DE29923142U1 - Empfindlichkeitsregelung für Lichttaster - Google Patents

Description

Leuze electronic GmbH + Co.
73277 Owen/Teck

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Derartige Vorrichtungen können insbesondere als Reflexionslichtschranken ausgebildet sein und zur Detektion von transparenten Objekten, insbesondere Klarglasflaschen eingesetzt werden.

Hierbei besteht das Problem, daß derartige Objekte die Sendelichtstrahlen nur schwach dämpfen, so daß die Nachweisempfindlichkeit entsprechend gering ist. Zudem ist problematisch, daß die Optik oder das Austrittsfenster vor dem Sender und Empfänger an der Außenseite des Gehäuses durch Staub und dergleichen leicht verschmutzen, wodurch die Empfangslichtstrahlen, die auf den Empfänger auftreffen, abgeschwächt werden. Dies führt zu einer weiteren Verminderung der Nachweisempfindlichkeit.

Bei der Reflexionslichtschranke PRK 18 der Firma Leuze electronic wird das Empfangssignal am Ausgang des Empfängers mit einem ersten Schwellwert verglichen. Dadurch wird ein binäres Schaltsignal generiert, anhand dessen ein Objekt im Strahlengang der Reflexionslichtschranke erfaßbar ist.

Zur Erkennung der Verschmutzung des Austrittsfensters wird das Empfangssignal zudem mit einem zweiten Schwellwert verglichen, der oberhalb des ersten Schwellwerts liegt. Unterschreitet das Empfangssignal bei freiem Strahlengang diesen Schwellwert, so liegt eine Verschmutzung des Austrittsfensters vor, was durch entsprechende Statusanzeigen angezeigt wird.

Nachteilig hierbei ist jedoch, daß die Schwellwerte relativ dicht beieinander liegend gewählt werden müssen, um eine ausreichend empfindliche Ver-

schmutzungsanzeige zu gewährleisten. Dies führt jedoch zu unerwünscht großen Wartungszeiten und damit großen Stillstandszeiten des Lichttasters.

Zudem wird die Höhe des Schwellwerts manuell eingestellt, was nicht nur zeitaufwendig ist, sondern auch eine optimale und reproduzierbare Einstellung der Schwellwerte erschwert. Dabei besteht insbesondere die Gefahr, daß durch eine an die jeweilige Applikation unzureichend angepaßte Wahl der Schwellwerte die Nachweisempfindlichkeit des Lichttasters unerwünscht gering ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine optoelektronische Vorrichtung der eingangs genannten Art so auszubilden, daß insbesondere transparente Objekte mit einer möglichst großen Nachweisempfindlichkeit erfaßbar sind.

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

Bei der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung, die insbesondere als Reflexionslichtschranke oder als Lichtschranke ausgebildet ist, wird das Empfangssignal nicht nur mit dem Schwellwert S2 bewertet, der zur Erfassung von Objekten aus dem Empfangssignal ein binäres Schaltsignal generiert. Das Empfangssignal wird zusätzlich mit wenigstens zwei weiteren Schwell werten Sl und Sl-x verglichen.

Der Schwellwert Sl ist in Abhängigkeit des bei freiem Strahlengang der optoelektronischen Vorrichtung registrierten Empfangssignals einstellbar und liegt oberhalb des Schwellwerts S2. Vorzugsweise werden die Schwellwerte Sl-x und S2 in Abhängigkeit von Sl festgelegt.

Falls nach dem Einstellvorgang bei freiem Strahlengang das Empfangssignal aufwerte unterhalb des Schwellwerts Sl-x aber oberhalb des Schwellwerts S2 absinkt und falls zuvor das Empfangssignal wenigstens einmal, insbesondere

durch einen Objekteingriff in den Strahlengang der Vorrichtung, unterhalb von S2 abgesunken ist, wird das Empfangssignal bei freiem Strahlengang wieder auf den Wert von S1 erhöht.

Durch die selbsttätige Anpassung des Empfangssignals an die Schwellwerte zur Detektion von Objekten einerseits und zur Kontrolle von Verschmutzungen andererseits können insbesondere transparente Objekte mit großer Sicherheit erfaßt werden. Besonders vorteilhaft ist, daß dabei Verschmutzungen des Lichttasters nicht zu Fehldetektionen führen.

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

Fig. 1 Blockschaltbild der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung.

Fig. 2 Verlauf des Empfangssignals bei Detektion einer Klarglasflasche.

Fig. 3 Zeitlicher Verlauf des Empfangssignals und der Verstärkung des Empfangssignals bei mehreren Objekteingriffen.

Fig. 4 Zeitlicher Verlauf des Empfangssignals bei freiem Strahlengang.

Figur 1 zeigt ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen optoelektronischen Vorrichtung 1. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel ist die optoelektronische Vorrichtung 1 als Reflexionslichtschranke ausgebildet. Die Reflexionslichtschranke weist einen Sendelichtstrahlen 2 emittierenden Sender 3 und einen Empfangslichtstrahlen 4 empfangenden Empfänger 5 auf, wobei dem Sender 3 eine nicht dargestellte Sendeoptik nachgeordnet und dem Empfänger 5 eine nicht dargestellte Empfangsoptik vorgeordnet ist. Der Sender 3 ist von einer Leuchtdiode, der Empfänger 5 von einer Photodiode gebildet. Zudem ist dem Sender 3 ein erstes Polarisationsfilter 6 nachgeordnet und dem Empfänger 5 ein

zweites Polarisationsfilter 7 vorgeordnet. Die Polarisationsrichtungen des ersten und zweiten Polarisationsfilters 6, 7 sind um 90° gegeneinander gedreht.

Der von der Reflexionslichtschranke erfaßte Überwaehungsbereich ist von einem Reflektor 8 begrenzt. Die vom Sender 3 emittierten Sendelichtstrahlen 2 sowie die vom Reflektor 8 oder bei einem Objekteingriff von einem Objekt zurückreflektierten Empfangsstrahlen 4 durchsetzen jeweils ein Austrittsfenster 9 in einem Gehäuse 10, in welchem die Reflexionslichtschranke integriert ist.

Der Sender 3 und der Empfänger 5 sind jeweils an eine Auswerteeinheit 11 angeschlossen, die von einem Mikroprozessor oder dergleichen gebildet ist.

Dabei sind die am Ausgang des Empfängers 5 anstehenden Empfangssignale auf einen Verstärker 12 geführt. Die im Verstärker 12 mit einem vorgegebenen Verstärkungsfaktor verstärkten Empfangssignale werden über einen Eingang in die Auswerteeinheit 11 eingelesen. An einen Ausgang der Auswerteeinheit 11 ist ein elektrisches Potentiometer 13 angeschlossen, welches mit dem Verstärker 12 über eine Zuleitung verbunden ist. Das elektrische Potentiometer 13 dient zur Einstellung des Verstärkungsfaktors des Verstärkers 12 und wird über die Auswerteeinheit 11 gesteuert.

An jeweils einen Ausgang der Auswerteeinheit 11 ist ein Schaltausgang 14 und ein Warnausgang 15 angeschlossen. Über den Schaltausgang 14 wird ein in der Auswerteeinheit 11 generiertes Schaltsignal ausgegeben, welches die Schaltzustände ,.Objekt vorhanden" und ,.freier Strahlengang" aufweist. Über den Warnausgang ist eine Warnmeldung ausgebbar, welche beispielsweise zur Anzeige der Verschmutzung des Austrittsfensters 9 dient.

Zudem ist auf einen Eingang der Auswerteeinheit 11 ein Parametriereingang 16 angeschlossen. Über diesen Parametriereingang 16 sind Parameterwerte in die Auswerteeinheit 11 einlesbar und können in einem an die Ausvverteeinheit 11 angeschlossenen Parameterspeicher 17 abgespeichert werden.

Schließlich ist an die Auswerteeinheit 11 ein Bedienelement 18 angeschlossen, welches beispielsweise von einem Drehschalter gebildet ist.

Wie aus Figur 2 ersichtlich ist, wird das Empfangssignal mit mehreren Schwellwerten Sl, Sl-x, Sl+x, S2 bewertet, wobei die Höhen der Schwellwerte Sl, Sl-x, Sl+x, S2 vorzugsweise applikationsspezifisch festgelegt werden.

Die Festlegung der Schwellwerte Sl, Sl-x, Sl+x, S2 erfolgt während eines Einlemvorgangs, der vor der Inbetriebnahme der Reflexionslichtschranke durchgeführt wird.

Der Einlemvorgang wird vorzugsweise über das Bedienelement 18 durch das Bedienpersonal ausgelöst. Alternativ kann der Einlernvorgang durch Einlesen eines elektrischen Signals in die Reflexionslichtschranke erfolgen, wobei das elektrische Signal beispielsweise über den Parametriereingang 16 einlesbar ist.

Der Einlernvorgang erfolgt bei freiem Strahlengang der Reflexionslichtschranke. Dabei wird die Höhe des Schwellwertes Sl in Abhängigkeit des Empfangssignals festgelegt, welches bei vom Reflektor 8 auf den Empfänger 5 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 4 erhalten wird.

Zweckmäßigerweise wird der Schwellwert Sl so gewählt, daß dessen Höhe genau dem Empfangssignal bei freiem Strahlengang entspricht.

Die anderen Schwellwerte Sl-x, Sl+x und S2 werden in Abhängigkeit des Schwellwerts Sl festgelegt, wobei die Festlegung insbesondere so erfolgt, daß transparente Objekte mit großer Sicherheit erfaßbar sind. Dabei dienen, die Schwellwerte Sl, Sl-x und Sl+x insbesondere dazu, durch externe Einflüsse verursachte Veränderungen des Empfangssignals zu erfassen und zu kompen-

Zu den externen Einflüssen zählt insbesondere die Verschmutzung des Austrittsfensters 9.

Ein Beispiel einer Detektion eines transparenten Objekts ist in Figur 2 dargestellt. Dort ist eine Klarglasflasche schematisch dargestellt, welche durch den von der Reflexionslichtschranke erfaßten Überwachungsbereich hindurch bewegt wird. Der dabei erhaltene zeitliche Verlauf des Empfangssignals ist ebenfalls in Figur 2 dargestellt.

Vor Eintritt der Klarglasflasche in den Strahlengang der Reflexionslichtschranke treffen die Sendelichtstrahlen 2 ungehindert auf den Reflektor 8, so daß das Empfangssignal dem Wert von Sl entspricht. Sobald der Rand der Klarglasflasche detektiert wird, sinkt der Pegel des Empfangssignal auf ein Minimum ab (ti) und steigt danach auf ein Zwischemaximum an (t/>), was der Detektion der Flaschenmitte entspricht. Dann sinkt das Empfangssignal wieder auf ein Minimum bei tj ab, was der Detektion des zweiten Randes der Klarglasflasche entspricht. Schließlich tritt die Klarglasflasche aus dem Strahlengang, so daß das Empfangssignal wieder den Wert von Sl annimmt.

Bei diesem Ausführungsbeispiel besteht die Aufgabe darin, die Mitte der Klarglasflasche möglichst sicher zu detektieren.

Zur Detektion von Objekten dient der Schwellwert S2. Durch Vergleich mit dem Schwellwert S2 wird das Empfangssignal in ein binäres Schaltsignal umgewandelt, wobei das binäre Schaltsignal den Schaltzustand „Objekt vorhanden" einnimmt, falls das Empfangssignal unterhalb von S2 liegt und ansonsten den Schaltzustand „freier Strahlengang" einnimmt.

Im vorliegenden Beispiel wird S2 so gewählt, daß dessen Schwellwert mögliehst dicht über dem Zwischenmaximum bei ti liegt, wodurch eine sichere Detektion der Klarglasflasche ermöglicht wird. Typischerweise beträgt die Höhe des Schwellwerts S2 etwa 85% bis 90% der Höhe des Schwellwerts Sl.

Zudem werden über die Auswerteeinheit 11 zwei symmetrisch zu Sl liegende Schwellwerte Sl-x und Sl+x definiert, wobei &khgr; > 0 und etwa 3 - 6% der Höhe von S1 entspricht.
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Die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Reflexionslichtschranke ist insbesondere aus den Figuren 3 und 4 ersichtlich.

Der Grundgedanke der Erfindung besteht dabei darin, den Pegel des Empfangssignals bei freiem Strahlengang auf einen Wert einzuregeln, der möglichst exakt dem Wert des Schwellwerts Sl entspricht. Dies gewährleistet eine gleichbleibend hohe Nachweisempfindlichkeit der Reflexionslichtschranke, da damit der Signalabstand zwischen dem Empfangssignal S2 nahezu konstant bleibt.

Nur dann können transparente Objekte, wie zum Beispiel die in Figur 2 beschriebenen Klarglasflaschen, die Empfangssignale direkt unterhalb von S2 liefern, sicher erkannt werden.

Prinzipiell kann die Einstellung des Empfangssignals durch eine Regelung der Sendeleistung des Senders 3 erfolgen. Im vorliegenden Ausführungsbeispiel wird zur Einstellung des Empfangssignals der Verstärkungsfaktor im Verstärker 12 über das elektrische Potentiometer 13 geregelt. Wie in Figur 3 dargestellt, ist der Verstärkungsfaktor in 255 Stufen digital einstellbar.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Fall liegt das Empfangssignal zum Zeitpunkt to genau auf der Höhe des Schwellwerts Sl. Dieser Wert des Empfangssignals wird bei freiem Strahlengang unmittelbar nach Durchführung des Einlemvorgangs eingenommen.

Wie in Figur 3 dargestellt, fällt der Pegel des Empfangssignals nach dem Zeitpunkt to kontinuierlich ab, was auf einer Verschmutzung des Austrittsfensters 9 der Reflexionslichtschranke beruht.

In den Zeiten ti, t2, &Idigr;3 tritt jeweils kurzzeitig ein transparentes Objekt in den Strahlengang der Reflexionslichtschranke, so daß das Empfangssignal jeweils unter den Schwellwert Sl sinkt, wodurch über den Schaltausgang eine Objektmeldung durch Ausgabe des Schaltzustands „Objekt vorhanden" ausgegeben wird.

Erfindungsgemäß wird durch Vergrößern des Verstärkungsfaktors im Verstärker 12 das Empfangssignal so geregelt, daß dessen Pegel bei freiem Strahlengang wieder dem Wert von Sl entspricht. Dabei erfolgt die Regelung jedoch nur dann, wenn das Empfangssignal bei freiem Strahlengang unter den Wert von Sl-x abgesunken ist und zuvor wenigstens einmal das Empfangssignal, insbesondere durch einen Objekteingriff, unter den Schwellwert S2 abgesunken ist. Dabei ist die Anzahl der Objekteingriffe zweckmäßigerweise als Parameterwert über die Auswerteeinheit 11 vorgebbar. Bei dem in Figur 3 dargestellten Fall sind bis zum Zeitpunkt t3 zwar bereits mehrere Objekteingriffe erfolgt, jedoch ist nach einem Objekteingriff in den Intervallen ti und t2 sowie t2 und 13 das Empfangssignal jeweils wieder auf einen Wert oberhalb von Sl-x angestiegen, so daß noch keine Nachregelung des Empfangssignals erfolgt. Erst zum Zeitpunkt t4 sinkt das Empfangssignal bei freiem Strahlengang auf einen Wert oberhalb von S2 aber unterhalb von Sl-x, so daß dann die Erhöhung des Empfangssignals auf den Wert von S1 durch eine entsprechende Vergrößerung des Verstärkerfaktors erfolgt.

In einer vorteilhaften Ausfuhrungsform der Erfindung kann der Pegel des Empfangssignals bei freiem Strahlengang auch über eine vorgegebene Zeit gemittelt werden und erst dann mit dem Schwellwert Sl-x verglichen werden. Vorteilhafterweise wird die Mittelung über das Zeitintervall zwischen zwei Objekteingriffen durchgeführt.

Im Zeitintervall zwischen t4 und tj wird derselbe Vorgang nochmals wiederholt.

Prinzipiell läßt sich die Nachregelung des Empfangssignals solange wiederholen, bis am Verstärker 12 der maximale Verstärkungsfaktor eingestellt ist. Falls dann der Empfangssignalpegel weiter durch Verschmutzung des Austrittsfensters 9 absinkt, ist eine weitere Nachregelung des Empfangssignals nicht mehr möglich. In diesem Fall werden sämtliche Schwellwerte Sl, Sl-x, Sl+x, S2 prozentual um einen bestimmten Faktor abgesenkt, wobei die Absenkung jeweils zu einem unteren Grenzwert erfolgt. Sinkt danach das Empfangssignal weiter ab, so wird eine Stör- oder Warnmeldung vorzugsweise über den Warnausgang 15 abgegeben.

Zweckmäßigerweise kann bereits eine Warnmeldung auch dann abgegeben werden, sobald am Verstärker 12 der maximale Verstärkerfaktor eingestellt ist. Anhand der Warnmeldung kann das Bedienpersonal das Ausschnittsfenster 9 reinigen. Dadurch bedingt steigt das Empfangssignal sprunghaft an und liegt bei freiem Strahlengang bei einem Wert weit oberhalb von Sl und oberhalb von Sl+x. Bei Überschreiten des Schwellwerts Sl+x wird das Empfangssignal durch Reduzieren des Verstärkungsfaktors auf den Wert von Sl+x zurückgeregelt.

Dieser Fall ist ebenfalls in Figur 3 dargestellt. Das Empfangssignal bei freiem Strahlengang steigt zum Zeitpunkt ie sprunghaft auf einen Wert oberhalb von Sl+x an und wird bis zum Zeitpunkt t₇ durch entsprechende Verminderung des Verstärkungsfaktors auf den Wert Sl+x zurückgeregelt.

Bei dem in Figur 3 dargestellten Ausführungsbeispiel wird bei einer Verminderung des Pegels des Empfangssignals infolge der Verschmutzung des Austrittsfensters 9 oder infolge anderer Störeinflüsse das Empfangssignal nur dann auf den Wert von Sl nachgeregelt, falls zuvor das Empfangssignal unter den Wert von Sl-x abgesunken ist und wenigstens ein Objekteingriff erfolgt ist, wodurch das Empfangssignal unter den Wert von S2 abgesenkt wird.

Zusätzlich wird gemäß dem in Figur 4 dargestellten Fall der Pegel des Empfangssignals auch dann nachgeregelt, wenn kein Objekteingriff erfolgt, so daß das Empfangssignal nur unterhalb von Sl-x absinkt, nicht aber unter den Schwellwert S2.Voraussetzung hierfür ist jedoch, daß das Absinken des Empfangssignals vom Wert Sl auf den Wert Sl-x innerhalb einer Zeitspanne erfolgt, die größer oder gleich einem Zeitintervall Ät ist, wobei das Zeitintervall &Dgr;&iacgr; in der Größenordnung von einer oder mehrerer Stunden liegt. Zweckmäßigerweise ist der Wert von At in der Auswerteeinheit 11 als Parameterwert abgespeichert.

Durch diese Nachregelung werden langsame Änderungen des Empfangssignals auch dann kompensiert, wenn über eine große Zeitspanne kein Objekteingriff erfolgt.

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Claims (13)

1. Optoelektronische Vorrichtung zur Erfassung von Objekten mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, welcher an eine Auswerteeinheit angeschlossen ist, wobei aus dem am Ausgang des Empfängers anstehenden Empfangssignal durch Vergleich mit einem Schwellwert S2 ein binäres Schaltsignal abgeleitet wird, wobei das Schaltsignal den Schaltzustand "Objekt vorhanden" einnimmt, falls das Empfangssignal unterhalb des Schwellwerts S2 liegt und ansonsten den Schaltzustand "freier Strahlengang" einnimmt, dadurch gekennzeichnet, daß in Abhängigkeit des bei freiem Strahlengang registrierten Empfangssignals ein Schwellwert S1 mit S1 > S2 einstellbar ist, und daß bei einem nach dem Einstellvorgang bei freiem Strahlengang auf Werte unterhalb eines dritten Schwellwerts S1-x mit S1 > S1-x > S2 aber oberhalb des Schwellwerts S2 absinkendem Empfangssignal dieses wieder auf den Wert von S1 erhöht wird, falls zuvor das Empfangssignal wenigstens einmal den Schwellwert S2 unterschritten hat.

2. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß diese als Reflexionslichtschranke oder Lichtschranke ausgebildet ist.

3. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sender (3) ein erstes Polarisationsfilter (6) nachgeordnet und dem Empfänger (5) ein zweites Polarisationsfilter (7) vorgeordnet ist, wobei die Polarisationsrichtungen der Polarisationsfilter (6, 7) um 90° gegeneinander gedreht sind.

4. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe des Schwellwerts S1 dem Empfangssignal bei freiem Strahlengang entspricht.

5. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhen der Schwellwerte S1-x, S1+x und S2 aus dem Wert von S1 abgeleitet sind.

6. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal auf den Wert von S1 erhöht wird, wenn dieses innerhalb eines Zeitintervalls, welches mindestens Δt beträgt, von S1 auf einen Wert unterhalb von S1-x abgesunken ist, ohne daß in diesem Zeitintervall das Empfangssignal unterhalb von S2 abgesunken ist.

7. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, daß das Empfangssignal mit einem Schwellwert S1+x mit S1+x > S1 bewertet wird, wobei bei oberhalb von S1+x liegendem Empfangssignal dieses auf den Wert von S1+x zurückgeregelt wird.

8. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-7, dadurch gekennzeichnet, daß vorderen Inbetriebnahme die Einstellung des Empfangssignals auf den Wert von S1 während eines Einlernvorgangs erfolgt.

9. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß während des Einlernvorgangs die Schwellwerte S2, S1-x und S1+x einstellbar sind.

10. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Einlernvorgang über ein Bedienelement (18) oder ein externes Steuersignal aktivierbar ist.

11. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Empfangssignals durch Regelung der Sendeleistung erfolgt.

12. Optoelektronische Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeichnet, daß die Einstellung des Empfangssignals durch Regelung der Verstärkung des Empfangssignals erfolgt.

13. Optoelektronische Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwellwerte S1, S1-x, S1+x, S2 abgesenkt werden, falls die Verstärkung des Empfangssignals ihren oberen Grenzwert erreicht.