DE2054973B2

DE2054973B2 - Vorrichtung zum abstandsmessung

Info

Publication number: DE2054973B2
Application number: DE19702054973
Authority: DE
Inventors: William R PaIo Alto Justice Gregory Mountain View Cahf Hewlett (V St A)
Original assignee: Hewlett Packard Co
Current assignee: HP Inc
Priority date: 1969-11-24
Filing date: 1970-11-09
Publication date: 1972-02-10
Also published as: US3619058A; SE378039B; ZA706327B; CH535958A; GB1281838A; FR2072298A5; DE2054973A1

Description

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renzweg geführte Anteil abwechselnd unterbrochen, und es werden dann beide Signale als ungedämpfte, kontinuierliche Signale wiederhergestellt, die die Phaseninformation der unterbrochenen Referenz- und reflektierten Lichtträgersignale enthalten. Daraufhin wird die in diesen wiederhergestellten Signalen enthaltene Phaseninformation gemessen, um eine direkte Auslesung des zu messenden Abstandes bzw. der zu messenden Entfernung zu ermöglichen. Die Mehrdeutigkeiten in der Entfernungsanzeige auf Grund der Anzahl der Wellenlängen des modulierten Signals werden aufgelöst, indem die Modulationsfrequenzen und damit die Wellenlängen geändert werden, wenn die Auslesung eingestellt wird, um die gewünschte Anzeige der Entfernung zu dem Reflektor in Bruchteilen, Einer-, Zehner-, Hunderter- und Tausenderstufen von Metern anzuzeigen.

Bei dieser Vorrichtung zur Entfernungsmessung kann vorzugsweise eine elektrische Signalvorrichtung verwendet werden, die erste und zweite Signale vorbestimmter Frequenz während intermittierender Zeitintervalle erzeugt, die sich zyklisch mit einer Wiederholfrequenz ändern, die niedriger als diese vorgegebene Frequenz ist, wobei die ersten und zweiten Signale phasenmäßig um einen zu bestimmenden as Wert getrennt sind. Diese auch allgemein verwendbare Signalvorrichtung ist dadurch gekennzeichnet, daß eine Quelle eines ungedämpften Wellensignals eine Frequenz aufweist, die um einen ganzzahligen Faktor auf die vorbestimmte Frequenz bezogen ist, von einem Paar von Signalkanälen jeder einen signalgesteuerten Phasenschieber aufweist, der das ungedämpfte Wellensignal und ein phasenverschiebendes Steuersignal aufnimmt, und daß ein Phasendetektor die ersten und zweiten Signale während der zyklisch wechselnden intermittierenden Perioden aufnimmt, um ein Steuersignal zu erzeugen, das das Phasenverhältnis der aufgegebenen Signale darstellt. Weiterhin wird bevorzugt, daß der Phasendelektor einen anderen Eingang hat, ein Paar Kanalwähler auf der Wiederholfrequenz synchron mit den zyklisch wechselnden, intermittierenden Perioden dem anderen Eingang des Phasendetektors abwechselnd und zyklisch ausgewählte Ausgänge der Signalkanäle zuführen und abwechselnd und zyklisch ein Steuersignal von dem Phasendetektor an jeden der signalgesteuerten Phasenschieber während des in dem Phasendetektor stattfindenden Phasenvergleichs des Ausgangs eines der Signalkanäle mit dem entsprechenden der ersten und zweiten dem Phasendetektor während einer intermittierenden Periode zugeführten Signale abgegeben werden. An den Ausgängen der Signalkanäle werden dabei ein Paar kontinuierlicher ungedämpfter Wellensignale erzeugt, von denen jedes mit dem entsprechenden der ersten und zweiten Signale phasenstarr verbunden ist.

Vorzugsweise zusammen mit der Vorrichtung zur Abstandsmessung kann zur Bestimmung der Phasentrennung eines Paares ungedämpfter periodischer Signale eine Vorrichtung verwendet werden, die dadurch gekennzeichnet ist. daß ein Phasenschieber zur wahlweisen Verschiebung des Phasenwinkels eines Eingangsiignals um 180° und ein durch den Phasenschieber verbundener Umsetzer zur Aufnahme des Paares ungedämpfter Signale zur Erzeugung eines elektrischen Signals vorgesehen ist, das dem Phasentinterschied des Signalpaares im wesentlichen über rim· volle. Periode der Phasentrennung proportional ist, eine Steuereinrichtung auf Grundziffern über einen Dekadenbereich manuell einstellbar ist, um ein der Grundzifferneinstellung der Steuereinrichtung proportionales elektrisches Signal zu erstellen, daß der Phasenschieber mit der Steuereinrichtung zur Einführung einer 180°-Phasendrehung gemäß der manuellen Einstellung der Steuereinrichtung auf vorbestimmte Grundziffern des Dekadenbereiches verbunden ist und den Betrieb der Urnsetzereinrichtung im wesentlichen innerhalb des zentralen Ausgangsbereiches aufrechterhält, indem die Phasentrennung in einen elektrischen Signalausgung umgewandelt wird. Dabei nimmt eine Ausgangsvorrichtung die elektrischen Signale von dem Umsetzer und der Steuervorrichtung auf und erzeugt eine Anzeige nach Maßgabe eines einstellbaren Verhältnisses dieser Signale zueinander. Durch diese wahlweise Addition einer Phasenverschiebung von 180° wird also ein dem Phasenunterschied beider Signale über im wesentlichen eine volle Periode der Phasentrennung proportionales Signal erstellt.

Im folgenden wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung an Hand der Zeichnungen erläutert; dabei stellt dar

Fig. 1 ein Übersichtsschaltbild der elektrooptischen Vorrichtung zur Entfernungsmessung,

F i g. 2 bis 4 Teile des Schaltkreises zur Phasen- und/oder Abstandsmessung.

F i g. 1 stellt ein optisches System dar, bei dem konzentrisch Sender- und Empfängerlinsen 9, 11 und ein Raumwinkelreflektor 13 am Ende der Entfernung angeordnet sind, die in bezug auf die Referenzebene der Meßvorrichtung zu messen ist. Diese Referenzebene kann als Abstandsversetzung in später beschriebener Weise eingestellt werden, fällt aber typischerweise nahe zusammen mit den Reflexionswinkeln an einer Reflektorplatte 15, die ihrerseits einfach mit der Befestigungsachse der Vorrichtung ausgerichtet werden kann. Eine Lichtquelle 17, beispielsweise eine elektroluminiszierende Galliumarsenitdiode, deren Lichtstärke mit hoher Frequenz geändert werden kann, ist derart angeordnet, daß sie Licht auf einen Strahlspalter 19 schickt, wo der Lichtstrahl in einen Senderanteil 21 und einen Referenzanteil 23 getrennt wird. Die Lichtquelle Π kann mit Frequenzen von etwa 15 bis etwa ?5 MHz in noch zu beschreibender Weise ein- und ausgeschaltet werden.

Diese modulierten Lichtstrahlen 21 und 23 werden getrennt und abwechselnd in Gegenphase durch die getrennten Abschnitte 25,27 einer Wechselblende 29 durchgelassen und gesperrt. Der unterbrochene Sendeanteil 31 wird von der Oberfläche der Reflektorplatte 15 durch die Sendelinse 9 zu dem entfernten Reflektor 13 reflektiert, und der unterbrochen Referenzanteil 33 wird entlang dem Referenzwes durch eine Linse 35, eine Lichtleitung 37 und eii Lichtdämpfungsglied 39 zur rückseitigen Reflexions fläche der Reflektorplatte 15 geführt. An der Reflek torplatte 15 findet keine Vermischung des Sende anteiles 31 und des Referenzanteiles 33 der Licht strahlen statt. Indessen reflektiert der reflektierti Anteil 32 des gesendeten Lichts 31, der durch dl· äußere konzentrische Linse 11 empfangen wurde von der Platte 41 zur rückseitigen Fläche der Reflek torplatte 15, wo er mit dem Referenzanteil 31 ver bunden wird, der über den Referenzweg gefühi wurde. Das kombinierte, modulierte Referenzlichl

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signal 34 und das empfangene Lichtsignal 36 werden bildenden Elemente eingekoppclt bzw. eingeschaltet

daher abwechselnd und zyklisch einer Photodiode ist, um die Streulichtbedingurlgen der gemessenen

oder einem anderen Lichtsignaldetektor 43 zur Mes- Umgebung aufzunehmen, und daß diese Bedingungen

sung des Phasenunterschiedes zwischen dem empfan- abwechselnd und zyklisch durch das Referenzsignal

genen Anteil und dem Referenzanteil zugeführt. Ein 5 34 und das aufgenommene Signal 36 verändert wer-

ZelMckersignal 38 zur synchronen Steuerung von den, die beide der Diode 43 zugeführt werden. Dies

Teilen der Schaltung ist vorgesehen, indem abwech- hat den Vorteil, daß die Signalbedingungen auf der

ielnd und zyklisch das von der Quelle 10 durch die Detektordiode 43 näherungsweise gleichförmiger

tVechselblende 29 einer photoempti.idlichen Diode bleiben während abwechselnder Unterbrechungs-

♦der einem Transistor 42 zugeführte Licht zu unter- io Halbperioden im Vergleich zu einer Anordnung der

!rechen, wobei die Diode bzw. der Transistor den Optik und des Unterbrechers, bei der ein Detektor

terhackersignalgenerator 44 triggert. Wegen der abwechselnd dem Streulicht und dem reflektierten

fcichtwirkung des reflektierten Lichtes von dem Lichtsignal und daraufhin wiederum nur dem internen

Winkelspiegelteflektor 13 ergeben die konzentrischen Referenzlichtsignal ausgesetzt wäre. Da die Detektor-

tende- und Empfangslinsen 9 und 11 insbesondere 15 diode 43 eine nichtlineare Vorrichtung ist, die das

Iber kurze Entfernungen eine verbesserte Lichtsignal- gewünschte Signal mit einer Amplitude erzeugt, die

kopplung zwischen der Sendeoptik, dem Reflektor 13 eine Funktion des Vorstromes, der Lichtstärke u. dgl.

lind der Aufnahmeoptik. Die Sendelinse 9 hat eine ist. neigen Änderungen der Lichtstärke dazu, die

kürzere Brennweite als die Aufnahmelinse 11, so Vorspannungsbedingungen zu ändern, und diese

flaß die Reflektorplatte 15 bequem zwischen den ao Änderungen werden wiederum in Phasenänderungen

Linsen 9, 11 und dem Reflektor 41 angeordnet wer- durch die nichtlineare Charakteristik der Diode 43

den kann. umgesetzt, welche Phasenänderongen unerwünschte

Gemäß der Figurendarstellung wird die elektro- Fehler in der Abstandsmessung hervorrufen können,

tumineszierende Dioden-Lichtquelle 17 mit Fre- Indem auf der Detektordiode 43 über die volle

tjuenzen ein- und ausgeschaltet, die in Dekaden- »5 Periode des Zerhackerbetriebes näherungsweise

Schritten von etwa 25 kHz bis etwa 25 MHz nach gleichförmigere Signaldetektorbedingungen aufrecht-

M"ßgabe der Einstellung von Ausleseschaltern 101 erhalten werden, ist die Vorrichtung in der Lage,

bis 107 in später beschriebener Weise geändert wer- Zeitverzögerungen von etwa 2 10~¹² Sekunden auf-

den. Tatsächlich sind diese Frequenzen genau be- zulösen, was einigen Tausendsteln einer Entfernungs-

fcogen auf die veröffentlichten Daten der Licht- 30 änderung von 30 cm entspricht,

!geschwindigkeit bei gegebenen Bedingungen der Das Signal am Ausgang des ZF-Verstärkers 57

Temperatur und des Druckes der Atmosphäre, in ändert sich daher zyklisch und nach Maßgabe der

welcher die Entfernung gemessen wird. Für das eng- Zerhackergeschwindigkeit (beispielsweise etwa 30 Hz)

lische Einheitensystem sind die Frequenzen deka- von der ZF-Signalanzeige des aufgenommenen Signals

dische Vielfache von etwa 24,58244 kHz, und für 35 36 zur ZF-Signalanzeige des Referenzsignals 34 usf.,

das metrische System der Längenmessung sind wobei die Kurvenform in F i g. 2 dargestellt ist. Die

die Frequenzen dekadische Vielfache von etwa Rechtecksignale mit der Referenz-oder ZF-F,equenz

14,98545 kHz. Diese Modulations- oder HF-Fre- von etwa 25 kHz, die innerhalb der durch die

quenzen für die Lichtquelle 17 werden durch den Wechselblende 29 gesteuerten halbperiodischen Stöße

Normalfrequenzgenerator 45 zugeführt und durch 40 auftreten, enthalten daher die relative Phaseninfor-

ein gegebenes dekadisches Vielfaches bei entsprechen- mation, die für den zu messenden Abstand repräsen-

den Temperatur- und Druckbedingungen durch Um- tativ ist. Die folgende Schaltung gemäß F i g. 1 ist

gebungs-Meßfühler 47 korrigiert. Der Normalfre- vorgesehen, um die Phasenverschiebung dieser beiden

quenzgenerator 45 liefert auch eine Referenzfrequenz Gruppen abwechselnd wiederkehrender Signale zu

52 bei dem niedrigsten Vielfachen der Hochfrequenz 45 messen.

von 24,58244 kHz für das englische Einheiten- Der Signaltrennkreis 59 erzeugt ein Paar unsystem. Das Hochfrequenzsignal vom Normal- gedämpfter Signale auf getrennten Ausgangsleitunfrequenzgenerator 45 wird einem Leistungsverstärker gen 61, 63, die die relative Phaseninformation auf-49 aufgegeben, um die Lichtquelle 17 mit diesen weisen, die in den Signalen enthalten sind, die abhohen Frequenzen zu betreiben, und dieses Hoch- 5° wechselnd und intermittierend während der unterfrequenzsignal wird auch einer Mischstufe 51 zu- brochenen Halbperioden-Stöße am Ausgang des geführt, wo es mit dem Ausgang eines Uberlagenmgs- ZF-Verstärkers 57 auftreten. Die Signale vom ZF-Veroszillators 53 verbunden wird. Dieser Oszillator 53 stärker werden geformt und auf einen ausgewählter wird durch einen Phasendetektor 55 gesteuert, der Pegel durch einen Begrenzer 65 begrenzt, um die gedie Referenzfrequenz 52 und den Ausgang der 55 wünschten Signale mit scharfen Flanken zu erhalten Mischstufe 51 aufnimmt, um den Ausgang des Oszil- Diese während der Halbperioden auftretenden Silators 53 auf einer Frequenz zu halten, die von den gr.ale werden getrennt und entsprechenden Kanäler dekadischen Vielfachen des Hochfrequenzsignals um eines Paares ähnlicher Kanäle durch den Betriel die feste Referenzfrequenz 52 verschieden ist. Dieser eines Phasendetektors 67 und eines Schalters 69 zn Ausgang vom Oszillator 53 und die modulierten ⁶° geführt, wobei der Schalter synchron mit dem Unter Referenz- und Empfangslichtsignale 34, 36 werden brechersignal arbeitet. Jedes Signal weist einen Inte der Photodetektordiode 43 aufgegeben, in der sie grator 71, 73 auf, der eine Gleichspannung an einei gemischt werden, um eine Zwischenfrequenz (ZF) gleichspannungsgesteuerten Phasenschieber 75, T bei der Referenzfrequenz 52 zu bilden, die durch herkömmlicher Bauart abgibt, um die Phase der un einen ZF-Verstärker 57 ausgewählt und verstärkt ⁶5 gedämpften Signale 79, 81 zu verändern. Diese un ■wird. gedämpften Signale werden durch einen Teiler 8:

Es sei angemerkt, daß die Photodetektordiode 43 von der Referenzfrequenz 52 herabgeteilt. Die Aus

stets durch die die Aufnahmeoptik 15, 41 und 11 gänge der Phasenschieber 75, 77 stellen ungedämpft

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ίο

Signale dar, die in der Frequenz durch die Vervielfacher 8S, 87 verdoppelt und durch selektive Bandpaßverstärker 89, 91 verstärkt und Begrenzern 93, 95 zugeführt werden. Die Frequenzverdopplung durch die Vervielfacher 85, 87 ändert die effektive Wellenlänge des hochfrequenzmodulierten, gesendeten Lichtsignals, wie noch beschrieben wird. Die Begrenzer 93, 95 können Multivibratoren oder andere ähnliche Triggerkreise sein, die ihren Zustand bei jedem Übergang (Spitzenwert oder Nulldurchgang) der ihnen zugeführten ungedämpften Signale ändern, um Rechtecksignale an den Ausgängen 61 und 63 abzugeben. Dies führt zu einer Verdoppelung der Frequenz, und der Begrenzer 65 kann daher einen Frequenzverdoppler aufweisen, so daß der Phasendetektor 67 Signale der gleichen Frequenz vergleichen kann. Der Schalter 97 arbeitet synchron mit dem Unterbrechersignal fi, um wechselweise dem Phasendetektor 67 die Ausgänge 61 und 63 zum Vergleich mit der Phase der Signale während der entsprechenden Halbperioden Impulse zuzuführen, so daß der entsprechende Integrator 71, 73 durch den Schalter 69 die Gleichspannung erhält, die ein Maß für den Phasenfehler zwischen dem Eingangssignal in einem Halbperiodensignal und dem entsprechenden Ausgangssignal auf der Leitung 61, 63 ist. Auf diese Weise wird die Phaseninformation der ungedämpften Ausgangssignale auf den Leitungen 61, 63 als genaue Wiedergabe der Phaseninformation erhalten, die in den Signalen enthalten ist, welche in den HaIbperiodensignalen am Ausgang des Zwischenverstärkers 57 enthalten sind. Die ungedämpften Rechtecksignale auf den Leitungen 61 und 63 haben daher Flanken, die phasenmäßig getrennt sind nach Maßgabe der Phasendifferenz zwischen dem modulierten Referenzsignal 34 und dem modulierten Empfangssignal 36. Dieser Phasenunterschied ist ein Maß für die Stellung des entfernten Reflektors in bezug auf einen Referenzpunkt (sprich »Nullphasenwinkel«) in einer vollen Wellenlänge des modulierten Lichtsignals. Daher verursacht die Bewegung des entfernten Reflektors (oder des Meßinstrumentes relativ dazu) entlang einer vollen Wellenlänge des modulierten Lichtsignais eine Veränderung des Phasenunterschiedes der Signale auf den Ausgangsleitungen 61 und 63 von 0 bis 360°.

Der Phasenunterschied der Signale auf den Leitungen 61 und 63 wird gemessen, indem diese Signale einem Umsetzer 70 mit einem Schmitt-Trigger 72, 74 zugeführt werden. Die Signale auf den Leitungen 61 und 63 steuern die Stromführungszeit eines Multivibrators 76. so daß sie zusammenfällt mit dem Phasenunterschied der beiden Signale auf den Leitungen 61 und 63. Einem Tiefpaßfilter (oder Gleichstrom-Mittelwertbildner) 78 wird von einer Quelle 80 über einen Schalter 82 Strom zugeführt, wobei der Schalter durch den Multivibrator 76 gesteuert wird. Dadurch wird an den Eingang eines Meßverstärkers 84 ein Ausgangssignal abgegeben, das linear mit zunehmendem Phasenunterschied de' Signale auf den Leitungen 61 und 63 zunimmt. Dieses Signal wird in noch zu beschreibender Weise durch schalterbetätigte Signale zu Null gemacht, so daß die gewünschte Auslesung der Entfernung zu dem entfernten Reflektor 13 direkt aus den Schalterstellungen entnommen werden kann. Auch ist ein zusätzlicher Schaltkreis vorgesehen, um die Nähe der Sisnale auf den Leitungen 61 und 63 zu den 0°- und 360°-Grenzen des Phasenverschiebungs-Signal-Umsetzers festzustellen, der durch den Umsetzerkreis 70 gebildet wird. Dieser zusätzliche Schaltkreis enthält ein »oder ausschließlich«-Gatter 86, dem die Signale auf den Leitungen 61 und 63 zugeführt werden, um ein Ausgangssignal abzugeben, wenn die Eingänge entgegengesetzte Phasenlage aufweisen, und um entsprechend kein Signal abzugeben, wenn die Eingänge dieselbe Phase haben. Der Ausgang des Gatters 86

ίο wird einem Integrator 88 zugeführt, der am Ausgang eine stationäre Spannung abgibt, die mit Zunahme des Phasenunterschiedes der Signale auf den Leitungen 61 und 63 von 0 bis 180° Phasenwinkel zunimmt und dann bei zunehmendem Phasenuntersrhied von 180 bis 360 abnimmt. Ein mit dem Ausgang des Integrators verbundener Pegeldetektor 92 kann daher eingestellt werden, so daß er Inlegratorwerten unterhalb eines vorgewählten Pegels entspricht und einem Meßverstärker 84 einen Strom zuführt, der das Instrument 90 außerhalb des Meßbereichs bringt, so daß keine Nullstellung erreicht werden kann. Da der Ansprechpegel des Pegeldetekturs auf den Phasenunterschied der Signale der Leitungen 61 und 63 um die 0°- und 360^c -Grenzen des Phasenbereiches bezogen ist und daher den Abstandsinkrementen innerhalb einer Dekade von Abstandseinheiten entspricht, kann dieser Einstellpegel näherungsweise gleich den Einstellungen des Abstandsschalters bis zu 0. 1, 2 oder oberhalb 8, 9 (oder dekadischer Vielfacher davon) gewählt werden. Wenn daher die Einstellungen der Abstandsschulter 101 bis 107 nacheinander in noch zu beschreibender Weise geändert werden, kann jeder dieser Schalter seinerseits den Schalter 109 am Ausgang des Begrenzeis 93 in dem Kanalwählkreis 59 betätigen, um den komplementären Ausgang zu wählen und damit das Signal des Umsetzerschaltkreises 70 und des Schaltkreises 86. 88, 92 um 180" zum Zentrum der AnsprechcLarakteristik dieser Schaltkreise zu verschieben. Mehrdeutigkeiten bzw. Unbestimmtheiten an den Enden des Phasenbereiches werden damit ausgeschlossen.

Der Betrieb der Vorrichtung durch verschiedene Stufen hindurch, um die direkte Anzeige des Abstandes zu emem entfernten Reflektor 13 zu erhalten, wird durch einen Funktionswähler 99 gesteuert. In der ersten Betriebsstufe wird lediglich angestrebt, daß der ausgesendete Lichtstrahl 31 zu dem entfernten Reflektor ausgerichtet wird, um eine maximale Intensität des zurückkehrenden Signals 32 zu erreichen Entsprechend stellt der Funktionswähler 99 in diesei Ausrichtungsstufe den Schalter 102 ein, so daß dei Pegelmesser 104 die Ausgänge des Detektors und dei automatischen Verstärkungssteuerung (AGC) 106 er hält und auch den Schalter 108 schließt, so daß da:

Unterbrechersignal β dem Leistungsverstärker 49 zu geführt wird. Das Unterbrechersignal dient dazu, dei Verstärker 49 während der Zeitdauer zu sperren, ii der die Wechselblende 29 die Übertragung zum Re flektor 13 sperrt (d. h., daß Licht durch die Licht leitung 37 gelangt) und den Verstärker 49 wahrem der übrigen Pe;riodenhälften einzuschalten. Auf dies Weise gelangt nur Licht von der Diodenlichtqueli 17, welches zu dem entfernten Reflektor 13 geschiel· und von diesem reflektiert worden ist, zu der Detel· tordiode 43. Damit wird die Senderoptik in bezu auf den Reflektor 13 so ausgerichtet, daß ein max males verstärkungs^teuerndes Signal an dem ZF-Vei stärker 57 auftritt.

In. der nächsten Betriebsstufe werden die Amplituden der von der Delektordiode 43 während abwechselnd unterbrochener Halbpenoüen aufgenommenen Referenz- und Reflexionssignale symmetriert. Zu diesem Zweck stellt der Funktionswähler 99 den Schalter 102 so ein, daß er von dem Ausgang des ZF-Verstärkers 57 ein Signal aufnimmt, das durch die Schaltkreise 109 erfaßt und synchron demodu-Hert wird. Wenn die Signalspitzen oder die Hüllkurve des modulierten, während einer Hälfte der Unterbrecherperiode aufgenommenen Signals eine andere Amplitude als die Signalspitzen oder die Hül'kurve des modulierten, während der anderen Hälfte der Periode aufgenommenen Signals zeigen, kann das optische Abschwächungsglied 39 im Referenzweg eingestellt werden, um die Stärken des Referenzeignais 34 und des reflektierten Signals 36 auszugleichen.

Nachdem die Vorrichtung jetzt richtig ausgerichtet und eingestellt ist, ist es möglich, die Entfernung^- messung vorzunehmen. Zu diesem Zweck betätigt der Funktionswähler 99 den Entfernungswählerschalter 101, der der Einheitenstelle zugeordnet ist, und er betätigt außerdem einen Normalfrequenzgenerator 45 und den Überlagerungsoszillator 53, damit diese ihre höchsten Modulation sfrequenzen abgeben. Das bedeutet, daß etwa 25 MHz vom Frequenzgenerator 45 und etwa 25 MHz plus der Referenzfrequenz 52 von etwa 25 MHz vom Oszillator 53 bei der Messung im englischen Einheitensystem erzeugt werden. Dies ergibt ein moduliertes Lichtträgersignal 110 zur Übertragung zum Reflektor 13, das eine effektive Wellenlänge I₁ von etwa 6096 mm (20 Fuß) aufweist. Tatsächlich wird das HF-Signal von etwa 25 MHz frequenzmäßig derart eingestellt, daß eine Wellenlänge von 12192 mm (40 Fuß) bei Normaldruck und -temperatur abgegeben wird, und die vorstehend beschriebenen Frequenzverdoppler 85, 87 in dem ZF-Kreis ergeben eine effektive Wellenlänge von 6096 mm (20 Fuß). Da dieses ausgesendete modulierte Lichtsignal zum Reflektor 13 geschickt und von diesem reflektiert wird, ergeben Änderungen der Reflektorstellung innerhalb des Bereiches von 0 bis 3048 mm (0 bis 10 Fuß) Änderungen des Phasenwinkels des reflektierten Signals in bezug auf das +5 Referenzsignal über den ganzen wirksamen Bereich von 6096 mm (20 Fuß) einer vollen Wellenlänge, und diese Änderungen im Phasenwinkel erscheinen als Änderung des Phasenunterschiedes der Signale an den Aussängen 61 und 63 in der vorstehend beschriebenen Weise. Um diesen Phasenwinkel und damit die Reflektorstellung innerhalb einer vollen Wellenlänge zu bestimmen, wird der Ausgangsstrom vom Umsetzerkreis 70, wie er auf dem Amperemeter f0 erscheint, durch einen Strom zu Null gemacht, der durch den Einerstellen-Schalter 101 bestimmt ist. Dieser Schalter steuert einen herkömmlichen Stromleiter, der fünf verschiedene Werte des Nullungsstromes 111 bestimmt, die durch einen Summierverstärkerkreis 113 für zehn Grundstellungen des Schalters 101 zugeführt werden. Während der Ein- »tellung des Schalters 101 gibt der Schaltkreis mit dem Gatter 86 und den Elementen 88, 92 einen zutätzlichen Strom an den Eingang des Meßverstärkers 82 ab, falls der tatsächliche Phasenunterschied der Signale auf den Leitungen 61 und 63 dargestellt wird durch eine Ziffer 0, 1 oder 2 am unteren Ende der Einheitenskala oder eine Ziffer 8 oder 9 am oberen Ende der Einheitenskala. Wenn daher der Einerstellen-Schalter 101 auf eine der Ziffern 0, 1, 2 oder 8, 9 gestellt ist, ergibt die Verbindung zwischen diesem Schalter 101 und dm Schalter 109 eine Phasenverschiebung von 180° zwischen den Signalen auf den Leitungen 61 und 63. Dies bewirkt, daß die Ausgangsspannung des Gatters 86 oberhalb des Pegels zunimmt, bei dem der Pegeldetektor 92 einen zusätzlichen Strom zuführt, so daß die Einstellung des Einerstellenschalters 101 auf eine der Grundziffern im wesentlichen eine Nullauslesung des Amperemeters 90 ergibt. Dadurch wird der ordnungsgemäße Betrieb im Zentrum des Meßbereichs des Umsetzerkreises 70 in der vorstehenc¹ beschriebenen Weise sichergestellt.

Nachdem der Einersteltenschalter 101 ordnungsgemäß auf eine Grundziffer so nahe wie möglich bei Null (oder darunter) eingestellt worden ist, betätigt der Funktionswähler 99 den Feineinstellschalter 100. Dadurch wird ein Strom mit einer Amplitude geliefert, die kontinuierlich einstellbar 1st im Bereich eines Inkrementes des Einerstellenschalters 101. Somit werden zunächst die Einerstelle und die Feineinstellung beim Betrieb mit der höchsten Modulationsfrequenz ausgewählt, um die Stellung des Reflektors 13 innerhalb der Dimensionen der kürzestmöglichen Wellenlänge zu bestimmen. Indessen ergibt dies jedoch keinerlei Anzeige über die Anzahl der vollen Wellenlängen, um die der Reflektor 13 von der Referenzebene der Vorrichtung entfernt ist. und die Referenzebene kann bequem irgendwo in bezug auf die Vorrichtung eingestellt werden, indem einfach von Seiten der Fabrik eine Einstellung ähnlich der des Feineinstellschalters 100 für eine geeichte Entfernung vorgesehen wird.

Daraufhin betätigt der Funktionswähler 99 den Zehnerstellenschalter 103. Diese Einstellung des Funktionswählers 99 bewirkt auch, daß der Normalfrequenzgenerator 45 mit einer Frequenz arbeitet, die um eine Dekade niedriger He; \ nämlich bei etwa 2,5 MHz, und es wird auch bewirkt, daß der Oszillator 53 bei etwa 2,5 MHz plus dem Wert der Referenzfrequenz 52 von etwa 25 kHz vom Generator 45 arbeitet. Das bedeutet, daß das ausgesendete, modulierte Lichtträgersignal 112 eine effektive Wellenlänge Z₂ von 60,960 m (200 Fuß) hat und .as reflektierte modulierte Lichtsignal 32 einen Phasenunterschied in bezug auf das Referenzsignal 34 aufweist der zwischen 0 und 360° bei Abweichungen in bezus auf die Position des Reflektors 13 zwischen 0 unc 30,480 m (O und 100 Fuß) variiert. Diese Verände rungen der Phasenverschiebung des reflektierten Si gnals 34 und des Referenzsignals 36 erscheinen al: Veränderungen im Phasenunterschied der Signale ai den Ausgangsleitungen 61 und 63. Dieser Phasen unterschied wird durch Veränderung des Nullungs stromes in Stufen bestimmt, die durch den Zehner Stellenschalter 103 bestimmt werden. Wenn de Zehnerstellenschalter betätigt wird, erniedrigt sie' der Wert des durch die vorherigen Schalter (101 urv 100) gesteuerten Stromes um einen Faktor 10. ur den geeigneten Bewertungsfaktor für die Einste'lunge niedrigerer Ordnung in Verbindung mit der Eir stellung des Schalters 103 für die höhere Ordnung ζ bewirken. Der somit zugefühvte Strom 111 solli daher eine Null an dem Meßgerät 90 ergeben, dt direkt im Verhältnis zur Wahl der richtigen Zehnei stellen-Grundziffer steht. Dieser Wahlschalter 103 i

?oao

wie die übrigen Schalter 101, 105 und 107 mit dem Schalter 109 verbunden, um dem Umsetzerkreis 70 eine Phasenverschiebung von 180° in der angegebenen Weise zuzuführen, wenn der Wählschalter auf die Ziffern 0, 1 oder 2 am unteren Ende oder 8 oder 9 am oberen Ende eingestellt wird.

Daraufhin betätigt der Funktionswähler 99 jeden der verbleibenden Wahlschalter 105 und 107 und bewirkt für jeden Schalter, daß auch das Hochfrequenzmodulationssignal vom Generator 45, die Frequenz des Oszillators 53 und der Wert des durch die vorhergehenden Wahlschalter 103, 101 usw. ausgewählten Stromes für den Betrieb der Vorrichtung in der vorgeschriebenen Weise verringert werden. Dies ergibt, daß die HundertersteUen-Ziffer und die Tausenderstellen-Ziffer modulierte HF-Signale steuern, welche jeweils wirksame Wellenlängen von 609,6 m (2000 Fuß) und 6096 m (20 000 Fuß) aufweisen. Da das HF-Modulationssignal zur Bestimmung der Ziffer der

Tausenderstelle gleich der Referenzfrequenz 52 (nämlich etwa 25 kHz) ist, arbeitet die Detektordiode 43 nicht als Mi&chstufe wie in allen anderen Bereichen, sondern die übrige Schaltung arbeitet in der vorstehend beschriebenen Weise. Daher kann der

ίο Abstand zu dem entfernten Reflektor 13 innerhalb eines Bereiches bis zu 3048 m (10 000 Fuß) oder darüber hinaus in einfacher und direkter Weise aus der Stellung der Dezimalstellenschalter und Feineinstellungsschalter mit Genauigkeiten von mehr als

einigen Teilen pro Million abgelesen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

4S 3 4 ^kennzeichnet, daß ein Phasenschieber (93,109) Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Abpur wahlweisen Verschiebung des Phasenwinkel Standsmessung mit einem Sender, der einen modupines Eingangssignals um 180° und ein durch lierten Lichtstrahl zu einem entfernten Reflektor am den Phasenschieber verbundener Umsetzer (72, Ende der zu messenden Distanz sendet, und einem 74, 76) zur Aufnahme des Paares ungedümpfter 5 Empfänger, der den reflektierten modulierten Licht-Signale (61, 63) zur Erzeugung eines elektrischen strahl zur Abgabe einer Anzeige des Abstandes des Signals vorgesehen ist, das dem Phasenunter- entfernten Reflektors aufnimmt. Sie löst darüber hinschied des Signulpaares im wesentlichen über aus auch das allgemeinere Problem, eine elektrische eine volle Periode der Phasentrennung propor- Signalvorrichtung zu schaffen, die erste und zweite tional ist, eine Steuereinrichtung (101, 103, 105, io Signale vorbestimmter Frequenz während intermit- 107) auf Grundziffern über einen Dekadenbereich tierender Zeitintervalle erzeugt, die sich zyklisch mit manuell einstellbar ist, um ein der Grundziffern- einer Wiederholfrequenz ändern, die niedriger als einstellung der Steuereinrichtung proportionales diese vorgegebene Frequenz ist, wobei die ersten und elektrisches Signal zu erstellen, der Phasenschie- zweiten Signale phasenmäßig durch einen zu mesber mit der Steuereinrichtung zur Einführung 15 senden Wert getrennt sind. einer l80°-Phasendrehung gemäß der manuellen Es sind Entfernungsmeßgeräte bekannt, die nicht Einstellung der Steuereinrichtung auf vor- kohärentes Licht als Träger iür ein moduliertes bestimmte Grundziffern des Dekadenbereiches Signal verwenden, welches an einen entfernten Reverbunden ist und den Betrieb der Umsetzein- flektor gesendet und dan" zum Vergleich mit der richtung im wesentlichen innerhalb des zentralen ?o Phase eines modulierten Referenzsignals verglichen Ausgangsberciches aufrechterhält, indem die wird. Es kann dann die Weglänge des Referenzsignals Phasentrennung in ein elektrisches Ausgangs- geändert werden, um Phasenübereinstimmung zwisignal umgewandelt wird, und daß eine Anzeige- sehen dem Referenzsignal und dem ausgesendeten vorrichtung (90) die elektrischen Signale von dem isflektierten Signal zu erreichen. Der Mechanismus Umsetzer (72 bis 84) und der Steuervorrichtung as zur Änderung der Länge des Referenzweges ergibt (101, 103, 105, 107) aufnimmt und eine Anzeige daher eine Anzeige der Entfernung zum Reflektor als der elektrischen Signale erzeugt und ein vor- einen Bruchteil einer Wellenlänge der modulierten bestimmtes Verhältnis der Signale zueinander Lichtsignale. Ein Nachteil bei Geräten dieser Art ist. erreicht. daß die Länge des Referenzweges über einen be- 10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch 30 trächtlichen Bereich zu ändern sein kann, um die gekennzeichnet, daß die Grundziffern in einem Phasenkoinzidenz der verglichenen modulierten Dekadenbereich der Steuervorrichtung in einer Signale zu erreichen. Auch ist die Entfernungsanersten Gruppe mit den Ziffern 0, 1, 2 und 8, 9, in zeige, die aus der Länge des Referenzweges abgeleitet einer zweiten Gruppe mit den in der ersten wird, nicht spezifisch für den Abstand zum Reflektor Gruppe nicht enthaltenen Grundziffern jedes 35 bezüglich der Anzahl der Wellenlängen des modulier-Dekadenbcreichs angeordnet sind und daß der ten Signals. mit der Steuervorrichtung gekoppelte Phasen- Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, schieber wahlweise 180° Phasendrehung nach eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zu Maßgabe der manuellen Einstellung der Steuer- schaffen, bei der die genannten Nachteile vermieden vorrichtung auf eine Grundziffer in eine der 40 werden. Es ist dabei das allgemeine Problem zu Gruppen einführt. lösen, den Phasenunterschied zweier Signale zu mcs- 11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch sen, die mit vorbestimmter Frequenz während intergekennzeichnet, daß ein logischer Schaltkreis mittierender Zeitintervalle zu erzeugen sind und sich (86, 88) ein logisches Ausgangssignal erzeugt, das mit einer Wiederholfrequenz ändern, die niedriger sich in direktem Verhältnis zu dem Phasenunter- 45 als diese vorgegebene Frequenz ist. schied der dem Umsetzer zugeführten Signale in Ausgehend von der eingangs angegebenen Vorder Größenordnung von etwa 0 bis 180' und richtung zur Abstandsmessung mit einem Sender, der c'ann umgekehrt proportional zu der Phasentren- einen modulierten Lichtstrahl zu einem entfernten nung dieser Signale in der Größenordnung von Reflektor am Ende des zu messenden Abstandes etwa 180 bis etwa 3fiO" ändert, und ein Peg~l- i° sendet, und einem Empfänger, der den reflektierten, fühler (92) an die Ausgangsvorrichtung (90) nach modulierten Lichtstrahl zur Abgabe einer Anzeige Maßgabe des Ausganges des logischen Schalt- des AbsUndes zu dem entfernten Reflektor aufkrciscs ein Signal abgibt, das einen ausgewählten nimmt, ist die Erfindung gekennzeichnet durch Wert erreicht, um die Anzeige der Ausgangsvor- einen optischen Hilfsweg und einen Strahlspalter, richtung unabhängig von den Werten des von 55 der c'mn Anteil des modulierten Lichtstrahles zur dem Umsetzer und der Steuervorrichtung /u- Übertragung an den entfernten Reflektor und einen geführten Signals zu ändern. anderen Anteil des modulierten Lichtstrahles zur 12. Vorrichtung nach Anspruch 11, dadurch Aussendung über den optischen Hilfsweg abgibt, gekennzeichnet, daß der Pcgelfühlcr (92) ein eine optische Mischstufe, durch die dem Empfänger Signal an die Altsgangsvorrichtung (90) für die 60 die Mischung des aufgenommenen Lichtes und des Phascmrcnnung der der Umsetzereinrichtung zu- Anteiles lies modulierten, über den optischen Hilfsgcführten Signale abgibt, die durch Einstellungen weg gesendeten Lichtstrahles zugeführt wird, und der Steuervorrichtung (101, 103, 105, 107) auf eine Umschaltvorrichtung, durch die abwechselnd in in der ersten Gruppe befindliche Grundziffern Gegenphase beide Anteile des modulierten Lichtdargestellt sind. 65 Strahles unterbrochen sind. Erfindungsgemäß werden also der Anteil des modulierten Lichtträgersignals, das über den in seiner Länge zu messenden Weg ge- sendet und reflektiert wird, und der über einen Refe- 2 05C973 Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur Abstandsmessung mit einem Sender, der einen modulierten Lichtstrahl zu einem entfernten Reflektor am Ende des zu messenden Abstandes sendet, und einem Empfänger, der den reflektierten, modulierten Lichtstrahl zur Abgabe einer Anzeige des Abstandes zu dem entfernten Reflektor aufnimmt, gekennzeichnet durch einen optischen Hilfsweg (37) und einen Strahlspalter (19), der einen Anteil (21) des modulierten Lichtstrahles zur Übertragung an den entfernten Reflektor (13) und einen anderen Anteil (23) des modulierten Lichtstrahles zur Aussendung über den optischen Hilfsweg (37) abgibt, eine optische Mischstufe (IS), durch die dem Empfänger die Mischung des aufgenommenen Lichtes (36) und des Anteils (34) >ies modulierten, über den optischen Hilfsweg (37) gesendeten Lichtstrahles zugeführt ao wird, und eine Umschaltvorrichtung (29), durch die abwechselnd in Gegenphase beide Anteile (31, 33) des modulierten Lichtstrahles unterbrochen sind.

2. Vorrichtung nach Anbruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger bei der Messung sowohl während des Einfalls des Meßstrahles (36) als auch während des Einfalls des Referenzstrahle? (34) der Ausleuchtung durch das Umgebungslicht ausgesetzt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß d^r modulierte Lichtstrahl durch eine elektroluminiszierende Diode (17) geliefert ist, die mit vorgegebener Frequenz abwechselnd erregt und entregt ist.

4. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die optische Vorrichtung zur Übertragung des modulierten Lichtstrahles und die optische Vorrichtung zur Aufnahme des reflektierten Lichtes jeweils koaxial angeordnete Linsen (9 bzw. 11) aufweisen.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die vorbestimmte Frequenz ein ausgewähltes Vielfaches von etwa 2,458 kHz für das englische System der Längeneinheiten oder etwa 1,4985 kHz für das metrische System der Längeneinheiten ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfänger eine Vielzahl von Digitalste!lenwählcrn(101, 103, 105, 107) zur Dczimalnn/cige der Entfernung von dem entfernten Reflektor (13) aufweist, ein mit jedem dieser /iihler verbundener Schaltkreis das Phiiscnverhjiltnis in festen Inkrcmcntcn pro Ciriind/ahl mißt, jeder der Wähler wahlweise die vorbestimmte Frequenz des modulierten Lichtstrahles in dekadischen Vielfachen im umgekehrten Verhältnis zu dem durch den Wähler bestimmten Wert der Digitalstelle ändert, die Modulation dus Lichtstrahles bei einer vorgegebenen Frequenz während der Auswahl der Grundzahlen durch den Zähler höchster Stellenwertigkeit und bei nachfolgend höheren dekadischen Vielfachen dieser vorbestimmten Frequenz für jeden nächsttieferen Digitalstellenwähler vorgesehen ist. der zur Änderung der Modulationsgeschwindigkeit während der Auswahl der Grundzahlen in Betrieb gesetzt ist.

7. Vorrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß ein elektrischer Schaltkreis ein Paar ungedämpfter Signale erzeugt, die phasenmäßig um einen Wert getrennt sind, der dem Phasenverhältnis zwischen aufeinanderfolgenden Meßsignalen der vom Empfänger gemessenen Lichtsignale proportional ist, jeder der Wähler (101, 103, 105, 107) mit einem Vergleichssignalerzeuger (113) verbunden ist, der ein Vergleichssignal (111) mit einem Wert erzeugt, der einer durch den Wähler vorgesehenen Grundzahl entspricht, eine Anzeigevorrichtung (90) die zwei ungedämpfte Signale und ein durch einen Wähler bestimmtes Vergleichssigr.al (111) aufnimmt, um eine Anzeige des Verhältnisses zwischen dem Wert dieses Phasenunterschieds und dem Wert dieses Vergleichssignals zu erstellen, und daß eine Schalteinheit wählbar an die Anzeigevorrichtung die Kombination eines durch einen gegebenen Digitalstellcnwähler bestimmten Vergleichssignals und der Vergleichssigrale abgibt, die durch nachfolgende tiefere Digitalwähler zum Vergleich mit diesem Wert der Phasentr^nnung und zur Herabsetzung der Vergleichssignale durch nachfolgende dekadische Vielfache bestimmt sind, wobei die Vergleichssignale durch nachfolgende tiefere Digitalstellenwähler bestimmt und mit dem Vergleichssignal kombiniert sind, das durch den gegebenen Digitalstellenwähler bestimmt ist.

8. Vorrichtung nach Anspruch 1, die erste und zweite Signale vorbestimmter Frequenz während intermittierender Zeitintervalle erzeugt, die sich zyklisch mit einer Wiederholfrequenz ändern, die niedriger als diese vorgegebene Frequenz ist, wobei die ersten und zweiten Signale phasenmäßig um einen zu messenden Wert getrennt sind, dadurch gekennzeichnet, daC -ine Quelle (45) eines ungedämpften Signals (52) eine Frequenz aufweist, die um einen ganzzahligen Faktor auf die vorbestimmte Frequenz bezogen ist. von einem Paar von Signalkanälen jeder einen signalgesteuerten Phasenschieber (75; 77) aufweist, der das ungedämpfte Signal (52) und ein phasenverschiebendes Steuersignal aufnimmt, ein Phasendetektor (67) die ersten und zweiten Signale während der zyklisch wechselnden intermittierenden Perioden aufnimmt, um ein Steuersignal zu erzeugen, das das Phasenverhältnis der aufgegebenen Signale darstellt und einen anderen Eingang hat. ein Paar Kanalwähler (97) auf der Wiederholfrcqucn/ synchron mit den zyklisch wechselnden, intermittierenden Perioden dem anderen Eingang des Phasendctcktors (67) abwechselnd und zyklisch ausgewählte Ausgänge (61, 63) der Signalkanäle zuführen und abwechselnd und zyklisch ein Steuersignal von dem Phascndetcktor an jeden der signalgesteuerten Phasenschieber (75, 77) während des in dem Phasendetektor stattfindenden Phasenvcrgleichs des Ausgangs eines der Signale mit dem entsprechenden der ersten und zweiten dem Phasendetektor während einer intermittierenden Periode zugeführten Signale abgegeben und an den Ausgängen der Signalkanäle ein Paar kontinuierlicher, ungedämpfter Signale erzeugt wird, von denen jedes mit dem entsprechenden der ersten und zweiten Signale phasenstarr verbunden ist.

9. Vorrichtung nach Anspruch 1 bis 8. dadurch