DD266857A1 - Schaltungsanordnung zum auswerten von echosignalen eines ultraschall-entfernungsmessers - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Entfernungsmessung nach dem Laufzeitverfahren. Der Entfernungsmesser arbeitet im Impulsbetrieb und mit einer in Abhaengigkeit von der Impulsamplitude mitgefuehrten Komparatorschwelle. Beteiligt ist eine Erfassungseinrichtung fuer den Nulldurchgang einer vorbestimmten Halbwelle in einem Echosignal-Impulspaket. Es wird ein Huellkurvensignal zum Echosignal eingesetzt. Die Anordnung stellt anhand der Dauer eines Auswerteimpulses fest, ob die vorbestimmte Halbwelle oder infolge von Stoereinfluessen fehlerhaft eine vorhergehende beziehungsweise nachfolgende Halbwelle erfasst wurde. Die eine Flanke des Auswerteimpulses wird vom Nulldurchgang und die andere Flanke von einer Generiereinrichtung bestimmt, die von der Komparatorschwelle und vom Huellkurvensignal beaufschlagt ist. Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Ultraschall-Entfernungsmessungen mit unter Praxisbedingungen geforderten hohen Genauigkeiten im Entfernungsbereich zwischen etwa 5 cm und 5 m. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten Zeichnungen

Anwendungsgebiet der Erfindung

Die Erfindung bezieht sich auf die Entfernungsmessung mittels Ultraschall nach dem Laufzeitverfahren. Ihre Anwendung ist dort möglich und zweckmäßig, wo unter Pr' .sbedlngungen eine hohe Meßgonaulqkejt gofordert wird und die in Luft übertragonon Schallwellen einen Entfernungsbereich von etwa 5...500cm erfassen.

Charakteristik des bekannten Standes der Technik

Bei Ultraschall-Entfernungsmessern, die im Impulobetrieb arbeiten, weist das von einem Plezoschwinger ausgegebene Sendesignal die Form eines Impulspaketes auf. Dieses Impulspaket besteht aus mohreren einzelnen Schwingungen mit zunächst ansteigender und danach wieder abfallender Amplitude. Der ebenfalls als Piezoschwinger ausgebildete Empfänger erzeugt ein elektrisches Echosignal in Form wiederum eines solchen Impulspakets. Soll bei der Messung der Laufzeit des Ulticschalls zwischen Sender und Empfänger eine gewünschte Genauigkeit eingehalten werden, muß gosichort sein, daß zur Auswertung stets die gleiche Empfangsschwingung innerhalb dos Impulspakets sowie ein gleicher Punkt dieser Empfangsschwingung herangezogen wird.

Aus DE-PS 3149256 ist bereits eine Auswerteschaltung bekannt, die diese Funktion ausübt. Sie arbeitet mit einer von dor Amplitude des Empfangssignals mitgeführten Komparatorschwelle, die aus der Überlagerung dor Ausgangssignale zweier Spitzenwertdetektoren zusammengesetzt ist. Die Laufzeit wird anhand der Länge eines Impulses gemessen. Den Anfangszeitpunkt für diese Messung setzt der Ansteuerimpuls für den Ultraschallsender.

Das Ende der Laufzeitmessung legt der erste von gegebenenfalls mehroren Impulsen fest, die von einem Komparator erzeugt werdon, sobald eine Empfrngsschwingung des Echosignal-Impulspakets die mitgeführte Komparatorschwelle überschreitet. Der Linearitätsfehler läßt sich bei einem angenommenem Meßbereich von 2 bis 20cm verringern, wenn als Referenzpunkt für das Ende der Laufzeitmessung der jeweilige Nulldurchgang der Empfangsschwingung verwendet wird. Diese bekannte Lösung schließt ein, den Einfluß von Störungen abzuwenden, damit die erreichte Meßgenauigkeit auch tatsächlich gesichert bleibt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, die Komparatorschwelle abzusenken. Damit lassen sich zwar störungsbedingte Amplitudenverringerungen der maßgeblichen Emp'angsschwlngungon besser bohorrschon, jedoch treten eine Rollte neuer Probleme auf, beispielsweise wenn auch mit störungsbedingten Amplitudenerhöhungen gerechnet werden muß.

Diese Maßnahme berücksichtigt nachteiligerweise wesentliche Störeinflüsse nicht, wie sie unter praktischen Bedingungen beispielsweise eines Werkstattbetriebes auftreten. Es handelt sich dabei um zwei Arten von Störungen, die das Echosignal-Impulspaket in unterschiedlicherweise verfälschen.

Zum einen können Amplitudenschwankungen auftreten, die sich über das gesamte Echosignal-Impulspaket erstrocken, dessen Form aber dabei unverändert lassen. Ursache für diese Art Störungen sind Luftturbulenzen, die beispielsweise durch zuschlagende Türen oder durch Druckluft hervorgerufen werden. Ihr Einfluß steigt mit der zu messenden Entfornung und wird von leistungsschwachen Schallsignalen begünstigt. Die unerwünschte Auswirkung besteht darin, daß das Echosignal-Impulspaket insgesamt so weit abgedankt werden kann, daß der unter ungestörten Bedingungen entstehende Schnittpunkt mit der mitgeführten Komparatorschwello entweder überhaupt nicht odor abweichend von der ungestörten Auswertung an einer falschen Halbwelle zuiitande kommt.

Zum anderen können Schwankungen einer einzelnen Amplitude odor weniger Amplituden innerhalb dos Echosignal-Impulspakets auftreten. Für diese Art Störungen liegt die Ursache im akustischen und/oder elektrischen Rauschen. Ersteres wird beispielsweise durch Preßluft oder Klirrgeräusche von Metallteilen ausgelöst, letzteres durch die Empfängerschaltung des Entfernungsmessers selbst. Auch hier wird die Auswortung dann nicht mehr anhand derjenigen Halbwolle vorgenommen, die unter ungestörten Bedingungen ermittelt wurde, sondern fehlerhaft an einer vorhergehenden oder nachfolgenden Halbwolle.

Als Ziel der Erfindung soll eh ig verbesserte Störsicherheit erreicht werian. Darlegung des Wesens der Erfindung

Dor Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Auswerten von Echosignalen eines Ultraschall-Entfernungsmessers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs so auszubilden, daß ein momentaner Zustand, dor eine ungestörte und anhand der vorbestimmten Halbwelle durchführbare Auswertung erlaubt, von einem momentanen Zustand unterschieden werden kann, der durch Störimpulsa verursacht eine nur a'ußerhalb der vorbestimmten Halbwolle mögliche und deshalb korrekturbedürftige Auswertung gestattet

Erfindungsgemäß wird die Aufgnbe dadurch gelöst, daß die Erfassung der vorbestimmten Halbwelle oder aber einer vorhergehenden bezlehungswelne nachfolgenden Halbwelle in der Dauer eines Auswerteimpulses abgebildet, die eine Flanke des Auswerteimpulses von der Erfaseungseinrichtung festgelegt, für die ändere Flanke des Auswerteimpulses eine von der mltgefilhrten Komparatorschwelle und vom Hüllkurvensignal beaufschlagte Genoriereinrichtu.ng vorgesehen, ein vorzugsweise als NOH-Glied ausgebildetes Gatter elngangssoitlg gotrennt dor Erfassungseinrichtung und übor ein erstes Zeitverzögerungsglied der Generiereinrichtung nachgeschaltat und der Auswerteimpuls am Gattei ausgang abgreifbar ist.

In einer vorteilhaften einfachen Ausgestaltung lot die Generiereinrichtung aus der Reihenschaltung eines Kompensator und eines Flipflops gebildet.

Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, eine Laufzeitmessung mit einem durch Störoinflüsso verursachten Fehler in der Größenordnung des Einfachen oder eines Vielfacher, einer Periodendauer τ einer Empfangsschwingung innerhalb dos Echosignal-Impulspakets festzustellen. In einem solchen Fall läßt sich die zu messende fehlorbohaftete Laufzeit durch Hinzufügen von ±n τ so korrigieren, daß die Auswertung als störfest angesohon werden kann und die vom Ende dos erforderlichenfalls korrigierten Auswerteimpulses zu startende bekannte Bestimmung der Entfernung zwischen Sonder und Empfänger eine hohe Genauigkeit aufweist Der ganzzahlige Faktor η beträgt in der Mehrzahl der Fällo Eins.

Ausfuhrungihelsplel Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbolsplels näher boschrieben. Es zeigen Flg. 1: ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Lösung, Flg. 2: ein Blockschaltbild der in Verbindung mit der Lösung eingenetzton Erfassungsoinrichtung, Fig. 3: ein Blockschaltbild der Generiereinrichtung in der erfindungsgemäßon Lösung, Fig. 4: ein Signalverlauf- und Impulsdiagramm für ausgewählte Stellen der Schaltungsanordnung

Gemäß Figur 1 ist eine Erfassungseinrichtung 1 eines Ultraschall-Entfernungsmessers von Echosignal-Impulspakoten ES sowie von einer mitgeführten Kompeiatorschwelle KS beaufschlagt.

Die Stelle C kennzeichnet den Ausgang der Erfassungseinrichtung 1. Die mitgeführte Komparatorschwello KS sowie ein Hüllkurvensignal EH für das Echosignal-Impulspaket ES werden einer Generioroinrlchtung 2 zugeführt, deren Ausgang als Stolle E bezeichnet ist. An die Gonerierelnrichtung 2 schließt sich ein erstss Zeitvorzögorungsglied 3 an. Ein Gatter ist vorzugsweise in Form eines NOR-Gllods 4 ausgeführt. Es ist übor seinen ersten Eingang der Erfassungseinrichtung 1 nachgeschaltet und über seinen zweiten Eingang dom ersten Zoitvorzögorungsglied 3. Dor Ausgang dos orsten Zeltverzögerungsgliede 3 ist als Stelle F und den Ausgang des NOR-Glieds 4 ais Stollo G bozoichnot. Gemäß Figur 2 gelangt das Echosignal-Impulspaket ES innerhalb dor Erfassungseinrichtung 1 auf den erstun Eingang einos Meßkomparators 5, dom in Reihe ein orstes Tor β und ein erstes Flipflop 7 nachgeschaltet sind. Der Ausgang des leßkomparators δ ist mit A bezeichnet und der Ausgang dos ersten Tors 6 mit B. Den Ausgang des ersten Flipflops 7 bildet die schon genannte Stelle C. Der zweite Eingang dos Meßkomparators 5 ist über oln zweitos Tor 8 mit dor Komparatorschwelle KS oder alternativ hierzu über ein drittes Tor 9 mit Nullpotontial beaufschlagt. Ein zweites Flipflop 10 ist am Meßkomparator 5 angeschlossen. Sein nichtinvertierter Ausgang ist auf den Steuereingang dos zweiten Tors 8 geführt und außerdem über ein zweites Zeitverzögerungsglied 11 mit dem Steuoreingang des e.ston Tora β verbunden. An< invertierten Ausgang dos zweiten Flipflops 10 ist der Steuereingang des dritten Tors 9 angeschlossen.

Die in Figur 3 näher ausgeführte Generioreinrichtung 2 setzt sich aus dor Reihenschaltung eines Komparators 12 und eines dritten Flipflops 13 zusammen. Der Ausgang des Komparators 12 ist als Stollo D bezoichnot. Den Ausgang dos dritten Flipflops 13 bildet die schon genannte Stelle E.

Ist τ die Periodendauer einer Empfangsschwingung innerhalb des Echoslgnal-Impulspakeis, dann ist das erste Zeitverzögerungsglied 3 für eine Verzögerungszoit von ι < τ/4 eingestellt und das zweite Zoitveizögerungsglied 11 für eine Verzögerungszeit von t« 2t.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung setzt voraus, daß die mitgeführte Komparatorschwelle KS schon vorliegt. Sie wird während jeweils nines ersten Schritts in einem nicht dargestellten Schaltungstoil gebildet. An ihn schließt sich in einom jeweils zweiten Schritt die Auswertung des Nulldurchgangs in der Erfassungseinrichtung 1, der Hüllkurve in der Generiereinrichtung 2 sowei die auf beiden basierende Laufzeitmessung erst an, Der zweite Schritt schließt oin ' Freigabesignal FR für die Γ lipflops 7,10 und 13 ein.

Wie aus Figur 4 hervorgeht, ist die Wirkungswelse der Schaltungsanordnung anhand von drei unterschiedlichen Fällen erläutert. Aus einer ersten Spa !to sind die Signalvorläufe für ein Echosignal-Impulsaspekt ES und für ein Hüllkurvensiynal EH jeweils einschließlich der Komparatorschwolle KS sowie die Impulsdiagramme für die ausgewählten Stelion AbIsGIm ungestörten Fall ersichtlich. Die Dauer des Auswerteimpulses dient als Bezugswert in einer nicht dargestelltun Auswerteoinheit, die dom NOR-Glied 4 nachgeschaltot ist.

In einer zweiten Spalte zeigt Figur 4 den gostötten Fall dahingehend, daß die Komparotorschwelle KS bereits bei einer zu frühen Empfangsschwingung im Impulspaket überschritten wird. Dieser Periodensprung äußert sich in einer vergrößerten Dauer dos Auswerteimpulses an der Stelle Q.

Die dritte Spalte in Figur 4 zeigt die entsprechenden Verhältnisse, wenn die Komparatorschwelle KS bei einer zu späten Empfangsschwingung im Impulspaket überschritten wird. Hier vorkürzt sich die Dauer des Ausv/ertolmpulsos an der Stelle G. In beiden gestörten Fällen läßt sich die Laufzeit durch Addition oder Subtraktion der Periodendtuer τ in der erforderlichen einfachen oder mehrfachen Anzahl so korrigieren, als sei die Komparatorschwelle KS wie im ungestörten Fall hol der vorbestimmten positiven oder negativen Halbwolle im Impulspaket überschritten worden.

Zu den Voraussetzungen fur die erreichte Wirkung gehört, daß die Bildung dor Hüllkurve eine gewisse Zoit beansprucht und die Komparatorschwelle KS im Hüllkurvensignal und im Echoslgnal-Impulspakot zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht wird. Die in der Erfassungseinrichtung 1 an der Stelle C erzeugte Flanke bestimmt den Beginn des Ausworteimpulses an dor Stelle G und die in der Generiereinrichtung 2 an der Stelle F erzeugte Flanke das Ende dos Auswerteimpulsos.

Claims (2)

1. Schaltungsanordnung zum Auswerten von Echosignalen eines Ultraschall-Entfernungsmessers, dar im Impulsbetrieb und mit einer in Abhängigkeit von der Impulsamplitude mitgoführten Komparatorschwello arbeitet, mit einer Erfassungseinrichtung für den Nulldurchgang einer vorbestimmten positiven oder negativen Halbwelle innerhalb einns Echosignal-Impulspakets, unter Verwendung eines Hüllkurvensignals zum Echosignal, dadurch gekennzeichnet, daß die Erfassung der vorbestimmten Halbwelle oder aber einer vorhergehenden beziehungsweise nachfolgenden Halbwelle in der Dauer eines Auswerteimpulses abgebildet, die oine Flanke des Auswerteimpulses von der Erfassungseinrichtung (1) festgelegt, für die andere Flanke des Auswerteimpulses eine von der mitgeführten Komparatorschwelle und vom Hüllkurvensignal beaufschlagte Generiereinrichtung (2) vorgesehen, ein vorzugsweise als NOR-Glied (4) ausgebildetes Gatter eingangsseitig getrennt der Erfassungseinrichtung (1) und über ein erstes Zeitverzögerungsglied (3) de»' Generiereinrichtung (2) nachgeschaltet und der Auswerteimpuls am Gatterausgang abgreifbar ist.

2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Generiereinrichtung (2) aus der Reihenschaltung eines Komparators (12) und eines Flipflops (13) gebildet ist.