WO2003027709A1 - Nahbereichs-radarsensor mit phasendifferenz-messung - Google Patents

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor 1 mit mindestens einer Sendevorrichtung 2 zum Aussenden eines elektromagnetischen Ausgangssignals 3, mindestens einer Empfangsvorrichtung 4 zum Empfangen eines durch das Ausgangssignal an mindestens einem Oberflächenabschnitt 8 eines Objekts 7 verursachten elektromagnetischen Eingangssignals 5 und einer Auswerteeinrichtung 6 zur Bestimmung einer relativen Phasenlage zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssignal. Der Radarsensor ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal und/oder das Eingangssignal ein aus dem Bereich von einschließlich 10 GHz bis einschließlich 110 GHz ausgewähltes Hochfrequenzsignal ist. Daneben wird eine Anordnung 11 mit mindestens einem solchen Radarsensor und mindestens einem Objekt mit mindestens einem Oberflächenabschnitt angegeben, wobei ein absoluter Abstand 10 zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts ausgewählt ist aus dem Bereich von einschließlich 0,001 m bis 0,1 m. Zudem wird ein Verfahren angegeben, mit dessen Hilfe ein relativer Abstand 9 zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts ermittelt wird. Der Radarsensor ist universell im Nahbereich einsetzbar mit einer hohen Abstandsauflösung von 10 microm bis 5 mm und eignet sich zur Materialdicken- und Materialflussüberwachung und der Bestimmung statischer und dynamischer Daten eines Rotationskörpers, beispielsweise eines Rads oder einer Wellen.

Description

Beschreibung

NAHBEREICHS-RADÄRSENSOR MIT PHASENDIFFERENZ-MESSUNG

Die Erfindung betrifft einen Radarsensor mit mindestens einer Sendevorrichtung zum Aussenden eines elektromagnetischen Ausgangssignals, mindestens einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen eines durch das Ausgangssignal an mindestens einem Oberflächenabschnitt eines Objekts erzeugten elektromagnetischen Eingangssignals und einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung einer relativen Phasenlage zwischen dem Ausgangssignal und dem Eingangssignal. Neben dem Radarsensor wird eine Anordnung mit mindestens einem Radarsensor und mindestens ei- nem Objekt mit mindestens einem Oberflächenabschnitt angegeben. Darüber hinaus wird ein Verfahren zum Ermitteln eines relativen Abstands zwischen dem Radarsensor und einem Oberflächenabschnitt eines Objekts angegeben.

Ein Radarsensor der genannten Art ist aus EP 0 718 637 Bl bekannt. Die Sendevorrichtung des bekannten Radarsensors weist eine Sendeantenne und die die Empfangsvorrichtung eine Empfangsantenne auf. Das Ausgangssignal und das Eingangssignal des Radarsensors ist jeweils ein Niederfrequenzsignal. Mit Hilfe eines Phasendifferenzmodus kann über die Bestimmung der relativen Phasenlage zwischen dem Ausgangssignal und dem am Oberflächenabschnitt des Objekts reflektierten Eingangssignal ein Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt ermittelt werden. Mit Hilfe des Niederfrequenzsignals ist eine Auflösung des Abstands im Zentimeterbereich möglich. So kann mit Hilfe des Radarsensors beispielsweise der Abstand zu einem Hindernis beim Einparken eines Kraftfahrzeugs bestimmt werden.

Zur Anwendung wird das Hochfrequenzsignal mit einem gepulsten Niederfrequenzsignal amplitudenmoduliert. Dieses Verfahren ist relativ kompliziert. Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, einen im Vergleich zum bekannten Stand der Technik einfacheren Radarsensor anzugeben, mit dessen Hilfe ein relativer Abstand des Radarsen- sors zu einem Oberflächenabschnitt eines Objekts mit einer Abstandsauflösung im Mikrometerbereich erzielt werden kann.

Die Aufgabe wird gelöst durch einen Radarsensor mit mindestens einer Sendevorrichtung zum Aussenden eines elektromagne- tischen Ausgangssignals, mindestens einer Empfangsvorrichtung zum Empfangen eines durch das Ausgangssignal an mindestens einem Oberflächenabschnitt eines Objekts verursachten elektromagnetischen Eingangssignals und einer Auswerteeinrichtung zur Bestimmung einer relativen Phasenlage zwischen dem Aus- gangssignal und dem Eingangssignal. Der Radarsensor ist dadurch gekennzeichnet, dass das Ausgangssignal und/oder das Eingangssignal ein • aus dem Bereich von einschließlich 10 GHz bis einschließlich 110 GHz ausgewähltes Hochfrequenzsignal ist und die Auswerteeinrichtung ein Mittel zum Messen eines komplexen Reflexionsfaktors des Ausgangssignals und des Eingangssignals zur Bestimmung der relativen Phasenlage aufweist.

Zur Lösung der Aufgabe wird auch eine Anordnung mit mindes- tens einem solchen Radarsensor und mindestens einem Objekt mit mindestens einem Oberflächenabschnitt angegeben, wobei ein absoluter Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts ausgewählt ist aus dem Bereich von einschließlich 0,001 m bis einschließlich 0,1 m. Denkbar ist auch ein absoluter Abstand von bis zu 1,0 m.

Gemäß einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren zum Ermitteln eines relativen Abstands zwischen dem Radarsensor und einem Oberflächenabschnitt eines Objekts angegeben. Das Verfahren umfasst folgende Schritte: a) Aussenden des Ausgangssignals der Sendevorrichtung in Richtung des Oberflächenabschnitts des Objekts, b) Erzeugen. des Eingangssignal aus dem Ausgangssignal am Oberflächenabschnitt, c) Senden des Eingangssignals in Richtung der Empfangsvorrichtung, d) Empfangen des Eingangssignals durch die Empfangsvorrichtung, e) Bestimmen der relativen Phasenlage des Ausgangssignals und des Eingangssignals durch die Auswerteeinrichtung und f) Ermitteln des relativen Abstands zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt aus der relativen Phasenlage.

Die Sendevorrichtung und die Empfangsvorrichtung weisen jeweils eine Antenne zum Senden beziehungsweise Empfangen elektromagnetischer Strahlung des angegebenen Hochfrequenzbe- reichs auf. Die Sendeantenne und die Empfangsantenne können getrennt sein (bistatische Messung) . Sendeantenne und Empfangsantenne können auch in einer einzigen Antenne integriert sein (monostatische Messung) .

Die Auswerteeinrichtung weist vorzugsweise eine Messvorrichtung zum Messen eines komplexen Reflexionsfaktors des Ausgangssignals und des Eingangssignals auf. Es wird der komplexe Reflexionsfaktor gemessen wird. Aus dem Reflexionsfaktor kann das Amplitudenverhältnis und insbesondere die relative Phasenlage des Ausgangssignals und des Eingangssignals bestimmt werden. Dazu verfügt die Auswerteeinrichtung beispielsweise über einen I/Q-Demodulator, mit dem ein Signal bis 0 Hz (stehende Objekte) in der komplexen Ebene dargestellt werden kann.

Insbesondere kann aus der relativen Phasenlage ein relativer Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts ermittelt werden.

Vorzugsweise ist das Hochfrequenzsignal aus dem Bereich von einschließlich 50 GHz bis einschließlich 110 GHz ausgewählt. Die Hochfrequenz beträgt beispielsweise 76,5 GHz oder 94 GHz. Denkbar ist. aber auch eine Frequenz aus dem Bereich von 1 GHz bis 10 GHz.

Basierend auf dem Hochfrequenzsignal ist eine Auflösung des relativen Abstands im Millimeter- bis Mikrometerbereich möglich. Eine Abstandsauflösung ist insbesondere ausgewählt aus dem Bereich von einschließlich 10 μm bis einschließlich 5 mm.

Insbesondere ist das Eingangssignal ein an dem Oberflächenab- schnitt des Objekts reflektiertes Ausgangssignal der Sendevorrichtung. Das Erzeugen des Eingangssignal aus dem Ausgangssignal beinhaltet eine Reflexion des Ausgangssignals am Oberflächenabschnitt des Objekts. Das Eingangssignal ist das am Oberflächenabschnitt reflektierte Ausgangssignal (Primär- Radar-Verfahren) . Denkbar ist aber auch, dass ein primäres Ausgangssignal ein sekundäres Radarsignal am Oberflächenabschnitt generiert. Das sekundäre Radarsignal ist das Empfangssignal, das in Richtung der Empfangsvorrichtung gesendet wird (Sekundär-Radar-Verfahren) .

In einer besonderen Ausgestaltung ist der Oberflächenabschnitt durch eine Bewegung des Objekts erzeugbar. Dabei kann der relative Abstand zwischen Radarsensor und Oberflächenabschnitt während der Bewegung oder nach der Bewegung, also in einem Stillstand ermittelt werden.

Mit Hilfe des ermittelten relativen Abstands kann ein absoluter Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts ermittelt werden. Insbesondere wird ein Betrag der Bewegung und/oder eine Richtung der Bewegung und/oder eine Geschwindigkeit der Bewegung und/oder eine Beschleunigung der Bewegung bestimmt. Mit Hilfe des Radarsensors sind somit sowohl statische als auch dynamische Messdaten des Objekts erfassbar. Unter Betrag der Bewegung ist ein Ausmaß einer erfolgten, eventuell bereits abgeschlossenen Bewegung zu verstehen. Mit dem Betrag und der Richtung der Be- wegung kann .eine Position des Objekts und/oder des Oberflächenabschnitts des Objekts angegeben werden.

In einer besonderen Ausgestaltung wird ein Vergleich zwischen dem ermittelten relativen Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Objekt und einem Standardabstand zwischen dem Radarsensor und dem Objekt durchgeführt. Der Standardabstand kann dabei vorgegeben sein. Insbesondere wird der Standardabstand durch eine zumindest einmalige Bewegung des Objekts ermit- telt. Konstruktionsbedingt kann die Oberfläche eines Objekts, beispielsweise die Fläche eines Umfangs eines Rades, eine spezifische Oberflächengeometrie aufweisen. Diese Oberflächengeometrie wird durch die einmalige Bewegung des Objekts mit Hilfe des Radarsensors erfasst. Es werden relative Ab- stände zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt ermittelt. Diese relativen Abstände werden gespeichert und dienen als Standardabstände. Eine bauliche Veränderung am zu vermessenden Objekt ist nicht nötig. Bei einem induktiven Messsystem zum berührungslosen Erfassen dynamischer Messdaten müsste beispielsweise zumindest ein Messgrößengeber am Objekt angebracht sein. Der Messgrößengeber ist beispielsweise ein Zahnrad.

Insbesondere wird aufgrund des Vergleiches des ermittelten relativen Abstands und des Standardabstands auf eine Funktionsfähigkeit des Objekts geschlossen. Beispielsweise wird ständig während der Bewegung des Objekts der relative Abstand zwischen Radarsensor und Oberflächenabschnitt des Objekts ermittelt. Aufgrund einer Abweichung des relativen Abstands vom Standardabstand kann auf eine Veränderung des Oberflächenabschnitts und/oder eine Veränderung einer Lage des Objekts und/oder des Radarsensors geschlossen werden. Wird eine vorgegebene Toleranz der Abweichung des relativen Abstands überschritten, so wird beispielsweise ein Warnsignal generiert, das anzeigt, dass das Objekt nicht mehr funktionsfähig ist und ausgetauscht werden muss. In einer besonderen Ausgestaltung ist die Bewegung des Objekts zumindest aus der Gruppe Drehbewegung um eine Drehachse des Objekts und/oder Fließbewegung entlang einer Flussrichtung des Objekts und/oder Torsionsbewegung um eine Torsions- achse des Objekts und/oder Translationsbewegung entlang einer Translationsrichtung des Objekts ausgewählt.

In einer besonderen Ausgestaltung weist der Oberflächenabschnitt eine durch den Radarsensor erfassbare Markierung auf. Die Markierung ist beispielsweise ein im Oberflächenabschnitt erzeugter Graben. An dem Graben, der eine Tiefe von wenigen μ aufweisen kann, ändert sich der Abstand des Radarsensors und des Oberflächenabschnitts. Dadurch ändert sich die relative Phasenlage zwischen Ausgangs- und Eingangssignal, die mit Hilfe des Radarsensors detektierbar ist. An dem Oberflächenabschnitt mit der Markierung wird eine definierte Phasenlage erhalten.

Das Objekt ist vorzugsweise aus der Gruppe fließendes Materi- al und/oder Rad und/oder Platte und/oder Scheibe und/oder Welle ausgewählt. Beispielsweise ist das Objekt eine Bremsscheibe eines Fahrzeugs oder das Rad eines Schienenfahrzeugs.

Mit Hilfe des Radarsensors wird beispielsweise für ein Anti- blockiersystem in einem Kraftfahrzeug eine momentane Drehgeschwindigkeit eines Rades des Kraftfahrzeugs ermittelt. Dies ist bis zum Stillstand des Rades möglich. Zudem kann eine Verzögerung (Beschleunigung) ermittelt werden. Drehgeschwindigkeit und Verzögerung eines Rades können für eine dyna i- sehe Fahrwerksregelung eingesetzt werden. Eine optimale Dosierung einer Antriebs- und Bremskraft ist möglich. Daneben ist eine absolute Position des Rades sowie dessen Drehrichtung zugänglich. Diese Daten können in einem Navigationssystem verwendet werden.

Die Erfindung ermöglicht beispielsweise auch die Messung der bei einem Betrieb einer Welle auftretenden Torsion der Welle. Durch das verwendete Messprinzip ist es möglich, jeden Typ von Wellen zu vermessen, da kein zusätzlicher Messgrößengeber an der Welle montiert werden muss, sondern deren vorhandene Exzentrizität (Unwucht) ausgenutzt wird. Bauliche Veränderun- gen an der Welle sind nicht nötig. Der Radarsensor kann für Wellen im Bereich des Maschinenbaus, in einem Fahrzeug, einem Schiff oder einem Flugzeug eingesetzt werden. Durch die Information über Torsion kann ein momentaner Belastungszustand der Welle erkannt werden und eine treibende Kraftquelle (zum Beispiel ein Motor) hinsichtlich einer Optimierung einer

Kraftübertragung oder auch hinsichtlich einer möglichen Zerstörung der Welle geregelt werden. Hierbei sei exemplarisch auf einen starken Beschleunigungsvorgang bei einem Kraftfahrzeug hingewiesen.

Auf diese Weise kann ein mechanisches System in seiner Effizienz besser genutzt werden, was einem höheren Wirkungsgrad zugute kommt. Zudem wird die Lebensdauer von Wellen erhöht, was die Betriebskosten einer Maschine mit der Welle senkt. Durch eine Regelung der die Welle antreibenden Kraft ist es außerdem möglich, bei der Konstruktion der Welle auf etwas Sicherheitsreserve hinsichtlich Belastung der Welle zu verzichten. Die Herstellungskosten der Welle werden gesenkt. Darüber hinaus kann ein Datenprotokoll über die Lebensdauer einer Welle Auskunft über eine Alterung (abnehmende Steifig- keit) der Welle geben und wichtige Daten für eine Optimierung der Welle liefern. Neben der Torsion einer einzelnen Welle kann auch die Torsion und ein Spiel eines gesamten Kraft- Übertragungsstranges mit Lager, Wellen, Getriebe usw. berüh- rungslos gemessen werden.

Im Fall der Überprüfung eines Materialflusses oder einer Materialdicke kann mit Hilfe der Änderung des relativen Abstands beispielsweise auf eine Unterbrechung des Material- flusses geschlossen werden. Bei einer Translationsbewegung des Objekts kann ein Oberflächenabschnitt des Objekts beziehungsweise eine Beschaffenheit des Oberflächenabschnitts überprüft werden. Das Objekt ist beispielsweise eine Platte oder ein Werkzeug. Eine Abweichung des relativen Abstandes vom Standardabstand kann auf eine

Zerstörung des Oberflächenabschnitts hinweisen. Beispielsweise befindet sich im Oberflächenabschnitt ein Krater oder ein Riss. Auf diese Weise ist eine Abnutzung (Abrieb) eines Werkzeugs frühzeitig erkennbar. Bei Kenntnis eines Abnutzungsgra- des des Werkzeugs lässt sich eine Standzeit des Werkzeugs exakt feststellen und auch minimieren. Das Werkzeug ist beispielsweise ein Fräskopf mit Fräserschneiden. Der Radarsensor wird in der Nähe des Fräskopfs montiert. Die Fräserschneiden rotieren am Radarsensor vorbei, wobei jede einzelne Fräser- schneide ein charakteristisches Signal erzeugt. Bei defekten Fräserschneiden treten Unregelmäßigkeiten im ermittelten Abstand auf. Die Maschine kann somit gestoppt werden, bevor ein zu bearbeitendes Werkstück beschädigt wird und längere Produktionsausfälle durch Stillstand der Maschine entstehen.

Neben der Feststellung der Abnutzung des Werkzeugs kann auch eine Verschmutzung, beispielsweise eine Verklebung oder Verharzung, des Oberflächenabschnitts des Werkzeugs detektiert werden.

Über die Bestimmung der Phasenlage hinaus kann der Radarsensor auch eine Änderung einer Amplitude von Ausgangssignal zum Eingangssignal, beispielsweise bei einer Reflexion des Ausgangssignals an dem Oberflächenabschnitt, bestimmt werden. Zusätzlich ist auch ein Messmodus nach dem Dopplerprinzip möglich, beispielsweise zur Anwendung des Radarsensors im Fernbereich. Somit stellt der Radarsensor eine multifunktio- nelle Messeinheit dar.

Zusammenfassend ergeben sich mit der Erfindung folgende Vorteile: • Der Radar-sensor ist im Nahbereich mit einer hohen Abstandsauflösung einsetzbar.

• Der Radarsensor ist universell einsetzbar.

• Mit Hilfe des Radarsensors können dynamische Daten sowie die Position eines Objekts berührungslos und sehr genau erfasst werden. Dazu wird insbesondere eine spezifische Oberflächengeometrie des zu vermessenden Objekts genutzt.

• Über ein Langzeitprotokoll des relativen Abstandes zwischen Radarsensor und Oberflächenabschnitt des Objekts kann auf eine Veränderung des Objekts (zum Beispiel Verschleiß, Unwucht, Lagerschaden) geschlossen werden.

Anhand mehrerer Ausführungsbeispiele und der dazugehörigen Figuren wird die Erfindung im folgenden näher erläutert. Die Figuren sind schematisch und stellen keine maßstabsgetreuen Abbildungen dar.

Figur 1 zeigt eine Anordnung mit Radarsensor und Bremsscheibe.

Figur 2 zeigt eine Anordnung mit Radarsensor und Rad eines Schienenfahrzeugs.

Figur 3 zeigt eine Anordnung zur Messung einer Torsion einer Welle.

Figur 4 zeigt eine Anordnung mit Radarsensor zur Materialflussuberwachung.

Figur 5 zeigt ein Verfahren zum Ermitteln eines relativen Abstandes zwischen dem Radarsensor und einem Ober- flächenabschnitts eines Objekts. Der Radarsensor 1 verfügt über eine Sendevorrichtung 2 mit einer Sendeantenne und eine Empfangsvorrichtung 4 mit einer Empfangsantenne (Figur 1) . Mit Hilfe der Antennen wird ein elektromagnetisches Hochfrequenzsignal von 76,5 GHz ausgesen- det beziehungsweise empfangen. Neben den Antennen weist der Radarsensor 1 eine Auswertevorrichtung 6 zur Bestimmung einer relativen Phasenlage zwischen dem Ausgangssignal 3 und dem Eingangssignal 5 auf. Die Auswertevorrichtung 6 weist einen I/Q-Demodulator auf. Der Radarsensor 1 und ein Objekt 7 sind derart zu einer Anordnung 11 aneinander angeordnet, dass das Ausgangssignal 3 auf einen Oberflächenabschnitt 8 des Objekts 7 gerichtet ist. Es findet ein Aussenden des Ausgangssignals 3 der Sendevorrichtung 2 in Richtung des Oberflächenabschnitts 8 des Objekts 7 statt (Figur 5, Schritt 50) . Auf dem Oberflächenabschnitt 8 wird das Ausgangssignal 3 reflektiert (Schritt 51) und als Eingangssignal 5 in Richtung der Empfangsvorrichtung 4 gesendet (Schritt 52) . Dort wird das Eingangssignal 5 empfangen (Schritt 53) . Im Weiteren wird die relative Phasenlage des Ausgangssignals 3 und des Eingangs- Signals 5 durch die Auswerteeinrichtung 6 bestimmt (Schritt

54) . Aufgrund der bestimmten Phasenlage wird der relative Abstand 9 zwischen dem Radarsensor 1 und dem Oberflächenabschnitt 8 des Objekts 7 ermittelt. Aus dem relativen Abstand 9 kann der absolute Abstand 10 abgeleitet werden.

Ausführungsbeispiel 1:

Gemäß einem ersten Ausführungsbeispiel wird eine Anordnung 11 zur Vermessung einer Bremsscheibe 20 eines Kraftfahrzeuges angegeben (Figur 1) .

Die Anordnung 11 besteht aus dem Radarsensor 1 und einem Objekt 7 in Form der Bremsscheibe 20. Der Radarsensor ist auf einem Bremssattel 25 derart angeordnet, dass die Sendeantenne und die Empfangsantenne auf eine Fläche 26 eines Umfangs der Bremsscheibe 25 gerichtet sind. Die Fläche 26 des Umfangs der Bremsscheibe 25 ist der zu vermessende Oberflächenabschnitt 8. Eine Ausbreitungsrichtung des von der Sendeantenne ausgehenden Sendesignals ist radial zur Drehachse 13 der Bremsscheibe 20 gerichtet.

Jede Bremsscheibe 20 verfügt konstruktionsbedingt über einen über einen vollen Umfang (Der Drehwinkel 23 beträgt 360°) variierenden Radius 22. Bei einer vollen Umdrehung variiert somit der relativer Abstand 9 und damit auch der absoluter Abstand 10 zwischen dem Radarsensor 1 und der Umfangsflache 26. Der Radarsensor 1 wird eingesetzt, um den variierenden Radius 22 der Bremsscheibe 20 zu erfassen. Dies gelingt mit Hilfe des ermittelten relativen Abstands 9 und damit auch absoluten Abstands 10 zwischen Radarsensor 1 und der Umfangsfläche 26 der Bremsscheibe 20.

Bei genauer Zuordnung des relativen Abstands 9 zum entsprechenden Wert des Drehwinkels 23 kann bei Ermittlung des relativen Abstands 9 auf den entsprechenden Drehwinkel 23 geschlossen werden. Eine Mehrdeutigkeit könnte dadurch entste- hen, dass mehreren Drehwinkeln 23 gleiche relative Abstände 9 zugeordnet sind. Da der relative Abstand 9 als Funktion des Drehwinkels 23 betrachtet werden kann, die sich mit vielfachen Drehwinkelwerten von 360° periodisch wiederholt, kann die genannte Mehrdeutigkeit eliminiert werden. Wird der rela- tive Abstand 9 kontinuierlich während einer vollen Umdrehung der Bremsscheibe 20 erfasst, so kann durch Kenntnis des periodischen Verlaufs des relativen Abstands 9 über einen vollen Durchlauf des Drehwinkels 23 von 360° eindeutig auf den entsprechenden Drehwinkel 23 geschlossen werden. Somit ist eine aktuelle Winkelposition der Bremsscheibe 20 über die Ermittlung des relativen Abstands 9 möglich. Eine Positionskontrolle ist dabei unabhängig von der Umdrehungsgeschwindigkeit der Bremsscheibe 20 und ist bis zum Stillstand der Bremsscheibe 20 durchführbar.

Aufgrund des sich periodisch wiederholenden Radiusverlaufs bei jeder Umdrehung der Bremsscheibe 20 ist neben der Bestim- mung des Drehwinkels 23 auch die Bestimmung der Drehwinkelgeschwindigkeit, also der Umlaufgeschwindigkeit der Bremsscheibe 20 möglich. Dazu wird der Zeitabstands zweier aufeinander folgender periodischer Radienverläufe gemessen. Über die Än- derung dieses Zeitabstandes von einer Umdrehung zur nächsten ist außerdem auf die Beschleunigung oder Verzögerung zu schließen.

In Figur 1 ist eine innenbelüftete Bremsscheibe 20 darge- stellt. Neben der bereits erwähnten periodischen Änderung des relativen Abstands 9 beziehungsweise des Radius 22 wird alternativ dazu durch die Lüftungsschlitze 27 und die Verbindungsstege 28 ein weiteres periodisches Signal bezüglich eines Phasengangs zwischen Ausgangssignal 3 und Eingangssignal 5 erzeugt. Die Lüftungsschlitze 27 und Verbindungsstege 28 sind Markierungen, die der Radarsensor erfassen kann. Die aus den Markierungen hervorgehende Periodizität kann ebenfalls zur Ermittlung der Messgrößen nach oben beschriebenem Prinzip genutzt werden.

Ausführungsbeispiel 2:

Gemäß einem zweiten Ausführungsbeispiel wird eine Anordnung 11 zur Überwachung eines Rades 18 eines Schienenfahrzeugs an- gegeben (Figur 2) .

Zur Erfassung einer Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs wird der Radarsensor 1 in geringem Abstand zum Objekt 7 in Form eines Rades 18 eines Schienenfahrzeugs montiert. Über die Fläche des Umfangs 26 (Oberflächenabschnitt 8) weist das Rad 18 eine charakteristische Struktur auf, die vom Radarsensor 1 erkannt wird. Aus der Periodizität wiederkehrender Strukturen der Umfangsfläche 26, das heißt wiederkehrender relativer Abstände 9 zwischen dem Radarsensor 1 und der Um- fangsfläche 26, und den zugehörigen Zeitintervallen einer Periode lässt sich gemäß dem Gesetz v=s/t (Geschwindigkeit ist gleich Weg (hier Umfang) geteilt durch die benötigte Zeit) auf die aktuelle Geschwindigkeit des Schienenfahrzeugs schließen.

Der Radarsensor 1 dient auch einer Zustandsüberprüfung des Rades 18 bzw. Radreifens. Der Radarsensor 1 tastet den die Umfangsflache 26 des Rades 18 ab. Somit kann ein Verschleiß, eine Beschädigung 29 oder ein Riss erkannt werden. Ein Verschleiß wird dadurch erkannt, dass der ermittelte relative Abstand 9 im Vergleich zu einem Standardabstand 30, der bei einer Montage eines neuen Rades aufgenommen wurde, einen generellen Drift über den gesamten Umfang aufweist. Eine Beschädigung oder ein Riss am Umfang wird dadurch erkannt, dass der ermittelte relative Abstand 9 an der Störstelle 29 signifikante Sprünge aufweist, die bei einem einwandfreien Rad 18 nicht auftreten würden. Das plötzliche Auftreten einer solchen Störung (einmal oder auch mehrmals pro Umdrehung bzw. Periode) ist ein eindeutiger Hinweis auf ein defektes Rad 18 bzw. einen defekten Radreifen.

Der Radarsensor 1 wird zudem zum Erfassen eines Lagerschadens des Rades 18 herangezogen. Im laufenden Betrieb weist ein Rad 18 mit einem defekten Lager 30 Unregelmäßigkeiten beim Rollen auf. Diese Unregelmäßigkeiten werden von dem Radarsensor 1 erkannt, da der ermittelte relative Abstand 9 nicht mehr streng periodisch ist, sondern durch eine Störung überlagert ist, die auf das defekte Lager 30 zurückzuführen ist. Im Gegensatz zu einem Riss tritt die Störung im ermittelten Abstand 9 aber nicht sprungartig auf, sondern wächst langsam an und nimmt ebenso langsam aber unregelmäßig bei jeder Umdre- hung wieder ab.

Ausführungsbeispiel 3:

Gemäß einem dritten Ausführungsbeispiel wird eine Anordnung 11 zur Messung einer Torsion einer Welle 21 angegeben (Figur 3) . Gegeben ist. ein Objekt 7 in Form eine Welle 21, die eine Kraft eines Motors 32 auf eine Last 33 übertragen soll. Zur Messung der Torsion wird die Torsion zwischen den Messpunkten 34 und 35 auf der Welle 1 festgestellt. Ein Abstand 38 dieser Messpunkte ist durch die Lage des Radarsensors 36 und des Radarsensors 37 festgelegt.

Die Torsion 12 der Welle 21 kann betrachtet werden als eine axiale Verdrehung 12 der Querschnittsfläche der Welle 21 im Messpunkt 34 zur Querschnittsfläche im Messpunkt 35. Es wird also die relative Lage dieser Querschnittsflächen zueinander bestimmt.

Die Lage der Querschnittsfläche der Welle 21 im Messpunkt 34 oder im Messpunkt 35 wird - in Analogie zum Ausführungsbeispiel 1 für eine Bremsscheibe - durch den Drehwinkel 23 beschrieben. Als Indikator für den Drehwinkel 23 der Querschnittsfläche der Welle 21 im jeweiligen Messpunkt wird die fertigungs- und systembedingte Exzentrizität der Welle 21 ge- nutzt. Dies wird durch die Betrachtung des Phasenverlaufs des Ausgangssignals 3 erreicht. Da sich der relative Abstand 9 des Radarsensors zum bewegten Oberflächenabschnitt der Welle 21 bei Änderung des Drehwinkels 23 ändert, schlägt sich dies in einer Änderung der elektrischen Länge, also der Pha- senlage des Ausgangssignals 3 und des Eingangssignals 5 zueinander nieder. Über die Periodizität der Exzentrizität oder Unregelmäßigkeit von einer Umdrehung zur anderen kann auf die ^•tatsächliche momentane axiale Lage der Querschnittsfläche der Welle 21 im Messpunkt 34 beziehungsweise im Messpunkt 35 ge- schlössen werden.

In einer dazu alternativen Ausgestaltung wird nicht die zufällige Exzentrizität oder Unregelmäßigkeit der Welle ausgenutzt. Es wird der das Ausgangssignal 3 reflektierende Ober- flächenabschnitt der Welle 21 am Messpunkt 34 und am Messpunkt 35vgezielt mechanisch bearbeitet, um einen definierten Phasenverlauf der Signale 3 und 3 während eines Umlaufs des Drehwinkels 23 zu erhalten.

Durch Verwendung des Radarsensors 36 im Messpunkt 34 und des Radarsensors 37 im Messpunkt 35 ist die axiale Lage der Querschnittsflächen in den Messpunkten bekannt. Somit kann durch Differenzbildung der Drehwinkel auf die Lage der beiden Querschnittsflächen zueinander geschlossen werden. Unterliegt bei Belastung die Welle 21 einer Torsion, so werden sich die Querschnittsflächen im Messpunkt 34 und im Messpunkt 35 zueinander verschieben, was zu einer Änderung der Drehwinkeldifferenz führt, die detektiert wird. Diese Drehwinkeldifferenz, die ein direktes Maß für die Torsion darstellt, kann im statischen Zustand der Welle, aber auch bei einer rotierenden Welle gemessen werden.

Ausführungsbeispiel 4:

Gemäß einem vierten Ausführungsbeispiel wird eine Anordnung 11 mit Radarsensor 1 zur Materialfluss- und Materialstärkenüberwachung angegeben (Figur 4) .

Beim Einsatz des Radarsensors 1 zur Materialstärkenüberwachung wird der Radarsensor 1 in geringem absolutem Abstand 10 zum fließenden Material 17 oder einer Platte 19 montiert. Das fließende Material 17 wird ausgehend von einer Fließproduziermaschine in Flussrichtung 15 bewegt. Die Platte 19 wird in Translationsrichtung 16 bewegt. Die Ausrichtung des Radarsensors ist senkrecht zu der Richtung, in der eine Dicke- Schwankung 41 erkannt werden sollen. Die Dickenschwankung 41 bewirkt eine Änderung des relativen Abstands 9 zwischen Radarsensor 1 und Oberflächenabschnitt 8. Durch Anordnung mehrerer Radarsensoren 1 nebeneinander lässt sich eine größere Breite des Objekts 7 überwachen.

Beim Einsatz des Radarsensors 1 zur Materialflussuberwachung wird der Radarsensor 1 in geringem Abstand 10 zum Oberflä- chenabschnitt 8 eines Objekts 7 in Form eines fließenden Materials 17 montiert. Bei einer Unterbrechung 39 des Materialflusses erhält der Radarsensor 1 kein vom Oberflächenabschnitt 8 des Materials 17 reflektiertes Signal mehr, so dass am Ausgang des Radarsensors 1 lediglich ein Rauschen anliegt. Dies lässt sich als Unterbrechung 39 erkennen.

Claims

Patentansprüche

1. Radarsensor (1, 36, 37) mit mindestens einer Sendevorrichtung (2) zum Aussenden ei- nes elektromagnetischen Ausgangssignals (3) , mindestens einer Empfangsvorrichtung (4) zum Empfangen eines durch das Ausgangssignal (3) an mindestens einem Oberflächenabschnitt (8, 26, 34, 36) eines Objekts (7, 17, 18, 19, 20, 21) erzeugten elektromagnetischen Ein- gangssignals (5) und einer Auswerteeinrichtung (6) zur Bestimmung einer relativen Phasenlage zwischen dem Ausgangssignal (3) und dem Eingangssignals (5) , dadurch gekennzeichnet, dass - das Ausgangssignal (3) und/oder das Eingangssignal (5) ein aus dem Bereich von einschließlich 10 GHz bis einschließlich 110 GHz ausgewähltes Hochfrequenzsignal ist.

2. Radarsensor nach Anspruch 1, bei dem das Hochfrequenz- signal aus dem Bereich von einschließlich 50 GHz bis einschließlich 110 GHz ausgewählt ist.

3. Radarsensor nach Anspruch 1, bei dem die Auswerteeinrichtung (6) eine Messvorrichtung (40) aufweist zum Mes- sen eines komplexen Reflexionsfaktors des Ausgangssignals (3) und des Eingangssignals (5), wobei aus dem komplexen Reflexionsfaktor die relative Phasenlage bestimmt werden kann.

4. Radarsensor nach Anspruch 3, bei dem aus der relativen

Phasenlage ein relativer Abstand (9) zwischen dem Radarsensor (1, 36, 37) und dem Oberflächenabschnitt (8, 26, 34, 35) des Objekts (7, 17, 18, 19, 20, 21) ermittelt werden kann.

Radarsensor nach Anspruch 4, bei dem eine Abstandsauflösung des relativen Abstands (9) aus dem Bereich von ein- schließlich 10 μm bis einschließlich 5 mm ausgewählt ist.

6. Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, bei dem das Eingangssignal (5) ein an dem Oberflächenabschnitt (8, 26, 34, 35) des Objekts (7, 17, 18, 19, 20, 21) reflektiertes Ausgangssignal (3) der Sendevorrichtung (2) ist.

7. Anordnung mit mindestens einem Radarsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6 und mindestens einem Objekt mit mindestens einem Oberflächenabschnitt, wobei ein absoluter Abstand (10) zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts ausgewählt ist aus dem Be- reich von einschließlich 0,001 m bis einschließlich 0,1 m.

8. Anordnung nach Anspruch 7, bei der mehrere Radarsensoren nebeneinander angeordnet sind.

9. Anordnung nach Anspruch 7 oder 8, bei der der Oberflächenabschnitt durch eine Bewegung (12) des Objekts erzeugbar ist.

10. Anordnung nach Anspruch 9, bei der die Bewegung des Objekts zumindest aus der Gruppe Drehbewegung um eine Drehachse (13) des Objekts und/oder Fließbewegung entlang einer Flussrichtung (15) des Objekts und/oder eine Torsionsbewegung um eine Torsionsachse (14) des Objekts und/oder eine Translationsbewegung entlang einer Translationsrichtung (16) des Objekts ausgewählt ist.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 10, bei der der Oberflächenabschnitt eine durch den Radarsensor erfass- bare Markierung (27, 28) aufweist.

12. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 11, bei dem das Objekt zumindest aus der Gruppe fließendes Material (17) und/oder Rad (18) und/oder Platte (19) und/oder Scheibe

(20) und/oder Welle (21) ausgewählt ist.

13. Verfahren zum Ermitteln eines relativen Abstands zwischen einem Radarsensor und einem Oberflächenabschnitt eines Objekts einer Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 12 mit den Schritten: a) Aussenden des Ausgangssignals der Sendevorrichtung in Richtung des Oberflächenabschnitts des Objekts, b) Erzeugen des Eingangssignals aus dem Ausgangssignal am Oberflächenabschnitt, c) Senden des Eingangssignals in Richtung der Empfangsvor- richtung, d) Empfangen des Eingangssignals durch die Empfangsvorrichtung, e) Bestimmen der relativen Phasenlage des Ausgangssignals und des Eingangssignals durch die Auswerteeinrichtung und f) Ermitteln des relativen Abstands zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt aus der relativen Phasenlage.

14. Verfahren nach Anspruch 13, bei dem zum Bestimmen der relativen Phasenlage des Ausgangssignals und des Eingangssignals ein Messen eines komplexen Reflexionsfaktors durchgeführt wird.

15. Verfahren nach Anspruch 13 oder 14, bei dem das Ermitteln des relativen Abstands mit einer Abstandsauflösung aus dem Bereich von 10 μm bis 5 mm durchgeführt wird.

16. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 15, bei dem das Erzeugen des Eingangssignals aus dem Ausgangssignal eine Reflexion des Ausgangssignals am Oberflächenabschnitt des Objekts umfasst.

17. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 16, bei dem der Oberflächenabschnitt des Objekts durch eine Bewegung des Objekts erzeugt wird.

18. Verfahren nach Anspruch 17, bei dem der relative Abstand zwischen Radarsensor und Oberflächenabschnitt des Objekts von der Bewegung abhängt.

19. Verfahren nach Anspruch 17 oder 18, bei dem mit Hilfe des ermittelten relativen Abstands ein Betrag der Bewegung und/oder eine Richtung der Bewegung und/oder eine Geschwindigkeit der Bewegung und/oder eine Beschleunigung der Bewegung bestimmt wird.

20. Verfahren nach einem der Ansprüche 13 bis 19, bei dem ein Vergleich zwischen dem ermittelten relativen Abstand zwischen dem Radarsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts und einem Standardabstand zwischen dem Ra- darsensor und dem Oberflächenabschnitt des Objekts durchgeführt wird.

21. Verfahren nach Anspruch 20, bei dem der Standardabstand durch eine zumindest einmalige Bewegung des Objekts er- mittelt wird.

22. Verfahren nach Anspruch 20 oder 21, bei dem aus dem Vergleich des ermittelten relativen Abstand und des Standardabstands auf eine Funktionsfähigkeit des Objekts ge- schlössen wird.