Sensor für reflektiertes Laserlicht

[Mercator]

Ich würde gerne einen Laserdistanzsensor entwickeln (das Projekt soll eher lehrreich sein, als nützlich. Also kommt Kaufen nicht in Frage).

Ein Laserstrahl (von einem Laserpointer) wird mit einer bestimmten Frequenz moduliert (etwa 10kHz) und auf ein Objekt (z.B. eine Wand) geworfen. Das reflektierte Licht wird von einem Sensor wahrgenommen. Ein µC stellt die Phasenverschiebung gegenüber dem Ausgangssignal fest und errechnet daraus die Entfernung.
Siehe http://de.wikipedia.org/wiki/Laserentfernungsmessung "Phasenmodulation"

1. Frage:
Ist das alles Unsinn oder kann das funktionieren?

2. Frage:
Was für einen Sensor bräuchte man dafür? Er sollte nur auf das Laserlicht reagieren (etwa 633nm) und empfindlich genug sein um auf das gestreute Licht von der Wand zu reagieren. Wahrscheinlich braucht man noch eine Verstärkerschaltung (kennt jemand einen Schaltplan?). Außerdem sollte er nicht zu reaktionsträge sein.

Um nur aufs Laserlicht zu reagieren könnte man einen Farbfilter vor den Sensor kleben. Ich weiß aber nicht, wo ich einen für 633nm herbekomme.
Notfalls könnte man den Raum für Messungen auch abdunkeln und dann auf jede Wellenlänge reagieren.
Ein Fotowiderstand wäre sehr empfindlich, aber hat Reaktionszeiten von einigen Sekunden. Sind Fotodioden empfindlich genug?

[Manf]

Ab und zu kommt das Thema auf.
https://www.roboternetz.de/phpBB2/viewtopic.php?t=23571
Vor kurzem wurde auch einmal angesprochen die Daten verfügbarer Lasser Entferungsmesser zusammenzustellen um zu sehen was erreichbar ist.
Manfred

http://www.lascolaser.com/show_products.php?cat=Hand%20Held%20Distance%20Met er

[Peter_Holzer]

Hallo Mercator!

Muss das Ganze mit einem Laser funktionieren oder könnte man das auch mit einem Ultraschallsensor wie zum Beisspiel SRF04 realisieren?

MFG Peter Holzer

[Mercator]

Vielen Dank für den Link auf den Thread, Manf. Das PDF werde ich heute Abend lesen.

Über Ultraschall habe ich auch schon nachgedacht. Die Reichweite ist aber auf wenige Meter beschränkt und ich fand Laser einfach cooler . :mrgreen:

[alter Mann]

Ein Ultraschall Entfernungsmesser arbeitet in der Regel mit einer Laufzeitmessung, Währen Laserentfernungsmesser über kürzere Distanzen über die Phasenverschiebung ihre Werte ermitteln.
Wenn mir jemad mal genauer erklären könnte, wie die Phasenverschiebung bei Laserlicht gemessen wird, wäre ich mal froh drüber ;-)
Ich hab das nie so genau verstanden

[Richard]

Wenn mir jemad mal genauer erklären könnte, wie die Phasenverschiebung bei Laserlicht gemessen wird, wäre ich mal froh drüber ;-) Ich hab das nie so genau verstanden

Moin moin,

Du Moduliers den Laser z.B. mit einer Sinus Frequenz. Dieses Signal
wird gesendet und wieder (verzögert) Empfangen. Beide Signale werden
Verglichen OP und die Differenz ermittelt. Je weiter das Objekt entfehnt ist, je größer/breiter ist das Differenzsignal.

OK zugegeben das ist etwas vereinfacht.

Gruß Richard

[Mercator]

Wenn mir jemad mal genauer erklären könnte, wie die Phasenverschiebung bei Laserlicht gemessen wird, wäre ich mal froh drüber ;-)
Ich hab das nie so genau verstanden

Wenn ein Laser von der Wand zurückgeworfen wird, ist er nicht in Phase mit dem gesendeten Signal. Man misst jedoch nicht die "echte" Phase des Laserlichts, sondern die eines Nutzsignals, das man dem Laser aufmoduliert.
Die Wellenlänge dieses Nutzsignals sollte die maximal messbare Distanz sein, da ab einer Phasenverschiebung von mehr als 360° mehrdeutigkeiten auftreten. Formel: Frequenz = Ausbreitungsgeschwindigkeit / Wellenlänge.
Die maximal messbare Distanz sei 30m. Die Ausbreitungsgeschwindigkeit von Licht in Vakuum ist etwa 300000m/s.
Also:
300000/30 = 10000Hz = 10kHz.
Man moduliert dem Laser also ein Sinussignal von 10kHz auf (10000mal pro Sekunde an und aus schalten).
Wenn nun die Fotodiode das reflektierte Signal empfängt und sagt "Laserlicht ist an", so könnte die Laserdiode aber gerade aus sein. Man hat also eine Phasenverschiebung um PI (180°).
Draus lässt sich die Entfernung berechnen. Siehe Wikipedia.

Verbessert mich, wenn ich was Falsches gesagt hab.

[shaun]

Naja, c ist eher so 3*10^8, aber wir wollen uns ja nicht um einen lächerlichen Faktor von 1000 streiten.
Da das Licht hin und zurück muss, kommt man mit 1,66MHz theoretisch 100m weit (ohne die bereits erwähnte Ambiguität). Wenn man es gerne etwas einfacher hätte, beschränkt man sich auf eine Phasenmessung von 0...180 Grad, halbiert demzufolge also die Frequenz.
Messgeräte nach dem Phase-Shift-Verfahren verwenden nicht selten das Heterodynprinzip, heisst: sowohl Mess- als auch Referenzsignal werden im Messgerät durch Fotodioden aufgenommen, ggf verstärkt und dann heruntergemischt. Die Phasenmessung erfolgt dann bei einer deutlich niedrigeren ZF von zB 10kHz.
Mit mal eben eine Fotodiode an einen AVR knoten ist es nicht getan!!!
Bei Geräten ohne ZF kommen oft dedizierte Time-to-Digital-Konverter zum Einsatz, die Auflösungen im ps-Bereich erlauben, ansonsten reicht ein trivialer CPLD der 60..100MHz-Klasse schon, um halbwegs vernünftig messen zu können.
Ich habe den Schaltplan von einem Industriegerät abgezeichnet, das mit 1,5MHz UND 48MHz gleichzeitig moduliert und so Grob- und Feinmessung erlaubt. Der Bereich bis 100m wird leider nur mit Reflektor erreicht, vor allem, weil das Ding ausser den fixen Transimpedanzverstärkern, die man von Fotodiodenschaltunge ja kennt, keine Verstärkerstufen hat, also auch kein AGC.
Als Dioden kommen BPX65 zum Einsatz, allerdings frage ich mich, ob ich in meinem Projekt, bei dem ich diffuse Reflektion im Freien zwar nicht absolut präzise, aber relativ reproduzierbar und vor allem schnell erfassen muss, nicht doch eine APD einsetzen muss. Heisst: Kühlung, Hochspannung, noch feistere Verstärker...
Habe zu diesem Zweck gerade einen Industrie-Rauchmelder hier liegen, der bereist das 200V-Präzisionsnetzteil und das Peltierelement samt Regelung an Bord hat.
Muss nur noch mal klären, ob das weisse Zeug, in dem das Element sitzt, BeO ist, sollte man nämlich nicht einatmen...
Hmm, ich bin abgeschweift wie ich gerade merke. Vielleicht sollte ich die wichtigsten Teile des Schaltplans mal in Reinschrift bringen.
Ach ja: TI hat 1976 einen Entfernungsmesser auf Basis einer IR-Diode, einer normalen und einer Avalanche-Fotodiode und rein diskreter Realisierung vorgestellt - witziges Ding. Kommt zwar nur 15m weit, aber immerhin. Ein IC ist doch drin: ein 7486 als Phasendetektor, da macht sich die Beschränkung auf 180 Grad natürlich bezahlt.

[Manf]

Zu den Zahlenwerten wurde hier ja schon einmal etwas gesagt.
https://www.roboternetz.de/phpBB2/zeigebeitrag.php?t=23571
Eindeutigkeit ist ganz gut aber die Auflösung muss auch hoch sein.
Mit 10kHz könnte man ja noch etwas machen wenn die Lichtgeschwindigkeit nicht 1000mal größer wäre. 300000km/s.
( Ich sehe gerade ich bin zweiter mit dem Kommentar. )

Ein Punkt der für das ganze Design sehr schwierig ist, ist ja die gringe reflektierte Lichtleistung. Läßt sich denn aus den Schaltplan des Entferungsmessers abschätzen mit welcher Leistung das Gerät noch arbeiten soll?
Manfred

[shaun]

Welchen meinst Du? Das industrielle Ding hat im Mess- und Referenzpfad (letzterer ist über ein kurzes Stück Plastik-LWL direkt an die Laseroptik angekoppelt) identische Transimpedanzverstärker am Eingang, danach folgen identische Mischer, identische Filter (irgendwas Richtung 10. Ordnung...) und dann simple Komparatoren.
Der Entwurf im TI-Optoelektronik-Handbuch hat eine Verstärkungsregelung, aber im Stil der 70er Jahre alles diskret aufgebaut, was mir den sofortigen Durchblick etwas erschwert. Kurz: ich müsste erstmal rechnen, und bevor ich mir das antue werde ich wohl faul sein und simulieren.
Den TI-Schaltplan kann ich ja mal scannen und zur Erheiterung an Interessierte mailen, Posten werde ich ihn aufgrund des Copyrights nicht.

Meine Idee geht in Richtung Lock-In-Verstärker, um aus dem Rauschen das bisschen reflektierte Signal heraus zu bekommen, damit liesse sich auch gleich die Phasenmessung erschlagen. Synchrondetektoren haben mich schon zwei mal gerettet, warum nicht auch dieses Mal ;)

[Mercator]

Vielleicht sollte ich mich den trigononometrischen Messverfahren widmen. Mit Phasenverschiebung geht bei mir bestimmt irgendwas schief.

Um den Winkel zum Laser zu bestimmen könnte man auf eine Fotodiode eine Haube mit einem Spalt setzen, die sich dreht. Wenn der Spalt in der Haube in die richtige Richtung zeigt kommt Licht rein.

Aber wie kann ich zwischen normalem Licht und Laserlicht unterscheiden?
Wie funktioniert dieser Transimpedanzverstärker (http://de.wikipedia.org/wiki/Bild:Transimpedanzverstaerker2.jpg? Wo muss ich die Diode eisetzen und wo wird gemessen?

[BlueNature]

Servus Mercator,

dieser Transimpendanzverstärker ist im Grunde ein invertierender Verstärker. Er gibt also ein um 0V gespiegeltes Signal am Ausgang ab. Deine Impendanz der Quelle die Du dort anschließt zum Widerstand der Gegenkopplung bestimmt somit deine Ausgangsspannung. Die Spannung der Quelle wird somit durch das Verhältniss verstärkt.

Rechnerische Lösung:

Re = Impendanz der Quelle
Rg = Gegenkoppung
Ue = Eingangsspannung
Ua = Ausgangsspannung

Ua = Ue * Rg / Re * -1

Deine Signalsteilheit wird durch den verwendeten OpAmp bestimmt, somit solltest dir bei schnellen Signalen einen guten suchen (hohe Spannungsänderung pro Zeiteinheit).

In Deinem Fall würde die Diode an den Eingang kommen anstelle der Quelle und die Ausgangsspannung wäre somit der Strom negativ vertärkt (benötigst dazu positive/negative Supply am OpAmp).

Grüße Wolfgang