DD211259A3

DD211259A3 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR CONTINUOUS TOOL-FREE DISTANCE MEASUREMENT

Info

Publication number: DD211259A3
Application number: DD24039782A
Authority: DD
Inventors: Hans-Juergen Gruener; Helmut Mencke; Peter Oertmann; Walter Stoesser
Original assignee: Rationalisierung Konfekt Veb
Priority date: 1982-06-03
Filing date: 1982-06-03
Publication date: 1984-07-04
Also published as: CS282085A1; CS245349B1; CS353183A1; BG42637A1; CS245498B1

Abstract

Angewendet wird die Erfindung zur kontinuierlichen beruehrungslosen Entfernungsmessung von unregelmaessigen Oberflaechen. Aufgabe der Erfindung ist es, bei Einwirkung von Stoerschall zuverlaessige Messergebnisse zu erhalten. Erfindungsgemaess wird die Aufgabe dadurch geloest, dass ein Taktgenerator (1), ein Tiefpass (2), ein Summierer (3) und ein piezokeramischer Ultraschallgeber (4) hintereinander angeordnet sind und der Ultraschallgeber (4) ein amplituden- oder frequenzmoduliertes Signal abstrahlt,das von einem piezokeramischen Ultraschallempfaenger (7) aufgenommen wird.Dem Ultraschallempfaenger sind ein Verstaerker (8), ein Gleichrichter (9),ein Filter (10),ein Komparator (11),ein Differentiator (12) sowie eine Auswertelogik (6) nachgeschaltet,deren anderer Eingang mit einer Taktquelle verbunden sind. Der Auswertelogik (6) folgen ein Register (13), ein Mikrorechner (14) und ein Stellglied.The invention is used for continuous contactless distance measurement of irregular surfaces. The object of the invention is to obtain reliable measurement results when exposed to interfering noise. According to the invention, the object is achieved in that a clock generator (1), a low-pass filter (2), a summer (3) and a piezoceramic ultrasonic generator (4) are arranged one behind the other and the ultrasound transmitter (4) emits an amplitude- or frequency-modulated signal which an amplifier (8), a rectifier (9), a filter (10), a comparator (11), a differentiator (12) and an evaluation logic (6) are connected downstream of the ultrasonic receiver, whose other input is connected to a clock source. The evaluation logic (6) is followed by a register (13), a microcomputer (14) and an actuator.

Description

Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen berührungslosen EntfernungsmessungCircuit arrangement for continuous non-contact distance measurement

Anwendungsgebiet der ErfindungApplication of the invention

Die Erfindung betrifft eine Schaltungsanordnung zur kontinuierlichen berührungslosen Entfernungsmessung von Flächen, die senkrecht oder annähernd senkrecht zum Ließstrahl ausgerichtet sind und feststehend oder bewegt bzw. eben oder uneben sind.The invention relates to a circuit arrangement for continuous non-contact distance measurement of surfaces which are aligned perpendicular or approximately perpendicular to the Ließstrahl and fixed or moved or flat or uneven.

Charakteristik der bekannten technischen LösungCharacteristic of the known solution

Aus der SRD-OS 3 037 139 ist ein Entfernungsrneßsystem für Kameras und aus der BRD-OS 2 704 511 ist eine Meßanordnung zur Ortsvermessung variabler Punkte auf einer Pahrzeugkarosserie bekannt. Beide ErfindungsbeSchreibungen beinhalten als wesentlichen Teil eine Taststufe zur Erzeugung von Ultraschallimpulsen.From SRD-OS 3 037 139 is a Entfernungsrneßsystem for cameras and from BRD-OS 2 704 511 is a measuring device for locating variable points on a Pahrzeugkarosserie known. Both descriptions of the invention as an essential part include a Taststufe for generating ultrasonic pulses.

Diese Lösungen haben den Nachteil, daß ein breitbandiges Übertragungssystem zur Signalverarbeitung erforderlich ist, bei dem durch Störschall das Lleßergebnis leicht verfälscht wird.These solutions have the disadvantage that a broadband transmission system for signal processing is required, in which the Lleßergebnis is easily falsified by background noise.

Ziel der Erfindung Aim of the invention

Die Erfindung hat das Ziel, den Meßprozeß zu rationalisieren.The invention aims to rationalize the measuring process.

Wesen der Erfindung ; ' ; : Essence of the invention ; '; :

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zu entwickeln, die unter ungünstigen akustischen Umweltbedingungen, z.B. aufeinänderschlagende Metallteile, Druckluftgeräusche ^;[usw., die einen hohen Anteil an Ultraschallfrequenzen aussenden, einen zuverlässigen Meßwert für die Entfernung der Serisorelemente von einem anzutastenden Objekt liefert. ' ^; 'The invention has for its object to provide a circuit arrangement which aufeinänderschlagende in adverse acoustic environments, such as metal parts, compressed air ^{noise; [etc,} which emit a high proportion of ultrasonic frequencies, provides a reliable measure of the distance of the Serisorelemente from a to be scanned object. '^;'

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, ,daß Taktgenerator mit zwei Ausgängen eingesetzt wird, wobei der eine Ausgang mit dem Eingang eines Summierers und der andere Ausgang mit einem Tiefpaß verbunden ist und der Ausgang des Tiefpasses ebenfalls mit einem Eingang des Summierers in Verbindung steht. Am Ausgang des Summierers befindet sich der piezokeramische Ultraschallgeber. Der zum Tiefpaß führende Ausgang des Taktgenerators ist' zusätzlich mit einem Differentiator verschaltet, an dessen Ausgang sich eine Auswe-rtelogik anschließt. Im Bereich des piezokeramischen Ultraschallgebers befindet sich ein piezokeramischer Ultraschallempfänger. Dieser Ultraschallempfänger ist mit einem Verstärker verbunden, an dessen Ausgang sich ein Gleichrichter anschließt, dem ein Filter folgt. Am Ausgang des Filters ist ein Komparator angeordnet, dem ein Differentiator nachgeschaltet ist, dessen Ausgang als zweiter Eingang zur Auswertelogik führt. An den dritten Eingang der Auswertelogik ist eine Takt quelle beliebigen Ursprungs angeschlossen. Der Ausgang der Auswertelogik führt zu einem Register und dessen Ausgang zu einem Mikrorechner, dem sich ein anwendungsspezifisches Stellglied anschließt. Einen ganz spezifischen Aufbau besitzt der Summierer. Seine beiden Eingänge führen über Widerstände zu dem invertierenden Eingang eines Verstärkers. Der Ausgang des VerstärkersAccording to the invention the object is achieved in that clock generator is used with two outputs, wherein the one output to the input of a summer and the other output is connected to a low-pass filter and the output of the low-pass filter is also in communication with an input of the summer. At the output of the summer is the piezoceramic ultrasonic generator. The leading to the low-pass output of the clock generator is' additionally connected to a differentiator, at the output of a Auswe-rtelogik connects. In the area of the piezoceramic ultrasonic transducer is a piezoceramic ultrasonic receiver. This ultrasonic receiver is connected to an amplifier, whose output is followed by a rectifier followed by a filter. At the output of the filter, a comparator is arranged, which is followed by a differentiator whose output leads as the second input to Auswertelogik. At the third input of the evaluation logic is a clock source of any origin connected. The output of the evaluation logic leads to a register and its output to a microcomputer, which is followed by an application-specific actuator. The summer has a very specific structure. Its two inputs lead via resistors to the inverting input of an amplifier. The output of the amplifier

— 'S BW- 's BW

ist über einen Y/iderstand auf den invertierenden Eingang desselben zurückgeführt,, während der nicht invertierende Eingang des Verstärkers mit dem Abgriff eines Potentiometers verbünden ist. Die Anfangsklemme des Potentiometers ist mit einer positiven Spannungsquelle und die Endklemme mit einer negativen Spannungsquelle verbunden. Der Abgriff des Potentiometers ist dabei in einer Stellung, bei der entweder die positive Amplitude der Hüllkurve des Summensignals gleich dem positiven Sättigungswert otier die negative Amplitude der Hüllkurve des Summensignals gleich dem negativen Sättigungswert des Summierers ist. , ,is fed back to the inverting input via a resistor, while the non-inverting input of the amplifier is connected to the tap of a potentiometer. The initial terminal of the potentiometer is connected to a positive voltage source and the end terminal to a negative voltage source. The tap of the potentiometer is in a position in which either the positive amplitude of the envelope of the sum signal equal to the positive saturation value otier the negative amplitude of the envelope of the sum signal is equal to the negative saturation value of the summer. ,,

(1(1 ' '.. '' ..

Ausfuhrüiigsbeispie 1 ' -i ' / ·; : ; · Off üiigsbeispie 1 '-i' / ·; :; ·

Die Erfindung soll nachfolgend an einem Ausführungsbeispiel näher erläutert werden. In der Zeichnung zeigen:The invention will be explained in more detail below using an exemplary embodiment. In the drawing show:

Fig. 1: die^Schaltungsanordnung als Blockschaltbild,1 shows the ^ circuit arrangement as a block diagram,

iig. 2: deii-Summierer und : _: . 'iig. _2: Deii totalizer and. '

Pig. 3: das Ergebnis eines richtig eingestellten Arbeits-Pig. 3: the result of a correctly set working

: punktes als Schw^ngungslcarve. ,.; :: point as a swing carve. ,.; :

An einen Taktgenerator 1 schließt sich einmal ein Tiefpaß 2 und zum anderen ein Summierer 3 an. Der Ausgang, des Tiefpasses 2 führt ebenfalls auf den Summierer 3, der seinerseits einen piezokeramischen Ultraschallgeber ansteuert. Der zum Tiefpaß 3 führende Ausgang des Taktgenerators 1 ist mit. einem Differentiator 5 verbunden. Die Ausgangsimpulse des Differentiators 5 gelangen als Startsignal zu einer Auswertelogik 6. ^: ;.To a clock generator 1 is followed by a low-pass filter 2 and on the other a summer 3 at. The output of the low-pass filter 2 also leads to the summer 3, which in turn drives a piezoceramic ultrasonic generator. The leading to the low-pass 3 output of the clock generator 1 is with. a differentiator 5 connected. The output pulses of the differentiator 5 arrive as a start signal to an evaluation logic 6 ^.: .

Ein piezokeramischer Ultraschallempfänger 7 nimmt das vom piezokeramischen Ultraschallgeber 4 ausgesendete und an einem Objekt reflektierte Signal auf. Dieses Signal wird auf einen nachgeschalteten Verstärker 8 geleitet und danach aufA piezoceramic ultrasonic receiver 7 picks up the signal emitted by the piezoceramic ultrasonic generator 4 and reflected by an object. This signal is passed to a downstream amplifier 8 and then on

-ίο in en dein Verstärker 8 folgenden Gleichrichter 9, dessen Ausgang zu einem filter 10 führt. Dem Filter 10 ist ein Komparator 11 und; diesem ein Differentiator 12 nachgeschaltet. Die Ausgangsimpulse des Differentiators 12 gelangen als Stoppsignal auf die nachgeordnete Auswertelbgik 6. An die Auswertelogik 6 sind außerdem eine beliebige Quelle, die eine Zählfrequenz mit einer von der geforderten Meßgenauigkeit abhängigen Hohe liefert sowie ein Register 13 angeschlossen. Der nachgeschaltete Mikrorechner 14 übernimmt den Inhalt des Registers 13. Dem Mikrorechner. 14 folgen in der Zeichnung nicht gezeigte, anwendungsspezifische Stellglieder, z.B. Motore, pneumatische oder hydraulische Betätigungselemente oder andere Servoeinrichtungen. Der Summierer 3 mit seinen beiden gleichwertigen Eingängen 15 und 16 besteht' im wesentlichen aus einem Verstärker 18 mit einem invertierenden Eingang 17 imd einem nichtinvertierenden Eingang 20, wobei dem invertierenden Eingang 17 Y/iderstände vorgeschaltet sind. Der nichtjinvertierende Eingang 20 ist mit dem Abgriff ^; eines '"•Potentiometers 21 verbunden, an das sich beidseitig je eine iZ-Diode 22 bzw. 23 und ein liderstand 24 bzw. 25 an-. schließen. j , . ^: _; ;; " , ; / --ίο in your amplifier 8 following rectifier 9 whose output leads to a filter 10. The filter 10 is a comparator 11 and; followed by a differentiator 12. The output pulses of the differentiator 12 arrive as a stop signal to the downstream Auswertelbgik 6. At the Auswertelogik 6 are also any source that provides a count frequency with a dependent of the required measurement accuracy level and a register 13 connected. The downstream microcomputer 14 takes over the contents of the register 13. The microcomputer. 14 follow, not shown in the drawing, application-specific actuators, such as motors, pneumatic or hydraulic actuators or other servos. The summer 3 with its two equivalent inputs 15 and 16 'consists essentially of an amplifier 18 with an inverting input 17 imd a non-inverting input 20, wherein the inverting input 17 Y / iderstände are connected upstream. The non-inverting input 20 is connected to the tap ^; a potentiometer 21, to which an iZ diode 22 or 23 and a resistor 24 or 25 each connect on both sides. j,. ^: _; ;; / -

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung ist folgende:The operation of the circuit arrangement is the following:

Im Taktgenerator 1 werden aus einer frequenzstabilen Grundfrequenz zwei Frequenzen von ca. 40 kHz-Impulsfolge und ca. 300 Hz-Impulsfolge erzeugt* Die Frequenz von ca. 40 KKz-Impulsfolge eijitspricht der Resonanzfrequenz des schmalbandigen piezokeramischen Ultraschallgebers 4 und des ebenfalls schmalbandigen piezokeramischen Ultraschallempfängers 7. Die Frequenz der ca. 300 Hz-Impulsfolge wird durch den vorgegebenen Meßbereich bestimmt und ergibt sich aus der Laufzeit des Schalles in Luft, d.h. die Frequenz verhält sich umgekehrt proportional zum Meßbereich. Die ca. 40 kHz-Impuls-In the clock generator 1, two frequencies of about 40 kHz pulse train and about 300 Hz pulse train are generated from a frequency-stable fundamental frequency * The frequency of about 40 KKz pulse train eijitspricht the resonant frequency of the narrow-band piezoceramic ultrasonic generator 4 and also narrow-band piezoceramic ultrasonic receiver The frequency of the approximately 300 Hz pulse sequence is determined by the given measuring range and results from the transit time of the sound in air, ie the frequency behaves inversely proportional to the measuring range. The approx. 40 kHz pulse

folge gelangt direkt an den Eingang 15 des Summierers 3 und die ca. 300 Hz-Impulsfolge über einen Tiefpaß 2, der aus der ca. 300 Hz-Impulsfolge eine Sinusschwingung formt, an den Eingang 16 des Summierers 3· Da es sich um zwei gleichwertige Eingänge 15 und 16 handelt, ist es auch möglich, die ca. 300 Hs Sinusschwingung an den Eingang 15 und die ca. 40 kHs- Impulsfolge an den Eingang .16 zu legen..Beide Eingänge 15 und.16 fuhren auf den invertierenden Eingang 17 des Verstärkers 18. Vom Ausgang 19 des Verstärkers 18 zum invertierenden Eingang 17 besteht eine Y/iderStandsgegenkopplung. An den nichtinvertierenden Eingang 20 des Verstärkers 18 wird mit Hilfe; eines Potentiometers 21 ein einstellbares Besugspotentional angelegt. Zu diesem Zweck wird der eine Endpunkt des Potentiometers 21 an ein positives und der andere an ein negatives Potential angelegt. Diese Potentiale sind so zu 'wählen, daß entsprechend des Verstärkungsfaktors der Anordnung der Arbeitspunkt des Summierers 3 am Ausgang 19· in ge- ^:' samten. Arbeitsbereich verschiebbar ist. Der Arbeitspunkt des Summierers 3 ist also so eingestellt, daß die negative oder positive Halbwelle der ca. 40 kHz-Impulsfolge im Sät- ^; tigungsbereich des Summierers 3 liegt. Das Ergebnis eines möglichen Arbeit.spunktes zeigt Fig„3.sequence passes directly to the input 15 of the summer 3 and the approximately 300 Hz pulse train via a low-pass filter 2, which forms a sine wave from the approximately 300 Hz pulse train to the input 16 of the summer 3 · Since there are two equivalent Inputs 15 and 16, it is also possible to apply the approximately 300 Hs sine wave to input 15 and the approximately 40 kHs pulse train to input 16. Both inputs 15 and 16 lead to inverting input 17 of the amplifier 18. The output 19 of the amplifier 18 to the inverting input 17 is a Y / iderStandsgecoupling. To the non-inverting input 20 of the amplifier 18 is with help; a potentiometer 21 an adjustable Besugspotentional created. For this purpose, one end point of the potentiometer 21 is applied to a positive and the other to a negative potential. These potentials are to 'choose that, according to the gain of the arrangement of the operating point of the adder 3 at output 19 · in ^overall' so velvety. Workspace is displaceable. The operating point of the summer 3 is thus set so that the negative or positive half wave of about 40 kHz pulse train in the sowing ^; tion range of the summer 3 is located. The result of a possible work point is shown in FIG. 3.

Eine Möglichkeit zur Erzeugung dieses Potentials gemäß JIg. besteht in der Verwendung von zwei in Reihe geschalteten Z-Dioden 22 und 23, deren gemeinsamer Anschlußpunkt auf LIa ε sepotential liegt.Zur- Arbeitspunkteinstellung der Z-Dioden 22 und 23 dienen V/iderstände 24 und 25, wobei der Widerstand 24 ", an der positiven Betriebsspannung und der V/iderstand 25 an der negativen Betriebsspannung anliegt.One way to generate this potential according to JIg. consists in the use of two series-connected Zener diodes 22 and 23, whose common connection point is at LIa ε Sepotential.Zur- working point setting of the Zener diodes 22 and 23 serve V / iderstände 24 and 25, wherein the resistor 24 ", at the positive operating voltage and the V / iderstand 25 is applied to the negative operating voltage.

Das Potentiometer 21 ist mit einem Ende an der Katode der Z-Diode 22 und mit dem anderen Ende an der Anode der Z-Diode 23 angeschlossen. Der Abgriff des Potentiometers 21 befindet sich in einer Stellung, bei derentweder die positive Ampli-The potentiometer 21 is connected at one end to the cathode of the Zener diode 22 and at the other end to the anode of the Zener diode 23. The tap of the potentiometer 21 is in a position where either the positive amplitude

tude der Hüllkurve des Sumnensignals gleich dem positiven. . Sättigungswert oder die negative Amplitude der Hullkurve . des Sumnensignals gleich dem negativen Sättigungswert des Summierers 3 ist.Tude the envelope of the sum signal equal to the positive. , Saturation value or the negative amplitude of the hull curve. of the sum signal is equal to the negative saturation value of the summer 3.

Werden die beiden o.g. Frequenzen an die Eingänge 15 und 16 angelegt, so ergibt sich am Ausgang 19 ein Spannungsverlauf gemäß Pig. 3. ' . -If the two o.g. Frequencies applied to the inputs 15 and 16, the output 19 results in a voltage curve according to Pig. 3. '. -

Daο Signal gemäß Fig. 3 gelangt auf den piezokeramischen Ultraschallgeber 4, der ein amplitudenmoduliertes Signal abstrahlt. Die positiven oder negativen Flanken der 300 Hz-Impulsfolge werden im Differentiator 5 differenziert. Diese differenzierten Impulse dienen als Startsignal in der Auswertelogik zur Durchschaltung einer beliebigen Zählfrequenz für eine Zählerstufe.The signal according to FIG. 3 reaches the piezoceramic ultrasound transmitter 4 which emits an amplitude-modulated signal. The positive or negative edges of the 300 Hz pulse train are differentiated in the differentiator 5. These differentiated pulses serve as a start signal in the evaluation logic for switching through an arbitrary counting frequency for a counter stage.

Die vom piezokeramischen Ultraschallempfänger 7 aufgenommene amplitudenmodulierte Schwingung gelangt über einen Verstärker 8 in einen Gleichrichter 9, v/o das Empfangs signal deraoduliert wird. In einem Filter 10 wird aus diesem demodulierten Signal die niederfrequente Schwingung von ca. 300 Hz 'zurück-' gewonnen. Ein Komparator 11 formt aus dem niederfrequenten Sinussignal eine Rechteckfrequenz, deren positive oder negative Flanken in einem Differentiator 12 differenziert werden. Diese differenzierten Impulse dienen in der Auswertelogik 6 als Stopsignal für die Zählerstufe. Die Phasenverschiebung zwischen Start- und Stopsignal, die gleichzeitig die Phasenverschiebung zwischen Sende- und.Empfängersignal darstellen, ist ein 1.1a3 für die Entfernung zwischen Objekt und Sende- und EmpfangeranOrdnung, welche starr mit der Einrichtung zur Bearbeitung des Objektes gekoppelt ist. Die Impulse der Zählfrequenz, die zwischen Start- und Stopsignal in den Zähler der Auswertelogik 6 einlaufen, sind somit ein Maß für die gemessene Entfernung und gelangen über ein Register 13 zur weiteren Verarbeitung in den Mikrorechner 14, der daraus die notwendigen Steuersignale für die Stellglieder ermittelt.The amplitude-modulated oscillation received by the piezoceramic ultrasonic receiver 7 passes via an amplifier 8 into a rectifier 9, the signal is deraoduliert the signal. In a filter 10, the low-frequency oscillation of about 300 Hz is 'recovered' from this demodulated signal. A comparator 11 forms a rectangular frequency from the low-frequency sine signal whose positive or negative edges are differentiated in a differentiator 12. These differentiated pulses are used in the evaluation logic 6 as a stop signal for the counter stage. The phase shift between the start and stop signals, which simultaneously represent the phase shift between the transmit and receive signals, is a 1.1a3 for the distance between the object and the transmit and receive order, which is rigidly coupled to the device for processing the object. The pulses of the counting frequency, which run into the counter of the evaluation logic 6 between the start and stop signals, are thus a measure of the measured distance and pass through a register 13 for further processing in the microcomputer 14, which determines therefrom the necessary control signals for the actuators ,

Claims

Lr fin dun csan sr ru ru

1. Circuit arrangement for continuous non-contact distance measurement using piezokeranischer sensors, wherein transmitter and receiver are separate components, characterized in that one output of a clock generator (1) having an input of a summer (3) and the other output of the clock generator; (1 ) is connected to a low-pass filter (2): the output of the low-pass filter (2) is also in communication with an input of the inverter (3) and the output of the summer (3) is the piezoceramic ultrasonic transmitter: (4) .which -for that; Low pass (2) - _v leading ^ / Au-S-; In addition to the operation of the clock generator (T), it is guided by an operator: (5), at whose output there is an evaluation logic. (6) and the piezo-ceramic ultrasound receiver (7) located in the region of the piesokeramic ultrasound transmitter (4) is connected to an amplifier (S) whose output is followed by a rectifier (9) connected to a filter (10) is and at the output of the filter (TO) is a comparator (11) to which a differentiator (12) is connected, whose output as the second input to Auswertelogik (6) leads and at a third input of the evaluation logic (6) a clock source arbitrary Source is connected, wherein the output of the Auswertelogik (6) is connected to a register (13), which follows a IkL kr ore elin er (14), whose output is connected to an application-specific actuator.

2 »Device according to item 1, characterized in that the summer (3) with two inputs (15 and 16) off. equipped with the inversion

the. Entrance (17). an amplifier (18) are connected and the output (19) via a resistor to the inverting input (17) is fed back, while the non-inverting Lingang (20) is connected to the tap of a potentiometer (21) whose initial terminal with a positive voltage source and whose terminal is connected to a negative voltage source, is such that when the tap of the potentiometer (21) is at positive potential, the positive amplitude of the envelope of the sum signal equals the positive saturation value and if it is at negative potential, negative amplitude of the envelope of the sum signal is equal to the negative saturation value of the summer (3).

Here are drawings