DE2923979C2

DE2923979C2 - Device for contactless distance measurement

Info

Publication number: DE2923979C2
Application number: DE19792923979
Authority: DE
Inventors: Horst 5880 Lüdenscheid Poschmann; Hanns 4750 Unna Rump; Gerhard 5880 Lüdenscheid Wagner
Original assignee: Elp-Electronic & Plastic's 5880 Luedenscheid De GmbH
Current assignee: Elp-Electronic & Plastic's 5880 Luedenscheid De GmbH
Priority date: 1979-06-13
Filing date: 1979-06-13
Publication date: 1982-12-09
Also published as: DE2923979A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandmessung im Abstandbereich einige ⁵⁽⁾ Zentimeter bis zu einigen 10 Metern, mit Gehäuse im Taschenformat, das einen im Ultraschallbereich arbeitenden Kurzzeit-Impulssender und einen zugeordneten Empfänger sowie eine mit dem Sender und Empfänger zusammenwirkende Laufzeitmeßeinrichtung enthält, die gesteuert vom Empfänger abschaltbar ist und der ein mehrstelliges digitales Anzeigefeld am Gehäuse zugeordnet ist, wobei der Empfänger einen das Abschalten der Laufzeitmeßeinrichfing steuernden Empfangsversiärker aufweist, wobei ein Zeitglied dem Empfangsver- ^b0 stärker zugeordnet ist, durch dessen Steuerung die Ansprechempfindlichkeit zeitverzögert gegenüber dem Aussenden des Sendeimpulses auf den Betriebswert ansteigt nach Patent 27 55 556.The invention relates to a device for non-contact distance measurement in the distance range from a few ^{5 ()} centimeters to a few 10 meters, with a pocket-sized housing that contains a short-term pulse transmitter working in the ultrasonic range and an associated receiver as well as a transit time measuring device that cooperates with the transmitter and receiver can be switched off controlled by the receiver and which is assigned a multi-digit digital display on the housing, the receiver having a receiving ^amplifier which controls the switching off of the runtime measuring device, a timing element being more closely assigned to the receiving amplifier, through whose control the response sensitivity is delayed compared to the transmission of the transmit pulse increases to the operating value according to patent 27 55 556.

In der Hauptanmeldung ist bereits das Problem ^b' behandelt, ein Ansprechen des Empfängers auf Störechos zu vermeiden. Es ist dort bereits vorgesehen, daß die Ansprechempfindlichkeit des Empfängers nach Aussenden des Sendeimpulses über eine bestimmte Zeitspanne bis zu dem Betriebswert hin ansteigtThe main application already ^{deals with problem b} 'of avoiding the receiver responding to false echoes. It is already provided there that the response sensitivity of the receiver increases over a certain period of time up to the operating value after the transmission pulse has been sent out

Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist eine solche Ausbildung der Vorrichtung nach dem Hauptpatent, daß durch eine optimale Steuerung der Ansprechtmpfindlichkeit des Empfängers Störechos nahezu vollständig unterdrückt werden können.The object of the present additional invention is such a design of the device according to the main patent, that through an optimal control of the sensitivity the receiver's false echoes can be almost completely suppressed.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur quadratischen Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Laufzeit in der Eingangsstufe die Kathode eines Feldeffekttransistors über die Parallelschaltung eines Kathodenwiderstandes und eines Kondensators und außerdem über die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode mit Masse und die Anode des Feldeffekttransistors über einen Anodenwiderstand mit der Betriebsspannung verbunden sind und daß in die Kathodenleitung der Diode eine von dem Startsignal des Senders gesteuerte Gatterschaltung eingefügt ist.This object is achieved according to the invention in that to increase the quadratic response sensitivity the cathode of a field effect transistor depending on the running time in the input stage via the parallel connection of a cathode resistor and a capacitor and also via the Anode-cathode path of a diode with ground and the anode of the field effect transistor via an anode resistor are connected to the operating voltage and that in the cathode line of the diode one of the Start signal of the transmitter controlled gate circuit is inserted.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem handelsüblichen Ultraschallsender der vorliegenden Abmessungen die Strahlung auf einen Winkelbereich von 10° zu beiden Seiten der Bezugsrichtung konzentriert ist. Innerhalb dieses Winkelbereichs fällt die Intensität auf einen Pegel von etwa -1OdB ab. Da außerdem die Energie des Ultraschallimpulses mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, kann man im wesentlichen eile Störechos unterdrücken, wenn man gemäß der Lehre der Erfindung die Ansprechempfindlichkeit des Empfängers steuert. Nur Echos, die von dem zu messenden Gegenstand herkommen, haben dann einen ausreichend hohen Pegel, um die Empfängerschaltung zum Ansprechen zu bringen.It has been shown that with a commercially available ultrasonic transmitter of the present dimensions Radiation is concentrated to an angular range of 10 ° on both sides of the reference direction. Within In this angular range, the intensity drops to a level of around -1OdB. In addition, since the energy of the Ultrasonic pulse decreases with the square of the distance, one can essentially rush false echoes suppress when one according to the teaching of the invention, the responsiveness of the receiver controls. Only echoes that come from the object to be measured then have one sufficient high level to make the receiver circuit respond.

Mit dieser Vorrichtung ist gewährleistet, daß sich im War'ezustand der Feldeffekttransistor im Sättigungsgebiet befindet, so daß der Verstärkungsgrad bzw. die Ansprechempfindlichkeit den Wert 0 haben. Durch das Startsignal wird das Potential an der Gatterschaltung erhöht, so daß die Ladung des Kondensators exponentiell ansteigt. Entsprechend verschiebt sich der Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors in den Bereich höchster Verstärkung. Eine Überprüfung zeigt, daß das Produkt von Ansprechempfindlichkeit bzw. Verstärkung des Empfängers und Schallpegel innerhalb des Meßbereiches weitgehend konstant ist. Damit lassen sich durch diese Schaltung nahezu ideale Verhältnisse verwirklichen, so daß durch eine überraschend einfache Schaltungsmaßnahme Störimpulse unterdrückt werden können.This device ensures that the field-effect transistor is in the saturation region when it is in the good state is located, so that the gain or the sensitivity have the value 0. By the Start signal, the potential at the gate circuit is increased, so that the charge on the capacitor increases exponentially increases. The working point of the field effect transistor shifts accordingly into the highest range Reinforcement. A check shows that the product of the sensitivity or gain of the Receiver and sound level is largely constant within the measuring range. So let through this circuit realize almost ideal conditions, so that by a surprisingly simple Circuit measure interference pulses can be suppressed.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstelltAn embodiment of the invention will be described below with reference to the drawings explained in which represents

Fig. 1 eine Gesamtansicht des Ultraschall-Abstandsmeßgerätes, Fig. 1 is an overall view of the ultrasonic distance measuring device,

F i g. 2 ein Diagramm des Schallfeldes einer typischen Ultraschallkapsel,F i g. 2 is a diagram of the sound field of a typical ultrasound capsule,

F i g. 3 die Schaltung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,F i g. 3 the circuit of an embodiment according to the invention,

Fig.4 den Verlauf des Schallpegels und der Ansprechempfindlichkeit des Empfängers in Abhängigkeit von dem Laufweg und4 shows the course of the sound level and the sensitivity of the receiver as a function from the walkway and

F i g. 5 das Produkt von Ansprechempfindlichkeit des Empfängers und Schallpegel ebenfalls in Abhängigkeit vom Laufweg.F i g. 5 the product of the sensitivity of the receiver and the sound level as a function of the same from the walkway.

Das Ultraschall-Abstandsmeßgerät befindet sich innerhalb eines Gehäuses 1, das etwa die Größe eines Taschenrechners hat. Ein digitales Entfernungsanzeigefeld 2 zeigt die jeweils gemessene Entfernung an. DieThe ultrasonic distance measuring device is located within a housing 1, which is about the size of a Calculator has. A digital distance display field 2 shows the distance measured in each case. the

Auslösung eines Ultraschallimpulses erfolgt mittels eines Einschalttasters 6. Der Uitraschallimpuls wird über den Ultraschallsender 7 abgestrahlt und der reflektierte Impuls wird mittels eines Empfängers 8 empfangen.An ultrasonic pulse is triggered by means of a switch-on button 6. The ultrasonic pulse is emitted via the ultrasonic transmitter 7 and the reflected pulse is transmitted by means of a receiver 8 receive.

F i g. 2 zeigt die Richtcharakteristik des Ultraschallfeldes eines handelsüblichen Ultraschallsenders. Man erkennt, daß innerhalb eines Winkelbereichs von 10° zu beiden Seiten der Bezugsrichtung der Hauptteil der Intensität des Schallfeldes konzentriert ist Innerhalb _!0 dieses Winkelbereiches fällt der Pegel des Schallfeldes auf -10 dö ab. Da außerdem der Pegel des Schallfeldes etwa umgekehrt proportional zum Quadrat des Laufweges abfällt, kann man nach der Erfindung Einflüsse von Störechos dadurch vermeiden, daß man die Ansprechempfindlichkeit des Empfängers in quadratischer Abhängigkeit vom Laufweg steuert, damit das Produkt von Ansprechempfindlichkeit bzw. Verstärkung des Empfängers und Schailpegel im wesentlichen konstant bleibt.F i g. 2 shows the directional characteristic of the ultrasonic field of a commercially available ultrasonic transmitter. It can be seen that the main part of the intensity of the sound field is concentrated within an angular range of 10 ° on both sides of the reference direction. Within _{! 0 of} this angular range, the level of the sound field drops to -10 do. In addition, since the level of the sound field drops approximately inversely proportional to the square of the path, you can avoid the effects of false echoes according to the invention by controlling the sensitivity of the receiver as a quadratic function of the path, so that the product of sensitivity or gain of the receiver and Schail level remains essentially constant.

Eine Schaltung zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist in F i g. 3 dargestellt. Eine als Blockschaltbild gezeigte Startverzögerungsschaltung 12 wird durch den Einschalttaster ausgelöst und gibt über eine Leitung 51 ein definiertes Startsignal ab, das auch die Sendeschaltung 11 auslöst, so daß über den Ultraschallsender 7 ein kurzzeitiger Ultraschallimpuls ausgesandt wird. Der Empfänger 8 empfängt die Echosignale. Die Eingangsstulfe der Empfangsschaltung enthält einen Feldeffekttransistor 52, dessen Torelektrode über einen Wider- _J0 stand 53 mit Masse verbunden ist. Die Kathode des Feldeffekttransistors liegt über einen Kathodenv iderstamd 54 ebenfalls an Masse. Die Anode des Feldeffekttransistors 52 ist über einen Anodenwiderstand 55 mit der Betriebsspannung + Ub verbunden. ₃-, Parallel zu dem Kathodenwiderstand 54 liegt ein Kondensator Cund außerdem ein Einstellwiderstand 56, an den die Anode einer Diode D angeschlossen ist. Die Kathode dieser Diode D ist mit einer IC-Technik ausgeführten Gatterschaltung G verbunden, der in Steuereingang an die Leitung 51 angeschlossen ist.A circuit for implementing the inventive concept is shown in FIG. 3 shown. A start delay circuit 12 shown as a block diagram is triggered by the switch-on button and emits a defined start signal via a line 51, which also triggers the transmission circuit 11, so that a brief ultrasonic pulse is transmitted via the ultrasonic transmitter 7. The receiver 8 receives the echo signals. _{The input socket of the receiving circuit} contains a field effect transistor 52, the gate electrode of which was connected to ground via a resistor J0 53. The cathode of the field effect transistor is also connected to ground via a cathode connector 54. The anode of the field effect transistor 52 is connected to the operating voltage + Ub via an anode resistor 55. ₃ -, parallel to the cathode resistor 54 is a capacitor C and also a variable resistor 56, is connected to the anode of a diode D. The cathode of this diode D is connected to a gate circuit G implemented in IC technology, which is connected to the line 51 in the control input.

Wenn auf der Leitung 51 kein Startsignal vorhanden ist, ist der entsprechende Anschlußpunkt der Gatterschaltung C mit Masse verbunden. Wenn auf der Leitung 51 ein positives Startsignal erscheint, erscheint auch an dem betreffenden Eingang der Gatterschaltung G ein positives Potential, so daß die Diode D sperrtIf there is no start signal on the line 51, the corresponding connection point of the gate circuit C is connected to ground. If a positive start signal appears on the line 51, a positive potential also appears at the relevant input of the gate circuit G, so that the diode D blocks

Die Anode des Feldeffekttransistors 52 ist über eine Verstärkerstufe 57 mit einer Auswerteschaltung 58 verbunden, die im einzelnen nicht erläutert wird.The anode of the field effect transistor 52 is connected to an evaluation circuit 58 via an amplifier stage 57 connected, which is not explained in detail.

Die Widerstände 54 und 55 sowie der Widerstand 53 werden so eingestellt, daß der Arbeitspunkt des Transistors 52 im Bereich höchster Verstärkung liegt, wenn die Diode Dgesperrt ist.The resistors 54 and 55 and the resistor 53 are set so that the operating point of the Transistor 52 is in the region of highest gain when diode D is blocked.

Die mit der Schaltung erzielten Meßergebnisse sind in den F i g. 4 und 5 dargestellt. F i g. 4 zeigt zunächst in logarithmischem Maßstab den Schallpegel in Abhängigkeit von dem Laufweg. Der Schallpegel nimmt im wesentlichen umgekehrt quadratisch mit dem Laufweg ab. Im Wartezustand stellt die Diode Deine Verbindung zur Masse dar, so daß dadurch der Feldeffektransistor 52 in den Sättigungsbereich gezogen wird, in dem die Ansprechempfindlichkeit bzw. der Verstärkungsgrad einen verschwindenden Wert haben. Sobald das Startsignal auf der Leitung 51 auftritt, wird das Kathodenpotential der Diode D hochgelegt, so daß die Diode D sperrt. Infolgedessen steigt das Potential am Kondensator C exponentiell an. Demzufolge wird der Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors 52 in entsprechendem Ausmaß in den Bereich höchster Verstärkung hineinverschoben. Der Verstärkungsgrad bzw. die Ansprechempfindlichkeit des Feldeffekttransistors 52 sind in Abhängigkeit von diesem Ladevorgang und damit auch in Abhängigkeit vom Laufweg ebenfalls in F i g. 4 dargestellt. Dieser Verlauf der Ansprechempfindlichkeit läßt sich durch Einstellung des Einstellwiderstandes 56 beeinflussen.The measurement results obtained with the circuit are shown in FIGS. 4 and 5 shown. F i g. 4 initially shows the sound level as a function of the path on a logarithmic scale. The sound level decreases essentially inversely with the square of the path. In the waiting state, the diode represents your connection to ground, so that the field effect transistor 52 is thereby drawn into the saturation region in which the sensitivity or the gain have a negligible value. As soon as the start signal occurs on line 51, the cathode potential of diode D is raised so that diode D blocks. As a result, the potential across the capacitor C increases exponentially. As a result, the operating point of the field effect transistor 52 is shifted to a corresponding extent into the region of the highest amplification. The gain and the sensitivity of the field effect transistor 52 are also shown in FIG. 4 shown. This response sensitivity curve can be influenced by setting the setting resistor 56.

Das Produkt von Ansprechempfindlichkeit und Schallpege! ist in F i g. 5 im Dämpfungsmaßstab dB angegeben. Dieses Produkt hat innerhalb des Meßbereichs einen weitgehend konstanten Wert, so daß Störechos wirksam unterdrückt werden können.The product of sensitivity and sound levels! is in Fig. 5 in the attenuation level dB specified. This product has a largely constant value within the measuring range, so that False echoes can be effectively suppressed.

Hierzu 3 Blatt ZeichnungenFor this purpose 3 sheets of drawings

Claims

Patent claims:

1. Device for contactless distance measurement in the distance range from a few centimeters to a few 10 meters, with a pocket-sized housing that contains a short-term pulse transmitter working in the ultrasonic range and an associated receiver as well as a transit time measuring device that interacts with the transmitter and receiver and can be switched off controlled by the receiver ι «And which is assigned a multi-digit digital display on the housing, the receiver having a receiving amplifier that controls the switching off of the running line measuring device, whereby a timing element is assigned to the receiving amplifier, through whose control the response sensitivity rises to the operating value with a time delay compared to the transmission of the transmission pulse according to the patent 27 55 556, characterized in that for the quadratic increase in the response sensitivity -o depending on the running time in the input stage, the cathode of a field effect transistor (52) via the parallel connection of a Cathode resistor (54) and a capacitor (C) and also via the anode-cathode path of a diode (D, / with ground and the anode of the field effect transistor (52) via an anode resistor (55) are connected to the operating voltage and that in the Cathode line of the diode (D) a gate circuit Jo (G) controlled by the start signal of the transmitter is inserted.

2. Apparatus according to claim 1, characterized in that the cathode resistor (54) and the Anode resistance (55) dts field effect transistor (52) are dimensioned so that the field effect transistor J ' works in the operating point of the highest gain.

3. Apparatus according to claim 1 or 2, characterized in that the further amplifier stages are coupled to the anode of the field effect transistor (52). ^{4 (l}

4. Device according to one of claims 1 to 3, characterized in that an adjustment resistor (56) is inserted between the cathode of the field effect transistor (52) and the anode of the diode (D).