DE10104418C2 - Distanzsensor - Google Patents

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 U_ref1 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 U_ref2 bezeichnet. Bei dem in Fig. 2a dargestellten Beispiel ist der Maximalwert der Amplitude U_ref1 grö­ ßer als der Maximalwert U_ref2. Der Übersichtlichkeit halber ist im vorliegenden Beispiel angenommen, dass die Phasendifferenz Δϕ zwischen U_ref2 und U_ref1 Δϕ_ref = 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 U_Gref erhalten. Entsprechend wird durch die Überlagerung der Empfangslichtstrahlen 5 und der Referenzempfangslichtstrahlen 11 am Emp­ fänger 6 das in Fig. 2d dargestellte Signal U_G erhalten.

Die Signale U_G und U_Gref 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 U_G und U_Gref mit einer Schwebungsfrequenz Δf = |f₁ - f₂| variieren.

Aus dem niederfrequenten Schwebungsanteil der Signale U_G und U_Gref wird die Laufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 2 und damit die Objektdistanz ermittelt.

Hierzu werden die Signale U_G, U_Gref im jeweils zugeordneten Verstärker 19, 19' zunächst verstärkt und dann im Demodulator 20, 20' demoduliert. Dabei wird der hochfrequente Anteil der Signale U_G, U_Gref 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 E_ref des Signals U_Gref 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 U_G 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.

Bezugszeichenliste

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.