DE10022054A1 - Optischer Distanzsensor - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen optischen Distanzsensor (1) mit einem Sendelichtstrahlen (3) emittierenden Sender (4), wenigstens einem Oszillator (13) zur Modulation der Sendelichtstahlen (3), einem Empfangslichtstrahlen (5) empfangenden Empfänger (6) und Mitteln zur Bestimmung der laufzeitbedingten Verzögerung der von einem Objekt (12) reflektierten Empfangslichtstrahlen. Die Phasenverschiebung zwischen Sende- (3) und Empfangslichtstrahlen (5) ist auf einen vorgegebenen Wert geregelt.

Description

Die Erfindung betrifft einen optischen Distanzsensor gemäß der Oberbegriff des Anspruchs 1.

Ein derartiger Distanzsensor ist aus der DE 43 03 804 C2 bekannt. Dieser Dis­ tanzsensor umfasst einen Sendelicht emittierenden Laser, dessen Sendelicht­ strahl mit zwei vorgegebenen Modulationsfrequenzen amplitudenmoduliert ist, sowie einen Empfänger und einen Phasendetektor zur Ermittlung der Phasen­ differenz des Sendelichtstrahls und des von einem Objekt reflektierten Emp­ fangslichtstrahls. Der Phasendetektor umfasst im wesentlichen zwei phasen­ empfindliche Gleichrichter, welchen das Empfangssignal des Empfängers um 90° phasenversetzt zugeführt wird. Zur Bestimmung der Entfernung eines Ob­ jektes werden diese beiden Signale dividiert. Die Modulationen des Sendelicht­ strahls erfolgen mit den jeweiligen Modulationsfrequenzen zeitlich getrennt. Zur Ermittlung der Distanz eines Objekts zur Einrichtung wird das Objekt mit beiden Modulationsfrequenzen vermessen. Die Beträge der Modulationsfre­ quenzen sind teilerfremde Zahlen gleicher Größenordnung. Die Änderung der Modulationsfrequenz erfolgt innerhalb vorgegebener, an die Geschwindigkeit der Objekte relativ zur Einrichtung angepasster Intervalle.

Ein wesentlicher Nachteil dieser Vorrichtung besteht darin, dass die hohe An­ forderung an die Phasenmessgenauigkeit einen hohen Schaltungsaufwand be­ dingt.

Insbesondere ist nachteilig, dass die Division der Ausgangssignale der phasen­ empfindlichen Gleichrichter einen hohen Zeitaufwand erfordert. Zudem ergibt sich ein hoher Schaltungsaufwand dadurch, dass den phasenempfindlichen Gleichrichtern das Empfangssignal zeitgleich zugeführt werden muss. Schließ­ lich variiert entsprechend den Änderungen des Empfangssignals der Arbeits­ punkt des Phasendetektors, wodurch Schaltspitzen erzeugt werden, die zu er­ heblichen Messfehlern führen können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Vorrichtung der eingangs ge­ nannten Art zu schaffen, die mit geringem Schaltungsaufwand eine sichere Detektion von Objekten mit weitgehend beliebigen Oberflächen in einem gro­ ßen Entfernungsbereich gewährleistet.

Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin­ dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.

Bei dem erfindungsgemäßen Distanzsensor wird die Phasenverschiebung zwi­ schen Sende- und Empfangslichtstrahlen auf einen vorgegebenen Wert gere­ gelt.

Vorzugsweise ist zur Ermittlung der Phasendifferenz ein Synchrongleichrichter vorgesehen, welchem die Empfangssignale am Ausgang des Empfängers sowie die Ausgangssignale des den Sender modulierenden Oszillators oder eines Taktoszillators, dessen Frequenz im wesentlichen mit der Frequenz aus dem Sender modulierenden Oszillator übereinstimmt, zugeführt werden.

Die Phasenverschiebung zwischen Sende- und Empfangslichtstrahlen wird dann vorzugsweise auf einen Wert eingeregelt, bei welchem der Mittelwert des Ausgangssignals des Synchrongleichrichters zumindest näherungsweise den Wert null annimmt.

Die Distanzmessung erfolgt dann entweder durch eine Zeit- oder Frequenzmes­ sung.

In einer ersten Ausführungsform ist zwischen dem Sender und dem Oszillator ein Verzögerungsglied angeordnet, dessen Verzögerungszeit zur Regelung der Phasenverschiebung einstellbar ist. Die so eingestellte Verzögerungszeit wird als Maß für die Objektdistanz ausgewertet.

In einer zweiten Ausführungsform ist der Sender durch den Oszillator mit einer festen Frequenz f₂ moduliert, während der Ausgang des Taktoszillators auf den Synchrongleichrichter geführt ist. Dabei ist die Frequenz f₁ des Taktoszillators zur Regelung der Phasenverschiebung einstellbar.

Durch Vergleich der Frequenzen f₁ und f₂ wird ein Maß für die Objektdistanz abgeleitet.

In einer dritten Ausführungsform ist die Frequenz des Oszillators zur Regelung der Phasenverschiebung veränderbar, wobei die so eingestellte Frequenz des Oszillators ein Maß für die Objektdistanz liefert.

Bei allen Ausführungsformen wird der Synchrongleichrichter bei einem gleich­ bleibenden Arbeitspunkt betrieben. Dadurch wird eine hohe Reproduzierbarkeit und Genauigkeit der Entfernungsmessung erhalten.

Weiterhin ist vorteilhaft, dass zur Durchführung der Distanzbestimmung keine zeitaufwendige Division durchgeführt werden muss.

Die Entfernungsmessung erfolgt durch Zeit- oder Frequenzmessungen, die mit geringem Schaltungsaufwand bewerkstelligt werden können.

Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:

Fig. 1a: Schnitt der Seitenansicht des Aufbaus der optischen Kompo­ nenten des erfindungsgemäßen Distanzsensors.

Fig. 1b: Schnitt der Draufsicht der Darstellung gemäß Fig. 1a.

Fig. 1c: Schnitt der Rückansicht der Darstellung gemäß Fig. 1a.

Fig. 2: Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Distanzsensors.

Fig. 3: Impulsdiagramme der Signalamplituden von Komponenten des Distanzsensors gemäß Fig. 2.

Fig. 4: Blockschaltbild eines zweiten Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Distanzsensors.

Fig. 5: Impulsdiagramme der Signalamplituden von Komponenten des Distanzsensors gemäß Fig. 4.

Fig. 6: Blockschaltbild eines dritten Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Distanzsensors.

Fig. 7: Impulsdiagramme der Signalamplituden von Komponenten des Distanzsensors gemäß Fig. 6.

Fig. 8a: Distanzabhängigkeit der Verzögerungszeiten des Empfangssig­ nals gegenüber dem Sendesignal für den Distanzsensor gemäß Fig. 6.

Fig. 8b, c: Distanzabhängigkeit der Frequenzen des Oszillators des Dis­ tanzsensors gemäß Fig. 6 für verschiedene Distanzbereiche.

Fig. 9: Blockschaltbild eines vierten Ausführungsbeispiels des erfin­ dungsgemäßen Distanzsensors.

Fig. 10: Impulsdiagramme der Signalamplituden von Komponenten des Distanzsensors gemäß Fig. 9.

In den Fig. 1a-c ist schematisch der Aufbau der optischen Komponenten des erfindungsgemäßen optischen Distanzsensors 1 dargestellt.

Der Distanzsensor 1 ist in einem Gehäuse 2 integriert und weist einen Sende­ lichtstrahlen 3 emittierenden Sender 4 sowie einen Empfangslichtstrahlen 5 empfangenden Empfänger 6 auf. Der Sender 4 ist von einer Leuchtdiode oder einer Laserdiode gebildet, der Empfänger 6 besteht aus einer Fotodiode.

Dem Sender 4 ist einer Sendeoptik 7 vorgeordnet, welche von einer Linse ge­ bildet ist. Die Sendeoptik 7 ist in einer Fassung 8 mit einer Blende 9 gelagert. Diese Fassung 8 sitzt in einer zentralen Ausnehmung einer Empfangsoptik 10, die aus zwei Teillinsen besteht, die in der Frontwand des Gehäuses 2 gelagert ist. Neben dem Sender 4 ist ein Referenzempfänger 11 angeordnet. Der Refe­ renzempfänger 11 besteht ebenfalls aus einer Fotodiode.

Der Hauptteil der Sendelichtstrahlen 3 ist durch die Sendeoptik 7 geführt und trifft auf ein Objekt 12, dessen Distanz bestimmt werden soll. Die vom Objekt 12 zurückreflektierten Empfangslichtstrahlen 5 werden über die Empfangsoptik 10 zum Empfänger 6 geführt.

Die Randstrahlen der Sendelichtstrahlen 3 treffen als Streulicht auf die Blende 9 und werden von dort zum Referenzempfänger 11 reflektiert.

Fig. 2 zeigt ein Blockschaltbild eines ersten Ausführungsbeispiels des Dis­ tanzsensors 1.

Dem Sender 4 ist ein Oszillator 13 vorgeordnet. Durch die im Oszillator 13 generierte, fest vorgegebene Frequenz f₁ werden die vom Sender 4 emittieren­ den Sendelichtstrahlen 3 mit der entsprechenden Frequenz f₁ moduliert. Dabei variiert die Spannung U_mod am Eingang des Senders 4 periodisch mit der Fre­ quenz f₁, wobei U_mod vorzugsweise als Rechteckspannung ausgebildet ist. Dem Empfänger 6 ist ein Verstärker 14 nachgeordnet, in welchem die am Ausgang des Empfängers 6 anstehenden Empfangssignale verstärkt werden. Die ver­ stärkten Empfangssignale U_e werden ebenso wie ein Ausgang des Oszillators 13 einem Synchrongleichrichter 15 zugeführt. Die Ausgangssignale U_g des Synchrongleichrichters 15 werden über einen Tiefpass 16 in eine Auswerteein­ heit 17 eingelesen, die von einem Mikroprozessor gebildet ist. Über einen Aus­ gang der Auswerteeinheit 17 wird ein einstellbares, digitales Verzögerungs­ glied 18 angesteuert, welches zwischen dem Sender 4 und dem Oszillator 13 angeordnet ist.

Zur Ausgabe der Messergebnisse der Distanzmessung ist an die Auswerteein­ heit 17 ein Signalausgang 19 angeschlossen. Der Signalausgang 19 kann als Analogausgang ausgebildet sein, über welchen die in der Auswerteeinheit 17 ermittelten Distanzwerte ausgegeben werden. Alternativ kann der Signalaus­ gang 19 als binärer Schaltausgang ausgebildet sein, über welchen binäre Schaltsignale ausgegeben werden. Zur Generierung der Schaltsignale werden in der Auswerteeinheit 17 die ermittelten Distanzwerte wenigstens mit einem Schwellwert bewertet. Dadurch wird ein binäres Schaltsignal generiert, wel­ ches angibt, ob sich ein Objekt 12 in einem vorgegebenen Distanzbereich be­ findet oder nicht.

Die Arbeitsweise des Distanzsensors 1 wird im folgenden anhand von Fig. 3 erläutert. Die mit der Modulationsfrequenz f₁ modulierten Sendelichtstrahlen 3 werden in Richtung des Objekts 12 emittiert und als Empfangslichtstrahlen 5 zum Empfänger 6 reflektiert. Durch die Lichtlaufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 12 und wieder zurück zum Empfänger 6 weisen die Empfangs­ lichtstrahlen 5 eine Phasenverschiebung gegenüber U_mod und damit der Fre­ quenz des Oszillators 13 auf, die im Synchrongleichrichter 15 ermittelt wird.

Erfindungsgemäß wird in einem Regelkreis diese Phasenverschiebung auf ei­ nen fest vorgegebenen Wert geregelt. Dieser Wert der Phasenverschiebung ist so gewählt, dass der Mittelwert von U_g am Ausgang des Synchrongleichrichters 15 zumindest näherungsweise den Wert null annimmt. Dieser Fall ist im unte­ ren Diagramm von Fig. 3 dargestellt.

Die Regelung der Phasenverschiebung erfolgt über die Auswerteeinheit 17. Hierzu wird in Abhängigkeit des aktuellen Werts von U_g das Verzögerungs­ glied 18 angesteuert, so dass in diesem eine bestimmte Verzögerungszeit t_d eingestellt wird, mit welchem die periodische Ansteuerung des Senders 4 mit U_mod verzögert wird. Die Einregelung wird so lange fortgeführt, bis der Mittel­ wert von U_g etwa den Wert null annimmt. Eine exakte Einstellung auf den Wert null ist im allgemeinen nicht möglich, da die im Verzögerungsglied 18 generierte Verzögerungszeit nur in diskreten Schritten einstellbar ist. Daher wird sowohl für positive als auch negative Werte von U_g die Verzögerungszeit t_d in Schritten so lange geändert, bis ein Vorzeichenwechsel von U_g auftritt. Anschließend wird vorzugsweise zwischen den so erhaltenen Werten von U_g interpoliert.

U_g nimmt dann den Wert von etwa null an, wenn die laufzeitbedingte Verzöge­ rung dt der Empfangslichtstrahlen 5 gegenüber dem Takt der Frequenz f₁ des Oszillators 13 sowie die Verzögerungszeit t_d zusammen gerade die Phasenver­ schiebung der Empfangssignale U_e und des Taktes des Oszillators 13 von 90° erzeugen. Dabei enthält dt die Verzögerungen durch die Lichtlaufzeit der Sen­ de- 3 und Empfangslichtstrahlen 5 sowie sämtliche bauteilbedingten Verzöge­ rungen. Durch diese Wahl von t_d liefert nicht nur dt sondern auch die Verzöge­ rungszeit t_d des Verzögerungsglieds 18, ein direktes Maß für die Entfernung des Objekts 12. Damit kann in der Auswerteeinheit 17 bei einem fest vorgege­ benen Arbeitspunkt des Synchrongleichrichters 15 durch eine einfache Be­ stimmung der Verzögerungszeit t_d die Distanz des Objektes 12 bestimmt wer­ den.

Fig. 4 zeigt ein zweites Ausführungsbeispiel des Distanzsensors 1.

Der Sender 4 wird wiederum vom Oszillator 13 angesteuert, in welchem eine fest vorgegebene Frequenz f₂ erzeugt wird. Durch die dementsprechend perio­ disch variierende Spannung U_mod am Eingang des Senders 4 werden die Sen­ delichtstrahlen 3 mit der Frequenz f₂ amplitudenmoduliert.

Die Empfangssignale am Ausgang des Empfängers 6 werden wiederum im Verstärker 14 verstärkt und dann dem Synchrongleichrichter 15 zugeführt.

Im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 2 wird in diesem Fall nicht das Ausgangssignal des Oszillators 13, sondern das Ausgangssignal eines separaten Taktoszillators 20 auf den Synchrongleichrichter 15 geführt. Der Taktoszillator 20 ist als VCO (voltage controlled oscillator) ausgebildet und erzeugt eine einstellbare Frequenz f₁, die gegenüber f₂ nur geringfügig ab­ weicht.

Das Ausgangssignal U_g des Synchrongleichrichters 15 wird einem Integrator 21 zugeführt und dann auf einen Eingang des Taktoszillators 20 rückgekoppelt. Die Ausgangssignale des Oszillators 13 und des Taktoszillators 20 werden ei­ nem Phasendetektor 22 zugeführt, der von einem Exklusiv-Oder-Glied gebildet ist.

Die Ausgangssignale U_PD des Phasendetektors 22 werden über einen Tiefpass in die Auswerteeinheit 17 eingelesen.

Wie aus Fig. 5 ersichtlich, wird durch die Rückkopplung des Ausgangssignals U_g des Synchrongleichrichters 15 auf den Taktoszillator 20 die Phasenver­ schiebung zwischen der Frequenz f₁ des Taktoszillators 20 und des verstärkten Empfangssignals U_e durch Verändern von f₁ so eingeregelt, dass der Mittelwert von U_g den Wert null annimmt.

Die dadurch erhaltene Phasenverschiebung zwischen f₁ und f₂ liefert dann ent­ sprechend dem Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 2 und 3 ein direktes Maß für die Objektdistanz. Die Phasenverschiebung zwischen f₁ und f₂ wird im Phasendetektor 22 als Spannung U_PD ermittelt, über den Tiefpass 23 in die Auswerteeinheit 17 eingelesen und dort ausgewertet. Dabei bildet der Tiefpass 23 im wesentlichen den Mittelwert der Spannung U_PD.

Fig. 6 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel des Distanzsensors 1.

Die Empfangssignale des Empfängers 6 oder des Referenzempfängers 11 sind wahlweise über einen Schalter S₁. einer Verstärkerstufe bestehend aus zwei Verstärkern 14, 14' zuführbar. Der zweite Verstärker 14' der Verstärkerstufe ist über einen zweiten Schalter S₂ wahlweise zu- oder abschaltbar. Die Schalter S₁, S₂ werden über die Auswerteeinheit 17 angesteuert. Die verstärkten Emp­ fangssignale U_e werden wiederum dem Synchrongleichrichter 15 zugeführt.

Der Sender 4 wird wieder über den Oszillator 13 angesteuert. In diesem Fall ist der Oszillator 13 als VCO ausgebildet und erzeugt eine einstellbare Frequenz f₁. Die Spannung U_mod variiert entsprechend der Frequenz f₁ des Oszillators 13, so dass die Sendelichtstrahlen 3 dementsprechend amplitudenmoduliert wer­ den.

Die Ausgangssignale U_g des Synchrongleichrichters 15 werden über den In­ tegrator 21 auf den Oszillator 13 rückgekoppelt. Die Ausgangssignale des Os­ zillators 13 werden in die Auswerteeinheit 17 eingelesen.

Fig. 7 zeigt die Arbeitsweise dieses Distanzsensors 1, wobei die Diagramme Signalverläufe zeigen, bei welcher entsprechend der Stellung des Schalters S₁ die Empfangssignale des Empfängers 6 auf die Verstärkerstufe geführt sind, in welcher der Schalter S₂ dauerhaft in einer vorgegebenen Schalterstellung ver­ bleibt.

Durch die Rückkopplung des Ausgangssignals U_g des Synchrongleichrichters 15 über den Integrator 21 auf den Oszillator 13 wird der Wert von U_g wieder­ um so eingeregelt, dass dessen Mittelwert den Wert null annimmt.

Durch diesen Regelprozess wird die Frequenz f₁ des Oszillators 13 und damit die Modulation der Sendelichtstrahlen 3 eingestellt.

In diesem Fall liefert die eingestellte Frequenz f₁ ein Maß für die Objektdis­ tanz, welche in der Auswerteeinheit 17 ermittelt wird.

Zur Kompensation von Alterungen von Bauteilen, Temperaturdriften und der­ gleichen, wird der Schalter S₁. periodisch umgeschaltet, so dass alternierend die Empfangssignale des Empfängers 6 und des Referenzempfängers 11 auf die Verstärkerstufe geführt sind.

Mit einer Referenzmessung, bei welcher die Randbereiche der Sendelicht­ strahlen 3 als Streulicht definiert über die Blende 9 zum Referenzempfänger 11 geführt sind, können die vorgenannten Störeinflüsse kompensiert werden.

Durch Umschalten des Schalters 52 kann der Distanzbereich, innerhalb dessen Objekte 12 erfassbar sind, variiert werden. Dies ist in den Fig. 8a-c veran­ schaulicht.

In Fig. 8a sind die Distanzabhängigkeiten der laufzeitbedingten Verzöge­ rungszeiten dt der Empfangslichtstrahlen 5 für den Fall, dass nur der Verstärker 14 aktiviert ist und für den Fall, dass beide Verstärker 14, 14' über S₂ aktiviert sind, aufgetragen. Dabei bildet t_v1 die Laufzeitverzögerung durch den ersten Verstärker 14 und t_v2 die Laufzeitverzögerung des Verstärkers 14'. Daraus ist ersichtlich, dass durch die im Verstärker 14' zusätzlich bewirkte Verzögerung t_v2 ein entsprechend größerer Wert für dt erhalten wird.

In den Fig. 8b und 8c ist jeweils die maximale Frequenz f_max und die mi­ nimale Frequenz f_min dargestellt, die im Oszillator 13 einstellbar ist. Durch die Größe des Intervalls f_max-f_min ist der Distanzbereich innerhalb dessen Objekte 12 erfassbar sind, begrenzt, da nur in diesem Intervall die Frequenz f₁ des Os­ zillators 13 streng monoton mit steigender Objektdistanz abnimmt und somit ein Maß für die Objektdistanz liefert.

In Fig. 8b ist der Fall dargestellt, dass in der Verstärkerstufe nur der erste Verstärker 14 aktiviert ist. Zudem sind die Phasenlagen der Sendelichtstrahlen 3 in den Empfangssignalen U_e so gewählt, dass diese einen Phasenunterschied von 90° aufweisen, bei welchem der Mittelwert von U_g den Wert null annimmt. Für die Einstellung wird der in Fig. 8b dargestellte distanzabhängige Fre­ quenzgang von f₁ erhalten, so dass entsprechend Objekte 12 in einem mit "Be­ reich 1 gekennzeichneten Distanzbereich erfassbar sind.

In Fig. 8c ist der Fall dargestellt, dass beide Verstärker 14, 14' der Verstär­ kerstufen aktiviert sind. Zudem ist gegenüber dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 8b das dem Synchrongleichrichter 15 zugeführte Ausgangssignal des Oszillators 13 oder das verstärkte Empfangssignal invertiert. Dementsprechend stellt sich der Mittelwert von U_g erst dann auf den Wert null ein, wenn die Pha­ sendifferenz der Eingangssignale des Synchrongleichrichters 15 270° beträgt. Dementsprechend wird der in Fig. 8c dargestellte distanzabhängige Verlauf von f₁ erhalten, so dass nun Objekte 12 innerhalb des mit "Bereich 2 gekenn­ zeichneten Distanzbereich erfassbar sind, welcher gegenüber dem Bereich 1 zu größeren Distanzen verschoben ist.

Fig. 9 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel des Distanzsensors 1, welches eine Erweiterung des Ausführungsbeispiels gemäß Fig. 7 darstellt.

Der Sender 4 wird wiederum vom Oszillator 13 angesteuert, welcher als VCO ausgebildet ist, so dass die Sendelichtstrahlen 3 mit einer Frequenz f₁ amplitu­ denmoduliert werden.

Zudem wird mit der Frequenz f₁ des Oszillators 13 ein Zähler 24 angesteuert, dessen Ausgang auf die Auswerteeinheit 17 geführt ist. Über einen Ausgang der Auswerteeinheit 17 ist der Zähler 24 über ein Resetsignal (Reset) rücksetz­ bar.

Die Empfangssignale des Empfängers 6 werden im Verstärker 14 verstärkt und dann zwei Synchrongleichrichtern 15, 15' zugeführt.

Die Ausgangssignale U₁, U₂ der beiden Synchrongleichrichter 15, 15' werden einem Subtrahierer 25 zugeführt, in welchem die Differenz

U_d = U₁ - U₂
der Ausgangssignale U₁, U₂ der Synchrongleichrichter 15, 15' gebildet wird. Das so gebildete Differenzsignal U_d wird über den Integrierer 21 der Auswerte­ einheit 17 zugeführt.

Dem Oszillator 13 ist ein Frequenzteiler 26 nachgeordnet, in welchem durch Frequenzteilung Taktsignale erzeugt werden, die bezüglich der Frequenz f₁ des Oszillators 13 von 0°, 90°, 270° phasenverschoben sind.

Das Taktsignal mit 0° Phasenverschiebung wird auf den ersten Synchrongleich­ richter 15 geführt. Über einen Schalter S₃, der von der Auswerteeinheit 17 ge­ steuert ist, wird wahlweise das Taktsignal mit 90° oder mit 270° Phasenver­ schiebung dem zweiten Synchrongleichrichter 15' zugeführt.

Über einen ebenfalls von der Auswerteeinheit 17 gesteuerten Schalter S₄ wird der Oszillator 13 wahlweise mit einer festen Spannung U_min angesteuert oder das integrierte Differenzsignal U_d auf den Eingang des Oszillators 13 rückge­ koppelt.

Die Arbeitsweise des Distanzsensors 1 gemäß Fig. 9 ist in Fig. 10 veran­ schaulicht.

Die Frequenz f₁ des Oszillators 13 wird durch die Rückkopplung von U_d auf den Oszillator 13 so eingeregelt, dass der Mittelwert des Differenzsignals den Wert null annimmt. Die so eingestellte Frequenz gibt ein Maß für die Objekt­ distanz. Die Frequenz f₁ wird durch Zählen der Perioden des Oszillatorsignals im Zähler 24 bestimmt und in der Auswerteeinheit 17 in einen Distanzwert umgerechnet.

Da im Gegensatz zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 die Differenz der Ausgangssignale zweier Synchrongleichrichter 15, 15' zur Einstellung von verwendet wird, können bauteilbedingte Störeinflüsse eliminiert werden.

Durch die Umschaltung des Schalters S₃ kann analog zum Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 7 der Distanzbereich, innerhalb dessen Objekte 12 erfassbar sind, variiert werden.

Durch vorzugsweise zyklisches Umschalten des Schalters S₄ auf U_min wird der Oszillator 13 bei seiner Minimalfrequenz betrieben. Hierdurch kann eine Kon­ trolle des Mindestpegels von U₁ erfolgen, wobei im fehlerfreien Betrieb fol­ gende Bedingungen erfüllt sind: U₁ muss größer als U_min sein und für die Span­ nung U_int am Ausgang des Integrators 21 muss gelten U_int < 0.

Bei dem Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 10 wird das Empfangssignal an den Eingängen der Synchrongleichrichter 15, 15' mit den Flanken des 0°- Taktsignals bzw. 90°-Taktsignals multipliziert. Dadurch nimmt der Mittelwert von U_d dann den Wert null an, wenn eine Phasenverschiebung zwischen Emp­ fangssignal und dem 0° Taktsignal von 45° vorliegt.

Für den Fall, dass der zweite Synchrongleichrichter 15' anders als in Fig. 10 dargestellt nicht mit dem 90°-Taktsignal, sondern dem 270°-Taktsignal angesteuert wird, nimmt der Mittelwert von U_d dann den Wert null an, wenn eine Phasenverschiebung t₁ zwischen Empfangssignal und dem 0° Taktsignal von 135° vorliegt.

Bezugszeiszenliste

1

Distanzsensor

2

Gehäuse

3

Sendelichtstrahlen

4

Sender

5

Empfangslichtstrahlen

6

Empfänger

7

Sendeoptik

8

Fassung

9

Blende

10

Empfangsoptik

11

Referenzempfänger

12

Objekt

13

Oszillator

14

Verstärker

14

' Verstärker

15

Synchrongleichrichter

15

' Synchrongleichrichter

16

Tiefpass

17

Auswerteeinheit

18

Verzögerungsglied

19

Signalausgang

20

Taktoszillator

21

Integrator

22

Phasendetektor

23

Tiefpass

24

Zähler

25

Subtrahierer

26

Frequenzteiler
S₁

Schalter
S₂

Schalter
S₃

Schalter
S₄

Schalter

Claims (22)

1. Optischer Distanzsensor mit einem Sendelichtstrahlen emittierenden Sender, wenigstens einem Oszillator zur Modulation der Sendelicht­ strahlen, einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger und Mitteln zur Bestimmung der Laufzeit der von einem Objekt reflektierten Empfangslichtstrahlen, dadurch gekennzeichnet, dass die Phasenver­ schiebung zwischen Sende- (3) und Empfangslichtstrahlen (5) auf einen vorgegebenen Wert geregelt ist.

2. Distanzsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass zur Be­ stimmung der Phasenverschiebung zwischen Sende- (3) und Empfangs­ lichtstrahlen (5) wenigstens ein Synchrongleichrichter (15) vorgesehen ist, welchem die am Ausgang des Empfängers (6) anstehenden Emp­ fangssignale und die Ausgangssignale des den Sender (4) modulierenden Oszillators (13) oder eines Taktoszillators (20), dessen Frequenz im we­ sentlichen mit der Frequenz des den Sender (4) modulierenden Oszilla­ tors (13) übereinstimmt, zugeführt werden.

3. Distanzsensor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Os­ zillator (13) und/oder der Taktoszillator (20) von einem spannungsgere­ gelten Oszillator (VCO) gebildet ist.

4. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 2 oder 3, dadurch gekennzeich­ net, dass die Phasenverschiebung zwischen Sende- (3) und Empfangs­ lichtstrahlen (5) auf einen Wert eingeregelt ist, bei welchem der Mittel­ wert des Ausgangssignals U_g des Synchrongleichrichters (15) den Wert null annimmt.

5. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 2-4, dadurch gekennzeichnet, dass die Bestimmung der Objektdistanz in einer Auswerteeinheit (17) er­ folgt.

6. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Regelung der Phasenverschiebung zwischen Sende- (3) und Empfangslichtstrahlen (5) ein auf den Sender (4) wirkendes, einstellbares Verzögerungsglied (18) vorgesehen ist.

7. Distanzsensor nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass das Ver­ zögerungsglied (18) dem Oszillator (13) nachgeordnet und dem Sender (4) vorgeordnet ist.

8. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeich­ net, dass das Ausgangssignal U_g des Synchrongleichrichters (15) in die Auswerteeinheit (17) eingelesen wird, und dass in Abhängigkeit des ak­ tuellen Wertes von U_g das Verzögerungsglied (18) über die Auswerteein­ heit (17) eingestellt wird.

9. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 6-8, dadurch gekennzeichnet, dass die im Verzögerungsglied (18) eingestellte Verzögerungszeit t_d als Maß für die Objektdistanz ausgewertet wird.

10. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 2-5, dadurch gekennzeichnet, dass der Sender (4) durch den diesen vorgeordneten Oszillator (13) mit einer konstanten Frequenz f₂ moduliert ist, und dass der Ausgang des Taktoszillators (20) auf den Synchrongleichrichter (15) geführt ist, wobei die Frequenz f₁ des Taktoszillators (20) durch Rückkopplung des Aus­ gangssignals U_g des Synchrongleichrichters (15) einstellbar ist.

11. Distanzsensor nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass das Aus­ gangssignal U_g des Synchrongleichrichters (15) in einem Integrator (21) integriert wird.

12. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 10 oder 11, dadurch gekenn­ zeichnet, dass in einem Phasendetektor (22) die Phasendifferenz zwi­ schen den Signalen des Oszillators (13) und des Taktoszillators (20) be­ stimmt und in der Auswerteeinheit (17) als Maß für die Objektdistanz ausgewertet wird.

13. Distanzsensor nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass der Pha­ sendetektor (22) von einem Exklusiv-Oder-Glied gebildet ist.

14. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch gekenn­ zeichnet, dass dem Phasendetektor (22) ein Tiefpass (23) nachgeordnet ist, dessen Ausgangssignal in die Auswerteeinheit (17) eingelesen wird.

15. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-5, dadurch gekennzeichnet, dass zur Bestimmung der Phasenverschiebung zwischen Sende- (3) und Empfangslichtstrahlen (5) die Modulationsfrequenz der Sendelichtstrah­ len (3) einstellbar ist.

16. Distanzsensor nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass zur Ein­ stellung der Modulationsfrequenz auf den dem Sender (4) vorgeordneten Oszillator (13) das integrierte Ausgangssignal U_g des Synchrongleich­ richters (15) rückgekoppelt ist.

17. Distanzsensor nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die im Oszillator (13) eingestellte Modulationsfrequenz in der Auswerteeinheit (17) als Maß für die Objektdistanz ausgewertet wird.

18. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 15-17, dadurch gekennzeich­ net, dass dem Empfänger (6) zwei Verstärker (14, 14') nachgeordnet sind, wobei der zweite Verstärker (14') über einen Schalter S₂ zur Varia­ tion des Distanzbereichs zu- oder abschaltbar ist.

19. Distanzsensor nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass zur Vari­ ation des Distanzbereichs das dem Synchrongleichrichter (15) zugeführte Ausgangssignal des Oszillators (13) oder das Empfangssignal des Emp­ fängers (6) invertierbar ist.

20. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 1-19, dadurch gekennzeich­ net, dass dieser einen Referenzempfänger (11) aufweist, auf welchen Streulicht des Senders (4) eingekoppelt ist.

21. Distanzsensor nach Anspruch 20, dadurch gekennzeichnet, dass dem Sender (4) eine Sendeoptik (7) vorgeordnet ist, die von einer Blende (9) umgeben ist, und dass das vom Sender (4) emittierte Streulicht von der Blende (9) zum Referenzempfänger (11) reflektiert wird.

22. Distanzsensor nach einem der Ansprüche 20 oder 21, dadurch gekenn­ zeichnet, dass die Empfangssignale des Empfängers (6) und des Refe­ renzempfängers (11) über einen Schalter S₁ alternierend dem Synchron­ gleichrichter (15) zugeführt werden.