DE19851002A1 - Electronic device with identification or sensor function for telemetry varies resonant frequency of circuit including resonator, matching circuit and transmitter unit - Google Patents
Electronic device with identification or sensor function for telemetry varies resonant frequency of circuit including resonator, matching circuit and transmitter unitInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine elektronische Baugruppe mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion, die mindestens ein schwingfähiges Bauelement zur Speicherung von HF-Energie enthält.The invention relates to an electronic assembly with identification and / or sensor function, the at least one vibratable component for Contains RF energy storage.
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.It represents an arrangement for determining physical quantities in which the information about the identification or the sensor function for transmission is converted into an RF signal. The HF memory device ment has the task of temporarily storing the RF energy and deliver the response signal. The response signal can be obtained wired or over a radio link. The electronic The module itself works passively and does not require its own to function electrical power supply. As a hybrid arrangement, it enables separate optimization of identification and / or sensor component, the oscillatable storage element for the RF energy and the antenna.
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.Telemetry sensors are used in many areas of technology. she enable the acquisition of physical quantities and identification from technical objects to difficult to access or aggressive ones Places marked by environmental conditions as well as changeable places Objects.
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.Various arrangements for telemetric are in the prior art Acquisition of physical quantities known. In particular, elec tromagnetic transponders or acoustoelectronic systems are used. Conventional systems based on electromagnetic transponders are possible need only short polling distances or require an energy source 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.DE 44 24 773 A1 describes a telemetry system with a central interrogation sta tion, which has a larger number of spatially distributed sensor stations NEN is assigned, which can be selectively activated and their measuring devices and Use signal processing arrangements with surface acoustic waves end components and electronic circuits. At This arrangement consists of those between the interrogation station and the sensor stations bidirectionally via a common transmission medium averaging information from signal sequences in which individually coded Passwords of the same duration and the same number of word elements Form basic patterns and repetition frequencies of identically coded basic mu represent specific information for measured values.
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.These are conventional systems based on Transponders work. You are therefore on short query distances limited if they work passively or require their own energy source at the measuring point.
Nach DE 44 13 211 A1 sind passive telemetrische Sensoren auf Basis von akustoelektronischen Resonatoren bekannt.According to DE 44 13 211 A1, passive telemetric sensors are based on known acoustoelectronic resonators.
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.By switching various resonators on and off, they become identifiers tion enables. The disadvantage here is that the limited number of different resonators in a frequency band the number of under different identification marks is limited.
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.By influencing the acoustoelectronic component with physi Kalischen sizes such as temperature, mechanical tension u. Ä., that is It is possible to measure these sizes. However, since the component is directly the physi is exposed to calic size, it is also a heavy burden exposed what the lifespan and duration of maintenance-free intervals restricted.
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.WO 96/33 423 describes an arrangement for passive remote monitoring Sensor technology presented, in which a switched sensor changes due to its impedance the reflection factor of surface wave arrangements changed. That from the surface wave arrangement after an excitation signal returned by RF energy contains the sensor information as Change in amplitude. As a result, the sensor arrangement operating in this way is relative insensitive, has a low accuracy and is difficult to tell calibrate rig.
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.The operation of known sensors is based on the fact that a physical Measured variable through different arrangements in changes in capacity, Inductance or electrical resistance is converted. The Changes in electrical properties can be made by electronic Circuits are evaluated. The electronic circuits must be in the be direct electrical contact with the sensor and convert the changes electrical properties into transferable and evaluable Signals around.
Mit den bekannten akustoelektronischen Anordnungen ist bei getrennten Übertragungs- und sensorischen Bauelementen nur die Übertragung der Informationen in Form von Amplitudenänderungen möglich. With the known acoustoelectronic arrangements is at separate Transmission and sensory components only the transmission of Information in the form of amplitude changes possible.
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.The invention is based on the object of specifying an arrangement with the data of analog sensors as a frequency change over a radio link or can be transmitted by wire without an energy source is required on the sensor.
Erfindungsgemäß gelingt die Lösung der Aufgabe durch eine Anordnung mit den kennzeichnenden Merkmalen von Patentanspruch 1.According to the invention, the object is achieved with an arrangement the characterizing features of claim 1.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteransprüchen angegeben.Advantageous refinements are specified in the subclaims.
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.The arrangement preferably works with one or more resona gates based on surface acoustic waves or acoustic Bulk waves or with other vibrating RF storage devices elements (e.g. cavity resonators) that (with a suitable antenna and) are connected to a suitable antenna via a matching network. Here, the adaptation network is switched so that at least one Element of the adapter circuit as an identification and / or sensor element Defi the resonance frequency or the parameters of delay lines influenced.
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.The electronic circuit consists of inductors, capacitors and / or electrical resistances. The components are chosen so that one or several depend on the physical quantity to be measured. For the Identification, the electronic circuit consists of capacitors, inductors vities and / or electrical resistances, individually or in combination that contain information about the identities. This results in the Shift the resonance frequency depending on the to be determined the physical size or identity. The resonance frequency is in is determined by an evaluation unit and the result is determined therefrom.
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.It is particularly advantageous that it is due to the combination according to the invention nation from passive telemetric high-frequency energy storage devices and conventional capacitive, inductive or resistive sensors or identification arrangements succeed, the data in the form of a frequency transfer over a radio link or wired. By separating the transmission and identification or sensor component, it is possible to separate the respective components optimize, based on existing, optimized sensors, identiflzie tion components and HF energy storage components can be.
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.It is also advantageous that the transmission component does not meet the requirements conditions of the measurand is exposed. This will also when used under unfavorable environmental conditions achieved high long-term stability. Another advantage is that the measurement signal as a frequency shift high sensitivity and accuracy.
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.In addition, through the use of double and / or more Special HF memory components Influences of cross-sensitivities (e.g. against temperature, humidity and the like) and disturbances in the transmission channel avoided.
Die Erfindung wird im Folgenden an einem Ausführungsbeispiel näher erläu tert.The invention is explained in more detail below using an exemplary embodiment tert.
In der zugehörigen Zeichnung zeigen:In the accompanying drawing:
Fig. 1 ein Beispiel für eine Anordnung mit Oberflächenwellenreso nator als HF-Speicherbauelement, bei der die Kapazität von einer Meßgröße abhängig ist, Fig. 1 shows an example of an arrangement with Oberflächenwellenreso nator as HF memory device, wherein the capacitance of one measured variable is dependent,
Fig. 2 ein Beispiel für eine Anordnung, bei der die Induktivität von einer Meßgröße abhängig ist, Fig. 2 shows an example of an arrangement in which the inductance of one measured variable is dependent
Fig. 3 eine Anordnung mit zwei Resonatoren, Fig. 3 shows an arrangement with two resonators,
Fig. 4 ein Beispiel für ein Identifizierungssystem. Fig. 4 shows an example of an identification system.
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 the illustrated in Fig. 1 and 2 embodiments of the resonator (4) is ty with the antenna (1) via a matching network consisting of a capaci and connected to an inductor. The surface wave resonator consists of an interdigital transducer ( 7 ) and reflectors ( 6 ) which are arranged on a piezoelectric substrate ( 5 ). The excitation ( 10 a) can take the form of a narrow-band signal such as sine burst or chirp.
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.In Fig. 1, an arrangement is shown in which a capacitive sensor (2) is connected with an inductance (8). Fig. 2 explains an arrangement in which the adapter network is formed by an inductive sensor ( 3 ) and the capacitance ( 9 ).
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.The frequency-dependent impedance of the matching network makes it possible to vary the frequency at which the maximum energy can be stored in the resonator. The impedance depends on the capacitance and the inductance. If at least one of these two variables is changed, the resonance frequency of the module changes. The narrow-band frequency response ( 10 b) can be recorded wirelessly to obtain measured values.
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. 3 shows an embodiment with two resonators. Between the antenna ( 1 ) and the resonators ( 4 a) and ( 4 b) is the matching network of inductivities ( 8 a) and ( 8 b) and a capacitive sensor ( 2 ). By changing the capacity in the matching network, the difference in the resonance frequencies changes, which can be detected wirelessly.
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. Fig. 4 shows an embodiment for identification. Between the antenna ( 1 ) and the similar resonators ( 4 ) is the matching network consisting of inductors ( 8 a), ( 8 b) and capacitances that can be switched on by switches ( 11 ). The different capacitance values ( 9 a), ( 9 b), ( 9 c) generate different resonance frequencies that can be detected wirelessly. This enables clear identification.
11
Antenne
antenna
22nd
kapazitiver Sensor
capacitive sensor
33rd
induktiver Sensor
inductive sensor
44th
Resonator
Resonator
44th
a Resonator a resonator
11
bei mehreren Resonatoren
with several resonators
44th
b Resonator b resonator
22nd
bei mehreren Resonatoren
with several resonators
55
piezoelektrisches Substrat
piezoelectric substrate
66
Reflektor
reflector
77
Interdigitalwandler
Interdigital converter
88th
Induktivität
Inductance
88th
a Induktivität a inductance
11
bei mehreren Resonatoren
with several resonators
88th
b Induktivität b inductance
22nd
bei mehreren Resonatoren
with several resonators
99
Kapazität
capacity
99
a Kapazität a capacity
11
bei Identifikation
upon identification
99
b Kapazität b capacity
22nd
bei Identifikation
upon identification
99
c Kapazität c capacity
33rd
bei Identifikation
upon identification
1010th
a Anregungssignal
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1010th
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1111
Schalter
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Claims (5)
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| OM8 | Search report available as to paragraph 43 lit. 1 sentence 1 patent law | ||
| 8139 | Disposal/non-payment of the annual fee |