Radaros érzékelők típusai

A radar vagy RADAR (a radio detection and ranging, azaz a rádióérzékelés és távolságmérés rövidítése) kifejezés a legkülönbözőbb tárgyak helyének és mozgási állapotának meghatározására szolgáló módszerekre utal. A radarmódszereket sokféle alkalmazásban használják. Ennek megfelelően különböző radarfunkciók léteznek, amelyek különböző módon használják ki az elektromágneses hullámok tulajdonságait.

Az impulzusradar rövid impulzusokat bocsát ki, és jelterjedési késleltetéssel határozza meg a tárgy távolságát. A Doppler-radarhoz hasonlóan a sebesség a frekvenciakülönbség mérésével meghatározható. Az impulzusradarok a nagy sugárzási teljesítményük révén alkalmasak nagyobb távolságok mérésére, de nem alkalmasak rövid távú, nagyobb felbontású mérésekre. Az impulzusradarok e jelentős korlátozottsága miatt az automatizálási feladatokban az ezen a honlapon található részletes magyarázatok kizárólag a folyamatos hullámú és a frekvenciamodulált folyamatos hullámú radarokra összpontosítanak.

A nem modulált, folyamatos hullámú radar (más néven CW- vagy Doppler-radar) folyamatosan egy rögzített frekvenciát sugároz. A Doppler-frekvencia megfigyelésével az érzékelő észlelési tartományában mozgó tárgy észlelése és ortogonális sebessége válik lehetővé. A mozgó tárgy távolságának vagy helyzetének kiszámítása azonban nem, vagy csak nehézkesen és nagy pontatlansággal lehetséges.

A frekvenciamodulált folyamatos hullámú radar (vagy FMCW) kifejezés olyan radarra utal, amely (a CW-radarral ellentétben) folyamatosan frekvenciamodulálja jelét a sugárzás során. A kibocsátott frekvencia ilyen modulációja egy időbeli referenciapontot hoz létre, amely technikailag lehetővé teszi a jel terjedési idejének mérését. Ezenkívül ez az időállandó lehetővé teszi, hogy ne csak mozgó, hanem álló tárgyak is észlelhetők legyenek.

A folyamatos hullámú radar által generált és kibocsátott elektromágneses hullámok vagy azok hullámfrontja egy mozgásban lévő tárgyat észlel. Ez frekvenciaeltolódást eredményez, amely az észlelt tárgy mozgásának irányától függően összenyomja vagy kitágítja a visszavert jelet. Ezt a frekvenciaeltolódott visszaverődési jelet az érzékelő összekeveri az eredetileg kibocsátott jellel, majd kiértékeli. Ez a frekvenciakülönbség felhasználható a mozgás és a sebesség meghatározására. Az, hogy az érzékelő a tárgyhoz képest mozog-e, vagy a tárgy mozog az érzékelőhöz képest, nem lényeges, bár a tárgy abszolút sebességének meghatározásához figyelembe kell venni a mozgás szögét.

Rendeltetés

Ez az elv a leghatékonyabb megoldás a mozgó tárgyak észlelésére. Az ajtók és kapuk előtti, területfigyelésre szolgáló mozgásérzékelők klasszikus alkalmazások. A Pepperl+Fuchs leányvállalata, a Sensotek GmbH a „beléptetés-automatizálás”területén meghatározó szerepet betöltő partner, aki magasan specializált portfóliót kínál.

A frekvenciamodulált folyamatos hullámú radar ugyanezen az alapelven működik. Az érzékelő egy küldőantennán keresztül jelet bocsát ki. A jel egy kis része visszaverődik a tárgyról az érzékelőhöz, ahol egy vevőantenna fogadja. A nem modulált CW-radarral ellentétben azonban a frekvenciamodulált folyamatos hullámú radar frekvenciamodulált jelet bocsát ki. Az alábbi modulációs típusokat széles körben alkalmazzák:

1. Fűrészfog moduláció

Egyszerű modulációs minta, de nem tud különbséget tenni a Doppler-frekvencia és a terjedési késleltetés miatti frekvenciakülönbség között.

2. Négyszöghullám-moduláció

A fáziskülönbség-számítás révén nagyon nagy távolsági felbontás érhető el, de nem tud különbséget tenni a különböző tárgyak között.

3. Háromszög-moduláció

A további csökkenő rámpa lehetővé teszi a Doppler-eltolódás és a frekvenciaeltolódás megkülönböztetését.

A Pepperl+Fuchs ipari radaros érzékelői a távolság- és sebességméréshez háromszög-modulációt alkalmaznak. A kibocsátott jel az engedélyezett frekvenciatartományban lineárisan növekszik a minimális frekvenciától a maximális frekvenciáig (up ramp), és a maximális frekvencia elérése után lineárisan csökken (down ramp). Ezt a tartományt, amelyen belül a kibocsátott jel folyamatosan „vándorol” a minimális és maximális frekvencia között, frekvencia-sávszélességnek (B) nevezik. A Pepperl+Fuchs radaros érzékelői esetében ez a tényleges sávszélesség 1 GHz-nek felel meg, azaz az ISM-sáv122–123 GHz-es tartományának.

Ha a radaros érzékelő által kibocsátott radarhullámok elérnek egy tárgyat, a radarhullámok teljesen vagy részben visszaverődnek. A fogadott jel eltérő frekvenciájú, így a két jel frekvenciaeltolódásából az érzékelőben végbemenő multiplikatív keverési folyamat során meghatározható a tárgytól való pontos távolság. A céltárgytól való távolság (R) az emelkedő vagy csökkenő rámpa (Δf) meghatározott frekvenciaeltolódásából, a rámpa időtartamából (T), az alkalmazott frekvenciasávszélességből (B) és a fénysebességből (c) – amellyel a radarhullám a térben halad– számítható ki.

A tárgy sebessége által okozott Doppler-hatás az y-tengellyel párhuzamosan szintén eltolja a fogadott frekvenciát (f_D), ahogy az a fenti CW-radarképen látható. A fűrészfog és négyszöghullám-modulációs módszerrel ellentétben ez a sebesség mérésére is használható.

Rendeltetés

A Pepperl+Fuchs által kifejlesztett, akár 25 m-es és afeletti észlelési tartománnyal rendelkező MWC25M-L2M FMCW radaros érzékelőt* ipari környezetben használják távolság- és sebességmérésre. A funkciók széles skálájának és az érzékelő robusztus kialakításának köszönhetően az érzékelő ennek megfelelően sokféle alkalmazásban használható, mint például automatizálás és környezetfelügyelet, vagy ütközéselkerülés AGV-k, targoncák, mobil daruk, közúti építkezések vagy mezőgazdasági gépek esetében. Ugyanakkor ideális megoldást kínálnak a folyadékok és ömlesztett áruk tartályokban és silókban történő érintésmentes szintérzékelésére is.