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Die vorliegende Erfindung betrifft einen Radarsensor umfassend ein Gestell, ein an dem Gestell angeordnetes Gehäuse, eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Sende- und Empfangseinheit für Hochfrequenzsignale, wobei die Abstrahlrichtung der von der Sende- und Empfangseinheit abgestrahlten Hochfrequenzsignale um eine Drehachse rotierbar ist, wobei die Abstrahlrichtung der von der Sende- und Empfangseinheit abgestrahlten Hochfrequenzsignale im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse orientiert ist.
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STAND DER TECHNIK
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Radarsensoren sind aus dem Stand der Technik bekannte Vorrichtungen zur funkgestützten Ortung und Abstandsmessung auf der Basis von elektromagnetischen Wellen im Hochfrequenzbereich, insbesondere bei 5-500 GHz. Radarsensoren umfassen dazu einen Hochfrequenzsender zur Abstrahlung von sogenannten Primärsignalen, und einen Empfänger für Hochfrequenzsignale, welcher die von beabstandeten Objekten reflektierten Echos als sogenannte Sekundärsignale detektiert. Empfänger und Sender sind dabei häufig als eine kombinierte Sende- und Empfangseinheit ausgebildet. Bei den Primärsignalen handelt es sich je nach Radarverfahren um Signalpulse oder um ein Dauerstrichsignal, welches gegebenenfalls noch frequenzmoduliert wird. Aus den reflektierten Sekundärsignalen können insbesondere zeitaufgelöste Informationen zur relativen Lage, d.h. Entfernung und Sichtwinkel, zu den die Primärsignale reflektierenden Objekten bestimmt werden.
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Radarsensoren werden heutzutage zur Prozessüberwachung und - steuerung in einer Vielzahl von industriellen Anwendungen eingesetzt, beispielsweise in der Schwerindustrie, insbesondere im Bergbau, der Landwirtschaft oder beim Güterumschlag in Häfen und Logistikzentren. Im Vergleich zu konkurrierenden Verfahren basierend auf Laser- oder Ultraschallsignalen ist die Radartechnik insbesondere für den Feldeinsatz unter rauen Bedingungen geeignet, da die verwendeten langwelligen Hochfrequenzsignale nur unwesentlich mit potentiell störenden Objekten wie beispielsweise Staubkörnern oder Regentropfen wechselwirken.
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Radarsensoren umfassen üblicherweise ein Gehäuse, in welchem die sensiblen elektronischen Komponenten, insbesondere die Sende- und Empfangseinheit, geschützt angeordnet sind, und ein das Gehäuse stützendes Gestell.
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Ein aus dem Stand der Technik bekannter Radarsensor zur Überwachung eines bis zu 360° messenden Sichtfeldes arbeitet auf Basis von Primärsignalen, deren Abstrahlrichtung um eine feste Drehachse rotiert, wobei während einer vollen Umdrehung ein zu überwachendes Sichtfeld um 360° überstrichen wird. Üblicherweise erfolgt die Abstrahlung der Primärsignale dabei radial zu der Drehachse. In Bezug auf die Drehachse als Lotrichtung überstreicht das abgestrahlte Primärsignal also einen Horizontalwinkel von bis zu 360° unter einem unveränderlichen Zenitwinkel von 90°. In der Praxis führt die endliche Strahldivergenz des Primärsignals zu einer Strahlaufweitung mit zunehmender Entfernung vom Sender, wodurch die Orts- und Winkelauflösung der Radarmessung beeinträchtigt wird.
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Nachteilig an solchen Radarsensoren nach dem Stand der Technik ist der begrenzte Raumwinkel des überwachten Sichtfeldes, welcher bei zahlreichen Anwendungen die Verwendung einer Vielzahl von unterschiedlich positionierten Radarsensoren notwendig macht.
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OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Weiterbildung eines Radarsensors vorzuschlagen, der sich im Vergleich zu Radarsensoren nach dem Stand der Technik durch einen signifikant größeren Raumwinkel des überwachten Sichtfeldes auszeichnet.
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Diese Aufgabe wird ausgehend von einem Radarsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1 mit den kennzeichnenden Merkmalen gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den abhängigen Ansprüchen angegeben.
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Die Erfindung schließt die technische Lehre ein, dass das den Sender beherbergende Gehäuse des Radarsensors um eine Schwenkachse drehbar an dem Gestell gelagert ist.
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Der Kerngedanke der Erfindung besteht darin, den von dem Primärsignal des Radarsensors abtastbaren Raumwinkel dadurch zu vergrößern, dass das Gehäuse, und somit auch der Sender, schwenkbar gelagert sind, wodurch die Drehachse, um welche die Abstrahlrichtung des Primärsignals rotiert, und damit das vom Radarsensor überwachte Sichtfeld verkippt werden können. Bei inkrementeller Verkippung der Drehachse gegenüber der Ausgangsstellung und (periodischer) 360° Rotation der Abstrahlrichtung des Primärsignals um die Drehachse kann somit ein großer Raumwinkel von dem Primärsignal abgetastet werden.
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In vorteilhafter Ausführungsform umfasst der erfindungsgemäße Radarsensor eine Antriebseinheit zur Drehung des Gehäuses um die Schwenkachse, wobei die Antriebseinheit innerhalb des Gehäuses angeordnet ist. Die Verwendung einer Antriebseinheit zur Betätigung der Schwenkachse bietet gegenüber einer manuellen Verstellung den Vorteil der Automatisierbarkeit, insbesondere kann somit eine dynamische Variation des vom Radarsensor überwachten Sichtfeldes vorgenommen werden. Die Integration der Antriebseinheit in das Innere des Gehäuses dient einerseits der Schaffung einer kompakten Bauform, welche insbesondere für den Einsatz unter rauen Umgebungsbedingungen geeignet ist. Des Weiteren wird es durch die Anordnung der Antriebseinheit innerhalb des Gehäuses ermöglicht, den Massenschwerpunkt des schwenkbaren Teils des Radarsensors möglichst nahe an die Schwenkachse zu verlagern, so dass der Radarsensor in schwingungsbelasteten Anwendungen eine geringere Störanfälligkeit aufweist.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform ist die erfindungsgemäße Schwenkachse orthogonal zu der Drehachse angeordnet, um welche die Abstrahlrichtung des Primärsignales rotiert. In dieser Anordnung kann das Sichtfeld des Radarsensors auf einen vollen Raumwinkel von 4π erweitert werden.
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Vorzugsweise ist das Gehäuse mittels der Antriebseinheit über einen Winkelbereich von ± 70° um die Schwenkachse drehbar. Damit ist ein für die industrielle Praxis erfahrungsgemäß ausreichend großer Winkelbereich durch den Radarsensor überwachbar. Die Antriebseinheit umfasst vorteilhaft einen Motor, ein Getriebe und eine entlang der Schwenkachse angeordnete Abtriebswelle. Dabei kann der Motor insbesondere als ein bürstenloser Gleichstrommotor ausgebildet sein, welcher einen im Bereich der Automatisierungstechnik bevorzugt eingesetzten Motortyp darstellt. Das Getriebe der Antriebseinheit ist vorzugsweise mit einem Zahnriemen und/oder mit Zahnrädern ausgebildet.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform ist ein Anschlussteil an dem Gestell angeordnet ist, wobei der Radarsensor mittels des Anschlussteils mit einer externen Versorgungsleitung und/oder einer externen Datenleitung verbindbar ist. Die Verbindung externer Zuleitungen erfolgt in diesem Fall also ausschließlich an den statischen Teil des Radarsensors, nicht hingegen an das einer Schwenkbewegung unterworfene Gehäuse, wodurch die Dauerhaftigkeit der Verbindung erhöht wird.
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In vorgenannter Ausführungsform mit gestellfestem Anschlussteil für externe Zuleitungen umfasst der Radarsensor vorzugsweise wenigstens ein Verbindungskabel, wobei mittels des Verbindungskabels die externe Versorgungsleitung und/oder die externe Datenleitung von dem Anschlussteil an dem Gestell in das Innere des Gehäuses geführt werden, und wobei das Verbindungskabel beim Übergang von dem Gestell in das Innere des Gehäuses entlang der Schwenkachse angeordnet ist. Auf diese Weise kann eine robuste und wenig störungsanfällige Verbindung des Gehäuseinneren sichergestellt werden. Am Übergang von Gestell zu Gehäuse ist beispielsweise eine Hohlwelle entlang der Schwenkachse zur Aufnahme des Verbindungskabels entlang der Schwenkachse angeordnet. Vorzugsweise ist das Verbindungskabel als eine Wickelfeder ausgebildet, wobei die Wickelfeder im Inneren des Gehäuses um die Schwenkachse gewickelt ist. Durch die Verwendung einer Wickelfeder wird unabhängig von der Schwenkbewegung des Gehäuses eine dauerhafte und unterbrechungsfreie Signalübertragung gewährleistet.
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Alternativ zur Durchführung einer Datenleitung in das Innere des Gehäuses mittels einer Wickelfeder kann der erfindungsgemäße Radarsensor eine Vorrichtung zur optischen Richtfunkkommunikation umfassen, wobei mittels der Vorrichtung zur optischen Richtfunkkommunikation eine Datenübertragungsstrecke zwischen dem Anschlussteil an dem Gestell und dem Inneren des Gehäuses aufgebaut ist.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform weist das Gehäuse eine erste Stirnseite und eine zweite Stirnseite auf, wobei die Schwenkachse orthogonal durch die erste Stirnseite und orthogonal durch die zweite Stirnseite verläuft, und dass das Gehäuse an der ersten Stirnseite und an der zweiten Stirnseite jeweils um die Schwenkachse drehbar an dem Gestell gelagert ist. Durch eine solche beidseitige Lagerung des Gehäuses werden Dauerhaftigkeit, Stabilität und Schwingungsanfälligkeit des Radarsensors optimiert.
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Vorzugsweise umfasst der erfindungsgemäße Radarsensor eine innerhalb des Gehäuses angeordnete Umlenkvorrichtung für Hochfrequenzsignale, wobei die Umlenkvorrichtung um die Drehachse rotierbar ist, und wobei die Umlenkvorrichtung zur Umlenkung der von der Sende- und Empfangseinheit abgestrahlten Hochfrequenzsignale derart ausgebildet ist, dass die Hochfrequenzsignale im Wesentlichen orthogonal zu der Drehachse abstrahlbar sind und die Abstrahlrichtung der Hochfrequenzsignale um die Drehachse rotierbar ist, und dass außerhalb des Radarsensors reflektierte Hochfrequenzsignale mittels der Umlenkvorrichtung auf die Sende- und Empfangseinheit umlenkbar sind. Daraus resultiert ein sehr kompakter und wenig störungsanfälliger Aufbau des Radarsensors, da die Sende- und Empfangseinheit innerhalb des Gehäuses unbeweglich angeordnet ist und die Rotation der Abstrahlrichtung der Primärsignale um die Drehachse ausschließlich durch die Rotation der Umlenkvorrichtung realisiert wird.
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Vorzugsweise umfasst die Umlenkvorrichtung einen Spiegel, wobei der Spiegel einen mittels Additiver Fertigung hergestellten Kunststoffkörper mit einer spiegelnden Metallbeschichtung aufweist. Im Vergleich zu einem vollständig aus Metall gefertigten Spiegel weist ein Spiegel mit Kunststoffkörper ein geringeres Gewicht auf, wodurch höhere Umlauffrequenzen der Umlenkvorrichtungen realisiert werden können, typischerweise etwa 100 Hz anstelle von 50 Hz bei reinen Metallspiegeln. Dadurch wird eine schnellere Abtastung des Sichtfeldes des Radarsensors ermöglicht, wodurch die erfindungsgemäße Vergrößerung des Sichtfeldes nicht zwangsläufig mit einer dementsprechenden Verlängerung der Messdauer einhergeht.
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In weiterer vorteilhafter Ausführungsform umfasst die Umlenkvorrichtung einen Antrieb zur Drehung des Spiegels, wobei der Antrieb zwischen dem Spiegel und der Sende- und Empfangseinheit um die Drehachse angeordnet ist, und wobei ein Hohlleiter für Hochfrequenzsignale durch den Antrieb hindurch verläuft. Bei Anordnung des Antriebes der Umlenkvorrichtung um die Drehachse kann auf ein Getriebe verzichtet werden und es resultiert eine robuste, wenig schwingungsanfällige Bauform der Umlenkvorrichtung. Freier Durchtritt der primären und sekundären Hochfrequenzsignale zwischen Sende- und Empfangseinheit und dem Spiegel der Umlenkvorrichtung ist dabei durch den im Inneren des Antriebes verlaufenden Hohlleiter gewährleistet.
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Figurenliste
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Weitere, die Erfindung verbessernde Maßnahmen werden nachstehend gemeinsam mit der Beschreibung eines bevorzugten Ausführungsbeispiels der Erfindung anhand der Figuren näher dargestellt. Es zeigen:
- 1 eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radarsensors,
- 2 eine erste Schnittdarstellung der Ausführungsform,
- 3 eine zweite Schnittdarstellung der Ausführungsform,
- 4 eine dritte Schnittdarstellung der Ausführungsform und
- 5 eine schematische Darstellung einer beispielhaften Anwendung des erfindungsgemäßen Radarsensors zur Schüttguterfassung.
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1 zeigt eine schematische Darstellung einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Radarsensors 100, aus welcher insbesondere die Lagebeziehungen zwischen der Abstrahlrichtung 30 des Primärsignals 31, der Drehachse 5 und der erfindungsgemäßen Schwenkachse 6 hervorgehen. Sowohl der Winkel θ zwischen der Drehachse 5 und der Abstrahlrichtung 30, als auch der Winkel Θ zwischen der Drehachse 5 und der Schwenkachse 6 betragen hier 90°. Bei Rotation der Abstrahlrichtung 30 um die Drehachse 5 bleibt der Winkel θ konstant, so dass bei einer Rotation der Abstrahlrichtung 30 um 360° von dem Primärsignal 31 eine Ebene überstrichen wird, deren Lot der Drehachse 5 entspricht. Bei Radarsensoren nach dem Stand der Technik ist das überwachbare Sichtfeld auf diese Ebene beschränkt. Zwar resultiert aus der endlichen Strahldivergenz des Primärsignals 31 in der Praxis eine gewisse Vergrößerung des Sensorsichtfeldes, dies jedoch zulasten der Orts- und Winkelauflösung der Messung. Die erfindungsgemäße Einführung der Schwenkachse 6 ermöglicht eine Verkippung der Drehachse 5, wobei die Winkel Θ und θ in der dargestellten Ausführungsform konstant 90° betragen, woraus eine entsprechende Verkippung des Sichtfeldes des Radarsensors 100 resultiert. Vorzugsweise beträgt der Schwenkbereich der Schwenkachse 6 bis zu ±70°, so dass von dem Radarsensor 100 nahezu jeder Raumpunkt überwacht werden kann.
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In der dargestellten Ausführungsform umfasst das Gestell 1 einen Gestellsockel 11 und zwei Halterungen 12, die jeweils an den Stirnseiten 21a und 21b des Gehäusekörpers 21 angeordnet sind. In der in 1 gewählten Perspektive sind die Stirnseite 21b und die daran angeordnete zweite Halterung 12 durch den Gehäusekörper 21 verdeckt An den Halterungen 12 sind Lager vorgehalten mittels derer der Gehäusekörper 21 um die Schwenkachse 6 drehbar in dem Gestell 1 aufgenommen ist. Das Gehäuse 2 umfasst weiterhin die Haube 22, welche aus einem für Hochfrequenzsignale durchlässigen Werkstoff gefertigt ist. Die Rotation der Abstrahlrichtung 30 der Primärsignale 31 wird vorzugsweise mittels einer innerhalb des Gehäuses angeordneten, rotierenden Umlenkvorrichtung realisiert (siehe Beschreibung der 2). Zur Verbindung des Radarsensors 100 mit externen Versorgungs- und/oder Datenleitungen dient das Anschlussteil 8. Das Anschlussteil 8 ist an der unbeweglichen Halterung 12 angeordnet und nimmt somit nicht an der Drehung um die Schwenkachse 6 teil, wodurch Robustheit und Dauerhaftigkeit der Verbindung mit den externen Zuleitungen gewährleistet ist. Die weitere Verbindung des Anschlussteils 8 mit dem Inneren des Gehäuses wird vorzugsweise mittels einer Wickelfeder als Verbindungskabel realisiert (siehe Beschreibung der 4), wobei das Verbindungskabel am Übergang von der Halterung 12 in das Innere des Gehäusekörpers 21 entlang der Schwenkachse 6 verläuft.
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II, III und IV markieren die in den 2 bis 4 dargestellten Schnittebenen durch den erfindungsgemäßen Radarsensor 100, wobei die Schnittebenen jeweils orthogonal zur Schwenkachse 6 orientiert sind.
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2 zeigt eine erste Schnittdarstellung des in 1 dargestellten Radarsensors 100, wobei die Schnittebene orthogonal zur Schwenkachse 6 orientiert ist und entlang der in 1 dargestellten Markierung II verläuft und die Drehachse 5 enthält. Dargestellt ist hier insbesondere die Erzeugung des Primärsignals 31. Die Sende- und Empfangsvorrichtung 3 emittiert aus dem Front-End 3a Hochfrequenzsignale 310, welche durch den Hohlleiter 4 entlang der Drehachse 5 propagieren und im weiteren Verlauf von dem um die Drehachse 5 rotierenden Spiegel 91 der Umlenkvorrichtung 9 rechtwinklig umgelenkt werden, so dass das aus der Haube 22 austretende Primärsignal 31 entlang der Abstrahlrichtung 30 verläuft, wobei die endliche Strahldivergenz zu einer Strahlaufweitung führt. Der Hohlleiter 4 verläuft dabei im Inneren des Antriebes 92 der Umlenkvorrichtung 9, welcher um die Drehachse 5 herum angeordnet ist. Der Hohlleiter 4 kann mit einem dielektrischen Medium gefüllt sein, und der Querschnitt des Hohlleiters 4 ist zur Bildung einer Hornantenne im Bereich des Strahlungsaustritts aufgeweitet. Die Umlenkvorrichtung 9 dient in umgekehrter Richtung auch der Umlenkung und Fokussierung der auf den Radarsensor 100 zurückreflektierten Sekundärsignale auf die Sende- und Empfangseinheit 3.
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3 zeigt eine zweite Schnittdarstellung des in 1 dargestellten Radarsensors 100, wobei die Schnittebene orthogonal zur Schwenkachse 6 orientiert ist und entlang der in 1 dargestellten Markierung III verläuft. Dargestellt ist die Anordnung der Antriebseinheit 7 im Inneren des Gehäusekörpers 21. Die Antriebseinheit 7 umfasst den Motor 71, welcher vorzugsweise als ein bürstenloser Gleichstrommotor 71a ausgebildet ist, welcher über das Getriebe 72, umfassend den Zahnriemen 72a, das Antriebszahnrad 72b und das Abtriebszahnrad 72c, die entlang der Schwenkachse 6 angeordnete Abtriebswelle 73 antreiben kann. Die Integration der gesamten Antriebseinheit 7 in das Innere des Gehäusekörpers 21 ermöglicht eine kompakte und robuste Bauform des Radarsensors 100. Vorzugsweise ist die relative Anordnung der Antriebseinheit 7 und der Bestandteile von Sender 3 und Empfänger 4 (siehe 2) derart gewählt, dass sich eine möglichst symmetrische Masseverteilung um die Schwenkachse 6 ergibt, wodurch der Radarsensor 100 auch in schwingungsbelasteten Einsatzbereichen eine ausreichende mechanische Stabilität aufweist und präzise Radarortung ermöglicht.
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4 zeigt eine dritte Schnittdarstellung des in 1 dargestellten Radarsensors 100, wobei die Schnittebene orthogonal zur Schwenkachse 6 orientiert ist und entlang der in 1 dargestellten Markierung IV verläuft. Dargestellt ist das als eine Wickelfeder aus Flachbandkabel ausgebildete Verbindungskabel 81, welches im Bereich der Abtriebswelle 73 um die Schwenkachse 6 gewickelt ist. Die Wickelfeder 81 dient der elektrischen Verbindung der im Inneren des Gehäusekörpers 21 angeordneten Bestandteile des Radarsensors 100 mit externen Zuleitungen zur Stromversorgung und zum Datenaustausch. Die an dem gestellfesten Anschlussteil 8 angeschlossenen externen Zuleitungen (siehe 1) werden mittels Flachbandkabel entlang der Schwenkachse 6 in das Innere des Gehäusekörpers geführt und gewährleisten in Form der Wickelfeder 81 eine von der Schwenkbewegung des Gehäuses 2 unabhängige, zuverlässige und störungsfreie Signalübertragung.
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5 zeigt eine beispielhafte Anwendung des erfindungsgemäßen Radarsensors 100 zur Erfassung eines erzhaltigen Schüttgutes S auf der Ladefläche eines Lastkraftwagens L, etwa im Rahmen der Ausfuhrkontrolle eines Bergbaubetriebes. Der Radarsensor 100 ist dazu oberhalb des Lastkraftwagens L mit seinem Gestell 1 an einer Aufnahme A angeordnet, so dass der radial aus der Haube 22 austretende Primärstrahl 31 auf das zu erfassende Schüttgut S auftrifft. Durch Rotation des Primärstrahls 31 um die Drehachse 5 wird das Schüttgut S quer zur Fahrtrichtung des Lastkraftwagens abgetastet und die Betätigung der erfindungsgemäßen Schwenkachse 6 verkippt den Primärstrahl 31 entlang der Fahrtrichtung des Lastkraftwagens L in die Positionen 31a und 31b. so dass das gesamte auf der Ladefläche des Lastkraftwagens L transportierte Schüttgut S mit hoher Messauflösung von dem Radarsensor 100 erfasst werden kann.
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Die Erfindung beschränkt sich in ihrer Ausführung nicht auf das vorstehend angegebene bevorzugte Ausführungsbeispiel. Vielmehr ist eine Anzahl von Varianten denkbar, welche von der dargestellten Lösung auch bei grundsätzlich anders gearteten Ausführungen Gebrauch macht. Sämtliche aus den Ansprüchen, der Beschreibung oder den Zeichnungen hervorgehenden Merkmale und/oder Vorteile, ein-schließlich konstruktiven Einzelheiten, räumliche Anordnungen und Verfahrens-schritte, können sowohl für sich als auch in den verschiedensten Kombinationen erfindungswesentlich sein.
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Bezugszeichenliste
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- 100
- Radarsensor
- 1
- Gestell
- 11
- Gestellsockel
- 12
- Halterung
- 2
- Gehäuse
- 21
- Gehäusekörper
- 21a, 21b
- Gehäusestirnseite
- 22
- Gehäusehaube
- 3
- Sende- und Empfangseinheit
- 3a
- Front-End
- 30
- Abstrahlrichtung
- 31
- Primärsignal
- 310
- Hochfrequenzsignal
- 31a, 31b
- Primärsignal
- 4
- Hohlleiter
- 5
- Drehachse
- 6
- Schwenkachse
- 7
- Antriebseinheit
- 71
- Motor
- 71a
- bürstenloser Gleichstrommotor
- 72
- Getriebe
- 72a
- Zahnriemen
- 72b
- Antriebszahnrad
- 72c
- Abtriebszahnrad
- 73
- Abtriebswelle
- 8
- Anschlussteil
- 81
- Verbindungskabel
- 9
- Umlenkvorrichtung
- 91
- Spiegel
- 91a
- Kunststoffkörper
- 91b
- Metallbeschichtung
- 92
- Antrieb Umlenkvorrichtung
- θ
- Winkel zwischen Drehachse und Abstrahlrichtung
- Θ
- Winkel zwischen Drehachse und Schwenkachse
- II, III, IV
- Markierung Schnittebene
- A
- Aufnahme
- L
- Lastkraftwagen
- S
- Schüttgut
