Phasenvergleichsverfahren

Das Phasenvergleichsverfahren wird zur Streckenmessung eingesetzt. Im Englischen wird das Verfahren AMCW gennant. Die Abkürzung steht für Amplitude Modulated Continuous Wave. Es nutzt die Welleneigenschaft von Licht und betrachtet die einzelnen Phasen der Wellen (Wellenlänge) als geschlossene Einheiten (λ). Bei einer Trägerwelle wird ein sinusförmiges Signal aufmoduliert (s. folgende Abb.). Grundsätzlich werden kurzwellige Signale als Transportmedium/Trägerwelle eingesetzt und langwellige Signale als Messmedium/Modulationswelle. Dieses Prinzip aus einer Kombination von Wellen nennt sich Amplitudenmodulation.

Amplitudenmodulation beim Phasenvergleichsverfahren
Amplitudenmodulation beim Phasenvergleichsverfahren

Wie beim Impulsverfahren wird ein Lichtstrahl von einem Sender zu einem Reflektor gesendet. Dieser reflektiert das Licht zu einem Empfänger im Tachymeter zurück. Am Empfänger wird der Phasenunterschied zu einer gesamten Wellenlänge Δφ gemessen. Die Modulationsfrequenz wird im Tachymeter von einem Hochfrequenz-Oszillator bestimmt.

Skizze: Funktionsprinzip Phasenvergleichsverfahren
Skizze: Funktionsprinzip Phasenvergleichsverfahren

Zur Bestimmung der Strecke sind nun zwei Messgrößen entscheidend, der Phasenunterschied Δφ, sowie die Anzahl der ganzen Wellenlängen u zwischen Tachymeter und Prisma.

2D = u \cdot \lambda + \frac{\Delta \varphi }{2\pi}\cdot \lambda

Die Wellenlänge wird mit der Modulationsfrequenz festgelegt.

\lambda = \frac{c}{f}

Die Lichtgeschwindigkeit im Medium berechnet sich aus der Lichtgeschwindigkeit im Vakuum und dem vorliegenden Brechungsindex n.

c = \frac{c_0}{n}

Eingesetzt in die oben gezeigte Formel ergibt dies:

D = \frac{1}{2} \cdot (u + \frac{\Delta \varphi }{2\pi}) \cdot \frac{c_0}{n\cdot f}

u wird ermittelt, indem das Tachymeter verschiedene Wellenlängen einsetzt. Wichtig ist dazu, dass das Gerät die Maßstabswellenlänge so einstellen kann, dass sie größer ist als die doppelte Maximaldistanz. Die Messung besteht aus einer Fein- und mindestens einer (eher mehrerer) Grobmessungen. Am Anfang erfolgt eine Feinmessung mit einer kurzen Wellenlänge. Für die folgenden Messungen werden immer längere Wellen aus immer kleineren Frequenzen aufmoduliert, sodass die gesamte Länge grob ermittelt werden kann. Aus der Kombination dieser Messungen ermittelt das Tachymeter die gesamte Streckendistanz. Eine beispielhafte Rechnung hierzu findet sich in Joeckel / Stober / Huep, 2008, S. 47 unten.

Die Genauigkeit der Streckenmessung unterscheidet sich je nach Hersteller, Instrument und gewünschter Messgeschwindigkeit. Typische Werte im Standardmodus wären z.B. 1 mm + 1,5 ppm oder 1,5 mm + 2 ppm.

Literaturempfehlungen:

Typische Klausuraufgaben:

Erläutern Sie das Grundprinzip des Phasenvergleichsverfahrens zur elektrooptischen Distanzmessung beim Tachymeter.
— s.o.

JA/NEIN: Die Trägerwelle dient als Transportmedium für die Modulationswelle
— Ja.

JE/NEIN: Die Modulationswelle dient als Transportmedium für die Trägerwelle
— Nein.

JA/NEIN: Die Wellenlänge der Trägerwelle liegt im Nanometerbereich, während die Wellenlänge der Modulationswelle im Meterbereich liegt
— Ja. Trägerwelle: λ = 600 bis 900 nm, Modulationswelle λ = 1 bis 30 m

Wie wird Abhilfe gegenüber dem Problem geschaffen, dass die Ausbreitungseigenschaften des Messsignals aufgrund physikalischer Charakteristik nur schwer zu erfassen sind?
Es wird mit Amplitudenmodulation gearbeitet. D.h. ein kurzwelliges Signal wird als Transportmedium für das langwellige Messsignal eingesetzt.

Welche Alternativen gibt es zum Phasenvergleichsverfahren? Diskutieren Sie gegebenenfalls Vor- und Nachteile der Verfahren.

1) Impulsverfahren

Nachteil:

  • ungenauer als Phasenvergleichsverfahren

Vorteil:

  • schneller
  • diverse Abweichungen vom Phasenvergleichsverfahren (z.B. Phaseninhomogenität, Frequenzdrift usw.) gelten hier nicht, weil nicht mit der Wellenform des Lichts gearbeitet wird

2) Streckenmessung mit Basislatte

Nachteil:

  • bei Distanzen über 10m ungenauer
  • Genauigkeit variiert mit Länge der Basislatte
  • unwirtschaftlicher, weil zeitintensiver
  • benötigt im Aufbau mehr Platz

Vorteil:

  • bei kurzen Distanzen bis 10m genauer

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