-
Gegenstand
der Erfindung ist ein Verfahren und eine Vorrichtung zur Unterdrückung von
Störungen
bei optischen Sensoren gemäss
den Merkmalen der Patentansprüche
1 und 8.
-
Optische
Sensoren, die zum Erfassen von Objekten, zum Erkennen von Objektpositionen
oder -lagen oder zum Ermitteln von Distanzen verwendet werden, umfassen
in der Regel eine Lichtquelle und einen Detektor. Spezielle Ausführungsformen
können
auch mehrere Lichtquellen und/oder mehrere Detektoren umfassen.
-
Bei
Reflexionslichttastern, Reflexionslichtschranken und bei Distanzsensoren
sind Lichtquelle und Detektor in der Regel in einem gemeinsamen Gehäuse zusammengefasst.
Sender und Empfänger sind
leicht miteinander synchronisierbar. Bei Einweglichtschranken sind
Lichtquelle (Sender) und Detektor (Empfänger) in getrennten Gehäusen angeordnet.
Eine direkte Synchronisation von Sender und Empfänger würde eine Synchronisationsleitung
oder eine geeignete andere Verbindung zwischen Sender und Empfänger erfordern.
Dies ist bei vielen Anwendungen nicht möglich oder zu umständlich.
-
Sowohl
bei Reflexionslichttastern und Distanzsensoren als auch bei Einweglichtschranken emittiert
die Lichtquelle in der Regel Lichtpulse einer bestimmten Wellenlänge bzw.
Frequenz und einer bestimmten Pulsdauer. Das Licht kann je nach
Ausgestaltung des Sensors zu einem Lichtstrahl gebündelt, fokussiert
oder durch Beugungs- oder Streumittel aufgeweitet in eine grossen
Raumwinkelbereich emittiert werden. Die Lichtpulse werden vom Detektor
erfasst. Zwischen den einzelnen Lichtpulsen liegen Sendepausen.
Diese können
konstant oder variabel sein. Die Funktionstüchtigkeit optischer Sensoren
kann durch verschiedene Effekte wie z.B. Fremdlicht oder unkontrollierbare
Reflexionen beeinträchtigt
oder gestört
werden. Insbesondere können
sich mehrere optische Sensoren gegenseitig beeinflussen, z.B. wenn
das von der Lichtquelle eines Sensors emittierte Licht auf den Detektor
eines anderen Sensors auftrifft.
-
Nachfolgend
sind einige Methoden aufgeführt,
wie die Störbarkeit
in solchen Fällen
verringert oder eliminiert werden kann:
- – Verwendung
von Licht unterschiedlicher Wellenlängen.
- – Nutzung
unterschiedlicher Repetitionsfrequenzen bzw. Periodendauern, sodass
Störungen nicht
in mehreren aufeinander folgenden Messintervallen auftreten und
unterdrückt
werden können.
- – Unterdrückung von
Störungen,
indem der Detektor in mehreren aufeinander folgenden Messungen oder
in n aus m Messungen (wobei n < m) das
gleiche Signal erkennen muss (Ausblenden zufälliger Störungen oder von Störungen durch Lichtquellen
anderer Sensoren, deren Repetitionsfrequenz so bemessen ist, dass
keine störenden
Interferenzen auftreten).
- – Bei
synchronisierbaren Sender-Empfänger-Paaren:
Zufälliges
Variieren der Sendepausen und/oder Erfassen und Auswerten von Störimpulsen
während
der Sendepausen. Verzögerung
der Sendepulse nach dem Auftreten von Störimpulsen durch andere Lichtquellen.
- – Aus
der DE-C2-3125728 ist ein Verfahren bekannt, wo kurz vor Aussendung
des Sendepulses die Anwesenheit eines Störsignals geprüft wird und
die Aussendung des Sendepulses verzögert wird, falls ein Störsignal
erkannt wurde. Für
den Fall einer einzelnen Störung
wird mittels eines Schieberegisters eine Plausibilitätsprüfung vorgenommen
und der Ausgangszustand nur geändert, wenn
alle Zustände
im Schieberegister gleich sind.
-
Eine
Aufgabe der vorliegenden Erfindung liegt darin, ein Verfahren und
eine Vorrichtung zur Unterdrückung
von Störungen
bei optischen Sensoren, welche periodisch Lichtpulse emittieren,
zu schaffen, wobei das Verfahren und die Vorrichtung Störungen durch
Fremdsignale ähnlicher
Repetitionsfrequenz verhindern.
-
Diese
Aufgabe wird gelöst
durch ein Verfahren und eine Vorrichtung gemäss dem Oberbegriff der Patentansprüche 1 und
8.
-
Bei
Sensoren mit einer Sendevorrichtung, welche periodisch Lichtpulse
emittiert, und einer Empfangsvorrichtung welche taktsynchron von
einem Detektor erfasste Lichtsignale auswertet, ist in der Regel
eine Fehlerkorrekturstufe vorgesehen. Sie kann zufällige Störungen unterdrücken, indem
beispielsweise innerhalb mehrerer aufeinander folgender Messintervalle
eine vorgegebene Mindestanzahl gleicher Signale erfasst werden müssen, bevor
dieses Signal an die Ausgangsstufe weiter gegeben wird (siehe DE-C2-3125728). Falls
der Detektor Störsignale
anderer Sensoren mit ähnlicher
Repetitionsfrequenz erfasst, interferieren diese mit dem Erfassungszeitfenster.
Die Erfassung solcher Störsignale in
mehreren aufeinander folgenden Messintervallen kann trotz Fehlerkorrekturstufe
zu fehlerhaften Ausgabewerten des Sensors führen.
-
Mit
dem erfindungsgemässen
Verfahren und der erfindungsgemässen
Vorrichtung kann ein Sensor automatisch störende Signale anderer Sensoren mit ähnlicher
Repetitionsfrequenz bzw. mit ähnlicher Sendepausendauer
erkennen. Sie können
von zufällig
auftretenden Störsignalen
unterschieden werden, da sie jeweils zu einem ähnlichen relativen Zeitpunkt bezüglich der
periodisch wiederholten Sendepulse auftreten. Wenn der Sensor in
mehreren aufeinander folgenden Messzyklen während eines innerhalb der Sendepausen
vorgegebenen Zeitfensters Fremd- oder
Störsignale
erfasst, so stammen diese Störsignale
mit grosser Wahrscheinlichkeit von einem anderen Sensor mit ähnlicher
Repetitionsfrequenz. Im Falle solcher Störungen kann der Sensor zu einer oder
mehreren weiteren Repetitionsfrequenzen umschalten, die beispielsweise
in einem Speichermedium des Sensors gespeichert sein können. Vorzugsweise
wird die Repetitionsfrequenz um einen Betrag von etwa zwei bis drei
Sendepulslängen
erhöht
oder vermindert. Dieser Prozess kann wiederholt werden, falls weiterhin
eine Störung
der vorgenannten Art vorliegt, und falls weitere alternative Repetitionsfrequenzen
verfügbar
sind.
-
Die
jeweils aktive Repetitionsfrequenz, bei der unter den jeweiligen
Einsatzbedingungen ein störungsfreier
Betrieb möglich
ist, kann bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Vorrichtung
nichtflüchtig gespeichert
werden. Nach einem Stromunterbruch kann der Sensor seine Arbeit
wieder mit der gespeicherten Repetitionsfrequenz aufnehmen.
-
Anhand
einiger Figuren wird die Erfindung im Folgenden näher beschrieben.
Dabei zeigen
-
1 eine
schematische Darstellung einer Anordnung von Einweglichtschranken,
-
2 eine
schematische Darstellung einer Anordnung von Reflexionslichttastern,
-
3 einige
Bestandteile zweier Sensoren
-
4 eine
Darstellung des zeitlichen Verlaufs von Sendepulsen und Zeitfenstern
zur Erfassung von Störungen
bei zwei Sensoren.
-
1 zeigt
schematisch eine Anordnung von drei Einweglichtschranken mit schraffiert
dargestellten Sendevorrichtungen bzw. Sendern 1a, 1b, 1c und
zugeordneten Empfangsvorrichtungen bzw. Empfängern 3a, 3b, 3c.
Die Lichtwege 5 von den Sendern 1a, 1b, 1c zu
den zugehörigen
Empfängern 3a, 3b, 3c sind
durch ausgezogene Pfeillinien 5a, 5b, 5c dargestellt.
Durch unterbrochene Pfeillinien 7 und Strich-Punkt-Pfeillinien 9 sind
einige Lichtwege dargestellt, bei denen ein Sender 1 einen
nicht zugehörigen
Empfänger 3 direkt
oder indirekt in störender Weise
beeinflusst. In letzterem Fall wird das vom jeweiligen Sender 1 emittierte
Licht an einem Messobjekt 11 oder an einem beliebigen anderen
Objekt gestreut oder reflektiert.
-
Grundsätzlich können sich
zwei oder mehrere Sensoren 15 paarweise gegenseitig oder
alternativ nur einseitig störend
beeinflussen. Die Art der Beeinflussung hängt u.a. von der jeweiligen
Anordnung der Sensoren 15 und von den Einsatzbedingungen ab.
-
In 2 ist
in analoger Weise eine Anordnung der Sender 1a, 1b, 1c und
Empfänger 3a, 3b, 3c von
drei Reflexionslichttastern mit den zugehörigen Lichtwegen dargestellt.
-
In 3 sind
schematisch einige wesentliche Bestandteile zweier identischer Reflexionslichttaster
bzw. Sensoren 15a, 15b dargestellt. Jeder der Sensoren 15a, 15b umfasst
den zugehörigen
Sender 1a, 1b mit je einer Lichtquelle 13a, 13b und
den zugehörigen
Empfänger 3a, 3b mit
je einem optischen Detektor 17a, 17b. Vorzugsweise
hat die Lichtquelle 13a, 13b ein schmales Emissionsspektrum,
auf welches die spektrale Empfindlichkeit des Detektors 17 abgestimmt
ist. Der Detektor 17 kann z.B. eine Fotodiode oder einen
Fototransistor oder eine linear oder flächig ausgebildete Anordnung
von CCD- oder CMOS-Fotoelementen aufweisen. Sender 1a, 1b und
Empfänger 3a, 3b werden
von einer gemeinsamen Sensorsteuerung 19a, 19b kontrolliert,
welche beispielsweise einen Microcontroller bzw. einen Programm-
und einen Datenspeicher oder ein PLD oder vorzugsweise ein ASIC
umfasst. Insbesondere kann jeder der Empfänger 3a, 3b mit
dem zugehörigen Sender 1a, 1b synchronisiert
und jeder der Sender 1a, 1b in Abhängigkeit
der vom zugehörigen
Empfänger 3a, 3b empfangenen
Signale gesteuert werden. Die Grenzen zwischen Sensorsteuerung 19 und Empfänger 3 bzw.
Sender 1 können
fliessend sein, sind also nicht scharf vorgegeben. Insbesondere kann
die Sensorsteuerung 19 den Sender 1 und/oder den
Empfänger 3 ganz
oder teilweise umfassen.
-
In 4 ist
die Entwicklung der folgenden Grössen
in Abhängigkeit
der Zeit dargestellt, wobei die Zeit t in Abszissenrichtung zunimmt:
- a1) Sendepulse der ersten Lichtquelle 13a (3)
des ersten Sensors 15a.
- a2) Zeitfenster 23 innerhalb der Sendepausen der ersten
Lichtquelle 13a zum Erfassen von Licht von Fremd- bzw.
Störlichtquellen
- b1) Sendepulse der zweiten Lichtquelle 13b (3)
des zweiten Sensors 15b
- b2) Zeitfenster innerhalb der Sendepausen der zweiten Lichtquelle 13b zum
Erfassen von Licht von Fremd- bzw. Störlichtquellen
-
Die
Lichtquelle 13a des ersten Sensors 15a emittiert
Lichtpulse der Dauer τa1.
Die Dauer der anschliessenden Sendepause beträgt τa2. Somit ist der Sendezyklus
des ersten Sensors 15a mit einer Periode τa3 = τa1 + τa2 bzw. einer
Repetitionsfrequenz fa = 1/τa3
bestimmt. Bei erstmaliger Inbetriebnahme des ersten Sensors 15a wird
die Repetitionsfrequenz fa oder die Periode τa3 oder eine äquivalente
andere Grösse
auf einen bestimmten Vorgabewert aus einem Set mehrerer (z.B. drei,
vier oder fünf)
in einem Frequenzspeicher 21a (4) der Vorrichtung
gespeicherter Vorgabewerte festgesetzt.
-
Die
Lichtpulsdauer τa1
kann im Vergleich zur Periode τa3
sehr kurz sein, beispielsweise τa1
= τa3/1000.
Sie sollte aber nicht wesentlich länger als etwa zehn bis 15 Prozent
der Periodendauer τa3
betragen. Gut geeignet sind insbesondere Werte im Bereich von einem
bis zehn Prozent der Periodendauer τa3, also beispielsweise 0.02 × τa3 oder 0.04 × τa3.
-
Der
Empfänger 3a ist
so ausgebildet, dass die Auswertung von Nutzsignalen – also von
Licht der zugehörigen
Lichtquelle 13a – taktsynchron
nur während
der Dauer τa1
des Sendepulses erfolgt. Signale, die der Detektor 17a während der
Dauer τa2
der Sendepausen empfängt,
werden nicht als Nutzsignale, sondern als Störsignale behandelt.
-
Zufällige Störungen,
die während
der Sendepulsdauer τa1
auftreten, werden mittels einer Fehlerkorrekturstufe eliminiert.
Die Messwerte bzw. die z.B. mittels eines Komparators digitalisierten
Messwerte, welche Auskunft über
das Vorliegen oder Fehlen eines genügend grossen Signalpegels am
Detektor 17a geben, werden in einem Pufferspeicher, z.B.
einem Schieberegister, gespeichert. Die derart gespeicherten Werte
der letzten m Messzyklen werden von der Sensorsteuerung 19a ausgewertet.
Nur wenn mindestens n (wobei m grösser oder gleich n ist) genügend grosse
Messwerte erfasst worden sind, wird der Ausgang des Sensors 15a durchgesteuert.
-
Störungen,
die von anderen Sensoren 15 mit ähnlichen Repetitionsfrequenzen
f herrühren,
können
erfindungsgemäss
erkannt werden. Dies wird anhand von 4 näher erläutert.
-
Nach
dem Ende des Sendepulses der Dauer τa1 wird innerhalb der Sendepause
der Dauer τa2
ein Zeitfenster 23 der Dauer τa4 geöffnet, während dem der Empfänger empfangsbereit
ist. Die Dauer τa4 des
Zeitfensters 23 ist vorzugsweise in der gleichen Grössenordnung
wie die Dauer τa1
des Sendepulses. Ist das Zeitfenster 23 deutlich kürzer als
die Dauer τa1
des Sendepulses, besteht die Gefahr, dass Fremdsignale nicht mehr
zuverlässig
erfasst werden können.
Ist das Zeitfenster 23 deutlich länger als die Dauer τa1 des Sendepulses,
werden unter Umständen
auch Signale von anderen Sensoren 15b als Störsignale
erfasst, obwohl deren Periodendauer τb3 sich genügend von der Periodendauer τa3 unterscheidet,
sodass keine störenden
Interferenzen mit dem Erfassungszeitfenster τa1 des Sensors 15a eintreten
können.
Das Zeitfenster 23 kann sich maximal bis zum Beginn des
nächsten
Sendepulses erstrecken. Vorzugsweise ist es deutlich kürzer und
entweder vollständig
innerhalb der ersten Hälfte
der Periode τa3
des Sendezyklus' oder
vollständig
in der zweiten Hälfte
dieser Periode τa3
angeordnet.
-
Das
Zeitfenster 23 kann z.B. – bezogen auf die Periodendauer τa3 – bei 0.1 × τa3 beginnen
und bei 0.4 × τa3 enden
oder alternativ bei 0.6 × τa3 beginnen
und bei 0.9 × τa3 enden.
-
Wenn
der Empfänger 3a innerhalb
mehreren (z.B. 3) aufeinander folgenden Messzyklen ein Störsignal
im genannten Zeitfenster 23 erfasst, so handelt es sich
mit grosser Wahrscheinlichkeit um ein Störsignal eines anderen Sensors 15b mit
annähernd
gleicher oder ähnlicher
Repetitionsfrequenz fb. (Selbst bei identischer Bauweise zweier
Sensoren 15a und 15b kann z.B. infolge von Toleranzen
verschiedener Bauteile und aufgrund von Fluktuationen während der "Aufwärmphase" nach dem Einschalten der
Sensoren 15a, 15b davon ausgegangen werden, dass
sich die Repetitionsfrequenzen mindestens zeitweise leicht unterscheiden).
Der Empfänger 3a oder
die Sensorsteuerung 19a können diesen Sachverhalt beispielsweise
in Analogie zur Fehlerkorrekturstufe mittels eines weiteren 3-fach-Schieberegisters
bzw. eines Störgrössenspeichers
feststellen, welches die Messresultate jedes Zeitfensters 23 einliest
und – nachdem
die notwendige Anzahl Störungen
gezählt
wurde – die
Periode τa3
neu festlegt, indem sie ihr einen anderen, ebenfalls im Frequenzspeicher 21a gespeicherten
Vorgabewerte zuweist. Die Speicherung und/oder Zuweisung solcher
Vorgabewerte kann z.B. zufällig
oder gemäss
einer vorgegebenen Reihenfolge erfolgen. Wenn in der Reihenfolge
der gespeicherten Vorgabewerte der letzte Wert erreicht ist, wird
beispielsweise zyklisch wieder mit dem ersten Vorgabewert begonnen.
Benachbarte Vorgabewerte unterscheiden sich vorteilhaft um etwa das
Zwei- bis Dreifache der Sendepulsdauer τa1. Diese Differenz wertmässig benachbarter
Vorgabewerte sollte nach Möglichkeit
grösser
sein als die Dauer τa4, τb4, τc4 der Zeitfenster 23.
Dadurch kann verhindert werden, dass ein störender Sensor 15b selbst
nach dem Frequenzwechsel noch als störende Fremdlichtquelle mit ähnlicher
Frequenz f erkannt wird. Der jeweils aktuelle Wert der Periodendauer τa3 oder eine äquivalente
Grösse
wird in einem nichtflüchtigen
Speichermedium des Sensors 15a gespeichert. Bei der Wiederaufnahme
des Betriebs nach einem Stromunterbruch wird automatisch diese letztgespeicherte
Periodendauer τa3
verwendet.
-
Die
vorhergehenden Ausführungen
gelten selbstverständlich
auch für
den zweiten Sensor 15b und für weitere Sensoren 15.
(Dazu müssen
die den jeweiligen Sensor 15 bezeichnenden Indices "a" durch "b" und "b" z.B. durch "a" oder "c" ersetzt werden. Für den zweiten Sensor 15b ist
das Bezugszeichen für
das Zeitfenster 25).
-
Wenn
sich zwei Sensoren 15a und 15b gegenseitig beeinflussen,
muss verhindert werden können,
dass beide Sensoren 15a, 15b gleichzeitig einen
Wechsel der Repetitionsfrequenzen fa und fb durchführen. Dies
ist beispielsweise möglich,
indem die Zeitfenster 23 und 25 wie oben beschrieben
kurz nach oder kurz vor dem zugehörigen Sendepuls angeordnet
sind und eine Dauer τa4
bzw. τb4
aufweisen, die kürzer
als die Hälfte
der zugehörigen
Periodendauer τa3, τb3 ist. Dadurch
wird sichergestellt, dass nicht beide Sensoren 15a, 15b annähernd gleichzeitig
ein Störsignal
des jeweils anderen Sensors 15b, 15a erfassen
können.
Im Weiteren haben kurze Zeitfenster 23, 25 den
Effekt, dass nur Störsignale
mit gleicher oder leicht unterschiedlicher Repetitionsfrequenz f
erfasst werden.
-
Bei
zu langen Zeitfenstern tritt der Effekt auf, dass trotz Korrektur
der Periodendauer ein benachbarter Sender immer noch als störend erkannt
wird, obwohl er die eigentliche Signalmessung nicht mehr stört. Grundsätzlich ist
ein Frequenzwechsel unter Umständen
nicht erforderlich, falls sich die Repetitionsfrequenzen fa, fb
der beiden Sensoren 15a, 15b genügend unterscheiden.
-
Da
die Zeitpunkte der Messung des Nutz- und des Störsignals deutlich auseinander
liegen, kann das erfindungsgemässe
Verfahren selbst in Verbindung mit Detektoren 17 bzw. Empfängern 3 eingesetzt
werden, welche eine verhältnismässig geringe
Zeitauflösung
haben, also beispielsweise in Verbindung mit Analog-Digital-Wandlern
(AD-Wandler). Diese können
Wandlungszeiten in der Grössenordnung
von 5 bis 30 Mikrosekunden aufweisen. Der AD-Wandler kann beispielsweise
vor dem Ende des Sendepulses eine eingangsseitig anliegende Spannung
mittels einer Sample-Hold Schaltung erfassen und halten. Anschliessend
wird der so gehaltene bzw. gespeicherte Spannungswert in einen Digitalwert
gewandelt. Insbesondere kann ein solcher AD-Wandler Bestandteil
eines ASIC sein, welcher nahezu die gesamte Sensorelektronik umfasst.
Dank der hohen Integrationsdichte werden weniger Bauteile für einen
Sensor 15 benötigt.
Der Platzbedarf ist geringer und die Herstellkosten tiefer als bei
herkömmlichen
Sensoren 15.
-
Die
Anzahl der gespeicherten Repetitionsfrequenzen f bestimmt die Anzahl
von Sensoren 15, die in einer spezifischen Anwendung ohne
Rücksicht
auf gegenseitige Beeinflussung der Sensoren 15 installiert
werden können.
Falls einer oder mehrere der Sensoren 15 ausgewechselt
bzw. ersetzt werden müssen,
ist keinerlei Kenntnis über
die Repetitionsfrequenzen der Sensoren 15 erforderlich.
Das System mit mehreren Sensoren 15 wählt automatisch wieder eine
geeignete Konfiguration von Repetitionsfrequenzen.
-
- 1,
(a,b,c)
- Sender
- 3,
(a,b,c)
- Empfänger
- 5
- ausgezogene
Pfeillinie
- 7
- unterbrochene
Pfeillinie
- 9
- Strich-Punkt-Pfeillinie
- 11
- Messobjekt
- 13
(a,b)
- Lichtquelle
- 15,
(a,b,c)
- Sensor
- 17
- Detektor
- 19
- Sensorsteuerung
- 21
- Frequenzspeicher
- 23
- Zeitfenster