DE2923979C2

DE2923979C2 - Vorrichtung zur berührungslosen Abstandmessung

Info

Publication number: DE2923979C2
Application number: DE19792923979
Authority: DE
Inventors: Horst 5880 Lüdenscheid Poschmann; Hanns 4750 Unna Rump; Gerhard 5880 Lüdenscheid Wagner
Original assignee: Elp-Electronic & Plastic's 5880 Luedenscheid De GmbH
Current assignee: Elp-Electronic & Plastic's 5880 Luedenscheid De GmbH
Priority date: 1979-06-13
Filing date: 1979-06-13
Publication date: 1982-12-09
Also published as: DE2923979A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandmessung im Abstandbereich einige ⁵⁽⁾ Zentimeter bis zu einigen 10 Metern, mit Gehäuse im Taschenformat, das einen im Ultraschallbereich arbeitenden Kurzzeit-Impulssender und einen zugeordneten Empfänger sowie eine mit dem Sender und Empfänger zusammenwirkende Laufzeitmeßeinrichtung enthält, die gesteuert vom Empfänger abschaltbar ist und der ein mehrstelliges digitales Anzeigefeld am Gehäuse zugeordnet ist, wobei der Empfänger einen das Abschalten der Laufzeitmeßeinrichfing steuernden Empfangsversiärker aufweist, wobei ein Zeitglied dem Empfangsver- ^b0 stärker zugeordnet ist, durch dessen Steuerung die Ansprechempfindlichkeit zeitverzögert gegenüber dem Aussenden des Sendeimpulses auf den Betriebswert ansteigt nach Patent 27 55 556.

In der Hauptanmeldung ist bereits das Problem ^b' behandelt, ein Ansprechen des Empfängers auf Störechos zu vermeiden. Es ist dort bereits vorgesehen, daß die Ansprechempfindlichkeit des Empfängers nach Aussenden des Sendeimpulses über eine bestimmte Zeitspanne bis zu dem Betriebswert hin ansteigt

Aufgabe der vorliegenden Zusatzerfindung ist eine solche Ausbildung der Vorrichtung nach dem Hauptpatent, daß durch eine optimale Steuerung der Ansprechtmpfindlichkeit des Empfängers Störechos nahezu vollständig unterdrückt werden können.

Diese Aufgabe wird nach der Erfindung dadurch gelöst, daß zur quadratischen Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit in Abhängigkeit von der Laufzeit in der Eingangsstufe die Kathode eines Feldeffekttransistors über die Parallelschaltung eines Kathodenwiderstandes und eines Kondensators und außerdem über die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode mit Masse und die Anode des Feldeffekttransistors über einen Anodenwiderstand mit der Betriebsspannung verbunden sind und daß in die Kathodenleitung der Diode eine von dem Startsignal des Senders gesteuerte Gatterschaltung eingefügt ist.

Es hat sich gezeigt, daß bei einem handelsüblichen Ultraschallsender der vorliegenden Abmessungen die Strahlung auf einen Winkelbereich von 10° zu beiden Seiten der Bezugsrichtung konzentriert ist. Innerhalb dieses Winkelbereichs fällt die Intensität auf einen Pegel von etwa -1OdB ab. Da außerdem die Energie des Ultraschallimpulses mit dem Quadrat der Entfernung abnimmt, kann man im wesentlichen eile Störechos unterdrücken, wenn man gemäß der Lehre der Erfindung die Ansprechempfindlichkeit des Empfängers steuert. Nur Echos, die von dem zu messenden Gegenstand herkommen, haben dann einen ausreichend hohen Pegel, um die Empfängerschaltung zum Ansprechen zu bringen.

Mit dieser Vorrichtung ist gewährleistet, daß sich im War'ezustand der Feldeffekttransistor im Sättigungsgebiet befindet, so daß der Verstärkungsgrad bzw. die Ansprechempfindlichkeit den Wert 0 haben. Durch das Startsignal wird das Potential an der Gatterschaltung erhöht, so daß die Ladung des Kondensators exponentiell ansteigt. Entsprechend verschiebt sich der Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors in den Bereich höchster Verstärkung. Eine Überprüfung zeigt, daß das Produkt von Ansprechempfindlichkeit bzw. Verstärkung des Empfängers und Schallpegel innerhalb des Meßbereiches weitgehend konstant ist. Damit lassen sich durch diese Schaltung nahezu ideale Verhältnisse verwirklichen, so daß durch eine überraschend einfache Schaltungsmaßnahme Störimpulse unterdrückt werden können.

Eine Ausführungsform der Erfindung wird im folgenden unter Bezugnahme auf die Zeichnungen erläutert, in denen darstellt

Fig. 1 eine Gesamtansicht des Ultraschall-Abstandsmeßgerätes,

F i g. 2 ein Diagramm des Schallfeldes einer typischen Ultraschallkapsel,

F i g. 3 die Schaltung eines Ausführungsbeispiels nach der Erfindung,

Fig.4 den Verlauf des Schallpegels und der Ansprechempfindlichkeit des Empfängers in Abhängigkeit von dem Laufweg und

F i g. 5 das Produkt von Ansprechempfindlichkeit des Empfängers und Schallpegel ebenfalls in Abhängigkeit vom Laufweg.

Das Ultraschall-Abstandsmeßgerät befindet sich innerhalb eines Gehäuses 1, das etwa die Größe eines Taschenrechners hat. Ein digitales Entfernungsanzeigefeld 2 zeigt die jeweils gemessene Entfernung an. Die

Auslösung eines Ultraschallimpulses erfolgt mittels eines Einschalttasters 6. Der Uitraschallimpuls wird über den Ultraschallsender 7 abgestrahlt und der reflektierte Impuls wird mittels eines Empfängers 8 empfangen.

F i g. 2 zeigt die Richtcharakteristik des Ultraschallfeldes eines handelsüblichen Ultraschallsenders. Man erkennt, daß innerhalb eines Winkelbereichs von 10° zu beiden Seiten der Bezugsrichtung der Hauptteil der Intensität des Schallfeldes konzentriert ist Innerhalb _!0 dieses Winkelbereiches fällt der Pegel des Schallfeldes auf -10 dö ab. Da außerdem der Pegel des Schallfeldes etwa umgekehrt proportional zum Quadrat des Laufweges abfällt, kann man nach der Erfindung Einflüsse von Störechos dadurch vermeiden, daß man die Ansprechempfindlichkeit des Empfängers in quadratischer Abhängigkeit vom Laufweg steuert, damit das Produkt von Ansprechempfindlichkeit bzw. Verstärkung des Empfängers und Schailpegel im wesentlichen konstant bleibt.

Eine Schaltung zur Verwirklichung des Erfindungsgedankens ist in F i g. 3 dargestellt. Eine als Blockschaltbild gezeigte Startverzögerungsschaltung 12 wird durch den Einschalttaster ausgelöst und gibt über eine Leitung 51 ein definiertes Startsignal ab, das auch die Sendeschaltung 11 auslöst, so daß über den Ultraschallsender 7 ein kurzzeitiger Ultraschallimpuls ausgesandt wird. Der Empfänger 8 empfängt die Echosignale. Die Eingangsstulfe der Empfangsschaltung enthält einen Feldeffekttransistor 52, dessen Torelektrode über einen Wider- _J0 stand 53 mit Masse verbunden ist. Die Kathode des Feldeffekttransistors liegt über einen Kathodenv iderstamd 54 ebenfalls an Masse. Die Anode des Feldeffekttransistors 52 ist über einen Anodenwiderstand 55 mit der Betriebsspannung + Ub verbunden. ₃-, Parallel zu dem Kathodenwiderstand 54 liegt ein Kondensator Cund außerdem ein Einstellwiderstand 56, an den die Anode einer Diode D angeschlossen ist. Die Kathode dieser Diode D ist mit einer IC-Technik ausgeführten Gatterschaltung G verbunden, der in Steuereingang an die Leitung 51 angeschlossen ist.

Wenn auf der Leitung 51 kein Startsignal vorhanden ist, ist der entsprechende Anschlußpunkt der Gatterschaltung C mit Masse verbunden. Wenn auf der Leitung 51 ein positives Startsignal erscheint, erscheint auch an dem betreffenden Eingang der Gatterschaltung G ein positives Potential, so daß die Diode D sperrt

Die Anode des Feldeffekttransistors 52 ist über eine Verstärkerstufe 57 mit einer Auswerteschaltung 58 verbunden, die im einzelnen nicht erläutert wird.

Die Widerstände 54 und 55 sowie der Widerstand 53 werden so eingestellt, daß der Arbeitspunkt des Transistors 52 im Bereich höchster Verstärkung liegt, wenn die Diode Dgesperrt ist.

Die mit der Schaltung erzielten Meßergebnisse sind in den F i g. 4 und 5 dargestellt. F i g. 4 zeigt zunächst in logarithmischem Maßstab den Schallpegel in Abhängigkeit von dem Laufweg. Der Schallpegel nimmt im wesentlichen umgekehrt quadratisch mit dem Laufweg ab. Im Wartezustand stellt die Diode Deine Verbindung zur Masse dar, so daß dadurch der Feldeffektransistor 52 in den Sättigungsbereich gezogen wird, in dem die Ansprechempfindlichkeit bzw. der Verstärkungsgrad einen verschwindenden Wert haben. Sobald das Startsignal auf der Leitung 51 auftritt, wird das Kathodenpotential der Diode D hochgelegt, so daß die Diode D sperrt. Infolgedessen steigt das Potential am Kondensator C exponentiell an. Demzufolge wird der Arbeitspunkt des Feldeffekttransistors 52 in entsprechendem Ausmaß in den Bereich höchster Verstärkung hineinverschoben. Der Verstärkungsgrad bzw. die Ansprechempfindlichkeit des Feldeffekttransistors 52 sind in Abhängigkeit von diesem Ladevorgang und damit auch in Abhängigkeit vom Laufweg ebenfalls in F i g. 4 dargestellt. Dieser Verlauf der Ansprechempfindlichkeit läßt sich durch Einstellung des Einstellwiderstandes 56 beeinflussen.

Das Produkt von Ansprechempfindlichkeit und Schallpege! ist in F i g. 5 im Dämpfungsmaßstab dB angegeben. Dieses Produkt hat innerhalb des Meßbereichs einen weitgehend konstanten Wert, so daß Störechos wirksam unterdrückt werden können.

Hierzu 3 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Vorrichtung zur berührungslosen Abstandmessung im Abstandbereich einige Zentimeter bis zu einigen 10 Metern, mit Gehäuse im Taschenformat das einen im Ultraschallbereich arbeitenden Kurzzeit-Impulssender und einen zugeordneten Empfänger sowie eine mit dem Sender und Empfänger zusammenwirkende Laufzeitmeßeinrichtung enthält, die gesteuert vom Empfänger abschaltbar ist ι« und der ein mehrstelliges digitales Anzeigefeld am Gehäuse zugeordnet ist, wobei der Empfänger einen das Abschalten der Laufzeilmeßeinrichtung steuernden Empfangsverstärker aufweist, wobei ein Zeitglied dem Empfangsverstärker zugeordnet ist, durch ii dessen Steuerung die Ansprechempfindlichkeit zeitverzögert gegenüber dem Aussenden des Sendeimpulses auf den Betriebswert ansteigt nach Patent 27 55 556, dadurch gekennzeichnet, daß zur quadratischen Erhöhung der Ansprechempfind- -o lichkeit in Abhängigkeit von der Laufzeit in der Eingangsstufe die Kathode eines Feldeffekttransistors (52) über die Parallelschaltung eines Kathodenwiderstandes (54) und eines Kondensators (C) und außerdem über die Anoden-Kathoden-Strecke einer Diode (D,/mit Masse und die Anode des Feldeffekttransistors (52) über einen Anodenwiderstand (55) mit der Betriebsspannung verbunden sind und daß in die Kathodenleitung der Diode (D) eine von dem Startsignal des Senders gesteuerte Gatterschaltung Jo (G) eingefügt ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenwiderstand (54) und der Anodenwiderstand (55) dts Feldeffekttransistors (52) so bemessen sind, daß der Feldeffekttransistor J' im Arbeitspunkt höchster Verstärkung arbeitet.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Verstärkerstufen an die Anode des Feldeffekttransistors (52) angekoppelt sind. ^4(l

4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen die Kathode des Feldeffekttransistors (52) und die Anode der Diode (D) ein Einstell widerstand (56) eingefügt ist.