CN107037426A - 用于速度和/或位置感测的方法和设备 - Google Patents

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Abstract

本发明公开用于速度和/或位置感测的方法和设备。实施例涉及机器，该机器包括：活动部件；收发机电路，其被配置成朝着活动部件发射无线电信号并接收无线电信号从活动部件的反射；评估电路，其被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定活动部件的位置或速度。收发机电路的天线与活动部件之间的距离小于5cm。

Description

用于速度和/或位置感测的方法和设备
技术领域
实施例涉及用于速度和/或位置感测并且更特别地用于针对例如汽车应用的高度准确的速度和/或位置感测的方法和设备。
背景技术
许多车辆、工业和消费应用依赖于磁性传感器。这样的应用的示例包括速度感测应用，诸如车轮速度、变速器速度（transmission speed）、曲轴和凸车轮轴感测。车轮速度传感器集成电路（IC）可以用来测量每个车轮的速度并检测车轮在制动期间是否抱死（ABS）。此测量结果可以被用作用于汽车的电子稳定程序（ESP）的基本输入信号。例如，还可以使用磁性角度传感器和线性霍尔传感器来测量转向角和转向力矩。把霍尔和磁阻感测元件用于单片集成磁性传感器是已知的。
磁场应用由于需要磁极轮或铁磁齿状轮和反向偏置磁体而在应用侧引起附加成本。因此，期望在以上提到的车辆、工业和消费应用中降低传感器成本。
发明内容
本公开的实施例提出对象检测传感器，其依赖于无线电波来确定活动对象的位置和/或速度并将提出的传感器应用在速度和/或角度感测应用中。在某些实施例中，收发机与活动对象之间的距离将是相对小的，例如在毫米（mm）或几厘米（cm）范围内。因此，无线电收发机可以生成仅具有在微瓦（µW）范围内的小电功率的无线电信号。
根据本公开的第一方面，提供一种机器。该机器包括活动部件（movable part）。该机器还包括包含至少一个天线的收发机电路。天线与活动部件之间的距离小于5cm。收发机电路被配置成朝着活动部件发射无线电信号并接收无线电信号从活动部件的反射。该机器又进一步地包括评估电路，其被配置成至少基于接收到的反射无线电信号来确定活动部件的位置和/或速度。
在某些示例中，所述收发机电路被配置成发射具有小于100µW的电功率的无线电信号。
在某些示例中，所述收发机电路包括天线阵列，并且所述评估电路进一步被配置成基于天线阵列的不同天线元件的接收到的信号的组合来确定活动部件的旋转方向。
在某些示例中，所述收发机电路和所述评估电路被集成在公共半导体封装或芯片中。
在某些示例中，活动部件和收发机电路被共同地布置在屏蔽外壳中。
在某些示例中，所述活动部件的邻近表面部分被配置成用于使无线电信号的电磁反射率交替。
在某些示例中，所述活动部件是可旋转活动部件，并且所述评估电路被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定活动部件的旋转位置或旋转速度。
在某些示例中，所述活动部件在垂直于活动部件的旋转轴的平面中包括旋转对称横截面。
在某些示例中，所述活动部件是轮、盘或轴。
在某些示例中，所述活动部件在垂直于活动部件的旋转轴的平面中包括旋转不对称横截面。
在某些示例中，活动部件在所述平面中的最小和最大直径之间的比小于0.9。
在某些示例中，所述评估电路被配置成基于接收到的信号的功率的变化或者发射的和接收到的无线电信号之间的相位差来确定活动部件的位置或速度。
在某些示例中，所述机器是车辆。
根据本公开的第二方面，提供一种集成传感器电路。所述集成传感器电路包括收发机电路，其被配置成朝着活动对象发射具有小于100µW的电功率的无线电信号并接收无线电信号从活动对象的反射。所述集成传感器电路进一步包括评估电路，其被配置成至少基于接收到的反射无线电信号来确定活动对象的位置和/或速度。
根据本公开的另外的方面，提供一种用于位置和/或速度感测的方法。所述方法包括使对象相对于收发机的至少一个天线移动，其中，天线与活动对象之间的距离为（并保持）小于5cm。所述方法还包括从收发机朝着活动对象发射无线电信号并在收发机处接收无线电信号从活动对象的反射。至少基于接收到的无线电信号来确定对象的位置和/或速度。
在某些示例中，基于接收到的信号的功率的变化或者发射的和接收到的无线电信号之间的相位差来确定活动对象的位置或速度。
在某些示例中，发射具有至多100µW的电功率的无线电信号。
在某些示例中，发射、接收以及确定在机器中发生，并且其中，所述对象是机器的旋转组件。
在某些示例中，所述方法还包括将位置或速度转发到车辆的电子控制单元。
在某些示例中，转发位置或速度包括生成信号脉冲，其中，信号脉冲的边沿对应于对象的结构。
在某些示例中，所述对象是曲轴、凸轮轴或轮轴中的至少一个。
根据本公开的又另外的方面，提供一种机器。所述机器包括活动部件；收发机电路，其被配置成朝着活动部件发射无线电信号并接收无线电信号从活动部件的反射；以及评估电路，其被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定活动部件的位置和/或速度。活动部件的邻近表面部分被配置成引起或生成反射的无线电信号的不同幅度。
在某些示例中，第一表面部分的无线电信号的第一电磁反射率不同于邻近第二表面部分的无线电信号的第二电磁反射率。
在某些示例中， 第一电磁反射率与第二电磁反射率相差多于第一或第二电磁反射率的5%。
在某些示例中，活动部件的第一表面部分与收发机电路的天线之间的最短距离不同于活动部件的邻近第二表面部分与收发机电路的天线之间的最短距离。
在某些示例中，第一表面部分与天线之间的最短距离与邻近第二表面部分与天线之间的最短距离相差多于5%。
在某些示例中，收发机电路的天线与活动部件之间的距离小于5cm。
根据本公开的又另一个另外的方面，提供一种机器。所述机器包括旋转活动部件，其在垂直于活动部件的旋转轴的平面中具有旋转不对称横截面。所述机器还包括收发机电路，其被配置成朝着活动部件发射无线电信号并接收无线电信号从活动部件的反射；以及评估电路，其被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定活动部件的旋转位置和/或旋转速度。
在某些示例中，活动部件在所述平面中的最小和最大直径之间的比小于0.9。
在某些示例中，收发机电路的天线与活动部件之间的距离小于5cm。
附图说明
在下文中将仅通过示例并参考附图来描述设备和/或方法的一些实施例，在其中：
图1a、b图示增量磁场感测的示例；
图2示出根据实施例的感测***的图；
图3示出用于基于无线电波的增量速度传感器的示例；
图4a、b示出使用旋转对称活动部件的基于无线电波的感测***的另外的示例；
图5a-c示出使用旋转不对称活动部件的基于无线电波的感测***的示例；
图6图示根据实施例的用于位置和/或速度感测的方法的高层流程图；以及
图7图示与用于速度感测的示例实施例相关的经反射的信号的示例。
具体实施方式
现在将参考其中图示了一些示例实施例的附图来更充分地描述各个示例实施例。在图中，为了清楚起见，线、层和/或区的厚度可能被夸大。
因此，尽管进一步的实施例能够有各种修改和替换形式，但是其某些示例实施例在图中通过示例被示出并且在本文中将被详细描述。然而，应理解的是不意图将示例性实施例限制于公开的特定形式，而是相反，示例性实施例将覆盖落入本公开范围内的所有修改、等同物和替换物。贯穿图的描述，同样的数字指代同样的或相似的元件。
将理解的是，当一个元件被称为与另一元件“连接”或“耦合”时，其可以被直接连接或耦合到另一个元件，或者中间元件可以存在。相比之下，当一个元件被称为被“直接连接”或“直接耦合”到另一元件时，不存在中间元件。应该以同样的方式来解释用来描述元件之间的关系的其他词（例如“在…之间”比对“直接在…之间”，“邻近”比对“直接邻近”等）。
在本文中使用的术语仅仅是出于描述特定示例实施例的目的且并不意图限制进一步的示例实施例。如在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”意图也包括复数形式，除非上下文另外清楚地指示。将进一步理解的是，术语“包括”、“包括有”、“包含”和/或“包含有”当在本文中被使用时，规定所陈述的特征、整数、步骤、操作、元件和/或部件的存在，但是不排除一个或多个其他特征、整数、步骤、操作、元件、部件和/或其组的存在或附加。
除非另外限定，本文所使用的所有术语（包括技术和科学术语）具有与由示例实施例所属领域的普通技术人员通常理解的相同意义。将进一步理解的是，应该将术语（例如，在通常使用的词典中限定的那些）解释为具有与其在相关技术的背景中的意义一致的意义，除非在本文中另外明确限定。
本公开的某些实施例提出使用雷达***而不是磁场传感器来基于结构化的目标测量旋转速度或位置。例如，汽车雷达当前被用于从几十厘米至几百米的标度范围内的距离测量。实施例提出用于当前在车辆或其它机器中的速度或角度传感器的完整的新概念，其利用通过低复杂性的低功率雷达传感器进行的亚厘米或者甚至亚毫米范围内的测量。照此，此新概念能够代替被用于速度或角度传感器的常规磁性传感器，从而降低***成本。
很好地建立了磁性增量场测量。在图1a和b中示出磁性感测的两个示例原理。
在图1a的示例中，使用磁性传感器100来检测可旋转活动铁磁齿状轮或齿轮110的位置和/或速度。磁性传感器100包括反向偏置磁体102，其用以生成受移动齿轮110影响的偏置磁场。此外，磁性传感器100包括用以感测由于齿轮110而引起的偏置磁场的变化的第一和第二磁性传感器元件104-1、104-2。磁性传感器元件的示例是霍尔传感器或磁阻传感器元件。可选信号处理电路106可以进一步处理由磁性传感器元件104-1、104-2提供的信号。由于磁性传感器元件104-1、104-2的差别设置，还可以例如基于第一和第二磁性传感器元件104-1、104-2的信号之间的相位差来检测齿轮110的旋转方向。磁性传感器100的输出信号可以被馈送到例如车辆的电子控制单元（ECU）。
在图1b中示出用于磁性增量速度/位置感测的不同设置。在本示例中，使用磁性传感器150来检测包括在圆周方向上的交替磁极的可旋转活动磁性编码器轮（磁极轮）160的位置和/或速度。磁性传感器150包括第一和第二磁性传感器元件154-1、154-2，其用以感测源自于旋转编码器轮160的磁场的变化。再次地，磁性传感器元件的示例是霍尔传感器或磁阻传感器元件。可选信号处理电路156可以进一步处理由磁性传感器元件154-1、154-2提供的信号。由于磁性传感器元件154-1、154-2的差别设置，还可以检测编码器轮160的旋转方向。磁性传感器150的输出信号可以被馈送到例如车辆的电子控制单元（ECU）。
图1的磁性感测装置可以用在汽车应用中，所述汽车应用包括角度感测应用或速度感测应用，诸如车轮速度、变速器速度、曲轴和凸轮轴感测。然而，这样的磁场应用由于需要磁极轮或铁磁齿状轮和反向偏置磁体而在应用侧引起附加的成本和/或空间要求。
本公开的实施例因此提出一种将雷达传感器用于角度和/或速度感测应用的完整的新概念。如由受益于本公开的技术人员将领会到的，在雷达的情况下齿状轮可以被制造得更简单，例如具有改变反射率的印刷金属图案的塑料齿状轮或盘。在与齿轮箱或变速器相关的应用中，可以将常规齿状轮与雷达传感器一起用于旋转速度感测。与磁性传感器相比，这些齿状轮不必是铁磁的或者具有安装的反向偏置磁体。
汽车雷达当前被用于在较大尺度范围d=1...200m内的距离测量。每雷达***的价格快速地降低，并且雷达***对为目标应用所需要的非常短的距离测量（例如，d＝1...5mm）的要求的减少将由于减少的功率消耗（~d -4）而允许另外的下降的成本。除此之外，从线性距离测量到二元模式检测的应用改变将允许另外的简化的雷达***的设计。这指示雷达***针对增量速度和位置传感器的成本缩小功能应该比磁性传感器中的那个进取得多。因此，可以达到可以发起用雷达***来替换磁场传感器的成本情况。
现在转到图2，示出根据实施例的***或机器200的高层框图。
机器200包括活动部件210、收发机电路220以及评估电路230。收发机电路220包括发射机和接收机电路222、224以及至少一个天线226。所述至少一个天线226与活动部件210之间的距离d小于5cm。在某些实施例中，距离d可以甚至更小，例如，小于3cm、小于1cm或者甚至小于5mm。可以将距离d理解为面对天线226的活动部件210的表面部分与天线226之间的最短距离。收发机电路220被配置成朝着活动部件210发射经调制或未经调制的无线电信号s t ，并且接收无线电信号从活动部件210的反射s r 。评估电路230被配置成至少基于接收到的无线电信号s r 来确定活动部件210的位置和/或速度。在某些实施例中，还可以基于发射信号s t 与接收到的/经反射的信号s r 的组合来确定位置和/或速度。
在某些实施例中，机器200可以是车辆，诸如汽车。然而，受益于本公开的技术人员将领会到的是机器200可以是任何机器，其使用传感器设备来进行机器的一个或多个活动部件的运动检测。那就是说，机器200还可以是工业机器、家用机器或诸如此类。
根据实施例，收发机电路220利用雷达原理。雷达是使用无线电波来确定对象的性质的对象检测***。收发机电路224发射无线电波或微波，所述无线电波或微波在其路径中从活动部件210反射。接收机电路222，其可以被与发射机电路224单片集成，接收并处理这些经反射的波以确定活动部件210的性质。收发机电路220可以包括另外的模拟和/或数字硬件组件，诸如供电电路、电子振荡器电路、调制器电路、放大器电路和/或阻抗匹配电路。
收发机电路220可以是在单个半导体封装或芯片中实现的单片集成电路（IC）。在某些实施例中，所述至少一个天线和/或评估电路230也可以是与收发机电路220单片集成的结构。特别是对于无线电信号s t 的高无线电频率而言，天线226的单片集成可以是期望的选择。在某些实施例中，收发机电路220可以被配置成生成具有至少20 GHz的无线电频率的无线电信号s t 。在某些实施例中，收发机电路220可以被配置成生成具有至少60 GHz的无线电频率的无线电信号s t 。取决于应用和/或环境，可以使用甚至更高的频率，诸如高于100GHz或者甚至高于200 GHz的无线电频率。
根据实施例的雷达传感器IC可以被封装在2引脚封装中，所述2引脚封装可以与常规磁性传感器封装兼容。例如就所采用的传感器技术而言，这对于位于下游的信号处理实体（诸如电子控制单元ECU）可以导致简明（transparency）。那就是说，ECU将不认识到其是从磁性传感器还是替代地从雷达传感器接收信号。因此，在某些实施例中，评估电路230可以被配置成将位置和/或速度转发到车辆的ECU以用于进一步处理。
由于所述至少一个天线226与活动部件210之间的相对小的距离d，收发机电路220可以被配置成用于小电功率。例如，收发机电路220可以被配置成发射具有小于100µW的电功率的无线电信号s t 。取决于距离d，信号s t 的电功率可以甚至更低。在某些实施例中，信号s t 的电功率可以小于50µW或者甚至小于10µW。
因此，某些实施例还提供一种集成传感器电路，其包括被配置成朝着活动对象发射具有小于100µW（小于50µW或者甚至小于10µW）的电功率的无线电信号并且接收无线电信号从活动对象的反射的收发机电路，以及被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定活动对象的位置和/或速度的评估电路。
如在图2中指示的，机器的活动部件210和收发机电路220可以被布置在公共屏蔽外壳240中以便更好地将装置与外界隔离。因此，可以减少或者甚至完全消除对/来自信号s t 和/或s r 的有害电磁干扰。已知用于距离测量的常规汽车雷达***使用例如77 GHz的无线电频率。在其中收发机电路220也采用相同无线电频率的实施例中，覆盖机器的活动部件210和收发机电路220两者的屏蔽外壳240对于减少对/来自这样的常规汽车测距***的干扰可以是有用的。
在某些实施例中，所述至少一个天线226与活动部件210的移动轴之间的距离d将保持大体上不改变。虽然收发机电路220和/或至少一个天线226的位置可以是固定的，但是活动部件210可以被配置成用于相对于收发机电路220的天线226的线性（例如，横向）或旋转移动。采用图2的示例，活动部件210可以例如沿着x轴251横向地移动或者绕着y轴252旋转。请注意，块210仅仅是用于具有不同的可能几何形状的各种活动部件的占位符（placeholder）。
例如，在某些实施例中，活动部件210可以是可旋转活动对象，诸如轮、盘或轴（例如，曲轴或凸轮轴）。在这种情况下，评估电路230可以被配置成至少基于接收到的无线电信号s r 来确定活动部件210的旋转位置和/或旋转速度。例如，评估电路230可以被配置成基于经反射的信号s r 的功率或幅度的变化来确定活动部件210的位置和/或速度。附加地或替换地，可以使用信号s t 和s r 两者的组合。例如，评估电路230可以被配置成基于发射的和经反射的无线电信号s t 和s r 之间的相位差来确定活动部件210的位置和/或速度。在后一种情况下，发射的信号的可选调制可以是有帮助的。
在例如与速度感测相关的某些实施例中，活动部件210在垂直于活动部件的旋转轴252的平面中可以包括旋转对称横截面。在图2的示例中，该平面将是x-z平面。在例如与角度感测相关的其它实施例中，活动部件210在垂直于活动部件的旋转轴252的平面（例如，x-z平面）上可以包括旋转不对称横截面。最小和最大直径之间的差对于旋转对称或旋转不对称横截面两者而言可以是显著的。即，活动部件在该平面中的最小和最大直径之间的比可以小于0.9。
在已解释了本公开的某些一般方面之后，我们现在将转到一些更具体的示例。
图3示出具有紧密接近（在某些实施例中，小于5cm或者甚至小于1cm）于编码器轮或盘310的发射天线326-1和接收天线326-2的收发机电路320。在某些实施例中，还可以可能的是使用仅一个单个天线以及双工器来将发射和接收路径分离。编码器轮310在垂直于活动部件的旋转轴（y轴）的x-z平面中具有旋转对称横截面。在这里，天线326-1、326-2从编码器轮310径向向外定位，使得无线电信号s t 被平行于活动部件的旋转轴延伸的活动部件310的环形外表皮表面反射。
活动部件的环形外表皮表面在圆周方向上包括邻近表面部分312-1、312-2、312-3、312-4，其被配置成用于使从收发机电路320发射的无线电信号的电磁反射率交替。第一表面部分312-1的无线电信号的第一电磁反射率不同于邻近第二表面部分312-2的无线电信号的第二电磁反射率。例如，这可以通过对邻近表面部分使用不同的表面材料来完成。例如，可以通过金属化来获得第一电磁反射率，而可以在没有金属化的情况下获得第二电磁反射率。不同的电磁反射率引起或生成相应接收到的无线电信号的不同幅度。邻近于第二表面部分312-2的第三表面部分312-3的无线电信号的电磁反射率可以对应于第一表面部分312-1的第一电磁反射率。邻近于第三表面部分312-3的第四表面部分312-4的无线电信号的电磁反射率可以对应于第二表面部分312-2的第二电磁反射率，等等。以这种方式，在轮310旋转时可以获得具有高和低值的周期性振荡的输出信号323。例如，高输出信号值可以对应于具有高电磁反射率的表面部分312，而低输出信号值可以对应于具有低电磁反射率的表面部分312。在某些实施例中，第一电磁反射率可以大体上或显著地不同于第二电磁反射率，例如相差第一或第二电磁反射率的至少5%。即，第一电磁反射率与第二电磁反射率之间的比可以小于0.95（或大于1.05）。针对接收信号s r 和/或输出信号323的更显著的幅度振荡，第一电磁反射率与第二电磁反射率之间的比可以例如小于0.5（或大于1.5）。
在图3的示例中，雷达IC 320可以测量被结构化的目标轮310反射的接收信号s r 的功率的幅度调制/变化。幅度变化由邻近表面部分312-1、312-2、312-3、312-4之间的反射率的改变引起。交替反射率可以例如由塑料轮上的金属镀层引起。受益于本公开的技术人员将领会到用于使反射率交替的各种其它选择是可能的。
图4图示另外的示例性实施例，其中，活动部件的邻近表面部分被配置成引起或生成接收到的无线电信号的不同幅度。
图4a示出活动部件410（诸如环、盘或轴）的环形面。类似于图3的实施例，活动部件的环形面包括在圆周方向上布置的邻近表面部分412-1、412-2、412-3、412-4，其被配置成用于使从收发机电路420发射的无线电信号的电磁反射率交替。在图4的示例中，包括天线426的收发机电路420被布置在活动部件的环形面的前面。基于图3的x、y、z坐标系，在y方向上从收发机电路420向环形面发射无线电信号s t 。同时，活动部件的旋转轴也沿着y方向延伸。然而，在旋转轴与收发机电路420的位置之间可能存在径向偏移。因此，也可以使用盘410而不是轮，并且可以将具有天线426的IC 420放置于盘的前面。
图4b示出活动部件410'的环形面或横截面，诸如齿状论或齿轮。活动部件410'包括沿着其圆周被间隙412'-2分离的多个齿412'-1。齿轮410'在垂直于活动部件的旋转轴（y轴）的x-z平面中具有旋转对称横截面。天线426从齿轮410'径向向外定位，使得无线电信号s t 被平行于活动部件的旋转轴延伸的齿轮410'的外表皮表面反射。齿轮的表皮表面的齿412'-1和间隙412'-2在圆周方向上提供邻近表面部分，其以离轮的旋转轴的交替距离布置。这还导致各邻近表面部分412'-1、412'-2与收发机电路420的天线426之间的交替（最短）距离。那就是说，活动部件410'的第一表面部分412'-1与收发机电路420的天线426之间的最短距离（第一距离）可以不同于活动部件的邻近第二表面部分412'-2与收发机电路420的天线426之间的最短距离（第二距离）。技术人员将领会到第一和第二距离可以指的是图4b中的齿412'-1或间隙412'-2分别直接地面对一个或多个天线426时的距离。在图4a的示例描绘中，齿面对一个或多个天线426。
在某些实施例中，第一距离可以与第二距离相差多于第一或第二距离的5%。即，第一距离与第二距离之间的比可以小于0.95（或大于1.05）。针对接收信号s r 的更显著幅度振荡，第一距离与第二距离之间的比可以例如小于0.5（或大于1.5）。请注意，活动部件410'的邻近径向偏移表面部分412'-1和412'-2可以具有相同的电磁反射率。然而，可选地，其可以具有不同的电磁反射率以便进一步增强经反射的信号的变化。
因此，在某些实施例中，可以使用齿状轮而不是经金属印刷的轮，并且调制由于距离的改变而不是材料反射率中的改变而出现。
可以以不同的方式将实施例组合。例如，通过评估邻近天线的接收到的信号之间的相移，可以使用具有空间距离的天线阵列来除速度之外还检测旋转方向。因此，根据实施例的收发机电路可以包括天线阵列。该评估电路可以被进一步配置成基于天线阵列的不同天线元件的接收到的信号之间的相移来确定活动部件的旋转方向。在相移针对顺时针旋转可以具有某个符号时，相移在逆时针旋转的情况下可以具有相反的符号。在某些实施例中，天线阵列可以被复用，例如，每个天线可以被用来发射或接收。在某些实施例中，可以将天线集成在封装中或芯片上。在后一种情况下，可以有利的是转到200 GHz或更大的频率以便减小天线结构尺寸。已经用现在的CMOS通信IC给出在200 GHz载波上接收经调制的数据的能力（以上描述的设置的结果是相同的）。
受益于本公开的人将领会到还可以使用比评估接收到的反射雷达波的幅度/功率更复杂的雷达原理。例如，可以评估到反射对象的距离，其是脉冲雷达或调频连续波（FMCW）雷达的经典雷达测量中的一个。针对齿状轮处的测量，还可以使用连续波（CW）雷达与多普勒效应的评估，其可以递送速度信号，因为在接近齿的边沿处，目标的表面朝着雷达传感器移动（正速度脉冲），并且在接近间隙的边沿处，目标的表面远离传感器移动并递送负速度脉冲。因此，存在利用不同雷达原理的各种替换方案。
图7图示与用于速度感测的示例实施例相关的经反射的信号s r 的示例。
上信号过程（upper signal course）710可以例如通过对接收到的雷达信号进行下变频而获得，所述接收到的雷达信号已被具有不同反射率的邻近表面部分的移动（例如，旋转）活动部件反射。从RF域的信号下变频，其可以在雷达IC中执行，可以导致具有变化幅度和/或相位的潜在地有噪声的模拟或数字中频（IF）或基带雷达信号712。可以可选地对雷达信号712进行滤波以用于噪声抑制或减少。在图示的示例中，具有较高幅度的雷达信号部分可以对应于具有较高反射率的活动部件的部分，而具有较低幅度的信号部分可以对应于具有较低反射率的活动部件的部分。
图7的下部中的信号过程720描绘雷达传感器输出信号722的示例。例如，每当雷达信号712的幅度超过预限定信号阈值thres时，输出信号脉冲722可以被生成并且被朝着ECU发送。因此，在图示的示例中，使用上升信号边沿和预限定信号阈值来生成输出信号脉冲，导致具有电平‘高’和‘低’的二元传感器输出信号。受益于本公开的技术人员将领会到生成传感器输出信号的其它方法也是可能的。例如，也可以使用信号712的下降信号边沿和/或零点交叉作为用于输出信号脉冲的触发物。
在又另外的实施例中，信号过程710还可以表示参考信号与接收到的雷达信号之间的相位差。不同的相位差可以指示雷达信号的不同飞行时间，并且因此指示移动（例如，旋转）活动部件的不同部分。而且在这样的示例中，可以基于探测/提取相位差信号的信号边沿和/或阈值和/或零点交叉而生成或触发传感器输出信号722。
在某些实施例中，用于触发传感器输出信号脉冲的切换阈值还可以是自适应的。例如，阈值可以可适应于不同材料和/或形状的活动对象/部件。例如在某些实施方式中，（一个或多个）切换阈值可以经由学***的值未改变，则传感器输出始终在相同电平处进行切换。但在IC内部，可以存在紧密地高于和低于切换电平的两个不同电平，其可以用来准备输出。换言之，如果接收到的雷达信号的值穿过此滞后电平中的较低的一个，则如果雷达信号穿过切换电平，则输出可能能够进行切换。在此切换事件之后，可以禁用输出直到雷达信号的值穿过两个滞后电平中的一个。如果其穿过较高滞后电平，则可以再次地准备输出，并且如果雷达信号穿过切换电平，则可以进行切换。另一方面，如果在一个切换事件之后，雷达信号未达到较高滞后电平但是将再次地穿过较低滞后电平，则可以允许输出进行切换，以便将不丢失齿。
在速度感测应用中，输出信号脉冲722（例如，信号边沿）的出现可以与活动对象/部件的移动同步，例如输出信号的信号边沿可以与对象的结构诸如反射结构（例如，齿或安装在对象上的具体雷达反射结构）的出现同步。换言之，信号边沿对应于具体结构，诸如齿的开始（onset）等。因此，可以将一定时间间隔内的许多输出信号脉冲用于评估活动部件的速度。
其它实施例可以附加地或替换地采用存在于接收到的/经反射的雷达信号中的频率分量的分析。分析频谱（诸如例如谱扩展）还可以产生关于活动部件的速度的信息。在某些实施例中，可以在雷达传感器中（例如，在相同芯片上）执行雷达信号的分析以确定旋转速度信息。在某些实施例中，代替提供具有与输出信号边沿同步的边沿的输出信号脉冲，可以例如利用数字或模拟通信接口将在雷达传感器处确定的速度的绝对值传送到控制单元。
在已描述了用于速度感测的数个示例实施例之后，我们现在还将描述与测量位置或旋转角度相关的相同示例。角度感测可以在实施例中包括可旋转对象的旋转角度的明确（unambiguous）感测，也称为绝对角度感测。在本文中的实施例中提供的绝对角度感测能够根据针对具体旋转位置获取的测量结果来确定此对象的唯一旋转角度，例如0与360°之间的角度。另外，绝对角度传感器还可能能够提供连续角度信息。与增量传感器相反，绝对角度传感器不需要依赖于先前感测或存储的历史信息（诸如相对于参考指示的角度增量的先前计数）以便提供绝对旋转位置信息。因此，在某些实施例中，当绝对角度传感器被上电时，其能够报告其旋转位置而不需要任何另外的历史角度信息。根据某些实施例，这可以通过为机器提供可旋转活动部件来实现，所述可旋转活动部件在垂直于活动部件的旋转轴的平面中具有旋转不对称横截面。在某些实施例中，可以存在大体上的旋转不对称。因此，活动部件在该平面中的最小和最大直径之间的比可以小于0.9或者甚至小于0.5。收发机电路被配置成朝着活动部件发射无线电信号并且接收无线电信号从活动部件的反射。评估电路被配置成至少基于从旋转不对称活动部件反射的接收到的无线电信号来确定活动部件的旋转位置和/或旋转速度。
图5a示出包括收发机电路520的装置500，该收发机电路520具有发射天线526-1和接收天线526-2，其紧密接近（在某些实施例中，小于5 cm或者甚至小于1 cm）于活动部件510，该活动部件510在垂直于该活动部件的旋转轴552的平面中具有不对称横截面。例如，被测目标510可以是不对称轴（例如，凸轮轴或曲轴）。在图示的示例中，活动部件的横截面是椭圆形的。然而，其它旋转不对称横截面也是可能的。在这里，天线526-1、526-2从活动部件510径向向外定位，使得无线电信号s t 被平行于活动部件的旋转轴延伸的活动部件510的外表皮表面反射。
如在图5a的示例中所指示的，天线526-1和526-2与表皮表面之间的距离d与活动对象510的旋转角度α相关。在其中椭圆形活动对象510的长半轴平行于z方向（α=0）的位置中，距离d对应于天线526-1和526-2与活动对象510的表皮表面之间的最短距离。在此位置中，收发机电路520将检测到经反射的信号的最大幅度。在其中椭圆形活动对象510的长半轴平行于x方向（α=π/2）的位置中，距离d对应于天线526-1和526-2与活动对象510的表皮表面之间的最大距离。在此位置中，收发机电路520将检测到经反射的信号的最小幅度。在其中椭圆形活动对象510的长半轴反平行于z方向（α=π）的另外的位置中，距离d再次对应于天线526-1和526-2与活动对象510的表皮表面之间的最大距离。在此位置中，收发机电路520将再次检测到经反射的信号的最大幅度，等等。因此，可能的是基于经反射的信号的幅度或功率而检测180°明确角度信息。替换地或附加地，还可能的是检测振荡反射信号的幅度变化的频率。此频率指示活动对象510的旋转速度ω。频率越高，旋转速度ω就越高。
图5b图示附加地或替换地将多普勒效应用于其测量的示例。
在其中椭圆形活动对象510的长半轴平行于z方向（α=0）的位置中，距离d对应于天线526与活动对象510的表皮表面之间的最短距离。进一步地，z方向上的旋转速度分量是0。因此，在此位置中将不存在多普勒偏移的接收信号。在其中椭圆形活动对象510的短半轴平行于z方向（α=π/4）的随后的位置中，z方向上的旋转速度分量是最大的。因此，在此位置中将存在最大多普勒偏移的接收信号。最大多普勒频率的绝对值越高，活动对象510的旋转速度ω就越高。在其中椭圆形活动对象510的长半轴平行于x方向（α=π/2）的随后的位置中，距离d对应于天线526与表皮表面之间的最大距离。在此位置中，z方向上的旋转速度分量再次是0。因此，在此位置中将不存在多普勒偏移的接收信号。在其中椭圆形活动对象510的短半轴平行于x方向（α=3/4π）的随后的位置中，z方向上的旋转速度分量的绝对值再次是最大的，然而具有不同的符号。因此，在此位置中将存在最大多普勒频移的（具有不同符号）接收信号。
如从图5c中示出的示例可以看到的，旋转目标的形状也可以是不对称的，像绘图中的那个那样。与图5a、5b的示例相比，在图5c的示例中旋转不对称是明确的。那意味着可能不存在用于活动对象510'的对称轴。在这种情况下，可以将距离d直接地转换成360°明确旋转角度α。进一步地，该速度信号直接与旋转速度ω成比例，并且其符号指示旋转方向。
如在图5c中所指示的，雷达传感器还可以使用天线526的阵列来形成定向天线特性。此外，其可以使用不同的天线特性，例如-10°、0°和+10°，以便同时地观察目标510'上的不同点，其例如将允许：当目标510'的不连续部514出现在聚焦方向中的一个的焦点中时，保持速度和位置测量连续地进行。
将领会到的是由于活动部件的几何成形（旋转不对称），与测量位置或旋转角度相关的图示的示例可以连续地和/或绝对地测量角度。
受益于本公开的技术人员将领会到，根据实施例的雷达传感器可以附加地或替换地测量到线性移动对象（例如，内燃机中的活塞的底面）的距离或速度。那就是说，实施例不仅局限于活动部件的旋转移动的检测，而且局限于活动部件的线性移动的检测。
总而言之，实施例实现替换磁性传感器概念的用于位置和/或速度感测的方法。在图6中示出方法600的高层流程图。
方法600包括相对于收发机的至少一个天线（线性地和/或旋转地）移动610对象，其中，天线与活动对象之间的距离为（且保持）小于5cm。方法600还包括从收发机朝着活动对象发射620无线电信号，以及在收发机处接收630无线电信号从活动对象的反射。在动作640中，至少基于接收到的无线电信号来确定对象的位置和/或速度。
本公开的实施例可以被采用在许多工业领域中并且尤其被采用在汽车电子装置中，其中存在电测量旋转部件/轮（例如，ABS传感器、马达管理部等）的旋转速度的需要。实施例可以替换地或附加地用于对磁场敏感的半导体装置（例如，霍尔传感器；GMR传感器等）。在后一种情况下，除磁性传感器装置之外，还必须使用被附着到旋转对象或在其附近的小磁体。进一步地，磁性传感器必须被定位成非常接近旋转对象，因为其灵敏度随着到磁场源的距离而非常快速地减小。可允许的最大距离通常在毫米范围内。现代半导体技术使构建能够递送雷达波并感测经反射的雷达信号中的小幅度变化和/或相移/频移的小尺寸单片雷达收发机（<<1cm³）成为可能。本公开提出将这样的传感器用于测量距传感器几厘米的紧密接近处的任何旋转部件的旋转速度。因此，到旋转对象的距离可以显著更大（至少厘米范围）。进一步地，不需要昂贵且麻烦的磁体。
该描述和绘图仅仅说明本公开的原理。因此将领会到，本领域技术人员将能够设想出尽管没有在本文中明确描述或示出但是体现本公开的原理的各种布置。此外，在本文中叙述的所有示例主要意图明确地仅用于教学目的以帮助读者理解由（一个或多个）发明人贡献以促进本领域的概念以及本公开的原理，并且要被解释为不限于这样具体叙述的示例和条件。此外，叙述本公开的原理、方面和实施例的本文中的所有陈述以及其具体示例意图涵盖其等同物。
应该由本领域技术人员领会到，在本文中的任何框图表示使本公开的原理具体化的说明性电路的概念性视图。相似地，将领会到，任何流程图表、流程图、状态转换图、伪代码等等表示大体上可以在计算机可读介质中表示并且因此由计算机或处理器（无论这种计算机或处理器是否被明确示出）执行的各种过程。
此外，下面的权利要求由此被并入到具体描述中，其中每个权利要求可以独立用作单独的示例实施例。虽然每个权利要求可以独立用作单独的示例实施例，但要注意的是，尽管从属权利要求可以在权利要求中指代与一个或多个其它权利要求的具体组合，但是其它示例实施例还可以包括所述从属权利要求与每个其它从属或独立权利要求的主题的组合。在本文中提出这样的组合，除非陈述具体组合不是意图的。此外，旨在还将权利要求的特征包括到任何其它独立权利要求，即使此权利要求不直接从属于该独立权利要求。
还要注意的是，在说明书中或在权利要求中公开的方法可由具有用于执行这些方法的相应动作中的每个动作的用具的装置来实现。
此外，要理解的是，在说明书或权利要求中公开的多个动作或功能的公开不可以被解释为在所述具体次序之内。因此，多个动作或功能的公开将不把这些限制于具体次序，除非这样的动作或功能由于技术原因是不可互换的。此外，在一些实施例中，单个动作可以包括多个子动作或者可以被分解成多个子动作。除非明确地排除，否则这样的子动作可以被包括并且是这个单个动作的公开的部分。

Claims (22)

1.一种机器，包括：
活动部件；
收发机电路，其被配置成朝着所述活动部件发射无线电信号并接收无线电信号从所述活动部件的反射；
评估电路，其被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定所述活动部件的位置或速度，
其中，所述收发机电路的天线与所述活动部件之间的距离小于5cm。
2.权利要求1所述的机器，其中，所述收发机电路被配置成发射具有小于100µW的电功率的无线电信号。
3.权利要求1所述的机器，其中，所述收发机电路包括天线阵列，并且其中，所述评估电路被进一步配置成基于所述天线阵列的不同天线元件的接收到的信号的组合来确定所述活动部件的旋转方向。
4.权利要求1所述的机器，其中，所述收发机电路和所述评估电路被集成在公共半导体封装或芯片中。
5.权利要求1所述的机器，其中，所述活动部件和收发机电路被共同地布置在屏蔽外壳中。
6.权利要求1所述的机器，其中，所述活动部件的邻近表面部分被配置成用于使无线电信号的电磁反射率交替。
7.权利要求1所述的机器，其中，所述活动部件是可旋转活动部件，并且其中，所述评估电路被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定所述活动部件的旋转位置或旋转速度。
8.权利要求1所述的机器，其中，所述活动部件在垂直于所述活动部件的旋转轴的平面中包括旋转对称横截面。
9.权利要求1所述的机器，其中，所述活动部件是轮、盘或轴。
10.权利要求1所述的机器，其中，所述活动部件在垂直于所述活动部件的旋转轴的平面中包括旋转不对称横截面。
11.权利要求1所述的机器，其中，所述活动部件在所述平面中的最小和最大直径之间的比小于0.9。
12.权利要求1所述的机器，其中，所述评估电路被配置成基于接收到的信号的功率的变化或者发射的和接收到的无线电信号之间的相位差来确定所述活动部件的位置或速度。
13.权利要求1所述的机器，其中，所述机器是车辆。
14.一种机器，包括：
活动部件；
收发机电路，其被配置成朝着所述活动部件发射无线电信号并接收无线电信号从所述活动部件的反射；
评估电路，其被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定所述活动部件的位置或速度中的至少一个，
其中，所述活动部件的邻近表面部分被配置成引起接收到的无线电信号的不同幅度。
15.权利要求14所述的机器，其中，第一表面部分的无线电信号的第一电磁反射率不同于邻近第二表面部分的无线电信号的第二电磁反射率。
16.权利要求15所述的机器，其中，所述第一电磁反射率与所述第二电磁反射率相差多于第一或第二电磁反射率的5%。
17.权利要求14所述的机器，其中，所述活动部件的第一表面部分与所述收发机电路的天线之间的最短距离不同于所述活动部件的邻近第二表面部分与所述收发机电路的天线之间的最短距离。
18.权利要求17所述的机器，其中，所述第一表面部分与天线之间的最短距离与所述邻近第二表面部分与天线之间的最短距离相差多于5%。
19.权利要求14所述的机器，其中，所述收发机电路的天线与所述活动部件之间的距离小于5cm。
20.一种机器，包括：
旋转活动部件，其在垂直于活动部件的旋转轴的平面中具有旋转不对称横截面；
收发机电路，其被配置成朝着所述活动部件发射无线电信号并接收无线电信号从所述活动部件的反射；
评估电路，其被配置成至少基于接收到的无线电信号来确定所述活动部件的旋转位置或旋转速度中的至少一个。
21.权利要求20所述的机器，其中，所述活动部件在所述平面中的最小和最大直径之间的比小于0.9。
22.权利要求20所述的机器，其中，所述收发机电路的天线与所述活动部件之间的距离小于5cm。
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