DE10057059C2 - Verfahren und Vorrichtung zur Meßwertüberwachung durch Frequenzanalyse von modulierter Rückstreuung - Google Patents
Verfahren und Vorrichtung zur Meßwertüberwachung durch Frequenzanalyse von modulierter RückstreuungInfo
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Description
Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Meßwertüber
wachung durch Frequenzanalyse von modulierter Rückstreuung,
wobei zur Meßwerterfassung ein Sensor mit einer meßwertsensi
tiven Impedanz vorgesehen wird, wobei eine Sensorantenne mit
einer elektromagnetischen Erregerwelle im Bereich ihrer
Resonanzfrequenz angeregt wird und wobei eine von dem Sensor
modulierte rückgestreute elektromagnetische Sensorwelle
empfangen und analysiert wird. Weiterhin bezieht sich die
Erfindung auf eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung
des Verfahrens, mit einer Sendeantenne zur Abstrahlung der
elektromagnetischen Erregerwelle, mit der Sensorantenne, mit
dem die meßwertsensitive Impedanz aufweisenden Sensor, mit
einer Empfangsantenne zum Empfangen der Sensorwelle und mit
einer Analyseeinrichtung zum Analysieren der Sensorwelle. Dabei
können die Senderantenne und die Empfangsantenne dasselbe
Bauteil sein.
Allgemeiner betrachtet befaßt sich die Erfindung mit der
Abfrage eines Sensors über eine Funkstrecke hinweg, wobei der
Sensor meßwertsensitiv ist, d. h. einen Meßwert verfolgt. Bei
dem Meßwert kann es sich um die Stellung eines Schalters mit
den Werten ein oder aus handeln. Es kann sich aber genauso um
eine physikalischen Meßwert handeln, der innerhalb eines
Meßwertbereichs jeden Einzelwert annehmen kann, oder die
Änderung eines physikalischen Meßwerts mit der Zeit. Auf dem so
skizzierten technischen Gebiet befaßt sich die Erfindung damit,
die Meßwertabfrage über die Funkstrecke so durchzuführen, daß
der Sensor oder die ihm zugeordnete Sensorantenne zur Erzeugung
eines den Meßwert einschließenden Sensorsignals keine eigene
Energieversorgung beispielsweise in Form von Anschlüssen an ein
elektrisches Energieversorgungsnetz oder von Batterien
benötigt. Hierzu wird von dem Effekt Gebrauch gemacht, daß die
Sensorantenne, die zum Übertragen des Sensorsignals in Form
einer Sensorwelle vorgesehen ist, auch zur Energieaufnahme aus
einem elektromagnetischen Wechselfeld geeignet ist. So kann der
Sensor über eine Erregerwelle mit elektrischer Energie versorgt
werden, die ihn in die Lage versetzt, die Sensorwelle
abzustrahlen. Es versteht sich, daß dabei die Intensität der
Sensorwelle allein aufgrund der geometrischen Verhältnisse um
Größenordnungen hinter derjenigen der Erregerwelle
zurückbleibt, was grundsätzliche Schwierigkeiten bei der
Isolierung und Auswertung der Sensorwelle bedeutet.
Die Notwendigkeit von Sensoren, die ohne eigene Energieversor
gung über eine Funkstrecke abfragbar sind, ergibt sich in
verschiedenen technischen Umgebungen, beispielsweise bei der
nachträglichen Anbringung von Schaltern, ohne daß eine dies
bezügliche Verkabelung erfolgen oder die Notwendigkeit einer
regelmäßigen Wartung der Schalter entstehen soll. Ein besonders
interessantes spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung ist
jedoch die Messung des Reibbeiwerts eines Reifens mit der
Fahrbahn. Dabei geht es um die Überwachung der Haftung des
Reifens an der Fahrbahn, um das Ausbrechen eines Fahrzeugs bei
der Kurvenfahrt, beim Abbremsen oder beim Beschleunigen zu
verhindern. Insbesondere ist die Überwachung des Reibbeiwerts
bei der Gefahr von Flüssigkeitsfilm- oder Eisbildung auf der
Fahrbahn von Interesse, um eine grundsätzliche Warnung an den
Fahrer des Fahrzeugs auszugeben oder um direkt in die
Ansteuerung der Lenkung, des Antriebs oder der Bremsen des
Fahrzeugs einzugreifen.
Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen
Art sind aus der DE 198 07 004 A1 bekannt, die sich auch mit
dem im letzten Absatz beschriebenen speziellen Problem der
Messung des Reibbeiwerts eines Reifens mit der Fahrbahn befaßt.
Dabei ist vorgesehen, die hier als Funksensor bezeichnete
remote Baueinheit mit dem Sensor und der Sensorantenne so
auszubilden, daß sie in einem Speicher Energie aus der
Erregerwelle zu speichern vermag. Unter Einsatz dieser
zwischengespeicherten Energie wird dann bezüglich der
Erregerwelle zeitverzögert eine von dem Sensor modulierte
Sensorwelle abstrahlt, in der der Meßwert enthalten ist. Damit
soll eine einfache zeitliche Trennung zwischen der Erregerwelle
und der Sensorwelle ermöglicht werden. Bei dem Speicher für die
Energie der Erregerwelle handelt es sich in der hier
gattungsbildenden Ausführungsform um ein Oberflächenwellen-
Bauelement, an den die meßwertsensitive Impedanz des Sensors
elektrisch angeschlossen ist.
Die DE 197 02 768 C1 beschreibt eine Vorrichtung der eingangs
beschriebenen Art zur drahtlosen Übertragung mindestens eines
Messwerts aus bewegten Teilen. Die bekannte Vorrichtung
verwendet eine Sensorempfangsantenne, um in einem ersten
Schritt eine modulierte Erregerwelle zu empfangen. Die
Modulation der Erregerwelle wird separiert und auf einen
Resonator gegeben, wobei dessen Resonanzfrequenz möglicherweise
getroffen wird. Je nach Übereinstimmung mit der
Resonanzfrequenz wird Energie aus der Erregerwelle in dem
Resonator gespeichert. In einem zweiten Schritt wird dann eine
unmodulierte Erregerwelle mit der Sensorempfangsantenne
empfangen, mit der Frequenz des nachschwingenden Resonators
moduliert und anschließend über eine zusätzliche
Sensorsendeantenne zurückgesendet. Bei der bekannten
Vorrichtung sind also zwei Sensorantennen, nämlich eine
Sensorempfangsantenne zum Empfangen der Erregerwelle und eine
Sensorsendeantenne zum Zurücksenden einer modulierten
Sensorwelle vorgesehen.
Die DE 196 21 354 A1 beschreibt ein drahtloses Reifendruck-
Messverfahren, das sich von der eingangs beschriebenen Art
dadurch unterscheidet, dass der Sensor mit einer Sensorwelle
antwortet, die eine ganz andere Frequenz aufweist, als sie von
der Erregerwelle vorgegeben wird. Die Frequenz der Sensorwelle
ist die Resonanzfrequenz eines auch hier vorhandenen
Resonators. Konkret wird bei dem bekannten Verfahren über eine
modulierte Erregerwelle, deren Modulation in dem Sensor zur
Anregung eines messwertsensitiven Resonators verwendet wird,
dieser Resonator mit Energie versorgt, damit er auf einer
anderen Frequenz die Sensorwelle abstrahlen kann. Es geht also
nicht um eine unmittelbare Rückstreuung der Erregerwelle.
Entsprechend werden zwei unterschiedliche Sensorantennen,
nämlich eine Sensorempfangsantenne und eine Sensorsendeantenne
benötigt, weil in ganz unterschiedlichen Frequenzbereichen
gearbeitet wird. Der Resonator ist mit der Sensorsendeantenne
verbunden, um diese zur Abstrahlung der Sensorwelle anzuregen.
Aus der WO 96/33423 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs
Beschriebenen Art bekannt, bei der es sich um einen
funkabfragbaren Sensor in Oberflächenwellentechnik handelt.
Dieser Technik ist es inhärent, dass die
Oberflächenwellenanordnung als Energiezwischenspeicher wirkt,
um eine gegenüber der Erregung des Sensors durch eine
Erregerwelle zeitverzögerte Aussendung einer Sensorwelle zu
ermöglichen. Bei dem bekannten funkabfragbaren Sensor ist ein
Impedanz-Element mit der Oberflächenwellenstruktur verbunden.
Die DE 196 48 531 C1 betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen
Übertragung mindestens eines Messwerts. Dabei wird eine
modulierte Erregerwelle zur Anregung einer Sensorantenne
verwendet. Die Modulation der Erregerwelle wird separiert und
auf einen frequenzabhängig arbeitenden Absorber gegeben. Der
Absorber dämpft die separierte Modulation in charakteristischer
von dem Messwert abhängiger Weise. Diese Dämpfung soll durch
Vermessung des elektromagnetischen Feldes mittels eines
Empfängers oder durch Überwachung der vor- und rücklaufenden
oder stehenden Wellen in der Speiseleitung der mindestens einen
Sendeantenne zur Ausstrahlung der Erregerwelle erfasst werden.
Bei dieser bekannten Vorrichtung geht es also darum, in dem
elektromagnetischen Erregerfeld einen Energieverlust bei einer
bestimmten, dem aktuellen Messwert entsprechenden Modulation
der Erregerwelle festzustellen.
Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die
Baueinheit mit dem Sensor und der Sensorantenne zu
vereinfachen, um sie bei Massenartikeln, wie sie Reifen für
Kraftfahrzeuge darstellen, einfacher wirtschaftlich realisieren
zu können.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den
Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den
Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.
Wenn das Meßsignal in den Sensor eingeleitet wird, so verändert
dies die elektrischen Eigenschaften des Sensorelements. Dieses
verändert damit auch die Phase und den Betrag der
rückgestreuten Welle. Bei einer periodischen Veränderung
entstehen so Seitenbänder um die Abfragefrequenz. Wenn die
Antenne oder ein Teil von ihr den Sensor darstellt, so ändert
sich die Ladungsverteilung auf der Antenne und daher wieder die
Phase und der Betrag der rückgestreuten Welle.
Kurz gesagt wird bei der Erfindung auf ein Oberflächenwellen-
Bauelement oder jedes andere Element zur Zwischenspeicherung
der Energie der die Sensorantenne anregenden Erregerwelle
verzichtet. Als Sensorsignal wird vielmehr die unmittelbare
Antwort der Sensorantenne auf die Erregerwelle verwendet, die
zeitgleich mit der Erregung durch die Erregerwelle von der
Sensorantenne als Sensorwelle abgestrahlt wird. Dabei
berücksichtigt der Begriff zeitgleich nicht die Laufzeiten der
Erregerwelle von einer Sendeantenne zu der Sensorantenne und
der Sensorwelle von der Sensorantenne zu einer Empfangsantenne.
Diese Laufzeiten sind aber typischerweise sehr kurz verglichen
mit der Dauer der Erregerwelle bzw. der Sensorwelle, die sich
so im wesentlichen zeitlich überlappen. Die Erregerwelle und
die Sensorwelle können auch kontinuierlich abgestrahlt bzw.
analysiert werden. Trotz der zeitlichen Überlappung und der
großen Feldstärkenunterschiede zwischen der Erregerwelle und
der Sensorwelle ist eine Auswertung der Sensorwelle bezüglich
des Meßwerts mit vertretbarem Aufwand möglich. Die
meßwertsensitive Impedanz, die direkt an die Sensorantenne
angeschlossen wird, ändert die Impedanz der Sensorantenne bei
einer Änderung des Meßwerts und damit die
Rückstreueigenschaften der Sensorantenne.
Wenn es sich bei dem Meßwert um die Stellung eines Schalters
handelt, kann im Fall des Meßwerts gleich "ein" die Frequenz
der Sensorwelle unterhalb derjenigen der Erregerwelle liegen
und im Falle des Meßwerts gleich "aus" kann die Frequenz der
Sensorwelle oberhalb der Erregerwelle liegen.
Es ist aber auch denkbar, daß nur in einem der beiden Meßwerte
eine Rückstreuung von der Sensorantenne erfolgt, während bei
dem anderen Meßwert die Sensorantenne in Bezug auf die
Erregerwelle so stark verstimmt ist, daß keine Sensorwelle mit
nennenswerter Feldstärke anfällt.
Als günstig erweist sich häufig eine Fourieranalyse der von der
Sensorantenne rückgestreuten Sensorwelle, um deren Frequenz
anteile zu ermitteln. Für viele Fragestellungen reicht es aus,
dabei die Frequenzanteile von mindestens zwei Frequenzen zu
betrachten, beispielsweise der Frequenz der Erregerwelle und
einer durch die meßwertsensitive Impedanz des Sensors fest
gelegten zweiten Frequenz. Der Intensitätsanteil der
Sensorwelle in einem solchen Nebenband kann unmittelbar den
interessierenden Meßwert codieren.
Bei einem sich mit der Zeit ändernden Meßwert kann ist es oft
vorteilhaft, die von der Sensorantenne rückgestreute
Sensorwelle bezüglich einer Frequenzmodulation zu analysieren.
Dies ist gleichbedeutend mit einer Analyse der Sensorwelle
bezüglich einer Phasenmodulation.
Alternativ oder zusätzlich kann bei einem sich mit der Zeit
ändernden Meßwert die von der Sensorantenne rückgestreute
Sensorwelle bezüglich einer Amplitudenmodulation analysiert
werden.
Wenn eine Funksensoreinrichtung, d. h. eine Baueinheit mit dem
Sensor und der Sensorantenne, an einem um eine Drehachse
rotierenden Objekt oder einem anderen sich bewegenden Objekt
angeordnet wird, während eine Sende- und Empfangseinrichtung
zum Senden der Erregerwelle und zum Empfangen der
rückgestreuten Sensorwelle ruht, kann zur Trennung der
Sensorwelle von der Erregerwelle auch ein dabei auftretender
Dopplereffekt genutzt werden. Genaugenommen ist der
Dopplereffekt sogar ein doppelter, weil er einmal am Ort der
Sensorantenne bezüglich der Erregerwelle auftritt und einmal am
Ort der Sende- und Empfangseinrichtung bezüglich der
Sensorwelle. Der Dopplereffekt ist jedoch nicht das hier
interessierende Meßsignal. Dieses ist vielmehr der in ihrer
Frequenz dopplerverschobenen Sensorwelle aufmoduliert.
Das neue Verfahren kann zur Messung des Reibbeiwerts eines
Reifens mit der Fahrbahn verwendet werden. Hier steht dann
neben dem zuletzt beschriebenen Dopplereffekt auch die zu
erwartende Form der Meßwertvariation als Trennkriterium für die
Sensorwelle von der Erregerwelle zur Verfügung. Auch dies ist
im Rahmen einer Fourieranalyse der Sensorwelle ausnutzbar.
Der Sensor zur Verwendung bei dem neuen Verfahren kann eine
meßwertsensitive Kapazität, Induktivität und/oder Resistivität
aufweisen. Grundsätzlich kann der Sensor auch einen komplizier
teren Aufbau mit einem Schaltkreis, welcher eine meßwertsensi
tive Impedanz aufweist, haben. Dies ist aber nicht bevorzugt.
Details zu möglichen Ausführungsformen des Sensors mit der
meßwertsensitiven Kapazität sind im übrigen der DE 198 07 004 A1
zu entnehmen.
Der Sensor mit der meßwertsensitiven Kapazität kann als Last am
Fußpunkt der Sensorantenne angeschlossen werden. Er kann aber
auch beispielsweise in die Sensorantenne selbst integriert
werden. Zur Temperaturüberwachung kann beispielsweise ein
Bimetallstreifen vorgesehen sein, der bis zu einem Schwellwert
die Antenne zwischen zwei Antennenarmen schließt und bei Über
schreitung des Temperaturschwellwerts die Antennenarme trennt.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
wird die Sensorantenne selbst als Sensor ausgebildet, dessen
Impedanz sich durch seine Verbiegung ändert. Mit anderen Worten
wird ein Biegesensor als Sensorantenne verwendet, bei der sich
der kapazitive oder induktive Anteil ihrer Impedanz mit der
Verbiegung ändert. Dies ist für alle Meßwerte möglich, bei
denen es sich um eine Biegung handelt, die sich in einer
Biegung äußern oder die in eine Biegung umsetzbar sind.
Bevorzugt ist die Erzeugung der Erregerwelle mit einer Erreger
frequenz von 100 bis 6000 MHz. Es versteht sich, daß die
Sensorantenne auch bezüglich ihrer Baugröße von der
Erregerfrequenz der Erregerwelle abhängig ist. Gleichzeitig
spielt die Erregerfrequenz für die Trennbarkeit der Sensorwelle
von der Erregerwelle eine maßgebliche Rolle. Dies gilt
insbesondere dann, wenn der interessierende Meßwert eine
Variation über der Zeit erfährt.
Bei der neuen Vorrichtung ist der Sensor mit der meßwertsensi
tiven Impedanz direkt an die Sensorantenne angeschlossen, so
daß sich deren Impedanz, d. h. ihr Rückstreuverhalten, bei einer
Änderung des Meßwerts ändert, und daß die Empfangsantenne die
von der Sensorantenne rückgestreute modulierte
elektromagnetische Sensorwelle zeitgleich mit der Abstrahlung
der Erregerwelle durch die Senderantenne empfängt. Die Funk
sensoreinrichtung mit dem Sensor und der Sensorantenne weist
den schon beschriebenen sehr einfachen Aufbau auf,
beispielsweise wenn die Sensorantenne selbst die
meßwertsensitive Impedanz aufweist oder zumindest Teil des
Sensors mit der meßwertsensitiven Impedanz ist. Die
grundsätzliche Anordnung und Ausbildung des Sensors kann, wie
ebenfalls schon erwähnt, der DE 198 07 004 A1 entnommen werden,
nur daß bei der vorliegenden Erfindung der Energiespeicher
entfällt und die Sensorantenne typischerweise räumlich näher an
dem Sensor angeordnet oder mit diesem zu einem einzigen Bauteil
zusammengefaßt ist. Beispielsweise können der Sensor und die
Sensorantenne gemeinsam von einem auf Biegung beanspruchten
Metalldrahtabschnitt ausgebildet werden. Ein solcher
Metalldrahtabschnitt kann in der Serienproduktion von Reifen
einfach und kostengünstig im Bereich des Profils angeordnet
werden, um die Möglichkeit einer Überwachung des Reibbeiwerts
der Reifen zu schaffen.
Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist die sich
anschließende Berechnung des bei dem neuen Verfahren
auftretenden Meßeffekts für den Fall der Messung des
Reibbeiwerts eines Reifens mit der Fahrbahn vorgesehen. Dabei
zeigt
Fig. 1 die Meßanordnung an dem Reifen eines Kraftfahrzeugs
und
Fig. 2 die Auslenkung eines Profilelements des Reifens gemäß
Fig. 1 beim Latschdurchlauf.
Die nachstehenden Berechnungen gehen von der in Fig. 1
dargestellten Meßanordnung aus, bei der eine Vorrichtung 4 zur
Messung des Reibbeiwerts eines Reifens 10 mit einer Fahrbahn 15
vorgesehen ist. Der Reifen 10 ist an einem Rad 9 eines
Kraftfahrzeugs 8 montiert und läuft mit diesem in Richtung
eines Drehpfeils 14 um eine Drehachse 18 um. Dabei bewegt sich
das Fahrzeug 8 in Richtung eines Pfeils 13 vorwärts (x-
Richtung). Die Vorrichtung 4 besteht aus eines hinter dem Rad 9
an dem Fahrzeug angeordneten Sende- und Empfangseinrichtung 7,
einer dieser zugeordneten Frequenzanalyseeinrichtung 20 und
einer im Reifen 10 angeordneten Funksensoreinrichtung 19. Die
Sende- und Empfangseinrichtung 7 umfaßt eine Sendeantenne 5 zur
Abstrahlung einer Erregerwelle und eine Empfangsantenne 6 zum
Empfangen einer Sensorwelle. Die Antennen 6 und 7 können dabei
auch zu einer einzigen Abfrageantenne zusammengefaßt sein. Die
Frequenzanalyseeinrichtung 20 steuert die Sendeantenne 7 zum
Abstrahlen der Erregerwelle an und Analysiert das
Ausgangssignal der Empfangsantenne 6 bezüglich seiner Frequenz
bzw. seiner Frequenzanteile. Die Sensorwelle, die die Basis des
Ausgangssignals der Empfangsantenne 7 bildet wird von einer
Sensorantenne 17 der Funksensoreinrichtung 19 als Antwort auf
die Erregerwelle zurückgestreut. Dabei ist die Sensorwelle
gegenüber der Erregerwelle durch einen Sensor 16 mit der
Dynamik einer meßwertsensitiven Impedanz moduliert, der direkt
an die Sensorantenne 17 angeschlossen ist und ihr
Rückstreuverhalten mit dem Meßwert ändert. Der Sensor 16 kann
auch integraler Bestandteil der Sensorantenne 17 sein. Der
interessierende Meßwert ist hier die Auslenkung eines
Profilelements 12 des Profils 11 des Reifens 10. Entsprechend
ist der Sensor 16 hier in dem Reifen 10 angeordnet.
Angenommen sei eine geradlinige gleichförmige Bewegung des
Fahrzeug 8 in Richtung des Pfeils 13. Da sich die Antennen 5, 6
hinter dem Rad 9 befinden, bewegt sich das Profilelement 12 mit
dem Sensor 16 beim Latschdurchlauf, d. h. beim Durchlauf durch
eine in Fig. 1 nicht dargestellte, aber der Realität
entsprechende Aufstandsfläche des Reifens 10 auf der Fahrbahn
15, auf die Antennen zu, so daß ein Dopplereffekt auftritt. Bei
einer Anordnung vor dem Rad 9 würde sich das Profilelement 12
von den Antenne 5, 6 wegbewegen, wobei sich nur die Vorzeichen
des Dopplereffekts umdrehen. Bei einer Anordnung der Antenne 5,
6 senkrecht oberhalb der Aufstandsfläche wird der Dopplereffekt
zu Null. Das hier beschriebene Meßverfahren mit modulierter
Rückstreuung funktioniert jedoch nach wie vor. Bei den
nachfolgenden zur Berechnungen werden nur Bewegungen in
Richtung des Pfeils 13 betrachtet; die Antennen 5, 6 mögen sich
daher auf der Höhe der Fahrbahn 15 befinden. Wenn die Höhe über
der Fahrbahn 15 mit berücksichtigt wird, so ändert das nichts
an den prinzipiellen Überlegungen, aber die Formeln werden
etwas komplizierter.
Das Kraftfahrzeug 8 bewege sich mit der Geschwindigkeit
VAuto
Der Reifen 10 habe den Radius r
Daraus ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ωReifen des Reifen
10 zu:
Die x-Richtung sei die Fahrtrichtung und die y-Richtung sei
die Richtung von der Drehachse 18 des Rads 9 zur
Aufstandsfläche. Wenn das Fahrzeug geradeaus fährt, so bewegt
sich das Profilelement in der x-y-Ebene. Die fahrzeugfeste
Antenne 5, 6 befinde sich auf Höhe der Drehachse 18 des Rads 9.
S, sx, sy sei der Ort, bzw. die Ortskomponenten und v, vx, vy
die Geschwindigkeit, bzw. die Geschwindigkeitskomponenten des
Sensors 16 in der x-y-Ebene, bzw. x-, y-Richtung relativ zu
den fahrzeugfesten Antennen 5, 6. t sei so gewählt, daß sich
das Profilelement 12 bei t = 0 genau in der Mitte der
Aufstandsfläche befindet. S0 ist der Abstand in x-Richtung
zwischen den Antennen 5, 6 und dem Mittelpunkt der
Aufstandsfläche, d. h. dem Abstand in x-Richtung zwischen den
Antennen 5, 6 und der Drehachse 18 des Rads 9. Damit ergibt
sich:
Die Dopplerfrequenz fd der rückgestreuten Sensorwelle ergibt
sich aus der Frequenz f0 der Erregerwelle und der
Lichtgeschwindigkeit c zu:
Die maximale Dopplerverschiebung ergibt sich an den beiden
Orten, bei denen die Verbindungslinie zwischen der
fahrzeugfesten Antenne und dem Sensor zum Reifen eine Tangente
bildet, d. h.
f0 = 1 GHz, vAuto = 100 km/h Daraus ergibt sich eine
maximale Dopplerverschiebung von fd - f0 = 92,5 Hz, was
beispielsweise mit einem CW-Radar offensichtlich gut meßbar
ist, wie die Polizei zeigt.
Im Folgenden wird zur Vereinfachung die Bewegung des Sensors
nur noch entlang der x-Richtung betrachtet. Obige Gleichungen
vereinfachen sich dadurch zu:
Beim Latschdurchlauf bewegt sich das Profilelement 12 nicht
mehr kreisförmig, sondern geradlinig. Da die Sekante kürzer
ist als der zugehörige Kreisbogen ergibt sich eine Verzwängung
des Reifens 10, d. h. je eine Auswölbung am Latschein- und
Auslauf. Wenn von der Bewegung des Profilelements die
Kreisbewegung abgezogen wird, so verbleibt als Bewegung die in
Fig. 2 mit x bezeichnete Verformung.
Die mit x bezeichnete Kurve wird nun zur leichteren
Berechenbarkeit mit einer Sinuskurve genähert. Die maximale
Auslenkung (in Fig. 2 ca. 0.45 mm) werde mit ALatsch
bezeichnet. Die Aufstandlänge (2a und 2b in Fig. 2) werde mit
LLatsch bezeichnet. Die Gesamtlänge der Sinus-Schwingung, mit
der die tatsächliche Profilelementverformung genähert wird,
beträgt dabei etwa 2.LLatsch. Die Frequenz fLatsch und die
Winkelgeschwindigkeit ωLatsch der Latschbewegung ergibt sich aus
der Bedingung, daß das Kraftfahrzeug 8 die Länge 2.LLatsch mit
der Geschwindigkeit VAuto durchfährt:
Die Bewegung sx des Sensors 16 in x-Richtung relativ zu den
fahrzeugfesten Antennen 5, 6 ergibt sich somit zu:
Immer wenn sich das Profilelement 12 im Bereich ±LLatsch um den
Mittelpunkt der Aufstandsfläche befindet, wird zur
kreisförmigen Bewegung die Bewegung durch die
Profilelementverformung addiert. Das Vorzeichen ergibt sich
dadurch, daß die Bewegung des Profilelements 12 zuerst von den
Antennen 5, 6 weg zeigt, d. h. die Bewegung zu den Antennen 5,
6 hin wird durch den Wulst im Latscheinlauf verzögert. Zum
Zeitpunkt t = 0 befindet sich das Profilelement 12 wieder in der
Entfernung so in der Mitte der Aufstandsfläche.
Die Geschwindigkeit vx ergibt sich zu:
Die Dopplerverschiebung ergibt sich somit zu:
Es ergeben sich zwei Doppleranteile, wobei der Beitrag der
Profilelementverformung um den Faktor π.ALatsch/LLatsch kleiner
ist, als der Beitrag durch die Raddrehung.
LLatsch = 8 cm (siehe Bild 2) und ALatsch = 0.45 mm: Dadurch
ergibt sich im Latschdurchlauf eine Erhöhung der
Dopplerfrequenz von ca. 1,8%, was sicher nicht, bzw. nicht
einfach meßbar ist.
Durch die Auswertung des Dopplersignals alleine ergibt sich
daher beim Latschdurchlauf kein signifikantes Meßsignal. Zwar
ist die Frequenz ωLatsch deutlich höher als die Raddrehung
ωReifen, aber die Amplitude ALatsch ist doch nur sehr klein im
Vergleich zum Reifenradius r.
Erfindungsgemäß wird nun die Auslenkung ALatsch.sin(ωLatsch.t) in eine
Modulation der Frequenz der rückgestreuten Sensorwelle
umgesetzt. Hierzu wird ein frequenzbestimmendes Element der
Funksensoreinrichtung, wie z. B. ein Teil der Sensorantenne
selbst oder ein Abschluß der Sensorantenne, mit der
Winkelgeschwindigkeit ωLatsch verändert. Dies kann dadurch
geschehen, daß entweder die Antenne durch die
Profilelementverformung verformt und damit in ihrer
Resonanzfrequenz verstimmt wird, oder daß ein
Dehnungsmeßsensor, wie eine veränderbare Kapazität,
Induktivität oder Widerstand als Sensor 16 zum Abschluß der
Sensorantenne 17 eingesetzt wird. Die Schaltung Sensorantenne
17 und Sensor 16 enthält dadurch mindestens ein Element Z(t),
dessen Impedanz Z sich mit der Profilelementverformung
verändert. Das rückgestreute Signal wird dadurch mindestens
eine Komponente enthalten, die die gleiche Zeitabhängigkeit
wie Z(t) aufweist. Das Spektrum dieser Komponente entspricht
dem Spektrum von Z(t).
Wenn der Antennenabschluß durch die Profilelementauslenkung
zwischen offen und kurzgeschlossen variiert wird, oder die
Resonanzfrequenz der Antenne durch die Auslenkung um einen
Bruchteil f0/Q, wobei Q die Güte der Sensorantenne 17
darstellt, verschoben wird, dann ist die gesamte rückgestreute
Energie in dieser Spektralkomponente der Sensorwelle
enthalten. Beidesmal ändert sich die Phase der reflektierten
Sensorwelle um ±180°, was einer Verschiebung der Spiegelebene
um ±λ/2 entspricht. λ ist hierbei die Wellenlänge der
elektromagnetischen Sensorwelle: λ = c/f0. Die so modulierte
Linie kann damit wie eine mit der Frequenz fLatsch
dopplerverschobene Linie berechnet werden, deren Auslenkung
ALatsch nun jedoch λ/2π beträgt.
Der Abstand der durch die Profilelementverformung modulierten
Linie von der Dopplerverschobenen Linie wird sich damit wie
1/LLatsch zu 1/λ verhalten. Beispiel: LLatsch = 8 cm (siehe Bild
2). Es ergeben sich für die in frage kommenden ISM-Bänder
folgende Verhältnisse:
Der absolute Abstand zwischen der Dopplerlinie und der
Profilelement-Verformungs-Linie bleibt zwar unabhängig von der
Frequenz immer gleich, der relative Abstand sinkt jedoch mit
steigender Meßfrequenz.
Ändert sich die Impedanz Z(t) und dadurch die Spiegelebene der
reflektierten Sensorwelle nur wenig mit der
Profilementverformung, so kann die reflektierte Sensorwelle in
zwei Komponenten zerlegt werden, von denen sich die eine
überhaupt nicht ändert und die andere sich um ±180° ändert. Die
zweite Komponente hat wieder die gleiche spektrale
Zusammensetzung wie Z(t). In diesem Falle wird somit nicht der
spektrale Gehalt, sondern nur die Intensität der durch die
Profilelementverformung beeinflußten Linie verändert.
Ändert sich beispielsweise die reflektierte Leistung durch die
Veränderung von Z(t) in Betrag oder Phase nur um 1%, so
beträgt der Anteil der durch Z(t) modulierten Linie 1/100-tel
oder -20 dB der gesamten reflektierten Leistung.
Auch dadurch wird somit das rückgestreute Signal fd zusätzlich
mit der Frequenz fLatsch = ωLatsch/2π moduliert.
Es ergibt sich die gleiche Formel wie oben.
In der erfindungsgemäßen Anwendung soll jedoch nicht nur die
direkte Linie, wie sie in Abb. 2 mit x bezeichnet ist,
untersucht werden, sondern auch höherfrequente Anteile, wie sie
z. B. durch lokale Gleitvorgänge einzelner Profilelemente 12
hervorgerufen werden. Diese liegen bezüglich ihrer Frequenz
dann noch weiter oberhalb.
Durch obige Abschätzungen wird klar, daß zur Messung der
Profilelementverformung Frequenzen im MHz-Bereich bis 6 GHz gut
geignet sind, Frequenzen oberhalb 6 GHz jedoch nicht, da das
Sensorsignal zu nahe an das Dopplersignal heranrückt.
1
Einlaufbereich
2
Kontaktbereich
2
a Kontaktbereich, treibend
2
b Kontaktbereich, bremsend
3
Auslaufbereich
4
Vorrichtung
5
Sendeantenne
6
Empfangsantenne
7
Sende- und Empfangseinrichtung
8
Kraftfahrzeug
9
Rad
10
Reifen
11
Profil
12
Profilelement
13
Pfeil
14
Drehpfeil
15
Fahrbahn
16
Sensor
17
Sensorantenne
18
Drehachse
19
Funksensoreinrichtung
20
Frequenzanalyseeinrichtung
Claims (14)
1. Verfahren zur Meßwertüberwachung durch Frequenzanalyse von
modulierter Rückstreuung,
- - wobei zur Meßwerterfassung ein Sensor (16) mit einer meßwertsensitiven Impedanz vorgesehen wird,
- - wobei eine Sensorantenne (17) mit einer elektromagnetischen Erregerwelle im Bereich ihrer Resonanzfrequenz angeregt wird,
- - wobei eine von dem Sensor (16) modulierte rückgestreute elektromagnetische Sensorwelle empfangen und analysiert wird,
- - wobei die von der Sensorantenne (17) rückgestreute modulierte elektromagnetische Sensorwelle zeitgleich mit der Anregung der Sensorantenne (17) empfangen wird,
- - wobei die Energie der die Sensorantenne (17) anregenden Erregerwelle nicht zwischengespeichert wird und
- - wobei der Sensor (16) mit der meßwertsensitiven Impedanz direkt an die Sensorantenne (17) angeschlossen wird, so daß er deren Impedanz bei einer Änderung des Meßwerts ändert.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die
von der Sensorantenne (17) rückgestreute Sensorwelle bezüglich
der Frequenzanteile von mindestens zwei Frequenzen analysiert
wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß die von der Sensorantenne (17) rückgestreute Sensorwelle
bezüglich einer Frequenzmodulation analysiert wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeich
net, daß die von der Sensorantenne (17) rückgestreute Sensor
welle bezüglich einer Amplitudenmodulation analysiert wird.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Funksensoreinrichtung (19) mit dem
Sensor (16) und der Sensorantenne (17) an einem um eine
Drehachse (18) rotierenden Objekt angeordnet wird, während eine
Sende- und Empfangseinrichtung (7) zum Senden der Erregerwelle
und zum Empfangen der rückgestreuten Sensorwelle nicht mit dem
Objekt umläuft.
6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der
Meßwert der Reibbeiwert eines Reifens (10) mit der Fahrbahn
(15) ist.
7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Sensor (16) eine meßwertsensitive
Kapazität, Induktivität und/oder Resistivität aufweist.
8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Sensor (16) als Last am Fußpunkt der
Sensorantenne (17) angeschlossen wird.
9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Sensor (16) in die Sensorantenne (17)
selbst integriert wird.
10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die
Sensorantenne (17) als Sensor (16) ausgebildet wird, dessen
Impedanz sich durch seine Verbiegung ändert.
11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Erregerwelle mit einer Erregerfrequenz
von 100 bis 6000 MHz erzeugt wird.
12. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens
nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Sendeantenne zur
Abstrahlung einer elektromagnetischen Erregerwelle, mit einer
Sensorantenne zum Empfangen der Erregerwelle, mit einem eine
meßwertsensitive Impedanz aufweisenden Sensor, mit einer
Empfangsantenne zum Empfangen einer von dem Sensor modulierten
rückgestreute elektromagnetische Sensorwelle und mit einer
Analyseeinrichtung zum Analysieren der Sensorwelle, wobei die
Empfangsantenne (7) die von der Sensorantenne (17) rückgestreute
modulierte elektromagnetische Sensorwelle zeitgleich mit der
Abstrahlung der Erregerwelle durch die Sendeantenne (5)
empfängt, wobei kein Element zur Zwischenspeicherung der Energie
der die Sensorantenne (17) anregenden Erregerwelle vorgesehen
ist und wobei der Sensor (16) mit der meßwertsensitiven Impedanz
direkt an die Sensorantenne (17) angeschlossen ist, so daß er
deren Impedanz bei einer Änderung des Meßwerts ändert.
13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß
der Sensor (16) im Bereich des Profils (11) eines Reifens (10)
angeordnet ist.
14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeich
net, daß der Sensor (16) und die Sensorantenne (17) gemeinsam
von einem auf Biegung beanspruchten Metalldrahtabschnitt
ausgebildet werden.
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Owner name: TRANSENSE TECHNOLOGIES PLC, BICESTER, OXFORDSHIRE, |
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Inventor name: REINDL, LEONHARD, DR., 38678 CLAUSTHAL-ZELLERFELD, |
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