TW201007199A - Radio wave short distance object detector and detecting method - Google Patents

Description

201007199 九、發明說明： 【發明所屬之技術領域】 本發明係有關一種電波近距離物件感測器及感測方法，尤 才曰種以無線模組做為收發器並運用衰消波（evanescent mode) 之特性，建置一矩形金屬盒，於其内置放無線收發模組，利用 發射訊號至物體產生反射訊號至接收端之訊號，以感測物體是 否存在者。 ❹ 【先前技術】 近年來，由於無線通訊實用化及科技產品的普及化，使得 通訊產業有新突破與發展，各類的電子通訊產品與感測器，已 應用在曰常生活中。目前使用感測器的實際做法有：紅外線感 測器[如參考文獻卜2]、超音波感測器[如參考文獻3-5]、CCD 圖像感測器[如參考文獻6-7]、檢波感測器[如參考文獻8_1〇] 等。 Q 感測器目前廣泛的應用在門禁管理、衛浴設備和防盜報警 等設備上，其中應用在門禁管理與衛浴設備有：（1)紅外線感測 器，應用原理為熱釋電效應，即當一些晶體受熱時，在晶體的 兩端將會產生數量相等的但正負相反的電荷，產生電極化現 象；（2)CCD圖像感測器’應用原理採用光電轉換原理用來攝取 平面光學圖像並將其轉換為電子圖像訊號的器件’除了將光訊 號轉換為電訊號並將平面圖像的像素進行點陣取樣。在倒車雷 達設備有：超音波感測器應用之原理為利用音波的發射與接收 201007199 來量測位置、速度等物理量，發射及接收超音波的機制大略可 分為電喊應現象、壓電絲及磁振現象三種。在電磁輕射安 全…财★波感測器其應用原理為接收外來的輻射訊號強 度，改變檢波電路產生壓降差，則可得知輻射訊號強度並加以 運用。本發明提出一種新型近距離物件無線感測器，以無線模 組做為收發n並運用哀消波（evaneseentmQde)之特性，建置一 矩形金屬盒’且將無線模組之收發人矩形金屬盒内，利用 ❹發射sfl號至物體產生反射訊號至接收端之訊龍度大小加以利 用，本發明系統製做很容易，並且可用於其他多種之用途。 本發明探討一種新型近距離物件無線感測器，以矩形金屬 盒刖方無遮敝且中間分隔，分別放入無線模組之收發電路，再 製做天線接入收發電路。可由結構體控制感測距離與範圍。 本發明之特點及原理，是以訊號由發射源送出至前方物體 產生反射訊號至接收端接收，可感測出前方是否有物鱧存在。 ❹以衰消模做為結構之探討，再經由電路模擬與量測做為驗證。 本發明系統由於結構簡單且製做容易，並在近距離感測時有良 好的靈敏度。 參考文獻 [1] S. H. Moseley, R. L Kelley,.J. C. Mather, R. F. Mushotzky, A. E.

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(3) 其電場與磁場在橫截面上分量的比值即為波阻抗如式⑷ (4)

zTF Ε β 相速度VP如式（5)

VP ❹ ω ~β (5) 則ΤΕι°波模所攜帶的功率如式（6)Ρι°=Μ。ί! “每單位長纽導的料轉ρ“式⑺ ρ-τίΠ^ 〆 得知ΤΕ,。波模導體損耗的衰減常數如式⑻ (6) ⑺ αΛ =~£l. 2户1〇

Nplrn 13 (8) 201007199 ❹ 因低於截止頻率，故/5為純虛數，則Ρπ 為無窮大。 介質損耗的衰減如式（9) _ k2tmS .T f ud - —^—Np/ m 當沒為純虛數時’介質損耗如同無損耗 iv.分析波模ΤΜιι 在ΤΜιι波模的截止頻率如式（1〇) kc 1 TE波模的a c (9) fc dl ηπ (10) Ιπ-^με 波數K同式（2)，其傳播常數β如式（11)t ^ J UJ 'f ~UJ 電場與磁場在橫截面上分量的比值為波阻抗如式（12)Z™^ (1： ΤΜιι模之相速度同式（5)及TMu波模無導體損耗時通過波 的實功率流Pn同式（6)，若fcll>f ，β為純虛數，則Ριι = 〇。 ΤΜη每單位長度波導的導體功率p川同式（7)，可得TM”波模 體損耗的衰減常_式⑻，若低賊讀率，故TM波模的、( 為無窮大。Ίΐη波模之介質損耗的衰減同式（9)，當石為 數時，介質損耗如同無損耗。 〜> 根據上述，本發明矩形金屬盒，如圖2所示，左邊 源’其開口⑽）長為a、寬為b，右邊為接收源，其開口⑽ v w y

(ID • 14 201007199 長為C、寬為d’長與寬會改變截止頻率及傳播常數等，故改變 長度為a及寬度為b時，所龍之截止頻率及複_常數如圖 3(a)、3(b)所*，實線為TEl❶改變長度&、虛線為TM”改變長 度a、大虛線為TMn改變長度be由圖3(幻所示可得知τ^波 模比ΤΜ"波模錄㈣截止解，故I波模可機的頻率較 為寬廣。由圖3(b)所示可得知TE!。波模比TMn波模有較低複傳 播常數，故可知TEid波模的衰減功率較低。 ❹ v•將Region B以horn antenna進行分析 得知距離L與寬度b後，先求得E plane之角度如式（13) ΘΕ =2tan'

2L (13) 再求得H plane之角度如式（U) 9jf = 2cos"

L L + δ (14〕 E plane之孔徑如式（15) ❹ aE =2Xtan Θε 2 (15) H plane之孔徑如式（16) aH = 2Ltan Θ_Η. 2 (16： 故可得知Horn antenna增益如式（17) D = 101og

’7.5Af ~F = 10Iog(7.5-a£ aH) (17 IV.本發明之系统電路模擬 請參看圖1、2所示’本發明之矩形金屬盒分別設計長度 15 201007199 a=c=8cm、寬 τ t)cin、L=10cm，而發射源距離開口處l為2公 .刀處’天線操作頻率為433MHz，進行高頻電磁模擬軟體HFSS 模擬發射天線及Regi〇n A如圖4(a)所示。圖4(b)為擬模43蘭z 的立體輻射場型圖，可得知在Z方向與XZ方向時之輻射增益較 強最大輕射益為3· 49dB，因矩形金屬盒之截止頻率高於操 作頻率產生衰消模，原較強輻射增益在X方向，但衰消模的產 生，使得輻射方向改變。圖4(c)為矩形金屬盒的開口處截面 ❹之電場分佈’由電場分佈圖可得知電場耦合的方向為χ至z與 ΤΕκ)波模相同’還有些微電場由四周金屬至天線耦合，由上述 可知此電場分佈與ΤΕ1β波模相同，故發射訊號可輻射至空氣中。 V·本發明之系統實作與量測 本發明以消散波的原理，調控發射與接收信號強度的依 據，並配合操作頻率設計開口大小用於調整感測距離，做為近 距離物件無線感測器之應用，先製做一矩形金屬盒再放入無線 ❹模組’且運用衰波模的方式做分析，最後再以人體或金屬於此 感測器前方，從發射源發射訊號至物體產生反射訊號至接收 端，得知是否有造成反射訊號之物體存在。以433MHz無線模 組做此運用，並加以說明。 首先製做一矩形金屬盒並將中間以金屬為分隔如圖2所 示，矩形金屬盒設計長度a=c=8cm、寬b=d=5cm、L=l〇cni，以 上述系統分析可得知TE波模與TM波模之最低模態分別為TEl0 和TMu，兩波模之最低截止波模為TEl°截止頻率為1.86GHz、 201007199 ΤΜπ截止頻率為3 ^ , _ ，低於截止頻率故為衰:模’再運為·^ •功率以指數下降，再調整訊號源位置，可讓發射式，使得訊號 測物體產生反射訊號至接收端，以便感測號至前方感 Γ；?Ι-7Ρ=71Μ0^ ad=3*22·10^0 (2)可得知 1(=9.0611^,-vri9、 ^^(5)# V.37.10S 0 ^ Λΐ!Γ3,4'ΖΤΜ=ί3〇54(Ω) 冷為純虛數故可得知TEn波模

Pll = 0，並經由式⑻可得知模導體損耗的衰減常數MOO，且 由式（9)得知 ad=i.67· 1〇-4(Np/m)。 由於發射天線的中心頻率為433MHZ，以FR4製做平面天線 且加上&單心線約13公分如附件一左侧所示，因天線之體積 ❾較大且效能過高，但本感測器需以前方之物體造成訊號反射， 所以天線效能太高會導致接收端持續地接收到發射訊號，故將 天線單芯線部分彎曲如附件一右側所示。圖5(a)為發射天線之 頻率響應，由|Sn丨反射損耗得知未彎曲約為73dB、彎曲後天 線約為1.5dB，因天線經過彎曲使得反射損耗變大，故使得訊 號可近距離經由物體靠近感測器產生反射訊號至接收端。在接 收天線設計，以一段單芯線約5. 6cm如附件二左侧所示，但天 線拉直會使得長度過高，故將天線彎曲約為45度如附件二右側 17 201007199 接收天線之頻率響應，由1Sn|反射損耗得知天 線拉直與折為45度有龄古^ 何^天 腳耗，㈣碰效㈣顯下降 终多，運錢衣減效果調整本感測II之天線。 根據刀析、°果進仃無線感測11設計，以433MHz之無線模组 並接上，放入矩形金屬盒中，«放 入金屬I右邊如附件三之樣品所示，完成感測器系統，各 測分別說明如下。 ❹本發明系統操作頻率為433MHz，以左為發射訊號源、右為 接收訊號源，從無線模組之接收端使用三用電表量測電壓之變 化，當無訊號接收時，電麗為〇(v)，而電壓愈大表示訊號接收 能力愈強。量測以三項物質做為比較：⑴金屬做為感測如附件 四上圖所示，在距離感測器約15公分時，在接收端量測之電壓 值為0.49(V)，（2)人體做為感測如附件四中圖所示，在距離 感測器約15公分時，在接收端量測之電壓值為〇.4(v); (3)瓷 ❹器做為感測如附件四下圖所示，可得知電壓為〇(v)，接收端無 訊號接收。圖6為金屬和人體做為比較距離感測器遠近對應電 壓尚低’實線為人體量測、虛線為金屬量測，可得知金屬比人 體有較大的反射係數，以同樣的距離感測器約丨5公分處，金屬 測量出接收訊號比人體測量出接收訊號強，可由電壓大小對應 訊號之強弱得知，但此無線感測器的感測範圍約為35公分。由 此效果可得知當物體靠近感測器時，電壓會上昇，則可知感測 器前方是否有物體經過。並以上述得知非導體物質無反射係 201007199 數’若以非導體接近本感測器時，發射源發射訊號至物體並未 產生反射訊號至接收端’而是以發射訊號穿透物體的形式，而 感測不到是否有物體存在。 VI.結論 本發明所研發之近距離物件無線感測器，以矩形金屬盒前 方無遮敝且中間分隔，分別放入無線模組之收發電路，再製做 天線接入收發電路。其原理是以訊號由發射源送出至前方物體 ❹產生反射讯號至接收端接收，可感測出前方是否有物雖存在。 本發明以衰消模做為結構之探討，再經由電路模擬與量測做為 驗證。本發明系統由於結構簡單且製做容易，並在近距離感測 時有良好的靈敏度。 以上所述，僅為本發明之一可行實施例，並非用以限定本 發明之專利範圍’凡舉依據下列申請專利範圍所述之内容、特 徵以及其精神而為之其他變化的等效實施，皆應包含於本發明 ❹之專利範圍内。本發明所具體界定於申請專利範圍之結構特 徵’未見於同類物品，且具實用性與進步性，已符合發明專利 要件，爰依法具文提出申請，謹請釣局依法核予專利。 【圖式簡單說明】 圖1為本發明系統架構圖； 圖2為本發明金屬盒之外觀示意圖； 圖3(a)為本發明邳18與TMu模態，改變長3和寬b對應截 止頻率； 201007199 圖3(b)為本發明ΤΕ1()與ΤΜη模態，改變長a和寬b對應複 傳播係數； 圖4(a)為本發明以HFSS模擬發射天線及Region A圖· 圖4(b)為本發明433MHz立體輻射場型圖； 圖4(c)為本發明433MHz開口處戴面之電場分佈； 圖5(a)為本發明發射模組的天線（空氣中），不臀曲與贊曲 之頻率響應； ❹ 圖5(b)為本發明接收模組的天線（空氣中），不彎折與弯折 45度之頻率響應； 圖6為本發明量測時以金屬與人體做為訊號反射對應電壓 之變化。 附件一.本發明未彎曲之發射天線及彎曲之發射天線比對照片。 附件二：本發明接收天線彎折及接收天線彎折45度照片。 附件三：本發明系統樣品照片。 ❹附件四：本發明分別以金屬、人體及瓷器做為訊號反射之實際 量測的照片。 【主要元件符號說明】 (1〇)金屬盒 （11)大容槽 (12)(13)容槽（120)(130)開口 (14)隔板 （20)發射模組 (21)(31)天線（30)接收模組 “〇)物體 20

Claims (1)

1. 201007199 十、專利範圍 1 · 一種近距離物件無線感測器，其包括： 一第一容槽’其壁面為金屬製成，且具有朝向一方向的第 一開口； 一與該第一容槽相間隔的第二容槽，其壁面亦為金屬製 成’且具有與該第一容槽之該第一開口相同朝向的第二開口； 及 ❹ 一無線收發模組，其包括有一可發射訊號源之發射模組及 可接收遠號源之接收模組’該發射模組連接一發射天線， 並裝置於該第一容槽内部，該接收模組連接一接收天線，並裝 置於該第二容槽内部。 2 ·如申請專利範圍第1項所述之近距離物件無線感測 器，其中，該第一容槽及該第二容槽形成於一矩形金屬盒，該 金屬盒具一大容槽，該大容槽一端開口，内部中段處隔設一隔 ❹板，以該隔板將該大容槽區隔出該第一容槽及該第二容槽。 。3·如中請專利範圍第！項所述之近距離物件無線感測 器’其中，無線收發模組之該發射天線的中心頻 4·如f請專利範圍第！項所述之近距離物件無線感測 器，其中，該發射天線包括一平面天線及一段單芯線。 5.如申請專利範圍第4項所述之近距_件無線感測 器’其中，該單芯線呈弯曲。 6·如f請專利範圍第4項所述之近距離物件無線感測 21 - 201007199 器，其中，該單芯線呈螺旋彎曲。 。7如巾β專利範圍第；[項所述之近距離物件無線感測 器，其中，該接收天線為單芯線。 \ 8.如中請專利範圍第7項所述之近距離物件無線感測 器’其中’該接收天線贊折一角度。 9 ·如中請專職圍第8項所述之近距離物件無線感測 器，其中，該接收天線彎折的角度為45度❶ ❹ 1〇·一種近距離物件無線感測方法，其包括： 提供第-容槽、-第二容槽、一區隔該第一容槽與該第 二容槽之金屬隔板及-無線收發模組，該第—容槽及該第二容 槽分別具有相同朝向的-第一開口及一第二開口，該無線收發 模組包括有-發射模組及一接收模組，該發射模組連接一發射 天線’並裝置於該第一容槽内部，該接收模組連接一接收天線， 並裝置於該第二容槽内部； ❹ 以該無線收發模組經該發射模組之該發射天線發射出訊號 源； 當該訊號源接觸到一物體而反射產生一反射訊號時，該反 射訊號由該接收天線接收入該接收模組；及 依據該反射訊號被收入該接收模組得知該物體存在。 11·如申請專利範圍第1〇項所述之近距離物件無線感 測器，其中，可調整該第一開口及該第二開口的大小，以調整 其可感測的距離範圍。 22