接近度傳感器和用于測量與物體的距離的方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及根據(jù)獨立權(quán)利要求所述類型的接近度傳感器和測量與物體的距離的 方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 柱形距離測量設(shè)備描述于專利說明書EP 1 000 314 Bl中，其是基于確定空腔共 振器的共振頻率。共振器由共振器外殼和要檢測的物體形成。因此，實際的共振器長度主 要是由共振器外殼的長度以及與物體的距離組成。如果超過要檢測的物體的最小尺寸，共 振頻率與共振器的長度直接相關(guān)，從而可推斷出物體距離。共振器長度與共振頻率之間確 切的相關(guān)性是取決于當前的場分布，因此是取決于使用的波導波模式。在此，波導填充的電 容率作為設(shè)計中的決定因素得到。如果此值增加，在一方面，共振器的結(jié)構(gòu)長度以及所需的 橫截面減少，但在另一方面，距離測量設(shè)備范圍也隨著增加的電容率而減少。
[0003] 在所描述的概念的情況下，金屬化電介質(zhì)提供作為共振器的后壁，評估電子器件 位于所述后壁上的外側(cè)。共平面槽耦合或微波帶狀線被提出來將電子器件耦合至共振器。 如果例如出于熱退耦的原因，評估電子器件與共振器脫離組裝狀態(tài)，那么借助微波帶狀線 進行注入是尤其有用的。另外，根據(jù)共振器是用于傳輸還是反射操作，可以實現(xiàn)一或兩個耦 合位置。
[0004] 為了確定共振頻率，評估電子器件包含可調(diào)節(jié)振蕩器，其頻率線性調(diào)諧至某一帶 寬并觀察共振器所得的反射或傳輸系數(shù)。在共振頻率的情況下，這些系數(shù)具有較強變化，這 些變化可通過相對于頻率來區(qū)分而系統(tǒng)識別。由于在電路方面上，在頻率與時間之間因控 制而存在線性相關(guān)關(guān)系，因此關(guān)于頻率的導數(shù)可通過關(guān)于時間的導數(shù)來獲得。如果由此所 獲得的二次導數(shù)超過預定閾值，那么共振得以識別，并且頻率并未發(fā)生任何進一步的失諧， 而實際上保持恒定并且其當前值借助頻率計數(shù)器來確定。
[0005] 作為頻率確定的替代方法，在專利說明書EP 1 000 314 Bl中，提出基于鎖相閉環(huán) (PLL)概念。在此，標稱頻率預定作為經(jīng)由直接、數(shù)字合成器（DOS)的PLL的引導值。如果 檢測電路現(xiàn)在識別共振，那么頻率直接通過數(shù)字合成器的調(diào)節(jié)獲知，其中測量的循環(huán)時間 可明顯縮短。
[0006] 不管如何確定共振頻率，通過此共振器方法，要檢測的距離范圍直接提供工作頻 率的所需帶寬的事實是不利的。對工業(yè)傳感器而言，可用帶寬固定提供并且因此距離范圍 也是如此。
[0007] 不論可容許的ISM帶（工業(yè)、科學和醫(yī)學帶），提出I-IOOGHz之間的操作的頻率范 圍，其中帶寬應分別相當于大約2GHz或10%。另外，能夠使用此共振器概念來實施較大距 離范圍證明很難。此原因是，在一方面，在距離變得較大的情況下，共振頻率變化變得較小。 另外，共振器質(zhì)量降低只會導致反射或傳輸系數(shù)的顯著較弱的最小值，在這種情況下，對相 應共振頻率的檢測容易出錯。如果共振頻率位置展示為在復頻面中，這種情況下是明顯的。 隨著質(zhì)量降低，復合本征頻率遠離ω軸，其中在振蕩器失諧的情況下，可能不再通過奇點。 有限范圍另外是由選擇所使用的TEOl模式造成，因為在這種情況下，場分布具有圍繞波導 的主要漸消失波，其隨著距離增加而迅速減退。
[0008] 在 S ·伯納爾茨（S. Bonerz)、W ·貝克特勒（W. Bechteler)、J ·格雷夫（J. Greif) 的 "Sensorsystem zur (jberwachung der Werkzeugplananlage auf Basis von Keramikresonatoren und Hohleiterstrukturen"（用于基于陶瓷共振器和波導結(jié)構(gòu)監(jiān)測 工具計劃系統(tǒng)的傳感器系統(tǒng)（Sensor system for monitoring the tool plan system on the basis of ceramic resonators and waveguide structures))的技術(shù)稿件（ANSYS 會 議和第29次CADFEM使用者會議，2011年10月19-21日）中，提供物體與距離傳感器的距 離的確定同樣基于波導共振器的方法。另外，在此，要測量的距離確定共振器的長度，因此 確定共振器的共振頻率。使用的波導波模式在此為圓形柱形波導的基本模式TE11。共振頻 率借助共振器的記錄的有效功率的測量值通過掃頻確定。
[0009] 在 T · F ·貝克特勒（T. F. Bechteler)、A · S · A 貝克特勒（A. S. A. Bechteler) 的"槽波導振蕩器（The Groove-Guide Oscillator)"的技術(shù)稿件（IEEE微波雜質(zhì)（IEEE Microwave Magazine)，第12卷，第6期，第110 - 119頁，2011年10月）中，描述基于所謂 的槽波導振蕩器的距離測量方法，其同樣對應于共振器的概念。雖然在此距離測量問題也 歸結(jié)于確定共振器的本征頻率，然而這個系統(tǒng)針對共振器的結(jié)構(gòu)和確定所提出的共振頻率 方面根本不同于在專利說明書EP 1 000 314 Bl中描述的解決方法。槽波導振蕩器形成已 知的距離傳感器的核心件。在原則上，在微波技術(shù)中，槽波導理解為包含兩個相對板的波 導，具有長方形橫截面的槽在傳播方向上引入到每個板中。整個布置關(guān)于平面對稱，其法線 與兩個板的連接線重合。在由于槽和導電板產(chǎn)生的空間中，可存在能夠在槽方向上傳播的 波模式。由于所需的對稱性和傳播性對板距離的依賴性較強，因此，這個波導對于生產(chǎn)精確 度提出了嚴格要求。
[0010] 其中一半布置將完全由導電平面替換的替代可用"半對稱的"波導的產(chǎn)生基本更 為簡單。
[0011] 在所描述的波導的情況下存在的傳播常數(shù)對于物體距離的依賴性用于確定距離。 在這個實例中，對于共振器的實施方案而言，槽不再是筆直的，而實際上是以圓形形式引 入，使得產(chǎn)生圓形的導體環(huán)。如果引導的波長的整數(shù)倍數(shù)尤其對應導體圓周，則會準確產(chǎn)生 共振。由于引導的波長隨板距離和頻率變化，因此對于不同距離，共振條件可以在一定帶寬 內(nèi)得到滿足，并且由此可獲得關(guān)于距離的信息。
[0012] 振蕩器借助于Gunn元件來刺激，其中振蕩器振蕩至其本征頻率。然后，頻率確定 通過外差系統(tǒng)來發(fā)生，其中將混入的本征頻率提供至頻率計數(shù)器。通過設(shè)計確定，所描述的 距離傳感器具有較大結(jié)構(gòu)尺寸，因為必須選擇共振器的直徑按比例為較大以便保持徑向輻 射損失較小。對于8-12GHZ之間的操作，所描述的共振器的直徑針對200_ X 200_的板大 小可考慮為60_。由此所獲得的測量范圍從13mm擴展至15_。如果板距離進一步增大， 較高的波模式可以在所考慮的頻率范圍中發(fā)生，其中產(chǎn)生不確定性。
[0013] 在專利說明書DE 10 2010 009 664 Al中，描述了距離傳感器，該距離傳感器在一 方面用于監(jiān)測機床的工作心軸與機床的固定部分之間的距離，并且另一方面控制工具計劃 系統(tǒng)。另外，關(guān)于工作心軸的旋轉(zhuǎn)速度和心軸軸承的質(zhì)量的結(jié)論是可能的。
[0014] 該距離傳感器包含高頻線路，其連接至振蕩器和反射測量設(shè)備。工作心軸相對于 高頻線路的位置影響反射行為，使得可從所確定的反射系數(shù)推斷距離。高頻線路例如被實 施為微波帶狀線，其由柔性材料制造，通過膠合來固定至機床的固定部分的表面。
[0015] 通過振蕩器提供的高頻傳輸信號注入高頻線路。傳輸信號的一部分通過第一定向 耦合器分離并提供至第一功率檢測器。在穿過第二定向耦合器之后，傳輸信號的主要部分 被饋入高頻線路。
[0016] 物體反射的反射信號與傳輸信號重疊。反射信號的一部分通過第二定向耦合器分 離并提供至第二功率檢測器。兩個功率檢測器連接至評估單元，評估單元確定并發(fā)射兩個 功率的比率，g卩，反射系數(shù)，由此就可確定對物體距離的測量。
[0017] 另外，可提供電介質(zhì)共振器，其導致距離傳感器發(fā)生顯著共振行為。因此，物體與 電介質(zhì)共振器的距離的變化導致電介質(zhì)共振的共振頻率變化。然后，與物體的距離的確定 可另外或替代通過評估頻率變化實現(xiàn)。
[0018] 在C ·紐倫（C. Nguyen)、S ·金姆（S. Kim)的"RF干涉測量傳感器的分析和設(shè)計 (Analysis and Design of RF Interferometric Sensors)" 理論的技術(shù)稿件（施普林格 (Springer-Verlag)，2012)中，描述了操作距離傳感器的干涉測量方法。為了獲得距離信 息，使用這種方法，即可評估傳輸信號與接收信號之間的相移。在此，距離傳感器與物體之 間大于信號波長的一半的距離可不再通過相位調(diào)諧來明確識別。在技術(shù)稿件中，提出借助 信號處理的算法來獲得明確相位信息。然而，為此目的，需要物體從原始位置移動至要測量 的位置，同時連續(xù)記錄相位。因此，可不實施絕對測量距離