DE4117158A1 - Microwave contactless distance measurer with circulator and second mixer - interprets phase difference between transmission and received echo using cosine-shaped distance relationship of output voltage - Google Patents

Abstract

Energy from the generator (40) is transmitted through the circulator (30) and attenuator (20) to an antenna (10) which also receives the reflection from the object (33) at a distance of typically a few millimetres. The reflected energy passes through the circulator (30) to the second mixer (50) whose output is filtered (60) for further processing. 10 to 20 dB attenuation (D) prevents resynchronisation of the generator (40) by echo signals and overdrive of the mixer (50), which may be duplicated for quadrature outputs. USE/ADVANTAGE - In motor vehicles, fabrication plants or consumer electronics, very small movements can be measured with high precision and reliability.

Description

Die Erfindung betrifft einen berührungslosen Abstandsmeß­ sensor gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.The invention relates to a non-contact distance measurement Sensor according to the preamble of claim 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.The arrangement according to the invention is used everywhere there sets where non-contact distances are to be determined and therefore comes in the automotive sector, in the area of manufacturing plants gen as well as in the field of consumer electronics.

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.Optical, inductive, capacitive, magnetic, pneumatic and ultrasonic sensors for measuring ab stands or their changes. However, these systems are highly susceptible to disruption to extreme environmental influences or expensive.

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.The object of the invention is to provide an arrangement realize, by means of the changes in distance, also such smallest type, can be determined or distances with be determined with high accuracy. The influence of Disruptions should be minimized so that a maximum Ensure reliability of the arrangement according to the invention is steady. In addition, this arrangement is said to be inexpensive, mate are economical and easy to manufacture.

Die Lösung der Aufgabe ist in Patentanspruch 1 beschrie­ ben. In den Unteransprüchen sind vorteilhafte Aus- und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Anordnung ausge­ führt.The solution to the problem is described in claim 1 ben. In the dependent claims are advantageous training and Developments of the arrangement according to the invention leads.

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.The solution concept according to the invention consists in or millimeter waves on the part of the arrangement according to the invention and the beam reflected from the object len to receive and phase shifts as a distance measure evaluate.

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.For this purpose, power is generated in a generator and via a circulator, an attenuator and an antenna the object emitted. The echoes reflected on the object become one via the attenuator and the circulator Mixer directed, preferably a fil at the exit ter is trained. The mixer signal is the generator signal added directly or out of phase.

Im folgenden wird die Erfindung von Fig. 1 bis Fig. 5 er­ läutert. Es zeigtIn the following he explains the invention from Fig. 1 to Fig. 5. It shows

Fig. 1 eine vorteilhafte Ausführungsform der erfindungs­ gemäßen Anordnung; Fig. 1 shows an advantageous embodiment of the arrangement according to the Invention;

Fig. 2 einen möglichen Signalverlauf am Ausgang des Fil­ ters; Figure 2 shows a possible waveform at the output of the Fil ters.

Fig. 3 eine Weiterbildung der erfindungsgemäßen Anord­ nung; Fig. 3 is a further development of the Anord invention;

Fig. 4 einen möglichen Signalverlauf an den Ausgängen des Filters; FIG. 4 shows a potential waveform at the outputs of the filter;

Fig. 5 das Blockschaltbild einer vorteilhaften Ausfüh­ rungsform der Meßanordnung. Fig. 5 shows the block diagram of an advantageous embodiment of the measuring arrangement.

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Anordnung. Fig. 1 shows an advantageous embodiment of the inventive arrangement.

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. The power generated in the generator 40 is fed directly to the second mixer 50 via a first path. At the same time, this power is supplied to the circulator 30 , which emits it via the attenuator 20 and then via the antenna 10 to the object 33 . The object 33 reflects this energy and the antenna 10 emits this reflected energy via the attenuator 20 , the zir culator 30 to a second mixer 50 . At the output of the second mixer 50 , a second filter 60 is formed, on which the evaluation unit, not shown here, is further processed.

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:If the generator 40 generates a signal with the curve U ₁ a wt with w = 2πf, there is an output voltage at the output of the second filter 60 with a functional relationship of the form:

Hierbei ist:Here is:

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.U _a = the output voltage at the first filter 60 ,
U ₁ = the output voltage at generator 40 ,
U ₂ = the output voltage at the circulator 30 ,
γ = the mean phase shift between the echo signal and the emitted signal,
f = the mean transmission frequency.

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).Since γ depends not only on an internal phase runtime but also on the object distance s, there is an approximately cos-shaped relationship between the output voltage and the distance between the antenna and the object ( 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.The assignment U _a to s is ambiguous according to the cos function, for small measuring ranges MB around the zero crossing, however, after rough knowledge of the expected distance (which is stored in the evaluation unit and used for evaluation), it is very precise Readings.

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.An essential component is the attenuator 20 . Together with the circulator 30 , it prevents a back-synchronization of the generator 40 by the echo signals, as well as an overdriving of the mixer 50 . In practice, the measuring distance is typically only a few millimeters. The attenuation can therefore be approximately 10-20 dB.

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.The further development of the invention according to Fig. 3 is formed opposite to Fig. 1 to a first mixer 51, at the output of a first filter 61 and a phase-shifting element 77 extends. The phase rotator 77 is connected to the most mixer 51 and is on the input side at the output of the generator 40 . The inputs of the first mixer 51 and the second mixer 50 are connected in parallel to one another.

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).By using two mixers, which are phase-shifted from each other by the generator 40 , the output signals are two, which are also separated by approximately 90 °. This ensures that one of the two output signals can always be used ( 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.This results in an additional advantage that the slope of the output voltage, which also depends on the reflectivity of the target surface, can be easily calculated. For this purpose, for example, U _{a1 is brought} into the zero crossing. U _a2 is then at its maximum and thus a measure of the curve steepness.

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.For the device function, it is irrelevant whether Table distances are measured or dynamic vibrations and small movements are considered. At dyna mixing operations, it is often advantageous instead of one  Numerical display a spectral evaluation of the vibration to make amplitudes.

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.The block diagram of an advantageous embodiment of the entire measuring arrangement is shown in FIG. 5. It consists of the series connection of the antenna 10 , one of the arrangements according to FIG. 1 or 3, the evaluation unit 80 and a display 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.Small funnels, lenses or planar patch antennas are used as antennas. The assembly 70 according to FIG. 5 is the embodiment according to the invention according to FIG. 1 or 3. The evaluation unit AE converts the analog output values U _a , which are device-specific due to internal and external radar parameters, into distance values and guides them the display part ANZ further.

Claims (7)

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.

1. Non-contact distance measuring sensor for the high frequency range, characterized in that

• - An antenna ( 10 ) is connected to a circulator ( 30 ) via an attenuator ( 20 );
• - A generator ( 40 ) is connected to the circulator ( 30 ) and a second (first and second) mixer 50 ( 51 , 50 ).

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator (30) auf den zweiten Mischer (50) aufge­ schaltet ist.2. Arrangement according to claim 1, characterized in that the circulator ( 30 ) on the second mixer ( 50 ) is switched on. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Zirkulator (30) auf den ersten (51) und zweiten (50) Mischer aufgeschaltet ist.3. Arrangement according to claim 1, characterized in that the circulator ( 30 ) is connected to the first ( 51 ) and second ( 50 ) mixer. 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.4. Arrangement according to claim 3, characterized in that a phase rotating element ( 77 ) is formed between the output of the generator ( 40 ) and the mixer input of the first mixer ( 51 ). 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.5. Arrangement according to claim 3 and / or 4, characterized in that the inputs of the first mixer ( 51 ) and the second mixer ( 50 ) on the input side are linked together. 6. Anordnung nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an den Mischern Filter ausgebildet sind.6. Arrangement according to one of the preceding claims, characterized characterized in that filters are formed on the mixers are. 7. Anordnung anch Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß eine Auswertung an den Filtern ausgebildet ist.7. Arrangement according to claim 6, characterized in that an evaluation is formed on the filters.