測量儀，特別是距離測量儀的製作方法

2023-05-08 23:09:26

專利名稱：測量儀，特別是距離測量儀的製作方法
技術領域：
本發明涉及一種按照權利要求1前序部分所述的具有發射單元的 測量儀，特別是一種距離測量儀。
背景技術：
已知的測量儀發射具有 一種測量頻率的測量信號用於測量到測量 對象的距離。該測量信號在測量對象上反射後由測量儀接收.為了分 析由接收的測量信號攜帶的距離信息，對該測量信號藉助於輔助信號 進行處理並且轉換為分析信號。該輔助信號具有一種頻率，該頻率可 以通過振蕩迴路共振頻率的調整來匹配所使用的測量頻率。

發明內容
本發明涉及一種測量儀，特別是距離測量儀，它具有用於發射測 量信號的發射單元以及用於處理測量信號的處理單元，該處理單元具 有一種具有第一共振頻率範圍的頻率特性，測量信號布置在該共振頻 率範圍內。
在此提出，該頻率特性具有至少一個第二共振頻率範圍，測量信 號在測量時布置在該第二共振頻率範圍內。由此可以有利地提高測量 過程的精度。如果測量儀是距離測量儀，特別可以在距離測量時實現 高的解析度以及大的有效範圍。此外可以在應用測量儀時達到高的靈 活性。例如該測量儀可以是定位儀，其中共振頻率範圍可以用於探測 在不同的頻率範圍的不同的材料。在測量時，測量信號優選被發射到 測量對象上。由測量對象反射的、攜帶有測量對象的信息例如距離信 息的並且由測量儀接收的測量信號有利地被發送給處理單元，該處理 單元可以將測量信號例如處理為分析信號用於信息的分析。為了處理 測量信號，在處理單元中適宜地應用了至少一個振蕩的參量。該振蕩 的參量例如是振蕩的電壓和/或振蕩的電流。在此頻率特性優選用於作 為振蕩頻率的函數來表徵藉助振蕩的參量進行的處理過程。頻率特性 特別表徵被應用於進行處理過程的裝置特別是電裝置。就此而言頻率 特性優選表示通過發送給裝置的輸入信號激發的輸出信號與輸入信號 的比例作為頻率的函數。該裝置可以用來傳遞振蕩的參量，例如振蕩
的電壓、振蕩的電流等等。此外該裝置可以用於將一個振蕩的參量轉 換為另一個振蕩的參量。例如該裝置可以從一個振蕩的電流作為輸入 信號產生一個振蕩的電壓作為輸出信號。頻率特性特別對應由狄拉克
脈衝也就是說無窮尖銳(scharf)的脈衝激發的輸出信號的頻率譜。就 此而言對於頻率特性的"共振頻率範圍，，特別要理解為頻率特性的一 個範圍，它延伸了頻率特性的共振頻率。在這種情況下該頻率範圍的 寬度例如為共振頻率的至少10%，有利地至少為20%，並且優選至少 為30% 。
優選該處理單元設置用於無需調整地工作。由此可以有利地降低 測量時間。藉助無需調整的工作可以進行測量，而不必使處理單元的 特徵例如處理單元的電子元件的值匹配測量的條件。
此外提出，處理單元設置用於藉助輔助信號處理測量信號以產生 分析信號。由此可以以高的靈活性例如通過輔助信號的控制從測量信 號獲取由測量信號攜帶的測量信息用於分析。測量信號可以有利地與 輔助信號在處理單元中混合，由此可以特別簡單地產生對分析適合的、 例如頻率適合的分析信號。
在本發明的 一種有利的設計方案中提出，測量儀具有 一個用於接 收測量信號的接收單元，在該接收單元中測量信號與輔助信號在運行 中混合。由此可以實現處理單元的特別緊湊的結構。
此外提出，該處理單元包括一個具有這種頻率特性的濾波裝置。 可以有利地抑制對測量信號的處理有幹擾性的頻率，由此可以提高測 量質量。在處理一個具有振蕩的參量的信號時，該參量可以轉換為一 個另外的振蕩的參量。例如該濾波裝置可以將振蕩的電流信號轉換為 振蕩的電壓信號。
該濾波裝置例如是頻率濾波器。此外該濾波裝置可以是匹配濾波 器，它設置用於發送到濾波裝置上的信號的信號功率的匹配。
就此而言提出，該處理單元設置用於藉助輔助信號對測量信號進 行處理並且該濾波裝置用於輔助信號的濾波。由此可以實現測量信號 特別有效的處理過程。測量信號在測量過程的進程中例如以多個測量 頻率範圍內發射，它有針對性地選擇到高的測量精度上。輔助信號可 以在這種情況下簡單地匹配測量信號的優選的測量頻率範圍，方法是 頻率特性的共振頻率範圍分別配屬於測量信號的測量頻率範圍。
如果濾波裝置具有至少三階的濾波線路，那麼可以實現對不希望 的頻率的特別有效的抑制。濾波線路的階數特別描述了由發送到濾波 線路上的輸入信號激發的輸出信號與高於或者說低於一個表徵濾波線
路的允許通過範圍的極限頻率的輸入信號的振幅比例的下降。如果n 是濾波線路的階數，則例如每頻率十進位(Frequenzdekade )下降n 20dB。如果濾波線路是較高的階數，例如四階，五階等等，那麼此外 可以產生具有高的柔性的頻率特性的共振頻率範圍。
在另一種實施方式中提出，測量信號是帶狀信號(Bandsignal)， 由此可以在處理、特別是在分析測量信號時達到高的信息密度以及由 此達到高的精度。在此測量信號可以同時具有多個尖銳的處於測量頻 率範圍內的測量頻率。此外該測量信號可以具有測量頻率的連續譜， 它在測量頻率範圍上延伸。
就此而言提出，處理單元設置用於藉助設計成帶狀信號的輔助信 號處理測量信號。由此可以實現與作為帶狀信號的測量信號的實施方 式有利地匹配的處理，特別是測量信號的測量信息的最優利用。
此外提出，測量儀具有一個至少部分自動化的校準模式，在該校 準模式中測量信號的測量頻率範圍與所述共振頻率範圍中的至少一個 共振頻率範圍匹配，這有利地提高了測量質量。
就此而言提出，測量儀具有校準通道、測量單元以及控制單元， 其中測量信號通過該校準通道作為校準信號在校準模式中被發送到處 理單元，所述測量單元設置用於藉助校準信號對共振頻率範圍進行共 振測量，所述控制單元設置用於根據共振測量使測量頻率範圍與所述 共振頻率範圍中的至少一個共振頻率範圍進行匹配。由此可以在校準 模式中實現校準過程的特別簡單的實施。此外可以有利地利用現有的 通道，該通道例如用於參考測量。


其它的優點由下面

給出。在附圖中示出了本發明的實施 例。附圖、說明書以及權利要求包含大量的特徵組合。本領域的技術 人員也可以有針對性地單個觀察這些特徵並且總結出其它有意義的組 合。
圖中示出
圖1示出了布置在測量對象前面的雷射距離測量儀，它具有用於
發射測量信號的發射單元以及用於處理反射的測量信號的處理單元，
圖2示出了圖1的處理單元的信號產生單元、濾波裝置和接收單
元，
圖3示出了具有尖銳的測量信號的圖2的濾波裝置的頻率特性，
以及
圖4示出了帶有形成帶狀信號的測量信號的頻率特性。
具體實施例方式
圖1示出了雷射距離測量儀10，它進行到測量對象12的距離的測 量。該雷射距離測量儀IO具有殼體14、顯示屏16以及未示出的用於 接通以及斷開運行以及用於起動或者說配置測量過程的操作元件。在 殼體14內部布置有用於產生發射信號20的發射單元18。發射信號20 在這個實施例中是光線束。發射信號20作為聲學的信號，例如超聲波 信號的實施方式同樣是可以考慮的。發射單元18在這個實施例中是激 光二極體。在發射時，發射信號20中的光線的振幅通過測量信號22 調製。測量信號22是高頻信號，該測量信號22由設計成振蕩器的信 號產生單元24產生並發送到發射單元18上用於對發射信號20中的光 線進行調製。該信號產生單元24由控制單元26控制。從測量對象12 的表面反射的發射信號20通過未示出的接收鏡頭由雷射距離測量儀10 作為接收信號28接收。在接收接收信號28時，調製接收信號28的光 線振幅的測量信號22具有一個相位偏移，該相位偏移與發射信號20 的發射和接收信號28的接收之間的光線運行時間成比例。該相位偏移 是距離信息。雷射距離測量儀10具有一個處理單元30，它設置用於將 測量信號22處理成分析信號32。該分析信號用於將距離信息分析成希 望的距離，這在分析單元34中進行。
處理單元30具有一個用於接收接收信號28的接收單元36，它例 如是光敏二極體，特別是APD (雪崩光敏二極體)。在接收接收信號 28時，接收單元36產生一個電信號，它與接收的光線的振幅成比例並 由此表示調製光線的測量信號22。分析信號32通過由此獲取的測量信 號22與輔助信號38的混合產生移動的頻率。在這種情況下頻率差異 這樣選擇，即分析信號32是適合距離信息分析的低頻率的信號。該混 合通過測量信號22與輔助信號38的乘法實現並且優選在設計成光敏 二極體的接收單元36的內部進行。處理單元30此外具有一個用於產
生輔助信號38的信號產生單元40以及一個用於對該輔助信號38進行 濾波的濾波裝置42。雷射距離測量儀10此外設有校準通道44,通過 它可以將由發射單元18發射的發射信號20直接發送給接收單元36用 於校準目的。在校準時，發射信號20由優選設計成可驅動的活門的換 向元件換向(未示出)，該換向元件可以通過控制單元26移動到為發 射信號20設置的路徑中。此外該雷射距離測量儀10包括一個測量單 元46，該測量單元46的功能在下面說明。
為了在測量探求的距離時達到高的解析度，測量信號22具有一個 高的測量頻率vm(見圖3)。測量信號22的發射狀態和接收狀態之間 的相位偏移的周期(區間從O到2丌)由此對應一個單值範圍，在該單 值範圍內距離可以唯一地確定並且為幾個釐米。為了能夠實現更大的 單值範圍，使用了多個測量頻率vm，它們例如以小的頻率差異一起存 在。在實踐中使用了多於兩個的不同的用於測量信號22的測量頻率 VM。在這個實施例中，測量頻率Vm被逸棒在從750MHz到1050MHz 的頻率範圍48內(見圖3)，該頻率範圍在距離測量時提供了特別有 利的精度提高。在這個頻率範圍48內，測量頻率vm優選在優選的測 量頻率範圍、例如測量頻率範圍50， 52中選擇，這在圖3中示出。
在圖2中在詳細視圖中示出了信號產生單元40、濾波裝置42以及 接收單元36的布置。設計成APD光敏二極體的接收單元36具有一個 固有的電容以及一個固有的電感，它們通過圖中的電容54和電感56.1， 56.2示意示出。所示的光敏二極體57由此應該看作理想的光敏二極體。 APD光敏二極體的結構和功能原理是已知的並且不應該在本說明書的 框架中重複。在運行時， 一個高的直流電壓Vs-在這個實施例中為150 伏特-被接到設計成APD光敏二極體的接收單元36的阻擋層上。這 通過虛線示出的電壓源58以及電阻60.1， 60.2實現。這附加地用於由 接收單元36接收的測量信號22從電壓源58的輸出耦合。直流電壓Vs 在工作中利用輔助信號38調製.由此輔助信號38與接收的測量信號 22混合，由此產生低頻的分析信號32。
在這個實施例中，信號產生單元40是差分的電流源。相應地，所 示的濾波裝置42具有差分的結構並且輔助信號38作為差分的電壓信 號接到設計成APD光敏二極體的接收單元36的阻擋層上。在一種變 型方案中同樣可以考慮，使用單極的信號產生單元40和單極的濾波裝
置42。
濾波裝置42具有一個濾波線路62。它利用電阻64、電容66.1， 66.2 以及電感68.1， 68.2， 68.3， 68.4構成五階的濾波線路。通過這個濾波 線路62，濾波裝置42具有一種頻率特性70，它在圖3中示出。為了確 定濾波線路62的元件的合適的值，設計成APD 二極體的接收單元36 的固有的電容54以及固有的電感56.1， 56.2通過測量確定和考慮。此 外在濾波裝置42中連接有電感72.1， 72.2以及電容74.1， 74.2。電容 74.1， 74.2用於濾波線路62與電壓源58的脫耦。電感72.1， 72.2用於 調整設計成差分的電流源的信號產生單元40的工作點。該電流源在這 個例子中是電晶體，其中電壓接到集電極上。電感72.1， 72.2用於將 電壓保持在確定的工作區間內，例如在1.5V和4.5V之間，更確切地說 不依賴於接入的濾波線路62。電感72.1, 72.2和電容74.1， 74.2這樣 選擇，即它們對在圖3中示出的頻率特性70沒有影響。所示的濾波線 路62是無源的濾波線路。在一種變型方案中也可以考慮使用有源的濾 波線路。這在使用直至例如lOOMHz的輔助信號38頻率時是特別有利 的。
在圖3中示出了在圖2中示出的濾波線路62的頻率特性70。它作 為頻率V(單位為MHz(兆赫))的函數示出了由在濾波線路62的輸 入端上發送的輸入信號激發的輸出信號與輸入信號的振幅比例A (單 位為dB (分貝))。"0"線對應輸入信號沒有衰減的傳遞。濾波線 路具有一個下極限頻率V！ = 750MHz和一個上極限頻率V2 = 1050MHz。通過這兩個極限限定的頻率範圍對應頻率範圍48，測量頻
率VM在該頻率範圍內選擇。在下頻率極限Vi之下或者說在上頻率極
限V2之上，信號通過濾波線路62抑制。此外該頻率特性70具有兩個 共振頻率範圍76, 78，它們由從V3-800MHz到V4 = 840MHz以及 V5 = 940MHz到V6 = 990MHz的頻率區間構成。頻率特性70對應由狄 拉克脈衝作為輸入信號激發的輸出信號。在實踐中，頻率特性70可以 通過Vt和V2之間的頻率範圍48的掃描測量，方法是將頻率尖銳的、 頻率增加的信號例如以lMHz的步長發送到濾波線路62上並檢測相應 的輸出信號。在圖2中示出的濾波裝置42可以通過它的電子元件的值 的合適的選擇或者通過其它的線路方式具有不同的頻率特性70,它例 如具有多於兩個的共振頻率範圍。
在測量距離時，發射信號20利用具有測量頻率Vm的測量信號22 調製。由接收單元36接收的測量信號22與由濾波裝置42濾波的具有 混合頻率VH = VM-Vnf的捕助信號38混合，其中Vnf是一個小的頻 率並且表示分析信號32的希望的分析頻率。應用的測量頻率Vm猶逸 在測量頻率範圍50， 52中選擇。它們分別至少部分對應於濾波線路62 的共振頻率範圍76或者說78中的一個，由此可以實現一個高的混合 得益。共振頻率範圍76， 78自身通過濾波線路62的合適的結構布置 在頻率刻度的範圍內，測量頻率VM應該在該範圍內選擇以優化距離測 量的測量精度和有效範圍。此外測量精度隨著使用的測量頻率Vm的數 量升高。在圖中虛線示出了測量頻率vm的四個值作為例子。為測量頻 率VM的每個值配屬相應的混合頻率Vh，它被移動了分析頻率VNF。 在測量時，測量頻率vm不僅可以在測量頻率範圍50中，而且可以在 測量頻率範圍52中選擇。相對具有傳統的兩階濾波線路的、具有僅帶 有一個共振頻率範圍的頻率特性的濾波裝置42的設計方案，測量頻率 vm可以在兩個測量頻率範圍50， 52中選擇，而濾波線路62不必為了 測量信號22與輔助信號38的混合目的而調整。在圖2中示出的濾波
範圍76， 78,並且它可以省去濾波線路62的一個或多個元件的值的為 了使輔助信號38與應用的測量信號22測量頻率VM的匹配而進行的調 整。
在圖4中再次示出了在圖2中示出的濾波線路62的頻率特性70。 藉助

了 一個另外的實施例，在該實施例中測量信號22是帶狀 信號。測量信號22同時具有多個測量頻率Vm，它們布置在測量頻率 範圍50內。同樣也可以布置在測量頻率範圍52內。此外測量信號22 可以具有測量信號vm的連續譜，該連續譜相應地在測量頻率範圍50 或者說52上延伸。將測量信號22與同樣是帶狀信號的輔助信號38混 合。為此用於產生輔助信號38的信號產生單元40被設置在一個頻率 帶中，該頻率帶在這個例子中由共振頻率範圍76或者說78構成。
此外該雷射距離測量儀IO設有校準模式。在這個校準模式下，由 發射單元18產生的、利用測量信號22調製的發射信號20通過校準通 道44發送到處理單元30的接收單元36上。在此測量信號22用作為 校準信號，它具有一個校準頻率。在校準模式的運行過程中，校準頻
率在極限頻率V,和極限頻率V2 (見圖2)之間步進地、例如以lMHz的 步長由控制單元26改變。此時由接收單元36接收的並且通過濾波線 路62傳遞的校準信號被測量單元46記錄下來，它由此進行共振測量， 通過共振測量來測量濾波線路62的共振頻率範圍76, 78。控制單元 26可以藉助共振測量使測量信號22的測量頻率範圍50， 52以高的精 度匹配濾波線路62的共振頻率範圍76， 78,由此可以在測量時達到特 別有效的混合過程。該校準模式可以全自動地、例如在雷射距離測量 儀10接通時實施。作為替代方案它也可以通過操作者接通。
權利要求
1.測量儀，特別是距離測量儀，它具有用於發射測量信號(22)的發射單元(18)以及用於處理測量信號(22)的處理單元(30)，該處理單元具有一種具有第一共振頻率範圍(76)的頻率特性(70)，測量信號(22)布置在該第一共振頻率範圍內，其特徵在於，所述頻率特性(70)具有至少一個第二共振頻率範圍(78)，測量信號(22)在測量時布置在該第二共振頻率範圍(78)內。
2. 根據權利要求1所述的測量儀，其特徵在於，設置所述處理單 元(30)用於無需調整的工作。
3. 根據權利要求1或2所述的測量儀，其特徵在於，設置所述處 理單元(30)用於藉助輔助信號(38)處理測量信號(22)以產生分 析信號(32)。
4. 根據前述權利要求中任一項所述的測量儀，其特徵在於，所述 處理單元(30)包括具有所述頻率特性(70)的濾波裝置(42)。
5. 根據權利要求4所述的測量儀，其特徵在於，設置所述處理單 元(30)用於藉助輔助信號(38)對測量信號(22)進行處理並且所 述濾波裝置(42)用於對輔助信號(38)進行濾波。
6. 根據權利要求4或5所述的測量儀，其特徵在於，所述濾波裝 置(42)包括至少三階的濾波線路(62)。
7. 根據前述權利要求中任一項所述的測量儀，其特徵在於，所述 測量信號(22)是帶狀信號。
8. 根據權利要求7所述的測量儀，其特徵在於，設置所述處理單 元(30 )用於藉助設計成帶狀信號的輔助信號(38 )處理測量信號(22 )。
9. 根據前述權利要求中任一項所述的測量儀，其特徵在於至少部 分自動化的校準模式，在該校準模式中使測量信號(22)的測量頻率 範圍(50， 52)與所述共振頻率範圍(76， 78)中的至少一個共振頻 率範圍匹配。
10. 根據權利要求9所述的測量儀，其特徵在於校準通道(44)、 測量單元(46)以及控制單元(26)，其中所述測量信號(22)在校 準模式中通過該校準通道(44 )作為校準信號被發送到處理單元(30 )， 設置所述測量單元(46)用於藉助校準信號對共振頻率範圍(76， 78) 進行共振測量，設置所述控制單元用於根據共振測量使測量頻率範圍 (50， 52)與所述共振頻率範圍(76， 78)中的至少一個共振頻率範 圍匹配。
全文摘要
本發明涉及一種測量儀，特別是距離測量儀，它具有用於發射測量信號(22)的發射單元(18)以及用於處理測量信號(22)的處理單元(30)，該處理單元具有一種具有第一共振頻率範圍(76)的頻率特性(70)，測量信號(22)布置在該第一共振頻率範圍(70)內。在此提出，所述頻率特性(70)具有至少一個第二共振頻率範圍(78)，測量信號(22)在測量時布置在該第二共振頻率範圍(78)內。
文檔編號G01S17/08GK101371100SQ200780003036
公開日2009年2月18日 申請日期2007年1月11日 優先權日2006年1月13日
發明者B·哈斯, J·斯蒂爾, K·倫茨, P·沃爾夫, U·斯庫特蒂-貝茨 申請人:羅伯特·博世有限公司