Sensor óptico.

Sensor óptico con un emisor que emite impulsos luminosos, un receptor que capta impulsos luminosos y uncircuito de evaluación mediante el que a partir del tiempo de recorrido de un impulso luminoso hasta un objeto adetectar se determina la distancia a dicho objeto presentando el circuito de evaluación medios de conmutación y unelemento capacitivo,

accionándose, al emitir un impulso luminoso, los medios de conmutación e iniciándose unproceso de carga del elemento capacitivo y finalizando dicho proceso de carga al accionarse de nuevo los mediosde conmutación y tomándose la tensión generada por este proceso de carga como medida de la distancia al objeto,caracterizado por que el circuito (8) de evaluación presenta un generador de pulsos de reloj para establecertiempos de referencia y por que después de determinar la tensión de medición que representa el tiempo derecorrido, mediante primeras activaciones de los medios de conmutación, se realiza un proceso de carga delelemento capacitivo durante un primer tiempo de referencia establecido por el reloj de pulsos que es más pequeñoque el tiempo de recorrido, mediante lo cual se obtiene una primera tensión de referencia y mediante segundasactivaciones de los medios de conmutación se ejecuta un proceso de carga del elemento capacitivo durante unsegundo tiempo de referencia establecido por el generador de pulsos de reloj, que es mayor que el tiempo derecorrido, y por que por interpolación de los tiempos de referencia y de las tensiones de referencia para la tensión demedición se determina el valor exacto del tiempo de recorrido.

Sensor óptico

La invención se refiere a un sensor óptico de acuerdo con los términos de la reivindicación 1.

Los sensores ópticos de este tipo constituyen sensores de distancia que funcionan en base al procedimiento de impulso y tiempo de recorrido. Para determinar la distancia al objeto de un objeto que hay que detectar el emisor del sensor óptico envía un impulso luminoso que se refleja por el objeto y así llega hasta el receptor del sensor óptico. A partir del tiempo de recorrido del impulso luminoso del emisor al objeto y de vuelta al receptor se calcula la distancia al objeto.

Los sensores ópticos del tipo del que se está hablando presentan circuitos de evaluación analógicos para determinar los tiempos de recorrido, los llamados convertidores "Time to analog". Los circuitos de evaluación de este tipo presentan un elemento capacitivo, en particular, un condensador cuyos procesos de carga se controlan mediante medios de conmutación. En cuanto se emite un impulso luminoso por el emisor se activan por primera vez los medios de conmutación. Esto puede hacerse valorando la tensión de salida del emisor con un valor umbral. En cuanto el emisor emite un impulso luminoso la tensión de salida supera el valor umbral. Así se accionan los medios de conmutación, mediante lo cual se inicia un proceso de carga del elemento capacitivo, en particular, la acumulación de carga del condensador. El proceso de carga se termina en cuanto el impulso luminoso se registra en el receptor. También en este caso se valora preferentemente la tensión de salida del receptor con un valor umbral. En cuanto la tensión de salida supera el valor umbral se accionan nuevamente los medios de conmutación y entonces se para el proceso de carga.

En función de la distancia al objeto varía el tiempo de recorrido del impulso luminoso y con ello la duración del proceso de carga del elemento capacitivo. Así, la tensión de medición generada durante el proceso de carga en el elemento capacitivo ofrece una medida directa del tiempo de recorrido del impulso luminoso y con ello la distancia al objeto.

Lo problemático en este caso es que, sin embargo, en función de los efectos de la temperatura y el envejecimiento de los componentes la tensión de medición evaluada como medida de la distancia al objeto está sometida a alteraciones y cambios que limitan la precisión de la medición de distancia notablemente.

El documento US 4 464 048 A se refiere a un dispositivo de medición de distancia que presenta como emisor un láser que emite impulsos luminosos en una secuencia temporal establecida. Como receptor se prevé un fotodiodo de avalancha. La medición de distancia se hace en base al principio del tiempo de recorrido, es decir, se mide el tiempo que necesita un impulso luminoso emitido por el emisor para llegar hasta un objeto y volver al receptor. Para ejecutar la medición del tiempo de recorrido está previsto un circuito de evaluación que presenta medios de conmutación para fijar el inicio y el final de la medición del tiempo de recorrido así como un elemento capacitivo utilizándose el proceso de carga del elemento capacitivo para la medición del tiempo de recorrido.

El documento US 5644261 A se refiere un dispositivo para probar circuitos integrados. Con el dispositivo se prueba el régimen temporal del circuito integrado. Para esto el dispositivo comprende una unidad para generar un pulso de reloj y un interpolador que genera señales de disparo para el ensayo.

La invención se basa en el objetivo de proporcionar un sensor óptico del tipo mencionado al principio que presente una precisión de medición mejorada con un bajo coste constructivo.

Para solucionar este objetivo se prevén las características de la reivindicación 1. Formas de realización ventajosas y perfeccionamientos convenientes de la invención están descritos en las reivindicaciones dependientes.

El sensor óptico según la invención comprende un emisor que emite impulsos luminosos, un receptor que recibe impulsos luminosos y un circuito de evaluación mediante el que a partir del tiempo de recorrido de un impulso luminoso hasta un objeto que hay que detectar se determina la distancia a este objeto. El circuito de evaluación presenta medios de conmutación y un elemento capacitivo. Al emitir un impulso luminoso se accionan los medios de conmutación y dan comienzo a un proceso de carga del elemento capacitivo. Este proceso de carga finaliza cuando se accionan de nuevo los medios de conmutación. La tensión de medición obtenida con este proceso de carga se evalúa como medida de la distancia al objeto. El circuito de evaluación presenta un generador de pulsos de reloj para establecer tiempos de referencia. Después de determinar la tensión de medición que representa el tiempo de recorrido se ejecuta un proceso de carga del elemento capacitivo por primeras activaciones de los medios de conmutación durante un primer tiempo de referencia establecido por el generador de pulsos de reloj que es menor que el tiempo de recorrido obteniéndose así una primera tensión de referencia.

Mediante segundas activaciones de los medios de conmutación se ejecuta un segundo proceso de carga del elemento capacitivo durante un segundo tiempo de referencia fijado por el generador de pulsos de reloj que es mayor que el tiempo de recorrido. Mediante la interpolación de los tiempos de referencia y las tensiones de referencia se determina el valor exacto del tiempo de recorrido para la tensión de medición.

La idea básica de la invención consiste por tanto en que después de la medición para determinar el tiempo de recorrido de un impulso luminoso a un objeto y de vuelta al sensor óptico se hacen dos medidas de calibración pudiéndose eliminar sistemáticamente, relacionando las medidas del tiempo de recorrido y las medidas de referencia, los efectos interferentes externos en el circuito de evaluación, en particular, debidos a la deriva térmica o al envejecimiento de los componentes consiguiéndose un aumento significativo de la precisión de la medida de la distancia.

Lo fundamental es que para las medidas de calibración durante el tiempo de referencia respectivo prefijado, y con ello conocido, establecido por el generador de pulsos de reloj, se ejecute un proceso de carga del elemento capacitivo. Los tiempos de referencia establecidos por generador de pulsos de reloj son independientes de la deriva térmica y dimensiones de los componentes del circuito de evaluación y proporcionan así una escala exacta invariable para las medidas de calibración.

Los tiempos de referencia se escogen según la invención de modo que un tiempo de referencia sea menor, el otro tiempo de referencia sea mayor que el tiempo de recorrido determinado. Para ello los tiempos de referencia se establecen adecuadamente mediante control por ordenador inmediatamente después de que se haya medido el tiempo de recorrido a través de la tensión de medición del elemento capacitivo.

Entonces, mediante la interpolación de los tiempos de referencia y de las tensiones de referencia obtenidas en el elemento capacitivo durante las medidas de calibración se obtiene el valor exacto del tiempo de recorrido.

La calibración de los valores de medición del tiempo de recorrido sólo requiere como componente adicional un generador de pulsos de reloj, que preferentemente está formado por un oscilador de cuarzo. La calibración se puede hacer entonces con un gasto constructivo extremadamente bajo.

En general para una medición de distancia puede usarse un impulso luminoso único. Para aumentar más la precisión de medición pueden tomarse varios impulsos luminosos para una medición de distancia suponiendo estos proporcionan sucesivas cargas del condensador que constituye el elemento capacitivo. Las mediciones de calibración pueden hacerse en consonancia para las mediciones de tiempo de recorrido con múltiples pulsos.

Otro aumento de la precisión de medición del sensor óptico según la invención se consigue con una conmutación dinámica del intervalo de medición del elemento capacitivo. El elemento capacitivo está compuesto preferentemente por un condensador. Cuanto mayor sea el tiempo de recorrido a medir más dura el proceso de carga del condensador y mayor es, en caso de que no se efectúe una conmutación del intervalo de medida, la tensión de medición del condensador. Puesto que la relación entre la tensión de medición y el tiempo de recorrido no es lineal la precisión en la obtención... [Seguir leyendo]

1. Sensor óptico con un emisor que emite impulsos luminosos, un receptor que capta impulsos luminosos y un circuito de evaluación mediante el que a partir del tiempo de recorrido de un impulso luminoso hasta un objeto a detectar se determina la distancia a dicho objeto presentando el circuito de evaluación medios de conmutación y un elemento capacitivo, accionándose, al emitir un impulso luminoso, los medios de conmutación e iniciándose un proceso de carga del elemento capacitivo y finalizando dicho proceso de carga al accionarse de nuevo los medios de conmutación y tomándose la tensión generada por este proceso de carga como medida de la distancia al objeto, caracterizado por que el circuito (8) de evaluación presenta un generador de pulsos de reloj para establecer tiempos de referencia y por que después de determinar la tensión de medición que representa el tiempo de recorrido, mediante primeras activaciones de los medios de conmutación, se realiza un proceso de carga del elemento capacitivo durante un primer tiempo de referencia establecido por el reloj de pulsos que es más pequeño que el tiempo de recorrido, mediante lo cual se obtiene una primera tensión de referencia y mediante segundas activaciones de los medios de conmutación se ejecuta un proceso de carga del elemento capacitivo durante un segundo tiempo de referencia establecido por el generador de pulsos de reloj, que es mayor que el tiempo de recorrido, y por que por interpolación de los tiempos de referencia y de las tensiones de referencia para la tensión de medición se determina el valor exacto del tiempo de recorrido.

2. Sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 1, caracterizado por que el elemento capacitivo es un condensador (13) y por que el proceso de carga es una acumulación de carga del condensador (13) .

3. Sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 2, caracterizado por que está prevista una fuente (10) de corriente controlada por tensión mediante la que se establece una corriente para cargar el condensador (13) .

4. Sensor óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado por que se prevé una unidad de valor umbral mediante la que se genera al menos un valor umbral, comparándose con el valor umbral la amplitud del impulso (2) luminoso emitido por el emisor (3) e incidente en el receptor (4) , y por que se accionan los medios de conmutación cuando el nivel de tensión correspondiente a las amplitudes de los impulsos (2) luminosos está por encima del valor umbral.

5. Sensor óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 4, caracterizado por que el generador de pulsos de reloj está formado por un oscilador de cuarzo que genera una secuencia periódica de pulsos como pulso de reloj del sistema.

6. Sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 5, caracterizado por que los tiempos de referencia son múltiplos enteros del periodo del pulso de reloj del sistema.

7. Sensor óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 4 ó 5, caracterizado por que la diferencia entre el primer tiempo referencia y el tiempo de recorrido así como entre el segundo tiempo referencia y el tiempo de recorrido son menores que un periodo del pulso de reloj del sistema.

8. Sensor óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 3 a 7, caracterizado por que el intervalo de medida del elemento capacitivo se puede conmutar dinámicamente estableciendo con control por ordenador la tensión de la fuente (10) de corriente.

9. Sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 8, caracterizado por que la tensión de la fuente (10) de corriente se ajusta de modo que la tensión de medición generada en el elemento capacitivo sea constante.

10. Sensor óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 9, caracterizado por que el receptor (4) está formado por un fotodiodo de avalancha, y por que la tensión de ruptura del fotodiodo de avalancha se determina durante las mediciones para obtener el tiempo de referencia.

11. Sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 10, caracterizado por que durante las mediciones para obtener el tiempo de referencia el emisor (3) está apagado, y por que para determinar la tensión de ruptura se aumenta la tensión entrada del fotodiodo de avalancha hasta que su tensión de salida supera un valor umbral, generándose el valor umbral mediante la unidad de valor umbral.

12. Sensor óptico de acuerdo con la reivindicación 11 caracterizado por que se prevé un contador con el que se cuenta el número de veces que se sobrepasa el valor umbral, y por que se considera alcanzada la ruptura del fotodiodo de avalancha cuando el número de veces que se supera el valor umbral excede un valor establecido.

13. Sensor óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 10 a 12, caracterizado por que el punto de trabajo del fotodiodo de avalancha puede ajustarse automáticamente en función de la tensión de ruptura obtenida.

14. Sensor óptico acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 13, caracterizado por que el circuito (8) de evaluación presenta una unidad de cómputo en la que se convierten los tiempos de recorrido obtenidos en valores de distancia.

15. Sensor óptico de acuerdo con una de las reivindicaciones 1 a 14, caracterizado por que al menos partes del circuito (8) de evaluación están implementados en un circuito ASIC.