DE19520993A1

DE19520993A1 - Verfahren und Vorrichtung zur Abstandsmessung

Info

Publication number: DE19520993A1
Application number: DE19520993A
Authority: DE
Inventors: Heinrich Hippenmeyer; Hans-Werner Pierenkemper
Original assignee: Erwin Sick GmbH Optik Elektronik
Current assignee: Sick AG
Priority date: 1995-06-08
Filing date: 1995-06-08
Publication date: 1996-12-12
Also published as: JP3639673B2; EP0747727A3; EP0747727A2; JPH08338872A; US5874719A; EP0747727B1; DE59609675D1

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung des Ab stands zwischen einer einen Sender und einen Empfänger auf weisenden Meßeinrichtung und einem Objekt, bei dem vom Sen der ein moduliertes Signal, insbesondere ein Lichtsignal aus gesandt, dieses Signal vom Objekt reflektiert und das reflek tierte Signal vom Empfänger empfangen und in der Meßeinrich tung ausgewertet wird, wobei das empfangene Signal gegenüber dem ausgesandten Signal eine von der Signallaufzeit über die Meßstrecke abhängige Phasenverschiebung erfährt.

Weiterin betrifft die Erfindung eine Vorrichtung zur Durch führung eines solchen Verfahrens sowie einen bevorzugten An wendungsfall.

Bei bekannten Verfahren und Vorrichtungen zur Abstandserfas sung wird die erwähnte Phasenverschiebung zwischen dem ausge sandten und dem empfangenen Signal dazu benutzt, den zu er mittelnden Abstand zu berechnen. Zu diesem Zweck muß der Ab solutwert der aufgetretenen Phasenverschiebung bestimmt wer den, was regelmäßig nur mit einem vergleichsweise hohen Auf wand möglich und somit der Wirtschaftlichkeit der bekannten Verfahren und Vorrichtungen abträglich ist.

Eine Aufgabe der Erfindung besteht darin, ein Verfahren der eingangs beschriebenen Art so auszubilden, daß es mit ge ringstmöglichem Aufwand durchführbar ist.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß zumin dest Sender, Meßstrecke, Empfänger und ein einen Phasengang aufweisender Filterbaustein einen Schwingkreis bilden, des sen von der Signallaufzeit über die Meßstrecke abhängige Schwingungsfrequenz dem ausgesandten modulierten Signal auf geprägt wird, wobei der zu erfassende Abstand aus der Fre quenz bzw. der Periodendauer des Schwingkreises ermittelt wird.

Bei Realisierung des erfindungsgemäßen Verfahrens wird demzu folge ein Schwingkreis vorgesehen, dessen Resonanzfrequenz dem Sender der Meßeinrichtung aufgeprägt wird, wodurch schließlich eine Aussendung eines modulierten Signals, insbe sondere eines modulierten Lichtsignals ausgelöst wird, des sen Modulationsfrequenz identisch mit der Resonanzfrequenz des Schwingkreises ist. Das empfangene Signal, das aufgrund der Signal- bzw. Lichtlaufzeit über die Meßstrecke gegenüber dem ausgesandten Signal eine Phasenverschiebung aufweist, wird erfindungsgemäß zur Beaufschlagung des Filterbausteins verwendet, wodurch erreicht wird, daß sich die Resonanzfre quenz des Schwingkreises in Abhängigkeit von der aufgetrete nen Phasenverschiebung verändert. Insofern stellt die Reso nanzfrequenz des Schwingkreises ein Maß für den zu ermitteln den Abstand dar.

Erfindungsgemäß bilden Sender, Meßstrecke, Empfänger und Filterbaustein also ein geschlossenes rückgekoppeltes System, dessen Schwingungsfrequenz sich in Abhängigkeit von der Länge der Meßstrecke bzw. vom zu ermittelnden Abstand ändert.

Demzufolge wird es erfindungsgemäß möglich, den zu ermitteln den Abstand letztlich mir sehr geringem Kostenaufwand durch eine einfache Frequenz- oder Periodendauermessung zu bestim men, was im Vergleich zu der bisher verwendeten Phasenmes sung mit deutlich geringerem Aufwand möglich ist. Durch die Erfindung wird somit ein Verfahren bereitgestellt, mit dem sich Abstandsmessungen mit im Vergleich zum Stand der Tech nik deutlich geringerem Aufwand durchführen lassen.

Bevorzugt ist der Filterbaustein so auszuführen, daß zumin dest bei den systemrelevanten Signal- bzw. Lichtlaufzeiten ein linearer Meßbereich bzw. eine lineare Phasenkennlinie ge geben ist. In diesem Fall besteht eine direkte Proportionali tät zwischen der Resonanzfrequenz des Schwingkreises und dem zu ermittelnden Abstand bzw. der Länge der Meßstrecke.

Es ist allerdings auch möglich, über eine Referenzmessung die Funktion der Schwingungsfrequenz über dem Objektabstand zu ermitteln, diese Funktion abzuspeichern und den Objektab stand letztendlich mittels dieser Funktion aus der Schwin gungsfrequenz zu berechnen.

Bevorzugt weist der Filterbaustein eine besonders steil ver laufende Phasenkennlinie auf, da mit zunehmender Steilheit der Phasenkennlinie auch die bei der Abstandsmessung zu er zielende Auflösung erhöht wird.

In diesem Zusammenhang ist es sinnvoll, den Filterbaustein beispielsweise als Filter vierter bis achter Ordnung aus zu bilden.

Bei einer weiteren bevorzugten Ausführungsform des erfin dungsgemäßen Verfahrens wird vor der Ermittlung der Frequenz bzw. der Periodendauer des Schwingkreises dessen Frequenz herabgemischt. Auf diese Weise ergibt sich eine zusätzliche Vereinfachung der durchzuführenden Messung, da die herabge mischte Frequenz mit einfacheren Mitteln bestimmbar ist als die tatsächliche Frequenz des Schwingkreises. Das Herabmi schen der Resonanzfrequenz muß in diesem Fall durch Bauele mente realisiert werden, die außerhalb des erfindungsgemäßen geschlossenen Systems aus Sender, Meßstrecke, Empfänger und Filterbaustein angeordnet sind, so daß der Vorgang des Herab mischens keine Auswirkungen auf die im geschlossenen System existierenden Signale hat.

Vor der Durchführung eines Meßvorgangs zur Abstandsbestim mung kann regelmäßig eine Referenzmessung ausgelöst werden, bei welcher das Gesamtsystem beispielsweise auf einen dem halben Meßbereich entsprechenden Abstand geeicht wird. So lassen sich unerwünschte, die Meßergebnisse verfälschende Temperatur- und Alterungseinflüsse ausschalten.

Auf besonders vorteilhafte Weise läßt sich das erfindungsge mäße Verfahren in einem Codeleser mit integrierter Autofokus funktion verwenden, da in diesem Fall das von dem den Code tragenden Objekt reflektierte und vom Empfänger empfangene Signal sowohl den Filterbaustein beaufschlagen als auch zur Codeerkennung herangezogen werden kann. Es sind in diesem Fall bei einem herkömmlichen Codeleser nur wenige zusätzli che Bauelemente, im wesentlichen lediglich der Filterbau stein und eine Baugruppe zur Frequenzbestimmung vorzusehen, da Sender und Empfänger des Codelesers bei Einsatz des erfin dungsgemäßen Verfahrens die beschriebene Doppelfunktion er füllen können, gemäß der das von ihnen ausgesandte und empfangene Signal sowohl zur Beaufschlagung des Filterbau steins als auch zur Codeerkennung dient.

Bei Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens in einem Code leser muß das empfangene Lichtsignal in zwei Komponenten auf getrennt werden, von denen eine zur Ermittlung des Codes und die andere zur Ermittlung des Abstands herangezogen wird. Diese beiden Signalkomponenten befinden sich in unterschied lichen Bandbereichen, so daß mittels geeigneter Filter ohne weiteres die erwähnte Auftrennung vorgenommen werden kann.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Verfahrens sowie eine Vorrichtung zur Durchführung des erfin dungsgemäßen Verfahrens sind in den Unteransprüchen angege ben.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines Ausführungsbei spiels unter Bezugnahme auf die einzige Figur beschrieben; diese zeigt ein Blockschaltbild einer Vorrichtung zur Durch führung des erfindungsgemäßen Verfahrens, welche in einen Co deleser mit Autofokusfunktion integriert ist.

Die in der Figur dargestellte Schaltung weist einen von einer Steuerschaltung 1 beaufschlagten Sender, insbesondere eine Laserdiode 2 auf, welche einen modulierten Lichtstrahl über eine Meßstrecke 3 aussendet, der von einem am Ende der Meßstrecke 3 angeordneten Objekt 4 reflektiert wird und auf diese Weise über die Meßstrecke 3 zu einem Empfänger, insbe sondere einem Lichtempfänger 5 gelangt.

Das Objekt 4 ist mit einem Code 6 versehen, welcher von dem von der Laserdiode 2 ausgesandten Lichtstrahl abgetastet wird.

Das vom Lichtempfänger 5 erzeugte Signal wird einer Empfangs schaltung 7 zugeführt, deren Ausgangssignal zum einen eine Schaltung 8 zur Ermittlung des abzutastenden Codes 6 und an dererseits eine aus mehreren Baugruppen bestehende Schaltung zur Bestimmung des Abstands zwischen Laserdiode 2 bzw. Licht empfänger 5 und Objekt 4 beaufschlagt.

Das von der Empfangsschaltung 7 abgegebene Signal kann bei spielsweise durch die Vorsehung entsprechender Bandpässe in zwei verschiedene Signale aufgeteilt werde, von denen eines zur Codebestimmung und das andere zur Abstandsbestimmung dient. Die Frequenzen des für die Codebestimmung geeigneten Signalanteils liegen in der Regel in einem unteren Bandbe reich, während der zur Abstandsbestimmung geeignete Signalan teil beispielsweise in einem höheren Frequenzbereich liegen kann. Durch die Vorsehung entsprechender Filter können diese beiden Signalanteile auf einfache Weise aus dem Ausgangssig nal der Empfangsschaltung 7 extrahiert werden.

Ein Filter bzw. Bandpaß 9 zur Extraktion des für die Ab standsbestimmung geeigneten Signals ist in dem in der Figur dargestellten Ausführungsbeispiel mit dem Ausgangssignal der Empfangsschaltung 7 beaufschlagt.

Das von diesem Bandpaß 9 gelieferte Signal wird einer Phasen korrekturschaltung 10 zugeführt, welche so ausgelegt ist, daß sie den bandbegrenzenden bzw. phasenverschiebenden Ein fluß der einzelnen Bauelemente der Gesamtschaltung kompen siert, so daß das am Ausgang der Phasenkorrekturschaltung 10 anliegende Signal gegenüber dem von der Laserdiode 2 ausge sandten Signal letztendlich im wesentlichen nur noch die durch die Lichtlaufzeit über die Meßstrecke 3 bedingte und den zu ermittelnden Abstand kennzeichnende Phasenverschie bung aufweist.

Darüberhinaus kann über die Phasenkorrekturschaltung 10 im Fertigungsprozeß durch einen einfachen Abgleich dieser Schaltung eine Kalibrierung des Abstandsmeßgerätes, insbeson dere auf den dem halben Meßbereich entsprechenden Abstand durchgeführt werden.

Der Ausgang der Phasenkorrekturschaltung 10 ist mit einem Verstärker 11 verbunden, dessen Ausgangssignal einen einen Phasengang aufweisenden Filterbaustein 12 beaufschlagt.

Das Ausgangssignal des Filterbausteins 12 wird einem nicht linearen Verstärker 13 zugeführt, welcher insbesondere eine logarithmische Kennlinie aufweist und dazu dient, ein Ausgangssignal definierter Amplitude bereitzustellen, mit dem letztendlich die Steuerschaltung 1 zur Ansteuerung der Laserdiode 2 beaufschlagt werden kann. Auf diese Weise wird gewährleistet, daß die Amplitude des die Laserdiode 2 an steuernden Signals unabhängig von der Amplitude des vom Lichtempfänger 5 gelieferten Signals ist.

Bezüglich der beiden Verstärker 11 und 13 ist erwähnenswert, daß diese auch an anderen Positionen im geschlossenen Kreis angeordnet werden können, wobei insbesondere auch die beiden Verstärkungsfunktionen der Verstärker 11 und 13 in einem einzelnen Verstärkerelement zusammenfaßbar sind.

Vorzugsweise ist zwischen den nichtlinearen Verstärker 13 und die Steuerschaltung 1 ein Korrekturnetzwerk 14 geschal tet, welches dem vom nichtlinearen Verstärker 13 gelieferten Signal eine Sinusform aufprägt, wodurch eine phasengenaue Ansteuerung der Steuerschaltung 1 sichergestellt ist.

Die beschriebenen Komponenten Laserdiode 2, Meßstrecke 3, Lichtempfänger 5, Empfangsschaltung 7, Bandpaß 9, Phasenkor rekturschaltung 10, Verstärker 11, Filterbaustein 12, nicht linearer Verstärker 13, Korrekturnetzwerk 14 und Steuerschal tung 1 bilden ein geschlossenes, rückgekoppeltes System bzw. einen Schwingkreis, bei dem unterschiedliche Lichtlaufzeiten über die Meßstrecke 3 zu einer Phasenänderung des vom Licht empfänger 5 gelieferten Signals führen, welche im Schwing kreis in eine Frequenzänderung umgesetzt wird.

Diese Frequenzänderung kann mit einem geringen Aufwand an elektronischen Bauelementen durch eine geeignete Auswerte schaltung 15 bestimmt werden, an deren Eingang das Ausgangs signal des nichtlinearen Verstärkers 13 angelegt wird. Die Auswerteschaltung 15, die kein Bestandteil des erwähnten ge schlossenen Systems ist, kann entweder zur Frequenz- oder Periodendauerbestimmung des angelegten Eingangssignals die nen.

Da der Filterbaustein 12 - wie bereits erwähnt - vorzugswei se im linearen Bereich seiner Phasenkennlinie betrieben wird, findet eine direkte und proportionale Umsetzung einer Phasenverschiebung in eine Frequenzänderung statt. Da die Phasenverschiebung ein Maß für den zu ermittelnden Abstand bzw. für die Lichtlaufzeit über die Meßstrecke darstellt, läßt sich der zu bestimmende Abstand auf einfache Weise aus der Frequenz bzw. der Periodendauer des Schwingkreises er mitteln.

Zwischen dem nichtlinearen Verstärker 13 und der Auswerte schaltung 15 kann außerhalb des geschlossenen Systems zusätz lich eine Schaltung zur Herabmischung der Frequenz des Aus gangssignals des nichtlinearen Verstärkers 13 vorgesehen wer den, wobei sich in diesem Fall die zu ermittelnde Frequenz mit noch geringerem Aufwand bestimmen läßt.

Die von der Auswerteschaltung 15 ermittelte Frequenz bzw. Periodendauer wird einer nachgeschalteten Berechnungsschal tung 16 zugeführt, welche aus der Frequenz bzw. der Perioden dauer den zu ermittelnden Abstand zwischen Laserdiode 2 bzw. Lichtempfänger 5 und Objekt 4 berechnet.

Vorteilhaft an dem in der Zeichnung dargestellten Codeleser ist die Tatsache, daß Steuerschaltung 1, Laserdiode 2, Licht empfänger 5 und Empfangsschaltung 7 sowohl zur Erzeugung eines für die Codeermittlung benötigten Signals als auch zur Erzeugung eines für die Abstandsermittlung benötigten Signals dienen, ohne daß diese Komponenten im Codeleser wie beim Stand der Technik zweifach ausgeführt sein müssen.

Die erwähnte und vorzugsweise vor jedem Meßvorgang durchzu führende Referenzmessung auf einen dem halben Meßbereich ent sprechenden Abstand kann bei einem Codeleser beispielsweise durchgeführt werden, indem der ausgesandte Lichtstrahl mit tels eines drehbaren Spiegelrades innerhalb des entstehenden V-förmigen Lesefeldes eine Referenzmarke abtastet, welche intern im Codeleser angebracht einen Bezugabstand definiert und demzufolge eine Basis für die Berechnung des externen Objektabstandes liefert. Auf diese Weise können Temperatur- und Alterungseinflüsse ausgeschaltet werden.

Bezugszeichenliste

1 Steuerschaltung
2 Laserdiode
3 Meßstrecke
4 Objekt
5 Lichtempfänger
6 Code
7 Empfangsschaltung
8 Schaltung zur Codeermittlung
9 Bandpaß
10 Phasenkorrekturschaltung
11 Verstärker
12 Filterbaustein
13 nichtlinearer Verstärker
14 Korrekturnetzwerk
15 Auswerteschaltung
16 Berechnungsschaltung

Claims

1. Verfahren zur Erfassung des Abstands zwischen einer einen Sender (2) und einen Empfänger (5) aufweisenden Meßeinrichtung und einem Objekt (4), bei dem vom Sender (2) ein moduliertes Signal, insbesondere ein Lichtsignal ausgesandt, dieses Signal vom Objekt (4) reflektiert und das reflektierte Signal vom Empfänger (5) empfangen und in der Meßeinrichtung ausgewertet wird, wobei das empfan gene Signal gegenüber dem ausgesandten Signal eine von der Signallaufzeit über die Meßstrecke (3) abhängige Phasenverschiebung erfährt, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest Sender (2), Meßstrecke (3), Empfänger (5) und ein einen Phasengang aufweisender Filterbaustein (12) einen Schwingkreis bilden, dessen von der Signal laufzeit über die Meßstrecke abhängige Schwingungsfre quenz dem ausgesandten modulierten Signal aufgeprägt wird, wobei der zu erfassende Abstand aus der Frequenz bzw. der Periodendauer des Schwingkreises ermittelt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbaustein (12) im linearen Bereich seiner Phasenkennlinie betrieben wird, oder daß über eine einma lige Referenzmessung die Funktion der Schwingungsfre quenz des Schwingkreises über dem Objektabstand ermit telt und die so erhaltene Funktion für jeden Meßvorgang herangezogen wird.

3. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das den Sender (2) beaufschlagende Signal zuvor ins besondere mittels eines nichtlinearen Verstärkers (13) verstärkt wird.

4. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß dem den Sender (2) beaufschlagenden Signal zuvor eine Sinusform aufgeprägt wird.

5. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das empfangene Signal zwischen Empfänger (5) und Filterbaustein (12) eine Phasenkorrektur erfährt.

6. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor Durchführung eines Meßvorgangs eine Referenzmessung, insbesondere auf einen dem halben Meßbereich entsprechenden Abstand, ausgelöst wird.

7. Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor der Ermittlung der Frequenz bzw. der Perioden dauer des Schwingkreises dessen Frequenz herabgemischt wird.

8. Verwendung eines Verfahrens gemäß einem der Ansprüche 1 bis 7 in einem Codeleser mit integrierter Autofokusfunk tion, wobei das von dem den Code (6) tragenden Objekt (4) reflektierte und vom Empfänger (5) empfangene Signal sowohl den Filterbaustein (12) beaufschlagt als auch zur Codeerkennung herangezogen wird.

9. Vorrichtung zur Erfassung des Abstands zwischen einer Meßeinrichtung und einem Objekt (4) mit einem ein modu liertes Signal in Richtung des Objekts (4) aussendenden Sender (2) und einem das vom Objekt (4) reflektierte Signal empfangenden Empfänger (5), dadurch gekennzeichnet,
daß ein zumindest aus Sender (2), Meßstrecke (3), Empfän ger (5) und einem einen Phasengang aufweisenden Filterb austein (12) gebildeter Schwingkreis vorgesehen ist,
daß der Sender (2) derart in den Schwingkreis integriert ist, daß dessen Modulationsfrequenz der von der Signal laufzeit über die Meßstrecke abhängigen Frequenz des Schwingkreises entspricht, und
daß eine Auswerteschaltung (15, 16) zur Ermittlung des Abstands aus der Frequenz bzw. der Periodendauer des Schwingkreises vorgesehen ist.

10. Vorrichtung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbaustein (12) zumindest bereichsweise eine lineare Phasenkennlinie aufweist.

11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbaustein (12) eine steil verlaufende Phasenkennlinie aufweist.

12. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Filterbaustein (12) als Filter vierter bis achter Ordnung ausgebildet ist.

13. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Empfänger (5) und Filterbaustein (12) ein Verstärker, insbesondere mit nichtlinearer bzw. loga rithmischer Kennlinie vorgesehen ist.

14. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Filterbaustein (12) und Sender (2) ein Ver stärker (13), insbesondere mit nichtlinearer bzw. loga rithmischer Kennlinie vorgesehen ist.

15. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Filterbaustein (12) und Sender (2) bzw. zwi schen Verstärker (13) und Sender (2) ein Korrekturnetz werk (14) zur Sinusformung vorgesehen ist.

16. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen Empfänger (5) und Filterbaustein (12) ein Phasenkorrekturfilter (10) vorgesehen ist.

17. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 9 bis 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (15, 16) eine Frequenzmischstu fe zur Herabmischung der Frequenz des Schwingkreises umfaßt.

18. Codeleser mit integrierter Autofokusfunktion, gekennzeichnet durch die Merkmale eines der Ansprüche 9 bis 17.