DE102010031801A1

DE102010031801A1 - Method for measuring non-contact distance between e.g. charge-coupled device-sensor and object, involves receiving signals from receivers, where received signals are processed in order to compensate interference effects

Info

Publication number: DE102010031801A1
Application number: DE201010031801
Authority: DE
Inventors: Edgar Melzner; Alexey Kokla; Sergey Masnik
Original assignee: STM SENSOR TECHNOLOGIE MUENCHEN GmbH
Current assignee: Balluff STM GmbH
Priority date: 2010-07-20
Filing date: 2010-07-20
Publication date: 2012-01-26

Abstract

The method involves generating signals by light sources (1) i.e. LEDs, on a surface (40) with a distance (D) to be measured, and detecting the signals from receivers (10, 20). The signals are generated by the sources or the signals received from the receivers, where the received signals are processed in order to compensate interference effects. One of the light sources or transmitter is arranged on a platform (30), where the transmitter radiates light signals with a transmitter directivity pattern (5) toward a surface of an object with the distance to be measured. An independent claim is also included for a device for measuring a non-contact distance.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Vorrichtung und ein Verfahren zur Abstandsmessung, insbesondere eine Vorrichtung und ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung.The present invention relates to a device and a method for distance measurement, in particular a device and a method for non-contact distance measurement.

Zur Abstandsmessung sind verschiedene Verfahren bekannt. Bei großen Messbereichen von ca. 1 m bis zu mehreren Kilometern wird oftmals Laufzeitmessung verwendet. Laufzeitmessung ist ein Verfahren zur indirekten Entfernungsmessung durch Messung jener Zeit, die ein Licht, Schall- oder Funksignal für das Durchlaufen der Messstrecke benötigt. Dieses Verfahren zeichnet sich durch kurze Reaktionszeit und durch das Fehlen eines Aperturwinkels aus.For distance measurement, various methods are known. For large measuring ranges from approx. 1 m to several kilometers, runtime measurement is often used. Runtime measurement is a method for indirect distance measurement by measuring that time, which requires a light, sound or radio signal for traversing the measurement path. This method is characterized by short reaction time and the absence of an aperture angle.

Im mittleren Bereich wird dagegen meist Phasenmodulation verwendet. Die Phasenmodulation ist ein Verfahren, mit dem ein analoges oder ein digitales Signal über einen Kommunikationskanal übertragen wird. Der Messbereich liegt frequenzabhängig bei bis zu maximal 200 Meter und das Verfahren zeichnet sich durch niedrige Fabrikationskosten aus.In the middle range, however, mostly phase modulation is used. Phase modulation is a method by which an analog or a digital signal is transmitted over a communication channel. The measuring range is frequency-dependent up to a maximum of 200 meters and the process is characterized by low manufacturing costs.

Im Messbereich von Abständen von ca. 10 nm bis 100 m gibt es verschiedene Verfahren. Ein Verfahren mit sehr hoher Auflösung ist die Interferometrie, welche im Nano- bis Mikrometerbereich verwendet wird. Dieses Verfahren hat jedoch den Nachteil, dass es hohe Kosten verursacht und deshalb insbesondere bei einer hohen Zahl von Messpunkten nicht gerne verwendet wird.In the measuring range of distances of about 10 nm to 100 m, there are various methods. A very high resolution method is interferometry, which is used in the nanometer to micrometer range. However, this method has the disadvantage that it causes high costs and therefore is not popular, especially at a high number of measuring points.

Ein weiteres Verfahren, das in diesem Messbereich verwendet wird, ist die Triangulation, welche im Bereich von 1 mm bis ca. 100 m angewandt werden kann.Another method used in this measuring range is triangulation, which can be used in the range of 1 mm to about 100 m.

Bei der Triangulation wird ein Lichtstrahl, beispielsweise von einem Laser oder einer Leuchtdiode auf das Objekt, dessen Abstand zur Messvorrichtung gemessen werden soll, fokussiert. Das Messobjekt wird dabei unter einem bestimmten Winkel beleuchtet und ein elektronischer Fotoempfänger registriert das Streulicht, das von dem Messobjekt reflektiert wird. Beim Fotoempfänger handelt es sich um ein lichtempfindliches Element, das die Position des Lichtpunktes im Abbild bestimmt. Dafür kann beispielsweise eine CCD-Zelle, eine CMOS-Kamera oder ein optischer Positionssensor (z. B. PSD) verwendet werden. Aus dieser Bildposition kann die Distanz zwischen Sensor und Objekt berechnet werden.In triangulation, a light beam, for example from a laser or a light-emitting diode, is focused on the object whose distance from the measuring device is to be measured. The measurement object is illuminated at a certain angle and an electronic photoreceiver registers the scattered light which is reflected by the measurement object. The photoreceiver is a photosensitive element that determines the position of the light spot in the image. For example, a CCD cell, a CMOS camera or an optical position sensor (eg PSD) can be used for this purpose. From this image position, the distance between sensor and object can be calculated.

Ändert sich die Entfernung des Messobjektes vom Fotoempfänger, ändert sich auch der Winkel, unter dem der Lichtpunkt beobachtet wird, und damit die Position seines Abbildes auf dem Fotoempfänger. Aus der Positionsänderung wird mit Hilfe der Winkelfunktionen die Entfernung des Objektes von der Lichtquelle berechnet. Bei Kenntnis der Strahlrichtung und des Abstandes zwischen Fotoempfänger und Lichtquelle kann damit der Abstand vom Objekt zu Fotoempfänger bestimmt werden. Die Verbindung Fotoempfänger-Lichtquelle sowie die beiden Strahlen von und zum Objekt bilden hierbei ein Dreieck, daher die Bezeichnung Triangulation.If the distance of the measurement object changes from the photoreceiver, the angle under which the light point is observed, and thus the position of its image on the photoreceiver, also changes. From the change in position, the distance of the object from the light source is calculated using the trigonometric functions. With knowledge of the beam direction and the distance between the photoreceiver and the light source, the distance from the object to the photoreceiver can be determined. The connection photoreceiver light source and the two beams to and from the object form a triangle, hence the term triangulation.

Zur Messung von direktem oder reflektiertem Licht können auch einfache optische Bauteile wie Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden. Jedoch eignen sich diese Reflexionslicht-Taster oder -Sensoren nicht zur Abstandsmessung, da die Antwort des Tasters nicht nur vom Abstand, sondern z. B. auch von der Reflexionseigenschaft der reflektierten Oberfläche abhängig ist.For measuring direct or reflected light, it is also possible to use simple optical components such as photodiodes or phototransistors. However, these reflection light buttons or sensors are not suitable for distance measurement, since the response of the probe not only from the distance, but z. B. is also dependent on the reflection property of the reflected surface.

Außerdem ist die Antwort des Tasters eine komplizierte, nicht lineare Funktion des Abstands und der Oberflächen-Eigenschaften. Um die Antwort des Taster mit dem Abstand in Verbindung zu bringen, ist eine lineare Kennlinie des Tasters von Vorteil. Zwar weist die Kennlinie des Tasters einen näherungsweise linearen Bereich auf, jedoch sind die absoluten Werte auch von Oberflächen-Eigenschaften abhängig. Beispielsweise weichen die Werte einer weißen und einer grauen Kodak-Karte um ca. einen Faktor 5 ab. Daher ist auch der lineare Teil der Kennlinie nicht zur Abstandsmessung verwendbar.Moreover, the button's response is a complex, non-linear function of pitch and surface properties. In order to associate the response of the probe with the distance, a linear characteristic of the probe is advantageous. Although the characteristic curve of the probe has an approximately linear range, the absolute values also depend on surface properties. For example, the values of a white and a gray Kodak card differ by about a factor of 5. Therefore, the linear part of the characteristic is not usable for distance measurement.

Der vorliegenden Erfindung liegt daher die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren und eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung bereitzustellen, welche die oben genannte Nachteile überwinden, kostengünstig herzustellen und universell einsetzbar sind.The present invention is therefore based on the object to provide a method and a device for non-contact distance measurement, which overcome the above-mentioned disadvantages, inexpensive to manufacture and are universally applicable.

Diese Aufgabe wird durch ein Verfahren gemäß Anspruch 1 und einer Vorrichtung gemäß Anspruch 9 gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind Gegenstände der Unteransprüche.This object is achieved by a method according to claim 1 and a device according to claim 9. Preferred embodiments are subject of the dependent claims.

Gemäß einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zur berührungslosen Abstandsmessung bereitgestellt. Das Verfahren umfasst ein Erzeugen von Signalen durch mindestens einer Quelle auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche. Das Signal kann dabei elektromagnetische Strahlung wie sichtbares Licht, Mikrowellen, UV-Strahlung, IR-Strahlung, Röntgenstrahlung, Schallwellen oder radioaktive Strahlung sein. Dabei kann beispielsweise auf einer in einem Abstand angeordneten Oberfläche ein Lichtfleck bzw. Lichtpunkt erzeugt werden, der von einer vorzugsweise diffusen Oberfläche reflektiert wird.According to a first aspect of the present invention, a method for non-contact distance measurement is provided. The method includes generating signals through at least one source on a surface to be measured. The signal may be electromagnetic radiation such as visible light, microwaves, UV radiation, IR radiation, X-rays, sound waves or radioactive radiation. In this case, for example, on a surface arranged at a distance, a light spot or light spot can be generated, which is reflected by a preferably diffuse surface.

Dieser Lichtfleck kann durch verschiedene Maßnahmen auf dem Objekt erzeugt werden. Beispiele hierfür sind eine Beleuchtung einer reflektierenden Oberfläche des Objekts mit einem Quellenstrahl bzw. Senderstrahl oder eine Beleuchtung einer halbtransparenten Oberfläche des Objekts mit einem Quellenstrahl von der anderen Seite. Es ist auch möglich, einen hellen Farbenfleck auf einer dunklen Objektoberfläche zu erzeugen, Fremdlicht zu verwenden oder eine Lichtquelle auf der Objektoberfläche anzuordnen.This light spot can be generated by various measures on the object. Examples include a lighting a reflective surface of the object with a source beam or a transmitter beam or illumination of a semi-transparent surface of the object with a source beam from the other side. It is also possible to create a bright spot of color on a dark object surface, to use extraneous light or to arrange a light source on the object surface.

Die auf der Oberfläche erzeugten Signale werden durch mindestens einen Empfänger erfasst. Dabei können die Signale von mindestens zwei Quellen erzeugt werden, oder die Signale von zwei Empfängern erfasst werden. Die empfangenen Signale werden dann derart bearbeitet, dass Störeffekte kompensiert werden.The signals generated on the surface are detected by at least one receiver. The signals from at least two sources can be generated, or the signals can be detected by two receivers. The received signals are then processed to compensate for spurious effects.

Als ein einfaches Beispiel für die vorliegende Erfindung wird von einer Quelle ein Lichtfleck auf einer Oberfläche eines Objekts erzeugt. Diese Oberfläche ist in einem Abstand, der durch das erfindungsgemäße Messverfahren gemessen werden kann, angeordnet.As a simple example of the present invention, a source of light is created on a surface of an object from a source. This surface is arranged at a distance that can be measured by the measuring method according to the invention.

Nach dem Huygensschen Prinzip dient dieser Lichtfleck von der Quelle als sekundäre Lichtquelle für zwei Empfänger. Die Lichtstärke oder der Strahlungsfluss dieser sekundären Lichtquelle mit den Reflexionseigenschaften der Test-Oberfläche geben zusammen für beide Empfänger die neuen Bezugswerte. Dabei vermessen die mindestens zwei Empfänger die Intensität des ausgestrahlten oder reflektierten Signals. Das Empfängersignal ist eine Funktion der Abstandsveränderung (Messeffekt) und der Störungseffekte.According to Huygens' principle, this light spot from the source serves as a secondary light source for two receivers. The luminous intensity or the radiant flux of this secondary light source with the reflection properties of the test surface together give the new reference values for both receivers. The at least two receivers measure the intensity of the emitted or reflected signal. The receiver signal is a function of the change in distance (measurement effect) and the disturbance effects.

Im Allgemeinen kann man eine Quelle auf der Objektoberfläche und einen Empfänger, der das Signal der Quelle empfängt, als einen Messkanal bezeichnen. Dann kann die vorliegende Erfindung als ein Aufbau aus zwei oder mehreren Messkanälen gesehen werden. Dabei kann eine beliebige Anzahl von Messkanälen eine gemeinsame Quelle oder einen gemeinsamen Empfänger haben.In general, a source on the object surface and a receiver receiving the signal of the source may be referred to as a measurement channel. Then, the present invention can be seen as a construction of two or more measurement channels. In this case, any number of measuring channels can have a common source or a common receiver.

Jeder dieser Messkanäle hat eine eigene Abhängigkeit des Signalwerts von dem Abstand zwischen Quelle und Empfänger. Diese Abhängigkeit nennt man Abstandsfunktion oder Abstandscharakteristik.Each of these measurement channels has its own dependence of the signal value on the distance between source and receiver. This dependence is called distance function or distance characteristic.

Ein weiterer Begriff der optische Meßtechnik ist die Funktionsreserve. Die Funktionsreserve gibt an, wie viel Licht ein Empfänger bzw. Sensor unter bestimmten Bedingungen empfängt. Dieser Wert wird mit der Lichtmenge verglichen, die der Empfänger zum Schalten benötigt.Another term of optical measuring technology is the functional reserve. The function reserve indicates how much light a receiver or sensor receives under certain conditions. This value is compared to the amount of light that the receiver needs to switch.

Als Funktionsreservefaktor bezeichnet man das Verhältnis des aktuell bei einem konkreten Abstand gemessenen Signals zu der Funktionsreserve. Der Funktionsreservefaktor f ist also:

mit S_akt als aktueller Signalpegel bei einem konkreten Abstand und S_min als geringst möglicher Signalpegel, bei dem der Empfänger bzw. der Reflexionslicht-Sensor eine zuverlässige Funktionalität aufweist.The function reserve factor is the ratio of the signal currently measured at a specific distance to the function reserve. The function reserve factor f is thus:

with S _act as the current signal level at a specific distance and S _min as the lowest possible signal level at which the receiver or the reflection light sensor has reliable functionality.

Funktionsreservefaktor 1 bedeutet, dass der Empfänger gerade in der Lage ist zu arbeiten; Funktionsreserve 50 bedeutet, dass der Sensor 50 mal mehr Licht empfängt, als zu einer einwandfreien Funktion nötig wäre.Function reserve factor 1 means that the recipient is just able to work; stability control 50 means that the sensor 50 times more light than would be needed for a proper function.

Der Funktionsreservefaktor ist daher eine Abstandscharakteristik, normiert auf den geringsten Signalpegel, der eine zuverlässige Funktionalität gewährleistet.The function reserve factor is therefore a distance characteristic normalized to the lowest signal level, which ensures reliable functionality.

Die Abstandscharakteristiken der Messkanäle können so aufgebaut werden, dass eine gemeinsame Signalbearbeitung einer Gruppe der Signale es ermöglicht, Störeffekte zumindest teilweise zu kompensieren und ein Ausgangssignal als eine Funktion des Abstands zu berechnen. Eine lineare Unabhängigkeit der Abstandscharakteristik in einem Bereich, in dem beide Signale messbar sind, kann beispielsweise die Kompensation durch eine Funktion der Amplitudenverhältnisse ermöglichen.The distance characteristics of the measurement channels may be constructed such that common signal processing of a group of the signals makes it possible to at least partially compensate for spurious effects and to calculate an output signal as a function of the distance. A linear independence of the distance characteristic in a range in which both signals are measurable, for example, allow the compensation by a function of the amplitude ratios.

Ein mathematischer Bearbeitungs-Algorithmus erlaubt es, aus zwei nichtlinearen Sensor-Antworten eine näherungsweise lineare Kennlinie zu gewinnen. Diese Kennlinie weist eine direkte Abhängigkeit des Messabstands zum Ausgangssignal des Gesamtsystems aus.A mathematical processing algorithm makes it possible to obtain an approximately linear characteristic from two non-linear sensor responses. This characteristic has a direct dependence of the measuring distance to the output signal of the entire system.

Alternativ oder zusätzlich kann der Abstand auch mit einer Kalibrierungstabelle oder mit einer Kalibrierungsformel berechnet werden.Alternatively or additionally, the distance can also be calculated with a calibration table or with a calibration formula.

Die Störeffekte entstehen unter anderem durch Instabilitäten des Reflexionskoeffizienten und Instabilitäten der Lichtstrahlintensität. Auch Fremdlicht und Messungen unter unterschiedlichen Temperaturverhältnissen sowie Quellendegradation oder Senderdegradation können Störeffekte im Messsignal erzeugen.The disturbing effects are caused, among other things, by instabilities of the reflection coefficient and instabilities of the light beam intensity. Ambient light and measurements under different temperature conditions as well as source degradation or transmitter degradation can also produce parasitic effects in the measurement signal.

Durch das erfindungsgemäße Messverfahren ist das Erzeugen und das Erfassen unabhängig von der Wellenlänge und Art der Signale, der Art der Quelle oder der Art des Empfängers. Das bedeutet beispielsweise, dass die Wellenlänge des Quellen-Elements nicht relevant ist und als Empfänger-Elemente einfache und kostengünstige Elemente wie Fotodioden oder Fototransistoren verwendet werden können.By means of the measuring method according to the invention, the generation and the detection are independent of the wavelength and type of the signals, the type of source or the type of the receiver. This means, for example, that the wavelength of the source element is irrelevant and that the receiver elements are simple and inexpensive elements such as Photodiodes or phototransistors can be used.

Außerdem ist das Erfassen und das Bearbeiten der Signale weitgehend unabhängig von den Eigenschaften der Oberflächen. Erfahrungsgemäß werden die besten Resultate und die beste Auflösung auf diffusen Oberflächen erreicht.In addition, the detection and processing of the signals is largely independent of the properties of the surfaces. Experience has shown that the best results and the best resolution are achieved on diffuse surfaces.

Im Vergleich zur Triangulation, bei der es zu einer Verschiebung des Empfängersignals kommt, wird bei der vorliegenden Erfindung ein Lichtfleck unter unterschiedlichen Bedingungen beobachtet.Compared to triangulation, where there is a shift of the receiver signal, in the present invention a light spot is observed under different conditions.

Ein Vorteil des hier vorgestellten Verfahrens gegenüber beispielsweise Triangulation ist, dass hier ein Lichtfleck ausreicht, der ungleichmäßige Form aufweisen kann. Dahingegen wird z. B. bei der Triangulation ein regelmäßiger Lichtpunkt benötigt, da sonst die Genauigkeit des Verfahrens zu wünschen übrig lässt.An advantage of the method presented here compared to, for example, triangulation is that here a light spot is sufficient, which may have an irregular shape. In contrast, z. B. in the triangulation requires a regular point of light, otherwise the accuracy of the process leaves something to be desired.

Weitere Vorteile sind das einfache Verfahren und die kompakte Bauweise. Außerdem ist keine Optik notwendig, man kann die Strahlcharakteristik der Quelle nur mit Masken definieren. Es reichen einfache Fototransistoren oder Fotodioden aus. Dadurch ist die Reaktionszeit gegenüber einem CCD-Sensor (Charge-Coupled Device-Sensor), CMOS oder PSD kürzer.Further advantages are the simple procedure and the compact design. In addition, no optics necessary, one can define the beam characteristic of the source only with masks. Simple phototransistors or photodiodes are sufficient. As a result, the response time to a CCD (Charge-Coupled Device Sensor), CMOS or PSD is shorter.

Zusätzlich ist eine Verteilung von Quelle und Empfänger gemäß den Anforderungen für die Abstandsmessung möglich. Auch kann die Kennlinie durch Anpassung der Richtdiagramme von Quelle und Empfänger flexibel eingestellt werden.In addition, a distribution of source and receiver according to the requirements for the distance measurement is possible. The characteristic curve can also be flexibly adjusted by adapting the directional diagrams of source and receiver.

Vorzugsweise wird das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt, welche zumindest teilweise einen unterschiedlichen Abstand von der Quelle aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass dadurch die Störeffekte besser von den Signalen getrennt werden können. Da sich mit dem Abstand die Messsignale ändern, jedoch die Störsignale entweder gleich bleiben oder zumindest jedoch durch ihren Abstand von der Quelle bestimmt werden können, kann die Auflösung und Genauigkeit verbessert werden.Preferably, the method is performed with at least two receivers having at least partially a different distance from the source. This has the advantage that it can better isolate the parasitic effects from the signals. Since the distance changes the measurement signals, but the spurious signals either remain the same or at least can be determined by their distance from the source, the resolution and accuracy can be improved.

Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt werden, welche zumindest teilweise den gleichen Abstand von der Quelle aufweisen.Alternatively or additionally, the method may be performed with at least two receivers having at least partially the same distance from the source.

Die Empfänger werden hauptsächlich durch ihre Richtdiagramme und Aperturgröße charakterisiert. Ein Richtdiagramm bzw. eine Richtcharakteristik beschreibt die Winkelabhängigkeit der Stärke empfangener oder gesendeter Wellen, meist bezogen auf die Empfindlichkeit bzw. Intensität in Hauptrichtung (0°). Richtdiagramme können durch ihre Breite, ihre Form, ihre Symmetrie oder ihre Lichtverteilung beschrieben werden.The receivers are mainly characterized by their directional patterns and aperture size. A directional diagram or a directional characteristic describes the angular dependence of the strength of received or transmitted waves, usually related to the sensitivity or intensity in the main direction (0 °). Directional diagrams can be described by their width, their shape, their symmetry or their light distribution.

Bei dem Verfahren der vorliegenden Erfindung können die mindestens zwei Empfänger zumindest teilweise derart gewählt werden, dass deren Richtdiagramme entweder gleich oder unterschiedlich sind.In the method of the present invention, the at least two receivers may be at least partially selected such that their directional patterns are either the same or different.

Vorzugsweise wird das erfindungsgemäße Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche gleiche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.Preferably, the method according to the invention is carried out with at least two receivers pointing at least partially in directions which have equal angles to the connection of source-receiver.

Alternativ oder zusätzlich kann das Verfahren auch mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt werden, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche unterschiedliche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.Alternatively or additionally, the method may also be performed with at least two receivers pointing at least partially in directions having different angles to the source-receiver connection.

Gemäß einem Ausführungsbeispiel kann das Verfahren mit mindestens zwei Empfängern durchgeführt, und das Ausgangsignal S_aus von zwei Empfängern durch folgende Formel berechnet werden: S_aus = E₁/E₂ wobei E₁ das Signal des ersten Empfängers und E₂ das Signal des zweiten Empfängers darstellen. Dabei können die beiden Signale der Empfänger jeweils normiert werden, indem das Signal durch das maximale Signal dividiert wird.According to one embodiment, the method may be performed with at least two receivers, and the output signal S _out of two receivers may be calculated by the following formula: S _out = E ₁ / E ₂ where E _{1 represents} the signal of the first receiver and E _{2 represents} the signal of the second receiver. In this case, the two signals of the receiver can be standardized in each case by the signal is divided by the maximum signal.

Gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel, das auch mit mindestens zwei Empfängern durchführbar ist, kann alternativ oder zusätzlich das Ausgangsignal S_aus von zwei Empfängern durch folgende Formel berechnet werden: S_aus = (A – B)/(A + B) wobei A das Signal des ersten Empfängers E₁ und B das Signal des zweiten Empfängers E₂ darstellen. Die beiden Signale A und B können auch normiert werden, indem das Signal (E₁, E₂) durch das maximale Signal (E_1max, E_2max) dividiert wird.According to a further embodiment, which can also be carried out with at least two receivers, alternatively or additionally, the output signal S _out of two receivers can be calculated by the following formula: S _out = (A - B) / (A + B) where A is the signal of the first receiver E ₁ and B represent the signal of the second receiver E ₂ . The two signals A and B can also be normalized by dividing the signal (E ₁ , E ₂ ) by the maximum signal (E _1max , E _2max ).

Dieses Verfahren findet insbesondere dann Anwendung, wenn multiplikative Störungen vorhanden sind.This method is particularly applicable when multiplicative perturbations are present.

Alle vorgenannten Zusammenhänge können äquivalent auf zwei Quellen und einen Empfänger übertragen werden.All the above relationships can be equivalently transferred to two sources and one receiver.

Gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung wird eine Vorrichtung zur berührungslosen Abstandsmessung bereitgestellt. Die Vorrichtung umfasst mindestens eine Quelle, welcher Signale auf einer sich im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche erzeugt.In accordance with another aspect of the present invention, a non-contact distance measurement apparatus is provided. The Device comprises at least one source which generates signals on a surface located in the distance to be measured.

Außerdem umfasst die Vorrichtung mindestens einen Empfänger, welcher die Signale erfasst und eine Steuerung zur Bearbeitung der empfangenen Signale. Die Vorrichtung umfasst weiter entweder mindestens zwei Quellen oder mindestens zwei Empfänger, wobei die empfangenen Signale derart bearbeitet werden, dass Störeffekte kompensiert werden.In addition, the device comprises at least one receiver which detects the signals and a controller for processing the received signals. The device further comprises either at least two sources or at least two receivers, wherein the received signals are processed in such a way that disturbing effects are compensated.

Als ein einfaches Beispiel besteht die Messvorrichtung aus einer gemeinsamen Quelle und zwei Empfängern. Die Quelle erzeugt einen Lichtfleck oder Lichtpunkt auf der Oberfläche, die sich in dem zu messenden Abstand befindet. Dieser Lichtpunkt wird von zwei unabhängigen Empfängern erfasst. Durch die gemeinsame Bearbeitung der Empfängersignale können Störeffekte kompensiert oder eliminiert werden.As a simple example, the measuring device consists of a common source and two receivers. The source produces a spot of light or spot on the surface which is within the distance to be measured. This light spot is detected by two independent receivers. Through the joint processing of the receiver signals, interference effects can be compensated or eliminated.

Vorzugsweise wird die mindestens eine Quelle auf einer Linie zwischen mindestens zwei Empfängern angeordnet. Als einfachstes Beispiel wird eine Quelle genau zwischen zwei Empfängern angeordnet. Dadurch ist die Messvorrichtung einfach zu konstruieren und es entsteht ein nur geringer Platzbedarf.Preferably, the at least one source is arranged in a line between at least two receivers. As a simplest example, a source is placed exactly between two receivers. As a result, the measuring device is easy to construct and there is only a small footprint.

In einer weiteren Ausführungsform kann alternativ oder zusätzlich der mindestens eine Empfänger auf einer Linie zwischen mindestens zwei Quellen angeordnet werden. Die Verbindung der Empfänger mit einer oder mehreren Quellen kann jedoch auch der Oberflächenform der im zu messenden Abstand befindlichen Oberfläche angepasst werden. Ein Beispiel hierfür ist eine Bogenform.In a further embodiment, alternatively or additionally, the at least one receiver can be arranged on a line between at least two sources. However, the connection of the receivers with one or more sources can also be adapted to the surface shape of the surface to be measured in the distance. An example of this is an arch form.

Vorzugsweise umfasst die Vorrichtung mindestens zwei Empfänger, welche zumindest teilweise entweder einen unterschiedlichen oder den gleichen Abstand von der Quelle aufweisen.Preferably, the device comprises at least two receivers which at least partially have either a different or the same distance from the source.

Bei der erfindungsgemäßen Vorrichtung können die mindestens zwei Empfänger derart gewählt werden, dass deren Richtdiagramme entweder gleich oder unterschiedlich sind.In the device according to the invention, the at least two receivers can be selected such that their directional diagrams are either the same or different.

Vorzugsweise werden die mindestens zwei Empfänger derart in der Vorrichtung angeordnet, dass deren Richtdiagramme gleich sind, und der Abstand der Empfänger zu dem sich zwischen den Empfängern befindlichen Quellen unterschiedlich für beide Empfänger ist. In diesem Fall ist es erfahrungsgemäß von Vorteil, dass der Sender ein symmetrisches Richtdiagramm aufweist.Preferably, the at least two receivers are arranged in the device such that their directional patterns are the same, and the distance of the receivers to the sources located between the receivers is different for both receivers. In this case, experience has shown that it is advantageous for the transmitter to have a symmetrical directional diagram.

Bei weiteren Anordnungsmöglichkeiten werden die Empfänger derart angeordnet, dass der Abstand der Empfänger zum sich zwischen diesen befindlichen Quellen jeweils äquidistant ist.In further arrangement possibilities, the receivers are arranged such that the distance between the receivers to the sources located between them is equidistant.

Vorzugsweise weist die Vorrichtung mindestens zwei Empfängern auf, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche gleiche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.Preferably, the device has at least two receivers pointing at least partially in directions having equal angles to the source-receiver junction.

Alternativ oder zusätzlich weist die Vorrichtung mindestens zwei Empfängern auf, welche zumindest teilweise in Richtungen weisen, welche unterschiedliche Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger aufweisen.Alternatively or additionally, the device has at least two receivers which point at least partially in directions which have different angles to the connection source-receiver.

Hierbei werden entweder die Empfänger in ihrer Richtung derart verändert, dass die jeweiligen Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger gleich sind, die Empfänger jedoch derart variiert, dass sie unterschiedliche Richtdiagramme aufweisen. Dies kann beispielsweise mit einer Blende erfolgen, oder es werden Empfänger mit unterschiedlichen Richtdiagrammen verwendet.Here, either the receivers are changed in their direction such that the respective angles to the connection source-receiver are the same, but the receiver varies such that they have different directional diagrams. This can for example be done with a diaphragm, or it will be used receiver with different directional diagrams.

Alternativ können Empfänger mit den gleichen Richtdiagrammen verwendet werden, deren Richtungen derart verändert werden, dass die jeweiligen Winkel zur Verbindung Quelle-Empfänger unterschiedlich sind.Alternatively, receivers may be used with the same directional diagrams whose directions are changed such that the respective angles to the source-receiver connection are different.

Das erfindungsgemäße Messverfahren und die Messvorrichtung weisen keine physikalische Begrenzung aus. Die erreichbare Messgenauigkeit beträgt ca. 0,1% vom Messbereich. Durch mehrere Empfänger und/oder mehrere Quellen kann der Messbereich verändert oder vergrößert werden.The measuring method according to the invention and the measuring device have no physical limitation. The achievable measuring accuracy is approx. 0.1% of the measuring range. By multiple receivers and / or multiple sources, the measuring range can be changed or increased.

Ausführungsformen der Vorrichtung werden nachfolgend anhand der Zeichnungen detailliert erklärt. Die Figuren zeigen in schematischer Darstellung:Embodiments of the device will be explained in detail below with reference to the drawings. The figures show in a schematic representation:

1 eine einfache Ausführungsform der vorliegenden Erfindung; und 1 a simple embodiment of the present invention; and

2 verschiedene Diagramme zur Erläuterung des Messprinzips. 2 various diagrams to explain the measuring principle.

1 zeigt eine schematische Darstellung einer einfachen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung. Dabei wird eine Quelle oder Sender 1, hier in Form einer Leuchtdiode (Light Emiting Diode LED), auf einer Plattform 30 angeordnet. Dieser Sender 1 strahlt Lichtsignale mit einem Sender-Richtdiagramm 5 in Richtung der sich im zu messenden Abstand D befindlichen Oberfläche 40 eines Objekts. Dieses Objekt 40 befindet sich hier am Punkt O. Um das erfindungsgemäße Verfahren näher zu erläutern, kann die Oberfläche 40 beispielsweise zwischen den Punkten P1 und P2 verschoben werden. Die Punkte O, P1 und P2 bezeichnen dabei jeweils die Schnittpunkte der Oberfläche 40 des Objekts mit der Hauptachse (0°) des Richtdiagramms 5 des Senders 1. 1 shows a schematic representation of a simple embodiment of the present invention. This becomes a source or sender 1 , here in the form of a light-emitting diode (LED), on a platform 30 arranged. This transmitter 1 emits light signals with a transmitter directional diagram 5 in the direction of the located in the measured distance D surface 40 an object. This object 40 is here at the point O. To explain the process of the invention in more detail, the surface 40 for example, between the Points P1 and P2 are moved. The points O, P1 and P2 respectively denote the intersections of the surface 40 of the object with the main axis (0 °) of the directional diagram 5 the transmitter 1 ,

Auf der Oberfläche 40 des Objekts entstehen auf Höhe der Punkte P1 und P2 jeweils Lichtpunkte, die durch das Sender-Richtdiagramm 5 verbreitet sind. Nach dem Huygensschen Prinzip sind die von der Oberfläche 40 reflektierten Signale sekundäre Lichtquellen 5 für die beiden Empfänger 10 und 20.On the surface 40 of the object arise at the height of the points P1 and P2 respectively points of light caused by the transmitter radiation pattern 5 are common. According to Huygens' principle, they are from the surface 40 reflected signals secondary light sources 5 for the two recipients 10 and 20 ,

Die beiden Empfänger 10 und 20 befinden sich wie der Sender 1 auf der Plattform 30.The two receivers 10 and 20 are like the transmitter 1 on the platform 30 ,

Dabei befindet sich der Empfänger 10 im Abstand a vom Sender 1 und der Empfänger 20 im Abstand b vom Sender 1. Die Abstände a und b sind in der dargestellten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung gleich. Sie können jedoch auch unterschiedlich sein.This is the receiver 10 at a distance a from the transmitter 1 and the receiver 20 at a distance b from the transmitter 1 , The distances a and b are the same in the illustrated embodiment of the present invention. However, they can also be different.

Der Empfänger 10 zeigt in eine Richtung, welche zur Plattform 30 einen Winkel α einschließt. Außerdem weist der Empfänger 10 das Richtdiagramm 15 auf, welches eine symmetrische Form aufweist. Das Richtdiagramm eines Empfängers kann jedoch auch je nach Anforderung z. B. mit Hilfe einer Blende oder Maske in eine andere Form gebracht werden. Diese kann dann auch unsymmetrisch sein.The recipient 10 pointing in a direction leading to the platform 30 includes an angle α. In addition, the recipient points 10 the directional diagram 15 on, which has a symmetrical shape. However, the directional diagram of a receiver can also be used depending on the requirements z. B. be brought by means of a diaphragm or mask in a different form. This can then be unbalanced.

Der Empfänger 20 hingegen zeigt in eine Richtung, die einen Winkel β mit der Plattform 30 einschließt. Des Weiteren zieht er das symmetrische Richtdiagramm 25 auf. Auch dieses kann in eine andere Form, beispielsweise eine unsymmetrische haben.The recipient 20 while pointing in a direction that makes an angle β with the platform 30 includes. He also draws the symmetrical directional diagram 25 on. This too can have another form, for example an asymmetrical one.

Die von der Oberfläche 40 des Objekts am Punkt P1 reflektierten Lichtsignale werden jeweils in den beiden Empfängern 10 und 20 erfasst. Dabei ist ganz klar erkennbar, dass der Punkt P1 bezüglich des Empfängers 20 in der Nähe des Bereichs liegt, in dem der Empfänger 20 auf die größtmögliche Intensität empfindlich ist.The from the surface 40 of the object at the point P1 reflected light signals are respectively in the two receivers 10 and 20 detected. It is quite clear that the point P1 with respect to the receiver 20 near the area where the receiver is located 20 sensitive to the highest possible intensity.

Dagegen ist der Punkt P1 bezüglich des Empfängers 10 in einem Bereich, der zwar noch innerhalb des Richtdiagramms 15 liegt, jedoch von dem Bereich größtmöglicher Sensitivität des Empfängers 10 weiter entfernt ist.In contrast, point P1 is relative to the receiver 10 in an area that is still within the directional diagram 15 but within the range of maximum sensitivity of the recipient 10 further away.

Die bei den beiden Empfängern 10 und 20 erhaltenen Signale werden sowohl addiert 400 als auch subtrahiert 300. Dabei können die Operationen beispielsweise mathematisch mit Hilfe einer Software berechnet werden oder mit einer Subschaltung verwirklicht werden. Dabei kann der Divisor mit einer Rückkopplung stabilisiert werden.The at the two receivers 10 and 20 The signals obtained are both added 400 and subtracted 300. In this case, the operations can be calculated, for example, mathematically with the aid of software or realized with a subcircuit. In this case, the divisor can be stabilized with a feedback.

Durch eine Division der addierten und subtrahierten Signale können Störsignale vermindert oder eliminiert werden. Dadurch kann die Auflösung der Abstandsmessung erhöht werden. Störsignale können durch Instabilitäten des Reflexionskoeffizienten oder der Lichtstrahlintensität, Fremdlicht oder Schwankungen in der Umgebungstemperatur entstehen. Da diese Störsignal hauptsächlich multiplikativer Natur sind, die mit heutiger Standardelektronik am Schwierigsten zu kompensieren sind, können diese durch das vorgestellte Verfahren zu einem großen Teil kompensiert werden.By dividing the added and subtracted signals, noise can be reduced or eliminated. As a result, the resolution of the distance measurement can be increased. Noise can be caused by instability of the reflection coefficient or the light beam intensity, extraneous light or fluctuations in the ambient temperature. Since these interfering signals are mainly of a multiplicative nature, which are the most difficult to compensate with today's standard electronics, they can be compensated by the presented method to a large extent.

Wenn eine äquivalente Messung an einer Oberfläche durchgeführt wird, die sich am Punkt P2 befindet, kann durch die beiden Messpunkte ein Kalibrierungsdiagramm erstellt werden, was eine Messung eines unbekannten Abstands zwischen der Lichtquelle und der Oberfläche ermöglicht.When performing an equivalent measurement on a surface located at point P2, a calibration chart can be created by the two measurement points, allowing a measurement of an unknown distance between the light source and the surface.

2 zeigt verschiedene Diagramme zur Veranschaulichung des Messprinzips. Die beiden oberen Diagramme 100 und 200 zeigen jeweils die Intensität der von den Empfängern 10 und 20 erfasst Signale. 2 shows different diagrams to illustrate the measuring principle. The two upper diagrams 100 and 200 each show the intensity of the receivers 10 and 20 detects signals.

Das Diagramm 100 zeigt die Intensität A, die über den Empfänger 20 abhängig vom Abstand D gemessen wird. Es zeigt, dass am Punkt P2 eine hohe Intensität gemessen wird, wohingegen am Punkt P1 nur ein geringerer Anteil gemessen wird.The diagram 100 shows the intensity A, over the receiver 20 depending on the distance D is measured. It shows that at the point P2 a high intensity is measured, whereas at the point P1 only a smaller part is measured.

Das Diagramm 200 zeigt die Abhängigkeit der Intensität B vom Abstand D, die über den Empfänger 10 gemessen wird. Hier wird die meiste Intensität am Punkt P1 und am Punkt P2 nur eine geringe Intensität gemessen.The diagram 200 shows the dependence of the intensity B on the distance D, over the receiver 10 is measured. Here, most of the intensity is measured at point P1 and at point P2 only a low intensity.

Das dritte Diagramm 300 zeigt die Differenz der beiden Signale abhängig vom Abstand D. Dabei ist AN die gegebenenfalls normierte Intensität am Empfänger 10 und BN die möglicherweise normierte Intensität des Empfängers 20.The third diagram 300 shows the difference of the two signals depending on the distance D. Here, AN is the possibly normalized intensity at the receiver 10 and BN the possibly normalized intensity of the receiver 20 ,

Die Kurve 400 zeigt die Abhängigkeit der Summe der beiden gegebenenfalls normierten Signale vom Abstand D. Die Kurve 500 zeigt den Quotienten der Kurven 300 und 400.The curve 400 shows the dependence of the sum of the two optionally normalized signals of the distance D. The curve 500 shows the quotient of the curves 300 and 400 ,

Die Kurve 500 zeigt zwischen den Punkten P1 und P2 einen annähernd linearen Verlauf. Der Zusammenhang der annähernd linearen Kurve 550 mit den Punkten P1 und P2 ergibt sich nicht zufällig. Da die beiden Punkt P1 und P2 jeweils die Punkte größtmöglicher Intensität der beiden Empfänger 10 und 20 markieren, liegt die lineare Kurve 450 innerhalb dieses Abstands.The curve 500 shows between the points P1 and P2 an approximately linear course. The relationship of the approximately linear curve 550 with the points P1 and P2 is not random. Since the two points P1 and P2 respectively the points of maximum intensity of the two receivers 10 and 20 mark, is the linear curve 450 within this distance.

Die vorliegende Erfindung ist nicht auf das hier vorgestellte Ausführungsbeispiel beschränkt, sondern lässt sich auch gemäß dem Gegenstand der Erfindung modifizieren.The present invention is not limited to the embodiment presented here, but can also be modified according to the subject matter of the invention.

Claims

A non-contact distance measurement method comprising: • generating signals through at least one source ( 1 ) on a surface to be measured in the distance ( 40 , P1, P2); and • detecting the signals by at least one receiver ( 10 . 20 ); where either the signals are generated by at least two sources or the signals from at least two receivers ( 10 . 20 ) are detected and the received signals are processed in such a way that disturbing effects are compensated.

The method of claim 1, wherein the method comprises at least two receivers ( 10 . 20 ), which at least partially each have a different distance (a, b) from the source ( 1 ) exhibit.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method with at least two receivers ( 10 . 20 ), which are at least partially the same distance from the source ( 1 ) exhibit.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out with at least two receivers having at least partially the same directional diagrams.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out with at least two receivers which at least partially different directional diagrams ( 15 . 25 ) exhibit.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out with at least two receivers pointing at least partially in directions which are equal angles to the connection of source-receiver ( 40 ) exhibit.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out with at least two receivers pointing at least partially in directions having different angles (α, β) to the connection source-receiver ( 40 ) exhibit.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method is carried out with at least two receivers, and the output signal S _out of two receivers is calculated by the following formula:

S _out = E ₁ / E ₂

where E _{1 represents} the signal of the first receiver and E _{2 represents} the signal of the second receiver.

Method according to one of the preceding claims, wherein the method with at least two receivers ( 10 . 20 ) and the output signal S _out of two receivers ( 10 . 20 ) is calculated by the following formula:

S _out = (A - B) / (A + B),

where A is the signal of the first receiver E ₁ and B represent the signal of the second receiver E ₂ .

Apparatus for non-contact distance measurement, comprising: at least one source ( 1 ) which generates signals on a surface to be measured (P1, P2); • at least one recipient ( 10 . 20 ) which detects the signals; and • a controller for processing the received signals; wherein the received signals are editable such that parasitic effects are compensated.

Apparatus according to claim 10, wherein the at least two receivers ( 10 . 20 ) at least partially each have a different distance (a, b) from the at least one source ( 1 ) exhibit.

Apparatus according to claim 10 or 11, wherein the at least two receivers at least partially each have the same distance from the at least one source.

Device according to one of claims 10 to 12, wherein the at least two receivers have at least partially different radiation patterns.

Device according to one of claims 10 to 13, wherein the at least two receivers ( 10 . 20 ) at least partially the same directional diagrams ( 15 . 25 ) exhibit.

Device according to one of claims 10 to 14, wherein the at least two receivers at least partially point in directions which are equal angles to the connection source-receiver ( 40 ) exhibit.

Apparatus according to any one of claims 10 to 15, wherein the at least two receivers are at least partially oriented in directions different angles (α, β) to the connection source-receiver ( 40 ) exhibit