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Die Erfindung betrifft eine Radarreflexionsschranke zur Erfassung von Objekten nach dem Oberbegriff von Anspruch 1.
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Zur berührungslosen Erkennung von Objekten werden häufig Lichtschranken eingesetzt. Das optische Spektrum ist aber nicht für alle Anwendungen geeignet, etwa in Umgebungen mit starken Verunreinigungen. Deshalb gibt es Einsatzgebiete, in denen eine Mikrowellen- oder Radarschranke die günstigere Wahl darstellt.
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Eine Radarschranke arbeitet vom Grundaufbau her wie eine Lichtschranke. Auf einer Seite des zu überwachenden Bereichs wird ein Radarsignal ausgesandt und gegenüber wieder empfangen. Tritt ein Objekt in diesen Radarpfad ein, so verändert sich das empfangene Radarsignal, woran die Anwesenheit des Objekts erkannt werden kann.
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Eine nach diesem Prinzip arbeitende Mikrowellenschranke ist beispielsweise aus der
DE 33 02 731 A1 bekannt.
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In der
DE 10 2013 100 817 A1 sind statt dedizierter Sender und Empfänger auf beiden Seiten eines Mikrowellenpfades variable Transceivereinheiten vorgesehen.
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Die
DE 25 02 610 A1 offenbart einen Intrusionsfühler für eine Mikrowellenschranke und verwendet in einer Ausführungsform einen Reflektor, um einen geknickten Überwachungspfad zu erzeugen. Dabei werden polarisierte Signale und ein polarisationsdrehender Reflektor eingesetzt, um keine unerwünschten Reflexionen zu erfassen, die nicht von dem Reflektor stammen.
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Es ist Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Radarschranke anzugeben.
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Diese Aufgabe wird durch eine Radarreflexionsschranke und ein Verfahren zur Erfassung von Objekten nach Anspruch 1 beziehungsweise 7 gelöst. Dabei geht die Erfindung von dem Grundgedanken aus, alternativ zu den bekannten Einwegschranken mit zueinander gegenüberliegenden Sendern und Empfängern eine Reflexionsschranke aufzubauen, bei der das Radarsignal auf der gleichen Seite des Radarpfads von einer Transceivereinheit ausgesandt und empfangen und auf der anderen Seite des Radarpfads passiv reflektiert wird. Dabei sind die Sende- und die Empfangsantenne der Transceivereinheit unterschiedlich und insbesondere zueinander orthogonal polarisiert, beispielsweise mit horizontaler und vertikaler linearer Polarisation. Der Reflektor ist polarisationsdrehend ausgebildet. Ein in dem Radarpfad befindliches Objekt zerstört die Polarisation und wird dadurch erkannt, dass allenfalls ein kleiner Anteil zufällig mit der Polarisationsrichtung der Empfangsantenne reflektiert wird. Eine Verwechslung des Empfangssignals von Reflektor und Objekt, die herkömmlich zu Fehldetektionen führen kann, wird dadurch praktisch ausgeschlossen.
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Die Erfindung hat weiterhin den Vorteil, dass Radarwellen nicht nur undurchsichtige Kleinpartikel in einer Umgebung mit Verunreinigungen, sondern mindestens dünne Schichten nichtmetallischer Objekte durchdringen und damit sogar eine Überwachung in geschlossene Pakete, Flaschen oder sonstige Behälter hinein ermöglichen. Solange sich die dielektrischen Eigenschaften zu detektierender Objekte wesentlich von der Umgebung unterscheiden, werden auch solche Objekte zuverlässig detektiert, deren optische Eigenschaften eine Erfassung in einer Lichtschranke sehr schwierig machen würden. Wegen der gegenüber Licht erheblich größeren Wellenlänge ist eine Rauigkeit zu detektierender Objekte unkritisch. Sensoren wie Reflektoren können überdies verdeckt eingebaut werden, also beispielsweise hinter Abdeckungen aus einem nichtmetallischen Material wie Kunststoff. Damit eignet sich die Erfindung besonders gut für Anwendungen im Hygienebereich, da Reinigungsprozesse nur auf die Kunststoffabdeckung einwirken. Leichte Veränderungen des Kunststoffs wie Risse oder sonstige Änderungen der Rauigkeit, Abtragung der Materialstärke oder dergleichen haben nahezu keinen Einfluss auf die Detektion.
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Der Reflektor weist bevorzugt mindestens einen Winkelreflektor auf. Ein Winkelreflektor (corner reflector) wird beispielsweise durch die innere Geometrie einer Würfelecke bestimmt und weist zwei oder drei Flächen auf, mit denen ein Radarsignal unter Polarisationsdrehung in sich reflektiert wird. Um eine größere Fläche abzudecken, werden mehrere solche Würfelecken nebeneinander angeordnet. Dadurch wird der Anteil reflektierter Energie erhöht und das System robuster gegenüber Ausrichtungstoleranzen.
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Die Transceivereinheit weist bevorzugt eine Radarlinse auf. Damit wird das Radarsignal auf einen Radarpfad mit geringem Querschnitt gebündelt. Es werden so Beugungseffekte unterdrückt, die dazu führen könnten, dass ein Objekt in dem Radarpfad übersehen wird, weil das Radarsignal das Objekt durch Beugung umgeht und so reflektiert und wieder empfangen wird. Angestrebt sind kleine Öffnungswinkel von wenigen Grad, also beispielsweise höchstens 5°, höchstens 2° oder sogar höchstens 1° und weniger.
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Die Transceivereinheit ist bevorzugt zum Abstrahlen und Empfangen eines Radarsignals mit einer Arbeitsfrequenz von mindestens 50 GHz ausgebildet, noch bevorzugter mindestens 100 GHz oder mindestens 200 Ghz und mehr. Man kann die die Antennenwirkfläche in Abhängigkeit von der Frequenz und den Öffnungswinkeln abschätzen zu Aw = 26000/2*omega_hw/2*Theta_hw*lambda^2/4/Pi. Daraus ergeben sich runde Antennenwirkflächen für einen Öffnungswinkel von ±2° von 40 cm bei einer Frequenz von 10 GHz, 4 cm bei 100 GHz und 2 cm bei 200 GHz. Je höher also die Arbeitsfrequenz, umso kompakter kann das System auch für kleine Öffnungswinkel aufgebaut werden.
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Die Sendeantenne und/oder die Empfangsantenne ist bevorzugt in die Transceivereinheit integriert. Insbesondere sind die Antennen als Patchantennen auf einem Transceiverchip untergebracht, so dass ein sehr kompakter Aufbau ermöglicht wird.
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Die Transceivereinheit strahlt das Radarsignal bevorzugt als Dauerstrichsignal bei fester Frequenz ab, und die Auswertungseinheit erkennt eine Unterbrechung durch Unterschreiten einer Intensitätsschwelle. Das ermöglicht eine robuste Objekterkennung für den wichtigen Anwendungsfall eines schaltenden Systems. Alternativ sind auch Modulationen in Amplitude, Frequenz und/oder Phase insbesondere mit einer Abstandsbestimmung des eingreifenden Objekts durch ein Signallaufzeitverfahren denkbar.
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Die Erfindung wird nachstehend auch hinsichtlich weiterer Merkmale und Vorteile beispielhaft anhand von Ausführungsformen und unter Bezug auf die beigefügte Zeichnung näher erläutert. Die einzige Abbildung der Zeichnung zeigt in:
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1 eine schematische Querschnittsansicht einer Radarreflexionsschranke.
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1 ist eine sehr schematische Querschnittsdarstellung einer Radarreflexionsschranke 10 mit einer Transceivereinheit 12 und einem Reflektor 14 an den beiden Enden eines Radarpfades 16. Die Transceivereinheit 12 erzeugt in einem Signalgenerator 18 ein Radarsignal, das über eine Sendeantenne 20 abgestrahlt wird. Das Radarsignal ist hier ganz allgemein ein elektromagnetisches Hochfrequenzsignal, insbesondere ein Mikrowellensignal im Frequenzbereich einiger bis einiger hundert GHz. Die Sendeantenne 20 ist polarisiert, strahlt also ein Radarsignal mit einer beispielsweise vertikalen linearen Polarisation ab, wie durch einen Pfeil über der Sendeantenne 20 angedeutet.
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Eine Radarlinse 22 bündelt das Radarsignal auf einen kleinen Öffnungswinkel, das dann einen Hochfrequenzsendestrahl 24 auf dem Radarpfad 16 bildet. Das Radarsignal wird an dem Reflektor 14 unter Polarisationsdrehung in sich zurückgeworfen und kehrt als Hochfrequenzempfangsstrahl 26 zu der Transceivereinheit 12 zurück. Dabei ist zu beachten, dass die Größenverhältnisse in 1 nicht der Realität entsprechen, da die Entfernung des Reflektors 14 üblicherweise groß gegen die Abmessungen der Transceivereinheit 12 ist. Auch der Abstand zwischen Hochfrequenzsendestrahl 24 und Hochfrequenzempfangsstrahl 26 ist rein darstellungsbedingt.
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Nach Bündelung in der Radarlinse 22 wird das Radarsignal mit einer Empfangsantenne 28 empfangen, die unterschiedlich zu der Sendeantenne 20 und hier passend zu dem im Reflektor 14 polarisationsgedrehten Radarsignal horizontal linear polarisiert ist. Durch die unterschiedlichen Polarisationen von Sendeantenne 22 und Empfangsantenne 28 sind keine weiteren Maßnahmen notwendig, um deren gegenseitige Entkopplung noch zu erhöhen.
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Tritt nun ein Objekt 30 in den Radarpfad 16 ein, so wird der Strahl zumindest partiell unterbrochen und so die Intensität an der Empfangsantenne 28 herabgesetzt, woran die Anwesenheit des Objekts 30 erkannt wird. Das Ausmaß der Dämpfung hängt wesentlich von den Materialeigenschaften des Objekts 30 bei der verwendeten Frequenz des Radarsignals ab. Leitende Objekte 30 werden am einfachsten erkannt, ansonsten hängt die Detektionsfähigkeit von dem Unterschied der Dielektrizitätskonstante des Objekts 30 zu derjenigen von Luft ab. Dabei sind auch Beugungseffekte zu beachten, weshalb eine möglichst gute Bündelung des Radarsignals angestrebt wird. Dies wird durch die Radarlinse 22 sowie eine hohe Arbeitsfrequenz des Radarsignals erreicht, die zu einer kleineren Apertur führt. Allerdings nimmt mit höherer Frequenz auch die Dämpfung in nichtleitenden Medien und in der Atmosphäre zu und begrenzt so die Reichweite sowie die Möglichkeit, durch Störobjekte oder Verpackungen hindurchzusehen.
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Aufgrund der Polarisation ergibt sich ein großer Intensitätsunterschied des von dem Reflektor 14 zurückgeworfenen Radarsignals und des an dem Objekt 30 reflektierten Radarsignals. Nur ein sehr kleiner Anteil des Radarsignals, das nach Streuung an dem Objekt 30 empfangen wird, hat die Polarisationseigenschaften, auf welche die Empfangsantenne 30 ausgelegt ist.
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Der weitere Empfangspfad gemäß 1 ist insbesondere geeignet für ein abgestrahltes Radarsignal als Dauerstrichsignal einer festen Frequenz. So werden Sendekanal und Empfangskanal allein durch die Polarisation getrennt, und der nutzbare Dynamikbereich ist von der Differenz der Kopplung von Sendeantenne 20 zu Empfangsantenne 28 und dem vom Reflektor 14 zurückgeworfenen Radarsignal bestimmt. Es wird dann nur die empfangsseitige Pegeländerung mit einer Schwelle überwacht und ein entsprechendes Schaltsignal erzeugt. Nach Selektion der Frequenz des Radarsignals in einem Bandpassfilter 32 wird eine Diode als Amplitudendetektor 34 eingesetzt und das entstehende Signal in einem A/D-Wandler 36 digitalisiert beziehungsweise binarisiert und so einer Steuer- und Auswertungseinheit 38 zur Verfügung gestellt, die beispielsweise einen Schaltausgang entsprechend der Anwesenheit oder Abwesenheit des Objekts 30 setzt.
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Durch Integration von Sendeantenne 20 und Empfangsantenne 28 auf einem Chip mit der Auswertungseinheit 38 und den übrigen Schaltelementen 18, 32, 34, 36 der Transceivereinheit 12 wird ein sehr kompakter Aufbau erreicht.
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Der innere Aufbau der Transceivereinheit 12 nach 1 ist beispielhaft zu verstehen. Es ist auch denkbar, das Empfangssignal nicht direkt auszuwerten, sondern zunächst mit dem Sendesignal herunterzumischen und das dann entstehende DC-Signal auszuwerten.
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Außerdem sind Modulationen des Radarsignals möglich, mit denen die Entkopplung zwischen Sendepfad und Empfangspfad verbessert wird oder Zusatzinformationen wie beispielsweise der Abstand des Objekts 30 gewonnen werden.
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In einer Amplitudenmodulation wird das abgestrahlte Radarsignal in der Ausgangsamplitude moduliert. Der Extremfall einer Amplitudenmodulation ist eine Pulsmodulation. Schaltungstechnisch ist dazu im Sendepfad ein Amplitudenmodulator vorzusehen. Empfangsseitig können Pulse sowohl mit der in 1 dargestellten Schaltung als auch nach einem Heruntermischen mit dem Sendesignal ausgewertet werden, da Pulse auf der DC-Seite sichtbar sind. Ein Vorteil dieses Ansatzes ist, dass man durch die Synchronisation von Sender und Empfänger die Entkopplung der Sendeantenne 20 und der Empfangsantenne 28 schon im Zeitbereich erreicht, wodurch man sich durch die gewählte Auflösung im Zeitbereich den Mindestabstand vor der Antenne vorgibt. Die Polarisation unterstützt dann die Entkopplung und wäre für diese Funktion sogar verzichtbar. Außerdem kann aufgrund der Amplitudenmodulation eine Störausblendung erfolgen. Schließlich kann die Pulslaufzeit gemessen und dadurch neben den Pegeländerungen auch Position des Objekts 30 ausgewertet werden.
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Zur Bestimmung der Laufzeit kann auch eine Frequenzmodulation aufgebracht werden. Hier gibt es beispielsweise die Alternativen einer Frequenzumtastung zwischen zwei oder mehr Frequenzen oder eine Frequenzrampe. Gerade bei einer Frequenzrampe ist der zusätzliche Schaltungsaufwand überschaubar größer als im Falle der in 1 gezeigten Auswertung, da wiederum mit dem Sendesignal ins Basisband gemischt werden kann.
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Über eine Modulation der Phase kann ebenso auf die Laufzeit geschlossen werden, jedoch ist der Eindeutigkeitsbereich auf eine Wellenlänge beschränkt und der Schaltungsaufwand erhöht. Die diversen Modulationen und Wellenformen sowie deren Auswertung lassen sich auch kombinieren.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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- DE 3302731 A1 [0004]
- DE 102013100817 A1 [0005]
- DE 2502610 A1 [0006]
