DE69225331T2

DE69225331T2 - Entfernung/Flüssigkeitspegel- Messung unter Verwendung einer Laserdiode

Info

Publication number: DE69225331T2
Application number: DE69225331T
Authority: DE
Inventors: Richard Meinzer; Bruce Zepke
Original assignee: United Technologies Corp
Current assignee: RTX Corp
Priority date: 1991-11-27
Filing date: 1992-11-19
Publication date: 1998-08-27
Anticipated expiration: 2012-11-20
Also published as: JPH07501618A; EP0614537B1; DE69225331D1; ES2072240T3; CA2120504A1; EP0614537A1; ES2072240T1; DE614537T1; WO1993011449A1; US5257090A; RU2101731C1

Description

Die mit-anhängige US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen USSN 800,335, gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht, zwischenzeitlich als US-A-5,267,016 veröffentlicht, betrifft einen mit dem hier offenbarten Gegenstand verwandten Gegenstand.
Die Erfindung betrifft Entfemungsmessung, insbesondere eine Entfernungsmessung mittels Laserdiode basierend auf Kohärenz-Interferenz. Genauer gesagt, betrifft die Erfindung eine Laser-Entfernungsmeßvorrichtung zum Messen der Entfernung zu einem zugehörigen Target, welches vorbestimmte, hochreflektierende Eigenschaften aufweist, sowie eine Laser-Entfernungsmeßvorrichtung zum Messen eines Flüssigkeitsstands.
Es ist bekannt, daß Halbleiterlaser, beispielsweise Laserdioden, zur Entfernungsmessung eingesetzt werden können, wie es beschrieben ist in: G. Beheim et al, "Range Finding Using Frequency-Modulated Laser Diode", Applied Optics, Band 25, Nr.9 (1986). Es ist bekannt, daß Licht zum Messen eines Flüssigkeitspegels verwendet werden kann.
Eine Laserdiode besitzt typischerweise einen optischen Hohlraum mit zwei einander entgegengesetzten polierten Stirnseiten (als Facetten be zeichnet), die jeweils einen bekannten Brechungsindex besitzen und zwischen denen sich ein Lichtverstärkungs-Medium befindet. Innerhalb des Diodenhohlraums wird dadurch Licht erzeugt, daß ein elektrischer Strom über den pn-Übergang der Diode geleitet wird (wobei typischerweise die von den Facetten verschiedenen Enden der Diode benutzt werden). Das Licht im Inneren des Diodenhohlraums wird von einer ersten (z. B. der vorderen) Facette auf eine zweite (z. B. die hintere) Facette wiederholt reflektiert, um dadurch zu einer stimulierten Emission sowie der bekannten Laserwirkung zu gelangen. Typischerweise sind vordere und hintere Facette teilweise transparent (d. h. nicht zu 100 % reflektierend). Somit tritt etwas Licht aus der vorderen und der hinteren Facette aus. Die Menge des aus einer unbeschichteten Facette austretenden Lichts bestimmt sich durch den Brechungsindex der Facette.
Wie bekannt, kann das Verhalten einer Laserdiode signifikant beeinflußt werden durch äußere optische Rückkopplung, d. h. Rückkopplung eines Teils des Laser-Ausgangslichts von einer externen reflektierenden Fläche zurück in den Laserhohlraum, wie dies beschrieben ist in dem Artikel: R. Lang et al, "External Optical Feedback Effects on Semiconductor Injection Laser Properties", IEEE Journal of Quantum Electronics, Band QE-16, Nr. 3 (März 1980). Eine Laserdiode in Verbindung mit einer äußeren reflektierenden Fläche, z. B. einem reflektierenden Target, kann als Verbund- oder gekoppelter Laserhohlraum betrachtet werden, bestehend aus dem Diodenhohlraum und einem externen Hohlraum, welcher durch das reflektierende Target und die dem Target zugewandte Facette der Laserdiode (z. B. der vorderen Facette) gebildet wird. Die Entfernung von dem Laser zu der externen Fläche darf nicht länger sein als eine halbe Kohärenzlänge (die Strecke, in der die Photonen in Phase bleiben) des Ausgangslichts, weil das Licht über die gesamte zurückgelegte Strecke kohärent bleiben muß (d. h. hin zu dem Target und zurück zum Laser). Effekte gekoppelter Hohlräume bei konventionellen Lasern sind bekannt, wie es beschrieben ist in der US-A-4,550,410 mit dem Titel "Coupled Cavity Laser".
Es ist außerdem bekannt, daß, wenn der durch eine Laserdiode fließende Strom sich von einer Stärke auf eine andere Stärke ändert, die optische Frequenz, bei der die Laserdiode arbeitet (oder "schwingt", auch als "Freilauf"-Frequenz bezeichnet), sich ansprechend darauf ändert. Genauer gesagt: erhöht sich der Strom, wird die Wellenlänge der Laserdiode größer, und mithin nimt die Frequenz ab, bei der er arbeitet. Hierzu kommt es bekanntlich deshalb, weil die Temperatur des Laserdiodenmaterials sich mit dem Strom ändert, was eine Änderung des Brechungsindex des Materials zur Folge hat, was wiederum eine Änderung der optischen Weglänge des Hohlraums Ld (auch als effektive Diodenhohlraumlänge bezeichnet) bewirkt, bei der es sich um ein Produkt aus Brechungsindex des Lasermaterlais und baulicher Lange des Laserhohlraums handelt. Es ist außerdem bekannt, daß bei sich ändernder optischer Betriebsfrequenz des Lasers die Intensität des von der dem Target nicht zugewandten Facette emittierten Ausgangslichts Welligkeiten oder gewellte Impulse zeigt (sogenannte Modensprünge). Diese Intensitätspulse sind zurückzuführen auf Kohärenz-Interferenz innerhalb der Laserdiode zwischen dem von dem Target reflektierten Licht (welches von der dem Target zugewandten Facette her wiedereintritt) und dem Licht innerhalb der Laserdiode (vorausgesetzt, die Entfernung von dem Laser zu dem Target bleibt konstant). Pulse treten bekanntlich bei Laserbetriebsfrequenz-Intervallen auf, die der Frequenzdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden externen Hohlraum-Schwingungstypen gleichen:
c/2L Gl. 1
wobei c die Lichtgeschwindigkeit und L die Entfernung zwischen der vorderen Facette und dem Target ist. Es ist außerdem bekannt, daß diese Pulse mühelos dadurch nachgewiesen werden können, daß man das von der hinteren Facette emittierte Lichtintensitätssignal differenziert. Entspricht die Entfernung des Targets von der Laserdiode einem ganzzahligen Vielfachen der optischen Weglängen Ld des Laserdiodenhohlraums, kommt es zu maximaler aufbauender Kohärenz-Interferenz, und die Spitzenamplitude der Ausgangsintensitätspulse ist maximal. In ähnlicher Weise reduziert sich, wenn der Abstand zwischen Target und Laserdiode kein ganzzahliges Vielfaches von Ld ist, die Spitzenamplitude der Pulse aufgrund von Wellentyp-Zieheffekten (wie sie in Lang et al diskutiert sind), sie sind allerdings noch meßbar. Dementsprechend schwankt die Spitzenamplitude der Intensitätspulse mit der Entfernung, ist allerdings immer noch unabhängig davon meßbar, ob die Entfernung des Targets von dem Laser ein ganzzahliges Vielfaches von Ld ist oder nicht, wie es bei Lang et al beschrieben ist.
Bei bekannten Laserdioden-Entfernungsmeßeinrichtungen, wie sie bei Lang et al und bei Beheim et al beschrieben sind, wurden ein bekannter Photodetektor und dazugehörige Elektronik eingesetzt, um das von der hinteren Facette des Lasers emittierte Licht zu messen und ein entsprechendes Spannungssignal zu erzeugen. Das Spannungssignal von dem Detektor wird analysiert, um die Entfernungsinformation zu erhalten.
Die Entfernung L zwischen der vorderen Facette und dem Target ergibt sich durch folgende bekannte Beziehung:
L = Nc/2ΔF Gl.2
wobei N die Anzahl von Intensitätspulsen (oder "Wellentyp-Sprüngen" des externen Hohlraums) ist, die über die Laserfrequenzänderung ΔF stattfinden; c die Lichtgeschwindigkeit und ΔF die Änderung der Laserfrequenz ist, zu der es aufgrund der Änderung des Treiberstroms der Laserdiode kommt. L ist sehr viel (viele Größenordnungen) größer als die optische Weglänge des Laserdiodenhohlraums. Damit läßt sich die Distanz L zu dem Target bestimmen, indem man einfach die Anzahl N von "Wellentyp-Sprüngen" zählt, die sich durch die Laserfrequenzänderung ΔF ergeben. Die theoretische Auflösung bei der Entfernungsmessung ist bekanntlich die einem "Wellentyp-Sprung" entsprechende Distanz oder
ΔL = c/2ΔF Gl. 3
Bei ΔF=50 GHZ ergibt sich folglich ΔL=3 mm, was eine gute Auflösung darstellt, wie es bei Beheim et al diskutiert ist. Bei einem Abstand von 1 Meter beträgt die Anzahl der Impulse N an der Rampe etwa 300. Es ist außerdem bekannt, daß, wenn das Target bewegt wird (d. h. eine endliche Geschwindigkeit besitzt), zusätzliche Impulse (mit ähnlichem Amplitudengang wie jene, die oben diskutiert wurden) im Laser-Ausgangssignal erscheinen, bedingt durch den bekannten Doppler-Effekt (als Doppler-Frequenz Fd bezeichnet). Hierzu kommt es unabhängig davon, ob der Laserdioden-Treiberstrom (d. h. die optische Laserfrequenz) sich mit der Zeit ändert oder nicht. Folglich steht die Gesamtanzahl von Impulsen pro Hub des Treiberstroms (im folgenden als Rampenzyklus bezeichnet), die von dem Laser emittiert werden, zu dem Abstand (Fx) und der Geschwindigkeit (Fd) des Targets in Beziehung. Genauer gesagt: bei einem nach oben und dann wieder nach unten gehenden Rampenstrom-Treibersignal (eine positive schräge Rampe, gefolgt von einer negativen schrägen Rampe) lautet die am Rückkopplungszweig zu sehende Anzahl von Impulsen, wenn der Treiberstrom zunimmt und sich das Target auf den Laser zu bewegt: Fx + Fd. Wenn hingegen der Treiberstrom abnimmt und sich das Target auf den Laser zu bewegt, beträgt die Anzahl zu sehender Impulse Fx - Fd. Wenn Fd größer als Fx ist (d. h., wenn sich das Target schneller als mit einer gewissen Geschwindigkeit bewegt), ist das Ergebnis der Relation Fx - Fd negativ, und die Richtung der Pulse auf der abnehmenden Schräge ändert die Polarität. Wenn sich das Target von dem Laser wegbewegt, sind die obigen Relationen die gleichen, nur daß das Vorzeichen von Fd in beiden Fällen - wie bekannt - umgekehrt wird.
Allerdings treten bei dem Versuch der Realisierung einer Entfernungsmessung mit Hilfe der Laserdioden-Kohärenz-Interferenz in der realen Umwelt zahlreiche Probleme auf. Zunächst ist da als eines der schwierigsten Probleme beim Nachweis kohärenten Lichts das Speckle-Rauschen Speckle-Rauschen ist bekanntlich ein optisches Rauschen, welches entsteht als Folge der Streuung kohärenten Lichts, wenn dieses auf eine (im Wellenlängenmaßstab) nicht perfekt flache Oberfläche auftrifft. Außerdem weisen Targets eine endliche Stärke an Oberflächenvibration auf, die das Speckle-Rauschen steigert. Wenn außerdem das Target schwimmt, wie es z. B. bei einem Schwimmer im Benzintank eines Fahrzeugs der Fall ist, so gibt es eine gewisse Bewegung/Schwingung, die ebenfalls das Speckle-Rauschen steigert. Dieses Rauschen wirkt störend ein auf die Kohärenz-Erfassung und kann die Ursache dafür sein, daß die optische Intensität periodisch abfällt als Funktion der Entfernung zu dem Target, so daß eine Intensitätsmessung bei gewissen Entfernungen verhindert wird (d. h., es kommt zu Meßausfällen) und die Entfernungsmessung unzuverlässig wird. Außerdem wird typischerweise ein fokussierter Strahl verwendet (wie bei Beheim et al und Lang et al dargestellt ist), um die benötigte Intensität am Target flir eine adäquate optische Rückkopplung zu erreichen.
Zweitens diskutieren Beheim et al die Verwendung einer Aufwärts- Abwärts-Rampenstrom-Wellenform zum Treiben der Laserdiode. Allerdings erzeugt eine Aufwärts-Abwärts-Rampe eine Gleichstromverschiebung in der differenzierten Wellenform, die sich als Funktion der Anzahl von Pulsen ändert, die in einer gegebenen Rampenzeit gesehen werden, wodurch ungleichförmige Pulsamplituden entstehen, die zu einer ungenauen Entfernungsmessung führen können. Darüber hinaus kann eine Aufwärts-Abwärts-Rampe Intensitätspulse in zwei entgegengesetzten Polaritäten hervorrufen, so daß elektronische Mittel benötigt werden, die beide Polaritäten nachweisen. Außerdem führt die Aufwärts-Abwärts- Rampen-Wellenform Ungenauigkeit aufgrund der abrupten Änderung der Wellenform-Schrägen ein (von positiv nach negativ).
Aus einem Artikel von Shinohara, 5. et al.: "High-resolution range finder with wide dynamic range of 0.2 m to 1 m using a frequencymodulated laser diode", Proc. Annual Conference of IEEE Industrial Electronics Society 15 (1989), Seiten 646 bis 651, ist eine Laser-Entfernungsmeßeinrichtung zum Messen der Entfernung zu einem zugehörigen Target, welches vorbestimmte hochreflektierende Eigenschaften aufweist, bekannt. Bei dieser bekannten Einrichtung wird ein von einer Laserdiode abgestrahlter Laserstrahl mit einer Linse auf ein Target aus weißem Kopierpapier fokussiert. Die Laserdiode wird mit einem Dreieck-Strom in der Frequenz moduliert. Das in den Laser zurückreflektierte Licht führt zu Außenhohlraum-Wellentypsprüngen, die gewisse Diskontinuitäten in dem Ausgangslicht hervorrufen. Ein von einer Photodiode in dem Laserdiodengehäuse erhaltenes Signal wird einer Meßschaltung zugeführt und von einem Mikrocomputersystem verarbeitet, um Daten der gemessenen Entfernung zu liefern. Die Schrift offenbart, daß FM-Rauschen das Meßentfernungs-Ausgangssignal beeinflußt, schweigt sich jedoch über Speckle-Rauschen aus.
Aus dem vorerwähnten Artikel von Beheim, G. et al.: "Range-finding using frequency modulated laser diode", Applied Optics 25 (1986), Nr. 9, Seiten 1439 - 1442 ist eine weitere Laser-Entfernungsmeßeinrichtung zum Messen der Entfernung zu einem zugehörigen Target mit vorbestimmten hochreflektierenden Eigenschaften bekannt. Diese bekannte Einrichtung verwendet eine Laserdiode sowohl als in der Frequenz abstimmbare Quelle als auch als optischen Phasendiskriminator. Die Entfernung von dem Laser zu dem reflektierenden Target wird aus der Laserfrequenzabweichung ermittelt, die eine einem vollen Zyklus entsprechende Phasenänderung in dem von dem Target in den Laser zurückreflektierten Licht hervorruft. Das Erkennen der Phasenzyklen des reflektierten Lichts wird erleichtert durch die Neigung der Laserdiode, bei einer der Resonanzfrequenzen des durch das Target gebildeten externen Hohlraums einzurasten. Das reflektierende Target und die vordere Facette des Lasers bilden einen externen Hohlraum mit einer Lange, die viel größer ist als die optische Weglänge des Laserdioden-Hohlraums. Wenn die Laserdiode der Rückkopplung von dem Target her ausgesetzt wird, verrastet sie bei derjenigen Resonanzfrequenz des externen Hohlraums, die der Frequenz am nächsten ist, bei welcher der Laser ohne Rückkopplung arbeiten würde. Wenn die Freilauf-Frequenz des Lasers durch Modulieren des Dioden-Treiberstroms abgestimmt wird, kommt es zu "Wellentyp-Sprüngen" bei Intervallen der Freilauf-Frequenz, die der Frequenzdifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Schwingungstypen des externen Hohlraums gleicht. Diese Wellentyp-Sprünge flihren Diskontinuitäten in die Laser-Ausgangsleistung ein, die sich leicht durch Differenzieren des von einem Laserleistungs-Monitor kommenden Signals nachweisen lassen. Die Laserdiode wird mit einem Dreieckstrom in der Frequenz moduliert.
Ziele der Erfindung beinhalten die Schaffung einer Flüssigkeitsstandsund/oder Entfernungsmessung auf Laserbasis, die Speckle-Rauschen verringert, die minimale, langsam arbeitende Elektronik verwendet, und die solche Ungenauigkeiten minimiert, die durch Diskontinuitäten im Laser-Treibersignal hervorgerufen werden.
Die Erfindung schafft eine Laser-Entfernungsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 1. Ausführungsformen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
Ein Laser, z. B. eine Laserdiode, der eine durch ein Lasertreibersignal gesteuerte veränderliche Betriebsfrequenz aufweist, emittiert Ausgangslicht, welches zu einem kollimierten Strahlenbündel umgewandelt wird und auf ein Target (oder einen Schwimmer) mit vorgegebenen optischen Eigenschaften auftrifft. Das Ausgangslicht wird von dem Target reflektiert und in den Laser zurückgeleitet Zwischen dem reflektierten Licht und dem Licht innerhalb des Lasers kommt es zu kohärenter Interferenz, durch die ein Rückkopplungssignal mit einer Amplitude entsteht, die in Beziehung steht zu der Entfernung zwischen dem Laser und dem Target. Das Target schwimmt auf einer Flüssigkeit. Ein Rohr dient zur Aufnahme des Schwimmers und der zu messenden Flüssigkeit. Ein Laser, z. B. eine Laserdiode, die eine durch ein Lasertreibersignal gesteuerte veränderliche Betriebsfrequenz aufweist, emittiert Ausgangslicht, welches zu einem kollimierten Strahlenbündel umgewandelt wird und auf eine Flüssigkeit auftrifft. Die Flüssigkeit ist in einem Rohr enthalten, dessen Durchmesser und dessen Material derart beschaffen sind, daß es zu einem Meniskus-Effekt kommt, so daß die Flüssigkeit selbst als gekrümmte reflektierende Oberfläche fungiert. Das Ausgangslicht wird von der Flüssigkeit reflektiert und zurück in den Laser geleitet; zwischen dem reflektierten Licht und dem Licht innerhalb des Lasers kommt es zu kohärenter Interferenz, wodurch ein Rückkopplungssignal mit einer Amplitude entsteht, die in Beziehung steht zum Füllstand der Flüssigkeit.
Das Lasertreibersignal besitzt eine Form, die zwecks Minimierung der Elektronik gewählt ist.
Ein Laser, z. B. eine Laserdiode, der eine von einem Lasertreibersignal gesteuerte veränderliche Betriebsfrequenz aufweist, emittiert Ausgangslicht, welches in einen kollimierten Strahl umgesetzt wird und auf ein Target (oder einen Schwimmer) auftrifft, der vorbestimmte optische Eigenschaften besitzt. Das Ausgangslicht wird von dem Target reflektiert und gelangt in den Laser zurück; zwischen dem reflektierten Licht und dem Licht innerhalb des Lasers kommt es zu kohärenter Interferenz, wodurch ein Rückkopplungssignal gebildet wird, dessen Amplitude in Beziehung steht zu der Entfernung zwischen dem Laser und dem Target; ein Teil des Rückkopplungssignals wird möglicherweise nicht verwendet (ausgeblendet), um eine Unterbrechung der Entfernungsmessung aufgrund abrupter Änderungen des Lasertreibersignals (d. h. wenn es zu Intensitäts-Diskontinuitäten kommt) und/oder aufgrund von Rauschen in der Elektronik (verursacht durch Signal-Differenzierung oder andere Signalverarbeitung) zu verhindern.
Die vorliegende Erfindung verwendet Methoden, die die Genauigkeit und Realisierbarkeit von Laser-Flüssigkeitstands-Meßsensoren durch Verringerung von Speckle, Minimierung elektronischer Komponenten, Ermöglichung der Verwendung von Niederfrequenz-Elektronik und Minimierung der Effekte von Treiberstrom-Diskontinuitäten, die zu Ungenauigkeiten bei der Flüssigkeitsstands-Messung führen können, verbessern. Die Erfindung kann für jede Art von Flüssigkeitsstandsmessung eingesetzt werden, z. B. als Tahkuhr oder Ölstandsfühler füe ein Fahrzeug. Ein weiterer Vorteil der Erfindung besteht darin, daß sie kohärentes Licht verwendet. Sie erfordert damit minimales optisches Rückstreuen (Nanowatt), und sie wird nicht störend beeinflußt durch nicht-kohärentes Licht, z. B. Sonnenlicht, Straßenbeleuchtungen oder Fahrzeugscheinwerfer. Wenn außerdem das Rohr verwendet wird, kann der Tank mit losen Schlingerwänden gefüllt werden, um das Spritzen in dem Tank weiter herabzusetzen, ohne daß der Schwimmer oder der Meßprozeß gestört wird.
Die oben erwähnten sowie weiteren Ziele und Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher im Lichte der nachfolgenden, detaillerten Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele, wie sie in den begleitenden Zeichnungen dargestellt sind.
Fig. 1 ist ein Diagramm einer Flüssigkeitsstands-Meßvorrichtung gemäß der Erfindung.
Fig. 2 ist eine Seitenansicht eines Schwimmers innerhalb der Vorrichtung nach Fig. 1, wobei optionale Flansche dargestellt sind, die aus Gründen der Stabilität hinzugefügt werden können.
Fig. 3 enthält zwei Bodenansichten eines Rohrs innerhalb der Vorrichtung nach Fig. 1, die (a) einen Gitterboden und (b) einen verschlossenen Boden mit einem Durchgangsloch darstellen.
Fig. 4 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Flüssigkeitsstands-Meßschaltung innerhalb der Vorrichtung nach Fig.
Fig. 5 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Funktionsgeneratorschaltung innerhalb der der Schaltung nach Fig. 4.
Fig. 6 ist ein schematisches Blockdiagramm einer Signalkonditionierschaltung innerhalb der Schaltung nach Fig. 4.
Fig. 7 ist eine graphische Darstellung von Signalen, die von der Funktionsgeneratorschaltung innerhalb der Schaltung nach Fig. 4 erzeugt werden.
Fig. 8 ist eine vergrößerte Darstellung eines Impulses eines Ausblendsignals und eines Integrator-Rücksetzsignals.
Fig. 9 ist eine alternative Ausführungsform der Erfindung, die keinen Schwimmer verwendet.
Bezugnehmend auf Fig. 1 enthält eine Laserdioden-Flüssigkeitsstands- Meßvorrichtung eine bekannte Laserdiodenanordnung 10, z. B. des Typs Mitsubishi ML3 101, die eine Laserdiode und eine Photodiode enthält, ähnlich wie die Anordnung gemäß Fig. 1 der mit-anhängigen US-Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen (UTC Akte Nr. R-3418), die gleichzeitig mit dieser Anmeldung eingereicht wurde. Die Laserdiodenanordnung 10 ist am oberen Ende eines zylindrischen Rohrs 11 (welches unten erläutert wird) gelagert und wird von einem Treiberstromsignal auf einer Leitung 12 betrieben, welches von einer Flüssigkeitsstands- Meßschaltung 14 (die unten erläutert wird) kommt. Die Laserdiodenanordnung 10 liefert ein elektronisches Rückkopplungssignal über eine Leitung 15 (von einer Photodiode innerhalb der Laserdiodenanordnung), welches kennzeichnend ist für die optische Rückkopplung von der Laserdiode. Die Flüssigkeitsstands-Meßschaltung 14 liest das auf der Leitung anstehende Signal und gibt ein Signal auf eine Leitung 16, welches bezeichnend ist für die Höhe der Flüssigkeit (oder des Fluids), HL. Die Laserdiodenanordnung 10 liefert außerdem ein divergentes Ausgangslicht 17.
An der Laserdiodenanordnung 10 ist eine Linsenanordnung 18 gelagert, die eine bekannte Linse 19 enthält, z. B. eine Stufenindex-Stabmikrolinse (GRIN-Linse) von Nippon Sheet Glass Company (NSG) W30-0110- 078 mit einem Durchmesser von 3 mm, einer Länge von 3,3 mm und einer Antireflexionsbeschichtung. Die Linse 19 wird in bekanntem Abstand, z. B. 3/16" von der Laserdiodenanordnung 10 angeordnet, damit sie einen kollimierten Ausgangslaserstrahl 20 mit einem Durchmesser von etwa 1/8" liefert. Auf Wunsch können andere Durchmesser verwendet werden, vorausgesetzt, die Intensität ist hoch genug, um adequates reflektiertes Licht zu erhalten. Alternativ kann die Linse 19 direkt mit der Laserdiodenanordnung 10 gekoppelt sein. Das kollimierte Strahlenbündel 20 trifft auf einen Schwimmer (oder ein Target) 22 auf, welches sich in veränderlicher Entfernung L von der Laseranordnung 10 befindet. Der Schwimmer reflektiert Laserlicht zuiiick durch die Linse 19 in die Laserdiodenanordnung 10, die kohärente Interferenz mit der Laserdiode fördert, wie es oben diskutiert wurde. Das Ausgangssignal auf der Leitung 15 von der Laserdiodenanordnung 10 enthält Pulse, die einer Treibersignal-Wellenform überlagert sind und kennzeichnend sind für den Abstand L zwischen der Front der Laserdiodenanordnung 10 und dem Schwimmer 22, wie es oben erläutert wurde.
Die Größe des Schwimmers beträgt 1/4" im Durchmesser (etwas geringer als der Durchmesser des Rohrs 11) bei einer Dicke von etwa 3/16", wobei andere Geometrien und Dicken auf Wunsch möglich sind. Der Schwimmer kann aus massivem oder hohlem Kunststoff, Holz oder irgendeinem anderen schwinunfähigen Material bestehen. Die Oberseite 24 des Schwimmers 22 ist mit einem reflektierenden Band überzogen, beispielsweise reflektierendem Band der Marke Scotchlite, um für maximale Reflexion des kollimierten Laserstrahlbündels 20 zurück zu der Laserdiodenanordnung 10 zu sorgen. Sowohl die obere als auch die untere Seite des Schwimmers können auf Wunsch mit reflektierendem Band beschichtet sein, für den Fall, daß der Schwimmer umkippt. Es können Alternativen zu dem reflektierenden Band verwendet werden, vorausgesetzt, es wird für angemessene Reflexion gesorgt.
Der Schwimmer 22 ist in dem zylindrischen Rohr 11 aufgenommen, welches einen Durchmesser 31 von etwa 3/8" besitzt und sich in einem Tank 32 befindet, der eine typische Höhe HT von etwa 1 Fuß aufweist und eine Flüssigkeit 34 enthält, beispielsweise Benzin, außerdem Dampf (oder Luft) 36. Das obere Ende des Rohrs 11 steht oben über den Tank 32 über, um sicherzustellen, daß die Linsenanordnung 18 bündig ist mit der Oberseite des Tanks oder über der Oberseite des Tanks liegt, damit die Fühlstandsmessung möglich ist, wenn der Schwimmer 34 sich oben am Tank befindet. Das Rohr 11 erstreckt sich in den Tank 32 über eine Strecke hinein, die um eine Distanz 36 von z. B. 1/4" etwas kürzer ist als die Höhe HT des Tanks. Das Rohr 11 kann aus Glas, Kunststoff, Metall oder anderem nicht-porösen Material bestehen. Alternativ kann das gesamte Rohr 11 aus einem Maschenmaterial, einem Gitter oder perforiertem Material bestehen, jedoch erhält dies die Fluid-Turbulenz, welcher der Schwimmer 22 ausgesetzt ist. Außerdem muß das Rohr 11 nicht zylindrische Form aufweisen, vorausgesetzt, der Schwimmer kann sich vertikal bewegen, wenn sich der Flüssigkeitspegel ändert. Die Flüssigkeit 34 tritt in das Rohr 11 vom unteren Ende 40 des Rohrs ein und verläßt dort das Rohr, wobei das untere Ende vollständig geöffnet, d. h. nicht abgedeckt) sein kann; allerdings kann die Flüssigkeit 34 das Rohr 11 auch seitlich anstelle von oder zusätzlich zum Boden 40 betreten oder verlassen. Ferner besitzt das Rohr 11 ein Lüftungsloch 42 in der Nähe des oberen Endes, welches einen Durchmesser 43 von etwa 1/8" aufweist. Das Lüftungsloch 42 ermöglicht den freien Eintritt und Ausstrom von Dampf in bzw. aus dem Rohr 11, um dadurch einen Druckunterschied zwischen der Dampfzone innerhalb des Rohrs 11 (oberhalb des Schwimmers 22) und der Dampfzone 36 außerhalb des Rohrs 11 zu vermeiden. Es sollte gesehen werden, daß das Lüftungsloch 42 nur dann benötigt wird, wenn das Rohr 11 aus solidem Material gefertigt ist.
Wenn gemäß Fig. 2 der Schwimmer 22 sehr dünn ist und der Wunsch besteht, den Schwimmer 22 an einem Umkippen zu verhindern, so kann der Schwimmer 22 ein oder mehrere Flansche 220 (oder Leitelemente) aufweisen, die von der Oberseite 24 und/oder der Bodenseite des Schwimmers 22 abstehen. Wenn allerdings die Flansche vom Boden des Schwimmers 22 abstehen, müssen möglicherweise entsprechende Nuten im Tank 32 ausgebildet werden, damit eine Fluidpegelmessung bis hin zum Boden des Tanks 32 möglich ist.
Gemäß Fig. 3 kann das untere Ende 40 des Rohrs 11 alternativ mit einem Gitter 222 bedeckt sein, oder kann vollständig abgedeckt sein, ausgenommen ein kleines Durchgangsloch 224. Um die Strömungsgeschwindigkeit der Flüssigkeit 34 innerhalb und außerhalb des Rohrs 22 zu verringern, und um damit die Strömungsturbulenz für den Schwimmer 22 zu minimieren, ist möglicherweise die Verwendung des Durchgangslochs 224 die beste Wahl. Das Abdecken des unteren Endes 40 des Rohrs 11 verhindert auch, daß der Schwimmer 22 bei der Installation des Rohrs 11 in dem Tank 32 herausfällt.
Gemäß Fig. 4 enthält die Flüssigkeitsstands-Meßschaltung 14 einen Funktionsgenerator 100, der über eine Leitung 102 an einen Laserdiodentreiber 104 ein Spannungssignal liefert, z. B. vom Typ Melles Griot, Teile Nr. O6DLD201. Der Laserdiodentreiber 104 wandelt das zwischen 0 und 20 Millivolt rampenartig sich ändernde Spannungssignal auf der Leitung 102 um in ein Stromsignal, welches von 21 auf 31 Milliampere rampenartig ansteigt (Fig. 7, Darstellung d), und welches über die Leitung 12 die Laserdiodenanordnung 10 (Fig. 1) betreibt. Auf Wunsch können andere Laserdiodentreiber und andere Rampenbereiche für Spannung und Strom verwendet werden. Die Erfindung treibt die Laserdiode in der aktiven Zone der Diode mit einem Sägezahn-Treiberstromsignal auf der Leitung 12, welches eine Folge periodischer positiv ansteigender Rampensignale (Fig. 7, Darstellung d) mit einem Gleichstrom-Versatz von etwa 30 Milliampere aufweist. Auf Wunsch können auch andere Signal-Versatzwerte und Bereiche verwendet werden. Die Wobbelfrequenz der Treiberstromwellenform auf der Leitung 12 beträgt 2 KHz, allerdings können auf Wunsch auch andere Frequenzen verwendet werden, wie weiter unten diskutiert wird. Der Funktionsgenerator 100 liefert außerdem uber eine Leitung 106 ein Ausblendsignal (welches unten diskutiert wird).
Nunmehr auf Fig. 5 bezugnehmend, enthält der Funktionsgenerator 100 einen Oszillator 300, z. B. einen Zähler/Timer vom Typ Texas Instruments 555 mit zugehörigen externen Widerständen und Kapazitäten. Der Oszillator 300 liefert ein Rechteck-Synchronisationssignal (Fig. 7, Teil a) über eine Leitung 302 an den Anstiegsflankeneingang eines ersten Monoflops 304, z. B. vom Typ National Semiconductor CD4528B, welches einen hohen Impuls mit einer vorbestimmten Zeitdauer von z. B. 10 Mikrosekunden über die Leitung 106 liefert, wenn das Synchronisationssignal seinen Zustand von niedrig nach hoch ändert. Die resultierende Wellenform (Fig. 7, Teil b) ist ein schmaler, hoher Impuls zu Beginn jeder Periode einer Sägezahnwellenform (Fig. 7, Teil d) und wird als (im folgenden diskutiertes) Ausblendsignal bezeichnet. Das Synchronisationssignal aus der Leitung 302 wird außerdem an den Anstiegsfiankeneingang eines zweiten Monoflops 306 (ähnlich dem ersten Monoflop 304) gegeben, welches ebenfalls ein hohes Impulssignal vorbestimmter Zeitdauer, die kürzer ist als die Zeitdauer des Austastsignals, beispielsweise 1 Mikrosekunde beträgt, über eine Leitung 108 abgibt, wenn das Synchronisationssignal seinen Zustand von niedrig nach hoch ändert, hier als Integrator-Rücksetz-Signal bezeichnet (Fig. 7, Teil c). Die Leitung 308 ist an einen rücksetzbaren elektronischen Integrator 310 angeschlossen, der einen Operationsverstärker A1 mit einer Kapazität C1 und einen Widerstand R1 in invertierender Standard-Integratorkonfiguration, außerdem einen Analogschalter 312, z. B. vom Typ Analog Devices AD7512, parallel zu dem Kondensator C1 aufweist, um Rücksetzmöglichkeit zu haben.
Über die Leitung 314 wird dem Integrator 310 eine vorbestimmte Integrator-Referenzspannung Vint zugeführt, welcher die Spannung Vint mit einer Rate integriert, die bekanntlich durch den Widerstand R1 und die Kapazität C1 festgelegt ist. Das Integrator-Rücksetzsignal auf der Leitung 308 gelangt an den Integrator 310 und wird dort dem Analogschalter 312 zugeführt. Ist das Integrator-Rücksetzsignal niedrig, so ist der Schalter geöffnet, und der Integrator 310 integriert das Eingangssignal Vint. Wenn hingegen das Integrator-Rücksetzsignal hoch ist, ist der Schalter 312 geschlossen und schaltet damit den Kondensator C1 kurz und treibt die Ausgangsspannung auf der Leitung 102 auf 0V. Das erhaltene Signal ist eine Sägezahn-Wellenform (Fig. 7, Teil d) auf der Leitung 102, die dazu benutzt wird, die Laserdiodenanordnung 10 zu treiben. Es sollte gesehen werden, daß die Zeitdauer der Integrator-Rücksetzimpulse lang genug sein muß, damit sich der Kondensator C1 auf den anfänglichen Rampenspannungspegel entladen kann. Andere Implementierungen des rücksetzbaren Integrators 310 können auf Wunsch verwendet werden.
Bezugnehmend auf Fig. 4 wird das Stromsignal auf der von der Laserdiodenanordnung 10 (Fig. 1) kommende Leitung 15 an einen bekannten Strom-Spannungs-(I/U-)Wandler 110 gegeben, welcher den Eingangsstrom in eine Ausgangsspannung auf der Leitung 110 umwandelt, die ähnliches Verhalten aufweist wie der Eingangsstrom, d. h. zu Intensitätsänderungen in Beziehung stehende Rampen und Pulse aufweist, jedoch in Spannungseinheiten. Der I/U-Wandler 110 enthält einen rauscharmen Operationsverstärker hoher Bandbreite, die Photodiode innerhalb der Laserdiodenanordnung 10, Widerstände, Kapazitäten und eine Vorspannung ähnlich derjenigen, wie sie in der oben erwähnten mit-anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist. Der I/U-Wandler verringert auch das hochfrequente Rauschen, indem er Frequenzen oberhalb von 1,6 MHz dämpft, und er verschiebt den Gleichpegel der Ausgangsspannung auf den gewünschten Pegel. Das Ausgangsspannungssignal auf der Leitung 112, welches einer Wellenform 200 (Fig. 4, Darstellung a) ähnelt, steht in Relation durch den Stromfluß durch die Photodiode, wie es in der vorerwähnten mit-anhängigen Patentanmeldung beschrieben ist. Die Änderung der Ausgangs-Rampenspannung beträgt etwa 150 Millivolt entsprechend einer 2mA betragenden Änderung der Laserdioden-Treiberstromrampe (und mithin der Ausgangsintensität) von 29 auf 31 mA. In ähnlicher Weise entsprechen Spannungsnnpulse zwischen 1 und 2 Millivolt Spitzenwert Stromimpulsen, die kennzeichnend sind für die vorerwähnte optische kohärente Interferenz. Auf Wunsch kann man andere elektronische Schaltungen für den I/U-Wandler 110 verwenden. Das Spannungssignal auf der Leitung 112 wird auf ein Hochpaßfilter (HPF) 114 gegeben, welches als Differenzierglied wirkt, um die hochfrequenten Impulse (Fig. 4, Darstellung a) zu separieren und zu verstärken gegenüber dem niederfrequenten Sägezahn (Fig. 7, Darstellung d). Genauer gesagt, handelt es sich bei dem Hochpaßfilter 114 um ein Einzelpol-Filter mit einer positiven Neigung von 20db/Dekade mit einer Gleichstromverstärkung von Null und einer Fckfrequenz von 120 KHz, jenseits derer der Betrag der Filterverstärkung bei einem Verstärkungsgrad von 10 flach ist. Der Ausgang des Hochpaßfilters 114 liefert ein differenziertes Signal ähnlich demjenigen, das durch die Wellenform 202 dargestellt ist (Fig. 4, Darstellung b). Das Filter 114 enthält Operationsverstärker, z. B. OP470, Widerstände und Kapazitäten in der bekannten Rückkopplungs-Verschaltung ähnlich derjenigen, die in der oben erwähnten mit-anhängigen Patentanmeldung dargestellt ist. Auf Wunsch können andere Konfigurationen von Operationsverstärkern und Komponenten verwendet werden.
Das differenzierte Signal von dem Hochpaßfilter 114 wird über eine Leitung 116 auf eine Signalkonditionierschaltung 118 gegeben. Die Signalkonditionierschaltung 118 verstärkt das Signal auf der Leitung 116 z. B. um 50, beseitigt den Gleichstromversatz aus der Wellenform, stellt einen Teil des Signals auf Null (oder blendet den Teil aus), verschiebt den Gleichpegel des Signals, um einen konsistenten Wert (0V) für den unteren Teil des Signals zu erhalten und liefert eine gewisse begrenzte Hochfrequenzfilterung. Das resultierende Signal (Fig. 4, Darstellung c) auf einer Leitung 120 enthält eine Folge von Impulsen, die von einer gemeinsamen Minimumspannung (Referenzebene) von etwa 0 Volt ausgehen. Andere gemeinsame Minimumspannungen können auf Wunsch verwendet werden. Genauer gesagt, enfhält gemäß Fig. 6 die Signalkonditionierschaltung 118 eine Verstärkungsstufe 250 (d. h. einen Verstärker) mit bekannter Elektronik, beispielsweise Operationsverstärkern und Widerständen, welche das differenzierte Signal auf der Leitung 116 um 50 verstärkt. Auf Wunsch können andere Verstärkungsstufen verwendet werden. Das verstärkte, differenzierte Signal wird über eine Leitung 252 auf einen ersten Eingang eines Summierglieds 255 gegeben, wo es auf eine vorbestimmte Gleichspannung V1 addiert wird, die über einer Leitung 258 einem zweiten Eingang des Summierglieds 250 zugeführt wird, und die die gleiche Amplitude, jedoch entgegengesetztes Vorzeichen der Gleichstromkomponente Vde (Fig. 4, Darstellung b) des verstärkten, differenzierten Signals auf der Leitung 252 hat, und das resultierende Signal wird über eine Leitung 260 ohne Gleichstromkomponente gegeben (vgl. die Darstellung b und c in Fig. 4).
Wir haben herausgefunden, daß, wenn das Diodentreiberstromsignal auf der Leitung 12 (Fig. 1, 4) abrupt seine Steigung ändert (d. h. eine Diskontinuität zeigt), im optischen Rückkopplungssignal höherfrequente Oberwellen erzeugt werden, die dazu führen, daß für eine kurze Zeitspanne von z. B. 10 Mikrosekunden zusätzliche Impulse in der Nähe der Diskontinuität in Erscheinung treten, was die Entfernungsmessung stört. Wir haben außerdem herausgefunden, daß das Signal auf der Leitung 116 Spitzen 303 (Fig. 4, Darstellung b) an den Rückflanken des Sägezahnsignals aufweist, bedingt durch Differenzierglied-Effekte des Hochpaßfilters 114, und Ursache ist für eine Gesamtverschiebung im Signalpegel, die ihrerseits Ursache ist für Ungenauigkeiten bei der Messung der Impulse. Außerdem haben wir herausgefunden, daß die Nullsetzung oder Ausblendung des Signals während dieser Zeit die Meßstörung beseitigt, ohne daß dies nennenswert auf Kosten der Genauigkeit geht, wie es in der vorerwähnten mit-anhängigen Patentanmeldung diskutiert ist.
Das von dem Summierglied 255 kommende Signal auf der Leitung 260 wird einem Eingang eines bekannten Analogschalters 262, z. B. Analog Devices, Analogschalter Teile Nr. AD7512, zugeleitet. Der andere Eingang des Schalters 262 ist an eine mit Masse (0V) verbundene Leitung 264 angeschlossen. Das Ausblendsignal (Fig. 7, Darstellung b) auf der Leitung 106 von dem Funktionsgenerator 100 wird auch dem Schalter 262 zugeführt und steuert die Auswahl des Ausgangssignals auf einer Leitung 270. Hat das Ausblendsignal hohen Pegel, verbindet der Schalter 262 das Signal von dem Summierglied 255 auf der Leitung 260 mit der Leitung 270. Wenn das Ausblendsignal niedrig ist, verbindet der Schaltung 262 das 0V-Signal auf der Leitung 260 mit der Leitung 270. Wie oben diskutiert, zeigt das Ausblendsignal (Fig. 7, Darstellung b) bei Diskontinuitäten des Treiberstrom-Sägezahnsignals (Fig. 4, Darstellung d), d.h. am Ende der Rampe, einen Impuls kurzer Dauer. Somit hat das Ausgangssignal auf der Leitung 270 ein ähnliches Aussehen wie das Eingangssignal auf der Leitung 260, mit der Ausnahme, daß das Signal für eine kurze Zeitspanne von z. B. 10 Mikrosekunden zu Beginn jeder Stromrampe (aufgrund der Austastsignalimpulse) auf 0V gesetzt wird. Deshalb blenden diese Impulse das Signal auf der Leitung 260 effektiv aus. Wenn Rauschen aufgrund hochfrequenter Komponenten in dem optischen Rückkopplungssignal, welches von dem Target 26 zurückreflektiert wird, oder von dem Hochpaßfilter 24 kein Problem darstellt, kann der Schalter 262 auf Wunsch weggelassen werden.
Bezugnehmend auf Fig. 8, sollte im Idealfall in einer gegebenen Zeitspanne des Sägezahnsignals (Fig. 7, Darstellung d) jeder Austastsignal impuls (Fig. 7, Darstellung b) auf der Leitung 106 seine Anstiegsflanke vor jedem Impuls des Integrator-Rücksetzsignals (Fig. 7, Darstellung c) auf der Leitung 308 haben, und sollte seine Rückflanke nach jedem Impuls des Integrator-Rücksetzsignals haben, um sicherzustellen, daß das gewünschte Signal für eine kurze Zeitspanne vor und nach der Rückflanke des Sägezahnsignals ausgeblendet wird. Allerdings kann die Anstiegsflanke der Ausblend- und Integratorrücksetz-Signale gleichzeitig (wie in Fig. 7) auftreten, weil es genügend Zeitverzögerung zwischen der Diskontinuität der Sägezahnwelle mit der abfallenden Flanke und deren Auswirkung auf das Rückkopplungssignal auf der Leitung 15 von der Laserdiodenanordnung 10 gibt, damit der Schalter 262 das gewünschte Signal austasten kann.
In Fig. 6 enthält die Signalkonditionierschaltung 118 auch eine Gleichanteil-Rückgewinnungsschaltung 272, an die das Signal auf der Leitung 270 gegeben wird. Die Gleichanteil-Rückgewinnungsschaltung 272 verschiebt das Eingangssignal in der Weise, daß der Anteil niedriger Amplitude des Signals stets den gleichen Wert von beispielsweise 0V hat. Das Signal auf der Leitung 270 wird einem ersten Eingang eines Summierglieds 274 und außerdem einem Negativspitzen-Demodulator 278 zugeleitet. Der Negativspitzen-Demodulator 278 liefert ein positives Signal über die Leitung 280, welches bezeichnend ist für den mittleren niedrigsten Wert (z. B. in den vergangenen 2 Millisekunden) des Eingangssignals. Das Signal auf der Leitung 280 wird einem zweiten Eingang des Summierglieds 274 zugeleitet, um dadurch das Signal auf der Leitung 270 um einen solchen Betrag anzuheben, den es zuvor unterhalb von Null Volt war. Das resultierende Signal wird auf einer Leitung 282 gegeben. Die Gründe dafür, daß die Gleichanteil-Rückgewinnungsschaltung verwendet wird, sind die gleichen, wie sie in der vorerwähnten mit-anhängigen Patentanmeldung erläutert sind.
Das Signal von der Gleichanteil-Rückgewinnungsschaltung 272 auf der Leitung 282 wird einem bekannten Tiefpaßfilter 248 zugeführt, welches Operationsverstärker, Widerstände und Kapazitäten in einer bekannten Gegenkopplungsschaltung enthält. Die Fckfrequenz des Filters 284 beträgt 1MHz. Das Filter beseitigt unerwünschtes hochfrequentes Rauschen aus dem Signal, bevor dieses der übrigen Schaltung über die Leitung 220 zugeleitet wird. Auf Wunsch kann ein anderes Tiefpaßfilter oder auch kein Tiefpaßfilter verwendet werden, abhängig vom Anteil und der Frequenz des vorhandenen Rauschens. Andere Schaltungsanordnungen für die Signalkonditionierschaltung 118 oder irgendeinen Teil davon sind auf Wunsch möglich.
Nunmehr auf Fig. 4 bezugnehmend, wird das von der Signalkonditionierschaltung 118 über die Leitung 120 kommende Signal einem ersten Eingang einer Vergleicherschaltung 128 zugeleitet. Über eine Leitung 130 wird einem zweiten Eingang der Vergleicherschaltung 128 ein Referenzsignal Vref zugeleitet. Die Amplitude des Referenzsignals ist auf einen vorbestimmten Pegel eingestellt, z. B. mit Hilfe eines Spannungsteilers, wobei der Pegel oberhalb des Rauschgrundanteils des differenzierten, gepulsten und ausgeblendeten Signals auf der Leitung 120 und unterhalb der untersten Spitze der auf dem Eingangssignal erwarteten Impulse liegt. Der Vergleicher liefert ein Ausgangssignal auf einer Leitung 132, welches entweder einen niedrigen Zustand, z. B. 0V, oder einen hohen Zustand von z. B. 5V aufweist. Wenn die Amplitude des Eingangssignals auf der Leitung 120 größer ist als die Amplitude der Referenzspannung auf der Leitung 130, ist das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung 128 auf der Leitung 132 hoch. Wenn hingegen die Amplitude des Eingangssignals niedriger ist als die Amplitude des Referenzsignals, ist das Ausgangssignal der Vergleicherschaltung 128 auf der Leitung 132 niedrig. Die Vergleicherschaltung 128 enthält einen bekannten Vergleicher (z. B. LM211H, dem zwecks Hysterese eine Mitkopplung hinzugefügt ist, z. B. +/-5 Millivolt auf dem durch das Referenzsignal eingestellten Schwellenwert, um dadurch zu vermeiden, daß störendes Rauschen einen Zustandswechsel des Ausgangssignals hervorruft. Die Vergleicherschaltung 128 liefert außerdem Impulse mit einer gleichmäßigeren Ausgangsamplitude von z. B. 5 Volt und mit weniger Rauschen als das Eingangssignal auf der Leitung 120. Andere Ausgestaltun gen für die Vergleicherschaltung 128 sind möglich, falls erwünscht. Das von der Vergleicherschaltung 128 über die Leitung 132 kommende Signal wird einem bekannten Impulsformer 134 zugeführt, der z. B. ein Monoflop enthält. Der Impulsformer 134 liefert über eine Leitung 136 Impulse, die sauberer sind, d. h. Impulse, die rechteckiger mit vertikaleren Flanken sind als das Signal von dem Vergleicher 128 auf der Leitung 132, wobei die Signale außerdem eine konstante, vorbestimmte Zeitdauer von z. B. 1 Mikrosekunde besitzen.
Das pulsförmige Ausgangssignal des Impulsformers 134 wird über eine Leitung 136 einem bekannten Tiefpaßfilter 138 zugeleitet. Das Tiefpaßfilter 138 enthält einen Operationsverstärker, Widerstände und Kondensatoren in bekannter Gegenkopplungsschaltung. Die Eckfrequenz des Tiefpaßfilters 138 beträgt 0,02 Hz (entsprechend einer Zeitkonstanten von etwa 10 Sekunden); allerdings können auf Wunsch auch andere Frequenzen verwendet werden. Das Tiefpaßfilter 138 gibt ein Signal auf eine Leitung 140, welches bezeichnend ist für den mittleren Wert des Signals auf der Leitung 140, das direkt bezogen ist auf das Tastverhältnis und somit auf die Anzahl von Impulsen im Mittel, zu beobachten auf dem Rückkopplungssignal von der Laserdiode (weil die Impulsbreite konstant ist). Deshalb liefert das Tiefpaßfilter ein Signal, welches proportional ist zu der Entfernung L zu dem Schwimmer 22 (Fig. 1).
Das Signal auf der Leitung 140 wird einer Verstärkungsstufe 142 zugeleitet, welche die Amplitude des Signals auf der Leitung 140 mit einem vorbestimmten Wert von z. B. cK/2ΔF multipliziert, wobei K eine Proportionalitätskonstante ist, die sich auf den Gleichpegel auf der Leitung 140 und die Anzahl von Impulsen N bezieht, um auf einer Leitung 146 ein Signal zu bilden, welches kennzeichnend ist für die Entfernung L bis hin zu dem Schwimmer 22 in den gewünschten Einheiten, beispielsweise Zoll. Das Signal auf der Leitung 146 wird einem negativen ersten Eingang eines Summierglieds 148 zugeleitet, und ein für die Höhe HD (Fig. 1) zwischen dem Boden der Laserdiodenanordnung 10 und dem Boden des Tanks 32 bezeichnendes Spannungssignal Vd wird dem zweiten Eingang des Summierglieds 148 zugeführt. Das Summierglied 148 subtrahiert die Entfernung L von der Strecke HT, und das resultierende Signal auf der Leitung 16 ist bezeichnend für die Höhe der Flüssigkeit HL gegenüber dem Boden des Tanks 32 in der Nähe des Rohrs 11. Die Höhe HL läßt sich dann einfach in Volumen, beispielsweise Gallonen, Flüssigkeit innerhalb des Tanks 32 umwandeln.
Wie oben diskutiert, verwendet die Erfindung ein Sägezahn-Wellenform signal (Fig. 7, Darstellung d) zum Treiben der Laserdiodenanordnung 10. Es ist bekannt, daß die Anzahl von Impulsen, wie sie auf dem Rückkopplungssignal (Fig. 4, Darstellung a) auf der Leitung 15 zu sehen sind, proportional ist zu dem Abstand und der Geschwindigkeit des Schwimmers 22 (oder des Targets; Fig. 1), wie oben und in der vorer wähnten mit-anhängigen Patentanmeldung diskutiert ist. Es ist auch bekannt, daß die Polarität der Geschwindigkeitsimpulse Fd bestimmt wird durch die Richtung, in der sich der Schwimmer 22 bewegt. Genauer gesagt: bewegt sich das Target in Richtung des Lasers, werden die Geschwindigkeitsimpulse positiv, bewegt es sich fort, werden sie negativ (d. h., die Polarität bestimmt sich durch die Richtung der Geschwindigkeitskomponente des Targets).
Wenn der Schwimmer auf der Flüssigkeit 34 in dem Tank 32 schwimmt, oszilliert die Flüssigkeitshöhe HL aufgrund von Welligkeiten entlang der Oberfläche der Flüssigkeit 34, verursacht durch eine Bewegung des Tanks sowie andere Ursachen. Allerdings ändern sich starke Oszillationen um einen gleichen Betrag oberhalb und unterhalb eines ständigen (Ruhe-)Flüssigkeitsstands. Damit gleichen die Entfernungsimpulse Fx im Mittel dem Dauer-Flüssigkeitsstand. Außerdem haben wir herausgefünden, daß die Geschwindigkeit des Schwimmers in beide Richtungen etwa symmetrisch ist. Damit gleicht die Anzahl der Geschwindigkeitsimpulse Fx für die Sägezahnrampen-Wellenform, die zu der Entfernung Fx in eine Richtung hinzukommt, der Anzahl von Geschwindigkeitsimpulsen Fd, die von Fd in der anderen Richtung subtrahiert werden. Im Mittel ist deshalb der am Gleichstrompegel vom Filter 138 gesehene Geschwindigkeitseffekt Null (der gewünschte Dauerwert).
Es ist bekannt, daß die Verwendung von kohärenten Lichtquellen Speckle-Rauschen auf dem Rückkopplungssignal hervorruft, wie dies oben diskutiert wurde. Es ist ferner bekannt, daß die Größe (der Durchmesser) des optischen Speckle-Rauschens, wie es an der Linsenapertur gesehen wird, proportional ist zum Strahldurchmesser, wenn der Strahl auf das Target auftrifft, und durch folgende bekannte Relation beschrieben wird:
Ds = λL/Db Gl. 4
wobei Ds der Durchmesser des optischen Speckle-Rauschens, Db der Durchmesser des auftreffenden Strahlenbündels, L der Abstand zwischen dem Target und dem Laser und λ die Wellenlänge des auftreffenden Lichts ist. Je kleiner also der Durchmesser des auftreffenden Strahlenbündels ist, desto größer ist der Speckle-Durchmesser. Ist der Speckle- Durchmesser Ds groß, zeigt das optische Rückkopplungssignal Ausfälle, wenn sich die Entfernung zu dem Target ändert, d. h. es kommt zu starken Intensitätsabsehkungen bei gewissen Entfernungen. Diese Ausfälle können eine Entfernungsmessung deshalb verhindern, weil die Menge Licht zwischen den Flecken derart gering sein kann, daß sie von dem Vergleicher 128 nicht nachgewiesen würden. Weil das Speckle- Rauschen in Beziehung zu dem Strahldurchmesser steht, sorgt die Verwendung eines kollimierten Strahlenbündels für konstantes Speckle-Rausehen, wenn sich das Target bewegt (weil der Durchmesser des Strahlenbündeis eine Konstante darstellt), so daß hierdurch ein konstanter Rausch-Grundpegel gebildet wird, von dem ausgehend die Intensitätsimpulse auf dem Rückkopplungssignal gemessen werden. Dieses Speckle-Prinzip gilt unabhängig für die Wobbelfrequenz beim Betreiben des Lasers.
Wir haben herausgefünden, daß die Verwendung eines kollimierten Strahlenbündels anstelle eines fokussierten Strahls, wie es bei Beheim et al. und bei Lang et al. der Fall ist, im Verein mit dem reflektierenden Band auf dem Target, ein konstantes Speckle-Rauschen liefert, wenn sich das Target bewegt, und immer noch für eine angemessene optische Rückkopplungsintensität sorgt. Wenn also ein kollimiertes Strahlungsbündel und ein "dazugehöriges" Target (d. h. ein Target mit abgestimmten Reflexionseigenschaften) ähnlich dem Schwimmer 22 verwendet werden, kann man mit Niederfrequenz-Elektronik arbeiten, um die Laserdiode zu betreiben und das Rückkopplungssignal zu analysieren.
Obschon die Sägezahn-Treiberfrequenz gemäß der Erfindung 2 KHz beträgt, können auf Wunsch auch andere Treiberfrequenzen des Sägezahnsignals (niedrigere oder höhere) verwendet werden.
Obschon die Erfindung eine Flüssigkeitsstands-Messung verwendet, arbeitet die Erfindung gleichermaßen gut, wenn sie zum Messen von Entfernungen zu "zugehörigen" reflektierenden Targets, die anders beschaffen sind als solche, die auf einer Flüssigkeit schwimmen, verwendet wird, vorausgesetzt, das Target besitzt ein adequates Reflexionsvermögen, und das kollimierte Strahlenbündel weist genügend Leistung auf, um die benötigte optische Rückkopplungsintensität zu liefern. Es sollte gesehen werden, daß die Verwendung der Sägezahnwellenform (Fig. 7, Darstellung d) die zum Verarbeiten des Rückkopplungssignals und zum Berechnen des Flüssigkeitsstands benötigte Elektronik minimiert.
Der Fachmann sollte sehen, daß es zahlreiche weitere bekannte akzeptable Schaltungskonfigurationen gibt, die zum Implementieren der Signalverarbeitungsfünktionen verfügbar sind, die von der Flüssigkeitsstands-Meßschaltung 14 durchgefuirrt werden, d. h. das Trennen der Impulse und das Charakterisieren der Anzahl von Impulsen pro Rampen- Zyklus. Obschon die Erfindung dargestellt wurde in einer Form, in der sie durch Hardware-Elektronik implementiert wird, sollte der Fachmann erkennen, daß die Erfindung gleichermaßen gut arbeitet, wenn die Hardware-Schaltungen 100, 114, 118, 122, 128, 134, 138, 142 und 148 durch einen Rechner in Software implementiert werden, und ein A/D- Wandler hinzugefügt ist, um das Signal auf der Leitung 112 in digitale Bits mit einer Rate von mindestens dem doppelten der größten umzuwandelnden Frequenz umzuwandeln, beispielsweise ist eine A/D-Rate von 1,5 MHz ausreichend für 300 Impulse bei einer 0,5 Millisekunden dauernden Rampe.
Ferner sollte verstanden werden, daß der Flüssigkeitsstand HL umgewandelt werden kann in einen Volumenwert, in Prozent oder in einen Bruchteil der Flüssigkeit innerhalb des Tanks, indem von bekannten Berechnungen mit Einsetzen der Abmessungen und der Geometrie des Tanks Gebrauch gemacht wird. Bei Ausführung in Software und bei Anwendung im Fahrzeugbereich lassen sich zahlreiche verschiedene Tank-Geometrien vorab in einem Speicher abspeichern und basierend auf Hersteller und Fahrzeugmodell abrufen.
Anstatt ein Rohr 11 zu verwenden, kann die Geometrie des Tanks 32 auch eine Zone aufweisen, welche Flüssigkeit in einem zur Aufnahme des Schwimmers geeigneten Bereich hält. Wenn das Rohr 11 verwendet wird, kann der Tank auch mit losen Schlingerwänden bestückt sein, um das Spritzen der Flüssigkeit innerhalb des Tanks weiter zu dämpfen, ohne daß es zu einer Kollision mit dem Schwimmer oder einer Störung des Meßvorgangs kommt.
Obschon die Erfindung unter Verwendung einer Haibleiterdiode erläutert wurde, arbeitet die Erfindung gleichermaßen gut mit irgendeinem anderen Laser, der eine optische Betriebsfrequenz aufweist, die sich möglicherweise in einem akzeptierbaren Bereich ändert (oder zirpt) und andere Merkmale aufweist, die mit der Entfernungsmessung kompartibel sind (wie oben diskutiert).
Anstatt einen Schwimmer zu verwenden, kann die Flüssigkeitsoberfläche zum Reflektieren des Strahls 20 verwendet werden, wie dies bei der alternativen Ausführungsform in Fig. 9 gezeigt ist. Der Durchmesser 31 des Rohrs 11 ist klein genug, um einen bekannten Meniskuseffekt zu verursachen, wobei sich die Oberfläche 250 der Flüssigkeit 34 nach oben krümmt (die Seiten des Rohrs 11 benetzt). Der Meniskuseffekt hängt ab von der Materialzusammensetzung des Rohrs 11 und von der Art der zu messenden Flüssigkeit 34. Die gekrümmte Flüssigkeitsoberfläche 250 fungiert als gekrümmte (konkave) reflektierende Fläche (aufgrund der Fresnel-Reflexion), welche den Strahl 20 reflektiert und einen fokussierten Strahl bildet, dessen Brennweite dem halben Krümmungsradius der Oberfläche 250 entspricht. Wenn der Abstand von der Laseranordnung 10 zu der Flüssigkeit viel größer ist als die Brennweite (d. h., wenn der Krümmungsradius der Oberfläche 250 groß ist) erscheint der rücklaufende Strahl 20 aus der Sicht der Laseranordnung 10 (Fig. 1) als kollimiertes Strahlenbündel. Es sollte verstanden werden, daß der Meniskuseffekt und mithin das Ausmaß der Krümmung der Oberfläche 250 unabhängig vom Flüssigkeitsstand und der Bewegung der Flüssigkeit innerhalb des Tanks 32 konstant ist. Deshalb ist das Reflexionsvermögen der Flüssigkeitsoberfläche 250 konstant. Es sollte verstanden werden, daß zwar möglicherweise das einfallende Licht streut, jedoch der größte Teil des Lichts zu der Laseranordnung 10 zurückreflektiert wird. Eine ebene blanke Flüssigkeitsoberfläche kann nicht verwendet werden, da es nur eine exakte Bedingung der Flüssigkeit gibt (d. h. vollständig flach ohne Welligkeiten und genau senkrecht zum auftreffenden Strahl 10), bei der der Strahl 20 direkt zurück zu der Laseranordnung 10 reflektiert wird. Folglich ist eine flache Flüssigkeitsoberfläche sehr empfindlich für eine Bewegung der Flüssigkeit innerhalb des Tanks 32.
Außerdem sollte vom Fachmann gesehen werden, daß die Signalverarbeitungsfunktion des Ausblendens eines Teils des Rückkopplungssignals von der Laserdiodenanordnung 10 (Fig. 1) ihre beabsichtigte Funktion (d. h. das Beseitigen unerwünschten Rauschens bei Diskontinuitäten im Lasertreibersignal) unabhängig ist vom Typ des verwendeten Laserstrahls (d. h. fokussiert oder kollimiert), außerdem unabhängig vom Typ des verwendeten Targets (d. h. zusammenwirkend oder nicht).
Andere zu der optischen kohärenten Distanzmessung in Beziehung stehende Patente beinhalten das US-Patent 4,733,609, Goodwin et al, und weitere Patente bezüglich der optischen Flüssigkeitsstandsmessung beinhalten die US-Patente 4,689,489, Cole und 4,938,590, Ishida.

Claims

1. Laser-Entfernungsmeßvorrichtung zum Messen der Entfernung zu einem vorbestimmte hochreflektierende Eigenschaften aufweisenden zugehörigen Target (24), umfassend:

a) eine Laseranordnung (10) mit einem eine veränderliche optische Betriebsfrequenz aufweisenden Laser, der in Richtung auf das Target (24) ein Ausgangslicht emittiert;

b) wobei die Laseranordnung (10) außerdem basierend auf Kohärenz-Interferenz innerhalb des Lasers zwischen vom Target (24) reflektiertem Licht und Licht innerhalb des Lasers ein Rückkopplungssignal (15) liefert, dessen Stärke zu dem Abstand von der Laseranordnung (10) zu dem Target (24) in Beziehung steht;

c) eine Lasertreibereinrichtung (104) zum Bereitstellen eines veränderlichen Lasertreibersignais (12) für die Laseranordnung (10), um die optische Betriebsfrequenz des Lasers zu variieren;

d) eine Entfernungsmeßeinrichtung (14), die auf das Rückkopplungssignal (15) von der Laseranordnung (10) anspricht, um ein für den Abstand zu dem Target (24) kennzeichnendes Entfernungssignal (16) bereitzustellen; und

e) eine Kollimiereinrichtung (19), die sich in dem Weg des Ausgangslichts befindet, um ein kollimiertes Licht zu bilden, welches auf das Target (24) auftrifft und von dem Target (24) zurück in die Laseranordnung (10) reflektiert wird;

f) wobei das kollimierte Licht von der Kollimiereinrichtung (19) gemeinsam mit den hochreflektierenden Eigenschaften des Targets (24) für ein verringertes Specklerauschen und einen im wesentlichen konstanten Specklerausch-Grundwert über dem Bereich des Targets (24) sorgt, dadurch gekennzeichnet, daß

g) das Lasertreibersignal eine Sägezahn-Wellenform aufweist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, bei der das Target (24) mit einem reflektierenden Band bedeckt ist.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, bei der das Entfernungsmeßsignal zu der Anzahl von Impulsen des Rückkopplungssignals in Beziehung gesetzt wird.

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, bei der der Laser eine Laserdiode aufweist.

5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, bei der das Target (24) sich auf einer Flüssigkeit (34) befindet, deren Pegel zu der Entfernung in Beziehung steht.

6. Vorrichtung nach Anspruch 5, umfassend ein Rohr (11) zum Eingrenzen des Targets (24) auf eine Fläche in der Nähe des kollimierten Lichts und zur Aufnahme der zu messenden Flüssigkeit (34).

7. Vorrichtung nach Anspruch 5 oder 6, bei der die Entfernungsmeßeinrichtung (14) eine Einrichtung zur Bildung eines Flüssigkeits standssignals (16) aufweist, welches kennzeichnend ist für den Stand der Flüssigkeit (34).

8. Vorrichtung nach Anspruch 6 oder 7, bei der das Rohr (11) zur Aufnahme eines Teils der zu messenden Flüssigkeit (34) eine solche Größe und eine solche Materialzusammensetzung aufweist, daß an der Oberfläche der Flüssigkeit (34) in dem Rohr ein Meniskuseffekt hervorgerufen wird, und das Target durch diesen Meniskus (250) gebildet wird.

9. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, umfassend eine Signalverarbeitungseinrichtung (11), die auf das Rückkopplungssignal (15) von der Laseranordnung (10) anspricht, indem sie einen Teil des Rückkopplungssignals (15) ausbiendet, der mit Diskontinuitäten des Lasertreibersignals (12) übereinstimmt.