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Dokumentenidentifikation DE10057059C2 24.12.2003
Titel Verfahren und Vorrichtung zur Meßwertüberwachung durch Frequenzanalyse von modulierter Rückstreuung
Anmelder Reindl, Leonhard, Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE
Erfinder Reindl, Leonhard, Dr., 38678 Clausthal-Zellerfeld, DE
Vertreter Rehberg und Kollegen, 37073 Göttingen
DE-Anmeldedatum 17.11.2000
DE-Aktenzeichen 10057059
Offenlegungstag 29.05.2002
Veröffentlichungstag der Patenterteilung 24.12.2003
Veröffentlichungstag im Patentblatt 24.12.2003
IPC-Hauptklasse G01D 5/243
IPC-Nebenklasse G01L 5/18   G08C 17/02   G01M 17/02   

Beschreibung[de]

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Meßwertüberwachung durch Frequenzanalyse von modulierter Rückstreuung, wobei zur Meßwerterfassung ein Sensor mit einer meßwertsensitiven Impedanz vorgesehen wird, wobei eine Sensorantenne mit einer elektromagnetischen Erregerwelle im Bereich ihrer Resonanzfrequenz angeregt wird und wobei eine von dem Sensor modulierte rückgestreute elektromagnetische Sensorwelle empfangen und analysiert wird. Weiterhin bezieht sich die Erfindung auf eine Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens, mit einer Sendeantenne zur Abstrahlung der elektromagnetischen Erregerwelle, mit der Sensorantenne, mit dem die meßwertsensitive Impedanz aufweisenden Sensor, mit einer Empfangsantenne zum Empfangen der Sensorwelle und mit einer Analyseeinrichtung zum Analysieren der Sensorwelle. Dabei können die Senderantenne und die Empfangsantenne dasselbe Bauteil sein.

Allgemeiner betrachtet befaßt sich die Erfindung mit der Abfrage eines Sensors über eine Funkstrecke hinweg, wobei der Sensor meßwertsensitiv ist, d. h. einen Meßwert verfolgt. Bei dem Meßwert kann es sich um die Stellung eines Schalters mit den Werten ein oder aus handeln. Es kann sich aber genauso um eine physikalischen Meßwert handeln, der innerhalb eines Meßwertbereichs jeden Einzelwert annehmen kann, oder die Änderung eines physikalischen Meßwerts mit der Zeit. Auf dem so skizzierten technischen Gebiet befaßt sich die Erfindung damit, die Meßwertabfrage über die Funkstrecke so durchzuführen, daß der Sensor oder die ihm zugeordnete Sensorantenne zur Erzeugung eines den Meßwert einschließenden Sensorsignals keine eigene Energieversorgung beispielsweise in Form von Anschlüssen an ein elektrisches Energieversorgungsnetz oder von Batterien benötigt. Hierzu wird von dem Effekt Gebrauch gemacht, daß die Sensorantenne, die zum Übertragen des Sensorsignals in Form einer Sensorwelle vorgesehen ist, auch zur Energieaufnahme aus einem elektromagnetischen Wechselfeld geeignet ist. So kann der Sensor über eine Erregerwelle mit elektrischer Energie versorgt werden, die ihn in die Lage versetzt, die Sensorwelle abzustrahlen. Es versteht sich, daß dabei die Intensität der Sensorwelle allein aufgrund der geometrischen Verhältnisse um Größenordnungen hinter derjenigen der Erregerwelle zurückbleibt, was grundsätzliche Schwierigkeiten bei der Isolierung und Auswertung der Sensorwelle bedeutet.

Die Notwendigkeit von Sensoren, die ohne eigene Energieversorgung über eine Funkstrecke abfragbar sind, ergibt sich in verschiedenen technischen Umgebungen, beispielsweise bei der nachträglichen Anbringung von Schaltern, ohne daß eine diesbezügliche Verkabelung erfolgen oder die Notwendigkeit einer regelmäßigen Wartung der Schalter entstehen soll. Ein besonders interessantes spezielles Anwendungsgebiet der Erfindung ist jedoch die Messung des Reibbeiwerts eines Reifens mit der Fahrbahn. Dabei geht es um die Überwachung der Haftung des Reifens an der Fahrbahn, um das Ausbrechen eines Fahrzeugs bei der Kurvenfahrt, beim Abbremsen oder beim Beschleunigen zu verhindern. Insbesondere ist die Überwachung des Reibbeiwerts bei der Gefahr von Flüssigkeitsfilm- oder Eisbildung auf der Fahrbahn von Interesse, um eine grundsätzliche Warnung an den Fahrer des Fahrzeugs auszugeben oder um direkt in die Ansteuerung der Lenkung, des Antriebs oder der Bremsen des Fahrzeugs einzugreifen.

Ein Verfahren und eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art sind aus der DE 198 07 004 A1 bekannt, die sich auch mit dem im letzten Absatz beschriebenen speziellen Problem der Messung des Reibbeiwerts eines Reifens mit der Fahrbahn befaßt. Dabei ist vorgesehen, die hier als Funksensor bezeichnete remote Baueinheit mit dem Sensor und der Sensorantenne so auszubilden, daß sie in einem Speicher Energie aus der Erregerwelle zu speichern vermag. Unter Einsatz dieser zwischengespeicherten Energie wird dann bezüglich der Erregerwelle zeitverzögert eine von dem Sensor modulierte Sensorwelle abstrahlt, in der der Meßwert enthalten ist. Damit soll eine einfache zeitliche Trennung zwischen der Erregerwelle und der Sensorwelle ermöglicht werden. Bei dem Speicher für die Energie der Erregerwelle handelt es sich in der hier gattungsbildenden Ausführungsform um ein Oberflächenwellen- Bauelement, an den die meßwertsensitive Impedanz des Sensors elektrisch angeschlossen ist.

Die DE 197 02 768 C1 beschreibt eine Vorrichtung der eingangs beschriebenen Art zur drahtlosen Übertragung mindestens eines Messwerts aus bewegten Teilen. Die bekannte Vorrichtung verwendet eine Sensorempfangsantenne, um in einem ersten Schritt eine modulierte Erregerwelle zu empfangen. Die Modulation der Erregerwelle wird separiert und auf einen Resonator gegeben, wobei dessen Resonanzfrequenz möglicherweise getroffen wird. Je nach Übereinstimmung mit der Resonanzfrequenz wird Energie aus der Erregerwelle in dem Resonator gespeichert. In einem zweiten Schritt wird dann eine unmodulierte Erregerwelle mit der Sensorempfangsantenne empfangen, mit der Frequenz des nachschwingenden Resonators moduliert und anschließend über eine zusätzliche Sensorsendeantenne zurückgesendet. Bei der bekannten Vorrichtung sind also zwei Sensorantennen, nämlich eine Sensorempfangsantenne zum Empfangen der Erregerwelle und eine Sensorsendeantenne zum Zurücksenden einer modulierten Sensorwelle vorgesehen.

Die DE 196 21 354 A1 beschreibt ein drahtloses Reifendruck- Messverfahren, das sich von der eingangs beschriebenen Art dadurch unterscheidet, dass der Sensor mit einer Sensorwelle antwortet, die eine ganz andere Frequenz aufweist, als sie von der Erregerwelle vorgegeben wird. Die Frequenz der Sensorwelle ist die Resonanzfrequenz eines auch hier vorhandenen Resonators. Konkret wird bei dem bekannten Verfahren über eine modulierte Erregerwelle, deren Modulation in dem Sensor zur Anregung eines messwertsensitiven Resonators verwendet wird, dieser Resonator mit Energie versorgt, damit er auf einer anderen Frequenz die Sensorwelle abstrahlen kann. Es geht also nicht um eine unmittelbare Rückstreuung der Erregerwelle. Entsprechend werden zwei unterschiedliche Sensorantennen, nämlich eine Sensorempfangsantenne und eine Sensorsendeantenne benötigt, weil in ganz unterschiedlichen Frequenzbereichen gearbeitet wird. Der Resonator ist mit der Sensorsendeantenne verbunden, um diese zur Abstrahlung der Sensorwelle anzuregen.

Aus der WO 96/33423 A1 ist eine Vorrichtung der eingangs Beschriebenen Art bekannt, bei der es sich um einen funkabfragbaren Sensor in Oberflächenwellentechnik handelt. Dieser Technik ist es inhärent, dass die Oberflächenwellenanordnung als Energiezwischenspeicher wirkt, um eine gegenüber der Erregung des Sensors durch eine Erregerwelle zeitverzögerte Aussendung einer Sensorwelle zu ermöglichen. Bei dem bekannten funkabfragbaren Sensor ist ein Impedanz-Element mit der Oberflächenwellenstruktur verbunden.

Die DE 196 48 531 C1 betrifft eine Vorrichtung zur drahtlosen Übertragung mindestens eines Messwerts. Dabei wird eine modulierte Erregerwelle zur Anregung einer Sensorantenne verwendet. Die Modulation der Erregerwelle wird separiert und auf einen frequenzabhängig arbeitenden Absorber gegeben. Der Absorber dämpft die separierte Modulation in charakteristischer von dem Messwert abhängiger Weise. Diese Dämpfung soll durch Vermessung des elektromagnetischen Feldes mittels eines Empfängers oder durch Überwachung der vor- und rücklaufenden oder stehenden Wellen in der Speiseleitung der mindestens einen Sendeantenne zur Ausstrahlung der Erregerwelle erfasst werden. Bei dieser bekannten Vorrichtung geht es also darum, in dem elektromagnetischen Erregerfeld einen Energieverlust bei einer bestimmten, dem aktuellen Messwert entsprechenden Modulation der Erregerwelle festzustellen.

Der Erfindung liegt demgegenüber die Aufgabe zugrunde, die Baueinheit mit dem Sensor und der Sensorantenne zu vereinfachen, um sie bei Massenartikeln, wie sie Reifen für Kraftfahrzeuge darstellen, einfacher wirtschaftlich realisieren zu können.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Verfahren mit den Merkmalen des Anspruchs 1 und eine Vorrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs 12 gelöst.

Wenn das Meßsignal in den Sensor eingeleitet wird, so verändert dies die elektrischen Eigenschaften des Sensorelements. Dieses verändert damit auch die Phase und den Betrag der rückgestreuten Welle. Bei einer periodischen Veränderung entstehen so Seitenbänder um die Abfragefrequenz. Wenn die Antenne oder ein Teil von ihr den Sensor darstellt, so ändert sich die Ladungsverteilung auf der Antenne und daher wieder die Phase und der Betrag der rückgestreuten Welle.

Kurz gesagt wird bei der Erfindung auf ein Oberflächenwellen- Bauelement oder jedes andere Element zur Zwischenspeicherung der Energie der die Sensorantenne anregenden Erregerwelle verzichtet. Als Sensorsignal wird vielmehr die unmittelbare Antwort der Sensorantenne auf die Erregerwelle verwendet, die zeitgleich mit der Erregung durch die Erregerwelle von der Sensorantenne als Sensorwelle abgestrahlt wird. Dabei berücksichtigt der Begriff zeitgleich nicht die Laufzeiten der Erregerwelle von einer Sendeantenne zu der Sensorantenne und der Sensorwelle von der Sensorantenne zu einer Empfangsantenne. Diese Laufzeiten sind aber typischerweise sehr kurz verglichen mit der Dauer der Erregerwelle bzw. der Sensorwelle, die sich so im wesentlichen zeitlich überlappen. Die Erregerwelle und die Sensorwelle können auch kontinuierlich abgestrahlt bzw. analysiert werden. Trotz der zeitlichen Überlappung und der großen Feldstärkenunterschiede zwischen der Erregerwelle und der Sensorwelle ist eine Auswertung der Sensorwelle bezüglich des Meßwerts mit vertretbarem Aufwand möglich. Die meßwertsensitive Impedanz, die direkt an die Sensorantenne angeschlossen wird, ändert die Impedanz der Sensorantenne bei einer Änderung des Meßwerts und damit die Rückstreueigenschaften der Sensorantenne.

Wenn es sich bei dem Meßwert um die Stellung eines Schalters handelt, kann im Fall des Meßwerts gleich "ein" die Frequenz der Sensorwelle unterhalb derjenigen der Erregerwelle liegen und im Falle des Meßwerts gleich "aus" kann die Frequenz der Sensorwelle oberhalb der Erregerwelle liegen.

Es ist aber auch denkbar, daß nur in einem der beiden Meßwerte eine Rückstreuung von der Sensorantenne erfolgt, während bei dem anderen Meßwert die Sensorantenne in Bezug auf die Erregerwelle so stark verstimmt ist, daß keine Sensorwelle mit nennenswerter Feldstärke anfällt.

Als günstig erweist sich häufig eine Fourieranalyse der von der Sensorantenne rückgestreuten Sensorwelle, um deren Frequenzanteile zu ermitteln. Für viele Fragestellungen reicht es aus, dabei die Frequenzanteile von mindestens zwei Frequenzen zu betrachten, beispielsweise der Frequenz der Erregerwelle und einer durch die meßwertsensitive Impedanz des Sensors festgelegten zweiten Frequenz. Der Intensitätsanteil der Sensorwelle in einem solchen Nebenband kann unmittelbar den interessierenden Meßwert codieren.

Bei einem sich mit der Zeit ändernden Meßwert kann ist es oft vorteilhaft, die von der Sensorantenne rückgestreute Sensorwelle bezüglich einer Frequenzmodulation zu analysieren. Dies ist gleichbedeutend mit einer Analyse der Sensorwelle bezüglich einer Phasenmodulation.

Alternativ oder zusätzlich kann bei einem sich mit der Zeit ändernden Meßwert die von der Sensorantenne rückgestreute Sensorwelle bezüglich einer Amplitudenmodulation analysiert werden.

Wenn eine Funksensoreinrichtung, d. h. eine Baueinheit mit dem Sensor und der Sensorantenne, an einem um eine Drehachse rotierenden Objekt oder einem anderen sich bewegenden Objekt angeordnet wird, während eine Sende- und Empfangseinrichtung zum Senden der Erregerwelle und zum Empfangen der rückgestreuten Sensorwelle ruht, kann zur Trennung der Sensorwelle von der Erregerwelle auch ein dabei auftretender Dopplereffekt genutzt werden. Genaugenommen ist der Dopplereffekt sogar ein doppelter, weil er einmal am Ort der Sensorantenne bezüglich der Erregerwelle auftritt und einmal am Ort der Sende- und Empfangseinrichtung bezüglich der Sensorwelle. Der Dopplereffekt ist jedoch nicht das hier interessierende Meßsignal. Dieses ist vielmehr der in ihrer Frequenz dopplerverschobenen Sensorwelle aufmoduliert.

Das neue Verfahren kann zur Messung des Reibbeiwerts eines Reifens mit der Fahrbahn verwendet werden. Hier steht dann neben dem zuletzt beschriebenen Dopplereffekt auch die zu erwartende Form der Meßwertvariation als Trennkriterium für die Sensorwelle von der Erregerwelle zur Verfügung. Auch dies ist im Rahmen einer Fourieranalyse der Sensorwelle ausnutzbar.

Der Sensor zur Verwendung bei dem neuen Verfahren kann eine meßwertsensitive Kapazität, Induktivität und/oder Resistivität aufweisen. Grundsätzlich kann der Sensor auch einen komplizierteren Aufbau mit einem Schaltkreis, welcher eine meßwertsensitive Impedanz aufweist, haben. Dies ist aber nicht bevorzugt. Details zu möglichen Ausführungsformen des Sensors mit der meßwertsensitiven Kapazität sind im übrigen der DE 198 07 004 A1 zu entnehmen.

Der Sensor mit der meßwertsensitiven Kapazität kann als Last am Fußpunkt der Sensorantenne angeschlossen werden. Er kann aber auch beispielsweise in die Sensorantenne selbst integriert werden. Zur Temperaturüberwachung kann beispielsweise ein Bimetallstreifen vorgesehen sein, der bis zu einem Schwellwert die Antenne zwischen zwei Antennenarmen schließt und bei Überschreitung des Temperaturschwellwerts die Antennenarme trennt.

In einer besonders bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird die Sensorantenne selbst als Sensor ausgebildet, dessen Impedanz sich durch seine Verbiegung ändert. Mit anderen Worten wird ein Biegesensor als Sensorantenne verwendet, bei der sich der kapazitive oder induktive Anteil ihrer Impedanz mit der Verbiegung ändert. Dies ist für alle Meßwerte möglich, bei denen es sich um eine Biegung handelt, die sich in einer Biegung äußern oder die in eine Biegung umsetzbar sind.

Bevorzugt ist die Erzeugung der Erregerwelle mit einer Erregerfrequenz von 100 bis 6000 MHz. Es versteht sich, daß die Sensorantenne auch bezüglich ihrer Baugröße von der Erregerfrequenz der Erregerwelle abhängig ist. Gleichzeitig spielt die Erregerfrequenz für die Trennbarkeit der Sensorwelle von der Erregerwelle eine maßgebliche Rolle. Dies gilt insbesondere dann, wenn der interessierende Meßwert eine Variation über der Zeit erfährt.

Bei der neuen Vorrichtung ist der Sensor mit der meßwertsensitiven Impedanz direkt an die Sensorantenne angeschlossen, so daß sich deren Impedanz, d. h. ihr Rückstreuverhalten, bei einer Änderung des Meßwerts ändert, und daß die Empfangsantenne die von der Sensorantenne rückgestreute modulierte elektromagnetische Sensorwelle zeitgleich mit der Abstrahlung der Erregerwelle durch die Senderantenne empfängt. Die Funksensoreinrichtung mit dem Sensor und der Sensorantenne weist den schon beschriebenen sehr einfachen Aufbau auf, beispielsweise wenn die Sensorantenne selbst die meßwertsensitive Impedanz aufweist oder zumindest Teil des Sensors mit der meßwertsensitiven Impedanz ist. Die grundsätzliche Anordnung und Ausbildung des Sensors kann, wie ebenfalls schon erwähnt, der DE 198 07 004 A1 entnommen werden, nur daß bei der vorliegenden Erfindung der Energiespeicher entfällt und die Sensorantenne typischerweise räumlich näher an dem Sensor angeordnet oder mit diesem zu einem einzigen Bauteil zusammengefaßt ist. Beispielsweise können der Sensor und die Sensorantenne gemeinsam von einem auf Biegung beanspruchten Metalldrahtabschnitt ausgebildet werden. Ein solcher Metalldrahtabschnitt kann in der Serienproduktion von Reifen einfach und kostengünstig im Bereich des Profils angeordnet werden, um die Möglichkeit einer Überwachung des Reibbeiwerts der Reifen zu schaffen.

Zur weiteren Erläuterung der Erfindung ist die sich anschließende Berechnung des bei dem neuen Verfahren auftretenden Meßeffekts für den Fall der Messung des Reibbeiwerts eines Reifens mit der Fahrbahn vorgesehen. Dabei zeigt

Fig. 1 die Meßanordnung an dem Reifen eines Kraftfahrzeugs und

Fig. 2 die Auslenkung eines Profilelements des Reifens gemäß Fig. 1 beim Latschdurchlauf.

Die nachstehenden Berechnungen gehen von der in Fig. 1 dargestellten Meßanordnung aus, bei der eine Vorrichtung 4 zur Messung des Reibbeiwerts eines Reifens 10 mit einer Fahrbahn 15 vorgesehen ist. Der Reifen 10 ist an einem Rad 9 eines Kraftfahrzeugs 8 montiert und läuft mit diesem in Richtung eines Drehpfeils 14 um eine Drehachse 18 um. Dabei bewegt sich das Fahrzeug 8 in Richtung eines Pfeils 13 vorwärts (x- Richtung). Die Vorrichtung 4 besteht aus eines hinter dem Rad 9 an dem Fahrzeug angeordneten Sende- und Empfangseinrichtung 7, einer dieser zugeordneten Frequenzanalyseeinrichtung 20 und einer im Reifen 10 angeordneten Funksensoreinrichtung 19. Die Sende- und Empfangseinrichtung 7 umfaßt eine Sendeantenne 5 zur Abstrahlung einer Erregerwelle und eine Empfangsantenne 6 zum Empfangen einer Sensorwelle. Die Antennen 6 und 7 können dabei auch zu einer einzigen Abfrageantenne zusammengefaßt sein. Die Frequenzanalyseeinrichtung 20 steuert die Sendeantenne 7 zum Abstrahlen der Erregerwelle an und Analysiert das Ausgangssignal der Empfangsantenne 6 bezüglich seiner Frequenz bzw. seiner Frequenzanteile. Die Sensorwelle, die die Basis des Ausgangssignals der Empfangsantenne 7 bildet wird von einer Sensorantenne 17 der Funksensoreinrichtung 19 als Antwort auf die Erregerwelle zurückgestreut. Dabei ist die Sensorwelle gegenüber der Erregerwelle durch einen Sensor 16 mit der Dynamik einer meßwertsensitiven Impedanz moduliert, der direkt an die Sensorantenne 17 angeschlossen ist und ihr Rückstreuverhalten mit dem Meßwert ändert. Der Sensor 16 kann auch integraler Bestandteil der Sensorantenne 17 sein. Der interessierende Meßwert ist hier die Auslenkung eines Profilelements 12 des Profils 11 des Reifens 10. Entsprechend ist der Sensor 16 hier in dem Reifen 10 angeordnet.

Angenommen sei eine geradlinige gleichförmige Bewegung des Fahrzeug 8 in Richtung des Pfeils 13. Da sich die Antennen 5, 6 hinter dem Rad 9 befinden, bewegt sich das Profilelement 12 mit dem Sensor 16 beim Latschdurchlauf, d. h. beim Durchlauf durch eine in Fig. 1 nicht dargestellte, aber der Realität entsprechende Aufstandsfläche des Reifens 10 auf der Fahrbahn 15, auf die Antennen zu, so daß ein Dopplereffekt auftritt. Bei einer Anordnung vor dem Rad 9 würde sich das Profilelement 12 von den Antenne 5, 6 wegbewegen, wobei sich nur die Vorzeichen des Dopplereffekts umdrehen. Bei einer Anordnung der Antenne 5, 6 senkrecht oberhalb der Aufstandsfläche wird der Dopplereffekt zu Null. Das hier beschriebene Meßverfahren mit modulierter Rückstreuung funktioniert jedoch nach wie vor. Bei den nachfolgenden zur Berechnungen werden nur Bewegungen in Richtung des Pfeils 13 betrachtet; die Antennen 5, 6 mögen sich daher auf der Höhe der Fahrbahn 15 befinden. Wenn die Höhe über der Fahrbahn 15 mit berücksichtigt wird, so ändert das nichts an den prinzipiellen Überlegungen, aber die Formeln werden etwas komplizierter.

Das Kraftfahrzeug 8 bewege sich mit der Geschwindigkeit VAuto

Der Reifen 10 habe den Radius r

Daraus ergibt sich die Winkelgeschwindigkeit ωReifen des Reifen 10 zu:





1. Fall: Kreisförmige Bewegung ohne Berücksichtigung der Abplattung des Reifens 10 am Latsch

Die x-Richtung sei die Fahrtrichtung und die y-Richtung sei die Richtung von der Drehachse 18 des Rads 9 zur Aufstandsfläche. Wenn das Fahrzeug geradeaus fährt, so bewegt sich das Profilelement in der x-y-Ebene. Die fahrzeugfeste Antenne 5, 6 befinde sich auf Höhe der Drehachse 18 des Rads 9. S, sx, sy sei der Ort, bzw. die Ortskomponenten und v, vx, vy die Geschwindigkeit, bzw. die Geschwindigkeitskomponenten des Sensors 16 in der x-y-Ebene, bzw. x-, y-Richtung relativ zu den fahrzeugfesten Antennen 5, 6. t sei so gewählt, daß sich das Profilelement 12 bei t = 0 genau in der Mitte der Aufstandsfläche befindet. S0 ist der Abstand in x-Richtung zwischen den Antennen 5, 6 und dem Mittelpunkt der Aufstandsfläche, d. h. dem Abstand in x-Richtung zwischen den Antennen 5, 6 und der Drehachse 18 des Rads 9. Damit ergibt sich:





Die Dopplerfrequenz fd der rückgestreuten Sensorwelle ergibt sich aus der Frequenz f0 der Erregerwelle und der Lichtgeschwindigkeit c zu:





Die maximale Dopplerverschiebung ergibt sich an den beiden Orten, bei denen die Verbindungslinie zwischen der fahrzeugfesten Antenne und dem Sensor zum Reifen eine Tangente bildet, d. h.





Beispiel

f0 = 1 GHz, vAuto = 100 km/h Daraus ergibt sich eine maximale Dopplerverschiebung von fd - f0 = 92,5 Hz, was beispielsweise mit einem CW-Radar offensichtlich gut meßbar ist, wie die Polizei zeigt.

Im Folgenden wird zur Vereinfachung die Bewegung des Sensors nur noch entlang der x-Richtung betrachtet. Obige Gleichungen vereinfachen sich dadurch zu:





2. Fall: Kreisförmige Bewegung mit Berücksichtigung der Abplattung des Reifens 10 am Latsch

Beim Latschdurchlauf bewegt sich das Profilelement 12 nicht mehr kreisförmig, sondern geradlinig. Da die Sekante kürzer ist als der zugehörige Kreisbogen ergibt sich eine Verzwängung des Reifens 10, d. h. je eine Auswölbung am Latschein- und Auslauf. Wenn von der Bewegung des Profilelements die Kreisbewegung abgezogen wird, so verbleibt als Bewegung die in Fig. 2 mit x bezeichnete Verformung.

Die mit x bezeichnete Kurve wird nun zur leichteren Berechenbarkeit mit einer Sinuskurve genähert. Die maximale Auslenkung (in Fig. 2 ca. 0.45 mm) werde mit ALatsch bezeichnet. Die Aufstandlänge (2a und 2b in Fig. 2) werde mit LLatsch bezeichnet. Die Gesamtlänge der Sinus-Schwingung, mit der die tatsächliche Profilelementverformung genähert wird, beträgt dabei etwa 2.LLatsch. Die Frequenz fLatsch und die Winkelgeschwindigkeit ωLatsch der Latschbewegung ergibt sich aus der Bedingung, daß das Kraftfahrzeug 8 die Länge 2.LLatsch mit der Geschwindigkeit VAuto durchfährt:





Die Bewegung sx des Sensors 16 in x-Richtung relativ zu den fahrzeugfesten Antennen 5, 6 ergibt sich somit zu:





Immer wenn sich das Profilelement 12 im Bereich ±LLatsch um den Mittelpunkt der Aufstandsfläche befindet, wird zur kreisförmigen Bewegung die Bewegung durch die Profilelementverformung addiert. Das Vorzeichen ergibt sich dadurch, daß die Bewegung des Profilelements 12 zuerst von den Antennen 5, 6 weg zeigt, d. h. die Bewegung zu den Antennen 5, 6 hin wird durch den Wulst im Latscheinlauf verzögert. Zum Zeitpunkt t = 0 befindet sich das Profilelement 12 wieder in der Entfernung so in der Mitte der Aufstandsfläche.

Die Geschwindigkeit vx ergibt sich zu:





Die Dopplerverschiebung ergibt sich somit zu:





Es ergeben sich zwei Doppleranteile, wobei der Beitrag der Profilelementverformung um den Faktor π.ALatsch/LLatsch kleiner ist, als der Beitrag durch die Raddrehung.

Beispiel

LLatsch = 8 cm (siehe Bild 2) und ALatsch = 0.45 mm: Dadurch ergibt sich im Latschdurchlauf eine Erhöhung der Dopplerfrequenz von ca. 1,8%, was sicher nicht, bzw. nicht einfach meßbar ist.

Durch die Auswertung des Dopplersignals alleine ergibt sich daher beim Latschdurchlauf kein signifikantes Meßsignal. Zwar ist die Frequenz ωLatsch deutlich höher als die Raddrehung ωReifen, aber die Amplitude ALatsch ist doch nur sehr klein im Vergleich zum Reifenradius r.

3. Fall: Kreisförmige Bewegung mit Berücksichtigung der modulierten Rückstreuung

Erfindungsgemäß wird nun die Auslenkung ALatsch.sin(ωLatsch.t) in eine Modulation der Frequenz der rückgestreuten Sensorwelle umgesetzt. Hierzu wird ein frequenzbestimmendes Element der Funksensoreinrichtung, wie z. B. ein Teil der Sensorantenne selbst oder ein Abschluß der Sensorantenne, mit der Winkelgeschwindigkeit ωLatsch verändert. Dies kann dadurch geschehen, daß entweder die Antenne durch die Profilelementverformung verformt und damit in ihrer Resonanzfrequenz verstimmt wird, oder daß ein Dehnungsmeßsensor, wie eine veränderbare Kapazität, Induktivität oder Widerstand als Sensor 16 zum Abschluß der Sensorantenne 17 eingesetzt wird. Die Schaltung Sensorantenne 17 und Sensor 16 enthält dadurch mindestens ein Element Z(t), dessen Impedanz Z sich mit der Profilelementverformung verändert. Das rückgestreute Signal wird dadurch mindestens eine Komponente enthalten, die die gleiche Zeitabhängigkeit wie Z(t) aufweist. Das Spektrum dieser Komponente entspricht dem Spektrum von Z(t).

Wenn der Antennenabschluß durch die Profilelementauslenkung zwischen offen und kurzgeschlossen variiert wird, oder die Resonanzfrequenz der Antenne durch die Auslenkung um einen Bruchteil f0/Q, wobei Q die Güte der Sensorantenne 17 darstellt, verschoben wird, dann ist die gesamte rückgestreute Energie in dieser Spektralkomponente der Sensorwelle enthalten. Beidesmal ändert sich die Phase der reflektierten Sensorwelle um ±180°, was einer Verschiebung der Spiegelebene um ±λ/2 entspricht. λ ist hierbei die Wellenlänge der elektromagnetischen Sensorwelle: λ = c/f0. Die so modulierte Linie kann damit wie eine mit der Frequenz fLatsch dopplerverschobene Linie berechnet werden, deren Auslenkung ALatsch nun jedoch λ/2π beträgt.



Der Abstand der durch die Profilelementverformung modulierten Linie von der Dopplerverschobenen Linie wird sich damit wie 1/LLatsch zu 1/λ verhalten. Beispiel: LLatsch = 8 cm (siehe Bild2). Es ergeben sich für die in frage kommenden ISM-Bänder folgende Verhältnisse:





Der absolute Abstand zwischen der Dopplerlinie und der Profilelement-Verformungs-Linie bleibt zwar unabhängig von der Frequenz immer gleich, der relative Abstand sinkt jedoch mit steigender Meßfrequenz.

Ändert sich die Impedanz Z(t) und dadurch die Spiegelebene der reflektierten Sensorwelle nur wenig mit der Profilementverformung, so kann die reflektierte Sensorwelle in zwei Komponenten zerlegt werden, von denen sich die eine überhaupt nicht ändert und die andere sich um ±180° ändert. Die zweite Komponente hat wieder die gleiche spektrale Zusammensetzung wie Z(t). In diesem Falle wird somit nicht der spektrale Gehalt, sondern nur die Intensität der durch die Profilelementverformung beeinflußten Linie verändert.

Ändert sich beispielsweise die reflektierte Leistung durch die Veränderung von Z(t) in Betrag oder Phase nur um 1%, so beträgt der Anteil der durch Z(t) modulierten Linie 1/100-tel oder -20 dB der gesamten reflektierten Leistung.

Auch dadurch wird somit das rückgestreute Signal fd zusätzlich mit der Frequenz fLatsch = ωLatsch/2π moduliert.



Es ergibt sich die gleiche Formel wie oben.

In der erfindungsgemäßen Anwendung soll jedoch nicht nur die direkte Linie, wie sie in Abb. 2 mit x bezeichnet ist, untersucht werden, sondern auch höherfrequente Anteile, wie sie z. B. durch lokale Gleitvorgänge einzelner Profilelemente 12 hervorgerufen werden. Diese liegen bezüglich ihrer Frequenz dann noch weiter oberhalb.

Durch obige Abschätzungen wird klar, daß zur Messung der Profilelementverformung Frequenzen im MHz-Bereich bis 6 GHz gut geignet sind, Frequenzen oberhalb 6 GHz jedoch nicht, da das Sensorsignal zu nahe an das Dopplersignal heranrückt. BEZUGSZEICHENLISTE 1 Einlaufbereich

2 Kontaktbereich

2a Kontaktbereich, treibend

2b Kontaktbereich, bremsend

3 Auslaufbereich

4 Vorrichtung

5 Sendeantenne

6 Empfangsantenne

7 Sende- und Empfangseinrichtung

8 Kraftfahrzeug

9 Rad

10 Reifen

11 Profil

12 Profilelement

13 Pfeil

14 Drehpfeil

15 Fahrbahn

16 Sensor

17 Sensorantenne

18 Drehachse

19 Funksensoreinrichtung

20 Frequenzanalyseeinrichtung


Anspruch[de]
  1. 1. Verfahren zur Meßwertüberwachung durch Frequenzanalyse von modulierter Rückstreuung,
    1. - wobei zur Meßwerterfassung ein Sensor (16) mit einer meßwertsensitiven Impedanz vorgesehen wird,
    2. - wobei eine Sensorantenne (17) mit einer elektromagnetischen Erregerwelle im Bereich ihrer Resonanzfrequenz angeregt wird,
    3. - wobei eine von dem Sensor (16) modulierte rückgestreute elektromagnetische Sensorwelle empfangen und analysiert wird,
    4. - wobei die von der Sensorantenne (17) rückgestreute modulierte elektromagnetische Sensorwelle zeitgleich mit der Anregung der Sensorantenne (17) empfangen wird,
    5. - wobei die Energie der die Sensorantenne (17) anregenden Erregerwelle nicht zwischengespeichert wird und
    6. - wobei der Sensor (16) mit der meßwertsensitiven Impedanz direkt an die Sensorantenne (17) angeschlossen wird, so daß er deren Impedanz bei einer Änderung des Meßwerts ändert.
  2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Sensorantenne (17) rückgestreute Sensorwelle bezüglich der Frequenzanteile von mindestens zwei Frequenzen analysiert wird.
  3. 3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Sensorantenne (17) rückgestreute Sensorwelle bezüglich einer Frequenzmodulation analysiert wird.
  4. 4. Verfahren nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die von der Sensorantenne (17) rückgestreute Sensorwelle bezüglich einer Amplitudenmodulation analysiert wird.
  5. 5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß eine Funksensoreinrichtung (19) mit dem Sensor (16) und der Sensorantenne (17) an einem um eine Drehachse (18) rotierenden Objekt angeordnet wird, während eine Sende- und Empfangseinrichtung (7) zum Senden der Erregerwelle und zum Empfangen der rückgestreuten Sensorwelle nicht mit dem Objekt umläuft.
  6. 6. Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Meßwert der Reibbeiwert eines Reifens (10) mit der Fahrbahn (15) ist.
  7. 7. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (16) eine meßwertsensitive Kapazität, Induktivität und/oder Resistivität aufweist.
  8. 8. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (16) als Last am Fußpunkt der Sensorantenne (17) angeschlossen wird.
  9. 9. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (16) in die Sensorantenne (17) selbst integriert wird.
  10. 10. Verfahren nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Sensorantenne (17) als Sensor (16) ausgebildet wird, dessen Impedanz sich durch seine Verbiegung ändert.
  11. 11. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Erregerwelle mit einer Erregerfrequenz von 100 bis 6000 MHz erzeugt wird.
  12. 12. Vorrichtung, insbesondere zur Durchführung des Verfahrens nach einem der Ansprüche 1 bis 11, mit einer Sendeantenne zur Abstrahlung einer elektromagnetischen Erregerwelle, mit einer Sensorantenne zum Empfangen der Erregerwelle, mit einem eine meßwertsensitive Impedanz aufweisenden Sensor, mit einer Empfangsantenne zum Empfangen einer von dem Sensor modulierten rückgestreute elektromagnetische Sensorwelle und mit einer Analyseeinrichtung zum Analysieren der Sensorwelle, wobei die Empfangsantenne (7) die von der Sensorantenne (17) rückgestreute modulierte elektromagnetische Sensorwelle zeitgleich mit der Abstrahlung der Erregerwelle durch die Sendeantenne (5) empfängt, wobei kein Element zur Zwischenspeicherung der Energie der die Sensorantenne (17) anregenden Erregerwelle vorgesehen ist und wobei der Sensor (16) mit der meßwertsensitiven Impedanz direkt an die Sensorantenne (17) angeschlossen ist, so daß er deren Impedanz bei einer Änderung des Meßwerts ändert.
  13. 13. Vorrichtung nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (16) im Bereich des Profils (11) eines Reifens (10) angeordnet ist.
  14. 14. Vorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensor (16) und die Sensorantenne (17) gemeinsam von einem auf Biegung beanspruchten Metalldrahtabschnitt ausgebildet werden.






IPC
A Täglicher Lebensbedarf
B Arbeitsverfahren; Transportieren
C Chemie; Hüttenwesen
D Textilien; Papier
E Bauwesen; Erdbohren; Bergbau
F Maschinenbau; Beleuchtung; Heizung; Waffen; Sprengen
G Physik
H Elektrotechnik

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