專利名稱：具有光電基礎(chǔ)耦合的光電子測量裝置的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有權(quán)利要求的前序部分的特征的光電子測量裝置。
背景技術(shù)：
這種光電子測量裝置按照ELMOS股份公司的利用(純)光學(xué)發(fā)送器基礎(chǔ)耦合的HAL10S 原理來工作。該在現(xiàn)有技術(shù)中已知的測量原理尤其是在下面的文件中描述:US5,666,037; EP O 706 648 BI; EP I 671 160 BI; DE 100 01 955 Al。
在下文中稱為“傳感器”的測量裝置除了在下文中稱為“發(fā)送器”的發(fā)送光源以外還包括在下文稱為“補(bǔ)償器”的補(bǔ)償光源，其中兩個(gè)光源交替地由各一個(gè)電流驅(qū)動(dòng)器通電地在發(fā)送階段或補(bǔ)償階段中發(fā)出光(一般在IR光譜中)。對(duì)此，時(shí)鐘發(fā)生器以相對(duì)于彼此移相180°的時(shí)鐘信號(hào)操控電流驅(qū)動(dòng)器。頻率可以位于幾kHz直至幾百kHz的范圍中。
光學(xué)接收器用光電二極管接收由兩個(gè)光源發(fā)出的光的一部分并且將該部分光轉(zhuǎn)換成電流交變信號(hào)，所述電流交變信號(hào)在與直流電流分量和低頻信號(hào)分量(一般由環(huán)境光造成)分離以后通過高通功能(例如電容器)弓丨導(dǎo)到跨阻抗放大器(TIA)，該跨阻抗放大器將這些電流信號(hào)轉(zhuǎn)換成電壓。這些電壓又在同步的解調(diào)器中再次交替地被分配給發(fā)送階段和補(bǔ)償階段并且被引導(dǎo)到調(diào)節(jié)器，該調(diào)節(jié)器所具有的任務(wù)是使這兩個(gè)信號(hào)分量的幅度相同。為此，調(diào)節(jié)器通過補(bǔ)償器和發(fā)送器相應(yīng)地調(diào)節(jié)電流的幅度。可以根據(jù)應(yīng)用在恒定的發(fā)送器電流幅度的情況下僅僅調(diào)節(jié)補(bǔ)償器電流的幅度，或者相反地在恒定的補(bǔ)償器電流幅度的情況下僅僅調(diào)節(jié)發(fā)送器電流的幅度。補(bǔ)償器電流的幅度一般處于少數(shù)幾個(gè)mA的范圍中。發(fā)送器電流幅度可以根據(jù)應(yīng)用處于幾個(gè)mA直至幾百mA的范圍中。
由發(fā)送器輻射到傳感器環(huán)境中的光在傳感器以外射到要測量的(要探測的)對(duì)象上，該對(duì)象將射上的光的一部分反射回到傳感器的光電二極管。由在光電二極管中的接收的電流和為此使用的發(fā)送器電流構(gòu)成的比例是發(fā)送器-測量對(duì)象-光電二極管路段的光學(xué)耦合因數(shù)，傳感器確定該光學(xué)耦合因數(shù)并且映射在其調(diào)節(jié)器調(diào)整信號(hào)中。
發(fā)送器光的另一(一般較小的)光分量在傳感器內(nèi)并且因此與測量對(duì)象無關(guān)地同樣到達(dá)光電二極管。這是對(duì)應(yīng)于發(fā)送器-光電二極管路段的(內(nèi)部)光學(xué)耦合因數(shù)(在下文中“光學(xué)基礎(chǔ)耦合”，“0GK”)的分量。在此涉及(純)光學(xué)耦合因數(shù)，因?yàn)槠鋬H僅取決于傳感器內(nèi)部中的光學(xué)路徑的材料特性(反射或者衰減)和幾何參數(shù)(間距、角度)。從數(shù)學(xué)上來看，光學(xué)基礎(chǔ)耦合是由由發(fā)送器光在沒有測量對(duì)象的情況下在光電二極管中生成的電流和為此使用的發(fā)送器電流構(gòu)成的比例。也就是僅僅考察發(fā)送器光的經(jīng)由位于傳感器中的光路徑傳輸至光電二極管的分量。
光學(xué)基礎(chǔ)耦合是恒定的并且在大多數(shù)情況下決定性地由傳感器覆蓋物來一起確定。如果例如在LED作為發(fā)送器的情況下50mA的LED發(fā)送器電流產(chǎn)生50nA的光電二極管電流，則光學(xué)基礎(chǔ)耦合OGK在該情況下為1:1000000或者另行表達(dá)為I X 10_6。
補(bǔ)償器這樣實(shí)現(xiàn)，即由其輻射的光(實(shí)際上)不能到達(dá)測量對(duì)象，而是在傳感器的內(nèi)部被引導(dǎo)到光電二極管。在實(shí)際實(shí)施中，由補(bǔ)償器輻射的光分量被調(diào)整到預(yù)定義的度量，從而在補(bǔ)償階段期間所輻射的光的僅僅一定的(一般為小的)部分射到傳感器的光電二極管上。由該光分量在光電二極管中生成的電流與為此使用的補(bǔ)償電流的比例是補(bǔ)償器-光電二極管路段的光學(xué)耦合因數(shù)。該光學(xué)耦合因數(shù)是恒定的。因?yàn)橛裳a(bǔ)償器所輻射的光基本上不到達(dá)測量對(duì)象，因此它是對(duì)于測量的不可變的參量或參考。如果例如在LED作為補(bǔ)償器的情況下ImA的LED補(bǔ)償器電流產(chǎn)生50nA的光電二極管電流，則補(bǔ)償器耦合在該情況下為I:20000或者另行表達(dá)為50X 10'因?yàn)樵醋园l(fā)送器以及源自補(bǔ)償器的光通過包括光電二極管在內(nèi)的整個(gè)接收器路徑，所以兩個(gè)信號(hào)分量以相同的度量被整個(gè)接收器路徑的傳遞特性影響。該接收器路徑除了光電二極管以外還包括高通濾波器和跨阻抗放大器。在數(shù)學(xué)上觀察，整個(gè)接收器的傳遞函數(shù)甚至脫出系統(tǒng)方程并且隨之還有所有有關(guān)的干擾性的相關(guān)性，例如光電二極管的光敏感性或者溫度相關(guān)性。特此尤其是闡述HAL10S 測量方法的高外來光無關(guān)性。即使在全太陽光(IOOklx)下傳感器也保持能工作的。所述傳感器還在這些激化的環(huán)境光條件下適合可靠地識(shí)別其所定義的測量范圍內(nèi)的對(duì)象。該對(duì)象的運(yùn)動(dòng)同樣可以被識(shí)別。因此例如有可能區(qū)分手的靠近或者其在不同方向上的擦拭運(yùn)動(dòng)。手指觸碰(輕擊)傳感器也可以被解釋為切換功能。但是在裝備有工作能力的光學(xué)系統(tǒng)的情況下，按照HAL10S 原理工作的傳感器也可以在較大距離、例如在5m或IOm的距離中識(shí)別出對(duì)象、例如傳送帶上的行李件。光學(xué)發(fā)送器基礎(chǔ)耦合(OGK)確定整個(gè)測量裝置的所謂的調(diào)節(jié)器靜止值。如果在傳感器附近不存在測量對(duì)象，則也沒有光在發(fā)送階段期間從傳感器外部被反射到光電二極管。傳感器系統(tǒng)僅僅被調(diào)節(jié)到光學(xué)基礎(chǔ)耦合(0GK)。該光學(xué)基礎(chǔ)耦合決定性地影響傳感器一整系列的特性:因此例如光學(xué)基礎(chǔ)耦合確定傳感器的敏感性。如果傳感器的光學(xué)基礎(chǔ)耦合是高的，則僅僅由發(fā)送器輻射的光的相對(duì)小的部分被測量對(duì)象改變。傳感器敏感性因此相應(yīng)地小。這與傳感器的小測量范圍意義相同。相反地，小的光學(xué)基礎(chǔ)稱合表不大的傳感器敏感性，這又增大了傳感器的測量范圍。但是，小的光學(xué)基礎(chǔ)耦合同時(shí)也表示:所述靜止值較強(qiáng)烈地有噪聲的(verrauscht)，因?yàn)閭鞲衅飨到y(tǒng)必須利用少量的或者更少的能量就足夠，因?yàn)?缺少的)測量對(duì)象的高能的信號(hào)分量在該工作點(diǎn)中完全缺少。有噪聲的信號(hào)減緩了調(diào)節(jié)過程，這又在遠(yuǎn)距離的測量對(duì)象的情況下引起傳感器的降低的反應(yīng)速度。光學(xué)基礎(chǔ)耦合因此是在每個(gè)按照HAL10S 原理工作的傳感器中的重要參量并且因此必須被精確地協(xié)調(diào)。在現(xiàn)有技術(shù)中的已知測量裝置的情況下，僅僅通過傳感器的結(jié)構(gòu)上的措施和改變來調(diào)整光學(xué)基礎(chǔ)耦合。傳感器的調(diào)整因此是非常耗費(fèi)的并且僅能對(duì)于固定的值來進(jìn)行。尤其是在具有多個(gè)發(fā)送器的測量裝置(傳感器)的情況下——所述發(fā)送器與光電二極管不同遠(yuǎn)距離地布置，對(duì)于每個(gè)發(fā)送器來說需要到光電二極管的所定義的、自己的光學(xué)基礎(chǔ)耦合。為此要解決的光機(jī)械任務(wù)一般是非常耗費(fèi)的并且使得制造以及尤其是傳感器設(shè)計(jì)昂貴。

發(fā)明內(nèi)容
因此從當(dāng)前的現(xiàn)有技術(shù)得出的任務(wù)是提供一種改善的光電子測量裝置。該光電子測量裝置應(yīng)該尤其是提供簡化地和最優(yōu)化地調(diào)整光學(xué)基礎(chǔ)耦合的可能性。當(dāng)前的任務(wù)通過具有權(quán)利要求1的特征的光電子測量裝置來解決。本發(fā)明的光電子測量裝置尤其是用于檢測對(duì)象的位置和/或運(yùn)動(dòng)。測量裝置包括發(fā)送光源和補(bǔ)償光源，它們每個(gè)都按時(shí)間順序以時(shí)鐘控制的方式按相位地發(fā)出光。光源的分別發(fā)出的光彼此是移相的。測量裝置包括具有用于接收光的光電二極管的光學(xué)接收器，所述光包括由光源發(fā)出的時(shí)鐘同步的測量信號(hào)。光學(xué)接收器還具有用于對(duì)基于所接收的測量信號(hào)并且在光電二極管中生成的電流進(jìn)行放大的放大單元。時(shí)鐘發(fā)生器產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)，用該時(shí)鐘信號(hào)來饋送用于產(chǎn)生發(fā)送光源的時(shí)鐘控制式發(fā)送控制電流的可控制的電流源并且用該時(shí)鐘信號(hào)來饋送用于產(chǎn)生補(bǔ)償光源的時(shí)鐘控制式補(bǔ)償控制電流的可控制的補(bǔ)償電流源，其中向補(bǔ)償電流源輸送反時(shí)鐘信號(hào)。測量裝置的解調(diào)器被用于時(shí)鐘同步地分析測量信號(hào)電流，該測量信號(hào)電流利用光電二極管接收并且利用跨阻抗放大器轉(zhuǎn)換或放大成相應(yīng)的電壓信號(hào)。
調(diào)節(jié)器單元為可控制的電流源和/或補(bǔ)償電流源產(chǎn)生至少一個(gè)操控信號(hào)。該調(diào)節(jié)器單元被設(shè)立和構(gòu)造為，使得補(bǔ)償光源和/或發(fā)送光源通過控制相應(yīng)的控制電流(補(bǔ)償控制電流或發(fā)送控制電流)在其光強(qiáng)方面在幅度上可被調(diào)節(jié)為，使得在不同相位之間出現(xiàn)的時(shí)鐘同步的信號(hào)差被調(diào)節(jié)為零。
根據(jù)本發(fā)明，光電子測量裝置附加地包括另一電流源(一般地甚至用于傳感器中的每個(gè)單個(gè)的發(fā)送器)，下文中稱為“基礎(chǔ)耦合電流源”，其與發(fā)送器電流驅(qū)動(dòng)器時(shí)鐘同步和相位同步地工作，也就是說恰好在發(fā)送器電流驅(qū)動(dòng)器產(chǎn)生其脈沖時(shí)，該基礎(chǔ)耦合電流源也產(chǎn)生其電流脈沖?？煽刂频幕A(chǔ)稱合電流源因此產(chǎn)生時(shí)鐘控制式(getaktet)基礎(chǔ)稱合控制電流。對(duì)基礎(chǔ)耦合電流源同樣利用時(shí)鐘發(fā)生器的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘控制，而且利用與發(fā)送光源相同的時(shí)鐘。
基礎(chǔ)耦合控制電流優(yōu)選在第一實(shí)現(xiàn)變型中通過特意為此設(shè)置的光源(基礎(chǔ)耦合光源)被引導(dǎo)，該光源僅僅在傳感器的內(nèi)部輻射到光電二極管的合適的光量。基礎(chǔ)耦合光源不具有光分量，該光分量離開測量裝置并且到達(dá)外部空間(在測量裝置以外)。測量對(duì)象因此不被基礎(chǔ)耦合光源照射。
因此，基礎(chǔ)耦合光源完全地或者也僅僅部分地承擔(dān)在現(xiàn)有技術(shù)中已知的測量裝置的所需的光學(xué)基礎(chǔ)耦合OGK的產(chǎn)生。在此大的優(yōu)點(diǎn)是，所述光源在很大程度上可以自由地(也就是與發(fā)送器無關(guān)地)被定位，使得其提供與光電二極管的自己的、可單獨(dú)地調(diào)整的光學(xué)耦合的可能性并且可以在電流強(qiáng)度方面被單獨(dú)地(輕微地和快速地)調(diào)整以及尤其是在優(yōu)選的IC實(shí)現(xiàn)中在需要時(shí)甚至可以被任意地重配置。后者因此僅僅利用電子裝置實(shí)現(xiàn)。因此提供了可以電子方式調(diào)整的光學(xué)基礎(chǔ)耦合(在下文中簡稱“E0GK”)的可能性。
基礎(chǔ)耦合控制電流被調(diào)整為，使得獲得測量裝置的期望的敏感性，這通過調(diào)整靜止值決定性地被一起確定。此外可以可選地或者附加地有針對(duì)性地影響調(diào)節(jié)的穩(wěn)定性和調(diào)節(jié)器單元的動(dòng)態(tài)性(調(diào)制范圍和動(dòng)態(tài)特性)。為此在不存在要檢測的對(duì)象的情況下，發(fā)送光源和/或補(bǔ)償光源借助于調(diào)節(jié)單元被調(diào)節(jié)為，使得所接收的、由基礎(chǔ)耦合光源發(fā)出的測量信號(hào)通過補(bǔ)償器信號(hào)被調(diào)節(jié)。該調(diào)節(jié)如下進(jìn)行，即在光學(xué)接收器處在兩個(gè)測量階段中被交替地測量的移相的信號(hào)在每個(gè)調(diào)節(jié)的工作點(diǎn)是相同的。優(yōu)選地，基礎(chǔ)耦合光源因此被調(diào)節(jié)為，使得可以對(duì)對(duì)于測量裝置的所設(shè)置的應(yīng)用期望的或者需要的靜止值進(jìn)行調(diào)整?；A(chǔ)耦合控制電流因此用于確定該重要的工作點(diǎn)。
基礎(chǔ)耦合被定義為由發(fā)送器光源所輻射的光的在待檢測對(duì)象處沒有反射的情況下由(測量信號(hào))光源所反射的分量。基礎(chǔ)耦合是光源的、僅僅在測量裝置內(nèi)傳送或傳導(dǎo)或輻射到光電二極管(在測量裝置內(nèi)有或沒有反射的情況下)的光分量。所期望的或所需的光學(xué)基礎(chǔ)耦合在現(xiàn)有技術(shù)中一般通過光機(jī)械的結(jié)構(gòu)上的措施來調(diào)整。這尤其是在多個(gè)發(fā)送光源的情況下在傳感器(測量裝置)中常常是非常耗費(fèi)的。傳感器表面處的污染、濕氣或者劃痕此外可以敏感地改變光學(xué)基礎(chǔ)耦合。在本發(fā)明的情況下使用如下認(rèn)識(shí)，即發(fā)送光源與光電二極管之間存在由兩個(gè)分量組成的光學(xué)耦合。光學(xué)耦合的第一分量是要由測量裝置確定的功能對(duì)象耦合分量。該分量因此表示在測量裝置以外通過測量對(duì)象反射的光分量。如果在測量裝置附近不存在對(duì)象，則該由光電二極管接收的光分量等于零。光學(xué)耦合的第二分量是發(fā)送器的所謂的光學(xué)基礎(chǔ)耦合。該分量基于經(jīng)由發(fā)送器和光電二極管之間的僅僅在傳感器內(nèi)的光學(xué)路徑對(duì)光電二極管的照明?；A(chǔ)耦合必須被精確地定義，因?yàn)槠鋵?duì)于光學(xué)測量裝置具有多重作用。一方面，發(fā)送器光源的基礎(chǔ)耦合恰好是在不存在測量對(duì)象時(shí)調(diào)節(jié)器單元利用其來工作的測量參量?；A(chǔ)耦合因此尤其是確定測量裝置的靜止值。此外通過調(diào)整基礎(chǔ)耦合來影響測量裝置的敏感性以及從而傳感器的作用范圍。通過調(diào)整敏感性或通過改變基礎(chǔ)耦合可以確定在距測量裝置什么距離仍可以識(shí)別對(duì)象?；A(chǔ)耦合對(duì)測量裝置的另一影響是測量裝置中的通過基礎(chǔ)耦合一起確定的噪聲功率以及傳感器信號(hào)的與此相關(guān)聯(lián)的起振時(shí)間。由此，基礎(chǔ)耦合也就是對(duì)可以識(shí)別測量對(duì)象所利用的速度具有影響。在本發(fā)明范圍內(nèi)認(rèn)識(shí)到，根據(jù)以下事實(shí):測量裝置的光學(xué)基礎(chǔ)耦合在許多應(yīng)用情況下是小的或者太小或者也可以有針對(duì)性地強(qiáng)烈地被降低使得該光學(xué)基礎(chǔ)耦合優(yōu)選地幾乎是可忽略的，展示出以光電方式生成所需的或缺少的耦合值的可能性。優(yōu)選地，基礎(chǔ)耦合光源通過機(jī)械光學(xué)措施被粗略地屏蔽，使得所發(fā)出的光可以以合適的強(qiáng)度到達(dá)光電二極管。調(diào)整在沒有由測量對(duì)象反射的光分量的情況下進(jìn)行。通過適當(dāng)?shù)?以電子方式)操控基礎(chǔ)耦合光源，光電基礎(chǔ)耦合于是可在足夠?qū)挼臉O限中被簡單地精細(xì)地調(diào)整。測量裝置的所期望的靜止值(工作點(diǎn))由此可以被非常簡單地調(diào)整。因此可以有利地改善現(xiàn)有技術(shù)的迄今為止的測量裝置。尤其是對(duì)于發(fā)送光源中的至少一個(gè)距離發(fā)光二極管遠(yuǎn)的測量裝置，可以通過這種方式產(chǎn)生所需的基礎(chǔ)耦合。光學(xué)基礎(chǔ)耦合的以電的方式的產(chǎn)生可以對(duì)于每個(gè)發(fā)送光源單獨(dú)地匹配。具有其相應(yīng)的發(fā)送光源的各個(gè)調(diào)節(jié)回路中的每一個(gè)因此可以單獨(dú)地裝備有基礎(chǔ)耦合的所需的值。通過使用借助于基礎(chǔ)耦合光源以電的方式產(chǎn)生的光學(xué)基礎(chǔ)耦合(E0GK)，因此取消了用來必須僅用機(jī)械光學(xué)裝置精確地調(diào)整發(fā)送光源的光學(xué)基礎(chǔ)耦合的高的結(jié)構(gòu)上的耗費(fèi)。因此，這種測量裝置的開發(fā)和制造變得明顯更簡單和更價(jià)格低廉。所述開發(fā)可以更快速地進(jìn)行。通過該方案完全首先可以恰好使用多個(gè)發(fā)送光源，這些發(fā)送光源部分地距離光學(xué)接收器遠(yuǎn)。由此也提高了根據(jù)該測量方法的測量裝置的應(yīng)用者的可接受性。本發(fā)明測量裝置由此克服了現(xiàn)有技術(shù)中的主要缺點(diǎn)。在本發(fā)明范圍中認(rèn)識(shí)到，基礎(chǔ)耦合光源可以是補(bǔ)償光源。因此在優(yōu)選的第二實(shí)施方式中，補(bǔ)償器(即補(bǔ)償光源)既用于補(bǔ)償也用于產(chǎn)生對(duì)應(yīng)于EOGK的光分量。為此必須將補(bǔ)償電流驅(qū)動(dòng)器的電流和基礎(chǔ)耦合電流源的電流匯合在一起(相加)，這可以用電子裝置簡單地實(shí)現(xiàn)?，F(xiàn)在在補(bǔ)償階段期間補(bǔ)償電流流經(jīng)補(bǔ)償器，并且附加地根據(jù)本發(fā)明在發(fā)送階段期間基礎(chǔ)耦合電流源的電流流經(jīng)補(bǔ)償器。由此，補(bǔ)償光源被雙重地使用；用于產(chǎn)生EOGK的附加光源在該第二實(shí)現(xiàn)變型中不再需要。擁有EOGK的傳感器優(yōu)選被設(shè)計(jì)具有盡可能小的(純)光學(xué)基礎(chǔ)耦合(理想地為零)，以便由應(yīng)用要求的基礎(chǔ)耦合的盡可能大的數(shù)值可以通過光電方式產(chǎn)生。在該情況下，最佳的靈活性(可配置性)在最高穩(wěn)定性的情況下得出，因?yàn)?純)光學(xué)基礎(chǔ)耦合分量遭受不同的、一般地不要忽略的干擾影響。相對(duì)于許多干擾影響的穩(wěn)健性在第二實(shí)現(xiàn)變型中特別高。在最不利的工作點(diǎn)、即靜止?fàn)顟B(tài)，也就是當(dāng)不存在測量對(duì)象并且沒有光學(xué)反射到達(dá)光電二極管時(shí)，整個(gè)測量裝置必須用最低的信號(hào)功率就足夠了。調(diào)節(jié)器僅僅仍調(diào)節(jié)EOGK的相對(duì)低的光電二極管電流與由補(bǔ)償器生成的光電二極管電流，以便產(chǎn)生靜止輸出信號(hào)。兩個(gè)光學(xué)分信號(hào)根據(jù)本發(fā)明在同一光電組件、即補(bǔ)償光源中產(chǎn)生，并且因此以相同的程度遭受與該部分相關(guān)聯(lián)的干擾影響。這里主要涉及IR-LED的光收益的約-0.5% /K的不利溫度系數(shù)。令人驚訝地還確定了，迄今為止根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)實(shí)現(xiàn)的測量裝置可以在沒有大的耗費(fèi)的情況下、僅僅通過裝備附加的電流源就被顯著地改善。 在光電子測量裝置的優(yōu)選實(shí)施方式中，通過補(bǔ)償光源弓丨導(dǎo)的基礎(chǔ)耦合控制電流被調(diào)整到最多50%、20%或者10%，或者在具有較大作用范圍的傳感器的情況下也被調(diào)整到發(fā)送器控制電流的明顯較低的百分比值。在此優(yōu)選地，(純)光學(xué)基礎(chǔ)耦合與功能對(duì)象耦合相比盡可能小(該值的最多5%或者2%或者I %)，特別優(yōu)選地幾乎為零。通過調(diào)節(jié)基礎(chǔ)耦合電流源的基礎(chǔ)耦合控制電流產(chǎn)生的光電基礎(chǔ)耦合(EOGK)因此補(bǔ)充或代替發(fā)送光源的小的或者不存在的光學(xué)基礎(chǔ)耦合。在優(yōu)選的實(shí)施方式中，測量裝置包括多個(gè)發(fā)送光源，這些發(fā)送光源順序地一個(gè)接一個(gè)地在調(diào)節(jié)回路中通過補(bǔ)償光源被補(bǔ)償。為此借助用于發(fā)送光源中的每一個(gè)的調(diào)節(jié)器來進(jìn)行利用補(bǔ)償光源的補(bǔ)償。對(duì)于這些調(diào)節(jié)回路中的每一個(gè)，分別產(chǎn)生最優(yōu)化的和匹配的基礎(chǔ)耦合控制電流，利用該基礎(chǔ)耦合控制電流來操控可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償控制源。通過這種方式可以為每個(gè)單個(gè)的發(fā)送光源產(chǎn)生單獨(dú)的光電基礎(chǔ)耦合。一般在光電子測量裝置的情況下在實(shí)際中將調(diào)節(jié)單元、解調(diào)器、時(shí)鐘發(fā)生器和放大器集成在芯片中。在該集成的電或電子組件中還優(yōu)選包括用于可調(diào)節(jié)的電流源的信號(hào)發(fā)生器(Signalgeber)。電流源、尤其是可控制的發(fā)送光電流源和基礎(chǔ)稱合電流源被一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生器控制。在集成了信號(hào)發(fā)生器、尤其是用于控制基礎(chǔ)耦合電流源的信號(hào)發(fā)生器的情況下，在光電子測量裝置的實(shí)現(xiàn)中不產(chǎn)生值得注意的(硬件)額外成本。僅在芯片開發(fā)時(shí)必須一次性地追索較高的耗費(fèi)。就此而言，光電子測量裝置根據(jù)本發(fā)明擴(kuò)展光電基礎(chǔ)耦合的特征是非常成本低的。本發(fā)明測量裝置具有許多優(yōu)點(diǎn)。通過以電的方式實(shí)現(xiàn)光學(xué)基礎(chǔ)耦合得出在測量裝置的光學(xué)設(shè)計(jì)(光學(xué)系統(tǒng)設(shè)計(jì))方面的明顯降低的耗費(fèi)。光學(xué)系統(tǒng)須在迄今為止的三個(gè)技術(shù)重點(diǎn)中僅仍同時(shí)滿足這三個(gè)最初要求中的兩個(gè)，所述三個(gè)技術(shù)重點(diǎn)即:盡可能最優(yōu)的發(fā)送、盡可能最優(yōu)的接收以及產(chǎn)生相應(yīng)的光學(xué)基礎(chǔ)耦合。由此得出對(duì)測量裝置的光機(jī)械設(shè)計(jì)、尤其是對(duì)結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)方案的明顯較小的要求。因?yàn)椴辉僖蟀l(fā)送光源到光學(xué)接收器的光學(xué)基礎(chǔ)耦合，所以實(shí)際上可以避開迄今為止的傳感器的常常關(guān)鍵的基礎(chǔ)耦合路徑。這些光學(xué)基礎(chǔ)耦合路徑常常遭受巨大的干擾影響。例如，組件和安裝公差、材料影響、表面性質(zhì)在許多情況下明顯地影響根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的基礎(chǔ)耦合。如潮氣、污染或者面板上的劃痕的其它影響更為關(guān)鍵。這些影響在使用光電基礎(chǔ)耦合的情況下在最大程度上取消。除此以外，為了實(shí)現(xiàn)而需要關(guān)于基礎(chǔ)耦合和傳感器中的光學(xué)光路的高度專業(yè)特定的知識(shí)。通過本發(fā)明的測量裝置，現(xiàn)在一般也可用少量的特定專業(yè)知識(shí)明顯更好地掌控困難的應(yīng)用。因此，本發(fā)明具有大的商業(yè)利潤。已經(jīng)表明，利用具有光電基礎(chǔ)耦合的本發(fā)明測量裝置也得出了更簡單的電路板布局。電路的布局在很大程度上通過光學(xué)和機(jī)械要求來確定。但是，所述要求現(xiàn)在明顯減少。本發(fā)明測量裝置同樣使得能夠精確地以電子方式實(shí)現(xiàn)最優(yōu)的基礎(chǔ)耦合。這對(duì)于每個(gè)發(fā)送光源和對(duì)于與其建立的調(diào)節(jié)回路來說簡單地是可能的。由此還得出在預(yù)先給定的輻射功率情況下的最優(yōu)的噪聲值和起振時(shí)間。測量裝置因此更快地和更精確地工作。此外，測量裝置具有有利的熱特性，因?yàn)閷?shí)際上僅將一個(gè)光源或LED、即優(yōu)選補(bǔ)償光源包括到基礎(chǔ)耦合中來并且參與作為基礎(chǔ)工作點(diǎn)的靜止值的確定。發(fā)送光源到光電二極管的(純)光學(xué)基礎(chǔ)耦合的減少或省去允許更簡單的結(jié)構(gòu)上的設(shè)計(jì)。具有光電基礎(chǔ)耦合的更快和更有效的調(diào)整可能性的簡化設(shè)計(jì)的組合導(dǎo)致縮短的開發(fā)時(shí)間。在迄今為止例如必須耗費(fèi)地模擬光導(dǎo)并且生產(chǎn)該光導(dǎo)以用于檢驗(yàn)的地方，可以借助于光電耦合的方法例如通過更換電阻來改變基礎(chǔ)耦合光源的電流并且非常短期地找到傳感器的新的協(xié)調(diào)。所述裝置的另一優(yōu)點(diǎn)通過同一(物理的)調(diào)節(jié)回路的自由可配置性而得出，以便相繼地、也就是例如以時(shí)間復(fù)用的方式利用所述測量裝置解決原則上不同的任務(wù)。因此例如可以在經(jīng)歷一個(gè)調(diào)節(jié)回路時(shí)以較大的間距(諸如20和70cm之間)進(jìn)行近似測量，而在下一調(diào)節(jié)回路中執(zhí)行對(duì)傳感器表面的觸碰識(shí)別(觸摸識(shí)別)。因此系統(tǒng)是非常靈活的，因?yàn)榛A(chǔ)耦合可以在連續(xù)的運(yùn)行中針對(duì)每個(gè)調(diào)節(jié)循環(huán)在光電途徑上被匹配(重參數(shù)化)。本發(fā)明的測量裝置由此可非常靈活地和多方面地使用。所述測量裝置具有高的穩(wěn)定性，其中可有針對(duì)性地調(diào)整工作點(diǎn)。例如可以通過有針對(duì)性地協(xié)調(diào)工作點(diǎn)來提高傳感器的敏感性，另一方面也可以最優(yōu)化調(diào)節(jié)的穩(wěn)健性。


本發(fā)明在下面根據(jù)在圖中所示的特殊的實(shí)施方式來更詳細(xì)闡述。在那里示出的特殊性可以單獨(dú)地或者組合地使用，以便提供本發(fā)明的優(yōu)選的設(shè)計(jì)方案。所述實(shí)施不是對(duì)通過權(quán)利要求在其一般性方面定義的本發(fā)明的限制。其中:
圖1示出現(xiàn)有技術(shù)的測量裝置的原理圖(按照HAL10S 測量方法)；
圖2以具有用于EOGK的附加LED的實(shí)現(xiàn)方式示出本發(fā)明測量裝置的原理電路；
圖3以具有用于EOGK的補(bǔ)償LED的使用的實(shí)現(xiàn)方式示出本發(fā)明測量裝置的原理電路； 圖4示出根據(jù)圖2中的測量裝置的EOGK的實(shí)施方式的原理電路；
圖5示出根據(jù)圖3中的測量裝置的EOGK的實(shí)施方式的原理電路；
圖6a、b、c、d示出IC中EOGK的其它實(shí)現(xiàn)可能性。
具體實(shí)施例方式圖1示出根據(jù)現(xiàn)有技術(shù)的測量裝置100。該測量裝置100包括發(fā)送光源2、補(bǔ)償光源3和光學(xué)接收器4,該光學(xué)接收器4包括光電二極管5和放大單兀6。該放大單兀6被構(gòu)造為跨阻抗放大器，其中在跨阻抗放大器6與光電二極管5之間接入至少一個(gè)電容器7。在符合EMV規(guī)則的對(duì)光電二極管5的耦合的差動(dòng)實(shí)施中，在此處設(shè)置兩個(gè)電容器7。時(shí)鐘發(fā)生器8對(duì)為發(fā)送光源進(jìn)行饋送的可控制的電流源9進(jìn)行時(shí)鐘控制(takten)。時(shí)鐘發(fā)生器8也向?yàn)檠a(bǔ)償光源3進(jìn)行饋送的可控制的補(bǔ)償電流源10提供反時(shí)鐘信號(hào)。時(shí)鐘發(fā)生器8的時(shí)鐘信號(hào)以及反時(shí)鐘信號(hào)都被輸送給解調(diào)器11以用于時(shí)鐘同步地分析由光學(xué)接收器4基于所接收的光信號(hào)產(chǎn)生的電流或電壓。測量裝置100的調(diào)節(jié)器單元12產(chǎn)生用于可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償電流源10的操控信號(hào)，使得補(bǔ)償光源3可以被調(diào)解為，使得在兩個(gè)階段中所接收的信號(hào)之間從發(fā)送光源2和補(bǔ)償光源3所接收的光分量在幅度上變得相等。在調(diào)節(jié)過程中也可以將發(fā)送器電流源一起包括進(jìn)來，其中該發(fā)送器電流源與補(bǔ)償電流源互相相反地被調(diào)節(jié)。如果在測量裝置100附近存在測量對(duì)象13，則由發(fā)送光源2輻射的光被測量對(duì)象13反射到光電二極管。與該信號(hào)分量同時(shí)地，光電二極管5也接收光學(xué)基礎(chǔ)稱合(OGK)的由發(fā)送光源2所發(fā)送的光。作為其它成分，光電二極管5接收由補(bǔ)償光源3所發(fā)出的光分量。因此為了調(diào)節(jié)測量裝置100得出以下的調(diào)節(jié)條件:
權(quán)利要求
1.光電子測量裝置，其在很大程度上與外來光無關(guān)，該測量裝置包括 一按時(shí)間順序以時(shí)鐘控制方式按相位地發(fā)出光的發(fā)送光源(2)和補(bǔ)償光源(3)，其中所發(fā)出的光分別是移相的， 一光學(xué)接收器(4)，具有用于接收包括由光源(2，3)發(fā)出的時(shí)鐘同步的測量信號(hào)的光的光電二極管(5)，并且具有用于放大基于所接收的測量信號(hào)的測量信號(hào)電流的放大單元(6), 一用于產(chǎn)生時(shí)鐘信號(hào)的時(shí)鐘發(fā)生器(8)， 一用于時(shí)鐘同步地分析測量信號(hào)電流的解調(diào)器(11)， 一用于為發(fā)送光源(2)產(chǎn)生時(shí)鐘控制式發(fā)送控制電流的可調(diào)節(jié)的電流源(9)，一用于為補(bǔ)償光源(3)產(chǎn)生時(shí)鐘控制式補(bǔ)償控制電流的可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償電流源(10)，和一用于為可調(diào)節(jié)的電流源(9)和/或補(bǔ)償電流源(10)產(chǎn)生至少一個(gè)操控信號(hào)的調(diào)節(jié)器單元(12)，其中該調(diào)節(jié)器單元(12)構(gòu)造為，使得補(bǔ)償光源(3)和/或發(fā)送光源(2)能通過控制補(bǔ)償控制電流和/或發(fā)送控制電流而在其光強(qiáng)方面在幅度上被調(diào)節(jié)為，使得在不同相位之間出現(xiàn)的時(shí)鐘同步的信號(hào)差變?yōu)榱悖? 其特征在于 一用于產(chǎn)生時(shí)鐘控制式基礎(chǔ)耦合控制電流的可調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)耦合電流源(15)， 一基礎(chǔ)耦合光源(17)，其與發(fā)送光源(2)不同并且用基礎(chǔ)耦合控制電流被饋送以及將光直接發(fā)送給光學(xué)接收器(4); 一基礎(chǔ)耦合控制電流被調(diào)整為，使得實(shí)現(xiàn)測量裝置(I)的期望的敏感性和/或調(diào)節(jié)器單元(12)的期望的靜止值是能調(diào)整的， 一其中在不存在要檢測的對(duì)象(13)的情況下調(diào)節(jié)器單元(12)將發(fā)送光源(2)和/或補(bǔ)償光源(3)調(diào)節(jié)為，使得從基礎(chǔ)耦合光源(15)接收的測量信號(hào)被調(diào)節(jié)， 其中 一對(duì)用于產(chǎn)生時(shí)鐘控制式 發(fā)送控制電流的可調(diào)節(jié)的電流源(9)和用于產(chǎn)生時(shí)鐘控制式基礎(chǔ)耦合控制電流的可調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)耦合電流源(15)用時(shí)鐘發(fā)生器(8)的時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘控制， 一對(duì)用于產(chǎn)生時(shí)鐘控制式補(bǔ)償控制電流的可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償電流源(10)用時(shí)鐘發(fā)生器(8)的反時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘控制。
2.根據(jù)權(quán)利要求1的測量裝置，其特征在于，用基礎(chǔ)耦合控制電流饋送的基礎(chǔ)耦合光源(15 )是補(bǔ)償光源(3 )并且測量裝置(I)包括加法環(huán)節(jié)(18 )，其中基礎(chǔ)耦合控制電流和補(bǔ)償控制電流在它們被輸送給補(bǔ)償光源(3)之前在所述加法環(huán)節(jié)中被相加。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2的測量裝置，其特征在于，發(fā)送光源(2)被布置為，使得發(fā)送光源(2)和光電二極管(5)之間的基礎(chǔ)耦合是由發(fā)送光源(2)產(chǎn)生的功能光學(xué)對(duì)象耦合的最大50 %，優(yōu)選最大20%、10%、7%、5%、2%、1%，或者優(yōu)選近似為零，或者不存在直接的基礎(chǔ)耦合。
4.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的測量裝置，其特征在于，基礎(chǔ)耦合控制電流被調(diào)整為，使得生成和/或改變補(bǔ)償光源(3)的光電基礎(chǔ)耦合。
5.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的測量裝置，其特征在于，發(fā)送光源(2)、基礎(chǔ)耦合光源(17)和/或補(bǔ)償光源(3)分別用LED實(shí)現(xiàn)。
6.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的測量裝置，其特征在于，基礎(chǔ)耦合電流源(15)通過用于為發(fā)送光源(2)產(chǎn)生時(shí)鐘控制式發(fā)送控制電流的電流源和優(yōu)選通過歐姆電阻(20、21)提供的分流器(19)來實(shí)現(xiàn)。
7.根據(jù)前一權(quán)利要求的測量裝置，其特征在于，基礎(chǔ)耦合電流源(15)通過用于發(fā)送光源(2)的電流源(9)和具有二極管(24)、優(yōu)選具有肖特基二極管的歐姆分流器(19)來實(shí)現(xiàn)。
8.根據(jù)權(quán)利要求6的測量裝置，其特征在于，基礎(chǔ)耦合電流源(15)通過用于發(fā)送光源(2)的電流源(9)和具有至少兩個(gè)晶體管、優(yōu)選具有至少兩個(gè)MOSFET晶體管的歐姆分流器(19)來實(shí)現(xiàn)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1至5之一的測量裝置，其特征在于，基礎(chǔ)耦合電流源(15)由用于發(fā)送光源(2)的電流源(9)構(gòu)成并且基礎(chǔ)耦合控制電流由參數(shù)化的發(fā)送控制電流構(gòu)成，其中參數(shù)化的基礎(chǔ)耦合控制電流的生成在芯片中進(jìn)行。
10.根據(jù)權(quán)利要求9的測量裝置，其特征在于，基礎(chǔ)耦合電流源(15)與電流源(9)成比例地被調(diào)節(jié)器單元(12) —起調(diào)節(jié)。
11.根據(jù)權(quán)利要求9的測量裝置，其特征在于，對(duì)于每個(gè)電流源(9)，基礎(chǔ)耦合電流源(15a)的電流幅度能夠被固定地調(diào)節(jié)。
12.根據(jù)前述權(quán)利要求之一的測量裝置，其特征在于，測量裝置(I)包括多個(gè)發(fā)送光源(2)，這些發(fā)送光源在每個(gè)調(diào)節(jié)回路中順序地相繼地通過補(bǔ)償光源(3)被補(bǔ)償并且為這些發(fā)送光源分別產(chǎn)生基礎(chǔ)耦合控制電流。
13.根據(jù)前述權(quán)利要 求之一的測量裝置，其特征在于，電流源(9，10，15)、尤其是用于發(fā)送光源(2 )的可控制的電流源(9 )和可控制的基礎(chǔ)耦合電流源(15)被一個(gè)或多個(gè)信號(hào)發(fā)生器(16)饋送，其中信號(hào)發(fā)生器(16)優(yōu)選集成在芯片中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種具有高的外來光無關(guān)性的光電子測量裝置，具有發(fā)送光源(2)和補(bǔ)償光源(3)，它們按時(shí)間順序以時(shí)鐘控制方式按相位地發(fā)出光，其中所發(fā)出的光分別被移相。調(diào)節(jié)器單元(12)被構(gòu)造為，使得補(bǔ)償光源(3)和/或發(fā)送光源(2)能通過控制補(bǔ)償控制電流和/或發(fā)送控制電流而在其光強(qiáng)方面在幅度上被調(diào)節(jié)為，使得在不同相位之間出現(xiàn)的時(shí)鐘同步的信號(hào)差變?yōu)榱??；A(chǔ)耦合光源(17)利用基礎(chǔ)耦合電流源(15)的基礎(chǔ)耦合控制電流被饋送。該基礎(chǔ)耦合光源在不受到測量對(duì)象(13)影響的情況下將光直接發(fā)送給光學(xué)接收器(4)?；A(chǔ)耦合控制電流被調(diào)整為，使得實(shí)現(xiàn)測量裝置(1)的期望的敏感性和/或調(diào)節(jié)器單元的期望的工作點(diǎn)、優(yōu)選靜止值是能調(diào)整的，其中在不存在要檢測的對(duì)象(13)的情況下調(diào)節(jié)器單元(12)將發(fā)送光源(2)和/或補(bǔ)償光源(3)調(diào)節(jié)為，使得從基礎(chǔ)耦合光源(15)接收的測量信號(hào)被調(diào)節(jié)。對(duì)用于產(chǎn)生時(shí)鐘控制式發(fā)送控制電流的可調(diào)節(jié)的電流源(9)和用于產(chǎn)生時(shí)鐘控制式基礎(chǔ)耦合控制電流的可調(diào)節(jié)的基礎(chǔ)耦合電流源(15)用時(shí)鐘發(fā)生器(8)的時(shí)鐘信號(hào)相位同步地進(jìn)行時(shí)鐘控制。對(duì)用于產(chǎn)生時(shí)鐘控制式補(bǔ)償控制電流的可調(diào)節(jié)的補(bǔ)償電流源(10)用時(shí)鐘發(fā)生器(8)的反時(shí)鐘信號(hào)進(jìn)行時(shí)鐘控制。
文檔編號(hào)G01S17/02GK103154769SQ201180037415
公開日2013年6月12日 申請(qǐng)日期2011年7月28日 優(yōu)先權(quán)日2010年7月30日
發(fā)明者E.施韋寧格 申請(qǐng)人:梅卡雷斯系統(tǒng)有限責(zé)任公司