DE3037795C2

DE3037795C2 - Anordnung zur Messung von Geschwindigkeiten bewegter Körper unter Ausnutzung des Doppler-Effektes

Info

Publication number: DE3037795C2
Application number: DE19803037795
Authority: DE
Inventors: Heinz-Werner 4401 Everswinkel Oberholz
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1980-10-07
Filing date: 1980-10-07
Publication date: 1983-12-01
Also published as: DE3037795A1

Description

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Die Erfindung betrifft eine Anordnung zur Messung von Geschwindigkeiten bewegter Körper, insbesondere bei experimentellen Anordnungen und Schulversuchen, mit Hilfe von Schallwellen, die von dem bewegten Körper ausgehen, und unter Ausnutzung des Doppler-Effektes, wobei die Anordnung wenigstens folgende Einzelteile umfaßt:

— einen Sender, der ein Signal im Bereich der Ultraschall-Frequenz aussendet,

— einen Empfänger mit Frequenz-Diskriminator, der die Sendefrequenz mit der empfangenen Frequenz vergleicht und eine Ausgangsspannung erzeugt, die der Differenz zwischen Sende- und Empfangsfrequenz proportional ist.

Derartige Anordnungen dienen dazu, die Geschwindigkeit bewegter Körper, wie beispielsweise von Pendel-Kugeln, Versuchsfahrzeugen und dergleichen zu bestimmen.

Es ist eine Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung mittels akustischer Wellen unter Ausnutzung des Doppler-Effektes bekannt (DE-PS 9 48 559), die die Frequenz-4/=/o ·— (fürv«c)
c

zur Messung der Geschwindigkeit heranzieht. Die von einem Sender mit der Frequen?/,, ausgesandten Signale gelangen nach Reflektion mit der verschobenen Frequenz /„=/ρ±Δ/ an den Empfänger. Die verschobene Frequenz wird in einem Frequenzdiskriminator verarbeitet, dessen Ausgangsspannung proportional der Geschwindigkeit ν ist. Die genannte Patentschrift offenbart allerdings nicht die Schaltung und das Prinzip des Frequenzdiskriminators, obwohl bei experimentellen Anordnungen und Schul versuchen eine wesentliche Voraussetzung ist, eine hohe Genauigkeit innerhalb eines begrenzten Meßbereiches zu erhalten, ohne daß hierfür übertriebener elektronischer Aufwand getrieben werden muß.

Es stellt sich damit die Aufgabe, den Stand der Technik anwendbar zu machen, so daß insbesondere Geschwindigkeitsmessungen und daraus abgeleitete Bestimmungen von Weg und Beschleunigung möglich sind, die in einem Meßbereich von y = 0 bis ca. ± 15 m/s arbeiten, wobei es möglich sein soll, eine der Geschwindigkeit proportionale Abgriffsspannung zu erzeugen, die so genau ist, daß sie auch integriert und differenziert werden kann, beispielsweise für Versuche mit bewegten Pendelkörpern, mit Modellfahrzeugen und dergleichen.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß erfindungsgemäß der Frequenzdiskriminator einen Phasendetektor und einen spannungsabgestimmten Oszillator umfaßt, der bei einer Eingangsspannung U=O ein Ausgangssignal der Frequenz/o, also der Sendefrequenz, erzeugt, das dem Phasendetektor als erstes Signal zugeführt ist, daß dem Phasendetektor als zweites Signal das empfangene Signal mit der Frequenz/;, =/₀±Δ/zugeführt ist, und daß mit Hilfe der integrierten Ausgangssignalspannung des Phasendetektors U = F[f) als Steuerspannung der Oszillator synchronisiert wird, so daß die Oszillatorfrequenz gleich der Empfangsfrequenz ist, wobei die Steuerspannung zum Synchronisieren des Oszillators direkt proportional der Geschwindigkeit des Körpers ist.

Die Schaltung des Frequenzdiskriminators ist im vorliegenden Falle als sogenannte /^-(Phase-Lock)-Schaltung konzipiert. Eine derartige Schaltung ist dazu geeignet, eine sehr genaue Abstimmung der relativ kleinen Frequenzänderungen zu erfassen und sie in eine Ausgangsspannung umzuwandeln. Insbesondere hat diese Schaltung den Vorteil, daß sie auch im Bereiche des Null-Punktes, also bei nicht verschobener Frequenz, sehr genau arbeitet und damit auch im Bereiche des Durchganges von einer positiven zur negativen Geschwindigkeit (Bewegung von und zum Empfänger) weitgehend exakte Messungen erlaubt.

Dabei ist auch eine Anordnung möglich, bei der das sich bewegende Objekt selbst einen Sender trägt, der mit der Frequenz/o sendet. In diesem Falle ist allerdings zu berücksichtigen, daß die Beziehung (1) lauten muß

A/Wo ■ -

Üblicherweise erzeugt der Oszillator bei der Ausgangsspannung U = O eine Rechteckimpulsfolge mit der Frequenz/g, die in dem Phasendiskriminator mit dem von dem Empfänger kommenden Signal der Frequenz/, ver-

glichen wird. Die von dem Phasendiskriminaior ausgehende Steuerspannung U regelt den Oszillator auf die i-'requenz/_r=/(l/) ein, be: der die Phasendifferenz Null ist.

Auf dem Gebiete der Geschwindigkeitsmessung mit Ultraschall ist ein Abstands- und Geschwindigkeitsmeßgerät bekannt, das nach dem Ultraschall-Sekundärradarprinzip arbeitet (vgl. Artikel »Ein Abstands- und Geschwindigkeitsmeßgerät nach dem Ullraschall-Sekundärradarprinzip«, Verf.: P. Reitberger und G. Schmidt, veröffentlicht in FEINWERKTECHNIK + MESSTECHNIK, 1974, Seiten 198-201). Bei diesem bekannten Gerät wird eine Geschwindigkeitsmessung mit Hilfe eines Senders vorgenommen, der Signale mit der Frequenz f₀ aussendet, die von einem Empfänger mit der verschobenen Frequenz /, empfangen werden. Im Transponder wird die empfangene Signalfrequenz/, um einen konstanten Faktor k versetzt und ein Signal mit der Frequenz/^ = Jt ·/, vom zweiten Sender wieder ausgesendet. Der Empfänger vergleicht die vom Mikiofon empfangene Signal frequenz^ mit der vom Sender gelieferten Referenzfrequenz f_r = k /₀ und bildet daraus die dem Betrag und Vorzeichen der Relativgeschwindigkeit ν proportionale Dopplerfrequenz/_D, wobei sich rechnerisch die Relativgeschwindigkeit der Objekte ergibt, auf denen Transponder bzw. Sender/Empfänger befestigt sind.

Damit unterscheidet sich das bei der bekannten Vorrichtung genutzte Meßverfahren völlig von dem vorliegender Erfindung. Bei letzterer wird ein refelektiertes Signal einem Phasendetektor zugeführt, der Teil eines Phase-Lock-Kreises ist. Dem Phasendetektor wird als weiteres Signal ein Ausgangssignal mit der Frequenz /(U) zugeführt, das ein spannungsabgestimmter Oszillator erzeugt. Mit Hilfe des Phasendetektors wird eine Steuerspannung erzeugt, die den spannungsgesteuerten Oszillator auf die Eingangsfrequenz einregelt. Diese Steuerspannung ist eine Funktion des Frequenzunterschiedes von ausgesandter und empfangener Frequenz und damit eine Funktion der Geschwindigkeit des bewegten Objektes. Der Phase-Lock-Loop-Kreis (PLL-Kreis) dient damit im vorliegenden Fall direkt und ohne weitere Schaltungshilfsmittel der Erzeugung einer vorzeichenrichtigen Spannung U_t,~v.

Im Falle der bekannten Schaltung wird eine PLL-Schaltung für zwei Aufgaben verwendet:

— im Transponder zur Erzeugung einer Frequenz/, = k ·/, auf bekannte Art und Weise,

— im Empfänger »tracking-filter« im Sinne einer selektiven Erfassung der Eingangssignalfrequjnz/,. und als Diskriminator für die Wegmeßimpulse.

Zur Gewinnung des Geschwindigkeitssignales muß dabei noch die Dopplerfrequenz/_D = /f_r—f_E/ und zusätzlich das Vorzeichen der Geschwindigkeit durch weiteren Schaltungsaufwand erzeugt werden. Die Auswertung der Dopplerfrequenz ist beim Stand der Technik vor.i System her für kurze Strecken im Bereich von ca. 0- 5 m (Schulversuche) praktisch ungeeignet, da die niedrigste auswertbare Dopplerfrequenz bei 8 Hz liegt, welches einer Meßgenauigkeit der Relativgeschwindigkeit von 3.6 m/s entspricht. Dabei ist die Ansprechzeit auch relativ hoch, nämlich 1,25 s, entsprechend 10 Schwingungsdauern bei einer Signalfrequenz von 8 Hz.

Die Anordnung gemäß vorliegender Erfindung ist jedoch geeignet, mit geringem technischen Aufwand und kurzer Ansprechzeit - ca. 0.05 s — im genannten Meßbereich die Geschwindigkeit bei höherer Auflösung und Genauigkeit zu messen.

Zur Entkopplung von Sende- und Empfangssignal isl weiterhin möglich, daß das gesendete Signal als ein mit der Sendefrequenz moduliertes Lichtsignal ausgesandt wird, und daß der bewegte Körper mit einem Empfänger und Wandler ausgestattet ist, der das empfangene Signal als Schallfrequcnzsignal wieder aussendet. Das im stationären Empfänger empfangene Signal ist dann um die Doppler-Frequenz verschoben.

Die der Beschreibung beigefügte Figur zeigt ein Schaltdiagramm als Ausführungsbeispiel der Erfindung.

In der Figur ist mit 1 ein Frequenzgenerator bezeichnet, der ein Ultraschallsignal mit der Frequenz/₀ als Rechteckspannung erzeugt, das über den Ultraschall-Sender 2, einen Schwingquarz, als akustische Welle gerichtet abgestrahlt wird und dabei auf einen sich bewegenden Köper 3 trifft, der das Schallsignal reflektiert. Die Ultraschallfrequenz ist beispielsweise 4OkHz, vorzugsweise Hegt sie im Bereich von 30 bis 60 kHz. Der Ultraschall-Empfänger, ein Mikrofon 4. nimmt das reflektierte Signal, dessen Frequenz sich aufgrund des Doppler-

Effektes nach /,.=/₀±Δ/ verschoben hat, auf.

Das reflektierte Signa) wird im Verstärker 5 verstärkt und zum Rechtecksignal regeneriert. Anschließend wird es über einen Umschalter 6 dem ersten Eingang 7 eines Phasendetektors 8 eingegeben, der Teil eines PL-(phaselock-)Kreises ist. Dem Phasendetektor 8 wird als weiteres Signal am Eingang 9 ein Ausgangssignal mit der Frequenz J(U) zugeführt, das ein spannungsabgestimmter Oszillator 10 erzeugt. Diesem Oszillator wird eine bestimmte Steuerspannung U₁. aufgegeben. Er ist so geschaltet oder abgestimmt, daß er bei einer Sleuerspannung U₁. = 0 eine Frequenz J₀ (also die Signalfrequenz) erzeugt. Der Ausgang des Phasendiskriminators 8, der die benötigte Steuerspannung U=F(Af) liefert, ist über einen Vorzeichensteller 8', ein Subtrahier- und Integrierglied 11 und über einen Impedenzwandler 12 mit dem Regeleingang 14 des Oszillators 10 verbunden. Eine vorgeschaltete Zenerdiode 15 sorgt dafür, daß am Regeleingang 14 eine beispielsweise 3,3 V höhere Spannung liegt, um eine zum Regelpunkt symmetrische Regelspannung zu haben. Die Zenerdiode kann entfallen, wenn die Ausgangsfrequenz/o einer Regelspannung U₁. = 0 exakt entspricht.

Bei dem verwendeten Oszillator 10 mit verschobenem Regelpunkt ist die Ausgangsfrequenz in dem benötigten Bereich linear abhängig von der Steuerspannung. Wenn J\. =/₀ erreicht, wird bei U₁. = 0, so gilt für die Frequenzänderung

Δ/~Δ(/=1/,.Φ0.

Andererseits gilt nach der eingangs genannten Gleichung

Δ/- r.

somit bekommt man

Die Regelspannung U₁. isl bei nicht zu großer Geschwindigkeit (i<sc <·) direkt proportional zu ν und damit zum gewünschten Meßwert. Diese Zusammenhänge gelten für Reflektion. 1st der Sender mit dem zu messenden Körper verbunden, so isl der Spannungsunterschied nur noch halb so groß, aber selbstverständlich ist auch hierA/ ~ r (Proportionalität bleibt gewahrt).

Die abgegriffene Spannung U₁. kann über entsprechen-

b5 de Anzeigevorrichtungen, wie .v-/-Schreiber, als Zeitfunktion aufgezeichnet werden. Es ist auch möglich, die Spannung U₁. über einen Differentiator 16 in eine Spannung ( _u umzuwandeln, die proportional der Beschleuni-

gung ist, oder über einen Integrator 17 zu verarbeiten, dessen Ausgangsspannung U_s dem zurückgelegten Weg proportional ist.

Die Meßanordnung ermöglicht damit den Bau eines Gerätes, mil dem sich v-i-, s-i- oder (/-/-Diagramme einer beliebigen Bewegung direkt mit einem r-/-Schreiber aufzeichnen lassen. Dieses auf rein elektronischer Basis arbeitende Gerät ist bekannten Potentiometeranordnungen, Tachogeneratorschallungen oder in Spulen eintauchenden Magneten überlegen. Die genannten, bekannten Einrichtungen haben den Nachteil auftretender Reibung, umständlichen Aufbaus oder eng begrenzten Einsatzgebietes.

Die im Schaltdiagramm angegebenen Bauteile sind dem Fachmann in Schaltung und Aufbau an sich bekannl. Für die vorliegende Anordnung eignet sich beispielsweise ein spannungsabgestimmter Oszillator (VCO = voltage controlled oscillator) des Types »Timer NE 555«. Sein Signal und das Empfangssignal gelangen an die Eingänge eines Zählers 74 LS 93, der über ein integriertes NAND-Glied und Reset-Eingänge als Phasendiskriminator geschaltet ist. Ein weiterer »Timer« als Rechteckgenerator steuert den eingebauten Sender an. Außerdem gelangt sein Signal, d.h. die Frequenz./₀, an den Eingang des Phasendiskriminators, falls der Emplanger kein ausreichendes Signal liefert. Auf diese Weise kann ein unkontrolliertes Arbeiten des Gerätes bei fehlendem Empfang vermieden werden. Ein NAND-Baustein 74 LS 00 dient dabei als elektrischer Umschalter 6: er kann von einem »Timer« gesteuert werden.

Es ist möglich, die genannten Schaltelemente auch als IC-Bausteine, auch in C-MOS-Bauweise, zu verwenden.

In Abweichung von der dargestellten Ausführungsform ist es auch möglich, daß das bewegende Objekt selbst eine genau eingestellte SendefrequenzJ₀ abgibt, die mit Doppler-Verschiebung gemessen wird. Um zu einer besseren Entkopplung zwischen Sende- und Empfangsfrequenz zu kommen, ist es auch möglich, die Sendefrequenz mit einer modulierten Lichtfrequenz, z. B. mit einer Leuchtdiode, auszusenden. Das Lichtsignal wird im bewegten Objekt empfangen, verstärkt und mit einem Uiiraschaiiwandier wieder ausgesandt. Die empfangene Frequenz kann dann genauso verarbeitet werden, wie bereits beschrieben.

Schließlich sei noch daraufhingewiesen, daß nach dem Radarprinzip es auch möglich ist, daß der Sender im Pulsbelrieb arbeitet, wobei der Beginn eines Wellenpaketes mit dem Eintreffen des empfangenen Wellenpaketes planmäßig verglichen wird, woraus sich eine der Phasenverschiebung und damit eine dem Weg proportionale Spannung gewinnen läßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Anordnung zur Messung von Geschwindigkeiten bewegter Körper, insbesondere bei experimentellen Anordnungen und Schulversuchen, mit Hilfe von Schallwellen, die von dem bewegten Körper ausgehen, und unter Ausnutzung des Doppler-Effektes, wobei die Anordnung wenigstens folgende Einzelteile umfaßt:

— einen Sender, der ein Signal im Bereich der Ultraschall-Frequenzen aussendet,

— einen Empfanger mit Frequenzdiskriminator, dei' die Sendefrequenz mit der empfangenen Frequenz vergleicht und eine Ausgangsspannung erzeugt, die der Differenz zwischen Sende- und Empfsngsfrequenz proportional ist,

dadurch gekennzeichnet, daß der Frequenzdiskrimiuator einen Phasendetektor (9) und einen spannungsabgestimmten Oszillator (10) umfaßt, der bei einer Eingangsspannung von U=O ein Ausgangssignal der Frequenz/^,, also der Sendefrequenz, erzeugt, das dem Phasendetektor (9) als erstes Signal zugeführt ist, daß dem Phasendetektor (9) als zweites Signal das empfangene Signal mit der Frequenz^ =f₀ ±f zugeführt ist, und daß mit Hilfe der integrierten Ausgangssignalspannung des Phasendetektors U = F(J) als Steuerspannung der Oszillator (10) synchronisiert wird, so daß die Oszillatorfrequenz gleich der Empfangsfrequenz ist, wobei die Steuerspannung zum Synchronisieren des Oszillators direkt proportional der Geschwindigkeit des Körpers ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Sender (2) mit dem sich bewegenden Körper (3) verbunden ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur Entkopplung von Sende- und Empfangssignal das gesendete Signa,' als mit der Sendefrequenz moduliertes Lichtsignal ausgesandt wird, und daß der bewegte Körper (3) mit einem Empfänger und Wandler ausgestattet ist, der das empfangene Signal als Schallfrequenzsignal aussendet.

verschiebung zwischen ausgesandtem und an einem Körper reflektiertem, empfangenen Signal,