DE102015000941B3 - Optical measuring device operated by laser waves - Google Patents

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Abstract

Bei einer optischen, mittels Laserwellen betriebene, Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Abstandes zwischen dieser und einem Objekt (2), bestehend aus: – einem ersten und zweiten elektrischen und parallel zueinander geschaltete Schaltkreise (3, 4), durch die unabhängig voneinander eine Sendediode (5) und eine Empfangsdiode (6) mit Spannung beaufschlagt ist, – einem ersten Komparator (10), durch den die Spannungswertveränderung der Empfangsdiode (6) zeitlich versetzt zu dem Sendeimpuls der Sendediode (5) ermittelbar ist, – wobei durch den ersten Komparator (10) die Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) in Abhängigkeit von der von dem ersten Komparator (10) festgestellten Spannungswertveränderung, die an der Empfangsdiode (6) während des Überprüfungsintervalles anliegt, regelbar ist, – einem zu der Empfangsdiode (6) in Reihe geschalteten zweiten Komparator (11), durch den die an der Empfangsdiode (6) bei der Annäherung des Objektes (2) feststellbaren Spannungswertveränderungen mit Hilfe der Laufzeit der von der Sendediode (5) generierten Laserwellen messbar sind, die zwischen der Sendediode (5), dem jeweiligen Objekt (2) und der Empfangsdiode (6) verlaufen – wobei durch den ersten elektrischen Schaltkreis (3) die Sendediode (5) impulsweise ansteuerbar ist, und – und wobei der erste und der zweite Schaltkreis (3, 4) von einer Auswerte- und Steuereinheit (17) derart synchronisiert sind, dass der Überprüfungszyklus der Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) zwischen zwei Sendeimpulsen der Sendediode (5) erfolgt, soll der Messwirkungsgrad zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Messvorrichtung (1) und einem sich an diese annähernden Objekt (2) konstant optimal und selbsttätig einstellbar sein. Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass zu dem zweiten Komparator (11) ein dritter Komparator (12) im zweiten Schaltkreis (4) parallel geschaltet ist, und dass durch den dritten Komparator (12) die Höhe der Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) in Abhängigkeit von der reflektierten Lichtwellenhelligkeit des Objektes (2) mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinheit (17) einstellbar bzw. veränderbar ist.In an optical, operated by laser waves, measuring device (1) for determining the distance between this and an object (2), consisting of: - a first and second electrical and parallel circuits (3, 4) through which independently of each other Transmitting diode (5) and a receiving diode (6) is supplied with voltage, - a first comparator (10), by which the voltage value change of the receiving diode (6) offset in time to the transmission pulse of the transmitting diode (5) can be determined, - wherein by the first Comparator (10) the operating voltage of the receiving diode (6) in response to the of the first comparator (10) detected voltage value change, which is applied to the receiving diode (6) during the checking interval, is controllable, - one to the receiving diode (6) in series connected second comparator (11), through which at the receiving diode (6) at the approach of the object (2) detectable Spannungswertver Changes can be measured with the aid of the transit time of the laser diode generated by the transmitting diode (5) between the transmitter diode (5), the respective object (2) and the receiving diode (6) - wherein by the first electrical circuit (3) the transmitting diode (5) can be controlled in pulses, and - and wherein the first and the second circuit (3, 4) are synchronized by an evaluation and control unit (17) such that the check cycle of the operating voltage of the receiving diode (6) between two transmission pulses of the transmitting diode (5), the measuring efficiency for determining the distance between the measuring device (1) and an object (2) approaching it should be constantly optimally and automatically adjustable. This object is achieved in that a third comparator (12) in the second circuit (4) is connected in parallel with the second comparator (11) and in that the height of the operating voltage of the receiving diode (6) is dependent on the third comparator (12) of the reflected light wave brightness of the object (2) by means of the evaluation and control unit (17) is adjustable or changeable.

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optische mittels Laserwellen betriebene Messvorrichtung zur Bestimmung des Abstandes zwischen dieser und einem Objekt nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an optical measuring device operated by laser waves for determining the distance between it and an object according to the preamble of claim 1.

Eine solche Messvorrichtung ist der EP 2 071 356 A2 zu entnehmen. Die in dieser Druckschrift beschriebene Messvorrichtung umfasst im Wesentlichen zwei Schaltkreise die von einer Auswerteeinrichtung gesteuert und jeweils mit einer Stromquelle verbunden sind. Durch die beiden Schaltkreise ist eine Sende- und eine Empfangsdiode mit Spannung versorgt, so dass die Sendediode impulsweise die benötigten Laserwellen zur Abstandsbestimmung mittels der Laufzeitmessung zwischen der Messvorrichtung und einem sich an diese annähernden Objekt generiert und durch den zweiten Schaltkreis die Empfangsdiode, die als Multi-Pixel-Photonen-Counter (MPPC) ausgestaltet ist zur Auswertung der empfangenen Helligkeitssignale, die von dem Objekt reflektiert sind, betrieben ist. Die Empfangsdiode ist dabei permanent mit einer unterschiedlichen Hochspannung zu betreiben, um die optimale Wirkungsweise der Empfangsdiode zu gewährleisten. Solche Messvorrichtungen sind auch als Laufzeitsensoren mit Rauschregelung bekannt.Such a measuring device is the EP 2 071 356 A2 refer to. The measuring device described in this document essentially comprises two circuits that are controlled by an evaluation device and each connected to a power source. Through the two circuits, a transmitting and a receiving diode is supplied with voltage, so that the transmitting diode pulse manner generates the required laser waves for distance determination by means of the transit time measurement between the measuring device and an approaching to this object and through the second circuit, the receiving diode, which is multi Pixel Photon Counter (MPPC) is designed to evaluate the received luminance signals reflected from the object. The receiving diode is to be operated permanently with a different high voltage to ensure the optimal mode of action of the receiving diode. Such measuring devices are also known as runtime sensors with noise control.

Es hat sich jedoch nachteiligerweise herausgestellt, dass bei Helligkeitsschwankungen, die durch unterschiedlich reflektierende Oberfläche der sich annähernden Objekte entstehen, bei Temperaturschwankungen in Umgebungen, in denen die Messvorrichtung eingesetzt wird und bei Fremdlichteinwirkungen, mitunter erhebliche Messfehler entstehen, da der Wirkungsgrad der Empfangsdiode durch diese äußeren Einflussfaktoren beeinträchtigt ist. Die an der Empfangsdiode anliegende Hochspannung kann nämlich durch die bekannt gewordene Messvorrichtung auf die sich verändernden äußeren Fremdfaktoren nicht eingestellt werden.However, it has disadvantageously been found that in brightness fluctuations caused by differently reflecting surface of the approaching objects, in temperature fluctuations in environments where the measuring device is used and extraneous light, sometimes considerable measurement errors, since the efficiency of the receiving diode through this outer Influencing factors is impaired. Namely, the voltage applied to the receiving diode high voltage can not be adjusted by the known measuring device to the changing external factors outside.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Messvorrichtung der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, dass durch diese der Messwirkungsgrad zur Bestimmung des Abstandes zwischen der Messvorrichtung und einem sich an diese annähernden Objekt konstant optimal und selbsttätig einstellbar ist, in dem sowohl die Rauschregelung als auch die Amplituden-Regelung der Betriebsspannung, die an der Empfangsdiode anliegt, permanent überwacht, eingestellt und geregelt ist, und zwar in Abhängigkeit von dessen Betriebszustand der Messvorrichtung. Dabei soll die Regelung der Messvorrichtung unabhängig von äußeren Einflüssen bewerkstelligt sein, wie beispielsweise unterschiedliche Reflektionseigenschaft der Objekte, Temperaturschwankungen oder Verschleiß der Messvorrichtung.It is therefore an object of the invention to provide a measuring device of the type mentioned in such a way that through this the measuring efficiency for determining the distance between the measuring device and an approaching object is constantly optimally and automatically adjustable, in which both the noise control and the Amplitude control of the operating voltage applied to the receiving diode, permanently monitored, adjusted and regulated, depending on the operating state of the measuring device. The control of the measuring device should be accomplished independently of external influences, such as different reflection property of the objects, temperature fluctuations or wear of the measuring device.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch die Merkmale des kennzeichnenden Teils von Patentanspruch 1 gelöst.This object is achieved by the features of the characterizing part of claim 1.

Weitere vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.Further advantageous developments of the invention will become apparent from the dependent claims.

Dadurch, dass zu dem zweiten Komparator ein dritter Komparator parallel im zweiten Schaltkreis geschaltet ist, und dass durch den dritten Komparator die Höhe der Betriebsspannung der Empfangsdiode in Abhängigkeit von der reflektierten Lichtwellenhelligkeit des Objektes mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinheit einstellbar bzw. veränderbar ist, ist gewährleistet, dass die Messvorrichtung unabhängig von der Oberflächenbeschaffenheit des sich annähernden Objektes und/oder von Fremdlichteinflüssen selbsttätig regelt und folglich eine konstante vorgegebene Abstandsmessung vornehmen kann, die von den Reflektionseigenschaften des Objektes und/oder Streulichteffekten und/oder Temperaturschwankungen unbeeinflusst ist.Characterized in that to the second comparator, a third comparator is connected in parallel in the second circuit, and that by the third comparator, the height of the operating voltage of the receiving diode in response to the reflected light wave brightness of the object with the aid of the evaluation and control unit is adjustable or variable, ensures that the measuring device automatically controls independently of the surface condition of the approaching object and / or extraneous light influences and consequently can make a constant predetermined distance measurement, which is unaffected by the reflection properties of the object and / or scattered light effects and / or temperature fluctuations.

Die Oberflächenbeschaffenheit des sich annähernden Objektes reflektiert nämlich auf unterschiedliche Weise die von der Sendediode ausgestrahlten Lichtwellen, wenn diese auf das Objekt auftreffen und wirft die Laserlichtwellen in Richtung der Empfangsdiode zurück, so dass deren Betriebsspannung aufgrund der unterschiedlichen Helligkeitssignale aufgrund der Amplitudenregelung in einem vorgegebenen Bereich schwankt. Sobald die Amplitude an der Empfangsdiode einen Grenzwert unterschreitet oder überschreitet, wird dies durch die drei Komparatoren festgestellt und an die Auswerte- und Steuereinheit übertagen, so dass durch diese in Abhängigkeit von den Sendeimpulsen der Sendediode eine entsprechende Einstellung der Betriebsspannung sowie in Folge, dessen Amplitude an der Empfangsdiode vornehmbar ist, in dem die jeweiligen Komparatoren die Amplitude der Betriebsspannung anpassen.Namely, the surface texture of the approaching object reflects in different ways the light waves emitted from the transmitting diode when they strike the object and throws the laser light waves back toward the receiving diode, so that their operating voltage fluctuates within a predetermined range due to the difference in brightness signals , As soon as the amplitude at the receiving diode falls below or exceeds a limit value, this is determined by the three comparators and transmitted to the evaluation and control unit, so that a corresponding adjustment of the operating voltage as a function of the transmission pulses of the transmitting diode and in consequence, its amplitude at the receiving diode is vornehmbar in which the respective comparators adjust the amplitude of the operating voltage.

Es ist besonders vorteilhaft, einen solchen dritten Komparator vorzusehen, denn durch diesen ist der konstruktive Aufbau und die technische Funktionsweise der Messvorrichtung einfach und schnell herzustellen und zu programmieren. Zudem baut eine solche Messvorrichtung äußerst klein, so dass diese auch in unzugänglichen bzw. kleinen Räumen einsetzbar ist.It is particularly advantageous to provide such a third comparator, because by this, the structural design and the technical operation of the measuring device is simple and fast to manufacture and program. In addition, such a measuring device is extremely small, so that it can also be used in inaccessible or small spaces.

In der Zeichnung ist ein erfindungsgemäßes Ausführungsbeispiel dargestellt, dass nachfolgend näher erläutert ist. Im Einzelnen zeigt:In the drawing, an inventive embodiment is shown, which is explained in more detail below. In detail shows:

1: eine Messvorrichtung mit einem ersten und zweiten Schaltkreis, in dem eine Sende- bzw. eine Empfangsdiode mit Spannung versorgt ist, sowie drei in den beiden Schaltkreisen angeordneten Komparatoren, durch die Spannungswertveränderung der Betriebsspannung der Empfangsdiode feststellbar und einstellbar sind und 1 a measuring device having a first and second circuit in which a transmitting and a receiving diode is supplied with voltage, as well as three arranged in the two circuits comparators, through the Voltage value change of the operating voltage of the receiving diode can be detected and adjusted and

2: ein Spannungsverlaufsdiagramm der drei Komparator gemäß 1, über die Zeit in Abhängigkeit von den sich einstellenden Schaltzuständen. 2 a voltage waveform diagram of the three comparators according to 1 , over time as a function of the switching states that occur.

Der 1 ist eine Messvorrichtung 1 zu entnehmen, durch die der Abstand zwischen dieser und einem sich annähernden Objekt 2 ermittelbar ist. Die Messvorrichtung 1 besteht aus einem ersten und einem zweiten Schaltkreis 3 bzw. 4, die parallel zueinander geschaltet sind und die über eine Auswerte- und Steuereinheit 17 mit jeweils einer Stromquelle 8 bzw. 9 elektrisch gekoppelt sind.Of the 1 is a measuring device 1 to be deduced by the distance between this and an approaching object 2 can be determined. The measuring device 1 consists of a first and a second circuit 3 respectively. 4 , which are connected in parallel to each other and via an evaluation and control unit 17 each with a power source 8th respectively. 9 are electrically coupled.

In dem Schaltkreis 3 ist eine Sendediode 5, die Licht, insbesondere Tageslichtwellen, impulsweise ausstrahlt, integriert. In dem Schaltkreis 4 ist eine Empfangsdiode 6, nämlich eine Lawinen-Foto-Diode, eingebaut, die derart benachbart zu der Sendediode 5 angeordnet ist, dass die von der Sendediode 5 emittierten Laserwellen, wenn diese auf das Objekt 2 auftreffen und von diesem reflektiert werden, auf die Empfangsdiode 6 einfallen, so dass durch die reflektierten Laserlichtwellen an der Empfangsdiode 6 eine Spannungswertveränderung entsteht.In the circuit 3 is a transmitting diode 5 , which emits light, in particular daylight waves, in pulses. In the circuit 4 is a receiving diode 6 namely, an avalanche photo-diode built in, which is adjacent to the transmitting diode 5 is arranged, that of the transmitter diode 5 emitted laser waves when this on the object 2 and reflected by this, on the receiving diode 6 incident, so that by the reflected laser light waves at the receiving diode 6 a voltage change occurs.

Des Weiteren besteht die Messvorrichtung 1 aus drei Komparatoren 10, 11 und 12, die parallel zueinander im zweiten elektrischen Schaltkreis 4 geschaltet sind. Den drei Komparatoren 10, 11 und 12 ist ein Signalverstärker 13 vorgeschaltet, der das eingehende Spannungssignal, das von der Empfangsdiode 6 abgegeben wird, verstärkt.Furthermore, there is the measuring device 1 from three comparators 10 . 11 and 12 that are parallel to each other in the second electrical circuit 4 are switched. The three comparators 10 . 11 and 12 is a signal amplifier 13 upstream of the incoming voltage signal coming from the receiving diode 6 is given, reinforced.

Die drei Komparatoren 10, 11 und 12 sind über elektrische Leitungen mit der Auswerte- und Steuereinheit 17 verbunden, die von den Komparatoren 10, 11 und 12 zur Verfügung gestellten und übermittelten elektrischen Signale werden von dieser erfasst, ausgewertet und in entsprechende Steuersignale umgewandelt, um die dem ersten Schaltkreis 3 zugeordnete Stromquelle 8 impulsweise zu betreiben und um die dem zweiten Schaltkreis 4 zugeordnete Spannungsquelle 9 mit einem entsprechenden Spannungswert einzustellen, durch den die Empfangsdiode 6 mit der Betriebsspannung versorgt wird.The three comparators 10 . 11 and 12 are via electrical lines with the evaluation and control unit 17 connected by the comparators 10 . 11 and 12 provided and transmitted electrical signals are detected by this, evaluated and converted into corresponding control signals to those of the first circuit 3 associated power source 8th pulse mode to operate and the second circuit 4 assigned voltage source 9 with a corresponding voltage value through which the receiving diode 6 is supplied with the operating voltage.

Der erste Komparator 10 erhält einen Spannungswert, der mit Uref1 bezeichnet ist und derart bemessen ist, dass wenn sich kein Objekt 2 vor der Messvorrichtung 1 befindet, oder das Objekt 2 eine so schwarze Oberfläche, also eine schlecht reflektierende Eigenschaft, aufweist, dass das wenige zurück reflektierte Licht nicht zu einer ausreichenden Spannungswertveränderung der Empfangsdiode 6 führt, dass dann in der Zeit zwischen den Laserlichtimpulsen die Rauschamplitude der Empfangsdiode 6 gemessen wird und durch die Änderung der Betriebsspannung 9 der Empfangsdiode 6 die Rauschamplitude eingestellt wird. Durch die Empfangsdiode 6 wird nämlich permanent ein Rauschsignal erzeugt, welches in der Amplitude von der Betriebsspannung der Empfangsdiode 6 abhängt. Die richtige Betriebsspannung der Empfangsdiode 6 ist erreicht, wenn die Rauschspannung den Wert Uref1 erreicht.The first comparator 10 receives a voltage value designated U ref1 and dimensioned so that when there is no object 2 in front of the measuring device 1 located, or the object 2 Such a black surface, ie a poorly reflecting property, has the fact that the light reflected back a little does not lead to a sufficient change in the voltage value of the receiving diode 6 leads, that then in the time between the laser light pulses, the noise amplitude of the receiving diode 6 is measured and by changing the operating voltage 9 the receiving diode 6 the noise amplitude is set. Through the receiving diode 6 Namely, a noise signal is permanently generated, which in the amplitude of the operating voltage of the receiving diode 6 depends. The correct operating voltage of the receiving diode 6 is reached when the noise voltage reaches the value U ref1 .

Der zweite Komparator 11 ist mit einem vorgegebenen Spannungswert programmiert, der mit Uref2 schematisch gekennzeichnet ist. Der Spannungswert Uref2 ist dabei kleiner bemessen als der Spannungswert Uref3 des dritten Komparators 12 und größer bemessen als der Spannungswert Uref1 des ersten Komparators.The second comparator 11 is programmed with a predetermined voltage value, which is schematically indicated by U ref2 . The voltage value U ref2 is smaller than the voltage value U ref3 of the third comparator 12 and greater than the voltage value U ref1 of the first comparator.

Wenn nunmehr von der Sendediode 5 ein Laserlichtwellenimpuls ausgestrahlt wird und dieser auf das Objekt 2 auftrifft und von diesem zu der Empfangsdiode 6 reflektiert wird, entsteht in dieser ein von dem Abstand des Objektes 2 und der Lichtintensität abhängiger Spannungswert, der mit der Spannung Uref2 verglichen ist. Durch den dem Signalverstärker 13 nachgeschalteten Komparator 11 wird somit ein elektrisches Signal generiert, das von dem sich ergebenden Abstand zwischen dem Objekt 2 und der Messvorrichtung 1 bezieht. Die Auswerte- und Steuereinheit 17 nimmt in Abhängigkeit von den an diese weitergegebenen Schaltsignalen entsprechend vorprogrammierte Arbeitsschritte vor.If now from the transmitter diode 5 a laser light wave pulse is emitted and this on the object 2 impinges and from this to the receiving diode 6 reflected in this one arises from the distance of the object 2 and the light intensity dependent voltage value , which is compared with the voltage U ref2 . By the signal amplifier 13 downstream comparator 11 Thus, an electrical signal is generated, which is the resulting distance between the object 2 and the measuring device 1 refers. The evaluation and control unit 17 takes in accordance with the forwarded to this switching signals accordingly pre-programmed steps.

In dem zweiten Schaltkreis 4 ist parallel zu den beiden Komparatoren 10 und 11 der dritte Komparator 12 geschaltet, der eine Spannung aufweist, die mit Uref3 gekennzeichnet ist. Die Spannung Uref3 des dritten Komparators 12 ist größer bemessen als die Spannungen Uref1 und Uref2 des ersten bzw. des zweiten Komparators 10 bzw. 11.In the second circuit 4 is parallel to the two comparators 10 and 11 the third comparator 12 switched, which has a voltage which is marked with U ref3 . The voltage U ref3 of the third comparator 12 is greater than the voltages U ref1 and U ref2 of the first and the second comparator 10 respectively. 11 ,

Die erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 weist im Wesentlichen zwei unterschiedliche Schalt- bzw. Betriebszustände auf, nämlich einerseits, dass kein Objekt 2, die von der Sendediode 5 emittierten Laserlichtwellen reflektiert, bzw. dass die Reflektion der Laserlichtwellen der Sendediode 5 derart gering bemessen ist, dass an der Empfangsdiode 6 folglich keine Spannungswertveränderungen feststellbar sind und dass andererseits eine erhebliche Spannungswertveränderung an der Empfangsdiode 6 eintritt, da die von dem Objekt 2 reflektierten Laserlichtwellen eine groß bemessene Helligkeit aufweisen.The measuring device according to the invention 1 essentially has two different switching or operating states, namely, on the one hand, that no object 2 that of the transmitter diode 5 reflected laser light waves, or that the reflection of the laser light waves of the transmitting diode 5 is dimensioned so small that at the receiving diode 6 Consequently, no voltage value changes can be detected and that on the other hand, a significant change in the voltage value at the receiving diode 6 enters because of the object 2 reflected laser light waves have a large-sized brightness.

Die niedrigen Betriebsspannungswerte an der Empfangsdiode 6 werden von dem dritten Komparator 12 erfasst, der auch als EMPM-Komparator bezeichnet ist. Der dritte Komparator 12 schaltet demnach entweder überhaupt nicht oder äußerst selten. Dies führt dazu, dass der erste Komparator 10, der auch als EMPR-Komparator bezeichnet ist, von der Auswerte- und Steuereinheit 17 überwacht ist und zwar derart, dass der Spannungswert oder das Signalrauschen an diesem ersten Komparator 10 kleiner bemessen ist, als die Schaltschwelle Uref1 des ersten Komparators 10. Somit wird die Betriebsspannung der Empfangsdiode 6 erhöht, so dass dadurch auch das Signalrauschen angehoben ist. Diese Schaltvorgänge können auch umgekehrt stattfinden und sind zudem in 2 abgebildet. Die Betriebsspannung der Empfangsdiode 6 wird demnach derart geregelt bzw. eingestellt, dass die Empfangsdiode 6 auf eine möglichst konstant hohe Verstärkung eingestellt ist, bei der das Signalrauschen gerade derart hoch bemessen ist, dass das Signalrauschen die Schaltschwelle Uref1 des ersten EMPR-Komparators 10 erreicht.The low operating voltage values at the receiving diode 6 be from the third comparator 12 which is also referred to as EMPM comparator. The third comparator 12 turns either not at all or very rarely. This causes the first comparator 10 which is also called the EMPR comparator, from the evaluation and control unit 17 is monitored in such a way that the voltage value or the signal noise at this first comparator 10 is smaller than the switching threshold U ref1 of the first comparator 10 , Thus, the operating voltage of the receiving diode 6 increases, so that also the signal noise is raised. These switching operations can also take place in reverse and are also in 2 displayed. The operating voltage of the receiving diode 6 is thus regulated or adjusted so that the receiving diode 6 is set to a constant as possible high gain, in which the signal noise is just so high that the signal noise is the switching threshold U ref1 of the first EMPR comparator 10 reached.

Sobald sich ein Objekt 2 mit einer ausreichenden Oberflächenbeschaffenheit zur Reflektion der Laserlichtwellen, die von der Sendediode 5 emittiert sind, in den benachbarten Bereich der Empfangsdiode 6 gelangt, ändert sich dieser Betriebszustand selbsttätig bzw. automatisch, in dem nämlich festgestellt ist, dass eine Spannungswertveränderung an der Empfangsdiode 6 eintritt, da die von dem Objekt 2 reflektierten Laserlichtwellen eine entsprechend hoch bemessene Helligkeit aufweisen. Jede dieser Spannungswertveränderungen ist derart hoch bemessen, dass jeder Empfangsimpuls die Empfangsschwelle Uref2 des zweiten Komparators 11 überschreitet und auch die unempfindlichste Eingangsschwelle Uref3 des dritten Komparators 12 erreicht. Die Betriebsspannungsregelung an der Empfangsdiode 6 schaltet in diesem Betriebszustand auf Amplitudenregelung um, da der dritte EMPM-Komparator 12 durch die Auswerte- und Steuereinheit 17 überwacht ist. Ist der Empfangsimpuls dabei kleiner bemessen als die Schaltschwelle Uref3 des dritten Komparators 12 wird die Betriebsspannung an der Empfangsdiode 6 erhöht und damit auch die Verstärkung der Empfangsdiode 6 angepasst, wodurch sich die Höhe des Empfangsimpulses erhöht, so dass bei der nachfolgenden Messung der dritte Komparator 12 geschaltet ist. Die Verstärkung der Empfangsdiode 6 wird dadurch eingestellt, dass der Empfangsimpuls unabhängig von der Helligkeit des abzutastenden Objektes 2 permanent so hoch ist, dass dieser die Schaltschwelle Uref3 des dritten Komparators 12 erreicht. Üblicherweise handelt es sich dabei um die doppelte Impulshöhe, die für die Triggerung des zweiten Komparators 11 für die Laufzeitmessung erforderlich ist. Dadurch ist das Stoppsignal, das von dem zweiten Komparator 11 für die Laufzeitmessung bei 50 Prozent der Impulshöhe liegt, unabhängig von der Objekthelligkeit. Die Helligkeit des Objektes 2 führt folglich nicht mehr zu einem Zeitfehler. Dies kann auch 2 entnommen werden.As soon as an object 2 with a sufficient surface finish for reflection of the laser light waves from the transmitter diode 5 are emitted in the adjacent region of the receiving diode 6 reaches this operating state automatically or automatically, namely, in which it is determined that a voltage value change at the receiving diode 6 enters because of the object 2 reflected laser light waves have a correspondingly high brightness. Each of these voltage value changes is so high that each received pulse is the receiving threshold U ref2 of the second comparator 11 exceeds and also the least sensitive input threshold U ref3 of the third comparator 12 reached. The operating voltage control at the receiving diode 6 Switches to amplitude control in this operating state, since the third EMPM comparator 12 through the evaluation and control unit 17 is monitored. If the received pulse is smaller than the switching threshold U ref3 of the third comparator 12 becomes the operating voltage at the receiving diode 6 increases and thus the gain of the receiving diode 6 adjusted, whereby the height of the received pulse increases, so that in the subsequent measurement of the third comparator 12 is switched. The gain of the receiving diode 6 is adjusted by the fact that the received pulse is independent of the brightness of the object to be scanned 2 is permanently high, that this is the switching threshold U ref3 of the third comparator 12 reached. Typically, this is twice the pulse height used to trigger the second comparator 11 is required for the transit time measurement. This is the stop signal coming from the second comparator 11 for the transit time measurement is 50 percent of the pulse height, regardless of the object brightness. The brightness of the object 2 consequently no longer leads to a time error. This can too 2 be removed.

Aus 2 ist zudem der zeitliche Verlauf des Messzyklusses T und des Überprüfungsintervalls für die Abfrage der Empfangsdiode 6 zu entnehmen. Der erste Schaltkreis 3 wird dabei impulsweise betrieben mit der Spannung Us, so dass die Sendediode 5 Laserwellen in einem vorgegebenen Zeitabstand T ausstrahlt. Die Annäherung des Objektes 2 kann von der Empfangsdiode 6 innerhalb dieses Zeitabstandes gemessen werden, dies ist das zur Verfügung stehende Überprüfungsintervall.Out 2 is also the time course of the measuring cycle T and the verification interval for the query of the receiving diode 6 refer to. The first circuit 3 is operated in pulses with the voltage U s , so that the transmitting diode 5 Laser waves at a predetermined time interval T radiates. The approach of the object 2 can from the receiving diode 6 measured within this time interval, this is the available verification interval.

Nachdem die Stromquelle 8 die Sendediode 5 nicht mehr mit Strom versorgt und somit die als Signalspannung US gekennzeichnete Spannung zeitweise abgeschaltet ist, wird von der Empfangsdiode 6 weiterhin ein als Rauscheffekt bezeichnetes Spannungssignal an die drei Komparatoren 10, 11 und 12 weitergegeben. Da dieses Spannungssignal jedoch auf jedem Fall unterhalb des Grenzwertes von der Spannung Uref2 liegt, ist der zweite Komparator 11 mittels dem die Abstandsmessung durchgeführt ist, nicht betriebsbereit. Der erste Komparator 10 wird jedoch mit einem Referenzspannungswert Uref1 ausgerüstet, so dass beim Überschreiten dieses voreingestellten Grenzwertes durch die an der Empfangsdiode 6 anliegende Spannung an die Auswerteeinheit 17 ein entsprechendes Informationssignal ausgesandt wird. Durch dieses wird bewirkt, dass durch die Auswerteeinheit 17 die von der Spannungsquelle 9 zur Verfügung gestellte Spannung im nächsten Messzyklus erniedrigt wird.After the power source 8th the transmitting diode 5 is no longer supplied with power and thus the voltage marked as signal voltage US is temporarily switched off, is received by the receiving diode 6 Furthermore, a voltage signal referred to as noise effect to the three comparators 10 . 11 and 12 passed. However, since this voltage signal is in any case below the limit of the voltage U ref2 , the second comparator 11 by means of which the distance measurement is carried out, not ready for operation. The first comparator 10 However, it is equipped with a reference voltage value U ref1 , so that when exceeding this preset limit by the at the receiving diode 6 voltage applied to the evaluation unit 17 a corresponding information signal is emitted. This is caused by the evaluation unit 17 that from the voltage source 9 supplied voltage in the next measurement cycle is lowered.

Umgekehrt gilt, dass wenn die von der Empfangsdiode 6 nach dem Messzyklus festgestellte Spannung unterhalb des Spannungswertes Uref1 liegt, eine Erhöhung der von der Spannungsquelle 9 zur Verfügung gestellten Spannung durch die Auswerteeinheit 17 erfolgt.Conversely, if that of the receiving diode 6 After the measuring cycle detected voltage is below the voltage value U ref1 , an increase of the voltage source 9 provided voltage through the evaluation unit 17 he follows.

Folglich wird nach jedem Messzyklus das Rauschen und die damit verbundene Spannung der Empfangsdiode 6 durch den ersten Komparator 10 überprüft und bei entsprechenden voreinstellbaren Messwerten, beispielsweise Uref1, wird durch diesen ein entsprechendes elektrisches Signal an die Auswerteeinheit 17 übermittelt, um die Spannung der Spannungsquelle 9 für den Betrieb der Empfangsdiode 6 abzusenken oder anzuheben.Consequently, after each measurement cycle, the noise and the associated voltage of the receiving diode 6 through the first comparator 10 checked and with corresponding presettable measurements, such as U ref1 , through this a corresponding electrical signal to the evaluation 17 transmitted to the voltage of the voltage source 9 for the operation of the receiving diode 6 lower or raise.

Diese erfindungsgemäße Messvorrichtung 1 bildet demnach einen optimalen Wirkungsgrad, denn der Schaltabstand ist selbsttätig geregelt und erfolgt in einem konstanten Abstand, und zwar unabhängig von den Reflektionseigenschaften der sich annähernden Objekte 2, Temperatureinflüssen oder den Veränderungen der elektrischen Bauhöhe aufgrund von Verschleiß.This measuring device according to the invention 1 thus forms an optimal efficiency, because the switching distance is controlled automatically and takes place at a constant distance, regardless of the reflection properties of the approaching objects 2 , Temperature effects or changes in the electrical height due to wear.

Claims (9)

Optische, mittels Laserwellen betriebene, Messvorrichtung (1) zur Bestimmung des Abstandes zwischen dieser und einem Objekt (2), bestehend aus: – einem ersten und zweiten elektrischen und parallel zueinander geschaltete Schaltkreise (3, 4), durch die unabhängig voneinander eine Sendediode (5) und eine Empfangsdiode (6) mit Spannung beaufschlagt ist, – einem ersten Komparator (10), durch den die Spannungswertveränderung der Empfangsdiode (6) zeitlich versetzt zu dem Sendeimpuls der Sendediode (5) ermittelbar ist, – wobei durch den ersten Komparator (10) die Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) in Abhängigkeit von der von dem ersten Komparator (10) festgestellten Spannungswertveränderung, die an der Empfangsdiode (6) während des Überprüfungsintervalles anliegt, regelbar ist, – einem zu der Empfangsdiode (6) in Reihe geschalteten zweiten Komparator (11), durch den die an der Empfangsdiode (6) bei der Annäherung des Objektes (2) feststellbaren Spannungswertveränderungen mit Hilfe der Laufzeit der von der Sendediode (5) generierten Laserwellen messbar sind, die zwischen der Sendediode (5), dem jeweiligen Objekt (2) und der Empfangsdiode (6) verlaufen – wobei durch den ersten elektrischen Schaltkreis (3) die Sendediode (5) impulsweise ansteuerbar ist, und – und wobei der erste und der zweite Schaltkreis (3, 4) von einer Auswerte- und Steuereinheit (17) derart synchronisiert sind, dass der Überprüfungszyklus der Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) zwischen zwei Sendeimpulsen der Sendediode (5) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem zweiten Komparator (11) ein dritter Komparator (12) im zweiten Schaltkreis (4) parallel geschaltet ist, und dass durch den dritten Komparator (12) die Höhe der Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) in Abhängigkeit von der reflektierten Lichtwellenhelligkeit des Objektes (2) mit Hilfe der Auswerte- und Steuereinheit (17) einstellbar bzw. veränderbar ist.Optical measuring device operated by laser waves ( 1 ) for determining the distance between this and an object ( 2 ), comprising: - first and second electrical circuits connected in parallel ( 3 . 4 ), by which independently of one another a transmitting diode ( 5 ) and a receiving diode ( 6 ) is subjected to voltage, - a first comparator ( 10 ), by which the voltage value change of the receiving diode ( 6 ) offset in time to the transmission pulse of the transmitting diode ( 5 ) is determinable, - whereby by the first comparator ( 10 ) the operating voltage of the receiving diode ( 6 ) in dependence on that of the first comparator ( 10 ) detected voltage value change at the receiving diode ( 6 ) is present during the checking interval, is controllable, - one to the receiving diode ( 6 ) connected in series second comparator ( 11 ), through which the at the receiving diode ( 6 ) at the approach of the object ( 2 ) ascertainable voltage value changes with the aid of the transit time of the transmitter diode ( 5 ) generated laser waves that are between the transmitter diode ( 5 ), the respective object ( 2 ) and the receiving diode ( 6 ) - whereby the first electrical circuit ( 3 ) the transmitting diode ( 5 ) is pulse-controllable, and - and wherein the first and the second circuit ( 3 . 4 ) from an evaluation and control unit ( 17 ) are synchronized in such a way that the checking cycle of the operating voltage of the receiving diode ( 6 ) between two transmitting pulses of the transmitting diode ( 5 ), characterized in that to the second comparator ( 11 ) a third comparator ( 12 ) in the second circuit ( 4 ) is connected in parallel, and that by the third comparator ( 12 ) the amount of operating voltage of the receiving diode ( 6 ) as a function of the reflected light wave brightness of the object ( 2 ) with the aid of the evaluation and control unit ( 17 ) is adjustable or changeable. Messvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die an den drei Komparatoren (10, 11 und 12) anliegenden Spannungen (Uref1, Uref2 und Uref3) unterschiedlich sind und dass die Spannung (Uref3) des dritten Komparators (12) größer bemessen ist, als die Spannung (Uref2 und Uref1) des zweiten und ersten Komparators (11,10), und dass die Spannung (Uref2) des zweiten Komparators (11) größer bemessen ist als die Spannung (Uref1) des ersten Komparators (10).Measuring device according to claim 1, characterized in that the at the three comparators ( 10 . 11 and 12 ) are different voltages (U ref1 , U ref2 and U ref3 ) and that the voltage (U ref3 ) of the third comparator ( 12 ) is greater than the voltage (U ref2 and U ref1 ) of the second and first comparators ( 11 . 10 ), and that the voltage (U ref2 ) of the second comparator ( 11 ) is greater than the voltage (U ref1 ) of the first comparator ( 10 ). Messvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Steuerung und Einstellung der Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) während einer geringen Spannungswertveränderung mittels der Überwachung des ersten Komparators (10) durch die Auswerte- und Steuereinheit (17) erfolgt und dass bei einer erheblichen Spannungswertveränderung an der Empfangsdiode (6) durch die Auswerte- und Steuereinheit (17) ein Umschalten der Überwachung derart erfolgt, dass durch die Auswerte- und Steuereinheit (17) der dritte Komparator (12) überwacht ist.Measuring device according to claim 1 or 2, characterized in that the control and adjustment of the operating voltage of the receiving diode ( 6 ) during a small voltage value change by means of the monitoring of the first comparator ( 10 ) by the evaluation and control unit ( 17 ) and that at a significant change in voltage at the receiving diode ( 6 ) by the evaluation and control unit ( 17 ) a switching of the monitoring takes place in such a way that by the evaluation and control unit ( 17 ) the third comparator ( 12 ) is monitored. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den zweiten Komparator (11) ein Stoppsignal für die Laufzeitmessung erzeugbar ist, der von der Auswerte- und Steuereinheit (17) empfangen, ausgewertet und an den jeweiligen Schaltkreis (3, 4) zu der Steuerung versandt ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that by the second comparator ( 11 ) a stop signal for the transit time measurement can be generated, which is provided by the evaluation and control unit ( 17 ), evaluated and sent to the respective circuit ( 3 . 4 ) is sent to the controller. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den ersten Komparator (10) die Betriebsspannung an der Empfangsdiode (6) einstellbar ist, während an der Empfangsdiode (6) eine zu geringe Laserlichtwellenhelligkeit festgestellt ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that by the first comparator ( 10 ) the operating voltage at the receiving diode ( 6 ) is adjustable while at the receiving diode ( 6 ) is detected too low laser light wave brightness. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch den dritten Komparator (12) die Betriebsspannung der Empfangsdiode (6) geregelt ist, während sich ein Objekt (2) mit für die Laufzeitmessung ausreichender Helligkeit vor der Sendediode (5) und der Empfangsdiode (6) befindet.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that by the third comparator ( 12 ) the operating voltage of the receiving diode ( 6 ) while an object ( 2 ) with sufficient brightness for the transit time measurement before the transmitting diode ( 5 ) and the receiving diode ( 6 ) is located. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Sendediode (5) als eine LED, eine Laserdiode oder eine vertikale emittierende Laserdiode bzw. VCSEL Laserdiode, ausgebildet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the transmitting diode ( 5 ) is formed as an LED, a laser diode or a vertical emitting laser diode or VCSEL laser diode. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Empfangsdiode (6) als Lawinen-Foto-Diode oder als MPPC Diode, ein Array aus CMOS Fotodioden, welche im Geigermode betrieben sind, ausgebildet ist.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the receiving diode ( 6 ) as avalanche photodiode or as MPPC diode, an array of CMOS photodiodes, which are operated in the Geiger mode is formed. Messvorrichtung nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der zweite Komparator (11) und der dritte Komparator (12) parallel zum ersten Komparator (10) geschaltet sind.Measuring device according to one of the preceding claims, characterized in that the second comparator ( 11 ) and the third comparator ( 12 ) parallel to the first comparator ( 10 ) are switched.
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EP2071356A2 (en) * 2007-11-17 2009-06-17 Wenglor sensoric Elektronische Geräte GmbH Measuring device

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