ES2325134T3 - Dispositivo de medicion de distancias. - Google Patents
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Abstract
Dispositivo de medición de distancias para determinar una distancia según el principio de tiempo de propagación de la luz, con: - un emisor de luz (11) para emitir por lo menos un impulso luminoso de emisión a lo largo de un trayecto de medición (17), - por lo menos un receptor de luz (21) para recibir el impulso luminoso de emisión y para generar una señal de recepción correspondiente, - un integrador (31) de un primer canal de recepción (27) configurado para una integración durante la duración de la señal de recepción completa y - un integrador (33) de un segundo canal de recepción (29) configurado para la integración sólo durante una parte de la duración de la señal de recepción que depende de la longitud del trayecto de medición (17), caracterizado porque entre el receptor de luz (21) y los integradores (31, 33) está conectado un dispositivo de comparación (25) con por lo menos un umbral de conmutación (S) ajustado en lo esencial al valor cero, siendo posible integrar mediante los integradores (31, 33) la señal de salida del dispositivo de comparación (25).
Description
Dispositivo de medición de distancias.
La invención se refiere a un dispositivo de
medición de distancias para determinar una distancia conforme al
principio de tiempo de propagación de la luz, con un emisor de luz
para emitir por lo menos un impulso luminoso de emisión durante un
trayecto de medición y para generar una señal de recepción
correspondiente, un integrador de un primer canal de recepción
configurado para la integración en la duración de la señal de
recepción completa, y un integrador de un segundo canal de recepción
activable de tal manera que la integración se lleva a cabo sólo
durante tal parte de la duración de la señal de medición que depende
de la longitud del trayecto de medición.
Mediante un dispositivo de medición de
distancias de este tipo puede determinarse la distancia a un objeto
(llamado objetivo). Para este fin se emite un impulso luminoso de
emisión que se refleja en el objetivo, se recibe después de la
reflexión y se convierte en una señal de recepción eléctrica. En un
primer canal de recepción del dispositivo de medición de distancias
se integra en lo esencial la señal de recepción completa,
obteniéndose un primer valor de integración. La información de
medición propiamente dicha sobre el tiempo de propagación de la
luz, y por lo tanto acerca de la longitud del trayecto de medición
(hasta el objetivo y de vuelta), se determina en un segundo canal
de recepción. Para este fin se integra sólo una parte de la señal de
recepción y se obtiene un segundo valor de integración, dependiendo
esta parte integrada del momento en el cual el impulso luminoso
emitido y reflejado alcanza de nuevo el dispositivo de medición de
distancias. Por lo tanto, este segundo valor de integración está
relacionado con la longitud del trayecto de medición a través de la
velocidad de la luz. Para calcular a partir de dicho valor la
distancia buscada al objetivo se procesan el primer valor de
integración y el segundo valor de integración conjuntamente.
La desventaja de los dispositivos de medición de
distancias conocidos consiste en que para largas distancias el
impulso luminoso emitido y recibido presenta sólo una baja
intensidad, por lo que se genera sólo una baja señal de recepción
casi no apropiada para una evaluación respecto a la distancia de
medición recorrida. Por este motivo, la gama de medición de estos
dispositivos de medición de distancias está limitada de manera no
deseada.
En el documento WO 99/34235 se describe un
dispositivo para la captación de una imagen de distancia
tridimensional en el cual se captan o registran con tiempos de
integración diferentes los impulsos luminosos reflejados de forma
dispersa por un escenario tridimensional.
Un objetivo de la presente invención consiste en
crear un dispositivo de medición de distancias que con un tipo de
construcción económica permita la determinación incluso de largas
distancias.
Este objetivo se consigue mediante un
dispositivo de medición de distancias con las características de la
reivindicación 1, y en particular por el hecho de que entre el
receptor de luz y los integradores está conectado un dispositivo de
comparación con por lo menos un umbral de conmutación ajustado en lo
esencial al valor cero, siendo posible integrar mediante los
integradores la señal de salida del dispositivo de comparación.
En el dispositivo de medición de distancias
conforme a la invención, la señal de recepción se compara en ambos
canales de recepción mediante un dispositivo de comparación con un
umbral de conmutación, que presenta en lo esencial el valor cero,
antes de la respectiva integración de las señales. Mediante los
integradores de los dos canales de recepción no se integra
directamente la señal de salida del receptor de luz usado sino la
señal de salida del dispositivo de comparación, siendo esta señal de
salida en particular una señal de conmutación binaria (por ejemplo
+1 y 0 ó +1 y -1).
Como umbral de conmutación, que presenta en lo
esencial el valor cero, se entiende en relación con la invención un
umbral de conmutación que presenta exactamente el valor cero o un
valor tan cerca de cero que el umbral de conmutación se encuentre
aún dentro del ruido del receptor.
Debido a la comparación de la señal de recepción
con un valor umbral de aproximadamente cero y debido a la
integración únicamente de la señal de salida del dispositivo de
comparación está garantizado que por un lado toda la energía de
señal de la señal de entrada aporte al resultado de medición y que
por otro lado se tenga en cuenta únicamente la información de fase
de la señal de recepción. La información de amplitud contenida en
la señal de recepción se desestima intencionadamente. Debido a que
el umbral de conmutación se ajusta a un valor de aproximadamente
cero, también es posible registrar incluso señales de recepción
bajas teniendo en cuenta distancias de medición largas, en
particular en comparación con los dispositivos de medición de
distancias conocidos que usan el procedimiento de tiempo de
propagación de impulso cuyo umbral de conmutación es por ejemplo de
3 a 5 veces el valor eficaz RMS del ruido.
Se acepta intencionadamente que, debido al bajo
umbral de conmutación, también el ruido active el dispositivo de
comparación. No obstante, existe por lo menos aproximadamente una
distribución uniforme del ruido de señal, ya que el umbral de
conmutación presenta el valor cero o un valor muy cerca del valor
cero. Debido a esta distribución uniforme, el ruido de señal se
elimina mediante promediación mientras que la energía de señal de
la señal útil se capta completamente. Por lo tanto, en los dos
canales de recepción está disponible una señal útil suficiente.
\newpage
El uso de un dispositivo de comparación con un
umbral de conmutación de aproximadamente cero permite por lo tanto
mediante un tiempo de integración prolongado registrar también
impulsos luminosos de emisión con baja intensidad y ampliar de esta
manera la gama de medición del dispositivo de medición de
distancias. Una prolongación del tiempo de integración puede
conseguirse en particular mediante la emisión y recepción
consecutiva de varios impulsos luminosos de emisión y, a
continuación, la formación del promedio de los resultados de
medición (varios "tiros"). Este principio de medición puede
realizarse con un tipo de construcción muy sencillo del dispositivo
de medición de distancias y, por lo tanto, de manera económica.
El umbral de conmutación del dispositivo de
comparación está ajustado en particular de tal manera a un valor en
lo esencial cero que el umbral de conmutación pueda encontrarse
debajo del valor RMS (Root Mean Square) del ruido de la señal de
recepción.
El dispositivo de comparación puede estar
configurado como comparador sencillo en el cual la señal de
recepción se compara con un solo umbral de conmutación.
Preferentemente, el umbral de conmutación corresponde en este caso
al valor de desnivel del comparador (tensión de desnivel de
entrada).
De forma alternativa a lo anteriormente
expuesto, el dispositivo de comparación puede comparar la señal de
entrada también con un umbral de conmutación superior y un umbral de
conmutación inferior que presentan valores distintos, pero están
ajustados ambos en lo esencial al valor cero. En particular, el
dispositivo de comparación puede estar configurado como conmutador
de umbral, por ejemplo como disparador de Schmitt, en el cual el
umbral de conmutación superior y el umbral de conmutación inferior
forman una histéresis. En este caso es posible por ejemplo que un
umbral de conmutación esté ajustado al valor cero y el otro umbral
de conmutación corresponda al valor de desnivel o de histéresis del
dispositivo de comparación. De forma alternativa a lo anteriormente
expuesto, el nivel de conmutación inferior y el umbral de
conmutación superior pueden estar situados de manera simétrica
alrededor del valor cero.
Para obtener en el segundo canal de recepción la
información de tiempo necesaria para determinar la distancia,
mediante el integrador de señal del segundo canal de recepción se
integra solamente una parte de la señal de salida del dispositivo
de comparación que depende de la longitud del trayecto de medición.
Para este fin se prefiere que el dispositivo de medición de
distancias presente un circuito de control que mediante el segundo
canal de recepción puede generar una ventana de tiempo que presenta
una relación temporal predeterminada relativa a la emisión del
impulso luminoso de emisión y determina la duración de integración
en el segundo canal de recepción. En otras palabras, el inicio y/o
el fin de la integración se determinan mediante el integrador del
segundo canal de recepción después de haber transcurrido una
duración de tiempo predeterminada contada a partir de la emisión
del impulso luminoso de emisión.
Por ejemplo, una señal de impulso eléctrico, que
activa también el emisor de luz, puede transmitirse con un retardo
predeterminado (delay) a un conmutador en el segundo canal de
recepción. No obstante, conforme a un perfeccionamiento
particularmente ventajoso de la invención está previsto que el
dispositivo de medición de distancias presente un receptor de
referencia, un dispositivo de comparación de referencia y un
conmutador de referencia de ventana de tiempo, estando el receptor
de referencia ópticamente acoplado con el emisor de luz, por
ejemplo a través de un conductor de luz. El receptor de referencia
genera de esta manera una señal de referencia correspondiente
durante cada emisión de un impulso luminoso de emisión, estando
especificado un retardo de tiempo predeterminado. La señal de
referencia se compara mediante el dispositivo de comparación de
referencia con por lo menos un umbral de conmutación ajustado a un
valor superior a cero. El conmutador de referencia de ventana de
tiempo está unido con la salida del dispositivo de comparación de
referencia y genera una ventana de tiempo de referencia para la
integración en el segundo canal de recepción. El conmutador de
referencia de ventana de tiempo sirve por lo tanto como
"conmutador ENABLE" para la activación temporal del segundo
integrador de señal del segundo canal de recepción.
El conmutador de referencia de ventana de tiempo
se controla mediante el receptor de referencia y el dispositivo de
comparación de referencia y se activa finalmente de forma óptica por
el emisor de luz. La ventaja particular de este perfeccionamiento
consiste no sólo en que la ruta de emisión y la ruta de recepción
del dispositivo de medición de distancias estén eléctricamente
separadas, por lo que se impide una diafonía eléctrica del lado de
emisión al lado de recepción. Sobre todo la zona del respectivo
cabezal de medición del receptor de luz y del receptor de
referencia pueden realizarse con una disposición similar (elemento
receptor, amplificador, dispositivo de comparación), de modo que
para ambos circuitos se consigue una dependencia similar de la
temperatura, por lo que posibles efectos térmicos no tienen
consecuencias desventajosas respecto a la exactitud de medición.
Por este motivo es suficiente determinar mediante una única medición
de calibración el retardo de tiempo originado por la transmisión de
luz al receptor de referencia y el procesamiento posterior de la
señal en el amplificador asignado, el dispositivo de comparación de
referencia y el conmutador de referencia de ventana de tiempo, por
lo que el retardo de tiempo determinado una sola vez puede servir
como base para las siguientes mediciones. Por lo tanto, no es
preciso determinar de nuevo para cada medición el retardo de tiempo
para el control de la integración en el segundo canal de recepción
mediante mediciones de calibración periódicas, por ejemplo mediante
medición periódica de una distancia de referencia.
Cuando el umbral de conmutación del dispositivo
de comparación de referencia debe estar ajustado a un valor
superior a cero, esto significa que el umbral de conmutación debe
encontrarse fuera del valor eficaz RMS del ruido de la señal de
referencia. En particular, el umbral de conmutación puede
encontrarse en un factor de 3 a 5 encima del valor eficaz RMS del
ruido de la señal de referencia.
Con respecto a la evaluación de los valores de
integración determinados para el primer canal de recepción y el
segundo canal de recepción se prefiere determinar o formar una
diferencia y/o un cociente de estos valores de integración. En
particular, una diferencia de los valores de integración puede
normalizarse con el valor de integración del primer canal de
recepción para determinar de esta manera el tiempo de propagación
del impulso luminoso de emisión y por lo tanto la longitud del
trayecto de medición.
La invención se refiere también a un
procedimiento para determinar una distancia según el principio de
tiempo de propagación de la luz, según el cual se emite por lo
menos un impulso luminoso de emisión a lo largo de un trayecto de
medición, el impulso luminoso de emisión se recibe después de haber
recorrido el trayecto de medición y se genera una señal de
recepción correspondiente, en un primer canal de recepción se lleva
a cabo una integración de señal durante la duración de la señal de
recepción completa y en un segundo canal de recepción se lleva a
cabo una integración de señal sólo durante una parte de la duración
de la señal de recepción que depende de la longitud del trayecto de
medición la señal de recepción se compara mediante un dispositivo de
comparación con por lo menos un umbral de conmutación que presenta
en lo esencial el valor cero, integrándose en los dos canales de
recepción la señal de salida del dispositivo de comparación.
Otras formas de realización de la invención se
indican en las reivindicaciones dependientes.
La invención se explica a continuación sólo a
título de ejemplo con referencia a los dibujos.
Fig. 1 muestra un esquema de conexión de un
dispositivo de medición de distancias.
Fig. 2 muestra el respectivo desarrollo de señal
en los distintos puntos de la disposición según la figura 1.
Fig. 3 muestra los desarrollos de señal según la
figura 2 en una representación simplificada sin ruido.
El dispositivo de medición de distancias
representado en la figura 1 comprende un emisor de luz 11 activado
mediante un generador de impulsos 13 a través de un amplificador 15
para emitir impulsos luminosos de emisión. Los impulsos luminosos
de emisión se emiten a lo largo de un trayecto de medición 17 en
dirección a un objetivo 19 (por ejemplo un retrorreflector). La luz
de emisión se refleja en el objetivo 19 en dirección al dispositivo
de medición de distancias y llega en el mismo a un receptor de luz
21 que genera una señal de recepción correspondiente. La señal de
recepción se amplifica a continuación mediante un amplificador de
transimpedancia (conversión de corriente a tensión) y se suministra
a continuación a un conmutador de umbral 25. Este compara la señal
de recepción amplificada con un umbral de conmutación S que a lo más
es ligeramente superior al valor cero y se encuentra en cualquier
caso en el RMS de ruido de la señal de recepción amplificada. El
conmutador de umbral 25 genera una señal de salida binaria en
función del resultado de esta comparación.
La señal de salida del conmutador de umbral 25
se procesa posteriormente en un primer canal de recepción 27 y en
un segundo canal de recepción 29 en paralelo a este. La señal de
salida del conmutador de umbral 25 se integra mediante un
respectivo integrador 31 ó 33 a un primer valor de integración
I_{1} (primer canal de recepción 27) o a un segundo valor de
integración I_{2} (segundo canal de recepción 29). Los dos canales
de recepción 27, 29 se diferencian por su respectiva duración de
integración, tal como se explica a continuación. Los valores de
integración I_{1}, I_{2} se suministran a un dispositivo de
evaluación 35 en común que presenta una salida de señal 37.
El dispositivo de medición de distancias
presenta además un receptor de referencia 39. A este receptor se
suministra directamente, es decir, sin recorrer el trayecto de
medición 17, una parte de la luz de emisión del emisor de luz 11
por ejemplo a través de un conductor de luz (no representado) cuando
se emite un impulso luminoso de emisión. El receptor de referencia
39 genera una señal de referencia correspondiente que se amplifica
en un amplificador de transimpedancia 41 interconectado a
continuación y se suministra posteriormente a un conmutador de
umbral de referencia 43. Este compara la señal de referencia
amplificada con un umbral de conmutación que se encuentra
claramente fuera del ruido RMS de la señal de referencia
amplificada. El conmutador de umbral de referencia 43 genera en
función del resultado de esta comparación una señal de salida
binaria que activa un conmutador de referencia de ventana de tiempo
45. El conmutador de referencia de ventana de tiempo 45 está
dispuesto en el segundo canal de recepción 29 delante del integrador
33 y sirve para la activación y desactivación del integrador 33. De
esta manera, el conmutador de referencia de ventana de tiempo 45
determina la duración de integración en el segundo canal de
recepción 29.
En el primer canal de recepción 27 está previsto
en una disposición apropiada delante del integrador 31 un
conmutador de ventana de tiempo 47 activado finalmente en función de
las señales del generador de impulsos 13.
El dispositivo de medición de distancias
representado en la figura 1 sirve para determinar la distancia al
objetivo 19, es decir, la longitud del trayecto de medición 17,
según el principio de tiempo de propagación de la luz. Para este
fin, las señales de salida del conmutador de umbral 25 se integran
completamente en el primer canal de recepción 27 y en el segundo
canal de recepción 29 sólo la parte de las mismas que depende del
tiempo de propagación de los impulsos luminosos de emisión a lo
largo del recorrido de medición 17. El dispositivo de evaluación 35
calcula a partir de los valores de integración I_{1}, I_{2} la
distancia entre el dispositivo de medición de distancias y el
objetivo 19 y en la salida de señal 37 se emite un valor
correspondiente. Esto se explica a continuación más detalladamente
con referencia a la figura 2.
En la figura 2 se muestra el respectivo
desarrollo de las señales en los distintos puntos de referencia de
A hasta F en el esquema de conexión según la figura 1.
En el diagrama A se muestra el desarrollo del
impulso de señal amplificado del generador de impulsos 13. Este
desarrollo corresponde al desarrollo de señal del impulso luminoso
de emisión del emisor de luz 11. El impulso luminoso de emisión se
genera en un momento t_{0} y se mantiene para una duración de
señal T_{P}.
En el diagrama B se muestra la señal de salida
del conmutador de umbral de referencia 43. Debido al acoplamiento
óptico entre el receptor de referencia 39 y el receptor de luz 11 y
el procesamiento posterior de la señal de referencia en el
amplificador de transimpedancia 41 y el conmutador de umbral de
referencia 43, la señal de salida del conmutador de umbral de
referencia 43 presenta la misma longitud T_{P} como el impulso
luminoso de emisión del emisor de luz 11, pero la señal está
retardada respecto a este impulso por la duración t_{ref}. La
señal de salida del conmutador de umbral de referencia 43
representada en el diagrama B de la figura 2 sirve como ventana de
tiempo de referencia para la activación temporal del integrador 33
del segundo canal de recepción 29. Debe observarse que esta ventana
de tiempo tiene siempre una relación temporal fija con el impulso
luminoso de emisión correspondiente según el diagrama A,
independientemente de la longitud del trayecto de medición 17.
En el diagrama C de la figura 2 se muestra la
señal de recepción con ruido del receptor de luz 21 en la salida
del amplificador de transimpedancia 23 asignado. La señal muestra,
debido al ruido electrónico, fluctuaciones alrededor del valor cero
hasta un momento que corresponde al tiempo de propagación del
impulso luminoso de emisión a lo largo de la línea de medición 17.
A partir del momento t_{x}, cuando el impulso luminoso de emisión
emitido llega al receptor de luz 21 y es transformado en una señal
de recepción eléctrica, la señal de salida del amplificador de
transimpedancia 23 muestra fluctuaciones alrededor de un valor
superior a cero para volver a mostrar fluctuaciones alrededor del
valor cero una vez transcurrida la duración T_{P} del impulso
luminoso de emisión.
En el diagrama C se muestra además el umbral de
conmutación S del conmutador de umbral 25 que presenta
aproximadamente el valor cero y se muestra en la figura 2 por
motivos de claridad con una distancia perceptible al valor cero.
En el diagrama D de la figura 2 se muestra la
señal de salida binaria del conmutador de umbral 25. Debido al
ruido de la señal de recepción del receptor de luz 21 y debido al
bajo umbral de conmutación S, esta señal muestra fluctuaciones
entre un valor superior y un valor inferior (+1 y 0 ó +1 y -1) hasta
la recepción del impulso luminoso de emisión (momento t_{x}). No
obstante, cuando el impulso luminoso de emisión reflejado en el
objetivo 19 llega al receptor de luz 21, la señal de salida del
conmutador de umbral 25 adopta el valor superior durante casi toda
la duración T_{P} del impulso luminoso de emisión debido al bajo
umbral de conmutación S. A continuación, la señal de salida fluctúa
de nuevo continuamente entre el valor superior y el valor
inferior.
En el diagrama E en la figura 2 se muestra la
señal de salida del integrador 31 del primer canal de recepción 27,
es decir, la señal de salida integrada del conmutador de umbral 25.
Debido a una activación apropiada del conmutador de ventana de
tiempo 47 asignado, la integración se lleva a cabo por ejemplo desde
el momento t_{0} en el cual se emite el impulso luminoso de
emisión, hasta un momento claramente posterior al momento t_{x} +
T_{P} en el cual se ha recibido completamente el impulso luminoso
de recepción y la señal de recepción del receptor de luz 21 fluctúa
nuevamente alrededor del valor cero. El inicio exacto y el fin
exacto de la duración de integración del integrador 31 no son
críticos. Lo importante es únicamente que por un lado se registre
siempre completamente la señal de entrada del emisor de luz 21 para
toda la gama de medición deseada y que la duración de integración
se limite por otro lado de tal manera que se garantice la univocidad
del valor de integración I_{1} del integrador 31 con respecto a
impulsos luminosos de emisión consecutivos.
La señal de salida del integrador 31 se muestra
en la figura 2 para una integración diferencial. Del diagrama E se
desprende que, antes de la llegada del impulso luminoso de emisión
(momento t_{x}), la señal de salida del integrador 31 fluctúa
sólo alrededor del valor cero conforme a las señales de salida del
conmutador umbral 25. Al final de la señal de recepción del
receptor de luz 21 (momento t_{x} + T_{P}) se ha alcanzado un
primer valor de integración I_{1}. A continuación, la señal de
salida del integrador 31 del primer canal de recepción 27 fluctúa
sólo alrededor de este valor de integración I_{1}.
En el diagrama F de la figura 2 se muestra la
señal de salida del integrador 33 del segundo canal de recepción
29. La integración empieza con el inicio t_{ref} de la ventana de
tiempo de referencia generada mediante el conmutador de umbral de
referencia 43 y del conmutador de referencia de ventana de tiempo 45
según el diagrama B, pero esto no es forzosamente necesario. Igual
que en el primer canal de recepción 27, a partir de la llegada del
impulso luminoso de emisión (momento t_{x}) al receptor de luz 21
empieza una pendiente de la señal de referencia. Este momento
t_{x} depende del tiempo de propagación del impulso luminoso de
emisión y por lo tanto de la longitud del trayecto de medición 17.
La pendiente de la señal de salida del integrador 33 sigue hasta la
desactivación del integrador 33 al final de la ventana de tiempo de
referencia (momento t_{ref} + T_{P}). El final de la duración
de integración tiene una relación temporal fija con la emisión del
impulso luminoso de emisión mediante el emisor de luz 11 y es
independiente de la longitud del trayecto de medición 17, tal como
se ha explicado anteriormente. Lo importante es que la señal de
recepción del receptor de luz 21 o las señales de salida
correspondientes, respectivamente, generadas por el conmutador de
umbral 25 se registren sólo parcialmente en función del tiempo de
propagación t_{x} del impulso luminoso de emisión,
"cortándose" la señal de recepción en el extremo trasero en el
ejemplo representado.
La distancia buscada al objetivo 19 es
proporcional al tiempo de propagación t_{x} del impulso luminoso
de emisión a lo largo del trayecto de medición 17 hasta el objetivo
19 y de vuelta del mismo. Este tiempo de propagación t_{x} es a
su vez proporcional a la diferencia entre el valor de integración
I_{1} del primer canal de recepción 27 y del valor de integración
I_{2} del segundo canal de recepción 29 normalizado respecto al
valor de integración I_{1} del primer canal de recepción 27:
t_{x} \sim
(I_{1} - I_{2})/I_{1} = 1 -
I_{2}/I_{1}
Tal como puede apreciarse en el diagrama C en la
figura 2, en el dispositivo de medición de distancias conforme a la
invención no se intenta conseguir una discriminación entre la señal
de recepción del receptor de luz 21 y el ruido de la señal. En vez
de esto, el umbral de conmutación S del conmutador de umbral 25 se
coloca tan cerca del valor cero que también el ruido de señal
active procesos de conmutación del conmutador de umbral 25. El
umbral de conmutación S se encuentra por lo tanto plenamente en el
ruido de señal. No obstante, de esta manera está garantizado que en
el caso de trayectos de medición 17 muy largos se registren casi por
completo señales de recepción de baja intensidad (duración de
t_{x} a t_{x} + T_{P}). Según lo anteriormente expuesto se
acepta que, debido al ruido de señal, el nivel de señal descienda
temporalmente por debajo del umbral de conmutación S también
durante esta duración de la señal de recepción, tal como se muestra
en el diagrama C en la figura 2 a título de ejemplo para dos
momentos (véase la señal de salida correspondiente del conmutador
de umbral 25 según el diagrama D en la figura 2).
Pero es importante que el umbral de conmutación
S, a diferencia de la representación exagerada en el diagrama C de
la figura 2, se encuentre tan cerca del valor cero que respecto al
ruido de señal (diagrama C) exista en lo esencial una distribución
uniforme respecto al umbral de conmutación S y que las señales de
salida superiores e inferiores del conmutador de umbral 25
(diagrama D) estén uniformemente distribuidas mientras que en el
receptor de luz 21 aún no o ya no esté presente el impulso luminoso
de emisión. El ruido de señal no aporta por lo tanto a los valores
de integración I_{1} e I_{2} de las dos rutas de recepción 27,
29. El dispositivo de medición de distancias conforme a la
invención permite por lo tanto ampliar la gama de medición
(trayectos de medición 17 más largos) alargando los tiempos de
integración, ya que es posible registrar también señales de
recepción débiles que casi no sobresalen del ruido de señal.
En la figura 3 se muestran los desarrollos de
las señales según la figura 2 de forma idealizada sin ruido de
señal para una explicación más clara del principio de medición en el
cual se basa el dispositivo de medición de distancias conforme a la
invención. Se puede apreciar que en el primer canal de recepción 27
la señal de recepción del receptor de luz 21 (diagrama C) o la
señal de salida correspondiente del dispositivo de comparación 25
(diagrama D) se integra completamente formando el valor de
integración I_{1} (diagrama E). En el segundo canal de recepción
29 se registra sólo una parte de la señal de recepción (valor de
integración I_{2} según el diagrama F). Debido a que el inicio de
integración depende aquí del tiempo de propagación t_{x} del
impulso luminoso de emisión y el fin de la duración de integración
(t_{ref} + T_{P}) es independiente del tiempo de propagación
t_{x}, el valor de integración I_{2} del segundo canal de
recepción 29 contiene una información acerca del tiempo de
propagación t_{x} del impulso luminoso de emisión y, de esta
manera, acerca de la longitud del trayecto de medición 17.
Finalmente debe observarse respecto al
dispositivo de medición de distancias representado en la figura 1
que en vez de un solo dispositivo de comparación 25 puede estar
previsto también para cada canal de recepción 27, 29 un dispositivo
de comparación propio con un umbral de conmutación de
aproximadamente cero.
- 11
- Emisor de luz
- 13
- Generador de impulsos
- 15
- Amplificador
- 17
- Trayecto de medición
- 19
- Objetivo
- 21
- Receptor de luz
- 23
- Amplificador de transimpedancia
- 25
- Conmutador de umbral
- 27
- Primer canal de recepción
- 29
- Segundo canal de recepción
- 31
- Integrador
- 33
- Integrador
- 35
- Dispositivo de evaluación
- 37
- Salida de señal
- 39
- Receptor de referencia
- 41
- Amplificador de transimpedancia
- 43
- Conmutador de umbral de referencia
- 45
- Conmutador de referencia de ventana de tiempo
- 47
- Conmutador de ventana de tiempo
- I_{1}, I_{2}
- Valor de integración
- S
- Umbral de conmutación
- t_{0}
- Inicio del impulso luminoso de emisión
- T_{P}
- Duración del impulso luminoso de emisión
- t_{ref}
- Inicio de la ventana de tiempo de referencia
- t_{x}
- Tiempo de propagación del impulso luminoso de emisión.
Claims (12)
1. Dispositivo de medición de distancias para
determinar una distancia según el principio de tiempo de propagación
de la luz, con:
- -
- un emisor de luz (11) para emitir por lo menos un impulso luminoso de emisión a lo largo de un trayecto de medición (17),
- -
- por lo menos un receptor de luz (21) para recibir el impulso luminoso de emisión y para generar una señal de recepción correspondiente,
- -
- un integrador (31) de un primer canal de recepción (27) configurado para una integración durante la duración de la señal de recepción completa y
- -
- un integrador (33) de un segundo canal de recepción (29) configurado para la integración sólo durante una parte de la duración de la señal de recepción que depende de la longitud del trayecto de medición (17),
caracterizado porque
entre el receptor de luz (21) y los integradores
(31, 33) está conectado un dispositivo de comparación (25) con por
lo menos un umbral de conmutación (S) ajustado en lo esencial al
valor cero, siendo posible integrar mediante los integradores (31,
33) la señal de salida del dispositivo de comparación (25).
2. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con la reivindicación 1 caracterizado porque el
umbral de conmutación (S) del dispositivo de comparación (25) está
situado dentro del valor RMS del ruido de la señal de recepción.
3. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el umbral de conmutación (S) está
ajustado de tal manera en lo esencial al valor cero que el ruido de
la señal de emisión está distribuido lo más uniformemente posible
respecto al umbral de conmutación (S) mientras que en el receptor
de luz (21) no se aplica el impulso luminoso de emisión.
4. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el valor umbral (S) corresponde al
desnivel del dispositivo de comparación (25).
5. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el dispositivo de comparación (25)
presenta un umbral de conmutación superior y un umbral de
conmutación inferior ajustados en lo esencial al valor cero.
6. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque la señal de recepción se puede comparar
mediante el dispositivo de comparación (25) con el umbral de
conmutación (S) y se puede generar una señal de salida binaria en
función del resultado de la comparación.
7. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el dispositivo de medición de
distancias presenta un circuito de control (39, 41, 43, 45) mediante
el cual puede generarse una ventana de tiempo (t_{ref} hasta
t_{ref} + T_{P}) que presenta una relación temporal
predeterminada respecto a la emisión del impulso luminoso de emisión
y determina el inicio y/o el fin de la duración de integración en
el segundo canal de recepción (29).
8. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el dispositivo de medición de
distancias presenta un receptor de referencia (39), un dispositivo
de comparación de referencia (43) y un conmutador de referencia de
ventana de tiempo (45), estando el receptor de referencia (39)
acoplado de forma óptica con el emisor de luz (11) para generar una
señal de referencia correspondiente cuando se emite el impulso
luminoso de emisión, siendo posible comparar la señal de referencia
mediante el dispositivo de comparación de referencia (43) con por lo
menos un umbral de conmutación ajustado a un valor superior a cero,
y siendo posible activar el conmutador de referencia de ventana de
tiempo (45) de tal manera mediante el dispositivo de comparación de
referencia (43) que se genera una ventana de tiempo (t_{ref}
hasta t_{ref} + T_{P}) para fijar la duración de integración en
el segundo canal de recepción (29).
9. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el dispositivo de medición de
distancias presenta un circuito de evaluación (35) unido con la
salida del integrador (31) del primer canal de recepción (27) y con
la salida del integrador (33) del segundo canal de recepción (29),
siendo posible determinar mediante el circuito de evaluación (35)
una diferencia y/o un cociente de las señales de salida de los
integradores (31, 33).
10. Dispositivo de medición de distancias de
acuerdo con una de las reivindicaciones anteriores
caracterizado porque el dispositivo de medición de
distancias presenta además un conmutador de ventana de tiempo (47)
del primer canal de recepción (27) con el cual puede generarse una
ventana de tiempo para determinar la duración de integración en el
primer canal de recepción (27).
11. Procedimiento para determinar una distancia
según el principio de tiempo de propagación de la luz, según el
cual:
- -
- se emite por lo menos un impulso luminoso de emisión a lo largo de un trayecto de medición (17),
- -
- el impulso luminoso de emisión se recibe después de haber recorrido el trayecto de medición y se genera una señal de recepción correspondiente,
- -
- en un primer canal de recepción (27) se lleva a cabo una integración de señal durante la duración de la señal de recepción completa y
- -
- en un segundo canal de recepción (29) se lleva a cabo una integración de señal sólo durante una parte de la duración de la señal de recepción que depende de la longitud del trayecto de medición (17),
caracterizado porque
la señal de recepción se compara mediante un
dispositivo de comparación (25) con por lo menos un umbral de
conmutación (S) que presenta en lo esencial el valor cero,
integrándose en los dos canales de recepción (27, 29) la señal de
salida del dispositivo de comparación (25).
12. Procedimiento de acuerdo con la
reivindicación 11 caracterizado porque el impulso luminoso de
emisión se suministra también a un receptor de referencia (39) que
genera una señal de referencia correspondiente, comparándose la
señal de referencia con por lo menos un umbral de conmutación que
presenta un valor superior a cero, y generándose en función del
resultado de la comparación una ventana de tiempo para fijar la
duración de integración en el segundo canal de recepción (29).
Applications Claiming Priority (2)
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