DE3419117C2

DE3419117C2 - Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät mit einem Zeitdiskriminator zur genauen Ermittlung der Zeitfolge elektrischer Impulse

Info

Publication number: DE3419117C2
Application number: DE3419117A
Authority: DE
Inventors: Rudolf Prof.-Dr.-Ing. 5902 Netphen Schwarte
Original assignee: Rheometron AG
Current assignee: SCHWARTE, RUDOLF, PROF. DR.-ING., 5902 NETPHEN, DE
Priority date: 1984-05-23
Filing date: 1984-05-23
Publication date: 1986-09-04
Also published as: DE3419117A1; WO1985005456A1; US4734587A; EP0182834A1

Abstract

Einem optoelektrischen Entfernungsmeßgerät, bei dem von einer Laserdiode emittierte und vom Zielobjekt reflektierte kurze Lichtimpulse von einer Photodiode empfangen werden, ist zur Verarbeitung der elektrischen Signale ein Zeitdiskriminator (12) zugeordnet, der die Torzeit eines Taktgebers steuert, dessen Taktimpulse einem Zähler aufgetastet werden. Um bei elektrischen Signalen unterschiedlicher Amplituden deren Zeitfolge genauer zu ermitteln, ist ein Minimumkomparator (22) an die elektrische Impulsquelle (17) angeschlossen, der die Offset-Spannung über eine Offset-Schaltung derart steuert, daß diese am positiven Eingang eines Spannungskomparators (25) im richtigen Augenblick angelegt ist und unmittelbar darauf die Ableitung des maßgeblichen Zeitpunkts aus dem differenzierten Signal und dem ursprünglichen Signal erfolgt.

Description

2. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach daß eine exakte Ermittlung ihrer Zeitfolge durch unterAnspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß dem Mini- schiedliche Amplituden stark beeinträchtigt wird, d. h. mumkomparator (22) ein Maximumkomparator (23) durch eine Amplitudenänderung wird eine entsprechenparallelgeschaltet ist de Zeitverschiebung der Auslösung des abgeleiteten Si-

3. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach 30 gnals verursacht Das Problem bei Zeitdiskriminatoren Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der besteht darin, Signale unterschiedlicher Amplituden auf Ausgang des Spannungskomparators (25) über ei- ihre genaue Zeitlage zu identifizieren. Die Anstiegsflannen Zeitdehcschalter (i3) an den Zähler (14) ange- ke soll möglichst kurz sein, um diese Zeitbestimmung schlossen ist sehr exakt festzulegen. Die Fehler der bekannten Schal-

35 tungen beruhen vor allem darauf, daß wegen der endli-

chen Anstiegszeit die eingesetzten Zeitdiskriminatoren

mit unterschiedlichen Verzögerungen antworten. Um diesen Effekt auszugleichen, wird in den herkömmlichen

Die Erfindung betrifft ein optoelektrisches Entfer- Schaltungen ein sogenannter Consi^nt-Fraction-Trignungsmeßgerät, bei dem von einer Laserdiode emittier- 40 ger verwendet, der zur Identifizierung des Zeitpunktes te und von einem Zielobjekt reflektierte kurze Iichtim- ein aus dem Signal selbst abgeleitetes Signal, vornehmpulse von einer Photodiode empfangen werden, in ei- lieh ein differenziertes Signal, verwendet Hierfür wird nem optischen Sende- sowie Empfangsleiter je eine beispielsweise ein differenzierter Impuls auf den negati-Lichtweiche zur Bildung eines kurzen Weges für Refe- Ven Eingang eines Spannungskomparators und der Imrenzsignale angeordnet ist und die von der Photodiode 45 puls selbst auf den positiven Eingang gegeben. Die negebildeten elektrischen Impulssignale einem Zeitdiskri- gative Spannung am Eingang des Spannungskomparaminator aufgegeben werden, der die Torzeit eines tors kann z. B. durch ein RC-Glied geschaffen werden. Quarzoszillators, dessen Taktimpulse einem Zähler auf- Die Schaltungen konventioneller Art arbeiten mit einer getastet werden, steuert, der an eine Offset-Spannung konstanten Offset-Spannung, und der Spannungskomangeschlossen ist und dessen negativem Impulseingang 50 parator spricht erst beim Überschreiten dieser Offsetein Differenzierglied und dessen positivem Impulsein- Spannung an. Diese Offset-Spannung liegt praktisch in gang eine Verzögerungsleitung vorgeschaltet ist der Größenordnung von einigen Millivolt und läßt sich

Bei einem bekannten optoelektrischen Entfernungs- nicht weiter vermindern, weil sonst der Spannungskommeßgerät, wie es beispielsweise in der EP-OS 00 76 232 parator durch Störsignale, Rauschen usw. selbständig beschrieben ist, wird einerseits die Laufzeit der von der 59 schalten würde.

Lasetdiode emittierten, von einem Zieiobjekt reflektier- Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zu-

ten und der Photodiode empfangenen Lichtimpulse gründe, bei einem Entfernungsmeßgerät der gattungs-(Zielimpulse) und andererseits die Laufzeit der von der gemäßen Art eine verbesserte Signalverarbeitung mit-Laserdiode emittierten, jedoch über die Lichtweichen tels eines Zeitdiskriminators zu schaffen, der auch allge- und den kurzen Weg zur Photodiode gelangenden Refe- 60 mein zur genauen Ermittlung der Zeitfolge elektrischer renzimpulse bestimmt und zur Ermittlung der Entfer- Impulse unterschiedlicher Amplituden geeignet ist
nung ausgewertet Dabei löst der zuerst eintreffende Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch Referenzimpuls nach einer optoelektrischen Umset- einen unmittelbar an die elektrische Impulsquelle angezung in einem Zeitdiskriminator ein Torzeitsignal aus, schlossenen, die Offset-Spannung eines Spannungskomdas durch den später eintreffenden, über das Zielobjekt 65 parators steuernden Minimumkomparator und jeweils laufenden Zielimpuls abgeschaltet wird. Während der einer dem positiven und negativen Eingang des Spangesteuerten Torzeit werden die von einem Quarzoszil- nungskomparators vorgeschalteten Verzögerungsleilator fortlaufend erzeugten Taktimpulse (150 MHz) ei- tung.

3 4

Durch diese Schaltungsanordnung wird der Vorteil beide durch einen Lichtleiter 24 verbunden sind. Durch erzielt, daß an den Eingang des Spannungskomparators die sendeseitige Lichtweiche 4 wird ein Teil der Lichteine geeignete Offset-Spannung im richtigen Augen- energie, etwul%, aus dem optischen Sendekanal in den blick angelegt wird. Die neue Schaltung arbeitet eben- Lichtleiter 24 abgezweigt und durch die empfangsseitifalls mit einer Offset-Spannung, wobei diese jedoch in 5 ge Lichtweiche 8 in den optischen Empfangskanal geleidem Moment, in dem der maßgebliche Zeitpunkt aus tet Dieses abgeleitete und Ober den kurzen Weg dem dem differenzierten Impulssignal und dem ursprfingli- Empfangskanal zugeführte lichtsignal bildet ein Refechen Impulssignal abgeleitet wird, impulsmäßig so ver- renzsignal, das von der Photodiode zeitlich vor dem ändert, daß sich ein Minimuni an Zeitverschiebung bei vom Zielobjekt reflektierten Lichtsignal (Zielsignal) voneinander abdeichenden Amplituden ergibt Wäh- to empfangen wird, und zwar um die Zeit, die der Lichtimrend bisher eine an sich wünschenswerte positive Off- puls zum Hin- und Rücklauf zwischen dem Gerät und set-Spannung wegen des instabilen Schaltverhaltens un- dem Zielobjekt benötigt Aus Zielsignal und Referenzsigeeignei war, erfolgt erfmdungsgemäß im richtigen Au- gnal läßt sich die Laufzeit des Zielimpulses und damit genblick die Umschaltung auf eine positive Offset-Span- die Entfernung zwischen Sende- bzw. Empfangsoptiken nung. Hierfür wird das zu bestimmende Impulssignal 15 5,7 und dem Zielobjekt 6 bestimmen,
zunächst auf den Minimumkomparator gegeben, der die Die empfangenen Lichtsignale, nämlich die Referenz-Offset-Umschaltung veranlaßt Damit beim Eintreffen und Zielsignale, werden mittels der Photodiode 10 in des differenzierten Impulssignals und des ursprüngli- elektrische Impulse bzw. Signale umgewandelt die über chen Impulssignals bereits eine veränderte Offset-Span- einen Empfänger 11 und einen Zeitdiskriminator 12 einung am Spannungskomparator anliegt ist dem positi- 20 nem Spannungskomparator 25 zugeführt werden. Der ven und negativen Eingang des Spannungskomparators Spannungskomparator 25 bildet Torirrpulse (Rechteckjeweils eine Verzögerungsleitung zugeordnet Dabei ist impulse) für einen Zähler 14, auf den innerhalb der Tordie im positiven Eingang vorgesehene Verlagerung zeit die Taktimpulse eines Taktgebers 15 (Quarzoszillagrößer ausgelegt, um durch Überschneidung des schnei- tor) aufgetastet werden. Zur Erhöhung der Zeitauflölen Anstiegs des direkten Impulses und des schnellen 25 sung werden die Torimpulse über einen Zeitdehnschal-Abfalls des differenzierten Impulses eine möglichst ter 13 geführt dem beispielsweise ein Zeitdehnfaktor schnelle Spannungsänderung am Eingang des Span- von 500,1000 o.dgL zugeordnet sein kann. Diese Zeitnungskomparators zu erhalten. Zur Verzögerung kön- dehnung erlaubt eine exakte Auszählung von Taktimnen z. B. Koaxialleiter Verwendung finden. pulsen, deren Frequenz z. B. in der Größenordnung von

Wenngleich die neuartige Schaltung für einen Zeitdis- 30 50 MHz liegen kann.

kriminator für ein optoelektrisches Entfernungsmeßge- Die gezählten, der Torzeit entsprechenden Taktimrät besonders geeignet ist, läßt sie sich gleichsam allge- pulse werden zur Auswertung einer Steuer- und Ausmein für einen Zeitdiskriminator zur genauen Ermitt- Wertungseinheit 16 zugeführt Der Taktgeber 15 steuert lung der Zeitfolge elektrischer Impulse unterschiedli- außerdem den Sender 1 und den Empfänger 11. Weitercher Amplituden verwenden. 35 hin wird der Spannungskomparator 25 durch ein Zeit-

Dem Minimumkomparator kann ein Maximumkom- fenster angesteuert, welches die Verarbeitung des Refe-

parator parallel geschaltet sein, so daß die den unteren renzsignals oder des Zielsignals auswählt wobei bei-

bzw. oberen Grenzwert unter- bzw. überschreitenden spielsweise aufeinanderfolgend nur Referenzsignale

Amplitudenwerte ermittelt und beispielsweise zum oder nur Zielsignal verarbeitet werden können, mn aus

Zwecke einer Eliminierung einer Steuer- und Auswer- 40 diesen Gruppen zu bilden, welche eine Auswertung

tungseinheit zugeführt werden können. durch Sortierung und Mittelwertbildung o. dgl. ermögli-

Die den Zeitdiskriminator verlassenden, äußerst zeit- cheii.

genauen Rechteckimpulse erlauben eine Zeitdehnung, Die vom Empfänger 11 gebildete elektrische Impulsindem der Ausgang des Spannungskomparators über quelle ist mit 17 bezeichnet Wie die den Zeitdiskriminaeinen Zeitdehnschalter an den Zähler angeschlossen ist 45 tor 12 darstellende F i g. 2 zeigt ist der negative Eingang So kann die Torzeit beispielsweise um einen Faktor 500 des Spannungskomparators 25 über eine Verzögeoder 1000 gedehnt werden und ein Auszählen in einem rungsleitung 18 und einem Differenzierglied, das hier Zähltakt von z. B. 50 MHz erfolgen; der Fehler der Zeit- beispielsweise aus einem Kondensator 19 und einem quantisierung würde bei* einer Taktperiode von '20 ns Widerstand 20 besteht an die elektrischen Impulssigna- und einem Zeitdehnfaktor 1000 maximal 20 ps betragen. 50 Ie 17 angeschlossen, während der positive Eingang über Mithin sind genaue Entfernungsmessungen bis in den eine Verzögerungsleitung 21 angeschlossen ist Die bei-Millimeterbereich möglich. den Verzögerungsleitungen 18, 21 sind zunächst beide

Die Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dar- für eine Signalverzögerung ausgelegt, innerhalb der auf

gestellt; es zeigt den pösidven Eingang des Spannungskcmparators 25

Fig. 1 das Blockschaltbild eines optoelektrischer! 55 eine Offset-Spannung angelegt wird. Zusätzlich ist bei

Entfernungsmeßgeräts, der Verzögerungsleitung 21 die Verzögerung. 50 ausge-

F i g. 2 den Schaltplan eines Zeitdiskriminators und legt daß die steilsten Bereiche der Anstiegsflanke des

F i g. 3 die Eingangsspannung des Zeitdiskriminators direkten Impulses und des Abfalls des differenzierten

in einem Spannungszeitdiagramm. Impulses sich am Eingang des Spannungskomparators

Das optoelektrische Entfernungsmeßgerät erzeugt 60 25 zeitlich überschneiden. Diese Offset-Spannung wird

mittels eines Senders 1 und einer Laserdiode 2 fortlau· von einem Minimumkomparator 22 gesteuert, der un-

fend kurze Lichtimpulse, die über einen Lichtleiter 3 und mittelbar an die elektrischen Impulssignale 17 ange-

eine Sendeoptik 5 auf ein Zielobjekt 6 gerichtet werden. schlossen ist Der Minimumkomparator 22 steuert dabei

Die reflektierten Lichtimpulse gelangen über eine Emp- eine Offset-Schaltung (nicht dargestellt) an, welche die

fangsoptik 7 und einen Lichtleiter 9 in eine Photodiode 65 Offset-Spannung anbgt In F i g. 3 ist verdeutlicht, daß

10, welche die empfangenen Lichtsignale in elektrische die Offset-Spannung in dem Augenblick, in dem der

Impulse umwandelt In dem sendeseitigen Lichtleiter 9 maßgebliche Zeitpunkt aus dem differenzierten Signal

ist jeweils eine Lichtweiche 4 bzw. 8 angeordnet die und dem unveränderten Signal abgeleitet wird, impuls-

mäßig so verändert wird, daß sich bei veränderten Amplituden ein Minimum an Zeitverschiebung ergibt

F i g. 2 zeigt außerdem, daß dem Minimumkomparator 22 ein Maximumkomparator 23 parallelgeschaltet ist. Die vom Minimumkomparator 22 und Maximum- s komparator 23 erfaßten Amplitudenwerte, welche den unteren bzw. oberen Grenzwert unter- bzw. überschreiten, können beispielsweise zum Zwecke der Eliminierung der entsprechend eingerichteten Steuer- und Auswertungseinheit 16 zugeführt werden. 10

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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40

45

50

55

60

Claims

nem Zähler aufgetastet Die gezählten Impulse werden Patentansprüche: gruppenweise einem Prozessor zugeführt, welcher durch Sortierung und Mittelwertbildung die zu bestim-

1. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät, bei mende Entfernung ermittelt Um durch Schwankungen dem von einer Laserdiode (2) emittierte und von 5 der Speisespannung und der Temperatur verursachte einem Zielobjekt (6) reflektierte kurze Lichtimpulse Fehler zit eliminieren, wird für den Zettdiskriminaior von einer Photodiode (10,11) empfangen werden, in unter Verwendung von Hilfsimpulsen ein Additionswert einem optischen Sende- (3) sowie Empfangsleiter (9) gebildet Dieses Meßverfahren erlaubt nur die Auszähje eine Lichtquelle zur Bildung eines kurzen Weges lung ganzer Meterschritte in verschiedenen Schwellfür Referenzsignale angeordnet ist und die von der 10 wertbereichen und läßt das Messen in der Größenord-Photodiode (10,11) gebildeten elektrischen Impuls- nung von Zentimetern und Millimetern nur mit Hilfe signale einem Zeitdiskriminator (12) aufgegeben einer nachteiligen Mittelwertbildung aus einer Vielzahl werden, der die Torzeit eines Quarzoszillators (15), von Einzelmessungen zu. Aus der DE-OS 29 08 854 ist dessen Taktimpulse einem Zähler (14) aufgetastet zwar auch ein Gerät mit einer im Millimeterbereich werden, steuert, der an eine Offset-Spannung ange- 15 Segenden Genauigkeit bekannt, allerdings nur mittels schlossen ist und dessen negativem Impulseingang der zur Umsetzung der Impulse in den NF-Bereich verein Differenzierglied (19) und dessen positivem Im- wendeten Samplingmethode, bei der die Kurvenform pulseingang eine Verzögerungsleitung (21) vorge- aus vielen abgetasteten Amplitudenproben rekonstruschaltet ist, gekennzeichnet durch einen iert wird, in einer sehr aufwendigen Weise und auch nur unmittelbar in die elektrischen Impulssignale (17) 20 in einem sehr engen Meßbereich, da sich die Zeittransangeschlosseaen, die Offset-Spannung eines Span- formation nur während der sogenannten schnellen Sänungskomparators (25) steuernden Minimumkom- gezahnspannung durchführen läßt

parator (22) und jeweils einer dem positiven und Soweit bei Entfernungsmeßgeräten dieser Art zur

negativen Eingang des Spannungskomparators (25) Verarbeitung der elektrischen Impulssignale ein Zeitvorgeschalteten Verzögerungsleitung (18,21). 25 diskriminator Verwendung findet, besteht der Nachteil,