DE2325086A1

DE2325086A1 - Verfahren zum messen des abstandes von und der geschwindigkeitskomponente eines objektes senkrecht zu einer bezugslinie

Info

Publication number: DE2325086A1
Application number: DE19732325086
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr Ing Bodlaj
Original assignee: Siemens AG
Current assignee: BODLAJ, VIKTOR, DR., 8000 MUENCHEN, DE
Priority date: 1972-06-19
Filing date: 1973-05-17
Publication date: 1974-12-05
Also published as: NL7406587A; BE815192R; FR2325051B2; GB1468406A; LU70086A1; FR2325051A2; DE2325086C2

Description

SIEMENS AKTIENGESELLSCHAPT München 2, dim 17. MA11073 Berlin und München Wittelsbacherplatz 2

73/7072

Verfahren zum Messen des Abstandes von und.der Gesehwindigkeitskomponente eines Objektes senkrecht zu einer Bezugslinie

Zusatz zu Patent

(P 22 29 887.9)

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum schnellen Messen des Abstandes eines Objektes von einer Bezugsebene und der Geschwindigkeit skomponente des Objektes senkrecht zu der Bezugsebene, wobei von einem Sender Laserstrahlen durch einen Strahlablenker periodisch über den Raum, in dem sich das Objekt befindet, abgelenkt, am Objekt diffus reflektiert und von einem neben dem Sender angeordneten Detektor registriert werden, der nur Licht aus einer bestimmten Richtung aufnehmen kann, und wobei die Entfernung'aus der Zeitdifferenz zwischen einem für die Messung ausgesuchten Beginn der Strahlablenkung und dem Detektorsignal bestimmt werden.

Im Hauptpatent . (P 22 29 887.9) ist ein Verfahren

zum schnellen Messen des Abstandes eines Objektes von einer Bezugsebene und der Geschwindigkeitskomponente des Objektes senkrecht zu der Bezugsebene vorgeschlagen worden, bei dem der piezoelektrische Strahlablenker mit einer Dreieck- oder Sägezahnspannung angesteuert wird, die aus einem Generator für Rechteckspannungsimpulse erzeugt wird. Der Meßwert wird dort aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der Strahlablenkung und dein Detektorsignal bestimmt.

Bei einer solchen Anordnung werden hohe Anforderungen an die Steuerung der Ablenkvorrichtung gestellt, wenn große Schwin— gungsamplituden der in der Ablenkvorrichtung enthaltenen Schwingspiegel erreicht und über längere Zeiträume stabilisiert werden sollen. '

VPA 9/71O/3O43/3O4-9 WR/The

.409849/0537

-2-

Aufgabe der Erfindung ist es, das Verfahren nach dem Hauptpatent (P 22 29 887-9) so abzuändern, daß eine einfache Steuerung des Strahlablenker und Stabilisierung des Meßbeginns und somit hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der Strahlablenker von einem Generator mit einer in der Frequenz an die Eigenresonanzen des mechanischen Aufbaus angepaßten Sinusspannung angesteuert wird, wobei nur der angenähert lineare Teil der Sinusspannung zur Messung herangezogen wird.

Ein mit einer Sinusspannung angesteuerter Schwingspiegel läßt sich mit einer geringen Aufnahmeleistung zu. Schwingungen mit großen Amplituden anregen. Die Aufnahmeleistung weist dann ein Minimum auf, wenn die Ansteuerfrequenz die gleiche ist wie die Resonanzfrequenz des mechanischen Sehwingsystems.

Die an.dem zu vermessenden Objekt gestreuten Laserstrahlen werden von einem Detektor registriert. Die hier in einem Meßkreis erzeugten Meßimpulse werden ebenso wie die in einem Referenzkreis erzeugten Referenzimpulse ergebende Sinusspannung insbesondere in Rechteckimpulse umgewandelt, die entstehenden Rechteckimpulse werden um hohe Meßgenauigkeit zu erreichen anschliessend durch Differenzierung und Unterdrückung der an der Rückflanke erzeugten negativen Impulse zu Nadelimpulsen umgeformt und schließlich einem Impulsdiskriminator zugeführt, an dem eine Anzeigeelektronik angeschlossen ist.

Da der Schwingvorgang der Schwingspiegel sinusförmig verläuft, führen die Schwingspiegel eine nichtlineare Bewegung aus, wodurch eine trigonometrische Abhängigkeit der Objektentfernungen von den Meßzeiten berücksichtigt werden müßte. TJm dies zu vermeiden, werden vorteilhafterweise die langsam durchlaufenen Umkehrbereiche der Spiegelschwingungen aus der Messung ausgeschlossen. Dazu werden insbesondere die Referenzimpulse durch

VPA 9/71O/3O43/5O49 -3- .

409849/0537

einen an den Generator angeschlossenen Phasenschieber einstellbar erst nach dem Durchlaufen der Umkehrbereiche der Spiegelstellungen erzeugt. Zur Dicken-, Entfernungs- bzw. Geschwindigkeitsmessung wird nur der Schwingungsbereich herangezogen, in dem die Spiegelschwingung angenähert linear verläuft. Das Maß z.B. für eine Objektentfernung ergibt sich dann aus der Zeitdifferenz zwischen dem Beginn der linearen Spiegelschwingung und dem Zeitpunkt der Erzeugung der im Detektor entstehenden Meßimpulse.

Zur Stabilisierung der Phase der die Schwingspiegel ansteuernden Sinusspannung und/oder der Amplitude und Phase der Spiegelschwingung wird vorteilhafterweise die Frequenz der vom Generator erzeugten Sinusspannung durch eine Korrekturspannung automatisch nachgeregelt, wenn durch mechanische oder -thermische Einflüsse während oder außerhalb der Betriebszeit des Meßgerätes die Frequenz der Sinusspannung von der Resonanzfrequenz des Strahlablenker abweicht. .

Diese Änderungen können sowohl am Strahlablenker als auch an der Auswerteelektronik auftreten.

Eine Stabilisierungselektronik ermöglicht deshalb Absolutwertmessungen über längere Zeitintervalle.

Der Aufbau und die Funktion der Stabilisierungselektronik wird zum klareren Verständnis an Hand eines Ausführungsbeispiels in der Figurenbeschreibung erläutert. Im einzelnen zeigt

Figur 1 eine stabilisierte Anordnung zum Messen von Entfernungen,

Figur 2 ein den Meßbereich der Spiegelschwingung darstellendes Diagramm,

Figur 3 ein Amplitudendiagramm der Spiegelschwingung,

Figur 4 ein die Phase zwischen der Sinusspannung und der Spiegelschwingung darstellendes Diagramm.

VPA 9/710/3043/3049 · -4-

40984970537

An Hand der Figur 1 wird als Ausftihrungsbeispiel ein Verfahren zur Entfernungsmessung beschrieben. Ein Sinusgenerator 1 erzeugt Sinusspannungen, welche in einem Verstärker 2 verstärkt und dem Strahlablenker 3 zur Ansteuerung des in diesem enthaltenen Schwingspiegels 4 zugeführt werden. Die Frequenz der vom Generator 1 erzeugten Wechselspannung richtet sich nach der Resonanzfrequenz des Schwingspiegels 4. und kann bis zu einigen kHz betragen. Am Schwingspiegel 4 werden von einem Lasersender 5 ausgehende Laserstrahlen in einem Winkelbereich zwischen den ümkehrrichtungen 6 und 7 hin- und hergelenkt. Zu dem Zeitpunkt, zu dem der Schwingspiegel 4 eine solche Stellung aufweist, daß der umgelenkte Laserstrahl 8 am Meßobjekt 9 gestreut und von dem Detektor 10 empfangen wird, werden in diesem Meßsignale ausgelöst. Diese werden in einem Verstärker 11 verstärkt und einem Impulsumformer 12 zugeführt, welcher aus dem Signal eine Rechteckspannung formt. Die entstehenden Rechteckimpulse gelangen anschließend in einen Differentiator 13, welcher nur die Anstiegsflanke der Rechteckimpulse als Meßimpuls 21 einem Impulsdiskriminator 14 zuführt.

Die vom Sinusgenerator 1 ausgehende Wechselspannung wird im Referenzkreis in einem Phasenschieber 15 in ihrer Phase um einen vorbestimmten Betrag zu einem weiter unten erläuterten Zweck verändert, gelangt in einen Umformer 16, der .aus der sinusförmigen Wechselspannung eine Rechteckspannung formt. Von den dadurch erzeugten Rechteckimpulsen werden in einem anschließenden Differentiator 17 nur die differenzierten Anstiegsflanken der Rechteckimpulse als Referenzimpulse 18 dem Impulsdiskriminator 14 zugeführt. Dieser erzeugt der Eintreffdifferenz von Referenzimpuls ^18^ und Meßimpuls 21 entsprechend lange Impulse.. Diese ergeben ein Maß für die Entfernung d des Objektes 9 von der Nullebene. Sie werden einer Anzeigeelektronik 19 zugeführt.

Zur Messung der Geschwindigkeitskomponente des Objektes 9 senkrecht zur Bezugsebene 22 wird die oben genannte Entfernung zu

VPA 9/71O/3O43/3O49 -5-

409849/0537

den Zeiten t- und tp gemessen und die Entfernungsdifferenz elektronisch durch (tg - t^) dividiert.

Unter Hinzunahme der Figur 2 wird das Meßverfahren weiter erläutert. Der Schwingspiegel 4 weist den in der Figur 2 dargestellten sinusförmigen Bewegungsablauf auf. Die Umkehrrichtungen der abgelenkten Laserstrahlung 6 bzw. 7 entsprechen der Phase der Sinuskurve von 90° und 270°. In der Nähe dieser Umkehrrichtungen ist die Schwingbewegung null bzw. langsam gegenüber der Schwingbewegung zwischen 120° und 240°. Zwischen diesen beiden Werten ist die Umlenkgeschwindigkeit annähernd konstant. Es wird daher nur der Bewegungsablauf zwischen 120 und 240° der Phase der Sinuskurve zur Messung herangezogen. Die Spiegelstellung, die einem Phasenwinkel von 120° entspricht, ergibt eine Strahlablenkung in der Richtung 20. Der Phasenschieber 15 verändert die Phase der vom Generator 1 ausgehenden Wechselspannung im Referenzkreis um 30°. Deshalb wird der Referenzimpuls 18 zu dem Zeitpunkt erzeugt, bei dem der Laserstrahl gerade in die Richtung 20 abgelenkt wird. Zu dem späteren Zeitpunkt, in dem der Laserstrahl in die Richtung 8 weitergelenkt ist, entsteht der Meßimpuls 21. Nach einer Eichung der Meßvorrichtung kann somit aus der Zeitdifferenz zwischen dem Auftreten der Impulse 18 und 21 die Entfernung des Objektes 9 von der Meßvorrichtung bestimmt werden.

Gemäß der Figur 1 ist zur Stabilisierung der Phase der die Schwingspiegel ansteuernden Sinusspannung und/oder der Amplitude samt Phase der Spiegelschwingung in der Bezugsebene 22 mit einem vorgegebenen Abstand 23 vom Schwingspiegel 4 eine durchlässige Platte 24 angeordnet. An ihrer stets leicht reflektierenden Oberseite wird der am Schwingspiegel 4 reflektierte Laserstrahl zu einem Bezugsdetektor 25 hingelenkt, wobei die zugehörige Schwingspiegelstellung durch die Lagen von Schwingspiegel 4, Platte 24 und Bezugsdetektor 25 vorgegeben wird. Diese . Schwingspiegelstellung liegt bei einer Zeit ^o_0zue vor. Das im

VPA 9/710/3043/3049 -6-

409849/0537.

Bezugsdetektor 25 entstehende Bezugssignal wird in einem Verstärker 26 verstärkt, im Umformer 27 in einen Rechteckimpuls umgeformt und die Anstiegsflanke des im Differentiator 28 differenzierten Rechteckimpulses als Bezugsimpuls 39 einem Impulsdiskriminator 29 zur Zeit "t- zugeführt. Kurz davor, nämlich zur Zeit t_R - wird ihm der im Referenzkreis gebildete Referenzimpuls 18 zugeführt. Im Impulsdiskriminator 29 entsteht somit ein Vergleichsimpuls 30 mit einer der Eintreffdifferenz (^τ>_&ζηε - "kpof) Proportionalen Länge, welche sich über den Abstand 23 zwischen der Platte 24 und dem Schwingspiegel 4 einstellen läßt.

Der Referenzimpuls 18 wird andererseits einem monostabilen Flip-Flop-Element 31 zugeführt, welches Normimpulse 32 mit einer, festen einstellbaren Impulslänge erzeugt.

Die Normimpulse 32 und die Vergleichsimpulse 30 gelangen gleichzeitig schließlich in ein Gleichrichternetzwerk 33, dem über zwei Ausgänge 34 und 35 eine positive oder negative Korrekturspannung entnommen werden kann, wenn die Vergleichsimpulse 30 länger bzw. kürzer als die Normimpulse 32 sind. Bei gleich langen Vergleichs- und Normimpulsen verschwindet diese Korrekturspannung.

Vor Beginn einer Entfernungs- oder Geschwindigkeitsmessung wird der Abstand 23 so eingestellt, daß die entstehenden Vergleichsimpulse 30 die gleiche Länge wie die der Normimpulse 32 haben und daß an den Ausgängen 34 und 35 des Gleichrichternetzwerks die Korrekturspannung Null ist.

Ändert sich nun im Laufe der Zeit durch äußere Einflüsse die _v Frequenz der Sinusspannung im Generator 1, die Phase im Verstärker 2, im Phasenschieber 15, im Umformer 16 oder im Differentiator 1?, die Resonanzfrequenz oder die Resonanzamplitude im Strahlablenker 3, so ändert sich letztlich auch die Länge

VPA 9/71O/3O43/3O49 -7-

409849/0537

der Vergleictisimpulse 30 gegenüber der der Normimpulse 32 und an den Ausgängen 34 und 35 des Gleichrichternetzwerkes 33* entsteht eine positive oder negative Spannung.

Zur Grobkorrektur wird diese dem Ausgang 35 entnommene Korrekturspannung über den Operationsverstärker 36 einem Motorpotentiometer 37 zur Änderung der Frequenz der vom Generator 1 erzeugten Sinusspannung zugeführt. Durch diese Änderung wird die Schwingungsbewegung des Schwingspiegels 4 so lange nachgeregelt, bis die entstehenden Yergleichsimpulse 30 wieder ungefähr die gleiche länge wie die der" Normimpulse 32 haben.

Zur Feinkorrektur wird die am Ausgang 34 entstehende Korrekturspannung in dem Operationsverstärker 38 verstärkt und dem Generator 1 (RC-Oszillator) zugeführt. Mit einem Feldeffekttransistor als regelbaren Widerstand geschaltet wird durch eine positive oder negative Korrekturspannung die Frequenz im Generator 1 bei sehr geringen Abweichungen sowohl der Phase zwischen der Sinusspannung und der Schwingung des Schwingspiegels 4 als auch der Amplitude der Schwingung des Schwingspiegels 4 vergrößert bzw. verkleinert.

Die Phase ψ und die Amplitude A der Schwingung des Schwingspiegels 4 ändert sich nämlich in der Nähe der Resonanzfrequenz des Schwingspiegels sehr stark mit der Ansteuerfrequenz, wie in den Figuren 3 und 4 gezeigt ist. f_Q bedeutet dort jeweils die Resonanzfrequenz'des Schwingspiegels 4·

Die Frequenz des Generators 1 wird über den Ausgang 35» einen Operationsverstärker 36 und ein Motorpotentiometer 37 so eingestellt,- daß die Vergleichsimpulslänge 30 annähernd der Normimpulslänge 32 entspricht (grobe Einstellung). Der Ausgang 34 stellt über dem Operationsverstärker 38 den Vergleichsimpuls genau auf die Länge des Normimpulses 32 ein.

VPA 9/71O/3O43/3O49 -8-

409849/0537

Da die Amplitude und Phase des Schwingspiegels in der Nähe der Resonanzfrequenz sehr stark von der Steuerfrequenz abhängt (siehe Figur 3 und 4), kann eine sehr genaue Korrektur des Vergleichsimpulses 30 und damit eine Stabilisierung des Meßbeginns erreicht werden.

Die Stabilisierungsschaltung kann auch bei ähnlichen Verfahren zur Dickenmessung von Gegenständen herangezogen werden.

4 Figuren
10" Patentansprüche

VPA 9/71O/3O43/3O49 -9-

409849/0537

Claims

-9-Patentansprüche

Verfahren zum schnellen Kessen des Abstandes/eines Objektes von einer Bezugsebene und der Geschwindigkeitskomponente eines Objektes senkrecht zu der Bezugsebene, wobei von einem Sender Laserstrahlen-durch einen Strahlablenker periodisch über den Raum, in dem sich das Objekt befindet, abgelenkt, am Objekt diffus reflektiert und von einem neben dem Sender angeordneten Detektor registriert werden, der nur Licht aus einer bestimmten Richtung aufnehmen kann und wobei die Entfernungen aus der Zeitdifferenz zwischen einem für die Messung ausgesuchten Beginn des Strahlablenkers und dem.Detek-

torsignal bestimmt werden nach Patent . ... (P 22 29 887.9),

dadurch gekennzeichnet , daß der Strahlablenker (3) von einem Generator (1) mit einer in der Frequenz an die Eigenresonanzen des mechanischen Aufbaues angepaßten Sinusspannung angesteuert wird, wobei nur der angenähert lineare Teil der Sinusspannung zur Messung herangezogen wird.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge kennzeich net , daß sowohl die vom Generator erzeugte, in einem Referenzkreis Referenzimpulse (18) "ergebende Sinusspannung als auch die im Detektor in einem Meßkreis erzeugten Meßimpulse in Rechteckimpulse umgewandelt werden, die entstehenden Rechteckimpulse differenziert und durch Unterdrückung der an der Rückflanke erzeugten negativen Impulse zu Nadelimpulsen (21) umgeformt und einem Impulsdiskriminator (14) zugeführt werden, an dem.eine Anzeigeelektronik (19) angeschlossen ist.
3. Verfahren nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch g e k e η η — zeichnet , daß zur Linearisierung der Entfernungsabhängigkeit von der Zeit der momentanen Schwingspiegelstellung des Strahlablenkers (3) die langsam durchlaufenen Umkehrbereiche der Schwingspiegelstellungen aus der Messung ausgeschlossen werden.

VPA 9/71O/3O43/3O49 ^0984970537 -10-
4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeich net , daß die Referenzimpulse (18) durch einen im Referenzkreis an den Generator (1) angeschlossenen Phasenschieber (15.) einstellbar erst nach dem Durchlaufen der Umkehrbereiche der Schwingspiegelstellungen gebildet werden.
5. Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zur Stabilisierung der Phase der die Spiegelschwingung ansteuernden Sinusspannung und/oder der Amplitude und Phase der Spiege] schwingung die Frequenz der vom Generator (1) zur Ansteuerung des Strahlablenkers (3) erzeugten Sinusspannung durch eine Korrekturspannung nachgeregelt wird, welche der Längendifferenz von Norm- (32) und Vergleichsimpulsen (30) proportional ist.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge'kennzeich net , daß die SOrmimpulse (32) mit einer vorgegebenen Länge durch Abzv/eigung von den Referenzimpulsen (18) aus dem Referenzkreis, durch anschließende Differenzierung, Unterdrückung der entstehenden negativen Impulse und durch Zuführung der entstehenden Fadelimpulse zu einem monostabilen Flip-Flop-Element (31) gebildet werden.
7. Verfahren nach Anspruch 5> dadurch ge kennzeich net , daß die Länge der Vergleichsimpulse (30) in einem Impulsdiskriminator (29) aus der zeitlichen Eintreffdifferenz von aus dem Referenzkreis abgezweigten Referenz- (18) und von Bezugsimpulsen (39) erzeugt werden.
8. Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeich net , daß die Bezugsimpulse (39) in einem zusätzlichen Bezugsdetektor (25) zu den Zeitpunkten erzeugt werden, in denen eine solche Schwingspiegelstellung vorliegt, daß die an einer

VPA 9/71O/3O43/3O49 -11-

409849/0537

in der Bezugsebene (22) angeordneten lichtdurchlässigen Platte (24) reflektierten Laserstrahlen auf dem Bezugsdetektox (25) auftreffen.
9. Verfahren nach den Ansprüchen 5 his 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß zu einer Grobkorrektur die Korrekturspannung dem Generator (1) über ein Motorpotentiometer (37) zugeführt wird, welches die Frequenz der Ansteuerspammng vorkorrigiert. ■
10. Verfahren nach den Ansprüchen 5 his 8, dadurch g e k e η η zeichnet , daß zu einer Feinkorrektur die Korrekturspannung dem Generator (1) über einen Operationsverstärker (38) zugeführt wird, welcher die Frequenz der Ansteuerspannung der Resonanzfrequenz des Schwingspiegels (4) genau angleicht. ' -

VPA 9/710/3043/3049

409849/0537