多通道可编程探测传感器的制作方法

多通道可编程探测传感器
1.相关申请的交叉引用
2.本技术请求申请号为62/978,527、申请日为2020年2月19日的美国临时专利申请的优先权，其内容在此引作参考。
技术领域
3.以下内容整体上涉及检测传感器，更具体地涉及可在单个板上实现、提供快速响应时间并与对射和反射光纤传感器兼容的多通道可编程检测传感器，例如在对比应用中。


背景技术：

4.物体检测传感器，尤其是那些基于光电原理的传感器，是众所周知的，有多种选择。这种传感器在工业中广泛用于各种测量和控制功能。这种用途的一个例子是检测传送带上的物体。光电传感器产生被待检测物体周期性中断的调制光束。传感器有一个光接收装置，它接收返回到传感器的光。返回到传感器的光是目标物体是否存在的量度。该传感器还包括提供表示返回到光电传感器的光的电子信号的电路。
5.在典型应用中，当物体中断光束时，这可以称为光传感器的“目标”状态。当光束不间断时，光电传感器可以称为处于“背景”状态。在其他应用中，这两种状态可以对应于各自具有不同反射率的两个目标。与背景状态相比，目标状态下的光电传感器产生的电信号的电平或幅度存在差异。这种差异可以称为“对比度”。光电传感器还包括用于产生可用作控制信号的输出信号的电子电路。例如，光电传感器可用于在晶片处理周期期间检测晶片，光电传感器的输出信号用于检测晶片何时通过。
6.当检测到的光从目标状态变为背景状态时，光电传感器的输出会发生变化，反之亦然。输出变化的信号电平称为信号阈值。通常，此阈值信号电平由光电传感器制造商预设。
7.现有技术的检测传感器已经配备有用于调整传感器的操作模式的机构或装置以及用于调整传感器的某些操作参数的机构。在现有技术的光电传感器中可调节的特性之一是放大器的增益，该放大器放大或增强由返回到传感器并由传感器接收的光而产生的电子信号。
8.此外，可以调整光源驱动电流以获得最佳探测条件，增加传感器动态范围，提高信噪比。需要调整传感器操作模式和操作特性，以便用户可以建立适当的信号放大和输出操作。通常，在现有技术的方案中，传感器设置有多个开关，这些开关可手动操作以设置传感器的各种操作模式和特性。
9.最近，已经出现了具有微控制器的检测传感器，这些微控制器能够自动改变放大器增益、测量每个增益水平下目标和背景状态下的电信号值、比较每个增益水平下的信号差异、并为特定应用设置放大器增益。一种这样的传感器的一个例子在第5,281,810号美国专利中公开。当目标和背景条件之间的信号差异相对较小时，这种类型的传感器特别有用。这些类型的应用称为低对比度应用，其需要仔细调整放大器增益以使放大器不会饱和。这
也使得两个条件之间的对比或差异最大化。在这种新一代传感器中，通常有一个手动超控，使得在用户确定条件需要或允许最大增益设置时，操作员可以将增益调整到一最大化传感器的超额增益性能的设置。这种新一代传感器通常还具有多个开关装置来设置传感器的各种操作参数和操作模式。
10.一直在努力减小检测传感器的尺寸，以尽量减少安装它们所需的空间。随着传感器变得更小，可用于开关和调节机构的空间也减少了。因此，能够以最少的开关装置对传感器进行多功能编程的系统将是有利的。
11.以下的一个目的是解决上述问题或缺点中的至少一个。


技术实现要素：

12.以下涉及物体检测传感器。这种传感器通常用于工业和商业应用中以检测物体的存在、不存在或状况。具体而言，以下内容涉及在光电原理下操作的一检测传感器，尽管其他类型的传感器，例如超声波传感器，也在其范围内。更具体地，以下涉及一种物体检测传感器，该传感器可以由用户容易且快速地编程以建立传感器的期望和最佳操作模式和参数。
13.在一个方面，提供了一种检测传感器，包括一电子板，该电子板包括多个独立通道，每个通道包括一发射器一检测器，其中每个通道可由一处理器编程。
附图说明
14.现在参考附图描述本发明的实施例，其中：
15.图1是一光学感应应用的示意图。
16.图2是一多通道感应板的示意图。
17.图3是用于多通道感测板的一微控制器的一示例的示意图。
18.图4是用于多通道感测板的一dac的一示例的电路示意图。
19.图5是用于多通道感测板的一控制电路的一示例(例如一发光二极管led驱动电路)的电路示意图。
20.图6是用于多通道感测板的光探测的一示例的电路示意图。
21.图7是用于多通道感测板的一信号放大电路的一示例的电路示意图。
具体实施例
22.下面提供一种带有一发射器和一探测器的检测传感器，该发射器用于产生旨在被物体阻挡或从物体反射的光信号；该检测器用于基于返回到传感器的信号(例如，反射/透过光)产生表示物体存在、不存在或状况的电子信号。具有多个独立通道(每个都带有一发射器和一检测器)的单板提供传感器通道的多功能编程并生成输入到一处理器的编程信号。所述处理器可操作地连接到所述发射器、检测器和一开关装置，用于响应所述编程信号来控制所述传感器的一个或多个操作特性。
23.所述开关装置可以包括一单个开关，例如单个手动可操作按钮或通过从诸如一计算机或一微控制器等外部装置发送的一系列命令控制的软件。产生电子信号的检测器还具有可变增益放大器，所述电子信号具有表示传感器的第一状态的第一电平和表示传感器的
第二状态的第二电平。这两种状态分别对应于可以称为目标状态和背景状态的状态。所述处理器比较两种状态下的电子信号的电平，并提供一信号以将所述可变增益放大器的增益调整到一最佳增益设置。所述处理器选择所述增益设置以最大化传感器的低对比度增益或最大化传感器的高额外增益性能。所述处理器还根据两种状态下的电子信号的比较确定所述传感器的信号阈值和滞后值。
24.在一实施例中，可以提供具有一光发射器的一光电探测传感器，以提供旨在从目标物体反射或被目标物体阻挡的恒定光信号。该传感器包括接收返回光的一光电探测器和产生表示返回光的信号的一电子电路。该电子电路具有至少两个具有不同放大增益的放大级。一微控制器可用作处理器，带有数模转换器(dac)以设置led(发光二极管)驱动电流，从而实现令人满意的光照条件。所述传感器可以为每个独立通道配备一个led，以及两个(或更多)指示系统状态的led。
25.因此，以下系统通过将电信号发送到一板载处理器(例如微控制器)或直接发送到光源控制电路、到多个光电检测器信号放大级和到一检测器电路(例如，一模拟比较器电路)。
26.现在参考附图，图1a图示了光学传感应用10的示例。该示例中的应用10使用一多通道可编程检测传感器12(或简称“多通道传感器”12)来检测物体的存在或不存在、以检测表面反射或表面对比度的差异或任何其他合适的光学传感应用。所述多通道传感器12包括一外壳14，所述外壳14包含一电子板16，该电子板16用于产生一光源并检测如上所述的信号。该示例中的多通道传感器12连接到一控制线18，该控制线18可由一外部计算机或系统(未示出)使用来操作所述多通道传感器12并从其接收数据。使用所述控制线18设置阈值可以利用例如一触觉按钮、一软件界面或其他开关来完成。光纤发射电缆20和光纤接收电缆22可以馈送到外壳14中以连接到电子板16，以提供光源和接收检测到的光。可以理解，外壳14可以包括光绝缘隔间以防止通道之间的光串扰。可以使用附接到外壳14的侧面的一接口电连接器来提供控制线18。应用10的各种示例如图1b至1e所示，例如，对射式传感器(图1b)、反射式传感器(图1c)、回复反射式传感器(图1d)和有限反射式传感器(图1e)。在这些情况下，探测物体26相对于传感器移动，因此可以被一个或多个光源24检测到。
27.图2提供了电子板16的示例性配置。在该示例性配置中，提供一处理器40，例如一微控制器，以设置参数并与外部接口通信，例如通过一输入/输出线42。处理器40耦合到一发射器电路46、一放大电路52、一模拟比较器44和一温度传感器53。板16可以包括一用于选择一个或多个通道的开关装置。该开关装置可以是一单独的装置(未示出)，或者用于所有通道的接口55可以直接连接到控制器(例如，处理器40)，如图2所示。本示例中的处理器40可以通过固件进行通道间的切换。每个通道包括到发射器电路46的输入端，发射器电路46调节通过led 48的电流并因此调节通过光源电缆20(例如，光纤)的光强度，在本例中以通过led 48提供光源信号24。被物体26中断或反射的光通过光接收电缆22(例如，光纤)传输，然后由传感器50(例如，光传感器或光电检测器)检测，该传感器50馈送到一放大电路52。放大电路52根据传感器50检测到的光产生处理后的信号。放大电路52还耦合到处理器40，用于提供反馈以调整板16的参数。
28.参考图2，处理器40可以设置阈值并将该信号发送到比较器44。来自放大电路52的信号耦合到比较器44，在发送输出信号时可以在比较器44中做出即时决定。这允许传感器
12实现相对快速的响应。此外，来自放大电路52的信号从模拟式转换为数字式或馈送到处理器40以及用于光强度调节的反馈回路，处理器40可以具有用于诊断的内置功能。led指示灯54可以连接到处理器40并在达到阈值时开启，并产生输出信号，或者可以直接从模拟比较器电路输出驱动led指示灯54。
29.现在参考图3-7，提供一个示例中的电子板16的操作。处理器40(例如，使用一微控制器)的主要功能是设置参数并与外部接口通信，大体如图2所示。
30.dac u5(如图4所示)由系统微控制器u1(如图3所示)通过spi(串行外设接口)总线控制，以产生与数字代码成比例的输出电压，范围在零和在本例中的相对于系统接地+3.3vdc(直流电压)之间。该电压通过模拟开关u12_led_drv1和分压器r23、r25施加到运算放大器u11的非反相输入端(参见图5，其中每个通道可使用相同的电路，输入信号连接到一单个微控制器)。这会导致运算放大器迫使稳定的直流电流通过led d2，以使电流检测电阻器r27上的电压降等于运算放大器非反相输入端的电压。因此，在本例中，通过led的直流电流被控制在零和大约100ma(毫安)之间。由于led的光强度是电流的线性函数，因此光输出由微控制器u1控制。u12开关用于在非常精确的时刻打开或关闭led d2，因为led_en1信号连接到微控制器的快速逻辑输出。
31.led发出的光通过光学系统返回到该单元并照射到光电二极管d7(参见图6)，该光电二极管产生与其照明水平成正比的一直流电流。该电流馈入跨阻放大器u31a并在u31a的输出(针1)处转换为直流电压。该电压经r97、c106、r94和c104组成的两极低通滤波器滤波后馈入电压放大器u28c，其增益由反馈电路r99、r104、r106确定。通过使用模拟开关u38切换反馈电阻，可以实现两种不同的增益设置。
32.放大器的电压输出馈送到adc u44(见图7)并且施加到窗口比较器u39(如图6所示)的输入。比较器的输出为单稳态u36输入，相应输出用作rs双稳态(u37)的输入。u36和u37值得注意，因为该电路与操作比较器阈值电平相结合，可以为比较器输出提供额外的灵活性和抗噪性。逻辑电路进一步使用comp-out(比较器输出)信号来确定传感器的状态。
33.因此，本文所述的板16结合了多通道传感器，其允许这些通道为多个通道共享一些公共电路(即，电源、处理器、输入和输出机构、板、外壳)。与单个传感器的组装相比，这可以在特定应用10中实现成本降低和空间节省。
34.此外，与现有解决方案不同，多通道传感器12使用未调制的光，这可能实现更快的反应时间(因此增加了时间分辨率)。这是因为在调制系统中，最终定时分辨率通常受调制频率的限制。
35.使用dac来(潜在地、动态地)发射光信号的强度可以允许补偿变化的光路损耗，并有助于为检测电路提供最佳输入信号电平。
36.与使用类似部件的单级设计相比，在两个放大器(一个跨阻放大器和另一个电压放大器)之间拆分接收信号处理可实现更高的带宽(精细时序分辨率所需)和更好的精度。电压放大器还提供了一种方便的增益调节机制。
37.对每个通道使用单独的调整(即adc和处理器)和检测(硬件比较器和输出逻辑)电路和方法，可以实现便利(包括可能的全自动驱动电平、放大和检测阈值设置)和高速操作。
38.使用两个不同且可调节的检测阈值(上升和下降)允许在广泛变化的条件下运行(例如，快速和缓慢移动的目标)。比较器通常与固定阈值滞后一起使用，以避免在缓慢变化
的输入信号期间出现输出抖动(并在一定程度上抑制噪声)，但上述设计提供了完全可调的阈值以及边缘检测逻辑电路，从而提高了性能
39.此外，全电子控制(即，没有机械调整)允许传感器12的尺寸最小化并且可以提高其操作可靠性。
40.本文所述的系统还可以使用固件来补偿环境温度变化的影响。再次参考图6，由于环境温度的变化，led的光强以及d7光电二极管的暗电流值都会发生变化。实际上，随着环境温度的变化，这将在跨阻放大器u31a的输出端转化为修改的电压电平。微控制器通过监测相应比例的u28c输出电压，以及来自图2中温度传感器53的环境温度信息，可以相应地调整通过图5中的d2 led的电流，从而在整个环境温度范围内保持传感器状态检测的准确性。
41.为了阐释的简单和清楚，在合适的情况下，附图标记可以在附图中重复以指示对应或类似的元件。此外，为了提供对本文所述示例的透彻理解，阐述了许多具体细节。然而，本领域普通技术人员可以理解，可以在没有这些具体细节的情况下实施本文描述的示例。在其他情况下，没有详细描述众所周知的方法、程序和组件，以免混淆本文描述的示例。此外，说明书不应被视为限制在此描述的示例的范围。
42.应当理解，这里使用的示例和对应的图表仅用于说明目的。可以使用不同的配置和术语而不背离这里表达的原理。例如，在不偏离这些原则的情况下，可以添加、删除、修改或以不同的连接排列组件和模块。
43.还可以理解，在此例示的执行指令的任何模块或组件可以包括或以其他方式访问计算机可读介质，例如存储介质、计算机存储介质或数据存储设备(可移动和/或不可移动)，例如，磁盘、光盘或磁带。计算机存储介质可以包括以用于存储信息的任何方法或技术实现的易失性和非易失性、可移动和不可移动介质，所述信息例如是计算机可读指令、数据结构、程序模块或其他数据。计算机存储介质的示例包括ram(只读存储器)、rom(随机存储器)、eeprom(电可擦写可编程只读存储器)、闪存或其他存储技术、cd-rom(只读光盘存储器)、数字多功能磁盘(dvd)或其他光学存储、磁盒、磁带、磁盘存储或其他磁性存储设备，或可用于存储所需信息并可由应用程序、模块或两者访问的任何其他介质。任何这样的计算机存储介质可以是探测器14的一部分，或与其相关的或可访问其的或可连接到其的任何组件。在此描述的任何应用程序或模块可以使用计算机可读/可执行指令来实现，这些指令可以由这种计算机可读介质存储或以其他方式保持。
44.在此描述的流程图和图表中的步骤或操作仅仅是示例性的。在不背离上述原理的情况下，这些步骤或操作可以有许多变化。例如，可以以不同的顺序执行这些步骤，或者可以添加、删除或修改步骤。
45.尽管已经参考某些特定示例描述了上述原理，但是如所附权利要求概述，其各种修改对于本领域技术人员将是显而易见的。