DE102018117145A1

DE102018117145A1 - Multifeldzonen-Näherungssensor sowie ein Verfahren zur Messung eines Abstands eines Objekts vom Multifeldzonen-Näherungssensor

Info

Publication number: DE102018117145A1
Application number: DE102018117145.5A
Authority: DE
Inventors: Mark Eberspächer; Attila Szabó
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2018-07-16
Filing date: 2018-07-16
Publication date: 2020-01-16
Also published as: CN110726987A; US20200018820A1; US11573288B2; CN110726987B

Abstract

Es ist ein Multifeldzonen-Näherungssensor (10) zur Messung eines Abstands (I) eines Objekts (22) vom Multifeldzonen-Näherungssensor (10) beschrieben, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor (10) ein Gehäuse (12) aufweist, in dem eine Antennenstruktur (14) aufgenommen ist, die in oder nahe einer Seite (19) des Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei die Antennenstruktur (14) zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Sende-Freiraumwelle (20) und zum Empfangen einer am Objekt (22) reflektierten elektromagischen Reflexionswelle (24) eingerichtet ist, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor (10) eine Sensorelektronik (16) aufweist, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der empfangenen Reflexionswelle (24) den Abstand (I) des Objekts (22) vom Multifeldzonen-Näherungssensor (10) zu ermitteln.

Description

Die Erfindung betrifft einen Multifeldzonen-Näherungssensor sowie ein Verfahren zur Messung eines Abstands eines Objekts vom Multifeldzonen-Näherungssensor, ein Computerprogramm sowie ein maschinenlesbares Speichermedium.
Stand der Technik
Aus WO 2015/000452 A1 sowie WO 2016/101940 A1 sind Näherungssensoren sowie zugeordnete Verfahren zur Messung eines Abstands von dem jeweiligen Sensor zu einem Objekt bekannt. Beide Näherungssensoren beruhen auf dem Wellenleiterprinzip, so dass eine von einem Mikrowellenoszillator in einem Gehäuse des Sensors erzeugte elektromagnetische Welle in eine Hohlleiterwellenmode umgewandelt wird, die in dem Gehäuse bis zu einer Öffnung des Gehäuses geführt und dort als Freiraumwelle in Richtung des Objekts abgestrahlt wird. Eine am Objekt reflektierte elektromagnetische Welle wird als Hohlleiterwellenmode in das Gehäuse eingekoppelt und zu einer Sensorelektronik in dem Gehäuse geführt. Die Ermittlung des Abstands zwischen dem Objekt und dem Sensor erfolgt unter Verwendung eines Reflexionsfaktors, der basierend auf der Sendewelle und der Reflexionswelle ermittelt wird. Der nutzbare Messbereich dieser Sensoren erstreckt sich von Null auf bis zu 20 Millimeter.
Es ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, Maßnahmen bereitzustellen, mit denen die Ermittlung des Abstands des Objekts von einem Sensor in einem größeren Messbereich, besonders genau und bei gleichzeitiger erhöhter Flexibilität der Formgebung des Sensors und erhöhter Einbau-Flexibilität des Sensors ermöglicht wird.
Offenbarung der Erfindung
Gemäß einem ersten Aspekt ist ein Multifeldzonen-Näherungssensor zur Messung eines Abstands eines Objekts vom Multifeldzonen-Näherungssensor bereitgestellt, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor ein Gehäuse aufweist, in dem eine Antennenstruktur aufgenommen ist, die in oder nahe einer Seite des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Antennenstruktur zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Sende-Freiraumwelle und zum Empfangen einer am Objekt reflektierten elektromagnetischen Reflexionswelle eingerichtet ist, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor eine Sensorelektronik aufweist, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der empfangenen Reflexionswelle den Abstand des Objekts vom Multifeldzonen-Näherungssensor zu ermitteln.
Der erfindungsgemäße Sensor beruht auf dem Prinzip, dass eine hochfrequente Freiraumwelle in der Apertur des Gehäuses erzeugt werden kann, die in Richtung des Objekts abgestrahlt werden kann. Dieses Prinzip kann also im Gegensatz zu den in WO 2015/000452 A1 und WO 2016/101940 A1 beschriebenen Näherungssensoren darauf verzichten, dass eine Hohlleiterwelle in einem Wellenleiter geführt wird, der durch das Gehäuse gebildet sein kann. In anderen Worten kann unabhängig davon, ob ausbreitungsfähige Wellen in einem Hohlleiter vorhanden sind, eine elektromagnetische Sendewelle als Freiraumwelle in den Freiraum abgeben werden, da die Antennenstruktur unmittelbar benachbart zu oder in der Seite des Gehäuses, insbesondere einer Seitenwand des Gehäuses, platziert sein kann und evaneszente Wellen, die auf Grund der geringen bis verschwindenden Distanz bis zur Apertur, die der Gehäuseseite entspricht, nicht abgeklungen sein können und somit stets eine Abstrahlung der Welle(n) in den Freiraum erfolgen kann. Mögliche Betriebsfrequenzen des Multifeldzonen-Näherungssensors können innerhalb der Industrial, Scientific and Medical Band (SIM-Bänder), beispielsweise in einem Bereich von 24,0 GHz bis 24,25 GHz oder von 5,725 GHz bis 5,875 GHz, sein.
Daher kann die Betriebsfrequenz des Sensors unabhängig von einer Geometrie eines Hohlleiters und somit unabhängig von einer Bauform des Gehäuses sein, da das Gehäuse nicht mehr als Hohlleiter dienen muss. In anderen Worten kann keine feste Abhängigkeit zwischen der Betriebsfrequenz des Sensors und den Gehäuseabmessungen mehr bestehen. Folglich kann eine genaue Ermittlung des Abstands in allen Feldbereichen des Sensors ermöglicht sein. Solche Feldbereiche können beispielsweise das reaktive Nahfeld, das strahlende Nahfeld und das Fernfeld umfassen. Dabei kann unter dem reaktiven Nahfeld ein Abstand r von der Antennenstruktur verstanden werden, der $r \leq 0.62 \sqrt{D^{3} / λ}$
genügt. Dabei kann D die größte Abmessung der Antennenstruktur und λ eine Wellenlänge der Antennenstruktur bezeichnen. Unter dem strahlenden Nahfeld kann ein Abstand von der Antennenstruktur verstanden werden, der $0.62 \sqrt{D^{3} / λ} < r \leq 2 D^{2} / λ$
genügen kann. Unter dem Fernfeld kann ein Abstand r von der Antennenstruktur verstanden werden, der 2D² / λ > r genügt. Das strahlende Nahfeld kann nur existieren, wenn D > λ ist. Im Vergleich zu dem Sensor kann ein Radarsensor typischerweise nur in dem Fernfeld arbeiten.
Da die Betriebsfrequenz unabhängig von der Geometrie des Gehäuses gewählt werden kann, kann der Sensor verschiedenste Bauformen aufweisen und somit flexibel in allen Einbaulagen verwendbar sein, indem die Gehäuseform des Sensors entsprechend der geforderten Einbausituation frei gewählt werden kann.
Da die Abstandsbestimmung auf einer Auswertung des Empfangssignals basiert, kann diese direkt ohne Messung weiterer Parameter durchgeführt werden.
Der Nährungssensor kann lediglich ein einziges Objekt in seinem Erfassungsbereich erkennen, während Radarsensoren, also Sensoren, die auf einem Radarprinzip beruhen und eine Freiraumwelle im Radarbereich abstrahlen, normalerweise mehrere Objekte erkennen können. Allerdings kann der vom Nährungssensor ermittelbare Abstand von 0 mm bis zu einem Hundertfachen der Wellenlängen betragen. Beispielsweise kann der Sensor bei einer Wellenlänge von λ=12,5mm bis zu 400mm messen. Dieser Abstand kann beispielsweise dem Abstand zwischen der Antennenstruktur bzw. der Gehäuseseite und der Objektoberfläche entsprechen. Im Vergleich dazu können Radarsensoren typischerweise nur im Fernfeld messen, so dass diese Sensoren nicht mit gleicher Genauigkeit bis zum Abstand 0 betrieben werden können. Daher kann ein Radarsensor also nicht als Multifledzonen-Näherungssensor bezeichnet werden.
Die Sensorelektronik kann auch in dem Gehäuse aufgenommen sein.
In einer Ausführungsform kann die Seite eine Öffnung aufweisen und die Antennenstruktur kann in oder nahe der Öffnung angeordnet sein.
In einer alternativen Ausführungsform kann die Seite aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Material, beispielsweise Teflon, ausgebildet sein, so dass die Seite ein transparentes Fenster bilden kann, durch das die Sendewelle und die Reflexionswelle hindurchtreten können.
Beide Ausführungsformen stellen besonders einfache Realisierungen für die Anordnung der Antennenstruktur in dem Gehäuse dar.
In einer Ausführungsform kann das Gehäuse zylinderförmig ausgebildet sein und die Antennenstruktur kann auf einer Platine, die sich entlang einer Längsachse des zylinderförmig ausgebildeten Gehäuses innerhalb des Gehäuses erstreckt, aufgebracht sein. Dabei kann die Antennenstruktur dicht am Platinenende in Richtung der aktiven Seite des Multifeldzonen-Näherungssensors, also nahe der Öffnung bzw. der Seite, angeordnet sein.
In einer alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse zylinderförmig ausgebildet sein und die Antennenstruktur kann auf einer Platine, die sich senkrecht zu einer Längsachse des zylinderförmig ausgebildeten Gehäuses im Bereich der Seite des Gehäuses, insbesondere der Öffnung des Gehäuses, erstreckt, aufgebracht sein. Dabei kann die Platine senkrecht zu einer weiteren Platine angeordnet sein, die sich entlang der Längsachse des Gehäuses im Gehäuse erstreckt.
Beide Ausführungsbeispiele ermöglichen eine besonders kleine und kompakte Realisierung des Multifeldzonen-Näherungssensors. Die Sensorelektronik kann in beiden Fällen auf der sich parallel zur Längsachse des zylinderförmigen Gehäuses erstreckenden Platine, beispielsweise in einem von der Antennenstruktur abgewandten Platinenbereich, angeordnet sein.
In einer Ausführungsform kann die Öffnung mit einer Verschlusskappe aus Kunststoff verschlossen sein. Der Kunststoff kann beispielsweise transmittierend bzw. transparent für elektromagnetische Wellen und/oder feuchtigkeitsresistent sein. Der Kunststoff kann beispielsweise Teflon aufweisen oder daraus ausgebildet sein. Dadurch kann der Multifeldzonen-Näherungssensor einerseits ein ausreichend großes Signal zur Abstandsbestimmung erzeugen und andererseits eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme haben, die das Innere des Multifeldzonen-Näherungssensors beschädigen könnte.
In einer Ausführungsform kann die Öffnung mittels einer Verschlusskappe aus Kunststoff verschlossen sein, in der die Antennenstruktur eingebracht ist oder auf die die Antennenstruktur aufgebracht ist, und die Antennenstruktur kann sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse des zylinderförmig ausgebildeten Gehäuses erstrecken. Der Kunststoff kann beispielsweise Teflon aufweisen oder daraus ausgebildet sein. Dabei kann die Antennenstruktur durch geeignete Strukturierung eines leitfähigen Kunststoffs, beispielsweise conductive graphene Polylactide (PLA) Filament, in der Verschlusskappe, beispielsweise unter Verwendung von 3D Druck, integriert sein oder mittels beispielsweise Molded-Interconnected-Device(MID)-Technologie als leitfähige Beschichtung auf die Verschlusskappe, beispielsweise auf ihre Innenseite, aufgebracht sein. Dies kann eine besonders kostengünstige, feuchtigkeitsresistente und einfache Realisierung des Multifeldzonen-Näherungssensors ermöglichen.
Beispielsweise kann das zylinderförmige Gehäuse als M12-Gewinderohr mit einem Innendurchmesser von 9,4 mm ausgebildet sein, so dass ein Standardsensorgehäuse verwendbar ist und der Multifeldzonen-Näherungssensor besonders einfach anstelle eines anderen Sensors nachgerüstet werden kann. Insbesondere kann eine untere Betriebsfrequenz des Gewinderohrs von 18,7 GHz, wenn es als Wellenleiter betrieben werden würde, beim Betrieb des Multifeldzonen-Näherungssensors unterschritten werden.
In Falle einer zylinderförmigen Ausgestaltung des Gehäuses kann die Seite als Stirnseite ausgebildet sein.
In einer Ausführungsform kann das Gehäuse quaderförmig ausgebildet sein und die Seite kann einer, vorzugsweise größten, Seite des Gehäuses entsprechen. In einer alternativen Ausführungsform kann das Gehäuse würfelförmig ausgebildet sein und die Seite kann einer (beliebigen) Seite des Gehäuses entsprechen. In beiden Optionen kann die Öffnung in der entsprechenden Seitenwand vorhanden sein. Diese Maßnahme kann bewerkstelligen, dass Standardbauformen von Sensorgehäusen für den Multifeldzonen-Näherungssensor verwendet werden können. Ferner kann diese Maßnahme eine besonders kleine und kompakte Realisierung des Multifeldzonen-Näherungssensors ermöglichen. Durch das Vorsehen der Öffnung bzw. des transparenten Fensters auf der größten Seite des quaderförmigen Gehäuses kann erreicht werden, dass sich die elektromagnetische Energie besonders gut in eine vorgegebene Richtung konzentrieren lässt.
Sofern das quaderförmige bzw. würfelförmige Gehäuse mit der Öffnung versehen ist, kann die Öffnung mit einer Verschlusskappe aus Kunststoff verschlossen sein. Der Kunststoff kann beispielsweise transmittierend bzw. transparent für elektromagnetische Wellen und/oder feuchtigkeitsresistent sein. Ferner kann der Kunststoff Teflon aufweisen oder daraus ausgebildet sein. Dadurch kann der Multifeldzonen-Näherungssensor einerseits ein ausreichend großes Signal zur Abstandsbestimmung erzeugen und andererseits eine geringe Feuchtigkeitsaufnahme haben, die das Innere des Multifeldzonen-Näherungssensors beschädigen könnte.
Das würfelförmige Gehäuse kann beispielsweise 40 x 40 x 40 mm groß sein, so dass ein Standardsensorgehäuse verwendbar ist und der Multifeldzonen-Näherungssensor besonders einfach anstelle eines anderen Sensors nachgerüstet werden kann.
In einer Ausführungsform kann die Antennenstruktur auf einer Platine aufgebracht sein, die sich entlang der Seite, insbesondere der Öffnung erstreckt, oder die Öffnung kann mit einer Verschlusskappe aus Kunststoff verschlossen sein, in die die Antennenstruktur eingebracht ist oder auf die die Antennenstruktur aufgebracht ist. Der Kunststoff kann Teflon aufweisen oder daraus ausgebildet sein. Im Falle, dass die Antennenstruktur auf einer Platine aufgebracht ist, kann das quaderförmige bzw. würfelförmige Gehäuse, wie oben beschriebenen, ebenfalls mit einer für die elektromagnetische Welle transparenten Verschlusskappe aus Kunststoff verschlossen sein. Die Sensorelektronik kann auf derselben Platine wie die Antennenstruktur oder auf einer weiteren Platine angeordnet sein, die sich beispielsweise senkrecht zur Platine mit der Antennenstruktur in dem Gehäuse erstrecken kann. Wie bereits oben erwähnt, kann die Antennenstruktur in den Kunststoff als leitfähige Struktur, beispielsweise unter Verwendung eines conductive graphene Polylactide (PLA) Filaments bei Verwendung von 3D Drucks, integral eingebracht sein oder als eine leitfähige Beschichtung beispielsweise auf einer zu dem Gehäuseinneren weisenden Oberfläche der Verschlusskappe (beispielsweise unter Verwendung von MID-Techniken) aufgebracht sein. Auch dies ermöglicht eine besonders kostengünstige, feuchtigkeitsresistente und einfache Realisierung des Multifeldzonen-Näherungssensors.
Insbesondere unabhängig von der Form des Gehäuses, kann die Verschlusskappe als separates Bauteil einen Teil des Gehäuses bilden.
In einer Ausführungsform kann eine Fläche der Platine oder der Verschlusskappe, die frei von der Antennenstruktur ist, mit einem absorbierenden Material versehen sein. Dadurch kann der Teil der Reflexionswelle absorbiert werden, der nicht von der Antennenstruktur empfangen wird, so dass Mehrfachreflexionen auf der Platine bzw. der Verschlusskappe vorteilhafterweise vermieden werden können. Das absorbierende Material kann beispielsweise als absorbierender Aufkleber realisiert werden oder durch ein spezielles Material der Verschlusskappe, das in diesem Bereich stark verlustbehaftet ist, ausgeführt werden. Der Aufkleber kann beispielsweise als Eccosorb® GDS von Emerson & Cumin ausgebildet sein.
Es ist auch möglich, dass das absorbierenden Material auf einer Außenfläche des Gehäuses vorgesehen ist, die zum Erfassungsbereich weist und die die Antennenstruktur nicht überdeckt.
In einer Ausführungsform kann die zumindest eine Seite des Gehäuses oder das gesamte Gehäuse aus dielektrischem Material, z.B. Teflon, ausgebildet sein und die Antennenstruktur kann in der Seite oder direkt an der Seite angeordnet sein. Dabei kann die Antennenstruktur in die Seitenwand des Gehäuses integriert sein oder direkt an der Innenseite der Seitenwand angeordnet sein. Mit anderen Worten kann die Antennenstruktur nicht auf einer Platine aufgebracht sein, während die Sensorelektronik auf einer Platine angeordnet sein kann, die in dem Gehäuse angeordnet sein kann. Das Gehäuse kann einstückig ausgebildet sein. Das Gehäuse kann zylinderförmig, würfelförmig oder quaderförmig ausgebildet sein. Die Antennenstruktur durch geeignete Strukturierung eines leitfähigen Kunststoffs, beispielsweise conductive graphene Polylactide (PLA) Filament, in die Seitenwand, beispielsweise unter Verwendung von 3D Druck, integriert sein oder mittels beispielsweise Molded-Interconnected-Device(MID)-Technologie als leitfähige Beschichtung auf die Innenseite der Seitenwand aufgebracht sein. Dies kann eine besonders kostengünstige, feuchtigkeitsresistente und einfache Realisierung des Multifeldzonen-Näherungssensors ermöglichen.
In einer Ausführungsform ist die Antennenstruktur planar ausgebildet, so dass sie besonders einfach in der Öffnung des Gehäuses platziert, auf die Platine aufgebracht, benachbart zur transparenten Seitenwand bzw. in die Verschlusskappe integriert sein kann.
In einer Ausführungsform kann die Antennenstruktur konform an eine Form der Seite oder der Verschlusskappe angepasst ausgebildet sein. Beispielsweise kann das Gehäuse, das insbesondere aus dem dielektrischen Material ausgebildet sein kann, eine Bauform mit Krümmungen aufweisen, so dass in diesem Falle eine konforme Antennenstruktur verwendet wird. Dabei kann die Antennenstruktur so entworfen sein, dass diese der Gehäusekontur folgt und ein vorgegebenes Abstrahlverhalten erreicht.
Die Antennenstruktur kann unterschiedliche Abstrahlcharakteristika aufweisen, die als unterschiedliche Kanäle bei der Abstandsbestimmung aufgefasst werden können. Beispielsweise kann die Antennenstruktur die Sendewelle mit zwei orthogonalen Polarisationen gleichzeitig oder nacheinander abstrahlen, wodurch zwei unterschiedliche Reflexionswellen vom Objekt empfangen werden und eine polarimetrische Auswertung möglich wird. Über den zusätzlichen Kanal können weitere Informationen über das Objekt gewonnen werden, wie beispielsweise Rückschlüsse auf die Ausrichtung des Objekts (sofern das Material des Objekts oder das Objekt selber einen von der Polarisation abhängigen Reflexionsfaktor aufweist). Beispielsweise ist dies, je nach Anordnung der Fasern, bei vielen kohlenstofffaserverstärkten Kunststoffen der Fall.
In einer Ausführungsform kann die Sensorelektronik dazu eingerichtet sein, eine komplexe Spannung, die indikativ für die empfangene Reflexionswelle ist, zu messen und einen gemessenen Reflexionsfaktor basierend auf der gemessenen Spannung zu ermitteln. Dieser Maßnahme kann die Idee zugrunde liegen, dass der Reflexionsfaktor besonders einfach mittels einer gut erfassbareren Größe, nämlich der Spannung, ermittelt werden kann. Dabei kann die Spannung der Reflexionswelle als einziger Parameter in einer Abstandsmessung gemessen werden, da diese Spannung bis auf eine Normierungsgröße, nämlich der Spannung der Sendewelle, einem Reflexionsfaktor der Reflexionswelle entsprechen kann. Auf diese Weise ist es möglich, dass lediglich die Spannung der Reflexionswelle, nicht aber die Spannung der Sendewelle zur Abstandsmessung gemessen werden muss. Der Normierungsfaktor kann dabei mittels einer vor der Abstandsmessung durchgeführten Kalibrierung des Sensors ermittelt werden, indem eine Abstandsmessung mit einem Objekt, das direkt an der Seite des Sensors angeordnet ist (Abstand Null), durchgeführt wird und die Normierung so gewählt wird, dass die resultierende Spannung der Reflexionswelle gleich -1 sein kann. Der komplexwertige Normierungsfaktor kann (beispielsweise als Tabelle) in der Sensorelektronik abhängig von der Frequenz der Sendewelle hinterlegt sein. Hierbei kann der hinterlegte Normierungsfaktor für jede hinterlegte Frequenz durch seinen Betrag und seine Phase charakterisiert sein.
In einer Ausführungsform kann der gemessene Reflexionsfaktor zusätzlich basierend auf einem Reflexionsfaktor ermittelt sein, der indikativ für einen Übergang (insbesondere der Sendewelle(n)) von der Antennenstruktur in einen Freiraum sein kann. Der Freiraum kann einen Raum außerhalb des Sensors (z.B. des Sensorgehäuses) bezeichnen. Dabei kann der den Übergang von der Antennenstruktur in den Freiraum beschreibende Reflexionsfaktor beispielsweise mittels einer Leermessung vor einem tatsächlichen Verwenden des Sensors zur Erfassung des Abstands ermittelt werden. Bei einer solchen Leermessung wird eine Abstandsmessung durchgeführt, bei der kein Objekt im Erfassungsbereich des Sensors ist. Da keine Reflexionswelle an dem Objekt in einer solchen Konstellation erfasst wird, kann der gemessene Reflexionsfaktor folglich dem Reflexionsfaktor des Übergangs der Welle von der aktiven Fläche des Sensors (in anderen Worten von der Antennenstruktur) zum Freiraum entsprechen. Der den Übergang von der Antennenstruktur in den Freiraum beschreibende Reflexionsfaktor kann von der mittels des Normierungsfaktors normierten gemessenen Spannung der Reflexionswelle subtrahiert werden, um den gemessenen Reflexionsfaktor zu ermitteln. Diese Art der Korrektur des gemessenen Reflexionsfaktors kann bei jeder Abstandsmessung durchgeführt werden.
In einer Ausführungsform kann die Sensorelektronik dazu eingerichtet sein, mittels einer selbstlernenden Abbildung den gemessenen Reflexionsfaktor auf einen weiteren Reflexionsfaktor abzubilden, der einem idealen Reflexionsfaktor (also den um den Übergang von der Antennenstruktur in den Freiraum beschreibenden Reflexionsfaktor korrigierten) Reflexionsfaktor entsprechen kann. Die Sensorelektronik ist ferner dazu eingerichtet, den Abstand aus dem weiteren Reflexionsfaktor zu ermitteln. Dadurch kann die Abstandsbestimmung vereinfacht werden, indem anstelle eines komplexen Signalmodells, das die Realität nur unzureichend beschreibt, Techniken des maschinellen Lernens, beispielsweise neuronaler Netze, verwendet werden können. Die selbstlerne Abbildung kann dafür verwendet werden, um die (Mehrfach-)Reflexions- und Beugungseinflüsse der Umgebung und der Einbausituation zu kompensieren und eine Grobmessung des Abstands durchzuführen. Die selbstlernende Abbildung kann es beispielsweise erübrigen, die genaue Einbausituation des Sensors, die Bauform des Sensors sowie eine Oberflächenform des Objekts für eine genaue Messung des Abstands zu kennen. In diesem Falle kann die selbstlernende Abbildung all diese Effekte durch geeignetes Einlernen berücksichtigen. Somit kann der Sensor in einer Umgebung betrieben werden, in dem Mehrfachreflexionen auftreten können. Da lediglich der gemessene Reflexionsfaktor (und somit die gemessene Spannung der Reflexionswelle) als Eingangsgröße für die selbstlerne Abbildung verwendet wird, kann die selbstlernende Abbildung eine einzige gut messbare Eingangsgröße verwenden. Radarsensoren, die auf Interferometrie beruhen, mögen bei deren Auswertung keine selbstlernende Abbildung, also kein Einlernen des zur erfassenden Objekts, verwenden. Ferner mag es bei Radarsensoren nicht notwendig sein, Mehrfachreflexionen auszugleichen, da bei solchen Sensoren die Sende- und Empfangsantennen weit vom zu detektierenden Objekt entfernt sind.
Die selbstlernende Abbildung wird mittels Trainingsdaten trainiert und dann von der Sensorelektronik verwendet. Im aktuellen Sensorbetrieb bleibt die selbstlernende Abbildung unverändert und führt keine Veränderungen an sich selbst mehr durch.
In einer Ausführungsform kann die selbstlernende Abbildung den gemessenen Reflexionsfaktor zusätzlich auf ein Signal, insbesondere auf ein Signalwert, abbilden, das proportional zum Abstand sein kann. Das Signal kann dabei insbesondere eine Spannung darstellen. Die Sensorelektronik kann ferner dazu eingerichtet sein, aus dem abgebildeten Signal (insbesondere aus dem Abstand, der dem mittels der Abbildung gewonnenen Signalwert zugeordnet ist) ein Phasenintervall für die Ermittlung des Abstands auszuwählen. Da das Signal proportional zum Abstand ist, kann also eine Grobbestimmung des Abstands durchgeführt werden. An die Genauigkeit des Signals kann daher bei dem Einlernen nur geringe Anforderungen gestellt werden.
In einer Ausführungsform kann die Sensorelektronik dazu eingerichtet sein, den Abstand aus einer Phase des weiteren Reflexionsfaktors unter Verwendung des ausgewählten Phasenintervalls zu ermitteln. Dadurch kann eine exakte Feinmessung des Abstands besonders einfach und genau ermöglicht sein, da auf eine zuvor bestimmte Größe, nämlich das Phasenintervall, zurückgegriffen werden und mit dieser der Abstand eindeutig bestimmbar sein kann. Bei der Feinbestimmung des Abstands kann auch eine Phasengeschwindigkeit des Reflexionsfaktors, die beispielsweise als Polynom aus einer vorherigen Kalibrierung bekannt sein kann, berücksichtigt werden.
Dabei kann die Sendewelle bei einer oder mehreren Frequenzen abgestrahlt und die Spannung der Reflexionswelle für die eine oder die mehreren Frequenzen gemessen werden. Die Abstrahlung bzw. Messung kann bei lediglich einer Frequenz erfolgen, wenn der Sensor sehr hohe Messraten ermöglichen soll. Soll die Genauigkeit der Abstandsbestimmung gesteigert werden, kann die die Abstrahlung bzw. Messung bei mehreren Frequenzen durchgeführt werden. Die Ermittlung des weiteren Reflexionsfaktor und somit der Phase des weiteren Reflexionsfaktors kann dann bei der einen oder der mehreren Frequenzen der Sendewelle erfolgen, um die Genauigkeit der Abstandsmessung in beiden Fällen im Vergleich zur Grobmessung des Abstands zu erhöhen.
In einer Ausführungsform kann das Objekt nicht leitfähig oder schlecht leitfähig (also nicht metallisch) sein, oder, in anderen Worten, einen Reflexionsfaktor von ungleich -1 haben. Die Sensorelektronik kann dazu eingerichtet sein, den weiteren Reflexionsfaktor um einen Reflexionsfaktor des Objekts zu korrigieren und den Abstand aus dem korrigierten Reflexionsfaktor zu ermitteln. In anderen Worten können Objekte mit komplexer Oberflächenimpedanz eingelernt werden. Dadurch kann der Einsatzbereich des Sensors verbessert sein, da nicht nur der Abstand leitfähiger Objekte, sondern auch nicht leitfähiger oder schlecht leitfähiger Objekte besonders gut erfasst werden können. Die Korrektur des weiteren Reflexionsfaktors um den Reflexionsfaktor des Objekts kann also einen Abstandsfehler reduzieren, der ohne diese Korrektur auftreten würde. Um den Reflexionsfaktor des Objekts zu ermitteln, kann vor der tatsächlichen Abstandsbestimmung das zu erfassende Objekt direkt an der Gehäuseöffnung platziert werden, eine Abstandsmessung initiiert und der gemessene Reflexionsfaktor bestimmt werden. Der Reflexionsfaktor des Objekts kann in der Sensorelektronik hinterlegt sein.
Der den Übergang von der Antennenstruktur in den Freiraum beschreibende Reflexionsfaktor, der gemessene Reflexionsfaktor, der weitere Reflexionsfaktor und/oder der Reflexionsfaktor des Objekts können frequenz- und abstandsabhängig sein. Das zum Abstand proportionale Signal kann nur abstandsabhängig sein.
In einer Ausführungsform kann der Multifeldzonen-Näherungssensor derart für verschiedene Typen von Multifeldzonen-Näherungssensoren kalibriert sein, dass der gemessene Reflexionsfaktor unabhängig vom Sensortyp (für alle Multifeldzonen-Näherungssensoren) gleich sein kann. Eine solche Kalibrierung kann beispielsweise vor der Abstandsbestimmung dadurch durchgeführt werden, dass der Sensor in ein Rohr weist, in dem ein metallischer Stempel zwischen bekannten Positionen hin und her fährt. Bei einer erfolgten Abstandsmessung kann das Ergebnis mit dem bekannten Abstand verglichen werden, um hieraus einen systematischen Fehler des Sensortyps zu ermitteln. Für jeden der Sensortypen kann beispielsweise aus dem Fehler eine Streumatrix, eine Wellenkettenmatrix, eine ABCD-Matrix oder eine Impedanzmatrix ermittelt werden, mittels der der gemessene Reflexionsfaktor korrigiert werden kann, bevor dieser als Eingangsgröße für die selbstlernende Abbildung verwendet wird. Wird eine solche Kalibrierung durchgeführt, ist es ferner möglich, dass lediglich dieselbe selbstlernende Abbildung für alle Sensortypen werden kann.
Gemäß einem zweiten Aspekt ist ein Verfahren zur Messung eines Abstands eines Objekts von einem Multifeldzonen-Näherungssensor bereitgestellt, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor ein Gehäuse aufweist, in dem eine Antennenstruktur aufgenommen ist, die in oder nahe einer Seite des Gehäuses angeordnet ist, wobei die Antennenstruktur eine elektromagnetischen Sende-Freiraumwelle abstrahlt und eine am Objekt reflektierte elektromagische Reflexionswelle empfängt, wobei basierend auf der empfangenen Reflexionswelle der Abstand des Objekts vom Multifeldzonen-Näherungssensor ermittelt wird.
Die mit Bezug auf den Multifeldzonen-Näherungssensor gemäß dem ersten Aspekt beschriebenen technischen Wirkungsweisen und Vorteile gelten gleichermaßen für das Verfahren gemäß dem zweiten Aspekt.
In einer Ausführungsform kann eine komplexe Spannung, die indikativ für die empfangende Reflexionswelle ist, gemessen werden und aus der gemessenen komplexen Spannung kann ein gemessener Reflexionsfaktor ermittelt werden.
In einer Ausführungsform kann der gemessene Reflexionsfaktor zusätzlich basierend auf einem Reflexionsfaktor ermittelt werden, der indikativ für einen Übergang von der Antennenstruktur in einen Freiraum ist.
In einer Ausführungsform kann mittels einer selbstlernenden Abbildung der gemessene Reflexionsfaktor auf einen weiteren Reflexionsfaktor abgebildet werden und der Abstand kann aus dem weiteren Reflexionsfaktor ermittelt werden.
In einer Ausführungsform kann die selbstlernende Abbildung den gemessenen Reflexionsfaktor zusätzlich auf ein Signal abbilden, das proportional zum Abstand ist, und aus dem abgebildeten Signal kann ein Phasenintervall für die Ermittlung des Abstands ausgewählt werden.
In einer Ausführungsform kann der Abstand aus einer Phase des weiteren Reflexionsfaktors unter Verwendung des ausgewählten Phasenintervalls ermittelt werden.
In einer Ausführungsform kann das Objekt nicht leitfähig oder schlecht leitfähig sein, und der weitere Reflexionsfaktor kann um einen Reflexionsfaktor des Objekts korrigiert werden und der Abstand kann aus dem korrigierten Reflexionsfaktor ermittelt werden.
In einer Ausführungsform kann der Multifeldzonen-Näherungssensor derart für verschiedene Typen von Multifeldzonen-Näherungssensoren kalibriert werden, dass der gemessene Reflexionsfaktor unabhängig von Multifeldzonen-Näherungssensortyp gleich sein kann.
Gemäß einem dritten Aspekt ist ein Programm für eine Datenverarbeitungsanlage, insbesondere für die Sensorelektronik, vorgesehen, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens gemäß dem zweiten Aspekt durchzuführen, wenn es von der Datenverarbeitungsanlage durchgeführt wird. Das Programm kann Instruktionen aufweisen und einen Steuercode bilden, der einen Algorithmus zum Durchführen des Verfahrens umfasst.
Es kann ferner ein maschinenlesbares Speichermedium vorgesehen sein, auf welchem ein Programm gemäß dem dritten Aspekt gespeichert ist. Das maschinenlesebare Speichermedium kann beispielsweise als externer Speicher, als interner Speicher, als Festplatte oder als USB-Speichergerät ausgebildet sein.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert. Es zeigen:

1 schematisch einen Multifeldzonen-Näherungssensor gemäß einem Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht und einer Draufsicht von vorne;
2 schematisch eine Sensorelektronik des Multifeldzonen-Näherungssensors in 1;
3 schematisch eine weitere Ausführungsform des Multifeldzonen-Näherungssensors in 1 in einer Seitenansicht;
4 und 5 schematisch weitere Ausführungsformen des Multifeldzonen-Näherungssensors in 1 in einer Seitenansicht und einer Draufsicht von vorne;
6 schematisch einen Multifeldzonen-Näherungssensor gemäß einem weiteren Ausführungsbeispiel in einer Draufsicht von vorne;
7 schematisch eine Oberfläche eines Objekts in einer Draufsicht, an der polarisationsabhängig eine Reflexionswelle in Richtung des Multifeldzonen-Näherungssensor in 1, 3 bis 6 reflektiert wird;
8 schematisch ein Signalflussdiagramm, das einem Signalmodell zugrunde gelegt ist;
9 schematisch ein Ablaufdiagramm eines Verfahrens zur Messung eines Abstands des Objekts unter Verwendung des Multifeldzonen-Näherungssensors in 1, 3 bis 6;
10 schematisch die Wirkungsweise einer selbstlernenden Abbildung, die in dem Verfahren in 9 verwendet wird;
11 schematisch einen gemessenen Reflexionsfaktor und einen ermittelten Reflexionsfaktor, der mittels der selbstlernenden Abbildung aus 10 ermittelt ist; und
12 schematisch ein mit der selbstlernenden Abbildung aus 10 gewonnenes Signal U_l(l) in Abhängigkeit des Abstands I.

Ausführungsformen der Erfindung
Gleiche oder ähnlich Bauteile oder Elemente sind mit gleichen Bezugszeichen versehen.
Ein in 1 gezeigter Multifeldzonen-Näherungssensor 10 weist ein zylinderförmiges Sensorgehäuse 12 auf, in dem eine planare Antennenstruktur 14 und eine Sensorelektronik 16 aufgenommen sind. Die Antennenstruktur 14 befindet sich benachbart einer Öffnung 18, die in einer Seite 19 des zylinderförmigen Sensorgehäuses 12 vorgesehen ist, und ist folglich in einer Apertur des Gehäuses 12 angeordnet. Die Antennenstruktur 14 ist dazu eingerichtet, eine hochfrequente elektromagnetische Sendewelle 20 als Freiraumwelle ohne vorherige Leitung in einem Holleiter in Richtung eines Objekts 22 in einen Freiraum 23 abzustrahlen und eine am Objekt 22 zumindest teilweise reflektierte hochfrequente elektromagnetische Reflexionswelle 24 aus dem Freiraum 23 zu empfangen.
Die Sensorelektronik 16 dient zum Ansteuern der Antennenstruktur 14, damit diese die Sendewelle 20 abstrahlt und die Reflexionswelle 24 empfängt, und zum Ermitteln eines Abstands I des Objekts 22 vom Sensor 10. Dazu ist ein der Reflexionswelle 24 zugeordnetes Signal der Sensorelektronik 16 zuführbar, die dazu eingerichtet ist, einen Reflexionsfaktor Γ_Td basierend auf dem Signal zu ermitteln und aus diesem den Abstand I zwischen dem Multifeldzonen-Näherungssensor 10 und dem Objekt 22 zu ermitteln.
Das Gehäuse 12 kann anstelle der Öffnung 18 in der Seite 19 aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Material, beispielsweise Teflon, gefertigt sein und keine Öffnung 18 aufweisen. Es ist auch möglich, dass lediglich die Seite 19, hier die Seitenwand des Gehäuses 12, aus einem solchen Material gefertigt ist. In beiden Fällen kann die Antennenstruktur 14 direkt auf die Innenseite der als Seitenwand ausgebildeten Seite 19 aufgebracht sein.
Die in 2 dargestellte Sensorelektronik 16 weist einen Generator 25 zum Erzeugen der hochfrequenten, abzustrahlenden elektromagnetischen Sendewelle 20 auf. Ferner weist die Sensorelektronik 14 in einem Empfangspfad einen Verstärker 26 zum Verstärken des der Reflexionswelle 24 zugeordneten Signals, einen Frequenzmischer 28 zum Erzeugen einer niedrigeren Frequenz basierend aus einem Ausgabesignal des Verstärkers 26, einen Vorkonditionierer 30 zum Vorkonditionieren des Ausgabesignals des Frequenzmischers 28, einen Mikrocontroller 32 zum Verarbeiten eines Ausgabesignals des Vorkonditionierers 30 und eine Ausgabestufe 34 zum Ausgeben eines entsprechenden Ausgabesignals auf. Der Mikrocontroller 32 weist einen Analog-Digitalkonverter auf, mittels dem die eine komplexwertige Spannung messbar ist. Die Ausgabestufe 34 ist als standardisierte unidirektionale oder bidirektionale Schnittstelle, beispielsweise entsprechend dem IO-Linkstandard, ausgebildet.
Bei dem in 3 gezeigten Ausführungsbeispiel des Multifeldzonen-Näherungssensors 10 ist in dem zylinderförmigen Gehäuse 12 eine Leiterplatte 40 angeordnet, auf der die Sensorelektronik 16 aufgebracht ist. Die Leiterplatte 40 erstreckt sich dabei mittig in Sensorgehäuse 12 entlang der Längsachse L des Sensorgehäuses 12. Die Antennenstruktur 16 ist auf einem Endbereich 41 der Leiterplatte 40 nahe der Öffnung 18 und beabstandet von der Sensorelektronik 16 aufgebracht. Eine für die Sendewelle 20 und die Reflexionswelle 24 transparente Verschlusskappe 42 aus Kunststoff verschließt das Sensorgehäuse 12 in Richtung nach außen.
Es ist auch möglich, dass die Seite 19 ohne Öffnung 18 ausgebildet ist und die Seite 19 bzw. das gesamte Gehäuse 12 aus einem solchen Material (z.B. Teflon), das für elektromagnetische Wellen transparent ist, ausgebildet ist. In beiden Fällen kann die Antennenstruktur 14 direkt auf die Innenseite der als Seitenwand ausgebildeten Seite 19 aufgebracht sein.
Das in 4 gezeigte Ausführungsbeispiel ist ähnlich zu dem Ausführungsbeispiel des Multifeldzonen-Näherungssensors 10 in 3 ausgebildet. Allerdings ist in dem zylinderförmigen Gehäuse 12 eine zweite Leiterplatte 44 angeordnet, die sich im Bereich der Öffnung 18 entlang der Öffnung 18 in der Seite 19 erstreckt und die Öffnung 18 abdeckt. Die Antennenstruktur 14 ist nicht auf der Leiterplatte 40, sondern auf der Leiterplatte 44 in Richtung nach außen hin aufbracht. Die Öffnung des Gehäuses 12 ist mit einer Verschlusskappe 42 aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Material, beispielsweise Teflon, verschlossen. Es ist auch möglich, dass die Seite 19 ohne Öffnung 18 ausgebildet ist und die Seite 19 bzw. das gesamte Gehäuse 12 aus einem solchen Material (z.B. Teflon), das für elektromagnetische Wellen transparent ist, ausgebildet ist. In beiden Fällen kann die Antennenstruktur 14 direkt auf die Innenseite der als Seitenwand ausgebildeten Seite 19 aufgebracht sein, so dass die Leiterplatte 44 nicht vorgesehen sind.
Bei dem in 5 gezeigten Ausführungsbeispiel des Multifeldzonen-Näherungssensors 10 erstreckt sich eine Leiterplatte 40 entlang der gesamten Längsachse L eines zylinderförmigen Sensorgehäuses 12. Die Sensorelektronik 16 ist entlang der gesamten Länge der Leiterplatte 40 aufgebracht. Eine Verschlusskappe 42 aus z.B. Teflon dichtet das Sensorgehäuse 12 in Richtung zum Objekt 22 ab. Die Antennenstruktur 14 ist als leitfähige Kunststoffschicht in die Verschlusskappe 42 eingegossen.
Der in 6 gezeigte Multifeldzonen-Näherungssensor 10 weist ein quaderförmiges Sensorgehäuse 12 auf, in dessen vorzugsweise größte Seite 19 die Öffnung 18 eingebracht ist. Die Seite 19 dient als Abstrahlfläche für eine planare Antennenstruktur 14. Dazu ist in dem Gehäuse 12 eine Leiterplatte 44 benachbart zur Öffnung 18 vorgesehen, auf der die Antennenstruktur 14 mittig aufgebracht ist. Auf der Leiterplatte 44 ist ebenfalls die Sensorelektronik 16 vorgesehen. Um Mehrfachreflexionseffekte zu verhindern, ist die Leiterplatte 44 in allen Bereichen 47, auf der die Antennenstruktur 14 nicht vorgesehen ist, mit einem absorbierenden Material 48 versehen. Das Material kann beispielweise als Schicht aufgebracht sein. Optional kann die Öffnung 18 mit einer für die Sendewelle 20 und die Reflexionswelle 24 transparenten Verschlusskappe 42 aus Kunststoff abgedichtet sein, die die Öffnung 18 nach außen hin verschließt.
Es ist auch möglich, dass die Leiterplatte 44 lediglich die Antennenstruktur 14 und das absorbierende Material 48 aufweist und die Sensorelektronik 16 auf einer weiteren Leiterplatte in den Gehäuse 12 vorgesehen ist. Es sich auch möglich, dass die Antennenstruktur 14 in Form von leitfähigem Kunststoff in die Verschlusskappe 42 eingebracht ist, so dass eine in den Gehäuse 12 befindliche Leiterplatte die Sensorelektronik 16 trägt.
Die Seite 19 kann auch ohne Öffnung 18 und der Sensor 10 ohne Verschlusskappe 42 ausgebildet sein und die Seite 19 bzw. das gesamte Gehäuse 12 kann in diesem Fall aus einem solchen Material (z.B. Teflon), das für elektromagnetische Wellen transparent ist, ausgebildet sein.
Die Antennenstruktur 14 kann dazu eingerichtet sein, die Sendewelle mit zwei orthogonalen Polarisationen abzustrahlen, wodurch zwei unterschiedliche Reflexionswellen vom Objekt 22 empfangen werden und eine polarimetrische Auswertung in der Sensorelektronik 16 möglich wird. Über den zusätzlichen Kanal können weitere Informationen über das Objekt 22 gewonnen werden. 7 zeigt ein Objekt 22, das einen von der Polarisation abhängigen Reflexionsfaktor aufweist. In diesem Fall ist es ein kohlenstofffaserverstärkter Kunststoff. Der Reflexionsfaktor für die Reflexionswelle 24 mit horizontaler Polarisation beträgt etwa - 1 und der Reflexionsfaktor für die Reflexionswelle 24 mit vertikaler Polarisation wäre etwa Null. Die Sensorelektronik 14 verarbeitet, wie mit Bezug auf 9 später detailliert beschrieben, gleichermaßen beide Reflexionsfaktoren, also je einen pro Polarisation, wodurch nicht nur der Abstand des Objekts 22, sondern auch beispielsweise die Orientierung des Objekts 22, bzw. in dem Ausführungsbeispiel von 7 die Orientierung der Fasern, bestimmt werden kann.
In einem Betrieb des Multifeldzonen-Näherungssensors 10 generiert der Generator 25 der Sensorelektronik 16 eine hochfrequente elektromagnetische Sendewelle 20, die mittels der Antennenstruktur 14 in Richtung des Objekts 20 als Freiraumwelle abgestrahlt wird. Die am Objekt 22 reflektierte elektromagnetische Reflexionswelle 24 wird von der Antennenstruktur 14 empfangen und zur Sensorelektronik 16 geleitet. Der Empfangspfad der Sensorelektronik 16 ermittelt basierend auf der empfangenen Reflexionswelle 24 einen Reflexionsfaktor Γ_Td, der charakteristisch für das Reflexionsverhalten des Objekts 22 ist, und bestimmt daraus einen Abstand I zwischen dem Multifeldzonen-Näherungssensor 10 und dem Objekt 22. Dazu wird die empfangene Reflexionswelle 24 mittels des Verstärkers 26 verstärkt. Ein Ausgabesignal des Verstärkers 26 wird mittels des Mischers 28 in eine neue niedrige Frequenzlage, nämlich in das Basisband, transformiert. Das Basisband kann auch die Frequenz Null aufweisen. Bei einer Frequenz und einem Abstand I ist das Ausgabesignal des Mischers 28 ein komplexwertiges Gleichsignal. Das Basisband wird dann mittels des Vorkonditionierers 30 vorkonditioniert und das Ausgabesignal des Vorkonditionierers 30 wird vom Mikrocontroller 32 weiterverarbeitet, der daraus die Abstandsinformation gewinnt. Ein Ausgabesignal des Mikrocontrollers 32 ist charakteristisch für den zu ermittelnden Abstand. Dieses Abstandssignal kann beispielsweise als Schaltsignal bei Unterschreiten eines vorgegebenen Abstands, als Analogsignal (Strom oder Spannung) proportional zum Abstand oder als digitales Datensignal ausgebildet sein. Die Ausgangsstufe 34 gibt das Ausgabesignal aus und transformiert das Ausgabesignal ggfls. in den von der Ausgabestufe 34 implementierten Standard.
Um den Abstand des Objekts 22 vom Sensor 10 zu ermitteln, wird angenommen, dass der komplexe Reflexionsfaktor Γ_Td frequenz- und längenabhängig ist und sich als $Γ_{Td} (f, l) = - e^{- 2 γ l} = - e^{- 2 (α (f, l) + j \frac{2 π f}{c (l)}) l}$
darstellen lässt. Dabei steht der Index „T“ für das Objekt 22 („Target“) und der Index „d“ für „distant“, so dass Γ_Td den Reflexionsfaktor zum Ort des Sensors 10 bezeichnet. Für l=0 gilt Γ_Td =-1. α(l) bezeichnet eine Dämpfungskonstante und c(I) eine Phasengeschwindigkeit der Reflexionswelle 24 für den Abstand I. Die Phasengeschwindigkeit c(I) ist für kleine Abstände I nicht gleich der Vakuumgeschwindigkeit c, da im Nahfeld der Antennenstruktur 14 ein breites Modenspektrum existiert, dessen Überlagerung im Signalmodell als effektive Welle aufgefasst werden kann. Die im Spektrum enthaltenen, nicht ausbreitungsfähigen Moden klingen mit zunehmendem Abstand I schnell ab und eine effektive Wellenlänge konvergiert gegen die Freiraumwellenlänge.
Um den Reflexionsfaktor Γ_Td zu bestimmen, kann ein Signalmodell angenommen werden, dem das in 8 gezeigte Signalflussdiagramm beispielsweise zu Grunde liegt. Der Reflexionsfaktor ist als Funktion der Spannung U_r, die indikativ für die Reflexionswelle 24 ist, und der Spannung U_h, die indikativ für die Sendewelle 20 ist, gemäß $Γ = \frac{U_{r}}{U_{h}} = Γ_{h} + \frac{T^{2} Γ_{T} e^{- 2 γ l}}{1 - Γ_{T} Γ_{r} e^{- 2 γ l}}$
gegeben. Dabei bezeichnet der Index h die „hineinlaufende“ Sendewelle 20, und der Index r die „rücklaufende“ Reflexionswelle 24. Bei dem Signalmodell wird die Reziprozität der Transmission der Reflexionswelle 24 und der Transmission der Sendewelle 20 angenommen, also es gilt T_h = T_r = T. Unter der Annahme, dass Γ_T= -1 ist, lässt sich das Modell zu $Γ = \frac{U_{r}}{U_{h}} = Γ_{h} + \frac{- T^{2} e^{- 2 γ l}}{1 + Γ_{r} e^{- 2 γ l}}$
vereinfachen. Wie oben bereits erläutert, bezeichnet der Index „T“ das Objekt 22. Hieraus ergibt sich der gemessene Reflexionsfaktor Γ' zu $Γ' = Γ - Γ_{h} = \frac{- T^{2} e^{- 2 γ l}}{1 + Γ_{r} e^{- 2 γ l}} .$
Sowohl die Spannung U_r, U_h als auch Γ_h sind messbar. Der rechte Teil der letzten Gleichung ist unbekannt und in dem Signalmodell als Vereinfachung angenommen. Um diesen Reflexionsfaktor Γ' besser abschätzen zu können, wird für die Abstandsmessung des Objekts 22 anstelle des Signalmodels eine selbstlernende Abbildung verwendet, die den gemessenen Reflexionsfaktor Γ' auf den im Verfahren zu ermittelnden Reflexionsfaktor Γ_Td abbildet, der die eingangs genannten Darstellung hat. Die Verwendung der selbstlernenden Abbildung ist vorteilhaft, da das Signalmodell eine Vereinfachung der Realität darstellt und nur für bestimmte Einbausituationen gültig ist. Insbesondere kann das Signalmodell nicht alle physikalischen Effekte für beliebige Einbausituationen berücksichtigen. Ferner bleiben im Signalmodell Beugungseffekte, die entweder am Sensor 10, an einer Halterung oder an dem Objekt 22 auftreten, nicht berücksichtigt. Die selbstlernende Abbildung hingegen weist eine solche Komplexität auf, dass sie in der Lage ist, Signalpfade zu berücksichtigen, die nicht in dem Signalmodell enthalten sind. Daher kann die selbstlernende Abbildung die Einbausituation des Sensors 10, die Bauform des Sensors 10 und die Oberflächenform des Objekts 22 berücksichtigen.
In einem Verfahren zur Bestimmung des Objekts 22 vom Sensor 10 wird in einem ersten Verfahrensschritt S2 die komplexe Spannung U_r mittels des Analog-Digital-Konverters des Mikrocontrollers 32 gemessen. Danach wird in einem Schritt S4, der ebenfalls vom Mikrocontroller 32 durchgeführt wird, der gemessene Reflexionsfaktor $Γ' = Γ - Γ_{h} = \frac{U_{r}}{U_{h}} - Γ_{h}$
ermittelt. Dazu wird die Spannung U_r mittels einer bekannten Spannung U_h der Sendewelle 20 normiert. Der Wert von U_h ist in Abhängigkeit der Frequenz der Sendewelle 20, beispielsweise als Tabelle, im Mikrocontroller 32 mit einem Betragswert von U_h und einem Phasenwert von U_h pro Frequenzwert abgelegt. Ferner wird in dem Schritt S4 unter Berücksichtigung des als bekannt vorausgesetzten Reflexionsfaktors Γ_h ein gemessener Reflexionsfaktor Γ' ermittelt. Dieser gemessene Reflexionsfaktor Γ' ist abstands- und frequenzabhängig. Der Reflexionsfaktor Γ_h ist mittels einer Leermessung zuvor bestimmt worden und ebenfalls als Wert im Mikrocontroller 32 hinterlegt.
In einem weiteren vom Mikrocontroller 32 durchgeführten Verfahrensschritt S6 wird, wie in 10 schematisch dargestellt, mittels der selbstlernenden Abbildung A der gemessene Reflexionsfaktor Γ' auf einen Reflexionsfaktor Γ_Td sowie auf ein Signal U_l(l) abgebildet, das proportional zum Abstand I ist und eine Spannung darstellt. 11 zeigt im linken Diagramm ein Beispiel des gemessenen Reflexionsfaktors Γ' und im rechten Diagramm den mittels der selbstlernenden Abbildung gewonnenen Reflexionsfaktor Γ_Td. In beiden Diagrammen entspricht eine x-Achse dabei dem Realteil des entsprechenden Reflexionsfaktors und eine y-Achse dem Imaginärteil des entsprechenden Reflexionsfaktors bei einer Frequenz für 0 ≤ l ≤ 20mm. Es ist ersichtlich, dass der Reflexionsfaktor Γ_Td „geglättet“ ist und Streueffekte aufgrund der Einbausituation kompensiert sind. Der Reflexionsfaktor Γ_Td ist komplexwertig und wird durch einen Betrag und eine Phase φ(Γ_Td) bestimmt. Die Phase φ(Γ_Td) des Reflexionsfaktors Γ_Td ist für verschiedene Phasenintervalle n des Reflexionsfaktors gleich, da gilt φ(Γ_Td) = φ(Γ_Td) + 2π*n. Der Betrag des Reflexionsfaktors Γ_Td kann für unterschiedliche Phasenintervalle n verschieden sein. Mit anderen Worten ist es notwendig, das richtige Phasenintervall n auszuwählen, um den Abstand I zu ermitteln.
In einem weiteren vom Mikrocontroller 32 durchgeführten Verfahrensschritt S8 wird aus dem Signal U_l(l), das im Schritt S10 bereitgestellt worden ist, das Phasenintervall n bestimmt. Für einen gegebenen Objektabstand I ist eine Anzahl der Phasenintervalle n, aus denen das richtige Intervall n mittels der Grobmessung ausgewählt werden muss, abhängig von der Betriebswellenlänge des Sensors 10. Wie in der rechten Figur von 11 ersichtlich, kann eine robuste Bestimmung des Intervalls in der Grobmessung des Abstands zwischen dem ersten Intervall und dem zweiten Intervall anhand des Betrags des Reflexionsfaktors (anschaulich anhand der Zeigerlänge ausgehend von dem Punkt (0;0) bis zu einem Punkt auf dem „Spiralenumlauf“) erfolgen, da hier der Betrag des Reflexionsfaktors einen starken Gradienten aufweist und sich somit in beiden Intervallen deutlich voneinander unterscheidet und daher deutlich die Intervalle n=1 bzw. n=2 unterschieden werden können. Das erste bzw. zweite Intervall wird dabei durch die Betragswerte der äußersten „Spirale“ bzw. die Betragswert der zweitäußersten „Spirale“ gebildet. Die Intervallgrenzen können in dem Mikrocontroller 32 des Sensors 10 hinterlegt sein. Mit größer werdendem Abstand I zwischen dem Objekt 22 und dem Sensor 10 werden die „Spiralen“ kleiner, so dass der Gradient des Betrags zu klein wird, um eine genaue Intervallbestimmung und damit eine genaue Abstandsermittlung zu ermöglichen. Es wird daher mittels des Signals U_l(l) ermittelt, welches Phasenintervall n vorliegt. 12 zeigt den Betrag des Signals U_l(l) in Abhängigkeit des Abstands I. Imax bezeichnet dabei den Maximalwert des Abstands I des Sensors 10. Es kann optional eine Grobabstandsmessung (beispielsweise bei größeren Abständen I oder bei allen Abständen) durchgeführt, da mittels des gewählten Werts U_l(l) auf den Abstand I zurückgeschlossen werden kann, da gilt: U_l(l)~l. Anhand des so grob bestimmten Abstands I wird dann das Phasenintervall n bestimmt, da jedem Wert des so ermittelten Abstands I ein Intervallwert n zugeordnet ist. Die Anzahl der Phasenintervalle n vermindert sich, wenn die Frequenz erniedrigt wird. Wird der Sensor 10 mit einer Betriebsfrequenz in den ISM-Bänder (24,0 GHz - 24,25 GHz, 5,725 GHz - 5,875 GHz) betrieben, lassen sich die mehrdeutigen Intervalle der Phase bei einem Vermindern der Frequenz von etwa 24 GHz auf etwa 5,8 GHz auf ein Viertel reduzieren.
In einem weiteren vom Mikrocontroller 32 durchgeführten Verfahrensschritt S10 wird die Abstandsfeinmessung durchgeführt, bei der aus dem gemessene Phasenwert φ(Γ_Td) des Reflexionsfaktors Γ_Td unter Berücksichtigung der bekannten abstandsabhängigen Phasengeschwindigkeit c(I) der Abstand I ermittelt wird. Aus diesen beiden Werten wird unter Verwendung des im Schritt S8 ermittelten Phasenintervalls n mittels des Zusammenhangs $\frac{φ (Γ_{T d}) + n 360 °}{720 ° f} c (l) = l$
der Abstand I ermittelt.
Da die Phasengeschwindigkeit c(I) vor allem im Nahfeld nicht gleichbleibend ist, kann die Abhängigkeit der Phasengeschwindigkeit c(I) vom Abstand I und somit der effektiven Wellenlänge für eine vorgegebene Antennenstruktur 14 mittels einer vorherigen Kalibrierung bestimmt werden und die Phasengeschwindigkeit c(I) ist im Sensor in Form eines Polynoms bzw. einer mathematischen Kurve abgelegt.
In einem optionalen vom Mikrocontroller 32 durchgeführten Verfahrensschritt S11, der vor dem Verfahrensschritt S2 durchgeführt wird, wird der Normierungsfaktor, der U_h entspricht, bestimmt, indem eine entsprechende Kalibrierung des Sensors 10 erfolgt. Dazu wird eine Abstandsmessung mit einem Objekt 22 durchgeführt, das direkt an der Seite 19 des Sensors 10 angeordnet ist und den Abstand l=0 hat. Der Normierungsfaktor wird so gewählt wird, dass die resultierende Spannung U_r der gemessenen Reflexionswelle 24 gleich -1 ist. Der Normierungsfaktor wird (beispielsweise als Tabelle) in dem Mikrocontroller 32 abhängig von der Frequenz der Sendewelle 20 mit einem Betragswert des Normierungsfaktors und einem Phasenwert des Normierungsfaktors pro Frequenzwert hinterlegt.
In einem optionalen vom Mikrocontroller 32 durchgeführten Verfahrensschritt S12, der vor dem Verfahrensschritt S2 und nach dem Verfahrensschritt S11 durchgeführt wird, kann der Reflexionsfaktor Γ_h, der indikativ für den Übergang von der Antennenstruktur 14 in den Freiraum 23 ist, ermittelt werden. Dazu kann der Sensor 10 in einen Programmiermodus versetzt werden, bei dem eine Leermessung ohne Objekt 22 im Erfassungsbereich des Sensors 10 erfolgt. Es wird eine Messung der Spannungen U_r initiiert und das Ergebnis $Γ_{h} = \frac{U_{r}}{U_{h}}$
mit aus dem Schritt S11 bekanntem U_h wird in dem Mikrocontroller 32 der Sensorelektronik 16 abgespeichert, damit Γ_h im Schritt S4 verwendet werden kann. Gemäß dem Signalmodell entspricht dieser Messwert dem gesuchten Reflexionsfaktor Γ_h. Beispielsweise kann diese Messung direkt nach der Fertigung werksseitig in einer dafür vorgesehenen Vorrichtung durchgeführt werden. Alternativ kann die Messung vom Kunden selbst in einer endgültigen Messanordnung, bei dem der Sensor 10 für seinen Betrieb installiert ist, je nach Bedarf zusätzlich durchgeführt werden. Damit können beispielsweise auch Einflüsse der Sensormontage auf Γ_h berücksichtigt werden.
In einem optionalen vom Mikrocontroller 32 durchgeführten Verfahrensschritt S14, der nach dem Verfahrensschritt S12 durchgeführt wird, kann der Sensor 10 kalibriert werden, um eine Streuung von Sensoren unterschiedlicher Typen zu kompensieren. Dies bewirkt, dass alle Reflexionsfaktoren Γ'(l, f) bei unterschiedlichen Sensoren 10 für ein gleiches Messszenario identisch sind. Eine solche Kalibrierung wird beispielsweise dadurch durchgeführt, dass unterschiedliche Sensoren 10 verschiedene Abstände I zu einem Target 22 messen, die jeweils bekannt sind. Aus den Fehlern zwischen der Messung und dem bekannten Abstand kann eine Streumatrix ermittelt werden, mit der der gemessene Reflexionsfaktor Γ'(l, f) korrigiert wird.
In einem weiteren optionalen Verfahrensschritt S16, der beispielsweise zwischen dem Verfahrensschritt S12 und S2 durchgeführt wird, wird die selbstlernende Abbildung anhand von Trainingsdaten mittels Techniken maschinellen Lernens, beispielsweise unter Verwendung eines neuronalen Netzes, einmalig in einem separaten Ablauf trainiert und ermittelt. Sofern die Kalibrierung in dem Schritt S14 durchgeführt wurde, lässt sich die selbstlernende Abbildung anhand von Trainingsdaten für alle Sensoren 10 dieses Typs einmal ermitteln und für alle Sensortypen im Betrieb zur Abstandsmessung verwenden.
Andernfalls ist es notwendig, dass pro Sensortyp eine unterschiedliche selbstlernende Abbildung verwendet wird.
Zum Einlernen der selbstlernenden Abbildung werden eine Vielzahl von Messungen der Reflexionsfaktoren Γ'(l, f) und den zugehörigen Abständen I aufgezeichnet und dem Lernverfahren präsentiert. Je nach verwendeter Art des Verfahrens zum maschinellen Lernen (neuronale Netze etc.) hängt der Einlernvorgang von dem verwendeten Verfahren ab. Wird beispielsweise ein neuronales Netzwerk verwendet, so werden beim Einlernen die Gewichte der Verbindungen zwischen den verschiedenen Neuronen verändert, bis der Ausgang das gewünschte Verhalten aufweist.
Die von dem Sensor 10 gemessenen Reflexionsfaktoren Γ'(l, f) werden zusammen mit der Position des Objekts 22, also dem Abstand I, an einen separaten Computer übermittelt. Dieser Computer führt den eigentlichen Trainingsprozess aus. Das Ergebnis des Lernprozesses wird auf den einzelnen Sensoren 10, beispielsweise in dem Mikrocontroller 32, abgespeichert und steht so der Signalverarbeitung zur Verfügung. Im eigentlichen Sensorbetrieb ist die selbstlernende Abbildung unverändert und führt keine weiteren Veränderungen an sich selber durch. Das heißt, es erfolgt kein Lernen mehr.
Das Signal U_l(l) wird speziell im Einlernvorgang der selbstlernenden Abbildung aus einer Vielzahl von gemessenen Reflexionsfaktoren Γ' bestimmt, die in verschiedenen Frequenzen gemessen wurden. Typischerweise liegen in einem betrachteten Frequenzband zwischen 10 und 100 Frequenzpunkte vor. An die Genauigkeit des Signals U_l(l) werden nur geringe Anforderungen gestellt, da es lediglich dazu dient, das richtige Phasenintervall n zu bestimmen. Dafür muss eine Genauigkeit kleiner als eine halbe Betriebswellenlänge des Sensors 10 sein. Beispielsweise ergibt sich für eine Betriebsfrequenz von 24 GHz eine benötigte Genauigkeit von ungefähr 6 mm.
Das Verfahren kann für leitfähige Objekte 22 mit Γ_T ≈ - 1 zu einem ausreichend genauen Ergebnis führen, da der dielektrische Verschiebungsstrom im Objekt 22 wesentlich kleiner als der Leiterstrom ist. Eine Oberflächenimpedanz Z_T solcher Objekte 22 kann durch $Z_{T} = (1 + j) \sqrt{\frac{ω μ}{2 σ}}$
abgeschätzt werden. Hier bezeichnet σ die Leifähigkeit, ω eine Kreisfrequenz und µ die Permeabilität. Für das Objekt 22 ergibt sich daraus ein Reflexionsfaktor von $Γ_{T} = \frac{Z_{T} - Z_{F 0}}{Z_{T} + Z_{F 0}}$
mit dem Wert Z_F0 = 120π Ω für den freien Raum. Aufgrund der hohen Leitfähigkeit σ ist der Faktor $\sqrt{\frac{ω μ}{2 σ}}$
klein und es ergibt sich ein Reflexionsfaktor Γ_T ≈ - 1, der, wie oben erläutert, im Signalmodell angenommen wurde. Mittels des Verfahrens können auch Objekte 22 erfasst werden, die nicht oder schlecht leitfähig sind, und einen Reflexionsfaktor ungleich -1 haben. Hier wäre die Phase φ ungleich ± 180°. Es ergebe sich daraus bei einer Betriebswellenlänge λ₀ ein Abstandsfehler von $| Δ | = \frac{| 180 ° | - | φ |}{720 °} λ_{0} .$
Bei einem kohlenstofffaserverstärkten Kunststoff des Objekts 22 und einer Betriebswellenlänge von λ₀ = 12,5 mm würde dieser Fehler in einem Bereich von 0,5 mm liegen.
Um einen solchen Abstandsfehler zu vermeiden, der bei einem nicht leitfähigen oder schlecht leitfähigen Objekt 22 auftreten würde, wird in dem Verfahren zusätzlich eine Impedanz bzw. der Reflexionsfaktor Γ_{Td ref} des Objekts 22 als Referenzreflexionsfaktor in einem Einlernprozess erfasst und in dem Schritt S16 abgespeichert. In einem optionalen Verfahrensschritt S18, der direkt vor dem Verfahrensschritt S10 durchgeführt wird, wird der ermittelte Reflexionsfaktor Γ_Td mittels des Referenzreflexionsfaktors Γ_{Td ref} korrigiert. Dazu wird in einem Verfahrensschritt S20, der vor dem Schritt S2 und nach dem Schritt S16 durchgeführt wird, der Sensor 10 in einen Programmiermodus versetzt, in dem das zu detektierende Objekt 22 auf eine Position direkt am Sensor 10 platziert wird (Abstand l=0) und es wird eine Messung der Spannung U_r durchgeführt. Der so gewonnene Reflexionsfaktor $Γ = \frac{U_{r}}{U_{h}}$
entspricht dem Referenzreflexionsfaktor Γ_{Td ref}, der dann in einem Speicher der Sensorelektronik 16 des Sensors 10 abgelegt wird. Danach wird der Programmiermodus wieder verlassen. Im eigentlichen Sensorbetrieb im Schritt S18 wird der aktuelle Reflexionsfaktor Γ_Td mittels des Referenzreflexionsfaktors Γ_Td _ref korrigiert, so dass sich der berichtigte Reflexionsfaktor aus Γ_Td
korr = - Γ_Td/Γ_{Td ref} bestimmt. Wird die Abstandsmessung in dem Schritt S10 dann auf Grundlage des korrigierten Reflexionsfaktors ausgeführt, tritt für das Objekt 22 kein systematischer Längenfehler aufgrund der endlichen Oberflächenimpedanz des Objekts 22 auf.
Der Schritt S12 kann auch nach dem Schritt S16 bzw. S20 durchgeführt werden. Sofern zwei Polarisationen der Reflexionswelle 24 gemessen werden, können die oben beschriebenen Verfahrensschritte separat für diese beiden Polarisationen durchgeführt werden.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

WO 2015/000452 A1 [0002, 0005]
WO 2016/101940 A1 [0002, 0005]

Claims

Multifeldzonen-Näherungssensor (10) zur Messung eines Abstands (I) eines Objekts (22) vom Multifeldzonen-Näherungssensor (10), wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor (10) ein Gehäuse (12) aufweist, in dem eine Antennenstruktur (14) aufgenommen ist, die in oder nahe einer Seite (19) des Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei die Antennenstruktur (14) zum Abstrahlen einer elektromagnetischen Sende-Freiraumwelle (20) und zum Empfangen einer am Objekt (22) reflektierten elektromagischen Reflexionswelle (24) eingerichtet ist, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor (10) eine Sensorelektronik (16) aufweist, die dazu eingerichtet ist, basierend auf der empfangenen Reflexionswelle (24) den Abstand (I) des Objekts (22) vom Multifeldzonen-Näherungssensor (10) zu ermitteln.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 1, wobei die Seite (19) eine Öffnung (18) aufweist und wobei die Antennenstruktur (14) in oder nahe der Öffnung (18) angeordnet ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 1, wobei zumindest die Seite (19) aus einem für elektromagnetische Wellen transparenten Material ausgebildet ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gehäuse (12) zylinderförmig ausgebildet ist und die Antennenstruktur (14) auf einer Platine (40), die sich entlang einer Längsachse (L) des zylinderförmig ausgebildeten Gehäuses (12) innerhalb des Gehäuses (12) erstreckt, aufgebracht ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gehäuse (12) zylinderförmig ausgebildet ist und die Antennenstruktur (14) auf einer Platine (44), die sich senkrecht zu einer Längsachse (L) des zylinderförmig ausgebildeten Gehäuses (22) im Bereich der Seite (19) des Gehäuses (22), insbesondere der Öffnung (18), erstreckt, aufgebracht ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 2, 4 oder 5, wobei die Öffnung (18) mit einer Verschlusskappe (42) aus Kunststoff verschlossen ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 2, wobei die Öffnung (18) mittels einer Verschlusskappe (42) aus Kunststoff verschlossen ist, in der die Antennenstruktur (14) eingebracht ist oder auf die die Antennenstruktur (14) aufgebracht ist, wobei die Antennenstruktur (14) sich im Wesentlichen senkrecht zu einer Längsachse (L) des zylinderförmig ausgebildeten Gehäuses (22) erstreckt.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei das Gehäuse (12) quaderförmig ausgebildet ist und die Seite (19) einer, vorzugsweise größten, Seite des Gehäuses (22) entspricht oder wobei das Gehäuse (12) würfelförmig ausgebildet ist und die Seite (19) einer der Seiten des Gehäuses (12) entspricht.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 8, wobei die Antennenstruktur (14) auf einer Platine (44) aufgebracht ist, die sich entlang der Seite (19), insbesondere der Öffnung (18), erstreckt, oder wobei die Öffnung (18) mit einer Verschlusskappe (42) aus Kunststoff verschlossen ist, in die die Antennenstruktur (14) eingebracht ist oder auf die die Antennenstruktur (14) aufgebracht ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 4 bis 7 oder 9, wobei eine Fläche (47) der Platine (44) oder der Verschlusskappe (42), die frei von der Antennenstruktur (14) ist, mit einem absorbierenden Material (48) versehen ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 1 oder 3, wobei zumindest die Seite (19) des Gehäuses aus dielektrischen Material ausgebildet ist und die Antennenstruktur (14) in die Seite (19) oder an der Seite (19) direkt angeordnet ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 11, wobei die Antennenstruktur (14) planar oder konform an eine Form der Seite (19) oder der Verschlusskappe (42) angepasst ausgebildet ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 1 bis 12, wobei die Sensorelektronik (16) dazu eingerichtet ist, eine komplexe Spannung (U_r), die indikativ für die empfangende Reflexionswelle (24) ist, zu messen und einen gemessenen Reflexionsfaktor (Γ') basierend auf der gemessenen komplexen Spannung (U_r) zu ermitteln.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 13, wobei der gemessene Reflexionsfaktor (Γ') zusätzlich basierend auf einem Reflexionsfaktor (Γ_h) ermittelt wird, der indikativ für einen Übergang von der Antennenstruktur (14) in einen Freiraum (23) ist.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 14, wobei die Sensorelektronik (16) dazu eingerichtet ist, mittels einer selbstlernenden Abbildung (A) den gemessenen Reflexionsfaktor (Γ') auf einen weiteren Reflexionsfaktor (Γ_Td) abzubilden und den Abstand (I) aus dem weiteren Reflexionsfaktor (Γ_Td) zu ermitteln.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach 15, wobei die selbstlernende Abbildung (A) den gemessenen Reflexionsfaktor (Γ') zusätzlich auf ein Signal (U_l(l)) abbildet, das proportional zum Abstand (I) ist, und wobei die Sensorelektronik (16) dazu eingerichtet ist, aus dem abgebildeten Signal (U_l(l)) ein Phasenintervall (n) für die Ermittlung des Abstands (I) auszuwählen.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach Anspruch 16, wobei die Sensorelektronik (16) dazu eingerichtet ist, den Abstand (I) aus einer Phase des weiteren Reflexionsfaktors (Γ_Td) unter Verwendung des ausgewählten Phasenintervalls (n) zu ermitteln.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 15 bis 17, wobei das Objekt (22) nicht leitfähig oder schlecht leitfähig ist, wobei die Sensorelektronik (16) dazu eingerichtet ist, den weiteren Reflexionsfaktor (Γ_Td) um einen Reflexionsfaktor (Γ_Td _ref) des Objekts (22) zu korrigieren und den Abstand (I) aus dem korrigierten Reflexionsfaktor (Γ_Td
korr) zu ermitteln.
Multifeldzonen-Näherungssensor (10) nach einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor (10) derart für verschiedene Typen von Multifeldzonen-Näherungssensoren (10) kalibriert ist, dass der gemessene Reflexionsfaktor (Γ_Td) unabhängig von einem Multifeldzonen-Näherungssensortyp gleich ist.
Verfahren zur Messung eines Abstands (I) eines Objekts (22) von einem Multifeldzonen-Näherungssensor (10), wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor (10) eine Gehäuse (12) aufweist, in dem eine Antennenstruktur (14) aufgenommen ist, die in oder nahe einer Seite (19) des Gehäuses (12) angeordnet ist, wobei die Antennenstruktur (14) eine elektromagnetischen Sende-Freiraumwelle (20) abstrahlt und eine am Objekt (22) reflektierte elektromagische Reflexionswelle (24) empfängt, wobei basierend auf der empfangenen Reflexionswelle (24) der Abstand (I) des Objekts (22) vom Multifeldzonen-Näherungssensor (10) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 20, wobei eine komplexe Spannung (U_r), die indikativ für die empfangende Reflexionswelle (24) ist, gemessen wird und aus der gemessenen komplexen Spannung (U_r) ein gemessener Reflexionsfaktor (Γ') ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 21, wobei der gemessene Reflexionsfaktor (Γ') zusätzlich basierend auf einem Reflexionsfaktor (Γ_h) ermittelt wird, der indikativ für einen Übergang von der Antennenstruktur (14) in einen Freiraum (23) ist.
Verfahren nach Anspruch 22, wobei mittels einer selbstlernenden Abbildung (A) der gemessene Reflexionsfaktor (Γ') auf einen weiteren Reflexionsfaktor (Γ_Td) abgebildet wird und der Abstand (I) aus dem weiteren Reflexionsfaktor (Γ_Td) ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, wobei die selbstlernende Abbildung (A) den gemessenen Reflexionsfaktor (Γ') zusätzlich auf ein Signal (U_l(l)) abbildet, das proportional zum Abstand (I) ist, und wobei aus dem abgebildeten Signal (U_l(l)) ein Phasenintervall (n) für die Ermittlung des Abstands (I) ausgewählt wird.
Verfahren nach Anspruch 24, wobei der Abstand (I) aus einer Phase des weiteren Reflexionsfaktors (Γ_Td) unter Verwendung des ausgewählten Phasenintervalls (n) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 23 bis 25, wobei das Objekt (22) nicht leitfähig oder schlecht leitfähig ist, wobei der weitere Reflexionsfaktor (Γ_Td) um einen Reflexionsfaktor (Γ_{Td ref}) des Objekts (22) korrigiert wird und der Abstand (I) aus dem korrigierten Reflexionsfaktor (Γ_Td
korr) ermittelt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 21 bis 26, wobei der Multifeldzonen-Näherungssensor (10) derart für verschiedene Typen von Multifeldzonen-Näherungssensoren (10) kalibriert wird, dass der gemessene Reflexionsfaktor (Γ_Td) unabhängig von einem Multifeldzonen-Näherungssensortyp gleich ist.
Programm für eine Datenverarbeitungsanlage, das dazu eingerichtet ist, Schritte eines Verfahrens nach einem der Ansprüche 20 bis 27 durchzuführen, wenn es von der Datenverarbeitungsanlage durchgeführt wird.
Maschinenlesbares Speichermedium, auf welchem ein Programm nach Anspruch 28 gespeichert ist.