DE29509278U1 - 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

Abfragegerät für passive Resonatoren als frequenzanaloge
Sensoren mit Funkregelung
Dipl.-Ing. Rainer Großmann, Dipl.-Ing. Jürgen Michel
München, den 05.06.1995
1. Kurzfassung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren 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.
2. Stand der Technik
Derzeit werden Quarzresonatoren (Dickenscherschwinger oder Oberflächenwellen-Bauelemente) als Sensoren zur Messung von Temperatur, Kraft, Drehmoment, Druck, Beschleunigung, Strom, Spannung usw. eingesetzt. Berechnungen und Simulationen zur optimalen Auslegung von Quarzschwingern werden z.B. in IXI angegeben. Aufgrund des piezoelektischen 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 wird in /2/ beschrieben. 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). Herbei wird der Quarz über Funk mit Energie versorgt, die zwischengespeichert und reflektiert wird. Das reflektierte Signal enthält ein tagspezifisches Codewort. Eine solches System besteht prinzipiell aus einer Abfrageeinheit und passiven ID-Tags mit einer Antenne. Beschrieben ist dies z.B. in den US-Patenten US-A-3273146, US-A-4725841.
Bei einem weiteren bekannten Meßverfahren über Funk werden Oberflächenwellen-Resonatoren als frequenzanaloge Sensoren mit kurzen HF-Pulsen angeregt. Nach dem Ab-
schalten der Anregung schwingt der Resonator bei seiner Eigenfrequenz weiter. Aufgrund der Verluste des Resonanzkreises einschließlich der Abstrahlung durch die Antenne nimmt die Amplitude der Eigenschwingung exponentiell ab. Je nach Größe der Dämpfung ist das Signal eventuell nur sehr kurze Zeit verfügbar, bis es sich vom Rauschen nicht mehr abhebt. Dadurch wird die Auflösung der Meßgröße stark begrenzt.
3. Problem
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 Sendeperioden 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 verwenden z.B. die (Diskrete) Fourier-Transformation oder die Ausgleichsrechnung, um aus dem Antwortsignal die Eigenfrequenz zu bestimmen. Solche Methoden benötigen einen hohen Aufwand an Schaltungstechnik und Ressourcen.
4. Lösung
Um das Sensorsignal kontinuierlich verfügbar zu machen, wird die Frequenz der Sendestufe der Frequenz der Sensorantwort nachgeführt. Dies geschieht nach dem bekannten Prinzip der Phasenregelschleife (phase locked loop, PLL): Der Sendeoszillator ist als spannungsabhängiger Oszillator (voltage controlled osciliator, VCO) ausgelegt, der über ein Regelfilter von einem Phasen- oder Frequenzkomparator 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 eine feste Differenzfrequenz bezüglich des Antwortsignals zu regeln.
Zur Auswertung der Meßgröße kann nun entweder die nachgeführte 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 Frequenzdifferenz zwischen Anregung und Eigenfrequenz des Sensors ist, desto länger kann der Anregungspuls sein um den Sensor mit mehr Energie zu versorgen. Trotzdem kann der Sensor noch sicher angeregt werden.
5. Erreichte Vorteile
Obwohl die Messung hochgenau ist - da die Sensorantwort bei einer statischen Messung über beliebig viele Anregungsperioden ausgewertet wird -, benötigt man keinen komplizierten Aufbau und kann auf eine aufwendige digitale Signalverarbeitung verzichten. Der sensorseitige Teil des Aufbaus ist unkompliziert und daher wenig störanfällig. Im Vergleich zu einem digitalen Auswerteverfahren erreicht man mit dem hier beschriebenen Verfahren höhere Auswertegeschwindigkeiten. Durch eine Modulation der Pulsweite, die erst bei einer Frequenznachführung Sinn macht, erreicht man einen höheren Signal-Störabstand.
6. Ausgestaltung der Erfindung
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 Meßsystem eingesetzt. Damit können im Auswertegerät Anteile des Sensorsignals, die von äußeren Störgrößen verursacht werden, kompensiert werden. Vorteilhafterweise ist eine mit dem Resonator verbundene Antenne vorgesehen, über die das Signal abgestrahlt wird. Statt eine herkömmliche Antenne zu verwenden, kann man eine schmalbandige Antenne mit Richtwirkung einsetzen. Der Abstand, über den das abgestrahlte Signal in zuverlässiger Weise empfangen werden kann, ist - abgesehen von der Antenne - von den elektrischen Verhältnissen der Umgebung sowie den materiellen und geometrischen Eigenschaften des Sensors abhängig.
Die Auswerteeinheit muß über einen gesteuerten Oszillator verfügen, der allen möglichen Eigenfrequenzänderungen des Sensors folgen kann. Das Sendesignal wird regelmäßig unterbrochen - bzw. auf eine andere Frequenz umgeschaltet, wenn ein Referenzsensor vorhanden ist -, um dem Sensor das Schwingen bei seiner Eigenfrequenz zu erlauben. Beim Einrasten des Regelkreises ist die Differenz aus Sende- und Empfangsfrequenz gleich einer festen, vorgegebenen Frequenz.
7. Beschreibung eines der Ausführungsbeispiele
Fig. 1 zeigt den Takt (1), das Abfragesignal (2) sowie die 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 Ausführung mit einem OFW-Resonator als Sensor. Die von einem spannungsgesteuerten Oszillator (VCO) (4) erzeugte Trägerfrequenz wird zunächst verstärkt (5) und durch einen Schalter (6) moduliert. Über die Endstufe und die Sende-/Empfangsweiche (7) wird damit die Antenne (8) gespeist. Der Sensor empfängt das Sendesignal über die sensoreigene Antenne (9) und reflektiert als Antwort eine exponentiell abklingende Eigenschwingung. Diese wird wieder von der Antenne (8) empfangen und gelangt über die Sende-/Empfangsweiche (7) zum Bandpaß (10). Anschließend wird das Signal im Verstärker (11) verstärkt. Dann wird es mit dem 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 Resonanzfrequenz des Resonators, so folgt ihr die Frequenz des VCOs, die mit einem Frequenzzähler gemessen wird.
Der grundsätzliche Aufbau eines OFW-Resonators als Dehnungssensor ist in Fig. 3 dargestellt. Es sind der eigentliche Sensor bestehend aus Quarzsubstrat (16), Interdigitalwandler (17) und Reflektoren (18) ohne Antenne dargestellt, der auf das Meßobjekt (19) geklebt ist. Wird das Meßobjekt gedehnt oder gestaucht, so überträgt die Klebung (20) die Dehnung auf den Sensor, der seine Resonanzfrequenz ändert.
Verwendet man einen OFW-Resonator auf Quarzsubstrat (ST-Quarzsubstrat) als Dehnungssensor, so ergibt sich eine lineare Änderung der'Resonanzfrequenz von der Dehnung. In Fig. 4 ist die Kennlinie eines solchen passiven Funksensors dargestellt.

Claims (1)

  1. ♦·«» J ·
    8. Ansprüche
    1. Vorrichtung zur Auswertung von als frequenzanalogen Sensoren eingesetzten Resonatoren,
    • 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
    • die Frequenz des Anregungssignals der Eigenfrequenz des Sensors unter Einsatz eines Regelkreises nachgefühlt wird, so daß die Differenz zwischen Anregungsfrequenz und Eigenfrequenz des Sensors konstant ist.
    2. Vorrichtung nach Anspruch 1 mit mindestens einem Sensorelement und einem Referenzelement für die Referenzfunktion.
    3. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 unter Verwendung von Oberflächenwellen-Bauelementen als Sensoren.
    4. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 2 unter Verwendung von Volumenwellen-(Quarz-) Elementen als Sensoren.
    5. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensoren auf das zu vermessende Bauteil aufgeklebt sind.
    6. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei die Sensoren in eine mechanische Einspannung zur Übertragung von Kräften geklebt sind.
    7. Vorichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die geregelte Frequenz des Anregungssignals ausgewertet wird.
    8. Vorichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Stellgröße des Regelkreises ausgewertet wird.
    9. Vorichtung 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. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei der Temperatureinfluß auf die Sensoren kompensiert wird.
    11. Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei das Anregungssignal aus unterschiedlich langen Wechselsignalpulsen besteht.
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