专利名称：测量仪，特别是距离测量仪的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种按照权利要求1前序部分所述的具有发射单元的 测量仪，特别是一种距离测量仪。
背景技术：
已知的测量仪发射具有 一种测量频率的测量信号用于测量到测量 对象的距离。该测量信号在测量对象上反射后由测量仪接收.为了分 析由接收的测量信号携带的距离信息，对该测量信号借助于辅助信号 进行处理并且转换为分析信号。该辅助信号具有一种频率，该频率可 以通过振荡回路共振频率的调整来匹配所使用的测量频率。
发明内容
本发明涉及一种测量仪，特别是距离测量仪，它具有用于发射测 量信号的发射单元以及用于处理测量信号的处理单元，该处理单元具 有一种具有第一共振频率范围的频率特性，测量信号布置在该共振频 率范围内。
在此提出，该频率特性具有至少一个第二共振频率范围，测量信 号在测量时布置在该第二共振频率范围内。由此可以有利地提高测量 过程的精度。如果测量仪是距离测量仪，特别可以在距离测量时实现 高的分辨率以及大的有效范围。此外可以在应用测量仪时达到高的灵 活性。例如该测量仪可以是定位仪，其中共振频率范围可以用于探测 在不同的频率范围的不同的材料。在测量时，测量信号优选被发射到 测量对象上。由测量对象反射的、携带有测量对象的信息例如距离信 息的并且由测量仪接收的测量信号有利地被发送给处理单元，该处理 单元可以将测量信号例如处理为分析信号用于信息的分析。为了处理 测量信号，在处理单元中适宜地应用了至少一个振荡的参量。该振荡 的参量例如是振荡的电压和/或振荡的电流。在此频率特性优选用于作 为振荡频率的函数来表征借助振荡的参量进行的处理过程。频率特性 特别表征被应用于进行处理过程的装置特别是电装置。就此而言频率 特性优选表示通过发送给装置的输入信号激发的输出信号与输入信号 的比例作为频率的函数。该装置可以用来传递振荡的参量，例如振荡
的电压、振荡的电流等等。此外该装置可以用于将一个振荡的参量转 换为另一个振荡的参量。例如该装置可以从一个振荡的电流作为输入 信号产生一个振荡的电压作为输出信号。频率特性特别对应由狄拉克
脉冲也就是说无穷尖锐(scharf)的脉冲激发的输出信号的频率谱。就 此而言对于频率特性的"共振频率范围，，特别要理解为频率特性的一 个范围，它延伸了频率特性的共振频率。在这种情况下该频率范围的 宽度例如为共振频率的至少10%，有利地至少为20%，并且优选至少 为30% 。
优选该处理单元设置用于无需调整地工作。由此可以有利地降低 测量时间。借助无需调整的工作可以进行测量，而不必使处理单元的 特征例如处理单元的电子元件的值匹配测量的条件。
此外提出，处理单元设置用于借助辅助信号处理测量信号以产生 分析信号。由此可以以高的灵活性例如通过辅助信号的控制从测量信 号获取由测量信号携带的测量信息用于分析。测量信号可以有利地与 辅助信号在处理单元中混合，由此可以特别简单地产生对分析适合的、 例如频率适合的分析信号。
在本发明的 一种有利的设计方案中提出，测量仪具有 一个用于接 收测量信号的接收单元，在该接收单元中测量信号与辅助信号在运行 中混合。由此可以实现处理单元的特别紧凑的结构。
此外提出，该处理单元包括一个具有这种频率特性的滤波装置。 可以有利地抑制对测量信号的处理有干扰性的频率，由此可以提高测 量质量。在处理一个具有振荡的参量的信号时，该参量可以转换为一 个另外的振荡的参量。例如该滤波装置可以将振荡的电流信号转换为 振荡的电压信号。
该滤波装置例如是频率滤波器。此外该滤波装置可以是匹配滤波 器，它设置用于发送到滤波装置上的信号的信号功率的匹配。
就此而言提出，该处理单元设置用于借助辅助信号对测量信号进 行处理并且该滤波装置用于辅助信号的滤波。由此可以实现测量信号 特别有效的处理过程。测量信号在测量过程的进程中例如以多个测量 频率范围内发射，它有针对性地选择到高的测量精度上。辅助信号可 以在这种情况下简单地匹配测量信号的优选的测量频率范围，方法是 频率特性的共振频率范围分别配属于测量信号的测量频率范围。
如果滤波装置具有至少三阶的滤波线路，那么可以实现对不希望 的频率的特别有效的抑制。滤波线路的阶数特别描述了由发送到滤波 线路上的输入信号激发的输出信号与高于或者说低于一个表征滤波线
路的允许通过范围的极限频率的输入信号的振幅比例的下降。如果n 是滤波线路的阶数，则例如每频率十进制(Frequenzdekade )下降n 20dB。如果滤波线路是较高的阶数，例如四阶，五阶等等，那么此外 可以产生具有高的柔性的频率特性的共振频率范围。
在另一种实施方式中提出，测量信号是带状信号(Bandsignal)， 由此可以在处理、特别是在分析测量信号时达到高的信息密度以及由 此达到高的精度。在此测量信号可以同时具有多个尖锐的处于测量频 率范围内的测量频率。此外该测量信号可以具有测量频率的连续谱， 它在测量频率范围上延伸。
就此而言提出，处理单元设置用于借助设计成带状信号的辅助信 号处理测量信号。由此可以实现与作为带状信号的测量信号的实施方 式有利地匹配的处理，特别是测量信号的测量信息的最优利用。
此外提出，测量仪具有一个至少部分自动化的校准模式，在该校 准模式中测量信号的测量频率范围与所述共振频率范围中的至少一个 共振频率范围匹配，这有利地提高了测量质量。
就此而言提出，测量仪具有校准通道、测量单元以及控制单元， 其中测量信号通过该校准通道作为校准信号在校准模式中被发送到处 理单元，所述测量单元设置用于借助校准信号对共振频率范围进行共 振测量，所述控制单元设置用于根据共振测量使测量频率范围与所述 共振频率范围中的至少一个共振频率范围进行匹配。由此可以在校准 模式中实现校准过程的特别简单的实施。此外可以有利地利用现有的 通道，该通道例如用于参考测量。
其它的优点由下面
给出。在附图中示出了本发明的实施 例。附图、说明书以及权利要求包含大量的特征组合。本领域的技术 人员也可以有针对性地单个观察这些特征并且总结出其它有意义的组 合。
图中示出
图1示出了布置在测量对象前面的激光距离测量仪，它具有用于
发射测量信号的发射单元以及用于处理反射的测量信号的处理单元，
图2示出了图1的处理单元的信号产生单元、滤波装置和接收单
元，
图3示出了具有尖锐的测量信号的图2的滤波装置的频率特性，
以及
图4示出了带有形成带状信号的测量信号的频率特性。
具体实施例方式
图1示出了激光距离测量仪10，它进行到测量对象12的距离的测 量。该激光距离测量仪IO具有壳体14、显示屏16以及未示出的用于 接通以及断开运行以及用于起动或者说配置测量过程的操作元件。在 壳体14内部布置有用于产生发射信号20的发射单元18。发射信号20 在这个实施例中是光线束。发射信号20作为声学的信号，例如超声波 信号的实施方式同样是可以考虑的。发射单元18在这个实施例中是激 光二极管。在发射时，发射信号20中的光线的振幅通过测量信号22 调制。测量信号22是高频信号，该测量信号22由设计成振荡器的信 号产生单元24产生并发送到发射单元18上用于对发射信号20中的光 线进行调制。该信号产生单元24由控制单元26控制。从测量对象12 的表面反射的发射信号20通过未示出的接收镜头由激光距离测量仪10 作为接收信号28接收。在接收接收信号28时，调制接收信号28的光 线振幅的测量信号22具有一个相位偏移，该相位偏移与发射信号20 的发射和接收信号28的接收之间的光线运行时间成比例。该相位偏移 是距离信息。激光距离测量仪10具有一个处理单元30，它设置用于将 测量信号22处理成分析信号32。该分析信号用于将距离信息分析成希 望的距离，这在分析单元34中进行。
处理单元30具有一个用于接收接收信号28的接收单元36，它例 如是光敏二极管，特别是APD (雪崩光敏二极管)。在接收接收信号 28时，接收单元36产生一个电信号，它与接收的光线的振幅成比例并 由此表示调制光线的测量信号22。分析信号32通过由此获取的测量信 号22与辅助信号38的混合产生移动的频率。在这种情况下频率差异 这样选择，即分析信号32是适合距离信息分析的低频率的信号。该混 合通过测量信号22与辅助信号38的乘法实现并且优选在设计成光敏 二极管的接收单元36的内部进行。处理单元30此外具有一个用于产
生辅助信号38的信号产生单元40以及一个用于对该辅助信号38进行 滤波的滤波装置42。激光距离测量仪10此外设有校准通道44,通过 它可以将由发射单元18发射的发射信号20直接发送给接收单元36用 于校准目的。在校准时，发射信号20由优选设计成可驱动的活门的换 向元件换向(未示出)，该换向元件可以通过控制单元26移动到为发 射信号20设置的路径中。此外该激光距离测量仪10包括一个测量单 元46，该测量单元46的功能在下面说明。
为了在测量探求的距离时达到高的分辨率，测量信号22具有一个 高的测量频率vm(见图3)。测量信号22的发射状态和接收状态之间 的相位偏移的周期(区间从O到2丌)由此对应一个单值范围，在该单 值范围内距离可以唯一地确定并且为几个厘米。为了能够实现更大的 单值范围，使用了多个测量频率vm，它们例如以小的频率差异一起存 在。在实践中使用了多于两个的不同的用于测量信号22的测量频率 VM。在这个实施例中，测量频率Vm被逸棒在从750MHz到1050MHz 的频率范围48内(见图3)，该频率范围在距离测量时提供了特别有 利的精度提高。在这个频率范围48内，测量频率vm优选在优选的测 量频率范围、例如测量频率范围50， 52中选择，这在图3中示出。
在图2中在详细视图中示出了信号产生单元40、滤波装置42以及 接收单元36的布置。设计成APD光敏二极管的接收单元36具有一个 固有的电容以及一个固有的电感，它们通过图中的电容54和电感56.1， 56.2示意示出。所示的光敏二极管57由此应该看作理想的光敏二极管。 APD光敏二极管的结构和功能原理是已知的并且不应该在本说明书的 框架中重复。在运行时， 一个高的直流电压Vs-在这个实施例中为150 伏特-被接到设计成APD光敏二极管的接收单元36的阻挡层上。这 通过虚线示出的电压源58以及电阻60.1， 60.2实现。这附加地用于由 接收单元36接收的测量信号22从电压源58的输出耦合。直流电压Vs 在工作中利用辅助信号38调制.由此辅助信号38与接收的测量信号 22混合，由此产生低频的分析信号32。
在这个实施例中，信号产生单元40是差分的电流源。相应地，所 示的滤波装置42具有差分的结构并且辅助信号38作为差分的电压信 号接到设计成APD光敏二极管的接收单元36的阻挡层上。在一种变 型方案中同样可以考虑，使用单极的信号产生单元40和单极的滤波装
置42。
滤波装置42具有一个滤波线路62。它利用电阻64、电容66.1， 66.2 以及电感68.1， 68.2， 68.3， 68.4构成五阶的滤波线路。通过这个滤波 线路62，滤波装置42具有一种频率特性70，它在图3中示出。为了确 定滤波线路62的元件的合适的值，设计成APD 二极管的接收单元36 的固有的电容54以及固有的电感56.1， 56.2通过测量确定和考虑。此 外在滤波装置42中连接有电感72.1， 72.2以及电容74.1， 74.2。电容 74.1， 74.2用于滤波线路62与电压源58的脱耦。电感72.1， 72.2用于 调整设计成差分的电流源的信号产生单元40的工作点。该电流源在这 个例子中是晶体管，其中电压接到集电极上。电感72.1， 72.2用于将 电压保持在确定的工作区间内，例如在1.5V和4.5V之间，更确切地说 不依赖于接入的滤波线路62。电感72.1, 72.2和电容74.1， 74.2这样 选择，即它们对在图3中示出的频率特性70没有影响。所示的滤波线 路62是无源的滤波线路。在一种变型方案中也可以考虑使用有源的滤 波线路。这在使用直至例如lOOMHz的辅助信号38频率时是特别有利 的。
在图3中示出了在图2中示出的滤波线路62的频率特性70。它作 为频率V(单位为MHz(兆赫))的函数示出了由在滤波线路62的输 入端上发送的输入信号激发的输出信号与输入信号的振幅比例A (单 位为dB (分贝))。"0"线对应输入信号没有衰减的传递。滤波线 路具有一个下极限频率V！ = 750MHz和一个上极限频率V2 = 1050MHz。通过这两个极限限定的频率范围对应频率范围48，测量频
率VM在该频率范围内选择。在下频率极限Vi之下或者说在上频率极
限V2之上，信号通过滤波线路62抑制。此外该频率特性70具有两个 共振频率范围76, 78，它们由从V3-800MHz到V4 = 840MHz以及 V5 = 940MHz到V6 = 990MHz的频率区间构成。频率特性70对应由狄 拉克脉冲作为输入信号激发的输出信号。在实践中，频率特性70可以 通过Vt和V2之间的频率范围48的扫描测量，方法是将频率尖锐的、 频率增加的信号例如以lMHz的步长发送到滤波线路62上并检测相应 的输出信号。在图2中示出的滤波装置42可以通过它的电子元件的值 的合适的选择或者通过其它的线路方式具有不同的频率特性70,它例 如具有多于两个的共振频率范围。
在测量距离时，发射信号20利用具有测量频率Vm的測量信号22 调制。由接收单元36接收的测量信号22与由滤波装置42滤波的具有 混合频率VH = VM-Vnf的捕助信号38混合，其中Vnf是一个小的頻 率并且表示分析信号32的希望的分析频率。应用的测量频率Vm犹逸 在测量频率范围50， 52中选择。它们分别至少部分对应于滤波线路62 的共振频率范围76或者说78中的一个，由此可以实现一个高的混合 得益。共振频率范围76， 78自身通过滤波线路62的合适的结构布置 在频率刻度的范围内，测量频率VM应该在该范围内选择以优化距离测 量的测量精度和有效范围。此外测量精度随着使用的测量频率Vm的数 量升高。在图中虚线示出了测量频率vm的四个值作为例子。为测量频 率VM的每个值配属相应的混合频率Vh，它被移动了分析频率VNF。 在测量时，测量频率vm不仅可以在测量频率范围50中，而且可以在 测量频率范围52中选择。相对具有传统的两阶滤波线路的、具有仅带 有一个共振频率范围的频率特性的滤波装置42的设计方案，测量频率 vm可以在两个测量频率范围50， 52中选择，而滤波线路62不必为了 测量信号22与辅助信号38的混合目的而调整。在图2中示出的滤波
范围76， 78,并且它可以省去滤波线路62的一个或多个元件的值的为 了使辅助信号38与应用的测量信号22测量频率VM的匹配而进行的调 整。
在图4中再次示出了在图2中示出的滤波线路62的频率特性70。 借助
了 一个另外的实施例，在该实施例中测量信号22是带状 信号。测量信号22同时具有多个测量频率Vm，它们布置在测量频率 范围50内。同样也可以布置在测量频率范围52内。此外测量信号22 可以具有测量信号vm的连续谱，该连续谱相应地在测量频率范围50 或者说52上延伸。将测量信号22与同样是带状信号的辅助信号38混 合。为此用于产生辅助信号38的信号产生单元40被设置在一个频率 带中，该频率带在这个例子中由共振频率范围76或者说78构成。
此外该激光距离测量仪IO设有校准模式。在这个校准模式下，由 发射单元18产生的、利用测量信号22调制的发射信号20通过校准通 道44发送到处理单元30的接收单元36上。在此测量信号22用作为 校准信号，它具有一个校准频率。在校准模式的运行过程中，校准频
率在极限频率V,和极限频率V2 (见图2)之间步进地、例如以lMHz的 步长由控制单元26改变。此时由接收单元36接收的并且通过滤波线 路62传递的校准信号被测量单元46记录下来，它由此进行共振测量， 通过共振测量来测量滤波线路62的共振频率范围76, 78。控制单元 26可以借助共振测量使测量信号22的测量频率范围50， 52以高的精 度匹配滤波线路62的共振频率范围76， 78,由此可以在测量时达到特 别有效的混合过程。该校准模式可以全自动地、例如在激光距离测量 仪10接通时实施。作为替代方案它也可以通过操作者接通。
权利要求
1.测量仪，特别是距离测量仪，它具有用于发射测量信号(22)的发射单元(18)以及用于处理测量信号(22)的处理单元(30)，该处理单元具有一种具有第一共振频率范围(76)的频率特性(70)，测量信号(22)布置在该第一共振频率范围内，其特征在于，所述频率特性(70)具有至少一个第二共振频率范围(78)，测量信号(22)在测量时布置在该第二共振频率范围(78)内。
2. 根据权利要求1所述的测量仪，其特征在于，设置所述处理单 元(30)用于无需调整的工作。
3. 根据权利要求1或2所述的测量仪，其特征在于，设置所述处 理单元(30)用于借助辅助信号(38)处理测量信号(22)以产生分 析信号(32)。
4. 根据前述权利要求中任一项所述的测量仪，其特征在于，所述 处理单元(30)包括具有所述频率特性(70)的滤波装置(42)。
5. 根据权利要求4所述的测量仪，其特征在于，设置所述处理单 元(30)用于借助辅助信号(38)对测量信号(22)进行处理并且所 述滤波装置(42)用于对辅助信号(38)进行滤波。
6. 根据权利要求4或5所述的测量仪，其特征在于，所述滤波装 置(42)包括至少三阶的滤波线路(62)。
7. 根据前述权利要求中任一项所述的测量仪，其特征在于，所述 测量信号(22)是带状信号。
8. 根据权利要求7所述的测量仪，其特征在于，设置所述处理单 元(30 )用于借助设计成带状信号的辅助信号(38 )处理测量信号(22 )。
9. 根据前述权利要求中任一项所述的测量仪，其特征在于至少部 分自动化的校准模式，在该校准模式中使测量信号(22)的测量频率 范围(50， 52)与所述共振频率范围(76， 78)中的至少一个共振频 率范围匹配。
10. 根据权利要求9所述的测量仪，其特征在于校准通道(44)、 测量单元(46)以及控制单元(26)，其中所述测量信号(22)在校 准模式中通过该校准通道(44 )作为校准信号被发送到处理单元(30 )， 设置所述测量单元(46)用于借助校准信号对共振频率范围(76， 78) 进行共振测量，设置所述控制单元用于根据共振测量使测量频率范围 (50， 52)与所述共振频率范围(76， 78)中的至少一个共振频率范 围匹配。
全文摘要
本发明涉及一种测量仪，特别是距离测量仪，它具有用于发射测量信号(22)的发射单元(18)以及用于处理测量信号(22)的处理单元(30)，该处理单元具有一种具有第一共振频率范围(76)的频率特性(70)，测量信号(22)布置在该第一共振频率范围(70)内。在此提出，所述频率特性(70)具有至少一个第二共振频率范围(78)，测量信号(22)在测量时布置在该第二共振频率范围(78)内。
文档编号G01S17/08GK101371100SQ200780003036
公开日2009年2月18日 申请日期2007年1月11日 优先权日2006年1月13日
发明者B·哈斯, J·斯蒂尔, K·伦茨, P·沃尔夫, U·斯库特蒂-贝茨 申请人:罗伯特·博世有限公司