專利名稱：測量儀，特別是距離測量儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種按照權(quán)利要求1前序部分所述的具有發(fā)射單元的 測量儀，特別是一種距離測量儀。
背景技術(shù)：
已知的測量儀發(fā)射具有 一種測量頻率的測量信號用于測量到測量 對象的距離。該測量信號在測量對象上反射后由測量儀接收.為了分 析由接收的測量信號攜帶的距離信息，對該測量信號借助于輔助信號 進(jìn)行處理并且轉(zhuǎn)換為分析信號。該輔助信號具有一種頻率，該頻率可 以通過振蕩回路共振頻率的調(diào)整來匹配所使用的測量頻率。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明涉及一種測量儀，特別是距離測量儀，它具有用于發(fā)射測 量信號的發(fā)射單元以及用于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范圍的頻率特性，測量信號布置在該共振頻 率范圍內(nèi)。
在此提出，該頻率特性具有至少一個第二共振頻率范圍，測量信 號在測量時布置在該第二共振頻率范圍內(nèi)。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(shí)現(xiàn) 高的分辨率以及大的有效范圍。此外可以在應(yīng)用測量儀時達(dá)到高的靈 活性。例如該測量儀可以是定位儀，其中共振頻率范圍可以用于探測 在不同的頻率范圍的不同的材料。在測量時，測量信號優(yōu)選被發(fā)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 息的并且由測量儀接收的測量信號有利地被發(fā)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于信息的分析。為了處理 測量信號，在處理單元中適宜地應(yīng)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(yōu)選用于作 為振蕩頻率的函數(shù)來表征借助振蕩的參量進(jìn)行的處理過程。頻率特性 特別表征被應(yīng)用于進(jìn)行處理過程的裝置特別是電裝置。就此而言頻率 特性優(yōu)選表示通過發(fā)送給裝置的輸入信號激發(fā)的輸出信號與輸入信號 的比例作為頻率的函數(shù)。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。此外該裝置可以用于將一個振蕩的參量轉(zhuǎn) 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(chǎn)生一個振蕩的電壓作為輸出信號。頻率特性特別對應(yīng)由狄拉克
脈沖也就是說無窮尖銳(scharf)的脈沖激發(fā)的輸出信號的頻率譜。就 此而言對于頻率特性的"共振頻率范圍，，特別要理解為頻率特性的一 個范圍，它延伸了頻率特性的共振頻率。在這種情況下該頻率范圍的 寬度例如為共振頻率的至少10%，有利地至少為20%，并且優(yōu)選至少 為30% 。
優(yōu)選該處理單元設(shè)置用于無需調(diào)整地工作。由此可以有利地降低 測量時間。借助無需調(diào)整的工作可以進(jìn)行測量，而不必使處理單元的 特征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(shè)置用于借助輔助信號處理測量信號以產(chǎn)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于分析。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(chǎn)生對分析適合的、 例如頻率適合的分析信號。
在本發(fā)明的 一種有利的設(shè)計(jì)方案中提出，測量儀具有 一個用于接 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(yùn)行 中混合。由此可以實(shí)現(xiàn)處理單元的特別緊湊的結(jié)構(gòu)。
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干擾性的頻率，由此可以提高測 量質(zhì)量。在處理一個具有振蕩的參量的信號時，該參量可以轉(zhuǎn)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(zhuǎn)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(shè)置用于發(fā)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(shè)置用于借助輔助信號對測量信號進(jìn) 行處理并且該濾波裝置用于輔助信號的濾波。由此可以實(shí)現(xiàn)測量信號 特別有效的處理過程。測量信號在測量過程的進(jìn)程中例如以多個測量 頻率范圍內(nèi)發(fā)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(yōu)選的測量頻率范圍，方法是 頻率特性的共振頻率范圍分別配屬于測量信號的測量頻率范圍。
如果濾波裝置具有至少三階的濾波線路，那么可以實(shí)現(xiàn)對不希望 的頻率的特別有效的抑制。濾波線路的階數(shù)特別描述了由發(fā)送到濾波 線路上的輸入信號激發(fā)的輸出信號與高于或者說低于一個表征濾波線
路的允許通過范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(shù)，則例如每頻率十進(jìn)制(Frequenzdekade )下降n 20dB。如果濾波線路是較高的階數(shù)，例如四階，五階等等，那么此外 可以產(chǎn)生具有高的柔性的頻率特性的共振頻率范圍。
在另一種實(shí)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(dá)到高的信息密度以及由 此達(dá)到高的精度。在此測量信號可以同時具有多個尖銳的處于測量頻 率范圍內(nèi)的測量頻率。此外該測量信號可以具有測量頻率的連續(xù)譜， 它在測量頻率范圍上延伸。
就此而言提出，處理單元設(shè)置用于借助設(shè)計(jì)成帶狀信號的輔助信 號處理測量信號。由此可以實(shí)現(xiàn)與作為帶狀信號的測量信號的實(shí)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(yōu)利用。
此外提出，測量儀具有一個至少部分自動化的校準(zhǔn)模式，在該校 準(zhǔn)模式中測量信號的測量頻率范圍與所述共振頻率范圍中的至少一個 共振頻率范圍匹配，這有利地提高了測量質(zhì)量。
就此而言提出，測量儀具有校準(zhǔn)通道、測量單元以及控制單元， 其中測量信號通過該校準(zhǔn)通道作為校準(zhǔn)信號在校準(zhǔn)模式中被發(fā)送到處 理單元，所述測量單元設(shè)置用于借助校準(zhǔn)信號對共振頻率范圍進(jìn)行共 振測量，所述控制單元設(shè)置用于根據(jù)共振測量使測量頻率范圍與所述 共振頻率范圍中的至少一個共振頻率范圍進(jìn)行匹配。由此可以在校準(zhǔn) 模式中實(shí)現(xiàn)校準(zhǔn)過程的特別簡單的實(shí)施。此外可以有利地利用現(xiàn)有的 通道，該通道例如用于參考測量。


其它的優(yōu)點(diǎn)由下面

給出。在附圖中示出了本發(fā)明的實(shí)施 例。附圖、說明書以及權(quán)利要求包含大量的特征組合。本領(lǐng)域的技術(shù) 人員也可以有針對性地單個觀察這些特征并且總結(jié)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激光距離測量儀，它具有用于
發(fā)射測量信號的發(fā)射單元以及用于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(chǎn)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(shí)施例方式
圖1示出了激光距離測量儀10，它進(jìn)行到測量對象12的距離的測 量。該激光距離測量儀IO具有殼體14、顯示屏16以及未示出的用于 接通以及斷開運(yùn)行以及用于起動或者說配置測量過程的操作元件。在 殼體14內(nèi)部布置有用于產(chǎn)生發(fā)射信號20的發(fā)射單元18。發(fā)射信號20 在這個實(shí)施例中是光線束。發(fā)射信號20作為聲學(xué)的信號，例如超聲波 信號的實(shí)施方式同樣是可以考慮的。發(fā)射單元18在這個實(shí)施例中是激 光二極管。在發(fā)射時，發(fā)射信號20中的光線的振幅通過測量信號22 調(diào)制。測量信號22是高頻信號，該測量信號22由設(shè)計(jì)成振蕩器的信 號產(chǎn)生單元24產(chǎn)生并發(fā)送到發(fā)射單元18上用于對發(fā)射信號20中的光 線進(jìn)行調(diào)制。該信號產(chǎn)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(fā)射信號20通過未示出的接收鏡頭由激光距離測量儀10 作為接收信號28接收。在接收接收信號28時，調(diào)制接收信號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(fā)射信號20 的發(fā)射和接收信號28的接收之間的光線運(yùn)行時間成比例。該相位偏移 是距離信息。激光距離測量儀10具有一個處理單元30，它設(shè)置用于將 測量信號22處理成分析信號32。該分析信號用于將距離信息分析成希 望的距離，這在分析單元34中進(jìn)行。
處理單元30具有一個用于接收接收信號28的接收單元36，它例 如是光敏二極管，特別是APD (雪崩光敏二極管)。在接收接收信號 28時，接收單元36產(chǎn)生一個電信號，它與接收的光線的振幅成比例并 由此表示調(diào)制光線的測量信號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(chǎn)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(shí)現(xiàn)并且優(yōu)選在設(shè)計(jì)成光敏 二極管的接收單元36的內(nèi)部進(jìn)行。處理單元30此外具有一個用于產(chǎn)
生輔助信號38的信號產(chǎn)生單元40以及一個用于對該輔助信號38進(jìn)行 濾波的濾波裝置42。激光距離測量儀10此外設(shè)有校準(zhǔn)通道44,通過 它可以將由發(fā)射單元18發(fā)射的發(fā)射信號20直接發(fā)送給接收單元36用 于校準(zhǔn)目的。在校準(zhǔn)時，發(fā)射信號20由優(yōu)選設(shè)計(jì)成可驅(qū)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(fā) 射信號20設(shè)置的路徑中。此外該激光距離測量儀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(dá)到高的分辨率，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(fā)射狀態(tài)和接收狀態(tài)之間 的相位偏移的周期(區(qū)間從O到2丌)由此對應(yīng)一個單值范圍，在該單 值范圍內(nèi)距離可以唯一地確定并且為幾個厘米。為了能夠?qū)崿F(xiàn)更大的 單值范圍，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(shí)踐中使用了多于兩個的不同的用于測量信號22的測量頻率 VM。在這個實(shí)施例中，測量頻率Vm被逸棒在從750MHz到1050MHz 的頻率范圍48內(nèi)(見圖3)，該頻率范圍在距離測量時提供了特別有 利的精度提高。在這個頻率范圍48內(nèi)，測量頻率vm優(yōu)選在優(yōu)選的測 量頻率范圍、例如測量頻率范圍50， 52中選擇，這在圖3中示出。
在圖2中在詳細(xì)視圖中示出了信號產(chǎn)生單元40、濾波裝置42以及 接收單元36的布置。設(shè)計(jì)成APD光敏二極管的接收單元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。所示的光敏二極管57由此應(yīng)該看作理想的光敏二極管。 APD光敏二極管的結(jié)構(gòu)和功能原理是已知的并且不應(yīng)該在本說明書的 框架中重復(fù)。在運(yùn)行時， 一個高的直流電壓Vs-在這個實(shí)施例中為150 伏特-被接到設(shè)計(jì)成APD光敏二極管的接收單元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(shí)現(xiàn)。這附加地用于由 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(diào)制.由此輔助信號38與接收的測量信號 22混合，由此產(chǎn)生低頻的分析信號32。
在這個實(shí)施例中，信號產(chǎn)生單元40是差分的電流源。相應(yīng)地，所 示的濾波裝置42具有差分的結(jié)構(gòu)并且輔助信號38作為差分的電壓信 號接到設(shè)計(jì)成APD光敏二極管的接收單元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(chǎn)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(gòu)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(shè)計(jì)成APD 二極管的接收單元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用于濾波線路62與電壓源58的脫耦。電感72.1， 72.2用于 調(diào)整設(shè)計(jì)成差分的電流源的信號產(chǎn)生單元40的工作點(diǎn)。該電流源在這 個例子中是晶體管，其中電壓接到集電極上。電感72.1， 72.2用于將 電壓保持在確定的工作區(qū)間內(nèi)，例如在1.5V和4.5V之間，更確切地說 不依賴于接入的濾波線路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(shù)示出了由在濾波線路62的輸 入端上發(fā)送的輸入信號激發(fā)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(yīng)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范圍對應(yīng)頻率范圍48，測量頻
率VM在該頻率范圍內(nèi)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 共振頻率范圍76, 78，它們由從V3-800MHz到V4 = 840MHz以及 V5 = 940MHz到V6 = 990MHz的頻率區(qū)間構(gòu)成。頻率特性70對應(yīng)由狄 拉克脈沖作為輸入信號激發(fā)的輸出信號。在實(shí)踐中，頻率特性70可以 通過Vt和V2之間的頻率范圍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(fā)送到濾波線路62上并檢測相應(yīng) 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 如具有多于兩個的共振頻率范圍。
在測量距離時，發(fā)射信號20利用具有測量頻率Vm的測量信號22 調(diào)制。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 率并且表示分析信號32的希望的分析頻率。應(yīng)用的測量頻率Vm猶逸 在測量頻率范圍50， 52中選擇。它們分別至少部分對應(yīng)于濾波線路62 的共振頻率范圍76或者說78中的一個，由此可以實(shí)現(xiàn)一個高的混合 得益。共振頻率范圍76， 78自身通過濾波線路62的合適的結(jié)構(gòu)布置 在頻率刻度的范圍內(nèi)，測量頻率VM應(yīng)該在該范圍內(nèi)選擇以優(yōu)化距離測 量的測量精度和有效范圍。此外測量精度隨著使用的測量頻率Vm的數(shù) 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(yīng)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范圍50中，而且可以在 測量頻率范圍52中選擇。相對具有傳統(tǒng)的兩階濾波線路的、具有僅帶 有一個共振頻率范圍的頻率特性的濾波裝置42的設(shè)計(jì)方案，測量頻率 vm可以在兩個測量頻率范圍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(diào)整。在圖2中示出的濾波
范圍76， 78,并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(yīng)用的測量信號22測量頻率VM的匹配而進(jìn)行的調(diào) 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。 借助

了 一個另外的實(shí)施例，在該實(shí)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 范圍50內(nèi)。同樣也可以布置在測量頻率范圍52內(nèi)。此外測量信號22 可以具有測量信號vm的連續(xù)譜，該連續(xù)譜相應(yīng)地在測量頻率范圍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。為此用于產(chǎn)生輔助信號38的信號產(chǎn)生單元40被設(shè)置在一個頻率 帶中，該頻率帶在這個例子中由共振頻率范圍76或者說78構(gòu)成。
此外該激光距離測量儀IO設(shè)有校準(zhǔn)模式。在這個校準(zhǔn)模式下，由 發(fā)射單元18產(chǎn)生的、利用測量信號22調(diào)制的發(fā)射信號20通過校準(zhǔn)通 道44發(fā)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(zhǔn)信號，它具有一個校準(zhǔn)頻率。在校準(zhǔn)模式的運(yùn)行過程中，校準(zhǔn)頻
率在極限頻率V,和極限頻率V2 (見圖2)之間步進(jìn)地、例如以lMHz的 步長由控制單元26改變。此時由接收單元36接收的并且通過濾波線 路62傳遞的校準(zhǔn)信號被測量單元46記錄下來，它由此進(jìn)行共振測量， 通過共振測量來測量濾波線路62的共振頻率范圍76, 78?？刂茊卧?26可以借助共振測量使測量信號22的測量頻率范圍50， 52以高的精 度匹配濾波線路62的共振頻率范圍76， 78,由此可以在測量時達(dá)到特 別有效的混合過程。該校準(zhǔn)模式可以全自動地、例如在激光距離測量 儀10接通時實(shí)施。作為替代方案它也可以通過操作者接通。
權(quán)利要求
1.測量儀，特別是距離測量儀，它具有用于發(fā)射測量信號(22)的發(fā)射單元(18)以及用于處理測量信號(22)的處理單元(30)，該處理單元具有一種具有第一共振頻率范圍(76)的頻率特性(70)，測量信號(22)布置在該第一共振頻率范圍內(nèi)，其特征在于，所述頻率特性(70)具有至少一個第二共振頻率范圍(78)，測量信號(22)在測量時布置在該第二共振頻率范圍(78)內(nèi)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的測量儀，其特征在于，設(shè)置所述處理單 元(30)用于無需調(diào)整的工作。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的測量儀，其特征在于，設(shè)置所述處 理單元(30)用于借助輔助信號(38)處理測量信號(22)以產(chǎn)生分 析信號(32)。
4. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的測量儀，其特征在于，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(jù)權(quán)利要求4所述的測量儀，其特征在于，設(shè)置所述處理單 元(30)用于借助輔助信號(38)對測量信號(22)進(jìn)行處理并且所 述濾波裝置(42)用于對輔助信號(38)進(jìn)行濾波。
6. 根據(jù)權(quán)利要求4或5所述的測量儀，其特征在于，所述濾波裝 置(42)包括至少三階的濾波線路(62)。
7. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的測量儀，其特征在于，所述 測量信號(22)是帶狀信號。
8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的測量儀，其特征在于，設(shè)置所述處理單 元(30 )用于借助設(shè)計(jì)成帶狀信號的輔助信號(38 )處理測量信號(22 )。
9. 根據(jù)前述權(quán)利要求中任一項(xiàng)所述的測量儀，其特征在于至少部 分自動化的校準(zhǔn)模式，在該校準(zhǔn)模式中使測量信號(22)的測量頻率 范圍(50， 52)與所述共振頻率范圍(76， 78)中的至少一個共振頻 率范圍匹配。
10. 根據(jù)權(quán)利要求9所述的測量儀，其特征在于校準(zhǔn)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(zhǔn)模式中通過該校準(zhǔn)通道(44 )作為校準(zhǔn)信號被發(fā)送到處理單元(30 )， 設(shè)置所述測量單元(46)用于借助校準(zhǔn)信號對共振頻率范圍(76， 78) 進(jìn)行共振測量，設(shè)置所述控制單元用于根據(jù)共振測量使測量頻率范圍 (50， 52)與所述共振頻率范圍(76， 78)中的至少一個共振頻率范 圍匹配。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測量儀，特別是距離測量儀，它具有用于發(fā)射測量信號(22)的發(fā)射單元(18)以及用于處理測量信號(22)的處理單元(30)，該處理單元具有一種具有第一共振頻率范圍(76)的頻率特性(70)，測量信號(22)布置在該第一共振頻率范圍(70)內(nèi)。在此提出，所述頻率特性(70)具有至少一個第二共振頻率范圍(78)，測量信號(22)在測量時布置在該第二共振頻率范圍(78)內(nèi)。
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(yōu)先權(quán)日2006年1月13日
發(fā)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