JP3552122B2 - 時間測定方法及びこの方法を用いた時間測定装置・距離測定装置 - Google Patents
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Description
【産業上の利用分野】
この発明は比較的短かい距離を測定することに利用することができる時間測定方法及びこの時間測定方法を用いた時間測定装置及び距離測定装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば大型船舶の接岸時には自船と岸壁までの距離をセンチメートルの精度で計測し、表示できることが要求される。このような要求に対し、従来よりレーザ光をパルス状に発射し、その反射光を受光してレーザ光が物標までの間を復往する時間を計測する方法及び時間測定装置、その時間から距離を求める構造の距離測定装置が考えられている。
【0003】
【発明が解決しようとする課題】
この種の時間測定装置はその測定対象となる時間が数N(ナノ)秒乃至数m秒程度の極めて短かい時間である。この短かい時間を精度よく計測するには、例えばクロックをカウンタで計数する方法を採った場合には、1クロックの分解能を仮りに10cmとした場合、必要なクロックの周波数は1.5GHzとなる。このような高速クロックを計数できるカウンタを得ることはむずかしい。
【0004】
これに対し、レーザ光の発射時点からランプ電圧発生器を起動させ、レーザ光の反射光を受光した時点でランプ電圧発生回路の動作を停止させ、その停止状態にあるランプ電圧の値から距離を測定する方式がある。この方式はTAC方式(Time to Amplitude Comverter)と呼ばれ分解能が要求される分野で実用されている。
【0005】
【課題を解決するための手段】
図3Aにランプ電圧発生回路が出力するランプ電圧の波形を示す。ランプ電圧発生回路は図3Bに示すスタート信号STの供給を受けてランプ電圧Ve の発生を開始する。然し乍ら、図示するように現実にはスタート信号STの供給時点から実際にランプ電圧Ve が変化し始めるまでに遅れ時間Δtを持つ。この遅延時間Δtは一般に数ns〜10数ns程度である。遅延時間Δtが常に一定値であれば測定された時間から遅延時間Δtを除去すればよい。然し乍ら、実際には電源投入時や環境温度の変化等で最大10ns程度変動する。光速を測定対象とした場合、10nsの変動は約1.5mの距離の誤差に相当し、TAC方式の特徴である高分解能を相殺する。
【0006】
また、ランプ電圧Ve の立ち上がり初期において直線性が悪く、これはスタート信号ST直後の時間測定に誤差が大きく出ることを意味する。この直線性の悪化状態はランプ電圧発生回路を構成する定電流回路の温度特性等によって変動し、一定でないため一義的な補正は難かしい。
更に、ランプ電圧Ve はストップ信号SP(図3C)が無である場合には、定電流回路の最大電圧付近で飽和する。飽和電圧付近では若干直線性が悪く、この部分でも測定誤差が発生する。また、従来はランプ電圧Ve が飽和するだけで測定限界を越えてしまったことを表わす信号を発生していないため、飽和点近くでストップ信号SPが入力された場合、ストップ信号でランプ電圧Ve が停止したのか、飽和点に達して停止したのかを判別できない不都合がある。
【0007】
この発明の目的は時間の測定開始時点から遅延時間を含むことなく直ちに直線性よく時間の経過を計測することができる時間測定方法と時間測定装置及びこの時間測定装置を利用した距離測定装置を提供しようとするものである。
また、この発明では、時間測定の終了点近くでも直線性を維持し、誤差の発生を極力小さく抑えることができる構成とした時間測定装置及び距離測定装置を提供しようとするものである。
【0008】
【実施例】
図1を用いてこの発明による時間測定方法を説明する。この発明では、スタート信号ST(図1B参照)の供給により起動されたランプ電圧Ve が、その直線特性部分の下限電圧Ve1を横切ったことを検出し、この検出時点を時間測定開始点TS と定めたことを特徴とするものである。更には、ランプ電圧Ve の直線特性部分の上限電圧Ve2を検出し、この検出時点TE を時間測定のオーバーレンジ検出点と定める。
【0009】
従ってこの発明による時間測定方法によれば時間測定の開始点TS とオーバーレンジ検出点TE との間はランプ電圧Ve の直線特性部分だけを利用するから、時間測定の開始直後から精度よく時間測定を行なうことができる。
図2はこの時間測定方法を実現する測定装置の具体的な実施例を示す。図中10はランプ電圧発生回路を示す。このランプ電圧発生回路10は定電流回路11と、この定電流回路11から出力される定電流が与えられて充電されるコンデンサ12と、2個のフリップフロップFF1 及びFF2 とによって構成される。
【0010】
定電流回路11とコンデンサ12との接続点A点にランプ電圧Ve が出力される。
フリップフロップFF1 とFF2 は通常リセット信号によってリセットされている。フリップフロップFF1 はランプ電圧発生回路10を起動させる制御を行なう。またフリップフロップFF2 はランプ電圧発生回路10の動作を停止させる制御を行なう。これらフリップフロップFF1 とFF2 は常時はリセット信号によってリセットされている。
【0011】
フリップフロップFF1 とFF2 がリセットされている状態ではフリップフロップFF2 の出力端子Q1 がL論理を出力するから定電流回路11に設けられているトランジスタTr3とTr4がオフに、トランジスタTr5がオンに制御される。従って定電流Ic は出力点Aに出力される。
ところでフリップフロップFF1 がリセットされていることからこのフリップフロップFF1 の出力端子Q1 に接続されているトランジスタTr1がオフに制御され、その次段のトランジスタTr2はオンに制御される。この結果、定電流回路11から出力される定電流Ic はトランジスタTr2に流れ込み、出力点Aの電位を一定電位に維持する。
【0012】
この状態でフリップフロップFF1 のクロック入力端子にスタート信号STが与えられるとフリップフロップFF1 はデータ入力端子Dに接続されているH論理を流込む。この結果、出力端子Q1 はH論理に反転するから、トランジスタTr1がオンに制御され、トランジスタTr2がオフに制御される。よってトランジスタTr2がオフに反転した時点からコンデンサ12に定電流Ic が流れ始め、A点の電位はコンデンサ12の充電の進行に伴なって漸次上昇し、ランプ電圧Ve が発生する。
【0013】
この発明ではA点に電圧比較器20を接続した構成を特徴とするものである。電圧比較器20の一方の入力端子には比較電圧源21を接続し、この比較電圧源21からランプ電圧Ve の直線特性部分の下限電圧Ve1に等しい電圧を与える。比較電圧源21の電圧を電圧比較器20の反転入力端子に与えたとすると、電圧比較器20の出力はランプ電圧Ve が電圧Ve1より下側にある間はL論理を出力し続けるが、ランプ電圧Ve が電圧Ve1を越えると、H論理に反転し、ランプ電圧Ve が電圧Ve1を横切ったことを表わす検出信号VTSを出力する。
【0014】
この検出信号VTSを例えばレーザ光源60に与え、レーザ光源60からレーザ光をパルス状に出射させる。レーザ光は物標61において反射し、受光器62に受光させる。受光器62では光を電気信号に変換し、この電気信号RX をフリップフロップFF2 のクロック入力端子に入力する。
フリップフロップFF2 はデータ入力端子Dに与えられているH論理を読み込む、従って出力端子Q1 がH論理に反転するから、トランジスタTr3がオンの状態に反転し、トランジスタTr4をオンの状態に反転させる。この結果トランジスタTr5がオフに制御され、定電流Ic はトランジスタTr4に流れ出力点Aには流れない状態となる。従ってA点の電位は受光器62が反射光を受光した時点の電位に停止する。
【0015】
一方フリップフロップFF2 の状態が反転すると、出力端子Q2 に接続されているサンプルホールド回路41にトリガ信号が与えられる。よってサンプルホールド回路41はランプ電圧Ve の停止時点の電圧をサンプルホールドする。これと共に、フリップフロップFF2 の出力端子Q2 から出力されたトリガ信号は遅延素子42を通じてAD変換器40に入力されるから、AD変換器40は遅延素子42の遅延時間後に、サンプルホールド回路41にサンプルホールドされている電圧をAD変換し、そのAD変換値Ex を例えばマイクロコンピュータによって構成される演算制御器50に入力する。
【0016】
演算制御器50はAD変換器40から入力されたAD変換値Ex から比較電圧源21に設定した電圧Ve1を引算し、その残りの値を時間値又は距離値に換算して表示器51に表示させる。AD変換器40はAD変換終了後、変換終了信号ADENDを出力し、この変換終了信号ADENDをフリップフロップFF1 ,FF2 のリセット端子Rに与え、ランプ電圧発生回路10を初期状態に戻す。
【0017】
標的61が離れ過ぎている場合は、所定の時間範囲内にレーザ光が戻ってこないことになる。このためランプ電圧Ve が飽和点に達することになるが、この発明ではランプ電圧Ve が飽和点に達する前に、ランプ電圧Ve の直線特性部分の上限電圧Ve2を電圧比較器30によって検出し、その検出信号によって測定のオーバレンジ検出信号ENDを発生させる。このために電圧比較器30の一方の入力端子に比較電圧源31を接続し、この比較電圧源31から比較電圧Ve2を電圧比較器30に与えてランプ電圧Ve がこの電圧Ve2を横切ったことを検出させる。その検出信号をオーバレンジ検出信号ENDとして演算制御器50とオアゲート32を通じてフリップフロップFF1 ,FF2 に入力し、測定のための制御状態を初期状態に戻す。
【0018】
尚、図2に示した実施例では電圧比較器20の検出信号VTSをレーザ光源60に供給し、その反射光を受光器62で受光して距離を測定する構成とした場合を説明したが、他の例として検出信号VTSで例えば表示ランプを点灯させ、表示ランプの点灯を見て、被験者が例えばブレーキペタル操作を行なってその操作遅れ時間を計測する時間測定装置を構成することもできる。また距離測定装置を構成する場合、レーザ光の代わりに電波を用いることもできる。このため本件明細書ではレーザ光、電波を総称して波動と称することにする。
【0019】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明によればランプ電圧Ve の直線特性部分の下限電圧Ve1を検出し、この下限電圧Ve1の検出時点を時間測定の開始点TS としたから、この時間測定の開始点TS の直後から精度よく時間測定を行なうことができる。また、ランプ電圧Ve の直線特性部分の上限電圧Ve2を検出して測定限界点を知る構成としたから、測定範囲内では全て直線特性を使用することにより、測定範囲の全範囲において高精度を保証することができる。
【0020】
また、ランプ電圧Ve を測定対象信号で停止させAD変換するから、AD変換器のビット数を多ビット化し、電圧変化を分解能よくAD変換することにより、時間測定の分解能を高めることができる。よって、この時間測定方法及び時間測定装置を用いて距離測定装置を構成することにより、高分解能の距離測定装置を構成することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】この発明による時間測定方法を説明するための特性曲線図。
【図2】この発明による時間測定方法を用いた時間・距離測定装置を説明するための接続図。
【図3】従来の技術を説明するための特性曲線図。
【符号の説明】
Ve ランプ電圧
Ve1 直線特性の下限電圧
Ve2 直線特性の上限電圧
10 ランプ電圧発生回路
20,30 電圧比較器
40 AD変換器
Claims (5)
- 測定開始点のランプ電圧と、測定終了点のランプ電圧の差を測定して測定開始点と測定終了点の間の時間を計測する時間測定方法において、
ランプ電圧が、その直線特性部分の下限電圧に対応する電圧を横切ったことを検出し、この検出時点を時間測定の開始点と定めたことを特徴とする時間測定方法。 - スタート信号によりランプ電圧発生回路を起動し、ストップ信号によりランプ電圧発生回路の動作を停止させ、停止したランプ電圧の値によりスタート信号の供給時点からストップ信号の供給時点までの間の時間を測定する時間測定装置において、
上記ランプ電圧発生回路から出力されるランプ電圧がこのランプ電圧の直線特性の下限電圧を横切ることを検出する比較器を設け、この比較器の検出信号により実質上の時間測定を開始する構成としたことを特徴とする時間測定装置。 - スタート信号によりランプ電圧発生回路を起動し、ストップ信号によりランプ電圧発生回路の動作を停止させ、停止したランプ電圧の値によりスタート信号の供給時点からストップ信号の供給時点までの間の時間により距離を測定する距離測定装置において、
上記ランプ電圧発生回路から出力されるランプ電圧がこのランプ電圧の直線特性の下限電圧を横切ることを検出する比較器を設け、この比較器の検出信号により波動を発射させ、物標で反射した波動を受信し、この受信信号を上記ストップ信号として上記ランプ電圧発生器に与えて物標までの距離を測定することを特徴とする距離測定装置。 - 請求項2記載の時間測定装置において、上記ランプ電圧発生回路が発生するランプ電圧が直線特性の上限電圧に達したことを検出する上限電圧検出用の電圧比較器を設け、この電圧比較器の検出信号により測定のオーバレンジを検出することを特徴とする時間測定装置。
- 請求項3記載の距離測定装置において、上記ランプ電圧発生回路が発生するランプ電圧が直線特性の上限電圧に達したことを検出する上限電圧検出用の電圧比較器を設け、この電圧比較器の検出信号により測定のオーバレンジを検出することを特徴とする距離測定装置。
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Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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JP02145295A JP3552122B2 (ja) | 1995-02-09 | 1995-02-09 | 時間測定方法及びこの方法を用いた時間測定装置・距離測定装置 |
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Publications (2)
Publication Number | Publication Date |
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JPH08220260A JPH08220260A (ja) | 1996-08-30 |
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JP02145295A Expired - Lifetime JP3552122B2 (ja) | 1995-02-09 | 1995-02-09 | 時間測定方法及びこの方法を用いた時間測定装置・距離測定装置 |
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JP6237370B2 (ja) * | 2014-03-20 | 2017-11-29 | サンケン電気株式会社 | 時間電圧変換器 |
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- 1995-02-09 JP JP02145295A patent/JP3552122B2/ja not_active Expired - Lifetime
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JPH08220260A (ja) | 1996-08-30 |
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