CN101484826B - 使用渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于根据渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的方法，其中，根据在起始信号与回波信号之间的时间差来确定物体与传感单元之间的距离，所述回波信号从物体所反射的光学测量脉冲得到，并且其中为了确定时间差，执行以下步骤：a)通过将起始信号和回波信号与数字时钟相比较来获得数字原始值，b)借助于至少两个精插补器来确定在起始信号与数字原始值的开始之间的初始时间差和在回波信号与数字原始值的结束之间的最后时间差，c)在每种情况下，向精插补器分别提供对应于初始差或最后时间差的模拟信号，并且将其转换为数字初始时间差或数字最后时间差。所述方法的特征在于，为了自动校准精插补器，根据步骤a)至c)来执行多次测量，并且假设在初始时间差和最后时间差的给定值间隔中的值被测量的概率是等概率分布，对精插补器的特性的非线性和/或漂移进行修正计算。本发明还涉及一种用于根据渡越时间原理进行光电子非接触测量距离的设备。

Description

使用渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的方法和设备
在第一方面中，根据权利要求1的前序部分，本发明涉及一种使用渡越时间(transit time)原理进行光电子非接触距离测量的方法。
在第二方面中，根据权利要求13的前序部分，本发明针对一种使用渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的设备。
关于所使用的方法，用于非接触距离测量的光电子传感器再分成不同的种类。
非常精确地测量范围或距离的第一可能性包括测量发射和接收波的相位。在这种方法中，由激光二极管发射正弦波。通过将发射波的相位与接收波的相位相比较，可以确定距离。
与此不同，在脉冲渡越时间方法中，由光源发射短脉冲。通过测量脉冲发射与反射光的检测之间的渡越时间，可以确定反射物体的距离。本发明涉及这种方法。
背景技术
在此类方法中，根据起始信号与回波信号之间的时间差来确定物体与传感单元的距离，所述回波信号从该物体所反射的光学测量脉冲得到。为了确定所述时间差，执行以下步骤：a)通过将起始信号和回波信号与数字时钟相比较，获得数字原始值；b)借助于至少两个精插补器，确定起始信号与数字原始值的开始之间的初始时间差以及回波信号与数字原始值的结束之间的最后时间差；c)所述精插补器在每种情况下都提供有分别对应于初始时间差或最后时间差的模拟信号，并分别被转换为数字初始时间差或数字最后时间差。
此类设备具有传感单元，所述传感单元带有至少一个用于发射光脉冲的光源和用于检测光脉冲的检测器，物体与传感单元的距离可根据起始信号与回波信号之间的时间差确定，所述回波信号从物体所反射的光学测量脉冲得到。此类设备还具有用于确定时间差的时间测量单元，该时间测量单元具有以下组件：用于根据起始信号和回波信号确定数字原始值的数字时钟、用于通过将分别对应于初始时间差或最后时间差的模拟信号分别转换为数字初始时间差或数字最后时间差来确定起始信号与数字原始值的开始之间的初始时间差以及回波信号与数字原始值的结束之间的最后时间差的至少两个精插补器。
这种类型的方法和设备例如在用于确定塔式起重机的位置的储存和传送技术中使用，而且在工业自动化领域中有许多其它用途。
CH 631 860 G中描述了一种用于目前使用的高分辨率时间测量的方法和设备。
当使用精插补器时的普遍问题是，将模拟信号转换成数字值所需的组件基本上始终具有非线性而且还经受漂移，例如温度和老化漂移。这些机构对最后结果中获得的测量准确度有直接影响。关于此类组件的精度要求越高，组件的成本通常越高。
DE 198 30 684 C1描述了一种光电子设备，其中用于时间测量的起始脉冲被光耦合到光源之外。光电检测器中检测到的脉冲被交替地用于开始和结束时间测量，以致由于基本的电子原因而出现不精确。其中不执行基准测量以便计算出漂移。
US 2005/0119846 A1描述了一种用于校准测量设备的方法，其中在单独校准模式下确定所使用的模拟数字转换器的校准曲线。被用作基础的现有技术是为了进行校准而随机地生成校准信号。然而，这被视为不利之处，因为为此需要相当长的时间段。
DE 197 04 340 A1中公开了另一种测距仪，其中从光源光耦合用于时间测量的起始脉冲并将其提供给时间测量装置。光电检测器所检测的脉冲被交替地用于开始和结束时间测量。
DE 197 03 633 A1描述了一种方法，其中在将确定的总时间差的初始和最后时间间隔期间，每种情况下都发生精密电容器的充电。在将该设备投入使用之前，必须执行校准测量以确定电容器的特性。
本发明的目的是提供一种使得可以提高测量准确度的上述类型的方法和设备。
这个目的由具有权利要求1的特征的方法和具有权利要求13的特征的设备来实现。
本发明方法的优选变体以及本发明设备的有利实施例构成从属权利要求的主题。
发明内容
上述类型的方法被创造性地进一步开发，即为了进行精插补器的自动校准，根据步骤a)至c)执行了多次测量，并且假设在初始时间差和最后时间差的确定值范围中值被测量的概率是等概率分布，计算精插补器的特性的非线性和/或漂移的修正。
上述类型的设备被创造性地进一步开发，即为了进行精插补器的自动校准，提供了一种计算单元，该计算单元基于多次时间差测量而执行统计评估并且假设在初始时间差和最后时间差的确定值范围中值被测量的概率是等概率分布，计算精插补器的非线性和/或漂移的修正。
本发明的设备特别适合于执行本发明的方法。
本发明所基于的第一基本思想被视为这样一个发现，即根据用以分别发生初始时间差和最后时间差的确定值的确定概率，即确定值间隔内的等概率，并根据用以发生相应精插补器值的频率测量，可以在原理上推断针对用以在给定的精插补器中发生讨论中的转换的特性。
本发明的第二基本思想是为了进行精插补器的自动校准，必须执行多次测量并统计评估所测量的精插补器值，并且假设分别测量用以初始时间差或最后时间差的各个值的概率分布，计算给定的修正精插补器值。
本发明的重要发现在于，在使用精插补器来确定初始时间差和最后时间差两者的测量方法中，基本物理原因的精插补器的期望测量值，诸如例如热变化以及诸如此类，它们本身具有很大程度上的随机分布。这引出本发明的重要基本思想，由此将实际测量值的此统计分布用于校准精插补器。
由于在本发明的方法中，基于实际测量值的频率分布而非基于随机且单独地生成的信号来执行精插补器的校准，所以与现有技术不同，对于生成随机分布校准信号或对于校准曲线的有目的的遍历(planned traversing)和记录，不需要单独的校准模式或周期。这增加了本发明方法的有效性。
本发明的第一基本优点在于，在原理上可以修正精插补器的随机漂移和非线性。在原理上，所述特性只需要具有单调性。
另一个实际上非常重要的优点在于，关于精插补器，只需要针对线性和漂移性质提出有限的要求，因为本发明的方法非常精确地执行相应的修正。这个方面特别地引起相当可观的成本节省。
在本发明的方法中，假设在确定值间隔内用相同的概率来测量全部初始时间差和最后时间差，计算精插补器的修正。如果要测量的时间间隔相对于数字时钟不具有相位相关性，则实施这种情况。
然后，可以很容易进行精插补器值的修正，通过形成了用以发生各个精插补器值的频率的总和并获得了经修正的精插补器值，通过所述和被除以一个常数并且关于所获得的值只考虑整数。
如果选择2的幂作为所述常数，则可以特别快速在计算上实施此除法，并且对于除法，舍弃相应数量的“最低有效位”。
为了避免极短脉冲和极小信号的问题，如果为了确定数字原始值而只从起始事件之后的第二时钟侧面或边沿开始计数，则是有利的。起始事件可以是例如起始信号或回波信号的上升沿或下降沿。
伴随这种类型的渡越时间测量的另一基本问题是，在起始信号或回波信号的情况下，必须清楚哪个时间点与所述信号精确地相关联。适当地假设此时间点在所述信号的上升和下降沿的中心。以便在每种情况下都可以考虑上升和下降沿，使用全部四个精插补器，或者本发明的设备分别具有总共四个精插补器。
在每种情况下，所述精插补器适当地具有时间模拟转换器(TAC)和模拟数字转换器(ADC)
本发明设备的重要优点是，针对所述组件不再提出高精度的要求，以便例如TAC可以是RC元件。
用于时间测量的起始信号可以在外面耦合并从光源所发射的光脉冲获得。然而，起始信号特别优选从光源的控制电子装置获得。此类结构可以用价格比较低廉的组件来实施。
引导起始信号并最后将其提供给时间测量装置的电子装置也会经受漂移，例如温度或老化偏移，这对测量准确度有负面影响。为了能够消除此类漂移，从所述方法的观点看，优选测量基准范围或距离，通过基准脉冲被传导穿过光学基准距离。
为了避免更多的漂移源通过第二光学检测通道(即第二光学检测器)而引入测量系统中，在更重要的方面，本发明提出用与回拨脉冲相同的检测器来检测基准脉冲。以便在基准脉冲与回波脉冲之间没有时间重叠，基准脉冲的光程必须不同，例如必须选择为比回拨脉冲的最短光程短得多。
然后，从所述设备的观点看，适合提供用于在每种情况下将光脉冲再分成测量脉冲和基准脉冲的装置，连同用于将测量脉冲传导到物体上并用于将作为回波脉冲的物体反射的测量脉冲传导到检测器的测量光学装置和用于在检测器的方向上传导基准脉冲的基准光学装置，所述基准脉冲的光程比测量脉冲的光程短或长至少一个偏距，并且其中所述检测器用于交替定量检测回波脉冲和基准脉冲。
在本发明变体中，在距离值的最后确定中引入了在借助于回波脉冲测量的距离与基准距离之间的差。如果基准脉冲和回波脉冲具有大致相同的高度或水平，可以特别准确地确定所述差。因此，回波脉冲的光程有利地包含用于回波脉冲的计划衰减的可控脉冲衰减器，以便它们在尺寸上可与基准脉冲相比。
此变体的第一基本思想是，使用相同的检测器进行回波脉冲和基准脉冲的检测。因此，始终用相同的组件进行基准测量和实际距离测量，以便可以经由组件公差而排除可能的误差并因此获得显著改善的测量准确度。因此，可以仅以交替的方式而不是同时进行基准和距离的测量。在本上下文中，交替测量基本上包括回波脉冲和基准脉冲的连续测量。本发明特别地涵盖例如测量100个回波脉冲并随后测量一个基准脉冲的典型情况。重要的是，在同一检测器中不能同时进行回波和基准脉冲的测量。
此变体的进一步基本思想是基准脉冲的光程必须比测量脉冲的光程长或短至少一个偏距。这样可以将在检测器中的检测器期间未相互叠加的基准脉冲和回波脉冲在时间上充分地分离，并且因此可以进行单独脉冲识别并可以获得基准距离。
第三基本思想是，在回波脉冲的光程中提供脉冲衰减器，用该脉冲衰减器可以以既定受控的方式衰减回波脉冲，以便它们在尺寸上可与基准脉冲相比。由于基准和回波脉冲的大致相等的高度，所以进一步提高了时间确定的准确度，其先决条件是根据最初具有随机时间性质的脉冲推导出时间点。通过用相同的组件来测量回波脉冲和基准脉冲，所有可能的漂移原因均并入范围或距离两者的测量。通过形成起始脉冲信号/基准信号距离与起始脉冲/回波信号距离之间的差，执行所谓的差距离。通过此差形成在计算上消除了可能发生的漂移。
因此，本发明方法的此变体的特征在于，用相同的组件来执行基准脉冲和回波脉冲的所有测量，以便只有一个光学接收机用于基准和回波测量两者。此外，用于内部基准的光程长度比用于实际距离测量的光程长度短。对于本发明来说同样重要的是，借助于可控脉冲衰减器对相应的基准信号值进行信号强度或回波信号强度调节。
尺寸可比较性可以是例如脉冲的水平或表面/面积可比较性。
所述光源可以具有能够充分地提供短脉冲的随机性。优选使用具有可见光或红外光的激光器。还可以使用VCSEL或RCLED。
所述检测器可以是例如已知的光电二极管。
基本上，通过基准距离的光程还可以比回波脉冲的光程长。唯一的要点是，所述差必须足以使检测器中没有脉冲的时间重叠。
在本发明设备的进一步特别优选开发中，在测量脉冲的光程和/或基准脉冲的光程中提供了光导纤维。利用光导纤维可以特别容易地实施限定的光程距离。特别地，可以非常容易地并以节省空间的方式实施本发明要求的在测量脉冲的光程长度与基准脉冲的光程长度之间的足够的差。此外，具有光导纤维的结构对机械振动相当不敏感。
基本上，所述光导纤维可以是单模纤维，其具有这样的优点，即仅有一个电磁模在光导管中传播并因此可以有非常短的脉冲。然而，对于许多应用，多模玻璃纤维是合适的，因为用此类组件可以在检测器处获得更高的强度。
所述脉冲衰减器可以具有简易壳体中的机械构造并且可以是例如可控机械光圈或灰度楔形滤波器轮。
优选连续跟踪脉冲衰减器的控制并为此反复执行距离和基准测量。回波脉冲的重调由于脉冲衰减器的速度而受到限制。因此，如果脉冲衰减器是电光、磁光或声光调制器或AOTF，则可以获得更快的重调。
起始信号、回波信号和基准信号的脉冲通常由于基本的电子原因而不对称，以致假设时间点处于其中有高于比较器阈值的上升或低于比较器阈值的下降的两个时间点之间的中心是不正确的。本发明方法的另一有利变体包括起始信号、回波信号和/或基准信号的脉冲宽度的补偿。为了执行此类补偿，进行表格的记录，在该表格中，在每种情况下的单独脉冲高度值下将相对于比较器的切换时间点的给定时间点归档。
在开始实际测量操作之前，适当地记录表格以用于精插补器的补偿和/或用于脉冲补偿。所述脉冲补偿表格优选在将仪器交付给客户之前在基本对准的框架内生成。
在测量操作期间可以连续地跟踪用于精插补器补偿的一个或多个表格。这样，可以考虑例如以分钟或小时量级发生的具体漂移，诸如温度漂移。
关于测量结果的准确度，反复地执行距离测量并对多个测量值进行平均也是有利的。然后可以提高对应于基础统计的测量准确度。而且为了在原理上能够测量移动物体的距离，对测量值执行移动平均而不是考虑所有记录的测量值是合适的。
附图说明
下文中针对附图描述了本发明的更多优点和特征，在所述附图中示出了：
图1光电测量设备的图解视图，其中从光源以光方式得到起始信号。
图2图1的设备的信号模式。
图3光电距离测量设备的图解表示，其中从光源以电方式得到起始信号。
图4图3的设备的信号模式。
图5本发明设备的实施例的图解视图。
图6图5的设备的信号模式。
图7本发明设备的基本组件的框图。
图8适用于本发明设备的时间测量的信号模式。
图9精插补器的修正表的示例。
图10针对精插补器值而绘制的累计测量频率的曲线图。
图11针对经修正的精插补器值而绘制的累计测量频率的曲线图；以及
图12用于确定物体距离的基本步骤的图解流程图。
具体实施方式
用于时间测量的起始信号可以以不同的方法来获得。针对图1至4描述了这些方法中的两个。这里，术语“信号”和“脉冲”偶尔被视为具有相同的意义。对于本发明的以下说明，“脉冲”通常理解为意指光信号，而“信号”用来意指电气或电子信号。
首先，参照图1和2，给出了一种方法的说明，在该方法中，从光学起始脉冲来获得起始信号。图1示出了用于非接触光学距离测量的设备100。其中，光源12发射光脉冲，所述光脉冲经由透镜18而被传导到检测区域16中的物体14上。在物体14上反射之后，现在称为回波脉冲30的所述光脉冲经由透镜22被传递到进行检测的检测器20。因此，检测器20也称为回波接收机。也称为回波信号30的所述检测器20的信号作为停止信号而被提供给测量单元。现在为了获得用于时间测量的起始信号并因此确定物体14的距离，在这种方法中，借助于半反射镜26从由光源12产生的光脉冲耦合出去一部分并经由偏向镜28提供到另一检测器(further detector)24。也称为起始脉冲接收机的另一检测器24的起始或输出信号被提供给下游测量单元进行处理。
图2示出了检测器20中检测到的回波信号30以及另一检测器24中检测到的光学起始信号32的时间特性或性质。根据图2中的箭头34所指示的时间差并且可选地在执行进一步的修正和补偿之后，可以得出关于物体40与设备100的距离的结论。图2更特别地表明回波信号与光学起始信号32可以有时间重叠，因为在不同的检测器中检测到它们。
通过使用两个光学检测器，还可以建立非常短的范围或距离，例如透镜18、22的直接上游。
在这种方法中，高测量准确度(即低测量误差)的先决条件是检测器20、24以几乎相同的方式工作。因此，这种构造的缺点在于始终存在并且不同的组件公差，即使它们具有局限性，也必然导致两个检测器20、24的不同特性。这些差异直接表现在测量误差中。此类误差可以是例如高度依赖于温度的渡越时间差的形式。基本上，此类不精确公认可以由温度测量并考虑适当的补偿来补偿，但这些不一定是长期稳定的。
在该方法的替代变体中，起始信号不是直接从发射的激光生成，而是从光源的电气控制中获得。针对图3和4描述这种方法。其中等效组件具有与图1和图2中相同的附图编号并且不再单独描述。图3图解示出了从光源12得到信号并将其提供给时间测量装置40。
在这里，这是电起始信号33，其时间斜率在图4中示出。另外，检测器20的输出信号(即回波信号30)被输入时间测量装置40。图4还示出了回波信号30的时间斜率。与在针对图1和2所述的方法的情况一样，这里起始信号33与回波脉冲30可以有时间重叠，因为实际以不同的方法获得了它们。物体14的距离可以根据起始信号33与回波脉冲30之间的时间差来获得，所述时间差由图4中的箭头35表示。
这种方法的优点是可以使用更简单、特别是价格更低廉的组件。
针对图5和6描述本发明设备的实施例。其中，等效组件具有与图1至4中相同的附图编号。
图5所示的设备100具有作为基本组件的带有光源12和检测器20的传感单元10。光源12发射光脉冲13，该光脉冲13在装置48中被分成测量脉冲15和基准脉冲36。装置48可以是例如半反射镜。通常，只有百分之几的输入强度作为基准脉冲被被反射出去。然后测量脉冲15通过也可以称为测量纤维的光导纤维44被传导。然后借助于作为测量光学装置的一部分的透镜18，测量脉冲15被导向物体14，该物体14与传感单元10的距离或范围将被测量。测量脉冲15在物体14处被反射。也称为回波脉冲30的反射测量脉冲15到达作为测量光学装置的另一部分的透镜22处，然后穿过脉冲衰减器50并且最终到达对其进行检测的检测器20。检测器20的输出信号被输入时间测量装置40，从光源12得到的电信号也被提供给时间测量装置40。所述电起始信号是激光二极管电流的图像。所述激光本身以几皮秒的滞后而生成。所述电起始脉冲被用作用于基准和距离测量的基准点。脉冲衰减器50在所示的示例中是可调节机械光圈52。
为了避免上文结合图1至4所述的不精确和测量误差，所谓的基准距离被整合到根据本发明的传感器中。借助于所述距离可以消除误差，例如漂移。
图5图解示出了此类基准距离的结构。装置48中得到的基准脉冲36经由也可以称为基准纤维的光导纤维46而被传导到半反射镜27上，并从该半反射镜27被传导到进行检测的检测器20。相应的检测信号再次被提供给时间测量装置40。所述基准脉冲经由以明确限定的方式延迟的光学短路而在光学接收机中生成。它表示用于测量的基准距离。所述回波脉冲在与基准脉冲相同的光学接收机中生成。它被测量目标(即物体)反射。相对于发射的激光脉冲的时滞构成距离的测量。
在图6中图解说明了提供给时间测量装置40的各个信号的时间特性或性质。首先，时间测量装置40首先接收从光源12得到的电起始信号33。然后通过本质上由光导纤维46形成的基准距离，基准脉冲36到达检测器20。图6中的箭头37表示电起始信号33与检测器20中检测到基准脉冲36的时间点之间的时滞。
关于要检测的物体14再次被时间滞后了渡越时间和仪器中的光导纤维44中的延迟或滞后距离，向也可以称为回波接收机的检测器20提供回波信号30。在也可以称为基准纤维的光导纤维46中的光程长度与也可以称为测量纤维的光导纤维44中的光程长度之间的差基本对应于偏距。相对于电起始信号33的时间差由图6中的箭头35表示，并且相对于基准脉冲36的渡越时间差由箭头31表示。为了在每种情况下获得基本相同的用于测量基准和回波信号的条件，根据本发明并且借助于脉冲衰减器50，所述回波脉冲30以它们很大程度上对应于基准脉冲36的方式衰减。所述脉冲例如可以被调节为基本一致的水平或脉冲高度，但是替代地还可以调节为大致相等的峰值表面面积。所述调节至相同的高度或表面具有这样的优点，即，将实际上使得有必要跟踪补偿表格的脉冲形状漂移基本上没有影响，因为对基准和回波脉冲的作用是相同的，以致发生了消除。为了获得基准脉冲的理想高度，光程可以并入固定的脉冲衰减器，例如可以以限定的方式来调整的灰度楔形滤波器轮。
然后分别在起始信号33与基准脉冲36之间或起始信号33与回波脉冲30之间交替地进行距离测量。通过在每种情况下形成测量值的差，可以消除在图6中附图编号39给出的可能漂移。
在本发明的本实施例中，也可以称为发射机或发射二极管的光源12被耦合到再分成测量纤维44和基准纤维46的玻璃纤维，测量纤维44比基准纤维46长所述偏距。对于距离测量和基准测量两者来说，起始信号33均从发射二极管的电气控制得到。可以在较长的时间段内对所述基准距离的测量值取平均值。
图7图解示出了用于光电子非接触距离测量的发明设备100的基本组件。设备100的基本组件是包括上述光电子装置60和测量核心62的传感单元10。为了精确确定时间差，提供了数字数据获取装置64和其中具有全部四个精插补器66、67、68、69的模拟数据获取装置65。所有这些组件均借助于评估/控制计算机70来控制，还向所述评估/控制计算机70提供各自的数据以进行处理。
用于测量的次序控制由FPGA来实现。所述FPGA自动执行测量以获得原始值并在这样做的过程中控制激光器并且读出ADC。它还可以调节脉冲衰减器的光圈电动机。将激光器形式的光源12点火并将电起始信号以及光学检测器信号的测量脉冲提供给比较器并然后提供给FPGA。所述FPGA将随时间而变的信号转换成脉冲宽度、精插补器值及数字计数脉冲。然后所述脉冲宽度和精插补器值在时间幅度转换器(TAC)以及然后的模拟数字转换器(ADC)中被转换成数字信号。测量计算机从FPGA接收测量值并修改它们以传输到PC。多次测量的原始数据被收集并传输到PC。
与之并行地，为了回波脉冲30调节具有可调节光圈52的脉冲衰减器50。可以例如用直流电动机借助于脉宽调制操作来执行此调节。替代地，可以使用步进电动机。
为了进行光圈调节，FPGA接收预置的理想值。它同时从ADC读取测量值的脉冲宽度的实际值。根据所述测量时是基准脉冲36还是回波脉冲30的测量值，对回波脉冲执行实际/理想值比较，并且在变化的情况下，生成可变长度的直流电压脉冲直至达到控制状态为止。在变化非常显著的情况下，所述光圈电动机连续工作。在接近理想值时，脉冲被连续地缩短至10ms的长度。脉冲频率可以是例如10个脉冲/秒。
针对图8解释了适用于时间测量的信号的时延。在每种情况下，都将电起始脉冲81和回波或基准脉冲83提供给比较器82、84。所述比较器的输出连接到触发器86、88。借助于触发器86、88的输出L4和L6进行时间测量。首先通过将输出L4和L6与可以从时钟80得到的时钟信号L1和反相时钟信号L2相比较，获得测量的数字原始值。此数字原始值是距离的大致测量，精确到半个时钟周期内并对应于起始信号L3与回波/基准信号L5之间的数值。为了避免与极短脉冲相关联的困难，测量逻辑只计数起始信号L3的上升沿之后的时钟L1的第二上升沿。相应地在起始信号L3的下降沿上，只计数反相时钟信号L3的第二上升沿。所述计数行为与回波/基准信号L5的一样，其中再次在每种情况下只计数第二上升沿。
借助于精插补器测量在起始信号L3与为数字原始值计数的第一边沿之间的初始时间差以及在回波/基准信号L5与为数字原始值计数的最后边沿之间的最后时间差。在所示的示例中总计使用了四个精插补器，其输入信号标示为L7、L8、L9以及L10。
相对于图8的下部区域中的时间刻度来解释信号的时延。
时间点t1对应于起始信号L3的上升沿。这还表示第一精插补器L7的时间测量的开始。在时间点t2，起始信号L3又下降并且然后第三精插补器L9开始测量。在时间点t3和t4，分别结束精插补器L7和L9的时间测量，其分别对应于时钟L1或反相时钟L2的上升沿。
以类似的方式，由回波/基准信号L5的上升或下降沿来分别启动精插补器L8、L10，并在每种情况下由时钟信号L1或反相时钟L2的下一个上升沿来分别结束。这在时间点t5至t8进行。
对四个精插补器值求和得到模拟原始值，并且在此和中输入属于初始时间差的正精插补器值以及输入属于最后时间差的负精插补器值。在所述求和之前，如下文中将更详细解释的，逐个补偿所有精插补器值。因此，所获得的模拟原始值可以被视为用于距离测量的精确距离。
对所述模拟原始值和数字原始值求和得到复合原始信号，然后该复合原始信号必须通过进一步的补偿步骤而转换成实际测量结果。
记录修正表，以能够补偿精插补器的非线性、偏移以及斜率误差。
对于每次单独的测量，都生成四个精插补器值，该精插补器值相对于起始和回波脉冲的上升沿和下降沿的时钟边沿而复制修正值。这些精插补器值越准确，该单独的测量就越精确，因此最后结果也越精确。
在所示的示例中，时钟80的频率是75MHz。因此，将由精插补器测量的时间可以假设是13ns与26ns之间的值。在这些时间选通期间，电容被充入大约1伏特，并且电容器电压在每种情况下都等效于该时间。
详细地，获得所述修正表如下：AD转换器在5V下具有12位的分辨率，这造成精插补器的输出值为约800至约1600。由于所述非线性、偏移以及斜率误差，因此实际上必须预料到移位和/或差异(spread)值。然而，这些变化应当借助于修正表来修正。
当形成该表时，1000频率级应平均具有64个事件，这意味着需要64000个测量值。在预期AD转换器值的差异约为800的情况下，然后对于每个精插补器值都有约80个事件。现在生成表格，在该表格中，对于所获得的每个精插补器值，将计数器递增地计数。在64000次测量之后，在每种情况下都获得所测量的精插补器值的频率分布。对全部四个精插补器同时测量此类分布。
图9示出了其中在第一行中输入标示为FI的精插补器值的表格示例。第二行包含频率H，用该频率H获得用于总计3000次测量的各自的精插补器值FI。最后，第3行包含频率总和S。例如，所述频率总和S自精插补器值FI＝53至FI＝64为恒量3000，因为在执行的3000次测量的任何一次测量中，没有达到这些值的中的任何一个值。
图10示出了针对精插补器值FI而绘制的频率总和S。图10直接表明精插补器值FI不是均匀分布的。然而，由于要测量的时间间隔相对于时钟信号L1不具有相位相关性，所以必须以相同的频率来测量所有精插补器值。因此，频率总和S必须是线性分布的，因为理论上所述精插补器值在时钟边沿之间是均匀分布的。因此，可允许执行所测量的频率总和S的线性化。
现在计算实际修正。在每种情况下修正值FI′都对应于用频率总和S除以50时的整数。这对应于用于3000次测量的总共60个频率级。图9的表格还记录用频率总和S除以50时的余数R。因此，精插补器值23有例如为406的频率总和S。除以50给出FI′＝8的修正精插补器值，余数为R＝6。
作为替代，在上述实际实现的示例中，记录了64000个测量值并且将频率总和S除以64。这可以通过舍弃6个最低有效位而非常简单且快速地获得。现在获得一个表格，在该表格中，对于每个随机的精插补器值，输出0至1000的修正值。于是，经修正的精插补器值的频率分布基本是线性的。为全部四个精插补器记录此类表格。
对于图9的表格的值，图11示出了针对经修正的精插补器值FI′而绘制的频率总和S。该图直接表明现在所述频率总和S根据需要而具有基本线性的轨迹。
适当地，在开始实际测量操作之前，用多次测量来非常精确地确定所述基准，为此可以执行例如20000次测量。在随后的测量操作期间，可以例如将每隔100个测量值用于跟踪可能的基准值漂移。这里，还可以用预先的真实性检查来执行适当的平均。
借助于图12，解释了用于根据测量时间获得最后测量结果的基本步骤。
首先，在步骤S10中，通过将起始信号和回波/基准信号与时钟信号L1和反相时钟信号L2相比较来获得数字原始值。此外，在步骤S20中，获得借助于四个单独并且持续更新的补偿表格来补偿的四个精插补器值。在步骤S22中，对这些单独补偿的精插补器值求和得到模拟原始值。在步骤S50中，对在步骤S22中获得的模拟原始值以及来自步骤S10的数字原始值求和。在步骤S60中，给出复合原始值或距离原始值。
在仪器的基本对准的框架内，在步骤S31和S41中，生成补偿表格，用于起始脉冲和回波/基准脉冲的脉冲宽度。在步骤S30中确定所述起始脉冲的脉冲宽度，并且在步骤S40中确定所述回波/基准脉冲的脉冲宽度。在步骤S70中，根据在步骤S31和S41中获得的表格，对求和的距离原始值进一步附加修正值。
作为最后的步骤，在S80中，可以减去由基准测量得到的偏移值。因此，在步骤S90获得真实距离值。
本发明涉及一种用于非接触距离测量的光电子传感器。本发明更特别地涉及用于分别改善或控制发生的精插补器不精确或漂移的可能性。
假设用此类统计方法，精插补器所测量的每个值以相同的频率的发生。通过监控在每种情况下测量的值的数量，可以集合关于非线性的信息并且可以对分布给予相应的加权。这还适用于平均值的监控，在从零开始发散时，可以进行修正。
在根据本发明的方法和设备的情况下，在统计上评估了精插补器的测量结果，其中分布的均匀性中的发散是表示用于漂移补偿的线性修正和平均值的发散。

Claims (36)

1.一种用于根据渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的方法，其中根据起始信号与回波信号之间的时间差来确定物体与传感单元之间的距离，所述回波信号从物体反射的光学测量脉冲得到，并且为了确定所述时间差，执行以下步骤：
a)通过将所述起始信号和回波信号与数字时钟相比较，获得数字原始值，
b)借助于至少两个精插补器，确定在所述起始信号与所述数字原始值的开始之间的初始时间差以及在所述回波信号与所述数字原始值的结束之间的最后时间差，
c)所述精插补器在每种情况下都被提供模拟信号，所述模拟信号分别对应于所述初始时间差或最后时间差，并且分别被转换为数字初始时间差或数字最后时间差，
其中
为了自动校准所述精插补器，根据步骤a）至c）执行对在起始信号与回波信号之间的所述时间差的多次测量，其中要测量的时间间隔与所述数字时钟不具有相位相关性，以及
其中，假设在所述初始时间差和所述最后时间差的给定值间隔中的值被测量的概率是等概率分布，计算所述精插补器特性的非线性和漂移中的至少一个的修正。
2.根据权利要求1所述的方法，其中
通过基准脉冲在光学基准距离上传导，测量基准距离。
3.根据权利要求1所述的方法，其中
补偿所述起始信号和所述回波信号中的至少一个的脉冲宽度。
4.根据权利要求1所述的方法，其中
为了修正所述精插补器值，形成各个精插补器值用以发生的频率的和，以及
通过将所述和除以一个常数而获得经修正的精插补器值。
5.根据权利要求1所述的方法，其中
总共使用四个精插补器。
6.根据权利要求1所述的方法，其中
为了确定所述数字原始值，仅从起始事件之后的时钟的第二边沿起计数。
7.根据权利要求1所述的方法，其中
所述起始信号从所述传感单元的光源的控制电子装置获得。
8.根据权利要求1所述的方法，其中
在开始实际测量操作之前，记录表格，用于所述精插补器的补偿和脉冲补偿中的至少一个。
9.根据权利要求1所述的方法，其中
在测量操作期间，连续地跟踪用于所述精插补器的补偿的表格。
10.根据权利要求1所述的方法，其中
对所述测量值执行移动平均。
11.根据权利要求4所述的方法，其中
通过舍弃给定数量的最低有效位来进行除以常数的除法。
12.一种用于根据渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的方法，
其中根据在起始信号与回波信号之间的时间差来确定物体与传感单元之间的距离，所述回波信号作为回波脉冲从所述物体所反射的光学测量脉冲得到，以及
其中根据起始信号与基准信号之间的时间差来测量基准距离，所述基准信号从基准脉冲得到，其被引导通过光学基准距离并被与所述回波脉冲相同的检测器检测，
其中为了确定在每种情况下的所述时间差，执行以下步骤：
a)通过将起始信号和回波/基准信号与数字时钟相比较，获得数字原始值，
b)借助于至少两个精插补器，确定在所述起始信号与所述数字原始值的开始之间的初始时间差以及在所述回波/基准信号与所述数字原始值的结束之间的最后时间差，
c)所述精插补器在每种情况下都被提供模拟信号，所述模拟信号分别对应于所述初始时间差或最后时间差，并且分别被转换为数字初始时间差或数字最后时间差，
其中
为了自动校准所述精插补器，根据步骤a）至c）执行对在起始信号与基准信号之间的所述时间差的多次测量，其中要测量的时间间隔与所述数字时钟不具有相位相关性，以及
其中，假设在所述初始时间差和所述最后时间差的给定值间隔中值被测量的概率是等概率分布，计算所述精插补器特性的非线性和漂移中的至少一个的修正。
13.根据权利要求12所述的方法，其中
通过基准脉冲在光学基准距离上传导，测量基准距离。
14.根据权利要求13所述的方法，其中
用与所述回波脉冲相同的检测器来检测所述基准脉冲。
15.根据权利要求12所述的方法，其中
补偿所述起始信号和所述回波信号中的至少一个的脉冲宽度。
16.根据权利要求12所述的方法，其中
补偿所述起始信号、所述回波信号和所述基准信号中的至少一个的脉冲宽度。
17.根据权利要求12所述的方法，其中
为了修正所述精插补器值，形成各个精插补器值用以发生的频率的和，以及
通过将所述和除以一个常数而获得经修正的精插补器值。
18.根据权利要求12所述的方法，其中
总共使用四个精插补器。
19.根据权利要求12所述的方法，其中
为了确定所述数字原始值，仅从起始事件之后的时钟的第二边沿起计数。
20.根据权利要求12所述的方法，其中
所述起始信号从所述传感单元的光源的控制电子装置获得。
21.根据权利要求12所述的方法，其中
在开始实际测量操作之前，记录表格，用于所述精插补器的补偿和脉冲补偿中的至少一个。
22.根据权利要求12所述的方法，其中
在测量操作期间，连续地跟踪用于所述精插补器的补偿的表格。
23.根据权利要求12所述的方法，其中
对所述测量值执行移动平均。
24.根据权利要求17所述的方法，其中
通过舍弃给定数量的最低有效位来进行除以常数的除法。
25.用于根据渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的设备，
具有带有至少一个用于发射光脉冲的光源和用于检测光脉冲的检测器的传感单元，可以根据在起始信号与回波信号之间的时间差来确定物体与所述传感单元之间的距离，所述回波信号从所述物体所反射的光学测量脉冲获得，
具有时间测量装置，所述时间测量装置用于确定所述时间差并且具有以下组件：
数字时钟，用于根据所述起始信号和回波信号来确定数字原始值，
至少两个精插补器，用于通过将分别对应于初始时间差或最后时间差的模拟信号分别转换成数字初始时间差或数字最后时间差来确定在所述起始信号与所述数字原始值的开始之间的初始时间差以及在回波信号与所述数字原始值的结束之间的最后时间差，
其中
为了自动校准所述精插补器，提供了计算单元，所述计算单元基于对在起始信号与回波信号之间的所述时间差的多次测量来执行统计评估，所述回波信号从所述物体所反射的光学测量脉冲得到，要测量的时间间隔与所述数字时钟不具有相位相关性，以及
其中，所述计算单元假设在所述初始时间差和最后时间差的给定值间隔中值被测量的概率是等概率分布，计算所述精插补器的非线性和漂移中的至少一个的修正。
26.根据权利要求25所述的设备，其中
提供装置，用于在每种情况下都将所述光脉冲分成测量脉冲和基准脉冲，以及
提供测量光学装置，用于将测量脉冲传导到所述物体，并且用于将所述物体所反射的所述测量脉冲以回波脉冲的形式传导到所述检测器上，
提供基准光学装置，用于在检测器的方向上传导所述基准脉冲，所述基准脉冲的光程比所述测量脉冲的光程长或短至少一个偏距，以及
使用所述检测器，用于交替定量检测所述回波脉冲和基准脉冲两者。
27.根据权利要求26所述的设备，其中
所述回波脉冲的光程包含用于所述回波脉冲的目标衰减的可控脉冲衰减器，以便它们在尺寸上可与所述基准脉冲相比。
28.根据权利要求25所述的设备，其中
所述精插补器在每种情况下都具有TAC和ADC。
29.根据权利要求28所述的设备，其中
所述TAC是RC元件。
30.根据权利要求25所述的设备，其中
总共有四个精插补器。
31.根据权利要求25所述的设备，
所述设备被设计用于执行根据权利要求1所述的方法。
32.用于根据渡越时间原理进行光电子非接触距离测量的设备，
具有带有至少一个用于发射光脉冲的光源和用于检测光脉冲的检测器的传感单元，可以根据在起始信号与回波信号之间的时间差来确定物体与所述传感单元之间的距离，所述回波信号从所述物体所反射的光学测量脉冲获得，
具有时间测量装置，所述时间测量装置用于确定所述时间差并且具有以下组件：
数字时钟，用于根据所述起始信号和回波信号来确定数字原始值，
至少两个精插补器，用于通过将分别对应于初始时间差或最后时间差的模拟信号分别转换成数字初始时间差或数字最后时间差来确定在所述起始信号与所述数字原始值的开始之间的初始时间差以及在回波信号与所述数字原始值的结束之间的最后时间差，
其中
提供装置，用于在每种情况下都将所述光脉冲分成测量脉冲和基准脉冲，
提供测量光学装置，用于将测量脉冲传导到所述物体，并且用于将所述物体所反射的所述测量脉冲以回波脉冲的形式传导到所述检测器上，
提供基准光学装置，用于在所述检测器的方向上传导所述基准脉冲，其中所述基准脉冲的光程相比于所述测量脉冲的光程长或短至少一个偏距，以及
使用所述检测器，用于交替定量检测所述回波脉冲和基准脉冲两者，
为了自动校准所述精插补器，提供了计算单元，所述计算单元基于对在起始信号与基准信号之间的所述时间差的多次测量来执行统计评估，所述基准信号从所述物体所反射的光学测量脉冲得到，其中要测量的时间间隔与所述数字时钟不具有相位相关性，以及
其中，所述计算单元假设在所述初始时间差和最后时间差的给定值间隔中值被测量的概率是等概率分布，计算所述精插补器的非线性和漂移中的至少一个的修正。
33.根据权利要求32所述的设备，其中
所述精插补器在每种情况下都具有TAC和ADC。
34.根据权利要求33所述的设备，其中
所述TAC是RC元件。
35.根据权利要求32所述的设备，其中
总共有四个精插补器。
36.根据权利要求32所述的设备，
所述设备被设计用于执行根据权利要求12所述的方法。
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