接近度传感器和用于测量与物体的距离的方法

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接近度传感器和用于测量与物体的距离的方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及根据独立权利要求所述类型的接近度传感器和测量与物体的距离的 方法。
【背景技术】
[0002] 柱形距离测量设备描述于专利说明书EP 1 000 314 Bl中,其是基于确定空腔共 振器的共振频率。共振器由共振器外壳和要检测的物体形成。因此,实际的共振器长度主 要是由共振器外壳的长度以及与物体的距离组成。如果超过要检测的物体的最小尺寸,共 振频率与共振器的长度直接相关,从而可推断出物体距离。共振器长度与共振频率之间确 切的相关性是取决于当前的场分布,因此是取决于使用的波导波模式。在此,波导填充的电 容率作为设计中的决定因素得到。如果此值增加,在一方面,共振器的结构长度以及所需的 横截面减少,但在另一方面,距离测量设备范围也随着增加的电容率而减少。
[0003] 在所描述的概念的情况下,金属化电介质提供作为共振器的后壁,评估电子器件 位于所述后壁上的外侧。共平面槽耦合或微波带状线被提出来将电子器件耦合至共振器。 如果例如出于热退耦的原因,评估电子器件与共振器脱离组装状态,那么借助微波带状线 进行注入是尤其有用的。另外,根据共振器是用于传输还是反射操作,可以实现一或两个耦 合位置。
[0004] 为了确定共振频率,评估电子器件包含可调节振荡器,其频率线性调谐至某一带 宽并观察共振器所得的反射或传输系数。在共振频率的情况下,这些系数具有较强变化,这 些变化可通过相对于频率来区分而系统识别。由于在电路方面上,在频率与时间之间因控 制而存在线性相关关系,因此关于频率的导数可通过关于时间的导数来获得。如果由此所 获得的二次导数超过预定阈值,那么共振得以识别,并且频率并未发生任何进一步的失谐, 而实际上保持恒定并且其当前值借助频率计数器来确定。
[0005] 作为频率确定的替代方法,在专利说明书EP 1 000 314 Bl中,提出基于锁相闭环 (PLL)概念。在此,标称频率预定作为经由直接、数字合成器(DOS)的PLL的引导值。如果 检测电路现在识别共振,那么频率直接通过数字合成器的调节获知,其中测量的循环时间 可明显缩短。
[0006] 不管如何确定共振频率,通过此共振器方法,要检测的距离范围直接提供工作频 率的所需带宽的事实是不利的。对工业传感器而言,可用带宽固定提供并且因此距离范围 也是如此。
[0007] 不论可容许的ISM带(工业、科学和医学带),提出I-IOOGHz之间的操作的频率范 围,其中带宽应分别相当于大约2GHz或10%。另外,能够使用此共振器概念来实施较大距 离范围证明很难。此原因是,在一方面,在距离变得较大的情况下,共振频率变化变得较小。 另外,共振器质量降低只会导致反射或传输系数的显著较弱的最小值,在这种情况下,对相 应共振频率的检测容易出错。如果共振频率位置展示为在复频面中,这种情况下是明显的。 随着质量降低,复合本征频率远离ω轴,其中在振荡器失谐的情况下,可能不再通过奇点。 有限范围另外是由选择所使用的TEOl模式造成,因为在这种情况下,场分布具有围绕波导 的主要渐消失波,其随着距离增加而迅速减退。
[0008] 在 S ·伯纳尔茨(S. Bonerz)、W ·贝克特勒(W. Bechteler)、J ·格雷夫(J. Greif) 的 "Sensorsystem zur (jberwachung der Werkzeugplananlage auf Basis von Keramikresonatoren und Hohleiterstrukturen"(用于基于陶瓷共振器和波导结构监测 工具计划系统的传感器系统(Sensor system for monitoring the tool plan system on the basis of ceramic resonators and waveguide structures))的技术稿件(ANSYS 会 议和第29次CADFEM使用者会议,2011年10月19-21日)中,提供物体与距离传感器的距 离的确定同样基于波导共振器的方法。另外,在此,要测量的距离确定共振器的长度,因此 确定共振器的共振频率。使用的波导波模式在此为圆形柱形波导的基本模式TE11。共振频 率借助共振器的记录的有效功率的测量值通过扫频确定。
[0009] 在 T · F ·贝克特勒(T. F. Bechteler)、A · S · A 贝克特勒(A. S. A. Bechteler) 的"槽波导振荡器(The Groove-Guide Oscillator)"的技术稿件(IEEE微波杂质(IEEE Microwave Magazine),第12卷,第6期,第110 - 119页,2011年10月)中,描述基于所谓 的槽波导振荡器的距离测量方法,其同样对应于共振器的概念。虽然在此距离测量问题也 归结于确定共振器的本征频率,然而这个系统针对共振器的结构和确定所提出的共振频率 方面根本不同于在专利说明书EP 1 000 314 Bl中描述的解决方法。槽波导振荡器形成已 知的距离传感器的核心件。在原则上,在微波技术中,槽波导理解为包含两个相对板的波 导,具有长方形横截面的槽在传播方向上引入到每个板中。整个布置关于平面对称,其法线 与两个板的连接线重合。在由于槽和导电板产生的空间中,可存在能够在槽方向上传播的 波模式。由于所需的对称性和传播性对板距离的依赖性较强,因此,这个波导对于生产精确 度提出了严格要求。
[0010] 其中一半布置将完全由导电平面替换的替代可用"半对称的"波导的产生基本更 为简单。
[0011] 在所描述的波导的情况下存在的传播常数对于物体距离的依赖性用于确定距离。 在这个实例中,对于共振器的实施方案而言,槽不再是笔直的,而实际上是以圆形形式引 入,使得产生圆形的导体环。如果引导的波长的整数倍数尤其对应导体圆周,则会准确产生 共振。由于引导的波长随板距离和频率变化,因此对于不同距离,共振条件可以在一定带宽 内得到满足,并且由此可获得关于距离的信息。
[0012] 振荡器借助于Gunn元件来刺激,其中振荡器振荡至其本征频率。然后,频率确定 通过外差系统来发生,其中将混入的本征频率提供至频率计数器。通过设计确定,所描述的 距离传感器具有较大结构尺寸,因为必须选择共振器的直径按比例为较大以便保持径向辐 射损失较小。对于8-12GHZ之间的操作,所描述的共振器的直径针对200_ X 200_的板大 小可考虑为60_。由此所获得的测量范围从13mm扩展至15_。如果板距离进一步增大, 较高的波模式可以在所考虑的频率范围中发生,其中产生不确定性。
[0013] 在专利说明书DE 10 2010 009 664 Al中,描述了距离传感器,该距离传感器在一 方面用于监测机床的工作心轴与机床的固定部分之间的距离,并且另一方面控制工具计划 系统。另外,关于工作心轴的旋转速度和心轴轴承的质量的结论是可能的。
[0014] 该距离传感器包含高频线路,其连接至振荡器和反射测量设备。工作心轴相对于 高频线路的位置影响反射行为,使得可从所确定的反射系数推断距离。高频线路例如被实 施为微波带状线,其由柔性材料制造,通过胶合来固定至机床的固定部分的表面。
[0015] 通过振荡器提供的高频传输信号注入高频线路。传输信号的一部分通过第一定向 耦合器分离并提供至第一功率检测器。在穿过第二定向耦合器之后,传输信号的主要部分 被馈入高频线路。
[0016] 物体反射的反射信号与传输信号重叠。反射信号的一部分通过第二定向耦合器分 离并提供至第二功率检测器。两个功率检测器连接至评估单元,评估单元确定并发射两个 功率的比率,g卩,反射系数,由此就可确定对物体距离的测量。
[0017] 另外,可提供电介质共振器,其导致距离传感器发生显著共振行为。因此,物体与 电介质共振器的距离的变化导致电介质共振的共振频率变化。然后,与物体的距离的确定 可另外或替代通过评估频率变化实现。
[0018] 在C ·纽伦(C. Nguyen)、S ·金姆(S. Kim)的"RF干涉测量传感器的分析和设计 (Analysis and Design of RF Interferometric Sensors)" 理论的技术稿件(施普林格 (Springer-Verlag),2012)中,描述了操作距离传感器的干涉测量方法。为了获得距离信 息,使用这种方法,即可评估传输信号与接收信号之间的相移。在此,距离传感器与物体之 间大于信号波长的一半的距离可不再通过相位调谐来明确识别。在技术稿件中,提出借助 信号处理的算法来获得明确相位信息。然而,为此目的,需要物体从原始位置移动至要测量 的位置,同时连续记录相位。因此,可不实施绝对测量距离
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