Auswahl und Einsatz von Radar für die Objekterfassung in rauen Umgebungen

Bei Anwendungen im Freien und in der Industrie sowie in anderen rauen Umgebungen herrschen Bedingungen, die mit Fernmessungstechnologien wie Ultraschallsensoren interferieren können. Schlechtes Wetter, Staub und Schmutz sowie komplexe Messumgebungen sind einige der Probleme, die Standardsensoren beeinträchtigen können.

Radarsensoren können diese Herausforderungen meistern, da sie bewegliche und stationäre Ziele unter vielen Umgebungsbedingungen erkennen. Dieser Artikel befasst sich mit den Szenarien, in denen Radar besser abschneiden kann als andere Optionen. Es werden verschiedene Arten von Radarsensoren von Banner Engineering, ihre Anwendungen und die bei der Auswahl eines Sensors zu berücksichtigenden Designaspekte untersucht.

Warum Radarsensoren verwenden?

Radar ist robust gegenüber Regen, Staub und anderen gängigen Luftschadstoffen, funktioniert in hellen und unbeleuchteten Räumen gleichermaßen gut und wird durch Temperaturschwankungen und Wind nicht beeinträchtigt. Es kann Oberflächen mit einer breiten Palette von Oberflächenbeschichtungen, Geometrien und Farben erkennen und auch nichtleitende Materialien durchdringen, so dass Radarsensoren in Behälter hineinschauen können.

Darüber hinaus kann Radar über relativ große Entfernungen eingesetzt werden und ist gleichzeitig resistent gegen Übersprechen, was Vorteile für Anwendungen im Nahbereich bietet, bei denen sich die Sensoren in unmittelbarer Nähe befinden.

Funktionsweise von Radar

Beim Radar werden elektromagnetische Wellen von Zielobjekten zurückgeworfen, wobei die Entfernung anhand der Zeit bestimmt wird, die das Signal braucht, um zurückzukehren. Radarsensoren verwenden zwei Haupttechnologien: frequenzmodulierte Dauerstrichwellen (FMCW) und gepulstes kohärentes Radar (PCR).

Das FMCW-Radar sendet einen konstanten Strom von Radiowellen aus und ermöglicht so die ununterbrochene Überwachung von sich bewegenden und stationären Objekten. PCR-Sensoren senden Funkwellen in Impulsen, in der Regel mit Sendern geringer Leistung. Dadurch eignen sich PCR-Sensoren besser für Anwendungen mit geringer Reichweite.

Reichweite und Materialempfindlichkeit werden auch stark von der Betriebsfrequenz beeinflusst. Niedrigere Frequenzen eignen sich besser für die Ferndetektion und funktionieren gut mit Materialien, die eine hohe Dielektrizitätskonstante haben, wie z. B. Metalle und Wasser. Höhere Frequenzen bieten eine größere Genauigkeit und eignen sich besser für die Erkennung kleinerer Objekte und einer größeren Vielfalt an Materialien.

Strahlenmuster und Erfassungsbereiche

Radarsensoren können so optimiert werden, dass sie sich auf bestimmte Bereiche von Interesse konzentrieren und ein oder mehrere Objekte verfolgen. Zu den wichtigsten Parametern gehören das Strahlenmuster, die Erfassungsbereiche und die Totzonen.

Radarsensoren strahlen Funkwellen in einem bestimmten Muster aus, das durch horizontale und vertikale Winkel definiert ist. Enge Strahlenmuster bieten eine präzise Erkennung und größere Reichweite, während breite Strahlenmuster größere Bereiche abdecken und unregelmäßig geformte Objekte besser erkennen.

Viele Radarsensoren ermöglichen die Konfiguration mehrerer Erfassungsbereiche innerhalb ihres Strahlenmusters. Dieses Merkmal ermöglicht komplexere Erkennungsszenarien, wie z. B. die Einstellung unterschiedlicher Parameter für Nah- und Fernbereiche bei Anwendungen zur Kollisionsvermeidung.

Die tote Zone ist der Bereich unmittelbar vor dem Sensor, in dem die Erkennung unzuverlässig ist. Sensoren mit höheren Frequenzen haben im Allgemeinen kürzere Totzonen.

Identifizierung des optimalen Radarsensors

Bei der Auswahl eines Radarsensors gibt es zahlreiche Faktoren zu berücksichtigen. Zusätzlich zu den grundlegenden Betriebsparametern haben Radarsensoren verschiedene Merkmale, die sich auf ihre Kosten, Haltbarkeit und Benutzerfreundlichkeit auswirken. Abbildung 1 zeigt ein Flussdiagramm, das einige dieser Entscheidungspunkte am Beispiel der Radarsensoren von Banner Engineering veranschaulicht.

Abbildung 1: Die Abbildung zeigt ein Flussdiagramm, das den Prozess der Auswahl eines Radarsensors veranschaulicht. (Bildquelle: Banner Engineering)

Die Serie Q90R von Banner Engineering ist ein guter Ausgangspunkt. Diese FMCW-Sensoren arbeiten mit 60 Gigahertz (GHz), um Reichweite, Genauigkeit und Materialerkennungsfähigkeiten in Einklang zu bringen. Sie haben einen Erfassungsbereich von 0,15 Metern (m) bis 20 m, eine Totzone von 150 Millimetern (mm) und zwei konfigurierbare Erfassungszonen.

Ein Beispiel für den Einsatz dieser Sensoren ist die Erkennung der Ankunft von Lastwagen an einer Laderampe. Hier erleichtert das relativ breite Strahlmuster von 40° x 40° die Suche nach einem Montageort, der das Dock im Blick behält.

Der Q90R2-12040-6KDQ (Abbildung 2) baut auf diesen Fähigkeiten auf und bietet ein breites, konfigurierbares Sichtfeld (120° x 40°) und die Fähigkeit, zwei Ziele zu verfolgen, was dem Sensor die Bewältigung komplexerer Überwachungsszenarien ermöglicht.

Abbildung 2: Der FMCW-Radarsensor Q90R2-12040-6KDQ arbeitet bei 60 GHz, kann zwei Ziele verfolgen und hat ein breites, konfigurierbares Sichtfeld. (Bildquelle: Banner Engineering)

Auswahl eines Radarsensors für Schmalstrahlanwendungen

Bei einigen Anwendungen muss das Radar ein kleines Ziel erkennen. Hier ist ein Sensor der Serie T30R (Abbildung 3) eine gute Wahl. Die Sensoren haben ein Strahlenmuster von 15° x 15° oder 45° x 45°, eine Betriebsfrequenz von 122 GHz, einen Erfassungsbereich von 25 m, eine Totzone von 100 mm und zwei konfigurierbare Erfassungszonen.

Mit ihrem engen Strahlenbündel und der hohen Betriebsfrequenz bietet diese Sensorfamilie eine präzise Erfassung in bestimmten Bereichen. Sie können zum Beispiel zur Überwachung von Füllständen in engen Behältern verwendet werden.

Abbildung 3: Die T30R-Serie arbeitet bei 122 GHz, hat einen Strahl von 15° x 15° und bietet eine präzise Erkennung. (Bildquelle: Banner Engineering)

Die Version T30RW ist in einem IP69K-Gehäuse untergebracht, das für Hochdruck- und Hochtemperatur-Waschanlagen wie Autowaschanlagen geeignet ist. Er hat eine Reichweite von 15 m und ein Strahlmuster von 15° x 15°.

Auswahl eines Radarsensors für die visuelle Rückmeldung

Obwohl Radarsensoren in der Regel in größere Automatisierungssysteme integriert werden, kann eine Statusanzeige hilfreich sein. An einer Ladestation für Elektrofahrzeuge (EV) zum Beispiel kann eine visuelle Anzeige den Fahrern helfen, ihre Fahrzeuge richtig zu positionieren.

Bei solchen Anwendungen spielen die eingebauten LEDs der Serie K50R eine wertvolle Rolle.

Besonders hervorzuheben sind die Pro-Modelle, wie das K50RPF-8060-LDQ (Abbildung 4), das ein farbenfrohes, leicht zu interpretierendes Display bietet.

Abbildung 4: Das K50RPF-8060-LDQ verfügt über LEDs zur visuellen Rückmeldung. (Bildquelle: Banner Engineering)

Zu den wichtigsten Spezifikationen der K50R-Serie gehören eine Betriebsfrequenz von 60 GHz, eine Reichweite von 5 m, eine Totzone von 50 mm, zwei konfigurierbare Erfassungszonen und Strahlenmuster von 80° x 60° oder 40° x 30°.

Auswahl eines Radarsensors mit großer Reichweite

Für Anwendungen, die eine Erfassung über größere Entfernungen erfordern, ist ein Radar, das mit 24 GHz betrieben wird, oft die beste Wahl. Diese Geräte mit niedrigeren Frequenzen, wie z. B. die Geräte der Serie QT50R, haben einen Erfassungsbereich von 25 m, der für Anwendungen wie die Kollisionsvermeidung bei mobilen Ausrüstungen wertvoll ist. Die Serie verfügt außerdem über eine oder zwei konfigurierbare Erfassungszonen und ein Strahlenmuster von 90° x 76°. Seine Totzone beträgt 400 mm für bewegte Objekte und 1000 mm für stationäre Objekte.

Ein bemerkenswertes Merkmal des QT50R ist seine Fähigkeit, über DIP-Schalter konfiguriert zu werden. Dies ermöglicht eine einfache Einrichtung im Feld. Für einige Anwendungen sind jedoch komplexere Konfigurationen erforderlich.

Der Sensor Q130R (Abbildung 5) ist beispielsweise für Anwendungen konzipiert, die anspruchsvolle Erkennungsfunktionen und erweiterte Konfigurationsoptionen erfordern. Er arbeitet bei 24 GHz, hat eine Reichweite von 40 m, ein Strahlenmuster von 90° x 76° oder 24° x 50°, eine Totzone von 1000 mm und ermöglicht die genaue Erkennung von bewegten und stationären Objekten.

Abbildung 5: Der Radarsensor Q130R wurde für Anwendungen entwickelt, die anspruchsvolle Erkennungsfunktionen erfordern, und bietet eine genaue Erkennung von beweglichen und stationären Objekten. (Bildquelle: Banner Engineering)

Der Q130R verfügt über eine PC-basierte grafische Benutzeroberfläche (GUI) für komplexe Einstellungen und Feinabstimmungen. Es kann zum Beispiel für die Positionsrückmeldung in einem belebten Rangierbahnhof verwendet werden. In dieser Anwendung kann der Sensor so konfiguriert werden, dass er Züge, die im Hintergrund auf einem Gleis abgestellt sind, ignoriert, während er andere Züge erkennt, wenn sie vor ihm vorbeifahren.

Fazit

Radarsensoren sind in der Lage, in einem breiten Spektrum von Außenbereichen und rauen Umgebungen zu arbeiten. Um die Vorteile der Radartechnologie zu maximieren, ist es wichtig, die Anforderungen der Anwendung zu analysieren und einen Sensor mit der richtigen Betriebsfrequenz und dem richtigen Strahlenmuster auszuwählen, neben anderen Spezifikationen. Mit einem gut ausgewählten Radar können viele anspruchsvolle Fernmessanwendungen bewältigt werden.