DE19910324B4

DE19910324B4 - Dopplereffekt-Mikrowellensensor mit Funktionsüberwachung

Info

Publication number: DE19910324B4
Application number: DE19910324A
Authority: DE
Inventors: Eckart Hiss
Original assignee: Individual
Current assignee: Sensorentechnologie Gettorf GmbH
Priority date: 1998-03-10
Filing date: 1999-03-09
Publication date: 2006-11-30
Anticipated expiration: 2019-03-10
Also published as: DE19910324A1; DE19910323A1

Abstract

Dopplereffekt-Mikrowellensensor mit Funktionsüberwachung, mit einem Geber (3), einer Ansteuerschaltung (4) und einer Auswerteelektronik (5), gekennzeichnet durch eine über einen Schalter (7) betätigte Antennenstruktur (9), die bei Beaufschlagung das von einem Geber (3) erzeugte elektromagnetische Feld derart stört, dass der Geber Mikrowellen in einem dem des Mikrowellensensors benachbarten Frequenzbereich aussendet, wodurch ein von der Auswerteelektronik (5) als Dopplersignal erkanntes Signal erzeugt wird.

Description

Die Erfindung betrifft einen Dopplereffekt-Mikrowellensensor mit Funktionsüberwachung mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Anspruchs 1.

Aus der DE 33 13 358 A1 ist eine Vorrichtung mit einem nach dem Dopplerprinzip arbeitenden, einen Erfassungsbereich überwachenden Mikrowellensensor bekannt, bei dem ein sich bewegendes Objekt zu frequenzverschobener Mikrowellenstrahlung am Empfänger führt. Aus der DE 40 28 949 A1 ist es weiter bekannt, im Erfassungsbereich eines Mikrowellensensors einen Geber anzuordnen, der ein Testsignal aussendet.

Aus LANGE, K.; LÖCHERER, K.-H. [Hrsg.]: Taschenbuch der Hochfrequenztechnik. Berlin [u.a.]: Springer, 1992, Seite S1–S9 ist es bekannt, die Frequenz des Mikrowellensensors periodisch veränderlich anzusteuern.

Bei einem Dopplereffekt-Mikrowellensensor stellt sich das Problem, dass dieser ein Signal nur dann ausgibt, wenn in dem beobachteten Umfeld sich ein Gegenstand bewegt. Bei einem Ausfall des Mirkowellensensors wird damit dasselbe Nullsignal abgegeben, das auch bei dem Fehlen eines sich nähernden oder entfernenden Objekts austritt.

Der Erfindung liegt damit die Aufgabe zugrunde, einen Dopplereffekt-Mikrowellensensor so auszubilden, dass seine Funktion überwacht werden kann.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Unteransprüche geben bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung an.

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.

Der Geber ist im Erfassungsbereich des Mikrowellensensors angeordnet. Er sendet Mikrowellen in einem dem des Mikrowellensensors benachbarten Frequenzbereich aus und simuliert so das Vorhandensein eines sich im Erfassungsbereich des Sensors bewegenden Objektes. Er kann innerhalb oder außerhalb des Gehäuses, das die Vorrichtung aufnimmt, angeordnet sein.

Der Geber weist vorzugsweise eine Mikrowellenantenne und/oder eine Resonanzkreisanordnung auf, die aus einer Mikrowellenkeramik gebildet sein kann und er simuliert dem Modulator des Mikrowellensensors eine einem bewegten Objekt entsprechende Dopplerfrequenz. Dies hängt damit zusammen, daß der auf dem Dopplerprinzip basierende Mikrowellensensor bei der Demodulation der Dopplerfrequenzverschiebungen nicht zwischen den Dopllerfrequenzen und Frequenzen, die durch Mischung an seinem Demodulator entstehen unterscheiden kann.

Sind die Frequenzen für den Sender und den Mischeroszillator des Mikrowellensensors identisch, werden bei der Simulation Sender und Mischer überprüft. Eine wirksame Prüfung des Senders kann auch dadurch erfolgen, daß der Simulationssignalgeber durch den Sender des Mikrowellensenders angeregt ist.

Eine Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, daß in das den Mirowellensensor umfassende Gehäuse ein zweiter Sensor eingebaut ist, der vorzugsweise als ihduktiver Sensor ausgebildet ist, und dessen Oszillatorsignal durch eine metallische Umgebung beeinflußt, als Überwachungssignal ausgewertet ist.

Der zweite Sensor gibt ein Signal ab, wenn im Nahbereich des Sensors oder auch direkt auf dem Gehäuse der Vorrichtung metallische Beläge, Verschmutzungen oder am Gehäuse angebrachte Objekte vorhanden sind. Mit diesem zweiten Signal kann identifiziert werden, ob die Sensorfunktion in nächster Zeit ausfallen wird, obwohl der Geber noch einwandfrei erkannt wird.

Mit 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 der Vorrichtung arbeitet der zweite Sensor 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, muß nicht nur die Sendefrequenz des Mikrowellensensors sondern auch die auf die Mischdiode des Mikrowellensensors gegebene Misch-Oszillatorfrequenz präzise den gleichen Wert haben. Auf diese Weise entstehen nur Dopplerfrequenzen, die von dieser einzigen Frequenz des Mikrowellensensors abweichen.

Die beschriebene Vorrichtung kann auch anstelle eines Mikrowellensensors, mit Ultraschall- oder Lasersensoren arbeiten, die den Dopplereffekt ausnutzen. Insbesondere wird bei der Verwendung von Ultraschallwellen, das Mikrowellenelement durch ein Ultraschallelement ersetzt, das als Sende-Empfänger-Bauteil ausgebildet ist. In dem zugehörigen Geber wird dann gleichfalls ein Ultraschallsender intalliert, der in einem dem des Ultraschallsensors benachbarten Frequenzbereich Frequenzen aussendet, die das Vorhandensein eines sich im Erfassungsbereich des Sensors bewegenden Objektes simuliert.

Um zu gewährleisten, daß die Funktion des Mikrowellensensors nicht durch äußere Manipulation unterdrückt oder beeinträchtigt ist, z. B. durch Auflegen einer Metallplatte oder Aufstecken einer Metalldose auf das Sensorgehäuse, ist innerhalb des Sensorgehäuses ein Taster, vorzugsweise ein induktiver Näherungsschalter vorgesehen, der solche Manipulationen erfaßt und zu einem Signal der angeschlossenen Auswerteelektronik führt, daß die Manipulation signalisiert.

Eine besondere Ausbildung des Gebers, auf den der Mikrowellensensor anspricht, besteht darin, daß er innerhalb des Sensorgehäuses eingebracht ist und aus einer Struktur besteht, vorzugsweise einer Antenne, in die ein Halbleiter, z. B. eine Diode, integriert ist, und die von der Auswerteelektronik angesteuert ist. Die Struktur ist so ausgebildet, daß sie das von dem Mikrowellensender abgestrahlte elektromagnetische Feld stört, oder diesem Energie entzieht, und dadurch eine Frequenzverschiebung des Mikrowellen-Sendesignals eintritt, die ein Dopplersignal bei vorzugsweise periodischer Ansteuerung durch die Auswerteelektronik erzeugt. Der Geber ist vorzugsweise in der Hauptabstrahldichtung des Mikrowellensensors gebracht, kann aber auch in die schwächere, seitliche oder rückwärtige Abstrahlrichtung gebracht sein, was den Vorteil hat, daß der Geber zusätzlich als Reflektor für das Mikrowellensignal ausgebildet sein kann. So ist es möglich, Reflektor und Geber, der z. B. eine Antenne oder Resonanzstruktur darstellt, als eine geometrische Einheit auszubilden.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird die Erfindung näher erläutert.
Die induktive Spule 1 des Resonanzkreises für einen induktiven Schalter ist an einen Verstärker 2 angeschlossen, der der Auswertelektronik 5 zugeführt ist. Eine Teilwicklung der Spule 1 ist an einen elektronischen Schalter 6 angeschlossen, der von der Auswerteelektronik 5 angesteuert ist. Der Geber 3 eines Mikrowellensensors ist über eine Ansteuerschaltung 4 an die Auswerteelektronik 5 angeschlossen. Diese steuert einen elektronischen Schalter 7 an, an den eine Diode 8 angeschlossen ist, die ihrerseits mit einer Antennenstruktur 9 verbunden ist, die das Mikrowellensignal beeinflußt. Die Auswerteelektronik 5, die auch die Steuerung durch einen Mikroprozessor beinhalten kann, ist so ausgebildet, daß sie die Schaltstufe 11 dann ansteuert, wenn der Sensor 1 des induktiven Näherungsschalters ein Betätigungselement 10 erfassen. Während das Betätigungselement 10 für den induktiven Schalter aus Metall bestehen muß und nur im Nahbereich wirkt, erfaßt der Mikrowellensensor 3, 4 metallische und nichtmetallische Gegenstände in größerer Entfernung, die sich bewegen. Die elektronischen Steuereinheiten 6, 7 simulieren die Betätigung des jeweiligen Sensors, wobei die periodische Ansteuerung der Funktionseinheiten 6, 7 zeitlich nacheinander erfolgt. Jeder Sensor reagiert mit einem Signal auf dem Simulationsimpuls. Die Auswerteelektronik 5 unterdrückt während der Simulationszeiten die Weiterleitung eines Schaltimpulses an die Schalteinheit 11, die je nach angeschlossener weiterer Auswertung ein Schließer, Öffner oder Analogsignal liefert.

Claims

Dopplereffekt-Mikrowellensensor mit Funktionsüberwachung, mit einem Geber (3), einer Ansteuerschaltung (4) und einer Auswerteelektronik (5), gekennzeichnet durch eine über einen Schalter (7) betätigte Antennenstruktur (9), die bei Beaufschlagung das von einem Geber (3) erzeugte elektromagnetische Feld derart stört, dass der Geber Mikrowellen in einem dem des Mikrowellensensors benachbarten Frequenzbereich aussendet, wodurch ein von der Auswerteelektronik (5) als Dopplersignal erkanntes Signal erzeugt wird.
Dopplereffekt-Mikrowellensensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Antennenstruktur (9) mit einem Halbleiter (8) versehen ist.
Dopplereffekt-Mikrowellensensor nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch einen mit einer Spule (1) versehenen Resonanzkreis zur Erfassung von im Nahbereich des Gebers (3) angeordneten, dessen Funktion beeinträchtigenden metallischen Gegenständen oder Verschmutzungen.