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Thema: Mal wieder Laser-Entfernungsmessung

  1. #1
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Mal wieder Laser-Entfernungsmessung

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    Hallo zusammen,
    für die Aufnahme von Verfahrgeschwindigkeitsprofilen möchte ich in möglichst kurzen Abständen per Laser Entfernungen messen (bis ca. 50m). Die Absolutgenauigkeit ist mir nicht so wichtig (10cm?), die relative sollte aber 1cm oder besser sein. Auch wenn die Sport-Entfernungsmesser, die richtig(!) weit kommen (700m gegen mäßig reflektierende Ziele wird da beworben) mit gepulstem IR-Laser und Time-to-Digital-Konvertern arbeiten - sie sind nicht genau und mir widerstrebt die Detektion und Verstärkung eines ns-langen Impulses aus irgendwelchen gekühlten Avalanchedioden, denn alles andere erscheint mir zu langsam und nicht wirklich reproduzierbar.

    So denn, ich habe mir den Spaß gemacht, etwas reverse engineering an einem Industrie-Entfernungsmesser zu betreiben. Das Ding misst bis 100m nach dem Phase shift-Verfahren, was mir persönlich am sympathischsten ist. Der Laser wird mit 1,5 und 48MHz sinusförmig moduliert, mit welcher Amplitude habe ich noch nicht gemessen, auf jeden Fall verdächtig schwach. Sowohl das ausgesendete als auch das empfangene Licht werden von Fotodioden (BPX65, hatte ich mir vor Monaten auch schon mal mitbestellt ) detektiert und wie üblich mit Transkonduktanzverstärkern auf Pegel gebracht. Anschliessend werden beide Kanäle mit zwei Mischern - einer für die 1,5MHz, einer für die 48 - auf ca. 10kHz heruntergemsicht, über etliche Stufen mit SC-Filtern gefiltert und dann auf Komparatoren gegeben. Was dann kommt, weiss nur das CPLD, das auch die Modulationsfrequenzen erzeugt, aber die Phasenverschiebung von zwei Signalen mit 10kHz zu messen ist nicht wirklich aufwändig, wenn einem 48MHz Takt zur Verfügung stehen. Mein Ansatz ging zunächst eher in Richtung Lock-In-Verstärker und anschliessender Berechnung der Phase aus Real- und Imaginäranteil des Signals, aber der Unterschied zu einem Mischer ist ja auch nur minimal - in diesem Fall 10 kHz delta-f des Lokaloszillators.
    Der nächste Schritt wäre nun, die proprietäre Elektronik aus dem Ding stufenweise durch angepasste eigene Schaltungen zu ersetzen, wobei ich dann weniger auf die angepriesenen 0,5mm Genauigkeit achten würde als auf die Verwendbarkeit diffus reflektierender Ziele. Die SC-Filter könnte man ggf durch einen DSP ersetzen, aber das ist erstmal noch Zukunftsmusik.
    Wenn jemand sich schon mal ähnliche Gedanken gemacht hat, würde ich mich über gemeinsames Brainstorming sehr freuen

  2. #2
    Super-Moderator Lebende Robotik Legende Avatar von Manf
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    48MHz ist also die Modulationsfrquenz mit der die Auflösung erreicht wird. Eine Periode davon hat die Länge 6,25m und bei Hin- und Rückweg hat man 3,125m Auflösung pro Periode. Für 1cm muss man auf 0,32% genau die Phase messen. Das klingt ja noch irgendwie erreichbar.

    Für 0,5mm müßte man mit der Phasenmessung die Auflösung 0,016% erreichen. Man muss das schwache Signal verstärken und filtern. Die Änderung der Phasenverschiebung der Filter geht leider in die Laufzeit ein. Alles noch nicht grundsätzlich unmöglich.

    Als erstes muss man wohl mal ausprobieren wie man einen Laser der mit 48MHz moduliert wird wieder Empfangen kann, mit großer Linse.

    BPX65 klingt nicht geheimnisvoll, welcher Verstärker, wieviel Verstärkung pro Stufe, welche Filterstufen, was ist da ermittelbar? Der Eingangskanal ist zweimal aufgebaut und wird über Strahlteiler gespeist? Ist eine Verstärkungsregelung erkenbar?

    Interessieren würde mich das schon.
    Manfred

  3. #3
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Hi Manf,
    ich werde morgen voraussichtlich mehr dazu kund tun, ich habe bisher die Schaltpläne fertig, nun geht's ans Rechnen. Strahlteiler nein, eine BPX hängt im Laser und gibt die Referenz vor und die andere im Brennpunkt einer dicken Linse, die für den Laser mittig durchbohrt ist. Beide Dioden gehen auf je einen Transkonduktanzverstärker und danach auf die Mischer - jeweils zwei, einer für die 1,5MHz fürs Grobe, der andere mit 48MHz für die Feinarbeit. Die Zwischenfrequenz wird ein bisschen verstärkt (Differenzsignal von den Mischern um Faktor 5) und dann mit Butterworth-Filtern 5. Ordnung in SC-Technik gefiltert, danach kommen noch zwei OTAs mit Kondensatoren gegen Masse am Ausgang, dürften also Tiefpässe sein. Und dann geht's auch schon zum Komparator. Dadurch, dass Referenz- und Signalweg je Frequenz identisch aufgebaut sind, umgeht man sicher einige Probleme im Vergleich zur direkten Verwendung der Modulationssignale als Referenz, nur veroppelt sich zunächst mal der Aufwand. Eine AGC konnte ich zunächst nicht erkennen, werde ich wohl für meine diffusen Reflexionen aber zwingend brauchen. Mehr dann morgen, hoffe ich.

  4. #4
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    Hi,
    hab grad deinen Thread hier gefunden ... ich habe gestern in einem anderen Thread schon was dazu geschrieben, aber hier passts eigentlich viel besser hin.
    Zu dem was du tust habe ich ein interessantes Dokument gefunden:

    http://www.ipm.fraunhofer.de/fhg/Ima...cm91-51438.pdf

    Ich weiß nicht, ob es dir noch was nützt, die konzeptionelle Phase scheinst du ja schon hinter dir zu haben, aber ich fand es ziemlich interessant - ich möchte nämlich auch sowas wie du bauen.
    Über Erfahrungsberichte etc. würde ich mich also sehr freuen!

  5. #5
    Erfahrener Benutzer Robotik Einstein
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    Hi,
    schön, dass der Thread mal wiederbelebt wird, ich bin bisher noch nicht dazu gekommen, meine Handskizzen eines kommerziellen Präzisionsgerätes mittels CAD in Reinschrift zu bringen, wird aber bald nachgereicht. Das Gerät hat allerdings einen entscheidenden Nachteil: es setzt einen guten Reflektor voraus, was sich recht schnell aus der Schaltung erschliesst: es hat keinen selbstregelnden Verstärker im Empfangszweig, insofern wird eine recht hohe Amplitude benötigt. Das besagte Gerät arbeitet auch heterodyn, der Laser wird mit 1,5 und 48MHz moduliert, das Referenz- wie das Messsignal werden anschliessend mit 1515 und 48015kHz gemischt und dann durch -zig SC-Filter gejagt. Die 15kHz-ZF landet dann auf Nulldurchgangsdetektoren, deren Ausgänge sind mit digitalen Phasendetektoren verbunden, die (vermutlich) mit 48MHz zählen. An dem Digitalgewurschtel, hier wie auch in dem PDF das Du verlinkt hast, stört mich ein typisches digitales Problem: solange man nicht mit DSP arbeitet und geschickt filtert, ist das Ergebnis wie die Technik Null oder Eins: Perfekt oder Hausnummer. Ich verfolge derzeit den Ansatz, den Laser mit 1MHz Sinus zu modulieren, das empfangene Signal erstmal mit einem Transkonduktanzverstärker auf Pegel zu bringen, dann eine AGC nachzuschalten und das Signal dann mit dem Referenzsignal zu mischen (also ohne ZF, sondern direct conversion!), und zwar einmal in Phase und einmal mit Quadratursignal. Die beiden Mischprodukte dann Tiefpassfiltern und AD-Wandeln, um den Rest kann sich dann der Controller kümmern. Ich habe irgendwie einen Faible für Synchrongleichrichter und Lock-In-Verstärker, vielleicht komme ich damit ja wieder mal zum Ziel. Ich brauche keine hohe absolute Genauigkeit (einige cm auf 50m sind ok), aber eine sehr gute relative, und das schnell, weil bewegtes Objekt (<10m/s)

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