DE3419320A1

DE3419320A1 - Optoelektrisches entfernungsmessgeraet mit einer optischen messsonde

Info

Publication number: DE3419320A1
Application number: DE19843419320
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: 1984-05-24
Filing date: 1984-05-24
Publication date: 1985-11-28
Also published as: WO1985005455A1; EP0181388A1; DE3419320C2; EP0181388B1; US4737624A

Description

Patentanwalt Dr.-Ing. Günther AckrrvGnn, 41 Dutsbopg, CleKJbei-gstraße 24ο Λ 1 Q 'S O ft

21.05.1984 (23.324/32.1058/We:

Rheometron AG, CH-4003 Basel

Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät mit einer optischen Meßsonde.

Die Erfindung betrifft ein optoelektrisches Entfernungsmeßgerät mit einer optischen Meßsonde, bei dem von einer Laserdiode emittierte kurze Lichtimpulse über einen Sende-Lichtleiter geführt und von einer Linse ausgestrahlt und die von einem Zielobjekt reflektierten Lichtsignale aufgenommen und über einen Empfangs-Lichtleiter einer Photodiode zugeführt werden, welche die gebildeten elektrischen Impulssignale einem Zeitkömparator aufgibt, der die Torsignale eines Taktgebers steuert, dessen Taktimpulse einem Zähler aufgetastet werden.

Bei einem bekannten optoelektrischen Entfernungsmeßgerät, wie es beispielsweise in der EP-Veröffentlichung 0076232 beschrieben ist, wird einerseits die Laufzeit der von der Laserdiode emittierten, von einem Zielobjekt reflektierten und der Photodiode empfangenen Lichtimpulse (Zielimpulse) und anderseits die Laufzeit der von der Laserdiode emittierten, jedoch über die Lichtweichen

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und den kurzen Weg zur Photodiode gelangenden Referenzirnpulse bestimmt und zur Ermittlung der Entfernung ausgewertet. Dabei löst der zuerst eintreffende Referenzimpul.s nach einer optoeloktrischen Umsetzung in einem b üeitkomparator ein Torzeitsignal aus, das durch den später eintreffenden, über das Zielobjekt laufenden Zielimpuls abgeschaltet wird. Während der gesteuerten Torzeit werden die von einem Quarzoszillator fortlaufend erzeugten Taktimpulse (150 MHz) einem Zähler aufgetastet. Die gezählten Pulse werden gruppenweise einem Prozessor zugeführt, welcher durch Sortierung und Mittelwertbildung die zu bestimmende Entfernung ermittelt. Bei den bekannten Meßgeräten dieser Art ist für die Sendeoptik und Empfangsoptik jeweils eine eigene Linse vorgesehen. Diese nebeneinander am Gerät angeordneten Linsen haben den Nachteil, daß der von der Sendelinse gegen ein nichtkooperatives Zielobjekt gerichtete Lichtimpuls bei Entfernungen unter etwa 2 m nicht in die Empfangslinse reflektiert wird. Erst bei einem Abstand von mehr als 2 m beginnt eine im Querschnitt linsenförmige Überlappung der optischen Sende- und Empfangskanäle, wobei jedoch die im Nahbereich vorhandene Teilüberlappung zu erheblichen Meßfehlern führt. Für kleinere Entfernungen sind diese doppellinsigen Meßgeräte daher ungeeignet. Ein weiterer Nachteil besteht auch darin, daß die Sende- und Empfangsoptik unmittelbar am Gerätegehäuse angeordnet ist, welches auch die Bauteile zur Erzeugung der Lichtimpulse, zur Umwandlung der empfangenen Lichtsignale in elektrische Impulssignale und zur Verarbeitung und Auswertung der elektrischen Impulssignale enthält. Erhebliche Schwierigkeiten bereitet auch die von der Laserdiode ausgehende und über einen aus Glasfaser bestehenden Sende-Lichtleiter zur Sendelinse übertragene inhomogene Phasenfront der Lichtimpulse.

Demgegenüber liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optoelektrisches Entfernungsmeßgerät der gattungsgemäßen Art derart auszubilden, daß eine möglichst genaue Entfernungsmessung auch im Nahbereich möglich ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Meßsonde mit einem doppelseitigen Spiegel versehen ist, der längs der optischen Achse der Linse bis zu den etwa im Bereich des Brennpunktes liegenden Enden des Sende-Lichtleiters und Empfangs-Lichtleiters verläuft.

Durch diese Ausbildung liegen der optische Sende- und Empfangskanal im Linsenbereich unmittelbar nebeneinander, nur durch die Ebene eines äußerst dünnen Spiegels getrennt, so daß eine Hälfte der Linse dem Sendekanal und die andere Hälfte dem Empfangskanal zugeordnet ist. Die im Bereich des Brennpunktes endenden Sende- und Empfangs-Lichtleiter erlauben ein Ausmessen bis an die Linse heran. Die optoelektrische Entfernungsmessung ist daher auch zur Füllstandanzeige von Tankbehältern, Schüttgutbehältern u. dgl. bestens geeignet. Auch überschneiden sich nicht die Ränder der Sende- und Empfangskeulen, sondern die Überschneidung geschieht an der im Querschnitt breitesten Stelle beider Keulen und ist somit für die Phasenlaufzeiten repräsentativ. Das Halblinsensystem hat den weiteren Vorteil, daß die Amplitudenänderung nur noch geringfügig vom Abstand abhängt; sie ist im Vergleich zur bekannten Paralleloptik um etwa den Faktor 10 kleiner.

Eine erhebliche Verbesserung läßt sich dadurch erreichen, daß die Meßsonde mit einem totalreflektierenden Spiegel im Form von zwei Glasprismen versehen ist, zwischen denen ein Luftspalt vorhanden ist. Durch den äußerst schmalen Luftspalt liegen Sende- und Empfangs-

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kanal optimal dicht aneinander. Außerdem ist der Aufbau der Meßsonde besonders einfach und kompakt. Der kompakte Aufbau der Meßsonde erlaubt deren Ausbildung zu einem separaten Bauteil, das durch ein biegsames Lichtleiterkabel an ein Grundgerät anschließbar ist, welches die Bauteile zur Erzeugung der Lichtimpulse, zur Umwandlung der empfangenen Lichtsignale in elektrische Impulssignale und zur Verarbeitung und Auswertung der elektrischen Impulssignale enthält. Die Meßsonde kann daher an einer anderen Stelle als das Grundgerät aufgestellt werden. Da in der Meßsonde und deren Lichtleiterkabel keine elektrischen Bauteile enthalten sind, ist eine Aufstellung in explosionsgefährdeten Räumen, Tankbehältern u. dgl. ohne weiteres möglieh. Durch geeignete Maßnahmen besteht auch die Möglichkeit, an ein Grundgerät ein oder mehrer Meßsonden anzukuppeln.

Zum Schütze der Linse kann vor dieser ein Schutzrohr angeordnet sein; eine solche Ausbildung kann zweckmäßig sein, wenn z. B. in Tankbehältern die Gefahr von Spritzern o. dgl. besteht. Findet eine Messung nur in großen Zeitabständen statt, kann das Schutzrohr bedarfsweise auch mit einem Deckel ausgerüstet sein, der nur wahrend der Meßphase geöffnet wird. Ein solcher Deckel läßt sich wegen seines exakt definierten Abstandes zur Optik auch zu Eichmessungen verwenden.

Da die Meßsonde über ein biegsames Lichtleiterkabel an das Grundgerät angeschlossen ist, läßt sie sich

auch für eine kardanische Lagerung benutzen und mittels eines Stellmotors nach einem Steuerprogramm verstellen. Hierdurch ist beispielsweise das Abtasten von Schüttkegeln in Silos oder das Abtasten von Konturen möglich. 35

Zur Bildung einer homogenen Phasenfront der Lichtimpulse

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ist dem Sende-Lichtleiter im Grundgerät zweckmäßig zur Modenkopplung ein Vorlauf-Lichtleiter zugeordnet. Für Vergleichszwecke und zur Eichung kann im Sende-Lichtleiter und Empfangs-Lichtleiter je eine Lichtweiche zur Bildung eines kurzen Lichtweges für Referenzsignale angeordnet sein. Weiterhin kann es zweckmäßig sein, in dem Empfangs-Lichtleiter vor der Lichtweiche einen optischen Dämpfer anzuordnen, der mittels eines Stellmotors nach einem Steuerprogramm verstellbar ist und eine Anpassung an unterschiedliche Amplituden der Lichtimpulse bzw. an verschiedene Entfernungsbereiche erlaubt.

Der Gegenstand der Erfindung ist in der Zeichnung beispielsweise dargestellt; es zeigt: 15

Fig. 1 ein Grundgerät mit einer angekuppelten Meßsonde in einem Blockschaltbild,

Fig. 2 die Meßsonde der Fig. 1 in einer schematisehen Darstellung und

Fig. 3 eine abgewandelte Meßsonde.

Das in Fig. 1 gezeigte optoelektrische Entfernungsmeßgerät besteht aus einem Grundgerät 1, an das eine Meßsonde 2 mittels eines biegsamen Lichtleiterkabels 3 und optischer Kupplungsorgane 4 angeschlossen ist. Das Grundgerät 1 erzeugt durch einen mit einer Laserdiode ausgerüsteten Sender 5 kurze Lichtimpulse, die zunächst zum Zwecke der Modenkopplung durch einen mehrere Meter langen Vorlauf-Lichtleiter 6 geführt werden, der in verschiedenen Richtungen, z. B. in der Form einer Acht gekrümmt angeordnet ist. Für eine ausreichende Modenkopplung hat sich eine Länge des Vorlauf-Lichtleiters 6 von 8m als geeignet erwiesen. Vom Vorlauf-Lichtleiter 6 gelangen die Lichtimpulse über eine Lichtweiche 7, deren

Bedeutung weiter unten erläutert wird, in den Sende-Lichtleiter 8, der aus einem dem Grundgerät 1 zugehörigen Abschnitt und einem dem biegsamen Lichtleiterkabel 3 zugehörigen Abschnitt besteht. Die Meßsonde strahlt die Lichtimpulse gegen ein Zielobjekt 9 und nimmt die reflektierten Lichtsignale auf. Die aufgenommenen Lichtsignale werden über einen Empfangs-Lichtleiter 10, der ebenfalls aus zwei aneinanderkuppelbaren Abschnitten besteht, einer weiteren Lichtweiche 11 und einem Lichtleiter 12 einem mit einer Photodiode ausgerüsteten Empfänger 13 zugeführt, der Lichtsignale in elektrische Signale umwandelt. Die beiden erwähnten Lichtweichen 7 und 11 sind durch einen Referenz-Lichtleiter 14 verbunden. Durch die sendeseitige Lichtweiche 7 wird ein Teil der Lichtenergie, etwa 1 %, aus dem optischen Sendekanal in den Referenz-Lichtleiter 14 abgezweigt und durch die empfangsseitige Lichtweiche 11 in den optischen Empfangskanal geleitet. Dieses abgeleitete und über den kurzen Weg dem Empfangskanal zugeführte Lichtsignal bildet ein Referenzsignal, das von der Photodiode des Empfängers 13 zeitlich vor dem vom Zielobjekt reflektierten Lichtsignal (Zielsignal) empfangen wird, und zwar um die Zeit, die der Lichtimpuls zum Hin- und Rücklauf über den Sendelichtleiter 8, die Meßsonde 2 zum Zielobjekt 9 und zurück über die Meßsonde 2 sowie den Empfangs-Lichtleiter 10 benötigt. Aus Zielsignal und Referenzsignal läßt sich die Laufzeit des Zielumpulses und damit die Entfernung zwischen der Meßsonde 2 und dem Zielobjekt 9 bestimmen.

In dem Enpfangs-Lichtleiter 10 kann bedarfsweise vor der Lichtweiche 11 ein optischer Dämpfer 15 angeordnet sein, der eine Anpassung an die Amplitudendynamik erlaubt. Diesr kann beispielsweise mittels eines Stellmotors 16 nach einem Steuerprogramm verstellbar sein.

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Stattdessen kann auch ein elektronisch steuerbares optisches Dämpfungsglied verwendet werden.

Die empfangenen Lichtsignale, nämlich die Referenz- und Zielsignale, werden mittels der Photodiode des Empfängers 13 in elektrische Impulse bzw. Signale umgewandelt und einem Zeitkomparator 17 zugeführt. Der Zeitkomparator 17 bildet Torimpulse (Rechteckimpulse) für einen Zähler 19, auf den innerhalb der Torzeit die Taktimpulse eines Taktgebers 21 (Quarzoszillator) aufgetastet werden. Hierfür werden die Torimpulse über einen Zeitdehnschalter 18 geführt, dem beispielsweise ein Zeitdehnfaktor von 500, 1000 o. dgl. zugeordnet sein kann. Diese Zeitdehnung erlaubt eine exakte Auszählung von Taktimpulsen, deren Frequenz z. B. in der Größenordnung von 50 MHz liegen kann.

Die gezählten, der Torzeit entsprechenden Taktimpulse werden zur Auswertung einer Steuer- und Auswertungseinheit 20 zugeführt. Der Taktgeber 21 triggert außerdem den Sender 5 und tastet wahlweise die Verstärkung des Empfängers 13. Weiterhin wird der Zeitkomparator 17 durch ein Zeitfenster angesteuert, welches die Verarbeitung des Referenzsignals oder des Zielsignals auswählt, wobei beispielsweise aufeinanderfolgend nur Referenzsignale oder nur Zielsignale verarbeiLet werden können, um aus diesen Gruppen zu bilden, welche eine Auswertung durch Sortierung und Mittelwertbildung o. dgl. ermöglichen.
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Die in Fig. 2 gezeigte Meßsonde 2 ist mit einer Linse und einem doppelseitigen Spiegel 23 versehen, der längs der optischen Achse der Linse 22 bis etwa zum Brennpunkt verläuft, in dessen Bereich die Enden des Sende-Lichtleiters 8 und des Empfangs-Lichtleiters 10 nebeneinander angeordnet sind. Die genannten Bauteile sind in einem

Gehäuse 24 fixiert. Durch diese Ausbildung ist eine Hälfte der Linse 22 dem Sendekanal 25 und die andere Hälfte dem Empfangskanal 26 zugeordnet. In der rechten Hälfte der Fig. 2 sind die Beleuchtungsfelder für verschiedene Abstände vor der Meßsonde gezeigt. Das für die Messung maßgebende Beleuchtungsfeld 27 bildet unmittelbar an der Linse 22 einen Strich. Das schraffierte Beleuchtungsfeld 28 gilt im Nahbereich und das Beleuchtungsfeld 29 im Fernbereich. Diese nur der Demonstration dienenden Beleuchtungsfelder zeigen, daß sich die Sende- und Empfangskanäle 25,26 an der im Querschnitt breitesten Stelle überschneiden. Im Fernbereich werden die Aperturen der Enden der Sende- und Empfangs-Lichtleiter 8,10 in der Gestalt einer Acht abgebildet.

Bei der Ausführung nach Fig. 3 ist die Meßsonde 2 mit einem totalreflektierenden Spiegel in Form von zwei Glasprismen 30, welche außerdem das optische Linsensystem beinhalten, versehen, zwischen denen sich ein Luftspalt 31 befindet. Weiterhin ist in Fig. 3 angedeutet, daß das Gehäuse 24 der Meßsonde 2 durch ein vor der Linse 22 befindliches Schutzrohr 32 verlängert sein kann. Für eine ortsfeste Anbringung an einem Tank, Silo ο. dgl. können am Gehäuse 24 Flansche 33 vorgesehen sein. Auch kann das Schutzrohr 32 mit einem Deckel 34 ausgerüstet sein, der z. B. mittels eines Stellmotors (nicht dargestellt) nach einem Steuerprogramm verstellbar ist.

In Fig. 1 ist angedeutet, daß ein biegsames Lichtleiterkabel 3 über optische Kupplungsorgane 4 an den Sende- und Empfangs-Lichtleiter 8,10 des Grundgeräts 1 angeschlossen ist. Bedarfsweise können durch geeignete Lichtweichen oder optische Schalter am Grundgerät 1 auch mehrere Kupplungsstellen für zwei odermehrere Meßsondenanschlüsse vorgesehen sein. Eine weitere

Abwandlung läßt sich durch eine kardanische Lagerung der Meßsonde 2 schaffen, wobei diese mittel;; eines Stellmotors nach einem Steuerprogranmi verstellbar ist.

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Claims

Patentanwalt Dr.-Ing. Günther Ackrnünn, 41 Duisburg, Claubergstraße 24 21.05.1984 (23.324/32.1058/We) Patentansprüche

1. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät mit einer optischen Meßsonde, bei dem von einer Laserdiode emittierte kurze Lichtimpulse über einen Sende-Licht]eiter geführt und von einer Linse ausgestrahlt und die von einem Zielobjekt reflektierten Lichtsignale aufgenommen und über einen
Empfangs-Lichtleiter einer Photodiode zugeführt werden, welche die gebildeten elektrischen Impulssignale einem Zeitkomparator aufgibt, der die Torsignale eines Taktgebers steuert, dessen Taktimpulse einem Zähler aufgetastet werden, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2) mit einem doppelseitigen Spiegel (23) versehen ist, der
längs der optischen Achse der Linse (22) bis zu den etwa im Bereich des Brennpunktes liegenden Enden des Sende-Lichtleiters (8) und Empfangs-Lichtleiters (10) verläuft.

2. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichent, daß die Meßsonde (2) mit einem totalreflektierenden Spiegel in Form von zwei Glasprismen (30) versehen ist, zwischen denen ein Luftspalt (31) vorhanden ist.

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3. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2) als separates Bauteil ausgebildet und durch ein biegsames Lichtleiterkabel (3) an ein Grundgerät (1) anschließbar ist, welches die Bauteile zur Erzeugung der Lichtimpulse, zur Umwandlung der empfangenen Lichtsignale in elektrische Impulssignale und zur Verarbeitung und Auswertung der elektrischen Impulssignale enthält. 10

4. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß an ein Grundgerät (1) ein oder mehrere Meßsonden (2) ankuppelbar sind.

5. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Meßsonde (2) vor der Linse (22) mit einem Schutzrohr (32) versehen ist.

6. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Schutzrohr (32) mit einem Deckel (34) ausgerüstet ist.

7. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daU die Meßsonde (2) kardanisch gelagert und mittels eines Stellmotors nach einem Steuerprogramm verstellbar ist.

8. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerät nach einem dor Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß dem Sende-Lichtleiter (8) im Grundgerät (1) zur Modenkupplung ein Vorlauf-Lichtleiter (6) zugeordnet ist.

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9. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerat nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß im Sende-Lichtleiter (8) und Einpfangs-Lichtleiter (10) je eine Lichtweiche (7,11) zur Bildung eines kurzen Lichtweges für Referenzsignale angeordnet ist.

10. Optoelektrisches Entfernungsmeßgerat nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß in dem Empfangs-Lichtleiter (10) vor der Lichtweiche (11) ein optischer Dämpfer (1*5) angeordnet ist, dor mittels eines Stellmotors (16) nach einem Steuerprogramm verstellbar ist.

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