DE19807593A1

DE19807593A1 - Abstandsmeßvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Abstands

Info

Publication number: DE19807593A1
Application number: DE19807593A
Authority: DE
Inventors: Guenther Trummer
Original assignee: MTS Mikrowellen Technologie und Sensoren GmbH
Current assignee: Cruise Munich GmbH
Priority date: 1997-07-31
Filing date: 1998-02-23
Publication date: 1999-02-04
Also published as: JP2014238411A; JP5758030B2; DE59803757D1; JP5934309B2; JP2010156714A; JP2013156267A; JP2015007644A; JP2014209131A

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Abstandsmeßvor richtung nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bestimmung des Abstands.

Herkömmliche Abstandsmeßvorrichtungen vorzugsweise im Nahbereich arbeiten unter Verwendung von induktiven, kapa zitiven, optischen oder Ultra-Schall-Sensoren. Für eine Messung mit induktiven Sensoren muß die Eichkurve festge legt und auch das Material eines zu messenden Objekts muß bekannt sein. Ferner weisen die induktiven Sensoren bei spielsweise einen 180°-Meßbereich auf, so daß sich zwei ne beneinanderliegende Sensoren gegenseitig beeinflussen und somit die Eichkurven des jeweiligen Sensors verändern kön nen. Darüberhinaus sind derartige Sensoren lediglich in Ausführungsformen im Handel erhältlich, die einen Durchmes ser von größer als 4 mm (M4) betragen.

Der Nachteil für eine Messung mit kapazitiven Sensoren besteht darin, daß der Abstand zwischen den Kondensator platten exakt bekannt sein muß. Ferner unterliegt die Mes sung der Beeinflussung durch die Luftfeuchtigkeit, der all gemeinen elektromagnetischen Verträglichkeiten oder der Temperatur. Um die Messung unabhängig von diesen Parametern durchführen zu können, müßte je nach Erfordernis eine Refe renzmessung durchgeführt werden, anhand derer dann die stö rende Beeinflussung eliminiert werden kann.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es somit, eine Abstandsmeßvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung des Abstands zu schaffen, welche bzw. welches die oben aufge führten Nachteile überwindet und eine kontinuierliche Ab standsbestimmung, eine einfache Handhabung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den vorrichtungstechnischen Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den verfahrenstechnischen Merkmalen des Anspruchs 21 gelöst.

Erfindungsgemäß weist der Sensor einen Resonator in Form eines Hohlraumresonators auf. Mit dieser Maßnahme wird der Vorteil erzielt, daß kleinste Bauformen beispielsweise <M4 realisierbar sind und somit die Einsatzmöglichkeiten um ein Vielfaches erhöht werden. Aufgrund der Grundgeometrie eines Hohlraumresonators sind geringe Abstände zwischen mehreren parallel angeordneten Sensoren möglich, da der Sensor einen seitlich scharf begrenzten Meßbereich besitzt und daher in seinem Meßverhalten nicht durch parallel ange ordnete Sensoren beeinflußt wird. Als Anwendungsgebiet ist es beispielsweise denkbar, daß die erfindungsgemäße Ab standsmeßvorrichtung bei der Richtungserkennung von beweg baren Objekten bzw. bei einer platzsparenden Montage bei spielsweise durch parallele Montage herangezogen werden kann.

Ferner kann der erfindungsgemäße Sensor als Schalter eingesetzt werden, mit dem Schaltpunktveränderungen ohne Neudimensionierung bzw. Änderungen des Sensorelements oder Hinzufügen weiterer elektronischer Bauelemente möglich wer den. Damit wird der Vorteil erreicht, daß der Schaltpunkt beispielsweise über eine Software auf die jeweiligen Be dürfnisse einstellbar ist.

Der erfindungsgemäße Sensor ist ebenso in der Lage, sich näherende, leitfähige oder dielektrische Objekte zu erkennen und den Abstand zum Objekt mit einer Genauigkeit im Mikrometer-Bereich zu messen. Diese Art von Sensoren können beispielsweise als Näherungsschalter, zur kontinu ierlichen Messung des Kolbenweges im Umkehrpunkt von pneu matischen und hydraulischen Zylindern, von Ventilstellungen oder zur Messung der Ausdehnung von Druckmembranen verwen det werden.

Erfindungsgemäß hängt bei leitfähigen Objekten der Meß abstand nicht von der Größe des Objekts ab, wenn man vor aussetzt, daß das Objekt mindestens so groß ist wie der Durchmesser des Hohlraumresonators. Darüberhinaus ist gene rell eine Abstandsmeßung zu leitfähigen und dielektrischen Objekten möglich.

Wird der Sensor als Schalter eingesetzt, dann ist er findungsgemäß eine Schaltpunktveränderung oder eine Neudi mensionierung bzw. eine Änderung des Sensorelements auf einfache Weise zu bewerkstelligen. Da der Schaltpunkt z. B. über Software einstellbar ist, ist ferner der Vorteil gege ben, daß die Eingabe von Mehrfach-Schaltpunkten durch eine geeignete Software auf einfache Weise ermöglicht wird, wo durch man eine wesentlich höhere Einsatzflexibilität bei spielsweise für eine Teile-Größenerkennung, für verschie dene Maschinenkonfigurationen, für eine Drehwinkelerkennung über Kurvenscheiben usw. erhält. Demgegenüber konnte - wie eingangs erwähnt - bei induktiven Sensoren die Mehrfach schaltpunkte nur mit sehr großem Aufwand realisiert werden.

Aufgrund des in der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvor richtung verwendeten Meßverfahrens können auch mehrere Schaltpunkte über eine Logik miteinander verknüpft werden, wobei das Meßverfahren kontinuierlich arbeitet. So ist es beispielsweise von Vorteil, wenn drei Schaltpunkte bei der Abfrage eines Rotationszylinders benötigt werden.

Aufgrund einer kompakten Bauform ist für Schaltabstände von beispielsweise 0,6, 0,8, 1,0, 1,5, 2,0 mm bzw. 5 mm bzw. ein Grundelement in allen gängigen Gehäusebauformen einsetzbar, wodurch eine Kostenersparnis erreicht wird und somit eine geringere Logistik benötigt wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Resonator ein Hochfrequenzresonator ist, dessen Resonanzfrequenz vorzugsweise in Abhängigkeit zum Objekt zwischen 1 bis 100 GHz, vorzugsweise 20 und 30 GHz liegt. Bei bestimmten Anwendungen ist es ferner vorteilhaft den Hochfrequenzresonator mit einer Frequenz zwischen 22 und 24 GHz sowie 24 und 26 GHz oder jedem anderen Bereich mit vor zugsweise 2 GHz Bandbreite bzw. mit einer Bandbreite von ungefähr 10 Prozent der verwendeten Frequenz durchzustim men.

Wird die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung mit einem Resonator ausgestattet, der eine zylindrische Form aufweist und dessen zum Objekt zeigende Grundfläche offen, d. h. nichtmetallisiert ist, so ist eine Temperaturabhän gigkeit der Resonanzfrequenz nicht gegeben.

Wird der Hohlraumresonator gemäß Anspruch 5 beispiels weise mit einem Dielektrikum, vorzugsweise Al₂O₃, gefüllt, so kann die gesamte Abstandsmeßvorrichtung klein bauen.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es zwar generell von Vorteil ist, wenn der Meßbereich möglichst groß ist, was aber bedeutet, daß die Dielektrizitätskon stante ε klein sein sollte. Idealerweise wird dies dadurch erreicht, indem der Hohlraumresonator ungefüllt, d. h. ohne Dielektrikum ausgestattet wird. Nachteilig an dieser Anord nung ist aber, daß der Hohlraumresonator zur Erreichung ei nes großen Meßbereiches dann groß baut. Mit Dielektrikum baut der Hohlraumresonator bei ungefähr gleichbleibendem Meßbereich aber klein. Es muß jedoch darauf geachtet wer den, daß die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums nicht zu groß wird (vorzugsweise ≦ 10), da sonst die Verlu ste zunehmen und der Entfernungsbereich abnimmt. Bei Ver wendung einer Keramik als Dielektrikum wird ferner der Vor teil erzielt, daß temperaturfeste Anwendungen bis 1000°C möglich sind und der Einsatz zur hochdynamischen Druckmes sung in Verbrennungsmotoren möglich ist. Die erfindungsge mäße Abstandsvorrichtung ist somit druckfest und daher auch beispielsweise in Hydraulik-Zylindern einsetzbar.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß gemäß An spruch 8 lediglich die Oberfläche des Dielektrikums mit Ausnahme der zum Objekt zeigenden Grundfläche mit einer dünnen Goldschicht überzogen bzw. auf gesputtert ist, so daß die Funktion über der Temperatur nur von dem Temperatur koeffizienten beispielsweise der Keramik und nicht von dem Gehäuse abhängt.

Das Sensorelement besteht aus einer Keramik und einem Metallgehäuse und kann mit der Auswertelektronik über eine geeignete Hochfrequenz-Leitung, z. B. einen Hohlleiter ver bunden werden. Aufgrund dessen ist es möglich das Sensor element für Hochtemperaturanwendung bis ca. 1000°C, z. B. in Verbrennungsmotoren einzusetzen.

Unabhängig von der Messung eines Abstands kann die Ab standsmeßeinrichtung vorteilhaft auch zur Messung weiterer physikalischer Größen wie Druck, Kraft oder Masse und von Materialeigenschaften, wie dem Verlustfaktor von dielektri schen Materialien eingesetzt werden. Hierbei wird die of fene Seite des Hohlraumresonators mit einer Materialprobe im festen Abstand zu diesem abgeschlossen. Im Falle des Drucksensors würde vorzugsweise eine piezoelektrische Kera mikscheibe im Abstand Null angebracht. Wirkt nun Druck, eine Kraft oder Masse auf die piezoelektrische Keramik, dann verändert diese ihre Dielektrizitätskonstante. Die Än derung der Dielektrizitätskonstanten hat eine Verschiebung der Resonanzfrequenz zur Folge. Durch die Bestimmung der Resonanzfrequenz mit den vorrichtungs- und verfahrenstech nischen Merkmalen aus Anspruch 1 bzw. 21 läßt sich der Druck, die Kraft oder Masse auf die piezoelektrische Kera mik bestimmen.

Wird gemäß Anspruch 9 das Dielektrikum in ein metalli sches Gehäuse vorzugsweise aus Kovar oder Titan eingescho ben, ist eine geeignete Hochtemperaturanwendung denkbar, wobei dann der Hohlraumresonator im ungefüllten Zustand auch bei hohen Temperaturen eine große Meßgenauigkeit auf weist und im gefüllten Zustand die Ausdehnung als solche exakt kontrollierbar ist.

Weist die Abstandsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 10 und insbesondere der Resonator eine koplanare Schlitzkopplung vorzugsweise auf der dem Objekt abgewandten Seite des Reso nators auf, so wird aufgrund dieser Anordnung gewährlei stet, daß die Einkopplung der Resonanzfrequenz an geeigne ter Stelle und einfach erfolgen kann.

Je nach Betriebsweise der Abstandsmeßvorrichtung kann die koplanare Schlitzkopplung aus je einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger gemäß Anspruch 11 bestehen, welche kreisförmig angeordnet sind und was einer Transmissionsmode entspricht, oder die koplanare Schlitzkopplung aus einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht, was dem Be treiben in einer Reflexionsmode entspricht.

Alternativ kann die Abstandsmeßvorrichtung gemäß An spruch 13, insbesondere der Resonator, eine Mikrostreifen leitung zur Einkopplung aufweisen, welche insbesondere dann angewendet wird, wenn es von Vorteil ist, daß die Auswerte elektronik abgesetzt vom Resonator aufgebaut werden muß, und zwar beispielsweise bei Anwendungen, in denen eine hohe Temperatur auftritt.

Wird gemäß Anspruch 14 die Abstandsmeßvorrichtung bei spielsweise in den H_0np-Moden, vorzugsweise in der H₀₁₁- Mode betrieben, so kann der Resonator in einem großen Be reich von Resonanzfrequenzen schwingen, in denen keine wei teren Moden mitangeregt werden, um so die Meßgenauigkeit groß zu halten. Darüber hinaus ist bei Anregung der H₀₁₁- Mode der Vorteil gegeben, daß dann keine Wandströme über die Kanten zwischen Mantel- und Abschlußfläche fließen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.

Unter Bezugnahme auf die nachfolgenden Zeichnungen sol len einzelne Ausführungsformen der vorliegenden Erfindung dargestellt werden.

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 2 zeigt eine Rückansicht der erfindungsgemäßen Ab standsmeßvorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig 3 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung für die er findungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 4 zeigt das Reflektions- bzw. Transmissionsverhal ten als Funktion der Resonanzfrequenz bei verschiedenen Ab ständen zum Objekt der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvor richtung;

Fig. 5 zeigt ein Diagramm der Abhängigkeit von Entfer nung zum Objekt und Resonanzfrequenz;

Fig. 6 zeigt die Moden-Charakteristik eines kreisförmi gen Zylinders für die Dimensionierung des Resonators der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 7 zeigt ein weiteres Blockdiagramm für eine weite re Ausführungsform der Schaltung der erfindungsgemäßen Ab standsmeßvorrichtung;

Fig. 8 zeigt verschiedene Positionierungen einer beson deren Anwendung für die erfindungsgemäße Abstandsmeßvor richtung;

Fig. 9 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der er findungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 10 zeigt ebenfalls eine weitere Anmeldungsmöglich keit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung bei spielsweise für eine Stoßdämpfer-Abfrage;

Fig. 11 zeigt eine Anwendungsmöglichkeit für die Detek tion einer Kolbenposition in einem Ventil;

Fig. 12 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit, bei spielsweise eine Druckmessung durch Erfassung der Auslen kung einer Membran;

Fig. 13a, 13b zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit, beispielsweise eine Druckmessung durch Änderung der Dielek trizitäts-Konstanten unter mechanischer Belastung.

Fig. 14 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung, beispielsweise bei der Objektvermessung;

Fig. 15 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung, beispielsweise für einen Füllstandssensor.

Wie in Fig. 1 gezeigt ist, weist die Abstandsmeßvor richtung einem Resonator in Form eines Hohlraumresonators 1 auf, der aus einem metallischen Gehäuse 5, vorzugsweise aus Titan oder Kovar gebildet ist. In diesem metallischen Ge häuse, welches vorzugsweise konisch zulaufend ausgebildet ist, kann wahlweise ein Dielektrikum 7 beispielsweise in Form einer Keramik z. B. Al₂O₃ oder in Form eines fluidi schen Materials, vorzugsweise Luft oder inertes Gas wie z. B. Edelgase oder Stickstoff, eingebracht werden. Die Kera mik kann, wie in Fig. 1 gezeigt, in das Gehäuse eingescho ben werden. Das Dielektrikum 7 selbst ist mit Ausnahme der offenen, zum Objekt 3 gerichteten Seite metallisiert, bei spielsweise vergoldet. Damit wird der Vorteil erreicht, daß die Funktion über der Temperatur nur von dem Temperatur koeffizienten des Dielektrikums 7 und nicht von jenem des metallischen Gehäuses abhängt.

Auf der Rückseite des Hohlraumresonators wird ein Substrat 9, z. B. ebenfalls Keramik, als Träger für die Einkopplungsmimik beispielsweise in Form einer koplanaren Schlitzkopplung oder einer Mikrostreifenleitung und die ak tiven Bauteile der Auswerteelektronik bzw. in Form der Hochfrequenzelektronik positioniert. Über diese Anordnung wird die elektromagnetische Welle eingekoppelt. Diese Rück seite kann ebenfalls vergoldet sein und die gesamte Hoch frequenz-Elektronik 11 tragen.

Aufgrund der Verwendung des Dielektrikums 7 wird er reicht, daß die geometrischen Abmessungen des Hohlraumreso nators bei Beibehaltung der gleichen Sendefrequenz verklei nert werden können. Wie es generell bekannt ist, läßt sich die Resonanzfrequenz f_r eines zylindrischen H_mnp-Resonators aus ε, µ, den n-ten Nullstellen der Ableitung der Bessel- Funktion m-ter Ordnung, sowie dem Durchmesser D des Hohl raumresonators und der Länge L des Hohlraumresonators be stimmen. Der funktionelle Zusammenhang zwischen εµ (f_rD)² und (D/L)² läßt sich übersichtlich in einem sogenannten Mo dendiagramm gemäß Fig. 5 darstellen. Aus diesem sogenannten Modendiagramm lassen sich auch relativ einfach Bereiche identifizieren, in denen keine weiteren Moden ausbreitungs fähig sind. Durch Isolation der Resonatordeckfläche vom Zy lindermantel, das entspricht einem offenen Resonator mit H_0np-Moden, kann eine weitere Moden-Selektion erfolgen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß der Hohl raumresonator so ausgelegt wird, daß als Wellentyp die H_0np-Moden, vorzugsweise der H₀₁₁-Moden ausbreitungsfähig ist, da keine Wandströme über die Kanten zwischen Mantel- und Abschlußfläche fließen. Entsprechend der Linie des H₀₁₁-Moden gemäß Fig. 5 ist nur ein Abschnitt zu suchen, in dessen Umgebung keine Kennlinie anderer Moden auftritt, so daß auch bei gewissen Schwankungen der mechanischen Resona torabmessungen und beim Durchstimmen der Frequenz keine an dere Mode angeregt wird.

In Fig. 2 ist die Rückseite des Hohlraumresonators 1 gemäß Fig. 1 gezeigt. Anhand dieser Figur kann die Einkopp lung der elektromagnetischen Welle in den Hohlraumresonator deutlicher dargestellt werden, welche in dieser Figur einer koplanaren Schlitzkopplung entspricht. Die Rückseite des Hohlraumresonators ist mit einem Substrat 9, vorzugsweise Keramik versehen. Die Außenoberfläche des Substrats 9 ist vorzugsweise vergoldet. Ausgespart bleiben nur die Einkop pelschlitze 13 und 15 in den Hohlraumresonator 1. An den Stellen maximaler Feldstärke beispielsweise halber Radius des Dielektrikums 7 wird über die Schlitzkopplung die elektromagnetische Welle eingespeist. Die Größe der Kop pelschlitze 13 und 15 richtet sich nach den Abmessungen des Dielektrikums 7. Bei einem Durchmesser des Dielektrikums 7 von z. B. 6 mm beträgt die Größe ca. 0,3 mm mal 0,2 mm. Die elektromagnetische Welle selbst wird über eine koplanare 50 Ω-Leitung an den Schlitz herangeführt und über einen Bonddraht 17, z. B. 17,5 µm Golddraht 17 in den Schlitz 13 eingekoppelt. Um eine optimale Anpassung zu erzielen, kann der Bonddraht 17 auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Leitungsstruktur, welche isoliert ist, abgeschlossen wer den.

Mit dieser Anordnung kann der Hohlraumresonator 1 so wohl in Transmissions- als auch in Reflexionsmoden betrie ben werden. Wird der Hohlraumresonator 1 im Transmissions mode betrieben, dann wird die elektromagnetische Welle an einem zweiten Koppelschlitz 15 mit der bereits beschriebe nen koplanaren Aus- bzw. Einkopplung ausgekoppelt. Im Re flektionsmode ist dieser Ausgang mit 50 Ω abgeschlossen. Wie bereits oben erwähnt, kann bei kleineren Durchmessern des Dielektrikums 7 in vorteilhafter Weise auch eine Mi krostreifenleitungs-Einkopplung verwendet werden. Ebenfalls auf der Rückseite ist beispielsweise ein Oszillator 19, beispielsweise ein Voltage-Controlled-Oscillator (VCO), ei ne Nachweisdiode 21 und ein Frequenzteiler 23 vorgesehen, welche mit einer Auswerteelektronik verbunden sind.

In Fig. 3 ist ein Gesamtschaubild bzw. ein Blockdia gramm der Funktionsweise einer vorteilhaften Ausgestaltung der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung dargestellt. Ausgehend von einer Steuerungs- und Auswerteelektronik wird über eine Rampensteuerung ein Rampengenerator angesteuert, wodurch die Frequenz des Sendezweigs I durchgestimmt wird. Gleichzeitig wird über den Empfangszweig II ein mit der De tektordiode verbundener Resonanzdetektor beispielsweise be stehend aus einem zweistufigen Differenzierer und einem Komparator an der zweiten Ableitung laufend überwacht, ob ein aus dem Empfangszweig II abgegriffenes Videosignal eine Resonanz anzeigt. Die Resonanz ist dadurch erkennbar, daß es sich von einer Nicht-Resonanz in einer hohen Steilheit in einem Videosignal des Empfangszweiges bei zunehmender Oszillatorfrequenz unterscheidet (s. Fig. 4). Sobald von der Steuerungs- und Auswerteelektronik die Resonanz erkannt wird, wird ein Integrator, welcher die Rampensteuerung steuert, gestoppt. Die so eingestellte Spannung wird stabil gehalten, wobei die durch die Frequenzteiler 23 herunterge teilte Oszillatorfrequenz von einem digitalen Zähler in der Auswerteelektronik ermittelt wird.

Auf diese Weise wird die Resonanzfrequenz im Hohlraum resonator gemessen. Da die Resonanzfrequenz im Hohlraumre sonator von der Entfernung des Objekts abhängig ist (siehe Fig. 5), kann durch Bestimmung der Resonanzfrequenz direkt auf die Entfernung geschlossen werden. Die neue Resonanz frequenz wird dadurch ermittelt, daß die Sendefrequenz so lange verändert wird, bis die Resonanzfrequenz und Sende frequenz übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt wird an der Detektordiode ein Leistungseinbruch festgestellt. Parallel hierzu wird die Sendefrequenz am Teilerausgang des Fre quenzteilers 23 ermittelt. Die Meßgenauigkeit des Abstands zum Objekt hängt davon ab, wie schnell und mit welcher Ge nauigkeit die Sendefrequenz bestimmt wird. Die Bestimmung der Entfernung mit einer Meßgenauigkeit von 1 µm erfordert typischerweise bei einem Abstand von 0,5 mm eine Genauig keit bei der Frequenzbestimmung von mindestens 0,5 MHz bei 26 GHz.

Zur Veranschaulichung der Funktionsweise der anmel dungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung sollen die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Meßwerte dienen.

Wie in Fig. 4 deutlich zu erkennen ist, zeigen die Re flektions- und Transmissionscharakteristik, welche als Funktion der Resonanzfrequenz bei verschiedenen Abständen zum Objekt dargestellt ist, deutliche Signaleinbrüche, die bei Erreichen der Resonanzfrequenz bei festgelegtem Abstand zum Objekt auftreten. Außerdem ist eine deutliche Überein stimmung der Signaleinbrüche zwischen Reflektions- und Transmissionscharakteristik wiederzuerkennen.

In Fig. 5 ist die Abhängigkeit der Entfernung und der Resonanzfrequenz dargestellt. Deutlich ist zu erkennen, daß bei kleinerem Abstand eine deutlichere Resonanzfrequenzver schiebung auftritt, welche die Meßgenauigkeit insbesondere bei Objekten, welche dicht vor dem Hohlraumresonator posi tioniert sind, gemessen werden. Hierbei ist zu beachten, daß bei zunehmendem Abstand zum Objekt die Resonanzfrequenz abnimmt. Dagegen nimmt die Resonanzfrequenz bei dielektri schen Objekten mit zunehmendem Abstand zum Objekt zu. Die Richtungsänderung der Resonanzfrequenz hängt somit von der Dielektrizitätskonstante des Objekts ab. Diesen Effekt kann man erfindungsgemäß ausnutzen, um die physikalischen Größen Druck, Kraft und Masse zu messen bzw. zu bestimmen. Hierbei wird die offene Seite des Hohlraumresonators vorzugsweise mit einer piezoelektrischen Keramik abgeschlossen. Wirkt dann auf die piezoelektrische Keramik ein Druck, eine Kraft oder eine Masse, dann verändert diese entsprechend ihre Dielektrizitätskonstante. Die Änderung der Dielektrizitäts konstanten verschiebt die Resonanzfrequenz des Hohlraum-Re sonators. Entsprechend Fig. 5 bewegt man sich dann abhängig von der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten auf der y-Achse (x=0).

In Fig. 6 ist eine allgemeine Übersicht der anzuregen den Moden eines kreisförmigen Zylinders dargestellt. Je nach Größe des Zylinders kann anhand dieses Schaltbildes die geeignete Moden (TM=E-Feldkomponenten und TE=H-Feldkom ponenten) ausgewählt werden.

Zur Abstandsbestimmung im Mikrometer-Bereich kann eine weitere Ausgestaltung der Auswerteelektronik bei der anmel dungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung eingesetzt werden, die unter Bezugnahme des Blockschaltbildes gemäß Fig. 7 näher erläutert wird.

Der wesentliche Unterschied zu der oben beschriebenen Abstandsermittlung besteht darin, daß die heruntergeteilte Oszillatorfrequenz nicht direkt als Ergebnisgröße dient, sondern in einer Frequenz- und Phasenregelungsschleife ei ner sogenannten phase-locked-loop (PLL) verwendet wird. Hierbei wird die Sollfrequenz über einen direkten digitalen Synthesizer (DDS) auf eine Frequenz eingestellt, die als Führungsgröße in die Regelschleife eingeht. Erfüllt das von dem Empfangszweig II aufgenommene Videosignal die Resonanz bedingung, ist in einem in der Auswerteelektronik enthalte nen Mikrocontroller bereits die Resonanzfrequenz und damit die Entfernung zum Ziel bekannt. Durch das Wegfallen der Meßzeit für die Oszillatorfrequenz und die Verwendung z. B. eines Resonanzfolgealgorithmus in einem in der Auswerte elektronik vorhandenen Mikrocontroller kann die Zyklusdauer deutlich verkürzt werden und damit die Meßgenauigkeit we sentlich erhöht werden.

Im folgenden soll anhand einiger Anwendungsgebiete die Einsatzmöglichkeiten der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvor richtung anhand eines Hochfrequenz-Annäherungssensors dar gestellt werden.

A. Detektion der Kolbenposition

In Bild 8 sind die möglichen Sensoranordnungen zur Kol benpositionsabfrage eines linearen Zylinderantriebs mit dem Hochfrequenzannäherungssensor gemäß anmeldungsgemäßer Ab standsmeßvorrichtung aufgezeigt.

Eine mögliche Sensoranordnung zur Stellungsabfrage ei nes Rotationsantriebs mit dem Hochfrequenz-Annäherungssen sor ist für einen Rotationsantrieb in Bild 9 aufgezeigt. Da ein derartiger Hochfrequenz-Annäherungsschalter äußerst flach baut, können bei mehreren Schaltpunkten zudem mehrere Stellungen mit dem Sensorelement realisiert werden, wobei die Einstellung beispielsweise über Potentiometer oder eine Teach-in Logik erfolgen kann.

B. Detektion der Kolbenposition eines Stoßdämpfers

In Fig. 10 ist der schematische Aufbau eines Stoßdämp fers mit integriertem Hochfrequenz-Annäherungssensor darge stellt.

Allgemein läßt sich das erfindungsgemäße Prinzip auch auf Ventile mit beweglichen mechanischen Teilen (s. Fig. 11) anwenden, wobei durch die Positionsänderung des mechani schen Teils die Ventildurchflußmöglichkeiten geregelt wer den. Bisherige Positionsabfragen wurden in der Pneumatik durch magnetfeldempfindliche Sensoren realisiert, die auf den Permanentmagneten auf den Kolben bzw. Stößel des Ven tils reagieren. Es zeigte sich dabei aber, daß für kosten günstige Lösungen nur diskrete Positionsbereiche durch den ortsfest montierten und auf die zu erfassenden Positionen justierten Sensor detektiert werden können. In der Hydrau lik ist eine magnetische Abfrage wegen der üblicherweise verwendeten ferromagnetischen Werkstoffe nur bedingt mög lich.

C. Druckmessung durch Erfassen der Membranauslenkung

In Fig. 12 sind unterschiedliche Druckmessungen, d. h. Absolutdruck bzw. Relativ- bzw. Differenzdruck-Meßmöglich keiten dargestellt. In diesem besonderen Anwendungsbeispiel wird die Druckbestimmung dadurch erreicht, daß eine sich auf den HF-Annäherungssensor zu- bzw. wegbewegende Membran abstandsmäßig detektiert wird. Gegenüber heutigen Systemen, z. B. piezoresistiven Dehnungsmeßstreifen (DMS) oder Siliziumelementen hat die anmeldungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sich die empfindliche Elektronik außerhalb der Druckmeßzelle befindet.

D. Druckmessung durch Änderung der Dielektrizitäts konstanten unter mechanischer Belastung, vorzugs weise einer piezoelektrischen Keramik

Für die Druckmessung bei sehr hohen Drücken ist die in direkte Bestimmung des Druckes über eine Wegmessung, bei spielsweise durch einen sich zu- bzw. wegbewegenden Mem bran, aufgrund der auftretenden Kräfte nicht geeignet.

Gemäß dieser Ausführungsform wird die Messung der phy sikalischen Größe Abstand durch die Materialeigenschaft druckabhängige Dielektrizitätskonstante ersetzt. Hierbei wird der dielektrisch gefüllte Hohlraumresonator an der of fenen Seite vorzugsweise mit einer piezoelektrischen Kera mik abgeschlossen (s. Fig. 13). Die piezoelektrische Kera mik wird fest auf den bei der anmeldungsgemäßen Abstands vorrichtung verwendeten Sensor montiert. Es ergibt sich dann im eingeschalteten Zustand des Sensors eine feste Re sonanzfrequenz. Wird nun die piezoelektrische Keramik auf der, dem Sensor abgewandten Seite mit Druck P innerhalb einer Druckmeßzelle und damit mit einer Kraft beaufschlagt, dann verändert sich die Dielektrizitätskonstante der piezo elektrischen Keramik. Diese Änderung hat zur Folge, daß sich die Resonanzfrequenz verschiebt. Die Auswertung dieser Frequenzänderung und damit die Umrechnung in die entspre chende Druckänderung erfolgt vorzugsweise nach dem zur Fig. 3 und Fig. 7 beschriebenen Verfahren.

Der gesamte Hohlraum des Resonators kann auch bei die sem Anwendungsbeispiel mit piezoelektrischer Keramik ge füllt sein (siehe Fig. 13b).

Ein großer Vorteil dieser Anordnung zu herkömmlichen Meßverfahren mit DMS oder kapazitiven Druckmeßzellen be steht in ihrer hohen mechanischen Stabilität. Die piezo elektrische Keramik wird mechanisch komplett vom Resonator abgestützt, insbesondere dann, wenn das Resonatorgehäuse hierbei konisch zuläuft und der innen gelagerten Keramik die nötige Stabilität für Hochdruckanwendungen gibt.

Weitere Vorteile zu herkömmlichen Meßverfahren liegen darin, daß die Justage bzw. hohe Präzision beim Einbau in die Druckmeßzelle entfällt und die empfindliche Elektronik sich außerhalb der Druckmeßzelle befindet.

E. Objektvermessung

Bei der Objektvermessung gemäß Fig. 14 wird die Bewe gung der Meßspitze, welche durch ein Objekt auf den HF-An näherungssensor hin- oder wegbewegt wird, gemessen. Auf grund der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung können somit auch Messungen im Mikrometer-Bereich durchgeführt werden.

F. Füllstandssensor bzw. Wächter

Die in Fig. 15 dargestellte Anwendungsmöglichkeit be trifft beispielsweise einen Füllstandssensor. In den Fig. 15a, b, c sind verschiedene Einbauorte des Hochfrequenzan näherungssensors dargestellt. In den Fällen Fig. 15a und 15b wird jeweils der Abstand des zu messenden Pegels in ei nem separaten Fühlerrohr, welches extern oder intern ange ordnet ist, gemessen. In der Anordnung gemäß Fig. 15c wird der Hochfrequenz-Annäherungssensor extern zur Überwachung auf einen entsprechenden Pegel der maximalen Füllstandshöhe verwendet. Damit ist in vorteilhafter Weise die Überwachung einer maximalen Füllstandshöhe bzw. eines vorgegebenen ein gestellten Erfassungsbereichs gewährleistet, wobei beim Un terschreiten der maximalen Füllstandshöhe oder Austreten außerhalb des eingestellten Erfassungsbereiches ein Schalt signal angezeigt wird.

Wird hingegen der Hochfrequenz-Annäherungsschalter ex tern als Füllstandsschalter verwendet, kann über die ent sprechende Schaltfunktion das Über- bzw. Unterschreiten ei nes vorgegebenen Füllstandes angezeigt werden. Durch diese externe Anordnung kann auf einen aufwendigen Integrations aufwand verzichtet werden. Das System gemäß Fig. 14c kann zur Adaption an bestehende Wartungsgeräte mit HF-transpa renten Schalen verwendet werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die anmel dungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung neben den oben aufge führten Anwendungsgebieten überall dort eingesetzt werden kann, wo eine Abstandsmeßvorrichtnug bis in den Mikrometer bereich erforderlich ist.

Claims

1. Abstandsmeßvorrichtung mit einem Sensor und einer Aus wertelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Resonator in Form eines Hohlraumreso nators aufweist.

2. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß der Resonator einen Hochfrequenzresonator aufweist, dessen Resonanzfrequenz je nach Abstand zu einem Objekt zwischen 1 und 100 GHz, vorzugsweise zwischen 20 und 30 GHz, insbesondere zwischen 22 und 26 GHz liegt.

3. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator eine zylindrische Form aufweist, dessen zum Objekt zei gende Grundfläche offen, d. h. nichtmetallisiert ist.

4. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hohlraumresonator mit einem fluidi schen Material, vorzugsweise Luft oder einem inertem Gas, gefüllt ist.

5. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekenn zeichnet, daß der Hohlraumresonator mit einem Dielek trikum, vorzugsweise Al₂O₃ gefüllt ist.

6. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekenn zeichnet, daß der Hohlraumresonator eine offene Seite aufweist, die mit einer dünnen Scheibe eines Materials, vorzugsweise einer piezoelektrischen Keramik, abgeschlossen wird und dieses Material die Eigenschaften aufweist, durch entsprechende Belastung mit Druck, einer Kraft oder Masse ihre Dielektrizitätskonstante zu ändern.

7. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekenn zeichnet, daß der Hohlraumresonator mit dielektrischem Material, vorzugsweise piezoelektrischer Keramik ge füllt wird und das dielektrische Material die Eigen schaft aufweist, durch entsprechende Belastung mit Druck, einer Kraft oder Masse die Dielektrizitätskon stante zu ändern.

8. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Die lektrikums, mit Ausnahme der zum Objekt zeigenden Grundfläche mit einer dünnen Goldschicht überzogen ist, vorzugsweise aufgesputtert ist.

9. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum in ein metallisches Gehäuse, vorzugsweise aus Kovar oder Titan bestehend, eingeschoben wird.

10. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine ko planare Schlitzkopplung, vorzugsweise auf der dem Ob jekt abgewandten Seite des Resonators, aufweist.

11. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus je einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Transmissionsmode), die kreisförmig angeordnet sind.

12. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch ge kennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus ei nem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Reflektionsmode).

13. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Mi krostreifenleitung zur Einkopplung aufweist.

14. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung und der Resonator als Wellentyp die H_0np-Moden, vorzugsweise die H₀₁₁-Mode, zuläßt.

15. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Hoch frequenz-Elektronik mit einem Sende- und Empfangszweig aufweist.

16. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß der Sendezweig aus einem Oszillator, vorzugsweise einem Voltage Controlled Oszillator (VCO), besteht.

17. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch ge kennzeichnet, daß der Empfangszweig aus mindestens ei ner Hochfrequenz-Diode besteht.

18. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch ge kennzeichnet, daß die Oszillatorfrequenz über eine ge schlossene Regelschleife einer Sollfrequenz (Führungsgröße) folgt.

19. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Regelschleife (PLL: Phase Locked Loop) aus mindestens einem Frequenzteiler, einem Pha sendiskriminator und einem Tiefpaßfilter besteht und die Sollfrequenz über einen DDS (Direct Digital Synthe sizer) vorgegeben wird (dynamische Frequenzregelung bzw. -bestimmung).

20. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 18, dadurch ge kennzeichnet, daß die Regelschleife aus mindestens ei nem Frequenzteiler besteht und vorzugsweise über einen Frequenzzähler, Mikrocontroller und Digital-Analogwand ler geschlossen wird (statische Frequenzregelung bzw. -bestimmung).

21. Verfahren zur Bestimmung eines Abstands eines Objekts zu einer Vorrichtung, insbesondere zu einer Abstands meßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, wel ches die Schritte aufweist:

a) Bereitstellen eines Hohlraumresonators;
b) Bestimmung der Resonanzfrequenz, um den Abstand zum Objekt zu ermitteln.

22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß die Bestimmung der Resonanzfrequenz so erfolgt, daß ein im Sendezweig vorgesehener Oszillator solange in seiner Sendefrequenz verstimmt wird, bis im Empfangszweig ein Leistungseinbruch bei einer Resonanz festgestellt ist.

23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators durch eine Ram pensteuerung und einen Rampengenerator verstimmt wird.

24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators über einen direkten digitalen Synthesizer (DDS) eingestellt wird.

25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zu Schritt b) eine Bestimmung der Resonanzfrequenz erfolgt, um bei Abstand Null zum Objekt den Druck, die Kraft oder Masse auf das Objekt zu ermitteln.