WO1999006788A2 - Abstandsmessvorrichtung und verfahren zur bestimmung eines abstands - Google Patents

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WO1999006788A2
WO1999006788A2 PCT/EP1998/004815 EP9804815W WO9906788A2 WO 1999006788 A2 WO1999006788 A2 WO 1999006788A2 EP 9804815 W EP9804815 W EP 9804815W WO 9906788 A2 WO9906788 A2 WO 9906788A2
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Günther Trummer
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Mikrowellen-Technologie Und Sensoren Gmbh
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    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/20—Other details, e.g. assembly with regulating devices
    • F15B15/28—Means for indicating the position, e.g. end of stroke
    • F15B15/2815—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT
    • F15B15/2869—Position sensing, i.e. means for continuous measurement of position, e.g. LVDT using electromagnetic radiation, e.g. radar or microwaves
    • F—MECHANICAL ENGINEERING; LIGHTING; HEATING; WEAPONS; BLASTING
    • F15—FLUID-PRESSURE ACTUATORS; HYDRAULICS OR PNEUMATICS IN GENERAL
    • F15B—SYSTEMS ACTING BY MEANS OF FLUIDS IN GENERAL; FLUID-PRESSURE ACTUATORS, e.g. SERVOMOTORS; DETAILS OF FLUID-PRESSURE SYSTEMS, NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • F15B15/00—Fluid-actuated devices for displacing a member from one position to another; Gearing associated therewith
    • F15B15/08—Characterised by the construction of the motor unit
    • F15B15/12—Characterised by the construction of the motor unit of the oscillating-vane or curved-cylinder type

Definitions

  • the present invention relates to a
  • Claim 1 and a method for determining the distance.
  • inductive sensors For a measurement with inductive sensors, the calibration curve must be defined and the material of an object to be measured must also be known. Furthermore, the inductive sensors have, for example, a 180 ° measuring range, so that two sensors lying next to one another influence one another and thus can change the calibration curves of the respective sensor. In addition, such sensors are only commercially available in embodiments that have a diameter of greater than 4 mm (M4).
  • the disadvantage of a measurement with capacitive sensors is that the distance between the capacitor plates must be known exactly.
  • the measurement is also subject to the influence of atmospheric humidity, general electromagnetic compatibility or temperature.
  • a reference measurement would have to be carried out, depending on the requirements, by means of which the disruptive influence can then be eliminated. It is therefore an object of the present invention to provide a distance measuring device and a method for determining the distance which overcomes the disadvantages listed above and permits continuous distance determination, simple handling and versatile possible uses.
  • the senor has a resonator in the form of a cavity resonator.
  • the advantage is achieved that the smallest designs, for example ⁇ M4, can be realized and the possible uses are increased many times over. Due to the basic geometry of a cavity resonator, small distances between several sensors arranged in parallel are possible, since the sensor has a laterally sharply delimited measuring range and its measuring behavior is therefore not influenced by sensors arranged in parallel.
  • the distance measuring device according to the invention can be used in the direction detection of movable objects or in a space-saving installation, for example by parallel installation.
  • the senor according to the invention can be used as a switch, with which switching point changes are possible without re-dimensioning or changing the sensor element or adding further electronic components.
  • This has the advantage that the switching point for example, can be adjusted to the respective needs via software.
  • the sensor according to the invention is also able to recognize approaching, conductive or dielectric objects and to measure the distance to the object with an accuracy in the micrometer range.
  • This type of sensor can be used, for example, as a proximity switch, for continuous measurement of the piston travel in the reversal point of pneumatic and hydraulic cylinders, of valve positions or for measuring the expansion of pressure membranes.
  • the measuring distance for conductive objects does not depend on the size of the object if one assumes that the object is at least as large as the diameter of the cavity resonator.
  • a distance measurement to conductive and dielectric objects is generally possible.
  • a switching point change or a re-assessment or a change in the sensor element can be accomplished in a simple manner. Since the switching point z. B. adjustable via software, there is also the advantage that the entry of multiple switching points is made possible by suitable software in a simple manner, which gives a much greater flexibility, for example, for part size detection, for different machine configurations, for a rotation angle detection over cams, etc. In contrast, - as mentioned at the beginning - with inductive sensors Multiple switching points can only be realized with great effort.
  • a plurality of switching points can also be linked to one another via logic, the measuring method working continuously. For example, it is advantageous if three switching points are required when querying a rotary cylinder.
  • switching distances of, for example, 0.6, 0.8, 1.0, 1.5, 2.0 mm or 5 mm or a basic element can be used in all common housing designs, which saves costs and thus less logistics is needed.
  • the resonator is a high-frequency resonator, the resonance frequency of which is preferably between 1 and 100 GHz, preferably 20 and 30 GHz, depending on the object.
  • the high-frequency resonator it is also advantageous to tune the high-frequency resonator with a frequency between 22 and 24 GHz and 24 and 26 GHz or any other area with a preferably 2 GHz bandwidth or with a bandwidth of approximately 10 percent of the frequency used.
  • the distance measuring device is equipped with a resonator, which has a cylindrical Has shape and its base surface facing the object is open, ie is not metallized, so there is no temperature dependence of the resonance frequency.
  • the cavity resonator is filled with a dielectric, preferably Al2O3, the entire distance measuring device can be made small.
  • the dielectric constant ⁇ should be small. Ideally, this is accomplished by unfilling the cavity, i.e. is equipped without a dielectric.
  • a disadvantage of this arrangement is that the cavity resonator then has a large construction in order to achieve a large measuring range. With a dielectric, however, the cavity resonator is small with an approximately constant measuring range. However, care must be taken that the dielectric constant of the dielectric does not become too large (preferably vorzugtul 10), since otherwise the losses increase and the distance range decreases.
  • the advantage is also achieved that temperature-resistant applications up to 1000 ° C. are possible and the use for highly dynamic pressure measurement in internal combustion engines is possible.
  • the spacer device according to the invention is thus pressure-resistant and can therefore also be used, for example, in hydraulic cylinders.
  • the sensor element consists of a ceramic and a metal housing and can be connected to the evaluation electronics via a suitable high-frequency line, e.g. a waveguide can be connected. Because of this, it is possible to use the sensor element for high temperature applications up to approx. 1000 ° C, e.g. used in internal combustion engines.
  • the distance measuring device can advantageously also be used to measure further physical quantities such as pressure, force or mass and material properties such as the loss factor of dielectric materials.
  • the open side of the cavity resonator is closed with a material sample at a fixed distance from it.
  • a piezoelectric ceramic disk would preferably be attached at a distance of zero. If pressure, a force or mass acts on the piezoelectric ceramic, it changes its dielectric constant. The change in the dielectric constant results in a shift in the resonance frequency.
  • the pressure, the force or the mass on the piezoelectric ceramic can be determined by determining the resonance frequency with the device and process-technical features from claims 1 and 21.
  • the dielectric in a metallic housing preferably made of Kovar or titanium inserted a suitable high-temperature application is conceivable, the cavity resonator then having great measurement accuracy even at high temperatures in the unfilled state and the expansion as such being exactly controllable in the filled state.
  • the distance measuring device and in particular the resonator has a coplanar slot coupling, preferably on the side of the resonator facing away from the object, this arrangement ensures that the resonance frequency can be coupled in at a suitable point and easily.
  • the coplanar slot coupling can consist of one coupling slot for transmitter and receiver according to claim 11, which are arranged in a circle and which corresponds to a transmission mode, or the coplanar slot coupling consists of a coupling slot for transmitter and receiver, which consists of operating in one Reflection mode corresponds.
  • the distance measuring device according to claim 13, in particular the resonator can have a microstrip line for coupling, which is used in particular when it is advantageous that the evaluation electronics must be set up separately from the resonator, for example in applications in which a high Temperature occurs.
  • the distance measuring device is operated, for example, in the Hn np modes, preferably in the HQii mode, the resonator can be operated in one vibrate in a wide range of resonance frequencies, in which no other modes are excited, so as to keep the measurement accuracy high.
  • Hgii mode when activated, there is the advantage that no wall currents then flow over the edges between the outer surface and the end surface.
  • Fig. 1 shows a sectional view of the distance measuring device according to the invention
  • FIG. 2 shows a rear view of the distance measuring device according to the invention according to FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a block diagram of the circuit for the distance measuring device according to the invention
  • FIG. 4 shows the reflection or transmission behavior as a function of the resonance frequency at different distances from the object of the distance measuring device according to the invention
  • Fig. 5 shows a diagram of the dependence of distance to the object and resonance frequency
  • 13a, 13b show another possible application, for example a pressure measurement by changing the dielectric constant under mechanical stress.
  • the distance measuring device has a resonator in the form of a cavity resonator 1, which is formed from a metallic housing 5, preferably from titanium or Kovar.
  • a metallic housing which is preferably tapered, optionally a dielectric 7, for example in the form of a ceramic z. B. AI2O3 or in the form of a fluid material, preferably air or inert gas such as. B. noble gases or nitrogen.
  • the ceramic can, as shown in Fig. 1, be inserted into the housing.
  • dielectric 7 itself is metallized, for example gold-plated. This has the advantage that the function over the temperature depends only on the temperature coefficient of the dielectric 7 and not on that of the metallic housing.
  • a substrate 9, for. B. also ceramic, positioned as a carrier for the coupling mimics, for example in the form of a coplanar slot coupling or a microstrip line and the active components of the evaluation electronics or in the form of high-frequency electronics.
  • the electromagnetic wave is coupled in via this arrangement.
  • This back can also be gold-plated and carry the entire high-frequency electronics 11.
  • the resonance frequency f r a cylindrical H mn p resonator from ⁇ , ⁇ , determine the nth zeros of the derivative of the Bessel function of the mth order, as well as the diameter D of the cavity and the length L of the cavity.
  • the functional relationship between ⁇ (for r D) 2 and (D / L) 2 can be clearly represented in a so-called mode diagram according to FIG. 5. From this so-called mode diagram, it is also relatively easy to identify areas in which no other modes can propagate.
  • a further mode selection can be made by isolating the resonator top surface from the cylinder jacket, which corresponds to an open resonator with Hg np modes. It has proven to be particularly advantageous that the cavity resonator is designed in such a way that the H fj np modes, preferably the H Q] _ ] _ modes, can be propagated as the wave type, since no wall currents flow over the edges between the outer surface and the end face . According to the line of the Hon mode according to FIG. 5, only a section is to be sought, in the vicinity of which no characteristic curve of other modes occurs, so that no other mode is excited even with certain fluctuations in the mechanical resonator dimensions and when tuning the frequency.
  • FIG. 2 shows the back of the cavity resonator 1 according to FIG. 1.
  • the back of the cavity resonator is provided with a substrate 9, preferably ceramic.
  • the outer surface of the substrate 9 is preferably gold-plated.
  • Only the coupling slots 13 and 15 in the cavity resonator 1 are left out Maximum field strength, for example half the radius of the dielectric 7, the electromagnetic wave is fed in via the slot coupling.
  • the size of the coupling slots 13 and 15 depends on the dimensions of the dielectric 7. With a diameter of the dielectric 7 of z. B. 6 mm, the size is approximately 0.3 mm by 0.2 mm.
  • the electromagnetic wave itself is brought up to the slot via a coplanar 50 ⁇ line and via a bonding wire 17, for. B. 17.5 ⁇ m gold wire 17 is coupled into the slot 13.
  • the bond wire 17 can be terminated on the opposite side with a line structure which is insulated.
  • the cavity resonator 1 can be operated in both transmission and reflection modes. If the cavity resonator 1 is operated in transmission mode, then the electromagnetic wave is coupled out at a second coupling slot 15 with the coplanar coupling or coupling already described. In the reflection mode, this output is terminated with 50 ⁇ . As already mentioned above, in the case of smaller diameters of the dielectric 7, a microstrip line coupling can also advantageously be used.
  • VCO voltage-controlled oscillator
  • Fig. 3 is an overall diagram or a block diagram of the operation of an advantageous embodiment of the application Distance measuring device shown.
  • a ramp generator is controlled via a ramp control, whereby the frequency of the transmission branch I is tuned.
  • a resonance detector connected to the detector diode, for example consisting of a two-stage differentiator and a comparator at the second derivative, is continuously monitored via the receiving branch II to determine whether a video signal tapped from the receiving branch II indicates resonance.
  • the resonance can be recognized by the fact that it differs from a non-resonance with a high slope in a video signal of the receiving branch with increasing oscillator frequency (see FIG. 4).
  • an integrator which controls the ramp control is stopped.
  • the voltage set in this way is kept stable, the oscillator frequency divided by the frequency divider 23 being determined by a digital counter in the evaluation electronics.
  • the resonance frequency in the cavity is measured. Since the resonance frequency in the cavity resonator depends on the distance of the object (see FIG. 5), the distance can be determined directly by determining the resonance frequency. The new resonance frequency is determined by changing the transmission frequency until the resonance frequency and transmission frequency match. At this point, a drop in performance is detected on the detector diode. At the same time, the transmission frequency at the divider output of the frequency divider 23 is determined. The measuring accuracy of the distance to the object depends on how fast and the accuracy with which the transmission frequency is determined. The determination of the distance with a measuring accuracy of 1 ⁇ m typically requires an accuracy in the frequency determination of at least 0.5 MHz at 26 GHz at a distance of 0.5 mm.
  • FIGS. 4 and 5 serve measured values.
  • the reflection and transmission characteristics which are shown as a function of the resonance frequency at different distances from the object, show clear signal dips that occur when the resonance frequency is reached at a fixed distance from the object.
  • a clear agreement of the signal dips between the reflection and transmission characteristics can be recognized.
  • a further embodiment of the evaluation electronics can be used in the distance measuring device according to the application, which is explained in more detail with reference to the block diagram according to FIG. 7.
  • the divided oscillator frequency is not used directly as a result variable, but is used in a frequency and phase control loop of a so-called phase-locked loop (PLL).
  • the target frequency is set via a direct digital synthesizer (DDS) to a frequency that is used as a reference variable in the control loop.
  • DDS direct digital synthesizer
  • the video signal picked up by the receiving branch II fulfills the resonance condition, it is already in a microcontroller contained in the evaluation electronics the resonance frequency and thus the distance to the target is known.
  • the cycle time can be significantly shortened and thus the measurement accuracy can be significantly increased.
  • the possible uses of the distance measuring device according to the application are to be illustrated on the basis of a high-frequency proximity sensor on the basis of some areas of application.
  • Figure 8 shows the possible sensor arrangements for querying the piston position of a linear cylinder drive with the high-frequency proximity sensor according to the distance measuring device according to the application.
  • FIG. 9 A possible sensor arrangement for querying the position of a rotary drive with the high-frequency proximity sensor is shown in Figure 9 for a rotary drive. Since such a high-frequency proximity switch has an extremely flat design, multiple positions can also be realized with the sensor element in the case of a plurality of switching points, the setting being able to be carried out, for example, via a potentiometer or a teach-in logic.
  • Detection of the piston position of a shock absorber 10 shows the schematic structure of a shock absorber with an integrated high-frequency proximity sensor.
  • the principle according to the invention can also be applied to valves with movable mechanical parts (see FIG. 11), the valve flow possibilities being regulated by changing the position of the mechanical part.
  • Previous position inquiries in pneumatics were realized by magnetic field sensitive sensors, which react to the permanent magnet on the piston or tappet of the valve. It was found, however, that for cost-effective solutions, only discrete position areas can be detected by the sensor mounted in a fixed position and adjusted to the positions to be detected. In hydraulic systems, magnetic interrogation is only possible to a limited extent due to the ferromagnetic materials that are usually used.
  • the pressure determination is achieved in that a membrane moving towards or away from the HF proximity sensor is detected at a distance.
  • the device according to the application has the advantage that the sensitive electronics are located outside the pressure measuring cell.
  • the measurement of the physical size distance becomes pressure-dependent due to the material property
  • the dielectrically filled cavity resonator is preferably closed on the open side with a piezoelectric ceramic (see FIG. 13).
  • the piezoelectric ceramic is firmly mounted on the sensor used in the spacer device according to the application. A fixed resonance frequency then results when the sensor is switched on. If the piezoelectric ceramic on the side facing away from the sensor is subjected to pressure P within a pressure measuring cell and thus a force, the dielectric constant of the piezoelectric ceramic changes. This change has the consequence that the resonance frequency shifts.
  • the evaluation of this frequency change and thus the conversion into the corresponding pressure change is preferably carried out using the method described for FIGS. 3 and 7.
  • the entire cavity of the resonator can also be filled with piezoelectric ceramic in this application example (see FIG. 13b).
  • a great advantage of this arrangement compared to conventional measuring methods with strain gauges or capacitive pressure measuring cells is their high mechanical stability.
  • the piezoelectric ceramic is mechanically supported completely by the resonator, in particular when the resonator housing tapers conically and gives the internally mounted ceramic the necessary stability for high-pressure applications.
  • the movement of the measuring tip which is moved towards or away by an object on the HF proximity sensor, is measured. Because of the distance measuring device according to the application, measurements in the micrometer range can thus also be carried out.
  • FIG. 15 relates, for example, to a fill level sensor.
  • Figs. 15a, b, c different installation locations of the high-frequency proximity sensor are shown.
  • the distance of the level to be measured is measured in a separate sensor tube, which is arranged externally or internally.
  • the high-frequency Proximity sensor is used externally to monitor for a corresponding level of the maximum fill level. This advantageously ensures the monitoring of a maximum fill level or a preset set detection range, a switching signal being displayed when the fill level falls below the maximum fill level or exits outside the set detection range.
  • the high-frequency proximity switch is used externally as a level switch
  • the corresponding switching function can be used to indicate whether a predetermined level has been exceeded or fallen below.
  • This external arrangement means that complex integration efforts can be dispensed with.
  • the system according to FIG. 14c can be used for adaptation to existing maintenance devices with HF-transparent shells.
  • the distance measuring device according to the application can be used in addition to the fields of application mentioned above wherever a distance measuring device down to the micrometer range is required.

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Abstract

Beschrieben wird ein Abstandsmeßvorrichtung und ein Verfahren zur Bestimmung eines Abstands, welche bzw. welches einen Sensor in Form eines Hohlraumresonators verwendet, um kontinuierlich eine Abstandsbestimmung durchzuführen und vielseitige Einsatzmöglichkeiten erlaubt.

Description

Abstandsmeßvorrichtung und Verfahren zur Bestimmung eines Abstands
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 4mm (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 elektromagnetischen 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 21 gelöst.
Erfindungsgemäß weist der Sensor einen Resonator in Form eines Hohlraumresonators auf. Mit dieser Maßnahme wird der Vorteil erzielt, daß kleinste Bauformen beispielsweise <M4 realisierbar sind und somit die Einsatzmöglichkeiten um ein Vielfaches erhöht werden. Aufgrund der Grundgeometrie eines Hohlraumresonators 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 Mikrometer-Bereich zu messen. Diese Art von Sensoren können beispielsweise als Näherungsschalter, zur kontinuierlichen Messung des Kolbenweges im Umkehrpunkt von pneumatischen und hydraulischen Zylindern, 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 Hohlraumresonators. Darüberhinaus ist generell eine Abstandsmeßung zu leitfähigen und dielektrischen Objekten möglich.
Wird der Sensor als Schalter eingesetzt, dann ist erfindungsgemäß eine Schaltpunktveränderung oder eine Neudi ensionierung 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 Maschinenkonfigurationen, 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 geringere Logistik benötigt wird.
Weitere vorteilhafte Ausführungsformen sind Gegenstand der weiteren Unteransprüche.
Es hat sich als besonders vorteilhaft herausgestellt, wenn der Resonator ein Hochfrequenzresonator ist, dessen Resonanzfrequenz vorzugsweise in Abhängigkeit zum Objekt zwischen 1 bis 100 GHz, vorzugsweise 20 und 30 GHz liegt. Bei bestimmten Anwendungen ist es ferner vorteilhaft den Hochfrequenzresonator mit einer Frequenz zwischen 22 und 24 GHz sowie 24 und 26 GHz oder jedem anderen Bereich mit vorzugsweise 2 GHz Bandbreite bzw. mit einer Bandbreite von ungefähr 10 Prozent der verwendeten Frequenz durchzustimmen.
Wird die erfindungsgemäße Abstandsmeßvorrichtung mit einem Resonator ausgestattet, der eine zylindrische Form aufweist und dessen zum Objekt zeigende Grundfläche offen, d. h. nichtmetallisiert ist, so ist eine Temperaturabhängigkeit der Resonanzfrequenz nicht gegeben.
Wird der Hohlraumresonator gemäß Anspruch 5 beispielsweise mit einem Dielektrikum, vorzugsweise AI2O3, gefüllt, so kann die gesamte Abstandsmeßvorrichtung klein bauen.
An dieser Stelle sei darauf hingewiesen, daß es zwar generell von Vorteil ist, wenn der Meßbereich möglichst groß ist, was aber bedeutet, daß die Dielektrizitätskonstante ε klein sein sollte. Idealerweise wird dies dadurch erreicht, indem der Hohlraumresonator ungefüllt, d.h. ohne Dielektrikum ausgestattet wird. Nachteilig an dieser Anordnung ist aber, daß der Hohlraumresonator zur Erreichung eines großen Meßbereiches dann groß baut. Mit Dielektrikum baut der Hohlraumresonator bei ungefähr gleichbleibendem Meßbereich aber klein. Es muß jedoch darauf geachtet werden, daß die Dielektrizitätskonstante des Dielektrikums nicht zu groß wird (vorzugsweise ≤ 10), da sonst die Verluste zunehmen und der Entfernungsbereich abnimmt. Bei Verwendung einer Keramik als Dielektrikum wird ferner der Vorteil erzielt, daß temperaturfeste Anwendungen bis 1000 °C möglich sind und der Einsatz zur hochdynamischen Druckmessung in Verbrennungsmotoren möglich ist. Die erfindungsgemäße Abstandsvorrichtung ist somit druckfest und daher auch beispielsweise in Hydraulik- Zylindern einsetzbar.
Es hat sich als vorteilhaft erwiesen, daß gemäß Anspruch 8 lediglich die Oberfläche des Dielektrikums mit Ausnahme der zum Objekt zeigenden Grundfläche mit einer dünnen Goldschicht überzogen bzw. aufgesputtert ist, so daß die Funktion über der Temperatur nur von dem Temperaturkoeffizienten beispielsweise der Keramik und nicht von dem Gehäuse abhängt.
Das Sensorelement besteht aus einer Keramik und einem Metallgehäuse und kann mit der Auswertelektronik über eine geeignete Hochfrequenz-Leitung, z.B. einen Hohlleiter verbunden werden. Aufgrund dessen ist es möglich das Sensorelement für Hochtemperaturanwendung bis ca. 1000°C, z.B. in Verbrennungsmotoren einzusetzen.
Unabhängig von der Messung eines Abstands kann die Abstandsmeßeinrichtung vorteilhaft auch zur Messung weiterer physikalischer Größen wie Druck, Kraft oder Masse und von Materialeigenschaften, wie dem Verlustfaktor von dielektrischen Materialien eingesetzt werden. Hierbei wird die offene Seite des Hohlraumresonators mit einer Materialprobe im festen Abstand zu diesem abgeschlossen. Im Falle des Drucksensors würde vorzugsweise eine piezoelektrische Keramikscheibe im Abstand Null angebracht. Wirkt nun Druck, eine Kraft oder Masse auf die piezoelektrische Keramik, dann verändert diese ihre Dielektrizitätskonstante. Die Änderung der Dielektrizitätskonstanten hat eine Verschiebung der Resonanzfrequenz zur Folge. Durch die Bestimmung der Resonanzfrequenz mit den vorrichtungs- und verfahrenstechnischen Merkmalen aus Anspruch 1 bzw. 21 läßt sich der Druck, die Kraft oder Masse auf die piezoelektrische Keramik bestimmen.
Wird gemäß Anspruch 9 das Dielektrikum in ein metallisches Gehäuse vorzugsweise aus Kovar oder Titan eingeschoben, ist eine geeignete Hochtemperaturanwendung denkbar, wobei dann der Hohlraumresonator im ungefüllten Zustand auch bei hohen Temperaturen eine große Meßgenauigkeit aufweist und im gefüllten Zustand die Ausdehnung als solche exakt kontrollierbar ist.
Weist die Abstandsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 10 und insbesondere der Resonator eine koplanare Schlitzkopplung vorzugsweise auf der dem Objekt abgewandten Seite des Resonators auf, so wird aufgrund dieser Anordnung gewährleistet, daß die Einkopplung der Resonanzfrequenz 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 11 bestehen, welche kreisförmig angeordnet sind und was einer Transmissionsmode entspricht, oder die koplanare Schlitzkopplung aus einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht, was dem Betreiben in einer Reflexionsmode entspricht.
Alternativ kann die Abstandsmeßvorrichtung gemäß Anspruch 13, insbesondere der Resonator, eine Mikrostreifenleitung zur Einkopplung aufweisen, welche insbesondere dann angewendet wird, wenn es von Vorteil ist, daß die Auswerteelektronik abgesetzt vom Resonator aufgebaut werden muß, und zwar beispielsweise bei Anwendungen, in denen eine hohe Temperatur auftritt.
Wird gemäß Anspruch 14 die Abstandsmeßvorrichtung beispielsweise in den Hnnp-Moden, vorzugsweise in der HQii-Mode betrieben, so kann der Resonator in einem großen Bereich von Resonanzfrequenzen schwingen, in denen keine weiteren Moden mitangeregt werden, um so die Meßgenauigkeit groß zu halten. Darüber hinaus ist bei Anregung der Hgii-Mode der Vorteil gegeben, daß dann keine Wandströme über die Kanten zwischen Mantel- und Abschlußfläche fließen.
Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der übrigen Unteransprüche.
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
Abstandsmeßvorrichtung; Fig. 7 zeigt ein weiteres Blockdiagramm für eine weitere Ausführungsform der Schaltung der erfindungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung;
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. 13a, 13b zeigt eine weitere Anwendungsmöglichkeit, beispielsweise eine Druckmessung durch Änderung der Dielektrizitäts-Konstanten unter mechanischer Belastung.
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 einen Resonator in Form eines Hohlraumresonators 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, kann wahlweise ein Dielektrikum 7 beispielsweise in Form einer Keramik z. B. AI2O3 oder in Form eines fluidi- schen Materials, vorzugsweise Luft oder inertes Gas wie z. B. Edelgase oder Stickstoff, eingebracht werden. 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.
Auf der Rückseite des Hohlraumresonators wird ein Substrat 9, z. B. ebenfalls Keramik, als Träger für die Einkopplungsmimik beispielsweise in Form einer koplanaren Schlitzkopplung oder einer Mikrostreifenleitung und die aktiven Bauteile der Auswerteelektronik bzw. in Form der Hochfrequenzelektronik positioniert. Über diese Anordnung wird die elektromagnetische Welle eingekoppelt. Diese Rückseite kann ebenfalls vergoldet sein und die gesamte Hochfrequenz-Elektronik 11 tragen.
Aufgrund der Verwendung des Dielektrikums 7 wird erreicht, daß die geometrischen Abmessungen des Hohlraumresonators bei Beibehaltung der gleichen Sendefrequenz verkleinert werden können. ie es generell bekannt ist, läßt sich die Resonanzfrequenz fr eines zylindrischen Hmnp-Resonators aus ε, μ, den n-ten Nullstellen der Ableitung der Bessel-Funktion m-ter Ordnung, sowie dem Durchmesser D des Hohlraumresonators und der Länge L des Hohlraumresonators bestimmen. Der funktioneile Zusammenhang zwischen εμ (frD)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 Hgnp-Moden, kann eine weitere Moden-Selektion erfolgen. Es hat sich als besonders vorteilhaft erwiesen, daß der Hohlraumresonator so ausgelegt wird, daß als Wellentyp die Hfjnp-Moden, vorzugsweise der HQ]_]_-Moden ausbreitungsfähig ist, da keine Wandströme über die Kanten zwischen Mantel- und Abschlußfläche fließen. Entsprechend der Linie des Hon-Moden gemäß Fig. 5 ist nur ein Abschnitt zu suchen, in dessen Umgebung keine Kennlinie anderer Moden auftritt, so daß auch bei gewissen Schwankungen der mechanischen Resonatorabmessungen und beim Durchstimmen der Frequenz keine andere Mode angeregt wird.
In Fig. 2 ist die Rückseite des Hohlraumresonators 1 gemäß Fig. 1 gezeigt. Anhand dieser Figur kann die Einkopplung der elektromagnetischen Welle in den Hohlraumresonator deutlicher dargestellt werden, welche in dieser Figur einer koplanaren Schlitzkopplung entspricht. Die Rückseite des Hohlraumresonators ist mit einem Substrat 9, vorzugsweise Keramik versehen. Die Außenoberfläche des Substrats 9 ist vorzugsweise vergoldet. Ausgespart bleiben nur die Einkoppelschlitze 13 und 15 in den Hohlraumresonator 1. An den Stellen maximaler Feldstärke beispielsweise halber Radius des Dielektrikums 7 wird über die Schlitzkopplung die elektromagnetische Welle eingespeist. Die Größe der Koppelschlitze 13 und 15 richtet sich nach den Abmessungen des Dielektrikums 7. Bei einem Durchmesser des Dielektrikums 7 von z. B. 6 mm beträgt die Größe ca. 0,3 mm mal 0,2 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 13 eingekoppelt. Um eine optimale Anpassung zu erzielen, kann der Bonddraht 17 auf der gegenüberliegenden Seite mit einer Leitungsstruktur, welche isoliert ist, abgeschlossen werden.
Mit dieser Anordnung kann der Hohlraumresonator 1 sowohl in Transmissions- als auch in Reflexionsmoden betrieben werden. Wird der Hohlraumresonator 1 im Transmissionsmode betrieben, dann wird die elektromagnetische Welle an einem zweiten Koppelschlitz 15 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 Mi- krostreifenleitungs-Einkopplung verwendet werden. Ebenfalls auf der Rückseite ist beispielsweise ein Oszillator 19, beispielsweise ein Voltage-Controlled- Oscillator (VCO), eine Nachweisdiode 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 Abstandsmeßvorrichtung 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 verbundener Resonanzdetektor beispielsweise bestehend aus einem zweistufigen Differenzierer und einem Komparator an der zweiten Ableitung laufend überwacht, 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). Sobald von der Steuerungs- und Auswerteelektronik die Resonanz erkannt wird, wird ein Integrator, welcher die Rampensteuerung steuert, gestoppt. Die so eingestellte Spannung wird stabil gehalten, wobei die durch die Frequenzteiler 23 heruntergeteilte Oszillatorfrequenz von einem digitalen Zähler in der Auswerteelektronik ermittelt wird.
Auf diese Weise wird die Resonanzfrequenz im Hohlraumresonator gemessen. Da die Resonanzfrequenz im Hohlraumresonator 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 Sendefrequenz übereinstimmen. Zu diesem Zeitpunkt wird an der Detektordiode ein Leistungseinbruch festgestellt. Parallel hierzu wird die Sendefrequenz am Teilerausgang des Frequenzteilers 23 ermittelt. Die Meßgenauigkeit des Abstands zum Objekt hängt davon ab, wie schnell und mit welcher Genauigkeit die Sendefrequenz bestimmt wird. 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 0,5 MHz bei 26GHz.
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 Übereinstimmung der Signaleinbrüche zwischen Reflektions- 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 Hohlraumresonator 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. Diesen Effekt kann man erfindungsgemäß ausnutzen, um die physikalischen Größen Druck, Kraft und Masse zu messen bzw. zu bestimmen. Hierbei wird die offene Seite des Hohlraumresonators vorzugsweise mit einer piezoelektrischen Keramik abgeschlossen. Wirkt dann auf die piezoelektrische Keramik ein Druck, eine Kraft oder eine Masse, dann verändert diese entsprechend ihre Dielektrizitätskonstante. Die Änderung der Dielektrizitäts-konstanten verschiebt die Resonazfrequenz des Hohlraum-Resonators. Entsprechend Fig. 5 bewegt man sich dann abhängig von der jeweiligen Dielektrizitätskonstanten auf der y-Achse (x=0).
In Figur 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.
Zur Abstandsbestimmung im Mikrometer-Bereich kann eine weitere Ausgestaltung der Auswerteelektronik bei der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung eingesetzt werden, die unter Bezugnahme des Blockschaltbildes gemäß Fig. 7 näher erläutert wird.
Der wesentliche Unterschied zu der oben beschriebenen Abstandsermittlung besteht darin, daß die heruntergeteilte Oszillatorfrequenz nicht direkt als Ergebnisgröße dient, sondern in einer Frequenz- und Phasenregelungsschleife einer sogenannten phase-locked- loop (PLL) verwendet wird. Hierbei wird die Sollfrequenz über einen direkten digitalen Synthesizer (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 wesentlich erhöht werden.
Im folgenden soll anhand einiger Anwendungsgebiete die Einsatzmöglichkeiten der anmeldungsgemäßen Abstandsmeßvorrichtung anhand eines Hochfrequenz- Annäherungssensors dargestellt werden.
A. Detektion der Kolbenposition:
In Bild 8 sind die möglichen Sensoranordnungen zur Kolbenpositionsabfrage eines linearen Zylinderantriebs mit dem Hochfrequenzannäherungssensor gemäß anmeldungsgemäßer Abstandsmeßvorrichtung aufgezeigt.
Eine mögliche Sensoranordnung zur Stellungsabfrage eines Rotationsantriebs mit dem Hochfrequenz- Annäherungssensor ist für einen Rotationsantrieb in Bild 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 Positionsänderung des mechanischen Teils die Ventildurchflußmöglichkeiten geregelt werden. Bisherige Positionsabfragen wurden in der Pneumatik durch magnetfeldempfindliche Sensoren realisiert, die auf den Permanentmagneten auf den Kolben bzw. Stößel des Ventils reagieren. Es zeigte sich dabei aber, daß für kostengünstige Lösungen nur diskrete Positionsbereiche 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 Dehnungsmeßstreifen (DMS) oder Siliziumelementen hat die anmeldungsgemäße Vorrichtung den Vorteil, daß sich die empfindliche Elektronik außerhalb der Druckmeßzelle befindet. D. Druckmessung durch Änderung der Dielektrizitätskonstanten unter mechanischer Belastung, vorzugsweise einer piezoelektischen Keramik
Für die Druckmessung bei sehr hohen Drücken ist die indirekte Bestimmung des Druckes über eine Wegmessung, beispielsweise durch einen sich zu- bzw. wegbewegenden Membran, aufgrund der auftretenden Kräfte nicht geeignet.
Gemäß dieser Ausführungsform wird die Messung der physikalischen Größe Abstand durch die Materialeigenschaft druckabhängige
Dielektrizitätskonstante ersetzt. Hierbei wird der dielektrisch gefüllte Hohlraumresonator an der offenen Seite vorzugsweise mit einer piezoelektrischen Keramik abgeschlossen (s. Fig. 13). Die piezoelektrische Keramik wird fest auf den bei der anmeldungsgemäßen Abstandsvorrichtung verwendeten Sensor montiert. Es ergibt sich dann im eingeschalteten Zustand des Sensors eine feste Resonanzfrequenz. Wird nun die piezoelektrische Keramik auf der, dem Sensor abgewandten Seite mit Druck P innerhalb einer Druckmeßzelle und damit mit einer Kraft beaufschlagt, dann verändert sich die Dielektrizitätskonstante der piezoelektrischen Keramik. Diese Änderung hat zur Folge, daß sich die Resonanzfrequenz verschiebt. Die Auswertung dieser Frequenzänderung und damit die Umrechnung in die entsprechende Druckänderung erfolgt vorzugsweise nach dem zur Figur 3 und Figur 7 beschriebenen Verfahren.
Der gesamte Hohlraum des Resonators kann auch bei diesem Anwendungsbeispiel mit piezoelektrischer Keramik gefüllt sein (siehe Fig. 13b). Ein großer Vorteil dieser Anordnung zu herkömmlichen Meßverfahren mit DMS oder kapazitiven Druckmeßzellen besteht in ihrer hohen mechanischen Stabilität. Die piezoelektrische Keramik wird mechanisch komplett vom Resonator abgestützt, insbesondere dann, wenn das Resonatorgehäuse hierbei konisch zuläuft und der innen gelagerten Keramik die nötige Stabilität für Hochdruckanwendungen gibt.
Weitere Vorteile zu herkömmlichen Meßverfahren liegen darin, daß die Justage bzw. hohe Präzision beim Einbau in die Druckmeßzelle entfällt und die empfindliche Elektronik sich außerhalb der Druckmeßzelle befindet.
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 Figs. 15a, b, c sind verschiedene Einbauorte des Hochfrequenzannäherungssensors 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 Schaltsignal 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 Abstandmeßvorrichtung bis in den Mikrometerbereich erforderlich ist.

Claims

Ansprüche
1. Abstandsmeßvorrichtung mit einem Sensor und einer Auswertelektronik, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor einen Resonator in Form eines
Hohlraumresonators aufweist.
2. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator einen Hochfrequenzresonator aufweist, dessen Resonanzfrequenz je nach Abstand zu einem Objekt zwischen 1 und 100 GHz, vorzugsweise zwischen 20 und 30 GHz, insbesondere zwischen 22 und 26 GHz liegt.
3. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator eine zylindrische Form aufweist, dessen zum Objekt zeigende Grundfläche offen, d.h. nicht etallisiert ist.
4. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator mit einem fluidischen Material, vorzugsweise Luft oder einem inertem Gas, gefüllt ist.
5. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 3 , dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator mit einem Dielektrikum, vorzugsweise Al203 gefüllt ist.
6. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator eine offene Seite aufweist, die mit einer dünnen Scheibe eines Materials, vorzugsweise einer piezoelektrischen Keramik, abgeschlossen wird und dieses Material die Eigenschaften aufweist, durch entsprechende Belastung mit Druck, einer Kraft oder Masse ihre Dielektrizitätskonstante zu ändern.
7. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 5 dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraumresonator mit dielektrischem Material, vorzugsweise piezoelektrischer Keramik gefüllt wird und das dielektrische Material die Eigenschaft aufweist, durch entsprechende Belastung mit Druck, einer Kraft oder Masse die Dielektrizitätskonstante zu ändern .
8. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 5 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Oberfläche des Dielektrikums, mit Ausnahme der zum Objekt zeigenden Grundfläche mit einer dünnen Goldschicht überzogen ist, vorzugsweise aufgesputtert ist.
9. Abstandsmeßeinrichtung nach einem der Ansprüche 5, 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß das Dielektrikum in ein metallisches Gehäuse, vorzugsweise aus Kovar oder Titan bestehend, eingeschoben wird.
10. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine koplanare Schlitzkopplung, vorzugsweise auf der dem Objekt abgewandten Seite des Resonators, aufweist.
11. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus je einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Transmissionsmode), die kreisförmig angeordnet sind.
12. Abstandsmeßeinrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß die koplanare Schlitzkopplung aus einem Koppelschlitz für Sender und Empfänger besteht (Reflektionsmode) .
13. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator eine Mikrostreifenleitung zur Einkopplung aufweist.
14. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Einkopplung und der Resonator als Wellentyp die H0np-Moden, vorzugsweise die HQH Mode, zuläßt.
15. Abstandsmeßvorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor eine Hochfrequenz-Elektronik mit einem Sende- und Empfangszweig aufweist.
16. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Sendezweig aus einem Oszillator, vorzugsweise einem Voltage Controlled Oszillator (VCO), besteht.
17. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, daß der Empfangszweig aus mindestens einer Hochfrequenz-Diode besteht.
18. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die Oszillatorfrequenz über eine geschlossene Regelschleife einer Sollfrequenz (Führungsgröße) folgt.
19. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 18, 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) .
20. Abstandsmeßvorrichtung nach Anspruch 18, 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) .
21. Verfahren zur Bestimmung eines Abstands eines Objekts zu einer Vorrichtung, insbesondere zu einer Abstandsmeßvorrichtung gemäß einem der Ansprüche 1 bis 20, welches die Schritte aufweist:
a) Bereitstellen eines Hohlraumresonators;
b) Bestimmung der Resonanzfrequenz, um den Abstand zum Objekt zu ermitteln
22. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, 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.
23. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators durch eine Rampensteuerung und einen Rampengenerator verstimmt wird.
24. Verfahren nach Anspruch 22, dadurch gekennzeichnet, daß die Sendefrequenz des Oszillators über einen direkten digitalen Sythesizer (DDS) eingestellt wird.
25. Verfahren nach Anspruch 21, dadurch gekennzeichnet, daß alternativ zu Schritt b) eine Bestimmung der Resonanzfrequenz erfolgt, um bei Abstand Null zum Objekt den Druck, die Kraft oder Masse auf das Objekt zu ermitteln.
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