DE19851002A1

DE19851002A1 - Elektronische Baugruppe mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion

Info

Publication number: DE19851002A1
Application number: DE19851002A
Authority: DE
Inventors: Jochen Ehrenpfordt; Werner Buff
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-09-07
Filing date: 1998-11-05
Publication date: 2000-05-04

Abstract

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Anordnung anzugeben, mit der Daten analoger Sensoren als Frequenzänderung über eine Funkstrecke oder drahtgebunden übertragen werden können, ohne daß eine Energiequelle am Sensor benötigt wird. DOLLAR A Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe dadurch, daß mindestens ein kapazitiv, induktiv oder resistiv arbeitendes Identifizierungs- und/oder Sensorbauelement in eine Schaltung eingebunden ist, die die Resonanzfrequenz der aus Speicherbauelement, Anpaßschaltung und Übertragungseinheit bestehenden Anordnung definiert in Abhängigkeit von einer Identität oder Meßgröße verändert. DOLLAR A Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion, die mindestens ein schwingfähiges Bauelement zur Speicherung von HF-Energie enthält.

Description

Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion, die mindestens ein schwingfähiges Bauelement zur Speicherung von HF-Energie enthält.

Sie stellt eine Anordnung zur Bestimmung physikalischer Größen dar, bei der die Information über die Identifikation oder die Sensorfunktion zu Übertra gungszwecken in ein HF-Signal umgewandelt wird. Das HF-Speicherbauele ment hat die Aufgabe, die HF-Energie aufzunehmen, zwischenzuspeichern und das Antwortsignal abzugeben. Die Gewinnung des Antwortsignals kann drahtgebunden oder über eine Funkstrecke erfolgen. Die elektronische Baugruppe selbst arbeitet passiv und benötigt zur Funktion keine eigene elektrische Stromversorgung. Sie ermöglicht als hybride Anordnung die getrennte Optimierung von Identifikations- und/oder Sensorbauelement, des schwingfähigen Speicherelements für die HF-Energie und der Antenne.

Telemetriesensoren werden in vielen Gebieten der Technik eingesetzt. Sie ermöglichen das Erfassen von physikalischen Größen und die Identifizierung von technischen Objekten an schwer zugänglichen oder von aggressiven Umweltbedingungen gekennzeichneten Orten sowie von ortsveränderlichen Objekten.

Im Stand der Technik sind verschiedene Anordnungen zur telemetrischen Erfassung physikalischer Größen bekannt. Dabei werden insbesondere elek tromagnetische Transponder oder akustoelektronische Systeme verwendet. Konventionelle Systeme auf Basis elektromagnetischer Transponder ermögli chen nur geringe Abfrageentfernungen oder benötigen eine Energiequelle am Sensor.

In DE 44 24 773 A1 ist ein Fernmeßsystem mit einer zentralen Abfragesta tion beschrieben, dem eine größere Anzahl räumlich verteilter Sensorstatio nen zugeordnet ist, die selektiv aktivierbar und deren Meßvorrichtungen und Signalverarbeitungsanordnungen mit akustischen Oberflächenwellen verwen denden Bauelementen und elektronischen Schaltungen ausgerüstet sind. Bei dieser Anordnung bestehen die zwischen der Abfragestation und den Sensor stationen bidirektional über ein gemeinsames Übertragungsmedium zu über mittelnde Informationen aus Signalfolgen, in denen individuell kodierte Kennungsworte gleicher Dauer und gleicher Anzahl von Wortelementen ein Grundmuster bilden und Wiederholfrequenzen identisch kodierter Grundmu ster für Meßwerte spezifische Informationen darstellen.

Es handelt sich dabei um konventionelle Systeme, die auf der Basis von Transpondern arbeiten. Sie sind deshalb auf geringe Abfrageentfernungen beschränkt, wenn sie passiv arbeiten, oder benötigen eine eigene Energie quelle an der Meßstelle.

Nach DE 44 13 211 A1 sind passive telemetrische Sensoren auf Basis von akustoelektronischen Resonatoren bekannt.

Durch Ein- und Ausschalten verschiedener Resonatoren wird eine Identifika tion ermöglicht. Nachteilig ist dabei, daß durch die begrenzte Anzahl von unterschiedlichen Resonatoren in einem Frequenzband die Zahl der unter schiedlichen Identifizierungsmarken begrenzt ist.

Durch die Beeinflussung des akustoelektronischen Bauelementes mit physi kalischen Größen wie Temperatur, mechanische Spannung u. ä., ist das Messen dieser Größen möglich. Da das Bauelement jedoch direkt der physi kalischen Größe ausgesetzt ist, ist es auch einer starken Belastung ausgesetzt, was die Lebensdauer und die Dauer wartungsfreier Intervalle einschränkt.

In WO 96/33 423 wird eine Anordnung zur passiven fernabfragbaren Sensorik vorgestellt, bei der ein zugeschalteter Sensor durch seine veränder liche Impedanz den Reflexionsfaktor von Oberflächenwellenanordnungen verändert. Das von der Oberflächenwellenanordnung nach einer Anregung durch HF-Energie zurückgesendete Signal enthält die Sensorinformation als Amplitudenänderung. Dadurch ist die so arbeitende Sensoranordnung relativ unempfindlich, weist nur eine geringe Genauigkeit auf und läßt sich schwie rig kalibrieren.

Die Arbeitsweise bekannter Sensoren beruht darauf, daß eine physikalische Meßgröße durch verschiedene Anordnungen in Änderungen von Kapazität, Induktivität oder des elektrischen Widerstandes umgewandelt wird. Die Änderungen der elektrischen Eigenschaften können durch elektronische Schaltungen ausgewertet werden. Die elektronischen Schaltungen müssen im direkten elektrischen Kontakt mit dem Sensor sein und wandeln die Ände rungen der elektrischen Eigenschaften in übertragbare und auswertbare Signale um.

Mit den bekannten akustoelektronischen Anordnungen ist bei getrennten Übertragungs- und sensorischen Bauelementen nur die Übertragung der Informationen in Form von Amplitudenänderungen möglich.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Anordnung anzugeben, mit der Daten analoger Sensoren als Frequenzänderung über eine Funkstrecke oder drahtgebunden übertragen werden können, ohne daß eine Energiequelle am Sensor benötigt wird.

Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1.

Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Anordnung arbeitet vorzugsweise mit einzelnen oder mehreren Resona toren auf der Basis von akustischen Oberflächenwellen oder akustischen Volumenwellen oder mit anderen schwingungsfähigen HF-Speicherbauele menten (z. B. Hohlraumresonatoren), die (mit einer geeigneten Antenne und) über ein Anpaßnetzwerk mit einer geeigneten Antenne verbunden sind. Hierbei wird das Anpassungsnetzwerk so geschaltet, daß mindestens ein Element der Anpaßschaltung als Identiflzierungs- und/oder Sensorelement die Resonanzfrequenz oder die Parameter von Verzögerungsleitungen defi niert beeinflußt.

Die elektronische Schaltung besteht aus Induktivitäten, Kapazitäten und/oder elektrischen Widerständen. Die Bauelemente sind so gewählt, daß eines oder mehrere von der zu messenden physikalischen Größe abhängig sind. Für die Identifizierung besteht die elektronische Schaltung aus Kapazitäten, Indukti vitäten und/oder elektrischen Widerständen, die einzeln oder in Kombination die Information über die Identitäten enthalten. Dadurch ergibt sich die Verschiebung der Resonanzfrequenz in Abhängigkeit von der zu bestimmen den physikalischen Größe bzw. der Identität. Die Resonanzfrequenz wird in einer Auswerteeinheit ermittelt und daraus das Ergebnis bestimmt.

Besonders vorteilhaft ist dabei, daß es durch die erfindungsgemäße Kombi nation aus passiven telemetrischen Hochfrequenz-Energiespeicher- Bauele menten und konventionellen kapazitiven, induktiven oder resistiven Sensoren bzw. Identifizierungsanordnungen gelingt, die Daten in Form einer Frequenz verschiebung über eine Funkstrecke oder drahtgebunden zu übertragen. Durch die Trennung von Übertragungs- und Identifizierungs- bzw. Sensor bauelement besteht die Möglichkeit, die jeweiligen Bauelemente getrennt zu optimieren, wobei auf bereits vorhandene, optimierte Sensoren, Identiflzie rungsbauelemente und HF-Energiespeicherbauelemente zurückgegriffen werden kann.

Vorteilhafter ist ferner, daß das Übertragungsbauelement nicht den Bedin gungen der Meßgröße ausgesetzt ist. Dadurch wird auch beim Einsatz unter ungünstigen Umgebungsbedingungen eine hohe Langzeitstabilität erreicht. Ein weiterer Vorteil besteht darin, daß das Meßsignal als Frequenzverschie bung eine hohe Empfindlichkeit und Genauigkeit gewährleistet.

Darüber hinaus werden durch die Verwendung von Doppel- und/oder Mehr fach-HF-Speicherbauelementen Einflüsse von Querempfindlichkeiten (z. B. gegenüber Temperatur, Feuchte und dergleichen) und Störungen im Übertra gungskanal vermieden.

Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläu tert.

In der zugehörigen Zeichnung zeigen:

Fig. 1 ein Beispiel für eine Anordnung mit Oberflächenwellenreso nator als HF-Speicherbauelement, bei der die Kapazität von einer Meßgröße abhängig ist,

Fig. 2 ein Beispiel für eine Anordnung, bei der die Induktivität von einer Meßgröße abhängig ist,

Fig. 3 eine Anordnung mit zwei Resonatoren,

Fig. 4 ein Beispiel für ein Identifizierungssystem.

Bei den in Fig. 1 und 2 dargestellten Ausführungen wird der Resonator (4) mit der Antenne (1) über ein Anpaßnetzwerk bestehend aus einer Kapazi tät und einer Induktivität verbunden. Der Oberflächenwellenresonator besteht aus einem Interdigitalwandler (7) und Reflektoren (6) die auf einem piezoelektrischen Substrat (5) angeordnet sind. Die Anregung (10a) kann in Form eines schmalbandigen Signals wie Sinusburst oder Chirp erfolgen.

In Fig. 1 ist eine Anordnung dargestellt, bei der ein kapazitiver Sensor (2) mit einer Induktivität (8) verbunden ist. Fig. 2 erläutert eine Anordnung, bei der das Anpaßnetzwerk von einem induktivem Sensor (3) und der Kapazität (9) gebildet wird.

Durch die frequenzabhängige Impedanz des Anpaßnetzwerkes ist es möglich, die Frequenz, bei der die maximale Energie im Resonator gespeichert werden kann, zu variieren. Die Impedanz ist von der Kapazität und der Induktivität abhängig. Wird mindestens eine dieser beiden Größen verändert, ändert sich damit die Resonanzfrequenz der Baugruppe. Die schmalbandige Frequenz antwort (10b) kann zur Meßwertgewinnung drahtlos erfaßt werden.

Fig. 3 zeigt eine Ausführung mit zwei Resonatoren. Zwischen der Antenne (1) und den Resonatoren (4a) und (4b) liegt das Anpaßnetzwerk aus Indukti vitäten (8a) und (8b) und einem kapazitiven Sensor (2). Durch die Änderung der Kapazität im Anpaßnetzwerk ändert sich die Differenz der Resonanzfre quenzen, die drahtlos erfaßt werden kann.

Fig. 4 zeigt eine Ausführung zur Identifikation. Zwischen der Antenne (1) und den gleichartigen Resonatoren (4) liegt das Anpaßnetzwerk bestehend aus Induktivitäten (8a), (8b) und Kapazitäten, die durch Schalter (11) einschaltbar sind. Die unterschiedlichen Kapazitätswerte (9a), (9b), (9c) erzeugen unterschiedliche Resonanzfrequenzen, die drahtlos erfaßt werden können. Eine eindeutige Identifikation ist dadurch möglich.

BEZUGSZEICHENLISTE

1

Antenne

2

kapazitiver Sensor

3

induktiver Sensor

4

Resonator

4

a Resonator

1

bei mehreren Resonatoren

4

b Resonator

2

bei mehreren Resonatoren

5

piezoelektrisches Substrat

6

Reflektor

7

Interdigitalwandler

8

Induktivität

8

a Induktivität

1

bei mehreren Resonatoren

8

b Induktivität

2

bei mehreren Resonatoren

9

Kapazität

9

a Kapazität

1

bei Identifikation

9

b Kapazität

2

bei Identifikation

9

c Kapazität

3

bei Identifikation

10

a Anregungssignal

10

b Antwortsignal

11

Schalter

Claims

1. Elektronische Baugruppe mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion, die mindestens ein Bauelement zur Speicherung von HF-Energie enthält, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein kapazitiv, induktiv oder resi stiv arbeitendes Identifizierungs- und/oder Sensorbauelement in eine Schal tung eingebunden ist, die die Resonanzfrequenz der aus Speicherbauelement, Anpaßschaltung und Übertragungseinheit bestehenden Anordnung definiert in Abhängigkeit von einer Identität oder Meßgröße verändert.

2. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherbauelement ein Resonator angeordnet ist, dessen Resonanz frequenz durch die Schaltung mit Hilfe des Identifizierungs- und/oder Sensorbauelementes verschoben wird.

3. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherbauelement aus einer Anordnung von zwei oder mehreren Resonatoren besteht.

4. Elektronische Baugruppe nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Speicherbauelement aus einer oder mehreren Verzögerungsleitungen besteht, deren charakteristische Frequenz definiert in Abhängigkeit von einer Identität oder Meßgröße verändert wird.

5. Elektronische Baugruppe nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß als Speicherbauelement ein akustoelektroni sches Bauelement dient.