DE10104418C2 - Distanzsensor - Google Patents
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Abstract
Die Erfindung betrifft einen Distanzsensor (1) mit einem Sendelichtstrahlen (3) emittierenden Sender (4) und einem Empfangslichtstrahlen (5) empfangenden Empfänger (6). Die mit einer Frequenz f¶1¶ amplitudenmodulierten Sendelichtstrahlen (3) sind über eine Messstrecke auf ein in einer Objektdistanz angeordnetes Objekt (2) geführt und als Empfangslichtstrahlen (5) an diesem reflektiert und auf den Empfänger (6) geführt. Der Distanzsensor (1) weist einen Referenzsender (10) und einen Referenzempfänger (12) auf, wobei vom Referenzsender (10) emittierte, mit einer Frequenz f¶2¶ amplitudenmodulierte Referenzsendelichtstrahlen (9) über jeweils eine Referenzstrecke als Referenzempfangslichtstrahlen (11) zum Empfänger (6) und zum Referenzempfänger (12) geführt sind, und ein Teil der Sendelichtstrahlen (3) über eine weitere Referenzstrecke auf den Referenzempfänger (12) geführt ist. An dem Ausgang des Empfängers (6) werden Schwebungsmesssignale und am Ausgang des Referenzempfängers (12) Schwebungsreferenzsignale jeweils mit einer Schwebungsfrequenz DELTAf = DOLLAR F1 generiert. Zur Bestimmung der Objektdistanz sind Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den Schwebungsmesssignalen und den Schwebungsreferenzsignalen vorgesehen.
Description
Die Erfindung betrifft einen Distanzsensor.
Bekannte Distanzsensoren weisen einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sen
der und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Die Sen
delichtstrahlen treffen auf ein in einer bestimmten Objektdistanz angeordnetes
Objekt und werden von dort als Empfangslichtstrahlen zum Empfänger geführt.
Zur Distanzbestimmung wird die Laufzeit der Sendelichtstrahlen zum Objekt
und zurück zum Distanzsensor ausgewertet.
Die Distanzmessung erfolgt dabei nach dem Phasenmessprinzip. Hierzu sind
die Sendelichtstrahlen mit einer Frequenz f1 amplitudenmoduliert. Die Ampli
tudenmodulation der Sendelichtstrahlen erfolgt mittels eines dem Sender vor
geordneten Oszillators.
Ein weiterer Oszillator erzeugt ein Referenzsignal mit der Frequenz f2, wobei
diese Frequenz nahezu gleich groß ist wie die Frequenz f1. Die Oszillatoren
sind über eine Synchronisationsschaltung synchronisiert. Damit liefert die Pha
sendifferenz zwischen den am Ausgang des Empfängers anstehenden, mit der
Frequenz f1 modulierten Empfangssignalen und dem Referenzsignal ein Maß
für die Objektdistanz des mit den Sendelichtstrahlen vermessenen Objektes.
Zur Ermittlung der Phasendifferenz werden die Empfangssignale und die Refe
renzsignale einem Mischer zugeführt und dort überlagert. Das Ausgangssignal
des Mischers wird einem Demodulator zugeführt. Die Frequenz des Ausgangs
signals am Demodulator entspricht der Differenz Δf aus den Frequenzen f1 und
f2.
Zur Bestimmung der Phasendifferenz wird ein als Start-Stop-Zähler ausgebil
deter Zähler eingesetzt. Die Synchronisationsschaltung sendet einen Synchroni
sationsimpuls an den Zähler, sobald die an den Ausgängen der Oszillatoren
generierten Signale gleichphasig sind. Durch diesen Synchronisationsimpuls
wird der Zähler gestartet. Der Zähler wird wieder angehalten, sobald der erste
auf den Synchronisationsimpuls folgende Nulldurchgang des am Ausgang des
Demodulators anstehenden Ausgangssignals erfasst wird. Das so ermittelte
Zeitintervall liefert ein Maß für die Phasendifferenz zwischen Empfangssignal
und Referenzsignal und damit ein Maß für die Laufzeit der Sendelichtstrahlen
zum Objekt.
Nachteilig bei diesem Messverfahren ist, dass die Größe des mittels des Zählers
ermittelten Zeitintervalls nicht nur durch die Laufzeit der Sendelichtstrahlen
bestimmt ist.
Die Größe des Zeitintervalls ist zudem abhängig von elektrischen Signallauf
zeiten in unterschiedlichen elektrischen Komponenten des Distanzsensors.
Hierzu gehören insbesondere eine für den Betrieb des Senders notwendige
Senderregelung sowie der Empfänger.
Zur Elimination derartiger Messfehler werden diese elektrischen Signallauf
zeiten in Korrekturtabellen erfasst und bei der Umrechnung des ermittelten
Zeitintervalls in den entsprechenden Entfernungswert als Korrekturwert erfasst.
Jedoch sind die Signallaufzeiten aufgrund von Umgebungseinflüssen, wie zum
Beispiel der Umgebungstemperatur, nicht konstant. Weiterhin ergeben sich
aufgrund von Bauteiltoleranzen der entsprechenden elektrischen Komponenten
auch exemplarabhängige Schwankungen der Signallaufzeiten. Derartige
Schwankungen der Signallaufzeiten können mit den Korrekturwerten nicht
oder nur äußerst unvollständig erfasst werden, so dass bei der Durchführung
der Phasenmessung ein unerwünscht großer, systematischer Messfehler ver
bleibt.
Aus der nicht veröffentlichten DE 100 06 493 A1 ist ein Verfahren zur opto
elektronischen Entfernungsmessung bekannt, bei dem ein von einem Licht-
Hauptemitter abgegebener, intensitätsmodulierter Hauptlichtstrahl einerseits
auf ein entferntes Messobjekt, dessen Distanz von einem Beobachtungsort ge
messen werden soll, gerichtet ist und das dort gestreute Licht über eine Emp
fangsoptik auf einen Photo-Hauptempfänger gelangt, und andererseits ein ab
gezweigter Teil des Hauptlichtstrahls gleichzeitig über eine erste bekannte Re
ferenzdistanz auf einen Photo-Referenzempfänger geleitet wird.
Ein von einem Referenzlichtemitter abgegebener, ebenfalls intensitätsmodu
lierter Referenzlichtstrahl gelangt einerseits über ein zweite bekannte Refe
renzdistanz auf den Photo-Referenzempfänger. Andererseits gelangt ein Teil
des Referenzlichtstrahls über eine dritte Referenzdistanz auf den Hauptemp
fänger. Die vom Haupt- und vom Referenzempfänger gelieferten Signale wer
den einer vergleichenden Signalauswertung zur Gewinnung eines fehlerkom
pensierten Messsignals zugeführt. Die Lichtintensitäten des Haupt- und Refe
renzemitters werden mit unterschiedlichen Frequenzen gleichzeitig intensitäts
moduliert.
Die vom Haupt- und vom Referenzempfänger gelieferten Signalgemische, die
jeweils einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des Haupt
emitters als auch einen Signalanteil mit der Intensitätsmodulationsfrequenz des
Referenzempfängers enthalten, werden jeweils in einen Zwischenfrequenzbe
reich konvertiert, der zwei Frequenzanteile enthält, wobei der eine Frequenzanteil
mit dem Signal des Referenzemitters und der andere Frequenzanteil mit
dem Signal des Hauptemitters gebildet wird.
Zur vergleichenden Signalauswertung erfolgt die Separation der in den beiden
simultan anfallenden Zwischenfrequenzsignalen enthaltenen Phaseninformati
on aufgrund der unterschiedlichen Frequenzen im Zwischenfrequenzbereich
und der unterschiedlichen Modulationsfrequenzen für die Intensitätsmodulation
von Haupt- und Referenzlichtstrahl.
Die GB 2 066 015 A betrifft eine Distanzmessvorrichtung, welche einen ersten
und zweiten Sender sowie einen ersten und zweiten Empfänger aufweist. Die
Sender werden über einen Schalter alternierend aktiviert, wobei die von dem
ersten Sender emittierten Sendelichtstrahlen zur Durchführung der Distanzmes
sung mit einer ersten Modulationsfrequenz moduliert werden und die von dem
zweiten Sender emittierten Sendelichtstrahlen zur Durchführung einer Refe
renzmessung mit einer zweiten Frequenz moduliert werden. Die so erhaltenen
Signale werden mit in einem Oszillator erzeugten Referenzsignal gemischt.
Die US 4,531,833 betrifft eine optische Distanzmessvorrichtung mit zwei Sen
delichtstrahlen emittierenden Sendern und zwei Empfängern. Das vom ersten
Sender emittierte Sendelicht wird über ein zu vermessendes Objekt auf den
ersten Sender geführt, wodurch eine Messstrecke gebildet wird. Dasselbe vom
ersten Sender emittierte Sendelicht wird über eine erste interne Referenzstrecke
zum zweiten Empfänger geführt. Die vom zweiten Sender emittierten Sende
lichtstrahlen werden über weitere Referenzstrecken zu den beiden Empfängern
geführt.
Zur Kontrolle der beiden Sender und zur Erhöhung der Genauigkeit der Dis
tanzmessung erfolgt eine zweistufige Messung. Während der ersten Stufe
emittiert der erste Sender Sendelicht, welches mit einer Modulationsfrequenz
moduliert ist, während der zweite Sender Sendelicht emittiert, welches mit der
Modulationsfrequenz f + Δf oder f - Δf moduliert ist. Während der zweiten
Stufe bleibt der Betrieb des ersten Senders unverändert, während der zweite
Sender Sendelicht emittiert, welches mit der erheblich kleineren Zwischenfre
quenz Δf moduliert. Während jeder Stufe wird die Phasendifferenz der an den
beiden Empfängern anstehenden Empfangssignale ermittelt. Schließlich wird
die Differenz der während der beiden Stufen ermittelten Phasendifferenzen
gebildet.
Die US 5,082,364 betrifft eine Distanzmessvorrichtung, welche nach dem He
terodynprinzip arbeitet und zwei Sendelichtstrahlen emittierende Sender und
einen Mischempfänger aufweist. Die mit einer Frequenz f1 modulierten Sende
lichtstrahlen des ersten Senders bilden eine Messstrecke zur Distanzmessung,
die mit einer Frequenz f2 modulierten Sendelichtstrahlen des zweiten Senders
bilden eine Referenzstrecke. Im Mischempfänger erfolgt anhand der Auswer
tung des mit der Differenzfrequenz f1 - f2 variierenden Mischsignals die Dis
tanzmessung.
Die DE 43 28 553 A1 betrifft ein nach dem Laufzeitprinzip arbeitendes Entfer
nungsmessgerät, welches wenigstens einen Sendelichtstrahlen emittierenden
Sender sowie einen Messlichtempfänger und einen Referenzlichtempfänger
aufweist. Diese Empfänger sind in vorgegebenen Taktzyklen aktivierbar und
deaktivierbar.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Distanzsensor der eingangs
genannten Art so auszubilden, dass eine möglichst genaue Distanzbestimmung
gewährleistet ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen.
Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin
dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Der erfindungsgemäße Distanzsensor weist einen Sendelichtstrahlen emittie
renden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger
auf. Die mit einer Frequenz f1 amplitudenmodulierten Sendelichtstrahlen wer
den über eine Messstrecke auf ein in einer Objektdistanz angeordnetes Objekt
geführt und als Empfangslichtstrahlen an diesem reflektiert und auf den Emp
fänger geführt. Der Distanzsensor weist zudem einen Referenzsender und einen
Referenzempfänger auf, wobei vom Referenzsender emittierte, mit einer Fre
quenz f2 amplitudenmodulierte Referenzsendelichtstrahlen über jeweils eine
Referenzstrecke als Referenzempfangslichtstrahlen zum Empfänger und zum
Referenzempfänger geführt sind. Ein Teil der Sendelichtstrahlen sind über eine
weitere Referenzstrecke auf den Referenzempfänger geführt. Am Ausgang des
Empfängers werden Schwebungsmesssignale und am Ausgang des Referenz
empfängers werden Schwebungsreferenzsignale jeweils mit einer Schwebungs
frequenz Δf = |f1 - f2| generiert. Zur Bestimmung der Objektdistanz sind Mittel
zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den Schwebungsmesssignalen
und den Schwebungsreferenzsignalen vorgesehen. Diese Mittel weisen zwei
Schmitt-Trigger und einen Zähler auf, wobei jeweils einem Schmitt-Trigger
das Schwebungsmesssignal und das Schwebungsreferenzsignal zugeführt ist,
wobei die Ausgänge der Schmitt-Trigger auf den Zähler geführt sind. Mittels
der Schmitt-Trigger werden die Nulldurchgänge des Schwebungsmesssignals
und des Schwebungsreferenzsignals bestimmt.
Da die Sendelichtstrahlen des Senders und die Referenzlichtstrahlen in sym
metrischer Weise sowohl auf den Empfänger und auf den Referenzempfänger
geführt werden, werden bei der Auswertung der am Ausgang des Empfängers
und des Referenzempfängers anstehenden Schwebungsmesssignale und
Schwebungsreferenzsignale bauteilbedingte Laufzeitdifferenzen in den elektri
schen Komponenten des Senders und des Referenzsenders sowie deren An
schaltungen vollständig eliminiert und führen somit nicht zu systematischen
Messfehlern.
Dies führt zu einer hohen Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Distanzsen
sors.
Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass eine Synchronisation für die Modulation
des Senders und des Referenzsenders nicht notwendig ist. Zur Modulation des
Senders und des Referenzsenders wird vorzugsweise ein separater Oszillator
verwendet. Da eine Synchronisation der Oszillatoren nicht notwendig ist, kann
eine entsprechende Anschaltung hierfür entfallen.
Durch die optische Überlagerung der Empfangslichtstrahlen und der Referenz
empfangslichtstrahlen im Empfänger und im Referenzempfänger werden an
deren Ausgängen Signale generiert, welche entsprechend den Modulationen der
Empfangslichtstrahlen und der Referenzempfangslichtstrahlen mit einer Trä
gerfrequenz f = ½(f1 + f2) variieren. Zudem variieren die Signalamplituden
mit der Schwebungsfrequenz Δf = |f1 - f2|.
Dabei ist in den mit der Schwebungsfrequenz Δf variierenden Evolventen der
Signalamplituden die laufzeitbedingte Phasendifferenz der Sendelichtstrahlen
enthalten. Zur Distanzbestimmung wird daher nur der mit der Schwebungsfre
quenz variierende niederfrequente Anteil der Signale herangezogen.
Ein wesentlicher Vorteil hierbei besteht darin, dass bauteilbedingte Laufzeit
schwankungen im Empfänger und im Referenzempfänger um den Faktor Δf/f
geringer auf den niederfrequenten Signalanteil als auf den hochfrequenten, mit
der Trägerfrequenz variierenden Signalanteil übertragen werden. Dabei liegt
die Trägerfrequenz f typischerweise im MHz-Bereich, während die Schwe
bungsfrequenz im kHz-Bereich liegt.
Durch die Auswertung der mit der Schwebungsfrequenz variierenden nie
derfrequenten Schwebungsmesssignale und Schwebungsreferenzsignale erfolgt
eine Transformation der Phasenmessung in den Niederfrequenzbereich. Somit
wird der Einfluss von Bauteilschwankungen von empfangsseitigen elektrischen
Komponenten um den Faktor Δf/f vermindert und die Messgenauigkeit des
Distanzsensors entsprechend erhöht.
Dieser Vorteil wird noch dadurch verstärkt, dass aufgrund der geringen Über
tragung der Laufzeitschwankungen der Signale auf das Messergebnis eine
schmalbandige Verstärkung der in dem Empfänger und im Referenzempfänger
generierten Signale möglich wird, wodurch ein hohes Signal-Rausch-
Verhältnis erhalten wird.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es
zeigen:
Fig. 1 Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen
Distanzsensors.
Fig. 2a Zeitdiagramm der auf den Referenzempfänger des Distanzsensors
auftreffenden Empfangslichtstrahlen und Referenzempfangslicht
strahlen.
Fig. 2b Zeitdiagramm der auf den Empfänger des Distanzsensors auftref
fenden Empfangslichtstrahlen und Referenzempfangslichtstrahlen.
Fig. 2c Zeitdiagramm der Signale am Ausgang des Referenzempfängers.
Fig. 2d Zeitdiagramm der Signale am Ausgang des Empfängers.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Distanzsensors
1. Der Distanzsensor 1 ist in einem nicht dargestellten Gehäuse integriert. Zur
Bestimmung der Objektdistanz eines in Abstand zum Distanzsensor 1 angeord
neten Objektes 2 ist ein Sendelichtstrahlen 3 emittierender Sender 4 und ein
Empfangslichtstrahlen 5 empfangender Empfänger 6 vorgesehen.
Die vom Sender 4 emittierten Sendelichtstrahlen 3 sind durch eine Sendeoptik
7 geführt und treffen auf das Objekt 2. Vom Objekt 2 werden die Sendelicht
strahlen 3 als Empfangslichtstrahlen 5 zurück reflektiert und über eine Emp
fangsoptik 8 zurück zum Empfänger 6 geführt. Die Sendeoptik 7 und die Emp
fangsoptik 8 sind in der Wand des Gehäuses integriert und bestehen jeweils aus
einer Linse.
Neben dem Sender 4 und dem Empfänger 6 weist der Distanzsensor 1 einen
Referenzsendelichtstrahlen 9 emittierenden Referenzsender 10 und einen Refe
renzempfangslichtstrahlen 11 empfangenden Referenzempfänger 12 auf.
Der Sender 4 und der Referenzsender 10 bestehen jeweils aus einer Laserdiode,
wobei diese vorzugsweise identisch ausgebildet sind.
Der Empfänger 6 und der Referenzempfänger 12 bestehen jeweils aus einer
Fotodiode, wobei die Fotodioden ebenfalls identisch ausgebildet sind.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind den beiden Sendern 4 stationäre Strahlum
lenkmittel nachgeordnet. Die Strahlumlenkmittel umfassen zwei Strahlteiler
spiegel 13, 14 und zwei Umlenkspiegel 15, 16.
Ein erster Strahlteilerspiegel 13 ist dem Sender 4 nachgeordnet. Der den
Strahlteilerspiegel 13 durchsetzende Teil der Sendelichtstrahlen 3 ist zum Ob
jekt 2 geführt, wobei der von den Sendelichtstrahlen 3 hierbei zurückgelegte
Weg eine Messstrecke bildet. Die vom Objekt 2 zurück reflektierten Emp
fangslichtstrahlen 5 werden über die Empfangsoptik 8 und einen ersten Um
lenkspiegel 15 zurück zum Empfänger 6 geführt. Der am Strahlteilerspiegel 13
reflektierte Teil der Sendelichtstrahlen 3 ist entlang einer ersten Referenzstre
cke auf den Referenzempfänger 12 geführt.
Dem Referenzsender 10 ist ein zweiter Strahlteilerspiegel 14 nachgeordnet. Der
an diesem Strahlteilerspiegel 14 reflektierte Anteil der Sendelichtstrahlen 3 ist
entlang einer zweiten Referenzstrecke auf den Referenzempfänger 12 geführt.
Der den Strahlteilerspiegel 14 durchsetzende Teil der Sendelichtstrahlen 3 ist
über einen zweiten Umlenkspiegel 16 entlang einer dritten Referenzstrecke
zum Empfänger 6 geführt.
Die Distanzbestimmung des Objekts 2 erfolgt nach dem Phasenmessprinzip.
Zur Durchführung der Phasenmessung sind die vom Sender 4 emittierten Sen
delichtstrahlen 3 mit einer Frequenz f1 amplitudenmoduliert. Die Modulation
der Sendelichtstrahlen 3 erfolgt mittels eines an den Sender 4 angeschlossenen
ersten Oszillators 17.
Die vom Referenzsender 10 emittierten Referenzsendelichtstrahlen 9 sind mit
einer Frequenz f2 amplitudenmoduliert. Die Modulation erfolgt mittels eines
dem Referenzsender 10 vorgeordneten zweiten Oszillators 18. Der Oszillator
18 wird asynchron zum ersten Oszillator 17 betrieben.
Die Frequenzen f1 und f2 liegen im Megahertzbereich und sind nahezu gleich
groß, wobei die Frequenzen so gewählt sind, dass die Frequenzdifferenz
Δf = |f1 - f2| vorzugsweise im kHz-Bereich liegt.
Zur Durchführung der Distanzmessung wird die Laufzeit der Sendelichtstrah
len 3 über die Messstrecke erfasst. Dabei wird im Wesentlichen die Phase der
als Empfangslichtstrahlen 5 auf den Empfänger 6 auftreffenden Sendelicht
strahlen 3 mit einer definierten Referenz verglichen.
Zur Ausbildung einer Referenz dienen die über die drei Referenzstrecken ge
führten Sendelichtstrahlen 3 bzw. Referenzsendelichtstrahlen 9, welche als
Empfangslichtstrahlen 5 bzw. Referenzempfangslichtstrahlen 11 auf den Emp
fänger 6 bzw. Referenzempfänger 12 auftreffen. Entscheidend hierfür ist, dass
die Längen der Referenzstrecken fest vorgegebene, zeitlich unveränderliche
Verhältnisse aufweisen. Dabei verlaufen die Referenzstrecken vollständig im
Inneren des Gehäuses.
Auf dem Empfänger 6 und dem Referenzempfänger 12 erfolgt jeweils eine
optische Überlagerung der auftreffenden Empfangslichtstrahlen 5 und Refe
renzempfangslichtstrahlen 11.
Die am Ausgang des Empfängers 6 und des Referenzempfängers 12 anstehen
den Signale werden jeweils einem Verstärker 19, 19' zugeführt. An den Aus
gang des Verstärkers 19, 19' ist ein Demodulator 20, 20' angeschlossen, wel
chem ein Filter 21, 21' nachgeordnet ist. An den Ausgang des Filters 21, 21' ist
ein Schmitt-Trigger 22, 22' angeschlossen.
Diese dem Empfänger 6 und dem Referenzempfänger 12 nachgeordneten
Komponenten bilden zwei Auswertekanäle, die vorzugsweise identisch ausge
bildet sind.
Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 22, 22' sind an einen als Start-Stop-Zähler
ausgebildeten Zähler 23 angeschlossen, dessen Ausgang an eine Auswerteein
heit 24 angeschlossen ist. Die Auswerteeinheit 24 besteht aus einem Mikro
controller oder dergleichen.
Der Zähler 23 ist zudem über eine Zuleitung mit dem dem Referenzsender 10
zugeordneten Oszillator 18 verbunden. Dieser Oszillator 18 dient zur Taktung
des Zählers 23.
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Distanzsensors 1 wird im folgen
den anhand der Zeitdiagramme gemäß Fig. 2 erläutert.
Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf der auf den Referenzempfänger 12 auf
treffenden amplitudenmodulierten Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzemp
fangslichtstrahlen 11. Dabei ist mit Uref1 die mit der Frequenz f1 modulierte
Amplitude der über eine der Referenzstrecken zum Referenzempfänger 12 ge
führten Empfangslichtstrahlen 5 bezeichnet. Die mit der Frequenz f2 modulierte
Amplitude der über eine weitere Referenzstrecke zum Referenzempfänger 12
geführten Referenzempfangslichtstrahlen 11 ist mit Uref2 bezeichnet. Bei dem
in Fig. 2a dargestellten Beispiel ist der Maximalwert der Amplitude Uref1 grö
ßer als der Maximalwert Uref2. Der Übersichtlichkeit halber ist im vorliegenden
Beispiel angenommen, dass die Phasendifferenz Δϕ zwischen Uref2 und Uref1
Δϕref = 0 ist.
Fig. 2b zeigt den zeitlichen Verlauf der auf den Empfänger 6 auftreffenden
amplitudenmodulierten Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzempfangslicht
strahlen 11. Dabei ist mit U1 die mit der Frequenz f1 modulierte Amplitude der
über die Messstrecke zum Objekt 2 geführten Empfangslichtstrahlen 5 be
zeichnet.
Die mit der Frequenz f2 modulierte Amplitude der über eine Referenzstrecke
zum Empfänger 6 geführten Referenzempfangslichtstrahlen 11 ist mit U2 be
zeichnet. Die maximale Amplitude von U1 ist entsprechend den Amplituden
verhältnissen gemäß Fig. 2a wiederum größer als die maximale Amplitude
von U2. Durch die Laufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 2 ist die
Amplitude U1 bezüglich U2 um Δϕ phasenverzögert, wobei im vorliegenden
Beispiel die Phasenverschiebung Δϕ = 180° beträgt.
Durch die Überlagerung der Empfangslichtstrahlen 5 und der Referenzemp
fangslichtstrahlen 11 am Referenzempfänger 12 wird das in Fig. 2c darge
stellte Signal UGref erhalten. Entsprechend wird durch die Überlagerung der
Empfangslichtstrahlen 5 und der Referenzempfangslichtstrahlen 11 am Emp
fänger 6 das in Fig. 2d dargestellte Signal UG erhalten.
Die Signale UG und UGref oszillieren jeweils mit einer hochfrequenten Träger
frequenz f, welche durch die Beziehung f = ½(f1 + f2) gegeben ist. Zudem ent
steht durch die am Empfänger 6 und Referenzempfänger 12 jeweils überlager
ten Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzempfangslichtstrahlen 11 eine
Schwebung, so dass die Amplitudenmaxima von UG und UGref mit einer
Schwebungsfrequenz Δf = |f1 - f2| variieren.
Aus dem niederfrequenten Schwebungsanteil der Signale UG und UGref wird die
Laufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 2 und damit die Objektdistanz
ermittelt.
Hierzu werden die Signale UG, UGref im jeweils zugeordneten Verstärker 19,
19' zunächst verstärkt und dann im Demodulator 20, 20' demoduliert. Dabei
wird der hochfrequente Anteil der Signale UG, UGref eliminiert, so dass am
Ausgang des Demodulators 20, 20' niederfrequente Schwebungssignale erhal
ten werden.
Am Ausgang des dem Referenzempfänger 12 zugeordneten Demodulators 20'
wird ein Schwebungsreferenzsignal erhalten, dessen zeitlicher Verlauf dem in
Fig. 2c dargestellten Verlauf der Einhüllenden Eref des Signals UGref ent
spricht.
Entsprechend wird an dem dem Empfänger 6 zugeordneten Demodulator 20
ein Schwebungsmesssignal erhalten, dessen zeitlicher Verlauf dem in Fig. 2d
dargestellten Verlauf der Einhüllenden E des Signals UG entspricht.
Da das Schwebungsmesssignal und das Schwebungsreferenzsignal in symmet
rischer Weise durch eine Schwebung der auf den Empfänger 6 und den Refe
renzempfänger 12 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzemp
fangslichtstrahlen 11 entstanden sind, entspricht die Phasenverschiebung zwi
schen dem Schwebungsmesssignal und dem Schwebungsreferenzsignal der
Phasenverschiebung der Signale U1 und U2 und damit der Laufzeitverzögerung,
welche durch die Laufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 2 und zurück
zum Distanzsensor 1 bedingt ist.
Als Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz dienen die Schmitt-Trigger 22,
22' und der Zähler 23. Mittels des dem Referenzempfänger 12 nachgeordneten
Schmitt-Triggers 22' werden die Nulldurchgänge des Schwebungsreferenzsig
nals erfasst. Entsprechend werden mittels des dem Empfänger 6 nachgeordne
ten Schmitt-Triggers 22 die Nulldurchgänge des Schwebungsmesssignals er
fasst.
Diese Messgrößen bilden die Eingangsgrößen für den Zähler 23. Mit dem
Zähler 23 wird dann jeweils die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt eines
Nulldurchgangs des Schwebungsreferenzsignals, der in Fig. 2c mit t0 be
zeichnet ist, und dem Zeitpunkt des darauffolgenden Nulldurchgangs des
Schwebungsmesssignals, der in Fig. 2d mit t1 bezeichnet ist, bestimmt. Diese
Zeitdifferenz liefert ein direktes Maß für die Phasendifferenz zwischen dem
Schwebungsmesssignal und dem Schwebungsreferenzsignal. In der Auswerte
einheit 24 wird aus der Phasendifferenz die Objektdistanz der Objektes 2 be
rechnet.
1
Distanzsensor
2
Objekt
3
Sendelichtstrahlen
4
Sender
5
Empfangslichtstrahlen
6
Empfänger
7
Sendeoptik
8
Empfangsoptik
9
Referenzsendelichtstrahlen
10
Referenzsender
11
Referenzempfangslichtstrahlen
12
Referenzempfänger
13
Strahlteilerspiegel
14
Strahlteilerspiegel
15
Umlenkspiegel
16
Umlenkspiegel
17
Oszillator
18
Oszillator
19
Verstärker
19
' Verstärker
20
Demodulator
20
' Demodulator
21
Filter
21
' Filter
22
Schmitt-Trigger
22
' Schmitt-Trigger
23
Zähler
24
Auswerteeinheit
Claims (14)
1. Distanzsensor mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender und
einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger, wobei die mit
einer Frequenz f1 amplitudenmodulierten Sendelichtstrahlen über eine
Messstrecke auf ein in einer Objektdistanz angeordnetes Objekt geführt
und als Empfangslichtstrahlen an diesem reflektiert und auf den Empfän
ger geführt sind, und wobei aus der Laufzeit der Sendelichtstrahlen und
der Empfangslichtstrahlen die Objektdistanz ermittelt wird, und mit ei
nem Referenzsender (10) und einem Referenzempfänger (12), wobei vom
Referenzsender (10) emittierte, mit einer Frequenz f2 amplitudenmodu
lierte Referenzsendelichtstrahlen (9) über jeweils eine Referenzstrecke
als Referenzempfangslichtstrahlen (11) zum Empfänger (6) und zum Re
ferenzempfänger (12) geführt sind, und ein Teil der Sendelichtstrahlen
(3) über eine weitere Referenzstrecke auf den Referenzempfänger (12)
geführt ist, so dass an dem Ausgang des Empfängers (6) Schwebungs
messsignale und am Ausgang des Referenzempfängers (12) Schwebungs
referenzsignale jeweils mit einer Schwebungsfrequenz Δf = |f1 - f2| gene
riert werden, wobei zur Bestimmung der Objektdistanz Mittel zur Be
stimmung der Phasendifferenz zwischen den Schwebungsmesssignalen
und den Schwebungsreferenzsignalen vorgesehen sind, welche zwei
Schmitt-Trigger (22, 22') und einen Zähler (23) aufweisen, wobei jeweils
einem Schmitt-Trigger (22, 22') das Schwebungsmesssignal und das
Schwebungsreferenzsignal zugeführt ist, und wobei die Ausgänge der
Schmitt-Trigger (22, 22') auf den Zähler (23) geführt sind, wobei mittels
der Schmitt-Trigger (22, 22') die Nulldurchgänge des Schwebungsmess
signals und des Schwebungsreferenzsignals bestimmt werden.
2. Distanzsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Gene
rierung der Schwebungsmesssignale und der Schwebungsreferenzsignale
dem Empfänger (6) und dem Referenzempfänger (12) jeweils ein Demo
dulator (20, 20') nachgeordnet ist.
3. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeich
net, dass mittels des Zählers (23) jeweils die Zeitdifferenz zwischen ei
nem Nulldurchgang des Schwebungsreferenzsignals und dem darauffol
genden Nulldurchgang des Schwebungsmesssignals ermittelt wird.
4. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-3, dadurch gekennzeichnet,
dass dieser in einem Gehäuse integriert ist, in welchem die Referenzstre
cken vollständig verlaufen.
5. Distanzsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass entlang
der Referenzstrecken stationäre Strahlumlenkmittel zur Umlenkung der
Sendelichtstrahlen (3) und der Referenzsendelichtstrahlen (9) vorgesehen
sind.
6. Distanzsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass die
Strahlumlenkmittel von Umlenkspiegeln (15, 16), Prismen und/oder
Strahlteilerspiegeln (13, 14) gebildet sind.
7. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-6, dadurch gekennzeichnet,
dass die Frequenzen f1 und f2 im MHz-Bereich liegen, und dass die
Schwebungsfrequenz Δf im kHz-Bereich liegt.
8. Distanzsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass zur Er
zeugung der Modulation der Sendelichtstrahlen (3) und der Referenzsen
delichtstrahlen (9) jeweils ein Oszillator (17, 18) vorgesehen ist.
9. Distanzsensor nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Os
zillatoren (17, 18) asynchron betrieben werden.
10. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-9, dadurch gekennzeichnet,
dass der Sender (4) und der Referenzsender (10) aus identisch ausgebil
deten Laserdioden bestehen.
11. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-10, dadurch gekennzeich
net, dass der Empfänger (6) und der Referenzempfänger (12) aus iden
tisch ausgebildeten Fotodioden bestehen.
12. Distanzsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, dass dem
Empfänger (6) und dem Referenzempfänger (12) jeweils ein Verstärker
(19, 19') nachgeordnet ist, wobei die Verstärker (19, 19') identisch aus
gebildet sind.
13. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 2-12, dadurch gekennzeich
net, dass die Demodulatoren (20, 20') und Schmitt-Trigger (22, 22'),
welche dem Empfänger (6) und dem Referenzempfänger (12) nachgeord
net sind, identisch ausgebildet sind.
14. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeich
net, dass der Zähler (23) an eine Auswerteeinheit (24) angeschlossen ist,
in welcher aus den Ausgangssignalen des Zählers (23) die Objektdistanz
ermittelt wird.
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- 2001-02-01 DE DE2001104418 patent/DE10104418C2/de not_active Expired - Fee Related
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