DE19810253C2 - Vorrichtung mit einem Mikrowellensensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vorrichtung für einen berührungslos arbeitenden Sensor, der gegen Verschmutzung unempfindlich ist, und der mit einer Auswerteschaltung versehen ist, die die Funktion des Sensors überprüft.

An Sensoren, die industriell eingesetzt werden, sind zunehmend höhere Anforderungen an ihre Funktionssicherheit zu stellen. Während induktiv arbeitenden Sensoren, insbesondere Näherungsschalter, unempfindlich sind gegen Feuchtigkeit oder Verschmutzung, sind optische Sensoren gegen solche Umwelteinflüsse sehr empfindlich. Um die Vorzüge optischer Sensoren, mit denen Tastabstände von mehreren Metern erreicht werden können, voll auszunutzen, sind Verfahren entworfen worden, die insbesondere die Verschmutzung der Optiken solcher Sensoren rechtzeitig signalisieren. Solche Verfahren sind z. B. in den Schriften DE 32 30 524 C2, DE 35 35 100 A1 beschrieben.

Obwohl mit den oben angegebenen Verfahren Verschmutzungen bei optischen Systemen rechtzeitig erkannt werden können, um eine Abschalt- oder Warnfunktion zu realisieren, reichen solche Techniken nicht aus, um bei einem Ausfall eines Bauelementes in der elektronischen Auswerteschaltung des Sensors ein Versagen zu erkennen. Hierzu sind Techniken entwickelt worden, die kontinuierlich die elektrische Funktionstüchtigkeit der Sensorauswertung überprüfen. Solche Techniken sind in den Schriften DE 39 31 038 C2, DE 43 064 25 C1, DE 37 22 600 C2 beschrieben. In der DE 43 06 425 C1 ist vorgeschlagen, Melder, die nach dem Dopplerprinzip arbeiten, mit einem Entfernungsmeßssystem zu kombinieren. In der DE 37 22 600 C2 ist eine Lichtschranke beschrieben, die innerhalb von Funktionsprüfphasen einen für den Objektnachweis bestimmten Empfänger mit einem Lichtsender ansteuert.

Die oben beschriebenen Techniken und Verfahren sind zwar geeignet, Funktionsstörungen zu signalisieren, jedoch ist die Funktionstüchtigkeit, insbesondere optischer Systeme deshalb nicht gegeben, weil es in der Anwendung nicht darum geht, daß Fehler ununterbrochen angezeigt werden, sondern daß die Sensoren über lange Zeit, auch bei Verschmutzung, möglichst störungsfrei arbeiten. Die Signalisierung einer Fehlfunktion soll daher auf gravierende Fehlfunktionen des Sensors beschränkt sein.

Für spezielle Anwendungen haben sich dynamisch arbeitende Mikrowellensensoren bewährt, die nur auf bewegte Teile reagieren. Aus der DE 33 13 358 A1 ist ein Mikrowellenempfangssystem bekannt, das mit einer Anzahl von Mikrowellen­ sender/Empfänger-Einheiten arbeitet. Jede einzelne Einheit sendet auf einer versetzten Frequenz, die von einer benachbarten Empfangseinheit nicht erfaßt wird. Diese Techniken haben den Vorteil, daß Umwelteinflüsse, wie Temperaturschwankungen oder Schwankungen der Luftfeuchtigkeit unterdrückt werden können. Solche dynamisch arbeitenden Systeme sind daher in der Lage ihre Empfindlichkeit bei sich ändernden Umgebungsbedingungen nahezu konstant zu halten. Bei solchen dynamisch arbeitenden Systemen bereitet jedoch die periodische Funktionsüberprüfung große Schwierigkeiten.

Ziel der Erfindung ist es, die oben beschriebenen Nachteile zu vermeiden und eine Vorrichtung für einen berührungslos arbeitenden Sensor anzugeben, so daß Funktionsstörungen des Sensors bei Verschmutzung oder technischem Versagen signalisiert werden, und bei dem eine hohe Unempfindlichkeit des sensorischen Systems gegen Verschmutzung gegeben ist.

Die Aufgabe der Erfindung wird durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche enthalten bevorzugte Ausgestaltungen. Ein wesentliches Merkmal dieser Lösung besteht in der Anwendung eines Mikrowellensensors, der nach dem Dopplerprinzip arbeitet.

Durch die Wahl dieser Vorrichtung ist ein dynamisch arbeitender Sensor gegeben, d. h. ein Sensor, der nur auf Bewegungen eines Teiles anspricht. Solche Mikrowellensensoren sind unempfindlich gegen Feuchtigkeit und Schmutzbeläge, die optische Sensoren sicher außer Betrieb setzen würden.

In seltenen Fällen sind jedoch auch Beläge, wie z. B. Metallstäube denkbar, die auch die Funktion eines Mikrowellensensors einschränken würden. Um solche Funktionseinschränkungen zu erkennen, ist in den Erfassungsbereich des Mikrowellensensors ein Geber gebracht, der von einer Auswerteschaltung angesteuert ist, diese Ansteuerung kann in der Weise geschehen, daß der Geber durch die Auswerteschaltung in periodischen Abständen dazu angeregt wird, ein Signal abzugeben, das von dem Mikrowellensensor erkannt wird und diesen veranlaßt, ein Signal abzugeben. Die Auswerteschaltung ist so ausgebildet, daß während der kurzen, periodischen Prüfphasen das Reaktionssignal des Mikrowellensensors nur intern zur Funktionskontrolle ausgewertet ist, jedoch nicht an eine nachfolgende Signalverarbeitung weitergeleitet ist. In einfacher Weise kann nun der Geber so ausgebildet sein, daß er eine Bewegung, z. B. einer Metallplatte, simuliert. Ist diese Metallplatte in Schwingungen versetzt, die in dem Mikrowellensensor einen Dopplereffekt hervorrufen, so reagiert der Sensor auf diese Schwingungen. Anstelle einer schwingenden Metallplatte kann auch die Rotation eines Zylinders, der mit Metallsegmenten versehen ist und z. B. durch einen Motor angetrieben ist, verwendet werden. Solche mechanischen Schwingungen, die aufgrund des Dopplereffektes auswertbar sind, können z. B. auch durch Techniken erzeugt werden, die auf dem piezoelektrischen oder magnetostriktiven Effekt beruhen.

Es ist auch denkbar, mit magnet-dynamischen Systemen zu arbeiten, wie sie z. B. in Lautsprechersystemen realisiert sind. Der große Vorzug der Mikrowellentechnik beruht darin, daß der Geber in einem geschlossenen, vor Feuchtigkeit geschützten Kunststoffgehäuse, das von den Mikrowellen durchdrungen werden kann, eingebracht ist.

Die Effektivität des Gebers kann insbesondere dadurch erhöht werden, daß die Metallplatte als Mikrowellenantenne ausgebildet ist, die im Frequenzbereich des Mikrowellensensors arbeitet. Diese Mikrowellenantenne kann auch dadurch optimiert werden, daß sie auf eine Kunststoffplatte aufgebracht ist und aus einer Antennenstruktur besteht, die entweder das elektrische oder das magnetische Feld nutzt. In einer Weiterbildung des Gebers wird die Antenne von einer oder mehreren Frequenzen beaufschlagt, die im Frequenz-Empfangsbereich des Mikrowellen­ sensors liegen. Eine solche Anordnung simuliert dem Modulator des Mikrowellen­ sensors ein bewegtes Objekt, was damit zusammenhängt, daß der auf dem Dopplerprinzip basierende Mikrowellensensor bei der Demodulation der Dopplerfrequenzverschiebungen nicht zwischen den Dopplerfrequenzen und Frequenzen die durch Mischung an seinem Demodulator entstehen, unterscheiden kann. Eine Weiterbildung des Mikrowellensensors besteht darin, daß in dem Mikrowellensensorgehäuse ein Reflextaster integriert ist. Dieser Reflextaster ist in der Lage, z. B. bei metallischen Verschmutzungen oder bei Objekten im Nahbereich des Sensors ein zweites Signal abzugeben. Mit diesem zweiten Signal kann identifiziert werden, ob die Sensorfunktion in nächster Zeit ausfallen wird, obwohl der Geber noch einwandfrei erkannt wird. Bei dieser Zusatzfunktion ist es möglich, Produktionspausen zu nutzen, um den Mikrowellensensor zu überprüfen. Produktionsausfälle werden auf diese Weise auf ein Minimum reduziert. Je nach Einsatzbereich des Mikrowellensensors arbeitet der Reflextaster mit einem induktiven, optischen oder akustischen Prinzip. Es gibt Bedingungen, insbesondere im Außenbereich, die für eine spezielle Frequenz des Mikrowellensensors Dämpfungen hervorrufen, wie z. B. die Größe von Regentropfen. Um solche Störungen auszuschließen, ist vorgesehen die Frequenz des Mikrowellensensors periodisch ansteuerbar zu verändern. Diese Veränderung kann auch durch kontinuierliche Wobbelung des Sendesignals des Mikrowellensensors erfolgen. Um mit einem solchen Mikrowellensensor den Dopplereffekt zu nutzen, hat nicht nur die Sendefrequenz des Mikrowellensensors sondern auch die auf die Mischdiode des Mikrowellensensors gegebene Misch-Oszillatorfrequenz präzise den gleichen Wert. Auf diese Weise entstehen nur Dopplerfrequenzen, die von dieser einzigen Frequenz des Mikrowellensensors abweichen.

Claims (8)

1. Vorrichtung mit einem berührungslos arbeitenden, einen Erfassungsbereich überwachenden Mikrowellensensor, der nach dem Dopplerprinzip arbeitet und eine Auswerteschaltung, die die Funktion des Mikrowellensensors überprüft, aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß im Erfassungsbereich ein Geber in Form einer Metallplatte angeordnet ist, die durch die Auswerteschaltung derart periodisch angesteuert und zum Schwingen oder Rotieren angeregt wird, daß der Mikrowellensensor - im Falle seiner Funktionstüchtigkeit - anspricht.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schwingungen durch mindestens eine der Techniken piezoelektrisch, magnetostriktiv, motorisch, magnetdynamisch erzeugt sind.

3. Vorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Metallplatte als Mikrowellenantenne ausgebildet ist.

4. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß Mikrowellenantenne auf eine Kunststoffplatte aufgebracht ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Mikrowellenantenne von einer oder mehreren Frequenzen beaufschlagt ist, die im Frequenzbereich des Mikrowellensensors liegen.

6. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß in das Gehäuse des Mikrowellensensors ein Reflextaster integriert ist.

7. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflextaster mit einem induktiven, optischen oder akustischen Prinzip arbeitet.

8. Vorrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des Mikrowellensensors periodisch ansteuerbar veränderlich ist.