WO2014114518A1 - Vorrichtung, system und verfahren mit einem ofw-chip - Google Patents

Vorrichtung, system und verfahren mit einem ofw-chip Download PDF

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WO2014114518A1
WO2014114518A1 PCT/EP2014/050534 EP2014050534W WO2014114518A1 WO 2014114518 A1 WO2014114518 A1 WO 2014114518A1 EP 2014050534 W EP2014050534 W EP 2014050534W WO 2014114518 A1 WO2014114518 A1 WO 2014114518A1
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WO
WIPO (PCT)
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signal
saw chip
frequency
chip
movement
Prior art date
Application number
PCT/EP2014/050534
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English (en)
French (fr)
Inventor
Markus Pichler
Stefan Schwarzer
Andreas Ziroff
Original Assignee
Siemens Aktiengesellschaft
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Filing date
Publication date
Application filed by Siemens Aktiengesellschaft filed Critical Siemens Aktiengesellschaft
Publication of WO2014114518A1 publication Critical patent/WO2014114518A1/de

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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H1/00—Measuring characteristics of vibrations in solids by using direct conduction to the detector
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01H—MEASUREMENT OF MECHANICAL VIBRATIONS OR ULTRASONIC, SONIC OR INFRASONIC WAVES
    • G01H11/00—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties
    • G01H11/06—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means
    • G01H11/08—Measuring mechanical vibrations or ultrasonic, sonic or infrasonic waves by detecting changes in electric or magnetic properties by electric means using piezoelectric devices

Definitions

  • the invention relates to a device, a system and a method in which a receiver device is set up such that a received signal of an SAW chip (SAW: surface waves) can be evaluated.
  • SAW surface waves
  • a preferred field of application is, for example, a non-contact monitoring of systems with moving elements.
  • the vibration measurement is concerned with the metrological determination of the vibration parameters frequency or frequency spectrum and amplitude of oscillating objects, among other things for error detection and identification.
  • One example is the detection of bearing damage on rotating machines.
  • Particularly attractive are non-contact methods, in which no physical contact between the vibrating object and a measuring device must be made, since in this case the oscillation in frequency and amplitude is not falsified and no wear on the measuring means occurs. In hard-to-reach areas, non-contact measurement is also the only way to accurately measure the vibration parameters.
  • Modern measuring devices for contactless vibration measurement so-called laser vibrometers, determine the Doppler shift of a transmitted and a reflected laser beam to determine the vibration parameters.
  • RFID tags high-frequency identification
  • surface wave tags in which identification marks are generated for the identification and identification of objects with surface wave structures.
  • Electromagnetic signals are received or transmitted via an antenna.
  • a sound transducer On a substrate or support there is a sound transducer, which converts electromagnetic signals into surface waves.
  • On the substrate reflectors are arranged relative to each other so that they reflect the surface waves, thereby generating a code that is emitted through the antenna. In this case, it is disadvantageous that the identification number can not be changed.
  • SAW tags have the advantage over bar code marking that they can be better protected against soiling and abrasion.
  • the object of the invention is to avoid the abovementioned disadvantages and in particular to specify a device, a system and a method which determine an object to be monitored in a simple and secure manner, in particular let monitor. In particular, the determination of vibrations of the object to be monitored should be possible without contact.
  • a device in which a processing device is set up such that a received signal can be evaluated with respect to a change in at least one frequency and / or amplitude such that an identification and movement of an SAW chip emitting the received signal can be determined is.
  • an SAW chip is understood to be a chip which can be identified via an air interface by means of an external reader. According to a development, the device is designed as such a reading device.
  • a surface acoustic wave propagates in particular planar or in a plane on or in a surface of the chip.
  • the OFW chip is an OFW
  • Element e.g. an integrated circuit or a carrier with at least one piezoelectric element.
  • the SAW chip can have an identification mark, also referred to as TAG, and emit a signal to which an identification information corresponding to the identification mark can be taken.
  • the processing device thus receives with the received signal not only the identification information which can be determined therefrom, but additionally also a movement information about a movement acting on the chip. This can also be determined and provided for documentation or further processing. Movements of a component carrying the SAW chip act on the SAW chip.
  • the time-varying influences or conditions of a machine, to which the component belongs can be documented by means of the OFW chip in order, if necessary, to initiate timely replacement in the event of signs of increasing wear in good time.
  • the device is set up to evaluate the movement, in particular oscillation, from the received signal transmitted by the SAW chip and containing a pattern identifying the SAW chip.
  • Such a pattern is generated, in particular, by running along a surface wave along its carrier or substrate, starting from a signal source on the chip.
  • the surface wave is reflected at, for example, successively arranged reflectors to a transmitting device with an antenna.
  • a position of the reflectors relative to each other generates correspondingly the pattern as an identification mark.
  • the antenna emits an electromagnetic wave containing the pattern information from the different reflection components.
  • a sound transducer is connected between the antenna and the carrier of the OFW chip, which converts a conversion between electromagnetic waves on the antenna side and acoustic waves, in particular surface waves on the carrier side bidirectional.
  • the emitted signal includes the pattern information and additionally superimposed motion information.
  • the signal and its individual reflection components are thus impressed or superimposed on a change of the chip or of an object carrying the chip.
  • the distance between the two antennas (those of the stationary measuring device and the oscillating OFW-tag) is modulated by the oscillation, whereby an evaluable Doppler component is impressed between the transmission and reception of the electromagnetic wave by the measuring device.
  • the movement may in particular also comprise a vibration, e.g. a movement of a machine, a rotor or similar If this movement changes, e.g. Due to an imbalance of the machine, this can be detected in good time by means of the OFW chip.
  • a vibration e.g. a movement of a machine, a rotor or similar If this movement changes, e.g. Due to an imbalance of the machine, this can be detected in good time by means of the OFW chip.
  • the received signal therefore contains not only a pattern which identifies the chip but, in the case of vibrations acting on the SAW chip, additionally the oscillation information which is superimposed as frequency and / or amplitude change of the pattern information.
  • the device may be associated with a processing device, in particular with evaluation functions, which can analyze the received response signal emitted by the SAW chip with respect to a change in a frequency spectrum of the pattern. Thus, with the device, the mechanical movement can be detected, which acts on the SAW chip.
  • the signal source may not only be a stand-alone signal source on the SAW chip, but may also comprise an antenna which receives an interrogation signal from the device receives and initiates as a surface wave in the carrier of the OFW chips.
  • a next embodiment is that the device is set up to sequentially determine phases of signal peaks in the time domain and to form a complex-valued oscillation signal therefrom.
  • the signal received from such an SAW chip usually includes one after the transformation into the frequency domain
  • a pattern of an identification mark of the OFW chip based on the reflectors wherein the pattern is formed from a plurality of such signal peaks and wherein the signal peaks are associated with the reflectors.
  • the pattern is thus according to a further development, an identification pattern (ID pattern) determined by the arrangement of the reflectors.
  • Such signal peaks are also referred to as peaks and their phases as peak phases.
  • the device determines signal values of the signal in the time domain in a first step. This is done in particular by applying a Fourier transformation to the received signal which contains radar responses of the SAW chip measured in the frequency domain. In the time domain thus signal peaks, which reflect a distance of the individual reflectors. In a second step, the phases of signal peaks are determined.
  • a third step One development is that in a third step
  • Step phases of these signal peaks e.g. strung together to form the vibration signal.
  • Vibration signal thus includes a phase information of the individual signal peaks or the individual reflectors of the SAW chip.
  • phases out of a multitude of successively received patterns each determined a particular signal peak of the pattern, eg selected or read.
  • the phases of the selected signal peaks are arranged one behind the other to form the complex-valued oscillation signal.
  • the determination can in particular be carried out automatically with the aid of a processor of the device.
  • An embodiment consists in that the device is set up to form from the oscillation signal a vibration amplitude of the pattern as an identification mark of the SAW chip or of parts of the pattern.
  • the oscillation signal in the time domain reflects a movement of the SAW chip or its individual reflectors, which generate the reflected signal peaks.
  • the oscillation amplitude (and possibly the oscillation frequency) represents, corresponds to or allows conclusions to be drawn about a movement of the
  • OFW chips or a component or an object to which the SAW chip is arranged or attached are OFW chips or a component or an object to which the SAW chip is arranged or attached.
  • the oscillation amplitude is formed in accordance with a further development, in particular by determining a vibration amplitude in the time domain via the relationship
  • ⁇ 2nR / X with ⁇ as the wavelength of a Radarmittenfrequenz, R as oscillation amplitude and ⁇ as observed or certain phase amplitude.
  • the device is set up to transform the oscillation signal into the frequency range and at least one of oscillation frequency. sequence (s) and amplitudes of the movement of the pattern as an identification mark of the SAW chip or the movement of parts of the pattern. This is done according to a development, for example, characterized in that the device determines the oscillation frequency (s) and relative amplitudes or reads automatically. This is carried out in particular via the relative power and / or amplitude of the vibration components in the frequency domain.
  • an excitation signal to the SAW chip and / or the signal transmitted by the SAW chip has a repetition rate, in particular a ramp repetition rate, which is large compared to an oscillation frequency of the movement of the SAW chip and of its Identification mark is.
  • the ramp repetition rate is particularly so high that the sampling theorem is satisfied.
  • signal forms other than ramps are also possible, e.g. broadband pulses (with a pulse repetition rate).
  • the oscillation frequency acts on the SAW chip via a component carrying the SAW chip.
  • Such an excitation signal is generated in particular by a transmitting device of the device.
  • a transmission signal is generated at a ramp repetition rate.
  • a transmission frequency is modulated with a repetitive ramp-like timing.
  • pulse modulation may also be used.
  • each frequency ramp provides exactly one sampling point for the reconstruction of the motion modulation (eg in the form of a vibration modulation).
  • the particular phase corresponds to the change in distance between the zero position of the oscillating SAW chip and the instantaneous displacement by the movement.
  • the zero position is set at a point in a range from minimum to maximum of a Schwingungshubs.
  • the device is set up to mix radar-based signals in the time domain as time signals with a momentary frequency of a radar to the baseband and to rank the time signals of several measurements.
  • the device is designed as a radar device which emits a corresponding ramp-type excitation signal and receives and evaluates a response signal of the SAW chip.
  • a development consists in that a maximum mechanical oscillation frequency of the movement of the SAW chip is not significantly smaller than a ramp repetition rate of an excitation signal transmitting (FMCW) radar device.
  • FMCW excitation signal transmitting
  • CW continuous wave signal
  • the excitation signal is a pulse-modulated continuous wave signal.
  • An embodiment is that the device is set up to set a sum signal from certain phases of signal peaks in times in which it is not measured to zero and then to convert the sum signal in the frequency range and to determine the vibration spectrum, in particular to evaluate.
  • the zeroing of times when was not measured, ie in particular times between two ramps, for example, corresponds to a windowing (masking) with a periodic square wave signal. Due to the fenestration, the frequency rich a convolution of the actual spectrum with a sampled sin (x) / x function, which has zeros and the information in the spectrum thus hides or filters out in some places.
  • the device is set up to reconfigure a transmitting device for transmitting an excitation signal to the SAW chip between at least two consecutive measurements and to generate a modified excitation signal.
  • the ramp repetition rate can be changed.
  • the radar device can be reconfigured in the case of immediately consecutive measurements.
  • the selectable parameters are, for example, a start and stop frequency of the measurement and thus in particular the bandwidth, a ramp slope, which is indicated in particular in Hz / s, wherein the sign can also be changed, and a start time of the measurement. By changing these parameters, the ramp repetition rate can also be set indirectly. The evaluation of the vibration parameters with these different radar configurations then enables the
  • Phase point per ramp make sure that the sampling theorem is satisfied, ie there are more than two measurements (ramps) per mechanical oscillation period (this corresponds to upper limit of a frequency fl). In addition (to achieve a corresponding accuracy) it is preferable to fulfill the criterion that the total duration of the measurement extends over at least about two oscillation periods (lower limit is a frequency f0).
  • the second evaluation method it is possible to measure from the frequency f0 to the frequency f3, but there may be gaps in the frequency measurement that are at integer multiples of the signal frequency TP of a given frequency fP, ie at fP, 2 * fP, etc.
  • a refinement of the device consists in that the receiver device comprises a receiver and / or transmitter.
  • the device is set up as a radar measuring device, which makes it possible to identify an OFW chip and, in addition, to detect a movement acting on the SAW chip.
  • the excitation signal is a CW radar signal, in particular FMCW radar signal.
  • the device may be implemented in one component or distributed in several components.
  • the device can have a processor which evaluates the received signal accordingly.
  • An embodiment consists in a system having such a device and at least one SAW chip, the system being designed such that the SAW chip receives and is furnished with electrical energy from an excitation signal of the system, in particular of the device emitted signal without further energy source to produce.
  • a motion detection of the SAW chip as a transponder using so-called energy harvesting is made possible.
  • Embodiments are also such a system or a system with at least one OFW chip and with such a device, wherein the SAW chip is arranged on a mechanically movable and / or mechanically moving, in particular oscillating component of a machine and wherein the Device with the processing device is set up to monitor a movement - in particular oscillation - of the component by means of the signal received by the SAW chip.
  • the component may be, for example, a housing element, a supporting or a moving element of a machine.
  • a machine can also be understood to mean a device which moves itself, has a movable or a moving component. In particular, a machine can be motorized.
  • An embodiment consists in a machine with a moving or movable component, wherein the machine is set up with an SAW chip on the component and with such a device with the processing device for determining the movement.
  • Such a machine has, for example, rotating or otherwise moving components whose error-free, in particular uniform, running is to be monitored.
  • Such a moving machine may also be a vehicle whose operating condition is to be monitored.
  • Occurring mechanical vibrations are transmitted to the SAW chip, which is fastened directly or indirectly to a component of the machine, wherein the component can be subject to movements.
  • a non-contact query of the SAW chip and thus the state of motion of the moving component is feasible.
  • high interference frequencies can be resolved.
  • a received signal is evaluated with respect to a change in at least one frequency and / or one amplitude such that an identification and movement of an SAW chip emitting the received signal is determined.
  • the signal contains a pattern identifying the SAW chip, by means of which changes the motion is evaluated, wherein phases of signal peaks are sequentially determined in the time domain and an oscillation signal is formed therefrom, and where from the oscillation signal an oscillation frequency and / or amplitude is determined.
  • a development consists in that the oscillation signal is transformed into the frequency domain and at least one of the oscillation frequency (s) and amplitudes of the movement of the specimen is formed as an identification mark of the SAW chip or of parts of the specimen. It is still a further development that an excitation signal to the SAW chip is transmitted or generated in such a way that the signal transmitted by the SAW chip has a ramp repetition rate that is large compared to an oscillation frequency of the movement of the SAW chip and its identification mark to be determined, in particular, is so large that the sampling theorem is satisfied.
  • a further development is that radar-based signals in the time domain are mixed as time signals of radar generated in this way with an instantaneous frequency of a radar into the baseband and the time signals of several measurements are lined up and an excitation signal is modified between at least two successive measurements.
  • the above explanations regarding the apparatus apply to the method accordingly.
  • the solution presented here further comprises a computer program product which can be loaded directly into a memory of a digital computer, comprising program code parts which are suitable for carrying out steps of the method described here or components of the device for transmission the excitation signal and to receive suitable for receiving and evaluating the reflected signal.
  • a computer-readable storage medium e.g. any memory comprising computer-executable instructions - e.g. in the form of program code - suitable for the computer to perform steps of the method described herein.
  • a processing unit of the device processing the received signal may, in particular, be embodied as a processor unit and / or an at least partially hardwired or logic circuit arrangement, which is set up, for example, such that the method can be carried out as described herein.
  • Said processing unit can be any type of processor or computer or computer with correspondingly necessary peripherals, e.g. Memory, input / output interfaces, input / output devices, etc.
  • FIG. 1 schematically shows an SAW chip and a device communicating therewith
  • Vibrations of an object bearing the SAW chip 3 schematically shows another method sequence for determining vibrations.
  • FIG. 1 shows an SAW chip 101 and a device 102 communicating therewith by means of electromagnetic waves
  • Device 102 is especially set up as a radar device.
  • the device 102 has an antenna 104, via which an interrogation and / or excitation signal 121 is emitted.
  • the SAW chip 101 is disposed on a moving or movable component 103.
  • the SAW chip 101 has an antenna 105, which is connected to a sound transducer 106.
  • the sound converter 106 converts the received electromagnetic excitation signal 121 into an acoustic wave, in particular a surface wave 122.
  • the surface wave 122 is coupled by the sound transducer 106 in a substrate or a carrier 107 of the SAW chip 101 and passes over or through the surface thereof.
  • the reflectors 108 to 112 are arranged on the support 107 .
  • the reflectors 108 to 112 each have a respective different distance to the transducer 106, wherein the distances correspond to a pattern.
  • the pattern corresponds to an identification code of the SAW chip 101 and serves to identify it.
  • the surface wave 122 traveling along the carrier 101 is reflected by the reflectors 108 to 112.
  • a multiplicity of the reflected waves travel from the reflectors 108 to 112 to the sound transducer 106.
  • the different distances cause the reflected waves to arrive at the sound transducer 106 at different times.
  • the baffle 1er 106 converts the reflected waves into an electromagnetic signal which is transmitted via the antenna 105.
  • excitation signal 121 is from the SAW chip 101, a response signal emitted as electromagnetic signal 123.
  • the response signal has a plurality of peaks, each of the peaks representing a response of each of the reflectors 108-112.
  • the device 102 receives via its antenna the response signal emitted by the SAW chip 101 as a received signal 123 and processes it in a processing device.
  • the processing device has a receiver device suitable for receiving the signal 123.
  • the identification code of the SAW chip 101 can be determined from the signal 123.
  • the SAW chip 101 is disposed on a movable or moving component 103.
  • a movement in particular
  • Oscillation of the component 103 also acts on the carrier 107 of the SAW chip 101. With a corresponding movement of the component 103, this leads to a change of the reflected waves and thus to a corresponding response signal, which is emitted by the SAW chip 101.
  • the processing device of the device 102 is set up to determine from the received signal 123 the movement acting on the SAW chip 101 and, therefrom, the movement of the component 103. Such certain movements are provided by the device 102 and further processed, for example, and / or output via an output device as a movement information, in particular displayed.
  • the device 102 can also have a transmitting device which generates a pulse-modulated or frequency-modulated continuous signal and transmits it as the excitation signal 121. In this case, a ramp-type signal from ramps with a ramp repetition rate is preferred as frequency modulation.
  • the transmitting device is set up to change the excitation signal 121 between successive transmissions, for example to adapt the ramp repetition rate.
  • a transmitting device can also be independent of The device 102 may be formed and arranged in the reception area of the SAW chip 101.
  • step 201 shows an exemplary sequence of method steps in the device 102, in particular in its processing device.
  • step 201 After a transmission of the excitation signal 121 by the device 102 or by another device in a step 201, a signal 123 is received by the SAW chip 101 in a subsequent step 202 in response.
  • step 203 a Fourier transform of frequency modulated excitation signals is optionally performed to transform the received signal 123 into the time domain. If pulsed signals are used, then none is
  • the signals are directly in the time domain.
  • phase values of signal peaks are determined in order to form a vibration signal from the phases in the next step 205.
  • an oscillation amplitude is determined from the oscillation signal.
  • step 207 a renewed
  • a complex phase value to the sweep center is determined.
  • the phase signal is set to the correct position in the total signal.
  • FIG. 3 shows a further exemplary sequence of method steps in the device 102 in the event that an oscillation frequency contained in the received signal 123 is not small compared to the ramp repetition rate of the excitation signal 121.
  • a sum or vibration signal is formed from the phases, wherein
  • step 303 Signal components are set to zero between measuring times.
  • step 303 a Fourier transformation is performed in the frequency domain and a vibration spectrum is determined.
  • signal parameters for generating the excitation signal 121 are changed in a step 304 as long as this is necessary, and the procedure is started again with the emission of a matched excitation signal 121.
  • step 305 a further evaluation for determining the movement is carried out. It is exploited that, in the case of systems and devices to be monitored, such a determinable movement possibly corresponds to a more or less continuous oscillation which can also be detected over a plurality of such measuring cycles. Further advantages and refinements: In particular, an online
  • the SAW tag is a particular type of passive, i. energy-efficient RFID tags used to tag and identify objects.
  • Fig.l explains the basic structure.
  • On a ceramic substrate or support 107 are metallic structures that act as interdigital transducer or as the reflectors 108 to 112.
  • the interdigital transducer 106 converts electromagnetic waves incident on the antenna 105 into sound waves on the substrate. The waves propagate on the substrate and are partially reflected at the reflectors. Sound waves that arrive again at the interdigital transducer are radiated again as electromagnetic waves.
  • the reflectors 108 to 112 thus modulate an incident, broadband radar signal to a distance corresponding to the distance of the reflectors 108 to 112 to the interdigital transducer, so that the
  • Reflector positions can be uniquely determined in the device 102 as a radar receiver. By varying the reflector positions in the manufacture of the SAW chip 101, a code space can be spanned, which permits identification and identification of objects. Passive RFID tags of this type are typically interrogated with an FMCW radar with a bandwidth large enough to accommodate the To be able to separate reflectors in the signal. In particular, the much lower propagation velocity of the sound waves compared to the electromagnetic waves is considered. This technology is used for example in surface wave identification systems.
  • An extension consists in evaluating a phase modulation in the radar device additionally applied to the radar signal by the movement or oscillation of the component 103 with regard to frequency, frequency spectrum and / or amplitude of the movement. For this purpose, two cases are preferably distinguished:
  • the oscillation frequency is small compared to the ramp repetition rate of the FMCW radar.
  • the oscillation frequency is of the same order of magnitude or greater than the ramp repetition rate.
  • each frequency ramp of the radar provides a sampling point for reconstructing the vibration modulation. It can be shown that all reflector peaks or reflector peaks in the base band of the radar signal are rotated by (approximately) the same phase. This phase corresponds to the change in distance between the zero position of the oscillating object and the instantaneous deflection by the oscillation.
  • the zero position of the moving object can be determined arbitrarily, for example exactly between minimum and maximum of a vibration stroke.
  • an oscillation signal sampled by a plurality of frequency ramps is thus produced, which is converted into the frequency domain by Fourier transformation for frequency analysis.
  • the sampling theorem is observed, ie all frequency components contained in the oscillation must be smaller than half the ramp repetition rate. So that all peaks or peaks have the same phase, the frequency components contained in the oscillation should preferably additionally be again significantly smaller than the Ramp repetition rate.
  • the comparison of the individual peak value phases in successive measurements can be used as an indication of a possible violation of this requirement.
  • the steps of the preferred algorithm which in particular also with reference to FIG. 2 includes, in particular: a) carrying out measurements with an FMCW radar device b) transferring the radar responses measured in the frequency domain into the time domain
  • the resolution of the vibration analysis in the frequency domain and the accuracy of the evaluation can be determined by the number of recorded radar signals or by a large period over which a plurality of successive radar signals are recorded.
  • case (2) if the oscillation frequency is of the same order or larger than the ramp repetition rate, In particular, the method described in case (1) requires a maximum oscillation frequency that is significantly smaller than the ramp repetition rate of the FMCW radar. Higher frequencies lead to ambiguities in the vibration evaluation due to the violation of the sampling theorem, which in unfavorable cases can not be resolved.
  • the sum signal is set to zero in times in which it was not measured, that is, in particular between two ramps, which corresponds to a windowing or masking with a periodic square wave signal. Subsequently, the sum signal can be converted into the frequency domain and the vibration spectrum can be evaluated.
  • FMCW radar other broadband measurement methods can be used. Preferably, all measurement methods use a repetition rate that is fixed or periodically adjustable within limits. In this respect, the above-mentioned subdivision into cases (1) and (2) can also be valid.
  • Vibration measurement Another advantage is that no cabling is required or the cost of a required for motion measurement wiring significantly reduced. This is also advantageous because the cables themselves change the movement behavior due to their weight.
  • Vibration measurements can also be made with portable devices, which saves costs because otherwise sensors and cabling would be incurred.
  • the tag When measuring with portable devices, the tag may be coupled to the movable or movable object, e.g. done via magnets. Depending on the nature of the surface, not only the ranges from zero to eg 4000 Hz can be detected, but also frequencies required for the detection of bearing, gear and converter errors up to about 20 kHz can be determined and monitored.
  • a permanently installed sensor has the advantage of cost-effective continuous monitoring, which also makes it possible to replace a component in good time before an error occurs.
  • Such sensors can be easily retrofitted using OFW chips. Costs and downtime can be significantly reduced compared to solutions with cabling. Each OFW chip can have a unique address, which allows to measure several measurement points on a measurement object with only one radar device.
  • the measurement is simple and can be carried out without specially trained personnel.
  • the OFW chips are, for example, passive and have a long service life. It is also possible to carry out the OFW chips, for example with paint paintable. This would not increase the cost of regular machine maintenance because a costly disassembly and after drying the paint repassembly omitted.
  • Different antenna types can be used on the substrate or carrier, for example a meander-shaped antenna formed by a metal body, a slot antenna including an inverse arrangement and also a cavity antenna, with such antennas a range of for example 5m to 7m achievable is.
  • Realizable is monitoring with mobile measuring devices, whereby a device can also be installed as a stationary measuring device for permanent monitoring. While the invention has been further illustrated and described in detail by the at least one embodiment shown, the invention is not so limited and other variations can be derived therefrom by those skilled in the art without departing from the scope of the invention.

Abstract

Es wird vorgeschlagen, eine Vorrichtung (102), ein System und ein Verfahren bereitzustellen, bei denen eine Verarbeitungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein empfangenes Signal (123) eines OFW-Chips (101) auswertbar ist. Hierbei ist es von Vorteil, dass das empfangene Signal (123) hinsichtlich einer Änderung mindestens einer Frequenz und/oder einer Amplitude derart auswertbar ist, dass eine Identifikation und Bewegung des das empfangene Signal aussendenden OFW-Chips (101) bestimmbar ist. Die Erfindung kann beispielsweise zur berührungslosen Überwachung von Anlagen mit sich schwingend bewegenden Komponenten (103) eingesetzt werden.

Description

Beschreibung
Vorrichtung, System und Verfahren mit einem OFW-Chip Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren, bei denen eine Empfängereinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein empfangenes Signal eines OFW-Chips (OFW: Oberflächenwellen) auswertbar ist. Bevorzugter Anwendungsbereich ist beispielsweise eine berührungslose Überwa- chung von Anlagen mit sich bewegenden Elementen.
Die Schwingungsmessung beschäftigt sich mit der messtechnischen Ermittlung der Schwingungsparameter Frequenz bzw. Frequenzspektrum und Amplitude schwingender Objekte u.a. zur Fehlererkennung und -Identifikation. Ein Beispiel ist die Erkennung von Lagerschäden an rotierenden Maschinen. Besonders attraktiv sind dabei berührungslos arbeitende Verfahren, bei denen kein physikalischer Kontakt zwischen dem schwingenden Objekt und einem Messmittel hergestellt werden muss, da hier- bei die Schwingung in Frequenz und Amplitude nicht verfälscht wird und kein Verschleiß am Messmittel auftritt. In schwer zugänglichen Bereichen ist die berührungslose Messung zudem die einzige Möglichkeit, die Schwingungsparameter messtechnisch genau zu erfassen. Moderne Messgeräte zur berührungslo- sen Schwingungsmessung, sogenannte Laser-Vibrometer, ermitteln die Dopplerverschiebung eines ausgesendeten und eines reflektierten Laserstrahls zur Bestimmung der Schwingungsparameter . Hierbei ist es von Nachteil, dass diese Geräte sehr teuer sind und daher meist nicht in großer Zahl beschafft und daher nicht stationär zur Dauerüberwachung installiert werden können. Zudem benötigen Vibrometer eine ungestörte Sichtverbindung zum schwingenden Objekt und müssen im Betrieb dauerhaft mit elektrischer Energie über Kabelverbindungen versorgt werden. Ein weiterer Nachteil ist, dass die Ausrichtung des Laserstrahls gewissenhaft und mit Sachkenntnis erfolgen muss, was hohe Personalkosten nach sich zieht. Ist die berührungslose Schwingungsmessung aus solchen Gründen nicht durchführbar, können Beschleunigungsaufnehmer an einer Komponente des Messobjekts befestigt werden, die über Kabel mit einem Auswertegerät verbunden sind. Das Auswertegerät berechnet aus den gemessenen Beschleunigungswerten die Schwingungsparameter .
Hierbei ist es von Nachteil, dass eine teure Verkabelung zwi- sehen den einzelnen Beschleunigungsaufnehmern und dem Auswertegerät erforderlich ist.
Es gibt RFID-Tags (RFID: Hochfrequenz-Identifizierung), sogenannte Oberflächenwellen-Tags, bei denen zur Kennzeichnung und Identifizierung von Objekten mit Oberflächenwellen- Strukturen Identifikationsmarken erzeugt werden. Elektromagnetische Signale werden über eine Antenne empfangen bzw. gesendet. Auf einem Substrat bzw. Träger befindet sich ein Schallwandler, der elektromagnetische Signale in Oberflächen- wellen umwandelt. Auf dem Substrat sind Reflektoren relativ zueinander so angeordnet, dass diese die Oberflächenwellen reflektieren und dabei einen Code erzeugen, der über die Antenne ausgesendet wird. Hierbei ist es von Nachteil, dass die Identifikationsnummer nicht änderbar ist .
Anwendungen sind zum Beispiel die Kontrolle von Warenströmen oder auch die kontaktlose Identifizierung medizinischer Im- plantate, Nahtmaterialien, Operationsgeräte, Operationsbestecke oder Blutkonserven während und nach der Sterilisation. Gegenüber einer Barcode-Kennzeichnung haben OFW-Tags den Vorteil, dass sie besser vor Verschmutzungen und Abrieb geschützt werden können.
Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, die vorstehend genannten Nachteile zu vermeiden und insbesondere eine Vorrichtung, ein System und ein Verfahren anzugeben, welche Bewegun- gen eines zu überwachenden Objekts auf einfache und sichere Art und Weise bestimmen, insbesondere überwachen lassen. Insbesondere soll das Bestimmen von Schwingungen des zu überwachenden Objekts berührungslos erfolgen können.
Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen der unabhängigen Ansprüche gelöst. Bevorzugte Ausführungsformen sind insbesondere den abhängigen Ansprüchen entnehmbar. Zur Lösung der Aufgabe wird eine Vorrichtung vorgeschlagen, bei der eine Verarbeitungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein empfangenes Signal hinsichtlich einer Änderung mindestens einer Frequenz und/oder einer Amplitude auswertbar ist dahingehend, dass eine Identifikation und Bewegung eines das empfangene Signal aussendenden OFW-Chips bestimmbar ist.
Üblicherweise wird unter einem OFW-Chip ein Chip verstanden, der über eine Luftschnittstelle hinweg mittels eines externen Lesegeräts identifizierbar ist. Gemäß einer Weiterbildung ist die Vorrichtung als ein solches Lesegerät ausgestaltet. Eine akustische Oberflächenwelle breitet sich insbesondere planar bzw. in einer Ebene auf bzw. in einer Oberfläche des Chips aus . Bei dem OFW-Chip handelt es sich beispielsweise um ein OFW-
Element, z.B. eine integrierte Schaltung oder um einen Träger mit mindestens einem Piezoelement .
Insbesondere kann der OFW-Chip eine Identifikationsmarke - auch bezeichnet als TAG - aufweisen und ein Signal aussenden, dem eine der Identifikationsmarke entsprechende Identifikationsinformation entnehmbar ist. Die Verarbeitungseinrichtung erhält mit dem empfangenen Signal somit nicht nur die daraus bestimmbare Identifikationsinformation, sondern zusätzlich auch eine BewegungsInformation über eine auf den Chip einwirkende Bewegung. Diese kann ebenfalls bestimmt und für Dokumentationszwecke oder für weitere Verarbeitungen bereitgestellt werden. Bewegungen einer Komponente, die den OFW-Chip trägt, wirken auf den OFW-Chip. So können sich mit der Zeit ändernde Einflüsse oder Bedingungen einer Maschine, zu der die Komponente gehört, mittels des OFW-Chips dokumentieren lassen, um ggfs. einen rechtzeitigen Austausch bei Anzeichen zunehmenden Verschleißes rechtzeitig zu veranlassen.
Gemäß einer Weiterbildung können insbesondere automatisiert direkt Maßnahmen eingeleitet werden, falls kritische Bewegungen, z.B. Unwuchten, bestimmt werden, die zu einem Schaden z.B. einer Maschine, auf der der OFW-Chip aufgebracht ist, führen können, so dass z.B. ein Komponentenaustausch eingeleitet oder ggfs. sogar ein Nothalt der Maschine veranlasst werden kann.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, aus dem empfangenen Signal, das von dem OFW-Chip gesendet wurde und ein den OFW-Chip identifizierendes Muster ent- hält, anhand dessen Änderungen die Bewegung, insbesondere Schwingung auszuwerten.
Ein solches Muster wird insbesondere dadurch erzeugt, dass ausgehend von einer Signalquelle auf dem Chip eine Oberflä- chenwelle längs dessen Träger bzw. Substrat entlangläuft. Die Oberflächenwelle wird an beispielsweise hintereinander angeordneten Reflektoren zu einer Sendeeinrichtung mit einer Antenne reflektiert. Eine Lage der Reflektoren relativ zueinander erzeugt entsprechend das Muster als Identifikationsmarke. Die Antenne sendet eine elektromagnetische Welle aus, welche die Musterinformation aus den unterschiedlichen Reflexionsanteilen enthält. Dabei ist zwischen die Antenne und den Träger des OFW-Chips insbesondere ein Schallwandler geschaltet, welcher eine Umwandlung zwischen elektromagnetischen Wellen auf der Antennenseite und akustischen Wellen, insbesondere Oberflächenwellen auf der Trägerseite bidirektional umsetzt. Erfährt der Chip während des Laufs einer Oberflächenwelle über den Träger eine Bewegung, so wirkt sich diese auf die Laufzeiten und Amplituden der Oberflächenwelle und von deren Reflexionsanteilen aus. Daher umfasst das emittierte Signal die Musterinformation und zusätzlich eine überlagerte Bewe- gungs- bzw. Schwingungsinformation. Dem Signal und dessen einzelnen Reflexionsanteilen wird somit abhängig von einer Bewegung des Chips bzw. von einem den Chip tragenden Objekt eine Änderung eingeprägt bzw. überlagert.
Beispielsweise wird der Abstand zwischen den beiden Antennen (denen des stationären Messgeräts und des schwingenden OFW- Tags) durch die Schwingung moduliert, wodurch zwischen Aus- sendung und Empfang der elektromagnetischen Welle durch das Messgerät eine auswertbare Dopplerkomponente aufgeprägt wird.
Hierbei sei angemerkt, dass die Bewegung insbesondere auch eine Schwingung umfassen kann, z.B. eine Bewegung einer Maschine, eines Rotors o.ä. Verändert sich diese Bewegung, z.B. durch eine Unwucht der Maschine, kann dies mittels des OFW- Chips rechtzeitig festgestellt werden.
Das empfangene Signal enthält daher nicht nur ein Muster, welches den Chip identifiziert, sondern im Fall von auf den OFW-Chip einwirkenden Schwingungen zusätzlich die Schwingungsinformation, die als Frequenz- und/oder Amplitudenänderung der Musterinformation überlagert ist. Der Vorrichtung kann eine Verarbeitungseinrichtung mit insbesondere Auswertefunktionen zugeordnet sein, die das empfangene, vom OFW-Chip ausgesendete Antwortsignal hinsichtlich einer Änderung eines Frequenzspektrums des Musters analysieren kann. So ist mit der Vorrichtung die mechanische Bewegung erfassbar, die auf den OFW-Chip einwirkt. Die Signalquelle kann nicht nur eine eigenständige Signalquelle auf dem OFW-Chip sein, sondern auch eine Antenne umfassen, die ein Abfrage- bzw. Anregungssignal der Vorrichtung empfängt und als Oberflächenwelle in den Träger des OFW-Chips einleitet .
Eine nächste Ausgestaltung ist es, dass die Vorrichtung ein- gerichtet ist, im Zeitbereich aufeinanderfolgend Phasen von Signalspitzen zu bestimmen und daraus ein komplexwertiges Schwingungssignal zu bilden.
Das von einem solchen OFW-Chip empfangene Signal umfasst nach der Transformation in den Frequenzbereich üblicherweise ein
Muster einer Identifikationsmarke des OFW-Chips basierend auf den Reflektoren, wobei das Muster aus einer Vielzahl von solchen Signalspitzen gebildet wird und wobei die Signalspitzen den Reflektoren zugeordnet sind. Das Muster ist somit gemäß einer Weiterbildung ein Identifikationsmuster (ID-Muster) bestimmt durch die Anordnung der Reflektoren.
Solche Signalspitzen werden auch als Peaks und deren Phasen als Peakphasen bezeichnet.
Die Vorrichtung bestimmt somit in einem ersten Schritt Signalwerte des Signals im Zeitbereich. Dies erfolgt insbesondere durch das Anwenden einer Fouriertransformation auf das empfangene Signal, das im Frequenzbereich gemessene Radarant- worten des OFW-Chips enthält. Im Zeitbereich entstehen somit Signalspitzen, welche einen Abstand der einzelnen Reflektoren widerspiegeln. In einem zweiten Schritt werden die Phasen von Signalspitzen bestimmt. Eine Weiterbildung besteht darin, dass in einem dritten
Schritt Phasen dieser Signalspitzen z.B. aneinandergereiht werden, um daraus das Schwingungssignal zu bilden. Das
Schwingungssignal beinhaltet somit eine Phaseninformation der einzelnen Signalspitzen bzw. der einzelnen Reflektoren des OFW-Chips.
Es ist eine zusätzliche Weiterbildung, dass aus einer Vielzahl zeitlich aufeinanderfolgend empfangener Muster Phasen jeweils einer bestimmten Signalspitze des Musters bestimmt, z.B. ausgewählt bzw. abgelesen werden. Die Phasen der ausgewählten Signalspitzen werden hintereinander angeordnet bzw. aneinandergereiht, um das komplexwertige Schwingungssignal zu bilden. Die Bestimmung kann insbesondere automatisiert mit- hilfe eines Prozessors der Vorrichtung durchgeführt werden.
Es ist eine alternative Weiterbildung, dass Phasen mehrerer oder aller der Signalspitzen des Musters bestimmt, z.B. aus- gewählt bzw. abgelesen werden, um daraus einen Mittelwert oder individuelle Schwingungssignale für eine spätere Mittelung zu bilden.
Eine Ausgestaltung besteht darin, dass die Vorrichtung einge- richtet ist, aus dem Schwingungssignal eine Schwingungsamplitude des Musters als Identifikationsmarke des OFW-Chips oder von Teilen des Musters zu bilden.
Dadurch, dass insbesondere Phasen von Signalspitzen eines solchen Musters zur Bildung des Schwingungssignals ausgewählt werden, spiegelt das Schwingungssignal im Zeitbereich eine Bewegung des OFW-Chips bzw. seiner einzelnen Reflektoren, die die reflektierten Signalspitzen erzeugen, wider. Die Schwingungsamplitude (und ggf. Schwingungsfrequenz ) repräsentiert, entspricht oder lässt Rückschlüsse zu auf eine Bewegung des
OFW-Chips bzw. einer Komponente oder eines Objekts, woran der OFW-Chip angeordnet bzw. befestigt ist.
Das Bilden der Schwingungsamplitude erfolgt gemäß einer Wei- terbildung insbesondere dadurch, dass eine Schwingungsamplitude im Zeitbereich bestimmt wird über die Beziehung
φ = 2nR/X mit λ als Wellenlänge einer Radarmittenfrequenz, R als Schwingungsamplitude und φ als beobachteter bzw. bestimmter Phasenamplitude.
Auch ist es eine Ausgestaltung der Vorrichtung, dass diese eingerichtet ist, das Schwingungssignal in den Frequenzbereich zu transformieren und zumindest eines von Schwingfre- quenz(-en) und Amplituden der Bewegung des Musters als Identifikationsmarke des OFW-Chips oder der Bewegung von Teilen des Musters zu bilden. Dies erfolgt gemäß einer Weiterbildung z.B. dadurch, dass die Vorrichtung die Schwingfrequenz ( -en) und relativen Amplituden bestimmt bzw. automatisiert abliest. Dies wird insbesondere über die relative Leistung und/oder Amplitude der Schwingungsanteile im Frequenzbereich durchgeführt.
Noch eine Ausgestaltung besteht darin, dass ein Anregungssignal zum OFW-Chip und/oder das vom OFW-Chip gesendete Signal eine Wiederholrate, insbesondere eine Rampenwiederholrate, aufweist, die groß gegenüber einer zu bestimmenden Schwing- frequenz der Bewegung des OFW-Chips und von dessen Identifikationsmarke ist. Die Rampenwiederholrate ist insbesondere so groß, dass das Abtasttheorem erfüllt ist.
Insbesondere sind auch anderer Signalformen als Rampen mög- lieh, z.B. breitbandige Pulse (mit einer Pulswiederholrate) .
Als Bewegung wirkt die Schwingfrequenz über eine den OFW-Chip tragende Komponente auf den OFW-Chip. Ein solches Anregungs- signal wird insbesondere durch eine Sendeeinrichtung der Vor- richtung erzeugt. Ausgenutzt wird dabei gemäß einer bevorzugten Weiterbildung, dass bei einem FMCW-Radargerät ein Sendesignal mit einer Rampenwiederholrate erzeugt wird. Dabei wird eine Sendefrequenz mit einem sich wiederholenden rampenartigen zeitlichen Ablauf moduliert. Anstelle einer rampenartigen Frequenzmodulation kann auch eine Impulsmodulation verwendet werden .
Ist bei einer solchen Weiterbildung eine Bewegung (z.B. in Form einer Schwingungsbewegung) des OFW-Chips bzw. eines die- sen tragenden Objekts deutlich langsamer als die Rampenwiederholrate, so wirkt die Bewegung während der Rampe als wäre sie statisch. Dadurch liefert jede Frequenzrampe genau einen Abtastpunkt zur Rekonstruktion der Bewegungsmodulation (z.B. in Form einer Schwingungsmodulation) . Die bestimmte Phase entspricht der Abstandsänderung zwischen der Nulllage des sich schwingend bewegenden OFW-Chips und der momentanen Auslenkung durch die Bewegung. Gemäß einer Weiterbildung wird die Nulllage an einem Punkt in einem Bereich von Minimum bis Maximum eines Schwingungshubs festgelegt.
Auch ist es eine Ausgestaltung, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, auf Radarrampen basierende Signale im Zeitbe- reich als Zeitsignale mit einer Momentanfrequenz eines Radars ins Basisband zu mischen und die Zeitsignale mehrerer Messungen aneinander zu reihen.
Es ist eine Weiterbildung, dass die Vorrichtung als ein Ra- dargerät ausgebildet ist, welches ein entsprechendes rampenartiges Anregungssignal aussendet und ein Antwortsignal des OFW-Chips empfängt und auswertet.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass eine maximale mechani- sehe Schwingfrequenz der Bewegung des OFW-Chips nicht deutlich kleiner als eine Rampenwiederholrate eines ein Anregungssignal sendenden (FMCW- ) Radargeräts ist. Verwendet wird beispielsweise ein kontinuierliches Wellensignal (CW:
continuous wave) mit einer Frequenzmodulation (FM) . Gemäß ei- ner Weiterbildung ist das Anregungssignal ein impulsmoduliertes kontinuierliches Wellensignal.
Eine Ausgestaltung ist es, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, ein Summensignal aus bestimmten Phasen von Signalspitzen in Zeiten, in denen nicht gemessen wird, zu Null zu setzen und anschließend das Summensignal in den Frequenzbereich zu überführen und das Schwingungsspektrum zu bestimmen, insbesondere auszuwerten. Das Nullsetzen von Zeiten, zu denen nicht gemessen wurde, also insbesondere Zeiten zwischen zwei Rampen, entspricht z.B. einer Fensterung (Maskierung) mit einem periodischen Rechtecksignal. Aufgrund der Fensterung ergibt sich im Frequenzbe- reich eine Faltung des tatsächlichen Spektrums mit einer abgetasteten sin (x) /x-Funktion, die Nullstellen aufweist und die Information im Spektrum somit an einigen Stellen ausblendet oder ausfiltert.
Eine zusätzliche Ausgestaltung ist es, dass die Vorrichtung eingerichtet ist, eine Sendeeinrichtung zum Senden eines Anregungssignals an den OFW-Chip zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Messungen umzukonfigurieren und ein modifi- ziertes Anregungssignal zu erzeugen. Beispielsweise kann die Rampenwiederholrate geändert werden.
Die Unterteilung in unterschiedliche Weiterbildungen ermöglicht dem Benutzer oder der entsprechend automatisierten Vor- richtung, Vorkenntnisse über die Bewegung, vor allem über eine darin enthaltene maximale Schwingfrequenz der Bewegung zu verwenden, um sich für einen der Ansätze zu entscheiden.
Insbesondere im Fall von Bewegungen mit mechanischen Schwing- frequenzen, die auf den OFW-Chip einwirken und für die das beschriebene System "blind" ist, kann das Radargerät bei unmittelbar aufeinanderfolgenden Messungen umkonfiguriert werden. Die wählbaren Parameter sind beispielsweise eine Start- und Stoppfrequenz der Messung und damit insbesondere die Bandbreite, eine Rampensteigung, die insbesondere in Hz/s angegeben wird, wobei auch das Vorzeichen geändert werden kann, und ein Startzeitpunkt der Messung. Durch Änderung dieser Parameter lässt sich indirekt auch die Rampenwiederholrate einstellen. Die Auswertung der Schwingungsparameter mit diesen unterschiedlichen Radarkonfigurationen ermöglicht dann, das
Schwingungsspektrum über einen großen Frequenzbereich lückenlos zu rekonstruieren, auch wenn dabei die Messdauer ansteigt . Vorzugsweise ist in einer ersten Auswertemethode (nur ein
Phasenpunkt pro Rampe) darauf zu achten, dass das Abtasttheorem erfüllt ist, d.h. pro mechanischer Schwingperiode mehr als zwei Messungen (Rampen) vorliegen (dies entspricht als oberer Grenze einer Frequenz fl) . Zusätzlich (zum Erreichen einer entsprechenden Genauigkeit) ist vorzugsweise das Kriterium zu erfüllen, dass sich die Gesamtdauer der Messung über mindestens etwa zwei Schwingperioden erstreckt (untere Grenze ist eine Frequenz fO) . Diese erste Auswertemethode hat den
Vorteil, dass weniger Punkte verwendet werden und damit weniger Rechenleistung und/oder Speicherplatz erforderlich ist/sind, dafür ergibt sich eine niedrigere obere Frequenz - grenze als bei der zweiten Auswertemethode.
Die zweite Auswertemethode (gesamter Phasenverlauf pro Rampe wird verwendet) kann bei gleichbleibenden Rampenparametern (= identischem Messsignal) in denselben Frequenzgrenzen wie die erste Auswertemethode eingesetzt werden (also zwischen der Frequenz fO und der Frequenz fl), zusätzlich aber auch noch bei höheren Frequenzen bis zu einer maximalen Frequenz f3, die z.B. durch die halbe Abtastrate des Rohsignals vorgegeben ist . Mit der zweiten Auswertemethode kann also von der Frequenz fO bis zur Frequenz f3 gemessen werden, es ergeben sich aber möglicherweise Lücken in der Frequenzmessung, die bei ganzzahligen Vielfachen der durch die Signalperiode TP einer gegebenen Frequenz fP liegen, also bei fP, 2*fP, etc. Dies liegt daran, dass die oben beschriebene Fensterfunktion von mit der Signalperiode TP periodisch wiederholten Rechteckfenstern im Frequenzbereich eine sin (x) /x-Funktion multipliziert mit Peaks im Frequenzabstand von 1/TP ist. Das Spektrum des reellwertigen Phasensignals besteht im
Spektrum dieser Fensterfunktion an der Stelle der gesuchten Signalfrequenz gefaltet auf der positiven und auf der negativen Frequenzachse. Die Spiegelfrequenzanteile stören das Nutzsignal der mechanischen Schwingung, was sich störend aus- wirken kann, wenn die Nutzfrequenz ein ganzzahliges Vielfaches der Rampenwiederholfrequenz ist. Dem kann z.B. durch Änderung der Rampenwiederholfrequenz entgegengewirkt werden. Eine Weiterbildung der Vorrichtung besteht darin, dass die Empfängereinrichtung einen Empfänger und/oder Sender umfasst. Die Vorrichtung ist insbesondere als ein Radarmessgerät eingerichtet, welches eine Identifikation eines OFW-Chips ermög- licht und zusätzlich eine auf den OFW-Chip einwirkende Bewegung ermitteln kann.
Eine andere Ausgestaltung ist es, dass das Anregungssignal ein CW-Radarsignal , insbesondere FMCW-Radarsignal ist.
Die Vorrichtung kann in einer Komponente oder verteilt in mehreren Komponenten ausgeführt sein. Insbesondere kann die Vorrichtung einen Prozessor aufweisen, welcher das empfangene Signal entsprechend auswertet.
Die Ausführungen betreffend die Vorrichtung gelten für die anderen Anspruchskategorien entsprechend.
Auch wird die oben genannte Aufgabe gelöst mittels eines Sys- tems umfassend mindestens eine der hier beschriebenen Vorrichtungen .
Eine Ausgestaltung besteht in einem System mit einer derartigen Vorrichtung und mindestens einem OFW-Chip, wobei das Sys- tem derart ausgelegt ist, dass der OFW-Chip von einem Anregungssignal des Systems, insbesondere der Vorrichtung elektrische Energie erhält und eingerichtet ist, das von diesem ausgesendete Signal ohne weitere Energiequelle zu erzeugen. Ermöglicht wird somit eine Bewegungserfassung des OFW-Chips als einem Transponder unter Ausnutzung von sogenanntem Ener- gie-Harvesting .
Auch sind Ausgestaltungen ein solches System oder ein System mit mindestens einem OFW-Chip und mit einer derartigen Vorrichtung, wobei der OFW-Chip an einer mechanisch bewegbaren und/oder sich mechanisch bewegenden, insbesondere schwingenden Komponente einer Maschine angeordnet ist und wobei die Vorrichtung mit der Verarbeitungseinrichtung eingerichtet ist zur Überwachung einer Bewegung - insbesondere Schwingung - der Komponente mittels des vom OFW-Chip empfangenen Signals. Die Komponente kann beispielsweise ein Gehäuseelement, ein tragendes oder ein sich bewegendes Element einer Maschine sein. Unter einer Maschine kann auch ein Gerät verstanden werden, welches sich selber bewegt, eine bewegbare oder eine sich bewegende Komponente aufweist. Insbesondere kann eine Maschine motorisiert sein.
Eine Ausgestaltung besteht in einer Maschine mit einer sich bewegenden oder bewegbaren Komponente, wobei die Maschine mit einem OFW-Chip an der Komponente und mit einer solchen Vor- richtung mit der Verarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der Bewegung eingerichtet ist.
Eine solche Maschine hat beispielsweise rotierende oder sich in sonstiger Weise bewegende Komponenten, deren fehlerfreier, insbesondere gleichmäßiger Lauf zu überwachen ist. Eine solche sich bewegende Maschine kann auch ein Fahrzeug sein, dessen Betriebszustand zu überwachen ist. Auftretende mechanische Schwingungen übertragen sich auf den OFW-Chip, der an einer Komponente der Maschine unmittelbar oder mittelbar be- festigt ist, wobei die Komponente Bewegungen unterliegen kann. Anhand einer separaten Vorrichtung in Art eines Radarmessgeräts ist eine berührungslose Abfrage des OFW-Chips und damit des Bewegungszustands der sich bewegenden Komponente durchführbar. Vorteilhaft können auch hohe Störfrequenzen aufgelöst werden.
Die vorstehend genannte Aufgabe wird auch gelöst durch ein Verfahren, bei dem ein empfangenes Signal hinsichtlich einer Änderung mindestens einer Frequenz und/oder einer Amplitude dahingehend ausgewertet wird, dass eine Identifikation und Bewegung eines das empfangene Signal aussendenden OFW-Chips bestimmt wird. Es ist eine Ausgestaltung, dass das Signal ein den OFW-Chip identifizierendes Muster enthält, anhand dessen Änderungen die Bewegung ausgewertet wird, wobei im Zeitbereich aufeinanderfolgend Phasen von Signalspitzen bestimmt werden und da- raus ein Schwingungssignal gebildet wird und wobei aus dem Schwingungssignal eine Schwingungsfrequenz und/oder -amp- litude bestimmt wird.
Eine Weiterbildung besteht darin, dass das Schwingungssignal in den Frequenzbereich transformiert wird und zumindest eines von Schwingfrequenz ( -en) und Amplituden der Bewegung des Musters als Identifikationsmarke des OFW-Chips oder von Teilen des Musters gebildet wird/werden. Es ist noch eine Weiterbildung, dass ein Anregungssignal zum OFW-Chip derart gesendet oder erzeugt wird, dass das vom OFW- Chip gesendete Signal eine Rampenwiederholrate aufweist, die groß gegenüber einer zu bestimmenden Schwingfrequenz der Bewegung des OFW-Chips und von dessen Identifikationsmarke ist, insbesondere so groß ist, dass das Abtasttheorem erfüllt ist.
Noch eine Weiterbildung ist, dass auf Radarrampen basierende Signale im Zeitbereich als Zeitsignale derart erzeugter Radarrampen mit einer Momentanfrequenz eines Radars ins Basis - band gemischt werden und die Zeitsignale mehrerer Messungen aneinander gereiht werden und zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Messungen ein Anregungssignal modifiziert wird . Die vorstehenden Erläuterungen betreffend die Vorrichtung gelten für das Verfahren entsprechend.
Die hier vorgestellte Lösung umfasst ferner ein Computerprogrammprodukt, das direkt in einen Speicher eines digitalen Computers ladbar ist, umfassend Programmcodeteile, die dazu geeignet sind, Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchzuführen bzw. Komponenten der Vorrichtung zum Aussenden des AnregungsSignals und zum Empfangen und Auswerten des reflektierten Signals geeignet anzusteuern.
Weiterhin wird das oben genannte Problem gelöst mittels eines computerlesbaren Speichermediums, z.B. eines beliebigen Speichers, umfassend von einem Computer ausführbare Anweisungen - z.B. in Form von Programmcode -, die dazu geeignet sind, dass der Computer Schritte des hier beschriebenen Verfahrens durchführt .
Eine Verarbeitungseinheit der das empfangene Signal verarbeitenden Vorrichtung kann insbesondere als eine Prozessoreinheit und/oder eine zumindest teilweise festverdrahtete oder logische Schaltungsanordnung ausgeführt sein, die beispiels- weise derart eingerichtet ist, dass das Verfahren wie hierin beschrieben durchführbar ist. Besagte Verarbeitungseinheit kann jede Art von Prozessor oder Rechner oder Computer mit entsprechend notwendiger Peripherie, z.B. Speicher, In- put/Output-Schnittstellen, Ein-Ausgabe-Geräte, etc. sein oder umfassen.
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusam- menhang mit der folgenden schematischen Beschreibung eines
Ausführungsbeispiels, das im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert wird. Dabei können zur Übersichtlichkeit gleiche oder gleichwirkende Elemente mit gleichen Bezugszeichen versehen sein.
Es zeigen:
Fig.l schematisch einen OFW-Chip und eine mit diesem kommunizierende Vorrichtung,
Fig.2 schematisch einen Verfahrensablauf zum Bestimmen von
Schwingungen eines den OFW-Chip tragenden Objekts, Fig.3 schematisch einen weiteren Verfahrensablauf zum Bestimmen von Schwingungen.
Fig.l zeigt einen OFW-Chip 101 und eine mittels elektromagne- tischer Wellen damit kommunizierende Vorrichtung 102. Die
Vorrichtung 102 ist insbesondere als ein Radarmessgerät eingerichtet. Die Vorrichtung 102 weist eine Antenne 104 auf, über welche ein Abfrage- und/oder Anregungssignal 121 ausgesendet wird.
Der OFW-Chip 101 ist an einer sich bewegenden oder bewegbaren Komponente 103 angeordnet. Der OFW-Chip 101 weist eine Antenne 105 auf, welche mit einem Schallwandler 106 verbunden ist. Der Schallwandler 106 wandelt das empfangene elektromagneti- sehe Anregungssignal 121 in eine akustische Welle, insbesondere Oberflächenwelle 122 um. Die Oberflächenwelle 122 wird vom Schallwandler 106 in ein Substrat bzw. einen Träger 107 des OFW-Chips 101 eingekoppelt und läuft über bzw. durch dessen Oberfläche.
Auf dem Träger 107 sind mehrere Reflektoren 108 bis 112 vom Schallwandler 106 beabstandet angeordnet. Die Reflektoren 108 bis 112 weisen zueinander einen jeweils unterschiedlichen Abstand zum Schallwandler 106 auf, wobei die Abstände einem Muster entsprechen. Das Muster entspricht einem Identifikationscode des OFW-Chips 101 und dient zu dessen Identifizierung .
Die längs des Trägers 101 laufende Oberflächenwelle 122 wird durch die Reflektoren 108 bis 112 reflektiert. Dadurch läuft eine Vielzahl der reflektierten Wellen von den Reflektoren 108 bis 112 zu dem Schallwandler 106. Durch die unterschiedlichen Abstände treffen die reflektierten Wellen zu verschiedenen Zeitpunkten beim Schallwandler 106 ein. Der Schallwand- 1er 106 wandelt die reflektierten Wellen in ein elektromagnetisches Signal um, welches über die Antenne 105 ausgesendet wird. Anstelle eines einzelnen vom OFW-Chip 101 empfangenen Anregungssignals 121 wird vom OFW-Chip 101 ein Antwortsignal als elektromagnetisches Signal 123 ausgesendet. Das Antwortsignal weist eine Vielzahl von Spitzen auf, wobei jede der Spitzen eine Antwort jeweils eines der Reflektoren 108 bis 112 darstellt.
Die Vorrichtung 102 empfängt über ihre Antenne das vom OFW- Chip 101 ausgesendete Antwortsignal als empfangenes Signal 123 und verarbeitet dieses in einer Verarbeitungseinrichtung. Die Verarbeitungseinrichtung weist eine zum Empfangen des Signals 123 geeignete Empfängereinrichtung auf. Insbesondere ist der Identifikationscode des OFW-Chips 101 aus dem Signal 123 bestimmbar.
Der OFW-Chip 101 ist an einer bewegbaren oder sich bewegenden Komponente 103 angeordnet. Eine Bewegung, insbesondere
Schwingung der Komponente 103 wirkt auch auf den Träger 107 des OFW-Chips 101. Bei entsprechender Bewegung der Komponente 103 führt dies zu einer Änderung der reflektierten Wellen und damit zu einem entsprechenden Antwortsignal, das vom OFW-Chip 101 ausgesendet wird.
Die Verarbeitungseinrichtung der Vorrichtung 102 ist eingerichtet, aus dem empfangenen Signal 123 die auf den OFW-Chip 101 einwirkende Bewegung und daraus die Bewegung der Kompo- nente 103 zu bestimmen. Derart bestimmte Bewegungen werden durch die Vorrichtung 102 bereitgestellt und beispielsweise weiter verarbeitet und/oder über eine Ausgabeeinrichtung als eine BewegungsInformation ausgegeben, insbesondere angezeigt. Die Vorrichtung 102 kann auch eine Sendeeinrichtung aufweisen, welche ein impulsmoduliertes oder frequenzmoduliertes kontinuierliches Signal erzeugt und als das Anregungssignal 121 aussendet. Als Frequenzmodulation wird dabei ein rampenartiges Signal aus Rampen mit einer Rampenwiederholrate be- vorzugt . Insbesondere ist die Sendeeinrichtung eingerichtet, das Anregungssignal 121 zwischen aufeinanderfolgenden Aussendungen zu ändern, beispielsweise die Rampenwiederholrate anzupassen. Eine Sendeeinrichtung kann aber auch unabhängig von der Vorrichtung 102 ausgebildet und im Empfangsbereich des OFW-Chips 101 angeordnet sein.
Fig.2 zeigt einen beispielhaften Ablauf von Verfahrensschrit - ten in der Vorrichtung 102, insbesondere in deren Verarbeitungseinrichtung. Nach einem Aussenden des Anregungssignals 121 durch die Vorrichtung 102 oder durch eine andere Vorrichtung in einem Schritt 201 wird in einem nachfolgenden Schritt 202 als Antwort ein Signal 123 vom OFW-Chip 101 empfangen. Im Schritt 203 wird optional eine Fouriertransformation von frequenzmodulierten Anregungssignalen durchgeführt, um das empfangene Signal 123 in den Zeitbereich zu transformieren. Werden pulsförmige Signale verwendet, so ist keine
Fouriertransformation erforderlich, die Signale liegen direkt im Zeitbereich vor. Im nachfolgenden Schritt 204 werden Phasenwerte von Signalspitzen bestimmt, um aus den Phasen im nächsten Schritt 205 ein Schwingungssignal zu bilden. Im Schritt 206 wird aus dem Schwingungssignal eine Schwingungs- amplitude bestimmt. Im Schritt 207 wird eine erneute
Fouriertransformation durchgeführt, um das Schwingungssignal in den Frequenzbereich zu transformieren. Im nächsten Schritt 208 werden im Frequenzbereich Schwingungsfrequenzen und relative Amplituden bestimmt. Es werden somit mehrere Frequenzrampen als Anregungssignale gesendet. Die gesendeten Signale werden empfangen und einer Fouriertransformation unterworfen. Es werden die mittlere Peakfrequenz und Phase jedes spektralen Peaks des Tag-Codes aus allen Messungen geschätzt. Anschließend erfolgt ein kom- plexes Mischen der Peaks ins Basisband (Frequenz 0) mit der ermittelten mittleren Peakfrequenz und ein Drehen um die ermittelte mittlere Peakphase, dann eine Fouriertransformation und ein Isolieren der Einzelpeaks aus dem Tag-Code und anschließend eine inverse Fouriertransformation.
Bei der ersten Auswertemethode wird ein komplexer Phasenwert zur Sweep-Mitte ermittelt. Bei der zweiten Auswertemethode wird das Phasensignals an die korrekte Stelle im Gesamtsignal gesetzt .
Es erfolgt eine Mittelung über alle vorher getrennten Code- Elemente und eine Fensterung je nach Auswertemethode. Anschließend erfolgt eine Fouriertransformation über die Folge von hintereinander gesendeten Messungen und ein Schätzen der gesuchten Frequenz und Amplitude der mechanischen Schwingung durch Peaksuche im Spektrum.
Fig.3 zeigt einen weiteren beispielhaften Ablauf von Verfahrensschritten in der Vorrichtung 102 für den Fall, dass eine im empfangenen Signal 123 enthaltene Schwingfrequenz nicht klein im Vergleich zur Rampenwiederholrate des Anregungssig- nals 121 ist.
Die ersten Schritte 201 bis 203 bis zur Transformation des empfangenen Signals 123 in den Zeitbereich entsprechen insbesondere denen gemäß Fig.2. In einem Schritt 302 wird ein Sum- men- bzw. Schwingungssignal aus den Phasen gebildet, wobei
Signalanteile zwischen Messzeiten auf Null gesetzt werden. In Schritt 303 wird eine Fouriertransformation in den Frequenzbereich durchgeführt und ein SchwingungsSpektrum bestimmt. Um durch das Nullsetzen fehlende Signalanteile zu beschaffen, werden so lange wie dies erforderlich ist, in einem Schritt 304 Signalparameter zum Erzeugen des Anregungssignals 121 geändert und der Verfahrensablauf wird erneut mit dem Aussenden eines angepassten Anregungssignals 121 begonnen. Ist eine weitere Anpassung nicht erforderlich, wird mit Schritt 305 eine weitere Auswertung zum Bestimmen der Bewegung durchgeführt. Ausgenutzt wird dabei, dass im Fall von zu überwachenden Anlagen und Vorrichtungen eine solche bestimmbare Bewegung ggf. einer mehr oder weniger kontinuierlichen Schwingung entspricht, welche auch über mehrere derartige Messzyklen erfassbar ist. Weitere Vorteile und Ausgestaltungen: Bereitgestellt wird insbesondere eine Online-
Schwingungsmessung mit aktivem Funksender durch die Vorrich- tung 102 und so genanntem Energy Harvesting durch das Aussenden eines ausreichend energetischen Anregungssignals 121 und eines geeignet aufgebauten OFW-Chips 101.
Die Komponente 103 wird mit einem Oberflächenwellentranspon- der (OFW-Transponder, OFW-Tag, engl. SAW transponder, SAW tag, SAW = surface acoustic wave) in Art des OFW-Chips 101 so verbunden, dass das OFW-Tag bzw. der OFW-Chip 101 im Wesentlichen dieselbe Bewegung (z.B. mechanische Schwingung) erfährt wie die Komponente 103.
Das OFW-Tag ist insbesondere eine bestimmte Bauform eines passiven, d.h. energie -autarken RFID-Tags, das zur Kennzeichnung und Identifizierung von Objekten eingesetzt wird. Fig.l erläutert den prinzipiellen Aufbau. Auf einem keramischen Substrat bzw. Träger 107 befinden sich metallische Strukturen, die als Interdigitalwandler bzw. als die Reflektoren 108 bis 112 wirken. Der Interdigitalwandler bzw. Schallwandler 106 wandelt an der Antenne 105 einfallende elektromagnetische Wellen in Schallwellen auf dem Substrat um. Die Wellen breiten sich auf dem Substrat aus und werden teilweise an den Reflektoren reflektiert. Schallwellen, die erneut am Interdigitalwandler eintreffen, werden wieder als elektromagnetische Wellen abgestrahlt. Die Reflektoren 108 bis 112 modulieren ein einfallendes, breitbandiges Radarsignal somit auf eine dem Abstand der Reflektoren 108 bis 112 zum Interdigitalwandler entsprechenden Weise, so dass die
Reflektorpositionen in der Vorrichtung 102 als einem Radarempfänger eindeutig ermittelt werden können. Durch Variation der Reflektorpositionen bei der Fertigung des OFW-Chips 101 lässt sich ein Coderaum aufspannen, der eine Kennzeichnung und Identifizierung von Objekten erlaubt. Abgefragt werden passive RFID-Tags dieser Bauart üblicherweise mit einem FMCW- Radargerät mit einer Bandbreite, die groß genug ist, um die Reflektoren im Signal trennen zu können. Insbesondere wird dabei die deutlich geringere Ausbreitungsgeschwindigkeit der Schallwellen gegenüber den elektromagnetischen Wellen beachtet. Eingesetzt wird diese Technologie beispielsweise in Oberflächenwellen- Identifikationssystemen .
Eine Erweiterung besteht darin, eine durch die Bewegung bzw. Schwingung der Komponente 103 zusätzlich auf das Radarsignal aufgebrachte Phasenmodulation im Radargerät hinsichtlich Fre- quenz, Frequenzspektrum und/oder Amplitude der Bewegung auszuwerten. Dazu werden bevorzugt zwei Fälle unterschieden:
Die Schwingfrequenz ist klein im Vergleich zur Rampen- wiederholrate des FMCW-Radargeräts .
Die Schwingfrequenz liegt in der gleichen Größenordnung oder ist größer als die Rampenwiederholrate .
Wenn im Fall (1) die Schwingfrequenz klein im Vergleich zur Rampenwiederholrate des FMCW-Radargeräts ist, schwingt das OFW-Tag deutlich langsamer als die Rampenwiederholrate des FMCW-Radargeräts . Deshalb liefert jede Frequenzrampe des Radars einen Abtastpunkt zur Rekonstruktion der Schwingungsmodulation. Es lässt sich zeigen, dass alle Reflektorpeaks bzw. Reflektor-Spitzenwerte im Basisband des Radarsignals um (annähernd) dieselbe Phase gedreht werden. Diese Phase entspricht der Abstandsänderung zwischen der Nulllage des sich schwingend bewegenden Objekts und der momentanen Auslenkung durch die Schwingung. Die Nulllage des sich bewegenden Ob- jekts ist willkürlich festlegbar, beispielsweise genau zwischen Minimum und Maximum eines Schwingungshubs. Durch Aneinanderreihung der komplexwertigen Spitzenwertphasen entsteht somit ein durch mehrere Frequenzrampen abgetastetes Schwingungssignal, das durch Fouriertransformation zur Frequenzana- lyse in den Frequenzbereich überführt wird. Insbesondere wird dabei das Abtasttheorem eingehalten, d.h. alle in der Schwingung enthaltenen Frequenzanteile müssen kleiner sein als die halbe Rampenwiederholrate. Damit alle Spitzenwerte bzw. Peaks dieselbe Phase aufweisen, sollten die in der Schwingung enthaltenen Frequenzanteile vorzugsweise zusätzlich noch einmal deutlich kleiner sein als die Rampenwiederholrate . Der Vergleich der einzelnen Spitzenwertphasen bei aufeinanderfolgen- den Messungen ist als Indikation für eine eventuelle Verletzung dieser Forderung heranziehbar. Die Schritte des bevorzugten Algorithmus, der insbesondere auch anhand Fig . 2 beschrieben ist, umfassen insbesondere: a) Durchführung von Messungen mit einem FMCW-Radargerät b) Überführung der im Frequenzbereich gemessenen Radarantworten in den Zeitbereich
c) Ggf. Auswertung der Reflektorpositionen zur Bestimmung der Identifikationsinformation des OFW-Tags
d) Bestimmen, z.B. automatisiertes Ablesen der Phasen an den Antwort -Spitzenwerten, insbesondere nur an einem Peak oder an allen Peaks zur späteren Mittelung
e) Aneinanderreihung der Spitzenwertphasen aufeinanderfolgender Messungen zu einem komplexwertigen Schwingungs- signal im Zeitbereich
f) Ablesen der Schwingungsamplitude im Zeitbereich über die Beziehung φ = 2nR/X mit λ als Wellenlänge einer Radarmittenfrequenz, R als Schwingungsamplitude und φ als bestimmter Phasenamplitude
g) Transformation des Schwingungssignals in den Frequenzbereich
h) Ablesen der Schwingfrequenz ( -en) und insbesondere relativen Amplituden über die relative Leistung der Schwingungsanteile im Frequenzbereich
Die Auflösung der Schwingungsanalyse im Frequenzbereich und die Genauigkeit der Auswertung kann durch die Anzahl der aufgenommen Radarsignale bzw. durch eine große Zeitspanne, über welche eine Vielzahl aufeinanderfolgender Radarsignale aufgenommen werden, bestimmt werden.
Wenn im Fall (2) die Schwingfrequenz in der gleichen Größenordnung liegt oder größer ist als die Rampenwiederholrate, erfordert das unter Fall (1) beschriebene Verfahren insbesondere eine maximale Schwingfrequenz, die deutlich kleiner ist als die Rampenwiederholrate des FMCW-Radargeräts . Höhere Frequenzen führen aufgrund der Verletzung des Abtasttheorems zu Mehrdeutigkeiten bei der Schwingungsauswertung, die in ungünstigen Fällen nicht auflösbar sein können.
Das Summensignal wird in Zeiten, in denen nicht gemessen wurde, also insbesondere zwischen zwei Rampen, vorzugsweise zu Null gesetzt, was einer Fensterung oder Maskierung mit einem periodischen Rechtecksignal entspricht. Anschließend kann das Summensignal in den Frequenzbereich überführt und das Schwingungsspektrum ausgewertet werden. Anstelle des FMCW-Radargeräts können auch andere breitbandige Messmethoden eingesetzt werden. Vorzugsweise verwenden alle Messmethoden eine Wiederholrate, die fest vorgebbar oder in Grenzen einstellbar periodisch ist, Insofern kann die vorstehend genannte Unterteilung in die Fälle (1) und (2) auch dann gültig sein.
Es ist von Vorteil, wenn bestimmte Informationen zu den möglichen Bewegungen der Vorrichtung bzw. deren Komponente 103, auf der der OFW-Chip platziert werden soll, bekannt sind, z.B. eine maximale Schwingfrequenz. Zudem gibt es Schwingfrequenzen, für die das beschriebene System "blind" ist. Diese Probleme können vermindert werden, indem das Radargerät bei aufeinanderfolgenden Messungen umkonfiguriert wird. Durch Änderung dieser Anregungssignalparameter zum Erzeugen angepass - ter Anregungssignale 121 lässt sich indirekt auch die Rampenwiederholrate einstellen. Die Auswertung der Schwingungsparameter mit diesen unterschiedlichen Radarkonfigurationen erlaubt dann, das Schwingungsspektrum über einen großen Frequenzbereich z.B. weitgehend lückenlos zu rekonstruieren.
Ermöglicht wird somit, das Antwortsignal eines per Radar abgefragten OFW-Chips zur Bewegungsmessung (mechanischer
Schwingungsmessung) heranzuziehen . Ein weiterer Vorteil ist es, dass keine Verkabelung erforderlich ist bzw. sich der Aufwand für eine zur Bewegungsmessung erforderliche Verkabelung deutlich reduziert. Dies ist auch von Vorteil, weil die Kabel selbst aufgrund ihres Gewichts das Bewegungsverhalten verändern.
Schwingungsmessungen können auch mit tragbaren Geräten durchgeführt werden, was Kosten eingespart da andernfalls Sensoren und Verkabelung anfallen würden. Bei der Messung mit tragbaren Geräten kann eine Ankopplung des Tags an das bewegliche oder bewegbare Objekt z.B. über Magnete erfolgen. Je nach Beschaffenheit der Oberfläche können nicht nur die Bereiche von Null bis bspw. 4000Hz erfasst werden, sondern es können für die Detektierung von Lager-, Getriebe- und Umrichterfehlern benötigte Frequenzen bis ca. 20kHz bestimmt und überwacht werden. Ein fester installierter Sensor hat den Vorteil einer kostengünstigen Dauerüberwachung, die es auch ermöglicht rechtzeitig vor einem Fehlerfall eine Komponente zu ersetzen. Derartige Sensoren können einfach mittels OFW-Chips nachgerüstet werden. Hierbei lassen sich Kosten und Stillstandzeiten im Vergleich zu Lösungen mit einer Verkabelung deutlich reduzieren . Jeder OFW-Chip kann eine eindeutige Adresse aufweisen, die es erlaubt, mehrere Messpunkte an einem Messobjekt mit nur einem Radargerät zu vermessen.
Aufgrund der Adressierbarkeit der Messpunkte und der damit verbundenen Möglichkeit der Überprüfung auf die korrekte Wahl der Messposition ist die Messung einfach und kann ohne speziell geschultes Personal durchgeführt werden.
Die OFW-Chips sind z.B. passiv ausgeführt und haben eine lan- ge Lebensdauer. Es ist auch möglich, die OFW-Chips beispielsweise mit Farbe überstreichbar auszuführen. Dies würde die Kosten für eine regelmäßige Maschinenwartung nicht erhöhen, da eine kostenintensive Demontage und nach dem Abtrocknen der Farbe eine erneute Montage entfallen.
Es können auf dem Substrat bzw. Träger verschiedene Antennen- typen verwendet werden, beispielsweise eine mäanderförmige Antenne, die durch einen Metallkörper ausgebildet ist, eine Schlitzantenne einschließlich einer inversen Anordnung und auch eine Hohlraumantenne, wobei mit solchen Antennen eine Reichweite von beispielsweise 5m bis 7m erzielbar ist.
Realisierbar ist eine Überwachung mit mobilen Messgeräten, wobei eine Vorrichtung auch als stationäres Messgerät zur dauerhaften Überwachung installiert werden kann. Obwohl die Erfindung im Detail durch das mindestens eine gezeigte Ausführungsbeispiel näher illustriert und beschrieben wurde, so ist die Erfindung nicht darauf eingeschränkt und andere Variationen können vom Fachmann hieraus abgeleitet werden, ohne den Schutzumfang der Erfindung zu verlassen.

Claims

Patentansprüche
1. Vorrichtung (102), bei der eine Verarbeitungseinrichtung derart eingerichtet ist, dass ein empfangenes Signal (123) hinsichtlich einer Änderung mindestens einer Frequenz und/oder einer Amplitude auswertbar ist dahingehend, dass eine Identifikation und Bewegung eines das empfangene Signal aussendenden OFW-Chips (101) bestimmbar ist.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, die eingerichtet ist, aus dem empfangenen Signal (123), das vom OFW-Chip (101) gesendet wurde und ein den OFW-Chip identifizierendes Muster enthält, anhand dessen Änderungen die Bewegung, ins- besondere Schwingung auszuwerten.
3. Vorrichtung nach Anspruch 2, die eingerichtet ist, im Zeitbereich aufeinanderfolgend Phasen von Signalspitzen zu bestimmen und daraus ein komplexwertiges Schwingungs - Signal zu bilden (203 - 205) .
4. Vorrichtung nach Anspruch 3, die eingerichtet ist, aus dem Schwingungssignal eine Schwingungsamplitude als Identifikationsmarke des OFW-Chips (101) oder von Teilen des Musters zu bilden (206) .
5. Vorrichtung nach Anspruch 3 oder 4, die eingerichtet ist, das Schwingungssignal in den Frequenzbereich zu transformieren und zumindest eines von Schwingfrequenz ( - en) und relativen Amplituden der Bewegung des Musters als Identifikationsmarke des OFW-Chips (101) oder der Bewegung von Teilen des Musters zu bilden (207 - 208) .
6. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der ein Anregungssignal (121) zum OFW-Chip (101) und/oder das vom OFW-Chip (101) gesendete Signal (123) eine Wiederholrate, insbesondere eine Rampenwiederholra- te aufweist, die groß gegenüber einer zu bestimmenden Schwingfrequenz der Bewegung des OFW-Chips und von dessen Identifikationsmarke ist, insbesondere so groß ist, dass das Abtasttheorem erfüllt ist.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, die eingerichtet ist, auf Radarrampen basierende Signale im Zeitbereich als Zeitsignale mit einer Momentanfrequenz eines Radars ins Basisband zu mischen und die Zeitsignale mehrerer Messungen aneinander zu reihen.
Vorrichtung nach Anspruch 7, die eingerichtet ist, ein Summensignal aus bestimmten Phasen von Signalspitzen in Zeiten, in denen nicht gemessen wird, zu Null zu setzen und anschließend das Summensignal in den Frequenzbereich zu überführen und das Schwingungsspektrum zu bestimmen, insbesondere auszuwerten.
Vorrichtung nach einem vorhergehenden Anspruch, insbesondere nach Anspruch 7 oder 8, die eingerichtet ist, eine Sendeeinrichtung zum Senden eines AnregungsSignals (121) an den OFW-Chip (101) zwischen mindestens zwei aufeinanderfolgenden Messungen umzukonfigurieren und ein modifiziertes Anregungssignal zu erzeugen (303) .
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, bei der das Anregungssignal (121) ein CW-Radarsignal , insbesondere FMCW-Radarsignal ist.
System mit einer Vorrichtung (102) nach einem der vorhergehenden Ansprüche und mindestens einem OFW-Chip (101), wobei das System derart ausgelegt ist, dass der OFW-Chip (101) von einem Anregungssignal (121) des Systems, insbesondere der Vorrichtung (102) Energie erhält und eingerichtet ist, das von diesem ausgesendete Signal ohne weitere Energiequelle zu erzeugen.
System mit mindestens einem OFW-Chip (101) und mit einer Vorrichtung (102) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder System nach Anspruch 11, wobei der OFW-Chip an einer me chanisch bewegbaren und/oder sich mechanisch bewegenden insbesondere schwingenden Komponente (103) einer Maschi ne angeordnet ist und wobei die Vorrichtung mit der Ver arbeitungseinrichtung eingerichtet ist zur Überwachung einer Bewegung der Komponente (103) mittels des vom OFW Chip empfangenen Signals (123) .
Maschine mit einer sich bewegenden oder bewegbaren Komponente (103), wobei die Maschine mit einem OFW-Chip
(101) an der Komponente (103) und mit einer Vorrichtung
(102) nach einem der Ansprüche 1 bis 10 mit der Verarbeitungseinrichtung zum Bestimmen der Bewegung der Komponente eingerichtet ist.
Verfahren, bei dem ein empfangenes Signal (123) hinsichtlich einer Änderung mindestens einer Frequenz und/oder einer Amplitude dahingehend ausgewertet wird, dass eine Identifikation und Bewegung eines das empfangene Signal aussendenden OFW-Chips (101) bestimmt wird.
Verfahren nach Anspruch 14,
- wobei das Signal (123) ein den OFW-Chip identifizierendes Muster enthält, anhand dessen Änderungen die Bewegung ausgewertet wird,
- wobei im Zeitbereich aufeinanderfolgend Phasen von Signalspitzen bestimmt werden und daraus ein komplex- wertiges Schwingungssignal gebildet wird (203 - 205) und
- wobei aus dem Schwingungssignal eine Schwingungsamp- litude bestimmt wird.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI689708B (zh) * 2018-12-24 2020-04-01 財團法人工業技術研究院 具監測功能的振動感測器及其振動訊號監測方法

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4217049A1 (de) * 1992-05-22 1993-11-25 Siemens Ag Passiver Oberflächenwellen-Sensor, der drahtlos abfragbar ist
EP0677752A1 (de) * 1994-04-15 1995-10-18 Siemens Aktiengesellschaft Identifizierungs- und/oder Sensorsystem
WO1997009596A2 (de) * 1995-09-04 1997-03-13 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und sensoreinrichtung zur erfassung von betriebsdaten an bewegten/rotierenden teilen einer vorrichtung, insbesondere eines elektromotors
DE19950215A1 (de) * 1999-10-19 2001-06-13 Argotech Ges Fuer Mestechnik M Verfahren zur Zustands-, Verschleiß- und Bruchüberwachung eines bewegten Maschinenteils sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE10325667A1 (de) * 2003-06-06 2005-03-03 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Messsystem mit wenigstens zwei SAW-oder BAW-Sensoren und Verfahren zum Betreiben desselben
US20070119257A1 (en) * 2005-11-11 2007-05-31 Nec Tokin Corporation Vibration detection method and system, battery-less vibration sensor and interrogator therefor
DE102007026400A1 (de) * 2007-06-06 2008-12-11 Siemens Ag System zur Ermittlung von Parametern eines metallischen Bauteils einer Industrieanlage und System zum Wechseln einer Walze

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
EP0827105A3 (de) * 1996-08-29 2000-10-25 Siemens Aktiengesellschaft Mit akustischen Oberflächenwellen arbeitende Identifizierungs- oder Sensoranordnung - OFW-Anordnung
DE19851002A1 (de) * 1998-09-07 2000-05-04 Jochen Ehrenpfordt Elektronische Baugruppe mit Identifikations- und/oder Sensorfunktion
ATE237143T1 (de) * 1999-01-21 2003-04-15 Enocean Gmbh Anordnung zum erzeugen eines eine information tragenden antwortsignals und verfahren zur fernabfrage einer solchen anordnung
AT7781U3 (de) * 2005-04-21 2006-05-15 Piezocryst Advanced Sensorics Messwertaufnehmer mit zumindest einem saw-element

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE4217049A1 (de) * 1992-05-22 1993-11-25 Siemens Ag Passiver Oberflächenwellen-Sensor, der drahtlos abfragbar ist
EP0677752A1 (de) * 1994-04-15 1995-10-18 Siemens Aktiengesellschaft Identifizierungs- und/oder Sensorsystem
WO1997009596A2 (de) * 1995-09-04 1997-03-13 Siemens Aktiengesellschaft Verfahren und sensoreinrichtung zur erfassung von betriebsdaten an bewegten/rotierenden teilen einer vorrichtung, insbesondere eines elektromotors
DE19950215A1 (de) * 1999-10-19 2001-06-13 Argotech Ges Fuer Mestechnik M Verfahren zur Zustands-, Verschleiß- und Bruchüberwachung eines bewegten Maschinenteils sowie Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens
DE10325667A1 (de) * 2003-06-06 2005-03-03 Fag Kugelfischer Ag & Co. Ohg Messsystem mit wenigstens zwei SAW-oder BAW-Sensoren und Verfahren zum Betreiben desselben
US20070119257A1 (en) * 2005-11-11 2007-05-31 Nec Tokin Corporation Vibration detection method and system, battery-less vibration sensor and interrogator therefor
DE102007026400A1 (de) * 2007-06-06 2008-12-11 Siemens Ag System zur Ermittlung von Parametern eines metallischen Bauteils einer Industrieanlage und System zum Wechseln einer Walze

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
FRIEDT J-M ET AL: "Remote vibration measurement: A wireless passive surface acoustic wave resonator fast probing strategy", REVIEW OF SCIENTIFIC INSTRUMENTS, AIP, MELVILLE, NY, US, vol. 83, no. 5, 1 May 2012 (2012-05-01), pages 55001 - 55001, XP012162325, ISSN: 0034-6748, [retrieved on 20120501], DOI: 10.1063/1.4705728 *
JERZY FILIPIAK ET AL: "Surface Acoustic Wave (SAW) Vibration Sensors", SENSORS, vol. 11, no. 12, 19 December 2011 (2011-12-19), pages 11809 - 11832, XP055119760, DOI: 10.3390/s111211809 *

Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
TWI689708B (zh) * 2018-12-24 2020-04-01 財團法人工業技術研究院 具監測功能的振動感測器及其振動訊號監測方法
US11193819B2 (en) 2018-12-24 2021-12-07 Industrial Technology Research Institute Vibration sensor with monitoring function and vibration signal monitoring method thereof

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