ES2264072T3 - Sensor optico. - Google Patents
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Abstract
Sensor óptico (1) para la determinación de distancias de objetos (2) dentro de un intervalo de observación, con un emisor (5) que emite rayos luminosos de emisión (4) y una primera unidad lógica asignada a éste para generar al menos una frecuencia f1', con la cual los rayos luminosos de emisión (4) están modulados en amplitud, con un receptor (7) que recibe rayos luminosos de recepción (6) y una segunda unidad lógica asignada a éste para generar al menos una segunda frecuencia f1, que con relación a la frecuencia f1' está desplazada en una frecuencia diferencial Deltaf, y que es alimentada como señal de reloj al receptor (7), de manera que en la salida del receptor (7) mediante mezclado de las frecuencias f1 y f1' se genera una señal de salida periódica (A) con la frecuencia diferencial Deltaf y con un desplazamiento de fase (psi) que representa una medida para la distancia al objeto, con una unidad de exploración para explorar la señal de salida (A) con una frecuencia de exploración fA, con una unidad de evaluación para el cálculo de la distancia al objeto a partir del desplazamiento de fase (psi) determinado por exploración de la señal de salida (A), y con una unidad de mando para generar una señal de arranque (S) para las unidades lógicas y las unidades de exploración, generándose con la señal de arranque (S) un punto de referencia común en el tiempo para las frecuencias fA, f1 y f1'.
Description
Sensor óptico.
El invento se refiere a un sensor óptico.
Semejantes sensores ópticos sirven para la
determinación de distancias de objetos en un intervalo de
observación. La determinación de distancias se efectúa según el
método de diferencia de fase. El sensor óptico presenta a tal fin un
emisor que emite rayos luminosos de emisión y un receptor que recibe
rayos luminosos de recepción. Para realizar la medición de fase en
el caso más sencillo se imprime a los rayos luminosos de emisión una
modulación en amplitud con una frecuencia única. Los rayos luminosos
de recepción reflejados por un objeto presentan una correspondiente
modulación en amplitud, pero ésta está desplazada en fase para la
modulación en amplitud de los rayos luminosos de emisión en
correspondencia al tiempo de propagación de la luz desde el sensor
óptico hasta el objeto y vuelta al sensor óptico. En una unidad de
procesamiento de señales se determina la diferencia de fase de los
rayos luminosos de emisión y de los rayos luminosos de recepción. A
partir de esta diferencia de fase se calcula entonces la distancia
del objeto al sensor óptico.
Por el documento DE 198 11 550 A1 es conocido un
sensor óptico semejante que trabaja según el método de diferencia de
fase. Este sensor óptico presenta un dispositivo de conmutación
compuesto por componentes de conmutación digitales para la
generación de señales de frecuencia, que se requieren para realizar
la medición de fase.
Además el dispositivo de conmutación comprende
un oscilador que genera una frecuencia fundamental f_{0}. Éste
está conectado a dos unidades lógicas, que en esencia se componen
respectivamente de un divisor, un filtro y un amplificador. En un
primer divisor se genera por división de la frecuencia fundamental
f_{0} una frecuencia f_{1}, que es alimentada como señal de
reloj al receptor, que está formado por un fotodiodo de
avalancha.
En un segundo divisor se genera por división de
la frecuencia fundamental f_{0} una frecuencia f_{1}', la cual
es
f_{1}' = f_{1} - \Deltaf. Con esta frecuencia f_{1}' se modulan en amplitud los rayos luminosos de emisión del emisor.
f_{1}' = f_{1} - \Deltaf. Con esta frecuencia f_{1}' se modulan en amplitud los rayos luminosos de emisión del emisor.
Las frecuencias f_{1} y f_{1}' están
situadas típicamente en el campo de los MHz, mientras que la
frecuencia diferencial \Deltaf, en la que difieren las frecuencias
f_{1} y f_{1}', está situada típicamente en el campo de los
kHz.
La frecuencia f_{1}' se deriva de la
frecuencia f_{1}, siendo conmutada subsiguientemente la señal de
frecuencia f_{1} con una frecuencia de reloj predeterminada entre
posiciones de fase discretas, que están determinadas por flancos de
la señal de frecuencia con la frecuencia fundamental f_{0}.
En el receptor se efectúa una mezcla de las
señales de frecuencia f_{1}, f_{1}' debido a que las señales de
recepción generadas por los rayos luminosos de recepción, moduladas
en amplitud con la frecuencia f_{1}', se superponen con la
frecuencia de reloj f_{1}.
La señal de salida periódica con la frecuencia
\Deltaf generada de este modo en la salida del receptor contiene
el desplazamiento de fase entre los rayos luminosos de emisión y los
rayos luminosos de recepción y con ello la información sobre la
distancia al objeto a determinar.
Para determinar la diferencia de fase la señal
de salida es explorada con una frecuencia de exploración f_{A}
determinada. Para esto está previsto un microprocesador, que
controla a un transformador analógico-digital con la
frecuencia de exploración f_{A}. Los valores de exploración
generados con ello son utilizados en el microprocesador para el
cálculo de la distancia al objeto.
Las mediciones de distancia realizadas con el
emisor y el receptor son referidas respectivamente a una medición de
referencia, siendo para esto los rayos luminosos de emisión guiados
hacia el receptor a través de un tramo de referencia.
Una ventaja esencial del sensor óptico según el
documento DE 198 11 550 A1 consiste en que las señales de frecuencia
individuales de un único oscilador son derivadas en forma digital
por división de la frecuencia fundamental f_{0} de este oscilador.
De este modo se posibilita una exacta medición de distancia.
Es desventajoso aquí sin embargo el alto coste
de construcción del sensor óptico para realizar la medición de
distancia. Especialmente la continua medición de referencia a
realizar para cada medición de distancia requiere un alto coste no
deseable.
Sirve de base al invento el problema de
perfeccionar un sensor óptico del género mencionado al principio de
manera que con éste con coste de construcción lo más pequeño posible
se posibilite una exacta determinación de distancia.
Para la solución de este problema están
previstas las características de la reivindicación 1. En las
reivindicaciones subordinadas están descritas formas de realización
ventajosas y perfeccionamientos convenientes del invento.
El sensor óptico según el invento sirve para la
determinación de distancias de objetos dentro de un intervalo de
observación y presenta un emisor que emite rayos luminosos de
emisión y una primera unidad lógica asignada a éste para generar al
menos una frecuencia f_{1}', con la cual los rayos luminosos de
emisión están modulados en amplitud. Asimismo el sensor óptico según
el invento comprende un receptor que recibe rayos luminosos de
recepción y una segunda unidad lógica asignada a éste para generar
al menos una segunda frecuencia f_{1}, que con relación a la
frecuencia f_{1}' está desplazada en una frecuencia diferencial
\Deltaf. Esta segunda frecuencia f_{1} es alimentada como
señal de reloj al receptor, de manera que en la salida del receptor
mediante mezclado de las frecuencias f_{1} y f_{1}' se genera
una señal de salida periódica con la frecuencia diferencial
\Deltaf y con un desplazamiento de fase que representa una medida
para la distancia al objeto. Además el sensor óptico según el
invento presenta una unidad de exploración para explorar la señal de
salida con una frecuencia de exploración f_{A}. Asimismo el sensor
óptico según el invento contiene una unidad de evaluación para el
cálculo de la distancia al objeto a partir del desplazamiento de
fase determinado por exploración de la señal de salida. Una unidad
de mando sirve para generar una señal de arranque para las unidades
lógicas y las unidades de exploración, generándose con la señal de
arranque un punto de referencia común en el tiempo para las
frecuencias f_{A}, f_{1} y f_{1}'.
Una ventaja esencial del sensor óptico según el
invento consiste en que mediante la referencia común de las señales
de frecuencia de las unidades lógicas y de las unidades de
exploración puede suprimirse una continua medición de referencia
para la referenciación de los valores de distancia individuales
determinados actualmente.
Para establecer un punto de referencia
inequívoco de los desplazamientos de fase determinados en la unidad
de evaluación con relación a la distancia al objeto, se necesita
únicamente realizar con el sensor óptico una medición de calibración
con respecto a un blanco de referencia predeterminado.
Convenientemente la medición de calibración puede realizarse antes
de la puesta en servicio del sensor óptico. Para la compensación de
influencias parásitas como por ejemplo derivas térmicas de elementos
de construcción la medición de calibración puede repetirse a
intervalos grandes.
Puesto que para las mediciones de distancia
individuales en el caso del sensor óptico según el invento no tienen
que realizarse mediciones de referencia ninguna, se obtiene una
considerable reducción del coste de construcción del sensor óptico.
Además los tiempos de medición del sensor óptico en la determinación
de distancia se reducen considerablemente.
El invento se explica a continuación con ayuda
de los dibujos. Muestran:
La Figura 1: Representación esquemática del
sensor óptico según el invento.
La Figura 2: Diagrama de bloques de la unidad de
procesamiento de señales del sensor óptico según la Figura 1.
La Figura 3: Desarrollo de la señal de salida
sinusoidal generada en la unidad de procesamiento de señales y de
una señal de referencia.
La Figura 4: Representación esquemática de la
determinación del desplazamiento de fase de la señal de salida según
la Figura 3 a partir de un número de valores de exploración.
La Figura 5: Desarrollo en el tiempo de las
señales de frecuencia generadas en la unidad de procesamiento de
señales según la Figura 2.
La Figura 1 muestra esquemáticamente la
constitución de un sensor óptico 1 para la determinación de
distancias de objetos 2 dentro de un intervalo de observación. El
sensor óptico 1 integrado en una caja 3 presenta un emisor 5 que
emite rayos luminosos de emisión 4 y un receptor 7 que recibe rayos
luminosos de recepción 6. El emisor 5 está formado por un diodo
láser, y el receptor 7 por un fotodiodo de avalancha. Al emisor 5
está subordinada una óptica de emisión 8 para la conformación de
rayos. Los rayos luminosos de recepción 6 son guiados al receptor 7
por medio de una óptica de recepción 9. Los rayos luminosos de
emisión 4 son guiados en el intervalo de observación a través una
ventana de salida 10 en la pared frontal de la caja 3 e inciden
sobre un objeto 2. Los rayos luminosos de recepción 6 reflejados de
retorno en el objeto 2 son guiados hacia el receptor 7 a través de
la ventana de salida 10.
La medición de distancia se efectúa según el
principio de medición de fase. Para realizar la medición de
distancia está integrada en el sensor 1 una unidad de procesamiento
de señales 11. Por medio de ésta se imprime a los rayos luminosos de
emisión 4 una modulación en amplitud con al menos una frecuencia de
modulación. Los rayos luminosos de recepción 6 reflejados de retorno
desde el objeto 2 hacia el receptor 7 presentan la misma modulación
en amplitud, pero los rayos luminosos de recepción 6 registrados en
el receptor 7 están desplazados en fase con respecto a los rayos
luminosos de emisión 4 emitidos por el emisor 5 en un desplazamiento
de fase \varphi correspondiente al tiempo de propagación de la luz
desde el sensor óptico 1 hasta el objeto 2. A partir de este
desplazamiento de fase \varphi se efectúa en la unidad de
procesamiento de señales 11 la determinación de la distancia al
objeto. Los valores de distancia así calculados son emitidos a
través de una salida 12.
La Figura 2 muestra la constitución de la unidad
de procesamiento de señales 11 del sensor óptico 1 según la Figura
1. La unidad de procesamiento de señales 11 presenta dos unidades
lógicas formadas por elementos de construcción digitales, las cuales
comprenden respectivamente un divisor 13, 14. Los divisores 13, 14
están conectados a un oscilador 15, que está configurado como
oscilador de cuarzo. Con el oscilador 15 se genera una señal de
frecuencia con la frecuencia fundamental f_{0}.
En el presente caso al primer divisor 13 están
subordinados dos filtros de paso de banda 16a, 16b, estando
subordinado a cada filtro de paso de banda 16a, 16b un amplificador
17a, 17b. Las salidas de los amplificadores 17a, 17b están
conducidas a través de un primer elemento totalizador 18 al receptor
7 del sensor óptico 1.
Correspondientemente al segundo divisor 14 están
subordinados dos filtros de paso de banda 19a, 19b, estando
subordinado a cada filtro de paso de banda 19a, 19b un amplificador
20a, 20b. Las salidas de los amplificadores 20a, 20b están
conducidas a través de un segundo elemento totalizador 21 al emisor
5 del sensor óptico 1.
En variación a la forma de realización según la
Figura 2 las unidades lógicas pueden formar también una unidad de
construcción.
Las señales de salida en la salida del receptor
7 son alimentadas a través de otro filtro de paso de banda 22 y de
un amplificador 23 a un transformador
analógico-digital 24. Éste está conectado a un
microprocesador 25, que forma una unidad de evaluación, en la cual a
partir de las señales de salida del receptor 7 se calcula la
respectiva distancia al objeto.
Para realizar la medición de fase los rayos
luminosos de emisión 4 del emisor 5 son modulados en amplitud
cíclicamente de forma sucesiva con dos frecuencias f_{1} y
f_{2}'. Por principio el emisor 5 también puede ser modulado en
amplitud sólo con una frecuencia f_{1}'. Mediante el empleo de dos
o más frecuencias para la modulación de los rayos luminosos de
emisión 4 puede aumentarse considerablemente el intervalo de
inequivocabilidad de la diferencia de fase medida con el sensor
óptico 1 entre rayos luminosos de emisión 4 y rayos luminosos de
recepción 6 y con ello el intervalo de distancia que puede
registrarse.
Tanto las frecuencias f_{1}, f_{2} generadas
por medio del divisor 13 y sus componentes subordinadas de la
primera unidad lógica como las frecuencias f_{1}, f_{2}
generadas por medio del divisor 14 y sus componentes subordinadas de
la segunda unidad lógica están derivadas de la frecuencia
fundamental f_{0} del oscilador 15, de manera que entre éstas
existe una relación fija predeterminada.
En el divisor 13 por división de la frecuencia
se generan sucesivamente las frecuencias f_{10} y f_{20}. La
frecuencia f_{10} así generada así como sus oscilaciones armónicas
son alimentadas al filtro de paso de banda 16a. Allí es filtrada la
oscilación fundamental o una oscilación armónica de la frecuencia
f_{10}, de manera que la frecuencia f_{1} que aparece en la
salida del filtro de paso de banda 16a corresponde a la frecuencia
f_{10} o a un múltiplo entero de ésta. Correspondientemente por
medio del filtro de paso de banda 16b a partir de la frecuencia
f_{20} se obtiene la frecuencia f_{2}.
De manera correspondiente por división de la
frecuencia fundamental f_{0} en el divisor 14 se generan las
frecuencias f_{10}' y f_{20}', a partir de las cuales en los
filtros de paso de banda 19a, 19b se obtienen las frecuencias
f_{1}' y f_{2}'.
Con ello como primer par de frecuencias las
frecuencias f_{1}, f_{1}' están desplazadas recíprocamente en
una frecuencia diferencial \Deltaf según la relación f_{1}' =
f_{1} - \Deltaf. Correspondientemente como segundo par de
frecuencias las frecuencias f_{2}, f_{2}' están desplazadas
recíprocamente en la frecuencia diferencial \Deltaf según la
relación f_{2}' = f_{2} - \Deltaf.
El desplazamiento de frecuencia de f_{1}' o de
f_{2}' con respecto a f_{1} o a f_{2} se efectúa de manera
digital siendo alimentada al divisor 14 una frecuencia f_{v}
generada por división de la frecuencia fundamental f_{0} en el
divisor 13. Conforme al procedimiento descrito en el documento DE
198 11 550 C2 esta señal sirve como reloj para la subsiguiente
conmutación de la señal de frecuencia f_{10} o respectivamente
f_{20} entre posiciones de fase discretas, que están determinadas
por flancos de la señal de frecuencia f_{0}, de lo que luego se
generan las señales de frecuencia f_{10}', f_{20}' de frecuencia
algo más baja, desplazadas relativamente en \Deltaf.
Puesto que las frecuencias f_{10}, f_{20} y
a través de f_{v} también f_{10}' y f_{20}' presentan en cada
caso una relación fija con respecto a la frecuencia fundamental
f_{0,} estas frecuencias presentan unas con otras proporciones de
frecuencia constantes, fijamente definidas.
Para realizar una primera medición de distancia
los rayos luminosos de emisión 4 se modulan en amplitud con la
frecuencia f_{1}'. Simultáneamente la señal de frecuencia f_{1}
es alimentada como reloj al receptor 7. Los rayos luminosos de
recepción 6 reflejados por el objeto 2 están modulados en amplitud
con la frecuencia f_{1}' como los rayos luminosos de emisión 4.
Debido al tiempo de propagación de la luz de los rayos luminosos de
emisión 4 o respectivamente de los rayos luminosos de recepción 6
entre el sensor óptico 1 y el objeto 2 los rayos luminosos de
recepción 6 presentan un desplazamiento de fase \varphi. En el
receptor 7 se efectúa una mezcla del reloj con la frecuencia
f_{1} y la señal de recepción generada por los rayos luminosos de
recepción 6 con la frecuencia f_{1}', de manera que la señal de
salida en la salida del receptor 7, que presenta el desplazamiento
de fase \varphi que contiene la información de distancia, es una
señal periódica con la frecuencia diferencial \Deltaf.
La segunda medición de distancia se efectúa con
el par de frecuencias f_{2}, f_{2}', obteniéndose también aquí
una señal de salida periódica que contiene el desplazamiento de fase
\varphi con la frecuencia diferencial \Deltaf.
Las Figuras 3 y 4 muestran el procedimiento de
evaluación para la determinación del desplazamiento de fase
\varphi a partir de la señal de salida periódica. La señal de
salida designada con A representada en la Figura 3 presenta en este
caso un desarrollo sinusoidal.
La señal de salida A presenta un desplazamiento
de fase designado con \varphi con relación a un punto de
referencia, el cual por ejemplo se fija mediante una medición de
calibración con respecto a un blanco de referencia antes de la
puesta en servicio del sensor óptico 1.
Mediante exploración repetida del desarrollo en
amplitud de la señal de salida sinusoidal A se determina el
desplazamiento de fase \varphi de la señal de salida A, después de
lo cual a partir del desplazamiento de fase \varphi se calcula el
valor de distancia respectivo y se emite a través de la salida
12.
La Figura 4 muestra esquemáticamente la
exploración de un periodo de la señal de salida sinusoidal A con un
grupo de exploración de cuatro valores de exploración. El diagrama
derecho muestra el desarrollo en el tiempo de la señal de salida
sinusoidal A con el desplazamiento de fase \varphi. El diagrama
izquierdo representa el correspondiente diagrama vectorial para la
señal de salida A en el plano complejo, formando Im la parte
imaginaria y Re la parte real de la función compleja correspondiente
para la señal de salida A. Puesto que la señal de salida sinusoidal
A está desplazada con relación al punto cero como punto de
referencia en el desplazamiento de fase \varphi, resulta por el
mismo desplazamiento de fase \varphi en la función compleja Z en
el diagrama vectorial según la relación
Z = | \ Z \ |
\
e^{-j\varphi}
donde j =
\surd-1.
Conforme a ello el desplazamiento de fase
\varphi resulta según la relación
\varphi =
arc \ tan \
\frac{Im(Z)}{Re(Z)}
Para obtener el desplazamiento de fase \varphi
a partir del desarrollo sinusoidal de la señal de salida A se
utiliza esta relación y conforme a ello se definen cuatro valores de
exploración desplazados respectivamente 90º, con los cuales puede
determinarse el desplazamiento de fase \varphi. Como está
representado en la Figura 4 (diagrama derecho), los cuatro valores
de exploración están definidos por los valores de amplitud de la
señal de salida U(0), U(1), U(2),
U(3), estando situados estos valores de amplitud
respectivamente desplazados 90º unos con otros dentro de un periodo
de la señal de salida A.
Como resulta de la comparación con el diagrama
vectorial en la Figura 4, la diferencia D_{1} = ½(U(1) -
U(3)) representa la parte real y la diferencia D_{2} =
½(U(0) - U(2)) la parte imaginaria de la función
compleja del diagrama vectorial.
Conforme a ello se calcula la diferencia de fase
\varphi a partir de los valores de exploración U(0),
U(1), U(2), U(3) según la relación
\varphi = arc
\ tan \ [(U(0) - U(2)) / (U(1) -
U(3))]
La configuración de la exploración repetida de
la señal de salida A se define mediante una unidad de exploración,
que en el presente caso se compone del transformador
analógico-digital 24. La velocidad de exploración de
la señal de salida A se predetermina mediante una frecuencia de
exploración f_{A}. Esta frecuencia de exploración f_{A} se
genera en el divisor 13 por división de la frecuencia fundamental
f_{0} y se almacena en el transformador
analógico-digital 24. Puesto que la frecuencia de
exploración f_{A} como las demás frecuencias f_{1}, f_{2},
f_{1}', f_{2}' está derivada de la frecuencia fundamental
f_{0},_{} existe entre todas las frecuencias una proporción de
frecuencia constante definida.
El microprocesador 25 forma no sólo la unidad de
evaluación para la determinación de los valores de distancia, sino
también una unidad de mando para el control de de la unidad de
exploración así como de las unidades lógicas, especialmente de los
divisores 13, 14.
Para ello antes de cada medición de distancia
individual con el par de frecuencias f_{1}, f_{1}' o f_{2},
f_{2}' se genera en el microprocesador 25 una señal de arranque S
para la activación de los divisores 13, 14 y del transformador
analógico-digital 24. Generalmente con la señal de
arranque S se genera un punto de referencia definido en el tiempo
tanto para las frecuencias f_{1}, f_{1}' o f_{2}, f_{2}'
como para la frecuencia de exploración f_{A}. Puesto que por lo
tanto para la exploración de la señal de salida A del receptor 7 se
obtiene el mismo punto de referencia en el tiempo que para las
frecuencias f_{1}, f_{1}', f_{2}, f_{2}' para el control del
emisor 5 o del receptor 7, ya no se necesita realizar ninguna
medición de referencia adicional para las mediciones de distancia
individuales. Una única medición de calibración para la definición
de un punto de referencia para el desplazamiento de fase \varphi
de la señal de salida A es más bien sufi-
ciente.
ciente.
En el presente ejemplo de realización la señal
de arranque designada con S en la Figura 1 es alimentada al primer
divisor 13. La activación de las componentes individuales de las
unidades lógicas y de las unidades de exploración realizada luego
está ilustrada en la Figura 5.
Antes de la generación de una señal de arranque
S están desactivados los divisores 13, 14 y el transformador
analógico-digital 24.
La señal de arranque S, que se genera en el
microcontrolador y en el instante t_{0} es transferida al divisor
13, es asíncrona con respecto a la frecuencia fundamental f_{0}
del oscilador 15. En el divisor 13 con dependencia de la señal de
arranque asíncrona S con el flanco ascendente de la frecuencia
fundamental f_{0} que sigue a la señal de arranque S se genera una
señal de arranque síncrona S_{sync}, con la cual se activa el
divisor 13.
La señal de arranque síncrona S_{sync}, como
se representa en la Figura 2, es transferida como señal de
activación desde el divisor 13 al divisor 14. Esta señal de arranque
síncrona con respecto a la frecuencia fundamental f_{0} podría por
principio servir ya como punto de referencia en el tiempo para los
pares de frecuencias f_{1}, f_{1}' o f_{2}, f_{2}'. Sin
embargo para excluir defectos por tolerancias de las piezas de
construcción y similares, como se representa en la Figura 5, con el
flanco ascendente de la frecuencia fundamental f_{0} que sigue a
la activación de la señal de arranque síncrona S_{sync} se activa
en cada divisor 13, 14 respectivamente una señal de arranque interna
S_{int}.
En la Figura 5 el instante de la activación de
la señal de arranque interna S_{int} está designado con t_{1}'.
Este instante, que es idéntico para ambos divisores 13, 14, puesto
que en cada caso está activado por la frecuencia fundamental
f_{0}, forma el punto de referencia en el tiempo para las
frecuencias f_{1}, f_{1}' y f_{2}, f_{2}' así como para la
frecuencia de exploración f_{A}.
Como se desprende de la Figura 5, el instante
t_{2}, en el cual la frecuencia f_{v} se activa y se transfiere
desde el primer divisor 13 al segundo divisor 14, está desplazado en
el tiempo en un número entero de periodos de la frecuencia
fundamental f_{0} con respecto al punto de referencia en el tiempo
t_{1}' definido por la señal de arranque interna S_{int}. De
este modo está garantizada una relación en el tiempo definida con
respecto a t_{1}' en la generación de la frecuencia f_{1}'
desplazada con respecto a f_{1}, y de la frecuencia f_{2}'
desplazada con respecto a f_{2}.
Desplazado en el tiempo para esto, en un
instante t_{3} la frecuencia de exploración f_{A} generada en el
primer divisor 13 es alimentada como otra señal de activación al
transformador analógico-digital 24, por lo que éste
está activado. También la activación del transformador
analógico-digital 24 presenta una relación definida
con respecto a la señal de arranque interna S_{int}, puesto que el
instante t_{3} está retrasado en un número entero de duración de
periodos de la frecuencia fundamental f_{0} con respecto a la
señal de arranque interna S_{int} (instante t_{1}').
Puesto que también el instante t_{3} está
definido por un flanco ascendente de la frecuencia fundamental
f_{0}, el instante t_{3} está situado desplazado en un número
entero de periodos de la frecuencia fundamental f_{0} con respecto
al instante t_{1}', que define la activación de los divisores 13,
14.
De este modo está dada una sincronización de los
divisores 13, 14 y de la unidad de exploración y con ello de la
exploración de la señal de salida del receptor 7. Para la medición
individual realizada entonces por ejemplo con las frecuencias
f_{1}, f_{1}', está dada entonces una relación en el tiempo
definida para la exploración de la señal de salida del receptor 7.
Puesto que todas las frecuencias f_{1}, f_{1}' y f_{A} están
referidas inequívocamente a la señal de arranque síncrona S, la
medición individual así realizada no tiene que estar referida a una
medición de referencia.
Tras esta medición individual los divisores 13,
14 y la unidad de exploración preferentemente se desactivan de nuevo
mediante el microcontrolador.
Mediante una segunda señal de arranque S estos
componentes son activados y sincronizados de nuevo, después de lo
cual se efectúa una segunda medición individual con las
frecuencias f_{2}, f_{2}'.
A partir de ambas mediciones individuales se
efectúa la determinación de un valor de distancia actual.
El ciclo de medición con las mediciones
individuales antes citadas se repite luego periódicamente.
- (1)
- Sensor óptico
- (2)
- Objeto
- (3)
- Caja
- (4)
- Rayos luminosos de emisión
- (5)
- Emisor
- (6)
- Rayos luminosos de recepción
- (7)
- Receptor
- (8)
- Óptica de emisión
- (9)
- Óptica de recepción
- (10)
- Ventana de salida
- (11)
- Unidad de procesamiento de señales
- (12)
- Salida
- (13)
- Divisor
- (14)
- Divisor
- (15)
- Oscilador
- (16a)
- Filtro de paso de banda
- (16b)
- Filtro de paso de banda
- (17a)
- Amplificador
- (17b)
- Amplificador
- (18)
- Elemento totalizador
- (19a)
- Filtro de paso de banda
- (19b)
- Filtro de paso de banda
- (20a)
- Amplificador
- (20b)
- Amplificador
- (21)
- Elemento totalizador
- (22)
- Filtro de paso de banda
- (23)
- Amplificador
- (24)
- Transformador analógico-digital
- (25)
- Microprocesador
- A
- Señal de salida
- D_{1}
- Parte real de la diferencia
- D_{2}
- Parte imaginaria de la diferencia
- f_{0}
- Frecuencia fundamental
- f_{1}
- Frecuencia
- f_{1}'
- Frecuencia
- f_{2}
- Frecuencia
- f_{2}'
- Frecuencia
- f_{10}
- Frecuencia
- f_{10}'
- Frecuencia
- f_{20}
- Frecuencia
- f_{20}'
- Frecuencia
- \Deltaf
- Frecuencia diferencial
- f_{A}
- Frecuencia de exploración
- f_{v}
- Frecuencia
- Im
- Parte imaginaria
- Re
- Parte real
- S
- Señal de arranque
- t_{0}
- Instante
- t_{1}
- Instante
- t_{2}
- Instante
- U(0)
- Valor de amplitud de la señal de salida
- U(1)
- Valor de amplitud de la señal de salida
- U(2)
- Valor de amplitud de la señal de salida
- U(3)
- Valor de amplitud de la señal de salida
- Z
- Función compleja
- \varphi
- Desplazamiento de fase
Claims (18)
1. Sensor óptico (1) para la determinación de
distancias de objetos (2) dentro de un intervalo de observación, con
un emisor (5) que emite rayos luminosos de emisión (4) y una primera
unidad lógica asignada a éste para generar al menos una frecuencia
f_{1}', con la cual los rayos luminosos de emisión (4) están
modulados en amplitud, con un receptor (7) que recibe rayos
luminosos de recepción (6) y una segunda unidad lógica asignada a
éste para generar al menos una segunda frecuencia f_{1}, que con
relación a la frecuencia f_{1}' está desplazada en una frecuencia
diferencial \Deltaf, y que es alimentada como señal de reloj al
receptor (7), de manera que en la salida del receptor (7) mediante
mezclado de las frecuencias f_{1} y f_{1}' se genera una señal
de salida periódica (A) con la frecuencia diferencial \Deltaf y
con un desplazamiento de fase (\varphi) que representa una medida
para la distancia al objeto, con una unidad de exploración para
explorar la señal de salida (A) con una frecuencia de exploración
f_{A}, con una unidad de evaluación para el cálculo de la
distancia al objeto a partir del desplazamiento de fase (\varphi)
determinado por exploración de la señal de salida (A), y con una
unidad de mando para generar una señal de arranque (S) para las
unidades lógicas y las unidades de exploración, generándose con la
señal de arranque (S) un punto de referencia común en el tiempo para
las frecuencias f_{A}, f_{1} y f_{1}'.
2. Sensor óptico según la reivindicación 1,
caracterizado porque la unidad de mando está formada por un
microprocesador (25).
3. Sensor óptico según la reivindicación 2,
caracterizado porque el microprocesador (25) que forma la
unidad de mando forma a la vez la unidad de evaluación
4. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 1 - 3, caracterizado porque la primera y
segunda unidad lógica presentan respectivamente un divisor (13, 14),
por medio de los cuales por división de una frecuencia fundamental
f_{0} se generan las frecuencias f_{1}, f_{1}'.
5. Sensor óptico según la reivindicación 4,
caracterizado porque la frecuencia fundamental f_{0} se
genera en un oscilador (15).
6. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 1 - 5, caracterizado porque la unidad de
exploración presenta un transformador
analógico-digital (24), por medio del cual los
valores de exploración pueden ser alimentados digitalizados a la
unidad de evaluación.
7. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 1 - 6, caracterizado porque el receptor (7)
está formado por un fotodiodo de avalancha.
8. Sensor óptico según la reivindicación 7,
caracterizado porque en el receptor (7) se efectúa la mezcla
de las frecuencias f_{1} y f_{1}'.
9. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 1 - 6, caracterizado porque con la señal de
arranque (S) se activa una de las unidades lógicas, y porque en ésta
con respecto a un punto de referencia común en el tiempo se generan
señales de activación síncronas y son alimentadas a la segunda
unidad lógica así como a la unidad de mando.
10. Sensor óptico según la reivindicación 7,
caracterizado porque el punto de referencia en el tiempo para
las señales de activación síncronas está predeterminado por la
frecuencia fundamental f_{0} del oscilador (15).
11. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 9 o 10, caracterizado porque el punto de
referencia en el tiempo está definido por un flanco de la frecuencia
fundamental f_{0} que sigue a la señal de arranque (S).
12. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 9 - 11, caracterizado porque la señal de
activación para la segunda unidad lógica está formada por una señal
de arranque síncrona (S_{sync}), que se activa con un flanco
ascendente o descendente de la frecuencia fundamental que sigue a la
señal de arranque (S).
13. Sensor óptico según la reivindicación 12,
caracterizado porque para la predeterminación del punto de
referencia en el tiempo en las unidades lógicas simultáneamente con
un flanco ascendente o descendente de la frecuencia fundamental
f_{0} tras la activación de la señal de arranque síncrona
(S_{sync}) se genera una señal de arranque interna
(S_{int}).
14. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 9 - 13, caracterizado porque la señal de
activación para la unidad de exploración está formada por la
frecuencia de exploración f_{A} generada en la primera unidad
lógica por división de la frecuencia f_{0}.
15. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 1 - 14, caracterizado porque la señal de
arranque (S) se genera cíclicamente para la realización en cada caso
de una medición de distancia.
16. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 1 - 14, caracterizado porque con las
unidades lógicas además del par de frecuencias f_{1}, f_{1}' se
generan sucesivamente otros pares de frecuencias f_{2}, f_{2}',
y porque la generación de cada par de frecuencias se inicia mediante
una señal de arranque (S) por separado.
17. Sensor óptico según una de las
reivindicaciones 1 - 16, caracterizado porque para la
definición de un punto de referencia, al cual está referido el
desplazamiento de fase \varphi de los rayos luminosos de emisión
(4) y de los rayos luminosos de recepción (6), puede realizarse una
medición de calibración.
18. Sensor óptico según la reivindicación 17,
caracterizado porque para realizar de la medición de
calibración está previsto un tramo de referencia.
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