Flanke des Empfangssignals bezogen ist, addiert wird. Alternativ wird der Korrekturwert von der in der zweiten Laufzeitmessung bestimmten Laufzeit abgezogen.

Zur Unterscheidung, ob ein übersteuertes Empfangssignal vorliegt oder nicht wird die Differenz der Laufzeiten zwischen den beiden Stoppsignalen mit einem Grenzwert verglichen, der von der Breite des jeweiligen Sendelichtimpulses abgeleitet ist. Da hieraus ein Maß für die Breite eines nicht übersteuerten Empfangslichtimpulses abgeleitet werden kann, ist eine sichere Unterscheidung zwischen übersteuerten und nicht übersteuerten Empfangssignalen gewährleistet.

Generell kann durch die Durchführung zweier oder gegebenenfalls mehrerer Laufzeitmessungen zur Bestimmung der Laufzeit eines Sendelichtimpulses zu einem Objekt, der von diesem als Empfangslichtimpuls zum Empfänger geführt ist, die Genauigkeit der Distanzmessung erheblich gesteigert werden, wobei eine Voraussetzung hierfür ist, dass die von den jeweiligen Stoppsignalen gebildeten Abtastpunkte des Empfangssignals so gewählt sind, dass aus diesen die Lage des Scheitelpunktes des Empfangslichtimpulses bestimmt werden kann.

Ausführungsbeispiel

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

1: Schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels des optischen Sensors.

2: Schematische Darstellung eines mittels des optischen Sensors gemäß 1 überwachten Schutzfelds.

3: Zeitdiagramme zur Auswertung von Empfangslichtimpulsen in dem optischen Sensor gemäß 1 bei störungsfreiem Betrieb.

4: Zeitlicher Verlauf eines nicht übersteuerten Empfangssignals.

5: Zeitlicher Verlauf von nicht übersteuerten Empfangssignalen, welche durch Empfangslichtimpulse generiert werden, die von Objekten unterschiedlicher Reflektivität in gleicher Distanz zur Vorrichtung generiert werden.

6: Zeitlicher Verlauf eines übersteuerten Empfangssignals.

1 zeigt ein Ausführungsbeispiel eines optischen Sensors 1 zum Erfassen von Objekten. Der optische Sensor 1 weist als Distanzsensorelement einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf. Der Sender 3 besteht vorzugsweise aus einer Laserdiode, welcher zur Strahlformung der Sendelichtstrahlen 2 eine Sendeoptik 6 nachgeordnet ist. Der Empfänger 5 ist beispielsweise von einer Fotodiode gebildet, welcher eine Empfangsoptik 7 vorgeordnet ist.

Die Distanzmessung erfolgt nach der Impulslaufzeitmethode. Hierzu werden vom Sender 3 Sendelichtstrahlen 2 in Form von kurzen Sendelichtimpulsen emittiert. Dabei emittiert der Sender 3 im vorliegenden Fall Sendelichtimpulse mit einer fest vorgegebenen Pulsfolgefrequenz. Die Distanzinformation wird durch direkte Messung der Laufzeit eines Sendelichtimpulses zu einem Objekt und zurück zum Empfänger 5 gewonnen.

Diese Auswertung erfolgt in einer Auswerteeinheit 8, an welche der Sender 3 und der Empfänger 5 über nicht dargestellte Zuleitungen angeschlossen sind. Die Auswerteeinheit 8 ist im vorliegenden Ausführungsbeispiel von einem ASIC gebildet.

Die Sendelichtstrahlen 2 und die Empfangslichtstrahlen 4 sind über eine Ablenkeinheit 9 geführt. Die Ablenkeinheit 9 weist einen Ablenkspiegel 10 auf, welcher auf einem drehbaren, über einen Motor 11 angetriebenen Drehspiegelhalter 12 aufsitzt. Der Ablenkspiegel 10 rotiert dadurch mit einer vorgegebenen Drehzahl um eine vertikale Drehachse D. Der Sender 3 und der Empfänger 5 sind in der Drehachse D oberhalb des Ablenkspiegels 10 angeordnet.

Der Ablenkspiegel 10 ist um 45° gegenüber der Drehachse D geneigt, so dass die am Ablenkspiegel 10 reflektierten Sendelichtstrahlen 2 in horizontaler Richtung verlaufend aus dem optischen Sensor 1 geführt sind. Dabei durchdringen die Sendelichtstrahlen 2 ein Austrittsfenster 13, welches in der Frontwand des Gehäuses 14 des optischen Sensors 1 angeordnet ist. Das Gehäuse 14 ist im Wesentlichen zylindrisch ausgebildet, wobei sich das Austrittsfenster 13 über einen Winkelbereich von 180° erstreckt. Dementsprechend wird, wie insbesondere aus 2 ersichtlich ist, mit den Sendelichtstrahlen 2 ein Überwachungsbereich 15 in Form einer halbkreisförmigen ebenen Fläche abgetastet, in welcher Objekte detektierbar sind. Der Überwachungsbereich 15 ist durch die von dem Distanzsensorelement erfassbare Maximaldistanz begrenzt. Die von den Objekten zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 durchsetzen in horizontaler Richtung verlaufend das Austrittsfenster 13 und werden über den Ablenkspiegel 10 zum Empfänger 5 geführt.

Zur Erfassung der Positionen der Objekte wird mittels eines nicht dargestellten, an die Auswerteeinheit 8 angeschlossenen Winkelgebers fortlaufend die aktuelle Winkelposition der Ablenkeinheit 9 erfasst. Aus der Winkelposition und dem in dieser Winkelposition registrierten Distanzwert wird in der Auswerteeinheit 8 die Position eines Objektes bestimmt.

Derartige optische Sensoren 1 werden insbesondere auch im Bereich des Personenschutzes eingesetzt, wobei zur Erfüllung der sicherheitstechnischen Anforderungen die Auswerteeinheit 8 einen redundanten Aufbau aufweist.

Bei derartigen sicherheitstechnischen Anwendungen erfolgt typischerweise die Erfassung von Objekten und Personen nicht innerhalb des gesamten von den Sendelichtstrahlen 2 überstrichenen Überwachungsbereichs 15, sondern innerhalb eines begrenzten Schutzfelds 16. Ein Beispiel für ein derartiges Schutzfeld 16 ist in 2 dargestellt. In diesem Fall ist das Schutzfeld 16 von einer rechteckigen ebenen Fläche gebildet.

In der Auswerteeinheit 8 wird ein binäres Objektfeststellungssignal generiert, dessen Schaltzustände angeben, ob sich ein Objekt innerhalb des Schutztfelds 6 befindet oder nicht. Das Objektfeststellungssignal wird über einen nicht dargestellten Schaltausgang des optischen Sensors 1 ausgegeben. Bei einem Einsatz im Personenschutz wird mit dem optischen Sensor 1 insbesondere das Vorfeld einer Maschine überwacht, wobei das Schutzfeld 16 des optischen Sensors 1 an einen im Vorfeld der Maschine liegenden Gefahrenbereich angepasst ist.

3 zeigt die zeitliche Abfolge der Sendelichtimpulse und der Empfangslichtimpulse bei der Objektdetektion mit dem optischen Sensor 1. Von dem Sender 3 des optischen Sensors 1 werden Sendelichtimpulse mit vorgegebener Pulsdauer und Pulsfolgefrequenz emittiert. Im vorliegenden Fall emittiert der Sender 3 eine Folge von Rechteckpulsen. Dabei ist die Periodendauer, innerhalb derer vom Sender 3 jeweils ein Sendelichtimpuls emittiert wird, in 3 mit T bezeichnet. Bei der Detektion eines Objektes wird ein Sendelichtimpuls am Objekt reflektiert und als Empfangslichtimpuls zum Empfänger 5 zurückgeführt. Entsprechend der Impulslaufzeit trifft der Empfangslichtimpuls gegenüber dem Sendelichtimpuls um eine Zeit tL bzw. tL. verzögert” auf den Empfänger 5.

Zur Bestimmung dieser Verzögerungszeiten, aus welchen in der Auswerteeinheit 8 die jeweilige Objektdistanz berechnet wird, werden im vorliegenden Fall für jeden ausgesendeten Sendelichtimpuls zwei Laufzeitmessungen durchgeführt. Das Prinzip dieser Messungen wird anhand des in 4 dargestellten zeitlichen Verlaufs eines nicht übersteuerten Empfangssignals E dargestellt. Da der Empfänger 5 im vorliegenden Fall durch den Empfang eines Empfangslichtimpulses nicht übersteuert, ist der zeitliche Verlauf des Empfangssignals E gemäß 4 im Wesentlichen proportional zum zeitlichen Verlauf des Empfangslichtimpulses, der als von einem Objekt zurückreflektierter Sendelichtimpuls auf den Empfänger 5 auftrifft. Der zeitliche Verlauf des Empfangssignals E entspricht im Wesentlichen einer Gaußverteilung und ist im Wesentlichen symmetrisch zum Scheitelpunk SP der Verteilung.

Die beiden Laufzeitmessungen werden mit einem Startsignal START synchron gestartet, wobei im vorliegenden Fall das Startsignal START durch die in 3 dargestellte steigende Flanke eines Sendelichtimpulses definiert ist. Zur Durchführung der beiden Laufzeitmessungen ist jeweils ein Zähler vorgesehen, wobei die Zähler in der Auswerteeinheit 8 integriert sind. Mit dem Startsignal START werden die beiden Zähler zur Durchführung der Laufzeitmessungen gestartet.

Zur Generierung von Stoppsignalen STOP1, STOP2 zum Beenden der Laufzeitmessungen wird das Empfangssignal E mit einem Schwellwert S bewertet. Wie aus 4 ersichtlich wird das erste Stoppsignal STOP1 generiert, sobald das Empfangssignal E den Schwellwert S überschreitet. Das Stoppsignal STOP2 wird generiert, sobald das Empfangssignal E den Schwellwert S unterschreitet. Durch diese richtungsabhängige Schwellwertbewertung wird somit das Empfangssignal E an zwei Abtastpunkten abgetastet. Dabei liegt ein Abtastpunkt (STOP1) an der steigenden Flanke des Empfangssignals E und ein Abtastpunkt (STOP2) an der fallenden Flanke des Empfangssignals E. Mit dem Stoppsignal STOP1 wird die erste Laufzeitmessung beendet, mit dem Stoppsignal STOP2 wird die zweite Laufzeitmessung beendet.

In der Auswerteeinheit 8 wird zur Bestimmung der Pulslaufzeit <L> des Empfangslichtimpulses der arithmetische Mittelwert der bei den beiden Laufzeitmessungen ermittelten Laufzeiten L1, L2 gemäß der Beziehung <L> = ½(L1 + L2) berechnet.

Da die Stoppsignale STOP1, STOP2 durch eine richtungsabhängige Bewertung des Empfangssignals mit dem selben Schwellwert S generiert werden, liegen diese symmetrisch zum Scheitelpunkt SP des Empfangssignals E. Durch die arithmetische Mittelwertbildung der Laufzeiten ist damit die zur Distanzbestimmung herangezogene Pulslaufzeit <L> auf den Scheitelpunkt SP des Empfangssignals E bezogen.

Hiermit wird eine von der Amplitude des Empfangssignals E unabhängige Distanzmessung ermöglicht, wie in 5 veranschaulicht. In 5 sind die zeitlichen Verläufe zweier nicht übersteuerter Empfangssignale E1, E2 dargestellt, die von Empfangslichtimpulsen generiert werden, welche von Objekten in gleicher Distanz zum optischen Sensor 1, jedoch mit verschiedenen Reflektivitäten zum Empfänger 5 reflektiert werden. Die Amplitude des Empfangssignals E1 ist dabei größer als die Amplitude des Empfangssignals E2, da dieses durch ein Objekt höherer Reflektivität generiert wurde. Die Lagen der Scheitelpunkte SP1, SP2 der Empfangssignale E1, E2 sind identisch, da die Empfangssignale E1, E2 von Objekten in gleicher Distanz zum optischen Sensor 1 stammen.

Die Distanzmessung erfolgt analog zur Auswertung gemäß 4. Zur Distanzmessung wird jedes Empfangssignal E1, E2 mit dem Schwellwert S zur Generierung der Stoppsignale zum Beenden der Laufzeitmessungen bewertet. Für das Empfangssignal E1 werden dabei die Stoppsignale STOP1(E1), STOP2(E1) erhalten, welche die jeweiligen Laufzeitmessungen beenden. Aus den hierbei ermittelten Laufzeiten L1(E1), L2(E2) wird durch Bilden des arithmetischen Mittelwerts die Pulslaufzeit <L(E1)> ermittelt, die auf den Scheitelpunkt SP1 des Empfangssignals E1 bezogen ist. Entsprechend werden für das Empfangssignal E2 die Stoppsignale STOP1(E2), STOP2(E2) ermittelt, wobei durch analoge Auswertung eine Pulslaufzeit <L(E2)> ermittelt wird, die auf den Scheitelpunkt SP2 bezogen ist. Da die Lagen der Scheitelpunkte SP1, SP2 gleich und unabhängig von den Amplituden der Empfangssignale E1, E2 sind, ist die Distanzmessung entsprechend unabhängig von der Empfangssignalamplitude.

Würde dagegen wie bei bekannten Distanzsensoren zur Distanzbestimmung nur eine Laufzeitmessung durchgeführt, die beispielsweise mit den Stoppsignalen STOP1(E1), STOP1(E2) an den steigenden Flanken beendet würde, so wäre, wie aus 5 unmittelbar ersichtlich, das Ergebnis der Distanzmessung abhängig von den Amplituden der Empfangssignale E1, E2, da die Lagen von STOP1(E1), STOP1(E2) von den Amplituden der Empfangssignale E1, E2 abhängen.

6 zeigt schematisch den zeitlichen Verlauf eines übersteuerten Empfangssignals E. Derartige übersteuerte Empfangssignale E werden insbesondere von hoch reflektierenden Objekten generiert. Die Amplituden der von derartigen Objekten zurück reflektierten Empfangslichtimpulsen sind so hoch, dass bei deren Empfang der Empfänger 5 übersteuert. Das Empfangssignal E weicht in einem derartigen Fall von dem idealen, mit A bezeichneten Verlauf ab und ist damit nicht mehr proportional zur Amplitude des Empfangslichtimpulses. Dabei ist der Verlauf des übersteuerten Empfangssignals E derart ausgebildet, dass dessen Maximum durch die Sättigung des Empfängers 5 abgeschnitten und auf einen Sättigungswert begrenzt ist. Da die Übersteuerung des Empfängers 5 erst mit einer endlichen Abklingzeit abklingt, ist zudem das Empfangssignal E erheblich verbreitert.

Auch das übersteuerte Empfangssignal E wird mit dem Schwellwert S zur Generierung der Stoppsignale STOP1, STOP2 bewertet, wobei mit diesen analog zur Ausführungsform gemäß 4 die beiden Laufzeitmessungen beendet werden.

Die Auswertung der dabei ermittelten Laufzeiten L1, L2 erfolgt dabei im Unterschied zur Auswertung nicht übersteuerter Empfangssignale E nicht durch Bildung eines arithmetischen Mittelwerts, sondern durch eine an die Signalform des Empfangssignals E angepasste Gewichtung der Laufzeiten.

In der Auswerteeinheit 8 wird dabei zunächst die Dauer des Empfangssignals E, das heißt die Differenz der Laufzeiten L1, L2 mit einem Grenzwert verglichen, der aus der Dauer des entsprechenden Sendelichtimpulses abgeleitet ist.

Liegt die Differenz unterhalb des Grenzwerts, so liegt ein nicht übersteuertes Empfangssignal E vor und die Auswertung der Laufzeiten L1, L2 erfolgt entsprechend der Ausführungsform gemäß 4.

Liegt dagegen die Differenz oberhalb des Grenzwerts, so liegt ein übersteuertes Empfangssignal E vor und die Auswertung der Laufzeiten L1, L2 erfolgt spezifisch für das übersteuerte Empfangssignal E.

Hierzu ist in der Auswerteeinheit 8 eine Korrekturtabelle mit Korrekturwerten in Abhängigkeit verschiedener Differenzen der Laufzeiten L1, L2, das heißt verschiedener Dauern der übersteuerten Empfangssignale E hinterlegt.

Die Korrekturtabelle wird vorzugsweise während einer Einlernphase empirisch bestimmt, in dem bei in unterschiedlichen Distanzen angeordneten hoch reflektierenden Objekten die Verläufe von übersteuerten Empfangssignale E in Abhängigkeit der zeitlichen Verläufe der entsprechenden Empfangslichtimpulse untersucht werden.

Alternativ können während der Einlernphase der Sender 3 und der Empfänger 5 in einem bestimmten Abstand platziert werden. Zwischen Sender 3 und Empfänger 5 wird in einer vorgegebenen Position eine Folie angebracht. Die Lichtdurchlässigkeit der Folie variiert von völlig transparent bis lichtundurchlässig. Durch Verschieben der Folie werden die Sendelichtstrahlen 2 an diesem unterschiedlich geschwächt, wodurch sich unterschiedlich große Amplituden der Empfangssignale ergeben.

Während des Betriebs des optischen Sensors 1 wird bei Vorliegen eines übersteuerten Empfangssignals E der entsprechende Korrekturwert K(L2 – L1) für die aktuell für das vorliegende Empfangssignal E ermittelte Differenz der Laufzeiten L1, L2 aus der Korrekturtabelle ausgelesen.

Die Bestimmung der Pulslaufzeit des Empfangslichtimpulses erfolgt dann entweder gemäß der Beziehung <L> = L1 + K(L2 – L1) oder gemäß der Beziehung <L> = L2 – K(L2 – L1).

Im ersten Fall wird zur Bestimmung der Pulslaufzeit neben dem Korrekturwert die mit STOP1 beendete erste Laufzeitmessung L1 herangezogen. Im zweiten Fall wird zur Bestimmung der Pulslaufzeit neben dem Korrekturwert die mit STOP2 beendete zweite Laufzeitmessung L2 herangezogen.

Durch eine geeignete Vorgabe der Korrekturwerte ist gewährleistet, dass die Bestimmung der Pulslaufzeit auf den Scheitelpunkt SP des Empfangslichtimpulses, das heißt auf den Scheitelpunkt SP des idealen Signalverlaufs A bezogen ist.


Anspruch[de]
Verfahren zur Erfassung von Objekten in einem Überwachungsbereich mittels eines einen Sender und Empfänger aufweisenden optischen Sensors, wobei der Sender Sendelichtimpulse emittiert, und wobei aus der Laufzeit eines zu einem Objekt geführten und von diesem als Empfangslichtimpuls zum Empfänger zurückreflektierenden Sendelichtimpulses die Distanz des Objekts bestimmt wird, wobei als Bezugspunkt für die Laufzeitmessung die Lage des Scheitelpunkts des Emfpangslichtimpulses bestimmt wird, indem mit Aussenden eines Sendelichtimpulses wenigstens ein START-Signal generiert wird, mittels dessen zwei Laufzeitmessungen gestartet werden, und in dem das durch den Empfangslichtimpuls im Empfänger (5) generierte Empfangssignal mit wenigstens einem Schwellwert bewertet wird, wobei ein erstes Stoppsignal STOP1 generiert wird, wenn das Empfangssignal den Schwellwert (S) überschreitet und ein zweites Stoppsignal STOP2 generiert wird, wenn das Empfangssignal den Schwellwert (S) unterschreitet, wobei die erste Laufzeitmessung mit dem Stoppsignal STOP1 und die zweite Laufzeitmessung mit dem Stoppsignal STOP2 beendet wird und aus den Stoppsignalen STOP1, STOP2 die Lage des Scheitelpunkts des Empfangslichtimpulses abgeleitet wird, wobei zur Unterscheidung, ob ein übersteuertes Empfangssignal vorliegt oder nicht die Differenz bei den beiden Laufzeitmessungen ermittelten Laufzeiten mit einem Grenzwert verglichen wird, der von der Dauer des jeweiligen Sendelichtimpulses abgeleitet ist, wobei bei unterhalb des Grenzwerts liegender Differenz der Laufzeiten der arithmetische Mittelwert beider Laufzeiten zur Bestimmung des Distanzwertes herangezogen wird und wobei bei oberhalb des Grenzwerts liegender Differenz zur Bestimmung des Distanzwerts der Wert <L> gemäß der Beziehung <L> = L1 + K(L2 – L1) oder <L> = L2 – K(L2 – L1) herangezogen wird, wobei L1, L2 die bei den Laufzeitmessungen ermittelten Laufzeiten sind und K(L2 – L1) ein Korrekturwert ist. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem START-Signal wenigstens ein Zähler zur Durchführung der Laufzeitmessungen gestartet wird. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass mit dem START-Signal für jede Laufzeitmessung ein Zähler gestartet wird, wobei ein erster separater Zähler mit dem ersten Stoppsignal, STOP1 und ein zweiter Zähler mit dem zweiten Stoppsignal STOP2 gestoppt wird. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass in der Auswerteeinheit (8) eine Korrekturtabelle mit Korrekturwerten in Abhängigkeit der Differenz der Laufzeiten abgespeichert ist. Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass für eine Distanzmessung die Differenz der Laufzeiten ermittelt wird und der entsprechende Korrekturwert zur Bildung der Linearkombination aus der Korrekturtabelle ausgelesen wird.






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