专利名称：光电接近度开关的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于检测在监视区域内物体的出现的光电接近度(proximity)开关，该光电接近度开关包括一个用于将由脉冲发生器的输出信号所触发并按各个脉冲之间的时间间隔发射的发射光脉冲射入监视区的光脉冲发射器，及一个与光脉冲发射器和监视区域有关的以这样的方式排列的光接收器，即在监视区没有被检测的物体的情况下，它实际上没有接收来自光脉冲发射器的光，而在监视区出现被检测的物体时，它接收来自光脉冲发射器的一定量的反射光，使得连接于光接收器的接收信号评估装置产生一个物体的检测信号。
本发明还涉及一种用于检测在监视区域中物体的出现的系统。
本发明也涉及一种借助于上面提到的那种光电接近度开关，检测在监视区域中物体的出现的方法。
在光信号传输的应用中的主要问题通常是一个以上的发射-接收器对在同一室内使用时，每个接收器可以接收来自不同发射器的光，而且接收装置不能确定由哪个发射器发射了所接收的光。
光从发射器到接收器的传输可以直接进行或者通过一次反射或多次反射进行。这个问题可以被解决，其中由各个发射器所发射的光具有附加信息，它由各接收器评估并用于识别。有已知的许多方式实现该功能，比如，通过使由各发射器所发射的光与一个给定的波长和/或偏振光相关，或通过利用不同种类的编解码调制及其组合。发射光的调制从技术的观点看特别重要，但它无论如何都具有减少整个可利用带宽的缺点。
上面提到的问题例如在光电接近度开关中被特别叙述。后者主要用于制造、输送和仓储领域。根据这些设备日益严格的要求使得在有限的空间内要不断地增加传感器的数量，因此导致在不同的发射-接近对之间存在所不希望有的较高的相互干扰的可能性。因此最好是为用户提供任意使用而不需要特殊防护措施的发射-接收对。需要初步测量以便可单独识别的发射-接收对尤其是不适合的，因为它们涉及特别复杂的数理逻辑和在更换部件的设备中增加失误危险。
此外，不同发射-接收器对的信号连接由于额外的布线通常也是不令人满意的。
为改善信噪比及减少对外界光线的灵敏度现有技术的光电接近度开关主要利用如
图1所示的那些脉冲调制过的发射光脉冲41。
此外，为改善开关安全及可靠性，接收装置被设计成在状态接收装置输出信号42的触发改变之前，等待一定接收脉冲数No。这种状态的改变发出在监视区域存在检测的物体的信号。从根本上，这也减少了在相邻发射-接收器对之间相互干扰的危险。然而，一个给定制造批次的所有装置的脉冲频率大致相同但由于元件误差并不完全相同，相位关系的一致及由此所不希望有的相互干扰有时仍然可能发生。
德国专利DE4031142C2公开一种方法，其中每个发射-接收器对确定来自相邻发射-接收器对的光是否在发射光脉冲前正照射在其接收器上。如果是这种情况，发射光脉冲的发射被延迟直到光接收器不再接收外部光线为止，并且只在那时发射一个光脉冲。然而，这种现有技术的方法有几个缺点。由于发射光脉冲不能被延迟太久，如果两个的上装置同时使用，完成的操作就不特别令人满意。此外，如果由两个或两个以上的装置准确地同时发射发射光脉冲，用参考文献DE4031143C2中公开的方法操作是不可靠的，这是由于非同步操作有时是不可避免的。
现有技术的其它方法利用复杂的编解码调制。例如，德国专利申请DE19926214A1公开了一种方法，其中调制甚至和相关分析一起被使用。这种现有技术的方法也有相当大的缺点。一个主要的缺点是计算相关所需的时间，还有获得的结果的不可靠性。事实上，根据相关函数的确定的阀值，偏差脉冲的概率更高或者在与需要的时间成反比时更低。
刚才提到的第一目的最好以这样一种方式被实现，使对监视区内物体的出现可靠的检测成为可能。
-不需要对光电接近度开关进行单独识别的测量。
-不会损害光电接近度开关的其它性能，更具体地是其切换频率和电流损耗，及-实质上不会增加成本。
此外，本发明的第二个目的是要提供一种用于检测在监视区物体的出现的系统，它消除了上面所讨论的缺点。
此外，本发明的第三个目的是要提供一种借助上面提到的那种光电接近度开关检测在监视区物体的出现的方法，它清除了上面所讨论的缺点。
本发明的优点主要在于以有益的方式实现了上面提到的目的，而且在于能使在有限的空间内排列的大量光电接近度开关在存在漫射光线时还能可靠操作。
根据本发明，上面提到的第一目的由根据权利要求1所述的光电接近度开关实现。
根据本发明，上面提到的第二目的由根据权利要求11所述的系统实现。
根据本发明，上面提到的第三目的由权利要求12所述的方法实现。
在从属权利要求中限定了本发明的最佳实施例。
图2表示根据本发明的发射光脉冲43和光电接近度开关接收信号评估装置的输出信号44的瞬时位置图。
图3表示根据本发明的光电接近度开关的电路框图。
图4表示图3中随机信号发生器14的第一典型实施例。
图5表示图3中随机信号发生器14的第二典型实施例。
图6表示根据本发明包含多个光电接近度开关的一个系统的示意图。
光脉冲发射器13将发射信号脉冲发射到监视区，这些脉冲由脉冲发生器14所触发并且在每个发射脉冲之间有时间间隔。
光接收器15相对于光脉冲发射器13和监视区以这样一种方式设置，即在监视区没有检测到物体时，它实际接收的没有来自光脉冲发射器13的光，而在监视区存在检测的物体时，它由于反射接收来自光脉冲发射器13的适量的光使得连接于光接收器15的接收信号评估装置16发送一个物体检测信号。
随机信号发生器14的第一输出端被连接于光脉冲发射器13的一个输入端，光脉冲发射器被提供用于确定由光脉冲发射器13所发射的发射光脉冲位置的第一信号。
随机信号发生器14的第二输出端被连接于接收信号评估装置16的一个输入端，接收信号评估装置被提供有随机信号发生器14的第二输出信号，该信号与随机信号发生器14的第一输出信号相同或与之对应。
借助于随机信号发生器14产生的输出信号，评估装置16确定接收的光脉冲的有效性。根据图2由各发射器发射的发射脉冲序列43由由随机信号发生器14的输出信号调制的脉冲位置。因此，脉冲序列被随机调制。在发射器13上获得的脉冲序列不是以固定周期T和固定发射频率F发射，而是以一个平均发射频率Fa、平均周期Ta和脉冲持续时间Tp发射。
随机信号发生器14最好这样被设计使得其输出信号的任何周期性都被排除或者至少发生可能性很小，在其开始阶段也一样。
如从前面的讨论得出的，不同的光脉冲发射器尽可能完全地去同步，以便将位于同一光学空间内的不同发射-接收器对之间相互干扰的可能性减少到实际上排除了这种干扰的一个水平。在这方面，该方案明显不同于试图通过使不同发射器尽可能准确地同步而控制在由不同的发射器所发射的光脉冲之间漂移相位以达到相同目的的方案。
随机信号发生器14在设计上很简单并且例如利用了自然界的声音，即实质上是白噪声。通过举例的方式，图4以噪声信号发生器形式的随机信号发生器的电路图，其中一个齐纳二极管17例如是BZX84C6V2型的，被用作噪声源，于是产生实质的白噪声。该噪声信号发生器包括串联连接的提供比如10V电压的直流电压源18，比如470Ω的电阻19和齐纳二极管17。穿过齐纳二极管17的负载电阻19的噪声信号在放大器21中被放大并在脉冲成形电路22中转换成方波信号。
在根据本发明光电接近度开关的第二实施例中，随机信号发生器14具有伪随机信号发生器的形式。
在本发明中，伪随机信号发生器比如可以具有用作脉冲发生器14的所谓数字噪声发生器的形式。这种伪随机信号发生器包括如在反馈中带有异门的移位寄存器。
然而，伪随机信号发生器与噪声信号发生器相比更不适于随机信号的发生，因为其输出信号经常具有一定的周期性。
图5表示一种伪随机信号发生器的典型实施例，其中异门31、32、33被连接至移位寄存器35的并行输出端Q2、Q3、Q5和Q16，它该移位寄存器在其输入端IN的时钟发生器34定时，这样使得多项式函数f(x)＝1+x2+x3+x5+x16在其输出端OUT可串行得到。这个函数类似于随机脉冲序列。然而，它不是随机函数而是以时钟发生器34的2n时钟脉冲为周期的再现(其中n是移位寄存器触发器的数目)。
实际上，最好借助用作脉冲发生器14的随机或伪随机信号发生器，限制在其产生的序列发射脉冲之间可变间隔的数值范围。间隔太短是有害的，因为可能导致发射二极管过载以及接收器恢复时间太短。间隔太长也有害，因为可能导致在评估装置16遗失信息。因此，随机或伪随机信号发生器16最好以这样的方式操作，即其中产生的序列发射脉冲之间随机分布的间隔长度包含于由最小和最大极限值所规定的预定范围内。
评估装置16的第一实施例考虑到下列事实既使利用随机调制信号，脉冲冲突仍可以发生。此外，这种冲突的发生随着位于同一室内发射器的数量M增加而增加。因此，通过借助于评估装置16影响在接收器侧一序列脉冲N的评估，保证整体冲突概率降低到特殊应用所需要的数值以下。因此，需要一个不断的连续的N个有效信号的接收以需安触发接收器输出信号的状态变化，该状态变化相当于一个物体检测信号。在本文中，各接收脉冲将被认为是有效的，实际上具有与相应的发射光脉冲同样的瞬时位置，然而与脉冲是否确实由与接收器15有关的发射器发射无关，它不能由评估装置16来确定。
附加发射脉冲，即同由与发射-接收器对中的接收器有关的发射器所发射的发射脉冲不一致的发射脉冲，不被评估。概率计算和统计学中的已知方法表示冲突概率P1可以由下列公式计算P1=CN-AA*(M-2)CNA*(M-1)]]>其中A＝Tp*N*FaC表示()的组合并由下式给出。Cab=a!b!(a-b)!]]>如果规定了M、Tp和Fa，则可以选择N，这样就获得了所希望的冲突概率。后者可以被选择为如所希望的那样低(希望为零)。然而，如果N被增加，有用的切换频率被相应减少。因此，在切换频率、M、Tp、Fa和N之间的权衡必须在各种情况下被选择。例如，如果M＝5、Tp＝1μs、Fa＝15KHz和N＝500，则冲突概率为1.25×10-17，或者1,270,000年发生一次，并且切换频率为1KHz。
评估装置16的一个可供选择的最佳实施例考虑下列事实，实际上有可能不是所有的发射脉冲都被成功接收，比如由于输入阶段电子干扰或噪声。为了顾及这种可能性，评估装置16的一个可供选择的实施例，通过在脉冲序列N中接受根据上述条件应该出现的丢失的K个脉冲，而与上面提到的条件(不间断的N个脉冲序列)有区别。然而，为了维持给定的冲突概率，若K＞ON则初始值必须被增加到更高的值Nk。
在评估装置16的这个实施例中，为触发其状态变化作为物体检测信号的接收器输出信号的状态变化，必须按收Nk个光脉冲，它的Nk-K个脉冲必须作为有效脉冲由评估装置16所接受，其中K是正整数并且K＝Nk-N。实际上具有与相应的发射光脉冲相同瞬时位置的各个脉冲作为有效脉冲被接受。
在评估装置16刚刚描述的操作模式中，可以证明冲突概率P2可以由下列公式计算P2=Σi=0A-KCAi*CNK-AA*(M-2)+iCNKA]]>刚刚描述的操作模式具有的优点是如由于电噪声产生的差错，可以用有效的和相对容易的方式来解决。以这种操作模式操作的光电接近度开关可以通过固定M、Tp、Fa，和K被调整为一种特定用途，以获得所希望的切换频率和冲突概率并因此既使在恶劣的条件下也能在较宽的应用范围内操作。尤其，要保障光电接近度开关的可靠操作，既使某些已发射的脉冲未被成功地接收。
在上述方法中，必须等待N及Nk个脉冲，以便装置的输出信号变化。光电接近度开关的有用切换频率相应减少，致使切换频率值对于某些应用可能是太低了。然而，如上面所提到的，在影响装置输出信号的变化之前，现今使用的简单装置通常也计数N0个有效脉冲。因此，有用的信号频率在现有技术的装置中已被减少。
在本发明接近度开关的最佳实施例中，所不希望有的切换频率的减少由下列测量所抵消1.在保持平均调制频率Fa的同时，减少发射光脉冲的脉冲持续时间Tp。用有效的分量，使其正常值目前大约为2至10μm的Tp减少到低于2μm或者甚至低于1μm是有可能的而不会有任何问题。脉冲宽度减少一半会使所需要的N值减少到少于一半(对于相同的冲突概率而言)。
2.如果评估装置16检测比如Ns个有效脉冲的短序列并且因此评估装置输出信号的状态变化是可能的，下列N-Ns和Nk-Ns脉冲的调制频率Fa被强烈增加，如增加一倍(突发)。需要获得Nk和N的时间因此相应减少而不会影响冲突概率。
3.评估装置16被用于对由其它发射器而不是其自身发射器所发射的外来脉冲永久监视。在没有或只有少量外部脉冲的情况下，N及Nk可以随有用切换频率的增加而动态减少。
因此，本发明提供一种优于现有技术的非常显著地减少相邻装置之间干扰的方法。因而这种装置可能的应用范围实际上被加大了，并其应用被简化了。
图6示意地表示根据本发明包括多个光电接近度开关51、52、53等并用作如检测在监视区物体12的出现的一个系统。各光电接近度开关51、52、53等的设计和功能性(functionality)可以与上述某个实施例对应。
在根据本发明用于检测在监视区域物体12的出现的方法的执行过程中，使用了比如上述某一种光电接近度开关的实施例。为此目的，(a)由光脉冲发射器(13)所发射的发射光脉冲的脉冲序列是借助于用作脉冲发生器的随机信号发生器或伪随机信号发生器的第一输出信号来进行脉冲位置调制，以及(b)与随机信号发生器或伪随机信号发生器的第一输出信号相同或与其对应的随机信号发生器的第二输出信号，被用于控制接收信号评估装置(16)的操作。
在刚才定义的方法的第一实施例中，当光接收器15接收N个光脉冲的连续序列时，由光接收器15所接收的光脉冲在产生物体检测信号的评估装置中被处理，所接收的N个脉冲中每个实际上都具有与相应的发射光脉冲相同的瞬时位置。
在刚刚定义的方法的第二实施例中，当光接收器15接收Nk个光脉冲的序列时，由光接收器15所接收的光脉冲在产生物体检测信号的评估装置中处理，所接收的数量为Nk-K个光脉冲中的每个实际上都具有与相应的发射光脉冲相同的瞬时位置，这时K是一个正整数且K＝Nk-N。
对于一个增加的切换频率，该方法包括下列单独或组合地测量应用-利用具有少于二微秒的脉冲持续时间(Tp)的发射光脉冲，-如果在接收间隔所接收的和作为有效脉冲由评估装置接受的光脉冲数小于预定值，经过所选择的时间间隔，增加由光脉冲发射器13所发射的发射光脉冲的平均脉冲频率(Fa)。
在本发明中，光的所有波长可以考虑在内，即可见光及红外和紫外辐射。
尽管本发明的最佳实施例已在上面用特定的范围来描述，但这个说明只是说明性的，并且要明白，可以进行改变和变更而不会脱离该专利权利要求的实质和范围。
参考标号清单11.光电接近度开关12.物体13.光脉冲发射器14.脉冲发生器/随机信号发生器/伪随机信号发生器/噪声信号发生器15.光接收器16.接收信号评估装置17.齐纳二极管18.直流电压源19.电阻21.放大器22.脉冲成形电路31.异门32.异门33.异门34.时钟发生器35.移位寄存器
41.已脉冲调制的发射光脉冲42.接收装置的输出信号43.已脉冲调制的发射光脉冲序列44.评估装置的输出信号51.发射-接收器对52.发射-接收器对53.发射-接收器对F.发射光脉冲的频率T.发射光脉冲的周期Fa.发射光脉冲频率的平均值Ta.发射光脉冲周期的平均值M.位于同一房间内的光脉冲发射器数量No.接收的光脉冲数(现有技术)N.接收的光脉冲数(评估装置的第一实施例)Nk.接收的光脉冲数(评估装置的第二实施例)Ns.接收的光脉冲数(评估装置的第三实施例)K.正整数P1.冲突概率P2.冲突概率
权利要求
1.一种用于检测在监视区内物体(12)的出现的光电接近度开关(11)，该光电接近度开关包括一个由脉冲发生器(14)的输出信号所触发用于将发射光脉冲射入监视区的光脉冲发射器(13)，在各发射脉冲之间有时间间隔，及一个相对于光脉冲发射器(13)和监视区以这样方式布置的光接收器(15)，即在监视区不存在要检测的物体时，它实际上没有接收来自光脉冲发射器(13)的光，而在监视区出现要检测的物体时，由于反射它接收来自光发射器(13)的一定量的光使得连接于光接收器(15)的接收信号评估装置(16)产生一个物体检测信号，其特征在于(a)该脉冲发生器(14)是一个随机信号发生器或者伪随机信号发生器，(b)脉冲发生器的一个输出端被连接于光脉冲发射器的一个输入端，由此该光脉冲发射器被提供由随机信号发生器或伪随机信号发生器所产生的脉冲发生器第一输出信号，并用于确定由光脉冲发射器(13)发射的发射光脉冲的脉冲位置，及(c)脉冲发生器的一个输出端被连接至接收信号评估装置(16)的一个输入端，由此该评估装置被提供与随机信号发生器或伪随机信号发生器的第一输出信号相同或者相对应的脉冲发生器第二输出信号。
2.根据权利要求1所述光电接近度开关，其特征在于该随机信号发生器是一个噪声信号发生器。
3.根据权利要求2所述的光电接近度开关，其特征在于噪声信号发生器适于实质上产生白噪声。
4.根据权利要求1所述的光电接近度开关，其特征在于随机信号发生器或伪随机信号发生器是这样被设计的，使得其中产生的连续发射光脉冲之间随机分布的间隔长度包含在由最小和最大极限值所规定的预定范围内。
5.根据权利要求1所述的光电接近度开关，其特征在于接收信号评估装置(16)包括在光接收器(15)接收N个光脉冲的连续序列时发送物体检测信号的一个评估单元，其中接收的N个脉冲中的每个实际上都具有与相应的发射光脉冲相同的瞬时位置。
6.根据权利要求1所述的光电接近度开关，其特征在于接收信号评估装置(16)包括当光接收器(15)接收一Nk个光脉冲的序列时发送物体检测信号的一个评估单元，其中接收的数量为Nk-K个的光脉冲中的每个实际上都具有与相应的发射光脉冲相同的瞬时位置，此时K是一个正整数。
7.根据权利要求1所述的光电接近度开关，其特征在于光脉冲发射器(13)是这样被设计的，使得发射的发射光脉冲中每个脉冲都具有少于2微秒的脉冲持续时间(Tp)。
8.根据权利要求1所述的光电接近度开关，其特征在于光脉冲发射器(13)是这样被设计的，使得发射的发射光脉冲的平均脉冲频率(Fa)经过所选择的时间间隔后可以被增加。
9.根据权利要求1所述的光电接近度开关，其特征在于它还包括用于检测和评估漫射脉冲的装置。
10.根据权利要求1所述的光电接近度开关，其特征在于评估装置(16)用作对由其它发射器而不是自身的发射器所发射的漫射脉冲的永久监视以及用作动态地减少必须接收的脉冲数(N、Nk)，以便在漫射脉冲降到最小值以下时产生一个物体检测信号。
11.一种用于检测在监视区物体的出现的系统，其特征在于它包括多个光电接近度开关(51、52、53)，其中所有的或部分的光电接近度开关是根据权利要求1至10中任意一项所设计的。
12.一种借助于光电接近度开关检测在监视区物体的出现的方法，该光电接近度开关包括一个由脉冲发生器(14)的输出信号所触发用于将发射光脉冲射入监视区的光脉冲发射器(13)，并且在各脉冲之间有时间间隔，及一个相对于光脉冲发射器(13)和监视区以这样方式布置的光接收器(15)，即在监视区不存在要检测的物体时，它实际上没有接收来自光脉冲发射器(13)的光，而在监视区出现要检测的物体时，它由于反射从光脉冲发射器(13)接收一定量的光，使得连接于光接收器(15)的接收信号评估装置(16)产生一个物体检测信号。该方法的特征在于(a)由光脉冲发射器(13)所发射的发射光脉冲的脉冲序列借助于随机信号发生器或伪随机信号发生器的第一输出信号来进行脉冲位置调制，及(b)与随机信号发生器或伪随机信号发生器的第一输出信号相同或者相对应的脉冲发生器第二输出信号，被用于对接收信号评估装置(16)的操作控制。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于当光接收器(15)接收一N个光脉冲的连续序列时，在发送物体检测信号的评估装置中处理由光接收器(15)所接收的光脉冲，接收的N个光脉冲中每个实际上都具有与相应的已发射光脉冲相同的瞬时位置。
14.根据权利要求12所述的方法，其特征在于当光接收器(15)接收一Nk个光脉冲的序列时，在发送物体检测信号的评估装置中处理由光接收器(15)所接收的光脉冲，接收的数量为Nk-K个的光脉冲中每个实际上都具有与相应的已发射光脉冲相同的瞬时位置，这时K是正整数。
15.根据权利要求12所述的方法，其特征在于发射光脉冲中的每个都具有少于2微秒的脉冲持续时间(Tp)。
16.根据权利要求12所述的方法，其特征在于如果在接收间隔所接收的及作为有效脉冲由评估装置所接受的光脉冲数少于一预定值，则经过选择的时间间隔后增加由光脉冲发射器(13)所发射的发射光脉冲平均脉冲频率(Fa)。
17.根据权利要求12所述的方法，其特征在于评估装置(16)永久地监视由其它发射器而不是自身的发射器所发射的漫射脉冲，并动态地减少必须接收的脉冲数(N、Nk)以便在漫射脉冲数量降到最小值以下时产生一个物体检测信号。
全文摘要
一种用于检测在监视区出现的物体(12)的光电接近度开关(11)。该接近度开关(11)包括一个由随机信号发生器或伪随机信号发生器(14)的输出信号所触发用于将发射光脉冲射入监视区的光脉冲发射器(13),并且在各脉冲之间有时间间隔,以及一个相对于光脉冲发射器(13)和监视区以这样一种方式排列的光接收器(15),即在监视区没有要检测的物体时,它实际没有接收来自光脉冲发射器(13)的光,而在监视区出现要检测的物体时,由于反射它接收来自光脉冲发射器(13)的适量的光,使得连接于光接收器(15)以及随机信号发生器或伪随机信号发生器(14)的接收信号评估装置(14)产生一个物体检测信号。
文档编号G01S17/00GK1423419SQ0215488
公开日2003年6月11日 申请日期2002年12月3日 优先权日2001年12月4日
发明者彼得·赫姆利彻 申请人:奥普托塞斯股份有限公司