CZ2018484A3 - Contactless microwave distance meter from the reflective surface from 1/4 wavelength to several hundred times the wavelength - Google Patents
Contactless microwave distance meter from the reflective surface from 1/4 wavelength to several hundred times the wavelength Download PDFInfo
- Publication number
- CZ2018484A3 CZ2018484A3 CZ2018-484A CZ2018484A CZ2018484A3 CZ 2018484 A3 CZ2018484 A3 CZ 2018484A3 CZ 2018484 A CZ2018484 A CZ 2018484A CZ 2018484 A3 CZ2018484 A3 CZ 2018484A3
- Authority
- CZ
- Czechia
- Prior art keywords
- receiving antenna
- transmitting antenna
- microwave
- antenna
- wavelength
- Prior art date
Links
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
- G01B15/00—Measuring arrangements characterised by the use of electromagnetic waves or particle radiation, e.g. by the use of microwaves, X-rays, gamma rays or electrons
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01N—INVESTIGATING OR ANALYSING MATERIALS BY DETERMINING THEIR CHEMICAL OR PHYSICAL PROPERTIES
- G01N22/00—Investigating or analysing materials by the use of microwaves or radio waves, i.e. electromagnetic waves with a wavelength of one millimetre or more
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/08—Systems for measuring distance only
- G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
- G01S13/34—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated using transmission of continuous, frequency-modulated waves while heterodyning the received signal, or a signal derived therefrom, with a locally-generated signal related to the contemporaneously transmitted signal
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/08—Systems for measuring distance only
- G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
- G01S13/36—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
- G01S13/06—Systems determining position data of a target
- G01S13/08—Systems for measuring distance only
- G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
- G01S13/36—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
- G01S13/40—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal wherein the frequency of transmitted signal is adjusted to give a predetermined phase relationship
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
- G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/03—Details of HF subsystems specially adapted therefor, e.g. common to transmitter and receiver
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
- G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
- G01S7/02—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00 of systems according to group G01S13/00
- G01S7/35—Details of non-pulse systems
Landscapes
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Radar, Positioning & Navigation (AREA)
- Remote Sensing (AREA)
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Computer Networks & Wireless Communication (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Chemical & Material Sciences (AREA)
- Analytical Chemistry (AREA)
- Biochemistry (AREA)
- General Health & Medical Sciences (AREA)
- Immunology (AREA)
- Pathology (AREA)
- Radar Systems Or Details Thereof (AREA)
Abstract
Bezkontaktní mikrovlnný měřič obsahuje přeladitelnou měřicí jednotku (10), která je opatřena indikátorem mikrovlnného výkonu nebo napětí nebo proudu a je spojená s počítačem. Dále měřič obsahuje vysílací anténu (3) a přijímací anténu (5). Vysílací anténa (3) je vstupem připojena na mikrovlnný výstup přeladitelné měřicí jednotky (10) a přijímací anténa (5) je výstupem připojena na mikrovlnný vstup přeladitelné měřicí jednotky (10). Vysílací anténa (3), přijímací anténa (5) a reflexní povrch (4) jsou v takové vzájemné poloze, že přijímací anténa (5) leží ve směru šíření signáluelektromagnetického pole vyzařovaného vysílací anténou (3). Přijímací anténa (5) zároveň leží i ve směru šíření signáluelektromagnetického pole vyzařovaného vysílací anténou (3) a odraženého od reflexního povrchu (4). Vyzařovací diagram přijímací antény (5) je orientován směrem k vysílací anténě (3) a reflexnímu povrchu (4). Součet elektrických délek vzdálenosti mezi vysílací anténou (3) a reflexním povrchem (4) a vzdálenosti mezi reflexním povrchem (4) a přijímací anténou (5), tvořící testovací kanál, je ve frekvenční pásmu přeladění přeladitelné měřicí jednotky (10) minimálně na jedné frekvenci o ½ vlnové délky delší než elektrická délka vzdálenosti mezi vysílací anténou (3) a přijímací anténou (5) tvořící referenční kanál.The non-contact microwave meter comprises a tunable measuring unit (10) which is equipped with a microwave power or voltage or current indicator and is connected to a computer. The meter further comprises a transmitting antenna (3) and a receiving antenna (5). The transmitting antenna (3) is input connected to the microwave output of the tunable measuring unit (10) and the receiving antenna (5) is output connected to the microwave input of the tunable measuring unit (10). The transmitting antenna (3), the receiving antenna (5) and the reflective surface (4) are in such a relative position that the receiving antenna (5) lies in the direction of propagation of the electromagnetic field signal emitted by the transmitting antenna (3). The receiving antenna (5) also lies in the direction of propagation of the electromagnetic field signal emitted by the transmitting antenna (3) and reflected from the reflective surface (4). The radiation pattern of the receiving antenna (5) is oriented towards the transmitting antenna (3) and the reflective surface (4). The sum of the electrical lengths of the distance between the transmitting antenna (3) and the reflecting surface (4) and the distance between the reflecting surface (4) and the receiving antenna (5) constituting the test channel is at least one frequency in the tuning frequency band. ½ wavelengths longer than the electrical length of the distance between the transmitting antenna (3) and the receiving antenna (5) forming the reference channel.
Description
Předkládané řešení se týká zapojení měřicího systému pro bezkontaktní měření vzdálenosti povrchů schopných odrážet elektromagnetické vlny.The present invention relates to a wiring system for contactless measurement of the distance of surfaces capable of reflecting electromagnetic waves.
Dosavadní stav technikyBACKGROUND OF THE INVENTION
K přesnému měření vzdáleností se používá mikrovlnná rezonanční metoda, při které je rezonátor vytvořen z jedné poloviny Fabry-Perot rezonátoru, před kterou je umístěn reflexní povrch. Prostor mezi reflexním povrchem a zrcadlem poloviny Fabry-Perot rezonátoru vytváří rezonátor, jehož rezonanční kmitočet je závislý na vzdálenosti mezi reflexním povrchem a zrcadlem. Při rezonanci se tato vzdálenost rovná celočíselnému násobku poloviny vlnové délky. Při znalosti tohoto celočíselného násobku lze ze změřeného rezonančního kmitočtu odvodit vzdálenost mezi reflexním povrchem a zrcadlem rezonátoru, případně změnu vzdálenosti reflexního povrchu vzhledem k jeho zvolené referenční vzdálenosti.To accurately measure distances, a microwave resonance method is used in which the resonator is formed from one half of a Fabry-Perot resonator, in front of which a reflective surface is placed. The space between the reflective surface and the mirror of the half of the Fabry-Perot resonator creates a resonator whose resonant frequency depends on the distance between the reflective surface and the mirror. At resonance, this distance equals an integer multiple of half the wavelength. Knowing this integer multiple, the distance between the reflective surface and the resonator mirror can be derived from the measured resonant frequency, or the distance of the reflective surface relative to its selected reference distance can be derived.
Rezonanční kmitočet je v automatickém procesu vypočítán na základě naměřených amplitud rezonanční křivky na několika frekvencích v okolí rezonanční frekvence. Pro tato měření musí být průběh rezonanční křivky dostatečně odlišitelný od podobných průběhů způsobených např. nežádoucími odrazy v mikrovlnném obvodu. Rezonanční křivka tedy musí mít dostatečně velkou amplitudu, to znamená, že rezonátor musí být dostatečně těsně navázán. Těsná vazba však způsobuje, že vrchol rezonanční křivky je méně ostrý, což zmenšuje přesnost určení rezonanční frekvence a tím i přesnost určení měřené vzdálenosti.The resonance frequency in the automatic process is calculated based on the measured amplitudes of the resonance curve at several frequencies around the resonant frequency. For these measurements, the waveform of the resonance curve must be sufficiently distinguishable from similar waveforms caused, for example, by unwanted reflections in the microwave circuit. The resonance curve must therefore have a sufficiently large amplitude, that is, the resonator must be sufficiently tightly coupled. However, the close coupling causes the peak of the resonance curve to be less sharp, which reduces the accuracy of the resonant frequency determination and hence the accuracy of the measured distance.
Nevýhody rezonanční metody odstraňuje další možný způsob měření vzdálenosti reflexních povrchů využívající interferometrickou metodu, jak je uvedeno např. v patentu: Hoffmann Karel, Škvor Zbyněk, „CONTACTLESS MICROWAVE MEASURING SYSTEM FOR MEASURING THE DISTANCES OF REFLECTIVE SURFACE,“ EP 2 786 171 BL Mikrovlnný signál z přeladitelného generátoru je rozbočen do referenčního kanálu a testovacího kanálu. V testovacím kanálu je pak vyzářen vysílací anténou směrem k reflexnímu povrchu, jehož vzdálenost je měřena. Signál odražený od reflexního povrchu je pak přijat přímo vysílací anténou, která funguje současně jako přijímací anténa. Měřicí systém v tomto případě obsahuje pouze jednu anténu. Signál odražený od reflexního povrchu může být také přijat další pouze přijímací anténou. Měřicí systém v tomto případě obsahuje dvě antény, viz např. Hoffmann Karel, Škvor Zbyněk, Bezkontaktní mikrovlnný měřič malých diferencí vzdálenosti od reflexního povrchu, patent č. CZ 302 714, Úřad průmyslového vlastnictví. V obou řešeních je signál přijatý přijímací anténou následně sloučen se signálem procházejícím referenčním kanálem. Vznikne tak výsledný interferenční signál. Elektrická délka testovacího a referenčního kanálu je odlišná. Na určitých frekvencích, kde jsou oba signály v protifázi, vznikají ostrá minima výsledného interferenčního signálu. Z frekvencí těchto minim je možné odvodit vzdálenost reflexního povrchu.Disadvantages of the resonance method are eliminated by another possible method of measuring the distance of reflective surfaces using the interferometric method, as stated, for example, in the patent: Hoffmann Karel, Škvor Zbyněk, “CONTACTLESS MICROWAVE MEASURING SYSTEM from the tunable generator is spliced to the reference channel and the test channel. In the test channel, it is then emitted by the transmitting antenna towards the reflective surface whose distance is measured. The signal reflected from the reflective surface is then received directly by the transmitting antenna, which functions simultaneously as the receiving antenna. The measuring system in this case contains only one antenna. The signal reflected from the reflective surface can also be received by another receiving antenna only. The measuring system in this case contains two antennas, see eg Hoffmann Karel, Skvor Zbynek, Contactless microwave meter of small differences in distance from the reflective surface, patent No. CZ 302 714, Industrial Property Office. In both solutions, the signal received by the receiving antenna is subsequently merged with the signal passing through the reference channel. This results in a resulting interference signal. The electrical length of the test and reference channels is different. At certain frequencies, where both signals are in phase, sharp minimums of the resulting interference signal arise. From the frequencies of these minima it is possible to deduce the distance of the reflective surface.
V případě systému s jednou anténou se však na frekvenční závislosti výsledného interferenčního signálu kromě signálu odraženého od reflexního povrchu uplatní také parazitní signál odražený od samotné antény a parazitní signál způsobený konečnou směrovostí použitého směrového vazebního členu. Tyto parazitní signály deformují průběh interferenčního signálu a zmenšují přesnost měření.However, in the case of a single antenna system, in addition to the signal reflected from the reflective surface, the parasitic signal reflected from the antenna itself and the parasitic signal caused by the finite directionality of the directional coupler used will be applied to the frequency dependence of the resulting interference signal. These parasitic signals distort the course of the interference signal and reduce the measurement accuracy.
U systému se dvěma anténami tvoří podobný problém přeslech mezi vysílací a přijímací anténou.In a two-antenna system, a crosstalk between the transmitting and receiving antennas is a similar problem.
V důsledku nenulového přeslechu se do přijímací antény dostane také parazitní signál vyzářený vysílací anténou, který nebyl odražen reflexním povrchem.As a result of the non-zero crosstalk, the parasitic signal emitted by the transmitting antenna, which was not reflected by the reflective surface, also reaches the receiving antenna.
- 1 CZ 2018 - 484 A3- 1 GB 2018 - 484 A3
Parazitní signály nelze v širším kmitočtovém pásmu používaném interferometrickou metodou nikdy zcela potlačit.Parasitic signals can never be completely suppressed in the wider frequency band used by the interferometric method.
Další společnou nevýhodou měřicích systému s jednou, či dvěma anténami je také značná složitost a náročnost na parametry použitých mikrovlnných dílů.Another common disadvantage of measuring systems with one or two antennas is also the considerable complexity and demandingness of parameters of used microwave parts.
Podstata vynálezuSUMMARY OF THE INVENTION
Výše uvedený nedostatek odstraňuje bezkontaktní mikrovlnný měřič vzdálenosti od reflexního povrchu v rozmezí % vlnové délky až několikasetnásobek vlnové délky podle předkládaného řešení. Tento měřič obsahuje přeladitelnou měřicí jednotku, která je opatřena indikátorem mikrovlnného výkonu nebo napětí nebo proudu spojenou s počítačem, vysílací anténu a přijímací anténu. Podstatou nového řešení je, že vysílací anténa je vstupem připojena na mikrovlnný výstup přeladitelné měřicí jednotky a přijímací anténa je výstupem připojena na její mikrovlnný vstup. Vysílací anténa, přijímací anténa a reflexní povrch jsou v takové vzájemné poloze, že přijímací anténa leží ve směru šíření signálu elektromagnetického pole vyzařovaného vysílací anténou a přijímací anténa zároveň leží i ve směru šíření signálu elektromagnetického pole vyzařovaného vysílací anténou a odraženého od reflexního povrchu. Vyzařovací diagram přijímací antény je orientován směrem k vysílací anténě a reflexnímu povrchu. Součet elektrických délek vzdálenosti mezi vysílací anténou a reflexním povrchem a vzdálenosti mezi reflexním povrchem a přijímací anténou, tvořící testovací kanál, je ve frekvenční pásmu přeladění přeladitelné měřicí jednotky minimálně na jedné frekvencí o H vlnové délky delší než elektrická délka vzdálenosti mezi vysílací anténou a přijímací anténou, tvořící referenční kanál.The above-mentioned drawback removes the non-contact microwave distance meter from the reflective surface in the range of% wavelength to several hundred times the wavelength of the present invention. The meter includes a tunable measuring unit that is provided with a microwave power or voltage or current indicator connected to a computer, a transmit antenna, and a receive antenna. The essence of the new solution is that the transmitting antenna is connected to the microwave output of the tunable measuring unit and the receiving antenna is connected to its microwave input. The transmitting antenna, the receiving antenna, and the reflecting surface are in such a position that the receiving antenna is in the direction of propagation of the electromagnetic field signal emitted by the transmitting antenna and the receiving antenna is also in the direction of propagation of the electromagnetic field signal emitted by the transmitting antenna. The radiation pattern of the receiving antenna is oriented towards the transmitting antenna and the reflective surface. The sum of the electrical distances of the distance between the transmitting antenna and the reflecting surface and the distance between the reflecting surface and the receiving antenna forming the test channel is longer than the electrical distance between the transmitting antenna and the receiving antenna in the tuning frequency band forming the reference channel.
Je výhodné, když se elektrické délky testovacího a referenčního kanálu ve zvoleném frekvenčním pásmu liší minimálně o dva celočíselné liché násobky H vlnové délky.Preferably, the electrical lengths of the test and reference channels in the selected frequency band differ by at least two integer odd multiples of H wavelength.
Za účelem možnosti nastavení velikosti amplitudy signálu elektromagnetického pole vyzařovaného vysílací anténou a přijímaného přijímací anténou v referenčním kanálu je výhodné, když je mezi vysílací a přijímací anténou v prostoru šíření tohoto signálu umístěná alespoň jedna kovová či dielektrická plná nebo děrovaná přepážka a/nebo útlumový materiál a/nebo alespoň jedna kovová nebo dielektrická ploška umístěná v oblasti překrývajících se vyzařovacích diagramů vysílací antény a přijímací antény.In order to be able to adjust the magnitude of the amplitude of the electromagnetic field signal emitted by the transmitting antenna and received by the receiving antenna in the reference channel, it is preferred that at least one metallic or dielectric solid or perforated baffle and / or attenuation material is disposed between the transmitting and receiving antenna. / or at least one metal or dielectric spot located in the region of the overlapping radiation patterns of the transmitting antenna and the receiving antenna.
V dalším výhodném provedení je vzdálenost mezi vysílací a přijímací anténou volena tak, že je menší než vlnová délka odpovídající nejvyšší frekvenci pásma přelaďování přeladitelné měřicí jednotky.In another preferred embodiment, the distance between the transmit and receive antennas is selected such that it is less than a wavelength corresponding to the highest frequency of the tuning band of the tunable measuring unit.
V jednom možném provedení je přeladitelné měřicí jednotka tvořena přeladitelným mikrovlnným generátorem, jehož mikrovlnný výstup je připojen na vstup vysílací antény, a detektorem, jehož vstup je připojen na výstup přijímací antény. Výstup detektoru je dále spojen se vstupem A/D převodníku, který má výstup spojen s počítačem 2 propojeným s přeladitelným mikrovlnným generátorem. Ve výhodném provedení je přeladíte Iný mikrovlnný generátor syntézo váný.In one possible embodiment, the tunable measuring unit comprises a tunable microwave generator whose microwave output is connected to the input of the transmitting antenna and a detector whose input is connected to the output of the receiving antenna. The output of the detector is further connected to the input of the A / D converter, which has the output connected to a computer 2 connected to a tunable microwave generator. In a preferred embodiment, you retune them to another microwave generator synthesized.
V jiném možném provedení je přeladitelné měřicí jednotka tvořena vektorovým analyzátorem obvodů, V tomto případě je vysílací anténa svým vstupem připojena na jednu měřicí bránu vektorového analyzátoru obvodů a na jeho druhou měřicí bránu je připojen výstup přijímací antény.In another possible embodiment, the tunable measuring unit is formed by a vector circuit analyzer. In this case, the transmitting antenna is connected to one measuring gate of the vector circuit analyzer by its input and the receiving antenna output is connected to its other measuring gateway.
Výhodou uvedeného bezkontaktního mikrovlnného měřiče vzdáleností od reflexního povrchu je oproti stávajícím interferometrickým mikrovlnným měřičům vzdálenosti se dvěma anténami výrazně jednodušší konstrukce. Na rozdíl od stávajících řešení, kde přeslech mezi anténami zmenšuje přesnost měření a je nutno ho minimalizovat, v tomto předkládaném řešení je přeslechThe advantage of the non-contact microwave distance meter from the reflective surface is significantly simpler construction than the existing interferometric microwave distance meters with two antennas. Unlike existing solutions, where crosstalk between antennas diminishes the accuracy of measurement and must be minimized, in the present solution there is crosstalk
-2CZ 2018 - 484 A3 s výhodou využit pro realizaci referenčního kanálu. Tím, že cesta referenčního kanálu je vytvořena pomocí signálu, který se šíří přímo mezi vysílací a přijímací anténou, odpadá nutnost používat další komponenty pro vytvoření referenčního kanálu, jako jsou u stávajících řešení např. směrové vazební členy, či děliče a slučovače výkonu. Tyto v praxi vždy vykazují nežádoucí parazitní odrazy a přenosy, které vytvářejí nežádoucí signály interferující se signály v referenčním a testovacím kanálu, jejichž průběhy jsou pak zkresleny. To snižuje přesnost měření.-2GB 2018 - 484 A3 is preferably used for realization of the reference channel. By creating a reference channel path using a signal that propagates directly between the transmit and receive antennas, there is no need to use additional components to form the reference channel, such as in the present solutions, for example, directional couplers or power splitters and combiners. In practice, these always show undesirable parasitic reflections and transmissions, which produce undesired signals interfering with the signals in the reference and test channels, the waveforms of which are then distorted. This reduces measurement accuracy.
Objasnění výkresůClarification of drawings
Na obr. 1 je principiální schéma měřicího systému. Na obr. 2 je uvedeno uspořádání s přepážkami umístěnými v prostoru šíření elektromagnetického pole mezi anténami. Obr. 3 znázorňuje uspořádání s útlumovým materiálem mezi anténami. Na obr. 4 je uvedeno uspořádání s použitím odrazného elementu umístěného v oblasti překrývajících se vyzařovacích diagramů obou antén. Na obr. 5 je uvedena další možná varianta, kdy je přeladitelné měřicí jednotka realizovaná vektorovým analyzátorem obvodů.Fig. 1 is a schematic diagram of a measuring system. Fig. 2 shows an arrangement with baffles located in the electromagnetic field propagation space between the antennas. Giant. 3 shows an attenuation arrangement between antennas. Fig. 4 shows an arrangement using a reflecting element located in the region of overlapping radiation patterns of both antennas. Fig. 5 shows another possible variant where the tuning unit is realized by a vector circuit analyzer.
Příklady uskutečnění vynálezuDETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Příklad možného zapojení bezkontaktního mikrovlnného měřiče vzdáleností od reflexního povrchu v rozmezí % vlnové délky až několikasetnásobek vlnové délky je uveden na obr. 1. Zapojení je zde tvořeno přeladíte lnou měřicí jednotkou 10 spojenou s počítačem 2. V tomto příkladu je přeladitelné měřicí jednotka 10 tvořená přeladíteIným mikrovlnným generátorem 1, který je s výhodou syntézo váný, detektorem 6 a A/D převodníkem 7. Přeladíte Iný mikrovlnný generátor 1 je zde řízen počítačem 2. Jeho řízení může být i manuální, ale v praxi bude dána přednost řízení počítačem. Přeladitelný mikrovlnný generátor .1 je svým mikrovlnným výstupem tvořícím mikrovlnný výstup přeladitelné měřicí jednotky 10 připojen na vysílací anténu 3. Vysílací anténa 3 vysílá elektromagnetický signál směrem k reflexnímu povrchu 4, kde se odráží a jako signál b je přijímán přijímací anténou 5. Cesta signálu mezi vysílací anténou 3 reflexním povrchem 4 a přijímací anténou 5 tvoří testovací kanál. Zároveň vysílací anténa 3 vysílá i elektromagnetický signál směrem k přijímací anténě 5, kterou je jako signál bref, přijat. Cesta tohoto signálu, který se neodrazil od reflexního povrchu 4, tvoří referenční kanál.An example of a possible connection of a contactless microwave meter with a distance from the reflective surface in the range of% wavelength to several hundred times the wavelength is shown in Fig. 1. The connection here consists of a tuning unit 10 connected to a computer 2. microwave generator 1, which is preferably synthesized, by detector 6 and A / D converter 7. Tuning Another microwave generator 1 is controlled by computer 2 here. Its control may be manual, but in practice computer control will be preferred. The tunable microwave generator 1 is connected to the transmitting antenna 3 by its microwave output forming the microwave output of the tunable measuring unit 10. The transmitting antenna 3 emits an electromagnetic signal towards the reflective surface 4 where it is reflected and received as a signal b by the receiving antenna 5. the transmitting antenna 3 with the reflective surface 4 and the receiving antenna 5 form a test channel. At the same time, the transmitting antenna 3 also transmits an electromagnetic signal towards the receiving antenna 5, which is received as a signal b re f. The path of this signal, which does not reflect from the reflective surface 4, forms the reference channel.
Výstup přijímací antény 5 je spojen s mikrovlnným vstupem měřicí jednotky 10, která je opatřena indikátorem mikrovlnného výkonu nebo napětí nebo proudu a vyhodnocuje interferenční signál bref+b. V uvedeném příkladu je výstup přijímací antény 5 připojen na vstup detektoru 6.The output of the receiving antenna 5 is connected to the microwave input of the measuring unit 10, which is provided with an indicator of microwave power or voltage or current and evaluates the interference signal b re f + b. In the example, the output of the receiving antenna 5 is connected to the input of the detector 6.
Vysílací anténa 3 vyzařuje mikrovlnný signál v podobě elektromagnetického pole směrem k reflexnímu povrchu 4, jehož vzdálenost má být změřena. Elektromagnetické pole se od reflexního povrchu 4 odráží a vstupuje do přijímací antény 5. Trasa mezi vysílací anténou 3, reflexním povrchem 4 a přijímací anténou 5 tvoři testovací kanál. Část elektromagnetického pole vyzářené z vysílací antény 3 také přímo vstupuje do přijímací antény 5 v důsledku jejich přeslechu. Tato trasa tvoří referenční kanál. Na rozdíl od stávajících řešení, kde přeslech mezi anténami zmenšuje přesnost měření a je nutno ho minimalizovat, v tomto předkládaném řešení je přeslech s výhodou využit pro realizaci referenčního kanálu. Elektrické délky testovacího a referenčního kanálu se liší o minimálně U vlnové délky. Je výhodné, pokud se ve zvoleném frekvenčním pásmu délky testovacího a referenčního kanálu liší o více celočíselných lichých násobků U vlnové délky. V přijímací anténě 5 se koherentní signály z testovacího kanálu a referenčního kanálu sloučí a vytvoří na výstupu této přijímací antény 5 výsledný interferenční signál. Výstup přijímací antény 5 je spojen se vstupem přeladitelné měřicí jednotky 10 opatřené indikátorem mikrovlnného výkonu či napětí nebo proudu.The transmitting antenna 3 emits a microwave signal in the form of an electromagnetic field towards the reflective surface 4 to be measured. The electromagnetic field reflects off the reflective surface 4 and enters the receiving antenna 5. The path between the transmitting antenna 3, the reflective surface 4 and the receiving antenna 5 forms a test channel. Part of the electromagnetic field emitted from the transmitting antenna 3 also directly enters the receiving antenna 5 due to their crosstalk. This route forms the reference channel. Unlike existing solutions, where crosstalk between antennas reduces measurement accuracy and must be minimized, in the present solution, crosstalk is advantageously used to realize the reference channel. The electrical lengths of the test and reference channels differ by at least U wavelength. It is preferred that in the selected frequency band the test and reference channel lengths differ by more integer odd multiples of U wavelength. In the receiving antenna 5, the coherent signals from the test channel and the reference channel are combined to produce the resulting interference signal at the output of this receiving antenna 5. The output of the receiving antenna 5 is connected to the input of a tunable measuring unit 10 provided with an indicator of microwave power or voltage or current.
V závislosti na vzdálenosti reflexního povrchu 4 od vysílací antény 3 a přijímací antény 5, a tím iDepending on the distance of the reflective surface 4 from the transmitting antenna 3 and the receiving antenna 5, and hence i
-3 CZ 2018 - 484 A3 na rozdílu elektrických délek referenčního a testovacího kanálu, se na některých frekvencích oba signály b a sečtou ve fázi a na jiných v protifázi. Ve fázi se signály sečtou v případě, že rozdíl elektrických délek obou kanálů bude na příslušné frekvenci sudým násobkem poloviny vlnové délky. V případě, že rozdíl elektrických délek obou kanálů bude na příslušné frekvenci roven lichému násobku poloviny vlnové délky, signály se sečtou v protifázi a poskytnou tak minima napětí indikovaná např. detektorem. Z počtu minim ve zvoleném frekvenčním pásmu a z frekvencí jednotlivých minim lze odvodit vzdálenost reflexního povrchu. Tato minima mohou být s výhodou velmi ostrá, pokud budou amplitudy signálů b a bref přibližně stejné. Toho lze dosáhnout nastavením amplitudy signálu bref například prostřednictvím vzdálenosti mezi vysílací anténou 3 a přijímací anténou 5 a/nebo vzájemnou polohou jejich vyzařovacích diagramů, viz obr. 1. V praxi je však výhodnější minimalizovat rozměry senzoru umístěním antén blízko sebe, například ve vzdálenosti menší než vlnová délka odpovídající nejvyšší frekvenci pásma přelaďování generátoru, a nastavovat amplitudu signálu bref jednou nebo několika kovovými či dielektrickými plnými nebo děrovanými přepážkami 8 umístěnými v prostoru šíření elektromagnetického pole mezi anténami, viz obr. 2, a/nebo útlumovým materiálem mezi anténami 9, viz obr. 3, a/nebo použitím odrazného elementu 11, například v podobě jedné nebo několika kovových nebo dielektrických plošek umístěných v oblasti překrývajících se vyzařovacích diagramů obou antén, viz obr. 4. Tyto možnosti, ať už použity jednotlivě, či v různých kombinacích současně, umožňují s výhodou natvarovat frekvenční závislost přenosu referenčního kanálu tak, aby amplitudy maxim interferenčního signálu b + bref byly přibližně stejné, a aby také amplitudy minim interferenčního signálu b + bref byly přibližně stejné. Jednotlivá možná zapojení se tak liší způsobem nastavení amplitudy signálu b^ef.A3 on the difference of the electrical lengths of the reference and test channels, at some frequencies the two signals b and are summed in phase and in others in counter-phase. In the phase, the signals are summed if the difference in the electrical lengths of the two channels at an appropriate frequency is an even multiple of half the wavelength. In the event that the difference in the electrical lengths of the two channels at an appropriate frequency equals an odd multiple of half the wavelength, the signals add up in counter-phase to provide the minimum voltages indicated eg by the detector. The distance of the reflective surface can be derived from the number of minima in the selected frequency band and from the frequencies of individual minima. These minima may advantageously be very sharp if the amplitudes of the bab re f signals are approximately the same. This can be achieved by adjusting the amplitude of the signal b re f, for example, by the distance between the transmitting antenna 3 and the receiving antenna 5 and / or the relative position of their radiation diagrams, see Fig. 1. less than the wavelength corresponding to the highest frequency of the generator tuning band, and adjusting the amplitude of the bref signal by one or more metal or dielectric solid or perforated baffles 8 located in the electromagnetic field propagation space between the antennas, see Fig. 2; see Fig. 3, and / or by using a reflecting element 11, for example in the form of one or more metal or dielectric patches located in the region of the overlapping radiation patterns of both antennas, see Fig. 4. These options, whether used individually, or in different combinations at the same time, they advantageously allow to shape the frequency dependence of the reference channel transmission so that the maximum amplitudes of the interference signal b + b re f are approximately equal, and also the amplitudes of the minimum interference signal b + b re f are approximately equal. The individual possible connections thus differ in the way of setting the amplitude of the signal b ^ ef.
Další možnou variantou zapojení bezkontaktního mikrovlnného měřiče vzdáleností od reflexního povrchu týkající se možností zobrazených na obr. 1 až obr. 4 je, že přeladitelné měřicí jednotka 10 spojená s počítačem 2 je realizována vektorovým analyzátorem obvodů 12. V tomto případě je vysílací anténa 3 spojena s jednou měřicí bránou a přijímací anténa 5 je spojena s druhou měřicí bránou vektorového analyzátoru obvodů 12. Tato varianta je finančně náročnější. Umožňuje však vzhledem k vektorovému měření aplikaci různých kalibračně korekčních metod, a tím i zpřesnění měření vzdálenosti. Příklad pro tuto variantu je uveden na obr. 5.Another possible variation of engaging a contactless microwave distance meter with respect to the possibilities shown in Figures 1 to 4 is that the tunable measuring unit 10 connected to the computer 2 is implemented by a vector circuit analyzer 12. In this case, the transmitting antenna 3 is connected to one measuring gate and the receiving antenna 5 is connected to the other measuring gate of the vector circuit analyzer 12. This variant is more expensive. However, due to the vector measurement, it enables the application of various calibration correction methods and thus the accuracy of distance measurement. An example for this variant is given in Fig. 5.
Rozsah měřitelných vzdáleností je vyjádřitelný pomocí vlnových délek odpovídajících frekvencím generovaným přeladitelným mikrovlnným generátorem L Minimální měřitelná vzdálenost je určena % vlnové délky, což odpovídá rozdílu délky testovacího a referenčního kanálu na nejvyšší frekvenci použitého přeladitelného generátoru 1 rovnému U vlnové délky a nulové délce referenčního kanálu.The range of measurable distances is expressed by the wavelengths corresponding to the frequencies generated by the tunable microwave generator L The minimum measurable distance is determined by% wavelength, which corresponds to the difference in test and reference channel length at the highest frequency of tunable generator 1 used.
Maximální měřitelná vzdálenost omezena není. V praktické aplikaci však není výhodné, aby délka testovacího kanálu byla oproti délce referenčního kanálu delší než několikasetnásobek vlnové délky. Důvod je ten, že v použitém frekvenčním pásmu narůstá počet minim interferenčního signálu, jejichž počet a frekvence je nutno určit. To neprakticky prodlužuje dobu měření.The maximum measurable distance is not limited. In a practical application, however, it is not preferred that the length of the test channel be longer than several hundred times the wavelength compared to the reference channel. The reason for this is that in the frequency band used, the number of minima of the interference signal increases, the number and frequency of which must be determined. This impractically extends the measurement time.
Při délkách testovacího kanálu respektive měřené vzdálenosti větší než několikasetnásobek vlnové délky již v praxi nebývají požadavky na přesnost tak vysoké a hlavní výhoda interferometrické měřicí metody, spočívající právě ve vysoké přesnosti měřené vzdálenosti, postrádá na významu. Proto je výhodné pro měření těchto větších vzdáleností použít jiné mnohem rychlejší principy měření využívané např. v FM CW radarech nebo pulzních radarech.With test channel lengths or measuring distances of more than several hundred times the wavelength, the accuracy requirements are no longer so high in practice, and the main advantage of the interferometric measurement method, namely the high accuracy of the measured distance, is of no importance. Therefore, it is advantageous to use other much faster measurement principles used, for example, in FM CW radars or pulse radars to measure these longer distances.
Vlnová délka λ je určena vztahem )v=c/f kde c je rychlost světla a/je frekvence.The wavelength λ is determined by the formula) v = c / f where c is the speed of light and / is the frequency.
Jako příklady pro minimální měřitelnou vzdálenost a praktickou maximální měřitelnou vzdálenost, odpovídající např. pětisetnásobku vlnové délky, lze na různých frekvencích uvést.As examples for the minimum measurable distance and the practical maximum measurable distance, corresponding eg to 500 times the wavelength, can be mentioned at different frequencies.
Na frekvenci 1 GHz je vlnová délka 30 cm, které odpovídá minimální měřitelná vzdálenost 7,5At 1 GHz, the wavelength is 30 cm, which corresponds to a minimum measurable distance of 7.5
-4CZ 2018 - 484 A3 cm. Praktická maximální měřitelná vzdálenost je rovna 150 m.-4GB 2018 - 484 A3 cm. The practical maximum measurable distance is 150 m.
Na frekvenci 10 GHz je vlnová délka 30 mm a odpovídající minimální měřitelná vzdálenost je 7,5 mm. Praktická maximální měřitelná vzdálenost je rovna 15 m.At 10 GHz, the wavelength is 30 mm and the corresponding minimum measurable distance is 7.5 mm. The practical maximum measurable distance is 15 m.
Na frekvenci 100 GHz je vlnová délka 3 mm a odpovídající minimální měřitelná vzdálenost je 0,75 mm. Praktická maximální měřitelná vzdálenost je rovna 1,5 m.At 100 GHz, the wavelength is 3 mm and the corresponding minimum measurable distance is 0.75 mm. The practical maximum measurable distance is 1.5 m.
Vlastnosti měřicího systému byly experimentálně testovány. Pomocí vlnovodové realizace měřicího systému ve frekvenčním pásmu 8 GHz až 12,4 GHz byla měřena vzdálenost 40 mm až 3000 mm. V rozsahu 50 mm až 500 mm byla přesnost měření lepší než 10 pm. Při malých měřených vzdálenostech poblíž 50 mm se ve frekvenčním pásmu vyskytovalo pouze jedno minimum odpovídající rozdílu elektrických délek obou kanálů rovném právě U vlnové délky. S nárůstem měřené vzdálenosti počet minim ve frekvenčním pásmu narůstá. Větší počet minim umožňuje odstranit víceznačnost při výpočtu rozdílu elektrických délek obou kanálů, který je roven lichému násobku poloviny vlnové délky.The properties of the measuring system were experimentally tested. Using a waveguide realization of the measuring system in the frequency band 8 GHz to 12.4 GHz, the distance of 40 mm to 3000 mm was measured. In the range of 50 mm to 500 mm the measurement accuracy was better than 10 µm. At small measured distances close to 50 mm, there was only one minimum in the frequency band corresponding to the difference in electrical lengths of the two channels equal to exactly U wavelength. As the measured distance increases, the number of minima in the frequency band increases. Multiple minima allows to eliminate ambiguity when calculating the difference in electrical lengths between the two channels, which is equal to an odd multiple of half the wavelength.
Při jiné možné realizaci měřicího systému byl použit vektorový analyzátor a směrové antény typu hom, viz obr. 5. Ve frekvenčním pásmu 75 GHz až 110 GHz byla měřena vzdálenost 10 mm až 1 m. V intervalu vzdáleností 10 mm až 250 mm byla přesnost měření lepší než 1 pm.In another possible realization of the measuring system, a vector analyzer and hom type directional antennas were used, see Fig. 5. The distance between 10 mm and 1 m was measured in the 75 GHz to 110 GHz frequency band. than 1 pm.
Průmyslová využitelnostIndustrial applicability
Zapojení pro bezkontaktní měření vzdálenosti a s ním související nová metoda určení vzdálenosti je průmyslově využitelná všude tam, kde je třeba bezkontaktně měřit s vysokou přesností vzdálenosti povrchů, které jsou v mikrovlnné části spektra reflexní. Jedná se například o válcování tenkých kovových folií, přesné měření výšky hladin kapalin, apod.Wiring for non-contact distance measurement and the associated new method of distance determination are industrially applicable wherever non-contact measurements with high accuracy of reflective surfaces in the microwave part of the spectrum need to be measured. These include rolling of thin metal foils, accurate measurement of liquid levels, etc.
PATENTOVÉ NÁROKYPATENT CLAIMS
Claims (7)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-484A CZ2018484A3 (en) | 2018-09-19 | 2018-09-19 | Contactless microwave distance meter from the reflective surface from 1/4 wavelength to several hundred times the wavelength |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CZ2018-484A CZ2018484A3 (en) | 2018-09-19 | 2018-09-19 | Contactless microwave distance meter from the reflective surface from 1/4 wavelength to several hundred times the wavelength |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CZ308033B6 CZ308033B6 (en) | 2019-11-06 |
| CZ2018484A3 true CZ2018484A3 (en) | 2019-11-06 |
Family
ID=68384111
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CZ2018-484A CZ2018484A3 (en) | 2018-09-19 | 2018-09-19 | Contactless microwave distance meter from the reflective surface from 1/4 wavelength to several hundred times the wavelength |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CZ (1) | CZ2018484A3 (en) |
Family Cites Families (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| DE2748124C2 (en) * | 1977-10-27 | 1983-01-13 | Philips Patentverwaltung Gmbh, 2000 Hamburg | Arrangement for distance measurement according to the FM-CW radar principle |
| US4862061A (en) * | 1986-12-24 | 1989-08-29 | General Electric Company | Microwave proximity sensor |
| DE102007042955A1 (en) * | 2007-08-30 | 2009-03-05 | Balluff Gmbh | A microwave proximity sensor and method for determining the distance between a target and a probe of a microwave proximity sensor |
| DE102007042954A1 (en) * | 2007-08-30 | 2009-03-05 | Balluff Gmbh | Microwave proximity sensor and method for determining the distance between a probe and a target |
| CZ2010530A3 (en) * | 2010-07-02 | 2011-09-14 | Ceské vysoké ucení technické v Praze Fakulta elektrotechnická | Contactless microwave measuring instrument of small differences in distance from reflecting surface |
-
2018
- 2018-09-19 CZ CZ2018-484A patent/CZ2018484A3/en unknown
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CZ308033B6 (en) | 2019-11-06 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US9228826B2 (en) | Apparatus and method for contactless thickness measurement | |
| CA3062502C (en) | Method and device for measuring a layer thickness of an object | |
| Lindner et al. | Dual tone approach for unambiguous six-port based interferometric distance measurements | |
| US10088512B2 (en) | Vector network analyzer | |
| US10379216B2 (en) | Positioning system | |
| KR20150034091A (en) | Bimaterial interface position measurement system | |
| CZ2018484A3 (en) | Contactless microwave distance meter from the reflective surface from 1/4 wavelength to several hundred times the wavelength | |
| JP5952168B2 (en) | Liquid level measuring device | |
| RU2669016C2 (en) | Doppler ground velocity meter | |
| Hoffmann et al. | Contactless distance measurement method | |
| RU2584975C1 (en) | Method for automatic alignment of aircraft lengthwise axis with axis of landing strip | |
| RU2488838C2 (en) | Method for measurement of uhf load reflection factor | |
| Hoffmann et al. | Microwave interferometric method for metal sheet thickness measurement | |
| US3757330A (en) | Microwave interferometers | |
| CZ2011547A3 (en) | Contactless microwave meter of reflecting surface distance | |
| JP2007033093A (en) | Antenna delay measuring method | |
| JPS5826282A (en) | Microwave distance measuring device | |
| RU2584260C1 (en) | Radio-measuring unit for measuring radar cross-section of objects | |
| JPH1010173A (en) | Method and apparatus for evaluating characteristics of antenna | |
| CZ302714B6 (en) | Contactless microwave radiator of small distance differences from reflecting surface | |
| Baskakova et al. | Investigation of waveguide sensors for ultra-short-distance measurements | |
| CZ21247U1 (en) | Contactless microwave meter of small differences of distance from reflective surface | |
| CZ23160U1 (en) | Contactless microwave meter of distance of baffle surface | |
| RU2569581C2 (en) | Microwave single-channel radio interferometer with waveguide probing path | |
| EP3985348A1 (en) | Device and method for testing thickness of a wall of a dielectric tubular object |