[发明专利]接近度传感器和用于测量与物体的距离的方法

说明书

技术领域

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

柱形距离测量设备描述于专利说明书EP 1 000 314 B1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。

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。

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。

作为频率确定的替代方法，在专利说明书EP 1 000 314 B1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。

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。

不论可容许的ISM带(工业、科学和医学带)，提出1-100GHz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TE01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。

在S·伯纳尔茨(S.Bonerz)、W·贝克特勒(W.Bechteler)、J·格雷夫(J.Greif)的“Sensorsystem zurder 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。