Laserentfernungsmessgerät

Hallo,
ich will dir ja nicht den Wind aus den Segeln nehmen, aber hast du eine 
ungefähre Ahnung davon welche technischen Probleme zu lösen sind?
Welche Fähigkeiten bezüglich Elektronik hast du?
Rechne mal spaßeshalber aus, welche zeitliche Auflösung so ein Gerät 
haben sollte.
Gruß Öletronika

> Ich sollte noch dazusagen, dass die Genauigkeit nicht sehr hoch sein
> muss. Ich währe mit 50 cm zufrieden.
Hallo,
ich habe den Eindruck, dass du absolut keine Ahnung hast, auf was du 
dich das einlassen willst. Als Schüler ist das IMO noch ca. 2 Nummern zu 
groß.
Dass du da eine optische Laufzeitmessung für kurze Entfernungen mit Oszi 
gebastelt hast, glaube ich ehrlich nicht. Hast du ebtl. was anders 
probiert?

Auch wenn du nur in der Größenordnung 0,5m auflösen willst, brauchst du 
zeitliche Auflösung im Bereich von 3ns.
Das ist rein digitaltechnisch heute kein großes Problem mehr, aber 
optoelektronisch (Lichtempfänger) immer noch sehr anspruchsvoll.

Die Schaltung des Lichtsensors muss bei entsprechend hoher Verstärkung 
auch entsprechend schnell arbeiten, damit beim Eintreffen des Lichtes 
auf die Fotodiode eine möglichst steile Flanke entsteht, auf die man 
zeitlich triggern kann. Das ist aber wie gesagt recht aufwendig und mit 
sehr speziellen knowhow verbunden.
Da spielen unvermeidliches Tiefpassverhalten, Laufzeiten in der 
Schaltung usw. eine Rolle. Wenn man da auf Auflösung  von wenigen ns 
kommen will, muss man sehr genau wissen, wie das ganze funktioniert und 
welche BE da einsetzbar sind.

Die Lichtlaufzeitmessungen, welche ich kenne, arbeiten anders als 
beschrieben. Da wird ein sehr kurzer Laserimpuls im Bereich ns erzeugt, 
der aber eine hohe Leistung hat (einige hundert mW bis in den 
1W-Bereich).
Weil die integrale Energiemenge trotzdem verschwindend gering ist, sind 
diese Laser trotzdem sehr sicher (Laserklasse 1), auch wenn die Messung 
einige hundert mal pro s repetiert .
Mit der hohen Leistung bekommt man an der Avalanchediode über eine 
entsprechende Optik einen ordentlichen Lichtimpuls zurück, welche den 
Lawineneffekt der vorgespannten Diode auslöst. Nur mit diesen sehr 
schnellen Trickschaltungen erreicht man sehr hohe Flankengeschw. des 
Empfängers.
Die Vorspannung wird dabei ständig sehr knapp am Avalanchedurchbruch 
geregelt. So macht auch Umgebungslicht nicht so viel aus.
Natürlich nutzt man auch einen schmalbandigen Filter, der nur Licht im 
Frequenzbereich des Lasers durch läßt, um den Einfluss von 
Umgebungslicht zu reduzieren.

Zur Auswertung werden Spezial-Zähler-IC mit extrem hoher zeitlicher 
Auflösung im Bereich weit unter 1ps eingesetzt (60fs, wenn ich mich 
richtig erinnere).
Das Hauptproblem und die größte Quelle für Ungenauigkeit bleibt aber die 
Empfängerschaltung und die Triggerung des Empfangssignals. Wenn ein 
Empfänger auf Grund unvermeidlichen Tiefpassverhaltens nur rel. langsam 
ansteigt, dann hat man keinen genauen Triggerpunkt auf dieser Flanke.
Triggert man nur auf eine feste Spannung, bekommt man eine starke 
zeitliche Abhängigkeit von der Amplitude des Empfangssignals.
Ach bei der Avalanchediode ist die Auslösung des Impulses von der 
Helligkeit des Empfangssignals abhängig.

Mein Tip: Versuche das ganze mit Schall/Ultraschall. Ist viel einfacher 
umzusetzen und bis 10m bekommst du auch noch bessere Genauigkeit und 
Auflösung.
Auch andere Verfahren, z.B. mit Triangulation kann ich mir bis 10m gut 
vorstellen, wenn Auflösung im cm-Bereich reicht.
Gruß Öletronika

Theo schrieb:
> War nur sehr
> trivial, aber ich konnte eine Verschiebung feststellen.

Du hast vermutlich die Verzögerung der Sende- und Empfangsschaltung 
gemessen. Ich kann mich meinen Vorrednern nur anschliessen: bei 
Entfernungen bis 10m ist Ultraschall einfach, braucht wenig Leistung und 
funktioniert auch mit kleinen MC bestens. Habe mir gerade so etwas 
gebaut zum Messen von Füllstand in einer Sammelgrube.
Hier ist die Auflösung doch sehr viel einfacher zu handhaben:
1ms = 33cm, 1µs = 0,33mm

Ich denke mal das:
http://diydrones.com/profiles/blogs/11-gram-arduino-powered-laser-rangefinder
könnte die Lösung sein. Damit kannst du auch problemlos auf sehr kleinen 
Objekten messen. Stromverbrauch sollte ja eigentlich nicht anders sein, 
pulsen kann man da schliesslich auch...

Mike schrieb:
> blopp schrieb:
>> Weisst Du was ein Michelson-Interferometer ist? Du überlagerst das
>> Original-Signal und das (verstärkte) reflektierte Signal und aus der
>> daraus resultierenden Interferferenz kannst Du die Laufzeit bestimmen.
>
> Und das dann nicht für die Laserwellenlänge sondern für dir
> draufmodulierten Hochfrequenzwellen, um Mehrdeutigkeiten auszuräumen ...

Ja, ein Verstärker für Lichtsignale, wie man ihn für ein "Original"-
Michelson brauchen würde, dürfte wohl auch schwer zu verwirklichen sein.
Gruss
Harald

Theo schrieb:

> Ich würde gerne Lichtschranken ohne Reflektor bauen

dazu finde ich das keine gute Idee.
Damit du da Entfernung messen kannst, muss die optische Ausrichtung 
schon sehr gut sein. Ob du die hinkriegst, wenn Objekte die 
Lichtschranke in irgendeiner Art und Weise durchbrechen, womöglich im 
Sport dann auch noch mit unterschiedlichsten Reflexionsmaterialen (auf 
deutsch: jeder hat ein anderes Trikot), da bin ich sehr skeptisch.

Was stört dich an einem Reflektor? Der ist doch sehr schnell aufgebaut 
und ausgerichtet.

Hallo,
mir scheint, hier läuft was deutlich aus dem Ruder.
Das liegt daran, dass du noch wenig Erfahrung hast aber noch viel mehr 
liegt es daran, dass du nicht schreibst, was dein eigentliches Problem 
ist, sondern nur vermeintliche Lösungen von Teilaspekten anfragst.
Dabei hast du dich längst tief in einer Sackgasse verlaufen und das 
Forum soll nun helfen, ein kleines Schlupfloch zu finden. Dabei stehen 
dir außerhalb dieser Sackgasse Scheunentore zur Lösung deiner 
Aufgabenstellung offen.
Das ist etwa so wie jemand der fragt, wie man im Kraftwerk einen 
Generator betreibt, um dieses Wissen für die Dynamobeleuchtung an seinem 
Fahrrad zu nutzen.
Höre also auf, um das Thema herum zu reden und lege die Karten auf den 
Tisch!
Schreibe ganz klar, was du eigentlich anstellen willst!
Nenne dazu deine Randbedingungen, besonders das Budged, Zeitplan und 
Möglichkeiten, die dir zur Verfügung stehen.
Denke dabei immer daran, das andere nicht wissen, welche Gedankengänge 
du gerade hast. Schreibe in Klartext, was du meinst und keine 
unergründlichen Abkürzungen, wie z.B. TDC (das ist kein gängiger 
Begriff, außer für ein paar Spezialisten).

Theo schrieb:
> ich würde es nicht direkt als Entfernungsmesser bezeichnen, ich habe
> eine Laserpointer aufgeschraubt und mit 1kHz angestauert, diesen Laser
> dann in einem dunklen Raum auf die Photodiode gerichtet und das Signal
> der Diode mit dem Signal des Lasers am Oszi verbunden. War nur sehr
> trivial, aber ich konnte eine Verschiebung feststellen.
Ja, das ist kein Wunder.
Nur hast du mit Sicherheit da keine relevante Lichtlaufzeit gemessen, 
sondern vor allem Signallaufzeiten innerhalb der Schaltungen, auf der 
Senderseite und auch auf der Empfängerseite.
Vermutlich waren diese Laufzeiten schon so groß, dass sie als 
Lichtlaufzeit einige 10m Abstand darstellen würden.
Hast du das nachgerechnet? Ist dir dabei nix aufgefallen?

> Ich würde gerne Lichtschranken ohne Reflektor bauen,
Und warum schreibst du das nicht gleich?

>also muss ich nur messen ob sich die gemessene Entfernung
>zum Normalzustand verändert(wenn z.B. jemand durchläuft).
Das ist ja etwas so, wie wenn jemand fragt, wie man eine Atombombe baut, 
und dann raus kommt, dass er eine Kerze anzünden will.

Eine Lichtschranke ohne Reflektor ist quasi eine Trivialität.
Dazu musst du nimmer irgend einen Abstand messen!
Für so was kann ich dir weit einfachere und praktikablere Lösungen 
anbieten, ohne diese Unsinn mit der Lichtlaufzeitmessung.
Für diese Zweck ist das ganze Gerede um alles was zu dem Thema bisher 
geschrieben wurde einfach nur sinnlose Zeitverschwendung!

Beschreibe jetzt also genau, was für Bedingungen du für diese 
Lichtschranke hast.
Was bzw. wen soll diese Detektieren?
Wie sehen die räumlichen Bedingungen aus.
Welche Fehler werden akzeptiert (z.B. 2 Personen gehen gleichzeitig 
durch oder jemand schlenkert mit den Armen oder zieht etwas hinter sich 
her).
Gruß Öletronika

Es gibt doch billig Laserentfernungsmesser bis ca. 10-20 Meter zu 
kaufen.
Damit kann man Wohnräume vermessen.
Die könnte man dafür ausschlachten.

Theo schrieb:
> Ich möchte Lichtschranken ohne Reflektor bauen, die Reichweite der
> Schranken muss max 10m betragen, die Genauigkeit der gemessenen Zeit
> 1/100 sec. Die Schranken sollen jeweils das erste Objekt erfassen, das
> sie durchbricht, egal was es ist.
Hallo,
das sind doch ganz andere, also eher einfache Anforderungen.
Ich denke, das lässt sich rel. leicht umsetzen.

Lichtschranken ohne Reflektor, das nennt man auch Lichttaster oder 
Reflex-Lichtschranke oder Reflex-Lichttaster.
http://de.wikipedia.org/wiki/Lichtschranke#Reflex-Lichtschranke
http://homepages.thm.de/~hg7394/sns/Licht1/anwendung.htm

Eine Variante davon ist auch der "Lichttaster mit 
Hintergrundausblendung".
Solche Dinger sind z.B. vielfach an Toilettenbecken zum Auslösen der 
Spülung dran.

Man strahlt einfach einen Lichtstrahl ab und schaut mit einem Empfänger 
in die gleiche Richtung, ob sich irgend was ändert.
Eine Änderung der empfangenen Helligkeit muss also getriggert werden.

Damit evtl. heller Hintergrund nicht stört, dann man da eine Lichtfalle 
hinstellen oder diesen auch optisch ausblenden (Hintergrundausblendung 
siehe oben).
Um Probleme mit der Umgebungshelligkeit zu eliminieren, sollte man die 
Quelle pulsen. Bei 1/100s Auflösung wären 1kHz ....10kHz ausreichend.
10kHz hat Vorteile, weil dies sehr weit weg von Netzbrummen (50/100Hz) 
ist und sich deshalb leicht ausfiltern lässt. Höhere Frequenzen sind 
möglich, aber nicht zweckmäßig, weil das ganze Design nur schwieriger 
wird.

Als Quelle könnte ich dir Lasersteuerungen (1mW)mit Kollimator anbieten, 
die locker mit 10kHz gepulst werden können. Für Schulprojekt verschenke 
ich diese auch.
Diese Module haben eine eigenen Pulseingang zur Ansteuerung mit einem 
uC.

Als Empfänger kannst du einen Transimpedanzverstärker aufbauen, der in 
Verbindung mit einer Optik und Maßnahmen zur Umgebungslichtunterdrückung 
problemlos im Freien auch bei Sonnenlicht einsetzbar ist.
http://uwiatwerweisswas.schmusekaters.net/Uwi/ELEKTRONIK/Fotoverst%e4rker.PDF
Für eine nachfolgende Filterschaltung, die auf 10kHz ausgelegt ist, kann 
ich dir auch eine Schaltung geben.
Fall noch optische Komponenten (Linsen, Tuben, Filter) für Empfänger 
fehlen, so kann man darüber auch reden.
Gruß Öletronika

Kauf dir nen altes Samplingoszi, einen schnellen Pulsgenerator, eine 
kräftige Laserdiode mit ein paar 100mW, eine Teleskopoptik und ne 
schnelle Photodiode und der Entfernungsmesser ist nur noch eine Frage 
des richtigen Aufbaus und der Reaktionszeit der Laserdiode und 
Photodiode.

Pulsgen füttert die LD mit impedanzarmen Vorwiederstand mit Strom. Am 
Pulsgenerator greifste das Triggersignal ab. Dann schaust du dir die 
Impedanzwandler-Schaltung eines schnellen FET-Tastkopfs oder einer 
1MOhm-Oszieingangs an und baust das für deine Photodiode nach. Die 
Photodiode machste hinter deine Telekopoptik, die du paralell zum Laser 
ausrichtest und hängst die an den Verstärkereingang. Den 50-Ohm Ausgang 
dieser Schaltung hängste an dein Sampling-Scope. Falls dann alles 
richtig aufgebaut hast und deine Schaltung ne Bandbreite von appr. 1GHz 
hat, sollteste eigentlich ne Auflösung im bereich von +/- 10 cm 
bekommen.

Theo schrieb:
> Ich verstehe leider das Funktionsprinzip nicht ganz.
Da es in diesem Forum keine Baumstruktur gibt, solltest diese Antworten 
adressieren. Sonst weiß mancher User nicht, auf was du dich beziehst.
> Mit welcher Art von
> Empfängern arbeitet man bei diesen Lichttastern?
Das sind ganz normale Fotodioden mit empfohlener Beschaltung.
> Und wenn nur geschaut
> wird ob sich etwas verändert, warum dann ein Laserstrahl?
Geht auch mit LED oder Glühlampe, aber bei Glühlampe kann man nicht ohne 
mechanische Elemente (z.B. Chopperrad) pulsen.
Ansonsten bekommt man bei Laser eben leicht einen kollimierbaren engen 
Strahl. Wenn du LED nimmst, wird der Strahl auf 10m schon einige cm 
Durchmesser haben. Da du 1/100s Auflösung haben willst, würde ein 
Strahldurchmesser von 3cm bei 3m/s schon bedeuten, dass die Abdeckung 
des Strahl 1/10s dauert. Das läßt sich nicht mehr sauber auf 1/100s 
triggern.

> Wird nur die
> Helligkeit des Laserstrahls gemessen? Und ändert sich diese neben der
> unterschiedlichen Entfernung nicht auch je nach Objekt?
Man detektiert einfach das Licht, welches zurück gestrahlt wird.
Solange der Strahl nicht unterbrochen wird, hat man nur die sogenannte 
Hintergrundstrahlung. Die sollte annähernd konstant sein, zumindest für 
kurze Zeiträume. Geht ein Körper durch den Strahl, bekommt man normal 
kurzzeitig irgend eine Änderung der reflektierten Helligkeit.
Ist der Hintergrund sehr hell (z.B. weiße Wand) und der unterbrechende 
Gegenstand dunkel, dann kann die Änderung auch negativ sein.
Im schlechtesten Fall haben Hintergrund und unterbrechender Gegenstand 
die gleiche Farbe bzw. Helligkeit. das ist ein Problem, das evtl. mit 
zusätzlichen Maßnahmen behoben werden kann.
1) Einfach eine Lichtfalle (schwarzer Absorber) am anderen
   Ende hinstellen. Dann könnte man aber auch gleich einen
   Reflektor hinstellen
2) Optik so aufbauen, dass der Hintergrund ausgeblendet wird.
   Das kann man z.B. durch einstellen der Winkels zwischen
   Sender und Empfangsoptik einrichten. Um das zu überprüfen,
   man auch temporär eine Lichtquelle an Stelle der Fotodiode
   positionieren.

> @Andreas M
> Diese Geräte arbeiten meines Wissens mit dem sog
> Triangulationsverfahren.
Nein, diese käuflichen Laser-Entfernungsmessgeräte arbeiten 
wahrscheinlich mit die Verfahren 2moduliertes Laserlicht) wie es oben 
von Transi genannt wurde oder mit dem Puls-Verfahren wie ich es genannt 
hatte.

> Dieses ist für meine Anwendung glaube ich nicht
> geeignet, da es auf Dauer(und Lichtschranken bleiben in der Regel länger
> eingeschalten) zu viel Energie benötigt. Außerdem währe die Auswertung
> der Daten vermutlich schwierig.
Das funktioniert wahrscheinlich aus ganz anderem Grunde nicht.
Die Mess- und Ausgabegeschw. ist nicht annähernd 100Hz.
Gruß Öletronika

Theo schrieb:
> denn die
> Helligkeit ändert sich ja auch wenn sich ein schwarzer Körper zum Strahl
> hinbewegt, diesen aber noch nicht durchbricht?
Hallo,
Das kannst du getrost vergessen.
Dieser Effekt wird kaum messbar sein und wird eine zweckmäßig gesetzte 
Triggerschwelle nicht erreichen.

Andere Effekte wäre da eher zu beachten.
1) Eine Fliege oder anderes Insekt fliegt durch den Strahl.
2) Ein Kieselstein oder auch Wasser-/Regentropfen könnten auch auslösen.

Um sich dagegen zu wappnen wären evtl. 2 Laserstrahlen zweckmäßig, die 
abwechselnd pulsen. Größere Körper lösen immer beide aus.
Gruß Öletronika

Theo schrieb:
> Hallo,
> jetzt glaube ich verstanden zu haben. Die Photodiode muss ähnlich
> fokussiert werden wie der Laserstrahl, oder? Wenn ich die Photodiode
> durch eine LED ersetzen würde, müsste nach der Fokussierung ein Strahl
> parallel zum Laserstrahl entstehen?
Hallo,
so etwa funktioniert das.
Der Laserstrahl ist quasi nur eine Linie.
Der Empfänger hat aber eine gewisse Empfangsapertur, die von der 
verwendeten Optik (Brennweite) und der Größe der Fotodiode abhängig 
sind.

Wenn du z.B. eine Fotodiode mit ca. 2,5mm x 2,5mm (BPW34) nimmst und 
diese mit einem Objektiv (Brennweite f=100mm) nach Unendlich abbildest, 
dann hat der Empfangsfleck auf 10m Abstand eine Größe von ca. 25 x 25cm.

Da die Empfangsoptik neben der Sendeoptik angebracht sein wird, kann man 
den Bereich, in dem sich Laserstrahl und Empfangsoptik überschneiden mit 
dem Winkel zwischen Sendestrahl und Empfangsoptik einstellen.
Zeichne dir das mal auf, dann findest du die Zusammenhänge leicht.

Alternativ kann man die Optiken exakt parallel montieren, aber dann die 
Fotodiode etwas versetzt zur optischen Mitte der Optik anordnen.
Die Empfangsoptik schielt dann quasi.
Hier ist so was dargestellt.
http://www.zizelmann.de/naturfoto/technik_zubehoer/info_sensoren.html
http://www.zizelmann.de/naturfoto/technik_zubehoer/skizzen_gif/hintergundausblenung1.gif
Gruß Öeltronika

Blauer Blaubär schrieb:
> Kauf dir nen altes Samplingoszi, einen schnellen Pulsgenerator, eine
> kräftige Laserdiode mit ein paar 100mW, eine Teleskopoptik und ne
> schnelle Photodiode...
Für das investierte Geld kann er sich zig fertige Geräte aus dem 
Baumarkt kaufen.