DE2456162A1

DE2456162A1 - Optoelektronische messeinrichtung, insbesondere fuer einen geschosszuender

Info

Publication number: DE2456162A1
Application number: DE19742456162
Authority: DE
Inventors: Udo Ing Grad Mueller; Dietmar Dr Stuetzle
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1974-11-28
Filing date: 1974-11-28
Publication date: 1979-09-20
Also published as: NL7511331A; DE2456162C2; NO753490L; FR2435047A1; IT1043559B; NO144119C; NO144119B; US4223607A; FR2435047B1

Description

DIEHL, 85 Nürnberg, Stephanstr. 49

Optoelektronische Meßeinrichtung, insbesondere für einen Geschoßzünder

Die Erfindung betrifft eine optoelektronische Meßeinrichtung, insbesondere für einen Geschoßzünder, zur Abgabe eines Signals bei Erreichen einer bestimmten Entfernung zwischen einem sich bewegenden Körper und einer Oberfläche, wobei die Meßeinrichtung einen durch eine Linse optische Impulse mit einer Sendefrequenz emittierenden Sender und einen über eine weitere Linse von der Oberfläche zurückgestreute ^Anteile dieser optischen Impulse aufnehmenden Empfänger mit Empfangsverstärker aufweist.

Es hat sich gezeigt, daß sich mit einer Meßeinrichtung der genannten Art Entfernungen im Bereich weniger Meter gut bestimmen lassen, prinzipiell wird dies dadurch erreicht, daß das vom Sender abgestrahlte Licht mit einer Sammellinse scharf gebündelt wird. Trifft dieser gebündelte Lichtstrahl auf eine Oberfläche, beispielsweise, im Abstand von zwei Metern, dann wird von der Oberfläche Licht zurückgestreut. Falls dieser Abstand die bestimmte Entfernung ist, bei der die Meßeinrichtung das Signal abgehen soll, und hierfür die dem Empfänger zugeordnete Sammellinse auf den Bereich der Oberfläche gerichtet ist, in dem der gebündelte Lichstrahl auftrifft, nimmt die dem Empfänger zugeordnete Linse Streulicht auf und bestrahlt den lichtempfindlichen Empfänger.

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Um zu verhindern, daß das Signal auch dann ausgelöst wird, wenn Streulicht auf die dem Empfänger zugeordnete Sammellinse auftritt, das nicht Folge des vom Sender emittierten Lichts ist, soll der Sender optische Impulse raLt einer bestimmten Sendefrequenz ausstrahlen. Das Signal wird nur dann ausgelöst, wenn Streulichtimpulse mit der Sendefrequenz am Empfänger auftreten. Dies in der Praxis zu erreichen, ist vor allem deshalb schwierig, da hierfür eine sehr schmalbandige Selektion erforderlich ist und die Empfangsleistung nur wenig über dem Rauschpegel liegt. Bauelemente mit den aus preislichen Gründen in Kauf zu nehmenden Toleranzen ihrer Werte und ihren zwangsläufig auftretenden.Alterungserscheinungen gewährleisten eine derartige, Selektion nicht.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine Meßeinrichtung der genannten Art zu schaffen, die von Toleranzen der verwendeten Bauelemente und deren Alterungserscheinungen weitgehend unabhängig ist.

Erfindungsgemäß wird die gestellte Aufgabe dadurch gelöst, daß dem Empfangsverstärker ein Bandpaßfilter mit einem schmalen Frequenzdurchlaßbereich nachgeschaltet ist, daß zwischen daa Bandpaßfilter und den Sender eine Steuer- bzw. Regelschaltung geschaltet ist, die die Mittenfrequenz des Frequenzdurchlaßbereichs des Bandpaßfilters und die Sendefrequenz des Senders aneinander anpaßt, und daß dem Filter eine das Signal abgebende Auswertschaltung nachgeschaltet ist. Der schmale Frequenzdurchlaßbereich des Bandpaßfilters im Bereich von beispielsweise 100 bis 200 Hz stellt sicher, daß nicht andere als die vom Sender her· rührenden, von der Oberfläche zurückgestreuten Impulse zur Auslösung des Signale führen. Die Anpassung der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters und der Sendefrequenz des Senders führt dazu, daß sich durch Toleranzen oder Alterungseracheinungen bedingte Abweichungen von einem theoretischen Frequenz-Sollwert nicht in der Weise auswirken können, daß die Mittenfrequene und die Sendefrequenz voneinander abweichen.Schon kleine Abweichungen würden sonst wegen der schmalen Bandbreite des Bandpaßfilters dazu führen, daß vom Sender ausgehende Impulse fälschlicherweise ausserhalb des Durchlaßbereichs des Bandpaßfilters liegen.

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In einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist die Sendefrequenz des Senders and die Bandmittenfrequenz des Bandpaßfilters von einer geraeinsamen Steuereinrichtung synchronisiert. Vorzugsweise ist hierbei die Steuereinrichtung von einem Impulsgenerator gebildet und das Bandpaßfilter ist ein N-Pfad-Filter. Derartige Filter sind spulenlose Bandfilter, bei denen die Bandfiltercharakteristik durch eine Anzahl (N) Tiefpaßfilter und"deren Tastung mittels elektronischer Schalter, bisbesoi.dere Transistoren, erreicht wird. Diese Schaltung erlaubt eine digitale Arbeitsweise der Meßeinrichtung.

"Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist die Sendefrequenz des Senders mittels einer Regelschaltung der Mittenfrequenz des Bandpaßfilters nachgeführt. Als Eingangssignal der Regelschaltung wird dabei vorzugsweise ein aus dem Rauschpegel des Empfangsverstärkers durch das Bandpaßfilter ausgefiltertes Signal verwendet.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen. In der Zeichnung zeigen: —

Fig. 1 den sich bewegenden Körper über eine Oberfläche,

Fig. 2 ein Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels der optoelektronischen Meßeinrichtung,

Fig. 3 ein N-Pfad-Filter mit Steuerung,

Fig. 4 eine Verstärkerschaltung,

Fig. 5 einen Impulsgenerator,

Fig. 6 einen Frequenzteiler,

Fig. 7 eine Auswertschaltung,

Fig,, 8 ein Impulsdiagraram eines N-Pfad-Filters,

Fig. 9 ein Schaltbild eines weiteren Ausführungsbeispiels.

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r\ r\ η ι

Ein sich über eine Oberfläche 1 bewegender Körper 2 weist zwei Sammellinsen 3 und 4 auf. Die Achsen der Linsen 3 und 4 sind in einem solchen Winkel gegeneinander geneigt, daß sich ihre Strahlengänge in einer bestimmten Entfernung im Meterbereich vor dem Körper schneiden. In Fig. 1 ist dies gerade an der Oberfläche 1 der Fall.

In einem Brennpunkt der Linse 3 ist eine lichtemittierende Diode 5 eines Senders 6 angeordnet. Der Diode 5 ist ein Transistor 7 vorgeschaltet. Dieser wird von Rechteckimpulsen mit einer Frequenz von etwa 10 kHz leitend geschaltet. Der Sender gibt somit ständig Lichtimpulse mit der Frequenz der Rechteckimpulse ab.

Die Rechteckimpulse sind aus einer Teilerschaltung 8 abgeleitet. Dieser ist ein Impulsgenerator 9 vorgeschaltet, der Rechteckimpulse einer Frequenz von 40 kHz mit einem Tastverhältnis von 1:1 abgibt. Die Teilerschaltung 8 untersetzt diese Rechteckirapulse im Verhältnis 4:1.

Die Rechteckimpulse des Impulsgenerators 9 sind auch auf einen Steuereingang 10 eines N-Pfad-Filters 11 aufgeschaltet. Das N-Pfad-Filter weist vier Pfade auf. Seine Mittenfrequerz liegt demnach bei der angegebenen Steuerfrequenz des Impulsgenerators von 40 kHz bei 10 kHz. An einem Signaleingang 12 des Bandfilters 11 liegt ein Verstärker 13 mit einem sehr hohen Verstärkungsfaktor. Der Verstärker 13 ist einem Empfänger 14 nachgeschaltet. Dieser weist eine lichtempfindliche Fotodiode 15 auf. Diese liegt in einem Brennpunkt der Sammellinse 4.

An einem Signalausgang 16 des N-Pfad-Filters 11 liegt eine Auswertschaltung 17, die dann, wenn am Empfänger 14 vom Sender 6 kommende Lichtimpulse auftreten, das Signal abgibt bzw. die Zündung auslöst₀

Die beschriebenen Schaltungsteile liegen an einer Spannungsquelle, insbesondere einer Batterie, deren Spannung im Bedarfsfalle auf einen konstanten Wert geregelt sein kann.

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In Fig. 3 ist das N-Pfad-Filter 11 und dessen Steuerung dargestellt. Es sind vier Tiefpaß-Filterpfade 18, 19, 20 und 21 vorgesehen. Sie sind von je einem Kondensator C 1 und einem gemeinsamen Widerstand R 1 gebildet. Der Widerstand R 1 hat einen Wert von 10 k& und die Kondensatoren C 1 haben einen Wert von 0,22U. F. In der Serie zu den Kondensatoren C 1 liegen Feldeffekttransistoren T 1. Die Steuereingänge der Feldeffekttransistoren liegen jeweils an den Kollektoren weiterei Transistoren T 2, deren Emitter-Kollektorstrecken jeweils zwischen zwei Widerständen R 2 und R 3 liegen. Die Transistoren T 2 und die Widerstände R 2 und R 3 dienen der Potentiälanpassung. Anstelle der Transistoren T 1, T 2 und der Widerstände R 2, R 3 kann ein als integriertes Bauteil ausgebildeter 4-fach-Schalter zur Verwendung kommen.

Jedem der Widerstände R 3 ist ein NOR-Gatter vorgeschaltet. Diese Gatter sind in einem einzigen Bauteil IC 1 integriert. Den NOR-Gattern ist ein zweifaches JK-Master-Slave-Flip-Flop IC 2 vorgeschaltet, an dessen Steuereingang 10 die Rechteckimpulsfolge des Impulsgenerator 9 anliegt. Als integriertes Bauteil IC 1 eignet sich ein Bauteil, wie es unter der Nr. 7402 und als integriertes Bauteil IC 2 ein solches, wie es unter der Nr. 7476 erhältlich ist.

Das zweifache Flip-Flop IC 2 und die NOR-Gatter IC 1 unter teilen und verteilen die Impulsfolge des Impulsgenerators 9 so, daß an den Steuereingängen 22, 23, 24, 25 der Transistoren T 1 die in Fig. 9 dargestellten Impulsfolgen auftreten. Jeder der Transistoren T 1 wird mit einer Frequenz von 10 kHz leitend geschaltet. Die Transistoren T 1 werden also abwechselnd nacheinander leitend.

Entsprehend sind auch die Tiefpaß-Filterpfade 18, 19, 20 und 21 nacheinander eingeschaltet. Es ergibt sich im beschriebenen Beispiel für die Filteranordnung eine Bandfiltercharakteristik mit einer Mittenfrequenz von 10 kHz bei einer Band breite von etwa 100 Hz. Falls also am Signaleingang 12 Impulse mit einer Frequenz von 10 kHz auftreten, gelangen diese zum Ausgang 16. Abweichende Frequenzen werden von dem N-Pfad-Filter

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spielsweise in der Zeitschrift "Der Elektroniker" Nr. 11/1973 beschrieben.

In Fig. 4 ist ein Schaltungsbeispiel für den Verstärker 13 dargestellt. Der Verstärker arbeitet mit einem Feldeffekttransistor und zwei weiteren Transistoren.

In Fig. 5 ist der Aufbau eines Impulsgenerators 9 dargestellt. Dieser ist von einem Schmitt-Trigger IC 3 gebildet. Als integriertes Bauelement eignet sich beispielsweise ein solches, das unter der Nr. 7413 erhältlich ist.

Fig. 6 zeigt den Aufbau der Teilerschaltung Θ. Diese besteht aus einem zweifachen JK-Master-Slave-Flip-Flop IC 4. Als integriertes Bauelement kann ein unter der Nr. 7476 erhältliches Bauelement Verwendung finden.

In Fig. 7 ist ein Schaltungsbeispiel für die Auswertschaltung 17 dargestellt. Diese arbeitet mit einem astabilen Multivibrator IC 5ι einem Integrierglied C 2, R 4 und einem diesem nachgeschalteten Schmitt-Trigger IC 6. Der Multivibrator ist unter der Nr. 74121 und der Schmitt-Trigger unter der Nr. 2413 ale integriertes Bauelement erhältlich. Insgesamt ftlhrt das Ausgangsaignal dee Schmitt-Triggers zur Zündung eines Thyristors Th₁ sobald eine gewisse Impulsanzahl am Eingang 16 aufgetreten 1st. Die Impulse werden durch die Auewerteinrichtung geformt und Integriert. Wenn das Integratlonsergebnls einen Schwellwert überschreitet, wird der Thyristor Th durchgtschaltet. Dies hat ein Zünden des Zündmittel· ZN tür Folgt·

Die Te11erschaltung nach Fig. 6 erübrigt sich, wenn der Sender 6 direkt an eines der NOR-Gatter des Integrierten Bauelemente IC 1 angeschlossen wird.

In Fig. 9 1st ein weiteres AusfUhrungebeispiel der Erfindung dargestellt. In diesem ist die Sendefrequenz fs des Senders 6* mittels einer Regelschaltung 26.der BandmittenfrequenE des

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ORIGINAL INSPECTED

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Bandpaßfilters 11' nachgeführt. Das Bandpaßfilter 11' ist dem Verstärker 13 nachgeschaltet. Dieser liegt hinter dem Empfänger 14. Der Ausgang des Bandpaßfilters 11· ist auf den Eingang 27 der Regelschaltung 26 geführt. Außerdem liegt er am Eingang 28 einer Schwellwertschaltung 29, die ein Signal an die Auswerteinheit 17 abgibt, sobald ihr Eingangssignal einen bestimmten Amplitudenwert überschreitet.

Die Regelschaltung 26 ist als Phase locked loop-Schaltung aufgebaut. Sie weist einen Frequenzmischer 30, einen Tiefpaß 31, einen Regelverstärker 32 und einen spannungsgesteuerten Oszillator 33 auf. Am Eingang 27 liegt ein Signal, das aus dem zwangsläufig auftretenden Rauschen des Verstärkers 13 mittels des Bandfilters 11· ausgefiltert ist. Die Bandmittenfrequenz des Bandfilters 11» liegt beispielsweise bei 10 kHz. Außerdem liegt am Frequenzmischer 30 das Ausganssignal des Oszillators 33, dessen Soll-Frequenz ebenfalls 10 kHz betrögt. Der Frequenzraischer bildet ein Signal mit Frequenzen fe + fs und fe - fs. Mittels des Tiefpasses 31 wird die Frequenz fe fs abgefiltert und auf den Regelverstärker 32 geleitet. Dieser bildet eine Steuerspannung Ur, die bei Übereinstimmung der beiden Frequenzwerte fe und fs Null ist und mit zunehmender Differenz anwächst. Falls die Frequenzen fe und fs voneinander durch AlterungsersJieinungen oder Toleranzen der Bauelemente abweichen, wird die Frequenz fs so nachgeregelt, daß sie mit der Frequenz fe übereinstimmt. Wenn am Ausgang des Filters 11' nur das aus dem Rauschen des Verstärkers 13 ausgefilterte Signal anliegt, spricht der Schwellwertschalter 29 nicht an. Erst wenn dem Empfänger ein vom Sender herrührendes Signal der Frequenz fs = fe zugeleitet wird, spricht der Schwellwertschalter 29 an und führt in der beschriebenen Weise zu einer Auslösung des Signals.

Bei den beschriebenen Schaltungsanordnungen ist sichergestellt, daß die Bandmittenfrequenz des Bandpaßfilters und die Sendefrequenz nicht in unerwünschter Weise voneinander abweichen können. Unvermeidliche Frequenzabweichungen werden durch die Schaltungsanordnungen ausgeglichen.

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ORSGiNAL INSPECTED

Claims

Patentansprüche:

1. Optoelektonische Meßeinrichtung, insbesondere für einen Geschoßzünder, zur Abgabe eines Signals bei Erreichen einer bestimmten Entfernung zwischen einem sich bewegenden Körper und einer Oberfläche, wobei die Meßeinrichtung einen durch eine Linse optische Impulse mit einer Sendefrequenz emittierenden Sender und einen über eine weitere Linse von der Oberfläche zurückgestreute Anteile dieser optischen Impulse aufnehmenden Empfänger mit Empfangsverstärker aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß dem Empfangsverstärker (13, 14) ein Bandpaßfilter (11, 1t¹) mit einem schmalen Frequenzdurchlaßbereich nachgeschaltet ist, daß zwischen das Bandpaßfilter (11, 11*) und den Sender (6, 6·) eine Steuer- bzw. Regelschaltung (10, 26) geschaltet ist, die die Mittenfrequenz des Frequenzdurchlaßbereichs des Bandpaßfilters (11, 1t¹) und die Sende-

• frequenz des Senders (6, 6') aneinander anpaßt, und daß dem Bandpäßfilter (11, 11·)βΐ^ηβ das Signal abgebende Auswertschaltung (29, 17) nachgeschaltet ist.

2. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Sender-s (6) und die Bandmittenfrequenz des Bandpaßfilters (11) von einer gemeinsamen Steuereinrichtung (9) synchronisiert sind.

3. Meßeinrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Steuereinrichtung von einem Impulsgenerator (9) gebildet ist und daß das Filter ein N-Pfad-Filter (11) ist,

4. Meßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen dem Impulsgenerator (9) und dem Sender (6) ein Frequenzteiler (8) angeordnet ist, der die Impulsfolgen des Impulsgenerators (9) um einen Faktor teilt, der der Anzahl (N) der Pfade des N-Pfad-Filters (11) entspricht.

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5. Meßeinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Senders (6) mittels einer Regelschaltung (26) der Mittenfrequenz des Bandpaßfil- ¹^ ters (11·) nachgeführt ist. cn

6. Meßeinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, ΟΊ daß das Eingangssignal der Regelschaltung (26) ein aus dem Rauschpegel des Empfangsverstärkers (13) durch das Bandpaßfilter (11·) ausgefiltertes Signal ist.

7. Meßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (26) einen Frequenzmischer (30), einen spannungsgesteuerten Oszillator (33)» einen Regelverstärker (32) und ein Filter (31) aufweist, wobei am Eingang des Frequenzmischers (30) ein Signal mit der Ausgangsfrequenz des spannungsgesteuerten Oszillators (33) und ein aus dem Rauschpegel des Verstärkers (13) ausgefiltertes Signal anliegt, und das Signal an der Ausgarjßklerame des Frequenzmischers (30) über das Filter (31) und den Regelverstärker (32) auf die Eingangsklemme des spannungsgesteuerten Oszillators (33) geleitet ist.

8. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Bandpaßfilter (11 ·) ein Schwellwertschalter (29) nachgeschaltet ist, der erst auf ein den Rauschpegel des Verstärkers übersteigendes Signal anspricht.

9. Meßeinrichtung nach einem der vorhergehendenAnsprUche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschaltung (26) eine Phase locked loop-Schaltung ist.

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