DE3800800A1 - Verfahren und vorrichtung zur abstandsmessung - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Messung des Abstandes eines Objektes nach dem Gattungsbegetriff des Patentanspruches 1 sowie auf eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens. Sie findet insbesondere Anwendung bei Ultraschallsensoren.

Es ist bekannt, eine relativ hohe, auf die Eigenfrequenz eines Ultraschallwandlers abgestimmte, Frequenz, bei­ spielsweise durch Ein- und Ausschalten einer Ampli­ tudenmodulation zu unterziehen und nach Verstärkung von dem Ultraschallwandler abzustrahlen. Das von einem zu messenden Objekt reflektierte Ultraschallecho wird ggf. von dem gleichen Wandler empfangen und nach entspre­ chender Verstärkung ausgewertet. Üblicherweise wird die Laufzeit zwischen ausgesendetem Signal und empfangenem Signal gemessen, wobei die Detektierung auf der Vorder- oder Rückflanke erfolgen kann. Bei Verwendung ein und desselben Wandlers für das Senden und den Empfang kann der nächste Sendeimpuls erst nach Empfang des ersten Echoimpulses ausgesendet werden. Auch bei Verwendung getrennter Sende- und Empfangswandler ist es zweckmäßig, den nächsten Sendeimpuls erst auszusenden, wenn ein erster Echoimpuls empfangen worden ist. Die Empfangs­ schaltung ist nämlich nicht in der Lage festzustellen, ob ein empfanger Impuls auf einem weiteren Sendeimpuls oder auf einem weitere Echoimpuls (Mehrfachecho) beruht.

Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein Verfahren anzugeben, daß sehr viel schneller und genauer arbeitet. Die Lösung dieser Aufgabe gelingt gemäß den kennzeichnenden Merkmalen des Patentanspruches 1. Weitere Ausgestaltungen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie einer Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens sind den Unteransprüchen entnehmbar.

Anhand eines in den Figuren der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles sei im folgenden das erfindungsgemäße Verfahren und die Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 ein Blockschaltbild der erfindungsgemäßen Vorrichtung zur Mehrfach-Laufzeitmessung;

Fig. 2 ein Impulsdiagramm zur Veranschaulichung der Arbeitsweise der erfindungsgemäßen Vorrichtung;

Fig. 3a, b schaltungstechnische Einzelheiten des Sendezweiges;

Fig. 4 ein zu dem Sender gehöriges Taktdiagramm,

Fig. 5 schaltungstechnische Einzelheiten des Empfangszweiges;

Fig. 6 ein zu dem Empfänger gehöriges Taktdiagramm;

Fig. 7a, b, c schaltungstechnische Einzelheiten der Auswerteschaltung; und

Fig. 8 ein zu der Auswerteschaltung gehörendes Taktdiagramm.

Gemäß Fig. 1 erzeugt ein Modulationszähler 10 zyklische Zahlenfolgen, z. B. die Zahlen 0 bis 4. Diese Zahlenwerte werden von einem Digital/Analog-Wandler 12 in Spannungen umgesetzt, was gemäß Fig. 2 aufgrund der aufeinanderfolgenden steigenden Zahlen zu einem treppenförmigen Verlauf der Modulationsspannung Umod führt. Mit dieser Modulationsspannung wird ein Spannungs/Frequenz-Umsetzer 14 angesteuert, dessen Ausgangssignal ein Hochfrequenzsignal mit stufenförmig steigender Frequenz darstellt. Das Ausgangssignal des Spannungs/Frequenz-Umsetzers 14 steuert über einen Verstärker 16 einen Ultraschall-Sendewandler 18 an. Es sei darauf verwiesen, daß die stufenförmig abgesetzten Frequenzen alle in der Eigenresonanz-Bandbreite des Ultraschall-Wandlers liegen, die etwa 10 bis 15 kHz beträgt.

Die an einem nicht dargestellten Objekt reflektierten Echosignale weisen die gleichen Mehrfach-Frequenzen auf und werden von einem Ultraschall-Empfangswandler 20 empfangen und in elektrische Signale umgesetzt. Nach Verstärkung in einem Verstärker 22 erfolgt eine Demodulation des Empfangssignales in einer Phasenverriegelungsschleife 24. Nach Filterung in einem Tiefpaß 26 wird die demodulierte Spannung Udemod durch einen Analog/Digital-Wandler 28 in ein Digitalsignal, d. h. in einen binären Zahlenwert umgesetzt. Sowohl sendeseitig als auch empfangsseitig angeordnete, 1 aus n-Decoder 30, 32 dienen über eine Start/Stopp-Logik 36 dem Start und Stopp von Zählern 34, 34′, 34′′ . . . Für jede Frequenzstufe ist ein eigener Zähler vorhanden sowie eine eigene Start/Stopp-Logik, die für das Rücksetzen des Zählers, den Zählvorgang, das Speichern des letzten Zählergebnisses und dergleichen sorgt.

In Fig. 2 ist übereinander das Sende- und das Empfangssignal dargestellt, wobei beide Signale in bezug aufeinander verschoben sind und die Verschiebung beider Signale durch den Objektabstand und die dadurch hervorgerufene Schallaufzeit vorgegeben ist. Die dargestellten Treppenkurven zeigen nicht nur die Modulationsspannung Umod und die Demodulationsspannung Udemod, sondern auch die abgestuften Sende- bzw. Empfangsfrequenzen, wie sie nach dem Spannungs/Frequenz-Umsetzer bzw. vor der Phasenverriegelungsschleife vorliegen. Durch die Verwendung unterschiedlicher Frequenzen sind auch bei rascher Folge der Sendeimpulse die Empfangsimpulse klar unterscheidbar und meßbar, so daß die Messung nicht nur schneller erfolgen kann, sondern durch Mittelung der verschiedenen Messungen auch die Genauigkeit der Messung verbessert werden kann.

Gemäß Fig. 3a erzeugt ein Zeitgeber-Baustein 38 einen einstellbaren Modulationstakt für einen nachgeschalteten 7-Bit-Zähler 40. Die binären Ausgangssignale des Zählers 40 werden von einem Binär/Dezimal-Decoder 42 decodiert, wobei nur die niedrigsten sechs Ausgänge Q 0-Q 5 seiner zehn Ausgänge benutzt werden. Der Ausgang Q 5 dient zum Rücksetzen des Zählers 40; die Ausgänge Q 1-Q 4 dienen als Signale S 0 bis S 3 der Ansteuerung des Digital/Analog-Wandlers 16 und der Ausgang Q 0 wird zusammen mit dem Modulationstakt des Zeitgeber-Bausteins 38 einem UND-Gatter 44 zugeführt, das beim Vorliegen beider Signale ein RESET-Signal für die Laufzeitzähler 34, 34′ usw. erzeugt.

Gemäß Fig. 3b besteht der Digital/Analog-Wandler aus einem Spannungsteiler 46 und vier Analogschaltern 48- 48′′′. Der Spannungsteiler 46 besteht aus fünf Widerständen. An vier Abgriffen sind stufenweise gestaffelte Spannungen abgreifbar, die jeweils zusammen mit den Digitalsignalen S 0 bis S 3 den Analogschaltern 48 bis 48′′′ zugeführt werden. Beim Auftreten des jeweiligen decodierten Zählersignales werden jeweils die zugeordneten Spannungen an den Abgriffen des Spannungsteilers 46 auf den Spannung/Frequenz-Umsetzer 14 geschaltet, um sodann mit den entspechend erzeugten Frequenzen über den Verstärker 16 den Ultraschall-Sendewandler 18 anzusteuern.

Fig. 4 zeigt das zu den Fig. 3a, b gehörende Taktdiagramm und bedarf keiner weitere Erläuterung.

Gemäß Fig. 5 ist die Schaltungsanordnung für die Gewinnung der Empfangssignale r 0 bis r 3 dargestellt, wobei Fig. 6 das zugehörige Taktdiagramm zeigt. Der Ultraschall-Empfangswandler 20, der Verstärker 22, die Phasenverriegelungsschleife 24 und der Tiefpaß 26 stellen hierbei herkömmliche Komponenten für die Gewinnung der Demodulationsspannung Udemod dar und bedürfen keiner näheren Erläuterung. Die restliche Schaltung zeigt den Analog/Digital-Wandler 28 in näheren Einzelheiten, der als Fensterkomparator ausgebildet ist. Dieser Analog/Digital-Wandler umfaßt vier Komparatoren 50 bis 50′′′ (K 1 bis K 4), denen an ihren positiven Eingängen jeweils die demodulierte Spannung Udemod und an ihren negativen Eingängen einer über Potentiometer 52 bis 52′′′ einstellbare Referenzspannung zugeführt wird. Den Ausgängen der Komparatoren 50, 50′ und 50′′ sind UND-Gatter 54 und 54′ und 54′′ mit drei Eingängen nachgeschaltet, die einmal von den zugeordneten Komparatoren 50, 50′ und 50′′, von den Ausgängen der nachfolgenden Komparatoren 50′, 50′′ und 50′′′ über Inverter 56, 56′ und 56′′ und von dem Ausgang eines RS-Flip-Flops 58 angesteuert werden. Der Setz-Eingang des Flip-Flos 58 ist an den Ausgang des Komparators 50′′′ angeschlossen, so daß es beim überschreiten der obersten Schwelle gesetzt wird und der Rücksetz-Eingang des Flip-Flops 58 ist über einen Inverter 56′′′ an den Ausgang des Komparators 50 angeschlossen, so daß es bei Unterschreiten der untersten Schwelle wieder gelöscht wird. Der Ausgang Q des Flip-Flops 58 sperrt die UND-Gatter 54, 54′ und 54′′, die die Ausgangssignale r 0 bis r 2 bilden, bei der fallenden Flanke der demodulierten Treppenspannung.

Gemäß den Fig. 7a, b, c ist die Auswerteschaltung gemäß der Erfindung dargestellt und Fig. 8 zeigt das zugehörige Taktdiagramm. Gemäß Fig. 7a erzeugt ein Spannungs/Frequenz-Umsetzer 60 den Zähltakt für die Laufzeitmessung. Gemäß Fig. 7b dient ein als RS-Flip-Flop benutztes D-Flip-Flop 62 der Erzeugung eines Zähltores, das mit der steigenden Flanke eines Sendesignales sx (S 0 -S 3) geöffnet und mit der steigenden Flanke eines Empfangssignales rx (R 0-R 3) wieder geschlossen wird. Das Ausgangssignal dieses Zähltores wird mittels eines Inverters 64 invertiert und legt über ein UND-Gatter 66 den Zähltakt an den Auswertezähler 34 (Fig. 7c) an. Das nicht-negierte Ausgangssignal des Zähltores 62 wird einem aus zwei D-Flip-Flops 68, 68′ aufgebauten Monoflop zusammen mit dem Zähltakt zugeführt und ein UND-Gatter 66′ erzeugt aus den Ausgängen der D-Flip-Flops ein Strobe-Signal.

Gemäß Fig. 7c wird der Zähltakt (Fig. 7b) an den Takteingang eines 12-Bit-Zählers 34 angelegt, der durch das gemäß Fig. 3a gewonnene RESET-Signal zurückgestellt wird. Mit dem Stobe-Signal (Fig. 7b) wird der Zählerstand des Zählers 34 in die drei STufen eines 7-Segment-Decoders 70, 70′, 70′′ übernommen und dort zwischengespeichert. An diesen Decoder sind drei 7-Segment-Anzeigen 72, 72′, 72′′ angeschlossen, die den gespeicherten Zählerstand anzeigen.

Die Auswerteelektronik bestehend aus der Start/Stopp-Logik 36 und dem Zähler 34 mit Anzeige 70, 72 muß für jede Frequenzstufe getrennt aufgebaut werden. Die gespeicherten und angezeigten Ergebnisse können durch eine nicht dargestellte Rechenschaltung gemittelt werden, um die Genauigkeit der Messung zu verbessern.

Claims (10)

1. Verfahren zur Messung des Abstandes eines Objektes durch Aussendung eines Impulses, insbesondere Ultraschall-Impulses zu dem Objekt und Messung der Laufzeit zwischen Aussendung des Impulses und Empfang des an dem Objekt reflektierten Impulses, da­ durch gekennzeichnet, daß hintereinander mit unterschiedlichen Frequenzen modulierte Impulse gesendet und empfangen sowie die zugehörigen Laufzeiten gemessen werden.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß innerhalb der Impulslaufzeit eines frequenzmodulierten Impulses ein oder mehrere mit unterschiedlichen Frequenzen modulierte Impulse gesendet werden.

3. Verfahren nach Anspruch 2, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Frequenzen der modulierten Impulse in Stufen ansteigen bzw. abfallen.

4. Verfahren nach Anspruch 3, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Modulationsfrequenzen in der Eigenfrequenz-Bandbreite der verwendeten Wandler liegen.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da­ durch gekennzeichnet, daß für jeden frequenzmodulierten Impuls die Laufzeit gesondert erfaßt wird.

6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die gemessenen Laufzeiten gemittelt werden.

7. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekenn­ zeichnet, daß sendeseitig vorgesehen ist:

• a) ein Modulationszähler (10) zur zyklischen Erzeugung einer Zahlenfolge (0, 1, 2, 3);
• b) ein dem Zähler (10) nachgeschalteter Digital/Analog-Wandler (12) zur Erzeugung einer Modulationsspannung;
• c) ein von der Modulationsspannung beaufschlagter Spannungs/Frequenz-Umsetzer (14), dessen Ausgangssignal einen Sendewandler (18) ansteuert;

daß empfangsseitig vorgesehen ist;

• d) eine von einem Empfangswandler (20) angesteuerte Phasenverriegelungsschleife (24) zur Demodulation der Empfangsspannung;
• e) ein Analog/Digital-Wandler (28), dem die demodulierte Empfangsspannung über ein Tiefpaßfilter (26) zugeführt wird; und

daß sowohl sende- als auch empfangsseitig Decoder (30, 32) angeordnet sind, denen die Ausgangssignale des Modulationszählers (10) und des Analog/Digital-Wandlers (28) jeweils zugeführt werden und die über eine Start/Stopp-Logik (36) einen Auswertezähler (34) starten und stoppen.

8. Vorrichtung nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß pro Modulationsfrequenz eine Start/Stopp-Logik (36) und ein Zähler mit Speicher (70) und Anzeige (72) angeordnet ist.