DD266857A1

DD266857A1 - CIRCUIT ARRANGEMENT FOR EVALUATING ECHOSIGNALS OF AN ULTRASOUND DISTANCE METER

Info

Publication number: DD266857A1
Application number: DD30787287A
Authority: DD
Inventors: Dieter Dietrich
Original assignee: Werkzeugmasch Forschzent
Priority date: 1987-10-13
Filing date: 1987-10-13
Publication date: 1989-04-12

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf die Entfernungsmessung nach dem Laufzeitverfahren. Der Entfernungsmesser arbeitet im Impulsbetrieb und mit einer in Abhaengigkeit von der Impulsamplitude mitgefuehrten Komparatorschwelle. Beteiligt ist eine Erfassungseinrichtung fuer den Nulldurchgang einer vorbestimmten Halbwelle in einem Echosignal-Impulspaket. Es wird ein Huellkurvensignal zum Echosignal eingesetzt. Die Anordnung stellt anhand der Dauer eines Auswerteimpulses fest, ob die vorbestimmte Halbwelle oder infolge von Stoereinfluessen fehlerhaft eine vorhergehende beziehungsweise nachfolgende Halbwelle erfasst wurde. Die eine Flanke des Auswerteimpulses wird vom Nulldurchgang und die andere Flanke von einer Generiereinrichtung bestimmt, die von der Komparatorschwelle und vom Huellkurvensignal beaufschlagt ist. Das Anwendungsgebiet der Erfindung sind Ultraschall-Entfernungsmessungen mit unter Praxisbedingungen geforderten hohen Genauigkeiten im Entfernungsbereich zwischen etwa 5 cm und 5 m. Fig. 1The invention relates to the distance measurement according to the transit time method. The rangefinder operates in pulsed mode and with a comparator threshold carried as a function of the pulse amplitude. Involved is a detection device for the zero crossing of a predetermined half-wave in an echo signal pulse packet. A envelope signal is used for the echo signal. The arrangement determines on the basis of the duration of an evaluation pulse, whether the predetermined half-wave or faulty due to a Stoereinflußessen a preceding or subsequent half-wave was detected. The one edge of the evaluation pulse is determined by the zero crossing and the other edge by a generator, which is acted upon by the comparator threshold and the Huellkurvensignal. The field of application of the invention are ultrasonic distance measurements with high accuracies required under practical conditions in the distance range between approximately 5 cm and 5 m. Fig. 1

Description

Hierzu 3 Seiten ZeichnungenFor this 3 pages drawings

Anwendungsgebiet der ErfindungField of application of the invention

Die Erfindung bezieht sich auf die Entfernungsmessung mittels Ultraschall nach dem Laufzeitverfahren. Ihre Anwendung ist dort möglich und zweckmäßig, wo unter Pr' .sbedlngungen eine hohe Meßgonaulqkejt gofordert wird und die in Luft übertragonon Schallwellen einen Entfernungsbereich von etwa 5...500cm erfassen.The invention relates to the distance measurement by means of ultrasound according to the transit time method. Their application is possible and expedient where under Pr '.sbedlängungen a high Meßgonaulqkejt is gofordert and the luftertragonon sound waves cover a distance range of about 5 ... 500cm.

Charakteristik des bekannten Standes der TechnikCharacteristic of the known state of the art

Bei Ultraschall-Entfernungsmessern, die im Impulobetrieb arbeiten, weist das von einem Plezoschwinger ausgegebene Sendesignal die Form eines Impulspaketes auf. Dieses Impulspaket besteht aus mohreren einzelnen Schwingungen mit zunächst ansteigender und danach wieder abfallender Amplitude. Der ebenfalls als Piezoschwinger ausgebildete Empfänger erzeugt ein elektrisches Echosignal in Form wiederum eines solchen Impulspakets. Soll bei der Messung der Laufzeit des Ulticschalls zwischen Sender und Empfänger eine gewünschte Genauigkeit eingehalten werden, muß gosichort sein, daß zur Auswertung stets die gleiche Empfangsschwingung innerhalb dos Impulspakets sowie ein gleicher Punkt dieser Empfangsschwingung herangezogen wird.In ultrasound range finders that operate in pulse mode, the output from a Plezo oscillator transmission signal in the form of a pulse packet. This pulse packet consists of mohreren individual oscillations with initially increasing and then falling again amplitude. The likewise designed as a piezoelectric vibrator receiver generates an electrical echo signal in the form of turn such a pulse packet. If a desired accuracy is to be maintained in the measurement of the transit time of the ultrasonic signal between transmitter and receiver, it must be correct that the same reception oscillation within the pulse packet and an identical point of this reception oscillation are always used for the evaluation.

Aus DE-PS 3149256 ist bereits eine Auswerteschaltung bekannt, die diese Funktion ausübt. Sie arbeitet mit einer von dor Amplitude des Empfangssignals mitgeführten Komparatorschwelle, die aus der Überlagerung dor Ausgangssignale zweier Spitzenwertdetektoren zusammengesetzt ist. Die Laufzeit wird anhand der Länge eines Impulses gemessen. Den Anfangszeitpunkt für diese Messung setzt der Ansteuerimpuls für den Ultraschallsender.From DE-PS 3149256 an evaluation circuit is already known, which exercises this function. It operates with a comparator threshold carried by the amplitude of the received signal, which is composed of the superposition of the output signals of two peak detectors. The transit time is measured by the length of a pulse. The start time for this measurement sets the drive pulse for the ultrasonic transmitter.

Das Ende der Laufzeitmessung legt der erste von gegebenenfalls mehroren Impulsen fest, die von einem Komparator erzeugt werdon, sobald eine Empfrngsschwingung des Echosignal-Impulspakets die mitgeführte Komparatorschwelle überschreitet. Der Linearitätsfehler läßt sich bei einem angenommenem Meßbereich von 2 bis 20cm verringern, wenn als Referenzpunkt für das Ende der Laufzeitmessung der jeweilige Nulldurchgang der Empfangsschwingung verwendet wird. Diese bekannte Lösung schließt ein, den Einfluß von Störungen abzuwenden, damit die erreichte Meßgenauigkeit auch tatsächlich gesichert bleibt. In diesem Zusammenhang wird darauf hingewiesen, die Komparatorschwelle abzusenken. Damit lassen sich zwar störungsbedingte Amplitudenverringerungen der maßgeblichen Emp'angsschwlngungon besser bohorrschon, jedoch treten eine Rollte neuer Probleme auf, beispielsweise wenn auch mit störungsbedingten Amplitudenerhöhungen gerechnet werden muß.The end of the transit time measurement determines the first of optionally multi-core pulses generated by a comparator as soon as a receive oscillation of the echo signal pulse packet exceeds the entrained comparator threshold. The linearity error can be reduced with an assumed measuring range of 2 to 20 cm, if the respective zero crossing of the receiving oscillation is used as the reference point for the end of the transit time measurement. This known solution includes averting the influence of interference, so that the measurement accuracy achieved actually secured. In this context, it is pointed out to lower the comparator threshold. Thus, while disturbance-related amplitude reductions of the relevant Emp'angsschwlngungon can bohorrschon better, but a roll of new problems occur, for example, if it must be expected with disturbance-induced amplitude increases.

Diese Maßnahme berücksichtigt nachteiligerweise wesentliche Störeinflüsse nicht, wie sie unter praktischen Bedingungen beispielsweise eines Werkstattbetriebes auftreten. Es handelt sich dabei um zwei Arten von Störungen, die das Echosignal-Impulspaket in unterschiedlicherweise verfälschen.This measure detrimentally takes into account significant disturbances, as they occur under practical conditions, for example, a workshop operation. These are two types of interference that falsify the echo signal pulse packet in different ways.

Zum einen können Amplitudenschwankungen auftreten, die sich über das gesamte Echosignal-Impulspaket erstrocken, dessen Form aber dabei unverändert lassen. Ursache für diese Art Störungen sind Luftturbulenzen, die beispielsweise durch zuschlagende Türen oder durch Druckluft hervorgerufen werden. Ihr Einfluß steigt mit der zu messenden Entfornung und wird von leistungsschwachen Schallsignalen begünstigt. Die unerwünschte Auswirkung besteht darin, daß das Echosignal-Impulspaket insgesamt so weit abgedankt werden kann, daß der unter ungestörten Bedingungen entstehende Schnittpunkt mit der mitgeführten Komparatorschwello entweder überhaupt nicht odor abweichend von der ungestörten Auswertung an einer falschen Halbwelle zuiitande kommt.On the one hand, amplitude fluctuations may occur which are asphyxiated over the entire echo signal pulse packet but whose shape is left unchanged. The cause of this type of disturbance is air turbulence caused, for example, by slamming doors or compressed air. Their influence increases with the to be measured Entfornung and is favored by low-power sound signals. The undesirable effect is that the total echo signal pulse packet can be abated so far that the resulting under undisturbed conditions intersection with the entrained Kompaktatorschwello either not odor deviating from the undisturbed evaluation at a false half wave zuiitande comes.

Zum anderen können Schwankungen einer einzelnen Amplitude odor weniger Amplituden innerhalb dos Echosignal-Impulspakets auftreten. Für diese Art Störungen liegt die Ursache im akustischen und/oder elektrischen Rauschen. Ersteres wird beispielsweise durch Preßluft oder Klirrgeräusche von Metallteilen ausgelöst, letzteres durch die Empfängerschaltung des Entfernungsmessers selbst. Auch hier wird die Auswortung dann nicht mehr anhand derjenigen Halbwolle vorgenommen, die unter ungestörten Bedingungen ermittelt wurde, sondern fehlerhaft an einer vorhergehenden oder nachfolgenden Halbwolle.On the other hand, fluctuations of a single amplitude or fewer amplitudes within the echo signal pulse packet can occur. For this type of interference, the cause lies in the acoustic and / or electrical noise. The former is triggered for example by compressed air or distortion of metal parts, the latter by the receiver circuit of the rangefinder itself. Here, the Auswortung is then no longer made on the basis of that half wool, which was determined under undisturbed conditions, but faulty on a previous or subsequent half wool.

The object of the invention is to eh ig improved noise immunity achieved Werian. Explanation of the essence of the invention

Dor Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Schaltungsanordnung zum Auswerten von Echosignalen eines Ultraschall-Entfernungsmessers gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs so auszubilden, daß ein momentaner Zustand, dor eine ungestörte und anhand der vorbestimmten Halbwelle durchführbare Auswertung erlaubt, von einem momentanen Zustand unterschieden werden kann, der durch Störimpulsa verursacht eine nur a'ußerhalb der vorbestimmten Halbwolle mögliche und deshalb korrekturbedürftige Auswertung gestattetDor invention is based on the object, a circuit arrangement for evaluating echo signals of an ultrasonic rangefinder according to the preamble of claim form so that a momentary state that an undisturbed and feasible based on the predetermined half wave evaluation can be distinguished from a current state, which caused by Störimpulsa only a'ußerhalb the predetermined half wool possible and therefore requires correction evaluation

Erfindungsgemäß wird die Aufgnbe dadurch gelöst, daß die Erfassung der vorbestimmten Halbwelle oder aber einer vorhergehenden bezlehungswelne nachfolgenden Halbwelle in der Dauer eines Auswerteimpulses abgebildet, die eine Flanke des Auswerteimpulses von der Erfaseungseinrichtung festgelegt, für die ändere Flanke des Auswerteimpulses eine von der mltgefilhrten Komparatorschwelle und vom Hüllkurvensignal beaufschlagte Genoriereinrichtu.ng vorgesehen, ein vorzugsweise als NOH-Glied ausgebildetes Gatter elngangssoitlg gotrennt dor Erfassungseinrichtung und übor ein erstes Zeitverzögerungsglied der Generiereinrichtung nachgeschaltat und der Auswerteimpuls am Gattei ausgang abgreifbar ist.According to the invention, the Aufgnbe is achieved in that the detection of the predetermined half-wave or a previous beleihungswelne subsequent half wave imaged in the duration of a Auswerteimpulses, which defines an edge of the evaluation of the Erfaspungseinrichtung, for the other edge of the evaluation pulse from the mltgefilannten comparator threshold and from Envelope signal acted upon Genoriereinrichtu.ng provided a preferably designed as a NOH gate gnngangssoitlg gotrennungs dor detection means and downstream of a first time delay element of the generator downstream and the evaluation pulse at Gattei output can be tapped.

In einer vorteilhaften einfachen Ausgestaltung lot die Generiereinrichtung aus der Reihenschaltung eines Kompensator und eines Flipflops gebildet.In an advantageous simple embodiment, the generating device is formed by the series connection of a compensator and a flip-flop.

Die erfindungsgemäße Lösung erlaubt es, eine Laufzeitmessung mit einem durch Störoinflüsso verursachten Fehler in der Größenordnung des Einfachen oder eines Vielfacher, einer Periodendauer τ einer Empfangsschwingung innerhalb dos Echosignal-Impulspakets festzustellen. In einem solchen Fall läßt sich die zu messende fehlorbohaftete Laufzeit durch Hinzufügen von ±n τ so korrigieren, daß die Auswertung als störfest angesohon werden kann und die vom Ende dos erforderlichenfalls korrigierten Auswerteimpulses zu startende bekannte Bestimmung der Entfernung zwischen Sonder und Empfänger eine hohe Genauigkeit aufweist Der ganzzahlige Faktor η beträgt in der Mehrzahl der Fällo Eins.The solution according to the invention makes it possible to determine a propagation time measurement with an error caused by interference in the order of the simple or a multiple, a period τ of a reception oscillation within the echo signal pulse packet. In such a case, the Fehlorbohaftete running time to be measured by adding ± n τ can be corrected so that the evaluation can be regarded as immunity ansoh the starting from the end dos if necessary corrected evaluation pulse to be started known determination of the distance between special and receiver has a high accuracy The integer factor η is one in the majority of cases.

Ausfuhrungihelsplel The invention will be described in more detail below with reference to an embodiment of the invention. Show it Flg. 1: a block diagram of the solution according to the invention, Flg. Figure 2 is a block diagram of the detection port used in connection with the solution; 3 shows a block diagram of the generation device in the solution according to the invention, 4 shows a waveform and pulse diagram for selected locations of the circuit arrangement

Gemäß Figur 1 ist eine Erfassungseinrichtung 1 eines Ultraschall-Entfernungsmessers von Echosignal-Impulspakoten ES sowie von einer mitgeführten Kompeiatorschwelle KS beaufschlagt.According to FIG. 1, a detection device 1 of an ultrasound rangefinder is acted upon by echo signal pulse packets ES and by an entrained compressor threshold KS.

Die Stelle C kennzeichnet den Ausgang der Erfassungseinrichtung 1. Die mitgeführte Komparatorschwello KS sowie ein Hüllkurvensignal EH für das Echosignal-Impulspaket ES werden einer Generioroinrlchtung 2 zugeführt, deren Ausgang als Stolle E bezeichnet ist. An die Gonerierelnrichtung 2 schließt sich ein erstss Zeitvorzögorungsglied 3 an. Ein Gatter ist vorzugsweise in Form eines NOR-Gllods 4 ausgeführt. Es ist übor seinen ersten Eingang der Erfassungseinrichtung 1 nachgeschaltet und über seinen zweiten Eingang dom ersten Zoitvorzögorungsglied 3. Dor Ausgang dos orsten Zeltverzögerungsgliede 3 ist als Stelle F und den Ausgang des NOR-Glieds 4 ais Stollo G bozoichnot. Gemäß Figur 2 gelangt das Echosignal-Impulspaket ES innerhalb dor Erfassungseinrichtung 1 auf den erstun Eingang einos Meßkomparators 5, dom in Reihe ein orstes Tor β und ein erstes Flipflop 7 nachgeschaltet sind. Der Ausgang des leßkomparators δ ist mit A bezeichnet und der Ausgang dos ersten Tors 6 mit B. Den Ausgang des ersten Flipflops 7 bildet die schon genannte Stelle C. Der zweite Eingang dos Meßkomparators 5 ist über oln zweitos Tor 8 mit dor Komparatorschwelle KS oder alternativ hierzu über ein drittes Tor 9 mit Nullpotontial beaufschlagt. Ein zweites Flipflop 10 ist am Meßkomparator 5 angeschlossen. Sein nichtinvertierter Ausgang ist auf den Steuereingang dos zweiten Tors 8 geführt und außerdem über ein zweites Zeitverzögerungsglied 11 mit dem Steuoreingang des e.ston Tora β verbunden. An< invertierten Ausgang dos zweiten Flipflops 10 ist der Steuereingang des dritten Tors 9 angeschlossen.The location C identifies the output of the detection device 1. The entrained Kompaktatorschwello KS and an envelope signal EH for the echo signal pulse packet ES are fed to a Generioroinrlchtung 2, whose output is designated as Stolle E. At the Gonerierelnrichtung 2 a first Zeitvorzögorungsglied 3 connects. A gate is preferably designed in the form of a NOR Gllods 4. It is downstream of its first input of the detection device 1 and via its second input dom first Zoitvorzögorungsglied 3. Dor exit dos orsten tent delay elements 3 is as point F and the output of the NOR gate 4 a Stollo G bozoichnot. According to FIG. 2, the echo signal pulse packet ES arrives within the detection device 1 at the first input of a measuring comparator 5, dom in series, a first gate β and a first flip-flop 7 are connected downstream. The output of the Leßkomparators δ is denoted by A and the output of the first gate 6 with B. The output of the first flip-flop 7 forms the already mentioned point C. The second input dos Meßkomparators 5 is via oln zweitos gate 8 with dor Komparatorschwelle KS or alternatively this acted on a third goal 9 with Nullpotontial. A second flip-flop 10 is connected to the Meßkomparator 5. Its non-inverted output is fed to the control input dos second gate 8 and also connected via a second time delay element 11 to the control input of the e.ston Tora β. At <inverted output dos second flip-flop 10, the control input of the third gate 9 is connected.

Die in Figur 3 näher ausgeführte Generioreinrichtung 2 setzt sich aus dor Reihenschaltung eines Komparators 12 und eines dritten Flipflops 13 zusammen. Der Ausgang des Komparators 12 ist als Stollo D bezoichnot. Den Ausgang dos dritten Flipflops 13 bildet die schon genannte Stelle E.The generator device 2 embodied in more detail in FIG. 3 is composed of the series connection of a comparator 12 and of a third flip-flop 13. The output of the comparator 12 is referred to as Stollo D. The output of the third flip-flop 13 forms the already mentioned point E.

Ist τ die Periodendauer einer Empfangsschwingung innerhalb des Echoslgnal-Impulspakeis, dann ist das erste Zeitverzögerungsglied 3 für eine Verzögerungszoit von ι < τ/4 eingestellt und das zweite Zoitveizögerungsglied 11 für eine Verzögerungszeit von t« 2t.If τ is the period of a reception oscillation within the echo signal pulse packet, the first time delay element 3 is set for a delay time of ι <τ / 4 and the second delay element 11 is set for a delay time of t «2t.

Die Wirkungsweise der Schaltungsanordnung setzt voraus, daß die mitgeführte Komparatorschwelle KS schon vorliegt. Sie wird während jeweils nines ersten Schritts in einem nicht dargestellten Schaltungstoil gebildet. An ihn schließt sich in einom jeweils zweiten Schritt die Auswertung des Nulldurchgangs in der Erfassungseinrichtung 1, der Hüllkurve in der Generiereinrichtung 2 sowei die auf beiden basierende Laufzeitmessung erst an, Der zweite Schritt schließt oin ' Freigabesignal FR für die Γ lipflops 7,10 und 13 ein.The operation of the circuit requires that the entrained Komparatorschwelle KS already exists. It is formed during each nines first step in a circuit not shown. This is followed in each case in a second step by the evaluation of the zero crossing in the detection device 1, the envelope in the generator 2 and the two-based transit time measurement only at the second step closes oin 'enable signal FR for the f lipflops 7,10 and 13th on.

Wie aus Figur 4 hervorgeht, ist die Wirkungswelse der Schaltungsanordnung anhand von drei unterschiedlichen Fällen erläutert. Aus einer ersten Spa !to sind die Signalvorläufe für ein Echosignal-Impulsaspekt ES und für ein Hüllkurvensiynal EH jeweils einschließlich der Komparatorschwolle KS sowie die Impulsdiagramme für die ausgewählten Stelion AbIsGIm ungestörten Fall ersichtlich. Die Dauer des Auswerteimpulses dient als Bezugswert in einer nicht dargestelltun Auswerteoinheit, die dom NOR-Glied 4 nachgeschaltot ist.As is apparent from Figure 4, the Wirkungswelse the circuit arrangement is explained with reference to three different cases. From a first spa, the signal headers for an echo signal pulse aspect ES and for an envelope curve EH respectively including the comparator roll KS and the pulse diagrams for the selected position AbIsGIm undisturbed case can be seen. The duration of the evaluation pulse serves as a reference value in an evaluation unit, not shown, which is connected downstream of NOR gate 4.

In einer zweiten Spalte zeigt Figur 4 den gostötten Fall dahingehend, daß die Komparotorschwelle KS bereits bei einer zu frühen Empfangsschwingung im Impulspaket überschritten wird. Dieser Periodensprung äußert sich in einer vergrößerten Dauer dos Auswerteimpulses an der Stelle Q.In a second column, Figure 4 shows the gotötten case to the effect that the Komparotorschwelle KS is exceeded even at too early receiving oscillation in the pulse packet. This period jump is expressed in an enlarged duration dos evaluation pulse at the point Q.

Die dritte Spalte in Figur 4 zeigt die entsprechenden Verhältnisse, wenn die Komparatorschwelle KS bei einer zu späten Empfangsschwingung im Impulspaket überschritten wird. Hier vorkürzt sich die Dauer des Ausv/ertolmpulsos an der Stelle G. In beiden gestörten Fällen läßt sich die Laufzeit durch Addition oder Subtraktion der Periodendtuer τ in der erforderlichen einfachen oder mehrfachen Anzahl so korrigieren, als sei die Komparatorschwelle KS wie im ungestörten Fall hol der vorbestimmten positiven oder negativen Halbwolle im Impulspaket überschritten worden.The third column in FIG. 4 shows the corresponding conditions when the comparator threshold KS is exceeded at too late a receiving oscillation in the pulse packet. Here, the duration of the expulsion pulse is preceded by the point G. In both disturbed cases, the runtime can be corrected by adding or subtracting the period door τ in the required single or multiple number, as if the comparator threshold KS were the same as in the undisturbed case predetermined positive or negative half-wool exceeded in the pulse packet.

Zu den Voraussetzungen fur die erreichte Wirkung gehört, daß die Bildung dor Hüllkurve eine gewisse Zoit beansprucht und die Komparatorschwelle KS im Hüllkurvensignal und im Echoslgnal-Impulspakot zu unterschiedlichen Zeitpunkten erreicht wird. Die in der Erfassungseinrichtung 1 an der Stelle C erzeugte Flanke bestimmt den Beginn des Ausworteimpulses an dor Stelle G und die in der Generiereinrichtung 2 an der Stelle F erzeugte Flanke das Ende dos Auswerteimpulsos.One of the prerequisites for the effect achieved is that the formation of the envelope requires a certain amount of Zoit and the comparator threshold KS in the envelope signal and in the echo-signal pulse packet is reached at different times. The edge generated in the detection device 1 at the point C determines the beginning of the Auswurtimpulses at the point G and the edge generated in the generating device 2 at the point F, the end of the evaluation impulse.

Claims

1. A circuit arrangement for evaluating echo signals of an ultrasonic rangefinder, which operates in the pulse mode and mitgoführung depending on the pulse amplitude comparator, with a detection means for the zero crossing of a predetermined positive or negative half-wave within an echo signal pulse packets, using an envelope signal to Echosignal, characterized in that the detection of the predetermined half-wave or a preceding or subsequent half-wave in the duration of a Auswerteimpulses mapped, the oine edge of the evaluation pulse of the detection device (1) fixed, for the other edge of the evaluation pulse one of the entrained Komparatorschwelle and Generating device (2) acted upon by the envelope signal, a gate formed preferably as a NOR element (4) is separated on the input side from the detection device (1) and via a first time delay member (3) de '' generating device (2) connected downstream and the evaluation pulse at the gate output can be tapped.

2. A circuit arrangement according to claim 1, characterized in that the generating device (2) from the series circuit of a comparator (12) and a flip-flop (13) is formed.