DE3149256C2 - Ultraschall-Entfernungsmesser - Google Patents

Abstract

Die Erfindung bezieht sich auf einen Ultraschall-Entfernungsmesser mit einem Sender (1) zur Abgabe von Ultraschall-Impulspaketen (I), einem Empfänger (3) sowie einer Meß- und Auswerteschaltung (5) zum Messen der Laufzeit der Impulspakete zwischen Sender und Empfänger. Das empfangene Signal (U1) wird in einem Komparator mit einem variablen, aus der Form des Impulspaketes intern abgeleiteten Schwellwertsignal (U4) verglichen. Dieses Schwellwertsignal ist additiv zusammengesetzt aus zwei Signalen (U2, U3), von denen das eine (U2) etwa der maximalen positiven Amplitude der Empfangssignale (U1) und das andere etwa dem Hüllsignal zumindest der ersten negativen Halbwellen des Empfangssignales entspricht. Dieses Signal kann vorteilhaft durch zwei Spitzenwertdetektoren (15 bzw. 17) mit unterschiedlichen Zeitkonstanten gebildet werden. Mit einem derart erzeugten Schwellensignal (U4) wird sichergestellt, daß das Empfangssignal (U1) das Schwellensignal immer mit der gleichen positiven Halbwelle schneidet. Dieser flankenausgelöste Schnittpunkt wird zur Bestimmung der Laufzeit verwendet.

Description

Die Erfindung bezieht sich i»uf einen Ultraschall-Entfernungsmesser gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ultraschall-Entfernungsmesser können in zwei Grup-

pen aufgeteilt werden, wobei in beiden Fällen die Laufzeit des Ultraschall-Signales zwischen Sender und Empfänger ausgewertet wird. .

Die erste Gruppe umfaßt sogenannte CW-EntfernungsmesserfCW = continuous wave), das sind demzufolge Entfernungsmesser, die im Dauerstrichbetrieb arbeiten. Vom Ultraschall-Sender wird hier sine kontinuierliche Welle einer definierten Wellenlänge ausgesendet die vom Empfänger empfangen wird. Die Laufzeit der Ultraschall-Welle zwischen· Sender und Empfänger wird aus der Phasenverschiebung zwischen dem ausgesendeten und dem empfangenen Wellensignal ermittelt. Durch diese Zuordnung sind die sinnvollen Grenzen dieser Gruppe von Entfernungsmessern festgelegt weil nur innerhalb einer Wellenlänge eine eindeutige Zuordnung zwischen Phasenbeziehung und Entfernung bzw. gemessene Laufzeit besteht. Die Wellenlänge von Ultraschall liegt, nimmt man eine Schallgeschwindigkeit von ungefähr 330 Meter pro Sekunde in Luft und eine Frequenz von gleich oder

b5 größer 20 Kilohertz an, in einem Bereich von kleiner oder gleich 1,65 Zentimeter. Diese Wellenlänge entspricht dann der maximalen Entfernung bzw. dem maximalen Entfernungsbereich, die nach diesem Ver-

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Verfahren eindeutig gemessen worden können. Es besteht zwar die Möglichkeit, mit diesem Verfahren auch größere Entfernungen zu messen; jedoch ist hierfür zunächst eine Grobmessung notwendig, mit der die zu messende Entfernung zunächst in ganzzahlige Vielfache der Wellenlänge zerlegt werden muß. Lediglich die dann noch verbleibende Strecke bis zum Empfänger, die im Bereich einer Wellenlänge liegt, wird dann wie oben beschrieben vermessen.

Die zweite Gruppe der Ultraschall-Entfernungsmesser umfaßt sogenannte Impuls-Entfernungsmesser; bei dieser» Entfernungsmessern wird der Ultraschall-Sender, im allgemeinen ein Piezoschwinger, nur kurz angeregt, so daß er einen Ultraschall-Impuls aussendet. Dieser impuls wird empfangen; anschließend wird die zeitliche Differenz zwischen ausgesendetem und empfangenen Impuls, d.h. die Laufzeit des Impulses zwischen Sender und Empfänger gemessen, die ein Maß für die Entfernung ist. Bei derartigen Entfernungsmessern liegt das Problem darin, daß der von dem Sender ausgesendete Impuls kein Einzelimpuls ist, sondern aus einem Wellenpaket besteht. Die Wellenzüge innerhalb dieses Paketes haben eine Frequenz, die der Eigenfrequenz des Senders entspricht. Die Breite des impulspaketes ist umgekehrt proportional der Frequenzband_: breite bzw: der Güte des Schwingers und kann nicht beliebig Verringert werden. Je nach Güte des Piezoschwingers sind innerhalb dieses Paketes mehrere vollständige Wellenzüge vorhanden. Bei handelsüblichen Piezoschwingern kann davon ausgegangen werden, daß die Anzahl -der in einem Impulspaket enthaltenen Schwingungen größer als fünf ist Normalerweise wird das empfangene Impulspaket einfach z. B. mit Hilfe eines Schwellendiskriminators ausgewertet Die Amplitude der einzelnen Schwingungen in dem lrapulspaket wird aber stark durch die Beschaffenheit, d.h. die Güle des Piezoschwingers und andererseits insgesamt durch Dämpfung beeinflußt. Eine konstante bzw. auf die Dämpfung des Impulspaketes angepaßte Schwelle schneidet aus diesen Gründen nicht immerzuverlässig jeweils den gleichen Wellenzug innerhalb des Impulspakeies. Deshalb ist eine Entfernungsmessung nach dem Impulsprinzip nur dann mit ausreichender Genauigkeit möglich, wenn die Impulspaketbreite oder zumindest die Breite derjenigen Wellenzüge, die die Schwelle schneiden, klein gegenüber der zu messenden Entfernung ist. Eine Entfernungsmessung nach dem Impulsprinzip ist daher nur für Entfernungen von größer als 20 Zentimetern anwendbar. Bei einer Wellenlänge der Schw-agungen innerhalb des Impulspaketes von 1.6 Zentimetern beträgt bei dieser Entfernung der mögliche Fehler bereits 8%, wenn man annimmt, daß die konstante Schwelle die Schwingungen innerhalb des Impulspaketes nicht immer an der gleichen Welle, sondern an einer vorhergehenden bzw. nachfolgenden Welle schneidet. Es besteht ein Bedürfnis nach berührungslos und nach dem Ultraschall-Prinzip arbeitenden Entfernungsmessern gerade für den Bereich, der zwischen den angegebenen Bereichen von Dauerstrich- und Impuls-Entfernungsmessern liegt. Mit solchen Entfernungsmessern könnte z.B. die Präzision von Schlittenbewegungen bei Werkzeugmaschinen oder dergleichen leicht und genau überprüft werden.

Es ist bekannt, die durch schwankende Impulsamplituden verursachten Meßfehler dadurch zu verringern, daß die Schwelle nicht konstant gehalten, sondern in Abhängigkeit von C¹^r Impulsamplitude nachgeregelt wird; vgl. DE-OS 26 07 187. Hierzu^werden einerseits die Impulsbreiten zwischen den Zeitpunkten der Koinzidenz beider Impulspaketflanken mit der Schwelle und andererseits des Intervalls zwischen der Kinterflanke des ersten Impulspakeies und der Vorderflanke des zweiten Impulspaketes gemessen; anschließend wird die Hälfte jeder gemessenen Impulsbreite zu dem Intervall addiert Dieses Verfahren setzt eine Mehrfach-Zählerschaltung voraus, kann jedoch nicht sicherstellen, daß innerhalb der empfangenen Impulspakete die Schwelle in jeweils die gleiche positive bzw. negative Halbwelle des auszumessenden Impulspaketes schneidet

Aus der DE-AS 29 23 963 ist ein weiteres Verfahren zur Entfernungsmessung bekannt bei dem die Schwelle variabel ist Dieses Verfahren nutz ein Sampling-Ver- fahren aus, wobei Abtastimpulse mit einer Folgeperiode verwendet werden, die um eine vorgegebene kleine Zeitdifferenz kleiner als die Folgeperiode der Impulspakete ist Dieses Verfahren setzt eine relativ aufwendige Schaltung voraus, und wird vorteilhaft bei »schnellen« Meßverfahren, wie IR-Verfahren eingesetzt Bei den »langsamen« Ultraschallsignalen v/^xle dieses Verfahren zu einer Verringerung der zeilliciyn Meßdynamik führen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Ultraschall-Entfernungsmesser anzugeben, der nach dem i.Tipulsbetrieb mit variabler Schwelle arbeitet, wobei diese Schwelle durch eine einfache Schaltungsanordnung so automatisch eingestellt wird, daß zur Auswertung der Laufzeil jedesmal dieselbe Halbweile jo innerhalb der empfangenen Impulspakete herangezogen wird.

Diese Aufgabe ist gemäß der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst

Bei einem Uliraschall-Entfernungsmesser gemäß der Erfindung wird eine Schwelle für das empfangene Impulspaket festgelegt die direkt aus der Gestalt der einzelnen Schwingungen innerhalb des Impulspaketes abgeleitet wird. Für die Ermittlung der Laufzeit des Impulspaketes zwischen Sender und Empfänger wird daher nicht die relativ flache und entsprechend der obigen Erläuterungen störungsbehaftete Anstiegsflanke des Impulspaketes benutzt, sondern eine steile Ranke eines ganz bestimmten Wellenzuges innerhalb des Impulspakeies. Die Schwelle wird zusammengesetzt aus zwei Signalen, und zwar:

- a) dem Ausgangssignal eines »positiven« Spitzenwertdetektors, der die positiven Spitzenwerte der Wellenzüge innerhalb des Impulspaketes erfaßt. Dieser Spitzsnwertdeteklor hat eine erste Zeitkonstante, die wesentlich größer als die Intervallzeit zwischen zwei empfangenen Impulspaketen ist Das Ausgangssignal dieses Spitzenwertdetektors fällt daher nach Erfassen-des höchsten Spitzenwertes innerhalb eines Impulspaketes re'ativ langsam ab und verläuft quasi horizontal, bis der Spitzenwertdetektor im nächsten empfangenen Impulspaket eint; Amplitude erfaßt, die oberhalb der Signalarnpntude des Detektorausgangssignales liegt. Hieraus ergibt sich ein relativ schwachwelliges Ausgangssignal des ersten Spitzenwertdetektors.
b) einem Ausgangssignal eines zweiten, »negativen« Spitzenwerfietektors, der die negativen Amplituden der Wellenzüge innerhalb des empfangenen Impulspaketes erfaßt. Die Zeilkonstante dieses Spitzenwertdetektors ist wesentlich kleiner als die

Zeitkonstante des ersten positiven Spilzenwertdetektors und ist so bemessen, daß das Ausgangssignal des negativen Spitzenwertdetektors nach Erfassen der größten negativen Amplitude innerhalb des Impulspaketes etwa bis auf den Wert Null bzw. auf einen Wert absinkt, der einem gewissen Störabstand zu diesem Null-Wert entspricht, so daß geringfügige Schwankungen des empfangenen Wellenzuges um den Null-Wert nicht erfaßt werden.

Die beiden Ausgangssignale der Spitzenwertdetektoren werden überlagert, wobei das Überlagerungssignal dann das Schwellensignal bildet. Dieses Schwellensignal hat aufgrund der unterschiedlichen Zeitkonstanten unmittelbar vor dem Empfang eines Impulspaketes eine Amplitude, die derjenigen des Ausgangssignales des positiven Schwellwertdetektors bzw. der um die Restamplitude des negativen Spitzenwertdetektors verminderten Amplitude des positiven Schwellwertdetektors entspricht. Sobald der negative Spitzenwertdetektor die erste, innerhalb seines Auffaßbereiches auftretende negative Amplitude einer Schwingung innerhalb, des Impulspaketes erfaßt, so wird dieser negative Wert dem Ausgangssignal des positiven Spitzenwertdetektors überlagert, d. h. der Schwellwert wird um diesen Betrag vermindert. Das Gleiche erfolgt beim Erfassen der negativen Amplitude des nächsten Wellenzuges, so daß der Schwellwert treppenförmig vermindert wird. Die Zeitkonstante des negativen Spitzenwertdetektors ist dabei so, daß die Amplitude des Schwellwertsignales zwischen zwei erfaßten negativen Spitzenwerten sich nur relativ geringfügig ändert. Diese treppenförmige Abstufung des Schwellwertes erfolgt so lange, bis der negative Spitzenwertdetektor die größte negative Amplitude erfaßt hat und die darauffolgende negative Amplitude kleiner ist als der durch die /oitkonstante des negativen Spiizenweridetektors bedingte Anstieg des zusammengesetzten Schwellwensignales. Das Schwellwertsignal steigt dann entsprechend der relativ kleinen Zeitkonstante des negativen Spitzenwertdetektors relativ rasch an, bis es wiederum vor dem Empfang des nächsten Impulspaketes den im wesentlichen durch die Amplitude des positiven Spilzenwertdetektors bestimmten Wert erreicht. Da die positiven und negativen Amplitudenspitzen des Wellenzugs innerhalb des Impulspaketes jeweils um 180° gegeneinander verschoben sind, das Schwellwertsignal andererseits jedoch immer eine positive Amplitude aufweist, so erfolgt der treppenförmige Abstieg des Schwellwertsignales regelmäßig zwischen zwei benachbarten positiven Amplitudenspitzen des Wellenzuges innerhalb des Impulspaketes. Die positiven Halbwellen des Wellenzuges innerhalb des Impulspaketes schneiden dann das Schwellwertsignal innerhalb des annähernd horizontalen Bereiches des Schwellwertsignals, der sich an dem treppenförmigen Abstieg anschließt Auf diese Weise kann erreicht werden, daß das Schwellwertsignal unabhängig von der Maximalamplitude des Wellenzuges innerhalb des Impulspaketes z. B. regelmäßig zunächst die dritte positive Halbwelle und anschließend noch weitere positive Halbwellen des Impulspaketes schneidet Diese Schnittpunkte werden mit Hilfe eines (Comparators und Impulsformers erfaßt, so daß die von diesem abgegebenen Impulse eindeutig einzelnen definierten positiven Halbwelien des Impulspaketes zugeordnet werden können. Als Impuls für die Auswertung, d.h. die Bestimmung der Laufzeit wird dann z. B. immer der erste Meßimpuls verwendet, der dann auch regelmäßig, z. B. dem dritten ausgeprägten positiven Wellenzug innerhalb des Impulspaketes entspricht.

Diese geschilderte Erzeugung der Schwelle intern aus dem empfangenen Impulspaket hat noch den Vorteil, daß hierdurch unabhängig von der Dämpfung des Ultraschallsignales zwischen Sender und Empfänger eine Amplitudenanpassung erreicht wird, d. h. daß die Schwelle auf die jeweilige Empfangsamplitude angepaßt wird.

Laufzeit und damit die Entfernung können durch eine Verarbeitung der Startimpulse für das ausgesendete Impulspaket und der empfangenen Meßimpulse, z. B. im υ Rahmen einer Pulsdauermodulation oder einer Frequenzmodulation erfolgen.

Weitere Ausgestaltungen und Vorteile der Erfindung

gehen aus den Unteransprüchen in Verbindung mit der nachfolgenden Beschreibung hervor, in der die Erfindung anhand der Zeichnung naher dargestellt ist. in der

Zeichnung stellt dar

F i g. 1 ein schematisches Schaltbild eines Ultraschall-Entfernungsmessers gemäß der Erfindung;

Fig.2 ein Signaldiagramm für an verschiedenen Schaltungspunkten des Entfernungsmessers gemäß F i g. I auftretende Signale;

Fig.3 ein Beispiel für eine Auswerteschaltung zur Bestimmung der mit einem Entfernungsmesser gemäß F i g. T gemessenen Entfernung.

In F i g. 1 ist eine Schaltung für einen Entfernungsmesser dargestellt, welche einen Ultraschall-Sender J. einen Empfänger 3 sowie eine Auswerteschaltung 5 umfaßt. Der Sender 1 wiest einen Impulsgenerator 7 auf, der mit einer festen Wiederholfrequenz von z. B. 1 kHz Anregungsimpulse U an einen Piezoschwinger 9 liefert. Aufgrund jedes Anregungsimpulses sendet der Piezoschwinger 9 ein Impulspaket / aus. welches aus mehreren Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Piezoschwingers besteht und je nach Güte des Piezoschwingers mehr oder minder viele Schwingungen enthält, die von einem glockenförmigen Profil umgeben werden können, wie dieses schematisch in F i g. 1 dargestellt ist.

Der Empfänger 3 weist einen weiteren Piezoschwin-

ger U auf. auf den das Impulspaket / trifft und der entsprechend der dadurch verursachten mechanischen

Vibrationen ein Wechselspannungssignal abgibt, das in

einem Verstärker 13 verstärkt wird. Das Ausgangssignal .des Verstärkers, d_ h. das eigentliche Empfangssignal ist

so mit U1 bezeichnet.

Da's Empfangssignal wird über einen AnrHssungs-

widerstand R1 zwei Spitzenwertdetektoren 15 und 17 zugeführt. Der erste »positive« Spitzenwertdetektor 15 weist eine in Signalrichtung gepolte Diode D i auf, mit

deren Ausgang ein mit Masse verbundenes ÄC-Zeitglied aus einem Widerstand Λ 2 und einem Kondensator

Cl verbunden ist Am Verbindungspunkt zwischen Diode Di und Zeitglied erscheint dann ein positives Spitzenwertsignal UZ. Die Zeitkonstante des Zeitglie-

des ist wesentlich größer als die Wiederholfrequenz des

Senders 1 gewählt Ist z.B. die Wiederholfrequenz

1 kHz, & h. daß jede Millisekunde ein Impulspaket ausgesendet wird, so wird die Zeitkonstante des positiven Spitzenwertdetektors 15 auf einen Wert von etwa 25 Millisekunden oder größer festgelegt

Der zweite »negative«. Spitzenwertde|ektor 17 weist eine in Signalgegenrichtung gepolte Diode D 2 und wiederum ein Zeitglied aus einem Widerstand A3 und

einem Kondensator C2 auf. An dessen Ausgang erscheint ein negatives Spitzenwertsignal U 3. Die durch das Zeitglied aus /?3 und C2 bestimmte Zeitkonstante v.ird jedoch kleiner als die Zeit zwischen zwei ausgesendeten Impulspaketen gewählt und hier z. B. auf 0.3 Millisekunden gesetzt.

Das über einen Widerstand R 4 geführte positive Spir> jnwertsignal i/2 und das über einen Kondensator C3 ausgekoppelte negative Spitzenwertsignal werden einander überlagert, so daß an einem Summenpunkt 19 ein Summensignal UA erscheint. Dieses Summensignal UA wird dem negativen Eingang eines Komparators 21 zugeführt, an dessen anderem positiven Eingang das Empfanpssignal Ui anliegt. Der Komparator, der Gleich.ieit zwischen dem Empfangssignal UX und dem Sun.mensignal UA feststellt, hat einen Impulsausgang, se daß an dessen Ausgang ein impulsförmiges Komparalorsignal L/5 erscheint. Dieses Komparatorsigna! kann direkt zur Laufzeit- bzw. Entfernungsmessung verwendet werden.

In F i g. 2 sind die bisher erwähnten Signale über der Zeit t aufgezeichnet. Die Wirkungsweise der beschriebenen Schaltung soll anhand dieser Figur beschrieben werden.

In Zeile a sind zwei Ansteuer- bzw. Anregungsimpulse U zu den Zeiten fO und t\ dargestellt, deren zeitlicher Abstand dem Reziproken der Wiederholfrequenz f entspricht. Das bei dem ersten Ansteuerimpuls ausgesendete Impulspaket wird in dem Empfänger 3 empfangen und verstärkt: dieses Empfangssignal L/1 ist in '!eile feder F i g. 2 aufgezeichnet. Das Empfangssignal setzt sich aus Schwingungen mit der Eigenfrequenz des Sende- Piezoschwingers 9 zusammen und zeigt zunächst nur Schwingungen kleiner AmplitudeTdie noch von dem vorhergehenden Impulspaket stammen. Ab dem Zeitpunkt ti empfängt der Empfangs-Piezoschwinger 11 das durch den ersten zur Zeit /0 abgegebenen Anstcucrimpuls angeregte Impulspaket /. Das Empfangssignai Ui steigt relativ rasch an. so daß hier bereits die dritte Schwingung die maximale Amplitude erreicht. Anschließend fällt das Impulssignal L/1 entsprechend den Nachschwingungen der Sende- und Empfangsschwinger langsam ab. so daß bei dem hier dargestellten Falle noch Restschwingungen zum Zeitpunkt /1 vorhanden sind, d. h. zu dem Zeitpunkt, an dem der zweite Ansteuerimpuls vom Impulsgenerator 7 sendeseitig abgegeben wird. Die Gestalt des Impulspaketes ist abhängig von der Güte der verwendeten Schwinger; in diesem Falle zerläuft das Impulspaket auf relativ breitem Raum, da für das Schaltungsbeispiel durchschnittliche Piezoschwinger verwendet wurden. Die Breite des Impulspaketes könnte bei Verwendung entsprechend bedampfter Piezoschwinger verringert werden.

Das Ausgangssignal UI des positiven Spitzenwertdetektors 15 ist in Zeile c der Fig.2 dargestellt Dieses Signal verläuft nach dem Zeitpunkt rO nur leicht abfallend und annähernd horizontal mit einer Amplitude, die durch die höchste Amplitude des vorhergehenden Impulspaketes bestimmt ist. Aufgrund der großen Zeitkonstante, die in diesem Faile über 20mal größer als das Zeitintervall zwischen zwei Ansteuerinipulsen ist, erfaßt der positive Spitzenwertdetektor 15 noch nicht die ersten beiden Schwingungen des Signales UI; da deren Amplituden noch unterhalb der Amplituden des Signales t/2 liegt. Erst die dritte Schwingung innerhalb des Empfangssignals Ul liegt oberhalb des Wertes des Signales t/2, so daß diese Amplitude von dem Spitzenwertdetektor erfaßt wird und dessen Ausgangssignal einen höheren Wert einnimmt. Da die folgenden Schwingungen innerhalb des Empfangssignals aufgrund des nur langsamen Abfalles des positiven Spitzenwertsignals U 2 dieses nicht mehr erreichen, verbleibt das Signal L/2 nahezu auf der durch die größte Amplitude des Empfangssignales L/1 bestimmten Wertes und fällt anschließend wiederum durch die große Ziitkonstante nur langsam ab. Der mittlere Amplitudenwert des positiven Spit?enwertsignales kann demnach als mittlerer maximaler Amplitudenwert des Empfangssignales angesehen werden.

In der Zeile d der Fig.2 ist das negative Spitzenwertsignal U3 dargestellt. Dieses Signal, welches die negativen Amplitudenwerte innerhalb des Empfangssignales L/l darstellt, hat zum Zeitpunkt (0 noch einen gewissen negativen Wert, der von dem vorher empfangenen Impulspaket stammt. Die Zeitkonstante des negativen Spitzenwertdeteklors 17 ist in diesem Falle zu 0,3 Millisekunden gewählt, entspricht demnach etwa einem Drittel des Zeitintervaiies zwischen zwei Ansleuerimpulsen. Zum Zeitpunkt ti ist das Signal L/3 etwa Null. Der Spitzenwertdetektor erfaßt nun nacheinander die negativen Amplituden der drei ersten Wellenzüge innerhalb des Empfangssignals i/1. Das Signal L/3 nimmt dadurch einen in Zeile d gezeigten treppenförmigen Verlauf an, wobei die Bereiche zwischen den einzelnen Treppenabstiegen entsprechend der Zeitkonstante des Spitzenwertdetektors leicht in Richtung positiver Werte verlaufen. Die auf die maximale negative Amplitude folgende Amplitude des nächsten Wellenzuges erreicht nicht mehr den Wert des durch die Zeitkonstante bestimmten Ausgangssignales U 3. so daß sich von diesem Zeitpunkt an das negative Spitzenwertsignal U 3 entsprechend der kleinen Zeitkonstante relativ rasch in Richtung auf den "Wert Null zubewegt. Dieser Null-Wert soll spätestens bei Empfang des nachfolgenden Impulspnkeics erreicht sein.

In Zeile e der Fig.2 ist das Summensignal L/4 dargestellt, welches durch Überlagerung der Signale L/2 und L/3 entsteht. Dieses Summensignal L/4 dk.nt als Schwelle, mit der das <n dieser Zeile gestrichelte Empfangssignal U1 in dem Komparator 21 verglichen wird. Wie aus der Zeile e hervorgeht, liegen die Treppenabstiege des Signales L/4 jeweils zwischen den aufeinanderfolgenden positiven Amplituden des Empfangssignales, d.h. an den Orten der um 180° phasenverschobenen negativen Amplitudenspitzen, die von dem negativen Schwellwertdetektor 17 erfaßt und so entsprechend des Signales 1/3 aufgezeichnet worden sind. Die Schwelle L/4 schneidet, wie aus Zeile e der F i g. 2 hervorgeht, zunäciisi die dritte positive Halbwelle des Empfangssignales U1 und anschließend noch die vierte und fünfte positive Halbwelle. Der Komparator 21 ist ein nur teilweise beschalteter Operationsverstärker, der jeweils bei Gleichheit der Eingangssignale ein Impulssignal abgibt. Für die folgende Auswertung wird z. B. nur der erste Impuls verwendet. Das Komparatorausgangssignal t/5 ist in Zeile f der Fig.2 aufgezeichnet In diesem Falle erscheinen entsprechend den drei Schnittpunkten des Schwellensignales L/4 mit dem Empfangssignai t/1 am Ausgang des Komparators 21 drei Impulse. Der erste Komparatorimpuls beginnt mit dem Zeitpunkt fm, d. h. eine Zeitdifferenz Δι nach dem Zeitpunkt r£ der dem Anfang des impuispaketes entspricht Diese Zeitverschiebung At ist eine Konstante, da aufgrund der variablen, aus der Form des Impulspaketes selbst

abgeleiteten Schwelle t/4 sichergestellt ist. daß immer eine ganz bestimmte Schwingung innerhalb des Impulspakeies, in diesem Falle die dritte positive Halbwelle als erste erfaßt wird und zu e'inem Komparatorimpuls US führt. Diese konstante Zeitver-Schiebung kann bei der Auswertung berücksichtigt werden.

Die Treppenabstiege der Schwelle t/4 liegen jeweils zwischen den positiven Amplitudenspitzen des Empfiingssignales. Aus diesem Grunde ist es ohne weiteres möglich, den Schwellenwert herabzusetzen, so z. B. durch Absenken des Signales t/2 auf den in Fig. 2c gestrichelt dargestellten Wert t/2', ohne daß frühere positive Halbwellen als die gewünschte dritte Halbwelle das Schwellensignal schneiden. Es kann andererseits möglich sein, daß einzelne positive Halbwellen der Nachschwingungen des Piezoschwingers 11 das Schwellensignal schneiden. Würde die in Fig. 2e gezeigte Schwelle t/4 entsprechend herabgesetzt, so könnte dies für die beiden um den Zeitpunki < i Hegenden positiven ίο Halbwellen der Nachschwingung eintreten; die daraus resultierenden Störimpulse Is sind in Zeile f der Fig.2 gestrichelt dargestellt. Diese Slörimpulse, die nur innerhalb der Nachschwingung der Piezoschwinger auftreten können, werden in der Auswerteschaltung ausgeblendet.

' Die Auswertung erfolgt z. B. mit Hilfe der Pulsdauermodulation. Hierzu ist eine Torschaltung 23 mit einem nachgeschalteten Integrator 25 vorgesehen. Die Torschaltung 23 ist gleichzeitig eine Impulsformerschaltung. Die gesamte Schaltung ist in F i g. 3 dargestellt.

Die Torschaltung weist ein Flip-Flop FF aus zwei rückgekoppelten NAND-Gliedern auf. Dem einen Eingang des Flip-Flops wird der Ansteuerimpuls Udes Impulsgenerators 7 über einem Widerstand RS zugeführt. Hierdurch wird der Anfangszeitpunkt für die Laufzeitmessung gesetzt. Das Ende der Laufzeitmessung wird wie oben ausgeführt, durch den ersten impuls des Komparatorsignales US festgelegt. Um hier die erwähnten Störimpulse um den Zeitpunkt t 1 auszublcnden. werden die Komparatorimpulse über einen Widerstand /?6 einem weiteren NAND-Glied 27 zugeführt. Dem zweiten Eingang des NAND-Gliedes wird der Ansteuerimpuls t/des Impulsgenerators 7 über eine Diode DZ und ein nachfolgendes Zeitglied aus einem Kondensator C4 und einem Widerstand Rl zugeführt. Durch dieses Zeitglied werden die erwähnten Störimpulse innerhalb des Komparatorsignales t/5' nach den Ansteuerimpulsen ausgeblendet. Am Ausgang des Flip-Flops erscheint ein Signal t/6, das in Fig.2g aufgetragen ist Dieses pulsdauermodulierte Signal entspricht in der Pulsdauer der Entfernung, wobei allerdings noch nicht die erwähnte Zeitverschiebung At berücksichtigt ist

Dieses Signal t/6 wird innerhalb des Integrators 25 über einen Widerstand R 9 einem als Pseudointegrator dienenden Tiefpaß aus einem Widerstand R10 und einem Kondensator C5 zugeführt und hier auch integriert. Das Integrationssignal wird über einen Widerstand All hochohmig dem invertierenden so Eingang eines Additionsverstärkers 29 zugeführt. Das Integrationssignal wird ferner durch einen Kondensator C% ausgekoppelt und über einen Widerstand All ebenfalls hochohmig dem anderen Eingang des Summationsverstärkers 29 zugeführt. Durch diese kapazitive Auskoppelung des Integrationssignales und gegensinnige Zuführung zu dem Summationsverstärker . wird die Restwelligkeit des integrierten Signales eliminiert, ohne daß die obere Grenzfrequenz des Ausgangssignales verringert wird, so daß am Ausgang des Summationsverstärkers ein Analogsignal erscheint, dessen Amplitude direkt der Laufzeit und damit der zu messenden Entfernung proportional ist. Mit dem positiven Eingang des Summationsverstärkers 29 ist noch eine Kompensationsschaltung 31 verbunden, mit der die erwähnte konstante Zeitverschiebung At kompensiert werden kann. Das Kompensationssignal wird aus der Spannung der Spannungsquelle über einen Widerstand /?12, eine Glättungsschaltung aus einer Zener-Diode Z und einem Kondensator C7 sowie einem einstellbaren Potentiometer R 13 abgeleitet und hochohmig dem positiven Eingang des Summationsverstärkers 29 zugeführt.

Aiisieiie der beschriebenen Auswertung mil Pulsdauermodulation könnte auch eine Auswertung mit Frequenzmodulation erfolgen. In diesem Falle wäre die Ansteuerfrequenz des Impulsgenerators 7 nicht konstant, sondern z.B. durch den ersten Impuls des Komparatorsignales US unter Umständen nach einer konstanten Zeitdauer Δ Tbestimmt. Die auf diese Weise zwischen zwei Ansteuerimpulsen auftretende Zeitspanne bzw. Frequenz kann ebenso für die Entfernungsbestimmungverwandt werden.

Bei dem beschriebenen Schaltungsbeispiel wird das impulsförmige Komparatorsignal t/5 durch den Schnittpunkt zwischen dem variablen Schwellensignal t/4 und der Flanke einer positiven Halbwelle des Empfangssignales I- bestimmt. Je nach Frequenz und Amplitude ergeben sich hierbei Linearitätsfehler von etwa 1,5 · 10-^J vom Endwert des jeweiligen Meßbereiches, wenn hier ein Meßbereich von 2 bis 20 cm angenommen wird. Dieser Linearitätsfehler kann noch verbessert werden, wenn als Referenzpunkt nicht der Schnittpunkt zwischen der Schwelle und der Flanke der jeweiligen positiven Halbwelle gewählt wird.· sondern wenn Bezug genommen wird auf den jeweiligen Nulldurchgang der Empfangsschwingung. Dies setzt voraus, daß auch die Nulldurchgänge des Empfangssignals, z. B. mittels eines Komparator aufgenommen und dann mit den Werten entsprechend der Flankenschnittpunkte verglichen werden. Hierdurch kann die Genauigkeit um etwa den Faktor 5 gesteigert werden, so daß für den Endwert des Meßbereiches ein Linearitätsfehler von maximal O\3%o erzielt werden kann.

Außerdem kann in Abhängigkeit von der Amplitude des Empfangssignales die Amplitude des Senders geregelt werden, so daß der Einfluß der Abschwächung des Empfangssignales mit zunehmender Entfernung weitgehend beseitigt werden kann. Hierdurch kann die Dynamik des bereits vorhandenen Dämpfungsausgleiches durch das ÄC-Glied RZ Ci zusätzlich erweitert werden.

Selbstverständlich ist es auch möglich, anstelle der zwei Piezoschwinger 9 und 11 lediglich einen einzigen Piezoschwinger zu verwenden, der dann intervallartig als Sende- bzw. Empfangsschwinger betrieben wird. Die Auswertung wird hierdurch nicht geändert.

Hierzu 2 BIaU Zeichnungen

Claims (10)

Patentansprüche:

1. Ultraschall-Entfernungsmesser mit einem Sender zur Abgabe von Ultraschall-Impulspaketen, einem Empfanger, einem Schwellengenerator im Empfänger, der aus Empfangssignalen einer variablen Schwelle bestimmter Amplitude ableitet, einem Komparator zum Vergleich der Amplitude der Schwelle mit derjenigen eines Empfangssignals und zur Abgabe eines Komparatorsignals bei Gleichheit der Amplituden von Schwelle und Empfangssignal, sowie mit einer Auswerteschaltung zur Bestimmung der Laufzeit der Impulspakete zwischen Sender und Empfänger entsprechend der Zeit zwischen zwei Komparatorsignalen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schwellengeneralor zwei Schwellwertschaltungen (Spitzenwerldetektoren 15, 17) aufweist, daß die erste Schwellwertschaltung (15) ein Ausgangssignal (t/2) entsprechend etwa der maximalen positiven Amplitude der Empfangssignaie (Ui) abgibt, daS die zweite Schwellwertschaltung (17) ein Ausgangssignal (U3) entsprechend etwa dem Hüllsignal zumindest der ersten negativen Halbwellen des Empfangssignals (U 1) abgibt, und daß das Komparatorsignai (U5) additiv aus den beiden Ausgangssignalen zusammengesetzt ist.

2. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Schwellwertschaltungen als Spitzenwerldetektoren (15,17) ausgebildet sind, daß der erste Spitzenwertdetektov (15) zum Erfassen der Amplituden der positiven Halbwellen des empfangenen Impulspaketes eine Zeitkonstante aufweist, die wesentlich größer als die Intervallzeit. (1//Ό) zwischen zwei ausgesendeten Impulspakc-ien ist. daß der zweite Spitzenwertdetektor (17) zum Erfassen der Amplituden der negativen Halbwellen des Impulspaketes eine Zeitkonstante aufweist, die kleiner ist als die genannte Intervallzeit, und daß die Ausgänge der beiden Spitzenwertdetekioren (15, 17) zur Bildung der Schwelle (UA) miteinander verbunden sind (bei 19).

3. Ultraschall-Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Komparator (21) als Operationsverstärker mit einem Impulsausgang (Signal US) ausgebildet ist.

4. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 3. dadurch gekennzeichnet, daß zum Festlegen des Beginns und des Endes der Laufzeit des Impulspaketes (/^zwischen Sender (1) und Empfänger (3) eine Torschaltung (23) vorgesehen ist, der die Ansteuerimpulse (U) für den Impulsgenerator (7) sowie die Ausgangsimpulse (U 5) des Komparators als Eingangssignale für ein Flip-Flop (FF) zuführbar sind, und daß eine Ausblendschaltung (C4, Rl, 27) im Signalweg für die Ausgangsimpulse (US) des Komparators (21) vorgesehen ist, um etwaige Störimpulse (C₁) in einem kurzen Zeitbereich um die Ansteuerimpulse (U) des Impulsgenerators (7) auszublenden.

5. Ultraschall-Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in der Auswerteschaltung (5) eine Kompensationsschaltung (31) vorgesehen ist, um die konstante Zeitverschiebung (At) zwischen dem Beginn des empfangenen Impulspaketes (U 1) und dem Zeitpunkt (im) zu kompensieren, zu dem das Empfangssignal (Ui) das Schwellensignal (UA) schneidet.

6. Ultraschaliempfänger nach einem der Ansprüche 4 und 5, dadurch gekennzeichnet, daß bei einer festen Wiederholfrequenz (fO) des Senders (1) die pulsdauermodulierten Ausgangssignale (U6) der Torschaltung (23) einem Integrator (25) mit analogen, der zu messenden Entfernung entsprechenden Ausgang zuführbar sind.

ίο

7. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Integrator (25) einen mit dem Ausgang der Torschaltung (23) verbundenen, als Pseudointegrator wirkenden Tiefpaß (R 10, C.S) aufweist daß .der Ausgang des

;5 Tiefpasses einmal hochohmig (Widerstand R11) mit

dem invertierenden Eingang eines Summationsver-" stärkers (29) und zum anderen nach kapazitiver

. ■"·■, Auskoppelung (CS) ebenfalls hochohmig mit dem" " *' positiven Eingang des Summationsverstärkers (29)

2o.'" verbunden ist

8. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet daß mit dem einen Eingang des Summationsverstärkers (29) eine Kompensationsschaltung (31) zur NuIlRunktver-

Schiebung verbunden ist -

9. Ultraschall-Entfernungsmesser nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet daß die Auswertung der zu messenden Entfernung mit Hilfe der , Frequenzmodulation erfolgt wobei der Ausgang der Torschaltung zugleich mit dem Ansteuereingang für den Impulsgenerator (7) verbunden ist

10. Ultraschall-Entfernungsmesser nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß zum Senden und Empfangen der Ultraschall-lmpulspakete (I) ein einziger Piezoschwinger (9,11) vorgesehen ist.