DE102016107851A1 - Optoelectronic transit time measuring device - Google Patents

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Abstract

Bei einer Optoelektronischen Laufzeitmess-Vorrichtung (1) zur Bestimmung eines Messwertes (M) der proportional zu dem Abstand (Δs) von Gegenständen (2) innerhalb eines Überwachungsbereiches (8) ist, bestehend aus: – einem ersten Schaltkreis (3), der mindestens eine Lichtstrahlen (9) emittierende Lichtquelle (7) aufweist, deren impulsartig gesendeten Lichtstrahlen (9) einen vorgegebenen Strahlengang (16) folgen, – einem zweiten Schaltkreis (4) der parallel zu dem ersten Schaltkreis (3) geschaltet ist und aus einer Reihenschaltung aus mindestens einen Sensor (10), einen Empfangs-Verstärker (12) und einen Laufzeitmesser (13) gebildet ist, die die von dem Gegenstand (2) reflektierten Lichtstrahlen (9) erfasst und durch die der dem Abstand (Δs) proportionale Messwert (M) erzeugt ist, wobei der erste und der zweite Schaltkreis (3, 4) unabhängig von einer Stromquelle (5, 5') versorgt sind, soll der Abstand auf (Δs) unabhängig von der Helligkeit des von dem Gegenstand (2) reflektierten Lichtstrahls (9) zuverlässig und schnell auch von sich dynamisch bewegenden Gegenständen (2) bestimmt werden. Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, dass in dem zweiten Schaltkreis (4) eine Differenzierschaltung (11) angeordnet ist, dass die Differenzierschaltung (11) dem Empfangs-Verstärker (12) elektrisch nachgeschaltet ist und dass die Differenzierschaltung (11) ein Korrektursignal (uK) erzeugt, das proportional zu der zeitlichen Änderung (duA/dt) des Ausgangsignals (uA) des Empfangs-Verstärkers (12) ist.In an optoelectronic transit time measuring device (1) for determining a measured value (M) which is proportional to the distance (Δs) of objects (2) within a monitoring area (8), consisting of: - a first circuit (3) which is at least a light beam (9) emitting light source (7) whose pulse-like transmitted light beams (9) follow a predetermined beam path (16), - a second circuit (4) which is connected in parallel to the first circuit (3) and from a series circuit at least one sensor (10), a reception amplifier (12) and a transit time meter (13) is formed, which detects the light beams (9) reflected by the object (2) and by the measured value (M) proportional to the distance (Δs) ) is generated, wherein the first and the second circuit (3, 4) are supplied independently of a current source (5, 5 '), the distance to (Δs) regardless of the brightness of the object (2) reflektie light beam (9) reliably and quickly determined by dynamically moving objects (2). This object is achieved in that in the second circuit (4) a differentiating circuit (11) is arranged, that the differentiating circuit (11) is electrically connected downstream of the receiving amplifier (12) and that the differentiating circuit (11) a correction signal (uK) which is proportional to the time change (duA / dt) of the output signal (uA) of the reception amplifier (12).

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtung zur Bestimmung eins Messwertes nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.The invention relates to an optoelectronic transit time measuring device for determining a measured value according to the preamble of claim 1.

Derartige optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtungen sind bewährt und vielseitig angewendet und bestehen im Wesentlichen aus zwei Schaltkreisen, die von einer Auswerteeinrichtung und jeweils mit einer Stromquelle verbunden sind. Durch die Stromquelle sind die beiden Schaltkreise unabhängig voneinander mit Spannung versorgt. Der erste Schaltkreis besteht aus einer Lichtquelle, die impulsweise die benötigten Lichtstrahlen zur Abstandsbestimmung mittels der Laufzeitmessung aussendet. Der zweite Schaltkreis ist aus einem Sensor gebildet, der die von dem Gegenstand der im Überwachungsbereich angeordnet ist, reflektierten Lichtstrahlen erfasst. Der Sensor ist dabei als Avalanche-Photodiode (APD) oder als Multipixel-Photonen-Counter (MPPC) ausgebildet und können dabei permanent mit einer unterschiedlichen Hochspannung betrieben werden, um eine optimale Wirkungsweise des Sensors zu gewährleisten. Trifft ein von dem Gegenstand im Überwachungsbereich reflektierter Lichtstrahl auf den Sensor entsteht durch diesen ein Fotostrom und die Laufzeit des Lichtstrahles kann dadurch gemessen werden. Die Laufzeit des Lichtstrahls kann anschließend in eine Entfernung umgerechnet werden. Aus dem ermittelten Messwert ist der Abstand zwischen der Vorrichtung und dem Gegenstand durch die physikalische Formel 2s = c·t berechenbar, da die emittierten Lichtquellen mit der konstanten Lichtgeschwindigkeit den Raum durchlaufen.Such optoelectronic transit time measuring devices are proven and widely used and consist essentially of two circuits, which are connected by an evaluation device and each with a power source. Due to the power source, the two circuits are supplied independently of each other with voltage. The first circuit consists of a light source, which emits in pulses the required light beams for distance determination by means of the transit time measurement. The second circuit is formed of a sensor which detects the light beams reflected from the object of the surveillance area. The sensor is designed as an avalanche photodiode (APD) or as a multi-pixel photon counter (MPPC) and can be permanently operated with a different high voltage to ensure optimum operation of the sensor. If a light beam reflected from the object in the monitoring area hits the sensor, a photocurrent is produced by the latter and the transit time of the light beam can thereby be measured. The duration of the light beam can then be converted into a distance. From the measured value determined, the distance between the device and the object can be calculated by the physical formula 2s = c · t, since the emitted light sources travel through the room at the constant speed of light.

Eine solche Messvorrichtung ist aus der EP 2 071 356 A2 zu entnehmen, jedoch hat sich nachteiligerweise herausgestellt, dass derartige Laufzeitmess-Vorrichtungen oftmals äußerst ungenau und fehlerbehaftet den Abstand bestimmen. Diese Messfehler kommen dadurch zustande, dass durch die unterschiedlichen Reflexionseigenschaften der Gegenstände der Helligkeitsgrad der reflektierten Lichtwellen in einem bestimmten Toleranzbereich liegt, der zu Messungenauigkeiten bzw. Messfehlern führt. die Lichtstrahlen unterschiedlich hell in Abhängigkeit von den reflektierenden Oberflächen der Gegenstände reflektiert sind. Die Reaktionsgeschwindigkeit der Empfangsschaltung hängt nämlich erheblich von der empfangenen Lichtmenge an dem Sensor ab und führt somit zu einer verzögerten Detektion des reflektierten Lichtstrahles bei einem dunklen Gegenstand mit geringer Remission. Diese fehlerhafte Zeitmessung führt zu den vorerwähnten Messfehlern.Such a measuring device is from the EP 2 071 356 A2 it has, however, disadvantageously been found that such transit time measuring devices often determine the distance extremely imprecisely and with errors. These measurement errors are due to the fact that due to the different reflection properties of the objects, the degree of brightness of the reflected light waves is within a certain tolerance range, which leads to measurement inaccuracies or measurement errors. the light rays are reflected differently brightly depending on the reflective surfaces of the objects. Namely, the response speed of the receiving circuit depends largely on the amount of light received at the sensor and thus results in a delayed detection of the reflected light beam in a low-reflectance dark object. This erroneous timing leads to the aforementioned measurement errors.

Aus der DE 10 2015 000 941 B3 ist ein Verfahren für den Betrieb einer solchen Laufzeitmess-Vorrichtung bekannt geworden, wobei die Hochspannung der MPPC-Diode derart geregelt ist, dass sich die innere Verstärkung der Empfangsdiode so einstellt, dass an dem Ausgang der Empfängerschaltung permanent die gleiche Signal-Amplitude eingestellt ist und zwar unabhängig davon, ob sich ein heller oder ein dunkler Gegenstand vor der Laufzeitmess-Vorrichtung befindet.From the DE 10 2015 000 941 B3 is a method for the operation of such a transit time measuring device has become known, wherein the high voltage of the MPPC diode is controlled such that the internal gain of the receiving diode is set so that at the output of the receiver circuit, the same signal amplitude is set permanently and regardless of whether a light or a dark object is in front of the transit time measurement device.

Eine derartige Laufzeitmess-Vorrichtung misst somit unabhängig von der Helligkeit der Oberfläche des Gegenstandes den Abstand, so dass lediglich geringe Messfehler entstehen. Nachteiligerweise hat sich jedoch erwiesen, dass die Regelung der Hochspannung des Sensors aufwendig ist und eine begrenzte Reaktionszeit bzw. Dynamik aufweist. Dadurch ist es nicht möglich, Abstandsmessungen bei sich dynamisch bewegenden Gegenständen mit wechselnden Helligkeiten durchzuführen.Such a transit time measurement device thus measures the distance independently of the brightness of the surface of the object, so that only small measurement errors occur. However, it has proved to be disadvantageous that the regulation of the high voltage of the sensor is complicated and has a limited reaction time or dynamics. As a result, it is not possible to carry out distance measurements on dynamically moving objects with varying brightnesses.

Ein weiteres Verfahren für den Betrieb einer solchen Laufzeitmess-Vorrichtung ist aus der DE 10 2012 211 222 A1 zu entnehmen. Die Laufzeitmess-Vorrichtung ist dabei aus einer Vielzahl von Empfängerschaltungen mit unterschiedlich hohen Verstärkungen gebildet. Eine Auswerteeinrichtung wählt, nachdem ein reflektierter Lichtstrahl erfasst wurde, sodann den Sensor aus, bei dem das Empfangssignal in einem für das aktuelle Empfangssignal gültigen Empfindlichkeitsbereich eingeordnet ist.Another method for the operation of such a transit time measuring device is from the DE 10 2012 211 222 A1 refer to. The transit time measuring device is formed from a plurality of receiver circuits with different levels of gains. An evaluation device selects, after a reflected light beam has been detected, then the sensor, in which the received signal is arranged in a valid for the current received signal sensitivity range.

Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist der hohe Aufwand aufgrund der Vielzahl von Empfängerschaltungen und darüber hinaus der Messfehler, der entsteht, wenn sich das Empfangssignal zwischen zwei der optimalen Empfindlichkeiten der Verstärker befindet.A disadvantage of this prior art is the high cost due to the large number of receiver circuits and beyond the measurement error that occurs when the received signal is between two of the optimum sensitivity of the amplifier.

Aus der DE 10 2014 005 521 , DE 10 2014 106 463 A1 und DE 10 2014 106 465 B3 sind optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtungen bekannt geworden, wobei dem Sensor ein Empfangsverstärker sowie ein oder mehrere Komparatoren nachgeschaltet sind, die zunächst den Fotostrom verstärken und anschließend ist bestimmt, ab welcher Signalhöhe das Empfangssignal akzeptiert ist.From the DE 10 2014 005 521 . DE 10 2014 106 463 A1 and DE 10 2014 106 465 B3 Optoelectronic transit time measuring devices have become known, wherein the sensor, a receiving amplifier and one or more comparators are connected downstream, which first amplify the photocurrent and then determines from which signal level the received signal is accepted.

Nachteilig bei diesem Stand der Technik ist, dass derartige Laufzeitmess-Vorrichtungen nur solange zuverlässige Messwerte bestimmen, solange sich der Empfangsverstärker im analogen Bereich befindet. Bei sehr hellen Objekten übersteuert nämlich der Empfangsverstärker, so dass die Komparator-Schwelle nicht mehr angepasst werden kann, um den Messfehler auszugleichen.A disadvantage of this prior art is that such transit time measuring devices only determine reliable measured values as long as the receiving amplifier is in the analog range. In the case of very bright objects, the receiving amplifier overrides, so that the comparator threshold can no longer be adjusted to compensate for the measuring error.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung eine optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtung der eingangs genannten Gattung derart weiterzubilden, die unabhängig von der Helligkeit des von dem Gegenstand des reflektierten Lichtstrahls zuverlässig und schnell den Abstand auch von sich dynamisch bewegenden Gegenständen bestimmt. Darüber hinaus soll eine derartige Laufzeitmess-Vorrichtung ein Korrektursignal erzeugen können, so dass der Messwert, der proportional zu dem Abstand des Gegenstandes ist, korrigiert werden kann und somit unabhängig von der Helligkeit des von dem Gegenstand remittierten Lichtstrahles ist. Ferner soll eine derartige optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtung zuverlässig und reproduzierbare Messwerte liefern und in der Herstellung kostengünstig sein.It is therefore an object of the invention to develop an optoelectronic transit time measuring device of the type mentioned in such a way that regardless of the brightness of the Subject of the reflected light beam reliably and quickly determines the distance even from dynamically moving objects. In addition, such a transit time measuring device should be able to generate a correction signal, so that the measured value, which is proportional to the distance of the object, can be corrected and is therefore independent of the brightness of the light beam reflected from the object. Furthermore, such an optoelectronic transit time measuring device should provide reliable and reproducible measured values and be inexpensive to manufacture.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß durch den kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 gelöst.This object is achieved by 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 in dem zweiten Schaltkreis eine Differenzierschaltung angeordnet ist, dass die Differenzierschaltung dem Empfangsverstärker nachgeschaltet ist und dass die Differenzierschaltung ein Korrektursignal erzeugt, das proportional zu der zeitlichen Änderungen (duA/dt) des Ausgangssignals des Empfangsverstärkers ist, ist ein Korrektursignal erzeugt, das proportional zu der Flankensteilheit, also der Änderung des Ausgangssignals des durch den Empfangsverstärker verstärkten Photostromes ist. Die Flankensteilheit ist nämlich abhängig von der Helligkeit des Gegenstandes und somit kann der Messfehler kompensiert werden.Characterized in that in the second circuit a differentiating circuit is arranged, that the differentiating circuit is connected downstream of the receiving amplifier and that the differentiating circuit generates a correction signal which is proportional to the time changes (du A / dt) of the output signal of the receiving amplifier, a correction signal is generated, which is proportional to the edge steepness, that is the change of the output signal of the amplified by the receiving amplifier photocurrent. The slope is in fact dependent on the brightness of the object and thus the measurement error can be compensated.

Darüber hinaus ist es besonders vorteilhaft, wenn eine Korrekturschaltung dem Laufzeitmesser und der Differenzierschaltung elektrisch nachgeschaltet ist, die das Korrektursignal mit dem Messwert des Laufzeitmessers mathematisch verrechnet. Dabei kann das von dem Laufzeitmesser und der Differenzierschaltung ausgegebene Signal eine Spannung oder ein digitales Signal sein, die in der Korrekturschaltung miteinander verrechnet werden bzw. mathematisch miteinander korreliert sind.Moreover, it is particularly advantageous if a correction circuit is connected downstream of the transit time meter and the differentiating circuit, which mathematically calculates the correction signal with the measured value of the transit time meter. In this case, the signal output by the time-of-flight meter and the differentiating circuit can be a voltage or a digital signal, which are offset from one another in the correction circuit or are mathematically correlated with one another.

Weiterhin hat es sich als vorteilhaft erwiesen, wenn die Korrekturschaltung einen Mikrocontroller aufweist, der das Ausgangssignal des Laufzeitmessers mit dem Korrektursignal sowie weiteren hinterlegten Kennfeldern oder Polynomen berechnet.Furthermore, it has proved to be advantageous if the correction circuit has a microcontroller which calculates the output signal of the transit time meter with the correction signal and further stored characteristic maps or polynomials.

Die Differenzierschaltung kann einen Spitzenwertgleichrichter aufweisen, der das Ausgangssignal der Differenzierschaltung gleichrichtet und speichert. Weiterhin kann die Differenzierschaltung aus mindestens zwei Kondensatoren und einem Widerstand gebildet sein, wobei einer der Kondensatoren eine zu der Änderung des Ausgangssignals proportionale Spannung erzeugt. Diese Spannung ist somit proportional zu der Flankensteilheit des verstärkten Photostroms.The differentiating circuit may include a peaking rectifier that rectifies and stores the output signal of the differentiating circuit. Furthermore, the differentiating circuit may be formed of at least two capacitors and a resistor, wherein one of the capacitors generates a voltage proportional to the change of the output signal. This voltage is thus proportional to the slope of the amplified photocurrent.

Darüberhinaus hat es sich als vorteilhaft erwiesen, eine LED, eine Laserdiode oder ein vertikal imitierende Laserdiode bzw. VCSEL-Laserdiode als Lichtquelle zu verwenden. Der Sensor kann ferner als Lawinen-Photo-Diode oder MPPC-Diode einem Array aus CMOS-Photodioden gebildet sein, der im Geigermodus betrieben ist.Moreover, it has proven to be advantageous to use an LED, a laser diode or a vertically mimicking laser diode or VCSEL laser diode as the light source. The sensor may also be formed as avalanche photodiode or MPPC diode an array of CMOS photodiodes, which is operated in Geiger mode.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen optoelektronischen Laufzeitmess-Vorrichtung dargestellt, das nachfolgend näher erläutert ist.In the drawing, an embodiment of an optoelectronic transit time measuring device according to the invention is shown, which is explained in more detail below.

Im Einzelnen zeigt:In detail shows:

1 eine optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtung, bestehend aus einem ersten Schaltkreist, der eine Sendeeinheit aufweist, die einen gepulsten Lichtstrahlt aussendet und einen zweiten Schaltkreis, der aus einer reinen Schaltung eines Sensors, eines Verstärkers und eines Laufzeitmessers gebildet ist, wobei parallel zu dem Laufzeitmesser eine Differenzierschaltung angeordnet ist, die ein Korrektursignal erzeugt, das mit dem Ausgangssignals des Laufzeitmessers verrechnet ist, 1 an optoelectronic transit time measuring device consisting of a first circuit having a transmitting unit which emits a pulsed Lichtstrahlt and a second circuit which is formed of a pure circuit of a sensor, an amplifier and a runtime meter, wherein parallel to the runtime a differentiating circuit is arranged, which generates a correction signal, which is offset with the output signal of the transit time meter,

2 das Ausgangssignal des Empfangs-Verstärkers und 2 the output of the receive amplifier and

3 das Ausgangssignal der Differenzierschaltung. 3 the output of the differentiating circuit.

In der 1 ist der schematische Aufbau einer optoelektronischen Laufzeitmess-Vorrichtung 1 zur Erfassung des Abstandes Δs zwischen diesem und einem sich annähernden Gegenstand 2 dargestellt. Die optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtung 1 ist aus einem ersten Schaltkreis 3 und einem zweiten Schaltkreis 4 gebildet, die voneinander unabhängig mit einer Spannung von einer oder mehreren Stromquellen 5 versorgt sind. Der erste Schaltkreis 3 ist dabei durch einen Impulsgeber 6 und einer Lichtquelle 7 gebildet, wobei der Impulsgeber 6 das elektrische Signal, das Impulssignals uE, ausgibt, durch das ein gepulster Lichtstrahl 9 durch die Lichtquelle 7 in einen Überwachungsbereich 8 entlang eines vorgegebenen Strahlenganges 16 ausgesendet ist.In the 1 is the schematic structure of an optoelectronic transit time measuring device 1 for detecting the distance Δs between this and an approaching object 2 shown. The optoelectronic transit time measuring device 1 is from a first circuit 3 and a second circuit 4 formed, which are independent of each other with a voltage from one or more power sources 5 are supplied. The first circuit 3 is by a pulse generator 6 and a light source 7 formed, the pulse generator 6 the electrical signal, the pulse signal u E , outputs, through which a pulsed light beam 9 through the light source 7 into a surveillance area 8th along a given beam path 16 is sent out.

Die Lichtquelle 7 kann als eine LED, eine Laserdiode oder als eine vertikal emittierende Laserdiode bzw. VCSEL-Laserdiode ausgebildet sein.The light source 7 may be formed as an LED, a laser diode or as a vertically emitting laser diode or VCSEL laser diode.

Der zweite Schaltkreis 4 ist im Wesentlichen durch eine Reihenschaltung aus einem Sensor 10, einem Verstärker 12 und einem Laufzeitmesser 13 gebildet. Der Sensor 10 dient dabei der Detektion des von dem Gegenstand 2 remittierten Lichtstrahls 9 und ist als Lawinen-Foto-Diode, MPPC-Diode oder einem Array aus CMOS-Fotodioden ausgebildet, die in dem Geigermod betrieben sind. Beim Erfassen eines remittierten Lichtstrahls 9 generiert der Sensor 10 einen Photostrom uPH, der durch den nachgeschalteten Verstärker 12 verstärkt ist.The second circuit 4 is essentially a series connection of a sensor 10 , an amplifier 12 and a runtime meter 13 educated. The sensor 10 serves the detection of the object 2 remitted light beam 9 and is designed as avalanche photodiode, MPPC diode or an array of CMOS photodiodes, which are operated in the Geigermod. When detecting a remitted light beam 9 the sensor generates 10 a photocurrent u PH , passing through the downstream amplifier 12 is reinforced.

Das Ausgangssignal uA des Verstärkers 12 entspricht somit dem Vielfachen des Photostromes uPH. Dieses Ausgangssignal uA ist zu dem Laufzeitmesser 13 weitergegeben. Die Laufzeit des Lichtstrahls 9 ist anschließend anhand eines Vergleiches des Impulssignals uE und des Ausgangssignals uA des Empfangs-Verstärkers 12 ermittelt und ein fehlerbehafteten Messwert ist gebildet.The output signal u A of the amplifier 12 thus corresponds to the multiple of the photocurrent u PH . This output signal u A is the runtime 13 passed. The duration of the light beam 9 is then based on a comparison of the pulse signal u E and the output signal u A of the receive amplifier 12 determined and a faulty measured value is formed.

Insbesondere der 2 ist der zeitliche Verlauf des Ausgangssignals des Verstärkers 12 für unterschiedlich hohe Photoströme uPH zu entnehmen. Der Verstärker 12 ist als Transimpedanz-Verstärker 12 ausgebildet, so dass der zu messende Photostrom uPH einen Spannungsabfall erzeugt. Umso heller der Gegenstand 2 in dem Überwachungsbereich 8 ist, umso mehr Photonen treffen auf den Sensor 10 und somit ist ein höherer Photostrom uPH generiert als bei niedrig reflektierenden Gegenständen 2. Die Ausgangsspannung vA des Ausgangssignals uA an dem Verstärker 12 nimmt bei dem hellen Gegenstand 2 vergleichsweise deutlich mehr ab als bei dem dunklen Gegenstand 2.In particular the 2 is the timing of the output signal of the amplifier 12 for different high photocurrents u PH . The amplifier 12 is as a transimpedance amplifier 12 formed so that the photocurrent u PH to be measured generates a voltage drop. The brighter the object 2 in the surveillance area 8th is, the more photons hit the sensor 10 and thus a higher photocurrent u PH is generated than in low-reflectance objects 2 , The output voltage v A of the output signal u A to the amplifier 12 takes on the bright object 2 comparatively much more off than the dark object 2 ,

Ebenfalls ist dem Verlauf der Ausgangsspannung vA des Ausgangssignals uA in der 2 zu entnehmen, dass mit steigendem Photostrom uPH die Flankensteilheit, also (duA/dt) einen größeren Wert annimmt. Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, dass das die Ausgangsspannung vA des Ausgangssignals uA auf eine vorgegebene Spannung begrenzt ist, da derartige Verstärker 12 typischerweise bei besonders kräftigen Empfangssignalen übersteuern.Also, the course of the output voltage v A of the output signal u A in the 2 can be seen that with increasing photocurrent u PH the slope, ie (du A / dt) assumes a larger value. It has proved to be advantageous that the output voltage v A of the output signal u A is limited to a predetermined voltage, since such amplifiers 12 typically overdrive with particularly strong receive signals.

Dem Empfangs-Verstärker 12 ist der Laufzeitmesser 13 nachgeschaltet. Der Laufzeitmesser 13 ist ein Zeit/Spannungswandler, der beim Erreichen eines Schwellenwertes vS des Ausgangssignals uA des Verstärkers 12 die Laufzeitmessung beendet und ein Messsignal uM ausgibt. Das Messignal uM entspricht dabei einer Spannung, deren Amplitude von der Laufzeit des Lichtstrahls 9 abhängig ist.The reception amplifier 12 is the runtime meter 13 downstream. The runtime meter 13 is a time / voltage converter which, upon reaching a threshold value v S of the output signal u A of the amplifier 12 ends the transit time measurement and outputs a measurement signal u M. The measurement signal u M corresponds to a voltage whose amplitude depends on the transit time of the light beam 9 is dependent.

Hierzu ist der Laufzeitmesser 13 mit dem ersten Schaltkreis 3 und dem Verstärker 12 gekoppelt, so dass einerseits das Impulssignal uM und andererseits das Ausganssignal uA des Verstärkers 12 eingangsseitig anliegen. Die Laufzeit entspricht dabei dem zeitlichen Versatz des Impulssignals uE und des Ausganssignals uA des Verstärkers 12.This is the runtime meter 13 with the first circuit 3 and the amplifier 12 coupled, so that on the one hand, the pulse signal u M and on the other hand, the output signal u A of the amplifier 12 on the input side. The transit time corresponds to the time offset of the pulse signal u E and the output signal u A of the amplifier 12 ,

Bedingt durch die unterschiedlich hohen Photoströme uPH ist der Zeitpunkt, an dem der Schwellenwert vS erreicht ist, unterschiedlich, da beispielsweise das Ausganssignal des Verstärkers 12 bei einem hohen Photostrom uPH – also bei einem hellen Gegenstand 2 – eine große Flankensteilheit duA/dt aufweist und der Schwellenwert vS bereits zum Zeitpunkt t1 erreicht ist, wohingegen bei dem dunklen Gegenstand 2 der Schwellenwert vS erst zum Zeitpunkt t2 erreicht ist. Aufgrund dieser zeitlichen Differenz (t2 – t1) sind beide Messsignale fehlerbehaftet. Folglich ist bei einem konstanten Abstand Δs das fehlerbehaftete Messsignal uM für den dunklen Gegenstand 2 geringer als das Messsignal uM für den hellen Gegenstand 2.Due to the different high photocurrents u PH is the time at which the threshold value v S is reached, different, for example, the output signal of the amplifier 12 at a high photocurrent u PH - ie at a bright object 2 - Has a large edge steepness du A / dt and the threshold v S is already reached at time t 1 , whereas in the dark object 2 the threshold v S is reached only at the time t 2 . Due to this time difference (t 2 -t 1 ) both measurement signals are faulty. Consequently, at a constant distance Δs, the erroneous measurement signal u M for the dark object 2 less than the measuring signal u M for the bright object 2 ,

Parallel zu dem Laufzeitmesser 13 ist eine Differenzierschaltung 11 elektrisch angeordnet, die ein Korrektursignal uK bildet. Das Korrektursignal uK der Differenzierschaltung 11 ist dabei proportional zu dem Differenzial des Ausgangssignals uA des Verstärkers 12 und beschreibt somit die zeitliche Änderung des Ausgangssignals uA des Verstärkers 12, der Flankensteilheit (duA/dt).Parallel to the runtime meter 13 is a differentiating circuit 11 electrically arranged, which forms a correction signal u K. The correction signal u K of the differentiating circuit 11 is proportional to the differential of the output signal u A of the amplifier 12 and thus describes the temporal change of the output signal u A of the amplifier 12 , the slope (du A / dt).

Die Differenzierschaltung 11 umfasst dabei einen ersten Kondensator 18, eine Widerstandsschaltung 19, einen Spitzenwertgleichrichter 15 und einen zweiten Kondensator 20. Die Flankensteilheit des Ausgangssignals uA des Verstärkers 12 erzeugt in dem ersten Kondensator 18 einen Strom, der in der Widerstandsschaltung 19 die wiederum einen der Flankensteilheit proportionalen negativen Spannungsimpuls erzeugt. Der Spitzenwertgleichrichter 15 und der zweite Kondensator 20 richten den impulsförmigen Spannungsverlauf gleich, wobei eine konstante Korrekturspannung vK von dem zweiten Kondensator 20 ausgegeben ist, die proportional zu dieser Flankensteilheit ist. Der Verlauf der erzeugten Korrekturspannung vK an dem zweiten Kondensator 20 ist der 3 zu entnehmen. Die Korrekturspannung vK entspricht dabei dem Korrektursignal uK.The differentiating circuit 11 includes a first capacitor 18 , a resistance circuit 19 , a peak rectifier 15 and a second capacitor 20 , The slope of the output signal u A of the amplifier 12 generated in the first capacitor 18 a current flowing in the resistor circuit 19 which in turn generates a negative voltage pulse proportional to the slope. The peak rectifier 15 and the second capacitor 20 rectify the pulse-shaped voltage waveform, with a constant correction voltage v K from the second capacitor 20 is output, which is proportional to this slope. The course of the generated correction voltage v K at the second capacitor 20 is the 3 refer to. The correction voltage v K corresponds to the correction signal u K.

Das Korrektursignal uK der Differenzierschaltung 11 ist an eine Korrekturschaltung 14, die der Differenzierschaltung 11 und dem Laufzeitmesser 13 nachgeschaltet ist, übergeben und der korrigierte Messwert M ist durch eine Kompensation des Messsignals uM des Laufzeitmessers 13 mit dem Korrektursignal uK gebildet. Der Messwert M ist somit ausschließlich proportional zu dem Abstand Δs des Gegenstandes 2 und nunmehr unabhängig von dessen Helligkeit.The correction signal u K of the differentiating circuit 11 is to a correction circuit 14 , the differentiating circuit 11 and the runtime meter 13 is downstream, passed and the corrected measured value M is by a compensation of the measuring signal u M of the runtime 13 formed with the correction signal u K. The measured value M is therefore exclusively proportional to the distance Δs of the object 2 and now regardless of its brightness.

Die Kompensation in der Korrekturschaltung 14 erfolgt durch eine Subtraktion der Spannung des Messsignals uM und der Spannung des Korrektursignals uK. Alternativ kann das Korrektursignal uK der Differenzierschaltung 11 und das Messsignal uM des Laufzeitmessers 13 digitalisiert sein. Die Korrekturschaltung 14 kann diese digitalen Signale miteinander in einem Mikroprozessor verrechnen bzw. mathematisch korrelieren und die Kompensation mithilfe von hinterlegten Kennfeldern oder Polynomen durchführen und den korrigierten Messwert M ausgeben.The compensation in the correction circuit 14 is done by subtracting the voltage of the measurement signal u M and the voltage of the correction signal u K. Alternatively, the correction signal u K of the differentiating circuit 11 and the measuring signal u M of the runtime 13 be digitized. The correction circuit 14 can charge these digital signals together in a microprocessor or mathematically correlate and perform the compensation using stored maps or polynomials and output the corrected measured value M.

Darüber hinaus kann der Sensor 10 mit einer konstanten Hochspannung mit einer Temperaturkompensation betrieben sein. Die Temperaturkompensation gleicht einen möglichen Temperaturdrift der Durchbruchspannung des Sensors 10, der im Geigermode betrieben ist, aus.In addition, the sensor can 10 be operated with a constant high voltage with a temperature compensation. The temperature compensation compensates for a possible temperature drift of the breakdown voltage of the sensor 10 who operates in violin fashion.

Die Spannungsversorgung des Sensors 10 kann ferner mit einer Rauschregelung versehen sein, die den Arbeitspunkt des Sensors 10 immer auf eine maximale Verstärkung einstellt.The power supply of the sensor 10 may also be provided with a noise control, which is the operating point of the sensor 10 always set to a maximum gain.

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Claims (9)

Optoelektronische Laufzeitmess-Vorrichtung (1) zur Bestimmung eines Messwertes (M) der proportional zu dem Abstand (Δs) von Gegenständen (2) innerhalb eines Überwachungsbereiches (8) ist, bestehend aus: – einem ersten Schaltkreis (3), der mindestens eine Lichtstrahlen (9) emittierende Lichtquelle (7) aufweist, deren impulsartig gesendeten Lichtstrahlen (9) einen vorgegebenen Strahlengang (16) folgen, – einem zweiten Schaltkreis (4) der parallel zu dem ersten Schaltkreis (3) geschaltet ist und aus einer Reihenschaltung aus mindestens einen Sensor (10), einen Empfangs-Verstärker (12) und einen Laufzeitmesser (13) gebildet ist, die die von dem Gegenstand (2) reflektierten Lichtstrahlen (9) erfasst und durch die der dem Abstand (Δs) proportionale Messwert (M) erzeugt ist wobei der erste und der zweite Schaltkreis (3, 4) unabhängig von einer Stromquelle (5, 5') versorgt sind dadurch gekennzeichnet, dass in dem zweiten Schaltkreis (4) eine Differenzierschaltung (11) angeordnet ist, dass die Differenzierschaltung (11) dem Empfangs-Verstärker (12) elektrisch nachgeschaltet ist und dass die Differenzierschaltung (11) ein Korrektursignal (uK) erzeugt, das proportional zu der zeitlichen Änderung (duA/dt) des Ausgangsignals (uA) des Empfangs-Verstärkers (12) ist.Optoelectronic transit time measuring device ( 1 ) for determining a measured value (M) proportional to the distance (Δs) of objects ( 2 ) within a surveillance area ( 8th ), consisting of: - a first circuit ( 3 ) containing at least one light beam ( 9 ) emitting light source ( 7 ) whose pulsed light beams ( 9 ) a predetermined beam path ( 16 ), - a second circuit ( 4 ) parallel to the first circuit ( 3 ) and from a series connection of at least one sensor ( 10 ), a reception amplifier ( 12 ) and a transit time meter ( 13 ) formed by the object ( 2 ) reflected light rays ( 9 ) and by which the measured value (M) proportional to the distance (Δs) is generated, wherein the first and the second circuit ( 3 . 4 ) independent of a power source ( 5 . 5 ' ) are characterized in that in the second circuit ( 4 ) a differentiating circuit ( 11 ) is arranged, that the differentiating circuit ( 11 ) the receiving amplifier ( 12 ) is electrically connected downstream and that the differentiating circuit ( 11 ) generates a correction signal (u K ) proportional to the time change (du A / dt) of the output signal (u A ) of the reception amplifier ( 12 ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass eine Korrekturschaltung (14) dem Laufzeitmesser (13) und der Differenzierschaltung (11) elektrisch nachgeschaltet ist und dass die Korrekturschaltung (14) den Messwert (U) des Laufzeitmessers (13) dem Korrektursignal (uK) mathematisch korreliert.Contraption ( 1 ) according to claim 1, characterized in that a correction circuit ( 14 ) the runtime meter ( 13 ) and the differentiating circuit ( 11 ) is electrically connected downstream and that the correction circuit ( 14 ) the measured value (U) of the transit time meter ( 13 ) is mathematically correlated to the correction signal (u K ). Vorrichtung (1) nach Anspruch 2 dadurch gekennzeichnet, dass der Laufzeitmesser (13) und die Differenzierschaltung (11) jeweils eine Spannung (vM, vK) ausgeben, oder dass der Laufzeitmesser (13) und die Differenzierschaltung (11) ein digitales Signal ausgeben.Contraption ( 1 ) according to claim 2, characterized in that the transit time meter ( 13 ) and the differentiating circuit ( 11 ) each output a voltage (v M , v K ), or that the transit time meter ( 13 ) and the differentiating circuit ( 11 ) output a digital signal. Vorrichtung (1) nach Patentanspruch 2 oder 3 dadurch gekennzeichnet, dass die Korrekturschaltung (11) einen Mikrocontroller aufweist, und dass die Korrekturschaltung (11) die Kompensation des Ausgangsignals (uM) des Laufzeitmessers (13) mit dem Korrektursignal (uK) und hinterlegten Kennfelder oder Polynomen erfolgt.Contraption ( 1 ) according to claim 2 or 3, characterized in that the correction circuit ( 11 ) has a microcontroller, and that the correction circuit ( 11 ) the compensation of the output signal (u M ) of the transit time meter ( 13 ) with the correction signal (u K ) and stored maps or polynomials. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Patentansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Differenzierschaltung (11) einen Spitzenwertgleichrichter (15) aufweist und dass die Differenzierschaltung (11) aus mindestens zwei Kondensatoren (18, 20) und einer Widerstandsschaltung (19) gebildet ist, wobei einer der Kondensatoren (20) eine zu der Änderung des Ausgangssignals (duA/dt) proportionale Korrekturspannung (vK) erzeugt.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the differentiating circuit ( 11 ) a peak value rectifier ( 15 ) and that the differentiating circuit ( 11 ) of at least two capacitors ( 18 . 20 ) and a resistance circuit ( 19 ) is formed, wherein one of the capacitors ( 20 ) produces a correction voltage (v K ) proportional to the change of the output signal (du A / dt). Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, die Lichtquelle (7) eine LED, eine Laserdiode oder eine vertikal imitierende Laserdiode bzw. VCSEL-Laserdiode ist.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the light source ( 7 ) is an LED, a laser diode or a vertically mimicking laser diode or VCSEL laser diode. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor (10) als Lawinenfotodiode oder MPPC-Diode, ein Array aus CMOS-Fotodioden ist, die im Geiger-Mod betrieben sind.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor ( 10 ) is an avalanche photodiode or MPPC diode, an array of CMOS photodiodes operated in the Geiger-Mod. Vorrichtung (1) nach einem der vorgenannten Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Sensor mit einer konstanten Hochspannung mit Temperaturkompensation betrieben ist, und dass die Temperaturkompensation die Temperaturtrifft der Durchbruchsspannung der Diode ausgleicht.Contraption ( 1 ) according to one of the preceding claims, characterized in that the sensor is operated with a constant high voltage with temperature compensation, and that the temperature compensation compensates for the temperature hit the breakdown voltage of the diode. Vorrichtung (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, die Hochspannung des Sensors (10) mit einer Rauschregelung versehen ist und dass die Rauschregelung die maximale Verstärkung an dem Arbeitspunkt des Sensors (10) einstellt.Contraption ( 1 ) according to claim 8, characterized in that the high voltage of the sensor ( 10 ) is provided with a noise control and that the noise control the maximum gain at the operating point of the sensor ( 10 ).
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