Rodzaje czujników radarowych

Termin radar lub RADAR (określający wykrywanie fal radiowych i określanie odległości) odnosi się do metod lokalizowania i określania stanu ruchu szerokiej gamy obiektów. Metody radarowe są używane w wielu zastosowaniach. W związku z tym istnieją różne funkcje radaru, które wykorzystują właściwości fal elektromagnetycznych na różne sposoby.

Radar impulsowy emituje krótkie impulsy i określa odległość obiektu poprzez opóźnienie propagacji sygnału. Podobnie, jak w przypadku radaru dopplerowskiego, prędkość można również określić mierząc różnicę częstotliwości. Impulsowe urządzenia radarowe są odpowiednie do pomiarów na dużych odległościach ze względu na wysoką moc promieniowania emitowanego przez nadajnik, ale nie nadają się do pomiarów na krótkich odległościach z dużą rozdzielczością. Ze względu na to znaczne ograniczenie radarów impulsowych w zakresie zadań związanych z automatyzacją, szczegółowe wyjaśnienia na tej stronie internetowej skupiają się wyłącznie na radarach fal ciągłych i radarach fal ciągłych o modulowanej częstotliwości.

Niemodulowany radar fal ciągłych (znany również jako radar CW lub radar dopplerowski) w sposób ciągły emituje stałą częstotliwość. Obserwacja częstotliwości dopplerowskiej umożliwia wykrywanie poruszających się obiektów w zakresie wykrywania czujnika i określanie ich prędkości ortogonalnej. Jednakże obliczenie odległości lub pozycji poruszającego się obiektu nie jest możliwe lub jest możliwe tylko z dużą niedokładnością przy zwiększonych nakładach.

Termin radar fal ciągłych o modulowanej częstotliwości (FMCW) odnosi się do radaru, który (w przeciwieństwie do radaru CW) stale moduluje swój sygnał podczas emisji. Modulacja emitowanej częstotliwości tworzy tymczasowy punkt odniesienia, który umożliwia technicznie pomiar czasu przelotu. Ponadto ta stała czasowa umożliwia nie tylko wykrywanie poruszających się, ale także statycznych obiektów.

Fale elektromagnetyczne generowane i emitowane przez radar fal ciągłych lub ich czoło uderzają w poruszający się obiekt. Powoduje to przesunięcie częstotliwości, które kompresuje lub rozciąga sygnał odbity — w zależności od kierunku ruchu wykrytego obiektu. Sygnał odbicia z przesunięciem częstotliwości jest mieszany z pierwotnie wyemitowanym sygnałem w czujniku i poddawany ocenie. Ta różnica częstotliwości w sygnale może zostać użyta do określenia ruchu i prędkości. Nie ma znaczenia, czy czujnik porusza się względem obiektu, czy też obiekt porusza się względem czujnika, ale w celu wykrycia bezwzględnej prędkości obiektu musi zostać uwzględniony kąt ruchu.

Przeznaczenie

Zastosowanie tej zasady jest najbardziej skutecznym rozwiązaniem do wykrywania poruszających się obiektów. Klasyczne zastosowanie to czujki ruchu do monitorowania obszaru przed drzwiami i bramkami. Sensotek GmbH — spółka zależna firmy Pepperl+Fuchs jest kompetentnym partnerem oferującym wysoce specjalistyczną ofertę w dziedzinie „automatyzacji wejścia”.

Radar fal ciągłych o modulowanej częstotliwości działa zgodnie z tą samą podstawową zasadą. Czujnik emituje sygnał za pośrednictwem anteny nadawczej. Niewielka część tego sygnału jest odbijana przez obiekt i powraca do czujnika, gdzie jest odbierana przez antenę odbiornika. Jednak w przeciwieństwie do niemodulowanego radaru CW, radar fal ciągłych o modulowanej częstotliwości emituje sygnał o modulowanej częstotliwości. W tym miejscu często stosowane są następujące typowe rodzaje modulacji:

1. Modulacja piłokształtna

Prosty wzorzec modulacji, ale nie umożliwia rozróżniania pomiędzy częstotliwością dopplerowską a różnicą częstotliwości z powodu opóźnienia propagacji.

2. Modulacja fali prostokątnej

Bardzo wysoka rozdzielczość odległości poprzez obliczenie różnicy fazy, brak możliwości odróżniania obiektów.

3. Modulacja trójkątna

Dodatkowe zbocze opadające umożliwia rozróżnienie przesunięcia dopplerowskiego i przesunięcia częstotliwości.

Firma Pepperl+Fuchs wykorzystuje modulację trójkątną w swoich przemysłowych czujnikach radarowych do pomiaru odległości i prędkości. Emitowany sygnał wzrasta liniowo w dozwolonym zakresie częstotliwości od minimalnej do maksymalnej częstotliwości (wzrost) i spada liniowo ponownie po osiągnięciu maksymalnej częstotliwości (spadek). Zakres ten, w ramach którego emitowany sygnał stale „wędruje” pomiędzy częstotliwością minimalną i maksymalną, jest określany jako pasmo częstotliwości (B). W przypadku czujników radarowych firmy Pepperl+Fuchs efektywna szerokość pasma wynosi 1 GHz i mieści się w zakresie od 122 do 123 GHz w paśmie ISM.

Jeśli fale radarowe emitowane przez czujnik radarowy uderzą w obiekt, zostaną one całkowicie lub częściowo odbite. Odbierany sygnał ma inną częstotliwość, co umożliwia dokładne określenie odległości od obiektu na podstawie przesunięcia częstotliwości obu sygnałów w trakcie procesu mieszania multiplikatywnego w czujniku. Odległość (R) od obiektu docelowego można obliczyć na podstawie ustalonej zmiany częstotliwości w zboczu rosnącym lub spadającym (Δf), czasu trwania zmiany sygnału (T),wykorzystanej szerokości pasma częstotliwości (B) i prędkości światła (c), z którą fala radaru przemieszcza się w przestrzeni.

Efekt Dopplera spowodowany prędkością obiektu również powoduje przesunięcie odbieranej częstotliwości (f_D) równolegle do osi y, jak pokazano na ilustracji radaru CW powyżej. W przeciwieństwie do metod modulacji fali piłokształtnej i prostokątnej, można to również wykorzystać do pomiaru prędkości.

Przeznaczenie

Czujnik radarowy FMCW MWC25M-L2M* opracowany przez firmę Pepperl+Fuchs został zoptymalizowany pod kątem pomiarów odległości i prędkości w zakresach wykrywania do 25 metrów i więcej w sekcjach przemysłowych. Ze względu na szeroki zakres funkcji oraz solidność konstrukcji czujnika można go używać do różnych zastosowań, takich jak automatyzacja, monitorowanie otoczenia i unikanie kolizji w pojazdach AGV, wózkach widłowych, dźwigach mobilnych, budownictwie drogowym lub maszynach rolniczych. Jest to również idealne rozwiązanie do bezkontaktowego wykrywania cieczy i materiałów masowych w zbiornikach i silosach.