Abhängigkeit von Reflexion und Abstand an einer optischen Messeinrichtung?

[wkrug]

So viel Licht sollte nicht nötig sein...

Im Prinzip hast Du recht, allerdings soll die Auswertung bei einem fahrenden Fahrzeug stattfinden.
Also ist die Reflexion nicht immer zu 100% gleich.
Darum wäre es besser wenn die LED's mehr Licht machen würden.
Ich hab deshalb in die Software schon eine Auswertung reingebastelt, der die letzten 10 Werte mittelt
Die Optik des Empfängers hat bereits einen kleineren Öffnungswinkel als die der Sendedioden.

Eventuell montiere ich die Sendedioden etwas schräg zur Empfängerachse hin, damit der Lichtkegel im Zentrum der Empfängerdiode zu liegen kommt.

Beim Tageslicht hast Du im Prinzip auch recht, allerdings schneide ich durch ein rotes Filter alle nicht roten Lichtanteile ab, was in der Summe zu einer Verringerung der empfangenen Lichtintensität führen müsste - Oder liege ich da falsch?

Der TCS 3200 miss nun ohne Filter ohne Beleuchtung, mit 595nm Beleuchtung ( Amber ) und 670nm ( Dunkelrot ).
Mit Rotfilter werden dann noch mal die Wellenlängen 670, 700, 740 und 780 gemessen.
Meine leistungsstärkeren LED's hab ich noch nicht gekriegt, mit den "schwachen" funktionierts aber im Prinzip.

[Besserwessi]

Ein bisschen bringt der rote Filter schon, aber halt nicht viel. Vom Sonnenlicht würde ich mal schätzen dass etwa 75% über 600 nm liegen. Ich weiss nicht, ob es sich für den relativ kleine Effekt lohnt so einen Filter zu nehmen, denn man verliert auch etwas vom gewünschten Licht.

Für 780 nm gäbe es als Lichtquellen noch Laserdioden (die Wellenlänge für normale CD Laufwerke liegt bei etwa 780 nm - 785 nm).
Mehr Intensität für die LEDs hilft natürlich, und so lange es erschwinglich ist, spricht auch nicht viel dagegen. Bei den schwachen Wellenlängen (vor allem wohl 595 nm) kann man ggf. auch 2 oder 3 LEDs nehmen. Wenn einfach nur das Signal zu schwach ist, hilft ggf. auch eine größere Linse um mehr Licht auf den Sensor zu bekommen - der Hintergrund wird aber natürlich damit auch mehr.

[Bernina]

Das mit der unterschiedlichen abstandsabhängigkeit von verschiedenen Farbbereichen kenne ich. Es liegt hauptsächlich an den Linsen im System. Bei reiner Freistrahloptik dürfte der Effekt deutlich geringer sein. Wenn Interferenzfilter im System sind (bei einigen Farbfiltern und Antireflektionsschichten üblich), dann gibt es einen weiteren Effekt, da die Filterwirkung nur bei senkrechter Einstrahlung richtig ist (Lamdaviertelschichten).

[wkrug]

Das mit der unterschiedlichen abstandsabhängigkeit von verschiedenen Farbbereichen kenne ich. Es liegt hauptsächlich an den Linsen im System. Bei reiner Freistrahloptik dürfte der Effekt deutlich geringer sein.

Danke für den Hinweis - Das werd ich mal genauer untersuchen.

Ein bisschen bringt der rote Filter schon, aber halt nicht viel. Vom Sonnenlicht würde ich mal schätzen dass etwa 75% über 600 nm liegen. Ich weiss nicht, ob es sich für den relativ kleine Effekt lohnt so einen Filter zu nehmen, denn man verliert auch etwas vom gewünschten Licht.

Der Farbfiler ist ja bereits im TCS3200 integriert also nicht extern vorgeschaltet.
Dadurch denk im mal, das ich hier nicht besonders viel verlieren werde.
Im TCS sind Farbfilter für Rot - Grün - Blau und ohne Filterung bereits integriert.
Es ist da so gelöst, das es für die einzelnen Wellenbereiche eigene Fotodioden Arrays gibt.
Ein lustiger Effekt ist noch, das der grüne und blaue Bereich des Sensors wieder einen Durchgang oberhalb 700nm haben.
Da ich die aber nicht nutze ist mir das vorerst mal egal.

Wenn ich die spektrale Verteilung von Tageslicht anschaue würde ich den Bereich über 650nm auf ca. 45 - 50% der gesamten Lichtleistung abschätzen. Da sollte der integrierte Filter schon etwas helfen.

Die benötigten LED's hab ich übrigens bei roithner Laser aus Wien bekommen. Andere Quellen in Europa hab ich nicht gefunden.
Ein 1W Emitter mit den benötigten Wellenlänge kostet da so um die 8,-€ - Also noch im Rahmen.
Allerdings sind die Star Kühlkörper noch extra zu besorgen.

[Besserwessi]

Beim Vergleich der Strahlung bei hoher und niedriger Wellenlänge kommt es darauf an, wie man das Licht gewichtet: rein nach der Energie stimme ich zu mit etwa der Hälfte oberhalb und unterhab von 650 nm. Bei den Fotodioden nimmt aber die Empfindlich großen Wellenlänge (bis ca. 900 nm) zu. Bei 800 nm hat man etwa die doppelte Empfindlich wie bei 400 nm.
Wenn man im Empfänger schon den Filter drin hat, kann man den natürlich auch nutzen.

Bei 700 nm sind übrigens selbst die low Cost LEDs von Reichelt schon relativ intensiv - die relativ geringe Helligkeit kommt durch die geringe Empfindlichkeit des Auges.

[wkrug]

Ich hol mal diesen Threat wieder hoch...

In der Zwischenzeit konnte ich schon mal einen Teil meiner Probleme lösen.
1. Ich hab LED's mit mehr Leuchtkraft verwendet.
2. Jede LED hat eine eigene Linse bekommen.
3. Der Licht Frequenz Wandler wurde gegen ein Spekreumselektives Modell ausgetauscht ( siehe oben ).
4. Der Lich Frequenz wandler hat einen eigene Linse und einen Lichschutztubus erhalten.
5. Es wird jeder Messwert 10mal aufgezeichnet. Die Minimal und Maximalwerte verworfen und die restlichen Messwerte für die Berechnung herangezogen.
6. Die Abstandsabhängigkeit hat sich wesentlich verbessert.

So lange die Tageshelligkeit nicht allzu groß ist funktioniert die Sache wunderbar.

Nun zu meinen Neuen Problem.
Sobald es zu hell wird, heben sich die Messwerte nicht deutlich genug von der Hintergrundhelligkeit ab um "richtige" Ergebnisse zu liefern.

Ich hab mich deshalb schon mit einigen Filterstrategien auseinandergesetzt.
Bringt es etwas, mal ein anderes Filter ( bzw. andere Mittelwertbildung ) zu verwenden?
Welches wäre wohl für meine Aufgabe am Besten geeignet ( Das man auch in einem Microcontroller umsetzen kann )?

Über das Kalman Filter hab ich schon ein wenig gelesen - Ich denk auch, das das passen könnte - Umsetzen für einen Microcontroller könnte ich das nicht, da die Sache doch reichlich komplex ist ( Rekursive Parameter usw. )!

[Besserwessi]

Die Strategie mit dem Verwerfen der 2 Extremwerte und dann mitteln der restlichen Werte ist schon sehr gut. Viel besser wird es an der Stelle nicht gehen. Der Kalmanfilter ist so wie man ihn findet vor allem kompliziert. Wenn man das dann auf ein konkretes Problem anwendet, kann man oft einen Teil der Rechnung (den mit den Covarianzen) vorab machen und bekommt dann auch nur eine einfache Rechenvorschrift heraus. Da das ganze linear und nicht robust ist, wird da in diesem Fall einfach der normale Mittelwert über die 10 Werte herauskommen.

Um die Empfindlichkeit gegen Störlicht zu verbessern muss man also früher ansetzen. Das könnte die Messung der Frequenz sein, oder bei der Optik. Im einfachsten Fall einfach mehr Lichtleistung durch mehr LEDs oder ggf. mehr Empfänger. Ein Versuch wäre es ggf. auch wert jeweils versetzt mit und ohne Beleuchtung zu messen für eine Differenzbildung.

Wie wird denn die Frequenz gemessen, und welcher Art sind die Störungen bei Tageslicht ?

[Bernina]

Zur Umgebungslichtunterdrückung kann auch eine Sendelicht-Modulation sinnvoll sein. Im Empfänger muss dann ein entsprechendes Filter (elektronisch) eingefügt werden. Damit neben dem natürlichen Sonnenlich auch Kunstlicht (100Hz) unterdrückt wird, sollte eine Modulation oberhalb 1kHz erfolgen.

[wkrug]

Ein Versuch wäre es ggf. auch wert jeweils versetzt mit und ohne Beleuchtung zu messen für eine Differenzbildung

Die Werte werden sequenziell nacheinander ermittelt. Also alle Wellenlängen nacheinander Durch und diesen Durchlauf dann 10 mal.
Die Sequenz ist keine Beleuchtung 525nm ohne Filter, 670nm ohne Filter, 670nm mit Rotfilter, 700nm mit Rotfilter, 740nm mit Rotfilter, 780 nm mit Rotfilter. Dann das Ganze fortlaufend, immer die letzten 10 Werte werden gespeichert und verarbeitet. Der älteste 11te Wert wird wieder verworfen.

Die Frequenzmessung läuft über einen Timer, der auf externen Takt geschaltet ist. Die Torzeit wird über einen zweiten Timer bereitgestellt.

welcher Art sind die Störungen bei Tageslicht

Das Gerät wird über der zu messenden Fläche bewegt, deshalb ändert sich die Reflexion natürlich ständig.
So lange die Werte mit "farbigen" Licht sich deutlich von denen ohne natürliche Beleuchtung abheben, funktioniert das Ganze auch.
Nur wenn die Unterschiede zu klein werden - sprich das Tageslicht zu hell wird - können keine plausiblen Messwerte mehr ermittelt werden.

Das ist eine Kette die klappt:
leer o.F. 525nm o.F. 670nm o.F. 670nm m.RF. 700nm m.RF. 740nm m.RF. 780nm m.RF.
5814 6303 6267 5915 6174 6713 7127

Die Werte bei Sonneneinstrahlung liegen so um 40000 bis 50000 und da ist die Differenz zu den Werten mit Beleuchtung zu gering.

Bei den LED's ist so ziemlich das Ende erreicht. 5W Led's mit den gewünschten Wellenlänge hab ich noch nicht finden können.
Ob eine weiter 1W LED hier noch was bringt?
Das Problem wird dabei auch, das ich platzmässig auch Probleme krieg und das Ganze sicherlich noch schwerer zu beherrschen wird, wenn die LED's weit auseinander stehen. Sind ja jetzt schon 5 Stück auf Star Platine.

Anbei mal eine Messung die zumindest im Mittelteil brauchbar wäre:

Der Reip Wert wurde *25 genommen, damit er in das Koordinatefeld passte!

[wkrug]

Zur Umgebungslichtunterdrückung kann auch eine Sendelicht-Modulation sinnvoll sein

Im Prinzip eine gute Idee, aber ich benutz ja einen Licht/Frequenz Wandler und das wird mit moduliertem Licht nicht funktionieren.
Eine normale Fotodiode zu verwenden wäre die Lösung, aber dann hab ich wieder das Rauschen und ich müsste den Pegel eines wellenförmigen Signals genau bestimmen.
Dazu bräuchte ich dann einen guten A/D Wandler und vermutlich auch einen Signalprozessor um den Träger aus den Messwerten rauszufiltern, oder einen steilflankigen Bandpass, der mir nur die Modulationsfrequenz durchlässt.

Zudem kann so eine Fotodiode in Sättigung gehen, dann ist gar nichts mehr zu messen.

Eventuell ist hier meine Meinung auch falsch - Ich lass mich gern eines Besseren belehren!