DE4433772A1 - Sensoranordnung und Verfahren zur Meßwerterfassung mit der Sensoranordnung - Google Patents
Sensoranordnung und Verfahren zur Meßwerterfassung mit der SensoranordnungInfo
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Description
Die Erfindung betrifft eine Sensoranordnung mit mindestens ei
ner Meßspule, mindestens einer Spannungsquelle für die Meßspule
und einer Auswerteeinheit mit Mitteln zum Erfassen, Verarbeiten
und Auswerten von Meßsignalen.
Derartige Wirbelstromsensoren werden seit Jahren für die unter
schiedlichsten Messungen eingesetzt, wie bspw. zur Abstandsmes
sung und Schichtdickenmessung, zur Messung der Leitfähigkeit
und magnetischen Permeabilität eines Targets oder zum Überprü
fen der Homogenität und zum Erkennen von Schäden in der Struk
tur der Target-Oberfläche. Für Messungen mit den bekannten
Sensoranordnungen ist in der Regel ein umfangreiches Wissen
über die physikalischen Zusammenhänge zwischen der zu bestim
menden Größe, der Meßgröße und etwaigen Störgrößen erforder
lich. Dieses muß oftmals in eine speziell auf das Meßproblem
angepaßte Meß- und Auswerteelektronik umgesetzt werden. Manche
Messungen können überhaupt nicht durchgeführt werden, da sich
verschiedene Einflußgrößen so überlagern, daß sich keine ein
deutige Meßaussage ergibt. Bei der Dickenmessung einer leitfä
higen Schicht auf einem ebenfalls leitfähigen Träger mit einer
bekannten Sensorenordnung treten bspw. trotz Anpassung an das
jeweilige Target-Material Meßfehler auf, wenn z. B. örtliche In
homogenitäten in Zusammensetzung, Magnetisierung, Leitfähig
keit, effektiver Permeabilität, Temperaturgradienten, etc., be
stehen. Die mathematischen Zusammenhänge zwischen Stör- und
Meßgrößen müssen bei Verwendung von aus dem Stand der Technik
bekannten Sensoranordnungen für jedes Meßproblem neu herausge
funden werden und sind zum Teil so komplex und hochgradig
nichtlinear, daß dieser Vorgang - falls überhaupt möglich -
enorme Zeit in Anspruch nimmt.
Die Komplexität der mathematischen Zusammenhänge zwischen Stör-
und Meßgrößen soll am Beispiel der berührungslosen Abstandsmes
sung nach dem Wirbelstromprinzip veranschaulicht werden. Die
Impedanz einer Spule (Real- und Imaginärteil) ändert sich bei
Annäherung eines elektrisch und/oder magnetisch leitfähigen Ob
jekts. Über die Messung der Impedanz einer Meßspule kann also
der Abstand Spule/Meßobjekt bestimmt werden. Im Meßobjekt wird
dabei ein Strom induziert, der der Erregung der Spule entgegen
wirkt. Diese Rückwirkung ist ihrerseits abhängig von der elek
trischen Leitfähigkeit und vom magnetischen Verhalten des Meß
objektes, also den Materialparametern. Diese sind wiederum tem
peraturabhängig. Die Impedanzwerte sind weiterhin frequenzab
hängig und stehen in einem nichtlinearen Zusammenhang zum Meß
abstand. Zuverlässige Meßergebnisse können nur erzielt werden,
wenn all diese Einflußgrößen berücksichtigt werden.
Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, eine Sensoranord
nung der in Rede stehenden Art anzugeben, mit der der Benutzer
- ohne Kenntnis der mathematischen Hintergründe - weitestgehend
materialunabhängige Messungen durchführen kann.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung löst die voranstehende
Aufgabe durch die Merkmale des Patentanspruches 1. Danach ist
die eingangs genannte Sensoranordnung derart ausgestaltet, daß
die Auswerteeinheit zum Auswerten der Meßsignale ein neuronales
Netzwerk mit einer Eingangsschicht, mindestens einer verdeckten
Schicht, einer Ausgangsschicht und Verknüpfungsgewichten für
die einzelnen Schichten umfaßt und daß die Verknüpfungsgewichte
in einer Lernphase durch Messungen an mehrere verschieden ge
eigneten Lernobjekten mit bekanntem Ist-Wert bestimmt und abge
speichert sind.
Erfindungsgemäß ist erkannt worden, daß eine detaillierte
Kenntnis der physikalisch-mathematischen Zusammenhänge zwischen
Stör- und Meßgrößen dann nicht mehr erforderlich ist, wenn zur
Auswertung der Meßsignale ein in geeigneter Weise trainiertes
neuronales Netzwerk verwendet wird. Es ist ferner erkannt wor
den, daß sich das neuronale Netzwerk einer Sensoranordnung
durch geeignete Wahl der Lernobjekte und Messungen in der Lern
phase auch für unterschiedliche Arten der Messung trainieren
läßt. Mit der erfindungsgemäßen Sensoranordnung können daher
auch unterschiedliche Arten der Messung durchgeführt werden.
Ferner ist erkannt worden, daß durch die geeignete optimale
Wahl verschiedener Lernobjekte auch gegen unbekannte, also
nicht angelernte Meßobjekte gemessen werden kann. Das verwen
dete neuronale Netzwerk approximiert die Zusammenhänge so, daß
auch zwischen den Lernpunkten liegende Ist-Werte korrekt ermit
telt werden können. Eine bei herkömmlichen Systemen übliche Li
nearisierung oder Kalibrierung ist hierbei in aller Regel nicht
mehr notwendig.
Im Falle der berührungslosen Abstandsmessung können die unter
schiedlichen Einflüsse von verschiedenen Materialien dadurch
eliminiert werden, daß in der Lernphase Messungen an Lernobjek
ten aus verschiedenen geeigneten Materialien durchgeführt wer
den. Sollen die eigentlichen Messungen bspw. an metallischen
Materialien durchgeführt werden, dann werden für die Lernphase
ebenfalls metallische Materialien verwendet, indem z. B. Lernob
jekte aus Alu, Eisen, rostfreiem Stahl, etc. ausgewählt werden.
Diese Messungen liefern Eingangsgrößen für das neuronale Netz
werk mit deren Hilfe die Verknüpfungsgewichte des neuronalen
Netzwerks ermittelt werden können, da die Ist-Werte der Lernob
jekte bekannt sind. Das Gleichungssystem für die Verknüpfungs
gewichte ist dabei evtl. mehrfach überbestimmt. In diesem Falle
wird eine Quadratmittelapproximation durchgeführt. Unterbe
stimmte Gleichungssysteme oder stark korrelierte Eingangsgrößen
wirken sich durch mangelnden Lernerfolg aus. Nach der Lernphase
werden die ermittelten Verknüpfungsgewichte in einem ent
sprechenden Elektronikteil festgehalten. Durch die Verknüp
fungsgewichte wird eine Abbildungsvorschrift des Eingangsvek
tors der Eingangsgrößen auf einen oder mehrere Ausgangswerte
festgelegt. Das neuronale Netzwerk findet damit eine Approxima
tion für einen Zusammenhang, der mathematisch geschlossen nicht
lösbar ist. In der Meßphase können dann Abstandsmessungen auch
an Meßobjekten durchgeführt werden, die aus einem anderen Mate
rial bestehen als irgendeines der Lernobjekte.
In einer vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Sen
soranordnung wird als neuronales Netzwerk ein Backpropagation-
Netzwerk verwendet. Derartige Netzwerkstrukturen sind bereits
hinreichend aus der Literatur bekannt, so daß an dieser Stelle
nicht näher auf die konkrete Ausgestaltung eines Backpropaga
tion-Netzwerkes eingegangen werden muß. Angemerkt sei ledig
lich, daß ein Backpropagation-Netzwerk eine rückkopplungsfreie
Netzwerkstruktur aufweist.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten der Realisierung eines
derartigen Netzwerkes. Gute Ergebnisse wurden mit einer einstu
figen Netzwerkstruktur erzielt, die nur eine verdeckte Schicht
aufweist. Beispielhaft seien hier unterschiedliche Typen einer
einstufigen Netzwerkstruktur aufgeführt, mit denen akzeptable
Ergebnisse erzielt wurden:
Typ 1: Acht Eingangsknoten, fünf Knoten in der verdeckten
Schicht und ein Ausgangsknoten,
Typ 2: Acht Eingangsknoten, ein Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten,
Typ 3: Sechs Eingangsknoten, fünf Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten,
Typ 4: Vier Eingangsknoten, vier Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten,
Typ 5: Zwei Eingangsknoten, zwei Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten.
Typ 2: Acht Eingangsknoten, ein Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten,
Typ 3: Sechs Eingangsknoten, fünf Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten,
Typ 4: Vier Eingangsknoten, vier Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten,
Typ 5: Zwei Eingangsknoten, zwei Knoten in der verdeckten Schicht und ein Ausgangsknoten.
Denkbar ist aber auch eine zweistufige Netzwerkstruktur mit
zwei verdeckten Schichten.
In einer besonders vorteilhaften Ausgestaltung der erfindungs
gemäßen Sensoranordnung wird als Transferfunktion der Elemente
eines Backpropagation-Netzwerkes eine an das Nichtlinearitäts
verhalten der Meßspule angepaßte Sigmoidfunktion mit streng mo
notonem und differenzierbarem Verlauf eingesetzt. Dabei findet
zwar eine individuelle Anpassung der Transferfunktion - und
also des neuronalen Netzwerks - an die physikalischen Gegeben
heiten der Meßspule statt, die Vorteile eines sigmoidalen Kur
venverlauf s werden jedoch beibehalten. Jeder beliebige Ein
gangswert wird auf das Intervall zwischen 0 und 1 abgebildet.
Außerdem werden Eingangswerte, die nahe bei 0 liegen, durch die
Steilheit der Kurve in diesem Bereich stärker auseinandergezo
gen und damit besser getrennt. Sehr große positive oder nega
tive Werte führen immer zu Aktivitäten nahe 1 respektive nahe
0. Ihre absolute Größe ist durch den in diesen Bereichen sehr
flachen Kurvenverlauf verhältnismäßig unerheblich. Die Sigmoid
funktion hat außerdem den Vorteil, daß ihre Ableitung sehr ein
fach ist.
Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Spannungsquelle eine Mi
scheranordnung nachgeschaltet ist, mit der wahlweise Speise
spannungen unterschiedlicher Amplitude und Frequenz erzeugbar
sind. Die Messung der Impedanz der Meßspule bei unterschiedli
chen Frequenzen stellt nämlich eine Möglichkeit der Realisie
rung unkorrelierter, aber in einem physikalisch-mathematischen
Zusammenhang stehender Eingangsgrößen für das neuronale Netz
werk dar.
Um nun linear unabhängige Meßgrößen zur Speisung des neuronalen
Netzwerkes zu gewinnen, wird als Bestandteil der Auswerteein
heit eine Schaltungsanordnung in Vierleitertechnik vorgeschla
gen, die einen Schaltungszweig zum Erfassen des Spannungsver
laufs und einen Schaltungszweig zum Erfassen des Stromverlaufs
der Meßspule umfaßt. Beide Signale werden in der Auswerteein
heit auch verarbeitet, indem sie A/D-gewandelt und komplex di
vidiert werden. Auf diese Weise wird ein komplexer Impedanzwert
ermittelt, der unabhängig von der Amplitude und Phase der Spei
sespannung ist. Die Auswerteeinheit kann ferner Mittel zum Nor
mieren und Skalieren der Meßsignale umfassen. Erst die so er
mittelten Impedanzwerte werden dem neuronalen Netzwerk als Ein
gangsgrößen zugeführt.
Die vorliegende Erfindung betrifft ferner ein Verfahren zur
Meßwerterfassung mit einer erfindungsgemäßen Sensoranordnung.
Mit diesem Verfahren soll dem Benutzer der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung eine Automatismus zur Verfügung gestellt wer
den, mit dem er - ohne Kenntnis der mathematischen Hintergründe
- Messungen unterschiedlicher Art durchführen kann.
Die Meßwerterfassung muß dazu so ausgeführt werden, daß für zu
bestimmende Ist-Werte soviele nicht linear zusammenhängende -
also unkorrelierte - aber in einem physikalisch-mathematischen
Zusammenhang stehende Eingangsgrößen für das neuronale Netzwerk
ermittelt werden wie Eingangsknoten vorhanden sind. Es ist er
kannt worden, daß die Impedanzwerte der Meßspule bei unter
schiedlichen Meßfrequenzen die Erfordernisse der Eingangsgrößen
von neuronalen Netzwerken erfüllen. In der Meßphase werden da
her die Impedanzwerte der Meßspule bei verschiedenen Frequenzen
ermittelt und entsprechend normiert an den Eingang des neurona
len Netzwerks gelegt. Dazu werden als Meßsignale der Spannungs
verlauf und der Stromverlauf an der Meßspule bei unterschiedli
chen Frequenzen erfaßt.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Spektren des digi
talisierten Spannungsverlauf s und des digitalisierten Stromver
laufs zu bestimmen. Bei einer besonders vorteilhaften Verfah
rensführung werden die Spektren des digitalisierten Spannungs
verlaufs und des digitalisierten Stromverlaufs iterativ, mit
Hilfe eines spektralen Schätzers ermittelt. Das Spektrum wird
hierbei bestimmt als
Dabei ist xn(t) der Abtastwert zum Zeitpunkt n, Xn(f) das Spek
trum zum Zeitpunkt n und Xn+1(f) das neu berechnete Spektrum
zum Zeitpunkt n+1. Mit dem Term aT/T₀ wird die gewünschte Spek
trallinie ausgewählt. Als Startwert der Iteration verwendet man
n=0 und X₀(f)=0. X(f) ist eine komplexe Größe, x(t) reell. Für
nT=T₀ (eine Periodendauer) entspricht das Ergebnis exakt dem
einer diskreten Fouriertransformation. Das gilt auch für ganz
zahlige Vielfache einer Periode. Das Verfahren stellt somit
einen spektralen Schätzer dar.
In einer besonders vorteilhaften Variante des erfindungsgemäßen
Verfahrens wird als Speisespannung für die Meßspule eine spe
zielle Rechteckspannung verwendet. Der spektrale Anteil höherer
Harmonischer fällt bei einer reinen Rechteckspannung mit zuneh
mender Frequenz ab. Dies wird durch Hinzufügen von drei weite
ren Rechtecksignalen geringerer Amplitude für die ersten vier
Spektrallinien kompensiert. Eine derartige Kompensation ist
vorteilhaft, da die erreichbare Auflösung des A/D-Umsetzers für
alle verwendeten Frequenzen gleich groß ist und auf diese Weise
eine optimale Aussteuerung mit großer Dynamik realisierbar ist.
Die Rechteckspannung wird also in vorteilhafter Weise durch
eine periodisch wiederkehrende Abfolge von jeweils einem
Rechteckpuls größerer Amplitude und drei Rechteckpulsen kleine
rer Amplitude gebildet.
Vorteilhaft ist es außerdem, wenn der alternierenden Speise
spannung der Meßspule ein Gleichstromanteil überlagert wird.
Durch den gemessenen Strom können Rückschlüsse auf die Tempera
tur der Meßspule gezogen werden. Der rein ohmsche Anteil der
Spulenimpedanz kann dem neuronalen Netzwerk als zusätzliche
Eingangsgröße zugeführt werden, womit auf einfache Weise eine
Temperaturkompensation des Sensors erreicht wird.
Die erfindungsgemäße Sensoranordnung sowie das voranstehende
Verfahren zur Meßwerterfassung mit der erfindungsgemäßen
Sensoranordnung kann in vorteilhafter Weise zur Abstandsmessung
und Schichtdickenmessung verwendet werden. So kann bspw. die
Dicke von Metallfolien oder auch die Dicke von Beschichtungen
bestimmt werden. Eine weitere vorteilhafte Verwendung der er
findungsgemäßen Sensoranordnung stellt die Messung der elektri
schen Leitfähigkeit und der effektiven relativen Permeabilität
von Oberflächenschichten dar.
Es gibt nun verschiedene Möglichkeiten, die Lehre der vorlie
genden Erfindung in vorteilhafter Weise auszugestalten und wei
terzubilden. Dazu ist einerseits auf die den Patentansprüchen 1
und 12 nachgeordneten Ansprüche, andererseits auf die nachfol
gende Erläuterung eines Ausführungsbeispiels der Erfindung an
hand der Zeichnung zu verweisen. In Verbindung mit der Erläute
rung des bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand
der Zeichnung werden auch im allgemeinen bevorzugte Ausgestal
tungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert. In der Zeich
nung zeigt
Fig. 1 in einem Blockdiagramm den schematischen Aufbau einer
erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Fig. 2 eine Schaltung zur Speisung einer Meßspule sowie zum
Erfassen von Meßsignalen an der Meßspule im Rahmen
der erfindungsgemäßen Sensoranordnung,
Fig. 3 einen Signalverlauf der Speisespannung der Meßspule,
Fig. 4 die in Fig. 3 dargestellte Speisespannung im Fre
quenzbereich und
Fig. 5 zehn Versuchsergebnisse von Messungen an Metallen mit
unbekannten Materialparametern.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer erfindungsgemäßen
Sensoranordnung 1 dargestellt. Die Sensoranordnung 1 umfaßt
eine Meßspule 2 als Sensorelement und eine Spannungsquelle 3
für die Meßspule 2. Ferner ist eine Auswerteeinheit 4 vorgese
hen, die Mittel zum Erfassen, Verarbeiten und Auswerten von
Meßsignalen umfaßt.
Erfindungsgemäß dient als Mittel zum Auswerten der Meßsignale
ein neuronales Netzwerk 5 mit einer Eingangsschicht, mindestens
einer verdeckten Schicht, einer Ausgangsschicht und Verknüp
fungsgewichten für die einzelnen Schichten. Die Verknüp
fungsgewichte sind in einer Lernphase durch Messungen an mehre
ren verschiedenen geeigneten Lernobjekten mit bekanntem Ist-
Wert bestimmt und abgespeichert.
Bei dem hier dargestellten neuronalen Netzwerk 5 soll es sich
um ein Backpropagation-Netzwerk mit einer einstufigen Netzwerk
struktur handeln, d. h. die Netzwerkstruktur weist lediglich
eine verdeckte Schicht auf. Die Eingangsschicht des neuronalen
Netzwerks soll beispielhaft acht Eingangsknoten umfassen, wäh
rend die verdeckte Schicht fünf Knoten aufweist und die Aus
gangsschicht lediglich durch einen Ausgangsknoten gebildet ist.
Als Transferfunktion des neuronalen Netzwerks 5 dient eine an
das Nichtlinearitätsverhalten der Meßspule 2 angepaßte Sigmoid
funktion mit streng monotonem und differenzierbarem Verlauf.
Eine Realisierungsmöglichkeit der Spannungsquelle 3, der Meß
spule 2 und der Mittel zum Erfassen der Meßsignale im Rahmen
der Auswerteeinheit 4 sind in Fig. 2 dargestellt. Der eigentli
chen Spannungsquelle 3 ist eine Mischeranordnung 6 nachgeschal
tet, mit der wahlweise Speisespannungen unterschiedlicher Am
plitude und Frequenz erzeugbar sind. Mit der dargestellten Mi
scheranordnung 6 läßt sich eine Speisespannung in Form eines
Rechtecksignals realisieren, das durch eine periodisch wieder
kehrende Abfolge von jeweils einem Rechteckpuls größerer Ampli
tude und drei Rechteckpulsen kleinerer Amplitude gebildet ist.
Ein derartiger Signalverlauf ist in Fig. 3 dargestellt. Die zu
gehörige Darstellung im Frequenzbereich ist Fig. 4 entnehmbar.
Aus Fig. 4 wird deutlich, daß durch Hinzufügen von mehreren
Rechteckpulsen geringerer Amplitude zu einem Rechteckpuls grö
ßerer Amplitude ein Signal mit im wesentlichen vier gleich
stark vertretenen Frequenzanteilen erzeugt wird.
Durch Speisung der Meßspule 2 mit einem derartigen Rechtecksi
gnal lassen sich also die Impedanzwerte der Meßspule 2 bei die
sen vier verschiedenen Frequenzen bestimmen.
Fig. 2 zeigt den Teil der Auswerteeinheit 4, mit dem die Meßsi
gnale, nämlich der Spannungsverlauf Ux und der Stromverlauf Ix,
an der Meßspule 2 erfaßt werden. Der Spannungsverlauf wird par
allel zur Meßspule 2 erfaßt, während der Stromverlauf hinter
der Meßspule 2 erfaßt wird. Diese Schaltungsanordnung ist in
Vierleitertechnik realisiert, wobei die einzelnen Schaltungs
zweige abgeschirmt sind.
Sowohl das Spannungssignal als auch das Stromsignal werden A/D-
gewandelt und komplex dividiert. Dabei ergeben sich die
unkorrelierten Impedanzwerte, der Meßspule 2 bei den verschie
denen Frequenzen, die unabhängig von der Amplitude und Phase
der Speisespannung sind.
An die in Fig. 2 dargestellte Schaltung schließen sich also die
Mittel zur Verarbeitung an, die ebenfalls der Auswerteeinheit 4
zuzurechnen sind. Im einzelnen handelt es sich dabei um Mittel
zum Digitalisieren, nämlich einen A/D-Umsetzer 7, Mittel zur
Durchführung einer Fourieranalyse für Spannung und Strom 8,
Mittel zum komplexen Dividieren bei verschiedenen Frequenzen 9
und schließlich noch Mittel zum komplexen Normieren und Skalie
ren 10. Erst an diese Signalverarbeitungsstufen schließen sich
die Eingangsknoten des neuronalen Netzwerks 5 an, was in Fig. 1
dargestellt ist.
Die Beschriftung der zehn in Fig. 5 dargestellten Versuchsdia
gramme von Abstandsmessungen ist wie folgt zu interpretieren:
Bei allen zehn Versuchen wurden einstufige neuronale Netzwerke
verwendet, die also lediglich eine verdeckte Schicht aufweisen.
Typ 8/5/1 deutet auf eine Netzwerkstruktur mit acht Eingangs
knoten, fünf Knoten in der verdeckten Schicht und einem Aus
gangsknoten hin. Daneben sind die beim Training verwendeten Ma
terialien angegeben, z. B. Kupfer, Nickel, Eisen oder V2A-Stahl.
Der Test wurde immer mit zehn verschiedenen Metallen durchge
führt. Die beiden Achsen entsprechen dem Soll-Abstand bzw. dem
vom Netzwerk geschätzten Abstand. Ab Versuch sieben wurde die
Anzahl der verwendeten Meßfrequenzen verringert. Man erkennt,
daß das Verfahren ab mindestens zwei Frequenzen brauchbare Re
sultate, also eine gute Korrelation zwischen dem tatsächlichen
Abstand und dem ermittelten Abstand ergibt. Eine höhere Anzahl
von Meßfrequenzen ergibt jedoch eine größere Approximations
güte.
Insgesamt lassen sich hierzu folgende Aussagen treffen:
Die Materialeigenschaften von Metallen, die nicht bei den Lern objekten waren, werden korrekt erkannt und inter- bzw. extrapo liert. Damit kann der Kalibriervorgang entscheidend abgekürzt werden.
Die Materialeigenschaften von Metallen, die nicht bei den Lern objekten waren, werden korrekt erkannt und inter- bzw. extrapo liert. Damit kann der Kalibriervorgang entscheidend abgekürzt werden.
Der Klassifikationsalgorithmus der Lernphase bestimmt die Mate
rialparameter, nämlich bspw. die Leitfähigkeit und effektive
Permeabilität des Materials, und kompensiert deren Einfluß auf
die Abstandsmessung.
Materialparameterschwankungen verursacht durch Meßobjekttempe
raturänderungen beeinflussen die Abstandsmessung nicht.
Das neuronale Netz findet damit eine Approximation für einen
Zusammenhang, der mathematisch geschlossen nicht lösbar ist.
Allerdings kann die Approximation aus den erlernten Verbin
dungsgewichten nicht einfach extrahiert werden. Versuche mit
unterschiedlichen Eingangsdaten und Netzstrukturen liefern ex
perimentelle Aussagen über die Lösbarkeit und notwendigen Mini
malanforderungen auch ähnlich gelagerter Probleme.
Hinsichtlich vorteilhafter Ausgestaltungen der erfindungsgemä
ßen Sensoranordnung sowie des erfindungsgemäßen Verfahrens zur
Meßwerterfassung mit dieser Sensoranordnung, die in den voran
stehend beschriebenen Figuren keinen Niederschlag gefunden ha
ben, wird auf den allgemeinen Teil der Erfindung verwiesen.
Abschließend sei nochmals ausdrücklich darauf hingewiesen, daß
die erfindungsgemäße Sensoranordnung nicht nur zur Abstandsmes
sung und Dickenmessung, sondern auch zur Messung von Material
parametern, wie der elektrischen Leitfähigkeit und der effekti
ven Permeabilität, eingesetzt werden kann.
Claims (22)
1. Sensoranordnung (1) mit mindestens einer Meßspule (2),
mindestens einer Spannungsquelle (3) für die Meßspule (2) und
einer Auswerteeinheit (4) mit Mitteln zum Erfassen, Verarbeiten
und Auswerten von Meßsignalen,
dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerte
einheit (4) zum Auswerten der Meßsignale ein neuronales Netz
werk (5) mit einer Eingangsschicht, mindestens einer verdeckten
Schicht, einer Ausgangsschicht und Verknüpfungsgewichten für
die einzelnen Schichten umfaßt und daß die Verknüpfungsgewichte
in einer Lernphase durch Messungen an mehreren verschiedenen
geeigneten Lernobjekten mit bekanntem Ist-Wert bestimmt und ab
gespeichert sind.
2. Sensoranoranung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet,
daß das neuronale Netzwerk (5) ein Backpropagation-Netzwerk
ist.
3. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das neuronale Netzwerk (5) eine einstufige
Netzwerkstruktur, d. h. eine Netzwerkstruktur mit einer ver
deckten Schicht, aufweist.
4. Sensoranordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet,
daß die Eingangsschicht des neuronalen Netzwerks (5) acht,
sechs, vier oder zwei Eingangsknoten aufweist.
5. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 oder 4, dadurch
gekennzeichnet, daß die verdeckte Schicht des neuronalen Netz
werks (5) fünf, vier, zwei oder einen Knoten aufweist.
6. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch
gekennzeichnet, daß das neuronale Netzwerk eine zweistufige
Netzwerkstruktur, d. h. eine Netzwerkstruktur mit zwei verdeck
ten Schichten, aufweist.
7. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 3 bis 6, dadurch
gekennzeichnet, daß die Ausgangsschicht des neuronalen Netz
werks (5) einen Ausgangsknoten aufweist.
8. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch
gekennzeichnet, daß eine an das Nichtlinearitätsverhalten der
Meßspule (2) angepaßte Sigmoidfunktion mit streng monotonem und
differenzierbarem Verlauf als Transferfunktion des neuronalen
Netzwerks (5) dient.
9. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch
gekennzeichnet, daß der Spannungsquelle (3) eine Mischeranord
nung (6) nachgeschaltet ist, mit der wahlweise Speisespannungen
unterschiedlicher Amplitude und Frequenz erzeugbar sind.
10. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit (4) eine Schaltungsan
ordnung in Vierleitertechnik mit einem Schaltungszweig zum Er
fassen des Spannungsverlaufs Ux und einem Schaltungszweig zum
Erfassen des Stromverlaufs Ix der Meßspule (2) umfaßt.
11. Sensoranordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch
gekennzeichnet, daß die Auswerteeinheit Mittel zum Digitalisie
ren (7), zum Durchführen einer Fourier-Analyse (8), zum komple
xen Dividieren (9) und Normieren und Skalieren (10) der Meßsi
gnale umfaßt und daß diese Mittel zum Verarbeiten (7, 8, 9, 10)
der Meßsignale dem neuronalen Netzwerk (5) vorgeschaltet sind.
12. Verfahren zur Meßwerterfassung mit einer Sensoranordnung
nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß
für zu bestimmende Ist-Werte mindestens so viele nicht linear
abhängige aber in einem physikalisch-mathematischen Zusammen
hang stehende Eingangsgrößen für das neuronale Netzwerk (5) er
mittelt werden wie Eingangsknoten vorhanden sind.
13. Verfahren nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
als Meßsignale der Spannungsverlauf Ux und der Stromverlaufs Ix
an der Meßspule (2) bei unterschiedlichen Frequenzen erfaßt
werden.
14. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 oder 13, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Spektren des digitalisierten Spannungs
verlaufs Ux und des digitalisierten Stromverlaufs Ix in einem
iterativen Verfahren mit Hilfe eines spektralen Schätzers er
mittelt werden.
15. Verfahren nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß
das Spektrum des digitalisierten Spannungsverlaufs Ux bzw.
Stromverlaufs Ix bestimmt wird als
wobei xn(t) der Abtastwert zum Zeitpunkt n, Xn(f) das Spektrum
zum Zeitpunkt n und Xn+1(f) das neu berechnete Spektrum zum
Zeitpunkt n+1 ist, mit dem Term aT/T₀ die gewünschte Spek
trallinie ausgewählt wird und als Startwert der Iteration n=0
und X₀(f)=0 gewählt wird.
16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, dadurch ge
kennzeichnet, daß aus dem Spannungsverlauf Ux und dem Stromver
lauf Ix die Impedanzwerte der Meßspule (2) bei unterschiedli
chen Frequenzen als Eingangsgrößen für das neuronale Netzwerk
(5) bestimmt werden.
17. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 16, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Meßspule (2) mit einer Rechteckspannung
gespeist wird.
18. Verfahren nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, daß
die Rechteckspannung durch eine periodisch wiederkehrende Ab
folge von jeweils einem Rechteckpuls größerer Amplitude und
drei Rechteckpulsen kleinerer Amplitude gebildet wird.
19. Verfahren nach einem der Ansprüche 12 bis 18, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Speisespannung der Meßspule (2) neben ei
nem Wechselstromanteil auch einen Gleichstromanteil umfaßt.
20. Verfahren nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß
der rein ohmsche Anteil der Impedanzwerte der Meßspule (2) eine
Eingangsgröße für das neuronale Netzwerk (5) bildet.
21. Verwendung einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 14 zur Abstandsmessung und Schichtdickenmessung.
22. Verwendung einer Sensoranordnung nach einem der Ansprüche
1 bis 14 zur Messung der elektrischen Leitfähigkeit und der ef
fektiven relativen Permeabilität.
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