DE10012200A1

DE10012200A1 - Näherungssensor mit drahtloser Datenübertragung

Info

Publication number: DE10012200A1
Application number: DE2000112200
Authority: DE
Inventors: Dacfey Dzung
Original assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Current assignee: ABB Research Ltd Switzerland
Priority date: 2000-03-13
Filing date: 2000-03-13
Publication date: 2001-09-20

Abstract

Ein Näherungssensor mit drahtloser Datenübertragung weist eine Richtantenne (4) zur gerichteten Abstrahlung eines Radiosignals auf. Dadurch wird der Energieverbrauch zur Übermittlung eines Radiosignals an eine Basisstation (6) reduziert. DOLLAR A In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Gehäuse (5) des Näherungssensors über ein Koaxialkabel (3) mit der Richtantenne (4) verbunden, wobei das Koaxialkabel (3) als elektrische Leitung und auch als mechanischer Träger der Richtantenne dient. Das Koaxialkabel (3) ist biegbar und dabei derart steif, dass die Richtantenne (4) von Hand auf die Basisstation (6) ausgerichtet werden kann und anschließend diese Ausrichtung während des Betriebs des Näherungssensors beibehält. Dadurch wird eine einfache Montage des Näherungssensors und der Richtantenne (4) ermöglicht.

Description

Technisches Gebiet

Die Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Näherungssensoren. Sie be zieht sich auf einen Näherungssensor mit drahtloser Datenübertragung ge mäss dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Stand der Technik

Näherungssensoren sind allgemein bekannt und werden in Automatisie rungsanlagen, Fertigungssystemen und verfahrenstechnischen Anlagen ein gesetzt. Näherungssensoren erlauben eine Messung von Flüssigkeitsniveaux oder von Positionen von Werkstücken oder Maschinenteilen. Näherungs schalter erlauben eine Detektion einer An- oder Abwesenheit von Flüssigkei ten, Werkstücken oder Maschinenteilen. Um die Verkabelung von Nähe rungssensoren zu eliminieren, was bei einer Vielzahl von Näherungssensoren von Vorteil ist, übermitteln Näherungssensoren ihre Messdaten kabellos über Funk. Ein wesentlicher Anteil des Energieverbrauchs eines Näherungssensors wird für die drahtlose Datenübertragung an eine Basisstation benötigt.

Darstellung der Erfindung

Es ist Aufgabe der Erfindung, einen Näherungssensor mit drahtloser Daten übertragung der eingangs genannten Art zu schaffen, welcher einen zur Da tenübertragung erforderlichen Energieverbrauch vermindert.

Diese Aufgabe löst ein Näherungssensor mit drahtloser Datenübertragung mit den Merkmalen des Patentanspruches 1.

Der erfindungsgemässe Näherungssensor mit drahtloser Datenübertragung, weist eine Richtantenne zur gerichteten Abstrahlung eines Radiosignals auf.

Dadurch wird der Energieverbrauch zur Übermittlung eines Radiosignals an eine Basisstation massiv reduziert, da das Signal nur in Richtung der Basis station und nicht omnidirektional abgestrahlt wird.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist ein Gehäuse des Näherungssensors über ein abgeschirmtes Kabel, insbesondere ein Koaxial kabel, mit der Richtantenne verbunden, wobei das Koaxialkabel als elektri sche Leitung und auch als mechanischer Träger und als Ausrichtelement für die Richtantenne dient. Das Koaxialkabel ist biegbar und dabei derart steif, dass die Richtantenne von Hand auf die Basisstation ausrichtbar ist und die se Ausrichtung während eines Betriebs des Näherungssensors beibehält. Da durch wird eine einfache Montage des Näherungssensors und der Richtan tenne ermöglicht.

Weitere bevorzugte Ausführungsformen gehen aus den abhängigen Patent ansprüchen hervor.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines bevorzugten Ausführungsbei spiels, welches in den beiliegenden Zeichnungen dargestellt ist, näher erläu tert. Es zeigen:

Fig. 1 schematisch einen erfindungsgemässen Näherungssensor; und

Fig. 2 schematisch einen erfindungsgemässen Näherungssensor in ei ner Anordnung, wie sie beim Betrieb des Näherungssensors zweckmässig ist.

Die in den Zeichnungen verwendeten Bezugszeichen und deren Bedeutung sind in der Bezugszeichenliste zusammengefasst aufgelistet. Grundsätzlich sind in den Figuren gleiche Teile mit gleichen Bezugszeichen versehen.

Wege zur Ausführung der Erfindung

Fig. 1 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen Näherungssensor, wel cher eine Sensoreinheit 1, eine Sende/Empfangseinheit (S/E-Einheit) 2, ein abgeschirmtes Kabel 3, beispielsweise ein Koaxialkabel, und eine Richtan tenne 4 aufweist. Vorzugsweise weisen die Sensoreinheit 1 und die S/E- Einheit 2 ein gemeinsames Gehäuse 5 auf. Die S/E-Einheit 2 ist über das Koaxialkabel 3 mit der Richtantenne 4 elektrisch verbunden.

Fig. 2 zeigt schematisch einen erfindungsgemässen Näherungssensor in einer Anordnung, wie sie beim Betrieb des Näherungssensors zweckmässig ist. Die Sensoreinheit 1 ist an einer Maschine 6 befestigt. Die Richtantenne 4 ist auf eine Basisstation 8 respektive deren Basisantenne 7 ausgerichtet. Die Basisantenne 7 ist als Richtantenne oder als ungerichtete Antenne ausgebil det.

Die Maschine 6 ist beispielsweise ein Roboter, ein Montageautomat, eine numerisch gesteuerte Bearbeitungsmaschine oder ein Teil einer Fertigungs zelle, einer industriellen Produktionseinrichtung oder einer verfahrens technischen Anlage.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung beruht die Funktion der Sensoreinheit 1 auf einem kapazitiven, induktiven oder photoelektri schen Wirkungsprinzip oder auf einem Hall-Effekt oder auf Ultraschall. In ei ner weiteren Ausführungsform der Erfindung ist der Näherungssensor ein Näherungsschalter, welcher nur binäre Schaltzustände aufweist. Dadurch wird eine zu übermittelnde Datenrate oder -menge im Vergleich zu einem analogen Näherungssensor reduziert und damit die Übermittlung vereinfacht und weniger energieaufwendig.

Die Erfindung funktioniert wie folgt: Die Sensoreinheit 1 bestimmt digitale oder analoge Messwerte, welche einer Distanz oder einer Anwesenheit eines Objektes entsprechen. Die Sensoreinheit 1 übermittelt die Messwerte an die S/E-Einheit 2. Die S/E-Einheit 2 erzeugt nach Massgabe der Messwerte und eines vorgegebenen Kommunikationsprotokolles ein Radiosignal und gibt dieses über das Koaxialkabel 3 an die Richtantenne 4 aus. Die Richtantenne 4 strahlt das Radiosignal erfindungsgemäss gerichtet zur Basisantenne 7 ab. Durch die gerichtete Abstrahlung wird, im Vergleich zu einer ungerichteten Abstrahlung, bei gleicher Sendeenergie eine viel höhere Signalstärke bei der Basisantenne 7 erreicht. Somit kann ein erfindungsgemässer Näherungssen sor mit geringerer Sendeenergie als eine Näherungssensor mit ungerichteter Abstrahlung betrieben werden. Beispielsweise erreicht eine Richtantenne 4 einen richtungsabhängigen Antennengewinn von 8 dB bis 10 dB. Das heisst, dass in Abstrahlrichtung der Richtantenne 4 eine bis zehnmal grössere Leistung als bei einer ungerichteten Abstrahlung vorliegt. Dies ist eine wesent liche Verbesserung gegenüber üblicherweise verwendeten geraden Monopol- Antennen mit einer toroidalen Charakteristik.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung findet auch eine Kom munikation von der Basisstation 8 zum Näherungssensor statt. Dabei ver bessert die Richtantenne 4 in einer Funktion als Empfangsantenne ebenfalls die Energieeffizienz dieser Übertragung. Die Richtcharakteristik der Richtan tenne 4 verringert auch Interferenzen durch elektromagnetische Störungen durch andere Kommunikationseinrichtungen oder durch elektrische Maschi nen.

Das Koaxialkabel 3 ist an einem biegbaren Trägerelement, beispielsweise ei nem Draht, befestigt, oder ist selber biegbar ausgebildet. Das Koaxialkabel 3 respektive das Trägerelement bilden dabei einen mechanischen Träger und ein Ausrichtelement für die Richtantenne 4. Dieser Träger bildet eine mecha nische Verbindung zwischen dem Gehäuse 5 und der Richtantenne 4. Durch Biegen dieses Trägers, beispielsweise von Hand, kann die Richtantenne 4 in eine beliebige Orientierung gebracht werden. Bei einer Montage des Nähe rungssensors an der Maschine 6 wird die Richtantenne 4 durch Biegen des Koaxialkabels 3 respektive des Trägerelements auf die Basisantenne 7 aus gerichtet. Anschliessend, insbesondere bei einem Betrieb des Näherungssen sors, behält die Richtantenne 4 aufgrund der Steifheit des Koaxialkabels 3 respektive des Trägerelements ihre Ausrichtung bei.

Das zur Kommunikation verwendetete Radiosignal befindet sich bevorzugt in einem ISM (Industrial, Scientific, Medical) Frequenzband. Dieses Frequenz band liegt bei einer Frequenz von 2.4 GHz, und weist eine Breite von 80 MHz auf. Dies entspricht einer Wellenlänge von annähernd 12.5 cm. Vorzugsweise beträgt ein Abstand zwischen dem Näherungssensor und der Basisstation 8 einige Meter, typischerweise ungefähr 1 bis 50 Meter, maximal ca. 100 Meter. Unter diesen Verhältnissen findet eine optimale Ausbreitung der Radio signale entlang einer Sichtverbindung statt, so dass eine entsprechende Aus richtung der Antenne ein einfacher und intuitiver Vorgang ist.

Die Richtantenne 4 ist bevorzugt in allgemein bekannter Weise als Flachan tenne ("Patch-antenna") oder mit einer spiralförmigen ("Helix") Geometrie ausgebildet. Eine Grösse oder räumliche Ausdehnung der Richtantenne 4 ist annähernd gleich der halben Wellenlänge der Radiosignale, also maximal an nähernd 6.25 cm. Durch eine geeignete Wahl eines dielektrischen Substrates kann eine zwei bis viermal kleinere Grösse der Richtantenne 4 erreicht wer den.

In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird durch eine geeig nete Wahl eines dielektrischen Substrates eine bis viermal kleinere Grösse der Richtantenne 4 erreicht.

Bezugszeichenliste

1

Sensoreinheit

2

S/E-Einheit

3

abgeschirmtes Kabel, Koaxialkabel

4

Richtantenne

6

Maschine

7

Basisantenne

8

Basisstation

Claims

1. Näherungssensor mit drahtloser Datenübertragung, wobei der Nähe rungssensor eine Sensoreinheit (1), eine Sende/Empfangs-Einheit (2) und eine Antenne zur Abstrahlung eines Radiosignals aufweist, dadurch ge kennzeichnet, dass die Antenne eine Richtantenne (4) zur gerichteten Abstrahlung des Radiosignals ist.

2. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Sende/Empfangs-Einheit (2) durch ein abgeschirmtes Kabel (3) mit der Richtantenne (4) elektrisch verbunden ist.

3. Näherungssensor gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschirmte Kabel (3) ein Koaxialkabel ist.

4. Näherungssensor gemäss Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das abgeschirmte Kabel (3) als Ausrichtelement für die Richtantenne (4) aus gebildet ist.

5. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtantenne (4) durch ein Ausrichtelement mit einem Gehäuse (5) des Näherungssensors mechanisch verbunden ist.

6. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass ei ne Wellenlänge des Radiosignals annähernd 12.5 cm beträgt.

7. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtantenne (4) eine Flachantenne ist.

8. Näherungssensor gemäss Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Richtantenne (4) eine Helix-Geometrie aufweist.