DE4117158A1

DE4117158A1 - Beruehrungsloser abstandsmesssensor

Info

Publication number: DE4117158A1
Application number: DE19914117158
Authority: DE
Inventors: Kurt Dipl Ing Lindner
Original assignee: Telefunken Systemtechnik AG
Current assignee: Airbus Defence and Space GmbH
Priority date: 1991-05-25
Filing date: 1991-05-25
Publication date: 1992-11-26

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Abstandsmeß sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Die erfindungsgemäße Anordnung wird überall dort einge setzt, wo berührungslos Abstände zu ermitteln sind und kommt daher im Kfz-Bereich, im Bereich der Fertigungsanla gen sowie im Bereich der Konsumelektronik zur Anwendung.

Bekannt sind optische, induktive, kapazitive, magnetische, pneumatische und Ultraschallsensoren zur Messung von Ab ständen bzw. deren Änderungen. Diese Systeme sind jedoch gegenüber extremen Umwelteinflüssen stark störanfällig oder teuer.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine Anordnung zu realisieren, mittels der Abstandsänderungen, auch solche kleinster Art, ermittelt werden können bzw. Abstände mit hoher Genauigkeit zu bestimmen sein. Der Einfluß von Störungen soll dabei minimiert sein, so daß eine maximale Zuverlässigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung gewährlei stet ist. Zusätzlich soll diese Anordnung preiswert, mate rialsparend und leicht herstellbar ausfallen.

Die Lösung der Aufgabe ist in Patentanspruch 1 beschrie ben. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung ausge führt.

Der erfindungsgemäße Lösungsgedanke besteht darin, Mikro- oder Millimeterwellen seitens der erfindungsgemäßen Anord nung auszusenden, und die vom Objekt reflektierten Strah len zu empfangen und Phasenverschiebungen als Abstandsmaß auszuwerten.

In einem Generator wird hierzu Leistung erzeugt und über einen Zirkulator, ein Dämpfungsglied und eine Antenne auf das Objekt abgestrahlt. Die am Objekt reflektierten Echos werden über das Dämpfungsglied und dem Zirkulator zu einem Mischer geleitet, an dessen Ausgang vorzugsweise ein Fil ter ausgebildet ist. Dem Mischer wird das Generatorsignal direkt oder phasenverschoben zugesetzt.

Im folgenden wird die Erfindung von Fig. 1 bis Fig. 5 er läutert. Es zeigt

Fig. 1 eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungs gemäßen Anordnung;

Fig. 2 einen möglichen Signalverlauf am Ausgang des Fil ters;

Fig. 3 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anord nung;

Fig. 4 einen möglichen Signalverlauf an den Ausgängen des Filters;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausfüh rungsform der Meßanordnung.

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der erfin dungsgemäßen Anordnung.

Die in dem Generator 40 erzeugte Leistung wird über einen ersten Weg dem zweiten Mischer 50 direkt zugeführt. Gleichzeitig wird diese Leistung dem Zirkulator 30 zuge führt, der sie über das Dämpfungsglied 20 und anschließend über die Antenne 10 an das Objekt 33 abstrahlt. Das Objekt 33 reflektiert diese Energie und die Antenne 10 gibt diese reflektierte Energie über das Dämpfungsglied 20, den Zir kulator 30 an einen zweiten Mischer 50 ab. Am Ausgang des zweiten Mischers 50 ist ein zweiter Filter 60 ausgebildet, an dem das in einer hier nicht gezeigten Auswerteeinheit weiterverarbeitet wird.

Erzeugt der Generator 40 ein Signal mit dem Verlauf U₁ ein wt mit w = 2πf, so ist am Ausgang des zweiten Fil ters 60 eine Ausgangsspannug mit einem funktionalen Zusam menhang der Form:

Hierbei ist:

U_a = die Ausgangsspannung am ersten Filter 60,
U₁ = die Ausgangsspannung am Generator 40,
U₂ = die Ausgangsspannung am Zirkulator 30,
γ = die mittlere Phasenverschiebung zwischen Echosignal und emittiertem Signal,
f = die mittlere Sendefrequenz.

Da γ neben einer geräteinternen konstanten Phasenlaufzeit nur von der Objektentfernung s abhängt, ergibt sich ein in etwa cos-förmiger Zusammenhang der Ausgangsspannung bezüg lich des Abstands zwischen Antenne und Objekt (Fig. 2).

Die Zuordnung U_a zu s ist gemäß der cos-Funktion zwar vieldeutig, für kleine Meßbereiche MB um den Nulldurchgang ergeben sich jedoch nach grober Vorkenntnis über den zu erwartenden Abstand (der in der Auswerteeinheit abgespei chert und zur Auswertung mit herangezogen wird) sehr ge naue Meßwerte.

Eine wesentliche Komponente ist das Dämpfungsglied 20. Zu sammen mit dem Zirkulator 30 verhindert es eine Rücksyn chronisation des Generators 40 durch die Echossignale, so wie ein Übersteuern des Mischers 50. In der Praxis beträgt der Meßabstand typisch nur einige Millimeter. Somit kann die Dämpfung in etwa 10-20 dB betragen.

Die erfindungsgemäße Weiterbildung nach Fig. 3 ist gegen über Fig. 1 um einen ersten Mischer 51, an dessen Ausgang ein erster Filter 61 ausgebildet ist, und ein Phasendreh glied 77 erweitert. Das Phasendrehglied 77 ist auf den er sten Mischer 51 aufgeschaltet und liegt eingangsseitig am Ausgang des Generators 40. Die Eingänge des ersten Mi schers 51 und des zweiten Mischers 50 liegen in Parallel schaltung zueinander.

Durch Verwendung von zwei Mischern, welche um 90° gegen einander phasenverschoben vom Generator 40 versorgt wer den, ergeben sich zwei Ausgangssignale, welche ebenso um in etwa 90° auseinanderliegen. Dadurch ist gewährleistet, daß immer eines der beiden Ausgangssignale verwendbar ist (Fig. 4).

Hierdurch ergibt sich als zusätzlicher Vorteil, daß sich die Steilheit der Ausgangsspannung, welche auch vom Refle xionsvermögen der Zielfläche abhängt, leicht einrechnen läßt. Dazu wird zum Beispiel U_a1 in den Nulldurchgang ge bracht. U_a2 ist dann im Maximum und damit ein Maß für die Kurvensteilheit.

Für die Gerätefunktion ist es unerheblich, ob damit sta tisch Abstände gemessen werden oder dynamisch Vibrationen und kleine Bewegungsvorgänge betrachtet werden. Bei dyna mischen Vorgängen ist es oft vorteilhaft, anstelle einer Ziffernanzeige eine spektrale Auswertung der Schwingungs amplituden vorzunehmen.

Das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausführungsform der gesamten Meßanordnung ist in Fig. 5 dargestellt. Es besteht aus der Serienschaltung von der Antenne 10, einer der Anordnungen nach Fig. 1 oder 3, der Auswerteeinheit 80 und einer Anzeige 90.

Als Antenne werden kleine Trichter, Linsen oder planare Patchantennen verwendet. Bei der Baugruppe 70 nach Fig. 5 handelt es sich um die erfindungsgemäßen Ausführungsformen nach Fig. 1 oder 3. Die Auswerteeinheit AE formt die analogen Ausgangswerte U_a, welche durch interne und ex terne Radarparameter gerätespezifisch sind, in Entfer nungswerte um und leitet sie an den Anzeigeteil ANZ wei ter.

Claims

1. Berührungsloser Abstandsmeßsensor für den Hoch frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß

- eine Antenne (10) über ein Dämpfungsglied (20) auf einen Zirkulator (30) geschaltet ist;
- ein Generator (40) auf den Zirkulator (30) und einen zweiten (ersten und zweiten) Mischer 50 (51, 50) aufgeschaltet ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator (30) auf den zweiten Mischer (50) aufge schaltet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator (30) auf den ersten (51) und zweiten (50) Mischer aufgeschaltet ist.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Phasendrehglied (77) zwischen dem Ausgang des Genera tors (40) und dem Mischereingang des ersten Mischers (51) ausgebildet ist.

5. Anordnung nach Anspruch 3 und/oder 4, dadurch gekenn zeichnet, daß die Eingänge des ersten Mischers (51) und des zweiten Mischers (50) eingangsseitig miteinander ver knüpft sind.

6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Mischern Filter ausgebildet sind.

7. Anordnung anch Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung an den Filtern ausgebildet ist.