DE3429062A1 - Vorrichtung zur messung der laufzeit von elektromagnetischen wellen - Google Patents

Vorrichtung zur messung der laufzeit von elektromagnetischen wellen

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DE3429062A1 DE19843429062 DE3429062A DE3429062A1 DE 3429062 A1 DE3429062 A1 DE 3429062A1 DE 19843429062 DE19843429062 DE 19843429062 DE 3429062 A DE3429062 A DE 3429062A DE 3429062 A1 DE3429062 A1 DE 3429062A1
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Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Messung der Laufzeit von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Lichtwellen, über eine Meßstrecke vorbestimmter Länge mit einem durch einen elektrischen Impulsgenerator angesteuerten Sender, welcher die elektrische Welle in Form von Wellenimpulsen über die Meßstrecke schickt und mit einem am Ende der Meßstrecke vorgesehenen Meßempfänger, der die Wellenimpulse aufnimmt und in einen elektrischen Empfangsimpuls umwandelt, sowie mit einer elektronischen Auswerteschaltung zur Bestimmung der Impulslaufzeit. Aus der Laufzeit kann bei bekannter Lichtgeschwindigkeit auch die von der Welle durchlaufene Strecke bestimmt werden, oder bei bekannter Strecke die Lichtausbreitungsgeschwindigkeit des Mediums bestimmt werden.
Vorrichtungen zur Messung der Laufzeit:von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Lichtwellenü sind in zahlreichen Varianten bekannt. /
Mittels der Laser-Interferenzmessung läßt sich zwar eine sehr hohe Genauigkeit bei der Laufzeitmessung erzielen, doch steht dem ein erheblicher baulicher Aufwand gegenüber, wodurch derartige Vorrichtungen sehr teuer sind. Ein weiterer Nachteil besteht in dem unhandlichen Aufbau, den kleinen Meßstrecken und der nur differentiellen Aussage. Es ist also keine Bestimmung des Absolutwertes der Laufzeit möglich.
Andere Laufzeitmessungen durch Bestimmung der Phasenbeziehung zwischen Sende- und Empfangssignalen werden vorwiegend bei großen Meßstrecken verwendet. Der Meßbereich ist gegen Null stark eingeschränkt.
Das Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine Vorrichtung der eingangs genannten Gattung zu schaffen, welche einen nach unten uneingeschränkten Meßbereich bis zum Abstand Null aufweist, eine gute Genauigkeit besitzt, einen sehr kompakten Aufbau gestattet, keine besonderen Anforderungen an die Optik stellt und wirtschaftlich herstellbar ist.
Zur Lösung dieser Aufgabe sieht die Erfindung vor, daß der durch Impulse triggerbare Impulsgenerator in einer zwischen seinem Ausgang und seinem Triggereingang verlaufenden Rückkopplungsschleife angeordnet ist, in welche im Gegentakt entweder die Meßstrecke oder eine am Ende einen Referenzempfänger aufweisende Referenzstrecke während eines Meßzeitraumes bzw. eines ReferenzZeitraumes, die beide groß gegenüber de Impulsperiode sind, einbeziehbar ist, und außerdem eine Rechen-Zählstufe beaufschlagt, die aus der Länge des Meßbzw. Referenzzeitraumes und der Zahl der währenddessen abgegebenen Impulse die Laufzeit errechnet.
Die physikalische Grundlage für das erfindungsgemäße Meßverfahren bildet also die Beziehung zwischen der Meßstrecke, dem dort befindlichen Medium, der Lichtgeschwindigkeit und der Zeit. Danach ergeben sich bei einer Sender-Empfänger-Anordnung nach dem Reflexionsprinzip für 1 mm Meßstrecke Laufzeiten von 6 psec. Zeiten dieser Größenordnung lassen sich mit einer einzigen Messung nur durch erheblichen meßtechnischen Aufwand bestimmen. Durch das erfindungsgemäße Meßverfahren wird dies vermieden. Hierzu wird eine bekannte Anordnung von Photoempfänger und modulierbarem Sender verwendet. An die Optik dieser Anordnung werden keine besonderen Anforderungen gestellt. Die verwendete Vorrichtung beinhaltet ein elektronisches Schaltungs-
konzept, das mit konventionellen, billigen Bauteilen eine exakte Auswertung des Informationsflusses zwischen optischem Sender und optischem Empfänger ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird die beim Durchlaufen eines Impulses entlang der Meßstrecke gewonnene Laufzeitinformation durch Wiederholung akkumuliert. Hierzu ordnet man den Impulsgenerator mit dem Sender und dem Meßempfänger so an, daß das Empfangssignal dem Impulsgenerator als Triggersignal wieder zugeführt wird, so daß eine mit einer vorbestimmten zeitlichen Verzögerung versehene Rückkopplungsschleife vorliegt.
Erfindungsgemäß werden in einer derartigen Rückkopplungsschleife alle Laufzeiten von zahlreichen Schleifenzyklen miteinander verkettet. Untersucht man das Zeitverhalten von einer Vielzahl von Schleifenzyklen, so findet man darin die mit der Zahl durchlaufender Schleifenzyklen multiplizierte Basisdurchlaufzeit der Rückkopplungsschleife plus den ebenfalls mit der Anzahl von Schleifenzyklen multiplizierten Laufzeitanteil der Meßstrecke. Führt man nun alternierend eine Akkumulation mit kurzgeschlossener Meßstrecke bzw. Einschaltung einer bekannten Referenzstrecke und eine Akkumulation mit in die Rückkopplungsschleife eingefügter Meßstrecke durch, so kann man aus den aufaddierten Impulsen die Laufzeit ermitteln, da die Basislaufzeit und die Drift der Rückkopplungsschleife (aller Sender- und Empfangskomponenten) eliminiert werden. Man erhält unmittelbar die mit dem der Zahl von Schleifenzyklen multiplizierte Laufzeit über die Meßstrecke. Wählt man die Zahl von während eines Meßzyklus durchlaufenden Schlaufenzyklen groß, so kann man die Genauigkeit der Laufzeitmessung praktisch beliebig steigern, was mit preiswerten Digitalbausteinen realisiert werden kann. Die einzige Voraussetzung ist, daß sich während eines Meßzyklus auf der Meßstrecke nichts verändert.
Eine besonders einfache Auswertung wird dadurch gewährleistet, daß die Rechen-Zählstufe zwei während des MeßZeitraumes bzw. des ReferenzZeitraumes an den Ausgang des Impulsgenerators anschließbare Zähler aufweist, an die Dividierstufen anschließen, und daß die Dividierstufen an eine Differenzbildungsstufe angeschlossen sind, die ein für die Laufzeit repräsentatives Signal liefert.
Eine praktische Realisierung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Meßempfänger und der Referenzempfänger durch von einer Zeitsteuerschaltung im Gegentakt für jeweils den Meßzeitraum bzw. den Referenzζeiträum schließbare Schalter wahlweise in die Ruckkopplungsschleife einschaltbar sind.
Weiter kann vorgesehen sein, daß die Zähler durch von der Zeitsteuerschaltung im Gegentakt für jeweils den Meßzeitraum bzw. den Referenzzeitraum schließbare Schalter wahlweise an den Ausgang des Impulsgenerators anschließbar sind.
Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß der Impulsgenerator aus einem Impulspausengeber und einem Sendeimpulsgeber besteht, welche vorzugsweise hintereinandergeschaltet sind, wobei der Impulspausengeber von einem Eingangsimpuls triggerbar ist und der Sendeimpulsgeber am Ende der vom Impulspausengeber gegebenen Impulspause ausgelöst wird.
Eine besonders genaue Auswertung wird erzielt, wenn zwischen den Impulsgenerator und den Sender ein Sendeimpulsformer geschaltet ist, der einen Impuls mit deutlicher Spitze bildet.
Für eine vorteilhafte Signalauswertung ist es zweckmäßig, wenn die beiden an den Meßempfänger bzw. Referenzempfänger ange-
schlossenen Schalter gemeinsam an einen Verstärker angelegt sind, der zum Impulsgenerator führt.
Im praktischen Einsatz ergeben sich vom Tastobjekt unterschiedliche Amplitudenverhältnisse, um dem Rechnung zu tragen, sieht eine Weiterbildung der Erfindung vor, daß dem Verstärker ein Amplitudenregler folgt. Am Amplitudenregler kann die Information über Amplitudengröße ausgekoppelt werden und für eine weitere Verwendung zur Verfügung stehen.
Eine besonders wichtige Weiterbildung der Erfindung kennzeichnet sich dadurch, daß in den Zweig zwischen den beiden an den Meßempfänger bzw. den Referenζempfanger angeschlossenen Schaltern und den Eingang des Impulsgenerators eine Differenzierstufe eingeschaltet ist. Dabei soll an die Differenzierstufe ein Nulldurchgangskomparator angeschlossen sein. Durch diese Maßnahme wird der Zeitpunkt des Schaltens am Nulldurchgangskomparator präzisiert. Man schaltet durch die Differenzierung denjenigen Fehler aus, der durch die Differenz und Drift der Integrationszeit an den zweckmäßigerweise als Meß- bzw. Referenzphotoempfänger verwendeten PIN-Photodioden entstehen könnte.
An die Signalverzögerungszeiten der PIN-Photodioden und der Verstärker müssen also keine außergewöhnlichen Anforderungen gestellt werden, was den Einsatz preiswerter Teile ermöglicht,
Eine weitere vorteilhafte Ausführungsform ist so ausgebildet, daß in den Zweig zwischen den beiden an den Meßempfänger bzw. den Referenζempfänger angeschlossenen Schaltern und den Eingang des Impulsgenerators ein normalerweise geschlossenes Tor eingeschaltet ist, welches von einer Torsteuerschaltung beim Erscheinen der Endflanke, entspricht Impulsspitze des Stpulsf ormers, jedes Sendeimpulses am Ausgang des Impulsgenerators geöffnet und beim Erscheinen eines Empfangsimpulses am Ausgang des Tores wieder schließt, wozu
der Setzeingang der Torsteuerschaltung an den Ausgang des Impulsgenerators und der Rücksetzeingang an den Ausgang des Tores angeschlossen ist.
Durch das Öffnen des Tores während des Sendeimpulses und Schließen desselben durch den Empfangsimpuls wird erreicht, daß nur der für die Auswertung relevante Zeitbereich auf den nachfolgenden Schaltungsteil Einfluß hat. Etwaige zwischen den Impulsen auftretende Störungen werden somit wirksam eliminiert.
Bevorzugt ist unmittelbar vor dem Impulsgenerator in die Rückkopplungsschleife ein ODER-Gatter eingeschaltet, dessen zweiter Eingang zum Empfang eines Start-Stopp-Signales an die Zeitsteuerschaltung angeschlossen ist. über das ODER-Gatter wird das Signal dem Impulsgenerator zugeführt, welches zum Auslösen und Anhalten der Messung benötigt wird.
Der oben erwähnte Impulspausengeber sorgt für die nötige Erholphase der analogen Komponenten und triggert den Sendeimpulsgeber an. Von beiden Zeitstufen wird keine Langzeitstabilität gefordert, da sie innerhalb des gemeinsamen Signalpfades liegen und ein Driften durch Autokompensation keine Wirkung zeigt.
Es ist angebracht, Zeitstufen mit kleinem Jitterrauschen zu verwenden, da hierdurch ein statistischer Einfluß auf die Meßgenauigkeit erfolgt.
Der Sendeimpulsgeber ist unmittelbar an die Rückkopplungsschleife angeschlossen und sorgt für die richtige Anstiegsund Abfallzeit des Sendeimpulses, welcher schräg ansteigende und schräg abfallende Flanken aufweisen soll.
Die 2*eitsteuerschaltung bestimmt auch die Schließzeiten der Schalter und damit die Anzahl von Umläufen der Impulse in
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der Rückkopplungsschleife während eines Meß- und eines Referenzzyklus. Die Zeitsteuerschaltung steuert sämtliche Schalter und bestimmt auch den Beginn und das Ende einer Messung. Sie schließt den jeweiligen Meß- oder Referenzzyklus durch Unterbrechen der Rückkopplungsschleife ab.
Der wesentliche Vorteil der Erfindung besteht darin, daß durch die große Zahl verketteter Zyklen die Zeitdifferenz zwischen Meß- und Referenzzyklus proportional der Zahl der Impulsumläufe wächst. Hierdurch können Laufzeiten vom psec-Bereich in den usec-Bereich transformiert werden. Für diesen stehen preiswerte Bauteile zur Auswertung zur Verfügung.
Die Erfindung wird im folgenden beispielsweise anhand der Zeichnung beschrieben, in dieser zeigt:
Figur 1 ein Blockschaltbild einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Messung der Laufzeit von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Licht, und
Figur 2 eine Abwandlung des Eingangsteils der in Fig. 1 dargestellten Vorrichtung mit mechanisch-optischer Umschaltung vom Meß- auf den Referenzstrahlengang.
Nach Fig. 1 ist eine zentrale Zeitsteuerschaltung 25 über eine erste Steuerleitung 41 an ein ODER-Gatter 40 angeschlossen, dessen Ausgang am Triggereingang 18 eines Impulsgenerators anliegt, der aus einem Impulspausengeber 30 und einem an diesen angeschlossenen Sendeimpulsgeber 31 besteht. Durch ein Startsignal in Form eines Einzelimpulses von der Zeitsteuerschaltung 25 wird im Impulspausengeber 30 ein,eine Impulspause von z.B. 200 ns, definierender Pausenimpuls ausgelöst, dessen schräg abfallende Endflanke im Sendeimpulsgeber 31 einen Sendeimpuls mit schräg ansteigender Anfangs- und schräg abfallender Endflanke auslöst, der z.B. eine Länge von 100 ns hat.
Der Ausgang 17 des Impulsgenerators 11 ist über einen Sendeimpulsformer 33 an einen Lichtsender 32 angelegt, der z.B. durch eine Sende—Diode gebildet ist. Der Sendeimpulsformer 33 besitzt
einen integrierenden Charakter, um so ein Impulssignal mit einer definierten Spitze zu bilden.
Das vom Sender 32 ausgehende Licht wird einmal als Welle zu einer Meßstrecke 13 geschickt, an deren Ende z.B. ein reflektierendes Objekt 43 angeordnet ist. Am Beginn der Meßstrecke 13 befindet sich ein Strahlenteiler 44, durch den das Sendelicht hindurchgeht und von dem das reflektierte Licht zu einem als PIN-Diode ausgebildeten Meßempfänger 15 umgelenkt wird.
Ein weiterer Teil 45 des Sendelichts wird über eine möglichst kurz ausgebildete Referenzstrecke 14 zu einem als PIN-Diode ausgebildeten Referenzempfänger 16 geleitet.
Nach Möglichkeit sollte der Abstand zwischen dem Sender 32 und dem Referenzempfänger 16 genau so groß wie zwischen dem Sender 32 und dem Strahlenteiler 44 sein. Sofern dies nicht möglich ist, können unterschiedliche Grundabstände später bei der rechnerischen Auswertung berücksichtigt werden.
An den Meß- bzw. Referenzempfänger 15 bzw. 16 schließen sich elektronische Schalter 26 bzw. 27 an, die über weitere Steuerleitungen 46, 47 von der Zeitsteuerschaltung 25 angesteuert werden.
Die Ausgänge der Schalter 26, 27 sind an dem Eingang eines Verstärkers 34 zusammengeführt, dem ein Amplitudenregler folgt. An den Amplitudenregler 35 ist wiederum eine Differenzierstufe 36 angeschlossen, deren Ausgang mit einem NuIldurchgangskomparator/verbunden ist. Der Nulldurchgangskomparator/führt über ein Tor 38 zum zweiten Eingang des ODER-Gatters 40. Der Steuereingang 48 des Tores 38 ist von einer Torsteuerschaltung 39 beaufschlagt, dessen Setzeingang S mit dem Ausgang 17 des Impulsgenerators 11 und des-
sen Rücksetzeingang R mit dem Ausgang des Tores 38 verbunden ist.
Der Ausgang 17 des Impulsgenerators 11 liegt außerdem an zwei weiteren elektronischen Schaltern 28 bzw. 29 an, die über Steuerleitungen 46' bzw. 47' in der gleichen Weise wie die elektronischen Schalter 26 bzw. 2'7 angesteuert werden.
An die Ausgänge der Schalter 28, 29 sind ein Meßzähler 20 bwz. ein Referenzzähler 21 angelegt. Die aufaddierten Zählerstände werden an Dividierstufen 22, 23 angelegt, denen als weiteres Eingangssignal ein für den Meßzeitraum T1 bzw. den ReferenzZeitraum T2 repräsentatives Eingangssignal zugeführt wird. Die Ausgänge der Dividierstufen 22, 23 liegen an einer Differenzbildungsstufe 24 an, an deren Ausgang ein Anzeigegerät 49 angeschlossen ist, welches die Laufzeit der Lichtimpulse über die Meßstrecke 13 zur Anzeige bringt.
Die Schalter 28, 29 sowie die daran angeschlossenen Bauelemente bilden zusammen eine Rechen-Zählstufe 19.
Die Wirkungsweise der beschriebenen Vorrichtung ist wie folgt
Durch Einschalten der Zeitsteuerschaltung 25 wird der erste Sendeimpuls im Impulsgenerator 11 ausgelöst, der über den Ausgang 17 und den Sendeimpulsformer 33 zum Sender 32 gelangt und dort einen entsprechenden Lichtimpuls aussendet, der gleichzeitig über die Meßstrecke 13 und die Referenzstrecke 14 gelangt.
Es sei angenommen, daß die Zeitsteuerschaltung 25 zunächst die Schalter 26 und 28 geschlossen hat und die beiden anderen Schalter 27, 29 geöffnet hält. Nunmehr gelangt das vom Meßempfänger 15 empfangene Empfangsimpulssignal über den elektronischen Schalter 26, den Verstärker 34, den Ampli-
tudenregler 35, die Differenzierstufe 36, den Nulldurchgangskomparator 37, das Tor 38, welches durch die Torsteuerschaltung 39 geöffnet wurde, und das ODER-Gatter 40 zum Triggereingang 18 des Impulsgenerators 11, wo entsprechend der durch die Rückkopplungsschleife 12 einschließlich der Meßstrecke 13 bedingten Zeitverzögerung ein zweiter Impuls ausgelöst wird, der nun denselben Weg nimmt.
Die Schalter 26, 28 werden während eines Meßzeitraumes T1 geschlossen gehalten, dessen Länge einem Vielfachen der Impulsperiode entspricht. So können z.B. während eines Meßzeitraumes T1 1000 oder gar 10 Impulse durch die erfindungsgemäß vorgesehene Rückkopplungsschleife 12 umlaufen, bevor die Zeitsteuerschaltung 25 die Schalter 26, 28 öffnet und dazu im Gegentakt die Schalter 27, 29 schließt.
Bis dahin hat der Meßzähler 20 sämtliche während des Zeitraumes T1 erschienenen Impulse aufaddiert. Ein entsprechendes Zeitwertsignal T1 wird in der Dividier stufe 22 durch das dort angelegte ürpulszählsignal dividiert, so daß am einen Eingang der Differenzbildungsstufe 24 ein für die Gesamtlaufzeit eines Impulses durch die Rückkopplungsschleife 12 repräsentatives Signal anliegt.
Nach dem Schließen der Schalter 27, 29 und dem im Gegentakt erfolgenden Öffnen der Schalter 26, 28 gelangt das Licht vom Sender 32 über die Referenzstrecke 14 zum Referenzempfänger 16 und von dort über den geschlossenen Schalter 27 schließlich wieder zum Triggereingang 18 des Impulsgenerators 11 , wo erneut ein weiterer Impuls ausgelöst wird, jetzt aber nach einer etwas kürzeren Zeit, weil der Weg des Lichtes über die Referenzstrecke 14 kürzer ist.
Während eines ReferenzZeitraumes T2, der vorzugsweise gleich dem Meßzeitraum T1 ist, werden nun über den geschlossenen Schalter 29 im Referenzzähler 21 die im ReferenzZeitraum T2 erscheinenden Referenzimpulse aufaddiert. Nach Ablauf des
MeßZeitraums T2 öffnen die Schalter 27, 29 wieder und die Zeit T2 wird durch den Endständ des Zählers 21 in der Dividierstufe 23 geteilt, so daß am Ausgang der Dividierstufe 23 ein für die Laufzeit der Impulse in der Rückkopplungsschleife 12 repräsentatives Signal gebildet wird. Diese Zeit ist wegen der kürzeren Referenzstrecke 14 kleiner als die während des über die Meßstrecke laufenden Zyklus gemessene Zeit. Der Subtrahierer 2 4 bildet dann am Anzeigegerät 49 ein Signal, welches die Laufzeit des Lichtes über die Meßstrecke 13 anzeigt, weil die durch die Schaltung selbst und die Referenzstrecke 14 definierte Basiszeit von der Umlaufzeit der Impulse während eines Meßzyklus abgezogen wird.
Es ist einerseits möglich, während einer vorgegebenen Zeit die auftretenden Impulse zu zählen, wobei diese Zeit z.B. eine Sekunde (Meß- bzw. Referenzzeitraum) betragen kann.
Es ist aber auch möglich, eine vorbestimmte Zahl von Impulsen zu zählen und die für deren Auflaufen erforderliche Zeit zu messen. In beiden Fällen wird praktisch über einen längeren Zeitraum die Impulsfrequenz gemessen und daraus die Laufzeit ermittelt.
Wenn Nm die Zahl der beim Meßzyklus gezählten Impulse, N die Zahl der beim Referenzzyklus gemessenen Impulse und T die jeweilige Meßzeit ist, so errechnet sich die Laufzeit nach der folgenden Formel
Die Länge s der Meßstrecke 13 errechnet sich wie folgt:
Nr - N
S = °'5 · V * TO - W
s = 0,5 . ν . T0 . (~ - äp) (3)
Die Auswertung nach den Formeln (1) bis (3) erfolgt bei
konstanter Meßzeit TQ. V ist die Wellengeschwindigkeit auf der Meß- und Referenzstrecke.
Ist die Zahl N der beim Meß- und Referenzzyklus erscheinenden Impulse gleich und werden die Zeitdauern T und T des Meß- bzw. Referenzzyklus gemessen, so errechnet sich die Länge s der Meßstrecke 13 wie folgt:
(T -T)
s = 0,5 . ν . jj (4)
Der Term kann noch vereinfacht werden, da gilt:
= k (Konstante) (5)
Es ergibt sich so die Beziehung:
s = k . (Tom - Tor) (6)
Die Erfindung kann auch zur Bestimmung der Wellengeschwindigkeit auf der Meßstrecke 13 verwendet werden, wenn die Länge s der Meßstrecke bekannt ist. Die Auswertung in einer Auswerteelektronik geschieht nach dem erstgenannten Verfahren wie folgt:
N™ - Nr
Y = 2-s-
Bei dem zweiten Verfahren wird ν nach der folgenden Formel ermittelt:
ν = 2 . s . (8)
om or
In jedem Fall müssen sich auf der Meßstrecke 13 und der Referenzstrecke (14) die gleichen Medien befinden.
Die Länge einer Teilstrecke s1 in einem bekannten Medium mit der Wellengeschwindigkeit ν , und bekannter Gesamtstrecke s, wobei auf der Teilstrecke s - s1 sich Luft befindet, errechnet sich nach dem ersten Verfahren wie folgt:
VLuf t
- s
med
= 0,5 . To . (9)
Luft med
-T · v_ ,. - s . N .v , or / Luft/ med
Nach dem zweiten Verfahren:
s> = o,5 '- r - (10)
N 'Kuft - vmed)
Der Funktionsblock 19 in Fig. 1 hat also nur Symbolcharakter und kann in vielen anderen Ausführungen realisiert werden.
Das alternierende Aus- und Einblenden der Meßstrecke 13 kann statt durch elektronische auch durch optische Schaltelemente bewirkt werden. Der Vorteil einer optischen Lösung ist der Wegfall von Parameter-Differenzen zweier getrennter Empfangselemente als Meß- und Referenzempfänger. Elektronische Schaltelemente haben jedoch den Vorteil, daß auf einen optischen Zerhacker verzichtet werden kann.
-ft-
Als optischer Sender wird erfindungsgemäß zweckmäßig eine Halbleiterlumineszenzdiode verwendet. Die im Eingang angeordneten elektronischen Schalter sollen laufzeitneutrales Verhalten aufweisen. Da hier nicht die Schaltzeit, sondern das Signaldurchlaufverhalten eine Rolle spielt, läßt sich diese Forderung leicht mit Halbleiterdiodenschaltern erfüllen.
Figur 2 zeigt, wie das Umschalten von einer Referenzstrecke 14 auf eine Meßstrecke 13 mit optischen Mitteln erfolgen kann. In diesem Fall ist nur ein einziger gemeinsamer Meß-Referenzempfanger 15,16 in Form einer PIN-Diode vorgesehen, der an den Verstärker 34 gemäß Figur 1 angeschlossen wird. Im geringen Abstand von ihm befindet sich der als Lumineszenzdiode ausgebildete Sender 32, welcher wie bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 über den Sendeimpulsformer 33 von dem Impulsgenerator 11 beaufschlagt wird. Zwischen dem Sender 32 und dem Meß- und Referenzempfänger 15, 16 ist ein Dachkantprisma 50 mit spiegelnden Oberflächen angeordnet, welches den Sende-Lichtstrahl 42 um etwa 90 zu einem reflektierenden Objekt 43 umlenkt, von wo das Licht wieder zum Dachkantprisma 50 zurückreflektiert wird, welches das Empfangs
umlenkt.
Empfangslicht erneut um 90° zum Meß-Referenzempfanger 15,16
Das Dachkantprisma 50 ist mit dem Anker 51 eines Elektromagneten 52 verbunden, der von der Zeitsteuerschaltung 25 synchron mit den nach wie vor vorhandenen Schaltern 28,29 so angesteuert wird, daß beim Schließen des Schalters 28 und dem Öffnen des Schalters 29 der Elektromagnet 52 stromlos ist und sein Anker durch eine Feder 53 in die äußere Stellung gedrückt wird, in der das am Anker 51 befindliche Dachkantprisma 50 sich gemäß Fig. 2 innerhalb des Referenzstrahlenganges 14 befindet.
Wird durch die Zeitsteuerschaltung der Schalter 28 geöffnet und der Referenzschalter 29 geschlossen, so wird gleichzeitig der Elektromagnet 52 erregt und der Anker 51 in das Innere der Spule des Elektromagneten 52 hineingezogen, was dazu führt, daß das Dachkantprisma 50 aus dem Referenzstrahlengang 14 herausgezogen wird und jetzt der Impulslichtstrahl 42 direkt vom Sender 32 zum Meß-Referenzempfanger 15,16 gelangen kann.
Die Umschaltung der Rückkopplungsschleife 12 von der Referenzstrecke 14 auf die Meßstrecke 13 und umgekehrt erfolgt also bei dem Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 auf optisch-mechanischem Wege. Ebenso gut könnte die Umschaltung auch über eine geeignet ausgebildete Zerhackerscheibe erfolgen. Im übrigen sind die nicht dargestellten Schaltungsteile des Ausführungsbeispiels nach Fig. 2 ebenso, wie das in Fig.! gezeigt ist, aufgebaut und angeordnet.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung kann auch zur Messung von durch elektromagnetische Wellen durchlaufenen Strecken verwendet werden, wobei insbesondere an das Durchlaufen sehr kleiner Strecken gedacht ist (z.B. Auflösung von 0,016 mm, d.h. eine Laufzeit von 0,055 ps). Die Erfindung eignet sich also besonders für die Messung bei relativ kurzen Strecken von einigen Millimetern bis einigen 10 m.
ΊΑ- - Leerseite

Claims (1)

  1. Patentansprüche
    1. Vorrichtung zur Messung der Laufzeit von elektromagnetischen Wellen, insbesondere Lichtwellen, über eine Meßstrecke vorbestimmter Länge mit einem durch einen elektrischen Impulsgenerator angesteuerten Sender, welcher die elektrische Welle in Form von Wellenimpulsen über die Meßstrecke schickt und mit einem am Ende der Meßstrecke vorgesehenen Meßempfänger, der die Wellenimpulse aufnimmt und in einen elektrischen Empfangsimpuls umwandelt, sowie mit einer elektronischen Auswerteschaltung zur Bestimmung der Impulslaufzeit, dadurch
    MANlTZ ■ HMSTERWALD ■ HEYN · MORGAN · 8000 MÜNCHEN 22 · ROBERT-KOCH-STRASSE I TEL. (OßO) 224211 · TELEX r>29<i7? PAIW FA\ (089i .!!I 'Ί /5
    HANNS-JORG ROTERMUND · 7000 STUTTGART 50 (BAD CAMNSTArT) · SEELBERGSrrt 23/25 TEL (0/ M) SH 72h\
    RAYF-'Π vni KSRANKEN AG · MÜNCHEN ■ BU 70090000 KONTfJ 72/0 POSTGCHtCK: MUNCHKN 770« H05
    gekennzeichnet, daß der durch Impulse triggerbare Impulsgenerator (11) in einer zwischen seinem Ausgang (17) und seinem Triggereingang (18) verlaufenden Rückkopplungsschleife (12) angeordnet ist, in welche im Gegentakt entweder die Meßstrecke (13) oder eine am Ende einen Referenzempfänger (16) aufweisende Referenzstrecke (14) während eines Meßzeitraumes (T1) bzw. eines Referenzzeitraumes (T2), die beide groß gegenüber der Impulsperiode sind, einbeziehbar ist, und außerdem eine Rechen-Zählstufe (19) beaufschlagt, die aus der Länge des Meß- bzw. Referenzzeitraumes und der Zahl der währenddessen abgegebenen Impulse die Laufzeit errechnet.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rechen-Zählstufe (19) zwei während des Meßzeitraumes (T1) bzw. des ReferenzZeitraumes (T2) an den Ausgang des Impulsgenerators (11) anschließbare Zähler (20 bzw. 21) aufweist, an die Dividierstufen (22 bzw. 23) anschließen, in denen nach Abschluß des Meßzeitraumes (T1) bzw. des Referenzzeitraumes (T2) der Quotient aus dem Meßzeitraum (T1) bzw. dem Referenzzeitraum (T2) und der Zahl der während dieser Zeiträume gezählten Impulse gebildet wird, und daß die Dividierstufen (22,23) an eine Differenzbildungsstufe (24) angeschlossen sind, die ein für die Laufzeit repräsentatives Signal liefert.
    3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß der Meßempfänger (15) und der Referenzempfänger (16) durch von einer Zeitsteuerschaltung (25) im Gegentakt für jeweils den Meßzeitraum (T1) bzw. den Referenzzeitraum (T2) schließbare Schalter (26,27) wahlweise in die Rückkopplungsschleife (12) einschaltbar sind.
    4. Vorrichtung nach Anspruch 2 und 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Zähler (20,21) durch von der Zeitsteuerschaltung (25) im Gegentakt für jeweils den Meßzeitraum (T1) bzw. den Referenzzeitraum (T2) schließbare
    Schalter (28,29) wahlweise an den Ausgang des Impulsgenerators (11) anschließbar sind.
    5. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß der Impulsgenerator (11) aus einem Impulspausengeber (30) und einem Sendeimpulsgeber (31) besteht, welche vorzugsweise hintereinandergeschaltet sind, wobei der Impulspausengeber (30) von einem Eingangsimpuls triggerbar ist und der Sendeimpulsgeber (31) am Ende der vom Impulspausengeber (30) gegebenen Impulspause ausgelöst wird.
    7. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß zwischen den Impulsgenerator (11) und den Sender (32) ein Sendeimpulsformer (33) geschaltet ist, der einen Impuls mit deutlicher Spitze bildet.
    8. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die beiden an den Meßempfänger (15) bzw. Referenzempfänger (16) angeschlossenen Schalter (26 bzw. 27) gemeinsam an einen Verstärker (34) angelegt sind, der zum Impulsgenerator (11) führt.
    9. Vorrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß dem Verstärker (34) ein Amplitudenregler (35) folgt.
    10. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in den Zweig zwischen den beiden an den Meßempfänger (15) bzw.den Referenzempfänger (16) angeschlossenen Schaltern (26 bzw. 27) und den Eingang (18) des Impulsgenerators (11) eine Differenzierstufe (36) eingeschaltet ist.
    11. Vorrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß an die Di fieren zier stufe (36) ein Nulldurchgangs-
    komparator (37) angelegt ist.
    12. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß in den Zweig zwischen den beiden an den Meßempfänger (15) bzw. den Referenzempfänger (16) angeschlossenen Schaltern (26 bzw. 27) und den Eingang (18) des Impulsgenerators (11) ein normalerweise geschlossenes Tor (38) eingeschaltet ist, welches von einer Torsteuerschaltung (39) beim Erscheinen der Endflanke jedes Sendeimpulses am Ausgang (17) des Impulsgenerators (11) geöffnet und beim Erscheinen eines Empfangsimpulses am Ausgang des Tores (38) wieder schließt wozu der Setzeingang (S) der Torsteuerschaltung (39) an den Ausgang (17) des Impulsgenerators (11) und der Rücksetzeingang (R) an den Ausgang des Tores (38) angeschlossen ist.
    13. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß unmittelbar vor dem Impulsgenerator (11) in die Rückkopplungsschleife (12) ein ODER-Gatter (40) eingeschaltet ist, dessen zweiter Eingang zum Empfang eines Start-Stopp-Signales an die Zeitsteuerschaltung (25) angeschlossen ist.
    14.Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1,2 und 4 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß statt der ersten beiden elektrischen Schalter (26,27) nur ein gemeinsamer Meß-Referenzempfänger (15,16) in geringem Abstand vom Sender (32) angeordnet ist und eine von der Zeitsteuerschaltung (25) gesteuert in die Referenzstrecke (14) bringbare optische Ablenkvorrichtung (50) das Licht über die Meßstrecke (13) zum Meß-Referenzempfanger (15,16) lenkt, wenn sie in die Referenzstrecke (14) gebracht ist.
    15, Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet , daß die Meß- und Referenzzeiträume konstant sind und die Impulse gezählt werden.
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    16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Impulszahlen konstant sind und die Meß- und ReferenzZeiträume gemessen werden.
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