DE10104418A1 - Distance sensor has shared reference beat frequency paths reduces equipment errors - Google Patents
Distance sensor has shared reference beat frequency paths reduces equipment errorsInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft einen Distanzsensor gemäß dem Oberbegriff des An spruchs 1.The invention relates to a distance sensor according to the preamble of the An saying 1.
Ein derartiger Distanzsensor weist einen Sendelichtstrahlen emittierenden Sen der und einen Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Die Sen delichtstrahlen treffen auf ein in einer bestimmten Objektdistanz angeordnetes Objekt und werden von dort als Empfangslichtstrahlen zum Empfänger geführt. Zur Distanzbestimmung wird die Laufzeit der Sendelichtstrahlen zum Objekt und zurück zum Distanzsensor ausgewertet.Such a distance sensor has a sensor that emits transmitted light rays and a receiver receiving receiving light beams. The sen Light rays strike a target located at a certain object distance Object and are guided from there to the receiver as reception light beams. To determine the distance, the transit time of the transmitted light beams becomes the object and evaluated back to the distance sensor.
Die Distanzmessung erfolgt dabei nach dem Phasenmessprinzip. Hierzu sind die Sendelichtstrahlen mit einer Frequenz f1 amplitudenmoduliert. Die Ampli tudenmodulation der Sendelichtstrahlen erfolgt mittels eines dem Sender vor geordneten Oszillators.The distance measurement is based on the phase measurement principle. For this purpose, the transmitted light beams are amplitude modulated with a frequency f 1 . The amplitude modulation of the transmitted light beams takes place by means of an oscillator arranged in front of the transmitter.
Ein weiterer Oszillator erzeugt ein Referenzsignal mit der Frequenz f2, wobei diese Frequenz nahezu gleich groß ist wie die Frequenz f1. Die Oszillatoren sind über eine Synchronisationsschaltung synchronisiert. Damit liefert die Pha sendifferenz zwischen den am Ausgang des Empfängers anstehenden, mit der Frequenz f1 modulierten Empfangssignalen und dem Referenzsignal ein Maß für die Objektdistanz des mit den Sendelichtstrahlen vermessenen Objektes.Another oscillator generates a reference signal with the frequency f 2 , this frequency being almost the same size as the frequency f 1 . The oscillators are synchronized via a synchronization circuit. The phase difference between the received signals at the output of the receiver, modulated with the frequency f 1 , and the reference signal thus provides a measure of the object distance of the object measured with the transmitted light beams.
Zur Ermittlung der Phasendifferenz werden die Empfangssignale und die Refe renzsignale einem Mischer zugeführt und dort überlagert. Das Ausgangssignal des Mischers wird einem Demodulator zugeführt. Die Frequenz des Ausgangssignals am Demodulator entspricht der Differenz Δf aus den Frequenzen f1 und f2.To determine the phase difference, the received signals and the reference signals are fed to a mixer and superimposed there. The output signal of the mixer is fed to a demodulator. The frequency of the output signal at the demodulator corresponds to the difference Δf from the frequencies f 1 and f 2 .
Zur Bestimmung der Phasendifferenz wird ein als Start-Stop-Zähler ausgebil deter Zähler eingesetzt. Die Synchronisationsschaltung sendet einen Synchroni sationsimpuls an den Zähler, sobald die an den Ausgängen der Oszillatoren generierten Signale gleichphasig sind. Durch diesen Synchronisationsimpuls wird der Zähler gestartet. Der Zähler wird wieder angehalten, sobald der erste auf den Synchronisationsimpuls folgende Nulldurchgang des am Ausgang des Demodulators anstehenden Ausgangssignals erfasst wird. Das so ermittelte Zeitintervall liefert ein Maß für die Phasendifferenz zwischen Empfangssignal und Referenzsignal und damit ein Maß für die Laufzeit der Sendelichtstrahlen zum Objekt.A start-stop counter is designed to determine the phase difference used counter. The synchronization circuit sends a synchronizer sationsimpuls to the counter, as soon as that at the outputs of the oscillators generated signals are in phase. Through this synchronization pulse the counter is started. The counter is stopped again as soon as the first following the synchronization pulse the zero crossing of the output of the Demodulator pending output signal is detected. That determined Time interval provides a measure of the phase difference between the received signal and reference signal and thus a measure of the transit time of the transmitted light beams to the object.
Nachteilig bei diesem Messverfahren ist, dass die Größe des mittels des Zählers ermittelten Zeitintervalls nicht nur durch die Laufzeit der Sendelichtstrahlen bestimmt ist.A disadvantage of this measurement method is that the size of the counter determined time interval not only by the transit time of the transmitted light beams is determined.
Die Größe des Zeitintervalls ist zudem abhängig von elektrischen Signallauf zeiten in unterschiedlichen elektrischen Komponenten des Distanzsensors. Hierzu gehören insbesondere eine für den Betrieb des Senders notwendige Senderregelung sowie der Empfänger.The size of the time interval also depends on the electrical signal run times in different electrical components of the distance sensor. This includes in particular one necessary for the operation of the transmitter Sender regulation as well as the receiver.
Zur Elimination derartiger Messfehler werden diese elektrischen Signallauf zeiten in Korrekturtabellen erfasst und bei der Umrechnung des ermittelten Zeitintervalls in den entsprechenden Entfernungswert als Korrekturwert erfasst.These electrical signal runs are used to eliminate such measurement errors times recorded in correction tables and when converting the determined Time interval recorded in the corresponding distance value as a correction value.
Jedoch sind die Signallaufzeiten aufgrund von Umgebungseinflüssen, wie zum Beispiel der Umgebungstemperatur, nicht konstant. Weiterhin ergeben sich aufgrund von Bauteiltoleranzen der entsprechenden elektrischen Komponenten auch exemplarabhängige Schwankungen der Signallaufzeiten. Derartige Schwankungen der Signallaufzeiten können mit den Korrekturwerten nicht oder nur äußerst unvollständig erfasst werden, so dass bei der Durchführung der Phasenmessung ein unerwünscht großer, systematischer Messfehler ver bleibt.However, the signal propagation times are due to environmental influences, such as Ambient temperature example, not constant. Furthermore arise due to component tolerances of the corresponding electrical components also sample-dependent fluctuations in signal transit times. such Fluctuations in the signal transit times can not with the correction values or only recorded incompletely so that when performing phase measurement an undesirably large, systematic measurement error ver remains.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde einen Distanzsensor der eingangs genannten Art so auszubilden, dass eine möglichst genaue Distanzbestimmung gewährleistet ist.The invention has for its object a distance sensor of the beginning of the type mentioned so that the most accurate possible distance determination is guaranteed.
Zur Lösung dieser Aufgabe sind die Merkmale des Anspruchs 1 vorgesehen. Vorteilhafte Ausführungsformen und zweckmäßige Weiterbildungen der Erfin dung sind in den Unteransprüchen beschrieben.The features of claim 1 are provided to achieve this object. Advantageous embodiments and expedient further developments of the Erfin tion are described in the subclaims.
Der erfindungsgemäße Distanzsensor weist einen Sendelichtstrahlen emittie renden Sender und einem Empfangslichtstrahlen empfangenden Empfänger auf. Die mit einer Frequenz f1 amplitudenmodulierten Sendelichtstrahlen wer den über eine Messstrecke auf ein in einer Objektdistanz angeordnetes Objekt geführt und als Empfangslichtstrahlen an diesem reflektiert und auf den Emp fänger geführt. Der Distanzsensor weist zudem einen Referenzsender und einen Referenzempfänger auf, wobei vom Referenzsender emittierte, mit einer Fre quenz f2 amplitudenmodulierte Referenzsendelichtstrahlen über jeweils eine Referenzstrecke als Referenzempfangslichtstrahlen zum Empfänger und zum Referenzempfänger geführt sind. Ein Teil der Sendelichtstrahlen sind über eine weitere Referenzstrecke auf den Referenzempfänger geführt. Am Ausgang des Empfängers werden Schwebungsmesssignale und am Ausgang des Referenz empfängers werden Schwebungsreferenzsignale jeweils mit einer Schwebungs frequenz Δf = |f1 - f2| generiert. Zur Bestimmung der Objektdistanz sind Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz zwischen den Schwebungsmesssignalen und den Schwebungsreferenzsignalen vorgesehen. The distance sensor according to the invention has a transmitter light emitting transmitter and a receiver light receiver. The amplitude-modulated transmission light beams with a frequency f 1 are guided over a measurement path to an object arranged in an object distance and reflected as reception light beams on the latter and guided to the receiver. The distance sensor also has a reference transmitter and a reference receiver, reference transmitter light beams emitted by the reference transmitter and having an amplitude f 2 amplitude-modulated are guided as reference reception light beams to the receiver and to the reference receiver over a reference path in each case. Some of the transmitted light beams are directed to the reference receiver via a further reference path. At the output of the receiver beat measurement signals and at the output of the reference receiver beat reference signals are each with a beat frequency Δf = | f 1 - f 2 | generated. To determine the object distance, means are provided for determining the phase difference between the beat measurement signals and the beat reference signals.
Da die Sendelichtstrahlen des Senders und die Referenzlichtstrahlen in sym metrischer Weise sowohl auf den Empfänger und auf den Referenzempfänger geführt werden, werden bei der Auswertung der am Ausgang des Empfängers und des Referenzempfängers anstehenden Schwebungsmesssignale und Schwebungsreferenzsignale bauteilbedingte Laufzeitdifferenzen in den elektri schen Komponenten des Senders und des Referenzsenders sowie deren An schaltungen vollständig eliminiert und führen somit nicht zu systematischen Messfehlern.Since the transmitter light beams and the reference light beams in sym metrically both on the receiver and on the reference receiver are carried out in the evaluation of the output of the recipient and the reference receiver pending beat measurement signals and Beat reference signals component-related time differences in the electri components of the transmitter and the reference transmitter and their respective circuits completely eliminated and therefore do not lead to systematic Measurement errors.
Dies führt zu einer hohen Messgenauigkeit des erfindungsgemäßen Distanzsen sors.This leads to a high measuring accuracy of the distance sensor according to the invention sors.
Dabei ist weiterhin vorteilhaft, dass eine Synchronisation für die Modulation des Senders und des Referenzsenders nicht notwendig ist. Zur Modulation des Senders und des Referenzsenders wird vorzugsweise ein separater Oszillator verwendet. Da eine Synchronisation der Oszillatoren nicht notwendig ist, kann eine entsprechende Anschaltung hierfür entfallen.It is also advantageous that synchronization for the modulation of the transmitter and the reference transmitter is not necessary. To modulate the Transmitter and the reference transmitter is preferably a separate oscillator used. Since synchronization of the oscillators is not necessary, a corresponding connection for this is not required.
Durch die optische Überlagerung der Empfangslichtstrahlen und der Referenz empfangslichtstrahlen im Empfänger und im Referenzempfänger werden an deren Ausgängen Signale generiert, welche entsprechend den Modulationen der Empfangslichtstrahlen und der Referenzempfangslichtstrahlen mit einer Trä gerfrequenz f = ½ (f1 + f2) variieren. Zudem variieren die Signalamplituden mit der Schwebungsfrequenz Δf = |f1 - f2|.Due to the optical superimposition of the received light beams and the reference received light beams in the receiver and in the reference receiver, signals are generated at their outputs, which vary according to the modulations of the received light beams and the reference received light beams with a carrier frequency f = ½ (f 1 + f 2 ). In addition, the signal amplitudes vary with the beat frequency Δf = | f 1 - f 2 |.
Dabei ist in den mit der Schwebungsfrequenz Δf variierenden Evolventen der Signalamplituden die laufzeitbedingte Phasendifferenz der Sendelichtstrahlen enthalten. Zur Distanzbestimmung wird daher nur der mit der Schwebungsfre quenz variierende niederfrequente Anteil der Signale herangezogen. In this case, in the involutes varying with the beat frequency Δf Signal amplitudes the transit time-related phase difference of the transmitted light beams contain. Only the one with the beat frequency is used to determine the distance frequency varying low frequency portion of the signals used.
Ein wesentlicher Vorteil hierbei besteht darin, dass bauteilbedingte Laufzeit schwankungen im Empfänger und im Referenzempfänger um den Faktor Δf/f geringer auf den niederfrequenten Signalanteil als auf den hochfrequenten, mit der Trägerfrequenz variierenden Signalanteil übertragen werden. Dabei liegt die Trägerfrequenz f typischerweise im MHz-Bereich, während die Schwe bungsfrequenz im kHz-Bereich liegt.A major advantage here is that component-related runtime fluctuations in the receiver and in the reference receiver by the factor Δf / f less on the low-frequency signal component than on the high-frequency, with of the carrier frequency varying signal component are transmitted. Here lies the carrier frequency f typically in the MHz range, while the Schwe exercise frequency is in the kHz range.
Durch die Auswertung der mit der Schwebungsfrequenz variierenden nie derfrequenten Schwebungsmesssignale und Schwebungsreferenzsignale erfolgt eine Transformation der Phasenmessung in den Niederfrequenzbereich. Somit wird der Einfluss von Bauteilschwankungen von empfangsseitigen elektrischen Komponenten um den Faktor Δf/f vermindert und die Messgenauigkeit des Distanzsensors entsprechend erhöht.By evaluating the never varying with the beat frequency the frequency beat measurement signals and beat reference signals a transformation of the phase measurement into the low frequency range. Consequently the influence of component fluctuations of the receiving electrical Components reduced by the factor Δf / f and the measuring accuracy of the Distance sensor increased accordingly.
Dieser Vorteil wird noch dadurch verstärkt, dass aufgrund der geringen Über tragung der Laufzeitschwankungen der Signale auf das Messergebnis eine schmalbandige Verstärkung der in dem Empfänger und im Referenzempfänger generierten Signale möglich wird, wodurch ein hohes Signal-Rausch- Verhältnis erhalten wird.This advantage is reinforced by the fact that, due to the low excess transfer of the runtime fluctuations of the signals to the measurement result narrowband gain in the receiver and in the reference receiver generated signals is possible, whereby a high signal-noise Ratio is obtained.
Die Erfindung wird im nachstehenden anhand der Zeichnungen erläutert. Es zeigen:The invention is explained below with reference to the drawings. It demonstrate:
Fig. 1: Blockschaltbild eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Distanzsensors. Fig. 1: Block diagram of an embodiment of the distance sensor according to the invention.
Fig. 2a: Zeitdiagramm der auf den Referenzempfänger des Distanzsensors auftreffenden Empfangslichtstrahlen und Referenzempfangslicht strahlen. FIG. 2a: timing diagram of the radiation to the reference receiver of the distance sensor impinging received light beams and reference received light.
Fig. 2b: Zeitdiagramm der auf den Empfänger des Distanzsensors auftref fenden Empfangslichtstrahlen und Referenzempfangslichtstrahlen. FIG. 2b: timing diagram of the receiver of the distance sensor auftref fenden received light beams and reference received light beams.
Fig. 2c: Zeitdiagramm der Signale am Ausgang des Referenzempfängers. Fig. 2c: Time diagram of the signals at the output of the reference receiver.
Fig. 2d: Zeitdiagramm der Signale am Ausgang des Empfängers. Fig. 2d: timing diagram of the signals at the output of the receiver.
Fig. 1 zeigt den prinzipiellen Aufbau des erfindungsgemäßen Distanzsensors 1. Der Distanzsensor 1 ist in einem nicht dargestellten Gehäuse integriert. Zur Bestimmung der Objektdistanz eines in Abstand zum Distanzsensor 1 angeord neten Objektes 2 ist ein Sendelichtstrahlen 3 emittierender Sender 4 und ein Empfangslichtstrahlen 5 empfangender Empfänger 6 vorgesehen. Fig. 1 shows the basic structure of the distance sensor 1 of the invention. The distance sensor 1 is integrated in a housing, not shown. To determine the object distance of an object 2 arranged at a distance from the distance sensor 1 , a transmitting light beam 3 emitting transmitter 4 and a receiving light beam 5 receiving receiver 6 are provided.
Die vom Sender 4 emittierten Sendelichtstrahlen 3 sind durch eine Sendeoptik 7 geführt und treffen auf das Objekt 2. Vom Objekt 2 werden die Sendelicht strahlen 3 als Empfangslichtstrahlen 5 zurück reflektiert und über eine Emp fangsoptik 8 zurück zum Empfänger 6 geführt. Die Sendeoptik 7 und die Emp fangsoptik 8 sind in der Wand des Gehäuses integriert und bestehen jeweils aus einer Linse.The transmission light beams 3 emitted by the transmitter 4 are guided through a transmission optics 7 and strike the object 2 . From the object 2 , the transmitted light rays 3 are reflected back as received light rays 5 and guided to the receiver 6 via an optical receiver 8 . The transmitting optics 7 and the receiving optics 8 are integrated in the wall of the housing and each consist of a lens.
Neben dem Sender 4 und dem Empfänger 6 weist der Distanzsensor 1 einen Referenzsendelichtstrahlen 9 emittierenden Referenzsender 10 und einen Refe renzempfangslichtstrahlen 11 empfangenden Referenzempfänger 12 auf.In addition to the transmitter 4 and the receiver 6 , the distance sensor 1 has a reference transmitter 10 emitting reference transmission light beams 9 and a reference receiver 12 receiving reference reception light beams 11 .
Der Sender 4 und der Referenzsender 10 bestehen jeweils aus einer Laserdiode, wobei diese vorzugsweise identisch ausgebildet sind.The transmitter 4 and the reference transmitter 10 each consist of a laser diode, which are preferably of identical design.
Der Empfänger 6 und der Referenzempfänger 12 bestehen jeweils aus einer Fotodiode, wobei die Fotodioden ebenfalls identisch ausgebildet sind. The receiver 6 and the reference receiver 12 each consist of a photodiode, the photodiodes also being of identical design.
Wie aus Fig. 1 ersichtlich, sind den beiden Sendern 4 stationäre Strahlum lenkmittel nachgeordnet. Die Strahlumlenkmittel umfassen zwei Strahlteiler spiegel 13, 14 und zwei Umlenkspiegel 15, 16.As can be seen from FIG. 1, the two transmitters 4 are arranged downstream beam deflecting means. The beam deflection means comprise two beam splitter mirrors 13 , 14 and two deflection mirrors 15 , 16 .
Ein erster Strahlteilerspiegel 13 ist dem Sender 4 nachgeordnet. Der den Strahlteilerspiegel 13 durchsetzende Teil der Sendelichtstrahlen 3 ist zum Ob jekt 2 geführt, wobei der von den Sendelichtstrahlen 3 hierbei zurückgelegte Weg eine Messstrecke bildet. Die vom Objekt 2 zurück reflektierten Emp fangslichtstrahlen 5 werden über die Empfangsoptik 8 und einen ersten Um lenkspiegel 15 zurück zum Empfänger 6 geführt. Der am Strahlteilerspiegel 13 reflektierte Teil der Sendelichtstrahlen 3 ist entlang einer ersten Referenzstre cke auf den Referenzempfänger 12 geführt.A first beam splitter mirror 13 is arranged downstream of the transmitter 4 . The part of the transmitted light beams 3 passing through the beam splitter mirror 13 is guided to the object 2 , the path covered by the transmitted light beams 3 forming a measurement path. The reflected reflected from the object 2 Emp light rays 5 are guided back to the receiver 6 via the receiving optics 8 and a first order steering mirror 15 . The part of the transmitted light beams 3 reflected at the beam splitter mirror 13 is guided to the reference receiver 12 along a first reference path.
Dem Referenzsender 10 ist ein zweiter Strahlteilerspiegel 14 nachgeordnet. Der an diesem Strahlteilerspiegel 14 reflektierte Anteil der Sendelichtstrahlen 3 ist entlang einer zweiten Referenzstrecke auf den Referenzempfänger 12 geführt. Der den Strahlteilerspiegel 14 durchsetzende Teil der Sendelichtstrahlen 3 ist über einen zweiten Umlenkspiegel 16 entlang einer dritten Referenzstrecke zum Empfänger 6 geführt.A second beam splitter mirror 14 is arranged downstream of the reference transmitter 10 . The portion of the transmitted light beams 3 reflected on this beam splitter mirror 14 is guided along a second reference path to the reference receiver 12 . The part of the transmitted light beams 3 passing through the beam splitter mirror 14 is guided to the receiver 6 via a second deflecting mirror 16 along a third reference path.
Die Distanzbestimmung des Objekts 2 erfolgt nach dem Phasenmessprinzip. Zur Durchführung der Phasenmessung sind die vom Sender 4 emittierten Sen delichtstrahlen 3 mit einer Frequenz f1 amplitudenmoduliert. Die Modulation der Sendelichtstrahlen 3 erfolgt mittels eines an den Sender 4 angeschlossenen ersten Oszillators 17.The distance of object 2 is determined according to the phase measurement principle. To carry out the phase measurement, the light beams 3 emitted by the transmitter 4 are amplitude-modulated with a frequency f 1 . The transmission light beams 3 are modulated by means of a first oscillator 17 connected to the transmitter 4 .
Die vom Referenzsender 10 emittierten Referenzsendelichtstrahlen 9 sind mit einer Frequenz f2 amplitudenmoduliert. Die Modulation erfolgt mittels eines dem Referenzsender 10 vorgeordneten zweiten Oszillators 18. Der Oszillator 18 wird asynchron zum ersten Oszillator 17 betrieben. The reference transmission light beams 9 emitted by the reference transmitter 10 are amplitude-modulated with a frequency f 2 . The modulation takes place by means of a second oscillator 18 arranged upstream of the reference transmitter 10 . The oscillator 18 is operated asynchronously to the first oscillator 17 .
Die Frequenzen f1 und f2 liegen im Megahertzbereich und sind nahezu gleich groß, wobei die Frequenzen so gewählt sind, dass die Frequenzdifferenz Δf = |f1 - f2| vorzugsweise im kHz-Bereich liegt.The frequencies f 1 and f 2 are in the megahertz range and are almost of the same size, the frequencies being chosen such that the frequency difference Δf = | f 1 - f 2 | is preferably in the kHz range.
Zur Durchführung der Distanzmessung wird die Laufzeit der Sendelichtstrah len 3 über die Messstrecke erfasst. Dabei wird im Wesentlichen die Phase der als Empfangslichtstrahlen 5 auf den Empfänger 6 auftreffenden Sendelicht strahlen 3 mit einer definierten Referenz verglichen.To carry out the distance measurement, the transit time of the transmitted light beams 3 is recorded over the measurement path. Essentially, the phase of the transmitted light rays 3 arriving as receiver light rays 5 on the receiver 6 is compared with a defined reference.
Zur Ausbildung einer Referenz dienen die über die drei Referenzstrecken ge führten Sendelichtstrahlen 3 bzw. Referenzsendelichtstrahlen 9, welche als Empfangslichtstrahlen 5 bzw. Referenzempfangslichtstrahlen 11 auf den Emp fänger 6 bzw. Referenzempfänger 12 auftreffen. Entscheidend hierfür ist, dass die Längen der Referenzstrecken fest vorgegebene, zeitlich unveränderliche Verhältnisse aufweisen. Dabei verlaufen die Referenzstrecken vollständig im Inneren des Gehäuses.To form a reference, the transmission light beams 3 or reference transmission light beams 9 guided over the three reference paths are used, which strike the receiver 6 or reference receiver 12 as reception light beams 5 or reference reception light beams 11 . The decisive factor here is that the lengths of the reference sections have fixed, time-invariable conditions. The reference sections run completely inside the housing.
Auf dem Empfänger 6 und dem Referenzempfänger 12 erfolgt jeweils eine optische Überlagerung der auftreffenden Empfangslichtstrahlen 5 und Refe renzempfangslichtstrahlen 11.On the receiver 6 and the reference receiver 12 there is an optical superimposition of the incident received light beams 5 and reference received light beams 11 .
Die am Ausgang des Empfängers 6 und des Referenzempfängers 12 anstehen den Signale werden jeweils einem Verstärker 19, 19' zugeführt. An den Aus gang des Verstärkers 19, 19' ist ein Demodulator 20, 20' angeschlossen, wel chem ein Filter 21, 21' nachgeordnet ist. An den Ausgang des Filters 21, 21' ist ein Schmitt-Trigger 22, 22' angeschlossen.The signals present at the output of the receiver 6 and the reference receiver 12 are each fed to an amplifier 19 , 19 '. At the output of the amplifier 19 , 19 ', a demodulator 20 , 20 ' is connected, which is arranged downstream of a filter 21 , 21 '. A Schmitt trigger 22 , 22 'is connected to the output of the filter 21 , 21 '.
Diese dem Empfänger 6 und dem Referenzempfänger 12 nachgeordneten Komponenten bilden zwei Auswertekanäle, die vorzugsweise identisch ausge bildet sind. These components downstream of the receiver 6 and the reference receiver 12 form two evaluation channels, which are preferably formed identically.
Die Ausgänge der Schmitt-Trigger 22, 22' sind an einen als Start-Stop-Zähler ausgebildeten Zähler 23 angeschlossen, dessen Ausgang an eine Auswerteein heit 24 angeschlossen ist. Die Auswerteeinheit 24 besteht aus einem Mikro controller oder dergleichen.The outputs of the Schmitt trigger 22 , 22 'are connected to a counter 23 formed as a start-stop counter, the output of which is connected to an evaluation unit 24 . The evaluation unit 24 consists of a micro controller or the like.
Der Zähler 23 ist zudem über eine Zuleitung mit dem dem Referenzsender 10 zugeordneten Oszillator 18 verbunden. Dieser Oszillator 18 dient zur Taktung des Zählers 23.The counter 23 is also connected via a feed line to the oscillator 18 assigned to the reference transmitter 10 . This oscillator 18 is used to clock the counter 23 .
Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Distanzsensors 1 wird im folgen den anhand der Zeitdiagramme gemäß Fig. 2 erläutert.The operation of the distance sensor 1 according to the invention is explained in the following using the time diagrams according to FIG. 2.
Fig. 2a zeigt den zeitlichen Verlauf der auf den Referenzempfänger 12 auf treffenden amplitudenmodulierten Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzemp fangslichtstrahlen 11. Dabei ist mit Uref1 die mit der Frequenz f1 modulierte Amplitude der über eine der Referenzstrecken zum Referenzempfänger 12 ge führten Empfangslichtstrahlen 5 bezeichnet. Die mit der Frequenz f2 modulierte Amplitude der über eine weitere Referenzstrecke zum Referenzempfänger 12 geführten Referenzempfangslichtstrahlen 11 ist mit Uref2 bezeichnet. Bei dem in Fig. 2a dargestellten Beispiel ist der Maximalwert der Amplitude Uref1 grö ßer als der Maximalwert Uref2. Der Übersichtlichkeit halber ist im vorliegenden Beispiel angenommen, dass die Phasendifferenz Δϕ zwischen Uref2 und Uref1 Δϕref = 0 ist. Fig. 2a shows the time course of the reference receiver 12 amplitude modulated impinging received light beams 5 and Referenzemp fang light beams 11. The frequency f 1 modulated with the amplitude of the ge via one of the reference paths for reference receiver 12 led received light beams 5 is indicated by U ref1. The amplitude modulated with the frequency f 2 of the reference reception light beams 11 guided to the reference receiver 12 via a further reference path is designated U ref2 . In the example shown in FIG. 2a, the maximum value of the amplitude U ref1 is greater than the maximum value U ref2 . For the sake of clarity, it is assumed in the present example that the phase difference Δϕ between U ref2 and U ref1 Δϕ ref = 0.
Fig. 2b zeigt den zeitlichen Verlauf der auf den Empfänger 6 auftreffenden amplitudenmodulierten Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzempfangslicht strahlen 11. Dabei ist mit U1 die mit der Frequenz f1 modulierte Amplitude der über die Messstrecke zum Objekt 2 geführten Empfangslichtstrahlen 5 be zeichnet. FIG. 2b shows the time course of the light incident on the receiver 6 the amplitude modulated received light beams 5 and reference received light beams 11. In this case, U 1 denotes the amplitude of the received light beams 5, which is modulated with the frequency f 1 , of the received light beams 5 guided over the measuring section to the object 2 .
Die mit der Frequenz f2 modulierte Amplitude der über eine Referenzstrecke zum Empfänger 6 geführten Referenzempfangslichtstrahlen 11 ist mit U2 be zeichnet. Die maximale Amplitude von U1 ist entsprechend den Amplituden verhältnissen gemäß Fig. 2a wiederum größer als die maximale Amplitude von U2. Durch die Laufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 2 ist die Amplitude U1 bezüglich U2 um Δϕ phasenverzögert, wobei im vorliegenden Beispiel die Phasenverschiebung Δϕ = 180° beträgt.The modulated with the frequency f 2 amplitude of the reference reception light beams 11 guided over a reference path to the receiver 6 is marked with U 2 be. The maximum amplitude of U 1 is again greater than the maximum amplitude of U 2 in accordance with the amplitude conditions according to FIG. 2a. Due to the transit time of the transmitted light beams 3 to the object 2 , the amplitude U 1 with respect to U 2 is phase-delayed by Δϕ, the phase shift Δϕ = 180 ° in the present example.
Durch die Überlagerung der Empfangslichtstrahlen 5 und der Referenzemp fangslichtstrahlen 11 am Referenzempfänger 12 wird das in Fig. 2c darge stellte Signal UGref erhalten. Entsprechend wird durch die Überlagerung der Empfangslichtstrahlen 5 und der Referenzempfangslichtstrahlen 11 am Emp fänger 6 das in Fig. 2d dargestellte Signal UG erhalten.The signal U Gref shown in FIG. 2 c is obtained by superimposing the received light beams 5 and the reference light 11 on the reference receiver 12 . Correspondingly, the signal U G shown in FIG. 2d is obtained by superimposing the received light rays 5 and the reference received light rays 11 on the receiver 6 .
Die Signale UG und UGref oszillieren jeweils mit einer hochfrequenten Träger frequenz f, welche durch die Beziehung f = ½ (f1 + f2) gegeben ist. Zudem ent steht durch die am Empfänger 6 und Referenzempfänger 12 jeweils überlager ten Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzempfangslichtstrahlen 11 eine Schwebung, so dass die Amplitudenmaxima von UG und UGref mit einer Schwebungsfrequenz Δf = |f1 - f2| variieren.The signals U G and U Gref each oscillate with a high-frequency carrier frequency f, which is given by the relationship f = ½ (f 1 + f 2 ). In addition, a beat is created by the respective received light beams 5 and reference receive light beams 11 superimposed on the receiver 6 and reference receiver 12 , so that the amplitude maxima of U G and U Gref with a beat frequency Δf = | f 1 - f 2 | vary.
Aus dem niederfrequenten Schwebungsanteil der Signale UG und UGref wird die Laufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 2 und damit die Objektdistanz ermittelt.The transit time of the transmitted light beams 3 to the object 2 and thus the object distance are determined from the low-frequency beat component of the signals U G and U Gref .
Hierzu werden die Signale UG, UGref im jeweils zugeordneten Verstärker 19, 19' zunächst verstärkt und dann im Demodulator 20, 20' demoduliert. Dabei wird der hochfrequente Anteil der Signale UG, UGref eliminiert, so dass am Ausgang des Demodulators 20, 20' niederfrequente Schwebungssignale erhal ten werden. For this purpose, the signals U G , U Gref are first amplified in the associated amplifier 19 , 19 'and then demodulated in the demodulator 20 , 20 '. The high-frequency component of the signals U G , U Gref is eliminated, so that low-frequency beat signals are obtained at the output of the demodulator 20 , 20 '.
Am Ausgang des dem Referenzempfänger 12 zugeordneten Demodulators 20' wird ein Schwebungsreferenzsignal erhalten, dessen zeitlicher Verlauf dem in Fig. 2c dargestellten Verlauf der Einhüllenden Eref des Signals UGref ent spricht.At the output of the demodulator 20 'assigned to the reference receiver 12 , a beat reference signal is obtained, the course of which corresponds to the course of the envelope E ref of the signal U Gref shown in FIG. 2c.
Entsprechend wird an dem dem Empfänger 6 zugeordneten Demodulator 20 ein Schwebungsmesssignal erhalten, dessen zeitlicher Verlauf dem in Fig. 2d dargestellten Verlauf der Einhüllenden E des Signals UG entspricht.Correspondingly, a beat measurement signal is obtained on the demodulator 20 assigned to the receiver 6 , the time course of which corresponds to the course of the envelope E of the signal U G shown in FIG. 2d.
Da das Schwebungsmesssignal und das Schwebungsreferenzsignal in symmet rischer Weise durch eine Schwebung der auf den Empfänger 6 und den Refe renzempfänger 12 auftreffenden Empfangslichtstrahlen 5 und Referenzemp fangslichtstrahlen 11 entstanden sind, entspricht die Phasenverschiebung zwi schen dem Schwebungsmesssignal und dem Schwebungsreferenzsignal der Phasenverschiebung der Signale U1 und U2 und damit der Laufzeitverzögerung, welche durch die Laufzeit der Sendelichtstrahlen 3 zum Objekt 2 und zurück zum Distanzsensor 1 bedingt ist.Since the beat measurement signal and the beat reference signal have arisen in a symmetrical manner by a beat of the receiving light beams 5 and the reference receiver 12 impinging on the receiver 6 and the reference receiver beam 11 , the phase shift between the beat measurement signal and the beat reference signal corresponds to the phase shift of the signals U 1 and U 2 and thus the transit time delay, which is caused by the transit time of the transmitted light beams 3 to object 2 and back to distance sensor 1 .
Als Mittel zur Bestimmung der Phasendifferenz dienen die Schmitt-Trigger 22, 22' und der Zähler 23. Mittels des dem Referenzempfänger 12 nachgeordneten Schmitt-Triggers 22' werden die Nulldurchgänge des Schwebungsreferenzsig nals erfasst. Entsprechend werden mittels des dem Empfänger 6 nachgeordne ten Schmitt-Triggers 22 die Nulldurchgänge des Schwebungsmesssignals er fasst.The Schmitt triggers 22 , 22 'and the counter 23 serve as means for determining the phase difference. By means of the reference receiver 12 downstream of the Schmitt trigger 22 ', the zero crossings of the Schwebungsreferenzsig Nals be detected. Correspondingly, the zero crossings of the beat measurement signal are detected by means of the Schmitt trigger 22 arranged after the receiver 6 .
Diese Messgrößen bilden die Eingangsgrößen für den Zähler 23. Mit dem Zähler 23 wird dann jeweils die Zeitdifferenz zwischen dem Zeitpunkt eines Nulldurchgangs des Schwebungsreferenzsignals, der in Fig. 2c mit t0 be zeichnet ist, und dem Zeitpunkt des darauffolgenden Nulldurchgangs des Schwebungsmesssignals, der in Fig. 2d mit t1 bezeichnet ist, bestimmt. Diese Zeitdifferenz liefert ein direktes Maß für die Phasendifferenz zwischen dem Schwebungsmesssignal und dem Schwebungsreferenzsignal. In der Auswerte einheit 24 wird aus der Phasendifferenz die Objektdistanz der Objektes 2 be rechnet. These measured variables form the input variables for the counter 23 . The counter 23 is then used to determine the time difference between the time of a zero crossing of the beat reference signal, which is denoted by t 0 in FIG. 2c, and the time of the subsequent zero crossing of the beat measurement signal, which is denoted by t 1 in FIG. 2d , This time difference provides a direct measure of the phase difference between the beat measurement signal and the beat reference signal. In the evaluation unit 24 , the object distance of the object 2 is calculated from the phase difference.
11
Distanzsensor
Distance sensor
22
Objekt
object
33
Sendelichtstrahlen
Transmitted light beams
44
Sender
Channel
55
Empfangslichtstrahlen
Receiving light rays
66
Empfänger
receiver
77
Sendeoptik
transmission optics
88th
Empfangsoptik
receiving optics
99
Referenzsendelichtstrahlen
Reference end beams
1010
Referenzsender
reference stations
1111
Referenzempfangslichtstrahlen
Reference received light beams
1212
Referenzempfänger
reference receiver
1313
Strahlteilerspiegel
Beamsplitter mirror
1414
Strahlteilerspiegel
Beamsplitter mirror
1515
Umlenkspiegel
deflecting
1616
Umlenkspiegel
deflecting
1717
Oszillator
oscillator
1818
Oszillator
oscillator
1919
Verstärker
amplifier
1919
' Verstärker
'Amplifier
2020
Demodulator
demodulator
2020
' Demodulator
'Demodulator
2121
Filter
filter
2121
' Filter
'Filter
2222
Schmitt-Trigger
Schmitt trigger
2222
' Schmitt-Trigger
'Schmitt trigger
2323
Zähler
counter
2424
Auswerteeinheit
evaluation
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