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

Nahbereichs-radarsensor mit phasendifferenz-messung Download PDF

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WO2003027709A1
WO2003027709A1 PCT/DE2002/003384 DE0203384W WO03027709A1 WO 2003027709 A1 WO2003027709 A1 WO 2003027709A1 DE 0203384 W DE0203384 W DE 0203384W WO 03027709 A1 WO03027709 A1 WO 03027709A1
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WO
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radar sensor
surface section
output signal
input signal
movement
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Application number
PCT/DE2002/003384
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English (en)
French (fr)
Inventor
Ralph Schertlen
Yan Venot
Werner Wiesbeck
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/02—Systems using reflection of radio waves, e.g. primary radar systems; Analogous systems
    • G01S13/06—Systems determining position data of a target
    • G01S13/08—Systems for measuring distance only
    • G01S13/32—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated
    • G01S13/36—Systems for measuring distance only using transmission of continuous waves, whether amplitude-, frequency-, or phase-modulated, or unmodulated with phase comparison between the received signal and the contemporaneously transmitted signal
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S13/00—Systems using the reflection or reradiation of radio waves, e.g. radar systems; Analogous systems using reflection or reradiation of waves whose nature or wavelength is irrelevant or unspecified
    • G01S13/88—Radar or analogous systems specially adapted for specific applications

Definitions

  • the invention relates to a radar sensor with at least one transmitting device for transmitting an electromagnetic output signal, at least one receiving device for receiving an electromagnetic input signal generated by the output signal on at least one surface section of an object and an evaluation device for determining a relative phase position between the output signal and the input signal.
  • an arrangement with at least one radar sensor and at least one object with at least one surface section is specified.
  • a method for determining a relative distance between the radar sensor and a surface section of an object is also specified.
  • a radar sensor of the type mentioned is known from EP 0 718 637 B1.
  • the transmitting device of the known radar sensor has a transmitting antenna and the receiving device has a receiving antenna.
  • the output signal and the input signal of the radar sensor are each a low frequency signal.
  • a distance between the radar sensor and the surface section can be determined by determining the relative phase position between the output signal and the input signal reflected at the surface section of the object.
  • the low-frequency signal With the help of the low-frequency signal, a resolution of the distance in the centimeter range is possible.
  • the radar sensor for example, the distance to an obstacle when parking a motor vehicle can be determined.
  • the high frequency signal is amplitude modulated with a pulsed low frequency signal. This procedure is relatively complicated.
  • the object of the present invention is to provide a radar sensor which is simpler in comparison to the known prior art, with the aid of which a relative distance from the radar sensor to a surface section of an object can be achieved with a distance resolution in the micrometer range.
  • the object is achieved by a radar sensor with at least one transmitting device for transmitting an electromagnetic output signal, at least one receiving device for receiving an electromagnetic input signal caused by the output signal on at least one surface section of an object and an evaluation device for determining a relative phase position between the output signal and the input signal.
  • the radar sensor is characterized in that the output signal and / or the input signal is a high-frequency signal selected from the range from and including 10 GHz to and including 110 GHz, and the evaluation device is a means for measuring a complex reflection factor of the output signal and the input signal for determining the relative phase position having.
  • an arrangement with at least one such radar sensor and at least one object with at least one surface section is also specified, an absolute distance between the radar sensor and the surface section of the object being selected from the range from 0.001 m up to and including 0, 1 m. An absolute distance of up to 1.0 m is also conceivable.
  • a method for determining a relative distance between the radar sensor and a surface section of an object comprises the following steps: a) sending the output signal of the transmitting device in the direction of the surface section of the object, b) Generate. the input signal from the output signal at the surface section, c) sending the input signal in the direction of the receiving device, d) receiving the input signal by the receiving device, e) determining the relative phase position of the output signal and the input signal by the evaluation device, and f) determining the relative distance between the Radar sensor and the surface section from the relative phase position.
  • the transmitting device and the receiving device each have an antenna for transmitting or receiving electromagnetic radiation in the specified high-frequency range.
  • the transmitting antenna and the receiving antenna can be separate (bistatic measurement).
  • Transmitting antenna and receiving antenna can also be integrated in a single antenna (monostatic measurement).
  • the evaluation device preferably has a measuring device for measuring a complex reflection factor of the output signal and the input signal.
  • the complex reflection factor is measured.
  • the amplitude ratio and in particular the relative phase position of the output signal and the input signal can be determined from the reflection factor.
  • the evaluation device has, for example, an I / Q demodulator, with which a signal up to 0 Hz (standing objects) can be represented in the complex plane.
  • a relative distance between the radar sensor and the surface section of the object can be determined from the relative phase position.
  • the high-frequency signal is preferably selected from the range from 50 GHz up to and including 110 GHz.
  • the high frequency is, for example, 76.5 GHz or 94 GHz. Is conceivable. but also a frequency in the range from 1 GHz to 10 GHz.
  • a distance resolution is particularly selected from the range from 10 ⁇ m up to and including 5 mm.
  • the input signal is an output signal of the transmitting device reflected on the surface section of the object.
  • Generating the input signal from the output signal includes reflection of the output signal at the surface portion of the object.
  • the input signal is the output signal reflected at the surface section (primary radar method).
  • a primary output signal generates a secondary radar signal at the surface section.
  • the secondary radar signal is the received signal that is sent in the direction of the receiving device (secondary radar method).
  • the surface section can be generated by moving the object.
  • the relative distance between the radar sensor and the surface section can be determined during the movement or after the movement, that is to say at a standstill.
  • An absolute distance between the radar sensor and the surface section of the object can be determined with the aid of the determined relative distance.
  • an amount of the movement and / or a direction of the movement and / or a speed of the movement and / or an acceleration of the movement is determined.
  • both static and dynamic measurement data of the object can thus be acquired.
  • the amount of the movement is to be understood as the extent of a movement that may have already been completed. With the amount and direction of loading a position of the object and / or the surface section of the object can be specified.
  • a comparison is made between the determined relative distance between the radar sensor and the object and a standard distance between the radar sensor and the object.
  • the standard distance can be specified.
  • the standard distance is determined by moving the object at least once. Due to the design, the surface of an object, for example the surface of a circumference of a wheel, can have a specific surface geometry. This surface geometry is detected by the one-time movement of the object with the help of the radar sensor. Relative distances between the radar sensor and the surface section are determined. These relative distances are saved and serve as standard distances. A structural change to the object to be measured is not necessary. In the case of an inductive measurement system for the contactless acquisition of dynamic measurement data, for example, at least one measurement variable transmitter would have to be attached to the object.
  • the sensor is a gear, for example.
  • the functionality of the object is concluded on the basis of the comparison of the determined relative distance and the standard distance.
  • the relative distance between the radar sensor and the surface section of the object is continuously determined during the movement of the object. Due to a deviation of the relative distance from the standard distance, a change in the surface section and / or a change in the position of the object and / or the radar sensor can be concluded. If a predetermined tolerance of the deviation of the relative distance is exceeded, a warning signal is generated, for example, which indicates that the object is no longer functional and must be replaced.
  • the movement of the object is selected at least from the group of rotational movement about an axis of rotation of the object and / or flow movement along a flow direction of the object and / or torsional movement about a torsion axis of the object and / or translational movement along a translation direction of the object.
  • the surface section has a marking that can be detected by the radar sensor.
  • the marking is, for example, a trench created in the surface section.
  • the distance between the radar sensor and the surface section changes at the trench, which can have a depth of a few ⁇ . This changes the relative phase position between the output and input signal, which can be detected with the help of the radar sensor.
  • a defined phase position is obtained on the surface section with the marking.
  • the object is preferably selected from the group of flowing material and / or wheel and / or plate and / or disk and / or shaft.
  • the object is a brake disc of a vehicle or the wheel of a rail vehicle.
  • the radar sensor is used, for example, to determine an instantaneous rotational speed of a wheel of the motor vehicle for an anti-lock system in a motor vehicle. This is possible until the wheel comes to a standstill. A deceleration (acceleration) can also be determined. Rotation speed and deceleration of a wheel can be used for dynamic chassis control. An optimal metering of a driving and braking force is possible. In addition, an absolute position of the wheel and its direction of rotation are accessible. This data can be used in a navigation system.
  • the invention also makes it possible, for example, to measure the torsion of the shaft that occurs during operation of a shaft. Thanks to the measuring principle used, it is possible to measure each type of shaft, since no additional measurement transmitter has to be mounted on the shaft, but the existing eccentricity (unbalance) is used. Structural changes to the shaft are not necessary.
  • the radar sensor can be used for waves in the field of mechanical engineering, in a vehicle, a ship or an aircraft.
  • the information about torsion can be used to identify a current load state of the shaft and a driving force source (for example a motor) with regard to an optimization of a
  • the efficiency of a mechanical system can be better used, which benefits a higher level of efficiency.
  • the lifespan of shafts is increased, which lowers the operating costs of a machine with the shaft.
  • By regulating the force driving the shaft it is also possible to dispense with some safety reserve with regard to loading the shaft when designing the shaft.
  • the manufacturing costs of the shaft are reduced.
  • a data log about the lifespan of a shaft can provide information about aging (decreasing stiffness) of the shaft and provide important data for optimizing the shaft.
  • the torsion and play of an entire power transmission line with bearings, shafts, gears, etc. can also be measured without contact.
  • the change in the relative distance can be used to conclude, for example, that the material flow has been interrupted.
  • a surface section of the object or a condition of the surface section can be checked.
  • the object is, for example, a plate or a tool.
  • a deviation of the relative distance from the standard distance can be reduced to
  • the tool is, for example, a milling head with milling cutters.
  • the radar sensor is installed near the milling head. The cutter edges rotate past the radar sensor, with each individual cutter edge generating a characteristic signal. If the cutter edges are defective, irregularities occur in the determined distance. The machine can thus be stopped before a workpiece to be machined is damaged and longer production downtimes result from the machine being at a standstill.
  • contamination for example gluing or gumming, of the surface section of the tool can also be detected.
  • the radar sensor can also determine a change in an amplitude from the output signal to the input signal, for example when the output signal is reflected on the surface section.
  • a measurement mode based on the Doppler principle is also possible, for example for using the radar sensor in the far range.
  • the radar sensor thus represents a multifunctional measuring unit.
  • the invention has the following advantages: •
  • the radar sensor can be used at close range with a high distance resolution.
  • the radar sensor can be used universally.
  • a change in the object can be inferred from a long-term log of the relative distance between the radar sensor and the surface section of the object.
  • Figure 1 shows an arrangement with a radar sensor and brake disc.
  • Figure 2 shows an arrangement with a radar sensor and wheel of a rail vehicle.
  • Figure 3 shows an arrangement for measuring a torsion of a shaft.
  • FIG. 4 shows an arrangement with a radar sensor for material flow monitoring.
  • FIG. 5 shows a method for determining a relative distance between the radar sensor and a surface section of an object.
  • the radar sensor 1 has a transmitting device 2 with a transmitting antenna and a receiving device 4 with a receiving antenna (FIG. 1). With the help of the antennas, an electromagnetic high-frequency signal of 76.5 GHz is transmitted or received.
  • the radar sensor 1 has an evaluation device 6 for determining a relative phase position between the output signal 3 and the input signal 5.
  • the evaluation device 6 has an I / Q demodulator.
  • the radar sensor 1 and an object 7 are arranged to one another in an arrangement 11 such that the output signal 3 is directed at a surface section 8 of the object 7.
  • the output signal 3 of the transmitting device 2 is emitted in the direction of the surface section 8 of the object 7 (FIG. 5, step 50).
  • the output signal 3 is reflected on the surface section 8 (step 51) and transmitted as an input signal 5 in the direction of the receiving device 4 (step 52).
  • the input signal 5 is received there (step 53). Furthermore, the relative phase position of the output signal 3 and the input signal 5 is determined by the evaluation device 6 (step
  • the relative distance 9 between the radar sensor 1 and the surface section 8 of the object 7 is determined on the basis of the determined phase position.
  • the absolute distance 10 can be derived from the relative distance 9.
  • an arrangement 11 for measuring a brake disk 20 of a motor vehicle is specified (FIG. 1).
  • the arrangement 11 consists of the radar sensor 1 and an object 7 in the form of the brake disc 20.
  • the radar sensor is arranged on a brake caliper 25 in such a way that the transmitting antenna and the receiving antenna are directed onto a surface 26 of a circumference of the brake disc 25.
  • the surface 26 of the circumference of the brake disk 25 is the surface section to be measured 8.
  • a direction of propagation of the transmission signal emanating from the transmission antenna is directed radially to the axis of rotation 13 of the brake disc 20.
  • each brake disk 20 has a radius 22 that varies over a full circumference (the angle of rotation 23 is 360 °). With a full revolution, the relative distance 9 and thus also the absolute distance 10 between the radar sensor 1 and the circumferential surface 26 vary Radar sensor 1 is used to detect the varying radius 22 of the brake disc 20. This is achieved with the aid of the determined relative distance 9 and thus also the absolute distance 10 between the radar sensor 1 and the peripheral surface 26 of the brake disc 20.
  • the corresponding angle of rotation 23 can be inferred when determining the relative distance 9.
  • An ambiguity could arise from the fact that several relative angles 9 are assigned to a plurality of rotation angles 23. Since the relative distance 9 can be viewed as a function of the angle of rotation 23, which is repeated periodically with multiple angle of rotation values of 360 °, the ambiguity mentioned can be eliminated. If the relative distance 9 is recorded continuously during a full revolution of the brake disc 20, then by knowing the periodic course of the relative distance 9 over a full passage of the angle of rotation 23 of 360 °, the corresponding angle of rotation 23 can be unequivocally concluded. A current angular position of the brake disk 20 is thus possible by determining the relative distance 9. A position control is independent of the rotational speed of the brake disk 20 and can be carried out until the brake disk 20 comes to a standstill.
  • the determination of the angle of rotation speed that is to say the rotational speed of the brake disk 20 is also possible.
  • the time interval between two successive periodic radii is measured.
  • the acceleration or deceleration can also be inferred from the change in this time interval from one revolution to the next.
  • FIG. 1 An internally ventilated brake disk 20 is shown in FIG.
  • a further periodic signal relating to a phase response between the output signal 3 and the input signal 5 is generated by the ventilation slots 27 and the connecting webs 28.
  • the ventilation slots 27 and connecting webs 28 are markings that the radar sensor can detect. The periodicity resulting from the markings can also be used to determine the measured variables according to the principle described above.
  • an arrangement 11 for monitoring a wheel 18 of a rail vehicle is specified (FIG. 2).
  • the radar sensor 1 To detect a speed of the rail vehicle, the radar sensor 1 is mounted at a short distance from the object 7 in the form of a wheel 18 of a rail vehicle.
  • the radar sensor 1 also serves to check the condition of the wheel 18 or wheel tire.
  • the radar sensor 1 scans the peripheral surface 26 of the wheel 18. Wear, damage 29 or a crack can thus be detected. Wear is recognized by the fact that the determined relative distance 9 has a general drift over the entire circumference in comparison to a standard distance 30 that was recorded when a new wheel was installed. Damage or a crack on the circumference is recognized by the fact that the determined relative distance 9 at the defect 29 has significant jumps that would not occur if the wheel 18 were in perfect condition. The sudden occurrence of such a fault (once or several times per revolution or period) is a clear indication of a defective wheel 18 or a defective wheel tire.
  • the radar sensor 1 is also used to detect bearing damage to the wheel 18.
  • a wheel 18 with a defective bearing 30 has irregularities when rolling. These irregularities are recognized by the radar sensor 1, since the determined relative distance 9 is no longer strictly periodic, but is overlaid by a fault that is attributable to the defective bearing 30. In contrast to a crack, the disturbance does not occur abruptly at the determined distance 9, but grows slowly and decreases just as slowly but irregularly with every rotation.
  • an arrangement 11 for measuring a torsion of a shaft 21 is specified (FIG. 3).
  • an object 7 in the form of a shaft 21 which is intended to transmit a force from a motor 32 to a load 33.
  • the torsion between the measuring points 34 and 35 on the shaft 1 is determined.
  • a distance 38 between these measurement points is determined by the position of the radar sensor 36 and the radar sensor 37.
  • the torsion 12 of the shaft 21 can be viewed as an axial twist 12 of the cross-sectional area of the shaft 21 at the measuring point 34 to the cross-sectional area at the measuring point 35. The relative position of these cross-sectional areas with respect to one another is thus determined.
  • the position of the cross-sectional area of the shaft 21 in the measurement point 34 or in the measurement point 35 is described by the angle of rotation 23 in analogy to the exemplary embodiment 1 for a brake disc.
  • the manufacturing and system-related eccentricity of the shaft 21 is used as an indicator for the angle of rotation 23 of the cross-sectional area of the shaft 21 at the respective measuring point. This is achieved by considering the phase curve of the output signal 3. Since the relative distance 9 of the radar sensor to the moving surface section of the shaft 21 changes when the angle of rotation 23 changes, this is reflected in a change in the electrical length, that is to say the phase relationship of the output signal 3 and the input signal 5 to one another.
  • the periodicity of the eccentricity or irregularity from one revolution to the other can be used to infer the actual instantaneous axial position of the cross-sectional area of the shaft 21 in the measuring point 34 or in the measuring point 35.
  • the random eccentricity or irregularity of the shaft is not used.
  • the surface section of the shaft 21 reflecting the output signal 3 is mechanically machined at the measuring point 34 and at the measuring point 35v in order to achieve a defined one To obtain the phase profile of the signals 3 and 3 during one revolution of the angle of rotation 23.
  • the axial position of the cross-sectional areas in the measuring points is known.
  • the position of the two cross-sectional areas relative to one another can thus be inferred from the difference in the angle of rotation. If the shaft 21 is subject to torsion under load, the cross-sectional areas in the measuring point 34 and in the measuring point 35 will shift relative to one another, which leads to a change in the angle of rotation difference that is detected.
  • This angle of rotation difference which is a direct measure of the torsion, can be measured in the static state of the shaft, but also in the case of a rotating shaft.
  • an arrangement 11 with radar sensor 1 for material flow and material thickness monitoring is specified (FIG. 4).
  • the radar sensor 1 When using the radar sensor 1 for material thickness monitoring, the radar sensor 1 is mounted at a slight absolute distance 10 from the flowing material 17 or a plate 19. The flowing material 17 is moved in the flow direction 15 starting from a flow production machine. The plate 19 is moved in the translation direction 16. The orientation of the radar sensor is perpendicular to the direction in which a thickness fluctuation 41 is to be detected. The fluctuation in thickness 41 causes a change in the relative distance 9 between the radar sensor 1 and the surface section 8. A larger width of the object 7 can be monitored by arranging a plurality of radar sensors 1 next to one another.
  • the radar sensor 1 When using the radar sensor 1 for material flow monitoring, the radar sensor 1 is at a short distance 10 from the surface. Chen section 8 of an object 7 mounted in the form of a flowing material 17. If the flow of material is interrupted 39, the radar sensor 1 no longer receives a signal reflected by the surface section 8 of the material 17, so that only noise is present at the output of the radar sensor 1. This can be seen as an interruption 39.

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.
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