CN110726987A - 多场区接近度传感器以及用于测量对象距多场区接近度传感器的距离的方法 - Google Patents
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Abstract
本发明描述一种多场区接近度传感器(10)，所述多场区接近度传感器用于测量对象(22)距所述多场区接近度传感器(10)的距离(l)，其中所述多场区接近度传感器(10)具有其中结合天线结构(14)的壳体(12)，所述天线结构(14)布置在所述壳体(12)的侧面(19)中或附近，其中所述天线结构(14)设置用于发射电磁透射自由空间波(20)并用于接收在所述对象(22)上反射的电磁反射波(24)，其中所述多场区接近度传感器(10)具有传感器电子器件(16)，所述传感器电子器件(16)设置以基于所述接收到的反射波(24)而确定所述对象(22)距所述多场区接近度传感器(10)的所述距离(l)。
Description
技术领域
本发明涉及一种多场区接近度传感器以及用于测量对象距多场区接近度传感器的距离的方法、计算机程序和机器可读存储介质。
背景技术
从WO 2015/000452 A1以及WO 2016/101940获知接近度传感器以及用于测量从相应传感器到对象的距离的相关联方法。两种接近度传感器都基于波导原理，以使得传感器的壳体中的微波振荡器所产生的电磁波转换成在壳体中导引到壳体的开口并且在此处作为自由空间波朝对象的方向发射的波导波模。在对象上反射的电磁波作为波导模耦合到壳体中并且导引到壳体中的传感器电子器件。使用基于透射波和反射波确定的反射因数确定对象与传感器之间的距离。这些传感器的可用测量范围从零毫米延伸到高达20毫米。
本发明的目标是提供可使得能够在较大测量范围内特别准确地确定对象距传感器的距离的措施，并且同时确定传感器的形状的灵活性增加且传感器的安装灵活性增加。
发明内容
根据第一方面，提供一种多场区接近度传感器，其用于测量对象距多场区接近度传感器的距离，其中所述多场区接近度传感器具有其中结合天线结构的壳体，所述天线结构布置在所述壳体的侧面中或附近，其中设置所述天线结构以用于发射电磁透射自由空间波并用于接收所述对象上反射的电磁反射波，其中所述多场区接近度传感器具有传感器电子器件，设置所述传感器电子器件以基于所述接收到的反射波确定所述对象距所述多场区接近度传感器)的所述距离。
根据本发明的传感器是基于可在壳体的孔口中产生可朝对象的方向发射的高频率自由空间波的原理。与WO 2015/000452 A1和WO 2016/101940中描述的接近度传感器相比，此原理可因此避免在可由壳体形成的波导中导引波导波的实践。换句话说，不管在波导中是否存在可传播的波，电磁透射波都可作为自由空间波排放到自由空间中，这是因为天线结构可置于壳体的侧面、特别地是壳体的侧壁的紧邻处或中，并且可归因于到对应于壳体侧面的孔口的低到几乎不存在的距离而不减弱损耗波，并且因此可总是发生波到自由空间中的发射。多场区接近度传感器的可能的操作频率可在工业、科学和医用频带(SIM频带)内，例如在24.0GHz到24.25GHz或5.735GHz到5.875GHz的范围内。
因此，传感器的操作频率可独立于波导的几何形状且因此独立于壳体的结构形状，这是因为壳体不再必须充当波导。换句话说，可能不在存在传感器的操作频率与壳体尺寸之间的固定依存性。因此，可在传感器的所有场区域中精确确定所述距离。此类场区域可为例如无功近场、辐射近场和远场。因此，无功近场可理解为距天线结构的距离r，所述距离满足
此处，D可标示天线结构的最大尺寸且λ可标示天线结构的波长。辐射近场可理解为距天线结构的可满足
的距离。远场可理解为距天线结构的满足2D2/λ>r的距离r。可仅当D>λ时存在辐射近场。与传感器相比，雷达传感器通常可仅在远场中工作。
因为可独立于壳体的几何形状来选择工作频率，所以传感器可具有各种结构形状并且因此通过能够对应于需要的安装情境自由地选择的传感器的壳体形状而灵活用于所有安装位置中。
因为距离的确定是基于所接收信号的评估，所以此确定可在无需测量另外的参数的情况下直接执行。
接近度传感器可在其检测范围内仅辨认一个个别对象，而雷达传感器即基于雷达原理并且在雷达作用距离内发射自由空间波的传感器通常可辨认若干对象。然而，距接近度传感器的可检测距离可为从0mm到波长的一百倍。例如，对于λ＝12.5mm的波长，传感器可测量高达400mm的范围。此距离可对应于例如天线结构或壳体侧面与对象上表面之间的距离。相比之下，雷达传感器通常可仅在远场中测量，使得这些传感器无法以与高达0的距离相同的精确度操作。因此，雷达传感器无法被称为多场区接近度传感器。
传感器电子器件也可结合在壳体中。
在一个实施方式中，所述侧面可具有开口且天线结构可布置在所述开口中或附近。
在替代性实施方式中，所述侧面可由对电磁波透明的材料例如特氟隆形成，以使得所述侧面可形成透射波和反射波可穿透的透明窗。
两个实施方式都表示用于天线结构在壳体中的布置的尤其简单的实现。
在一个实施方式中，所述壳体可形成为圆柱形，并且天线结构可应用于电路板，所述电路板在所述壳体内沿着所述圆柱形壳体的纵向轴线延伸。此处，天线结构可在多场区的作用侧的方向上紧密布置在电路板端部上，即靠近开口或侧面。
在替代性实施方式中，所述壳体可形成为圆柱形，并且所述天线结构可应用于电路板，所述电路板在所述壳体的侧面的并特别地是所述壳体的开口的区域中垂直于所述圆柱形壳体的纵向轴线延伸。此处，电路板可布置成垂直于在壳体中沿着壳体的纵向轴线延伸的另一电路板。
两个示例性实施方式都实现多场区接近度传感器的尤其小且紧凑的实施。在这两种情况下，传感器电子器件可布置在平行于圆柱形壳体的纵向轴线延伸的电路板上，例如布置在背对天线结构的电路板区域中。
在一个实施方式中，可用由塑料制成的封盖封闭开口。塑料可为例如对电磁波透射或透明的和/或是防潮的。塑料可例如具有特氟隆或由特氟隆形成。因此，多场区传感器一方面可产生用以确定距离的足够大信号，另一方面具有低水分吸收，所述水分吸收可损坏多场区传感器的内部。
在一个实施方式中，可借助于由塑料制成的封盖封闭开口，天线结构结合在所述开口中或天线结构应用到所述开口上，并且所述天线结构可基本上垂直于所述圆柱形壳体的纵向轴线延伸。塑料可例如具有特氟隆或由特氟隆形成。此处，天线结构可例如使用3D印刷通过例如导电石墨烯聚交酯(polylactide，PLA)细丝的适合结构化集成到封盖中，或作为导电涂层借助于例如模制互连装置(Moulded Interconnected Device，MID)技术施涂到封盖，例如施涂到封盖的内侧。这可实现多场区接近度传感器的尤具成本效益的防潮且简单的实施。
例如，圆柱形壳体可形成为具有9.4mm的内径的M12螺纹管，以使得可使用标准传感器壳体并且可以尤为简单的方式改造多场区传感器以代替另一传感器。特别地，在螺纹管操作为波导的情况下，在多场区接近度传感器的操作期间可不超过所述螺纹管的18.7GHz的较低操作频率。
在壳体的圆柱形设计的情况下，侧面可形成为前侧。
在一个实施方式中，壳体可形成为长方体状且侧面可对应于壳体的选优地最大的侧面。在替代性实施方式中，壳体可形成为长方体状且侧面可对应于壳体的(任何)侧面。在这两个选项中，开口可存在于对应侧壁中。这些措施致使传感器壳体的标准结构形状能够用于多场区接近度传感器。另外，这些措施可实现多场区接近度传感器的尤其小且紧凑的实施。通过在长方体状壳体的最大侧面上提供开口或透明窗，这可使得电磁能非常好地聚焦于预定方向上。
只要长方体状或立方体状壳体设有开口，便可用由塑料制成的封盖封闭开口。塑料可为例如对电磁波透射或透明的和/或是防潮的。另外，塑料可具有特氟隆或由特氟隆形成。因此，多场区接近度传感器一方面可产生用以确定距离的足够大信号，并且另一方面具有低水分吸收，所述水分吸收可损坏多场接近度传感器。
长方体状壳体可为例如40×40×40mm大，以使得可使用标准传感器壳体并且可以尤为简单的方式改造多场区接近度传感器以代替另一传感器。
在一个实施方式中，天线结构可应用于沿着侧面、特别地是沿着所述开口延伸的电路板，或可用由塑料制成的封盖封闭开口，天线结构结合到所述开口中或天线结构应用到所述开口上。所述塑料可具有特氟隆或由特氟隆形成。在天线结构应用于电路板的情况下，同样可用由对电磁波透明的塑料制成的封盖封闭如上所述的长方体状或立方体状壳体。传感器电子器件可与天线结构布置在相同电路板上或布置在可在壳体中例如垂直于具有天线结构的电路板延伸的另一电路板上。如上所述，天线结构可作为导电结构例如使用导电石墨烯聚交酯(PLA)细丝使用3D印刷整体结合到塑料中，或作为导电涂层例如施涂到封盖的表面(例如使用MID技术)，所述表面面向壳体内部。这还实现多场区接近度传感器的尤具成本效益的防潮且简单的实施。
所述封盖可作为单独结构形状，特别地，独立于壳体的形状，形成壳体的一部分。
在一个实施方式中，电路板或封盖的没有天线结构的面可设有吸收性材料。因此可吸收不被天线结构接收到的反射波的部分，以使得可有利地避免电路板或封盖上的多次反射。吸收性材料可例如实施为吸收剂标记或由封盖的专用材料实现，所述材料在此区域中极大地损耗。所述标记可形成为例如Emerson&Cumin的
GDS。
还可能将吸收性材料提供于壳体的面向检测区域并且不覆盖天线结构的外部面上。
在一个实施方式中，壳体的至少一侧或整个壳体可由介电材料例如特氟隆形成，并且天线结构可布置在侧面中或直接布置在所述侧面上。此处，天线结构可集成到侧壁中或直接布置在侧壁的内侧上。换句话说，天线结构无法应用于电路板上，而传感器电子器件可布置在电路板上，所述电路板可布置在壳体中。所述壳体可整体地形成。所述壳体可形成为圆柱形、长方体状或立方体状。天线结构例如使用3D印刷通过例如导电石墨烯聚交酯(PLA)细丝的适合结构化集成到侧壁中，或作为导电涂层借助于例如模制互连装置(MID)技术施涂到封盖的内侧。这可实现多场区接近度传感器的尤具成本效益的防潮且简单的实施。
在一个实施方式中，天线结构形成为平面，以使得其尤为简单地置于壳体的开口中，应用于电路板，集成于与透明侧壁相邻处或封盖中。
在一个实施方式中，天线结构可被调适成顺应侧面或封盖的形状。例如，可由特别地是介电材料形成的壳体可具有具曲率的结构形状，以使得在此情况下，使用顺应性天线结构。天线结构因此可设计成使得其沿循壳体轮廓并且达成预定发射行为。
天线结构可具有当确定距离时可被视为不同渠道的不同发射特性。例如，天线结构可同时或相继发射具有两个正交极化的透射波，借此从对象接收两个不同的反射波且极化评估是可能的。可经由额外渠道例如关于对象的取向(假如对象的材料或对象本身具有取决于极化的反射因数)的结论来获得有关对象的进一步信息。例如，这是取决于纤维的布置的多种碳纤维增强塑料中的情况。
在一个实施方式中，可设置传感器电子器件以测量指示所接收反射波的复数电压，并且基于所述所测量的电压确定所测量的反射因数。此测量可形成可尤其简单地借助于可较容易确定的值即电压确定反射因数的思想基础。此处，可测量作为距离测量中的仅需参数的反射波电压，这是因为此电压可对应于高达缩放值的反射波的反射因数，即透射波的电压。以此方式，有可能仅必须测量反射波电压以用于距离测量，而不必测量透射波电压。此处，可借助于在距离测量之前执行的传感器校准来确定比例因子，其中距离测量是在对象直接布置在传感器的侧面上(距离为零)的情况下执行，并且缩放经选择以使得反射波的所得电压可等于-1。取决于透射波的频率，复值比例因子可(例如作为表)存储于传感器电子器件中。此处，针对每一存储的频率所存储的比例因子可表征为其量值和其相位。
在一个实施方式中，可另外基于可指示从天线结构到自由空间中的(透射波的)转移的反射因数来确定所测量的反射因数。自由空间可指传感器(例如传感器壳体)外部的空间。此处，可在实际使用传感器检测距离之前例如借助于空白测量确定描述从天线结构到自由空间中的转移的反射因数。在这类空白测量中，在传感器的检测范围内不存在对象的情况下执行距离测量。因为在这类准直(alignment)中可能在对象上未检测到反射波，所以归因于从传感器的作用面(换句话说，从天线结构)到自由空间的波转移的反射因数，可对应所测量的反射因数。可从反射波的所测量电压减去描述从天线结构到自由空间中的转移的反射因数，借助于比例因子标准化所述电压，以便确定所测量的反射因数。可在每一距离测量中执行此类型的所测量反射因数调整。
在一个实施方式中，可设置传感器电子器件以借助于自学习映射将所测量的反射因数映射到另一反射因数，所述另一反射因数能够对应于理想反射因数(即由描述从天线结构到自由空间中的转移的反射因数调整的反射因数)。另外设置传感器电子器件以使用另一反射因数确定距离。因此可通过能够代替仅不足地描述现实的复杂信号模型而使用的机械学习技术例如神经网络来进一步简化距离确定。自学习映射可用以补偿对环境和安装情境的(多个)反射和衍射影响，并且用以执行距离的粗略测量。自学习映射可使得不必要例如为了距离的精确测量而获知传感器的精确安装情境、传感器的结构形状和对象的表面形状。在此情况下，自学习映射可通过适合的教示考虑所有这些效应。传感器因此可在其中可发生多次反射的环境中操作。因为仅所测量的反射因数(和因此所测量的反射波电压)用作自学习映射的输入值，所以自学习映射可使用单个可容易测量的输入值。基于干涉测量法的雷达传感器可不使用任何自学习映射，即在其评估中没有对待检测的对象的教示。另外，在雷达传感器中，可能不必补偿多次反射，这是因为在这类传感器中，发射天线和接收天线远离待检测对象。
借助于训练数据训练自学习映射并且接着供传感器电子器件使用。在有源传感器操作中，自学习映射保持不变并且不执行对其本身的任何进一步改变。
在一个实施方式中，自学习映射可另外将所测量的反射因数映射到信号，特别地，与距离成比例的信号值。此处，特别地，所述信号可表示电压。另外，可设置传感器电子器件以从映射的信号(特别地，从分配给借助于映射获得的信号值的距离)选择用于确定距离的相位间隔。因为信号与距离成比例，因此可执行对距离的粗略确定。因而，可在教示期间将对信号的准确度的要求设置为低。
在一个实施方式中，可设置传感器电子器件以使用选定相位间隔从另一反射因数的相位确定距离。因此可以尤为简单且精确的方式实现距离的精准测量，这是因为使用先前确定的值，即相位间隔，并且距离可显然由此值确定。在距离的准确确定期间，也可考虑反射因数的相速，所述相速能够例如作为来自上述校准的多项式被获知。
因此，可在一个或多个频率下发射透射波，并且可测量一个或多个频率的反射波。当传感器意在实现极高测量速率时，所述发射或测量可仅在一个频率下发生。如果要增加距离确定的准确度，那么可在若干频率下执行发射或测量。接着可在透射波的一个或多个频率下进行另一反射因数以及因此另一反射因数的相位的确定，以便与距离的粗略测量相比增加这两种情况下的距离测量的准确度。
在一个实施方式中，对象可不导电或弱导电(即非金属的)，或换句话说，可具有不等于-1的反射因数。可设置传感器电子器件以通过对象的另一反射因数调整反射因数并且从调整的反射因数确定距离。换句话说，可教示具有复杂表面阻抗的对象。因为不仅可非常好地检测导电对象的距离而且还可非常好地检测不导电或弱导电对象的距离，因此可改进传感器的使用范围。因此，通过对象的反射因数对另一反射因数的调整可减小将在无此调整的情况下发生的距离误差。为了确定对象的反射因数，待检测对象可在实际距离确定之前直接置于壳体开口上，可起始距离测量并且可确定所测量的反射因数。对象的反射因数可存储于传感器电子器件中。
描述从天线结构到自由空间中的转移的反射因数、所测量的反射因数、另一反射因数和/或对象的反射因数可为频率依存和距离依存的。与距离成比例的信号可仅为距离依存的。
在一个实施方式中，可独立于传感器类型(用于所有多场区接近度传感器)，针对各种类型的多场区接近度传感器以可使所测量的反射因数相同的方式校准多场区接近度传感器。可例如在距离确定之前，通过面向管中的传感器执行这类校准，在所述管中，金属压模在已知位置之间来回移动。通过已发生的距离测量，可将结果与已知距离进行比较以便从此确定传感器类型的系统误差。对于传感器类型中的每一传感器类型，可从所述误差确定散布矩阵、波链矩阵、ABCD矩阵或阻抗矩阵，借助于所述散布矩阵、波链矩阵、ABCD矩阵或阻抗矩阵可调整所测量的反射因数，之后所述因数可用作自学习映射的输入值。如果执行这类校准，那么另外可能的是完全可将相同的自学习映射用于所有传感器类型。
根据第二方面，提供一种用于测量对象距多场区接近度传感器的方法，其中所述多场区接近度传感器具有其中结合天线结构的壳体，所述天线结构布置在所述壳体的侧面中或附近，其中所述天线结构发射电磁透射自由空间波并且接收所述对上反射的电磁反射波，其中基于所述接收到的反射波确定所述对象距多场接近度区的距离。
关于根据第一方面的多场区接近度传感器描述的技术作用方式和优点同样适用于根据第二方面的方法。
在一个实施方式中，可测量指示所接收反射波的复数电压并且可从所测量的复数电压确定所测量的反射因数。
在一个实施方式中，可另外基于指示从天线结构到自由空间中的转移的反射因数确定所测量的反射因数。
在一个实施方式中，借助于自学习映射将所测量的反射因数映射到另一反射因数并且从另一反射因数确定距离。
在一个实施方式中，所述自学习映射可另外将所测量的反射因数映射到与距离成比例的信号，并且可从映射的信号选择相位间隔以用于确定距离。
在一个实施方式中，可使用选定相位间隔从另一反射因数的相确定距离。
在一个实施方式中，对象可不导电或弱导电，并且可通过对象的反射因数调整另一反射因数并且从调整的反射因数确定距离。
在一个实施方式中，可独立于多场区接近度传感器类型，针对各种类型的多场区接近度传感器以使所测量的反射因数相同的方式校准多场区接近度传感器。
根据第三方面，提供一种用于数据处理单元特别地用于传感器电子器件的程序，设置所述程序以当由数据处理单元执行根据第二方面的方法时执行所述方法的步骤。所述程序可具有指令并且形成包括执行所述方法的算法的控制代码。
可另外提供一种机器可读存储介质，其上存储根据第三方面的程序。所述机器可读存储介质可例如形成为外部存储装置，形成为内部存储装置，形成为硬盘驱动器或形成为USB存储装置。
附图说明
在图式中描绘且在以下描述中更详细地描述本发明的示例性实施方式。此处：
图1在从前面观察的侧视图和平面视图中示意性地示出根据示例性实施方式的多场区接近度传感器；
图2示意性地示出图1中的多场区接近度传感器的传感器电子器件；
图3在侧视图中示意性地示出图1中的多场区接近度传感器的另一实施方式；
图4和5在从前面观察的侧视图和平面视图中示意性地示出图1中的多场区接近度传感器的另外的实施方式；
图6在从前面观察的平面视图中示意性地示出根据另一示例性实施方式的多场区接近度传感器；
图7在平面视图中示意性地示出对象的表面，所述对象上的反射波以极化依存方式朝图1、3到6中的多场区接近度传感器的方向反射；
图8示意性地示出基于信号模型的信号流程图；
图9示意性地示出用于使用图1、3到6中的多场区接近度传感器测量对象的距离的方法的流程图；
图10示意性地示出在图9中的方法中所使用的自学习映射的操作原理；
图11示意性地示出借助于来自图10的自学习映射确定的所测量反射因数和所确定反射因数；和
图12示意性地示出使用来自图10的自学习映射获得取决于距离l的信号Ul(l)。
具体实施方式
用相同的附图标号提供相同或相似部件或元件。
图1中示出的多场区接近度传感器10具有圆柱形传感器壳体12，在所述圆柱形传感器壳体12中结合平面天线结构14和传感器电子器件16。天线结构14位于与开口18相邻处，所述开口18设置于圆柱形传感器壳体12的侧面19中并且因此布置在壳体12的孔口中。设置天线结构14以在无波导中的在前导引的情况下将高频率电磁透射波20作为自由空间波朝对象22的方向发射到自由空间23中，并且从自由空间23接收至少部分地在对象22上反射的高频率电磁波反射波24。
传感器电子器件16用于控制天线结构14以使得此天线结构14发射透射波20并接收反射波24，并用于确定对象22距传感器10的距离l。因此可供应传感器电子器件16的信号，所述信号分配给反射波24，设置所述传感器电子器件16以基于所述信号确定反射因数ΓTd并且依据此确定多场区接近度传感器10与对象22之间的距离l。
代替侧面19中的开口18，壳体12可由对电磁波透明的材料例如特氟隆产生，并且可不具有开口18。还可能仅侧面19(此处为壳体12的侧壁)由此类材料产生。在这两种情况下，天线结构14可直接应用于形成为侧壁的侧面19的内侧。
图2中描绘的传感器电子器件16具有用于产生待发射的高频率电磁透射波20的产生器25。另外，传感器电子器件14具有在接收路径中用于放大分配给反射波24的放大器26、用于基于放大器26的输出信号产生较低频率的混频器28、用于预调节混频器28的输出信号的预调节器30、用于处理预调节器30的输出信号的微控制器32以及用于输出对应输出信号的输出级34。微控制器32具有模数转换器，可借助于所述模数转换器测量一个复值电压。输出级34形成为例如对应于IO连结标准的标准化单向或双向接口。
在图3中示出的多场区接近度传感器10的示例性实施方式中，电路板40布置在圆柱形壳体12中，传感器电子器件16应用于所述电路板40。此处，电路板40在中心于传感器壳体12中沿着传感器壳体12的纵向轴线L延伸。天线结构14应用于电路板40的端部区域41靠近开口18处并且与传感器电子器件16间隔开。由塑料制成并且对透射波20和反射波24透明的封盖42在向外方向上封闭传感器壳体12。
还有可能形成没有开口18的侧面19，并且侧面19或整个壳体12由对电磁波透明的材料(例如特氟隆)形成。在这两种情况下，天线结构14可直接应用于形成为侧壁的侧面19的内侧。
图4中示出的示例性实施方式以与图3中的多场区接近度传感器10的示例性实施方式类似的方式形成。然而，第二电路板44布置在圆柱形壳体12中，所述第二电路板44在开口18的区域中沿着开口18在侧面19中延伸并且覆盖开口18。天线结构14不应用于电路板40而是在向外方向上应用于电路板44。用由对电磁波透明的材料例如特氟隆制成的封盖42封闭壳体12的开口。还可能形成没有开口18的侧面19，并且侧面19或整个壳体12由对电磁波透明的材料(例如特氟隆)形成。在这两种情况下，天线结构14可直接应用于形成为侧壁的侧面19的内侧上，从而不提供电路板44。
在图5中示出的多场区接近度传感器10的示例性实施方式中，电路板40沿着圆柱形传感器壳体12的整个纵向轴线L延伸。沿着电路板40的整个长度应用传感器电子器件16。由例如特氟隆制成的封盖42朝对象22的方向密封传感器壳体12。天线结构14模制为封盖42中的导电塑料层。
图6中示出的多场区接近度传感器10具有长方体状传感器壳体12，开口18结合到所述立方体状传感器壳体12的选优地最大侧面19中。侧面19充当平面天线结构14的发射面。为此目的，电路板44提供于壳体12中与开口18相邻，天线结构14在中心应用于所述电路板44。传感器电子器件16同样提供于电路板44上。为了防止多重反射效应，电路板44在上面设置天线结构14的所有区域47中设有吸收性材料48。例如，所述材料可应用为层。任选地，可用由塑料制成的透明封盖42密封开口18，所述封盖42对透射波20和反射波24透明并且向外封闭开口18。
还可能的是电路板44仅具有天线结构14和吸收性材料48，并且传感器电子器件16提供于壳体12中的另一电路板上。还可能将天线结构14结合到呈导电塑料形式的封盖42中，以使得位于壳体12中的电路板承载传感器电子器件16。
也可形成没有开口18的侧面19并且可形成没有封盖42的传感器10，并且在此情况下，侧面19或整个壳体12可由对电磁波透明的材料(例如特氟隆)形成。
可设置天线结构14以发射具有两个正交极化的透射波，借此可从对象22接收两个不同反射波，并且有可能在传感器电子器件16中进行极化评估。可经由额外渠道获得有关对象22的进一步信息。图7示出具有取决于极化的反射因数的对象22。在此情况下，所述对象22是碳纤维增强塑料。具有水平极化的反射波24的反射因数近似为-1且具有垂直极化的反射波24的反射因数近似为零。如稍后参考图9详细描述，传感器电子器件14同等地处理两个反射因数，即每极化一个反射因数，借此不仅可确定对象22的距离，而且还可例如确定对象22的定向，或图7的示例性实施方式中的纤维的定向。
在多场区接近度传感器10的操作期间，传感器电子器件16的产生器25产生高频率电磁透射波20，所述高频率电磁透射波20借助于天线结构14作为自由空间波朝对象22的方向发射。在对象22上反射的电磁反射波24被天线结构14接收并且导引到传感器电子器件16。传感器电子器件16的接收路径基于接收到的反射波24确定反射因数ΓTd，所述反射因数是对象22的反射行为的特性，并且依据此确定多场区接近度传感器10与对象22之间的距离l。为此目的，借助于放大器26放大所接收到的反射波24。借助于混频器28将放大器26的输出信号变换到新的较低频率位置中，即变换到基带中。基带也可具有频率零。混频器28的输出信号是具有频率和距离l的复值直达信号。接着借助于预调节器30预调节基带，并且通过微控制器32进一步处理预调节器30的输出信号，所述微控制器32从所述输出信号获得距离信息。微控制器32的输出信号是待确定的距离的特性。此距离信号可当降到低于预定距离时形成为开关信号，形成为与距离成比例的模拟信号(电流或电压)或形成为数字数据信号。输出级34输出输出信号并且任选地将输出信号变换成输出级34实施的标准。
为了确定对象22距传感器10的距离，假设复数反射因数ΓTd是频率依存且长度依存的并且可描绘为
此处，标记“T”代表对象22(“目标”)且标记“d”代表“远”以使得ΓTd描述针对传感器的位置的反射因数。对于l＝0，ΓTd＝-1适用。α(l)描述阻尼常数且c(l)描述针对距离l的反射波24的相速。对于小距离l，相速不等于真空速度c，因为在天线结构14的近场中存在宽模频谱，所述宽模频谱重叠可视为信号模型中的有效波。不能够传播的频谱中接收的模式随着距离l增加快速减弱，并且有效波长会聚成自由空间波长。
为了确定反射因数ΓTd，可假设例如图8中示出的信号流图所基于的信号模型。根据下式，给出随指示反射波24的电压Ur变化并且随指示透射波20的电压Uh变化的反射因数：
此处，标记h描述“行进中”透射波20，并且标记r描述“返回中”反射波24。在信号模型中，假设反射波24的传输和透射波20的传输具可逆性，即Th＝Tr＝T适用。假设ΓT＝-1，模型可简化为
如上文已描述，标记“T”描述对象22。这造成测量的反射因数Γ′为
可测量两个电压Ur、Uh，以及Γh。最后一个方程式的右侧部分是未知的并且假设为信号模型中的简化。为了能够最佳估计此反射因数Γ′，自学习映射用于对象22而非信号模型，其中自学习映射将测量的反射因数Γ′映射到待用所述方法确定的反射因数ΓTd，其具有以上描述。使用自学习映射是有利的，这是因为信号模型描绘现实的简化并且仅对某些安装情境有效。特别地，信号模型无法考虑到针对任何安装情境的所有物理效应。另外，在信号模型中仍会考虑到在传感器10上、在保持器上或在对象22上发生的衍射效应。另一方面，自学习映射具有能够考虑不在信号模型中获得的信号路径的复杂性。自学习映射因此可考虑传感器10的安装情境、传感器10的结构形状和对象22的表面形状。
在用于确定对象22距传感器10的方法中，在第一方法步骤S2中借助于微控制器32的模数转换器测量复数电压Ur。在同样地由微控制器32执行的步骤S4中，确定所测量的反射因数
为此目的，借助于透射波20的已知电压Uh标准化电压Ur。将取决于透射波20的频率的Uh的值例如作为表存储于微控制器32中，其中Uh的量值和Uh的相位值依据频率值。另外，在步骤S4中在考虑到被假设为已知的反射因数Γh的情况下确定所测量的反射因数Γ′。此所测量的反射因数Γ′是距离依存且频率依存的。先前已借助于空白测量确定反射因数Γh并且同样地存储为微控制器32中的值。
在微控制器32执行的另一方法步骤S6中，如图10中示意性地描绘，借助于自学习映射A将所测量的反射因数Γ′映射到反射因数ΓTd，并且映射到与距离l成比例并且表示电压的信号Ul(l)。图11在左侧图示中示出所测量的反射因数Γ′的实例并且在右侧图示中示出借助于自学习映射获得的反射因数ΓTd。此处，在这两个图示中，在针对0≤l≤20mm的频率下，x轴对应于对应反射因数的实部，并且y轴对应于对应反射因数的虚部。显然，反射因数ΓTd“经平滑化”并且补偿归因于安装情境的散射效应。反射因数ΓTd是复值并且由具体量值和相位确定。对于反射因数的各个相位间隔n，反射因数的相位
是相等的，此处
适用。对于不同相位间隔n，反射因数ΓTd的量值可为不同的。换句话说，有必要选择正确的相位间隔n以便确定距离l。
在微控制器32执行的另一方法步骤S8中，从已在步骤S10中提供的信号Ul(l)确定相位间隔n。对于给定对象距离l，相位间隔n的数目取决于传感器10的工作波长，必须借助于粗略测量从所述相位间隔n中选择正确间隔n。在图11的右手侧图中显而易见的是，使用反射因数的量值(图形地，使用从点(0；0)起直到“螺线循环”上的点的指针长度)可发生第一间隔与第二间隔之间的距离的粗略测量中的间隔的稳健确定，这是因为此处，反射因数的量值具有高梯度并且因此在两个间隔中明显不同，并且因此，可区分间隔n＝1或n＝2。此处，第一或第二间隔由最外部的“螺线”的量值或紧挨着最外部的“螺线”的量值形成。间隔边界可存储于传感器10的微控制器32中。随着对象22与传感器10之间的距离l增加，“螺线”变得越来越小，以使得量值的梯度变得小到无法实现间隔的精确确定以及因此距离的精确确定。因而借助于呈现相位间隔n的信号Ul(l)确定所述间隔。图12示出取决于距离l的信号Ul(l)的量值。此处，Imax描述传感器10的最大值l。可任选地执行粗略距离测量(例如，针对较大距离l或针对所有距离)，这是因为可借助于选定值Ul(l)推断距离l，此处Ul(l)～l适用。接着使用因此已粗略确定的距离l来确定相位间隔n，这是因为因此确定的距离l的每一值都分配给间隔值n。当频率减小时，相位间隔n的数目减小。如果传感器10以在ISM频带(24.0GHz-24.25GHz、5.725GHz-5.875GHz)中的操作频率操作，那么相位的模糊间隔可减小达从大约24GHz到大约5.8GHz的频率减小的四分之一。
在微控制器32执行的另一方法步骤S10中，执行准确距离测量，其中在考虑到已知距离依存相速c(l)的情况下，从反射因数ΓTd的所测量的相位值
确定距离l。借助于以下关系，使用在步骤S8中确定的相位间隔n，从上述两个值确定距离l：
因为相速c(l)不一致，尤其是在近场中，所以可从距离l确定相速c(l)的依存性，并且因此可借助于前述校准确定预定天线结构14的有效波长，并将相速c(l)以多项式或数学曲线的形式存储于传感器中。
在方法步骤S2之前由微控制器32执行的任选的方法步骤S11中，通过对传感器10进行的对应校准确定对应于Uh的比例因子。为此目的，对直接布置在传感器10的侧面19上并且具有距离l＝0的对象22执行距离测量。因此选择比例因子以使得所测量的反射波24的所得电压Ur等于-1。取决于透射波20的频率的比例因子(例如作为表)存储于微控制器32中，其中比例因子的量值和比例因子的相位值依据频率值。
在方法步骤S2之前并且在执行方法步骤S11之后由微控制器32执行的任选的方法步骤S12中，可确定指示从天线结构14转移到自由空间23中的反射因数Γh。为此目的，可将传感器10置于编程模式中，在所述编程模式中，在传感器10的确定区域中没有对象22的情况下发生空白测量。起始电压Ur的测量，并且将具有从步骤S11获知的Uh的结果
存储于传感器电子器件16的微控制器32中，以便可在步骤S4中使用Γh。根据信号模型，此测量值对应于所要反射因数Γh。例如，可在工厂中紧接在制造之后在出于此目的提供的装置中执行此测量。可选地，顾客自己可在其中安装传感器10以进行操作的最终测量布置中根据需要另外执行测量。因此，例如，也可考虑传感器的安装对Γh的影响。
在方法步骤S12之后由微控制器32执行的任选的方法步骤S14中，可校准传感器10以便补偿不同类型的传感器引起的散射。这致使所有反射因数Γ′(l,f)对于针对不同传感器10的相同测量方案为相同的。例如，通过测量同样地已知的到目标22的各个距离l的不同传感器10执行此类校准。可从测量值与已知距离之间的误差确定散射矩阵，可通过所述散射矩阵校正所测量的反射因数Γ′(l,f)。
在例如方法步骤S12与S2之间执行的另一任选的方法步骤S16中，训练自学习映射，并且借助于例如使用神经网络的机器学习技术使用训练数据在单独序列中一次性确定所述自学习映射。假如已在步骤S14中执行校准，可使用训练数据一次性确定用于此类型的所有传感器10的自学习映射，并且所述自学习映射可在用于距离测量的操作中用于所有传感器类型。另外，必要的是每传感器类型使用不同的自学习映射。
记录反射因数Γ′(l,f)和相关联距离l的多个测量值并且呈现给用于教示自学习映射的教示方法。取决于用于机器学习(神经网络等)的方法的类型，教示过程视所使用的方法而定。如果例如使用神经网络，那么各个神经元之间的连接的权重在教示期间改变直至输出具有所要行为。
传感器10所测量的反射因数Γ′(l,f)与对象22的位置即距离l一起传输给分开的计算机。计算机运行实际训练过程。教示过程的结果存储于个别传感器10上，例如存储于微控制器32中，并且因此可用于信号处理。在实际传感器操作中，自学习映射不改变并且其自身不进行任何进一步改变。这意味着不再发生教示。
具体地在自学习映射的教示过程中从各个频率下测量的多个所测量反射因数Γ′确定信号Ul(l)。通常，在10个频率点与100个频率点之间存在所观测的频带。仅具有对信号Ul(l)的准确度的低要求，这是因为所述信号仅用于确定正确相位间隔n。为此目的，准确度必须小于传感器10的操作波长的一半。例如，对于24GHz的操作频率，存在大约6mm的所需准确度。
对于具有ΓT≈-1的导电对象22，所述方法可产生足够准确的结果，这是因为对象22中的电介质位移电流显著小于导体电流。可通过
估计此类对象22的表面阻抗ZT。此处，σ描述导电率，ω是角频率且μ是渗透率。对于对象22，这产生针对自由空间具有值ZF0＝120πΩ的反射因数
归因于高导电率σ，因数
为小并且产生如上所述在信号模型中假设的反射因数ΓT≈-1。也可在所述方法中检测到不导电或弱导电并且具有不等于-1的反射因数的对象22。此处，相位
不会等于±180°。在操作波长λ0下，这将产生的距离误差。对于对象22的碳纤维增强塑料和λ0＝12.5mm的操作波长，此误差将在0.5mm的范围内。
为了避免不导电或弱导电对象22发生此类距离误差，另外检测对象22的阻抗或反射因数ΓTdref以作为教示过程中的参考反射因数并且在方法中步骤S16中存储所述参考反射因数。在紧接在方法步骤S10之前执行的任选方法步骤S18中，借助于参考反射因数ΓTdref调整所确定的反射因数ΓTd。为此目的，在步骤S2之前且在步骤S16之后执行的方法步骤S20中，将传感器10置于编程模式中，在所述编程模式中，待检测的对象22置于直接在传感器10上的位置中(距离l＝0)并且执行对电压Ur的测量。因此获得的反射因数
对应于参考反射因数ΓTdref，所述参考反射因数接着存储于传感器10的传感器电子器件16的存储器中。接着再次退出编程模式。在步骤S18中的有源传感器操作中，借助于参考反射因数ΓTdref调整电流反射因数ΓTd，以便从
确定正当反射因数。如果接着在步骤S10中基于调整的反射因数执行距离测量，那么归因于对象22的有限阻抗，不会因对象22而发生系统长度误差。
也可在步骤S16或S20之后执行步骤S12。假如测量了反射波24的两个极化，可针对这两个极化单独地执行上文所描述的方法步骤。
Claims (29)
1.一种多场区接近度传感器(10)，所述多场区接近度传感器用于测量对象(22)距所述多场区接近度传感器(10)的距离(l)，其中所述多场区接近度传感器(10)具有其中结合天线结构(14)的壳体(12)，所述天线结构(14)布置在所述壳体(12)的侧面(19)中或附近，其中设置所述天线结构(14)以用于发射电磁透射自由空间波(20)并用于接收所述对象(22)上反射的电磁反射波(24)，其中所述多场区接近度传感器(10)具有传感器电子器件(16)，设置所述传感器电子器件(16)以基于所述接收到的反射波(24)确定所述对象(22)距所述多场区接近度传感器(10)的所述距离(l)。
2.如权利要求1所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述侧面(19)具有开口(18)且其中所述天线结构(14)布置在所述开口(18)中或附近。
3.如权利要求1所述的多场区接近度传感器(10)，其中至少所述侧面(19)是由对电磁波透明的材料形成。
4.如权利要求1到3中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述壳体(12)形成为圆柱形，并且所述天线结构(14)应用于板(40)，所述板(40)在所述壳体(12)内沿着所述圆柱形壳体(12)的纵向轴线(L)延伸。
5.如权利要求1到3中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述壳体(12)形成为圆柱形，并且所述天线结构(14)应用于板(44)，所述板(44)在所述壳体(22)的所述侧面(19)的并特别地是所述开口(18)的区域中垂直于所述圆柱形壳体(22)的纵向轴线(L)延伸。
6.如权利要求2、4或5中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中用由塑料制成的封盖(42)封闭所述开口(18)。
7.如权利要求2所述的多场区接近度传感器(10)，其中借助于由塑料制成的封盖(42)封闭所述开口(18)，所述天线结构(14)结合在所述开口(18)中或所述天线结构(14)应用到所述开口(18)上，其中所述天线结构(14)基本上垂直于所述圆柱形壳体(22)的纵向轴线(L)延伸。
8.如权利要求1到3中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述壳体(12)形成为长方体状，并且所述侧面(19)对应于所述壳体(22)的选优地最大的侧面，或其中所述壳体(12)形成为立方体状，并且所述侧面(19)对应于所述壳体(12)的所述侧面中的一个侧面。
9.如权利要求8所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述天线结构(14)应用于沿着所述侧面(19)、特别地是沿着所述开口(18)延伸的板(44)，或其中用由塑料制成的封盖(42)封闭所述开口(18)，所述天线结构(14)结合在所述开口(18)中或所述天线结构(14)应用到所述开口(18)上。
10.如权利要求4到7或9中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述板(44)的或所述封盖(42)的没有所述天线结构(14)的面(47)设有吸收性材料(48)。
11.如权利要求1或3所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述壳体的至少所述侧面(19)是由介电材料形成，并且所述天线结构(14)直接布置在所述侧面(19)中或所述侧面(19)上。
12.如权利要求1到11中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述天线结构(14)形成为以平面方式或以顺应方式适应所述侧面(19)的形状或适应所述封盖(42)。
13.如权利要求1到12中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述传感器电子器件(16)设置以测量指示所述接收反射波(24)的复数电压(Ur)并且基于所述所测量的复数电压(Ur)而确定所测量的反射因数(Γ′)。
14.如权利要求13所述的多场区接近度传感器(10)，其中另外基于指示从所述天线结构(14)到自由空间(23)中的转移的反射因数(Γh)而确定所述所测量的反射因数(Γ′)。
15.如权利要求14所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述传感器电子器件(16)设置以借助于自学习映射(A)将所述所测量的反射因数(Γ′)映射到另一反射因数(ΓTd)并从所述另一反射因数(ΓTd)确定所述距离(l)。
16.如权利要求15所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述自学习映射(A)另外将所述所测量的反射因数(Γ′)映射到与所述距离(l)成比例的信号(Ul(l))，并且其中所述传感器电子器件(16)设置以从所述映射的信号(Ul(l))选择相位间隔(n)以用于确定所述距离(l)。
17.如权利要求16所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述传感器电子器件(16)设置以使用所述选定相位间隔(n)从所述另一反射因数(ΓTd)的相位确定所述距离(l)。
18.如权利要求15到17中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中所述对象(22)不导电或弱导电，其中所述传感器电子器件(16)设置以通过所述对象(22)的反射因数(ΓTdref)调整所述另一反射因数(ΓTd)并从所述调整的反射因数确定所述距离(l)。
19.如权利要求13到18中任一项所述的多场区接近度传感器(10)，其中独立于所述多场区接近度传感器类型，针对各种类型的多场区接近度传感器(10)以使所述所测量的反射因数(ΓTd)相同的方式校准所述多场区接近度传感器(10)。
20.一种用于测量对象(22)距多场区接近度传感器(10)的距离(l)的方法，其中所述多场区接近度传感器(10)具有其中结合天线结构(14)的壳体(12)，所述天线结构(14)布置在所述壳体(12)的侧面(19)中或附近，其中所述天线结构(14)发射电磁透射自由空间波(20)并接收在所述对象(22)上反射的电磁反射波(24)，其中基于所述接收到的反射波(24)确定所述对象(22)距所述多场区接近度传感器(10)的所述距离(l)。
21.如权利要求20所述的方法，其中测量指示所述接收反射波(24)的复数电压(Ur)并从所述所测量的复数电压(Ur)确定所测量的反射因数(Γ′)。
22.如权利要求21所述的方法，其中另外基于指示从所述天线结构(14)到自由空间(23)中的转移的反射因数(Γh)而确定所述所测量的反射因数(Γ′)。
23.如权利要求22所述的方法，其中借助于自学习映射(A)将所述所测量的反射因数(Γ′)映射到另一反射因数(ΓTd)并从所述另一反射因数(ΓTd)确定所述距离(l)。
24.如权利要求23所述的方法，其中所述自学习映射(A)另外将所述所测量的反射因数(Γ′)映射到与所述距离(l)成比例的信号(Ul(l))，并且其中从所述映射的信号(Ul(l))选择相位间隔(n)以用于确定所述距离(l)。
25.如权利要求24所述的方法，其中使用所述选定相位间隔(n)从所述另一反射因数(ΓTd)的相位确定所述距离(l)。
26.如权利要求23到25中任一项所述的方法，其中所述对象(22)不导电或弱导电，其中通过所述对象(22)的反射因数(ΓTdref)调整所述另一反射因数(ΓTd)并从所述调整的反射因数确定所述距离(l)。
27.如权利要求21到26中任一项所述的方法，其中独立于所述多场区接近度传感器类型，针对各种类型的多场区接近度传感器(10)以使所述所测量的反射因数(ΓTd)相同的方式校准所述多场区接近度传感器(10)。
28.一种用于数据处理单元的程序，所述程序设置以当所述数据处理装置执行如权利要求20到27中任一项所述的方法时执行所述方法的步骤。
29.一种机器可读存储介质，所述机器可读存储介质上存储如权利要求28所述的程序。
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