DE102004062801A1

DE102004062801A1 - Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes und Verfahren zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes

Info

Publication number: DE102004062801A1
Application number: DE102004062801A
Authority: DE
Inventors: Manfred Dr. Jagiella; Sorin Dr. Fericean
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2004-12-20
Filing date: 2004-12-20
Publication date: 2006-06-22
Also published as: US20070103336A1; US7515090B2

Abstract

Es wird ein Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes mit einem Detektionsbereich in einem Nahfeld vorgeschlagen, welcher einen Hochfrequenzsender und einen Hochfrequenzempfänger umfaßt, wobei der Hochfrequenzsender und der Hochfrequenzempfänger so angeordnet und ausgebildet sind, daß eine Hauptsenderichtung und eine Hauptempfangsrichtung in einem Winkel zueinander liegen.

Description

Die Erfindung betrifft einen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes, mit einem Detektionsbereich in einem Nahfeld.

Die Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes.

Der Erfindung liegt dabei die Aufgabe zugrunde, einen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor der genannten Art bereitzustellen, mit dem sich zuverlässig die Annäherung eines Gegenstandes detektieren läßt.

Diese Aufgabe wird bei dem genannten Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein Hochfrequenzsender und ein Hochfrequenzempfänger vorgesehen sind, wobei der Hochfrequenzsender und der Hochfrequenzempfänger so angeordnet und ausgebildet sind, daß eine Hauptsenderichtung und eine Hauptempfangsrichtung in einem Winkel zueinander liegen.

Bei einer entsprechenden Anordnung und Ausbildung von Hochfrequenzsender und Hochfrequenzempfänger läßt sich eine Triangulationsauswertung durchführen, über die die Annäherung eines Gegenstandes detektierbar ist. Insbesondere läßt sich eine kombinierte Triangulationsauswertung und Energieauswertung durchführen, die eine zuverlässige Detektion ermöglicht.

Über den entsprechenden Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor lassen sich alle Gegenstände detektieren, die elektrisch leitend sind oder eine genügend große Dielektrizitätskonstante haben. Beispielsweise lassen sich auch Glasgegenstände detektieren. Magnetische Eigenschaften des Gegenstandes beeinflussen das Detektionsergebnis – wie es bei induktiven Näherungssensoren der Fall ist – nicht. Dadurch läßt sich eine Positionsdetektion und/oder Wegdetektion durchführen, die im wesentlichen unabhängig vom Material des zu detektierenden Gegenstandes ist, mindestens sofern der entsprechende Gegenstand elektrisch leitfähig ist.

Durch die erfindungsgemäße Lösung wird ein einfach herstellbarer Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor bereitgestellt, welcher gute Detektionsergebnisse aufweist. Insbesondere lassen sich Gegenstände in Abständen unterhalb ca. 15 m detektieren. Der erfindungsgemäße Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor läßt sich besonders vorteilhaft für Abstandsbereiche unterhalb von 1 m einsetzen.

Insbesondere ist die Hauptsenderichtung durch die Energiestromdichte (Poynting-Vektor) der gesendeten Hochfrequenzstrahlung bestimmt.

Die Hauptempfangsrichtung ist durch die Energiestromdichte der empfangenen Hochfrequenzstrahlung bestimmt. Die Hauptempfangsrichtung läßt sich über die Anordnung und Ausbildung des Hochfrequenzempfängers einstellen.

Bei einer Ausführungsform weist der Hochfrequenzsender eine oder mehrere Antennen auf, welche auf einem ersten Träger angeordnet sind. Die Abstrahlungscharakteristik des Hochfrequenzsenders ist durch die geometrische Anordnung der Antennen und/oder durch die Ansteuerung der Antennen bestimmt.

Günstig ist es, wenn die Hauptsenderichtung senkrecht zu einer Trägerebene des ersten Trägers liegt. Dadurch kann der Winkel zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung auf einfache Weise eingestellt und gegebenenfalls auch auf einfache Weise variiert werden. Insbesondere ist eine geometrische Variation möglich.

Es ist auch möglich, daß die Hauptsenderichtung schräg zu einer Trägerebene des ersten Trägers liegt. Dies wird insbesondere durch eine entsprechende elektrische Ansteuerung bzw. elektrische Ausbildung der Antenne des Hochfrequenzsenders erreicht.

Es kann vorgesehen sein, daß der Hochfrequenzempfänger eine oder mehrere Antennen aufweist, welche an einem zweiten Träger angeordnet sind.

Beispielsweise ist die Hauptempfangsrichtung senkrecht zu einer Trägerebene des zweiten Trägers.

Es ist alternativ auch möglich, daß die Hauptempfangsrichtung schräg zu einer Trägerebene liegt. Dies läßt sich insbesondere durch eine entsprechende Ansteuerung einer Empfangsantenne des Hochfrequenzempfängers bzw. durch eine entsprechend elektrische Ausbildung erreichen.

In diesem Falle kann es vorgesehen sein, daß die Trägerebene des Hochfrequenzempfängers und des Hochfrequenzsenders auf der gleichen Ebene liegen, das heißt nicht in einem Winkel zueinander stehen. Insbesondere kann dann der Hochfrequenzsender und der Hochfrequenzempfänger auf dem gleichen insbesondere flachen Träger angeordnet sein. Ein Winkel zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung ist dann durch die elektrische Ansteuerung bzw. elektrische Ausbildung der Antennen des Hochfrequenzsenders und des Hochfrequenzempfängers eingestellt.

Wenn der Träger des Hochfrequenzsenders und der Träger des Hochfrequenzempfängers in einem Winkel zueinander angeordnet sind, dann definiert dieser Winkel den Winkel zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung auf geometrische Weise. Es ist beispielsweise auch möglich, daß die Antenne des Hochfrequenzsenders und die Antenne des Hochfrequenzempfängers in einer Ebene beispielsweise auf dem gleichen Träger angeordnet sind. Ein Winkel zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung wird durch entsprechende Ausbildung der Antennen bezüglich ihrer elektrischen Eigenschaften oder durch ihre elektrische Ansteuerung bewirkt.

Insbesondere ist der Winkel zwischen dem Träger des Mikrowellensenders und dem Träger des Hochfrequenzempfängers, sofern er vorgesehen ist, größer 90° und kleiner 180°.

Günstig ist es, wenn eine Halteeinrichtung zum Halten des ersten Trägers und des zweiten Trägers in einer definierten Stellung vorgesehen ist. Dadurch läßt sich der Positionssensor auf einfache Weise herstellen. Beispielsweise ist es bei entsprechender Halteeinrichtung möglich, die Winkelstellung zu variieren.

Günstig ist es, wenn die Halteeinrichtung so ausgebildet ist, daß die relative Lage des ersten Trägers und des zweiten Trägers feststellbar einstellbar ist. Dadurch läßt sich der Positionssensor an eine spezielle Anwendung anpassen. Durch entsprechende Einstellung kann das Detektionsergebnis optimiert werden.

Insbesondere ist es vorteilhaft, wenn eine Sender-Empfänger-Kombination vorgesehen ist, welche als Einheit positionierbar ist. Der Hochfrequenzsender und der Hochfrequenzempfänger sind derart miteinander verbunden, daß sie sich als Einheit positionieren lassen. Dadurch läßt sich eine kompakte Anordnung erreichen. Weiterhin ist die Herstellung eines entsprechenden Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors vereinfacht.

Es ist möglich, als Hochfrequenzsender eine Sender-Empfänger-Einheit mit deaktiviertem Empfang vorzusehen. Es ist ebenfalls möglich, als Hochfrequenzempfänger eine Sender-Empfänger-Einheit mit deaktiviertem Sender vorzusehen. Derartige Sender-Empfänger-Einheiten sind kommerziell erhältlich. Ein entsprechender Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor läßt sich dann auf einfache und kostengünstige Weise herstellen.

Günstig ist es, wenn eine Auswertungseinrichtung vorgesehen ist, durch welche eine Triangulationsauswertung und Energieauswertung durchführbar ist. Insbesondere ist eine kombinierte Triangulations- und Energieauswertung vorgesehen. Dadurch läßt sich ein gutes Detektionsergebnis erzielen. Insbesondere läßt sich so ein Positionsschalter oder Näherungsschalter realisieren, welcher ein Schaltsignal liefert, wenn ein bestimmter eingestellter Schaltabstand unterschritten oder überschritten wird.

Günstig ist es, wenn eine kontinuierliche Sendung von Hochfrequenzstrahlung vorgesehen ist. Dadurch läßt sich insbesondere auf einfache Weise eine Energieauswertung durchführen.

Es hat sich als günstig erwiesen, wenn eine Hochfrequenzausstrahlung in einem Frequenzbereich eines zugelassenen ISM-Bandes wie beispielsweise um 24 GHz erfolgt. In einem solchen Frequenzbereich sind Komponenten erhältlich, die die entsprechenden Zulassungen aufweisen.

Es kann eine Kodierungseinrichtung zur Kodierung eines Sendersignals vorgesehen sein. Beispielsweise wird für eine digitale Modulation des Sendersignals gesorgt. Über diese Kodierung läßt sich eine gegenseitige Störung von benachbart angeordneten Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren verhindern, da der Hochfrequenzempfänger eines gegebenen Hochfrequenz-Positions-/ Wegsensors so ausgelegt werden kann, daß er nur Signale empfängt und/oder weiterleitet, welche mit dem entsprechenden Kodierungsschlüssel (des zugeordneten Hochfrequenzsenders) versehen sind.

Alternativ oder zusätzlich kann eine Synchronisierungseinrichtung zur Synchronisierung des Hochfrequenzsenders und des Hochfrequenzempfängers vorgesehen sein. Diese Synchronisierungseinrichtung umfaßt beispielsweise eine Abtasteinrichtung, welche den Hochfrequenzsender und den Hochfrequenzempfänger abtastet und für eine Synchronisierung sorgt. Auch dadurch läßt sich die gegenseitige Störung von benachbart angeordneten Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren verhindern.

Es kann ein Frequenzmischer vorgesehen sein, welcher ein Signal des Hochfrequenzempfängers mit einem Signal einer vorgegebenen Frequenz faltet. Dies ist besonders vorteilhaft, wenn die Frequenz der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlurig variiert wird; dadurch variiert auch die Frequenz der vom Hochfrequenzempfänger empfangenen Hochfrequenzstrahlung. Eine direkte Demodulation ist dann nur schwierig durchzuführen. Durch die Faltung läßt sich beispielsweise ein Signal einer Zwischenfrequenz erzeugen, welches dann einem Peak-Detektor zugeführt wird. Eine Frequenzvariation kann sinnvoll sein, um die gegenseitige Störung von benachbart angeordneten Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren zu verhindern.

Der Erfindung liegt ferner die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes bereitzustellen, welches auf einfache und sichere Weise durchführbar ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß Hochfrequenzstrahlung in einer Hauptsenderichtung abgestrahlt wird und in einer Hauptempfangsrichtung detektiert wird, wobei die Hauptsenderichtung und die Hauptempfangsrichtung in einem Winkel zueinander liegen.

Das erfindungsgemäße Verfahren weist die bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor erläuterten Vorteile auf.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen wurden ebenfalls bereits im Zusammenhang mit dem erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor erläutert.

Insbesondere ist der Winkel zwischen Hauptsenderichtung und Hauptempfangsrichtung kleiner 90°. Der genaue Winkel hängt von der speziellen Anwendung ab. Je nach Anwendung können unterschiedliche Winkel unterschiedliche Detektionsergebnisse liefern. Wenn der Winkel kleiner als 90° gewählt wird, dann läßt sich ein entsprechender Positionssensor kompakt bauen.

Insbesondere wird die Sendefrequenz in einem Bereich um 24 GHz gewählt.

Es ist dabei vorteilhaft, wenn eine Mittelachse zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung parallel zu einer Bewegungsrichtung des Gegenstandes ausgerichtet wird. Dadurch liegen die Hauptsenderichtung und die Hauptempfangsrichtung definiert zu der Bewegungsrichtung des Gegenstandes. Dadurch wiederum läßt sich die Annäherung des Gegenstandes sicher detektieren; insbesondere läßt sich auf einfache und sichere Weise ein Schaltabstand einstellen und eine Annäherung bezüglich des Schaltabstandes detektieren.

Es ist insbesondere vorgesehen, daß der Winkel zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung an einen Gegenstand und/oder dessen Bewegungsform angepaßt wird. Beispielsweise können für unterschiedliche Gegenstände und/oder unterschiedliche Bewegungsformen unterschiedliche Winkel optimierte Ergebnisse liefern.

Günstig ist es, wenn Hochfrequenzstrahlung kontinuierlich gesendet wird. Dadurch läßt sich auf einfache Weise beispielsweise eine Energieauswertung durchführen.

Ganz besonders vorteilhaft ist es, wenn eine kombinierte Triangulationsauswertung und Energieauswertung (Intensitätsauswertung) der empfangenen Strahlung erfolgt. Dadurch läßt sich die Annäherung eines Gegenstandes auf einfache und sichere Weise detektieren.

Um die gegenseitige Beeinflussung benachbarter Hochfrequenz-Positions-/ Wegsensoren zu verhindern, kann es vorgesehen sein, daß die ausgesandte Hochfrequenzstrahlung kodiert wird, wobei unterschiedliche Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren mit unterschiedlichen Kodierungen versehen werden. Dadurch kann sichergestellt werden, daß ein Hochfrequenzempfänger eines Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors nur das Signal empfängt bzw. zur Auswertung weitergibt, welches von dem ihm zugeordneten Hochfrequenzsender stammt.

Alternativ oder zusätzlich ist es möglich, die gegenseitige Störung benachbarter Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren dadurch zu verhindern, daß ein Hochfrequenzsender und ein Hochfrequenzempfänger synchronisiert werden.

Beispielsweise werden diese abgetastet und es wird dann für eine Synchronisierung gesorgt.

Es kann beispielsweise auch vorgesehen sein, daß ein Empfangssignal mit einem Signal einer definierten Frequenz gefaltet wird. Dadurch läßt sich die Auswertung erleichtern. Auch die gegenseitige Störbeeinflussung unterschiedlicher Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren läßt sich dadurch verhindern.

Bei einer Ausführungsform wird die Frequenz der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung variiert. Dies kann günstig sein, um die Störungsbeeinflussung von unterschiedlichen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren zu eliminieren.

Die nachfolgende Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
1 zeigt eine Blockbilddarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors.
2 eine schematische Teildarstellung eines Ausführungsbeispiels eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors;
3 eine schematische Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels; und
4 eine schematische Teildarstellung eines weiteren Ausführungsbeispiels.
Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen Hochfrequenz-Positions-/ Wegsensors, welches in 1 schematisch gezeigt und dort als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein Gehäuse 12, in welchem die entsprechenden Komponenten des Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors 10 geschützt angeordnet sind.
Das Gehäuse 12 weist beispielsweise eine Gehäuseachse 14 auf. Der Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor 10 läßt sich vorteilhafterweise mit dieser Gehäuseachse parallel zu einer Bewegungsrichtung 16 eines Gegenstandes 18 (Target), dessen Annäherung zu detektieren ist, orientieren.
Der Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor 10 umfaßt einen Hochfrequenzsender 20 und insbesondere Mikrowellensender und einen Hochfrequenzempfänger 22 und insbesondere Mikrowellenempfänger. Der Hochfrequenzsender 20 und der Hochfrequenzempfänger 22 sind bezüglich ihrer Frequenzbereiche angepaßt. Durch den Hochfrequenzsender 20 läßt sich Hochfrequenzstrahlung einer bestimmten Abstrahlungscharakteristik aussenden. Dies ist in 1 durch eine Strahlungskeule 24 angedeutet. Die ausgesandte Hochfrequenzstrahlung hat dabei eine Hauptsenderichtung 26, welche durch die Energiestromdichte (Poynting-Vektor S →= E → × H →) bestimmt ist.
Der Hochfrequenzempfänger 22 ist so ausgerichtet, daß er Hochfrequenzstrahlung in einer Hauptempfangsrichtung 28 empfängt; die Hauptempfangsrichtung 28 ist durch den Poynting-Vektor der durch den Hochfrequenzempfänger 22 empfangbaren Mikrowellenstrahlung bestimmt.
Erfindungsgemäß ist es vorgesehen, daß die Hauptsenderichtung 26 und die Hauptempfangsrichtung 28 in einem Winkel β zueinander stehen. Dies bedeutet, daß die Abstrahlungscharakteristik des Hochfrequenzsenders 20 (welcher in 1 über die Strahlungskeule 24 angedeutet ist) und eine Empfangscharakteristik des Hochfrequenzempfängers 22 (in 1 angedeutet durch eine Strahlungskeule 30) in einem Winkel zueinander stehen.
Der Hochfrequenzsender 20 umfaßt eine oder mehrere Antennen. Der Hochfrequenzempfänger 22 umfaßt ebenso eine oder mehrere Antennen. Die Hauptsenderichtung 26 und die Hauptempfangsrichtung 28 werden durch Anordnung und/oder Ausbildung und/oder Steuerung der Antennen eingestellt.
Beispielsweise ist es möglich, durch entsprechende Phasenansteuerung von Antennen einer Mehrzahl von Antennen einen Winkel zwischen der Hauptsenderichtung 26 und der Hauptempfangsrichtung 28 einzustellen.
Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel weist der Hochfrequenzsender 20 einen mindestens einseitig im wesentlichen ebenen ersten Träger 32 auf, welcher insbesondere als Platine ausgebildet ist. Auf diesem ersten Träger 32 sind ein oder mehrere Hochfrequenzantennen angeordnet. Diese sind so angeordnet, daß die Hauptsenderichtung 26 im wesentlichen senkrecht zu einer Trägerebene 34 des ersten Trägers 32 ist.
Mit dem ersten Träger 32 ist eine Steuerungseinrichtung 36 verbunden, welche die Hochfrequenzerzeugung des Hochfrequenzsenders 20 steuert.
Der Hochfrequenzempfänger 22 umfaßt einen ebenfalls mindestens einseitig im wesentlichen ebenen ausgebildeten zweiten Träger 38, an dem eine oder mehrere Empfangsantennen angeordnet sind. Die mindestens eine Antenne ist an dem zweiten Träger 38 so angeordnet, daß die Hauptempfangsrichtung 28 im wesentlichen senkrecht zu einer Trägerebene 40 des zweiten Trägers 38 ist.
Der Winkel β zwischen der Hauptsenderichtung 26 und der Hauptempfangsrichtung 28 läßt sich dann durch Einstellung des Winkels α zwischen dem ersten Träger 32 und dem zweiten Träger 38, das heißt durch Einstellung des Winkels α zwischen der Trägerebene 34 und der Trägerebene 40, einstellen. Die beiden Träger 32 und 38 liegen in einer definierten Winkelposition relativ zueinander.
Bei einem vorgegebenen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor 10 kann der Winkel α fest eingestellt sein. Er ist insbesondere größer als 90° und kleiner als 180°. Der speziell eingestellte Winkel hängt dabei insbesondere von einer Anwendung ab; beispielsweise hängt der Winkel von dem Abstandsbereich ab, in dem eine Annäherung des Gegenstandes 18 zu detektieren ist.
Es kann eine Halteeinrichtung 42 vorgesehen sein, welche die beiden Träger 32 und 38 in einer definierten Winkelposition zueinander hält.
Bei einer Ausführungsform ist die Halteeinrichtung 42 so ausgebildet, daß die Winkelposition der beiden Träger 32 und 38 (und damit die Winkellage der Hauptsenderichtung 26 und der Hauptempfangsrichtung 28) feststellbar einstellbar ist. Dazu weist die Halteeinrichtung 42 beispielsweise ein Schwenklager 44 auf, über welches der erste Träger 32 und der zweite Träger 38 relativ zueinander schwenkbar sind.
Die Halteeinrichtung 42 und das Schwenklager 44 sind dabei vorzugsweise so ausgebildet, daß eine Verschwenkung der Träger 32 und 38 relativ zueinander symmetrisch zu einer Meßseite 46 des Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors 10 und symmetrisch zu der Gehäuseachse 14 erfolgt. (Die Meßseite 46 liegt vorzugsweise senkrecht zur Gehäuseachse 14.)
Die Verschwenkung ist beispielsweise über ein von einer Außenseite des Gehäuses 12 zugängliches Element betätigbar. Ebenso ist die Feststellung einer bestimmten relativen Winkelstellung von einer Außenseite des Gehäuses 12 betätigbar.
Es sind kommerziell Hochfrequenz-Sender-Empfänger-Kombinationen erhältlich, bei denen Sendeantennen und Empfangsantennen auf dem gleichen Träger angeordnet sind. Solche Kombinationen lassen sich als Hochfrequenzsender 20 und Hochfrequenzempfänger 22 einsenden, wenn die nicht benötigten Antennen (die Empfangsantennen beim Hochfrequenzsender 20 und die Sendeantennen beim Hochfrequenzempfänger 22) deaktiviert sind bzw. deaktiviert werden.
Der Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor 10 umfaßt eine in dem Gehäuse 12 angeordnete Auswertungseinrichtung 48 mit einem Prozessor 50.
Der Prozessor 50 ist an den Hochfrequenzsender 20 und insbesondere an dessen Steuerungseinrichtung 36 gekoppelt.
Beispielsweise liefert der Prozessor 50 stroboskopische Pulse an den Hochfrequenzsender 20. Erfindungsgemäß ist insbesondere vorgesehen, daß der Hochfrequenzsender 20 nicht gepulst Hochfrequenzstrahlung aussendet, sondern kontinuierlich.
Bei einer Ausführungsform ist ein Demodulator 52 vorgesehen, welcher an den Hochfrequenzempfänger 22 gekoppelt ist. Die von dem Hochfrequenzempfänger 22 gelieferten Empfangssignale, welche die Frequenz f₁ der von dem Hochfrequenzsender 20 abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung aufweisen, werden in dem Demodulator 52 demoduliert. Es entsteht dadurch ein Gleichstrom- bzw. Gleichspannungs-Signal.
Dem Demodulator 52 ist ein Verstärker 54 (insbesondere ein Gleichstrom- bzw. Gleichspannungs-Verstärker) nachgeschaltet. Dieser Verstärker 54 ist wiederum an den Prozessor 50 gekoppelt.
Dem Prozessor 50 ist vorzugsweise eine Endstufe 56 nachgeschaltet, welche ein Positionssignal, welches von dem Prozessor 50 aufgrund des von dem Hochfrequenzempfänger 22 gelieferten Signals generiert wurde, verstärkt und über einen Ausgang 58 bereitstellt.
Die Auswertungseinrichtung 48 ist insbesondere so ausgebildet, daß ein bereitgestelltes Ausgangssignal ein Schaltsignal ist; das Schaltsignal weist zwei Zustände auf, je nachdem, ob der Gegenstand 18 einen bestimmten Annäherungsabstand erreicht hat oder nicht.
Das Schaltsignal ist dabei davon abhängig, ob der Hochfrequenz-Positions-/ Wegsensor 10 als Öffner oder Schließer ausgebildet bzw. eingestellt ist.
In diesem Zusammenhang ist der Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor 10 dann ein Positionsschalter bzw. Näherungsschalter.
Bei einer alternativen Ausführungsform ist an den Hochfrequenzempfänger 22 ein Frequenzmischer 60 gekoppelt. In dem Frequenzmischer 60 wird das Signal des Hochfrequenzempfängers 22, welches eine Frequenz f₁ hat, mit einem Signal einer definierten Frequenz f₂ gefaltet. Das Ausgangssignal des Frequenzmischers 60 ist ein Signal einer Frequenz f_z, wobei beispielsweise dann f_z = f₁ – f₂ ist. Die Frequenz f₂ wird in Abhängigkeit von der Frequenz f₁ gewählt. Die Frequenz f₂ ist insbesondere aus dem Bereich zwischen Null und 100 MHz.
Dem Frequenzmischer 60 ist ein Zwischenverstärker 62 nachgeschaltet.
Auf den Zwischenverstärker 62 folgt ein Demodulator 64 und/oder Peak-Detektor. Das Signal des Demodulators 64 bzw. Peak-Detektors wird dann an den Prozessor 50 geliefert, wo die Auswertung erfolgen kann.
Grundsätzlich ist es möglich, Hochfrequenzstrahlung im Frequenzbereich zwischen 1 GHz und 1000 GHz zu verwenden. Es hat sich vorteilhaft erwiesen, in einem Bereich um 24 GHz zu arbeiten, da in diesem Bereich Komponenten mit entsprechenden Zulassungen auf dem Markt zur Verfügung stehen.
Der Prozessor 50 steht mit dem Hochfrequenzempfänger 22 in Verbindung, um ein "Enable"-Signal an den Hochfrequenzempfänger 22 zu geben, um diesen bezüglich des Hochfrequenzempfangs aktivieren zu können.
Es ist insbesondere vorgesehen, daß die Frequenz f₁ durch den Prozessor 50 variiert wird. Dadurch läßt sich sicherstellen, daß benachbarte Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren 10 sich nicht gegenseitig beeinflussen. Wenn eine solche Frequenzvariation vorgesehen ist, dann ist eine direkte Demodulation schwierig durchzuführen. Mit Hilfe des Frequenzmschers 60 und eines Peak-Detektors 64 läßt sich dann ein Signal generieren, aus welchem der Prozessor 50 beispielsweise ein Schaltsignal generieren kann.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Detektion der Annäherung des Gegenstandes 18 funktioniert wie folgt:
Der Hochfrequenzsender 20 sendet Hochfrequenzstrahlung einer Frequenz f₁ in einer Hauptsenderichtung 26 ab. Wie oben erwähnt, kann dabei die Frequenz f₁ durch den Prozessor 50 variiert werden. Beispielsweise erfolgt die Abstrahlung in einem Bereich um 24 GHz.
Die Hochfrequenzstrahlung wird von dem Gegenstand 18 teilweise absorbiert und teilweise reflektiert. Der absorbierte Anteil und der reflektierte Anteil ist durch die Dielektrizitätskonstante des Gegenstands 18 bei der Frequenz f₁ bestimmt. Wenn diese genügend groß ist, dann erfolgt eine Signalreflexion.
Bei genügend großer Dielektrizitätskonstante erfolgt auch bei Nichtleitern eine Signalreflexion. Beispielsweise erfolgt bei einem Glastarget eine Signalreflexion, so daß sich mit der erfindungsgemäßen Lösung die Annäherung eines Glasgegenstandes detektieren läßt.
Weiterhin ist Signalreflexion nicht durch magnetische Eigenschaften des Materials des Gegenstandes 18 beeinflußt.
Der Hochfrequenzempfänger 22 ist dann so angeordnet und ausgebildet, daß er reflektierte Strahlung in einer Hauptempfangsrichtung 28 empfängt.
Es ist dabei insbesondere vorgesehen, daß der Hochfrequenzsender 20 kontinuierlich Hochfrequenzstrahlung abstrahlt. Entsprechend ist, wenn ein Reflexionssignal vorliegt, der Empfang der Hochfrequenzstrahlung durch den Mikrowellenempfänger 22 kontinuierlich.
Die Hauptsenderichtung 26 und die Hauptempfangsrichtung 28 liegen in einem Winkel zueinander, welcher insbesondere kleiner als 90° ist.
Aus dem Signal des Hochfrequenzempfängers 22, welches entsprechend bearbeitet und insbesondere demoduliert wurde bzw. über einen Peak-Detektor bearbeitet wurde, lassen sich Informationen über die Annäherung des Gegenstandes 18 gewinnen.
Aufgrund der Winkelstellung zwischen der Hauptsenderichtung 26 und der Hauptempfangsrichtung 28 läßt sich eine Triangulation durchführen, über die die Annäherung des Gegenstandes 18 detektierbar ist. Gleichzeitig mit der Triangulation wird in der Auswertungseinrichtung 48 auch eine Energieauswertung durchgeführt, das heißt es wird die Empfangsleistung der durch den Mikrowellenempfänger 22 empfangenen Hochfrequenzstrahlung ausgewertet.
Durch eine kombinierte Triangulationsauswertung und Energieauswertung läßt sich die Annäherung des Gegenstandes 18 detektieren. Je nach Gegenstand und Abstandsbereich wird der Winkel β zwischen der Hauptsenderichtung 26 und der Hauptempfangsrichtung 28 eingestellt bzw. gewählt.
Grundsätzlich ist es auch möglich, daß die Auswertungseinrichtung 48 bei bekanntem Gegenstand 18 dessen Material (wenn es sich um ein elektrisch nicht-leitendes Material handelt) bei der Signalauswertung berücksichtigt.
Durch den Positionssensor 10 läßt sich die Annäherung des Gegenstandes 16 in einem Abstandsbereich detektieren, welcher in einem Nahbereich unterhalb eines Abstandes von 15 m von der Meßseite 46 liegt. Es wird erwartet, daß mindestens in einem Abstandsbereich von bis zu 2 m zu der Meßseite 46 sich eine Annäherungsdetektion durchführen läßt. Das erfindungsgemäße Verfahren ist besonders vorteilhaft für Abstandsbereiche unterhalb 1 m.
Ein erfindungsgemäßer Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor, welcher beispielsweise als Mikrowellen-Positions-/Wegsensor ausgebildet ist, umfaßt, wie anhand der 2 bis 4 erläutert, einen Hochfrequenzsender 66 und einen Hochfrequenzempfänger 68, wobei die Hauptsenderichtung des Hochfrequenzsenders 66 und die Hauptempfangsrichtung des Hochfrequenzempfängers 68 in einem Winkel β zueinander liegen. Diese relative Winkellage kann auf geometrische Weise hergestellt sein und/oder über eine elektronische Ansteuerung bzw. Ausbildung des Hochfrequenzsenders 66 und des Hochfrequenzempfängers 68.
Dem Hochfrequenzsender 66 ist eine Steuerungseinrichtung 70 zugeordnet, über welche er angesteuert wird.
Die Steuerungseinrichtung 70 kann beispielsweise eine Kodierungseinrichtung umfassen, mittels welcher das Sendesignal des Hochfrequenzempfängers 68 kodiert wird. Beispielsweise ist zur Kodierung eine digitale Modulierung vorgesehen.
Dem Sendersignal läßt sich dadurch ein Kodierungsschlüssel aufprägen, über welchen erreichbar ist, daß der zugeordnete Hochfrequenzempfänger 68 nur vom Hochfrequenzsender 66 ausgehende Signale empfängt bzw. von den empfangenen Signalen nur solche weiterverarbeitet werden, die auf Sendesignale des Hochfrequenzsenders 66 zurückgehen.
Dem Hochfrequenzempfänger 68 ist eine Auswertungseinrichtung 72 für die Signale des Hochfrequenzempfängers 68 zugeordnet.
Der Auswertungseinrichtung 72 ist eine Konditionierungsrichtung 74 für die Ausgangssignale der Auswertungseinrichtung 72 zugeordnet, über die Signale erzeugt werden, welche beispielsweise über einen Ausgang des Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors abgebbar sind.
Es ist grundsätzlich auch möglich, daß die Steuerungseinrichtung 70 so ausgebildet ist, daß über sie der Hochfrequenzsender 66 und der Hochfrequenzempfänger 68 abtastbar sind und synchronisierbar sind. Sie umfaßt dazu eine entsprechende Synchronisierungseinrichtung. Durch eine solche Abtastung und Synchronisierung des Hochfrequenzsenders 66 und des Hochfrequenzempfängers 68 eines Hochfrequenz-Positions-/Wegsensors läßt sich eine Störbeeinflussung unterschiedlicher Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren verhindern.
Bei einem Ausführungsbeispiel sendet, wie in 3 schematisch gezeigt, ein Hochfrequenzsender Signale einer festen Frequenz f₁. Ein zugeordneter Hochfrequenzempfänger empfängt Signale auf einer festen Empfangsfrequenz f₂. Über einen Frequenzmischer 76 erfolgt eine entsprechende Modulation, um die Signale miteinander zu korrelieren.
In einem alternativen Ausführungsbeispiel wird, wie in 4 gezeigt, für das Sendesignal eines Hochfrequenzsenders ein Frequenzbereich durchfahren (Frequenz-Sweep). Der Frequenz-Sweep weist beispielsweise eine mittlere Frequenz f₁ auf.
Ein zugeordneter Hochfrequenzempfänger empfängt auf der Empfangsfrequenz f₂, wobei in einem Frequenzmischer 78 eine Frequenzmischung durchgeführt wird mit der Frequenz f₁ als Mittenfrequenz des Frequenz-Sweeps. Auch auf diese Weise läßt sich die gegenseitige Steuerungsbeeinflussung von unterschiedlichen Hochfrequenz-Positions-/Wegsensoren verhindern.

Claims

Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes (18) mit einem Detektionsbereich in einem Nahfeld, umfassend einen Hochfrequenzsender (20) und einen Hochfrequenzempfänger (22), wobei der Hochfrequenzsender (20) und der Hochfrequenzempfänger (22) so angeordnet und ausgebildet sind, daß eine Hauptsenderichtung (26) und eine Hauptempfangsrichtung (28) in einem Winkel (β) zueinander liegen.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptsenderichtung (26) durch die Energiestromdichte der gesendeten Hochfrequenzstrahlung bestimmt ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptempfangsrichtung (28) durch die Energiestromdichte der empfangenen Hochfrequenzstrahlung bestimmt ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzsender (20) eine oder mehrere Antennen aufweist, welche an einem ersten Träger (32) angeordnet sind.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptsenderichtung (26) senkrecht zu einer Trägerebene (34) des ersten Trägers (32) liegt.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptsenderichtung schräg zu einer Trägerebene des ersten Trägers liegt.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Hochfrequenzempfänger (22) eine oder mehrere Antennen aufweist, welche an einem zweiten Träger (38) angeordnet sind.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptempfangsrichtung (28) senkrecht zu einer Trägerebene (40) des zweiten Trägers (38) ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Hauptempfangsrichtung schräg zu einer Trägerebene liegt.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß eine Trägerebene des Hochfrequenzempfängers und des Hochfrequenzsenders auf der gleichen Ebene liegen.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Träger (32) des Hochfrequenzsenders (20) und des Trägers (38) des Hochfrequenzempfängers (22) in einem Winkel (α) zueinander angeordnet sind.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel (α) größer als 90° und kleiner als 180° ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der Ansprüche 4 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß eine Halteeinrichtung (42) zum Halten des ersten Trägers (32) und des zweiten Trägers (38) in einer definierten Stellung vorgesehen ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach Anspruch 13 dadurch gekennzeichnet, daß die Halteeinrichtung (42) so ausgebildet ist, daß die relative Lage des ersten Trägers (32) und des zweiten Trägers (38) feststellbar einstellbar ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Sender-Empfänger-Kombination vorgesehen ist, welche als Einheit positionierbar ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochfrequenzsender (20) eine Sender-Empfänger-Einheit mit deaktiviertem Empfang vorgesehen ist.
Mikrowellen-Positionssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Hochfrequenzempfänger (22) eine Sender-Empfänger-Einheit mit deaktiviertem Sender vorgesehen ist.
Mikrowellen-Positionssensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertungseinrichtung (48) vorgesehen ist, durch welche eine Triangulationsauswertung und Energieauswertung durchführbar ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine kontinuierliche Sendung von Hochfrequenzstrahlung vorgesehen ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Hochfrequenzabstrahlung in einem zugelassenen ISM-Band erfolgt.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Kodierungseinrichtung zur Kodierung eines Sendersignals vorgesehen ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß eine Synchronisierungseinrichtung zur Synchronisierung des Hochfrequenzsenders (20) und Hochfrequenzempfängers (22) vorgesehen ist.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Frequenzmischer (60) vorgesehen ist, welcher ein Hochfrequenzempfänger-Signal mit einem Signal vorgegebener Frequenz faltet.
Hochfrequenz-Positions-/Wegsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ein Demodulator (52; 64) vorgesehen ist.
Verfahren zur Detektion der Annäherung eines Gegenstandes, bei dem Hochfrequenzstrahlung in einer Hauptstrahlungsrichtung abgestrahlt wird und in einer Hauptempfangsrichtung detektiert wird, wobei die Hauptstrahlungsrichtung die Hauptempfangsrichtung in einem Winkel zueinander liegen.
Verfahren nach Anspruch 25, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel kleiner als 90° ist.
Verfahren nach Anspruch 25 oder 26, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz in einem Bereich um 24 GHz gewählt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 27, dadurch gekennzeichnet, daß eine Mittelachse zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung parallel zu einer Bewegungsrichtung des Gegenstandes ausgerichtet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß der Winkel zwischen der Hauptsenderichtung und der Hauptempfangsrichtung an den Gegenstand und/oder dessen Bewegungsform angepaßt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 29, dadurch gekennzeichnet, daß Hochfrequenzstrahlung kontinuierlich gesendet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß eine kombinierte Triangulationsauswertung und Energieauswertung der empfangenen Strahlung erfolgt.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die ausgesandte Hochfrequenzstrahlung kodiert wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 32, dadurch gekennzeichnet, daß ein Hochfrequenzsender und ein Hochfrequenzempfänger synchronisiert werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 33, dadurch gekennzeichnet, daß ein Empfangssignal mit einem Signal einer definierten Frequenz gefaltet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 25 bis 34, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz der abgestrahlten Hochfrequenzstrahlung variiert wird.