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Die Erfindung betrifft einen Mikrowellen-Positionssensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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In der industriellen Mess- und Regeltechnik besteht ein großer Bedarf an kompakten Positionssensoren, die nicht nur eine binäre Information darüber, ob die Position eines Objektes in einem bestimmten Bereich liegt oder nicht, sondern einen präzisen Messwert der Position des Objektes liefern. Die weit verbreiteten induktiven und kapazitiven Sensoren werden von Störgrößen wie z.B. der Temperatur am Ort der Messung beeinflusst. Induktive Sensoren müssen zudem an das Material des Objektes, dessen Position bezüglich des Sensors zu bestimmen ist, angepasst werden.
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Aus der
DE 199 03 193 A1 ist eine Abstandsmessvorrichtung mit einem Sensor bekannt, der als Antenne einen einseitig offenen, mit einem Dielektrikum gefüllten Rundhohlleiter aufweist, dessen offene, zu einem Messobjekt zeigende Seite mit einem Dämpfungsglied abgeschlossen ist. Der Sensor bildet einen Mikrowellenresonator, dessen Resonanzfrequenz durch die Entfernung zwischen der Oberfläche des Sensors und dem Messobjekt beeinflusst wird. Allerdings nimmt bei diesem Sensor die Temperatur des dielektrischen Füllmaterials als Störgröße Einfluss auf das Messergebnis.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen neuen Mikrowellen-Positionssensor zu schaffen, der bei möglichst geringem Einfluss von Störgrößen eine hohe Messgenauigkeit bietet und vielseitig einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch einen Mikrowellensensor mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen angegeben.
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Erfindungsgemäß ist bei einem Mikrowellen-Positionssensor mit einem Mikrowellenoszillator, einer Antenne und einer Auswertungseinrichtung der Antenne ein erster Reflektor zugeordnet, dessen Oberfläche konkav gekrümmt ist und einen in einer vorgesehenen Messrichtung offenen Hohlraum definiert. Es ist eine Reflexionsmesseinrichtung zur Messung des bei Einspeisung eines Mikrowellensignals durch den Mikrowellenoszillator in die Antenne auftretenden Reflexionskoeffizienten vorgesehen und die Auswertungseinrichtung ist zur Ermittlung der Position eines Messobjektes bezüglich des ersten Reflektors aus dem Frequenzgang des Reflexionskoeffizienten anhand resonanzbedingter Extremwerte dieses Frequenzgangs eingerichtet.
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Die Antenne kann innerhalb des durch den ersten Reflektor gebildeten Hohlraumes angeordnet sein oder als Schlitzantenne in den ersten Reflektor integriert sein, wobei letztere eine besonders vorteilhafte Realisierung der Antenne ist, da sie einfach herzustellen ist und alle ihre Komponenten auf der Rückseite des Reflektors angeordnet werden können.
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Die Funktionsweise des erfindungsgemäßen Positionssensors basiert auf dem Prinzip eines Mikrowellenresonators, der von dem ersten Reflektor und entweder dem Messobjekt selbst oder einem zweiten Reflektor gebildet wird. Während ein typischer Mikrowellenresonator aus einem allseitig von leitfähigem Material umgebenen Hohlraum besteht, der allenfalls nur kleine durch einen Kopplungsfaktor definierte Öffnungen aufweist, wird hier ein offener Resonator verwendet, der nur zwei reflektierende Oberflächen entlang der für die Ausbreitung der Mikrowellen vorgesehenen Richtung aufweist.
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Bei einem solchen offenen Resonator können durch eine geeignete Auslegung in Bezug auf seine äußeren Abmessungen geringe Beugungsverluste und eine relativ hohe Güte erzielt werden, so dass er bei bestimmten Resonanzfrequenzen ausgeprägte Absorptionsminima aufweist, deren Frequenz im wesentlichen durch die Geometrie des luftgefüllten Resonators bestimmt wird. Der Einfluss der Temperatur beschränkt sich auf die durch Wärmedehnung veränderbare Geometrie der reflektierenden Oberflächen des Resonators und damit sogar auf die zu erfassende Messgröße selbst, wenn das Messobjekt als einer der beiden Reflektoren fungiert.
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Die Oberfläche der Reflektoren eines offenen Resonators, wie er hier verwendet wird, ist derart geformt, dass eine von einer definierten Fläche zwischen den Reflektoren ausgehende ebene Wellenfront an einem der Reflektoren einen mit der Oberfläche der einzelnen reflektierenden Struktur kongruenten Verlauf aufweist und die elektromagnetische Welle exakt in besagte definierte Fläche reflektiert wird. Besonders vorteilhaft ist es, wenn die Reflektoren aus Segmenten von Kugeloberflächen bestehen und der Mittelpunkt jeder der Kugeln sich auf der Oberfläche der jeweils anderen Kugel befindet. In einem derartigen konfokalen Resonator kann eine der beiden reflektierenden Kugeloberflächen durch eine ebene reflektierende Fläche ersetzt werden, sofern diese sich in der Ebene besagter definierter Fläche befindet, von welcher die ebene Wellenfront ausgeht.
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Wenn der Mikrowellenresonator des erfindungsgemäßen Positionssensors von dem ersten Reflektor und dem Messobjekt selbst gebildet wird, dann besteht die durch die Auswertungseinrichtung ermittelbare Positionsinformation in der Entfernung der Oberfläche eines Messobjektes von einem Referenzpunkt auf der Oberfläche des ersten Reflektors. Wenn hingegen dem ersten Reflektor in einer vorbestimmten Entfernung gegenüberliegend ein zweiter Reflektor angeordnet ist, dann wird die Charakteristik des Resonators, d.h. die Lage seiner Resonanzfrequenz, durch ein in dem Raum zwischen den zwei Reflektoren befindliches oder in diesen Raum hineinragendes Messobjekt verändert. Auf diese Weise kann die Dicke oder die seitliche Eindringtiefe eines Messobjektes aus dielektrischem Material gemessen werden. Der erfindungsgemäße Positionssensor ist also äußerst vielseitig für eine Reihe völlig verschiedener Messaufgaben einsetzbar.
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Weitere Besonderheiten und Vorzüge der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung von bevorzugten Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung einer ersten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors,
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2 eine Schnittansicht des Reflektors einer zweiten Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Sensors,
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3 eine Draufsicht auf den Reflektor der zweiten Ausführungsform von 2,
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4 eine Draufsicht auf einen vergrößerten Ausschnitt des Reflektors der zweiten Ausführungsform von 2,
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5 eine Schnittansicht des Reflektors eines erfindungsgemäßen Sensors in Verbindung mit einem zylindrischen Messobjekt,
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6 eine zu 5 senkrechte Schnittansicht des Reflektors eines erfindungsgemäßen Sensors in Verbindung mit einem zylindrischen Messobjekt,
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7 eine Schnittansicht des Resonators eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem im Zwischenraum zwischen zwei Reflektoren liegenden dielektrischen Messobjekt und
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8 eine Schnittansicht des Resonators eines erfindungsgemäßen Sensors mit einem seitlich in den Zwischenraum zwischen zwei Reflektoren hineinragenden Messobjekt.
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1 zeigt einen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Positionssensor 1 mit einem Mikrowellen-Oszillator 2, der über eine Reflexionsmesseinrichtung 3 und eine Hochfrequenzleitung 4 mit einer Antenne 5 verbunden ist. Die Antenne 5 ist mittig vor einem Reflektor 6 angeordnet, dessen der Antenne 5 zugewandte Oberfläche 7 konkav gekrümmt ist und einen Hohlraum definiert, innerhalb dessen sich die Antenne 5 befindet. Die vordere Oberfläche 7 des Reflektors 6 hat vorzugsweise eine sphärische Form und ist mit einer Metallschicht versehen, sofern nicht ohnehin der gesamte Reflektor 6 aus Metall besteht. Der Mikrowellen-Oszillator 2 und die Reflexionsmesseinrichtung 3 sind beide mit einer Auswertungseinrichtung 8 verbunden, an die eine Anzeigeeinrichtung 9 angeschlossen ist.
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Gegenüber dem Reflektor 6, d.h. dessen konkaver Oberfläche 7 befindet sich ein Messobjekt 10 mit einer ebenen Oberfläche 11, in einer Entfernung D vom Mittelpunkt der Oberfläche 7 des Reflektors 6, die deutlich geringer ist als der Krümmungsradius R der Oberfläche des Reflektors 6. Vorzugsweise beträgt diese Entfernung D weniger als die Hälfte des Krümmungsradius R der Oberfläche 7 des Reflektors 6.
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In dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel handelt es sich bei der Hochfrequenzleitung 4 um eine symmetrische Leitung und als Antenne 5 wird ein Dipol verwendet. Die Hochfrequenzleitung 4 kann aus zwei parallel angeordneten Koaxialleitungen bestehen, deren Innenleiter an einem Verzweigungspunkt zusammengeschaltet sind, wobei eine der beiden Koaxialleitungen im Bereich der vorgesehenen Betriebsfrequenz um eine halbe Wellenlänge länger ist, beide Koaxialleitungen aber jeweils als Länge ganze Vielfache der halben Wellenlänge aufweisen.
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Der Reflektor 6 des Positionssensors 1 bildet zusammen mit dem Messobjekt 10 einen offenen Mikrowellenresonator. Durch die Krümmung der Oberfläche 7 des Reflektors 6 und deren geringen Abstand von der Oberfläche 11 des Messobjektes 10 bleiben die Verluste durch Streuung gering, d.h. der Resonator erreicht eine hohe Güte. Wenn der Abstand D der Oberfläche 7 des Reflektors 6 von der Oberfläche 11 des Messobjektes 10 ein ganzzahliges Vielfaches der halben Wellenlänge der von der Antenne 5 ausgesendeten Mikrowellen beträgt, weist der durch die Reflexionsmesseinrichtung 3 zwischen dem Oszillator 2 und der Antennenzuleitung 4 messbare Reflexionskoeffizient ein Maximum auf. Anhand einer Messung des Frequenzgangs dieses Reflexionskoeffizienten bei einer Variation der Frequenz des Oszillators 2 kann somit der Abstand D des Messobjektes 10 von der Oberfläche 7 des Reflektors 6 durch die Auswertungseinrichtung 8 anhand des Frequenzabstandes der Maxima ermittelt und an der Anzeigeeinrichtung 9 angezeigt werden.
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Eine weitere Möglichkeit der Einkopplung eines Mikrowellensignals in einen Resonator der zuvor beschriebenen Art ist in den 2 bis 4 dargestellt. 2 zeigt in der gleichen Ansichtsrichtung wie 1 einen Schnitt durch einen Reflektor 12, welcher in diesem Fall in der Mitte mit einem Schlitz 13 versehen ist. Die Form der Oberfläche 14 des Reflektors 12 auf seiner einem Messobjekt zugewandten Seite entspricht derjenigen des Reflektors 6 von 1. Auch die zugehörige Elektronik unterscheidet sich nicht von der vorausgehend anhand 1 beschriebenen und ist daher in 2 wie auch in allen weiteren Figuren nicht mehr dargestellt. In 3 ist der Reflektor 12 mit dem Schlitz 13 in der Ansicht von oben, d.h. von der Rückseite dargestellt.
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4 zeigt eine vergrößerte Sicht von oben auf den Schlitz 13 und eine mögliche schaltungstechnische Realisierung des Übergangs zu einer koaxialen Zuleitung 15. Der Außenleiter einer koaxialen Leitung 15 ist in unmittelbarer Umgebung des Schlitzes 13 elektrisch mit der dem Messobjekt abgewandten Oberfläche 16 des Reflektors 12 elektrisch verbunden. Der Innenleiter der Leitung 15 ist entweder direkt oder über einen Kondensator 17 mit der gegenüberliegenden Seite des Schlitzes 13 verbunden. Anstelle des Kondensators 17 kann je nach Bedarf auch eine andere Reaktanz eingefügt werden, um für eine Anpassung an den vorgesehenen Betriebsfrequenzbereich des durch den Reflektor 12 und ein Messobjekt gebildeten Mikrowellenresonators zu sorgen. Durch den Schlitz 13 und den Anschluss der Zuleitung an die Oberfläche 16 des Reflektors 12 im Bereich des Schlitzes 13 wird eine Schlitzantenne realisiert, wie sie als solche bekannt ist.
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Anstelle einer ebenen Oberfläche wie das Messobjekt 10 in 1 kann ein Messobjekt 20 auch eine zylindrische Form haben, wie es in den 5 und 6 gezeigt ist. Diese Figuren zeigen eine Konfiguration aus einem Reflektor 18 und einem Messobjekt 20 in zwei zueinander senkrechten Ansichtsrichtungen, wobei das zylindrische Messobjekt 20 in 5 im Längsschnitt und in 6 im Querschnitt zu sehen ist.
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In der Längsschnittansicht von 5 ist der Radius R der dem Messobjekt 20 gegenüberliegenden Oberfläche 19 eines entsprechend angepassten Reflektors 18 deutlich größer als der Abstand D der Oberfläche 21 des Messobjektes 20 von der Mitte der Oberfläche 19 des Reflektors 18. Insofern entsprechen die geometrischen Verhältnisse in der Ansichtsrichtung von 5 denjenigen von 1.
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In der Querschnittsansicht von 6 bilden jedoch die konkave sphärische Oberfläche 19 des Reflektors 18 und die konvexe Zylindermanteloberfläche 21 des Messobjektes 20 einen Mikrowellenresonator mit zwei gekrümmten Reflexionsoberflächen. Um einen stabilen Betrieb des Resonators zu erzielen, ist der Krümmungsradius R der dem Messobjekt 20 zugewandten Oberfläche des Reflektors 18 in dieser Ansichtsrichtung größer als der Radius r der Zylindermanteloberfläche 21, jedoch geringer als die Summe aus dem Zylindermantelradius r und dem Abstand D der Zylindermanteloberfläche 21 von der Oberfläche 19 des Reflektors 18. Dabei ist vorausgesetzt, dass das Messobjekt 20 in der Querschnittsansicht gemäß 6 mittig zu dem Reflektor 18 liegt, d.h. dass eine sich von der Längsachse des zylindrischen Messobjektes 20 aus in radialer Richtung erstreckende Gerade im Mittelpunkt des Reflektors 18 senkrecht auf dessen Oberfläche 19 trifft, wie es in 6 skizziert ist.
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In den vorausgehend beschriebenen Ausführungsbeispielen wurde von einem Messobjekt mit einer elektrisch leitenden, d.h. für Mikrowellen reflektierenden Oberfläche ausgegangen. Wie in 7 dargestellt ist, kann auch ein plattenförmiges Messobjekt 22 aus dielektrischem Material Bestandteil eines Mikrowellenresonators sein, der einen ersten Reflektor 23 der vorausgehend beschriebenen Art mit konkav gekrümmter Oberfläche 24 und einen zweiten Reflektor 25 mit ebener Oberfläche 26 aufweist. Dabei entspricht die Form des von den zwei Reflektoren 23 und 25 gebildeten Resonators derjenigen des Resonators von 1 mit dem Unterschied, dass der zweite Reflektor 25 hier kein Messobjekt darstellt.
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Das plattenförmige Messobjekt 22 hat zwei zueinander planparallele Oberflächen, von denen eine auf der Oberfläche 26 des zweiten Reflektors 25 aufliegt. Durch die von dem übrigen Innenraum des Resonators abweichende Permittivität des Materials, aus dem das Messobjekt 22 besteht, beeinflusst das Messobjekt 22 die Resonanzfrequenzen des Resonators, wobei deren Verschiebung durch das Vorhandensein des Messobjektes 22 von der Permittivität des Materials des Messobjektes 22 und von dessen Dicke d abhängt. Wenn die Permittivität bekannt ist, kann somit aus der Verschiebung der Resonanzfrequenzen durch Einbringung des Messobjektes 22 in den Resonator die Dicke d des Messobjektes 22 bestimmt werden. Es versteht sich, dass der Messeffekt umso ausgeprägter ist, je größer die Permittivität des Materials des Messobjektes 22 ist.
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Ein weiteres Ausführungsbeispiel eines Mikrowellenresonators eines erfindungsgemäßen Positionssensors ist in 8 dargestellt. Hier besteht der Resonator aus zwei Reflektoren 27 und 28 mit jeweils konkav gekrümmten sphärischen Oberflächen 29 bzw. 30. Er hat ohne Vorhandensein eines Messobjektes Resonanzfrequenzen, die sich aus der Geometrie der Anordnung ergeben. Der Resonator ist auch hier offen, d.h. die beiden Reflektoren 27 und 28 berühren sich an ihren seitlichen Rändern nicht, sondern es verbleibt dort eine Lücke.
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Wenn durch diese Lücke ein Messobjekt 31 in seitlicher Richtung in den Bereich zwischen den beiden Reflektoren 27 und 28 eingeführt wird, dann macht sich dies in einer Verschiebung der Resonanzfrequenzen des Resonators bemerkbar, deren Ausmaß von den Materialeigenschaften des Messobjektes 31, d.h. bei einem Dielektrikum von der Permittivität, sowie von der Dicke d und von der Eindringtiefe x abhängt. Wenn die Länge L des Messobjektes 31 so groß ist, dass es ähnlich wie das Messobjekt 22 in 7 den gesamten zweiten Reflektor 28 abdeckt, dann kann mit dem Resonator nach 8 bei bekannter Permittivität des Materials des Messobjektes 31 dessen Dicke d bestimmt werden, d.h. es kann die gleiche Art von Messung vorgenommen werden wie mit dem Resonator von 7.
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Es kann aber auch bei bekannter Dicke d und Permittivität eines Messobjektes 31 eine Kalibrierung der Abhängigkeit der Resonanzverschiebung von der Eindringtiefe x vorgenommen werden. Anhand dieses kalibrierten Zusammenhangs kann dann aus einer gemessenen Eindringtiefe x die Länge L des Messobjektes 31 errechnet werden, wenn die Position des entgegengesetzten Endes des Messobjektes 31 bekannt ist. Hierbei kann auch ein bestimmtes Ausmaß der Resonanzverschiebung einem bestimmten Wert der Eindringtiefe x als Schwellwert zugeordnet werden und der erfindungsgemäße Positionssensor analog zu einer Lichtschranke als binärer Sensor betrieben werden, indem nur die Überschreitung besagten Schwellwertes detektiert und als binäres Ausgangssignal ausgegeben wird.
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Beispielsweise könnte es sich bei dem Messobjekt 31 um eine kreisrunde Scheibe aus dielektrischem Material handeln, die ein mittiges Loch aufweist, mittels dessen die Scheibe durch einen Dorn zentrisch gehalten wird. Wenn die laterale Position der Achse des Dorns relativ zu dem aus den Reflektoren 27 und 28 bestehenden Resonator bekannt ist, dann kann in diesem Fall über eine Messung der Eindringtiefe x der Durchmesser der Scheibe bestimmt werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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