-
Entfernungsmeßgerät
-
Die Erfindung betrifft ein Entfernungsmeßgerät, bestehend aus einem
Ultraschallwandler, der mit einem Sender und einem EmPfänger verbunden ist, und
aus einer Auswerteschaltunq, die aus der Laufzeit des abgestrahlten und nach Reflexion
an einem Objekt wieder empfangenen Signals die Entfernung des Objektes errechnet.
-
Derartige Entfernungsmeßgeräte sind bekannt. Sie arbeiten mit Sendefrequenzen
von 50 bis 250 kHz. Je nach Sendeleistung, Sendefrequenz, Größe des reflektierenden
Objektes und Art des Ultraschallwandlers können Entfernungen von 0,1 bis 10 m qemessen
werden. Als Ultraschallwandler für Entfernunqsmessungen in Luft oder anderen Gasen
werden häufig sogenannte Sell-Strahler benutzt. Diese arbeiten nach dem Prinzip
des Kondensatormikrophons und bestehen aus einer Elektrodentlatte, auf der eine
Kunststoffolie angeordnet ist, auf die eine dünne Metallschicht als Gegenelektrode
aufgedampft ist, die beim Anleqen einer ausreichend hohen, meist impulsförmigen
Ssannunq an die beiden Elektroden als Membran wirkt.
-
Die mit einem derartigen Entfernungsmeßqerät erreichbare Meßgenauigkeit
liegt bei nicht allzu qroßen Entfernungen im Bereich zwischen + 0,1 bis 1 mm. Es
ist bekannt, daß die Meßqenauigkeit durch Verwendung kurzer, steilflankier Impulse
qesteigert werden kann. Nach ebenfalls bekannten Gesetzmäßigkeiten bedingt dies
allerdings eine entsprechend hohe Sendefrequenz. Der Erhöhung der Sendefrequenz
sind jedoch dadurch Grenzen gezogen, daß die Dämpfung des Ultraschallsignals in
der vierten Potenz mit der Sendefrequenz wächst.
-
Die erreichbare Meßgenauigkeit istweiterhin auch dadurch beqrenzt,
daß
das reflektierende Objekt, dessen Entfernung gemessen werden soll, meist nicht punktförmiq
ist sondern das Ultraschallsigna Xeiner größeren und häufig auch nicht planen Fläche
reflektiert.Die von den verschiedenen Elementarflächen reflektierten Teilsiqnale
haben somit unterschiedliche Laufzeiten und führen somit zu einer Unschärfe der
Entfernungsmessung, die sich in einer entsprechend schwankenden Anzeige bemerkbar
macht.
-
Bei größeren Meßentfernungen, also bei Fernfeldmessungen, kann eine
Verbesserung durch Verwendunq eines größeren Ultraschallwandlers erreicht werden,
der eine keulenförmige Sende- und Empfangscharakteristik hat, infolqe der Bündelung
also einerseits trotz hoher DämDfunq einen ausreichenden EmDfangssignalneqel sicherstellt,
andererseits nur einen kleinen Flächenabschnitt des reflektierten Objektes anstrahlt.
-
Indessen ist bei kleinen Meßentfernungen, also dann, wenn die zu messende
Entfernung etwa in der Größenordnunq der Abmessunq des aktiven Teils des Ultraschallwandlers
liegt, eine Verbesserung der Meßgenauigkeit durch Verqrößerunq des Ultraschallwandlers
nicht zu erreichen, da dann selbst bei sunktförmigem Objekt zwangsläufig Laufzeitunterschiede
von nennenswerter Größe zwischen den von dem achsnahen Teil des Wandlers abgestrahlten
und empfangenen Signalen und den von dem Randbereich des Wandlers abqestrahlten
und empfangenen Signalen auftreten, die in qleicher Weise zu einer Unschärfe der
gemessenen Enfernung wie ein ausgedehntes Objekt führen. Durch überlagerung von
Signalen unterschiedlicher Laufzeit und dementsprechend unterschiedlicher Phasenlage
kommt es darüberhinaus zu die Auswertung erschwerdenden Signalauslöschungen und
Signalverstärkungen.
-
Der Erfindunq lieqt die Aufqabe zuqrunde, ein Entfernunqsmeßqerät
der einleitend angegebenen Gattunq hinsichtlich seiner
Meßgenauigkeit
zu verbessern.
-
Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch qelöst, daß der Ultraschallwandler
aus einer Anzahl von in unterschiedlichen Abständen zu der auf das Objekt gerichteten
Visierachse angeordneten Strahlern besteht, die entweder mit einem gemeinsamen Senderausgang
und getrennten Empfängereingangsstufen oder mit getrennten Senderausgängen und einem
gemeinsamen Empfänger eingang verbunden sind, und daß Zeitverzögerungsglieder im
ersteren Fall zwischen dem Sender und den einzelnen Senderausgängen, im letzteren
Fall in den getrennten EmDfängereingangsstufen vorgesehen sind, die die Laufzeitunterschiede
zwischen den von den einzelnen Strahlern gesendeten und empfangenen Signalen ausgleichen.
-
In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Ausführunqsformen und Weiterbildungen
des Entfernungsmeßgerätes nach der Erfindung angegeben. Die Erfindung wird nachfolgend
anhand der Zeichnung erläutert. Es zeigt: Figur 1 eine Skizze zur Veranschaulichunq
der Verhältnisse bei kleinen Meßentfernungen, Figur 2 ein erstes Ausführungsbeispiel
des Entfernungsmeßgerätes in schematischer Vereinfachung und Figur 3 ein zweites
Ausführunqsbeispiel des Entfernungsmeßqerätes.
-
Gemäß Figur 1 strahlt ein verhältnismäßiq großflächiger Ultraschallwandler
1 mit dem Durchmesser d, beispielsweise ein Sell-Strahler, in Richtung der Visierachse
2 ein hier als punktförmig angenommenes, reflektierendes Objekt 3 in einer Enfernunq
1 an.
-
Der Wegunterschied zwischen vom Mittelpunkt o des Strahlers 1 abgestrahlten
oder empfangenen Signalen und vom Randbereich des
Strahlers 1 abgestrahlten
oder empfangenen Signalen beträgt im Sende- und im Empfangsfall jeweils dl, insqesamt
also 2 Al.
-
Nimmt man den Durchmesser d des Strahlers 1 mit 100 mm und die Meßentfernunq
1 ebenfalls mit 100 mm an, so beträgt Al im Randbereich bereits ca. 12 mm und 2
Al l dementsprechend ca. 24 mm.
-
Nimmt man an, daß der abgelesene Meßwert sich im Hinblick auf die
näherungsweise lineare Zunahme der Wegdifferenz vom Mittelpunkt o des Strahlers
1 bis zu seinem Randbereich auf einen Mittelwert einstellt, so wird die Entfernung
1 im gewählten Beispiel bereits um rund 12 mm zu groß gemessen. Hinzu kommt, daß
Al beispielsweise bei einer Sendefrequenz von 200 kHz entsprechend einer Wellenlänge
von A = 1,7 mm einer Weglänge von rund 7R entspricht, so daß es zwischen dem Mittelpunkt
o und dem Rand des Strahlers 1 zu mehrfachen Signalauslöschungen und Signalverstärkungen
durch Überlagerung kommt.
-
Bei dem in Figur 2 schematisch dargestellten Entfernunqsmeßgerät tritt
dieses Problem nicht auf. Der Ultraschallwandler 1 bsteht aus vier in einer Ebene
liegenden Strahlern 1a bis 1d, von denen der innerste Strahler 1a Kreisform hat,
während die übrigen Strahler 1b, 1c und ld ringförmig ausqebildet und konzentrisch
aufeinanderfolgend angeordnet sind. Die einzelnen Strahler sind elektrisch voneinander
getrennt und über Leitungen mit getrennten Ausgängen Sg bis S3 eines Senders 4 verbunden.
Der Sender 4 erzeugt ein hochfrequentes, vorzugsweise impulsförmiges Signal, das
den Senderausgängen Sg bis S3 über nicht dargestellte, einstellbare Zeitverzögerungsglieder
zugeführt wird. Derartige Zeitverzögerungsglieder sind in vielfacher Ausführunq
Stand der Technik und werden daher vorlieqend nicht näher erläutert. Die Zeitverzöqerungsgleider
werden derart voreingestellt (was beispielsweise selbsttätig über einen Mikroprozessor
erfolgen kann), daß die anhand von Figur 1 erläuterten Weg- und damit Laufzeitunterschiede
kompensiert werden. Sofern die Meßentfernunq nicht wenigstens näherungsweise bekannt
ist, wird hierbei zur Ermittlung der korrekten Voreinstellung der Laufzeitglieder
zunächst eine Grobmessung vorgenommen, bei der alle Strahler 1a bis 1d gleichzeitig
und
parallel mit dem Sendeimpuls beaufschlagt werden.
-
Anhand der so gewonnenen, unqefähren Entfernung kann dann nach bekannten
Gesetzmäßigkeiten die Einstellung der Laufzeitglieder vorgenommen werden. Die von
den Strahlern 1a bis 1d empfangenen Signale werden einem Empfänger 5 zugeführt,
der in seiner Eingangsstufe ein Additionsglied 5a enthält. Die summierten Signale
werden sodann in bekannter Weise aufbereitet und einerAuswerteschaltung zugeführt,
die aus der qemessenen Signallaufzeit die Entfernung errechnet und ausgibt.
-
In Figur 3 ist ein zweites Ausführungsbeispiel des Entfernungsmeßgerätes
dargestellt. Anstelle einer zeitlich gestaffelten Anregung der einzelnen Strahler
1a bis 1d gemäß dem Ausführunqsbeispiel der Figur 2 werden bei im übrigen gleichen
Aufbau des Ultraschallwandlers 1 aus hier jedoch nur drei Einzelstrahlern 1a bis
1c diese Strahler von dem Sender 6 parallel und qleichzeitig erregt und die Weglängen-
bzw. Laufzeitdifferenzen in dem Empfänger 7 ausgeglichen, der hierzu getrennte Eingangskanäle
hat und in jedem dieser Kanäle ein einzeln einstellbares Zeitverzögerungsglied 7a
bis 7c aufweist. Die Ausgangssignale der Laufzeitglieder werden in einem Addierer
7a summiert und dann in bekannter Weise weiterverarbeitet. Auch bei dieser Ausführungsform
können die Zeitverzögerungsqlieder im selben Sinn wie im Fall der Figur 2 nach Vornahme
einer Grobmessunq selbsttätig mittels eines Mikroprozessors auf die entfernungsabhänqig
unterschiedlichen Verzögerungen tot z1 T2 voreingestellt werden.
-
Der Ultraschallwandler 1 braucht keineswegs den in den Figuren 2 und
3 dargestellten Aufbau zu haben. Beispielsweise können auch nicht unmittelbar aneinandergrenzende,
kreisförmige oder rechteckige Strahler verwendet werden. In diesem Fall werden jeweils
diejenigen Strahler, die gleichen Abstand zu der Visierachse haben, elektrisch zu
einer Gruppe zusammengeschaltet, die dann einem der Strahler 1a bzw 1b usw. nach
den Fiquren 2 oder 3 entspricht.
-
Leerseite