DE102012015423A1

DE102012015423A1 - Verfahren und Sensorsystem zur kapazitiven Vermessung der Eigenschaften einer Übertragungsstrecke eines Messsystems zwischen einer Senderelektrode und Empfängerelektrode

Info

Publication number: DE102012015423A1
Application number: DE102012015423A
Authority: DE
Inventors: Bernd Burchard
Original assignee: Elmos Semiconductor SE
Current assignee: Elmos Semiconductor SE
Priority date: 2012-02-23
Filing date: 2012-07-30
Publication date: 2013-08-29
Anticipated expiration: 2032-07-31
Also published as: EP3410154B1; DE102013000380A1; DE102012025713B3; DE102012015442B4; DE102012015423B4; JP6192667B2; US20140369225A1; DE102013022403B3; DE102012025712B3; DE102012015442A1; CN104380139B; EP3410154A1; DE102013000380B4; EP2631674A1; EP2817657B1; WO2013124018A1; EP2817657A1; CN104380139A; JP2015514968A; KR20140137380A

Abstract

Verfahren und Sensorsystem zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke (T1) eines auf einer rückgekoppelten Kompensation beruhenden Messsystems zwischen einer ersten Sendeelektrode (H1) und einer Empfangselektrode (D1), wobei in der Empfangselektrode (D1) neben dem ausgestrahlten Sendesignal (I2) der ersten Sendeelektrode (H1) ein Kompensationssignal (I2) einer Kompensationssendeelektrode (K) überlagert empfangen wird. Ein Speisesignal (S5) für die erste Sendeelektrode (H1) und ein Empfängerausgangssignal (S1) der Empfangselektrode (D1) bilden je einen Vektor in einem Prä-Hilbert-Raum. Mittels des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt eine Hilbert-Projektion zwischen dem Empfängerausgangssignal (S1) der Empfangselektrode (D1) und dem Speisesignal (S5), so dass ein Projektionsbildsignal (S10) erzeugt wird. Aus dem Projektionsbildsignal (S10) wird ein Ausgangssignal (S4) gebildet. Mittels einer zumindest teilweisen Rücktransformation des Ausgangssignals (S4) mit dem Speisesignal (S5) wird ein Vorsignal (S6) erzeugt. Die Rücktransformation erfolgt bevorzugt mittels einer Multiplikation. Ein Kompensationssignal (S3) zum Speisen der Kompensationssendeelektrode (K) wird aus dem gebildeten Vorsignal (S6) generiert, um eine rückkoppelnde Regelung des Empfängerausgangssignals (S1) zu erzielen.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren und ein Sensorsystem zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke zwischen einer ersten Sendeelektrode und einer ersten Empfängerelektrode. Die erste Senderelektrode sendet ein erstes Signal in die erste Übertragungsstrecke hinein, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke von der ersten Empfängerelektrode aufgefangen und detektiert wird. Eine zweite Senderelektrode, die Kompensationssendeelektrode, sendet ein zweites Signal in eine zweite Übertragungsstrecke hinein, das ebenfalls von der ersten Empfängerelektrode nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke aufgefangen und detektiert wird. In der Empfängerelektrode überlagern sich das elektrostatische Feld des ersten Signals und des zweiten Signals im Wesentlichen summierend. Das Signal der Empfängerelektrode wird typischerweise in ein elektrisches Signal gewandelt. Anschließend wird daraus ein Empfängerausgangssignal gebildet, das weiterverarbeitet wird und schließlich der zweiten Sendeelektrode, der Kompensationssendeelektrode, in einer Rückkopplungsschleife zur Kompensation des elektrostatischen Feldes in der Empfangselektrode auf einen Gleichwert zugeführt wird.
In vielen Anwendungsbereichen sollen die Übertragungseigenschaften einer Übertragungsstrecke von einem Sender zu einem Empfänger, beispielsweise einer Empfangselektrode, bestimmt werden. Es kann z. B. unter anderem notwendig sein,

– die Entfernung eines Bezugsobjekts zu einem anderen Objekt zu bestimmen oder
– die Bewegung oder Anwesenheit eines Objekts in einem bestimmten Bereich oder Raum zu detektieren oder
– Materialparameter eines Objektes in einem bestimmten Raumbereich zu erfassen.

Andere Beispiele sind die Bestimmung grundlegender Eigenschaften des Mediums der Übertragungsstrecke oder von Objekten in der Übertragungsstrecke wie beispielsweise unter anderem

– Dipol-Relaxationszeiten,
– elektromagnetische Konstanten wie – Dielektrizitätszahl, – Permeabilitätszahl und – Lichtgeschwindigkeit,
– mechanische Objekteigenschaften z. B. aufgrund elektromechanischer Wechselwirkungen wie – Gewicht – Eigenfrequenzen – Dichte etc.
– oder die Detektion der Eigenschaften von Grenz- und Oberflächen wie z. B. das Verhältnis der zuvor genannten Eigenschaften zwischen den Medien der Grenzfläche, Abstand der Grenzfläche
– usw.

Es sind im Stand der Technik zahlreiche kompensierende Verfahren bekannt, bei denen das eigentliche Übertragungssignal mit einem kompensierenden Signal am Empfänger derart überlagert wird, dass der Empfänger in Summe ein nahezu konstantes Signal enthält. Ein derart kompensierendes Messverfahren wird beispielsweise in den folgenden Dokumenten offenbart:
DE 10001955A1
DE 10024156A1
DE 19839730C1
DE 930983U1
DE 10001943C1
DE 10346741B3
DE 10 2004 025 345 B3
DE 10 2005 013 325 A1
DE 10 2005 010 745 B3
DE 10 2007 005 187 B4
WO002007012502A9
WO002010012480A1
Die in diesen Dokumenten beschriebenen Verfahren verwenden als Sendesignal und/oder als Kompensationssignal ein in der Amplitude geregeltes Analog-Signal. Das Sendesignal hat ein konstantes Tastverhältnis und ist in der Regel im Wesentlichen monofrequent, d. h. es wird nur eine bestimmte Frequenz verwendet.
Das monofrequente, analoge Kompensationssignal erweist sich als wesentlicher Nachteil dieser Verfahren, da das monofrequente Kompensationssignal sehr anfällig für Störungen ist. Beispielsweise hat es sich erwiesen, dass bei optischen Systemen diese zwar nicht durch das mehr oder weniger gleichförmige Sonnenlicht, wohl aber durch das im Mehrfachen der Netzfrequenz von 50 Hz oder 60 Hz der jeweiligen Landesnetzfrequenz schwankende Licht von Leuchtquellen wie beispielsweise Leuchtstoffröhren und dessen Transienten gestört werden Gleiches gilt auch für kapazitive Sensoren, die beispielsweise durch das Stromnetz oder Leuchtstoffröhren gestört werden. Erst recht taucht ein Problem auf, wenn mehrere der dort beschriebenen Messsysteme elektrostatisch nicht getrennt werden können. Und ihre Felder sich überlagern.
Somit sind die Systeme nicht ohne weiteres für die Triangulation und komplexere Erkennungsaufgaben unter Verwendung mehrerer Systeme geeignet.
Auch wird der Einsatz derartiger Systeme schwierig, wenn mehrere Übertragungsstrecken oder ein größerer Bereich detektiert oder überwacht werden sollen. Dann wird in der Regel ein Zeitmultiplex-Verfahren angewandt, um die einzelnen Signale zeitlich zu unterscheiden. Dies hat jedoch den Nachteil, dass es zu Verzögerungen bei der Bearbeitung der Signale und bei der Beobachtung des gewünschten Bereichs kommt. Es entstehen zeitliche Lücken bei der räumlichen Beobachtung, die insbesondere bei sicherheitsrelevanten Anwendungen nicht akzeptabel sind.
Schließlich lassen diese Systeme im Falle elektrostatischer Messsysteme den Wellenwiderstand der zu verwendenden elektrostatischen Antennen unberücksichtigt, was eine mangelnde Stabilität der resultieren Systeme und eine vollkommen unzureichende Fertigbarkeit mit unvorhersehbaren Produktionsresultaten zur Folge hat.
Aufgabe der Erfindung
Ausgehend von dem bekannten Stand der Technik und den sich ergebenden Problemen liegt der vorliegenden Erfindung die Aufgabe zugrunde, ein optimiertes Verfahren zur Detektion der elektrostatischen Übertragungseigenschaften einer Übertragungsstrecke vorzuschlagen, so dass beispielsweise ein in der Übertragungsstrecke vorhandenes Objekt und/oder wichtige elektrostatische und elektromagnetische oder elektromechanische Eigenschaften dieses Objektes zuverlässig erkannt werden können. Dabei soll das Verfahren insbesondere auf einer Kompensation basieren und für Störungen möglichst weitgehend unempfindlich sein.
Lösung der Aufgabe
Gelöst wird die vorliegende Aufgabe durch ein Verfahren zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer Übertragungsstrecke eines elektrostatischen Messsystems gemäß den Merkmalen des Anspruchs 1 sowie durch ein Sensorsystem mit den Merkmalen des Anspruchs 26.
Beschreibung des grundlegenden Systems und der zugrundeliegenden mathematischen Verfahren
Eine erste Übertragungsstrecke eines Messsystems wird zwischen einer ersten Sendeelektrode H1 und einer ersten Empfängerelektrode D1 gebildet. Die erste Sendeelektrode H1 sendet ein erstes elektrostatisches Signal in die erste Übertragungsstrecke hinein, so dass nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke dieses elektrostatische Signal an der ersten Empfängerelektrode D1 detektiert wird. Eine zweite Sendeelektrode K, die eine sogenannte Kompensationssendeelektrode ist, sendet ein zweites kapazitives Signal in eine zweite Übertragungsstrecke, die zwischen der zweiten Sendeelektrode K und der Empfängerelektrode D1 besteht. Das zweite kapazitive Signal (Kompensationssendesignal) wird nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke von der Empfangselektrode D1 detektiert. Das elektrostatische Feld der beiden kapazitiven Signale überlagert sich zu dem elektrostatischen Gesamtfeld, das die Empfangselektrode lädt. In der Empfangselektrode D1 überlagern sich daher das erste kapazitive Signal und das zweite kapazitive Signal im Wesentlichen linear. Typischerweise ist die Überlagerung, die vom Füllmaterial der Elektrode abhängt, summierend. Dies ist z. B. im Vakuum der Fall. In dem Empfänger wird aus den beiden überlagerten und mit der Empfängerelektrode D1 empfangenen Signalen ein Empfängerausgangssignal gebildet.
Zur Vermessung der Übertragungseigenschaften der ersten Übertragungsstrecke zwischen der ersten Sendeelektrode H1 und der ersten Empfangselektrode D1 wird ein erstes Speisesignal S5 mittels eines Generators erzeugt. Das Speisesignal S5 und das Empfängerausgangssignal S1 sind derart ausgewählt, dass die beiden Signale je einen Vektor in einem Prä-Hilbert-Raum bilden. Die Definition des Prä-Hilbert-Raumes im hier gebrauchten Zusammenhang wird später genauer beschrieben. Die zugehörigen mathematischen Zusammenhänge sind beispielsweise in „Taschenbuch der Mathematik"; I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew. G. Musiol, H. Mühlig; Ausgabe 6.; Frankfurt am Main; Verlag Harry Deutsch; 2005; Kapitel 12.4 „Hilbert-Räume", Seite 635 ff. beschrieben. An den Stellen, wo auf dieses Buch Bezug genommen wird, ist dieses als BRONSTEIN bezeichnet.
Die auszusendenden Signale werden durch Funktionen der Zeit gebildet, z. B. im einfachsten Fall durch eine Sinus- oder Cosinusfunktion. Gleiches gilt für das Empfängerausgangssignal S1. Das bedeutet, dass die als Vektoren aufgefassten Signale (Speisesignal S5, mit dem der erste Sender gespeist wird, und Empfängerausgangssignal S1) Elemente eines Vektorraums sind, in dem ein inneres Produkt definiert ist. Mit anderen Worten sind die beiden Signale S5, S1 Elemente eines Vektorraums, in dem ein Skalarprodukt definiert ist, um die Beziehung zwischen den Vektoren beschreiben zu können. (BRONSTEIN Abschnitt 12.4.1.1)
Durch die Aussendung, den Durchgang durch die erste Übertragungsstrecke, die Überlagerung mit dem Signal der Kompensationssendeelektrode K und den abschließenden Empfang in der Empfangselektrode D1 wird das Speisesignal S5 zum Empfängerausgangssignal S1 modifiziert. Das Signal S1 enthält dann Anteile des Speisesignals S5 und Anteile, die aus Verzerrungen und sonstigen Modifikationen stammen. Zunächst sollen die Anteile, die dem Speisesignal S5 entsprechen, abgetrennt werden.
In einem weiteren Verfahrensschritt erfolgt daher die Durchführung einer Hilbert-Projektion des Empfängerausgangssignals des Empfängers S1 und des Speisesignals der ersten Sendeelektrode S5. Die Hilbert-Projektion (BRONSTEIN Abschnitt 12.4.2) kann so erfolgen, dass das Empfängerausgangssignal auf das erste Speisesignal oder alternativ, dass das Speisesignal auf das Empfängerausgangssignal des Empfängers projiziert wird. Bei reellen Funktionen führen beide Ausführungen zu gleichen Ergebnissen. Bei komplexen Funktionen ist die Art der Projektion applikationsabhängig zu wählen. Hier sollte eine Systemsimulation durchgeführt werden. Durch die Hilbert-Projektion wird somit ein Projektionsbildsignal erzeugt.
Die Durchführung der Hilbert-Projektion bedeutet technisch, dass detektiert wird, wie groß der auf dem Speisesignal S5 basierende Signalanteil in dem Empfängerausgangssignal S1 ist. Neben dem Speisesignalanteil und dem Anteil aus dem zweiten Sender (Kompensationssender) K enthält das Empfängerausgangssignal beispielsweise Signalanteile von Störern (z. B. J1), die die Übertragungsstrecke beeinflussen und ebenfalls einen elektrostatisches Feld an der ersten Empfangselektrode D1 hervorrufen. Da die Hilbert-Projektion nicht mit einem vollständigen, orthogonalen Basissignalsatz, sondern hier nur mit dem Speisesignal S5 durchgeführt wird, erhält man zunächst nur ein einzelnes Koeffizientensignal, das nur diesen Anteil beschreibt, und keinen vollständigen Koeffizientensignalsatz, der die Rekonstruktion des Empfängerausgangssignals S1 erlauben würde. Insofern handelt es sich mathematisch nicht um einen Hilbert-Raum sondern nur um einen Prä-Hilbert-Raum. Somit wird nur noch der Anteil des Empfängerausgangssignals S1 weiter verarbeitet, der mit dem Speisesignal S5 korreliert. Die nicht mit dem Speisesignal S5 korrelierenden Anteile des Empfängerausgangssignals S1 fallen also weg. Auf diese Weise findet eine Filterung statt, die nur das ausgesendete Speisesignal durchlässt.
Das durch die Hilbert-Projektion entstandene Projektionsbildsignal S10 wird zu einem Ausgangssignal S4 weiter verarbeitet. Bevorzugt erfolgt die Weiterverarbeitung durch Verstärkung des Projektionsbildsignals S10 mittels eines Verstärkers V1. Die Verstärkung kann gleich eins, aber beispielsweise je nach Anwendung auch negativ sein.
Das Ausgangssignal S4 wird zum einen weiterverarbeitet, um nach wenigstens einer teilweisen Rücktransformation des Ausgangssignals mit dem ersten Speisesignal S5 zu einem Vorsignal S6 zu werden. Aus dem Vorsignal S6 wird dann das Kompensationssignal S3 generiert, mit dem die zweite Sendeelektrode, die die Kompensationssendeelektrode K ist, gespeist wird. Hierdurch erfolgt eine rückgekoppelte Regelung des Empfängerausgangssignals S1. Das Kompensationssignal S3 kann mit dem Vorsignal S6 identisch sein. Verstärkung und Vorzeichen der Verstärkung des Verstärkers V1 werden typischerweise so gewählt, dass das rückgekoppelte System nicht schwingt und das Ausgangssignal S4 konvergiert. Die Verstärkung kann komplex sein.
Das Ausgangssignal S4 wird bevorzugt als Messergebnis aus dem System ausgekoppelt und extern weiterverarbeitet. Das Ausgangssignal S4 enthält insbesondere die Amplitudeninformation, die zur Kompensation von Veränderungen (z. B. Dämpfungen) in der Übertragungsstrecke benötigt wird.
Eigenschaften des Speisesignals
Zur Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens kann im Gegensatz zum Stand der Technik das Speisesignal S5 nahezu jedes beliebige Signal sein. In der Regel ist das Speisesignal S5 im Gegensatz zum Stand der Technik, der ein monofrequentes Signal erfordert, ein multifrequentes Signal; es enthält folglich mehrere unterschiedliche Frequenzanteile und mehrere unterschiedliche Frequenzen gleichzeitig. Ein monofrequentes Speisesignal S5 ist aber auch möglich. Bevorzugt ist das Speisesignal ein bandbegrenztes Signal, das eine obere und untere Bandfrequenz aufweist. Wird als Speisesignal ein bandbegrenztes Signal verwendet, so hat es eine obere Grenzfrequenz ω_max und eine untere Grenzfrequenz ω_min. Aus diesen ergibt sich die Bandbreite ω_Band des Speisesignals S5: ω_Band = ω_max – ω_min
Das Speisesignal ist bevorzugt derart gewählt, dass die untere Grenzfrequenz ω_min größer als die halbe Bandbreite ω_Band ist. Vorzugsweise ist es ein ungetaktetes, bandbegrenztes Signal. Es kann aber auch ein getaktetes, monofrequentes Signal sein.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform kann das Speisesignal ein moduliertes Signal sein oder ein ungetaktetes Signal, wie beispielsweise ein Zufallssignal und/oder ein Pseudozufallssignal. Es ist auch möglich, ein auf einem Spreizcode basierendes Signal zu verarbeiten. Ebenfalls sind Rauschsignale als Speisesignal S5 geeignet, beispielsweise ein weißes, bandbegrenztes Rauschen.
In einer bevorzugten Ausführung des Verfahrens erfolgt die Hilbert-Projektion durch Bildung eines Skalar-Produkts. Da sowohl das Speisesignal S5 als auch das Empfängerausgangssignal S1 Vektoren in einem Prä-Hilbert-Raum sind, ist ein Skalar-Produkt zwischen ihnen definiert. Eine Skalar-Multiplikation bzw. Skalar-Produktbildung lässt sich technisch einfach durchführen: Bevorzugt erfolgt sie durch Multiplikation des Empfängerausgangssignals S1 mit dem Speisesignal, wodurch ein sogenanntes Detektionssignal S9 gebildet wird, und anschließende Filterung (typischerweise Integration).
Eigenschaften des Filters
Die anschließende Filterung des Detektionssignals S9 mit einem Filter F1, der bevorzugt ebenfalls bandbegrenzt ist, erzeugt ein gefiltertes Filterausgangssignal, das das Projektionsbildsignal S10 ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform wird ein linearer Filter F1 verwendet, der bevorzugt nur solche Frequenzanteile durchlässt, deren Frequenzbetrag kleiner oder gleich der Hälfte des Abstands zwischen oberer Grenzfrequenz ω_max und unterer Grenzfrequenz ω_min des bandbegrenzten Speisesignals S5 ist.
Unterdrückung von Störern
Durch die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens mittels Kompensation durch Aussenden und Übertragen eines rückgekoppelten Kompensationssendesignals S3 an die Empfängerelektrode D1 kann das Verfahren auch dann angewendet werden, wenn Störer (z. B. J1) in der Übertragungsstrecke vorhanden sind. Häufig sind die Störer recht schmalbandig, was typischerweise für die künstlich erzeugten (man-made) Störer zutrifft. Im Vergleich dazu wird das Speisesignal S5 in der Regel breitbandig gewählt. Durch die Multiplikation wird der Anteil des Speisesignals S5 im Spektrum des resultieren Signals S9 relativ schmalbandig, während das Störsignal typischerweise gespreizt und in Frequenzen oberhalb der Filtergrenzfrequenz verlagert wird. Die Störsignalanteile werden bezogen auf eine Frequenz im Spektrum des Detektionssignals S9 in der Amplitude reduziert und bezogen auf ihren gesamten Anteil im Spektrum des Detektionssignals S9 gleichzeitig breitbandig. Der Filter F1 zur nachfolgenden Filterung ist so auf das festgelegte und bekannte Speisesignal S5 abgestimmt, dass gerade die auf dem Speisesignal S5 beruhenden Anteile des Empfängerausgangssignals den Filter passieren können. Alle anderen Signalanteile werden ausgefiltert oder in der Amplitude dem Zweck entsprechend ausreichend reduziert.
Durch dieses Spreizverfahren werden die Störer in den Rauschuntergrund gedrückt. Hierdurch ist das Verfahren insgesamt deutlich weniger sensibel gegenüber Störungen als die Verfahren im Stand der Technik. Insbesondere ist es in der Lage, auch dann noch arbeitsfähig zu sein, wenn die Störpegel über den Signalpegeln des Speisesignals bzw. des von dem ersten Sender ausgesandten Sendesignals liegen. In Simulationen kann gezeigt werden, dass bei geeigneter Systemauslegung Störer, die nicht auf einem Vielfachen der im Speisesignal S5 verwendeten Frequenzen liegen, einen Störabstand von –12 dB aufweisen dürfen. Dies liegt daran, dass das breite Spektrum des Speisesignals aufgrund von Redundanz auch dann einen guten Wiedererkennungswert des Signals S5 im Empfängerausgangssignal S1 gewährleistet, wenn Teile des Signals schon nicht mehr brauchbar sind. Das Verfahren ermöglicht eine sehr gute Entkopplung. Daher ist es im Gegensatz zum Stand der Technik auch möglich, zwei oder mehrere gleichzeitig arbeitende Systeme zu betreiben, die auf einer Kompensation beruhen, wenn deren Speisesignale S5 bezüglich der verwendeten Skalar-Produkte zueinander orthogonal sind. Diese Systeme würden sich ohne die Durchführung des erfindungsgemäßen Verfahrens gegenseitig stören. Die Entkopplung mittels Speisesignal-Orthogonalität ermöglicht jedoch den störungsfreien Betrieb.
Optimale Wahl des Speisesignals
In einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt zunächst die Erkennung eines Störsignals in dem Empfängerausgangssignal. Dies tritt dann auf, wenn ein Störsender die Übertragungsstrecke zwischen dem ersten Sender und dem Empfänger beeinflusst. Um ein derartiges Störsignal zu erkennen, wird der Filter, der bevorzugt für die Hilbert-Projektion verwendet wird, vermessen.
Die Vermessung wird für das Beispiel der Bestimmung eines optimalen digitalen Spreiz-Codes als Basis des Speisesignals S5 erläutert. Dieser soll einen maximalen Störabstand zu in der Übertragungsstrecke vorhandenen Störern haben. Hierdurch wird sichergestellt, dass das Sendesignal S5 einen maximalen Störabstand zu dem Störsignal hat. Das Speisesignal S5 wird nun als quasi unendliche Folge eines oder mehrerer Codes aufgefasst. Im einfachsten Fall wird ein Code permanent wiederholt.
Jeder dieser gleichlangen Codes besteht aus einer Folge von n Bit, bei der das Speisesignal S5 beispielsweise auf einen physikalischen Pegel, der einer logischen 1 entspricht, oder auf einen physikalischen Pegel, der einer logischen 0 entspricht, geschaltet wird. Diese n Bitfolge wird beispielsweise in einer quasi nicht endenden Schleife wiederholend gesendet und erzeugt so das Basissignal S5. Bei einer Code Länge von n Bits sind so 2ⁿ potenzielle Codes zur Erzeugung eines S5 Signals möglich. Mindestens einer dieser Codes hat einen maximalen Störabstand zu den potenziellen Störern.
Es wird nun die erste Sendeelektrode H1 mit einem bekannten, insbesondere konstanten Speisesignal S5 gespeist. Bevorzugt ist das Speisesignal S5 gleich 1. Dies kann beispielsweise durch Absenden einer binären Codefolge erfolgen, die eine 1 symbolisiert. Ein dazu inverser Code symbolisiert eine Null.
Da das erfindungsgemäße Verfahren auf einem Signalschätzalgorithmus beruht, wird in der Startphase des Verfahrens die Sendeelektrode mit einer logischen 1 beaufschlagt. Der Signalschätzer ordnet nun jedem empfangenen Code einen Code aus der Menge der 2ⁿ potenziellen Codes zu. Damit steigt die Wahrscheinlichkeit, dass dieser Code im normalen Betrieb irrtümlich empfangen werden würde. Für jeden der möglichen 2ⁿ Codes wird die Häufigkeit des Auftretens durch eine der Empfangselektrode und dem Empfänger nachgeschaltete Verarbeitungseinheit protokolliert. Diese dem Empfänger nachgeschaltete Verarbeitungseinheit mit einem Signalschätzer vermisst also die Umgebung und stellt auf die oben beschriebene Weise für jeden der möglichen Codes eine Empfangswahrscheinlichkeit fest und speichert diese in einer Störtabelle zwischen. Es werden nun beispielsweise die zwei inversen Codepaare aus der Störtabelle für die Erzeugung des Speisesignals S5 benutzt, die als Paar die geringste Häufigkeit und somit den maximalen Störabstand aufweisen.
Ein Element des so selektierten Code-Paars wird als Null-Code definiert, das andere als Eins-Code. Selbstverständlich sind auch mehrwertige Codes als der hier beschriebene binäre Code möglich.
Der Sender kann nun beispielsweise eine abwechselnde Folge von Null-Codes und Eins-Codes senden, jedoch auch eine Zufallsreihenfolge, die lediglich innerhalb eines bestimmten Zeitabschnitts mindestens eine Zustandsänderung aufweisen muss. Typischerweise wird die Code-Folge so gewählt, dass diese keinen Bias-Wert hat.
Natürlich kann ein Eins-Code im einfachsten Fall auch aus einem einzelnen 1-Bit bestehen und der korrespondierende Null-Code aus einem einzelnen 0-Bit. Die Code-Länge ist dann 1.
Die erste Sendeelektrode H1 sendet nun die vorher festgelegte Codefolge des Signals S5. Die Kompensationssendeelektrode (zweite Sendeelektrode) K sendet ein kompensierendes Signal, das typischerweise die inverse Codefolge ist. Hierbei strahlt die Kompensationssendeelektrode K in der Regel direkt oder zumindest in bekannter Weise in die Empfangselektrode D1 ein, während das Sendesignal der ersten Sendeelektrode H1 in der Übertragungsstrecke zur Empfangselektrode D1 durch ein Messobjekt oder einen Störer beeinflusst ist. Diese Beeinflussung können beispielsweise eine Reflektion, eine Änderung der Übertragungseigenschaften bzw. eine Änderung der Übertragungsstrecke sein, z. B. die Änderung der Permeabilitätszahl oder andere kapazitiv erfassbarer Parameter. Auch die zweite Übertragungsstrecke zwischen der Kompensationssendeelektrode und der Empfangselektrode kann beeinflusst werden. Hierbei ist es lediglich wichtig, dass eine andere Beeinflussung stattfindet als in der ersten Übertragungsstrecke. Die Beeinflussung der zweiten Übertragungsstrecke sollte bekannt sein. Im Idealfall wird die zweite Übertragungsstrecke nicht durch das Messobjekt oder einen Störer beeinflusst.
Der Signalschätzer in der Verarbeitungseinheit führt eine Korrelation mit den Codes durch und bestimmt den wahrscheinlichsten Code und die Wahrscheinlichkeit, mit der der gesendete Code tatsächlich detektiert wurde.
Die tatsächlich detektierten Codes werden als gestörte Codes gewertet, wenn sie nicht mit dem gesendeten Code übereinstimmen und die Hamming-Distanz einen Mindestwert (z. B. 1) überschreitet. Hiermit wird die zuvor abgespeicherte Störtabelle an den aktuellen Stand angepasst. Beim nächsten Sendevorgang wird so durch den Generator ein Code-Paar mit der geringsten Störwahrscheinlichkeit gewählt. Dieses Verfahren stellt auch sicher, dass beispielsweise zwei parallel arbeitende Systeme, die das erfindungsgemäße Verfahren nutzen, so eingestellt werden können, dass sich die Systeme nicht beeinflussen und deshalb ihre Codes möglichst orthogonal zueinander sind.
Der Regelalgorithmus des erfindungsgemäßen Verfahrens arbeitet so, dass die Sendeleistung der Kompensationssendeelektrode K derart geregelt wird, dass die Wahrscheinlichkeit der Detektion des gesendeten Codes bzw. des invertierten gesendeten Codes durch die Empfangselektrode D1 und den Empfänger minimiert wird. Wird der invertierte Code detektiert, so ist der Kompensationssender, der die Kompensationssendeelektrode K ansteuert, zu stark eingestellt. Wird lediglich der gesendete Code detektiert, so ist der Kompensationssender zu schwach eingestellt. Die Stärke, mit der der Kompensationssender eingestellt wird, ist der Messwert der Übertragungsstrecke.
Da durch geeignete Wahl der Sendesignale S5, beispielsweise wie hier beschrieben in Form von Codes, zwei Sensorsysteme, die nach dem erfindungsgemäßen Verfahren arbeiten, parallel betrieben werden können, ist es auch möglich, mehrere Sender und mehrere Empfänger gleichzeitig arbeiten zu lassen. Beispielsweise ist es möglich, Systeme aufzubauen, die zwei Sendeelektroden und eine Empfangselektrode umfassen oder Systeme, die zwei Empfangselektroden und eine Sendeelektrode aufweisen. Da die Sendeseite des Systems jedoch einfacher und kostengünstiger zu realisieren ist, ist es oft sinnvoll, nur einen Empfangselektrode zu verwenden.
Durch die Verwendung mehrerer Sendeelektroden und/oder Empfangselektroden ist beispielsweise auch eine kapazitive dreidimensionale Triangulation möglich. Dabei werden drei Sendesysteme (bestehend aus jeweils (Code-)Generator und Sendeelektrode) eingesetzt, um auch eine dreidimensionale Erfassung zu ermöglichen.
Beschreibung des Triangulationsproblems
Um beispielsweise ein oder mehrere Objekte in der Übertragungstrecke detektieren zu können, und zwar nicht nur deren Anwesenheit, sondern auch Position oder Bewegung, ist der Einsatz eines zweidimensionalen (insbesondere asynchronen) Schätzers geeignet, der eine Bestimmung der Amplitude und der Verzögerung vornimmt. Dies kann beispielsweise durch einen Korrelator erfolgen. Die Korrelationsfunktion zwischen einem multifrequenten Sendesignal, beispielsweise einer beliebigen multifrequenten Codefolge, und einem empfangenen Signal, beispielsweise einer ebenfalls multifrequenten Codefolge, wird zur Berechnung eines zweiten (codierten) Signals (Kompensationssignal) verwendet. Bei Codesequenzen wird hierzu die Sequenz des ersten Generators invertiert und mit der verstärkten Korrelationsfunktion des Empfängers multipliziert. Die so erhaltene Codefolge führt bei Sendung durch die Kompensationssendeelektrode K zu einer Auslöschung der Summe der reflektierten Signale an der Empfangselektrode D1, wenn durch Laufzeiteffekte keine Verzögerung im Übertragungskanal des Signals der ersten Sendeelektrode H1 eintritt. Das verstärkte Korrelationssignal ist der Messwert, der bestimmte elektrostatische Eigenschaften eines Objektes im Übertragungskanal der ersten Sendeelektrode wiedergibt.
Eine Verzögerung im Übertragungskanal führt zu einem verzögerten Signal, das Code-Anteile enthält, die einem um typischerweise ein Bit verschobenen Code entsprechen. Beispielsweise enthält das verzögerte Signal der Code-Bit-Folge 010110 dann Anteile des Codes 001011. Ein solcher Code wird im Folgenden verzögerter Code genannt.
Der Regelalgorithmus des erfindungsgemäßen Verfahrens zur Bestimmung des Abstands zusätzlich zur Bestimmung der Reflektivität arbeitet so, dass die Sendeleistung des Kompensationssenders K derart geregelt wird, dass auch die Wahrscheinlichkeit der Detektion des verzögerten Codes bzw. des invertierten gesendeten Codes durch den Empfänger minimiert wird. Wird der invertierte Code des verzögerten Codes detektiert, so ist der Kompensationssender, die die Kompensationssendeelektrode speist, für diesen verzögerten Code zu stark eingestellt. Wird lediglich der verzögerte Code detektiert, so ist der Kompensationssender K für diesen Code zu schwach eingestellt.
Um den Anteil des verzögerten Codes im Empfängersignal, das von der Empfangselektrode D1 gespeist wird, feststellen zu können, wird ein verzögertes Speisesignal mit dem Ausgangssignal des Empfängers korreliert. Ein verzögertes Speisesignal ist ein auf dem verzögerten Code basierendes Speisesignal. Das so erhaltene Korrelationssignal wird verstärkt und mit dem inversen Code des verzögerten Codes multipliziert. Die so erhaltene zusätzliche Codefolge führt bei Sendung zusammen mit der zuvor bestimmten Codefolge für den nicht verzögerten Code durch die Kompensationssendeelektrode K zu einer Auslöschung der Summe der reflektierten Signale in der Empfangselektrode D1 und damit im Empfänger.
Die Stärke, mit der der Kompensationssender und damit das durch die Kompensationssendeelektrode K abgestrahlte Signal für diese Codefolge eingestellt wird, ist der Messwert der Verzögerung in der Übertragungsstrecke.
Hierbei taucht das Problem auf, dass der verzögerte Code bei dem jeweils angewandten Korrelationsverfahren nicht mit dem nicht verzögerten Code korrelieren darf. Ist das Korrelationsverfahren die Bildung eines Skalar-Produkts, so bedeutet dies, dass Code und verzögerter Code zueinander orthogonal sein müssen, damit die beiden Messwerte voneinander unabhängig sind. Falls dies nicht der Fall ist, und das Maß der Korrelation der Codes untereinander bekannt ist, kann jedoch durch eine einfache Matrix-Multiplikation eine Orthogonalität wieder hergestellt werden. In den folgenden Abschnitten wird daher auch eine Methode beschrieben, die unabhängig von dem verwendeten Code eine Verzögerungsmessung zulässt.
Die auf diese Weise bestimmten Korrelationsfunktionen geben somit die Position der Objekte wieder. Somit ist mit nur einem Sendesystem bestehend aus Sender mit Sendeelektrode, Kompensationssender mit Kompensationssendeelektrode und Empfänger mit Empfangselektrode die sofortige und somit gleichzeitige Detektion eines Objekts bzw. dessen Position (als Abstand) in der Übertragungsstrecke möglich.
Unterschiede zum Stand der Technik im Bezug auf die Laufzeitmessung bzw. Messung der Geschwindigkeit der Umpolarisation
Das erfindungsgemäße Verfahren unterscheidet sich damit von den bekannten Detektionsverfahren mit Kompensation, da diese stets monofrequente, getaktete Signale voraussetzen, die ein Tastverhältnis von 50% aufweisen und damit störempfindlich und nicht ohne weiteres triangulationsfähig sind.
Die im Stand der Technik bekannten Systeme zur Messung der Laufzeit verlangen einen Phasenschieber, der ebenfalls nur bei diesen monofrequenten Signalen eingesetzt werden kann. Derartige bekannte Systeme sind jedoch gerade nicht für mehrere Signale mit mehreren Frequenzen oder für Signale mit unterschiedlichen Tastverhältnissen geeignet, da der Phasenschieber zu einer Verzerrung der multifrequenten Signale führt und eine Verzögerung der Signale nur bei monofrequenten Signalen mit einem einzigen konkreten Phasenverschiebungswinkel identisch ist. Genau diese Verzögerung soll aber kompensiert werden, was für Vorrichtungen gemäß dem Stand der Technik nicht möglich ist. Das erfindungsgemäße Verfahren überwindet diese Nachteile jedoch und erlaubt den Einsatz von multifrequenten Signalen und damit die Übertragung redundanter Information, was die Störempfindlichkeit signifikant senkt.
Messung der Laufzeit bzw. der Geschwindigkeit der Umpolarisation durch die Auswertung der Signalflanken
Neben der Messung mit Codes kann auch basierend auf Signalflanken eine Objektdetektion vorgenommen werden. Dies wird im Folgenden an einem Beispiel erläutert:
Um mit dem erfindungsgemäßen Verfahren ein in der Übertragungsstrecke positioniertes Objekt zu detektieren, das die Übertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke beeinflusst, ist eine Amplitudenmessung nicht ausreichend, insbesondere wenn der Abstand zwischen dem Objekt und dem Sender ermittelt werden soll. Dies beruht auf der Tatsache, dass wesentliche Eigenschaften des Objekts in der Regel unbekannt ist. Es gilt daher, wie zuvor die Verzögerung, zu bestimmen, die von dem Objekt verursacht wird. Aus diesem Grund wird neben dem Speisesignal für den ersten Sender ein zusätzliches, um einen vorbestimmten Zeitraum Δt verzögertes Signal gebildet. Das verzögerte Signal würde, wie oben bereits beschrieben, ausreichen, um die Verzögerung des vom Objekt zurückgeworfenen Signals zu detektieren und damit Rückschlüsse auf die Position und/oder Bewegung und/oder Eigenschaften eines Objektes erhalten zu können. Eine solche Eigenschaft kann beispielsweise sein, wie schnell sich das Objekt seine Polarisation ändert. Solche Verfahren sind ähnlich der Impedanzspektroskopie. Im Gegensatz zu dieser wird hier jedoch das elektrostatische Feld kompensiert, wodurch jeder Stromfluss, insbesondere ein Verschiebungsstrom nahezu vermieden wird. Daher eignet sich das erfindungsgemäße Verfahren besonders für solche Fälle, in denen eine Elektrolyse oder die Ausbildung einer Doppelschicht an der Empfangselektrode vermieden werden soll.
Im Rahmen der Erfindung wurde, wie bereits angedeutet, erkannt, dass die Verarbeitung eines derartigen, verzögerten Signals technisch schwierig ist, da dieses Signal nicht notwendigerweise orthogonal zu dem Speisesignal ist. Entscheidend bei der Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist die Bestimmung des Filters F1, mit dem die Hilbert-Projektion technisch realisiert wird. Es kann gezeigt werden, dass für eine ideale Übertragungsstrecke zwischen dem Sender H1 und Empfänger D1 bei einem bandbegrenzten Speisesignal S5 und einem linearen Filter F1 das Signal mit der Amplitudeninformation proportional zur Dämpfung der Übertragungsstrecke ist. Dies gilt insbesondere dann, wenn in dem Regelkreis nach dem Filter F1 zusätzlich ein Verstärker V1 eingesetzt wird, da in praxi der Verstärker große Verstärkungsfaktoren aufweist, um einen hinreichenden kleinen Regelfehler zu erhalten und somit durch eine große Rückkopplung Nichtlinearitäten und parasitäre Einflüsse des Übertragungssystems zu unterdrücken.
Es kann gezeigt werden, dass die Funktion des Filters F1 beim Vorhandensein eines Störers J1 in dem Übertragungskanal nur dann rein proportional zur Dämpfung der Übertragungsstrecke ist, wenn der Störer J1 keine Anteile aufweist, die synchron zu dem Speisesignal S5 der ersten Senderelektrode H1 sind. Der Anteil des Störers J1, der synchron zu dem Speisesignal der ersten Sendeelektrode S5 ist, ist von dem Speisesignal S5 selbst nicht mehr zu unterscheiden. Das Messsignal S4 (Empfangssignal des Empfängers bzw. dessen Ausgangssignal) wird damit verfälscht. Aus diesem Grund ist es wichtig, dass das Speisesignal der Sendeelektrode S5 und die Filterfunktion des Filters F1 derart gewählt werden, dass das Filterausgangssignal S10 für das mit dem Störsignal multiplizierte Speisesignal S5 minimal wird. Dies entspricht einer Orthogonalitätsforderung zwischen dem Störsignal und dem Speisesignal. Dies lässt sich insbesondere dann erreichen, wenn die Eigenschaften des Störers und somit des Signalanteils des Störers im Empfängerausgangssignal S1 bekannt sind, beispielsweise weil der verursachende Prozess des Störsignals bekannt ist, wie etwa bei einem thermischen Rauschen.
Ähnlich, wie zuvor für die Versendung von Codes beschrieben, kann das System optimiert werden. Hierzu wird das Speisesignal S5 nur für diese Bestimmung gleich 1 gesetzt und das System vermessen. Das System empfängt nun eine durch den Störer vorgegebene Sequenz. Existieren mehrere Templates von Speisesignalen, die für die Aussendung als Speisesignal zur Auswahl stehen, so wird für das nächste Aussenden mittels der ersten Sendeelektrode das Template ausgewählt, dessen Filterfunktion F1 nach Multiplikation des Speisesignals mit der Störsequenz unter allen möglichen Templates minimal ist.
Wie bereits erwähnt, wurde im Rahmen der Erfindung erkannt, dass die Verwendung eines gegenüber dem Speisesignal S5 verzögerten Signals S5d in der Verarbeitung technisch schwierig ist, wenn das verzögerte Signal S5d nicht orthogonal zu dem Speisesignal S5 ist. Im Falle der Codes wurde dies durch die Forderung sichergestellt, dass der verzögerte Code orthogonal zum nicht verzögerten Code sein sollte. Die Filterfunktion ist bei Nichtvorliegen der Orthogonalität nicht mehr proportional zur Dämpfung der Übertragungsstrecke. Aus diesem Grund wird in einer bevorzugten Ausführungsform des erfindungsgemäßen Verfahrens ähnlich wie zuvor bereits bei der Verwendung von Codes angedeutet, ein orthogonales Basissignal S5o gebildet, das orthogonal zu dem Speisesignal des Generators S5 ist, mit dem die erste Sendeelektrode gespeist wird. Dieses orthogonale Signal S5o wird verwendet, um z. B. die Lage eines Objekts im Raum oder die durch die nicht instantan erfolgende Umpolarisation des Objekts hervorgerufene Signalverzögerung zu bestimmen.
Beispielsweise kann ein orthogonales Speisesignal S5o aus der Differenz eines gegenüber dem Speisesignal S5 vorlaufenden Signals S5v und eines nachlaufenden Signals S5d erzeugt werden. Das vorlaufende Signal S5v läuft um einen Zeitraum Δt gegenüber dem Speisesignal S5 vor, während das nachlaufende Signal S5d um diesen Zeitraum Δt verzögert ist. Hierbei wird vorausgesetzt, dass der Mittelwert des Signals S5 gleich Null ist.
Alternativ wird das orthogonale Speisesignal S5o aus der Differenz des Speisesignals S5 und eines um den Zeitraum Δt nachlaufenden Signals S5d gebildet. In dem Fall darf für die Hilbert-Projektion zur Amplitudenregelung jedoch nicht mehr das Speisesignal S5, sondern nur noch das Differenzsignal S5 – S5o verwendet werden.
Bevorzugt wird dieses orthogonale Speisesignal S5o in dem Verfahren verwendet, wobei nach Erzeugung des orthogonalen Signals S5o das Skalar-Produkt zwischen S5o und dem Empfängerausgangssignal S1 gebildet wird, so dass ein orthogonales Projektionsbildsignal S10o erzeugt wird. Dieses wird zusätzlich zu dem Projektionsbildsignal S10 gebildet, das auf dem Speisesignal S5 bzw. auf der Differenz zwischen Speisesignal S5 und orthogonalem Speisesignal S5o beruht. In einem weiteren Schritt erfolgt ein optionales Verstärken des orthogonalen Projektionsbildsignals S10o mittels eines Verstärkers zum Signal S4o. Das so gebildete Ausgangssignal S4o wird in einem weiteren Schritt rückprojiziert, wobei es mit dem orthogonalen Speisesignal S5o multipliziert wird. Das so entstandene orthogonale Vorsignal S6o wird zu dem Vorsignal S6, das durch Multiplikation des Speisesignals S5 mit dem Ausgangssignal S4 bzw. durch Multiplikation des Differenzsignals S5 – S5o mit dem Ausgangssignal S4 gebildet wurde, addiert. Durch Addition des Vorsignals S6, des orthogonalen Vorsignals S6o und gegebenenfalls eines optionalen Bias-Wertes B1 wird das Kompensationssignal S3 erzeugt, mit dem die Kompensationssendeelektrode K gespeist wird.
Bevorzugt erfolgt auch bei der Bildung des Skalar-Produkts zwischen dem durch die Empfängerelektrode D1 gespeisten Empfängerausgangssignal S1 und dem orthogonalen Speisesignal S5o eine Multiplikation der beiden Signale und eine anschließende Filterung, die mittels eines zweiten Filters F2 durchgeführt wird. Dieser Filter ist von dem ersten Filter F1, mit dem das auf dem Speisesignal beruhende Projektionsbildsignal gefiltert wird, verschieden. Typischerweise weist er aber die gleichen Parameter auf.
Befindet sich nun ein Objekt in der Übertragungstrecke, so erzeugt die Modifikation des Sendesignals durch das Objekt, beispielsweise eine Reflektion; einen Anteil im Signal S1, der mit S5o korreliert. Die Korrelation ist stärker und somit der Pegel des Signals S4o höher, wenn sich das Objekt näher an dem Empfänger-Sender-Paar befindet und geringer, wenn es sich weiter weg befindet.
Ortsauflösung bzw. Materialauflösung mehrerer Objekte mit Hilfe einer verschiebbaren Zone
Es besteht teilweise die Anforderung, mehrere Objekte oder Materialien (und durch diese verursachte unterschiedliche Polarisationsverzögerungen) getrennt voneinander detektieren zu können. Um die Auflösung mehrerer Objekte und deren Detektion im Raum oder die Auflösung verschiedener Materialien mit unterschiedlichen Polarisationsgeschwindigkeiten zu ermöglichen, wird nicht nur ein orthogonales Signal verwendet, sondern bevorzugt mehrere orthogonale Signale, beispielsweise zwei. Diese sind beispielsweise so gestaltet, dass sie aufgrund aufeinanderfolgender zeitlicher Bereiche, beispielsweise aufeinander folgenden räumlichen Bereichen, in denen sich ein Objekt befinden kann, entsprechen. Im Falle von Änderungen der Polarisation der Objekte kann es sich beispielsweise aber auch um unterschiedliche Änderungsgeschwindigkeiten bei Umpolarisierungen der Objekte beispielsweise in Folge unterschiedlicher Materialien und Grenzflächen handeln. Drei derartige orthogonale Basissignale S5o1, S5o2 und S5o3 können beispielsweise aus drei dem Speisesignal S5 nachlaufenden Signalen, also verzögerten Signalen S5d1, S5d2, S5d3 gebildet werden. Insbesondere werden die aus diesen Signalen gebildeten orthogonalen Basissignale S5o1, S5o2, S5o3 typischerweise als einer S5-Flanke nachlaufende Impulse generiert. Hierbei können die Verzögerungszeiträume der einzelnen Signale unterschiedlich sein. Die Signale sind zweckmäßigerweise aber nicht zwingend auch untereinander orthogonal.
Bevorzugt werden hierzu aus dem Speisesignal S5 ein um einen ersten Zeitraum Δt1 gegenüber diesem verzögertes Signal S5d1, ein um einen zweiten Zeitraum Δt2 verzögertes Signal S5d2 und ein um einen dritten Zeitraum Δt3 verzögertes Signal S5d3 gebildet. Der zweite Verzögerungszeitraum Δt2 ist größer als der erste Zeitraum Δt1. Der dritte Zeitraum Δt3 ist größer oder gleich dem zweiten Zeitraum Δt2. In einem weiteren Schritt wird aus dem Speisesignal S5 und dem Signal S5d1 ein erstes Basissignal S5o1 beispielsweise durch Bildung der Differenz der beiden Signale S5 und S5d1 gebildet. Zu diesem Basissignal S5o1 wird ein zweites, zu diesem orthogonales Basissignal S5o2 erzeugt, wobei das orthogonale Basissignal S5o2 bevorzugt aus der Differenz des ersten verzögerten Signals S5d1 minus des zweiten verzögerten Signals S5d2 gebildet wird. Zu den Basissignalen S5o1 und S5o2 wird ein drittes, zu diesen orthogonales Basissignal S5o3 erzeugt, wobei das orthogonale Basissignal S5o3 bevorzugt aus der Differenz des zweiten verzögerten Signals S5d3 minus des dritten verzögerten Signals S5d3 gebildet wird. Das dritte orthogonale Basissignal S5o3 kann, wenn Δt3 gleich dem zweiten Zeitraum Δt2 ist, verschwinden. Der erste Verzögerungszeitraum Δt1 kann auch Null sein. Aus dem ersten Speisesignal S5, und den dazu orthogonalen dreinachlaufenden Signalen S5d1, S5d2 und S5d3 werden somit durch Anwendung der oben beschriebenen Verfahrensschritte jeweils die drei orthogonalen Basissignale S5o1, S5o2 und S5o3 gebildet. Diese sind jedoch nicht orthogonal zum Speisesignal S5. Daher wird ein orthogonales Signal S5o durch Subtraktion der Signale S5o1, S5o2 und S5o3 vom Signal S5 erzeugt. Aus den drei orthogonalen Basissignalen S5o1, S5o2 und S5o5 und dem orthogonalen Basissignal S5o, das auf dem Speisesignal S5 des ersten Senders beruht, wird, wie gewohnt, durch vier Hilbert-Projektionen des Empfängerausgangssignals S1 auf eines der vier Signale S5o, S5o1, S5o2 und S5o3 und anschließender Verstärkung und teilweiser Rücktransformation das Kompensationssignal S3 zur Speisung des Kompensationssenders K gebildet. Bevorzugt erfolgt dies durch Addition der entsprechenden Vorsignale S6o, S6o1, S6o2 und S6o3. Auf diese Weise werden die Verzögerungen dem Kompensationssender zugeführt.
Wird die Differenz Δt₂ – Δt₁ und der Zeitraum Δt₃ konstant gehalten, so kann durch Variation von Δt₁ der Puls, den das Signal S5o2 darstellt, verschoben werden. Damit wird beispielsweise auch der räumliche Punkt der detektierbaren Reflektionen bei Time-of-Flight Systemen verschoben. Gleiches gilt für die zeitliche Erfassung eines unterschiedlichen Umpolarisationszeitpunktes bei gleichen räumlichen Objektabständen und unterschiedlichen Objektmaterialien.
Ortsauflösung bzw. Materialauflösung mehrerer Objekte mit Hilfe mehrerer Zonen
Selbstverständlich ist es auch möglich, nicht nur drei orthogonale Signale zur Anwendung des Verfahrens zu erzeugen, sondern eine Vielzahl von n. Die Weiterverarbeitung dieser orthogonalen Signale S5o1, S5o2, ... S5on erfolgt entsprechend, so dass mehrere orthogonale Vorsignale S6o1, S6o2, ... S6on gebildet werden, aus denen das Kompensationssignal S3 zur Speisung der Kompensationssendeelektrode K gebildet wird. Zur Erzeugung der Vorsignale S6o1, S6o2, ... S6on können bevorzugt auch mehrere Verstärker verwendet werden.
Besonders bevorzugt sind bei der Verwendung mehrerer orthogonaler Signale mindestens zwei dieser Signale S5o1, S5o2, ... S5on zueinander orthogonal und nicht nur orthogonal zu dem Speisesignal S5 des ersten Senders.
Kompensation einer Verzögerung durch Verzögerung des Kompensationssignals
In einer bevorzugten Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens erfolgt wenigstens eine Verzögerung des weiterverarbeiteten Signals, das auf dem Empfängerausgangssignal S1 beruht, das auf dem durch die Empfangselektrode empfangenen Signal beruht, innerhalb der rückkoppelnden Regelungsschleife. Es wird zu dem Speisesignal S5 ein orthogonales Basissignal S5o erzeugt, aus dem nach Hilbert-Projektion mit dem Empfängerausgangssignal S1 ein orthogonales Ausgangssignal S4o gebildet wird, insbesondere mittels eines zweiten Verstärkers. Das weiterzuverarbeitende Empfängerausgangssignal S1 wird in Abhängigkeit des orthogonalen Ausgangssignals S4o des orthogonalen Basissignals S5o in der Weiterverarbeitung zu dem Kompensationssignal S3 zur Speisung des Kompensationssenders K verzögert. Die Verzögerung kann an mehreren Stellen einzeln oder in Kombination im Regelkreis erfolgen. Eine erste Möglichkeit der Verzögerung besteht darin, das Speisesignal S5 unmittelbar vor der Hilbert-Projektion des Speisesignals S5 mit dem Empfängerausgangssignal S1 zu verzögern. Eine Verzögerung kann auch während der Rücktransformation erfolgen, wobei das Vorsignal, aus dem das Kompensationssignal, gebildet wird, verzögert wird. Nach Verzögerung der jeweiligen Signale erfolgt eine Weiterverarbeitung der verzögerten Signale anstatt der sonst nicht verzögerten Signale. Auf diese Weise ist es möglich, an mehreren Stellen der Regelschleife ein Verzögerungsglied einzufügen, um eine bessere Auflösung bei der Detektion bzw. Vermessung eines Objektes in der Übertragungsstrecke zu erzeugen.
Behandlung von Nahfeldeffekten
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass bei der Detektion von Objekten, die nahe dem Empfänger positioniert sind, das Verfahren oft in einem ungünstigen Arbeitspunkt arbeitet. Ursächlich ist, dass die Systemkomponenten in der Regel nur um gewisse Arbeitspunkte herum linear arbeiten. Das ganze Verfahren setzt aber genau diese Linearität voraus. Wird das System also mit irgendeiner Komponente in einen extremen Arbeitspunkt gebracht, so führt dies zu Nichtlinearitäten und damit zu Verfälschungen. Genau dies ist beispielsweise bei sehr kleinen Verzögerungen der Fall.
Es wurde erkannt, dass dieses Problem für den Fall einer nur sehr kleinen Verzögerung umgangen werden kann, wenn unmittelbar vor dem ersten Sender (der ersten Sendeelektrode) ein definiertes Verzögerungsglied eingebaut wird. Dieses simuliert für das System einen größeren Abstand und bringt es dadurch in einen besseren Arbeitspunkt. Bevorzugt kann dieses Verzögerungsglied geregelt sein. In einer bevorzugten Ausführungsform werden die erste Sendeelektrode oder bei Anwendung eines Systems mit mehreren ersten Sendeelektroden, diese ersten Sendeelektroden nicht direkt durch das Speisesignal S5 angesteuert. In wenigstens einer Betriebslage bzw. einem Betriebszustand wird die ersten Senderelektrode H1 bzw. die ersten Senderelektroden durch ein zeitlich verzögertes Signal S5d' angesteuert.
Bevorzugt wird gemäß dem Verfahren zunächst ein zu dem Speisesignal S5 orthogonales Basissignal S5o erzeugt. Anschließend erfolgt sowohl eine Hilbert-Projektion des Empfängerausgangssignals S1 mit dem Speisesignal S5 wie auch mit dem orthogonalen Basissignal S5o. Gegebenenfalls wird das orthogonale Projektionsbildsignal S10o verstärkt und zu einem orthogonalen Ausgangssignal S4o weiterverarbeitet. Die Verzögerung des ursprünglichen Speisesignals S5 erfolgt bevorzugt in Abhängigkeit von dem orthogonalen Ausgangssignal S4o, das die durch ein Objekt in der Übertragungsstrecke hervorgerufene Verzögerung (z. B. eine Laufzeitverzögerung) repräsentiert. Das verzögerte Speisesignal S5d' dient dann zum Speisen der ersten Sendeelektrode (H1) bzw. der ersten Sendeelektroden.
Im Rahmen der Erfindung wurde erkannt, dass dieses Prinzip eines verzögerten Ausgangssignals auch dann angewendet werden kann, wenn das eigentliche Speisesignal getaktet und/oder monofrequent ist. Die Verzögerung des Speisesignals und Bildung des verzögerten Speisesignals kann dann auch mittels einer Phasenverschiebung erfolgen, da dann keine Verzerrung der Signale auftritt. Eine Phasenverschiebung ist nur in diesem Fall möglich, nicht jedoch bei Anwendung von multifrequenten Speisesignalen, da dann die Signale verzerrt würden.
Da das erfindungsgemäße Verfahren zunächst grundsätzlich mit einem beliebigen Speisesignal S5 zur Speisung des Senders erfolgen kann, ist dessen Generierung relativ einfach. Je nach Anwendungsfall können zur Erzeugung des Speisesignals S5 beispielsweise Codemultiplexverfahren (Code Division Multiple Access, CDMA) verwendet werden. Hierbei können sowohl synchrone als auch asynchrone CDMA-Verfahren genutzt werden. Dies basiert auf der Erkenntnis, dass breitbandige Speisesignale bzw. breitbandige Sendesignale weniger leicht zu stören sind als schmalbandige Signale. Es können folglich im Gegensatz zum Stand der Technik auch sogenannte Spread-Spektrum-Verfahren zur Generierung eines Spreizcodes verwendet werden. Das Speisesignal S5 für den ersten Sender H1 kann beispielsweise auch mittels eines Zufallsgenerators oder eines Quasizufallsgenerators erzeugt werden. Bei einem asynchronen CDMA-Code kann der Quasizufallsgenerator beispielsweise als rückgekoppeltes Schieberegister ausgebildet sein. Die Rückkopplung kann bevorzugt durch ein einfach primitives Polynom (Generatorpolynom) erfolgen. Für alle diese Verfahren zur Erzeugung des Speisesignals S5 ist es wichtig, dass die Bedingungen einer Bandbegrenzung etc., wie zuvor erläutert, erhalten bleiben.

Wichtig bei der Erzeugung des einfach primitiven Generatorpolynoms ist daher unter anderem, dass der Ausgangspegel bipolar ist, also im Mittel keinen Bias-Anteil enthält. Nur dann kann das Filter so eingestellt werden, dass die Anwendung der Filterfunktion auf das Speisesignal selbst Null ergibt. Durch eine dermaßen sichergestellte Erzeugung einer Quasizufallsfolge als primitives Generatorpolynom kann die Bedingung erfüllt werden, dass die Filterung des mit dem Störsignal multiplizierten Speisesignals zu einem Minimum führt. Ein wichtiger Umstand ist, dass einfach primitive Polynome nicht durch alle 2ⁿ Zustände eines rückgekoppelten n-Bit-Schieberegisters laufen sondern nur durch 2ⁿ – 1. Der eine nicht durchlaufene Zustand muss, um eine 50% Wahrscheinlichkeit für eine 1 oder 0 herzustellen (Bias-Wert = 0), durch eine Zusatzlogik eingebunden werden. Geeignete primitive Generatorpolynome, die bei der Rückkopplung zu einer Quasizufallsfolge führen, sind in nachfolgender Tabelle angegeben. Diese Tabelle ist nur beispielhaft und nicht abschließend.

1 + x	1 + x + x²
1 + x + x³	1 + x + x⁴
1 + x² + x⁵	1 + x + x⁶
1 + x³ + x⁷	1 + x + x² + x⁷ + x⁸
1 + x⁴ + x⁹	1 + x³ + x¹⁰
1 + x² + x¹¹	1 + x + x⁵ + x⁸ + x¹²
1 + x + x² + x¹² + x¹³	1 + x² + x³ + x¹³ + x¹⁴
1 + x + x¹⁵	1 + x + x⁷ + x¹⁰ + x¹⁶
1 + x³ + x¹⁷	1 + x⁷ + x¹⁸
1 + x + x⁴ + x¹⁶ + x¹⁹	1 + x³ + x²⁰
1 + x² + x²¹	1 + x + x²²
1 + x⁵ + x²³	1 + x²⁰ + x²¹ + x²³ + x²⁴
1 + x³ + x²⁵	1 + x + x² + x⁶ + x²⁶
1 + x + x² + x⁵ + x²⁷	1 + x³ + x²⁸
1 + x² + x²⁹	1 + x + x² + x²³ + x³⁰
1 + x³ + x³¹	1 + x + x² + x²² + x³²
1 + x¹³ + x³³	1 + x + x² + x²⁷ + x³⁴
1 + x² + x³⁵	1 + x + x² + x⁴ + x⁵ + x⁶ + x³⁶
1 + x + x² + x³ + x⁴ + x⁵ + x³⁷	1 + x + x⁵ + x⁶ + x³⁸
1 + x³ + x⁴¹	1 + x + x² + x³ + xy + x⁵ + x⁴²
1 + x³ + x⁴ + x⁶ + x⁴³	1 + x² + xy + x⁶ + x⁴⁴
1 + x + x³ + x⁴ + x⁴⁵	1 + x + x² + x³ + x⁵ + x⁸ + x⁴⁶
1 + x⁴ + x⁵ + x⁶ + x⁴⁹	1 + x² + x³ + x⁴ + x⁵⁰
1 + x + x³ + x⁶ + x⁵¹	1 + x + x³ + x⁵²
1 + x + x² + x⁶ + x⁵³	1 + x² + x³ + x⁴ + x⁵ + x⁶ + x⁵⁴

Tabelle 1: Ausgewählte primitive Generatorpolynome

Wie bereits oben schon erwähnt, wird das erfindungsgemäße Verfahren nicht nur bevorzugt mittels eines Analogrechners sondern bevorzugt teilweise digitalisiert durchgeführt. Bevorzugt laufen wenigstens Teile des Verfahrens in digitaler Form auf einem Mikrorechner oder einem Signalprozessor ab. Die Digitalisierung kann auch unter Zuhilfenahme einer Finite-State-Machine(FSM) oder in einem sogenannten Hidden-Markov-Model (HMM) oder mittels eines sogenannten Petri-Netzes oder mittels eines Neuronalen Netzes (NN) erfolgen.
Betrachtung verschiedener physikalischer Größen
Bevorzugt kann das erfindungsgemäße Verfahren mit einem Sensorsystem ausgeführt werden, das einen ersten Sender mit einer ersten Sendeelektrode, einen Kompensationssender mit einer Kompensationssendeelektrode als zweiten Sender mit zweiter Sendeelektrode und einen Empfänger mit einer Empfangselektrode umfasst. Ein derartiges System ist geeignet, um die Übertragungseigenschaften einer Übertragungsstrecke zwischen dem ersten Sender und dem Empfänger zu vermessen. Das Sensorsystem ist dabei auf ein auf einer rückgekoppelten Kompensation beruhendes Messsystem. Der erste Sender und damit die erste Sendeelektrode wird mit einem Speisesignal, das bevorzugt mittels eines Generators erzeugt wird, gespeist und sendet ein erstes Sendesignal in die Übertragungsstrecke zu der Empfangselektrode und damit dem Empfänger. Der Kompensationssender sendet mittels der Kompensationssendeelektrode ein zweites Signal durch eine zweite Übertragungsstrecke ebenfalls zu zur Empfangselektrode und damit zu dem Empfänger, wobei bevorzugt die zweite Übertragungsstrecke unbeeinflusst ist. In der Empfangselektrode und damit am Empfänger werden die empfangenen Signale typischer Weise linear überlagert. Bevorzugt erfolgt die Überlagerung durch Addition der Empfangssignale. Das Speisesignal für den ersten Sender ist derart ausgebildet, dass das Empfängerausgangssignal und das Speisesignal einen Vektorraum in einem Prä-Hilbert-Raum bilden.
Eine Verarbeitungseinheit des Sensorsystems ist in der Lage, eine Hilbert-Projektion von Empfängerausgangssignal und Speisesignal durchzuführen und ein Projektionsbildsignal zu bilden. In einem ersten Verstärker wird dieses Projektionsbildsignal zu einem Ausgangssignal durch Verstärkung weiterverarbeitet.
Die Verarbeitungseinheit ist darüber hinaus dazu ausgebildet und eingerichtet eine Rücktransformation des Ausgangssignals mit dem Speisesignal durchzuführen und hieraus ein Vorsignal zu bilden, welches durch Weiterverarbeitung zu einem Kompensationssignal wird. Das Kompensationssignal dient zur rückkoppelnden Regelung des Empfängerausgangssignals und wird in den Kompensationssender und damit die Kompensationssendeelektrode eingespeist, der daraus ein Kompensationssendesignal erzeugt, was an die Empfangselektrode und damit an den Empfänger übertragen wird. Bevorzugt erfolgt in der Verarbeitungseinheit die Rücktransformation durch Multiplikation und gegebenenfalls zusätzlicher Addition der entsprechenden Signale.
Das erfindungsgemäße Sensorsystem weist den Vorteil auf, dass die Signalübertragung zwischen dem ersten Sender und dem Empfänger auf einer Vielzahl von elektro-physikalischen Effekten beruhen kann. Die Signalübertragung kann kapazitiv, elektromechanisch oder elektromagnetisch erfolgen. Eine Kompensation kann insbesondere auch mittels eines elektrischen Stroms oder einer elektrischen Spannung direkt in die Empfangselektrode hinein stattfinden. Ebenso ist es insbesondere möglich, eine elektrostatisch-fluidische, elektrostatisch-hydraulische Signalübertragung zu realisieren. Dabei dürften elektrostatisch-akustische Wellen zum Einsatz kommen. Als übertragenes Signal kann auch die Veränderung einer physikalischen Eigenschaft (z. B. Dichte) oder chemischen Eigenschaft eines Objektes (z. B. Auflösung eines dielektrischen Metalls in einer Säure) dienen. Insbesondere ist die Veränderung der Eigenschaft, insbesondere der elektrostatischen Eigenschaften, eines Festkörpers als Signal sinnvoll.
Sowohl das erfindungsgemäße Verfahren wie auch das erfindungsgemäße Sensorsystem ermöglichen die Bestimmung der Übertragungseigenschaften einer Übertragungsstrecke oder das Erfassen von Objekten oder Medien oder Änderung von Medien innerhalb der Übertragungsstrecke zwischen dem Sender und dem Empfänger. Selbstverständlich lassen sich auch mehrere Übertragungseigenschaften der Übertragungsstrecke detektieren. Solche Übertragungseigenschaften können beispielsweise Dielektrizitätszahlen und Dipol-Relaxationszeiten sein. Es können aber auch Objekte vermessen werden, wobei insbesondere die Objektdichte, die Objektgröße oder die Objektzusammensetzung detektiert werden können. Auch ist die Lage eines Objekts im Raum, der Abstand des Objekts zum Empfänger und die Objektorientierung im Raum zu erfassen. Das System eignet sich jedoch auch, die elektrostatische Transmission, insbesondere eine signalspektrumsabhängige oder feldabhängige Transmission zu detektieren.
Daneben lassen sich auch die Dämpfung oder Absorption von Werkstoffen, insbesondere die signalspektrumsabhängigen oder feldabhängigen Eigenschaften ermitteln. Hier sei nur die Vermessung von Objekten mit Hilfe von Verschiebungsströmen erwähnt. Des Weiteren eignet sich das Verfahren, um die Reflektivität oder die Reflektion oder eine Phasenverzögerung zu erkennen, die durch Objekte oder beim Durchgang modulierter quasi elektrostatischer Felder durch ein Medium erfolgt. Es ist selbst möglich, Dipolresonanzen zu erfassen. Diese führen beispielsweise zu einer Verzögerung der Antwort in Größe der Dipol-Relaxationszeit.
Darüber hinaus ist es möglich, Leitfähigkeiten oder Widerstandswerte, Permeabilitäten oder Dielektrizitätswerte, Verlustwinkel etc. zu detektieren. Ebenso können Geschwindigkeitsverteilungen beispielsweise durch Vergleich von Verteilungen zu verschiedenen Zeitpunkten ermittelt werden.
In Abhängigkeit von der zu ermittelnden Größe der Eigenschaften der Übertragungsstrecke sind die Sender, die Sendeelektroden, die Empfänger, die Empfängerelektroden und die Kompensationssender, und Kompensationselektroden auszubilden, beispielsweise als Antennen, Kontakte, Elektroden, Elektroden, etc. Einige Beispiele werden exemplarisch anhand der nachfolgenden Figuren gegeben.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand von in den Figuren dargestellten besonderen Ausführungsformen näher erläutert. Die dort dargestellten Besonderheiten können einzeln oder in Kombination verwendet werden, um bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung zu schaffen. Die beschriebenen Ausführungen stellen keine Einschränkung der durch die Ansprüche in ihrer Allgemeinheit definierten Erfindung dar.
Es zeigen:
1 eine schematische Darstellung eines Sensorsystems gemäß der Erfindung und eines Generators;
2 ein Strukturbild einer ersten Ausführungsform des Sensorsystems gemäß 1;
3 bis 5 Strukturbilder von weiteren alternativen Ausführungsformen des erfindungsgemäßen Sensorsystems;
6 das Prinzipschaltbild einer alternativen Ausführungsform des Sensorsystems mit orthogonalen Basissignalen auf Basis von Doppelpulsen;
7 den zeitlichen Verlauf der Signale des Sensorsystems gemäß 6;
8 eine alternative Ausführungsform des Sensorsystems mit einem orthogonalen Basissignal;
9 ein Prinzipschaltbild der Kompensation im Vergleich zum Stand der Technik;
10, 11 weitere alternative Ausführungsformen des Sensorsystems mit mehreren orthogonalen Basissignalen;
12 ein Prinzipschaltbild einer Ausführungsform des Sensorsystems mit zwei Sendern und einem Empfänger;
13 ein Prinzipschaltbild einer alternativen Ausführungsform des Sensorsystems mit einem Sender und zwei Empfängern;
14 das Prinzipschaltbild eines Korrelators zum Aufbau eines mehrstufigen Tomographen mit mehreren Sendern und Empfängern;
15a das Prinzipschaltbild einer Messung der Polarisationsstärke in einem Kanal T1 mittels Elektroden;
15b das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels Elektroden durch Vektoraddition
16a das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels Elektroden durch Verzögerung des Kompensationssignals
16b das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels Elektroden durch Verzögerung des Sendesignals bei gleichzeitiger Vektoraddition
16c das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels Elektroden durch Verzögerung des Sendesignals bei gleichzeitiger Verzögerung des Kompensationssignals
17a das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels zweier separater Elektrodenpaare durch Verzögerung des Kompensationssignals;
17b das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels zweier separater Elektrodenpaare durch Verzögerung des Kompensationssignals bei gleichzeitiger Verzögerung des Sendesignals;
18 das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels zweier separater Elektrodenpaare durch Vektoraddition
19 eine schematische Ansicht einer Antenne aus 18;
20 das Prinzipschaltbild einer Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit in einem Kanal T1 mittels zweier Elektrodenpaare mit einer gemeinsamen Empfangselektrode D1 durch Vektoraddition;
21 eine schematische Ansicht einer Antenne aus 20;
22 das Prinzipschaltbild einer Messung der Polarisationsstärke in einem Kanal T1 mittels Elektroden wobei die Kompensation durch eine Stromquelle erfolgt;
23 das Prinzipschaltbild einer Messung der Polarisationsstärke in einem Kanal T1 mittels Elektroden wobei die Kompensation durch eine Stromquelle erfolgt. Der Eingang der Regelstrecke ist ein stromgesteuerter Verstärker.
1 zeigt ein Sensorsystem 100 gemäß der Erfindung und einen Generator G1 zur Erzeugung eines Speisesignals S5 für das kapazitive Sensorsystem 100.
Das kapazitive Sensorsystem 100 umfasst eine erste Sendeelektrode H1, eine zweite Sendeelektrode, die eine Kompensationssendeelektrode K ist, und eine Empfangselektrode D1. Das kapazitive Sensorsystem 100 wird eingesetzt, um die Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke zwischen der ersten Sendeelektrode H1 und der Empfangselektrode D1 zu messen.
Die erste Sendeelektrode H1 wird durch mit dem Speisesignal S5 des Generators G1 gespeist und sendet ein erstes Signal I4, I1 in die Übertragungsstrecke hinein, das durch die Empfängerelektrode D1 detektiert wird. Die Kompensationssendeelektrode K, auch Kompensator genannt, sendet ein zweites Signal I2 in eine zweite Übertragungsstrecke, das ebenfalls von der Empfängerelektrode D1 detektiert wird. Die elektrostatischen Flüsse der Sendeelektrode H1 und der Kompensationselektrode K und damit deren beiden abgestrahlten Signale überlagern sich typischerweise in der Empfängerelektrode D1 und damit deren Signal linear, also durch Addition. Die Empfängerelektrode D1 gibt über den Empfänger ein Empfängerausgangssignal S1 aus, das an eine Verarbeitungseinheit PU übermittelt wird.
Das Empfängerausgangssignal S1 und das von dem Generator G1 erzeugte Speisesignal S5 sind derart ausgebildet, dass sie je einen Vektor in einem Prä-Hilbert-Raum bilden. In der Verarbeitungseinheit PU erfolgt eine Hilbert-Projektion des Empfängerausgangssignals S1 und des Speisesignals S5 derart, dass ein Projektionsbildsignal S10 gebildet wird. In einem Verstärker V1 wird dieses Signal S10 verstärkt und als Signal S4 zur Verarbeitungseinheit PU zurückgegeben. Selbstverständlich kann die Verstärkung auch innerhalb der Verarbeitungseinheit PU erfolgen, wenn der Verstärker V1 Bestandteil der Verarbeitungseinheit ist.
Die Verarbeitungseinheit PU führt dann eine Rücktransformation des Ausgangssignals S4 mit dem Speisesignal S5 durch, wobei die beiden Signale bevorzugt miteinander multipliziert werden. Über einen Zwischenschritt eines Vorsignals wird schließlich zunächst das Vorsignal S6 und typischerweise durch Addition einer Konstante das Kompensationssignal S3 gebildet, mit dem der Kompensationssender und damit die Kompensationssendeelektrode K dann so gespeist wird, so dass eine rückkoppelnde Regelung mit dem Empfängerausgangssignal S1 erfolgt.
Befindet sich ein Objekt O in der Übertragungsstrecke, so wird das Sendesignal I4 der ersten Sendeelektrode H1 durch Anwesenheit des Objekts geändert, z. B. in der Phase gedreht. Somit detektiert die Empfängerelektrode D1 statt des Sendesignals I4 das durch die Eigenschaften des Objekts und der Übertragungsstrecke veränderte Signal I1. Daneben detektiert die Empfängerelektrode D1 ebenfalls in der Regel ein parasitäres Störsignal I5, das von einem Störer J1 ausgestrahlt wird. Selbstverständlich wird der Fachmann sich stets bemühen, solche Störer zu minimieren.
Wenn beispielsweise eine kapazitive Detektion eines Objekts in der Übertragungsstrecke erfolgen soll, wird beispielsweise ein elektrostatisches Wechselsignal ausgesendet. Die erste Senderelektrode H1 und die Kompensationssenderelektrode K sind in diesem Fall Antennen, z. B. einfache Flachelektroden. Die Empfängerelektrode ist in diesem Beispiel ebenfalls eine Flachelektrode. Somit lässt sich der Abstand, die Lage, eine Bewegung, oder die durch das Objekt verursachte Phasenverzögerung des Objekts O in der Übertragungsstrecke zwischen der ersten Sendeelektrode H1 und der Empfängerelektrode D1 ermitteln.
2 zeigt den prinzipiellen Aufbau des Sensorsystems 1 einschließlich der zu verarbeitenden Signalstränge. Der Generator G1, kann optional Teil des Sensorsystems 100 sein. Es ist jedoch auch möglich, die Verarbeitungseinheit PU mittels eines IC oder ASICs aufzubauen, das den Generator nicht umfasst. Beide Ausführungen sind denkbar und haben ihre entsprechenden Vorteile.
Das von dem Generator G1 erzeugte Speisesignal S5 ist vorzugsweise bipolar und symmetrisch um einen Nullwert herum. Sein Mittelwert ist dann Null. Dies vermeidet bei Elektroden einen unnötigen Stromfluss.
Sender können beispielsweise modulierbare Vorrichtungen wie Elektroden, Antennen sein, die zur Abstrahlung elektrostatischer Wellen geeignet sind.
In 2 ist die Übertragungsstrecke zwischen der ersten Sendeelektrode H1 und der Empfängerelektrode D1 und deren Einfluss auf die Signale in der Übertragungsstrecke durch die Komponente T1 dargestellt. Der Einfluss eines in der Übertragungsstrecke positionierten Objekts O auf die erste Übertragungsstrecke wird neben anderen Signalmodifikationen in der Übertragungsstrecke durch T1 beschrieben. Das Sendesignal I4 wird deshalb durch T1 in das Sendesignal I1 gewandelt. Zu diesem Signal wird ein eventuelles Störsignal I5 eines Störers J1 sowie das Kompensationssendesignal I2 der Kompensationselektrode K addiert und als Signal I3 in der Empfängerelektrode D1 empfangen.
Die in der Verarbeitungseinheit PU durchgeführte Hilbert-Projektion zwischen dem Speisesignal S5 und dem Empfängerausgangssignal S1 wird durch eine Multiplikation mittels eines ersten Multiplizierglieds M1 und die anschließende Filterung durchgeführt. Das bei der Multiplikation gebildete Detektionssignal S9 wird in einem Filter F1 gefiltert, dessen Ausgangssignal als Projektionsbildsignal S10 einem ersten Verstärker V1 zugeführt wird. Das Ausgangssignal S4 des ersten Verstärkers wird bevorzugt als Messwert weiterverarbeitet und ausgegeben. Intern wird das Ausgangssignal S4, das den Amplitudenwert darstellt, aus dem Hilbert-Raum rücktransformiert in den Zeitbereich. Dies erfolgt durch Multiplikation mit dem Speisesignal S5 mittels eines zweiten Multiplizierglieds M2. Die addierten Signale werden als Kompensationssignal S3 der Kompensationselektrode K so zugeführt, dass eine rückkoppelnde Regelschleife entsteht.
Das so beschriebene System ist geeignet, Amplitudenänderungen des durch die erste Sendeelektrode H1 ausgesendeten Signals zu messen.
Da die Amplitudenmessung zur Bestimmung eines Objektes in der Übertragungsstrecke T1 bei Objekten mit verschiedener Permeabilität nicht geeignet ist, eine zuverlässige Detektion der Lage oder Bewegung durchzuführen, muss auch die Verzögerung (z. B. Laufzeit der elektrostatischen Welle) detektiert werden (3). Hierzu wird mittels eines Verzögerungsglieds Δt ein gegenüber dem Speisesignal S5 verzögertes Signal S5d aus dem Speisesignal S5 gebildet. Es wird parallel verarbeitet zu der Verarbeitung des auf dem Speisesignal S5 beruhenden Sendesignals. Der Teil der Verarbeitungseinheit wird dazu im Wesentlichen zur Verarbeitung des Signals S5d dupliziert. Dazu wird in dem duplizierten Verarbeitungsstrang oder einer teilweise duplizierten, zusätzlichen Verarbeitungseinheit eine weitere Hilbert-Projektion von dem verzögerten Signal S5d und dem Empfängerausgangssignal S1 durchgeführt. Die Hilbert-Projektion erfolgt ebenfalls typischerweise durch Multiplikation mittels eines Multiplizierglieds M11 zum Signal S9d und anschließender Filterung mittels eines Filters F2 zum Signal S10d sowie einer Verstärkung mittels eines Verstärkers V2. Das Verstärkerausgangssignal S4d wird durch Multiplikation mit dem verzögerten Signal S5d zum verzögerten Vorsignal S6d rücktransformiert. Anschließend wird das verzögerte Vorsignal S6d zu dem Vorsignal S6 des Hauptregelstrangs addiert, um das Kompensationssignal S3 zu bilden. Das verzögerte Vorsignal S6d entspricht der durch ein Objekt hervorgerufenen Verzögerung Dieses Verfahren hat allerdings einen wesentlichen Nachteil: Es erfolgt folglich eine mittelnde Laufzeitmessung des Sensorsystems.
Das System liefert die Messwerte S4 und S4d. Diese repräsentieren die Dämpfung in der Übertragungsstrecke und die Verzögerung. Allerdings sind die beiden Signale nicht unabhängig. Das bedeutet, dass eine Änderung der Dämpfung im Übertragungskanal beide Signale – allerdings unterschiedlich – ändert. Gleiches gilt für eine Änderung der Verzögerung. Dann allerdings unterscheiden sich die Änderungen von einer Dämpfungsänderung. Eine Rücktransformation durch eine Auswerteeinheit ist also möglich.
Somit ist die Verarbeitung eines lediglich verzögerten, jedoch nicht orthogonalen Signals schwierig und aufwendig und damit nicht kostenoptimal.
Aus diesem Grund wird bevorzugt statt eines verzögerten Signals ein orthogonales Basissignal für die zusätzliche Hilbert-Projektion verwendet. (4) Das zusätzliche orthogonale Basissignal S5o wird beispielsweise aus der Differenz zwischen einem um einen Zeitraum Δt vor dem Speisesignal S5 vorlaufenden Signal S5v und einem um den gleichen Zeitraum Δt nachlaufenden Signal S5d gebildet.
Dazu wird das von dem Generator gebildete vorlaufende Signal S5v zunächst um Δt verzögert, um daraus das Speisesignal S5 zur Speisung des ersten Senders H1 zu bilden. In der Verarbeitungseinheit wird dann das Speisesignal S5 nochmals durch ein weiteres Verzögerungsglied zu dem Signal S5d verzögert. Die Differenzbildung von S5d und S5v führt zu einem orthogonalen Signal S5o, das orthogonal zu dem Speisesignal S5 ist. Folglich ist das Skalar-Produkt aus S5 und S5o stets Null.
4 zeigt die Ausführungsform des Sensorsystems, das ein derartiges orthogonales Basissignal verarbeitet. Hierbei wird im Vergleich zu 3 statt des verzögerten Signals S5d nun das orthogonale Signal S5o in dem parallelen Verarbeitungsstrang verarbeitet. Die beiden Systeme unterscheiden sich also in ihrer Struktur nur in der Art und Bildung des verwendeten zweiten Signals (S5o statt S5d).
Gemäß dem vorgeschlagenen Sensorsystem und dem erfindungsgemäßen Verfahren erfolgt also eine Vektoraddition im Syntheseteil der Verarbeitungseinheit und eine Skalar-Produktbildung orthogonaler Basissignale in dem Analyseteil. Dies hat den ganz wesentlichen Vorteil gegenüber dem Stand der Technik, dass auch mehr als zwei Parameter über mehr als zwei orthogonale Funktionen vermessen werden können. Technisch lässt sich diese, auf einer Summation basierende Verarbeitung sehr einfach realisieren und ist grundsätzlich zunächst auch für beliebige Signale bzw. Funktionen geeignet, was einen weiteren Vorteil gegenüber dem Stand der Technik darstellt.
Die Verwendung eines orthogonalen Basissignals bedeutet in der in 4 beispielhaft dargestellten Weise letztendlich die Beobachtung des Objektes in einem bestimmten Zeitschlitz. Der Vollständigkeit halber sei an dieser Stelle erwähnt, dass die Verwendung orthogonaler Basissignale nicht auf dieses zeitschlitzbasierende Verfahren limitiert ist. Soll eine genauere Beobachtung durch mehrere Zeitschlitze durchgeführt werden, werden bevorzugt mehrere orthogonale Basissignale S5oi erzeugt, die zu dem Speisesignal S5 orthogonal sind.
5 zeigt ein Beispiel eines Systems mit mehreren orthogonalen Basissignalen S5o, S5o1, S5o2 und S5o3. Hierbei sind typischerweise ΔT >> Δt und Δtx < ΔT – 2Δt. Für ΔT gilt vorzugsweise ΔT < 1/(4πω_max). Diese Basissignale sind jedoch nur ”semiorthogonal”, da sie zwar alle orthogonal zu dem Speisesignal S5 sind, jedoch nicht untereinander orthogonal sind. Die Verarbeitung und Auswertung der erzeugten Signale S4, S4o, S4o1, S4o2 und S4o3 in dem nachfolgenden System, ist daher technisch schwierig. Deshalb wird bevorzugt ein System aus vollständig orthogonalen Basissignalen aufgebaut.
6 zeigt einen Sensor mit drei orthogonalen Basissignalen (S5, S5o1, S5o2). Dazu werden zwei vorlaufende und zwei nachlaufende Signale generiert.
Allgemein können mehrere orthogonale Signale erzeugt werden. Dazu werden zunächst n vorlaufende Signale S5vi generiert, wobei i die jeweilige Nummer angibt (i = 1, 2, 3, ..., n). Ein Signal SSvi läuft dem Signal S5 also um i Perioden (Zeitraum) Δt voraus. Die maximale Vorlaufzeit beträgt ΔT = n·Δt. Gleichzeitig werden analog zum Signal S5 auch n nachlaufende Signale S5di generiert. Ein Signal S5di läuft dem Signal S5 um i Zeiträume Δt nach. Die maximale Nachlaufzeit beträgt wiederum ΔT = n·Δt.
Aus diesen Signalen lassen sich beispielsweise vorlaufende und nachlaufende Pulssignale erzeugen und zwar beispielsweise jeweils 2·n Pulssignale. Unter der Voraussetzung, dass das Speisesignal die Werte +1, –1 annehmen kann, ergibt sich beispielsweise für die vorlaufenden Pulse S5pvi = 1 / 2(S5vi – S5v(i – 1)) wobei S5v0 = S5 ist. Entsprechendes gilt dann für die nachlaufenden Pulssignale: S5pdi = 1 / 2(S5d(i – 1) – S5di) mit S5d0 = S5.
Die Pulssignale sind dann jedoch dreiwertig, in Abhängigkeit von den Werten i. Es kann gezeigt werden, dass die daraus gebildeten orthogonalen Basissignale S5o1 und S5o2 sowohl orthogonal zu S5 als auch orthogonal zueinander sind. Beispielhaft ist dies in 7 für zwei vorlaufende und zwei nachlaufende Pulssignale gezeigt.
Es ist ersichtlich, dass die orthogonalen Basissignale S5oi zusammen mit dem Speisesignal S5 ein orthogonales Basissignalsystem bilden. Allerdings ist die Verarbeitung von vorlaufenden Pulsen technisch nicht gewünscht, da vorlaufende Pulse auch im Kompensationssignal vorkommen. Diese vorlaufenden Pulse sind jedoch notwendig, da das Speisesignal S5 mit jedem der nachlaufenden Pulse überlappt.
Wünschenswert ist deshalb, ein orthogonales Basissignalsystem ohne vorlaufende Pulse zu erzeugen. Solche Pulse (S5oi ohne vorlaufende Pulse) werden im Folgenden mit S5pi bezeichnet. Betrachtet man die Ursache für die Notwendigkeit vorlaufender Pulse, so stellt man fest, dass dies einzig der Tatsache geschuldet ist, dass ohne die vorlaufenden Pulse die orthogonalen Basissignale S5pi in der Hilbert-Projektion mit S5 eine von Null abweichende Größe liefern würden. Die einfachste Methode, dies zu umgehen ist, den Signalsatz bestehend aus S5 und den S5pi zu orthogonalisieren. Da die S5 und S5pi vorbestimmt sind, kann dies schon in der Konstruktionsphase erfolgen. Verfahren findet man z. B. in BRONSTEIN Kap. 19.2.1.3 „Orthogonalisierungsverfahren”. Da die S5pi (S5oi ohne vorlaufende Pulse) bereits orthogonal zueinander sind, wird deren jeweiliges Skalar-Produkt, bestehend aus S5 skalar-multipliziert mit dem jeweiligen Signal S5pi, jeweils anschließend von S5 abgezogen. Man erhält das Signal S5r. Dieses ist nun orthogonal zu allen S5pi (S5oi ohne vorlaufende Pulse). Auf diese Weise verfügt man über einen untereinander orthogonalen Basissignalsatz bestehend aus den S5pi und S5r.
Damit die Orthogonalität erreicht wird, muss das Signal S5 im Mittel wieder Null sein, also keinen Bias-Anteil enthalten. Diese Eigenschaft gilt dann automatisch auch für die S5pi-Signale.
Das Empfängerausgangssignal S1 kann deshalb im Bereich einer möglichen messbaren Verzögerung n·ΔT (n = maximaler Wert von i) im Wesentlichen zu Null geregelt werden. Das aus dem Speisesignal generierte Signal S5r lässt sich als Differenz von S5 zur Summe aller nachlaufenden Pulse darstellen. Somit entspricht S5r = 1 / 2(S5dn + S5) wobei S5dn der um n Perioden verzögerte Puls ist.
Ein derartiges System ist in 8 gezeigt, das einen orthogonalen Basissignalsatz für beliebige quasi digitale getaktete und ungetaktete Eingangssignale erzeugt. Das gezeigte Sensorsystem kann acht Zeitschlitze für die Detektion von Reflektionen aufgrund eines Objekts beobachten. Die Länge des letzten und des ersten Pulses können jeweils kompensierend zueinander skaliert werden. Selbstverständlich können auch weitere Zeitschlitze parallel beobachtet werden, dazu ist es lediglich notwendig, weitere verzögerte Pulse zu erzeugen und zu verarbeiten. Dies ist wichtig, wenn die Reaktionszeit des Gesamtsystems gesenkt werden soll. Soll mit dem System beispielsweise ein elektrostatisches „Radar” aufgebaut werden, so kann es Applikationen geben, für die aufeinanderfolgende Messungen mit einem unterschiedlichen Skalierungsfaktor x ausreichend sind. Ein solches System ist beispielsweise in der Lage Objekte und Materialien mit unterschiedlichen Umpolarisationsgeschwindigkeiten zu trennen. In anderen Anwendungen kann aber die Zeit für weitere Messungen nicht zur Verfügung stehen. In diesen Fällen ist es sinnvoll, stattdessen mit mehr Kanälen (S5pi) zu messen.
9 zeigt im oberen Bild (A), wie im Stand der Technik eine Kompensation mittels einer mittelnden Phasenregelung des Kompensationssignals durchgeführt werden kann. Durch Anwesenheit eines Objekts wird das ausgestrahlte Sendesignal I4 der ersten Sendeelektrode im Übertragungskanal verändert und ein reflektiertes Signal in der Empfangselektrode D1 empfangen. Zur Kompensation der Reflektion wird das Kompensationssignal I_K der Kompensationssendeelektrode K in seiner Phase verschoben. Insbesondere wenn ein gestuftes phasenverschobenes oder teilverzögertes Signal empfangen wird, ist diese Kompensation ungenau. Solche Phasenverschiebung und Teilverzögerungen treten beispielsweise bei der Umpolarisation von Objekten aus verschiedenen Stoffen auf. Durch die richtige Auswertung der auftretenden Verzögerungen kann auf die Natur und/oder ortsmäßige Lage verschiedener Objekte in gewissem Umfang geschlossen werden. Dies ist gemeint, wenn in diesem Text von einem elektrostatischen „Radar” die Rede ist.
Soll beispielsweise bei der Anwendung als elektrostatisches „Radar” ein Kupfer Pfahl zwischen mehreren Eisenpfählen (in gewisser Weise innerhalb einer elektrostatischen Wand) detektiert werden, so regelt das System auf einen systemspezifischen Mittelwert zwischen den Eisenpfählen und dem Kupfer-Pfahl aus. Der Kupfer-Pfahl wird also nicht zuverlässig erkannt.
Das untere Bild (B) in 9 zeigt die nicht mittelnde Regelung durch Zumischung mehrerer (konkret zweier) orthogonaler Basissignale zum Kompensationssignal I_K (entsprechend I2) durch Vektoraddition. Hierdurch lässt sich eine genauere Kompensation erzielen, was die Vorteile des erfindungsgemäßen Verfahrens eindrucksvoll sichtbar macht. Generalisierend kann gesagt werden: Je höher die Anzahl der orthogonalen Basissignale, desto größer ist die erzielbare Auflösung und Präzision pro Messung. Die gemessene Verzögerung kann sowohl auf eine Laufzeit, als auch auf die Umpolarisation von Stoffen, als auch auf wechselwirkende elektrostatische Antennen, also ganz allgemein auf die Reaktionsgeschwindigkeit elektrostatische wechselwirkender Objekte zurückzuführen sein, die sich im Übertragungskanal befinden. Die einzelnen Stufen in dem mehrstufigen Signal können individuell durch eine rückkoppelnde Regelung der einzelnen orthogonalen Basissignale S4oi angepasst werden.
Da nur die Signalflanken ausgewertet werden, also Sprungfunktionen angewendet werden, liefern die Signale S4oi in 8 nur eine integrierende Aussage. Bei der bereits angesprochenen Erkennung verschiedener Materialien bedeutet dies, dass ein Signal auf dem Ausgangssignal S4n bedeutet, dass zeitlich irgendwo davor beispielsweise eine Umpolarisationsverzögerung stattgefunden hat. Nur wenn ein Signal S4on ein Signal zeigt und das Signal S4o(n – 1) nicht, ist klar, dass die Umpolarisation dem n-ten Zeitschlitz zuzuordnen ist. Daher müssen die Signale gegeneinander differenziert werden. (Dies entspricht dem Übergang von einem sprungfunktionsbasierenden System zu einem mit einem Delta-Puls betriebenen System)
10 zeigt nun beispielhaft ein siebenkanaliges hoch auflösendes Sensorsystem mit einem orthogonalen Basissignalsatz das diesem Zweck dient. Hierbei können der erste und der letzte Kanal des Systems, also die zeitliche Verschiebung mit einem beliebigen Faktor x skaliert werden. Für jeden Zeitschlitz existiert eine separate Regelung. Der wesentliche Unterschied ist jedoch die Differenzbildung an den Ausgängen (S40oi mit 1 ≤ i ≤ 7) aus S4oi und S4o(i + 1). Hierdurch wird eine Umpolarisation dem Zeitschlitz zugeordnet, in dem diese stattfindet.
In der Regel ist es jedoch zu aufwendig, für jeden Kanal i eine eigene Regelung aufzubauen. In den Fällen, in denen lediglich festgestellt werden soll, ob die Umpolarisation in einem bestimmten Zeitfenster j erfolgt, können die κ = j – 2 Basissignalpulse S5pi mit i = 1 bis i = (j – 2) zu einem Pulssignal S5pa zusammengefasst werden. Daher ist nur noch ein Verzögerungsglied mit κ·Δt notwendig. Die Pulse Spi für i = j – 1, i = j und i = j + 1 bleiben unverändert. Die λ = n – i – 2 Pulse S5pi für i = j + 2 bis i = n werden zu dem zweiten Basissignalpuls S5pb zusammengefasst. Auch für diese Pulse ist nur noch ein Verzögerungsglied mit einer Zeitverzögerung von λ·Δt notwendig. Das System verfügt also lediglich über den orthogonalen Basissignalsatz bestehend aus den orthogonalen Pulssignalen S5pa, S5p(j – 1), S5pj, S5p (j + 1), S5pb und S5r, wobei der Puls S5r gleich der Differenz aus dem Speisesignal S5 zu der Summe aller orthogonalen Basissignale ist. Das entsprechende Systemdiagramm ist in 11 gezeigt. Damit lässt sich die Anzahl der Verzögerungsglieder deutlich reduzieren.
Es ist jedoch vorteilhaft, zwei oder wie hier drei Zeitschlitze (hier S5p2, S5p3 und S5p4) zu belassen. Die erste Differenz, die auch in 11 eingezeichnet ist, ergibt wie besprochen den Reflektionspunkt. Wird eine Differenz der Differenzen gebildet (nicht eingezeichnet), so lassen sich beispielsweise Flächenneigungen etc. der reflektierenden Flächen ermitteln.
Mit dem gezeigten System ist nun also eine Möglichkeit entwickelt worden, um eine Verzögerungsmessung z. B. zur Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit oder für eine eindimensionale Ortsbestimmung durchzuführen. Eine zweidimensionale Ortsbestimmung lässt sich damit im Gegensatz zum Stand der Technik einfach mittels einer Triangulation über zwei Messstrecken bei Verwendung zweier zueinander orthogonaler Speisesignale S5 und S5' insbesondere auch ohne Verwendung eines Zeitschlitzverfahrens verwirklichen. Neben dem Einsatz von zwei vollständigen Sensorsystemen entsprechend den gezeigten Systemen ist der Einsatz von Mischsensorsystemen jedenfalls denkbar. Die Mischung kann entweder darin bestehen, dass eine gemeinsame Nutzung der Sender und/oder eine gemeinsame Nutzung der Empfänger erfolgt.
Von besonderem Interesse ist die gleichzeitige Bestimmung von Umpolarisationsgeschwindigkeit und Abstand. Haben die beiden Systeme einen unterschiedlichen, aber untereinander bekannten Abstand und ist sichergestellt, dass das Objekt sich auf der Linie zwischen den Systemen befindet, so kann aus dem bekannten Abstandsunterschied auf den Abstand zu Objekt und gleichzeitig auf die Umpolarisationsgeschwindigkeit geschlossen werden.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist das Sensorsystem eine Mehrzahl von Generatoren Gi auf, die mehrere Speisesignale S5i erzeugen. Eine entsprechende Mehrzahl von Sendeelektroden Hi wird mit dem jeweiligen Speisesignal S5i gespeist. Die sich daraus ergebende Mehrzahl von Übertragungsstrecken werden von den Sendesignalen I4i der jeweiligen Sendeelektroden Hi zu der Empfangselektrode D1 übermittelt. Die Flüsse aller Sende- und Kompensationselektroden überlagern sich in der Empfangselektrode D1. Damit werden in der Empfangselektrode werden die ersten Sendesignale I4i mit dem zweiten Signal I2 der Kompensationssendeelektrode K zu dem Empfängerausgangssignal S1 überlagert. Eventuelle Störsignale I5 werden ebenfalls überlagert.
In der Verarbeitungseinheit wird für jedes erste Speisesignal S5i jeder Sendeelektrode Hi je ein Vorsignal S6i generiert, aus denen das Kompensationssignal S3 gebildet wird. Dies erfolgt bevorzugt durch Addition der Vorsignale S6i.
Ein derartiges System mit zwei Sendeelektrode H1, H2 und einer Empfangselektrode D1 ist in 12 gezeigt.
In einer ebenfalls bevorzugten Ausführungsform weist das Sensorsystem mehrere Empfangselektroden Di und mehrere Kompensationssendeelektroden Ki auf, wobei jeder Empfangselektrode Di eine Kompensationselektrode Ki zugeordnet ist. Bei nur einer ersten Signalsendeelektrode H1 wird zu jeder Empfangselektrode Di eine Übertragungsstrecke gebildet. In jeder einzelnen Empfangselektrode Di überlagern sich die elektrostatischen Flüsse aller Sendeelektroden Hi und aller Kompensationselektroden Ki. Um eine gute Regelung zu erreichen, ist es sinnvoll die Kompensationselektroden Ki möglichst gut mit den jeweiligen Empfangselektroden Di zu koppeln und die Kompensationselektroden Ki mit den anderen Empfangselektroden möglichst gut zu entkoppeln. In der Regel wird dies durch eine Anordnung dicht beieinander erreicht. Die einzelnen Empfangselektroden Di überlagern nun die Signale der ersten Sendeelektrode H1 mit den jeweiligen zweiten Signalen der jeweiligen Kompensationssendeelektrode K_i zu einem Empfängerausgangssignal S1i. In der Verarbeitungseinheit wird für jeden Kompensationssender ein Kompensationssignal S3i zur rückkoppelnden Kompensation der Ausgangssignale der jeweiligen Empfangselektroden Di erzeugt.
Ein derartiges System mit einer Sendeelektrode und zwei Empfangselektroden D1, D2 sowie zwei Kompensationssendeelektroden K1, K2 ist in 13 gezeigt. Selbstverständlich können auch mehrere Empfangselektroden kombiniert werden. Es ist auch möglich, mehrere Sendeelektroden und mehrere Empfangselektroden miteinander zu kombinieren. Auch in diesem Fall ist es besonders vorteilhaft für jede Empfangselektrode eine Kompensationssendeelektrode vorzusehen.
Neben den gerade gezeigten, einfachen Systemen sind auch komplexere Systeme denkbar, die eine Mehrzahl von Sendeelektroden Hi und eine Mehrzahl von Empfangselektroden Dj sowie eine Mehrzahl von Kompensationssendeelektroden Kj aufweisen. Die Sendeelektroden werden in der Regel aus je einem Generator gespeist, wobei auch ein Generator mehrere Sendesignale S5i erzeugen kann.
Für die n Generatoren werden beispielsweise n orthogonale Codes als Speisesignale festgelegt. Hierdurch werden Interferenzen zwischen den einzelnen Sendeelektroden Hi unterdrückt. Sollen die Übertragungseigenschaften der jeweiligen Übertragungsstrecken Tnm zwischen dem jeweiligen Sendeelektrode Hn und Empfangselektrode Dm und die jeweiligen Laufzeiten und/oder Verzögerungen bestimmt werden, so ist die Vermessung der n·m Paaren aus Sendeelektrode und Empfangselektrode notwendig. Daneben ist es auch möglich, m·n Verarbeitungseinheiten zu verwenden. Für jede Vermessung ist ein Korrelator notwendig. Ein Beispiel eines derartigen, auch Korrelator genannten Systemmoduls ist in 14 als schematisches Systemschaltbild gezeigt. Wie leicht zu erkennen ist, lässt sich das System aus 13 beispielsweise aus zwei Korrelatoren aufbauen.
Sofern das Bedürfnis bestehen sollte, mehr Empfangselektroden als Kompensationssendeelektroden zu verwenden, so kann die Lösung dieses Problems beispielsweise durch ein Zeitmultiplexverfahren erfolgen, indem beispielsweise eine einzelne Verarbeitungseinheit für mehrere Empfangselektroden verwendet wird, die über Multiplexe an die verschiedenen Sendeelektroden und Empfangselektroden geschaltet wird. Bevorzugt weist das Sensorsystem mehrere Empfangselektroden Di und wenigstens einen, bevorzugt mehrere Kompensationssendeelektroden Ki auf, wobei wenigstens zwei Empfangselektroden D1, D2 ein Kompensationssendesignal Ki gemeinsam zugeordnet ist. Zwischen der ersten Sendeelektrode H1 und je einer Empfangselektrode Di wird eine Übertragungsstrecke gebildet, so dass in jeder Empfangselektrode Di das erste Signal der ersten Sendeelektrode mit dem Signal der entsprechenden Kompensationssendeelektrode Ki durch Überlagerung der elektrostatischen Flüsse zu einem Empfängerausgangssignal S1i überlagert wird. In der Verarbeitungseinheit wird für jede Kompensationssendeelektrode Ki ein Kompensationssignal S3i erzeugt. Die Bildung der Kompensationssignale S3i erfolgt derart, dass jeweils zwischen den Verarbeitungseinheiten der Signale S1i der Empfangselektroden Di, die sich mindestens eine Kompensationssendeelektrode Ki teilen, im Zeitmultiplexverfahren hin und her geschaltet wird. Die Verarbeitungseinheiten, die infolge des Zeitmultiplexes zeitweise nicht zum Kompensationssignal S3i beitragen, sind so geschaltet, dass deren innere Zustände und Ausgangswerte sich während dieser Zeit nicht verändern. Die Verarbeitungseinheiten, die infolge des Zeitmultiplexes zeitweise zum Kompensationssignal S3i einen Beitrag liefern, verhalten sich für die Dauer ihres Beitrages derart, als ob kein Zeitmultiplex stattfinden würde.
15a zeigt ein schematisches Blockschaltbild eines erfindungsgemäßen Sensorsystems, das die Parameter des Objekts T1 ausmisst. Ein derartiges System kann beispielsweise zur Anwesenheitsdetektion von dielektrischen Materialien verwendet werden. Das in 15a gezeigte System weist zwei verschiedene Messkanäle auf. Dabei ist der Sender H1 beispielsweise als Flachelektrode ausgebildet. Die Messstrecke zwischen der Sendeelektrode H1 und der Empfangselektrode D1 soll vermessen werden. Der Kompensationssender K ist ebenfalls typischerweise eine Flachelektrode. Das Feld dieser Kompensationssendeelektrode K unterliegt im Wesentlichen den gleichen Einflüssen wie das Feld der Sendeelektrode H1 mit dem Unterschied, dass das Feld der Sendeelektrode H1 auch den Körper T1 passieren muss. Die Empfangselektrode D1 wird von den elektrostatischen Feldern beider Sender (H1 und K) beeinflusst. Das Signal S5 sowie das Kompensationssignal S3 führen zu Verschiebungsströmen von der Empfängerelektrode D1 in den Messkondensator Cm. Hierdurch ändert sich dessen Ladungszustand und damit die Spannung, die über diesen Kondensator abfällt. Diese so gewonnene Signal wird durch die nachfolgende Regelstrecke typischerweise erst verstärkt und dann weiterverarbeitet. Auf diese Weise lassen sich Eigenschaften des Probenkörpers T1 in der Messstrecke, beispielsweise einer Küvette, detektieren.
Wenn in diesem Dokument von unterschiedlichen Übertragungskanälen die Rede ist, ist dieses Wort „unterschiedlich” auf einen irgendwie gearteten Multiplex zu beziehen.
15b zeigt ein System mit zwei parallelen Regelungssträngen und zwei Sendeelektroden H1, H2, die beispielsweise jeweils als Flachelektroden ausgebildet sein können. Die Elektroden erzeugen unterschiedliche Felder. Beispielsweise ist es denkbar, dass sie geometrisch um 90° zueinander und um 45° zur Empfangselektrode verkippt sind. Auch hier führen die Signale S5a und S5b sowie das Kompensationssignal S3 zu Verschiebungsströmen von der Empfängerelektrode D1 in den Messkondensator Cm. Hierdurch ändert sich dessen Ladungszustand und damit die Spannung, die über diesen Kondensator abfällt. Dieses so gewonnene Signal wird durch die nachfolgende Regelstrecke typischerweise erst verstärkt und dann weiterverarbeitet. Werden die beiden Generatorsignal S5a und S5b orthogonal zueinander gewählt, so kann das Kompensationssignal durch Vektoradditon wie hier dargestellt gewonnen werden. Somit Isst sich ein zweikanaliger Sensor aufbauen.
Ein weiteres Einsatzgebiet des erfindungsgemäßen Sensorsystems ist eine elektrostatische Zeit-Messung, wie sie beispielsweise zur Messung der Umpolarisationsgeschwindigkeit eingesetzt wird. Ein derartiges System ist in den 16a bis c in unterschiedlichen Ausführungen gezeigt. In 16a ist eine einfache Ausführungsform gezeigt, bei der die Sendelektrode H1 wie auch die Kompensationssendeelektrode K jeweils als Elektroden ausgebildet sind. Der Empfänger ist eine Elektrode. Ein Messobjekt T in der Übertragungsstrecke zwischen Sendeelektrode H1 und Empfangselektrode D1 soll vermessen werden. In der gezeigten Ausführungsform wird zur Bildung des Kompensationssignals S3 ein geregeltes Verzögerungsglied Tr eingesetzt, das über die detektierte Verzögerung, die auf dem Ausgangssignal S4o basiert, geregelt wird. Es findet somit eine Verzögerung des Vorsignals S6 während der Rücktransformation statt. Die Verzögerung des Kompensationssignals ermöglicht somit einen Ausgleich der im Übertragungskanal stattfindenden Verzögerungen in Folge der zu messenden Umpolarisierungen. Eine Verzögerung ermöglicht insbesondere die Nutzung breitbandiger multifrequenter Signale und damit eine wesentlich verbesserte Störunterdrückung gegenüber einem Störer im Übertragungskanal als eine Phasenmessung in Kombination mit einem monofrequenten Signal und damit eine wesentlich verbesserte Störunterdrückung gegenüber einem Störer im Übertragungskanal. Auch hier führen die Signale S5 sowie das Kompensationssignal S3 zu Verschiebungsströmen von der Empfängerelektrode D1 in den Messkondensator Cm. Hierdurch ändert sich wiederum dessen Ladungszustand und damit die Spannung, die über diesen Kondensator abfällt. Dieses so gewonnene Signal wird durch die nachfolgende Regelstrecken typischerweise erst verstärkt und dann weiterverarbeitet.
16b zeigt ein abgewandeltes Messsystem ohne die Verzögerung während der Rücktransformation. Allerdings erfolgt bei diesem System eine Bereichsumschaltung, so dass eine Messung der Umpolarisation im Kurzzeitbereich möglich wird. Dazu wird die Sendeelektrode H1 nicht mit dem Speisesignal S5 gespeist, sondern mit einem verzögerten Speisesignal S5dx. Hierdurch wird dem System eine größere Verzögerung/langsamere Umpolarisationsgeschwindigkeit vorgetäuscht. Das System gerät insbesondere bei schnellen Umpolarisationsgeschwindigkeiten nicht an seine Systemgrenzen. Somit lässt sich eine Optimierung des Arbeitspunkts des Empfängers erzielen. Die Verfälschung des Ausgangswertes ist durch Wahl der Verzögerung Δt vorbestimmt und daher einfach durch Subtraktion korrigierbar.
16c zeigt eine weitere Abwandlung eines Messsystems, das eine optimierte Messung der Umpolarisation für schnelle Um polarisationsgeschwindigkeiten ermöglicht. Hierbei sind die beiden vorher gezeigten Systeme miteinander kombiniert. Es erfolgt also eine Verzögerung des Speisesignals zur Speisung der Sendeelektrode. Gleichzeitig erfolgt eine mittels des orthogonalen Ausgangssignals geregelte Verzögerung in der Rücktransformation zur Erzeugung des Kompensationssignals S3.
Die 17a und b zeigen ein Sensorsystem zur Messung mit quasi elektrostatischen Wellen – hier beispielsweise basierend auf TM-Moden. Dazu wird eine kompensierende elektrostatische Antenne als Sendeelektrode H1 sowie als Kompensationssendeelektrode K eingesetzt. Die Antennen haben jeweils das Empfangsglied, also jeweils eine zugehörige Empfangselektrode D1 und D2 integriert. Eine Asymmetrie kann detektiert werden, wenn das Signal S10 oder das orthogonale Signal S10o von Null verschieden ist.
17b zeigt eine Erweiterung des Systems aus 17a durch ein Verzögerungsglied bei der Speisung der Sendeelektrode H1. Die kompensierende elektrostatische Antenne wird mit einem um Δt verzögerten Speisesignal S5dx gespeist, was wieder die Möglichkeit einer Bereichsumschaltung eröffnet.
18 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit einer kompensierten elektrostatischen Antenne 20 aus vier Elektroden. Das Speisesignal S5 wird in eine Sendeelektrode 21 (H1) eingespeist. Diese koppelt kapazitiv mit einer ersten Empfangselektrode 22 (D1) und in einem schwächeren Maße mit einer zweiten Empfangselektrode 24. (D2) Das Kompensationssignal S3 wird in die Kompensationselektrode 23 (K) eingespeist. Das Feld der Kompensationselektrode 23 koppelt in starkem Maße in die zweite Empfangselektrode 24 (D2) ein und in schwächerem Maße in die erste Empfangselektrode 22 (D1). Das System regelt sich so aus, dass das Signal S1 nahezu Null wird.
19 zeigt eine beispielhafte Planarelektrodenanordnung 25 für die Verwendung auf einer doppelseitigen Platine. Obenstehend sind im Uhrzeigersinn gezeichnet: Die Sendeelektrode 21 (schwarz) des Signals S5, die erste Empfangselektrode 22 (schraffiert) und die zweite Empfangselektrode 24 (schraffiert) des Signals S1, die mit der Kompensationssendeelektrode 23 (Rand gestrichelt) zum Aussenden des Kompensationssignals S3 überlagert ist. Die Empfangselektroden 22, 24 sind beispielsweise auf der Rückseite der Platine angeordnet, während die Sendeelektroden beispielsweise auf der Vorderseite angeordnet sind. Andere Konfiguration zur Unterdrückung des Einflusses des Platinenmaterials sind denkbar.
20 zeigt ein erfindungsgemäßes Messsystem mit drei Elektroden. Hierbei koppeln die beiden Sendeelektroden 21, 23 in die gleiche Empfängerelektrode 22 ein.
21 zeigt eine erfindungsgemäße Elektrodenanordnung für ein Messsystem gemäß 20. Obenstehend sind im Uhrzeigersinn gezeichnet: Die Sendeelektrode 21 für das Signal S5 und die Empfangselektrode 22, die teilweise mit der Kompensationssendeelektrode 23 für das Kompensationssignal S3 überlagert ist.
Sicherlich ist es auch möglich, die durch den Kompensationssender in der Empfängerelektrode erzeugten Verschiebungsstrom direkt auf den Messkondensator Cm zuleiten und damit in das Empfängerausgangssignal S1 einzuspeisen und somit die Kompensationselektrode K einzusparen. Dies geschieht, wie in 22 gezeigt, durch eine Serienschaltung der Kompensationselektrode K mit einer geregelten Stromquelle K.
Auf den Messkondensator kann grundsätzlich verzichtet werden, wenn die Reglerstufen statt eines hochohmigen Spannungseingangs einen niederohmigen Stromeingang besitzen.
In diesem Fall vereinfacht sich das System beispielsweise für das System nach 22 wie in 23 gezeigt.
Es sei an dieser Stelle erwähnt, dass eine Wellenanpassung der Wellenwiderstände von Elektroden, Antennen, Leitungen und Aus- und Eingangswiderständen der Schaltungen (z. B. gemäß den 1 bis 21) typischer Weise sinnvoll ist. Der Stand der Technik nimmt sich dieses Problems nicht an. Die dort gezeigten Messsysteme sind deshalb in der Regel nicht produzierbar und damit nicht wirtschaftlich verwertbar.
Von ganz besonderem Vorteil, aber nicht unbedingt erforderlich, ist es, die Systeme in der Nähe Ihrer Vakuum Resonanzfrequenz zu betreiben.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

DE 10001955 A1 [0004]
DE 10024156 A1 [0004]
DE 19839730 C1 [0004]
DE 930983 U1 [0004]
DE 10001943 C1 [0004]
DE 10346741 B3 [0004]
DE 102004025345 B3 [0004]
DE 102005013325 A1 [0004]
DE 102005010745 B3 [0004]
DE 102007005187 B4 [0004]
WO 002007012502 A9 [0004]
WO 002010012480 A1 [0004]

Zitierte Nicht-Patentliteratur

„Taschenbuch der Mathematik”; I. N. Bronstein, K. A. Semendjajew. G. Musiol, H. Mühlig; Ausgabe 6.; Frankfurt am Main; Verlag Harry Deutsch; 2005; Kapitel 12.4 „Hilbert-Räume”, Seite 635 ff. [0013]
BRONSTEIN Abschnitt 12.4.1.1 [0014]
BRONSTEIN Abschnitt 12.4.2 [0016]
BRONSTEIN Kap. 19.2.1.3 [0136]

Claims

Verfahren zur kapazitiven Impedanzmessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke eines auf einer rückgekoppelten Kompensation beruhenden Messsystems zwischen einer ersten Sendeelektrode und einer Empfangselektrode, wobei – die erste Sendeelektrode (H1) ein erstes kapazitives Signal (I2) in die Übertragungsstrecke hineinsendet, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke (T1) von der Empfangselektrode (D1) detektiert wird, – eine Kompensationssendeelektrode (K) ein zweites Signal (I2) in eine zweite Übertragungsstrecke hineinsendet, das von der Empfangselektrode (D1) nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke detektiert wird, – in der Empfangselektrode (D1) sich das erste Signal (I1) und das zweite Signal (I2), insbesondere linear summierend, überlagern und daraus ein Empfängerausgangssignal (S1) gebildet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Erzeugen eines Speisesignals (S5) mittels eines Generators (G1), wobei das Speisesignal (S5) und das Empfängerausgangssignal (S1) je einen Vektor in einem Prä-Hilbert-Raum bilden; – Speisen der ersten Sendeelektrode (H1) mit dem Speisesignal (S5); – Durchführen einer Hilbert-Projektion zwischen dem Empfängerausgangssignal (S1) der Empfangselektrode (D1) und dem Speisesignal (S5), so dass ein Projektionsbildsignal (S10) erzeugt wird; – Bilden eines auf dem Projektionsbildsignal (S10) basierenden Ausgangssignals (S4); – Durchführen einer zumindest teilweisen Rücktransformation des Ausgangssignals (S4) mit dem Speisesignal (S5) derart, dass ein Vorsignal (S6) gebildet wird, wobei die Rücktransformation bevorzugt eine Multiplikation ist; – Erzeugen eines Kompensationssignals (S3) aus dem Vorsignal (S6); – Speisen der Kompensationssendeelektrode (K) mit dem Kompensationssignal (S3) zur rückkoppelnden Regelung des Empfängerausgangssignals (S1).
Verfahren zur kapazitiven Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke eines auf einer rückgekoppelten Kompensation beruhenden Messsystems zwischen einer ersten Sendeelektrode und einer Empfangselektrode, wobei – die erste Sendeelektrode (H1) ein erstes kapazitives Signal (I2) in die Übertragungsstrecke hineinsendet, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke (T1) von der Empfangselektrode (D1) detektiert wird, – eine Kompensationssendeelektrode (K) ein zweites Signal (I2) in eine zweite Übertragungsstrecke hineinsendet, das von der Empfangselektrode (D1) nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke detektiert wird, – in der Empfangselektrode (D1) sich das erste Signal (I1) und das zweite Signal (I2), insbesondere linear summierend, überlagern und daraus ein Empfängerausgangssignal (S1) gebildet wird, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Erzeugen eines Speisesignals (S5) mittels eines Generators (G1), wobei das Speisesignal (S5) und das Empfängerausgangssignal (S1) je einen Vektor in einem Prä-Hilbert-Raum bilden; – Speisen der ersten Sendeelektrode (H1) mit dem Speisesignal (S5); – Durchführen einer Hilbert-Projektion zwischen dem Empfängerausgangssignal (S1) der Empfangselektrode (D1) und dem Speisesignal (S5), so dass ein Projektionsbildsignal (S10) erzeugt wird; – Bilden eines auf dem Projektionsbildsignal (S10) basierenden Ausgangssignals (S4); – Durchführen einer zumindest teilweisen Rücktransformation des Ausgangssignals (S4) mit dem Speisesignal (S5) derart, dass ein Vorsignal (S6) gebildet wird, wobei die Rücktransformation bevorzugt eine Multiplikation ist; – Erzeugen eines Kompensationssignals (S3) aus dem Vorsignal (S6); – Addieren des Kompensationssignal (S3) zur rückkoppelnden Regelung mit dem Empfängerausgangssignal (S1) zum modifizierten Empfängerausgangssignal (S1a).
Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisesignal (S5) ein moduliertes und/oder bandbegrenztes und/oder nicht getaktetes und/oder getaktetes Signal, insbesondere ein Sinussignal und/oder ein digitales Taktsignal und/oder ein PWM-Signal und/oder ein anderes periodisches Signal und/oder ein Zufallssignal und/oder ein Pseudozufallssignal und/oder ein auf einem Spreizcode basierendes Signal und/oder ein Rauschsignal und/oder ein anderes aperiodisches Signal ist.
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Durchführen der Hilbert-Projektion durch die Bildung eines Skalarprodukts erfolgt und das Skalarproduktbevorzugt gebildet wird durch: – Multiplizieren des Empfängerausgangssignals (S1) mit dem Speisesignal (S5) und bilden eines Detektionssignals (S9); und – Filtern des Detektionssignals (S9) in einem Filter (F1), so dass aus dem gefilterten Filterausgangssignal das Projektionsbildsignal (S10) erzeugt wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch das Verstärken des Projektionsbildsignals (S10) mittels eines Verstärkers (V1) zu dem Ausgangssignal (S4).
Verfahren nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisesignal (S5) ein bandbegrenztes Speisesignal ist, das eine obere Grenzfrequenz ω_max und eine untere Grenzfrequenz ω_min hat und dessen untere Grenzfrequenz ω_min größer als die halbe obere Grenzfrequenz ω_max ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Filter (F1) ein linearer Filter ist, der bevorzugt nur solche Frequenzanteile durchlässt, deren Frequenzbetrag kleiner oder gleich der Hälfte des Abstands zwischen oberer Grenzfrequenz ω_max und unterer Grenzfrequenz ω_min des Speisesignals (S5) ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisesignal (S5) und der Filter (F1) so gewählt sind, dass bei Filterung eines mit dem Speisesignal (S5) skalar-multiplizierten Störsignals (I5) mittels des Filters (F1) das Ausgangssignal (S10) des Filters (F1) minimal wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch Vermessen des Filters (F1) zum Erkennen eines Störsignals (I5) in dem Empfängerausgangssignal (S1) mit einem bekannten, insbesondere konstanten Speisesignal (S5), das bevorzugt gleich eins gesetzt ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass zu dem Speisesignal (S5) ein orthogonales Basissignal (S5o) gebildet wird, wobei das orthogonale Basissignal (S5o) bevorzugt aus der Differenz eines um einen Zeitraum Δt gegenüber dem Speisesignal (S5) vorlaufenden Signal (S5v) und eines um den Zeitraum Δt dem Speisesignal (S5) nachlaufenden Signal (S5d) gebildet wird oder bevorzugt aus der Differenz des Speisesignals (S5) und eines um den Zeitraum Δt dem Speisesignal (S5) nachlaufenden Signal (S5d) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Erzeugen eines zu dem Speisesignal (S5) orthogonalen Basissignals (S5o) – Bilden des Skalar-Produkts aus dem Empfängerausgangssignal (S1) und dem orthogonalen Basissignal (S5o), so dass ein orthogonales Projektionsbildsignal (S10o) erzeugt wird; – optionales Verstärken des orthogonalen Projektionsbildsignals (S10o) zu einem Ausgangssignal (S4o) mittels eines Verstärkers (V2); – Multiplizieren eines auf dem orthogonalen Projektionsbildsignal (S10) basierenden Ausgangssignals (S4o) mit dem Basissignal (S5o) zu einem Vorsignal (S6o); – Addieren des orthogonalen Vorsignals (S6o) zu einem Vorsignal (S6), dass durch Multiplikation des Speisesignals (S5) mit dem Ausgangssignal (S4) gebildet wird, wobei durch die Addition des Vorsignals (S6) mit dem orthogonalen Vorsignal (S6o) das Kompensationssignal (S3) erzeugt wird.
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass das Skalar-Produkt aus dem Empfängerausgangssignal (S1) und dem orthogonalen Basissignal (S5o) gebildet wird durch: – Multiplizieren des Empfängerausgangssignals (S1) mit dem orthogonalen Basissignal (S5o), so dass ein orthogonales Detektionssignal (S9o) gebildet wird; – Filtern des orthogonalen Detektionssignals (S9o) mittels eines Filters (F2).
Verfahren nach dem vorhergehenden Anspruch, gekennzeichnet durch die folgenden Schritte: – Bilden eines zu dem Speisesignal (S5) um einen ersten Zeitraum Δt₁ nachlaufenden Impuls (S5d1), eines um einen zweiten Zeitraum Δt2 nachlaufenden Impuls (S5d2) und eines um einen dritten Zeitraum Δt3 nachlaufenden Impuls (S5d3), wobei der Zeitraum Δt₂ größer ist als der Zeitraum Δt₁ und der Zeitraum Δt₃ größer oder gleich dem Zeitraum Δt₂ ist; – Bilden eines Basissignals (S5o1) aus dem Speisesignal (S5); – Bilden eines zu dem Signal (S5o1) orthogonalen Basissignals (S5o2); wobei insbesondere a. das orthogonale Basissignal (S5o1) als Differenz der Signale (S5d1) und (S5d2) gebildet werden kann und/oder b. das orthogonale Basissignal (S5o2) identisch mit dem orthogonalen Basissignal (S5d3) sein kann und/oder c. der Zeitraum Δt₁ = 0 sein kann und/oder d. die Zeiträume Δt₂, Δt₃ gleich sein können – Weiterverarbeiten des orthogonalen Basissignals (S5o1) zu einem orthogonalen Vorsignal (S6o1); – Weiterverarbeiten des orthogonalen Basissignals (S5o2) zu einem orthogonalen Vorsignal (S6o2); – Bilden des Kompensationssignals (S3), das dem Kompensationssender (K) zugeführt wird, aus den Vorsignalen (S6, S6o1, S6o2), bevorzugt durch Addition.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche 11 bis 13, gekennzeichnet durch das – Erzeugen mehrerer orthogonaler Basissignale (S5oi); – Generieren mehrerer orthogonaler Vorsignale (S6oi), – Addieren wenigstens eines orthogonalen Vorsignals (S6oi) zu dem Vorsignal (S6), wobei bevorzugt mehrere Verstärker (V2) verwendet werden.
Verfahren nach Anspruch 15, dadurch charakterisiert, dass mindestens zwei der zu dem Speisesignal (S5) orthogonalen Basissignale (S5o) zueinander orthogonal sind.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Erzeugen eines zu dem Speisesignal (S5) orthogonalen Basissignals (S5o): – Bilden des Skalar-Produkts aus dem Empfängerausgangssignal (S1) und dem orthogonalen Basissignal (S5o), so dass ein orthogonales Projektionsbildsignal (S10o) erzeugt wird; – Verstärken des orthogonalen Projektionsbildsignals (S10o) zu einem orthogonalen Ausgangssignal (S4o) insbesondere mittels eines Verstärkers (V2); – Verzögern des weiterverarbeiteten Empfängerausgangssignals (S1) in Abhängigkeit von dem orthogonalen Ausgangssignals (S4o), wobei die Verzögerung in der Weiterverarbeitungskette des Empfängerausgangssignals (S1) zum dem Kompensationssignal (S3) durch Verzögerung wenigstens eines der folgenden Signale erfolgt: 1. Verzögerung des Speisesignals (S5), das für die Rücktransformation verwendet wird und/oder 2. Verzögerung des Vorsignals (S6) während der Rücktransformation – Weiterverarbeiten der jeweiligen verzögerten Signale anstelle der nicht verzögerten Signale.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche dadurch gekennzeichnet, dass mindestens ein erster Sender (H1) nicht direkt durch das Speisesignal (S5) angesteuert wird, sondern in zumindest einer Betriebslage durch ein gegenüber (S5) verzögertes Signal (S5dx) angesteuert werden kann.
Verfahren nach dem vorgehenden Anspruch gekennzeichnet durch die weiteren Schritte: – Erzeugen eines zu dem Speisesignal (S5) orthogonalen Basissignals (S5o); – Bilden des Skalar-Produkts aus dem Empfängerausgangssignal (S1) und dem orthogonalen Basissignal (S5o), so dass ein orthogonales Projektionsbildsignal (S10o) erzeugt wird; – Bilden eines orthogonalen Ausgangssignal (S4o) durch Verstärken des orthogonalen Projektionsbildsignals (S10o) insbesondere mittels eines Verstärkers (V2); – Erzeugen eines zu dem Speisesignals (S5) geregelt verzögerten Speisesignals (S5dx) durch Verzögern des Speisesignals (S5) in Abhängigkeit von dem Ausgangssignal (S4o); und – Speisen der ersten Sendeelektrode (H1) mit dem verzögerten Speisesignal (S5dx).
Verfahren nach einem der Ansprüche 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisesignal (S5) getaktet oder monofrequent ist und das Bilden des verzögerten Speisesignals (S5dx) durch Verzögerung des Speisesignals (S5) mittels einer Phasenschiebung erfolgt.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zumindest ein Kompensationssendesignal (S6j) durch Verzögerung und/oder Phasenschiebung mindestens eines zu diesem Signal beitragenden Vorsignals (S6dj) in Abhängigkeit von einem Ausgangssignal (S4o) gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Speisesignal (S5) mit einem Zufallsgenerator oder einem Quasizufallsgenerator erzeugt wird, wobei der Quasizufallsgenerator bevorzugt ein rückgekoppeltes Schieberegisters umfasst und das Speisesignal (S5) bevorzugt aus einem einfach primitiven Generatorpolynom gebildet wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erzeugung mehrerer, jeweils um den Zeitraum Δt gegenüber dem Speisesignal (S5) verschobener, bevorzugt nachlaufender, Signale ein Objekt (O) detektiert werden kann, das in der ersten Übertragungsstrecke (T1) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass durch die Erzeugung mehrerer, jeweils um den Zeitraum Δt gegenüber dem Speisesignal (S5) verschobener, bevorzugt nachlaufender, Signale die Geschwindigkeit der Umpolarisation und/oder das Impedanzspektrum mindestens eines Objekts (O) detektiert und/oder zumindest teilweise charakterisiert werden kann, das in der ersten Übertragungsstrecke (T1) angeordnet ist.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangsignal (S4) und/oder das orthogonale Ausgangsignal (S4o) als Messwert weiterverarbeitet oder ausgegeben wird.
Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens Teile des Verfahrens digitalisiert durchgeführt werden, bevorzugt mittels einer FSM (Finite State Machine), in einer HMM (Hidden Markov Model) oder eines Petri-Netzes, oder eines Neuronalen Netzes auf einem Mikrorechner oder einem Signalprozessor oder einem Analogrechner.
Sensorsystem dadurch gekennzeichnet, dass es ausgebildet und eingerichtet ist, um ein Verfahren nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche durchzuführen.
Sensorsystem mit einer ersten Sendeelektrode (H1), einer Kompensationssendeelektrode (K) und einer Empfangselektrode (D1) zur Vermessung der Übertragungseigenschaften einer ersten Übertragungsstrecke zwischen einer ersten Sendeelektrode (H1) und einer Empfangselektrode (D1), wobei – die erste Sendeelektrode (H1) mit einem Speisesignal (S5) eines Generators (G1) gespeist wird und dazu ausgebildet und eingerichtet ist, um ein erstes Signal in die Übertragungsstrecke (T1) hineinzusenden, das nach Durchgang durch mindestens einen Teil der ersten Übertragungsstrecke (T1) von der Empfangselektrode (D1) detektiert wird, – der Kompensationssendeelektrode (K) ausgebildet und eingerichtet ist, um ein zweites Signal (I2) in eine zweite Übertragungsstrecke hineinzusenden, das von der Empfangselektrode (D1) nach Durchgang durch die zweite Übertragungsstrecke detektiert wird, – der Empfangselektrode (D1) ausgebildet und eingerichtet ist, um das erste Signal (I1) und das zweite Signal (I2), insbesondere summierend oder linear, zu überlagern und daraus ein Empfängerausgangssignal (S1) zu bilden, wobei das Speisesignal (S5) und das Empfängerausgangssignal (S1) je einen Vektor in einem Prä-Hilbert-Raum bilden; umfassend – eine Verarbeitungseinheit (PU), die dazu ausgebildet und eingerichtet ist, um eine Hilbert-Projektion des Empfängerausgangssignals (S1) der Empfangselektrode (D1) auf das Speisesignal (S5) derart durchzuführen, so dass ein Projektionsbildsignal (S10) erzeugt wird; – einen Verstärker (V1), der dazu ausgebildet und eingerichtet ist, um das Projektionsbildsignal (S10) zu verstärken und das Ausgangssignal (S4) zu bilden; wobei – in der Verarbeitungseinheit (PU) eine Rücktransformation des Ausgangssignals (S4) mit dem Speisesignal (S5) erfolgt, bevorzugt die beiden Signale (S4) und (S5) multipliziert werden, und ein Vorsignal (S6) gebildet wird, das in ein Kompensationssignal (S3) weiterverarbeitet wird, mit dem der Kompensationssender (K) zur rückkoppelnden Regelung des Empfängerausgangssignals (S1) gespeist wird.
Sensorsystem nach dem vorhergehenden Anspruch, dadurch gekennzeichnet, dass – die Verarbeitungseinheit (PU) einen Filter (F1) umfasst; – die Hilbert-Projektion in der Verarbeitungseinheit (PU) durch Bildung eines Skalar-Produkts erfolgt, in dem das Empfängerausgangssignal (S1) mit dem Speisesignal (S5) multipliziert und ein Detektionssignal (S9) gebildet wird; und – in dem Filter (F1) das Detektionssignal (S9) gefiltert wird, so dass am Ausgang des Filters (F1) das Projektionsbildsignal (S10) erzeugt wird.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – eine Mehrzahl von Generatoren (Gi) mehrere Speisesignale (S5i) erzeugen; – eine Mehrzahl von ersten Sendeelektroden (Hi) mit jeweils einem Speisesignal (S5i) gespeist werden; – eine Mehrzahl von Übertragungsstrecken bestehen, durch die je ein Sendesignal (I4i) eines der Sendeelektroden (Hi) zu der Empfangselektrode (D1) übertragen wird; – in der Empfangselektrode (D1) die ersten Signale (I4i) der ersten Sendeelektroden (Hi) mit dem zweiten Signal (I2) der Kompensationssendeelektrode (K) zu dem Empfängerausgangssignal (S1) überlagert werden; – in der Verarbeitungseinheit für jedes erste Speisesignal (S5i) jedes ersten Senders (Hi) ein Vorsignal (S6i) generiert wird, aus dem das Kompensationssignal (S3) gebildet wird.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Sensorsystem mehrere Empfangselektroden (Li) und mehrere Kompensationssendeelektroden (Ki) umfasst, wobei jede Empfangselektrode (Li) eine Kompensationssendeelektrode (Ki) zugeordnet ist; – eine Mehrzahl von Übertragungsstrecken gebildet werden, durch die das Sendesignal der ersten Sendeelektrode (H1) zu je einer Empfangselektrode (Li) übertragen wird; – in jeder Empfangselektrode (Li) das erste Signal (I4) der ersten Sendeelektrode (H1) mit je einem zweiten Signal (I2i) einer Kompensationssendeelektrode (Ki) zu dem Empfängerausgangssignal (S1i) überlagert wird; – in der Verarbeitungseinheit für jede Sendeelektrode (H2i) ein Kompensationssignal (S3i) zur rückkoppelnden Kompensation der Ausgangssignale der Empfangselektroden (Li) erzeugt wird, mit dem die jeweilige Kompensationssendeelektrode (Ki) gespeist wird.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Sensorsystem mehrere Empfangselektroden (Li) und wenigstens eine, bevorzugt mehrere Kompensationssendeelektroden (Ki) umfasst, wobei wenigstens zwei Empfangselektroden (Li) eine Kompensationssendeelektrode (Ki) gemeinsam zugeordnet ist; – eine Mehrzahl von Übertragungsstrecken (T1i) gebildet werden, durch die das Sendesignal der ersten Sendeelektrode (H1) zu je einer Empfangselektrode (Di) übertragen wird; – in jeder Empfangselektrode (Di) das erste Signal (I4) der ersten Sendeelektrode (H1) mit je einem zweiten Signal (I2i) einer Kompensationssendeelektrode (Ki) zu dem Empfängerausgangssignal (S1i) überlagert wird; – in der Verarbeitungseinheit für jede Kompensationssendeelektrode (Ki) ein Kompensationssignal (S3i) zur rückkoppelnden Kompensation der Ausgangssignale der Empfangselektroden (Li) erzeugt wird, mit dem die jeweilige Kompensationssendeelektrode (Ki) gespeist wird; und – für die Bildung des Kompensationssignals (S3i) jeweils zwischen den Verarbeitungseinheiten der Signale (S1i) der Empfangselektrode (Li), die sich mindestens eine zweite Kompensationssendeelektrode (Ki) teilen, im Zeitmultiplex hin und hergeschaltet wird, wobei Verarbeitungseinheiten, die infolge des Zeitmultiplexes zeitweilig nicht zum Kompensationssignal (S3i) beitragen, so geschaltet werden, dass deren innere Zustände und Ausgangswerte sich während dieser Zeiten nicht verändern, und Verarbeitungseinheiten, die infolge des Zeitmultiplexes zeitweilig zum Kompensationssignal S3i beitragen, sich für die Dauer dieses Beitrags so verhalten, als ob kein Zeitmultiplex stattfinden würde.
Sensorsystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass mindestens eine, insbesondere aber auch mehrere, der folgenden Größen der Eigenschaften der Übertragungsstrecke (T1) oder von Objekten (O) oder Medien in der Übertragungsstrecke (T1), insbesondere auch gleichzeitig, erfasst wird: • Objektdichte • Objektgröße • Objektabstand • Objektzusammensetzung • Objektlage im Raum • Objektorientierung • Transparenz oder Transmission (insbesondere elektrostatischer Felder) • Dämpfung oder Absorption (insbesondere elektrostatischer Felder) • Reflektivität oder Reflektion • Phasenverzögerung • Dipolwechselwirkungen (insbesondere-resonanzen) • Dielektrizitätskonstanten • Umpolungsgeschwindigkeiten • Leitfähigkeiten, Widerstandswerte oder Widerstandsverteilungen • Impedanzspektren • Geschwindigkeitsverteilungen