Radar-Chip überprüft Produktionsprozesse

Das Fraun­hofer-Institut für Hochfrequenz­physik und Radar­technik FHR entwickelt Millimeter­wellen-Sensoren für die Qualitäts­kontrolle und -sicherung in der Produktion. Diese nutzen elektro­magnetische Signale und messen berührungs­los, präzise und in Echtzeit, auch unter widrigen Umwelt­bedingungen. Ein Single-Chip-Radar mit hoch­präzisem 80 GHz-Sensor bestimmt die exakte Position einer schwebenden Kugel und steuert mit diesen Mess­werten automatisch den Stromfluss durch den Elektro­magneten, der die Kugel in ihrer Schwebe­position hält. Die Höhe kann frei gewählt und verändert werden. Dies zeigt die Taug­lichkeit des Systems für indus­trielle Anwen­dungen, die Regelung in Echtzeit erfordern, etwa für Regel­schleifen-Prozesse zur Positions­kontrolle oder Navi­gation im Nah­bereich.

Das Radar wendet das FMCW-Ver­fahren an. Hierbei wird das Signal während des Sendens über die gesamte Band­breite moduliert, ein Chirp entsteht. Dieser Chirp wird zyklisch wieder­holt. Im Gegen­satz zu einem Radar, das nur einen Puls aussendet, senden FMC-Radare konti­nuierlich. Darum werden sie frequenz-modu­lierte Dauer­strich-Radare genannt. Die Prozes­sierung des Signals erfolgt auf einer Xilinx-Zynq-Platt­form. Ein PID-Con­troller gleicht den Mess- mit dem Sollwert ab. Er sorgt so für die Regu­lierung des Strom­flusses durch den Elektro­magneten und damit der Kugel­position.

FMCW-Radare zeichnen sich durch ihre flexiblen Anwendungs­möglichkeiten aus. Außerdem sind sie kosten­günstig mittels Halbleiter-Tech­nologie reali­sierbar. Das Fraun­hofer FHR und die Ruhr-Uni­versität Bochum setzen selbst­entwickelte Single-Chip-Radare auf Basis von Silizium-Ger­manium ein, wie sie auch für Auto­motive-Radare genutzt werden. Hier kann das ganze System auf einem wenige Milli­meter großen Chip integriert werden. Die Strom­versorgung ist dank der niedrigen Spannung von fünf Volt über einen USB-Anschluss rea­lisierbar.

Das Fraun­hofer FHR bietet Hoch­frequenz-Sensoren für präziseste Abstands- oder Positions­bestimmung als auch bildgebende Systeme an. Auf­wändige Schutz­maßnahmen wie bei Röntgen­anlagen sind nicht notwendig. Anwendbar ist die Tech­nologie in allen Bereichen der Produktion: Lebensmittel­herstellung und Reife­grad-Erkennung, Kunststoff­herstellung und Recycling, Über­wachung von Trocknungs­prozessen, Erkennung der Material­zusammensetzung und Schicht­dickenmessung, Schüttgut­sortierung und Fremdkörper­detektion. Die Stand­festigkeit dieser Systeme im 24/7-Betrieb haben die Entwickler des Instituts erfolg­reich in der Fertigungs­straße eines Entwicklungs­partners unter Beweis gestellt.

Fh.-FHR / JOL