CN1637434A - 距离测量传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种距离测量传感器，包括作为光电接收器的PSD(30)，产生光点(22，26)的发送器(10，12)，在PSD(30)上再现所述光点(22’，26’)的光学器件(14，32)，用于处理所述PSD(30)产生的输出信号(I1，I2)、并根据所述处理的输出信号(I1，I2)控制所述发送器(10，12)、以便通过三角测量技术测量目标(24)和传感器之间的距离的装置(44，46，48，50，52)，其特征在于：所述发送器包括用于在目标(24)上投影至少两个彼此独立的光点(22，26)的至少两个光电信号源(10，12)，所述装置(44，46，48，50，52)包括用于平衡输出信号(I1，I2)的数字控制电位计(48)和适于控制电位计的数字处理器(52)。本发明还提供相应的距离测量方法。

Description

距离测量传感器
技术领域
本发明涉及根据权利要求1前序部分所述的距离测量传感器和根据权利要求7所述的距离测量方法。
背景技术
大部分已知的通常用于自动门的光电距离测量传感器是基于三角测量原理的。发送器LED及对应的透镜发射红外(IR)光点到地面上，在距发送器给定距离处设置的接收器测量发送和接收的IR线之间的角度。该角度直接与目标距离有关，并且通过在接收传感装置上接收光点的位置测量。
传感装置通常由一对由非常薄的边界隔离的光电二极管，或单个位置传感装置，位置敏感装置或位置敏感探测器(通常称作PSD)构成。该对光电二极管用于确定光点反射到二极管上的位置。通过测量光电二极管产生的电流差，可能确定光点落到光电二极管上的位置。由于光点与光电二极管的检测区域相比相对较小，因而仅能确定光点是否由一个或另一个光电二极管接收。PSD作为在两个输出端提供电流的光学电位计。电流的数量与沿装置接收的光点的位置成比例。
现有技术中已知的装置和方法具有由于距离阈值由接收器上的接收的光点的位置确定，因而它们仅允许一个距离(检测)阈值的缺点。在两个光电二极管的情况下，目标和传感器之间距离的减少产生了接收的光点从一个光电二极管到另一个的位移。边界的位置决定距离阈值并且可机械地对其调整。这就意味着，对于两个距离阈值，将对应地改变阈值的每一个的位置，这不可能由一对光电二极管动态地得到。
EP1237011A1公开了根据权利要求1前序部分的光电距离测量传感器，其具有由光电发送器的一束光脉冲产生的一个光点。PSD接收由物体反射的光脉冲。PSD产生两个位置信号，处理该位置信号以便检测物体接近测量传感器的距离。该已知的测量传感器并未提供同时多于一个光点的距离测量的两个或更多准同步阈值。
DE10055689示出了不同类型的接收传感器，即线性CCD传感器。该CCD传感器可以提供对应于形成直线的多个不同象素的信号。对应于两个直线的使用的冗余允许传感器的测试。
US5225689公开了反射光传感器，其具有包括至少两个相互独立的光源的光发送器和包括至少两个可独立评估的光电元件的光接收器。通过相反地和连续地控制对应于控制电压的光源的电流，或通过连续地变化第一和第二独立的控制电压，光传感器的切换点或距离限制可在限制的检测范围内连续地变化，从而在光敏元件输出端控制信号的增益。
根据US5225689，使用两个发送器，然而它们仅提供了一个单检测光点。两个发送器的照明之间的变化率的使用仅等价于在此描述的“虚拟光点”的移动。该位移提供了与接收透镜的移动相同的效果，从而修改来自用于触发检测的双光电传感器的检测距离。到此范围中，其描述了当使用单个双二极管检测器时提供变化检测的距离的方法，然而其仅用于单个检测光点。
发明内容
因此，本发明的目的是提供距离测量传感器和距离测量方法，其允许动态地处理多于一个的距离检测阈值，并允许在几个不同点的距离的准同步检测。
通过独立权利要求1中描述的表征根据本发明的距离测量传感器，通过独立权利要求7中描述的特征表征根据本发明的距离测量方法。
在从属权利要求中指定本发明的优选实施方式。
根据本发明，所述发送器包括将至少两个彼此独立的光点投影到目标上的至少两个光电信号源，所述装置包括平衡输出信号I1，I2的数字控制的电位计，和适于控制电位计的数字处理器。
通过使用多于一个的光电信号源和PSD，可以提供多于一个的检测光点以及它们对应的距离阈值。换句话说，为每一个对应于一个检测光点的光电信号源提供理想的距离阈值。通过处理光电接收器的输出信号和光电信号源的对应控制，可能使用多于一个的光点用于距离检测。特别地，使用数字处理器以用于快速的电切换和传感器的阈值距离的调整。
事实上，该装置包括数字控制的用于平衡输出信号的电位计，解决了使用单个PSD作光电接收器检测由至少两个光电信号源投影到目标的几个光点的位置的问题。
该数字处理器也适于控制至少两个光电信号源。这样，数字处理器可以执行用于调整距离阈值的运算，其中，其相继地控制光电信号源并且依靠接收光电接收器的接收的输出信号控制电位计，从而在电桥结构中平衡输出信号。
在进一步的优选实施方式中，提供存储用于设置电位计的值的存储装置。数字处理器可以在存储器中存储用于电位计的设置值，并且基于对应于每个光点期望的距离阈值重新装载存储的值。
通过存储对应于同一光点的不同值，多个阈值也是可能的。至少两个光电信号源优选地是至少两个IRLEDs，但是其它光源像激光也是可能的。
光学器件可以包括一个发送透镜，用于将光点从至少两个光电信号源投影到目标上，和一个接收透镜，用于将从目标反射的光点投影到光电接收器上。
优选地，提供调整接收透镜的镜的位置的机械调整装置，从而将光点反射到光电接收器上。处理器可以通过提供透镜的最优位置信息给使用者使易于调整。
本发明也涉及距离测量方法，其中至少两个光电信号源将至少两个光点投影到目标上，光学器件在光电接收器上再现至少两个光点，装置处理光电接收器产生的输出信号，并且基于处理的输出信号控制至少两个光电信号源，以便通过三角测量技术测量目标和传感器之间的距离。数字控制的电位计平衡光电接收器的输出信号，以获得精确的测量。
优选地，装置控制至少两个光电信号源使光点交替地投影到目标上，并且由装置相继地分析它们对应的位置。
优选地，在自动门开闭装置中使用根据本发明的传感器或根据本发明的方法。
附图说明
从下面结合附图的描述中，本发明另外的目的、优点和特征变得显而易见。
附图1表示根据本发明的具有两个光点的基本测量原理的例子，
附图2表示根据本发明的传感器的实施方式。
具体实施方式
附图1表示基于红外三角测量原理的光电距离测量传感器。作为发送器的IR发光二极管10和12和发送器透镜14用于分别在如地面的物体24上投影光点22和26，该发光二极管10和12产生两红外(IR)光束18和20。第一发光二极管10置于第一透镜14的光轴16上；第二发光二极管12与光轴16偏心地放置。第一发光二极管10产生在物体24上的第一光点22上投影的第一光束18。第二发光二极管12产生在物体24上的第二光点26上投影的第二光束20。
具体地，当该光电距离测量传感器应用于自动门开闭装置时，该物体是地面。光束18和20从物体24反射，并且由在接收透镜32之后的作为接收器的PSD30接收。可以调整透镜32，从而将物体24反射的光点22和26的每一个在PSD30上分别聚焦成光点22`和26`，(由箭头36和38表示)。箭头40表示光学器件的焦距(通过光学器件确定)。
当机械调节的距离28将接收透镜32和发送透镜14分开(发光二极管10，12和PSD30机械地固定)时，光束18和20以分别相对于接收透镜32的光轴34的角度α和β返回接收透镜32。当光电距离测量传感器和物体24之间的距离42变化时，该角度α和β改变。光电距离测量传感器和物体之间的距离42的改变移动在接收器的PSD30上的光点22`和26`。
当几个IR光点(附图1中表示两个光点，但是根据本发明可以使用多于两个的光点)从LEDs10和12通过单个透镜如透镜14发射到物体24如地面上时，它们中的每一个将具有在地面上的对应位置。朗伯(Lambertian)地面反射将能量返回接收透镜32，其将PSD30上的每个光点的图像在它们对应的位置重新组合。PSD30是具有两个阳极的光电二极管。两个阳极之间电流比率直接取决于入射的IR光点的位置。
由发光二极管10产生的第一光点22`在PSD30上的位置取决于：
-光点22在物体24上的位置(通过由发光二极管10和透镜14构成的发送器确定)；
-接收器的焦距40(由光学器件确定)；
-发送透镜14和接收透镜32之间的距离(由机械装置确定，但是可调，见箭头36和38)；
-可移动的接收透镜32相对PSD30的位置；最后
-传感器与物体24之间的距离42(当自动门开闭装置时，其取决于传感器或目标存在的安装高度)
这对由第二IR发光二极管12产生的光点26也是有效的。
在物体上的光点22和26的位置、项目(item)28和40由传感器结构确定并且不能修改。项目36和38用于相对于安装高度校准传感器。为了将接收的光点22`和26`发送到PSD30的给定位置上，可以机械地调整接收透镜32的水平位置。距离42用于启动检测。如果到目标的距离42在给定的阈值之下，则必须触发检测。
由于在PSD30上的光点位置提供了与接收的光点22`或26`成比例的电平，因而处理器可以通过为所有光点电子地设定特定的电位计值调整检测阈值。
现有技术与本发明之间的一个本质区别是在同一PSD30上的几个光点22`和26`的时分多路复用。光点22和26可以交替地发送，并且由PSD30的处理器依次地分析它们对应的位置。由于它不仅取决于传感器到物体24或目标的距离，而且取决于它在地面上定位的距离(如果物体24是地面)，每一光点22`和26`(PSD30上)的等待位置不同。
因而，每一个检测阈值的位置对每一个光点22和26都是特定的，并且由处理器根据检测高度计算。每一个光点计算的检测阈值可以存储在非易失性存储器中。只通过PSD的分辨率和扫描时间来限定由PSD30接收的光点的数量(在本实施方式中为两个)。可选择地，IR光点可以扩展到一个小的角度，而不是使用由不同光源产生的两个或多个光点。
在本发明的上下文中，PSD可以认为是“光学电位计”。如已经表述的，其提供两个电流输出，它们的电流比率与沿PSD接收的光点的位置成比例。因而可以得出结论，接收的光点限定了“光学电位计”分支的位置。
从PSD30接收的电流的电子处理是基于电桥原理的，并且是如附图2所示的。类似的放大器44和46分别连接PSD30的两个输出，并且放大从PSD30接收的对应电流I1和I2。在它们以对应电压V1和V2进入测量两个平衡信号之间的差别的差分放大器50之前，电位计48用于平衡电流I1和I2。
由PSD30产生的电流I1和I2取决于光点20`和22`的位置，它们通过在PSD30上的接收透镜32再现。在附图2中表示了被位移了的物体24`。该位移的物体24`和传感器之间的距离小于物体24和传感器之间的距离。可以看到，当从物体24再现时，光点20’和22’从他们的位置移动。因此，电流I1和I2改变，并且基于改变的电流I1和I2，可以重新计算位移的物体24`和传感器之间的距离的检测。
通过数字处理器52控制电位计48，从而动态地平衡传导来自PSD的两电流I1和I2的两条线。能够通过计算机非常快地设置这种类型的数字控制的电位计(在下面也称作DIGIPOT)，并且以在不同的LEDs10和12之间切换的节奏在几个值之间切换。
实际上，CPU激励第一光电二极管10。发送到地面24的光点22被反射，通过接收透镜32返回，并且激励PSD30。因为电流I1高于I2，当光点到达距离阈值时，为了得到V1和V2之间的极好的平衡，数字处理器52将DIGIPOT设置在等效的P1位置上。这必须在装备过程期间完成。
当数字处理器52激励第二光电二极管12(蓝)时，第二光点发送到地面24。现在，由于电流I2大于电流I1，出现了不同的情况，并且当到达距离阈值时，数字处理器52将DIGIPOT设置到P2位置以得到V1＝V2＞V3＝0。
在装备过程之后，将DIGIPOT的值最后存储在EEPROM中。直到检测距离改变之前不必修改它们。每当其在不同可能的LEDs10和12以及对应的发射光点22和26之间改变时，数字处理器52更新DIGIPOT值。
可以电调整检测距离(例如使用远程控制)；而不必使用机械调整。因而数字处理器52将改变DIGIPOT值以移动距离阈值。
等待期间，因为传感器到地面的距离高于检测距离，因而破坏了V1和V2之间的平衡，通常V2高于V1。因而V3是正的。当目标与传感器之间的距离与限制相等时，V3将切换到负压，触发检测。
可以通过下面的事实清楚地理解以平衡系统工作的优点：死区(地面和阈值之间的距离)和地面的反射率越高，电压V2和电压V1之间的差异越大，则V3越高，但是其保持相同的符号。因为其对地面反射率的变化的不敏感像由雨，雪等产生的，所以这是这种技术的基本优点。
在校准过程期间，为了适当地将该对光点22和26在PSD30上集中，通过调整装置33水平地调整接收透镜32。该机械的装备仅取决于传感器的安装高度。可以使用偏心螺钉水平地移动透镜32。
由于传感器在PSD上使用几个不同的光电二极管s，因而可以简单地通过检验两二极管在PSD的输出产生不同的读数检验PSD传感器的完整性。
附图标记
10  第一光电二极管
12  第二光电二极管
14  发送透镜
16  透镜14的光轴
18  第一红外光束
18’第一红外光束
20  第二红外光束
20’第二红外光束
22  第一光点
24  物体或地面
24’位移的物体
26  第二光点
28  机械调整的距离
30  PSD
32  接收透镜
33  调整装置
34  透镜32的光轴
36  透镜32的水平可调性
38  透镜32的水平可调性
40  光学焦距
42  传感器与物体24之间的距离
44  放大器
46  放大器
48  电位计
50  差分放大器
52  数字处理器(CPU)

Claims (10)

1.一种距离测量传感器，包括作为光电接收器的PSD(30)，产生光点(22，26)的发送器(10，12)，在PSD(30)上再现所述光点(22’，26’)的光学器件(14，32)，用于处理所述PSD(30)产生的输出信号(I1，I2)、并根据所述处理的输出信号(I1，I2)控制所述发送器(10，12)、以便通过三角测量技术测量目标(24)和传感器之间的距离的装置(44，46，48，50，52)，其特征在于：所述发送器包括用于在目标(24)上投影至少两个彼此独立的光点(22，26)的至少两个光电信号源(10，12)，所述装置(44，46，48，50，52)包括用于平衡输出信号(I1，I2)的数字控制电位计(48)和适于控制电位计的数字处理器(52)。
2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：数字处理器(52)适于控制至少两个光电信号源(10，12)。
3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：用于存储用于设置电位计(48)的值的存储装置。
4.根据前面任一权利要求所述的传感器，其特征在于：至少两个光电信号源(10，12)是不同的IR光电二极管。
5.根据前面任一权利要求所述的传感器，其特征在于：光学器件(14，32)包括一个用于将光点(22，26)从至少两个光电信号源(10，12)投影到目标(24)上的发送透镜(14)和一个将从目标(24)反射的光点(22，26)投影到PSD(30)上的接收透镜(32)。
6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于：用于调整接收透镜(32)的位置以便光点反射到PSD(30)上的机械调整装置(33)。
7.一种距离测量方法，其中，至少两个光电信号源(10，12)将至少两个光点(22，26)投影到目标(24)上，光学器件(14，32)在PSD(30)上再现至少两个光点(22’，26’)，该PSD产生输出信号(I1，I2)，装置(44，46，48，50，52)处理输出信号(I1，I2)并且根据处理的输出信号(I1，I2)控制至少两个光电信号源，以便通过三角测量技术测量目标(24)和传感器之间的距离，数字控制的电位计(48)顺序平衡由PSD(30)中至少两个光点产生的对应信号的输出信号(I1，I2)。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：装置(44，46，48，50，52)控制至少两个光电信号源(10，12)使光点(22，26)顺序投影到目标(24)上，并且由装置(44，46，48，50，52)相继地分析它们对应的位置。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于：传感器检测能力的完整性的监测通过分析在至少两个不同光点之间的信号输出的变化来完成。
10.在自动门开闭装置中使用根据权利要求1-6任一所述的传感器或根据权利要求7-9任一所述的方法。
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