本發(fā)明涉及一種尤其是用于金屬和介電目標(biāo)物體的距離測(cè)量裝置。從EP 1 000 314 B中已知一種具有傳感器和分析電子設(shè)備的距離測(cè)量裝置，在所述距離測(cè)量裝置中傳感器具有空腔諧振器形式的諧振器，例如利用流體材料、例如空氣或惰性氣體來(lái)填充該諧振器。

背景技術(shù)：

可替代地，將電感式傳感器、電容式傳感器、光學(xué)傳感器和超聲傳感器用于近區(qū)（Nahbereich）中的測(cè)量。

電感式傳感器基于交變磁場(chǎng)原理，并且僅僅在金屬目標(biāo)的情況下起作用，其中為了達(dá)到高的測(cè)量精確度必須已知材料及其大小。直接并排地安裝的電感式傳感器相互影響，因?yàn)槠涮綔y(cè)區(qū)域包括直至180°的角度范圍。此外，靜態(tài)和動(dòng)態(tài)磁場(chǎng)可能損害傳感器的功能性。測(cè)量精確度也隨著溫度波動(dòng)。

在電容式傳感器的情況下，為了可靠的距離測(cè)量，目標(biāo)的物體大小以及材料都必須是已知的。此外，測(cè)量精確度受到空氣濕度、溫度和電磁場(chǎng)影響。

光學(xué)傳感器僅能以有限規(guī)模用于工業(yè)應(yīng)用中，因?yàn)樵谑芪廴镜沫h(huán)境中不保證所述光學(xué)傳感器的功能性。

在超聲傳感器的情況下，測(cè)量精確度強(qiáng)烈地依賴于環(huán)境條件、諸如空氣濕度和溫度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

利用本發(fā)明，提供根據(jù)專(zhuān)利權(quán)利要求1所述的距離測(cè)量裝置，該距離測(cè)量裝置尤其是能夠用于金屬目標(biāo)和介電目標(biāo)，但是也能夠用于諸如所涂層的塑料材料之類(lèi)的其它目標(biāo)材料并且特點(diǎn)是非常好的測(cè)量特性。

此外，利用本發(fā)明提供根據(jù)專(zhuān)利權(quán)利要求16所述的裝置、例如距離測(cè)量裝置，該裝置的特點(diǎn)是特殊的諧振特性或諧振模式。

若干擴(kuò)展方案在從屬權(quán)利要求中加以說(shuō)明。

在根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量裝置或根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量方法的一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，實(shí)現(xiàn)如下優(yōu)點(diǎn)：實(shí)現(xiàn)了顯著的作用距離提升，也就是說(shuō)，傳感器與目標(biāo)物體之間的可測(cè)量的距離與相同結(jié)構(gòu)尺寸的電感式接近傳感器相比明顯提高為例如2至3倍。

在此，同時(shí)也可以遵循所期望的設(shè)計(jì)要求，比如盡可能大的頻率范圍中的模式純度（Modenreinheit）；電磁波到諧振器中容易的耦合輸入或耦合輸出；和/或傳感器在介電材料與空氣之間的界面處的小的集膚電流（Wandstrom）。

在根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量裝置或根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量方法的一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，使用如下傳感器，所述傳感器例如可以被構(gòu)造為因子1傳感器（Faktor-1-傳感器）。在例如涉及金屬并且目標(biāo)面的大小不顯著低于傳感器的直徑或傳感器面時(shí)，這樣的傳感器可以在所有目標(biāo)的情況下具有相同的測(cè)量曲線。

在此，傳感器可以在一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中由于特殊的構(gòu)造結(jié)構(gòu)而具有小的安裝縫隙，并且因此相對(duì)于包圍傳感器的組件在高度方面向上或向下僅僅稍微偏置或者完全不偏置。

根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供一種距離測(cè)量裝置，所述距離測(cè)量裝置尤其是能夠用于金屬目標(biāo)物體或介電目標(biāo)物體并且具有擁有諧振腔和諧振結(jié)構(gòu)的傳感器，其中諧振結(jié)構(gòu)具有由介電材料構(gòu)成的元件，該元件具有邊緣側(cè)的狹窄部。諧振腔的諧振頻率依賴于元件與目標(biāo)物體之間的距離。

邊緣側(cè)的狹窄部可以是例如以缺口或凹槽形式的環(huán)繞的（umlaufend）、例如旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的狹窄部，所述狹窄部例如可以具有矩形橫截面。

該元件可以被構(gòu)造成有角的或圓柱形的。

狹窄部例如可以具有元件高度的5至25%或者10至20%或者大致15%的高度，或者可以是0.2至1.0mm或可選地為0.5至0.7mm或大致0.6mm高。

另外或可替代地，狹窄部例如可以具有元件寬度的5至25%或者10至20%或者大致15%的深度，或者可以是1.0至3.8mm或可選地為1.6至3.2mm或大致2.4mm深。狹窄部可以布置在元件的上三分之一中、在套管邊緣（如果存在的話）之上。

元件的下部區(qū)域——可選地包括狹窄部的邊緣面——可以完全、部分或大部分地被金屬化，并且元件的外部區(qū)域和/或上部區(qū)域可以用塑料來(lái)擠壓包封。

傳感器的諧振結(jié)構(gòu)可以至少部分地布置在套管中，并且元件在套管中被定位，使得元件的上部區(qū)域部分地位于套管之上。

在距離測(cè)量裝置的一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，可以設(shè)置用于產(chǎn)生可選地經(jīng)頻率調(diào)制的信號(hào)的信號(hào)發(fā)生器，該信號(hào)被耦合輸入到諧振結(jié)構(gòu)中，其中在諧振結(jié)構(gòu)的另一位置處在存在諧振的情況下耦合輸出一個(gè)信號(hào)。

距離測(cè)量裝置可以具有裝置以便將從諧振結(jié)構(gòu)中耦合輸出的信號(hào)降混頻（heruntermischen）到基帶中、對(duì)所述信號(hào)進(jìn)行放大、濾波和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換。

距離測(cè)量裝置可以包含：至少一個(gè)振蕩器，其用于產(chǎn)生耦合輸入到諧振結(jié)構(gòu)中的信號(hào)以及本地振蕩器信號(hào)（LO信號(hào)）；以及混頻器，給所述混頻器可以輸送從諧振結(jié)構(gòu)中耦合輸出的信號(hào)和本地振蕩器信號(hào)。

諧振結(jié)構(gòu)可以被構(gòu)造為使得其可以被電激勵(lì)和/或磁激勵(lì)。

在本發(fā)明的一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中或另一方面，具有諧振結(jié)構(gòu)的裝置在幾何上可以被設(shè)計(jì)為使得在諧振結(jié)構(gòu)中形成一種模式，該模式至少主要具有H111或TE111和H011或TE011模式的形式。這可以被用于距離測(cè)量，但也可以用于其它目的。

模式可以包含如下分量，所述分量的形式如TM模式那樣來(lái)形成。

傳感器邊緣處的狹窄部可以如扼流圈那樣起作用，并且將短路特性變換成空轉(zhuǎn)特性。

在一個(gè)或多個(gè)實(shí)施例中，可以為了實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的傳感器特性而設(shè)置至少兩個(gè)諧振器耦合輸入點(diǎn)，所述諧振器耦合輸入點(diǎn)可以在幾何上偏置確定的角度或距離。具有例如90°的確定的相位差、可選地具有相同幅度的信號(hào)可以被饋入到所述至少兩個(gè)諧振器耦合輸入點(diǎn)中，使得得出模式的循環(huán)。

利用本發(fā)明的另一方面，提供了一種尤其是用于金屬或介電目標(biāo)物體的利用如下傳感器的距離測(cè)量方法，該傳感器具有諧振腔和諧振結(jié)構(gòu)，其中諧振結(jié)構(gòu)具有由介電材料構(gòu)成的元件，該元件具有邊緣側(cè)的狹窄部，其中諧振腔的諧振頻率依賴于元件與目標(biāo)物體之間的距離。在一個(gè)位置處，信號(hào)可以被饋入到諧振結(jié)構(gòu)中，并且在諧振結(jié)構(gòu)的另一位置處，在存在諧振的情況下，信號(hào)可以被耦合輸出。

在例如距離測(cè)量方法之類(lèi)的方法中，某一諧振結(jié)構(gòu)或所述諧振結(jié)構(gòu)在幾何上被設(shè)計(jì)為使得在諧振結(jié)構(gòu)中形成一種模式，該模式至少主要具有H011或TE011和/或H111或TE111模式的形式。

旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的傳感器特性可以通過(guò)如下方式來(lái)實(shí)現(xiàn)：信號(hào)通過(guò)第一諧振器耦合輸入點(diǎn)被饋入，并且通過(guò)與第一諧振器耦合輸入點(diǎn)偏置地布置的第二諧振器耦合輸入點(diǎn)被耦合輸出。如果具有例如90°的相位差、可選地具有相同幅度的信號(hào)被饋入到所述至少兩個(gè)諧振器耦合輸入點(diǎn)或諧振器耦合點(diǎn)中，則得出模式的循環(huán)。

附圖說(shuō)明

下面根據(jù)在附圖中所示出的實(shí)施方式來(lái)進(jìn)一步描述本發(fā)明。

圖1示出了根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例的框電路圖；

圖2示出了能夠在根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量裝置或距離測(cè)量中使用的諧振器結(jié)構(gòu)的一個(gè)實(shí)施方式的截面圖；

圖3示出了在根據(jù)圖2的諧振器結(jié)構(gòu)的情況下模式分量；

圖4示出了根據(jù)本發(fā)明的以循環(huán)模式工作的距離測(cè)量裝置的一個(gè)實(shí)施例的框電路圖；

圖5示出了循環(huán)或循環(huán)性模式的簡(jiǎn)化圖示；

圖6示出了諧振頻率關(guān)于目標(biāo)距離的頻率響應(yīng)；以及

圖7至23示出了根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量裝置的實(shí)施例中的模擬設(shè)定和模擬結(jié)果以及頻率曲線和場(chǎng)變化過(guò)程。

具體實(shí)施方式

傳感器的原理在根據(jù)圖1的一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中在于，確定諧振腔的頻率，該諧振腔通過(guò)位于傳感器中的諧振結(jié)構(gòu)、以及如下目標(biāo)來(lái)定義，所述目標(biāo)具有距傳感器的確定的要檢測(cè)的距離，所述距離在下面也被稱為目標(biāo)距離。

目標(biāo)距離可以基于諧振頻率對(duì)目標(biāo)距離的依賴性來(lái)確定。在此，諧振結(jié)構(gòu)可以被耦合輸入或施加經(jīng)頻率調(diào)制的信號(hào)，并且可以在諧振結(jié)構(gòu)的另一位置處在存在諧振的情況下耦合輸出信號(hào)。耦合輸出的信號(hào)于是可以被降混頻到基帶中、被放大、被濾波和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換。

如圖1中所示，在所示出的實(shí)施例中，存在例如以電子電路形式的操控/分析設(shè)備1，該操控/分析設(shè)備1通過(guò)導(dǎo)線2將例如以調(diào)諧電壓形式的控制信號(hào)施加到壓控振蕩器VCO 3處。由VCO 3輸出的經(jīng)頻率調(diào)制的信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線4作為激勵(lì)信號(hào)施加到諧振結(jié)構(gòu)5的輸入接線端子5'處。

從諧振結(jié)構(gòu)5在另一接線端子5''處接受輸出信號(hào)，該輸出信號(hào)通過(guò)導(dǎo)線6施加到混頻器7上，其中通過(guò)第二輸入端8給所述混頻器7輸送在導(dǎo)線4上出現(xiàn)的、被饋入到諧振結(jié)構(gòu)5中的信號(hào)作為本地振蕩器信號(hào)。

在一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，混頻器7的輸出信號(hào)被引導(dǎo)通過(guò)放大器9、低通濾波器10和/或模數(shù)轉(zhuǎn)換器11，并且然后通過(guò)輸入端被饋入到操控和分析設(shè)備1中。

在一些實(shí)施例中，施加到混頻器7的輸入端8處的本地振蕩器信號(hào)（LO信號(hào)）可以由不同于VCO 3的振蕩器來(lái)生成，但是在根據(jù)圖1的實(shí)施例和另外的實(shí)施例中由與輸入端5處的耦合輸入信號(hào)相同的振蕩器3來(lái)生成。在此，該混頻原理實(shí)現(xiàn)了幅度靈敏性并且防止了在諧振頻率的情況下的以及在通過(guò)彼此相對(duì)的構(gòu)造相同的傳感器的耦合輸入中的多義性。

在一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，傳感器可以按如下方式來(lái)構(gòu)造。傳感器根據(jù)圖2中的圖示具有諧振結(jié)構(gòu)5，其中尺寸在這種情況下涉及大小為M18（在可螺栓緊固的傳感器的情況下作為螺紋大小的度量ISO螺紋）的傳感器的典型尺寸，并且可以根據(jù)需要和大小相應(yīng)任意地被改動(dòng)或改變。在所示出的實(shí)施例中，傳感器被實(shí)施為具有大約4.2mm厚度以及18mm直徑的圓盤(pán)。

在所示出的實(shí)施例中，諧振結(jié)構(gòu)5主要由用介電材料構(gòu)成的可選地具有圓柱形形狀的元件14、目標(biāo)物體20、以及在兩個(gè)物體14、20之間的空氣區(qū)域19構(gòu)成。利用該布置，可以在小的幾何比例的情況下實(shí)現(xiàn)高的諧振頻率。

在一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，元件14的介電材料具有狹窄部18、例如環(huán)繞的邊緣側(cè)的和/或旋轉(zhuǎn)對(duì)稱的狹窄部，其形式為凹陷或缺口、比如側(cè)邊緣側(cè)的凹槽。元件14的下部區(qū)域可以大部分地或完全被金屬化，即具有金屬化部15。元件14的下側(cè)面和/或狹窄部18的界面、即缺口18的與傳感器5的下側(cè)平行延伸的表面和與其成直角延伸的內(nèi)邊緣側(cè)在必要時(shí)也可以大部分地或完全被金屬化、即具有金屬化部15。元件14可以用諸如樹(shù)脂之類(lèi)的塑料16來(lái)包圍、例如擠壓包封，該塑料16不僅覆蓋元件的所有側(cè)面區(qū)域、包括缺口18的內(nèi)部，而且還以較小層厚覆蓋元件14的上側(cè)。

元件14在下部區(qū)域中被傳感器套管17包圍，并且在上部區(qū)域中部分地位于傳感器套管17之上。傳感器套管的高度例如可以為元件高度的三分之一至三分之二，但是可選地在缺口18之下終止，并且例如可以具有元件14的高度的大致一半。

在一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，狹窄部18可以具有矩形的橫截面，其中狹窄部可以具有元件高度的5至25%、或者10至20%或大致15%的高度，或者例如可以為0.2至1.0mm高或者可選地可以為0.5至0.7mm或大致0.6mm高。

此外，狹窄部18可以具有元件寬度的5至25%或者10至20%或者大致15%的深度，或者例如可以為1.0至3.8mm深或可選地可以為1.6至3.2mm或大致2.4mm深。

在所示出的實(shí)施例中，狹窄部18被構(gòu)造在外邊緣處，并且例如布置在元件14的上半部或上三分之一中。

諧振結(jié)構(gòu)5被電激勵(lì)或磁激勵(lì)，并且在幾何上被設(shè)計(jì)為使得根據(jù)圖3，在諧振結(jié)構(gòu)5中形成一種模式，該模式可以主要具有TE111模式的形式。附加地，模式具有如下分量，所述分量的形式如TM模式那樣來(lái)形成。諧振器5中的電場(chǎng)在凹槽的z位置（即根據(jù)附圖中的圖示為缺口18的上部的水平交界面）處形成其按照絕對(duì)值最強(qiáng)的場(chǎng)。同時(shí)，集膚電流主要形成在元件14、即介電材料的邊緣處、凹槽或缺口18的內(nèi)側(cè)上。由此，在傳感器表面處防止干擾性的集膚電流。向外到傳感器邊緣，缺口18（凹槽）如扼流圈那樣起作用，并且將短路特性轉(zhuǎn)換成空轉(zhuǎn)特性，所述空轉(zhuǎn)特性使圍繞傳感器頭部的場(chǎng)分量最小化。所述場(chǎng)分量附加地通過(guò)如下方式來(lái)降低：在缺口18之下形成E模式狀的分量。

在一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，旋轉(zhuǎn)對(duì)稱傳感器特性可以通過(guò)循環(huán)上述模式來(lái)實(shí)現(xiàn)。為此，根據(jù)圖4設(shè)置有至少兩個(gè)諧振器耦合輸入點(diǎn)22、23，所述諧振器耦合輸入點(diǎn)22、23在幾何上偏置90°并且其信號(hào)以相同幅度、但以90°相位差被饋入。圖4示出了元件14的底側(cè)視圖、即在z方向上，這通過(guò)坐標(biāo)箭頭來(lái)示出。由VCO 3產(chǎn)生的經(jīng)頻率調(diào)制的信號(hào)24被直接施加到第一耦合位置22上以及90°移相器25上，所述移相器的被相移90°的輸出信號(hào)被施加到第二耦合位置23上。

因此，根據(jù)圖5形成右或左循環(huán)模式26。圖5示出了元件14的俯視圖。

圖6針對(duì)根據(jù)圖2的布置來(lái)示例性地示出了頻率曲線28，該頻率曲線28闡釋了諧振頻率在金屬目標(biāo)20的目標(biāo)距離改變時(shí)的改變。曲線28的特殊特征是關(guān)于目標(biāo)距離相對(duì)線性的恒定的頻率改變。這是由于所使用的模式引起的，該模式主要由E模式狀的分量和H111模式狀的分量構(gòu)成。后一分量被形成為更強(qiáng)的以及對(duì)于關(guān)于目標(biāo)距離的諧振頻率改變來(lái)說(shuō)是決定性的，并且由于場(chǎng)結(jié)構(gòu)和相對(duì)低的諧振頻率而在大距離的情況下也特別良好地適用于測(cè)量。

在圖6中在橫坐標(biāo)上以mm繪出了目標(biāo)距離，并且在縱坐標(biāo)上以GHz繪出了頻率。

在此，如從圖6中可看出的那樣，針對(duì)傳感器大小M18的距離測(cè)量可以在小于1mm直至大于20mm的非常寬的范圍內(nèi)可靠地實(shí)施。

傳感器的另一優(yōu)點(diǎn)是距介電目標(biāo)的距離測(cè)量。在此，場(chǎng)分量介入到介電目標(biāo)中，并且由于目標(biāo)中的較高的場(chǎng)密度以及空氣與目標(biāo)之間的介電常數(shù)差而得出關(guān)于目標(biāo)距離的諧振頻率偏移，該諧振頻率偏移與金屬目標(biāo)相區(qū)別。該效應(yīng)依賴于材料的介電常數(shù)數(shù)值、厚度和高頻特性，并且可以用于距離測(cè)量或材料確定。

在一個(gè)、多個(gè)或所有實(shí)施例中，某一諧振結(jié)構(gòu)所述該諧振結(jié)構(gòu)在幾何上可以被設(shè)計(jì)為使得在諧振結(jié)構(gòu)中形成一種模式，該模式至少主要具有H111模式的形式。通過(guò)H111模式，提供了具有非常大的作用距離的新型發(fā)生器原理或測(cè)量原理。該發(fā)生器原理或測(cè)量原理可以用于測(cè)量裝置、例如距離測(cè)量裝置或距離測(cè)量，但是也可以用于其它目的。公知地，H和E模式是德國(guó)術(shù)語(yǔ)，而TM和TE是相應(yīng)的美國(guó)術(shù)語(yǔ)，使得例如成立的是“H111 = TE111”、“E110 = TM110”。

圖7至23示出了在根據(jù)本發(fā)明的距離測(cè)量裝置的實(shí)施例中的例如調(diào)光器30中的諧振結(jié)構(gòu)5、比如陶瓷諧振器的模擬設(shè)定和模擬結(jié)果，其具有諧振頻率、品質(zhì)因數(shù)和開(kāi)關(guān)距離以及頻率曲線和場(chǎng)變化過(guò)程。

圖7列出了模擬目標(biāo)、如標(biāo)靶-頻率改變、高的品質(zhì)因數(shù)、小的集膚電流、大的模式單義性范圍以及簡(jiǎn)單的耦合。

圖8示出了針對(duì)具有E場(chǎng)（電場(chǎng)）、電能密度和表面電流的H011的模式圖。

圖9示出了具有反射性或透射性標(biāo)靶或沒(méi)有標(biāo)靶的作用方式。標(biāo)靶這里也應(yīng)當(dāng)被理解成目標(biāo)或目標(biāo)物體。

圖10以關(guān)于目標(biāo)距離的曲線形式闡釋了頻率和品質(zhì)因數(shù)。

圖11以關(guān)于目標(biāo)距離的曲線形式闡釋了頻率改變。

圖12以關(guān)于目標(biāo)距離的頻率和品質(zhì)曲線形式涉及介電常數(shù)的改變。

圖13以關(guān)于目標(biāo)距離的頻率改變曲線形式示出了介電常數(shù)的改變。

圖14闡釋了在縮小傳感器直徑時(shí)在關(guān)于目標(biāo)距離的頻率曲線和品質(zhì)因數(shù)曲線方面的效果。

圖15闡釋了在縮小傳感器直徑時(shí)在關(guān)于目標(biāo)距離的頻率改變方面的效果。

圖16闡釋了在增大傳感器直徑時(shí)在關(guān)于目標(biāo)距離的頻率曲線和品質(zhì)因數(shù)曲線（過(guò)載）方面的效果。

圖17闡釋了在增大傳感器直徑時(shí)在頻率改變和模式方面的效果。

圖18示出了具有針對(duì)H111/E110模式的標(biāo)靶和諧振結(jié)構(gòu)的模擬模型。

圖19示出了以H111/E110模式下具有標(biāo)靶和諧振結(jié)構(gòu)的E場(chǎng)圖像形式的作用方式。

圖20示出了針對(duì)H111/E110的具有E場(chǎng)、電能密度和表面電流的模式圖像。

圖21示出了以目標(biāo)距離5mm為例或沒(méi)有目標(biāo)時(shí)的E場(chǎng)的橫截面。

圖22闡釋了針對(duì)H1111/E110模式的關(guān)于目標(biāo)距離的頻率曲線和品質(zhì)因數(shù)曲線（過(guò)載）。

圖23闡釋了針對(duì)H1111/E110模式的關(guān)于目標(biāo)距離的頻率改變曲線。

此外，由于這些附圖從其本身來(lái)說(shuō)是可理解的，并且適于作為并且應(yīng)當(dāng)被理解成獨(dú)立的公開(kāi)內(nèi)容，因此取消了對(duì)其進(jìn)一步的描述。