DE19903183A1

DE19903183A1 - Hochfrequenz-Abstandsmeßeinrichtung

Info

Publication number: DE19903183A1
Application number: DE19903183A
Authority: DE
Inventors: Guenther Trummer
Original assignee: MTS Mikrowellen Technologie und Sensoren GmbH
Current assignee: Astyx GmbH
Priority date: 1999-01-27
Filing date: 1999-01-27
Publication date: 2000-08-10

Abstract

Beschrieben wird eine Hochfrequenz-Abstandsmeßeinrichtung, welche eine als Sensor ausgebildete Antenne und einen einseitig offenen Hohlleiter aufweist, dessen offene Seite mit einem Dämpfungsglied abgeschlossen ist, um eine kontinuierliche Abstandsbestimmung, eine einfache Handhabung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten zu erlauben.

Description

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

Herkömmliche Abstandsmeßvorrichtungen vorzugsweise im Nahbereich arbeiten unter Verwendung von induktiven, kapazitiven, optischen oder Ultra- Schall-Sensoren. Für eine Messung mit induktiven Sensoren muß die Eichkurve festgelegt und auch das Material eines zu messenden Objekts muß bekannt sein. Ferner weisen die induktiven Sensoren beispielsweise einen 180°-Meßbereich auf, so daß sich zwei nebeneinanderliegende Sensoren gegenseitig beeinflußen und somit die Eichkurven des jeweiligen Sensors verändern können. Darüberhinaus sind derartige Sensoren lediglich in Ausführungsformen im Handel erhältlich, die einen Durchmesser von größer als 4 mm (M4) betragen.

Der Nachteil für eine Messung mit kapazitiven Sensoren besteht darin, daß der Abstand zwischen den Kondensatorplatten exakt bekannt sein muß. Ferner unterliegt die Messung der Beeinflußung durch die Luftfeuchtigkeit, der allgemeinen elektro magnetischen Verträglichkeiten oder der Temperatur. Um die Messung unabhängig von diesen Parametern durchführen zu können, müßte je nach Erfordernis eine Referenzmessung durchgeführt werden, anhand derer dann die störende 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 aufgeführten Nachteile überwindet und eine kontinuierliche Abstandsbestimmung, eine einfache Handhabung und vielseitige Einsatzmöglichkeiten erlaubt.

Diese Aufgabe wird mit den vorrichtungstechnischen Merkmalen des Anspruchs 1 und mit den verfahrenstechnischen Merkmalen des Anspruchs 19 gelöst.

Erfindungsgemäß weist der Sensor einen Hohlleiter, vorzugsweise einen Rundhohlleiter, der mit Dielektrikum, vorzugsweise Al₂O₃ gefüllt ist, auf. Mit dieser Maßnahme wird der Vorteil erzielt, daß kleinste Bauformen beispielsweise <M4< realisierbar sind und somit die Einsatzmöglichkeiten um ein Vielfaches erhöht werden. Die Größe des Hohlleiters richtet sich nach der Sendefrequenz, wenn unterstellt wird, daß der Hohlleiter knapp oberhalb seiner Cut-off Frequenz betrieben wird. Aufgrund der Grundgeometrie eines Hohlleiters 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 angeordnete Sensoren beeinflußt wird. Als Anwendungsgebiet ist es beispielsweise denkbar, daß die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung bei der Richtungserkennung von bewegbaren Objekten bzw. bei einer platzsparenden Montage beispielsweise 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 werden. Damit wird der Vorteil erreicht, daß der Schaltpunkt beispielsweise über eine Software auf die jeweiligen Bedürfnisse 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 Submikrometer-Bereich zu messen. Diese Art von Sensoren können beispielsweise als Näherungsschalter, zur kontinuierlichen Messung des Kolbenweges im Umkehrpunkt von pneumatischen und hydraulischen Zylindern, der Beanspruchung von Kugellagern, von Ventilstellungen oder zur Messung der Ausdehnung von Druckmembranen verwendet werden.

Erfindungsgemäß hängt bei leitfähigen Objekten der Meßabstand nicht von der Größe des Objekts ab, wenn man voraussetzt, daß das Objekt mindestens so groß ist wie der Durchmesser des Hohlleiters. Darüberhinaus ist generell eine Abstandsmeßung zu leitfähigen und dielektrischen Objekten möglich.

Wird der Sensor als Schalter eingesetzt, dann ist erfindungsgemäß eine Schaltpunktveränderung oder eine Neudimensionierung bzw. eine Änderung des Sensorelements auf einfache Weise zu bewerkstelligen. Da der Schaltpunkt z. B. über Software einstellbar ist, ist ferner der Vorteil gegeben, daß die Eingabe von Mehrfach-Schaltpunkten durch eine geeignete Software auf einfache Weise ermöglicht wird, wodurch man eine wesentlich höhere Einsatzflexibilität beispielsweise für eine Teile- Größenerkennung, für verschiedene Maschinen konfigurationen, für eine Drehwinkelerkennung über Kurvenscheiben usw. erhält. Demgegenüber konnte wie eingangs erwähnt bei induktiven Sensoren die MehrfachSchaltpunkte nur mit sehr großem Aufwand realisiert werden.

Aufgrund des in der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung 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 ge ringere Logistik benötigt wird.

Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.

Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Hohlleiter ein Rundhohlleiter ist, dessen Betriebsfrequenz gerinfügig oberhalb seiner Cut-off Frequenz liegt, wenn er für den Betrieb mit der H_mnp-Mode, vorzugsweise dem H₁₁₁-Mode ausgelegt wird. Hierbei wird der Hohlleiter als Antenne betrieben indem eine Seite des Hohlleiters, vorzugsweise eine Stirnseite offen bleibt und die elektromagnetische Welle an dieser Seite abgestrahlt wird. Der einseitig offene Hohlleiter hat einen Öffnungswinkel von ca. 120°. Der Reflektionsfaktor zwischen Hohlleiter und Freiraum liegt bei ←10 dB.

Wird der Hohlraumresonator gemäß Anspruch 5 beispielsweise mit einem Dielektrikum, vorzugsweise Al₂O₃, gefüllt, so kann die gesamte Abstandsmeß vorrichtung kleiner bauen als der z. B. mit Luft gefüllte Hohlleiter. Desweiteren ist es nun besonders vorteilhaft, daß zwischen Dielektrikum und dem umgebenden Medium, z. B. Luft zwischen Objekt und offener Hohlleiterseite, ein Übergang entsteht, der dazu führt, daß im Vergleich zum luftgefüllten Hohlleiter ein größerer Teil der elektromagnetischen Welle reflektiert und nicht mehr abgestrahlt wird. Der Reflektionsfaktor liegt dann zwischen 1 dB und

1.5 dB. Es ist besonders vorteilhaft, daß sich nun aufgrund des größeren Reflektionsfaktors neben der Antennenfunktion ein Resonanzkreis aufbaut, dessen Güte allerdings im Vergleich zu üblichen HF- Hohlraumresonatoren (~3000 bis 5000) um den Faktor 20 bis 30 schlechter ist.

Dieser Nachteil läßt sich erfindungsgemäß umgehen indem ein Dämpfungsglied auf der offenen Seite des Hohlleiters zwischen Dielektrikum des Hohlleiters und dem umgebenden Medium, z. B. Luft, angebracht wird. Vorzugsweise besteht dieses Dämpfungsglied aus dielektrischem Material, z. B. Teflon, dessen Dielektrizitätszahl zwischen dem Dielektrikum des Hohlleiters und dem umgebenden Medium, z. B. Luft, liegt. Damit läßt sich der Reflektionsfaktor auf ca.

0.4 dB im Bereich knapp oberhalb der Cut-off- Frequenz anheben und somit eine wesentlich bessere Güte des Resonanzkreises erreichen. Dies ist erforderlich um mit hinreichender Genauigkeit, z. B. im Kilohertzbereich die Resonanzfrequenz bestimmen zu können. Da die Resonanzfrequenz direkt proportional der Entfernung zwischen Objekt und der mit dem Dämpfungsglied abgeschlossenen Seite des Hohlleiters ist läßt sich mit dieser Anordnung eine Entfernungsmessung zum Objekt mit einer Genauigkeit im Submikrometerbereich durchführen.

Desweiteren hat das Dämpfungsglied den Vorteil, daß z. B. bei Teflon mit zunehmender Dicke eine Fokussierung der Abstrahlcharakteristik der Antenne erreicht wird allerdings unter Inkaufnahme einer Reduzierung der Reichweite. Die Verwendung von Teflon als Dielektrikum für das Dämpfungsglied hat den zusätzlichen Vorteil, daß kondensierende, die Messung verfälschende Feuchtigkeit des umgebenden Mediums aufgrund der schlechten Haftwirkung des Teflons abperlt.

Im Unterschied zur Patentanmeldung mit dem Aktenzeichen DE 197 33 109.2 bzw. DE 198 07 593.6 bzw. PCT/EP 98/04 815 besitzt die Erfindung den Vorteil, daß eine Reichweitensteigerung um den Faktor 2.5 bis 3 möglich ist.

Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß gemäß Anspruch 6 lediglich die Oberfläche des Dielektrikums mit Ausnahme der zum Dämpfungsglied bzw. zum Objekt zeigenden Grundfläche mit einer Haftschicht, z. B. 1 nm TiW und anschließend mit einer dünnen Goldschicht, z. B. 1 µm, überzogen bzw. aufgesputtert wird, so daß der metallische Hohlleiter im Sinne einer Niedrigpreis- Massenfertigung dadurch ersetzt wird.

Weist die Abstandsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 8 und insbesondere der Hohlleiter eine koplanare Schlitzkopplung vorzugsweise auf der dem Objekt abgewandten Stirnseite des Hohlleiters auf, so wird aufgrund dieser Anordnung gewährleistet, daß die Einkopplung der elektromagnetischen Welle an geeigneter Stelle und einfach erfolgen kann.

Je nach Betriebsweise der Abstandsmeßvorrichtung kann die koplanare Schlitzkopplung aus je einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger gemäß Anspruch 9 bestehen, welche parallel (ein Schlitz wird im Zentrum des Hohlleiters angebracht, der andere parallel hierzu in Richtung Hohlleiterrand) angeordnet sind und was einer Transmissionsmode entspricht, oder die koplanare Schlitzkopplung aus einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht, was dem Betreiben in einer Reflektionsmode entspricht.

Alternativ kann die Abstandsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 11, insbesondere der Hohlleiter, eine Mikrostreifenleitung zur Einkopplung aufweisen, welche insbesondere dann angewendet wird, wenn es von Vorteil ist, daß die Auswerteelektronik abgesetzt vom Hohlleiter aufgebaut werden muß.

Wird gemäß Anspruch 12 die Abstandsmeßvorrichtung vorzugsweise in den H_mnp- Moden, vorzugsweise in der H₁₁₁-Mode betrieben, so kann der Hohlleiter in einem großen Bereich von Resonanzfrequenzen schwingen, in denen keine weiteren Moden mitangeregt werden, um so die Meßgenauigkeit groß zu halten.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unter ansprüche.

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

Fig. 1 zeigt eine Schnittansicht der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 2 zeigt eine Rückansicht der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung gemäß Fig. 1;

Fig. 3 zeigt ein Blockdiagramm der Schaltung für die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 4 zeigt das Reflektions- bzw. Transmissionsverhalten als Funktion der Resonanzfrequenz bei verschiedenen Abständen zum Objekt der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

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

Fig. 6 zeigt die Moden-Charakteristik eines kreisförmigen Zylinders für die Dimensionierung des Resonators der erfindungsgemäßen Abstandsmeß vorrichtung;

Fig. 7a-f zeigt die Strahlungscharakteristiken der H₀₁₁ und H₁₁₁ Moden und die Reflektionsfaktoren für den H₁₁₁ Mode mit und ohne Dämpfungsglied.

Fig. 8 zeigt verschiedene Positionierungen einer besonderen Anwendung für die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 9 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;

Fig. 10 zeigt ebenfalls eine weitere Anmeldungsmöglichkeit der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung beispielsweise für eine Stoßdämpfer-Abfrage;

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

Fig. 12 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit, beispielsweise eine Druckmessung durch Erfassung der Auslenkung einer Membran;

Fig. 13 zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit, beispielsweise die Bestimmung von Tangential- und Axialkräfte in Radlagern von Fahrzeugen sowie die gleichzeitige Bestimmung der Geschwindigkeit der Radumdrehung.

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 Abstandsmeßvorrichtung z. B. einen Rundhohlleiter 1 auf, der aus einem metallischen Gehäuse 5, vorzugsweise aus Titan oder Kovar gebildet ist. In diesem metallischen Gehäuse, welches vorzugsweise konisch zulaufend ausgebildet ist, wird ein Dielektrikum 7 beispielsweise in Form einer Keramik z. B. Al₂O₃ eingebracht. Die Keramik kann, wie in Fig. 1 gezeigt, in das Gehäuse eingeschoben werden. Das Dielektrikum 7 selbst ist mit Ausnahme der offenen, zum Objekt 3 gerichteten Seite metallisiert, beispielsweise vergoldet. Damit wird der Vorteil erreicht, daß die Funktion über der Temperatur nur von dem Temperaturkoeffizienten des Dielektrikums 7 und nicht von jenem des metallischen Gehäuses abhängt. Das metallische Gehäuse des Hohlleiters könnte auch völlig entfallen.

Die Stirnseite des Hohlleiters, die der offenen Stirnseite gegenüber liegt ist vergoldet und trägt die Einkopplungsmimik beispielsweise in Form einer koplanaren Schlitzkopplung oder einer Mikrostreifenleitung und die Bauteile für Sender, Empfänger und eventuell Auswerteelektronik 11. Über diese Anordnung wird die elektromagnetische Welle eingekoppelt.

Aufgrund der Verwendung des Dielektrikums 7 wird erreicht, daß die geometrischen Abmessungen z. B. des Rundhohlleiters bei Beibehaltung der gleichen Sendefrequenz verkleinert werden können. Wird die offenen Seite des Hohlleiters mit einem Dämpfungsglied 10 abgeschlossen dann ist der Reflektionsfaktor so groß, daß der Hohlleiter parallel zu seiner Antennenfunktion mit ausreichend hoher Güte in Resonanz betrieben werden kann. 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 Rundhohlleiters und der Länge L des Rundhohlleiters bestimmen. Der funktionelle Zusammenhang zwischen εµ (f_rD)² und (D/L)² läßt sich übersichtlich in einem sogenannten Modendiagramm gemäß Fig. 5 darstellen. Aus diesem sogenannten Modendiagramm lassen sich auch relativ einfach Bereiche identifizieren, in denen keine weiteren Moden ausbreitungsfähig sind. Durch Isolation der Resonatordeckfläche vom Zylindermantel, das entspricht einem offenen Resonator mit H_mnp-Moden, kann eine weitere Moden- Selektion erfolgen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß der Hohlleiter so ausgelegt wird, daß als Wellentyp die H_mnp-Moden, vorzugsweise der H₁₁₁-Moden ausbreitungsfähig ist. Der H₁₁₁-Mode hat den Vorteil, daß er sich im Unterschied zum H₀₁₁-Mode axial in Richtung zum Objekt ausbreitet. Das Ergebnis der entsprechenden Feldsimulationen zeigt Fig. 7. Damit die Geometrie des Hohlleiters die Ausbreitung des H₁₁₁-Modes unterstützt, ist gemäß Fig. 5 ein Abschnitt auf der Linie des H₁₁₁-Modes zu suchen, in dessen Umgebung keine Kennlinie anderer Moden auftritt, so daß auch bei gewissen Schwankungen der mechanischen Hohlleiterabmessungen und beim Durchstimmen der Frequenz keine andere Mode angeregt wird.

In Fig. 2 ist beispielhaft die Rückseite des Rundhohlleiters 1 gemäß Fig. 1 gezeigt. Anhand dieser Figur kann die Einkopplung der elektromagnetischen Welle in den Rundhohlleiter deutlicher dargestellt werden, welche in dieser Figur einer koplanaren Schlitzkopplung entspricht. Die, der offenen Seite des Rundhohlleiters entgegengesetzte Stirnseite des Hohlraumresonators ist vorzugsweise vergoldet. Ausgespart bleiben nur die Einkoppelschlitze 13 und 15 in den Rundhohlleiter 1. An der, z. B. für den H₁₁₁ Mode, Stelle maximaler Feldstärke beispielsweise im Zentrum des Dielektrikums 7 des Rundhohlleiters wird über die Schlitzkopplung die elektromagnetische Welle eingespeist. Parallel zum Einkoppelschlitz wird im Transmissionmode ein weiterer Koppelschlitz zum Auskoppeln der elektromagnetischen Welle in Richtung Hohlleiterrand für die Empfangselektronik angebracht. Die Schlitze für Senden und Empfangen sind in der Position vertauschbar. Die Größe der Koppelschlitze 13 und 15 richtet sich nach den Abmessungen und der Dielektrizitätskonstanten des Dielektrikums 7 und der für den jeweiligen Mode relevanten Sende- bzw. Resonanzfrequenz. Bei einem Durchmesser des Dielektrikums 7 von z. B. 6 mm beträgt die Größe ca. 0,5 mm mal 0,1 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 15 eingekoppelt. Hierbei ist darauf zu achten, daß durch möglichst kurze Drahtführung der Massebonds auf der einen Seite des Koppelschlitzes und der Signalleitung auf der gegenüberliegenden Seite des Koppelschlitzes eine optimale Einkopplung des E-Vektors gewährleistet wird.

Mit dieser Anordnung kann der Rundhohlleiter 1 sowohl in Transmissions- als auch in Reflektionsmoden betrieben werden. Wird der Rundhohlleiter 1 im Transmissionsmode betrieben, dann wird die elektromagnetische Welle an einem zweiten Koppelschlitz 13 mit der bereits beschriebenen koplanaren Aus- bzw. Einkopplung ausgekoppelt. Im Reflektionsmode ist dieser Ausgang mit 50 Ω abgeschlossen. Wie bereits oben erwähnt, kann bei kleineren Durchmessern des Dielektrikums 7 in vorteilhafter Weise auch eine Mikrostreifen leitungs-Einkopplung verwendet werden. Ebenfalls auf der Rückseite ist beispielsweise ein Oszillator 19, beispielsweise ein Voltage-Controlled-Oscillator (VCO), eine Breitband-HF-Detektordiode 21 und ein Frequenzteiler 23 vorgesehen, welche mit einer Auswerteelektronik verbunden sind.

In Fig. 3 ist ein Gesamtschaubild bzw. ein Blockdiagramm der Funktionsweise einer vorteilhaften Ausgestaltung der anmeldungsgemäßen Abstands meßvorrichtung 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 Detektordiode und nachgeschaltetem Verstärker verbundener Resonanzdetektor beispielsweise ein Komparator der eine fest eingestellte Schwelle abfragt, 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).

Wird am Detektor durch Leistungseinbruch Resonanz festgestellt, dann ist zu diesem Zeitpunkt über den DDS (direct digital synthesizer) die dazugehörige Resonanzfrequenz des VCO bekannt. Hierzu wird die heruntergeteilte Oszillatorfrequenz nicht direkt als Ergebnisgröße verwendet, sondern in einer Frequenz- und Phasenregelungsschleife einer sogenannten phase-locked-loop (PLL) zugeführt. Desweiteren wird die Sollfrequenz über den DDS auf eine Frequenz eingestellt, die als Führungsgröße in die Regelschleife eingeht. Erfüllt das von dem Empfangszweig II aufgenommene Videosignal die Resonanzbedingung, ist in einem in der Auswerteelektronik enthaltenen 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 Resonanzfolgealgorhytmus in einem in der Auswerteelektronik vorhandenen Mikrocontroller kann die Zyklusdauer deutlich verkürzt werden und damit die Meßgenauigkeit we sentlich erhöht werden.

Auf diese Weise wird die Resonanzfrequenz im Hohlleiter gemessen. Da die Resonanzfrequenz im Hohlleiter von der Entfernung des Objekts abhängig ist (siehe Fig. 5), kann durch Bestimmung der Resonanzfrequenz direkt auf die Entfernung geschlossen werden. Die neue Resonanzfrequenz wird dadurch ermittelt, daß die Sendefrequenz solange verändert wird, bis die Resonanzfrequenz und Sende frequenz übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt wird an der Detektordiode ein Leistungseinbruch festgestellt. Die Bestimmung der Entfernung mit einer Meßgenauigkeit von 1 µm erfordert typischerweise bei einem Abstand von 0,5 mm eine Genauigkeit bei der Frequenzbestimmung von mindestens 0,25 MHz bei einer Sendefrequenz von 11 GHz.

Zur Veranschaulichung der Funktionsweise der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung sollen die in den Figs. 4 und 5 dargestellten Meßwerte dienen.

Wie in Fig. 4 deutlich zu erkennen ist, zeigen die Reflektions- 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 Reflexions- 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 Resonanzfrequenzverschiebung auftritt, welche die Meßgenauigkeit insbesondere bei Objekten, welche dicht vor dem Hohlleiter positioniert sind, gemessen werden. Hierbei ist zu beachten, daß bei zunehmendem Abstand zum Objekt die Resonanzfrequenz abnimmt. Dagegen nimmt die Resonanzfrequenz bei dielektrischen Objekten mit zunehmendem Abstand zum Objekt zu. Die Richtungsänderung der Resonanzfrequenz hängt somit von der Dielektrizitätskonstante des Objekts ab. In Fig. 6 ist eine allgemeine Übersicht der anzuregenden Moden eines kreisförmigen Zylinders dargestellt. Je nach Größe des Zylinders kann anhand dieses Schaltbildes die geeignete Moden (TM = E-Feldkomponenten und TE = H- Feldkomponenten) ausgewählt werden.

In Fig. 7 sind die Reichweitenverhältnisse für den Hohlraumresonator bei Einkopplung einer elektromagnetischen Welle im H₀₁₁-Mode mit dem in Resonanz betriebenen Rundhohlleiter einer elektromagnetischen Welle im H₁₁₁ Mode gezeigt. Die Reichweite zur Objektdetektion im H₀₁₁ Mode läßt sich nur dadurch noch geringfügig steigern, daß das Feld über eine spitz zulaufende Keramik zusätzlich fokusiert wird. Wird der Rundhohlleiter z. B. im H₁₁₁ Mode erregt, dann kann er nur dann parallel als Antenne und Resonator betrieben werden wenn der Reflektionsfaktor an der Übergangsstelle zwischen Dielektrikum des Hohlleiters und Medium zum Meßobjekt über ein Dämpfungsglied entsprechend hoch gestaltet werden kann. Die Unterschiede im Reflektionsfaktor für den H₀₁₁ Mode im Resonator und dem H₁₁₁ Mode bei Abstrahlung aus dem einseitig offenen Rundhohlleiter mit und ohne Dämpfungsglied zeigt ebenfalls Fig. 14.

Im folgenden soll anhand einiger Anwendungsgebiete die Einsatzmöglichkeiten der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung anhand eines Hochfrequenz-Annäherungssensors dargestellt werden.

A. Detektion der Kolbenposition

In Fig. 8 sind die möglichen Sensoranordnungen zur Kolbenpositionsabfrage eines linearen Zylinderantriebs mit dem Hochfrequenz annäherungssensor gemäß anmeldungsgemäßer Abstands meßvorrichtung aufgezeigt.

Eine mögliche Sensoranordnung zur Stellungs abfrage eines Rotationsantriebs mit dem Hochfrequenz-Annäherungssensor ist für einen Rotationsantrieb in Fig. 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 Stoßdämpfers mit integriertem Hochfrequenz- Annäherungssensor dargestellt.

Allgemein läßt sich das erfindungsgemäße Prinzip auch auf Ventile mit beweglichen mechanischen Teilen (s. Fig. 11) anwenden, wobei durch die Positions änderung des mechanischen Teils die Ventildurchfluß möglichkeiten geregelt werden. Bisherige Positions abfragen wurden in der Pneumatik durch magnetfeld empfindliche Sensoren realisiert, die auf den Per manentmagneten auf den Kolben bzw. Stößel des Ven tils reagieren. Es zeigte sich dabei aber, daß für kostengünstige Lösungen nur diskrete Positions bereiche durch den ortsfest montierten und auf die zu erfassenden Positionen justierten Sensor detektiert werden können. In der Hydraulik ist eine magnetische Abfrage wegen der üblicherweise verwendeten ferromagnetischen Werkstoffe nur bedingt möglich.

C. Druckmessung durch Erfassen der Membranauslenkung

In Fig. 12 sind unterschiedliche Druckmessungen, d. h. Absolutdruck bzw. Relativ- bzw. Differenzdruck-Messmöglichkeiten 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 Dehnungsmeß streifen (DM5) oder Siliziumelementen hat die anmel dungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sich die empfindliche Elektronik außerhalb der Druckmeßzelle befindet.

D. Kugellager

In Fig. 13 ist ein Kugellager dargestellt wie es z. B. als Teil eines Radlagers im Automobil verwendet wird. Bei dieser Anwendung mißt der Sensor, z. B. bei einem absoluten Abstand von ca. 1 mm, im Betrieb des KFZ die Abstandsänderung. Hieraus lassen sich 3 physikalische größen bestimmen:

- axiale Kraft auf das Kugellager, die z. B. durch Kurvenfahrt entstehen. So verursacht bei einem durchschnittlichen Mittelklasse PKW eine axiale Kraft von einem kN eine Abstandsänderung von ca. 20 µm.
- radiale Kraft die über das Gewicht des Fahrzeugs z. B. bei Bodenunebenheiten auf das Radlager ausgeübt wird. So verursacht eine radiale Kraft von einem kN eine Abstandsänderung von ca. 1 µm.

Die gesamte Abstandsänderung ist daher die Summe der Abstandsänderungen aus axialer und radialer Kraft. Beide lassen sich aufgrund trennen, da wie vorher erwähnt die Abstandsänderungen durch axiale Kraft um den Faktor 20 größer ist und es sich im Unterschied zur radialen Bewegung um einen zeitlich langsamen Belastungsvorgang handelt.

- Messung der Drehgeschwindigkeit des Rades indem auf der umlaufenden Halbschale Markierungen angebracht werden. Bei der Markierung es sich um eine sich kontinuierlich verjüngende Ausfräsung, wie z. B. in Fig. 9, in der umlaufenden Halbschale handeln. Eine noch vorteilhaftere Möglichkeit besteht in der Ausfräsung von querlaufenden Nuten in der beweglichen Halbschale mit zunehmender Nutbreite von 0 bis 360°. Die Auswertung erfolgt jeweils durch Subtraktion vom Summensignal (Summensignal = gesamte Abstandsänderung durch Axial- und Radialkraft und die Umdrehung).

E. Objektvermessung

Bei der Objektvermessung gemäß Fig. 14 wird die Bewegung der Meßspitze, welche durch ein Objekt auf den HF-Annäherungssensor hin- oder wegbewegt wird, gemessen. Aufgrund der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung können somit auch Messungen im Mikrometer-Bereich durchgeführt werden.

F. Füllstandssensor bzw. Wächter

Die in Fig. 15 dargestellte Anwendungsmöglichkeit betrifft 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 einem separaten Fühlerrohr, welches extern oder intern angeordnet 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 eingestellten Erfassungsbereichs gewährleistet, wobei beim Unterschreiten der maximalen Füllstandshöhe oder Austreten außerhalb des eingestellten Erfassungsbereiches ein Schalt signal angezeigt wird.

Wird hingegen der Hochfrequenz- Annäherungsschalter extern als Füllstandsschalter verwendet, kann über die entsprechende Schaltfunktion das Über- bzw. Unterschreiten eines vorgegebenen Füllstandes angezeigt werden. Durch diese externe Anordnung kann auf einen aufwendigen Integrationsaufwand verzichtet werden. Das System gemäß Fig. 14c kann zur Adaption an bestehende Wartungsgeräte mit HF-transparenten Schalen verwendet werden.

An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß die anmeldungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung neben den oben aufgeführten Anwendungsgebieten überall dort eingesetzt werden kann, wo eine Abstandmeß vorrichtnug bis in den Mikrometerbereich erforderlich ist.

Claims

1. Abstandsmeßvorrichtung mit einem Sensor und einer Auswertelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor als Antenne einen einseitig offenen Hohlleiter aufweist, dessen offene Seite mit einem Dämpfungsglied abgeschlossen ist.

2. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter knapp oberhalb seiner Cut-off Frequenz betrieben wird.

3. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Hohlleiter vorzugsweise um einen Rundhohlleiter handelt, dessen offene, mit dem Dämpfungsglied abgeschlossene Stirnfläche zum Objekt zeigt.

4. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter mit einem Dielektrikum, vorzugsweise Al₂O₃ gefüllt ist.

5. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß es sich bei dem Dämpfungsglied um eine Scheibe aus dielektrischem Material, vorzugsweise Teflon, handelt. Die physikalischen Abmessungen entsprechen hierbei mindestens denen des Querschnitts der offenen Fläche des Hohlleiters. Die Dielektrizitätskonstante liegt zwischen der Dielektrizitätskonstante der Füllung des Hohlleiters und des Mediums zwischen Hohlleiter und Objekt.

6. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Dielektrikums, mit Ausnahme der zum Objekt zeigenden Fläche mit einer dünnen Haftschicht, z. B. 20 nm TiW und einer abschließenden Goldschicht, z. B. 1 µ überzogen, vorzugsweise aufgesputtert, ist.

7. Abstandsmeßeinrichtung nach Ansprüche 4, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum in einen metallischen Hohlleiter, vorzugsweise aus Kovar oder Titan bestehend, eingeschoben wird.

8. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter eine koplanare Schlitzkopplung, vorzugsweise auf der dem Objekt abgewandten Stirnseite des Hohlleiters, aufweist.

9. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus je einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Transmissionsmode), die modenspezifisch angeordnet sind. Beispielsweise wird für die Einkopplung des H₁₁₁-Modes ein rechteckiger Schlitz in der Mitte des Rundhohlleiters vorgesehen. Der Koppelschlitz für den Empfänger liegt parallel zum Rand des Rundhohlleiters verschoben.

10. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Reflektionsmode).

11. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlleiter eine Mikrostreifenleitung zur Einkopplung aufweist.

12. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung und der Resonator als Wellentyp die H_mnp-Moden, vorzugsweise die H₁₁₁ Mode, zuläßt.

13. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Hochfrequenz-Elektronik mit einem Sende- und Empfangszweig aufweist.

14. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendezweig aus einem Oszillator, vorzugsweise einem Voltage Controlled Oszillator (VCO), besteht.

15. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangszweig aus mindestens einer Hochfrequenz-Diode besteht.

16. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorfrequenz über eine geschlossene Regelschleife einer Sollfrequenz (Führungsgröße) folgt.

17. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschleife (PLL: Phase Locked Loop) aus mindestens einem Frequenzteiler, einem Phasendiskriminator und einem Tielpaßfilter besteht und die Sollfrequenz über einen DDS (Direct Digital Synthesizer) vorgegeben wird (dynamische Frequenzregelung bzw. -bestimmung).

18. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Regelschleife aus mindestens einem Frequenzteiler besteht und vorzugsweise über einen Frequenzzähler, Mikrocontroller und Digital-Analogwandler geschlossen wird (statische Frequenzregelung bzw. -bestimmung).

19. Verfahren zur Bestimmung eines Abstands eines Objekts zu einer Vorrichtung, insbesondere zu einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 18, welches die Schritte aufweist:

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

20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekenn zeichnet, 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.

21. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators durch eine Rampensteuerung und einen Rampengenerator verstimmt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20, dadurch gekenn zeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators über einen direkten digitalen Synthesizer (DDS) eingestellt wird.