CN106463822B - 将数据从***的测量单元遥测地传输至基站的装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种包括测量单元(3)以及基站(21)的装置，以及一种利用测量单元(3)接收测量信号并且将测量数据遥测地传输至基站(21)的方法，其中，就测量而言，基站(3)静止地设置在工作空间(20)中，并且测量单元(3)固定地安装在在该工作空间(20)内运动的***(2)上。在测量单元(3)上，可以连接或集成有用于接收测量信号的传感器(4，5)。测量单元(3)还包括：电子单元(7)，具有第一处理器(8)；第一遥测单元(14)以及第一天线(15)，用于发送测量数据和用于接收配置和控制数据。基站(21)包括：第二天线(22)和第二遥测单元(24)，用于接收测量数据和用于发送配置和控制数据；以及数据处理单元(25)。根据本发明，第一天线(15)是线极化天线，并且第二天线(22)是圆极化天线，或者反过来。

Description

将数据从***的测量单元遥测地传输至基站的装置和方法

技术领域

本发明涉及一种装置，其包括测量单元和基站，本发明还涉及一种利用测量单元接收测量信号并将测量数据遥测地传输至基站的方法，其中，对于测量而言，基站静止地设置在一工作空间中，并且测量单元固定地安装在一在该工作空间内运动的***上。

背景技术

将测量数据从运动的***传输到静止地设置在工作空间中的基站经常造成困难，因为经常不能铺设线缆或者这些线缆由于持续的运动而快速断裂。旋转的或者转动的***被视为运动的***，但是也可以是这种平移地来回运动、但是总是在工作空间内运动的***，例如机器人，其始终来回运动用于完成工作的臂部。沿着一方向远离的***(例如交通工具或人，其在路上并远离工作空间)，不在本发明的考虑范围内，而是仅考虑在限制的范围内运动、即称之为在工作空间中运动的***。特别地，***被考虑为，其运动过程是限定并预设的。

由此，在此考虑的运动的***可以相对于基站运动，但是相对于基站的距离不会显著改变。在旋转的***中，除利用滑动触点的传输方法之外，特别是利用遥测技术的传输也是经得起考验的。应用的示例为，其中例如应当确定刀具的切削力的旋转的工具***、涡轮机、辊或者交通工具轮子。虽然在大多数应用中，基站设置在本身是静止的工作空间中，但是工作空间也可以是交通工具组合(Fahrzeugkombination，整车)，用于确定交通工具轮子的轮作用力(Radkraft，驱动力)。虽然基站在测量期间运动，但在其工作区域内，基站是静止的。因此，在该示例中基站不跟各自所配属的测量单元一样地运动。

在专利文献EP1323495中描述了一种前述类型的已知的测量装置。该文献描述了一种借助于传感器装置监控心轴(Spindel)上的工具的方法，在此，检测到的测量数据被无接触地传输到定子，该定子将测量数据转送至主处理器。此外，还可以在传感器装置上实施区域转换(Bereichsumstellungen)，只要相应的指令从主处理器经由定子被无接触地发送至传感器装置的微处理器。

所描述的结构的缺点在于，借助于近场遥测技术来实现无接触传输。这决定了总是靠近地、即仅以几个毫米的距离设置定子。在许多***中，特别是在旋转的工具的情况下和在工业企业中例如在材料加工中或在装配中使用的机器人的情况下，已经证实是不利的。

发明内容

本发明的目的在于，提出一种前述类型的装置和方法，用于接收运动的***上的测量信号并且用于传输测量数据，在此，对于数据传输而言，不必在测量单元的小范围内设置定子用以借助近场遥测技术传输数据。此外，应当确保无接触的数据传递总是无干扰地以足够的信号强度到达。

本发明的目的通过具有本发明所述特征的装置和具有本发明所述特征的方法来实现。在本发明中描述优选的实施方式。

为了实现本发明的目的，使用在开头描述的装置，在此，测量单元具有至少一个或多个测量通道，在所述测量通道上能够连接或连接有用于检测测量信号的一个或多个传感器。此外，测量单元还包括：电子单元，具有用于将测量信号处理(konditionieren)和/或压缩为测量数据的第一处理器；第一遥测单元和第一天线。第一天线可以发送测量数据、并优选也可以发送状态信息，以及接收配置和控制数据。基站包括数据处理单元以及第二天线和第二遥测单元，用于接收测量数据并优选接收状态信息，并且用于发送配置和控制数据。

根据本发明，第一天线是线极化天线，并且第二天线是圆极化天线，或者反过来。相应地，在根据本发明的方法中，在遥测地传输的情况下，第一天线线极化测量数据，并且第二天线圆极化配置和控制数据，或者反过来。

已证实，在传统的天线中，对于具有足够的信号强度无干扰地传输数据而言，天线的取向是决定性的。在近场传递的情况下，天线彼此的相对设置是固定地预设的，传输质量是没有风险的。然而，在远场遥测技术的情况下，由于运动而发生所谓的衰减增大的风险，即与其他的无线电服务发生干涉、遮挡(Abschattung)、多径传播和多普勒效应。此外，当人在发送天线与接收天线之间的空间中运动时，信号明显地变弱。其他的问题由信号在空间中的反射而引起。

如果发送天线和接收天线是相同类型的，则达到最小的损失。所以，这种情况是，两个天线都水平地线极化或者两个天线都竖直地线极化，或两者都是右旋圆极化的(zirkular rechtsdrehend)或左旋圆极化的(zirkular linksdrehend)。这样，如果直接进行传输，则均不发生损失。

但是在水平和竖直的线性天线的情况下，一旦天线不再平行地彼此设置，则信号会减小。这种情况是，例如在其上安装有运动的***的机床被移动的情况。当天线彼此垂直地放置时，信号强度减小直到理论值为零。在实践中，信号损失被记录为20-30dB。另一方面，右旋圆极化的信号在壁上被反射之后，转换为左旋圆极化的信号。在该情况下，也可以在右旋圆极化的天线上被接收的左旋圆极化的信号减小20-30dB。

现在已证实，天线的混合形式保证了稳定的数据传输。因此，如果两个天线中的一个是(水平或竖直的)线极化天线并且另一个是(右旋或左旋的)圆极化天线，则损失为3dB，这是最大的信号强度的一半。该信号损失可以通过发送天线的功率加倍得以补偿。在该情况下，信号是否在壁上被反射以及被反射多少次是无关紧要的。同样地，天线彼此如何取向也是无关紧要的。其他的干扰因素和衰减也具有最小的影响。已证实，即使减小3dB，利用线极化和圆极化的天线的组合在两个方向上进行的信号传递也是稳定的。

附图说明

下面参照附图详细地说明本发明。其中示出：

图1示出了一种应用示例中的测量装置的示意图；

图2a示出了根据本发明的测量单元；

图2b示出了围绕测量单元的单一天线的结构，

图3示出了根据本发明的基本单元。

具体实施方式

图1示出了根据本发明的装置的一种示例，其包括：测量单元3；和基站21，该装置利用测量单元3接收测量信号并将测量数据遥测地传输至基站21，在此，对于测量而言，基站21静止地设置在工作空间20中，并且测量单元3固定地安装在在该工作空间20内运动的***2上。

运动的***2通常与工作空间20关联，并且在测量的情况下不离开该工作空间。工作空间20特别是可以被认为是工业建筑物或者工业设备、工具车间、装配车间、生产设备等，在此***2(例如工具或机器人)可以平移地和/或旋转地在该工作空间20内运动。然而工作空间也可以自身运动，工作空间20可以例如设计为交通工具，在此，***2在测量期间相对于工作空间20运动，例如就像这种交通工具的轮子一样。在这种情况下，基站21安装在交通工具中或之上，测量单元3安装在交通工具轮子上。

在图2a中详细地示出的测量单元3包括：至少一个或者多个测量通道6，在所述测量通道上能够连接或连接有一个或多个用于接收测量信号的传感器4；以及具有第一处理器8的电子单元7，该第一处理器用于将测量信号处理和/或压缩为测量数据。处理器8也可以理解为可编程的逻辑器和/或处理器与逻辑器的组合。此外，测量单元3还包括第一遥测单元14以及第一天线15，用于发送测量数据和用于接收配置和控制数据。优选地，还从第一天线15发送状态信息。第一天线15可以由多个单一天线15.1-15.4组合而成，所述单一天线围绕测量单元3均匀分布地设置。在图2b中示出了一种具有四个这种单一天线15.1-15.4的示例。

在图3中详细地示出的基站21包括第二天线22和第二遥测单元24，用于接收测量数据和用于发送配置和控制数据。从第一天线15发送出的状态信息同样地被第二天线22接收。此外，基站21还包括数据处理单元25。

如在图1中所示的，第二天线22可以与基站21的剩余部分离地设置，并且利用连接件23与该基站连接。但是，该第二天线也可以安装在基站21上或之中，如在图3中示出的。

根据本发明，第一天线15是线极化的天线，并且第二天线22是圆极化的天线，或者反过来。优选地，第一天线15是线极化的天线，并且第二天线22是圆极化的天线。这涉及到各个天线的通常的几何形状和尺寸。因此，优选较小的天线在运动的***上。但是，对于传输的质量来说，这是无关紧要的。两个天线15、22均是用于远场遥测16(例如在400MHz与70GHz之间的范围内)的发送器和接收器。

在图1示出的示例中，特别是示出了一种旋转的工具17的应用示例，该工具安装在轴19上的工具保持件18上，并且一起构成了运动的***2，在该运动的***上安装有测量单元3。此外，可以在其上安装有根据本发明的测量单元3的运动的***的其他示例是涡轮机、特别是发电站(例如水力或风力设备)的涡轮机、各种类型的机轴、辊、特别是金属和纸处理设备的辊、交通工具(例如轨道交通工具或机动交通工具)的轮子、或者机器人(例如在用于生产或装配零部件的工业企业中使用的机器人)。尽管这样的机器人不是如其他所提到的示例那样永久地围绕预设的轴运动，而主要是平移地运动，但是装配在其上的测量单元经常无法利用数据线缆(在不冒线缆在短时间内断裂的风险的情况下)连接到工作空间中的基站。

在一种优选的实施方式中，测量单元3包括一个或多个传感器4、5。所述传感器特别是设计为力传感器、压力传感器、转矩传感器、进给力传感器、弯矩传感器、应变传感器(Dehnungssensor)、振荡传感器、加速传感器和/或温度传感器。因此有利地，传感器4、5是压电式或压阻式传感器、应变仪或热电偶。因此，设计有一个或多个用于处理测量信号的测量通道6，所述测量通道源自压电式和/或压阻式传感器4、5、应变仪和/或热电偶。特别地，可以使用多维的传感器4，这些传感器例如能够在所有三个正交的方向上测量力，或者力、力矩、应变、进给和/或温度的组合。传感器4、5本身可以集成在测量单元3中，或者可选择地连接于该测量单元。

传感器4、5的每个通道均应当与各自的测量通道6连接，如在图2a中示出的。优选地，测量单元3的每个测量通道6包括用于将测量数据数字化的AD转换器9。此外，单个或者所有测量通道6可以包括用于匹配测量区域的区域切换器10，在此，每个区域切换器都可以从基站遥测地被配置。此外，一些测量通道6还包括用于将测量通道6回位的重置功能器11，和/或用于启动和停止测量的启动/停止功能器12，在此，所有的功能器11、12都可以从基站21遥测地被控制。但是，测量单元3也可以包括不需要区域切换器10的其他的传感器5，例如温度传感器5。

此外，测量单元3还包括能量产生***和/或能量存储单元13，特别是具有大容量的电容器和/或用于为电子单元和第一遥测单元14供电的可充电或不可充电的电池。能量产生***可以是能够由于运动或测量单元3发生温差而产生能量的***。能量也可以借助于遥测技术被传输至测量单元3。

此外，测量单元3提供关于其状态的数据。这特别是可以涉及能量存储器13的充电状态、区域调整和其他的数据，其也包括特定于传感器的数据、例如传感器灵敏度。

也在图3中示出的数据处理单元25包括第二处理器26，该第二处理器用于分析测量数据以及用于遥测地检查、配置、操纵和控制测量单元。优选地，第二遥测单元24与数据处理单元25一起安置在壳体31中，在该壳体上或之中还安装有第二天线22。优选地，数据处理单元25包括至少一个连接使用者27、控制器28、分析单元29和/或存储单元30的接口。第二处理器26可以编程为，使得该第二处理器能够独立地支配区域切换器、重置功能器和启动/停止指令。

就根据本发明的方法而言，使用上述实施方式变形中的一种装置1。根据本发明的利用测量单元3接收测量信号并将测量数据遥测地传输至基站21的方法，基站21静止地设置在工作空间20中，并且测量单元3固定地安装在在该工作空间20内运动的***2上。

首先，测量单元3利用至少一个传感器4、5检测测量信号，所述传感器与一个或多个测量通道6连接。随后，具有第一处理器8的电子单元7将测量信号处理和/或压缩为测量数据，所述测量数据借助于第一遥测单元14以及第一天线15被发送。在同一工作空间20中，基站21借助于第二天线22和第二遥测单元24接收测量数据，所述测量数据在数据处理单元25中被处理。此外，配置和控制数据从第二遥测单元24通过第二天线22被发送至第一天线15再到第一遥测单元14。

根据本发明，在遥测传输中，测量数据和可能的其他数据由第一天线15线极化，并且配置和控制数据由第二天线22圆极化，或者反过来。优选是最先列举的方案。

优选地，测量信号在测量单元3中的AD转换器9中被数字化。此外，在一种优选的方法中，数据处理单元25借助于遥测16配置一个或多个测量通道6的区域切换器10。在另一优选的方法中，数据处理单元25通过遥测技术借助启动/停止功能器12优选地启动和/或停止测量单元3的至少一个测量通道6中的至少一个测量，和/或借助于重置功能器11将所述测量回位。

附图标记列表

1 用于测量的装置，测量装置

2 运动的***

3 测量单元

4 传感器

5 其他的传感器

6 测量通道

7 电子单元

8 第一处理器

9 AD转换器

10 区域切换器

11 重置功能器

12 启动/停止功能器

13 能量产生***，能量存储器

14 第一遥测单元

15 第一天线

15.1……15.4 单一天线

16 遥测数据

17 工具

18 工具保持件

19 机轴

20 工作空间

21 基站

22 第二天线

23 连接件

24 第二遥测单元

25 数据处理单元

26 第二处理器

27 使用者

28 控制器

29 分析单元

30 存储单元

31 壳体

Claims (17)

1.一种包括测量单元(3)以及基站(21)的装置，利用所述测量单元(3)接收测量信号并且将测量数据遥测地传输至所述基站(21)，其中，就测量而言，所述基站(21)静止地设置在工作空间(20)中，并且所述测量单元(3)固定地安装在在所述工作空间(20)内运动的***(2)上，并且其中，所述测量单元(3)具有：至少一个测量通道(6)，在所述测量通道上连接有用于接收测量信号的一个或多个传感器(4，5)；电子单元(7)，包括第一处理器(8)，用于将所述测量信号处理和/或压缩为测量数据；第一遥测单元(14)以及第一天线(15)，用于发送测量数据和用于接收配置和控制数据，并且其中，所述基站(21)包括：第二天线(22)和第二遥测单元(24)，用以接收所述测量数据和用于发送所述配置和控制数据；数据处理单元(25)，其特征在于，所述第一天线(15)是线极化天线，并且所述第二天线(22)是圆极化天线，或者反过来。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述测量单元(3)包括至少一个传感器(4，5)，其中，所述传感器(4，5)是力传感器、转矩传感器、弯矩传感器、应变传感器、振荡传感器、加速传感器和/或温度传感器。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述力传感器是压力传感器、进给力传感器。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，一个或多个测量通道(6)被设计为用于处理压电式和/或压阻式传感器(4，5)、应变仪和/或热电偶的测量信号。

5.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，运动的所述***(2)是旋转的工具、机轴、辊、或者机器人。

6.根据权利要求5所述的装置，其特征在于，所述旋转的工具是涡轮机、交通工具的轮子。

7.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，两个所述遥测单元(14，24)是用于远场遥测技术的发送器和接收器。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量单元(3)的每个测量通道(6)包括AD转换器(9)，用以将所述测量信号数字化。

9.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量单元(3)的至少一个测量通道(6)包括用于匹配测量区域的区域切换器(10)，其中，每个区域切换器(10)能从所述基站(21)遥测地被配置。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量单元(3)的至少一个测量通道(6)包括用于将所述测量通道(6)回位的重置功能器(11)和/或用于启动和停止测量的启动/停止功能器(12)，其中，所有功能器(11，12)能从所述基站遥测地被控制。

11.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量单元(3)包括能量产生***和/或能量存储单元(13)，用以为所述电子单元(7)和所述第一遥测单元(14)供电。

12.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元(25)具有至少一个连接到使用者(27)、控制器(28)、分析单元(29)和/或存储单元(30)的接口。

13.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述数据处理单元(25)包括第二处理器(26)，用以分析所述测量数据以及用以遥测地检查、配置、操纵和控制所述测量单元(3)。

14.一种利用测量单元(3)接收测量信号并且将测量数据遥测地传输至基站(21)的方法，其中，所述基站(21)静止地设置在工作空间(20)中，并且所述测量单元(3)固定地安装在在所述工作空间(20)内运动的***(2)上，其中，所述测量单元(3)借助于至少一个传感器(4，5)利用一个或多个测量通道(6)检测测量信号，并且电子单元(7)利用第一处理器(8)将所述测量信号处理和/或压缩为测量数据，所述测量数据借助于第一遥测单元(14)以及第一天线(15)被发送，并且其中，所述基站(21)借助于第二天线(22)和第二遥测单元(24)接收所述测量数据，并利用数据处理单元(25)处理所述测量数据，并且其中，配置和控制数据从所述第二遥测单元(24)经过所述第二天线(22)被发送到所述第一天线(15)并且到所述第一遥测单元(14)，其特征在于，在遥测传输(16)中，所述第一天线(15)线极化所述测量数据，并且所述第二天线(22)圆极化所述配置和控制数据，或者反过来。

15.根据权利要求14所述的方法，其特征在于，将所述测量信号在所述测量单元(3)中的AD转换器(9)中数字化。

16.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元(25)借助于遥测传输(16)配置测量通道(6)的区域切换器(10)。

17.根据权利要求14或15所述的方法，其特征在于，所述数据处理单元(25)借助于遥测传输(16)将所述测量单元(3)的至少一个测量通道(6)回位，和/或启动和/或停止测量。