三角测量光传感器的制作方法

已知利用光传感器来确定监测区域中的对象的存在和/或距离，该光传感器根据三角测量原理工作。这种三角测量传感器包括光发射器，例如发光二极管或激光器，以及必要时还包括发射光学器件，以便将发射光束发射到检测区域中到有可能位于那里的待检测的对象。发射光可以被这样的对象漫反射(remittieren)，即扩散式或镜面式反射，并被光接收器检测，该光接收器与接收光学器件一起构成接收单元。在已知的解决方案中，光接收器由至少一行光敏接收元件组成。

在所谓的三角测量方向上，由漫反射的光在光接收器上产生的光斑的位置根据三角测量传感器和漫反射的对象之间的距离而变化。在光接收器上的入射点和检测到的对象的距离之间存在明显的几何关系。因此，通过评估光接收器上的光分布可以确定对象和光传感器之间的距离。此外，还可以在对光接收器上的光分布进行适当的评估时确定对象是处于预定的极限(也被称为扫描范围)以内还是以外。

特别地，为了在确定距离时实现高精度，这种光接收器必须具有多个光敏接收元件，这些光敏接收元件在三角测量方向上并排布置。

在具有背景抑制的三角测量光传感器中，光接收器包括至少两个接收元件，其中所谓的邻近元件被布置成使得当光束被对象反射时，光束入射到该邻近元件上，该对象位于三角测量光传感器前面的近场内。在此，根据定义，远场比近场更远离三角测量传感器。为了进行信号评估，形成这两个场的光电二极管电流之间的差异。

下面将描述用于工业应用的根据现有技术的光栅的结构。任务是在监测空间或监测区域中识别对象。发射脉冲发生器为发射级产生周期性的数字控制信号。该控制信号例如可以由简单的或复杂的脉冲模式组成。发射级根据数字控制信号产生时变发射电流。该发射电流的幅度通常是可参数化的。通过发射二极管(sendediode)将发射电流转换为光功率。发射光学器件包括发射镜筒(tubus)、光阑、发射透镜和前板。监测空间包含在传感器前面的待监测的整个空间，并且可以包含待检测的对象、背景对象、反射器或其它，甚至是诸如反射镜、灯或外来光源的干扰对象。

接收器光学器件包括接收器镜筒、光阑、接收器透镜和前板。接收器元件是用于将光功率转换成电的多个光电二极管，并且例如被布置成行。评估电路根据接收器元件的信号的时间分布和对于发射级的控制信号的知识来计算对象检测信号。该对象检测信号通过物理的开关输出端输出。

如果在光传感器的布置中使用了该光栅，则应该识别对象是否在发射轴线上位于先前界定的间距内，即是否在监测区域中。该对象例如可以是人。如果此人在监测区域内可能由于机器的影响而受到伤害并且光栅应通过切断机器来减少该风险，那么必须对由机器、控制装置和光栅组成的整个系统的安全性加以考虑。如果光栅自身监测其功能并在发生故障时切换到安全状态，则可以简化这种考虑。

所指出的现有技术的缺点是整个信号流流经监测区域。因此，在没有已知的明确界定的监测区域的情况下，不可能测试块发射级、发射二极管、发射光学器件、接收光学器件和接收器元件。

该问题可以通过将参考对象循环地引入到光路中来解决，并且在该状态下，块监测空间被明确界定。然后，在这种运行条件下可以将接收器元件的输出信号和/或评估电路中的下游块与参考信号进行比较。在有偏差的情况下切换到安全状态。

该解决方案的缺点在于在开发和创建该解决方案时所需的花费和机器生产量的降低，因为部分生产时间必须用于参考运行(referenzfahrten)和参考测量。

本发明的任务在于，提供机器安全意义上的安全三角测量光传感器。

根据权利要求1，该任务通过三角测量光传感器得以实现，该三角测量光传感器包括：第一光发射器，其用于将发射光发射到检测区域中，其中发射光学器件，特别是透镜布置在光发射器的前面；具有接收元件阵列的第一光接收器，其用于接收来自检测区域的被待检测的对象漫反射的光，其中接收元件产生相应的接收信号；布置在检测区域和第一光接收器之间的光路中的接收光学器件，其用于在第一光接收器上从漫反射的光产生光斑，其中在三角测量方向上光斑在第一光接收器上的位置根据对象的距离产生；以及控制和评估单元，其用于基于光斑在第一光接收器上的位置从接收信号产生检测信号，其中设置了作为参考光发射器(14)的另外的第二光发射器以进行安全相关的自测试。

三角测量光传感器是安全传感器。根据iec61508/iec61511，安全传感器应具有尽可能高的安全完整性等级(sil)。根据本发明，安全性是机器安全性方面的安全。例如，标准en/iec61496规定了对用于防护危险区域的安全的非接触式保护装置(bws)或安全传感器的要求。机器安全性在标准en13849中进行了规定。例如，通过控制和评估单元的双通道或双通道多样性的结构来进行故障检测和功能测试而保障了安全性。根据本发明的测量距离的三角测量光传感器或距离传感器例如被构造成本质安全的(eigensicher)并识别内部故障。例如，当发现误差时，生成误差信号。此外，三角测量光传感器或距离传感器具有传感器测试装置(sensortestung)。本三角测量光传感器通过内部参考路径进行自我监测。

控制和评估单元识别检测区域中的对象或由对象或人引起的保护区域侵犯，并且可以输出与安全有关的切断信号，以便停止机器或车辆或机器一部分的带来危险的移动或制动机器、机器一部分或车辆。这例如可以通过安全切换信号，例如ossd信号(输出安全切换装置信号(outputsafetyswitchingdevice-signale))或干预事件的安全距离数据、间距数据或安全位置数据来实现。

根据本发明，第二光发射器被设置成用于安全相关的自测试的参考光发射器。该参考光发射器可以集成在光接收器旁边以便测试光接收器。通过这种方式，可以执行接收信道关于时间特性或定时以及信号电平相关效应的测试。优选地，参考光发射器在此靠近光接收器安装并照亮光接收器。

由于空间接近性，附加的参考光发射器可以用功率较小且因此更便宜的光发射器来实现。参考光发射器的发射功率例如被设置成使得信号电平对应于光接收器的实际接收信号。这同样适用于参考光发射器的发射信号的时间分布。

为了测试光接收器，可以使用具有不同强度梯度或幅度的光强度。特别地，可以以这种方式易于进行超调测量。

通过参考光发射器的可调节的信号电平可以测试光接收器的动态。参考光发射器可以用功率较低的且因此更便宜的发射二极管构成，因为由于空间接近性极低的发射功率就足够用于在接收器上产生相当的信号。

通过测量具有不同的参考幅度的信号电平可以检查光接收器的动态和灵敏度。测量还可用于补偿老化效应或者衰减或补偿温度影响。在光传感器中，例如为此目的布置了附加的参考目标，并且周期性地测量相应的测量信号一次。

此外，还可以测试光接收器的所有接收元件，因为所有的接收元件都可以被施加以参考光发射器的光。

设置了多个接收元件。接收元件分组连接到每个多路复用器。设置了多个多路复用器，例如六个多路复用器，其中每个多路复用器在输入端具有一组接收元件，并且多路复用器的输出端被引向至电流/电压转换器或跨阻放大器。电流/电压转换器的输出端被分别引到模拟/数字转换器上。模拟/数字转换器的输出端被引到数字滤波器上，特别是具有有限脉冲响应的滤波器，简称fir滤波器。

fir滤波器的特性是它们保证了具有有限长度的脉冲响应。这意味着无论如何选择滤波器参数，fir滤波器都不会变得不稳定或被激发而自己振动。滤波器的信号被馈送到控制和评估单元。控制和评估单元还与光发射器和参考光发射器连接，以便控制它们。

在本发明的改进方案中，布置了第一反射镜，以便将参考光发射器的光束偏转到第一光接收器上。通过这种方式，参考光发射器和光接收器可以布置在一侧，并且仅需要作为偏转元件的无源反射镜。反射镜可以集成在三角测量光传感器的壳体中。因此，反射镜可以是壳体的简单的反射表面。

在本发明的改进方案中，设置了作为参考光接收器的另外的第二光接收器作为第二接收通道用于安全相关的自测试。

参考光接收器布置在光发射器旁边。参考光接收器在此可以被构造成光电二极管。

参考光接收器能够实现以下自测试以便进行三角测量光传感器的功能测试。

第一，可以通过三角测量光传感器的壳体内的散射光在参考光接收器中监测光发射器在每个测量周期中的功率，特别是激光功率。以这种方式可以识别大的偏差或光发射器的故障。

第二，可以监测光发射器的精确的时间特性或定时，并且可以校正可能发生的偏移，例如，在温度影响的情况下的偏移。

第三，在没有发射光的阶段中，可以在参考光接收器处测量外来光水平。可以将相应的测量信号与光接收器的信号进行比较，从而可以验证光接收器的灵敏度并与可选的其它缩放一起使用以检查实际测量信道中的必要的信噪比。

在光接收器和参考光接收器上产生的附加测量值允许对功能性能力(funktionstüchtigkeit)进行安全相关评估。

在光接收器上且必要时在参考光接收器上对外来光水平的直接测量能够实现对信噪比的良好确定，并且能够实现系统的安全相关灵敏度。

在本发明的改进方案中，布置了第二反射镜以便将第一光发射器的光束偏转到参考光接收器上。通过这种方式，可以将光发射器和参考光接收器布置在一侧，并且仅需要作为偏转元件的无源反射镜。反射镜也可以集成在三角测量光传感器的壳体中。因此，反射镜可以是壳体的简单的反射表面。

在本发明的改进方案中，第一反射镜和/或第二反射镜是凹面镜。在第二凹面镜的情况下，该凹面镜被设置用于在光发射器和参考光接收器之间偏转光，该光聚集在参考光接收器上。

在第一凹面镜的情况下，该凹面镜被设置用于在参考光发射器和光接收器之间偏转光，该光被扩展到接收元件上，使得光接收器的所有接收元件可被参考光发射器照亮。

在本发明的改进方案中，第一光接收器和参考光发射器布置在第一镜筒中，从而使光接收器和参考光发射器被布置成在空间上和光学上相关，然而，光发射器在光学上被布置在第一镜筒的外部。

在本发明的改进方案中，第一光发射器和参考光接收器布置在第二镜筒中，从而使光发射器和参考光接收器被布置成在空间上和光学上相关，然而，光接收器在光学上被布置在第二镜筒的外部。

在本发明的改进方案中，第一光发射器和参考光发射器被交替地激活，从而排除相互影响。

在本发明的改进方案中，前板布置在发射光学器件和接收光学器件的前面，其中参考光发射器的光入射到前板上并且反射的光到达光接收器上和/或第一光发射器的光入射到前板上并且反射的光入射到参考光接收器上。

由此，通过由于在前板上的脏粒处的后向散射而引起的光变化来检测光传感器的受污的前板。

附图说明

下面将参考附图根据实施例对本发明的其它优点和特征进行阐述。

在附图中：

图1示出了第一示意性示出的三角测量光传感器；

图2示出了第二示意性示出的三角测量光传感器。

在以下的附图中，相同的部件用相同的参考标记表示。

图1示出了三角测量光传感器1，具有：第一光发射器2，其用于将发射光发射到检测区域3中，其中发射光学器件，特别是透镜布置在光发射器2的前面；具有接收元件5阵列的第一光接收器6，其用于接收来自检测区域3的被待检测的对象7漫反射的光，其中接收元件5产生相应的接收信号；布置在检测区域3和第一光接收器6之间的光路中的接收光学器件8，其用于在第一光接收器6上从漫反射的光产生光斑，其中在三角测量方向上，光斑在第一光接收器6上的位置根据对象7的距离产生；以及控制和评估单元9，其用于基于光斑在第一光接收器6上的位置根据接收信号产生检测信号，其中设置了作为参考光发射器12的另外的第二光发射器11以用于安全相关的自测试。

例如，通过控制和评估单元9的双通道结构或双通道多样化结构以用于故障检测和功能测试而确保了安全性。

控制和评估单元9识别检测区域3中的对象7或由对象7或人而引起的保护区域侵犯，并且可以输出与安全有关的切断信号或对象检测信号25，以便停止机器或车辆或机器的一部分的带来危险的移动或制动机器、机器的一部分或车辆。这可以例如通过安全的开关信号，例如ossd信号(输出安全切换装置信号)来实现。

参考光发射器12可以集成在光接收器6旁边以便测试光接收器6。优选地，参考光发射器12在此靠近光接收器6安装并照亮光接收器6。

为了测试光接收器6，可以使用具有不同强度梯度或幅度的光强度。

通过参考光发射器12的可调节的信号电平可以测试光接收器6的动态。

通过测量具有不同的参考幅度的信号电平可以检查光接收器6的动态和灵敏度。

可以测试光接收器6的所有接收元件，因为所有的接收元件都可以被施加以参考光发射器12的光。

设置了多个接收元件5。接收元件5分组地连接到各个多路复用器21。设置了多个多路复用器21，例如六个多路复用器21，其中每个多路复用器21在输入端具有一组接收元件5，并且多路复用器21的输出端被引向电流/电压转换器22或跨阻放大器。电流/电压转换器22的输出端被分别引到模拟/数字转换器23上。模拟/数字转换器23的输出端被引到数字滤波器上，特别是具有有限脉冲响应的滤波器，简称fir滤波器24。

滤波器的信号被馈送给控制和评估单元9。控制和评估单元9还与第一光发射器2和参考光发射器12连接，以便控制它们。

根据图1，布置了第一反射镜13，以便将参考光发射器12的光束偏转到第一光接收器6上。通过这种方式，参考光发射器12和光接收器6可以布置在一侧，并且仅需要无源反射镜13作为偏转元件。

根据图1，设置了作为参考光接收器15的第二光接收器14作为第二接收通道，以用于安全相关的自测试。

参考光接收器15布置在第一光发射器2旁边。在这种情况下，参考光接收器15可以被构造成光电二极管。参考光接收器15能够实现自测试以便进行三角测量光传感器1的功能测试。

根据图1，布置了第二反射镜16，以便将第一光发射器2的光束偏转到参考光接收器15上。

根据图1，第一反射镜13和第二反射镜16是凹面镜17。在第二凹面镜17的情况下，该凹面镜被设置用于在光发射器2和参考光接收器15之间偏转光，光聚集在参考光接收器15上。

在第一凹面镜17的情况下，该凹面镜被设置用于在参考光发射器12和光接收器6之间偏转光，光被扩展到接收元件5上，使得光接收器6的所有接收元件5可被参考光发射器12照亮。

根据图1，第一光接收器6和参考光发射器12布置在第一镜筒18中，从而使光接收器6和参考光发射器12被布置成在空间上和光学上相关，然而，第一光发射器2在光学上被布置在第一镜筒18的外部。

根据图1，第一光发射器2和参考光接收器15布置在第二镜筒19中，从而使光发射器2和参考光接收器15被布置成在空间上和光学上相关，然而，光接收器6在光学上被布置在第二镜筒19的外部。

根据图1，第一光发射器2和参考光发射器12被交替地激活，从而排除相互影响。

根据图1，在发射光学器件4和接收光学器件8的前面布置了前板20，其中，参考光发射器12的光入射到前板20上并且反射的光到达光接收器6上，以及/或者第一光发射器2的光入射到前板20上并且反射的光入射到参考光接收器15上。

图2以用于形成对象检测信号25的示意图示出了三角测量光传感器。发射脉冲发生器27通过发射级26分别控制第一光发射器2和参考光发射器12，该发射脉冲发生器是控制和评估单元9的一部分。参考光接收器15的光直接到达接收元件5上。第一光发射器2的光直接到达参考光接收器15上。参考光接收器15和接收元件经由多个电子级与控制和评估单元9连接，该控制和评估单元生成对象检测信号25。第一光发射器2的光经由发射光学器件4进入检测区域3，并从那里经由对象到达接收光学器件8上，然后到达接收元件5上。

参考标记：

1三角测量光传感器

2第一光发射器

3检测区域

4发射光学器件

5接收元件

6第一光接收器

7对象

8接收光学器件

9控制和评估单元

11第二光发射器

12参考光发射器

13第一反射镜

14第二光接收器

15参考光接收器

16第二反射镜

17凹面镜

18第一镜筒

19第二镜筒

20前板

21多路复用器

22电流/电压转换器

23模拟/数字转换器

24fir滤波器

25对象检测信号

26发射级

27发射脉冲发生器