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Forum: Mikrocontroller und Digitale Elektronik Laufzeitmessung im ps Bereich?


Autor: Jakob (Gast)
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Hi,

habt ihr eine Idee, wie das zu machen ist? Ich habe vor eine Entfernung
auf 1 cm genau zu messen. Das ganze soll 1 Dimensional sein, also
lediglich, messen, wie weit der Sender vom Empfänger entfernt ist.
Jetzt stellt sich die Frage, wie ich so kleine Zeiten überhaupt noch
messen kann. Wenn der Sender ein Signal sendet, und der Empfänger 1 cm
entfernt ist und das Signal dann verstärkt und reflektiert, dann
braucht das Signal für hin und Rückweg grade mal 66 ps. Hat jemand eine
Idee, wie man sowas noch messen kann? Ultraschall scheidet wegen der
Störanfälligkeit aus.

Danke für eure Hilfe schonmal!

Autor: Peter Dannegger (Gast)
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Vor einiger Zeit war hier so ein Schlaumeier, der behauptete, sowas zu
können.

In der Praxis brauchst Du aber sauschnelle Laser-LEDs und
GaAs-Fotodioden und zur Auswertung spezielle ASICs.


Peter

Autor: dose (Gast)
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Wie oft willst du es Bauen oder geht es nur um eine Informative Frage?
Ich habe da auch schon mal darangedacht so was zu bauen.

Es gibt das verschiedene Tricks. Der heute am meisten verwendete ist
das  Ausnutzen von Gatterlaufzeiten. Es werden Flip-Flops so
hintereinander auf gereiht das sie wie beim Dominostapel nacheinander
umklappen. Auch Eimerkette genannt.
Jetzt wird mit jedem Takt der Zustand der Eimerkette in einem FIFO
gelegt. Bei einer Differenz zwischen der Fifotaktzeit und der
Gatterlaufzeit kann man unter der Gatterlaufzeit kommen. Das ist das
gleiche Prinzip wie beim Messschieber!

Älter Messsystem senden einen neuen Impuls wenn der Alte Angekommen ist
und messen die Frequenz. Die Optische Laufstrecke wird zu quasi
Resonator.

Und noch ein Trick ist, dem Impuls noch einen Trägersignal zu
verpassen. Siunspaket oder besser ein Chirp. Da kann man mit einer
Faltung noch etwas rausholen.

Rene`

Autor: Tenner (Gast)
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für sowas gibt es time to digtal converter.

http://www.msc-ge.com/cgi-bin/frame.pl?url=/d/prod...

in den applikationsbeispielen wird auch die von dir geforderte aufgabe
beschrieben

Autor: Jakob (Gast)
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Hi,

danke erst mal für die Antworten. Im Moment ist es nur eine rein
informative Frage, aber vielleicht wird ja mal was draus.

Autor: dose (Gast)
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Hier lerne ich auch noch.
Der TDC als feritigen Baustein ist mir neu. Ich kannte die Lösung nur
in programmierbaren Chips.

@Dannegger
Warum soll das nur mit GaAs Fotodioden gehen?
Der ideale Spektralbereich von GaAs ist im nicht Sichtbaren. Wenn die
Anwendung einen sichtbaren Laserfleck haben soll, finde ich ist ein
Si-Photodedektor besser geeignet.
Ich glaube Leica hat ein Zimmermessgerät.
Das hat wie gehabt einen roten Laserpunkt.
Bestimmt eine 650-670nm Laserdiode.
Frau Buhlmann unsere Bildungsminsterin hat vor kurzem eine Firma
premiert.

Autor: Peter Dannegger (Gast)
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@Dose

"Warum soll das nur mit GaAs Fotodioden gehen?"

Weil diese auf hohe Schaltgeschwindigkeiten hin optimiert sind (für den
Telekommunikationsbereich).

Es geht hier ja um unter 100ps, d.h. über 10GHz.

Schau Dir einfach mal die Schaltzeiten von normalen Fotodioden an, da
sind bestenfalls 10MHz (100000ps) drin.


Rein theoretisch könnte man die Schaltzeiten abziehen, wenn sie denn
konstant wären, was sie aber eben nicht sind.
Praktisch könnte man mit einem Jitter von etwa 10% rechnen, d.h. eine
Kurzzeitstabilität bis herab zu 1/10 der gesamten Schaltzeiten
erreichen.
Entsprechend sauberen Aufbau und stabile Stromversorgung
vorausgesetzt.



Peter

Autor: dose (Gast)
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Bis wohin geht den der spektrale Bereich bei GaAs?
Ist noch 650nm noch empfangbar?

Autor: Werner Hoch (Gast)
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Hier ist eine nette Arbeit zur direkten Lichtlaufzeitmessung:
http://herkules.oulu.fi/isbn9514272625/

Autor: Stefan (Gast)
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Also ich würde das mit Ultraschall versuchen. Das sind dann 60us
Laufzeit. Die Elektronik dafür ist trivial.
Wo sollte das denn bitte Störanfällig sein? Solange keine anderen
Objekte in der Nähe sind, deren Abstand zum Sender kleiner als 1cm ist,
sehe ich da kein Problem.

Autor: Kupfer Michi (Gast)
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Na weil die Schallgeschwindigkeit von Temperatur und Luftfeuchtigkeit
abhängig ist und wirbeln sollte es auch nicht, wie willste da ne genaue
Messung hinbekommen...

http://www.sengpielaudio.com/Rechner-schallgeschw.htm

(Jakob sprach von 1cm Genauigkeit, nicht 1cm Messabstand)

Autor: Benedikt (Gast)
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Bei Elektor gab es vor kurzem eine Schaltung zur Füllstandmessung von
Wassertanks mit Ultraschall. Die Ausgabe erfolgt mit 1cm Genauigkeit,
intern wird aber mit <1mm gemessen.
Es werden mehrere Werte gemessen, erst wenn diese mehrheitlich nahezu
identisch sind, wird der Wert als gültig erklärt. Reichweite ca. 2m
ohne die Schaltung jetzt speziell abgeglichen, oder die Sensoren
richtig ausgerichtet zu haben.
Die Schaltung basiert auf einem mega8, hat eine Temperaturmessung und
somit eine Temperaturkompensation eingebaut.

Autor: Markus (Gast)
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Erst heute hat mir einer erzählt, daß die Füllstandsmessung mit
Ultraschall nicht trivial sei, weil man mehrfachreflexionen bekommt und
deswegen den Sensor erst mal auf das (leere) Faß kalibrieren muß. Es
ging dabei aber wohl um industrielle Behälter und weniger um die
Regentonne im Garten.

Für die Entfernungsmessung würde ich ja den Sensor von
http://www.pmdtec.de/ nehmen, damit muß man nicht im ps-Bereich
rummessen. 1cm Auflösung ist damit schon machbar, aber 1cm absolute
Entfernung könnte kritisch werden.

Ich befürchte allerdings, daß es den nicht bei Reichelt gibt. ;-)

Markus

Autor: Benedikt (Gast)
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Die Schaltung von Elektor umgeht das mehrfach Reflektionsproblem, und
vor allem das direkte koppeln zwischen Sender und Empfänger echt
genial:

Nach dem Aussenden wird für einige 10ms die Spannung des empfangenen
Signals mittels ADC gemessen.
Da die Signalstärke quadratisch mit der Entfernung abnimmt, ist dieser
Kurvenverlauf gespeichert. Jetzt wird jeder Messwert mit dieser Kurve
normiert, womit man ein von der Entfernung unabhängig gleich starkes
Signal erhält. Die Stelle an der der normierte Wert am größten ist,
wird als Ergebnis verwendet.

Autor: Sven (Gast)
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Temperaturkompensation bei US ist schon gut, aber die Luftfeuchte hat
auch einen wesentlichen Einfluss. Dagegen sind Gaszusammensetzung und
Luftdruck fast vernachlässigbar. Bei einer Genauigkeit von 1cm ist das
bei 1m Messweg schon eine Anforderung von 1% Messfehler, da kommt man
um eine Feuchtekorrektur nicht herum.

Alternativ kann man aber einen zweiten Messkanal mit zusätzlichem
Empfänger aufbauen, der eine bekannte und konstante Länge hat, und
darauf dann korrigieren. Dieser Referenzkanal sollte eben gleiche
Temperatur und gleichen Luftdruck haben, dass dürfte so schwer nicht
sein.

Sven

Autor: dose (Gast)
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Hallo Leute
ich habe mal mit Ultraschall gearbeitet. Im Labor ging Ultraschall sehr
gut, aber unter den realen Kundenbedingungen gab es ständig
Überraschungen. z.B. bei einer Füllstandsmessung von Lösungungsmittel
war es sehr schwierig, weil Temperatur, Luftfeuchte und der
Lösungsmitteldampf in die Schallgeschwindigkeit eingegangen sind. Dabei
ging es allerding um Auflösung von weit unter 1cm.

Ultraschall hat zwei große Nachteile:

erstens es darf keine Luftstömung existiern
Da fallen Abstandmessungen an/nahe rotierenden Maschine flach.

zweites auf der Oberfläche ist es ein großer Meßfleck. Die seitliche
(laterale) Auflösung ist sehr beschränkt.
der Leser hat dagen einen schönen Meßpunkt.

Ich habe in meinen Unterlagen folgende Laserentferungsmessgeräte
gefunden:
Bosch DLE 150
Hilti PD30
Fall jemand so ein Gerät oder ein ähnliches bei der Hand hat, sollte er
mir ein schönes Foto vom Inenleben geben.

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