DE19619311C2 - Abfragegerät für passive Resonatoren als frequenzanaloge Sensoren mit Funkregelung - Google Patents

Abfragegerät für passive Resonatoren als frequenzanaloge Sensoren mit Funkregelung

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Description

Die Erfindung betrifft ein Fernabfrage-System nach dem Prinzip der Phasenregelung zum Abfragen und Auswerten frequenzanaloger Sensorsignale eines Resonators als Sensor, der mit einer Antenne über eine Funkstrecke an eine Auswerteeinheit gekoppelt ist.
Derzeit werden Quarzresonatoren (Dickenscherschwinger oder Oberflächenwelle-Bauelemente) als Sensoren zur Messung von Temperatur, Kraft, Drehmoment, Druck, Beschleunigung, Strom, Spannung usw. eingesetzt. Berechnungen und Simulationen zur optimalen Auslegung von Quarzschwingern sind bekannt. Aufgrund des piezoelektrischen Effektes ist es möglich, in Quarzelementen Energie zu speichern. Üblicherweise betreibt man diese Sensoren als frequenzbestimmendes Element in einer Oszillatorschaltung. Ein auf diesem Prinzip basierendes Meßsystem zur Drehmomentmessung ist ebenfalls bekannt. Die Frequenzänderung in bezug auf einen Referenzresonator enthält die Information über die Meßgröße. Solche aktiven Schaltungen benötigen eine Stromversorgung.
Weiterhin ist bekannt, daß Quarzbauelemente über Funk abgefragt werden können. Seit Jahrzehnten arbeiten Identifizierungsmarken, die über Funk die Anwesenheit bzw. Identität von Objekten ermöglichen, auf der Basis von Quarzen (ID-Tags). Hierbei wird der Quarz über Funk mit Energie versorgt, die zwischengespeichert und reflektiert wird. Das reflektierte Signal enthält ein tagspezifisches Codewort. Ein solches System besteht prinzipiell aus einer Abfrageeinheit und passiven ID-Tags mit einer Antenne. Beschrieben ist dies z. B. in den US-PS 3273146, 4725841.
Aus der nicht vorveröffentlichten älteren deutschen Anmeldung DE 195 10 452 ist eine Auswertevorrichtung für ein frequenz­ analoges Sensorsignal bekannt, welches eine Phasenregel­ schleife (PLL) umfaßt.
Aus der DE 43 28 097 A1 ist eine Vorrichtung zur Messung der Impedanz eines passiven elektrischen Bauelements bekannt, welches in eine Auswerteschaltung mit einer doppelt rückge­ koppelten Phasenregelschleife integriert ist.
Bei einem weiteren bekannten Meßverfahren über Funk werden Oberflächenwellen-Resonatoren als frequenzanaloge Sensoren mit kurzen HF-Pulsen angeregt. Nach dem Abschalten der Anre­ gung schwingt der Resonator bei seiner Eigenfrequenz weiter. Aufgrund der Verluste des Resonanzkreises einschließlich der Abstrahlung durch die Antenne nimmt die Amplitude der Eigen­ schwingung exponentiell ab. Je nach Größe der Dampfung ist das Signal eventuell nur sehr kurze Zeit verfügbar, bis es sich vom Rauschen nicht mehr abhebt. Dadurch wird die Auflö­ sung der Meßgröße stark begrenzt.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, Signale von als Funksensoren eingesetzten Resonatoren auf einfache Weise, schnell und mit hoher Auflösung auszuwerten.
Will man die Auflösung erhöhen, indem man über mehrere Sende-Perioden mittelt und auf diese Weise das Rauschen reduziert, kommt man um eine digitale Verarbeitung nicht herum und man kann die Signale nur sehr langsam auswerten.
Denkbare digitale Auswerteverfahren ohne Phasenregelung ver­ wenden z. B. die (Diskrete) Fourier-Transformation oder die Ausgleichsrechnung, um aus dem Antwortsignal die Eigenfre­ quenz zu bestimmen. Solche Methoden benötigen einen hohen Aufwand an Schaltungstechnik und Ressourcen.
Um das Sensorsignal kontinuierlich verfügbar zu machen, wird erfindungsgemäß die Frequenz der Sendestufe als Frequenz der Sensorantwort nachgeführt. Dies geschieht nach dem an sich bekannten Prinzip der Phasenregelschleife (phase locked loop, PLL): Der Sendeoszillator ist als spannungsabhängiger Oszil­ lator (voltage controlled oscillator, VCO) ausgelegt, der über ein Regelfilter von einem Phasen- oder Frequenzkompara­ tor gesteuert wird. Der entsprechende Komparator stellt eine Verknüpfung zwischen der Sendefrequenz und der empfangenen Sensorfrequenz her.
Im Falle des Phasenkomparators wird nach dem Einrasten die Sendefrequenz mit der Antwortfrequenz identisch sein (eventuell bis auf einen Phasenwinkel). Es ist auch möglich mit Hilfe eines Frequenzkomparators die Sendefrequenz auf ei­ ne feste Differenzfrequenz bezüglich des Antwortsignals zu regeln.
Zur Auswertung der Meßgröße kann nun entweder die nachgeführ­ te Sendefrequenz bestimmt oder direkt die Regelgröße (Spannung am Ausgang des Regelfilters) gemessen werden. Es empfiehlt sich, abhängig von der Regeldifferenz die Pulsweite des Anregungssignals zu verändern. Je kleiner z. B. die Fre­ quenzdifferenz zwischen Anregung und Eigenfrequenz des Sen­ sors ist, desto länger kann der Anregungspuls sein um den Sensor mit mehr Energie zu versorgen. Trotzdem kann der Sen­ sor noch sicher angeregt werden.
Obwohl die Messung hochgenau ist - da die Sensorantwort bei einer statischen Messung über beliebig viele Anregungsperi­ oden ausgewertet wird -, benötigt man keinen komplizierten Aufbau und kann auf eine aufwendige digitale Signalverarbei­ tung verzichten. Der sensorseitige Teil des Aufbaus ist un­ kompliziert und daher wenig störanfällig. Im Vergleich zu ei­ nem digitalen Auswerteverfahren erreicht man mit dem hier be­ schriebenen Verfahren höhere Auswertegeschwindigkeiten. Durch eine Modulation der Pulsweite, die erst bei einer Frequenz­ nachführung Sinn macht, erreicht man einen höheren Signal-Störabstand.
Der als Sensor verwendete Resonator sollte vorteilhafterweise eine hohe Güte besitzen. Hier eignen sich besonders Quarze bzw. Quarzkeramiken. Günstigerweise werden mindestens zwei solche Sensoren räumlich miteinander vereinigt in einem Meß­ system eingesetzt. Damit können im Auswertegerät Anteile des Sensorsignals, die von äußeren Störgrößen verursacht werden, kompensiert werden. Vorteilhafterweise ist eine mit dem Reso­ nator verbundene Antenne vorgesehen, über die das Signal ab­ gestrahlt wird. Statt eine herkömmliche Antenne zu verwenden, kann man eine schmalbandige Antenne mit Richtwirkung einset­ zen. Der Abstand, über den das abgestrahlte Signal in zuver­ lässiger Weise empfangen werden kann, ist - abgesehen von der Antenne - von den elektrischen Verhältnissen der Umgebung so­ wie den materiellen und geometrischen Eigenschaften des Sen­ sors abhängig.
Die Auswerteeinheit muß über einen gesteuerten Oszillator verfügen, der allen möglichen Eigenfrequenzänderungen des Sensors folgen kann. Das Sendesignal wird regelmäßig unter­ brochen - bzw. auf eine andere Frequenz umgeschaltet, wenn ein Referenzsensor vorhanden ist -, um dem Sensor das Schwin­ gen bei seiner Eigenfrequenz zu erlauben. Beim Einrasten des Regelkreises ist die Differenz aus Sende- und Empfangsfre­ quenz gleich einer festen, vorgegebenen Frequenz.
Fig. 1 zeigt einen Takt 1, ein Abfragesignal 2 sowie eine exponentiell abklingende Antwort 3 eines OFW-Resonators als funkabfragbarer Dehnungssensor. Ändert sich die mechanische Belastung des Sensors, so ändert sich seine Resonanzfrequenz und somit die Frequenz der Antwort 3.
Fig. 2 zeigt das Blockschaltbild des Meßsystems in der Aus­ führung mit einem OFW-Resonator als Sensor. Die von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) 4 erzeugte Trägerfre­ quenz wird zunächst in einem Verstärker 5 verstärkt und durch einen Schalter 6 moduliert. Über eine Endstufe und eine Sen­ de-/Empfangsweiche 7 wird damit eine Antenne 8 gespeist. Der Sensor empfängt das Sendesignal über eine sensoreigene Anten­ ne 9 und reflektiert als Antwort eine exponentiell abklingen­ de Eigenschwingung. Diese wird wieder von der Antenne 8 emp­ fangen und gelangt über die Sende-/Empfangsweiche 7 zu einem Bandpaß 10. Anschließend wird das Signal in einem Verstärker 11 verstärkt. Dann wird es mit einem Mischer 12, der vom VCO gesteuert wird, in ein Tiefpaßsignal 13 umgesetzt und einem Frequenzdiskriminator 14 zugeführt. Dieser liefert eine zur Frequenzdifferenz zwischen Tiefpaßsignal und dem Referenzsignal proportionale Ausgangsspannung, die zur Regelung des VCO über ein Schleifenfilter 15 läuft. Ändert sich die Resonanz­ frequenz des Resonators, so folgt ihr die Frequenz des VCOs, die mit einem Frequenzzähler gemessen wird.
Der grundsätzliche Aufbau eines OFW-Resonators als Dehnungs­ sensor ist in Fig. 3 dargestellt. Es sind der eigentliche Sensor bestehend aus einem Quarzsubstrat 16, einem Interdigi­ talwandler 17 und Reflektoren 18 ohne Antenne dargestellt, der auf ein Meßobjekt 19 geklebt ist. Wird das Meßobjekt ge­ dehnt oder gestaucht, so überträgt eine Klebung 20 die Deh­ nung auf den Sensor, der seine Resonanzfrequenz ändert.
Verwendet man einen OFW-Resonator auf Quarzsubstrat (ST-Quarzsubstrat) als Dehnungssensor, so ergibt sich eine linea­ re Änderung der Resonanzfrequenz von der Dehnung. In Fig. 4 ist die Kennlinie eines solchen passiven Funksensors darge­ stellt.

Claims (11)

1. Sensor-Fernabfrage-System, umfassend
  • A) einen frequenzanalogen Sensor
    • - mit einem Quarzresonator oder einem Oberflächenwellen-Bau­ element, welcher eine der zu messenden Größe entsprechende Frequenzänderung seiner Eigenfrequenz zeigt,
    • - wobei der Sensor über elektromagnetische, induktive oder kapazitive Kopplung oder direkt über eine Leitung von einem Anregungssignal zum Schwingen bei seiner Eigenfrequenz angeregt wird und ein Sensorsignal erzeugt
  • B) eine Fernabfrage- und Auswertevorrichtung
    • - die ein Anregungssignal erzeugt
    • - die das Sensorsignal empfängt
    • - die die Frequenzen von Sensorsignal und Anregungssignal vergleicht und in einem Regelkreis die Frequenz des Anregungssignals der Frequenz des Sensorsignals nachführt, bis die Frequenzdifferenz von der Eigenfrequenz entsprechendem Sensorsignal und Anregungssignal einen vorbestimmten Wert erreicht und konstant ist
    • - wobei es die Pulslänge des Anregungssignals mit kleiner werdender Frequenzdifferenz vergrößert, um den Sensor mit mehr Energie zu versorgen.
2. System nach Anspruch 1 mit mindestens einem Sensorelement und einem Referenzelement für die Referenzfunktion.
3. System nach einem der Ansprüche 1 bis 2 unter Verwendung von Oberflächenwellen-Bauelementen als Sensoren.
4. System nach einem der Ansprüche 1 bis 2 unter Verwendung von Volumenwellen-(Quarz-)Elementen als Sensoren.
5. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensoren auf das zu vermessende Bauelement aufgeklebt sind.
6. System nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensoren in eine mechanische Einspannung zur Übertragung von Kräften geklebt sind.
7. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die geregelte Frequenz des Anregungssignals ausgewertet wird.
8. System nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stellgröße des Regelkreises ausgewertet wird.
9. System nach einem der Ansprüche 1 bis 8 mit mehreren Anregungsfrequenzgeneratoren und ebenso vielen Sensoren, wobei die Nachführung über eine Umschaltung jederzeit nur für einen Anregungsfrequenzgenerator geschieht.
10. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Temperatureinfluß auf die Sensoren kompensiert wird.
11. System nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Anregungssignal aus unterschiedlich langen Wechselsignalpulsen besteht.
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