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
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
Aus der
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
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
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
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:
In der
Die Lichtquelle
Der zweite Schaltkreis
Das Ausgangssignal uA des Verstärkers
Insbesondere der
Ebenfalls ist dem Verlauf der Ausgangsspannung vA des Ausgangssignals uA in der
Dem Empfangs-Verstärker
Hierzu ist der Laufzeitmesser
Bedingt durch die unterschiedlich hohen Photoströme uPH ist der Zeitpunkt, an dem der Schwellenwert vS erreicht ist, unterschiedlich, da beispielsweise das Ausganssignal des Verstärkers
Parallel zu dem Laufzeitmesser
Die Differenzierschaltung
Das Korrektursignal uK der Differenzierschaltung
Die Kompensation in der Korrekturschaltung
Darüber hinaus kann der Sensor
Die Spannungsversorgung des Sensors
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG QUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION
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Legal Events
Date | Code | Title | Description |
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R012 | Request for examination validly filed | ||
R083 | Amendment of/additions to inventor(s) | ||
R079 | Amendment of ipc main class |
Free format text: PREVIOUS MAIN CLASS: G01S0007487000 Ipc: G01S0007486000 |
|
R016 | Response to examination communication | ||
R082 | Change of representative |
Representative=s name: GEITZ PATENTANWAELTE PARTG MBB, DE Representative=s name: GEITZ TRUCKENMUELLER LUCHT CHRIST PATENTANWAEL, DE |