DE2325086C2

DE2325086C2 - Entfernungsmeßgerät

Info

Publication number: DE2325086C2
Application number: DE19732325086
Authority: DE
Inventors: Viktor Dr.-Ing. 8000 München 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: 1985-05-02
Also published as: FR2325051B2; NL7406587A; LU70086A1; GB1468406A; DE2325086A1; FR2325051A2; BE815192R

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Entfernungsmeßgerät nach dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Bei einem solchen Gerät werden hohe Anforderungen an die Steuerung des Strahlablenker gestellt, wenn bei dem in ihm enthaltenen Schwingspiegel große Schwingungssamplituden erreicht tj.ui über längere Zeiträume stabilisiert werden sollen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein Entfernungsmeßgerät der eingangs genannten Art so zu verbessern, daß eine einfache Steuerung des Strahlablenker und Stabilisierung des Meßbeginns und somit hohe Meßgenauigkeit erreicht wird.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruchs 1 angegebenen Merkmale gelöst.

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

Die an dem zu vermessenden Objekt gesteuerten Laserstrahlen werden von einem Detektor registriert. Die hier in einem Meßkreis erzeugten Meßimpulse werden ebenso wie die in einem Referenzkreis erzeugten Referenzimpulse in Rechteckimpulse umgewandelt. Die 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 Schwingungsvorgang der Schwingspiegel sinusförmig verläuft, führen die Schwingspiegel eine nichtlineare Bewegung aus, wodurch eine trigonometrische Abhängigkeit der Objektentfernungen von den

Meßzeiten berücksichtigt werden müßte. Um dies zu vermeiden, werden vorteilhafterweise die langsam ι* durchlaufenden Umkehrbereiche der Spiegelschwin-

* gungen aus der Messung ausgeschlossen. Dazu werden -s insbesondere die Referenzimpulse durch einen an den

r Generator angeschlossenen Phasenschieber einstellbar

erst nach dem Durchlaufen der Umkehrbereiche der

ι- Spiegelstellungen erzeugt Zur Dicken-, Entfernungs-

* bzw. Geschwindigkeitsmessung wird nur der Schwin- u gungsbereich 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

F i g. 1 eine stabilisierte Anordnung zum Messen von Entfernungen,

Fig.2 ein den Meßbereich der Spiegelschwingung darstellendes Diagramm,

F i g. 3 ein Amplitudendiagramm der Spiegelschwingung,

F i g. 4 ein die Phase zwischen der Sinusspannung und der Spiegelschwingung darstellendes Diagramm.

An Hand der F i g. 1 wird als Ausführungbbeispiel 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 Umkehrrichtungen 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 impulsformer 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 Refer jnzkreis 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

ίο 19 zugeführt

Zur Messung der Geschwindigkeitskomponente des Objektes 9 senkrecht zur Bezugsebene 22 wird die oben genannte Entfernung zu den Zeiten ii und h gemessen und die Entfernungsdifferenz elektronisch durch (ti — fi) dividiert

Unter Hinzunahme der Fig.2 wird das Meßverfahren weiter erläutert Der Schwingspiegel 4 weist den in der Fig.2 dargestellten sinusförmigen Bewegungsablauf auf. Die Umkehrrichtungen der abgelenkten Laserstrahlung 6 bzw. 7 entsprechen der P'.ase der Sinuskurve von 9ö⁼ 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 Umlenkgeschwin^igkeit 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 IJ? und 21 die Entfernung des Objektes 9 von der Meßvorrichtung bestimmt werden.

Gemäß der F i g. 1 ist zur Stabilisierung der Phase der die Schwingspiegel ansteuernden Sinusspannung und/ oder der Amplitude samt Phase der Spiege5schwingung 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 tBe^ug vor. Das im Bezugsdetekfor 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 einen-. Impulsdiskriminator 29 zur Zeit tgc/ue zugeführt. Kurz davor, nämlich zur Zeit t_Rcr wird ihm dev im Referenzkreis gebildete Referenzimpuls 18 zugeführt. Im Impulsdiskriminator 29 entsteht somit ein Vergleichsimpuls 30 mit einer der EintrefHifferenz (tße/uf — tRcf) proportionalen Länge, weiche sich über den Abstand 23 zwischen der Platte 24 und dem Schwingspiegel 4 einstellen läßt.

b5 Der Referenzimpuls 18 wird andererseits einem monostabilen Flip-Flop-Etement 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 Korrekiurspannung entnommen werden kann, wenn die Vergleichsimpulse 30 langer ί 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 ι ο entstehenden Vergleichsimpulse 30 die gleiche Länge wie die der Normimpulse 32 haben und daß an den Ausgängen 34 und 3 j des Gleichrichternctzwerks die Kqrrekturspannung Null ist.

Ändert sich nun im Laufe der Zeit durch äußere Ein- r> flüsse die Frequenz der Sinusspannung im Generator 1. die Phase im Verstärker 2 im Phasenschieber 15. im L'rnformCr !^ ^d^r !ΓΗ θ!ίί^ρΓ^ρΠ'!'*^Ι^ν 17 A\p Rf?nnnn7-frequenz oder die Resonanzamplitüde im Strahlablenker 3. so ändert sich letztlich auch die Länge der Vergleichsimpulse 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 zugeführ» Durch diese Änderung wird die Schwingungsbewegurig des Schwingspiegels 4 so lange nachgeregelt, bis die entstehenden Vergleichsimpulse 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 (ÄC-Oszillator) zugeführt. Mit einem Feldeffekttransistor als regelbaren Widersfand geschaltet wird durch eine positive oder negative Korrekturspannung die Frequenz im Generaior 1 bei sehr geringen Abweichungen sowohl der Phase zwischen der Sinusspannung und der Schwingung des Schwingspiegeis 4 als auch der Amplitude der Schwingung des Schwingspicgels 4 vergrößert bzw. verkleinert.

Die Phase Ψ wird die Amplitude A der Schwingung des Schwingspiegels 4 ändert sich nämlich in der Nähe der Resonanzfrequenz des Schwingspiegel sehr stark mit der Ansteuerfrequenz, wie in den Fig. 3 und 4 gezeigt ist. ίη bedeutet dort jeweils die Resonanzfrequenz des Schwingspiegel 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.

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

Die Stabilisierungsschaltung kann auch bei der Dikkenmessung von Gegenständen herangezogen werden.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Entfernungsmeßgerät mit einem als Sender arbeitenden Laser (S), mit einem piezoelektrischen Strahlablenker (3) zum periodischen Ablenken des Laserstrahls in einer Ebene, mit einem vom Sender räumlich getrennten optischen Detektor (10), der eine scharf gebündelte Empfangscharakteristik entlang einer in der Ebene liegenden Visierlinie aufweist, die vom Laserstrahl getroffen wird, mit einem Taktgenerator (1), welcher kontinuierlich Taktimpulse mit zumindest teilweise einer geradlinig verlaufenden Anstiegsflanke angenäherten Flanke und mit waagerechter Scheiteltangente erzeugt mit einem Schwingspiegel (4), den der piezoelektrische Strahlablenker (3) aufweist und dessen Ablenkung von den Taktimpulsen gesteuert wird, und mit einer Vorrichtung, welche die Zeitdifferenz zwischen der Anstiegsflanke eines Taktimpuises und derjenigen eines weiteren Impulses mißt, der vom Detektor (10) aufgrund von Licht, das einem diffus reflektierenden Objekt (9) zu ihm gelangt, ausgelöst wird, nach Hauptpatent 2229887, dadurch gekennzeichnet, daß der den Strahlablenker (3) ansteuernde Taktgenerator (1) eine Sinusspanung abgibt, deren Frequenz die Eigenresonanzfrequenz des mechanischen Aufbaues des Strahlablenker angepaßt ist und daß als Anfangszeitpunkt jeweils der Moment des Befe.iins desjenigen Teils der Sinusspannung, die im Rahmen e'ner vc-gegebenen Meßgenauigkeit als linear angesehen werden kann, einstellbar ist.

2. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl die vom Generator(l) erzeugte in einem Referenzkreis (16 und 17) in Referenzimpulse umwandelbare Sinusspannung als auch die im Detektor in einem Meßkreis erzeugten Meßimpulse mittels eines Impulsumformers (12) in Rechteckimpulse umwandelbar sind, die entstehenden Rechteckimpulse mittels eines Differenziators

(13) differenzierbar und einem Impulsdiskriminator

(14) zuführbar sind, an dem eine Anzeigeelektronik angeschlossen ist, und der nur von dem durch den Differenziator an der Vorderflanke eines Rechteckimpulses erzeugten Nadelimpuls anregbar ist.

3. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch I oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Generator und dem Referenzkreis ein einstellbarer Phasenschieber (15) geschaltet ist, durch den die Referenzimpulse erst nach dem Durchlaufen der Umkehrbereiche der Schwingspiegelstellungen erzeugbar sind.

4. Entfernungsmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zur Stabilisierung der Phase der die Spiegelschwingung ansteuernden Sinusspannung und/oder der Amplitude oder Phase der Spiegelschwingung die Frequenz der vom Generator (1) zur Ansteuerung des Strahlablenker (3) erzeugten Sinusspannung mittels einer Korrekturspannung nachregelbar ist, welche der Längendifferenz von Norm- (32) und Vergleichsimpulsen (30) proportional ist.

5. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Referenzkreis (16, 17) ein monostabiles Flipflop-Element (31) angeschlossen ist, durch welches aus den Referenzimpulsen die Normimpulse mit einer vorgegebenen Länge erzeuebarsind.

6. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß an den Referenzkreis (16, 17) ein Impulsdiskriminator (29) angeschlossen ist, durch welchen die Vergleichsimpulse erzeugbar sind, deren Länge aus der zeitlichen Eintreffdifferenz von aus dem Referenzkreis abgezweigten Referenz- (18) und von aus einem Bezugsimpulsgenerator (25,26, 27 und 28) erzeugbaren Bezugsimpuisen bestimmt ist

7. Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Bezugsimpulse zu den Zeitpunkten erzeugbar sind, in denen eine solche Schwingspiegelstellung vorliegt, daß die an einer in der Bezugsebene (22) angeordneten lichtdurchlässigen Platte (24) reflektierten Laserstrahlen auf einen Bezugsdetektor (25) auftreffen, den der Bezugsimpulsgenerator umfaßt

8. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß zu einer Grobkorrektur die Korrekturspannung dem Generator über ein Motorpotentiometer (37) zuführbar ist, welches die Frequenz der Ansteuerspannung vorkorrigiert.

9. Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 4 bis 7, dadurch gekennzeichnet daß zu einer Feinkorrektur die korrekturspannung dem Generator über einen Operationsverstärker (38) zuführbar ist, welcher die Frequenz der Ansteuerspannung der Resonanzfrequenz des Schwingspiegels (4) genau angleicht