EP1000314B1

EP1000314B1 - Abstandsbestimmung mit einem offenen Hohlraumresonator

Info

Publication number: EP1000314B1
Application number: EP98945135A
Authority: EP
Inventors: Günther Trummer; Wenger Dr.Josef
Original assignee: MTS Mikrowellen Technologie und Sensoren GmbH
Current assignee: Cruise Munich GmbH
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-07-31
Publication date: 2002-04-10
Anticipated expiration: 2018-07-31
Also published as: EP1000314A2; US6445191B1; WO1999006788A3; ES2177050T3; JP2001512229A; WO1999006788A2

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmeßvorrichtung nach dem Oberbegriff der Ansprüche 1 oder 2. Sie betrifft auch ein Verfahren nach dem Anspruch 21.

Herkömmliche Abstandsmeßvorrichtungen vorzugsweise im Nahbereich arbeiten unter Verwendung von induktiven, kapazitiven, optischen oder Ultra-Schall-Sensoren. Für eine Messung mit induktiven Sensoren muß die Eichkurve festgelegt und auch das Material eines zu messenden Objekts muß bekannt sein. Ferner weisen die induktiven Sensoren beispielsweise einen 180°-Meßbereich auf, so daß sich zwei nebeneinanderliegende Sensoren gegenseitig beeinflußen und somit die Eichkurven des jeweiligen Sensors verändern können. Darüberhinaus sind derartige Sensoren lediglich in Ausführungsformen im Handel erhältlich, die einen Durchmesser von größer als 4mm (M4) betragen.

Der Nachteil für eine Messung mit kapazitiven Sensoren besteht darin, daß der Abstand zwischen den Kondensatorplatten exakt bekannt sein muß. Ferner unterliegt die Messung der Beeinflußung durch die Luftfeuchtigkeit, der allgemeinen elektromagnetischen Verträglichkeiten oder der Temperatur. Um die Messung unabhängig von diesen Parametern durchführen zu können, müßte je nach Erfordernis eine Referenzmessung durchgeführt werden, anhand derer dann die störende Beeinflußung eliminiert werden kann.

Aus der US-A 3522527 sind ferner zwei Hohlraumresonatoren bekannt, mit denen der Abstand zu entsprechenden Flächen gemessen wird, wobei durch die Gegenüberlage der beiden Hohlraumresonatoren indirekt der Abstand und somit die Dicke zwischen den zwei Flächen bestimmt wird. Um diese Messung durchzuführen, müssen jeweils die Hohlraumresonatoren einen separaten Sensor aufweisen, welcher beispielsweise auf herkömmliche Weise kompliziert mit dem Hohlraumresonator verbunden ist und somit einen entsprechend großen vorrichtungstechnischen Aufwand besitzt.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Abstandsmeßvorrichtung zur Bestimmung des Abstands zu schaffen, welche bzw. welches die oben aufgeführten Nachteile überwindet und eine kontinuierliche Abstandsbestimmung, eine einfache Handhabung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den vorrichtungstechnischen Merkmalen des Anspruchs 1 oder 2 gelöst. Sie wird auch weiteren Verfahren nach dem Anspruch 21 gelöst.

Erfindungsgemäß weist der Sensor einerseits einen Resonator mit einer koplanaren Schlitzkopplung auf, und zwar in Form eines Hohlraumresonators. Mit dieser Maßnahme wird der Vorteil erzielt, daß kleinste Bauformen beispielsweise <M4 realisierbar sind und somit die Einsatzmöglichkeiten um ein Vielfaches erhöht werden. Aufgrund der Grundgeometrie eines Hohlraumresonators sind geringe Abstände zwischen mehreren parallel angeordneten Sensoren möglich, da der Sensor einen seitlich scharf begrenzten Meßbereich besitzt und daher in seinem Meßverhalten nicht durch parallel angeordnete Sensoren beeinflußt wird. Als Anwendungsgebiet ist es beispielsweise denkbar, daß die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung bei der Richtungserkennung von bewegbaren Objekten bzw. bei einer platzsparenden Montage beispielsweise durch parallele Montage herangezogen werden kann.

Ferner kann der erfindungsgemäße Sensor als Schalter eingesetzt werden, mit dem Schaltpunktveränderungen ohne Neudimensionierung bzw. Änderungen des Sensorelements oder Hinzufügen weiterer elektronischer Bauelemente möglich werden. Damit wird der Vorteil erreicht, daß der Schaltpunkt beispielsweise über eine Software auf die jeweiligen Bedürfnisse einstellbar ist.

Der erfindungsgemäße Sensor ist ebenso in der Lage, sich näherende, leitfähige oder dielektrische Objekte zu erkennen und den Abstand zum Objekt mit einer Genauigkeit im Mikrometer-Bereich zu messen. Diese Art von Sensoren können beispielsweise als Näherungsschalter, zur kontinuierlichen Messung des Kolbenweges im Umkehrpunkt von pneumatischen und hydraulischen Zylindern, von Ventilstellungen oder zur Messung der Ausdehnung von Druckmembranen verwendet werden.

Erfindungsgemäß hängt bei leitfähigen Objekten der Meßabstand nicht von der Größe des Objekts ab, wenn man voraussetzt, daß das Objekt mindestens so groß ist wie der Durchmesser des Hohlraumresonators. Darüberhinaus ist generell eine Abstandsmeßung zu leitfähigen und dielektrischen Objekten möglich.

Wird der Sensor als Schalter eingesetzt, dann ist erfindungsgemäß eine Schaltpunktveränderung oder eine Neudimensionierung bzw. eine Änderung des Sensorelements auf einfache Weise zu bewerkstelligen. Da der Schaltpunkt z. B. über Software einstellbar ist, ist ferner der Vorteil gegeben, daß die Eingabe von Mehrfach-Schaltpunkten durch eine geeignete Software auf einfache Weise ermöglicht wird, wodurch man eine wesentlich höhere Einsatzflexibilität beispielsweise für eine Teile-Größenerkennung, für verschiedene Maschinenkonfigurationen, für eine Drehwinkelerkennung über Kurvenscheiben usw. erhält. Demgegenüber konnte - wie eingangs erwähnt - bei induktiven Sensoren die

Mehrfachschaltpunkte nur mit sehr großem Aufwand realisiert werden.

Aufgrund des in der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung verwendeten Meßverfahrens können auch mehrere Schaltpunkte über eine Logik miteinander verknüpft werden, wobei das Meßverfahren kontinuierlich arbeitet. So ist es beispielsweise von Vorteil, wenn drei Schaltpunkte bei der Abfrage eines Rotationszylinders benötigt werden.

Aufgrund einer kompakten Bauform ist für Schaltabstände von beispielsweise 0,6, 0,8, 1,0, 1,5, 2,0 mm bzw. 5 mm bzw. ein Grundelement in allen gängigen Gehäusebauformen einsetzbar, wodurch eine Kostenersparnis erreicht wird und somit eine geringere Logistik benötigt wird.

Alternativ kann die Abstandsmeßvorrichtung, insbesondere der Resonator, eine Mikrostreifenleitung zur Einkopplung aufweisen, welche insbesondere dann angewendet wird, wenn es von Vorteil ist, daß die Auswerteelektronik abgesetzt vom Resonator aufgebaut werden muß, und zwar beispielsweise bei Anwendungen, in denen eine hohe Temperatur auftritt.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Resonator ein Hochfrequenzresonator ist, dessen Resonanzfrequenz vorzugsweise in Abhängigkeit zum Objekt zwischen 1 bis 100 GHz, vorzugsweise 20 und 30 GHz liegt. Bei bestimmten Anwendungen ist es femer vorteilhaft den Hochfrequenzresonator mit einer Frequenz zwischen 22 und 24 GHz sowie 24 und 26 GHz oder jedem anderen Bereich mit vorzugsweise 2 GHz Bandbreite bzw. mit einer Bandbreite von ungefähr 10 Prozent der verwendeten Frequenz durchzustimmen.

Wir die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung mit einem Resonator ausgestattet, der eine zylindrische Form aufweist und dessen zum Objekt zeigende Grundfläche offen, d. h. nichtmetallisiert ist, so ist eine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz nicht gegeben.

Wird der Hohlraumresonator gemäß Anspruch 5 beispielsweise mit einem Dielektrikum, vorzugsweise Al₂O₃, gefüllt, so kann die gesamte Abstandsmeßvorrichtung klein bauen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es zwar generell von Vorteil ist, wenn der Meßbereich möglichst groß ist, was aber bedeutet, daß die Dielektrizitätskonstante ε klein sein sollte. Idealerweise wird dies dadurch erreicht, indem der Hohlraumresonator ungefüllt, d. h. ohne Dielektrikum ausgestattet wird. Nachteilig an dieser Anordnung ist aber, daß der Hohlraumresonator zur Erreichung eines großen Meßbereiches dann groß baut. Mit Dielektrikum baut der Hohlraumresonator bei ungefähr gleichbleibendem Meßbereich aber klein. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums nicht zu groß wird (vorzugsweise ≤ 10), da sonst die Verluste zunehmen und der Entfernungsbereich abnimmt. Bei Verwendung einer Keramik als Dielektrikum wird ferner der Vorteil erzielt, daß temperaturfeste Anwendungen bis 1000°C möglich sind und der Einsatz zur hochdynamischen Druckmessung in Verbrennungsmotoren möglich ist. Die erfindungsgemäße Abstandsvorrichtung ist somit druckfest und daher auch beispielsweise in Hydraulik-Zylindern einsetzbar.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß gemäß Anspruch 9 lediglich die Oberfläche des Dielektrikums mit Ausnahme der zum Objekt zeigenden Grundfläche mit einer dünnen Goldschicht überzogen bzw. aufgesputtert ist, so daß die Funktion über der Temperatur nur von dem Temperaturkoeffizienten beispielsweise der Keramik und nicht von dem Gehäuse abhängt.

Das Sensorelement besteht aus einer Keramik und einem Metallgehäuse und kann mit der Auswertelektronik über eine geeignete Hochfrequenz-Leitung, z. B. einen Hohlleiter verbunden werden. Aufgrund dessen ist es möglich das Sensorelement für Hochtemperaturanwendung bis ca. 1000°C, z. B. in Verbrennungsmotoren einzusetzen.

Unabhängig von der Messung eines Abstands kann die Abstandsmeßeinrichtung vorteilhaft auch zur Messung weiterer physikalischer Größen wie Druck, Kraft oder Masse und von Materialeigenschaften, wie dem Verlustfaktor von dielektrischen Materialien eingesetzt werden. Hierbei wird die offene Seite des Hohlraum-resonators mit einer Materialprobe im festen Abstand zu diesem abgeschlossen. Im Falle des Drucksensors würde vorzugsweise eine piezoelektrische Keramikscheibe im Abstand Null angebracht. Wirkt nun Druck, eine Kraft oder Masse auf die piezoelektrische Keramik, dann verändert diese ihre Dielektrizitätskonstante. Die Änderung der Dielektrizitätskonstanten hat eine Verschiebung der Resonanzfrequenz zur Folge. Durch die Bestimmung der Resonanzfrequenz mit den vorrichtungstechnischen Merkmalen aus Anspruch 1 oder 2 läßt sich der Druck, die Kraft oder Masse auf die piezoelektrische Keramik bestimmen.

Wird gemäß Anspruch 10 das Dielektrikum in ein metallisches Gehäuse vorzugsweise aus Kovar oder Titan eingeschoben, ist eine geeignete Hochtemperaturanwendung denkbar, wobei dann der Hohlraumresonator im ungefüllten Zustand auch bei hohen Temperaturen eine große Meßgenauigkeit aufweist und im gefüllten Zustand die Ausdehnung als solche exakt kontrollierbar ist.

Weist die Abstandsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 11 und insbesondere der Resonator eine koplanare Schlitzkopplung auf der dem Objekt abgewandten Seite des Resonators auf, so wird aufgrund dieser Anordnung gewährleistet, daß die Einkopplung der Resonanzfrequenz an geeigneter Stelle und einfach erfolgen kann.

Je nach Betriebsweise der Abstandsmeßvorrichtung kann die koplanare Schlitzkopplung aus je einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger gemäß Anspruch 12 bestehen, welche kreisförmig angeordnet sind und was einer Transmissionsmode entspricht, oder die koplanare Schlitzkopplung aus einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht, was dem Betreiben in einer Reflexionsmode entspricht.

Wird gemäß Anspruch 14 die Abstandsmeßvorrichtung beispielsweise in den H_0np-Moden, vorzugsweise in der H₀₁₁-Mode betrieben, so kann der Resonator in einem großen Bereich von Resonanzfrequenzen schwingen, in denen keine weiteren Moden mitangeregt werden, um so die Meßgenauigkeit groß zu halten. Darüber hinaus ist bei Anregung der H₀₁₁-Mode der Vorteil gegeben, daß dann keine Wandströme über die Kanten zwischen Mantel- und Abschlußfläche fließen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen sollen einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt werden.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 2 zeigt eine Rückansicht der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig 3 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung für die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 4 zeigt das Reflektions- bzw. Transmissionsverhalten als Funktion der Resonanzfrequenz bei verschiedenen Abständen zum Objekt der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit von Entfernung zum Objekt und Resonanzfrequenz;

Fig. 6 zeigt die Moden-Charakteristik eines kreisförmigen Zylinders für die Dimensionierung des Resonators der erfindungsgemäßen Abstandsrneßvorrichtung;

Fig. 7 zeigt ein weiteres Blockdiagramm für eine weitere Ausführungsform der Schaltung der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 8 zeigt verschiedene Positionierungen einer besonderen Anwendung für die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 9 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 10 zeigt ebenfalls eine weitere Anmeldungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung beispielsweise für eine Stoßdämpfer-Abfrage;

Fig. 11 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit für die Detektion einer Kolbenposition in einem Ventil;

Fig. 12 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit, beispielsweise eine Druckmessung durch Erfassung der Auslenkung einer Membran;

Fig. 13a, 13b zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit, beispielsweise eine Druckmessung durch Änderung der Dielektrizitäts-Konstanten unter mechanischer Belastung.

Fig. 14 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung, beispielsweise bei der Objektvermessung;

Fig. 15 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung, beispielsweise für einen Füllstandssensor.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Abstandsmeßvorrichtung einen Resonator in Form eines Hohlraumresonators 1 auf, der aus einem metallischen Gehäuse 5, vorzugsweise aus Titan oder Kovar gebildet ist. In diesem metallischen Gehäuse, welches vorzugsweise konisch zulaufend ausgebildet ist, kann wahlweise ein Dielektrikum 7 beispielsweise in Form einer Keramik z. B. Al₂O₃ oder in Form eines fluidischen Materials, vorzugsweise Luft oder inertes Gas wie z. B. Edelgase oder Stickstoff, eingebracht werden. Die Keramik kann, wie in Fig. 1 gezeigt, in das Gehäuse eingeschoben werden. Das Dielektrikum 7 selbst ist mit Ausnahme der offenen, zum Objekt 3 gerichteten Seite metallisiert, beispielsweise vergoldet. Damit wird der Vorteil erreicht, daß die Funktion über der Temperatur nur von dem Temperaturkoeffizienten des Dielektrikums 7 und nicht von jenem des metallischen Gehäuses abhängt.

Auf der Rückseite des Hohlraumresonators wird ein Substrat 9, z. B. ebenfalls Keramik, als Träger für die Einkopplungsmimik beispielsweise in Form einer koplanaren Schlitzkopplung oder einer Mikrostreifenleitung und die aktiven Bauteile der Auswerteelektronik bzw. in Form der Hochfrequenzelektronik positioniert. Über diese Anordnung wird die elektromagnetische Welle eingekoppelt. Diese Rückseite kann ebenfalls vergoldet sein und die gesamte Hochfrequenz-Elektronik 11 tragen.

Aufgrund der Verwendung des Dielektrikums 7 wird erreicht, daß die geometrischen Abmessungen des Hohlraumresonators bei Beibehaltung der gleichen Sendefrequenz verkleinert werden können. Wie es generell bekannt ist, läßt sich die Resonanzfrequenz f_r eines zylindrischen H_mnp-Resonators aus ε, µ, den n-ten Nullstellen der Ableitung der Bessel-Funktion m-ter Ordnung, sowie dem Durchmesser D des Hohlraumresonators und der Länge L des Hohlraumresonators bestimmen. Der funktionelle Zusammenhang zwischen εµ (f_rD)² und (D/L)² läßt sich übersichtlich in einem sogenannten Modendiagramm gemäß Fig. 6 darstellen. Aus diesem sogenannten Modendiagramm lassen sich auch relativ einfach Bereiche identifizieren, in denen keine weiteren Moden ausbreitungsfähig sind. Durch Isolation der Resonatordeckfläche vom Zylindermantel, das entspricht einem offenen Resonator mit H_0np-Moden, kann eine weitere Moden-Selektion erfolgen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß der Hohlraumresonator so ausgelegt wird, daß als Wellentyp die H_0np-Moden, vorzugsweise der H₀₁₁-Moden ausbreitungsfähig ist, da keine Wandströme über die Kanten zwischen Mantel- und Abschlußfläche fließen. Entsprechend der Linie des H₀₁₁-Moden gemäß Fig. 6 ist nur ein Abschnitt zu suchen, in dessen Umgebung keine Kennlinie anderer Moden auftritt, so daß auch bei gewissen Schwankungen der mechanischen Resonatorabmessungen und beim Durchstimmen der Frequenz keine andere Mode angeregt wird.

In Fig. 2 ist die Rückseite des Hohlraumresonators 1 gemäß Fig. 1 gezeigt. Anhand dieser Figur kann die Einkopplung der elektromagnetischen Welle in den Hohlraumresonator deutlicher dargestellt werden, welche in dieser Figur einer koplanaren Schlitzkopplung entspricht. Die Rückseite des Hohlraumresonators ist mit einem Substrat 9, vorzugsweise Keramik versehen. Die Außenoberfläche des Substrats 9 ist vorzugsweise vergoldet. Ausgespart bleiben nur die Einkoppelschlitze 13 und 15 in den Hohlraumresonator 1. An den Stellen maximaler Feldstärke beispielsweise halber Radius des Dielektrikums 7 wird über die Schlitzkopplung die elektromagnetische Welle eingespeist. Die Größe der Koppelschlitze 13 und 15 richtet sich nach den Abmessungen des Dielektrikums 7. Bei einem Durchmesser des Dielektrikums 7 von z. B. 6 mm beträgt die Größe ca. 0,3 mm mal 0,2 mm. Die elektromagnetische Welle selbst wird über eine koplanare 50 Ω-Leitung an den Schlitz herangeführt und über einen Bonddraht 17, z. B. 17,5 µm Golddraht 17 in den Schlitz 13 eingekoppelt. Um eine optimale Anpassung zu erzielen, ist der Bonddraht 17 auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Leitungsstruktur, welche isoliert ist, abgeschlossen werden.

Mit dieser Anordnung kann der Hohlraumresonator 1 sowohl in Transmissions- als auch in Reflexionsmoden betrieben werden. Wird der Hohlraumresonator 1 im Transmissionsmode betrieben, dann wird die elektromagnetische Welle an einem zweiten Koppelschlitz 15 mit der bereits beschriebenen koplanaren Aus- bzw. Einkopplung ausgekoppelt. Im Reflektionsmode ist dieser Ausgang mit 50 Ω abgeschlossen. Wie bereits oben erwähnt, kann bei kleineren Durchmessern des Dielektrikums 7 in vorteilhafter Weise auch eine Mikrostreifenleitungs-Einkopplung verwendet werden. Ebenfalls auf der Rückseite ist beispielsweise ein Oszillator 19, beispielsweise ein Voltage-Controlled-Oscillator (VCO), eine Nachweisdiode 21 und ein Frequenzteiler 23 vorgesehen, welche mit einer Auswerteelektronik verbunden sind.

In Fig. 3 ist ein Gesamtschaubild bzw. ein Blockdiagramm der Funktionsweise einer vorteilhaften Ausgestaltung der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung dargestellt. Ausgehend von einer Steuerungs- und Auswerteelektronik wird über eine Rampensteuerung ein Rampengenerator angesteuert, wodurch die Frequenz des Sendezweigs I durchgestimmt wird. Gleichzeitig wird über den Empfangszweig II ein mit der Detektordiode verbundener Resonanzdetektor beispielsweise bestehend aus einem zweistufigen Differenzierer und einem Komparator an der zweiten Ableitung laufend überwacht, ob ein aus dem Empfangszweig II abgegriffenes Videosignal eine Resonanz anzeigt. Die Resonanz ist dadurch erkennbar, daß es sich von einer Nicht-Resonanz in einer hohen Steilheit in einem Videosignal des Empfangszweiges bei zunehmender Oszillatorfrequenz unterscheidet (s. Fig. 4). Sobald von der Steuerungs- und Auswerteelektronik die Resonanz erkannt wird, wird ein Integrator, welcher die Rampensteuerung steuert, gestoppt. Die so eingestellte Spannung wird stabil gehalten, wobei die durch die Frequenzteiler 23 heruntergeteilte Oszillatorfrequenz von einem digitalen Zähler in der Auswerteelektronik ermittelt wird.

Auf diese Weise wird die Resonanzfrequenz im Hohlraumresonator gemessen. Da die Resonanzfrequenz im Hohlraumresonator von der Entfernung des Objekts abhängig ist (siehe Fig. 5), kann durch Bestimmung der Resonanzfrequenz direkt auf die Entfernung geschlossen werden. Die neue Resonanzfrequenz wird dadurch ermittelt, daß die Sendefrequenz solange verändert wird, bis die Resonanzfrequenz und Sendefrequenz übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt wird an der Detektordiode ein Leistungseinbruch festgestellt. Parallel hierzu wird die Sendefrequenz am Teilerausgang des Frequenzteilers 23 ermittelt. Die Meßgenauigkeit des Abstands zum Objekt hängt davon ab, wie schnell und mit welcher Genauigkeit die Sendefrequenz bestimmt wird. Die Bestimmung der Entfernung mit einer Meßgenauigkeit von 1 µm erfordert typischerweise bei einem Abstand von 0,5 mm eine Genauigkeit bei der Frequenzbestimmung von mindestens 0,5 MHz bei 26GHz.

Zur Veranschaulichung der Funktionsweise der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung sollen die in den Figs. 4 und 5 dargestellten Meßwerte dienen.

Wie in Fig. 4 deutlich zu erkennen ist, zeigen die Reflektions- und Transmissionscharakteristik, welche als Funktion der Resonanzfrequenz bei verschiedenen Abständen zum Objekt dargestellt ist, deutliche Signaleinbrüche, die bei Erreichen der Resonanzfrequenz bei festgelegtem Abstand zum Objekt auftreten. Außerdem ist eine deutliche Übereinstimmung der Signaleinbrüche zwischen Reflektions- und Transmissionscharakteristik wiederzuerkennen.

In Fig. 5 ist die Abhängigkeit der Entfernung und der Resonanzfrequenz dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, daß bei kleinerem Abstand eine deutlichere Resonanzfrequenzverschiebung auftritt, welche die Meßgenauigkeit insbesondere bei Objekten, welche dicht vor dem Hohlraumresonator positioniert sind, gemessen werden. Hierbei ist zu beachten, daß bei zunehmendem Abstand zum Objekt die Resonanzfrequenz abnimmt. Dagegen nimmt die Resonanzfrequenz bei dielektrischen Objekten mit zunehmendem Abstand zum Objekt zu. Die Richtungsänderung der Resonanzfrequenz hängt somit von der Dielektrizitätskonstante des Objekts ab. Diesen Effekt kann man erfindungsgemäß ausnutzen, um die physikalischen Größen Druck, Kraft und Masse zu messen bzw. zu bestimmen. Hierbei wird die offene Seite des Hohlraumresonators vorzugsweise mit einer piezoelektrischen Keramik abgeschlossen. Wirkt dann auf die piezoelektrische Keramik ein Druck, eine Kraft oder eine Masse, dann verändert diese entsprechend ihre Dielektrizitätskonstante. Die Änderung der Dielektrizitäts-konstanten verschiebt die Resonazfrequenz des Hohlraum-Resonators. Entsprechend Fig. 5 bewegt man sich dann abhängig von der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten auf der y-Achse (x=0).

In Figur 6 ist eine allgemeine Übersicht der anzuregenden Moden eines kreisförmigen Zylinders dargestellt. Je nach Größe des Zylinders kann anhand dieses Schaltbildes die geeignete Moden (TM=E-Feldkomponenten und TE=H-Feldkomponenten) ausgewählt werden.

Zur Abstandsbestimmung im Mikrometer-Bereich kann eine weitere Ausgestaltung der Auswerteelektronik bei der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung eingesetzt werden, die unter Bezugnahme des Blockschaltbildes gemäß Fig. 7 näher erläutert wird.

Der wesentliche Unterschied zu der oben beschriebenen Abstandsermittlung besteht darin, daß die heruntergeteilte Oszillatorfrequenz nicht direkt als Ergebnisgröße dient, sondern in einer Frequenz- und Phasenregelungsschleife einer sogenannten phase-lockedloop (PLL) verwendet wird. Hierbei wird die Sollfrequenz über einen direkten digitalen Synthesizer (DDS) auf eine Frequenz eingestellt, die als Führungsgröße in die Regelschleife eingeht. Erfüllt das von dem Empfangszweig II aufgenommene Videosignal die Resonanzbedingung, ist in einem in der Auswerteelektronik enthaltenen Mikrocontroller bereits die Resonanzfrequenz und damit die Entfernung zum Ziel bekannt. Durch das Wegfallen der Meßzeit für die Oszillatorfrequenz und die Verwendung z. B. eines Resonanzfolgealgorhytmus in einem in der Auswerteelektronik vorhandenen Mikrocontroller kann die Zyklusdauer deutlich verkürzt werden und damit die Meßgenauigkeit wesentlich erhöht werden.

Im folgenden soll anhand einiger Anwendungsgebiete die Einsatzmöglichkeiten der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung anhand eines Hochfrequenz-Annäherungssensors dargestellt werden.

A. Detektion der Kolbenposition:

In Bild 8 sind die möglichen Sensoranordnungen zur Kolbenpositionsabfrage eines linearen Zylinderantriebs mit dem Hochfrequenzannäherungssensor gemäß anmeldungsgemäßer Abstandsmeßvorrichtung aufgezeigt.

Eine mögliche Sensoranordnung zur Stellungsabfrage eines Rotationsantriebs mit dem Hochfrequenz-Annäherungssensor ist für einen Rotationsantrieb in Bild 9 aufgezeigt. Da ein derartiger Hochfrequenz-Annäherungsschalter äußerst flach baut, können bei mehreren Schaltpunkten zudem mehrere Stellungen mit dem Sensorelement realisiert werden, wobei die Einstellung beispielsweise über Potentiometer oder eine Teach-in Logik erfolgen kann.

B. Detektion der Kolbenposition eines Stoßdämpfers

In Fig. 10 ist der schematische Aufbau eines Stoßdämpfers mit integriertem Hochfrequenz-Annäherungssensor dargestellt.

Allgemein läßt sich das erfindungsgemäße Prinzip auch auf Ventile mit beweglichen mechanischen Teilen (s. Fig.11) anwenden, wobei durch die Positionsänderung des mechanischen Teils die Ventildurchflußmöglichkeiten geregelt werden. Bisherige Positionsabfragen wurden in der Pneumatik durch magnetfeldempfindliche Sensoren realisiert, die auf den Permanentmagneten auf den Kolben bzw. Stößel des Ventils reagieren. Es zeigte sich dabei aber, daß für kostengünstige Lösungen nur diskrete Positionsbereiche durch den ortsfest montierten und auf die zu erfassenden Positionen justierten Sensor detektiert werden können. In der Hydraulik ist eine magnetische Abfrage wegen der üblicherweise verwendeten ferromagnetischen Werkstoffe nur bedingt möglich.

C. Druckmessung durch Erfassen der Membranauslenkung

In Fig. 12 sind unterschiedliche Druckmessungen, d. h. Absolutdruck bzw. Relativ- bzw. Differenzdruck-Messmöglichkeiten dargestellt. In diesem besonderen Anwendungsbeispiel wird die Druckbestimmung dadurch erreicht, daß eine sich auf den HF-Annäherungssensor zu- bzw. wegbewegende Membran abstandsmäßig detektiert wird. Gegenüber heutigen Systemen, z.B. piezoresistiven Dehnungsmeßstreifen (DMS) oder Siliziumelementen hat die anmeldungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sich die empfindliche Elektronik außerhalb der Druckmeßzelle befindet.

D. Druckmessung durch Änderung der Dielektrizitätskonstanten unter mechanischer Belastung, vorzugsweise einer piezoelektischen Keramik

Für die Druckmessung bei sehr hohen Drücken ist die indirekte Bestimmung des Druckes über eine Wegmessung, beispielsweise durch einen sich zu- bzw. wegbewegenden Membran, aufgrund der auftretenden Kräfte nicht geeignet.

Gemäß dieser Ausführungsform wird die Messung der physikalischen Größe Abstand durch die Materialeigenschaft druckabhängige Dielektrizitätskonstante ersetzt. Hierbei wird der dielektrisch gefüllte Hohlraumresonator an der offenen Seite vorzugsweise mit einer piezoelektrischen Keramik abgeschlossen (s. Fig. 13). Die piezoelektrische Keramik wird fest auf den bei der anmeldungsgemäßen Abstandsvorrichtung verwendeten Sensor montiert. Es ergibt sich dann im eingeschalteten Zustand des Sensors eine feste Resonanzfrequenz. Wird nun die piezoelektrische Keramik auf der, dem Sensor abgewandten Seite mit Druck P innerhalb einer Druckmeßzelle und damit mit einer Kraft beaufschlagt, dann verändert sich die Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Keramik. Diese Änderung hat zur Folge, daß sich die Resonanzfrequenz verschiebt. Die Auswertung dieser Frequenzänderung und damit die Umrechnung in die entsprechende Druckänderung erfolgt vorzugsweise nach dem zur Figur 3 und Figur 7 beschriebenen Verfahren.

Der gesamte Hohlraum des Resonators kann auch bei diesem Anwendungsbeispiel mit piezoelektrischer Keramik gefüllt sein (siehe Fig. 13b).

Ein großer Vorteil dieser Anordnung zu herkömmlichen Meßverfahren mit DMS oder kapazitiven Druckmeßzellen besteht in ihrer hohen mechanischen Stabilität. Die piezoelektrische Keramik wird mechanisch komplett vom Resonator abgestützt, insbesondere dann, wenn das Resonatorgehäuse hierbei konisch zuläuft und der innen gelagerten Keramik die nötige Stabilität für Hochdruckanwendungen gibt.

Weitere Vorteile zu herkömmlichen Meßverfahren liegen darin, daß die Justage bzw. hohe Präzision beim Einbau in die Druckmeßzelle entfällt und die empfindliche Elektronik sich außerhalb der Druckmeßzelle befindet.

E. Objektvermessung

Bei der Objektvermessung gemäß Fig. 14 wird die Bewegung der Meßspitze, welche durch ein Objekt auf den HF-Annäherungssensor hin- oder wegbewegt wird, gemessen. Aufgrund der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung können somit auch Messungen im Mikrometer-Bereich durchgeführt werden.

F. Füllstandssensor bzw. Wächter

Die in Fig. 15 dargestellte Anwendungsmöglichkeit betrifft beispielsweise einen Füllstandssensor. In den Figs. 15a, b, c sind verschiedene Einbauorte des Hochfrequenzannäherungssensors dargestellt. In den Fällen Fig. 15a und 15b wird jeweils der Abstand des zu messenden Pegels in einem separaten Fühlerrohr, welches extern oder intern angeordnet ist, gemessen. In der Anordnung gemäß Fig. 15c wird der Hochfrequenz-Annäherungssensor extern zur Überwachung auf einen entsprechenden Pegel der maximalen Füllstandshöhe verwendet. Damit ist in vorteilhafter Weise die Überwachung einer maximalen Füllstandshöhe bzw. eines vorgegebenen eingestellten Erfassungsbereichs gewährleistet, wobei beim Unterschreiten der maximalen Füllstandshöhe oder Austreten außerhalb des eingestellten Erfassungsbereiches ein Schaltsignal angezeigt wird.

Wird hingegen der Hochfrequenz-Annäherungsschalter extern als Füllstandsschalter verwendet, kann über die entsprechende Schaltfunktion das Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes angezeigt werden. Durch diese externe Anordnung kann auf einen aufwendigen Integrationsaufwand verzichtet werden. Das System gemäß Fig. 14c kann zur Adaption an bestehende Wartungsgeräte mit HF-transparenten Schalen verwendet werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die anmeldungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung neben den oben aufgeführten Anwendungsgebieten überall dort eingesetzt werden kann, wo eine Abstandmeßvorrichtung bis in den Mikrometerbereich erforderlich ist.

Claims

Abstandsmeßvorrichtung mit einem Sensor und einer Auswertelektronik,
dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor einen Resonator in Form eines Hohlraumresonators mit Resonatorgehäuse aufweist, wobei der Resonator eine koplanare Schlitzkopplung mit Einkopplungsleitung aufweist und die Einkopplungsleitung an dem Resonatorgehäuse abgeschlossen ist.
Abstandsmeßvorrichtung mit einem Sensor und einer Auswertelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Resonator in Form eines Hohlraumresonators mit Resonatorgehäuse aufweist, wobei der Resonator eine Mikrostreifenleitung zur Einkopplung aufweist, wobei die Mikrostreifenleitung an dem Resonatorgehäuse abgeschlossen ist.
Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator einen Hochfrequenzresonator aufweist, dessen Resonanzfrequenz je nach Abstand zu einem Objekt zwischen 1 und 100 GHz, vorzugsweise zwischen 20 und 30 GHz, insbesondere zwischen 22 und 26 GHz liegt.
Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator eine zylindrische Form aufweist, dessen zum Objekt zeigende Grundfläche offen, d. h. nichtmetallisiert ist.
Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator mit einem fluidischen Material, vorzugsweise Luft oder einem inertem Gas, gefüllt ist.
Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator mit einem Dielektrikum, vorzugsweise Al₂O₃ gefüllt ist.
Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator eine offene Seite aufweist, die mit einer dünnen Scheibe eines Materials, vorzugsweise einer piezoelektrischen Keramik, abgeschlossen wird und dieses Material die Eigenschaften aufweist, durch entsprechende Belastung mit Druck, einer Kraft oder Masse ihre Dielektrizitätskonstante zu ändern.
Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator mit dielektrischem Material, vorzugsweise piezoelektrischer Keramik gefüllt wird und das dielektrische Material die Eigenschaft aufweist, durch entsprechende Belastung mit Druck, einer Kraft oder Masse die Dielektrizitätskonstante zu ändern.
Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Dielektrikums, mit Ausnahme der zum Objekt zeigenden Grundfläche mit einer dünnen Goldschicht überzogen ist, vorzugsweise aufgesputtert ist.
Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 6, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum in ein metallisches Gehäuse, vorzugsweise aus Kovar oder Titan bestehend, eingeschoben wird.
Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzkopplung auf der dem Objekt abgewandten Seite des Resonators vorgesehen ist.
Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus je einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Transmissionsmode), die kreisförmig angeordnet sind.
Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Reflektionsmode).
Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung und der Resonator als Wellentyp die H_0np-Moden, vorzugsweise die H₀₁₁-Mode, zuläßt.
Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Hochfrequenz-Elektronik mit einem Sende- und Empfangszweig aufweist.
Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendezweig aus einem Oszillator, vorzugsweise einem Voltage Controlled Oszillator (VCO), besteht.
Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangszweig aus mindestens einer Hochfrequenz-Diode besteht.
Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorfrequenz über eine geschlossene Regelschleife einer Sollfrequenz (Führungsgröße) folgt.
Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschleife (PLL: Phase Locked Loop) aus mindestens einem Frequenzteiler, einem Phasendiskriminator und einem Tielpaßfilter besteht und die Sollfrequenz über einen DDS (Direct Digital Synthesizer) vorgegeben wird (dynamische Frequenzregelung bzw. -bestimmung).
Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschleife aus mindestens einem Frequenzteiler besteht und vorzugsweise über einen Frequenzzähler, Mikrocontroller und Digital-Analogwandler geschlossen wird (statische Frequenzregelung bzw. - bestimmung).
Verfahren zur Bestimmung eines Abstands eines Objekts zu einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, welches die Schritte aufweist:

a) Bereitstellen des Hohlraumresonators;

b) Bestimmung der Resonanzfrequenz, um den Abstand zum Objekt zu ermitteln.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Resonanzfrequenz so erfolgt, daß ein im Sendezweig vorgesehener Oszillator solange in seiner Sendefrequenz verstimmt wird, bis im Empfangszweig ein Leistungseinbruch bei einer Resonanz festgestellt ist.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators durch eine Rampensteuerung und einen Rampengenerator verstimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators über einen direkten digitalen Sythesizer (DDS) eingestellt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zu Schritt b) eine Bestimmung der Resonanzfrequenz erfolgt, um bei Abstand Null zum Objekt den Druck, die Kraft oder Masse auf das Objekt zu ermitteln.