DE102022113728A1

DE102022113728A1 - Verfahren zur Messung von Abstandsänderungen zu einem Messobjekt

Info

Publication number: DE102022113728A1
Application number: DE102022113728.7A
Authority: DE
Inventors: Axel Hülsmann; Mathias Klenner; Lars Clad; Johannes Klenner
Original assignee: Ondosense GmbH
Current assignee: Ondosense GmbH
Priority date: 2022-05-31
Filing date: 2022-05-31
Publication date: 2023-11-30

Abstract

Bei einem Verfahren zur Messung von Abstandsänderungen zu einem Messobjekt (2) wird ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über eine Radarantenne zum Messobjekt (2) gesendet. Vom Messobjekt (2) reflektierte Radarstrahlung wird von der Radarantenne empfangen und das Empfangssignal zur Bildung eines Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal gemischt wird. Das Zwischenfrequenzsignal wird zeitdiskret abgetastet, um einen digitalen Datenstrom zu erzeugen. Bei dem Verfahren wird die Abstandsänderung durch Auswertung des Phasenspektrums des digitalen Datenstrom ermittelt. Während der Dauer eines Störzustands, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt (2) angeordnet ist oder die Gefahr besteht, dass das der Fall ist, wird das frequenzmodulierte Dauerstrichradarsignal weiterhin erzeugt, aber die Messung der Abstandsänderung wird angehalten. Nach Beendigung der Störung wird die Abstandsänderung aus der Differenz zwischen einem vor dem Auftreten der Störung ermittelten Phasenwert und einem nach dem Auftreten der Störung ermittelten Phasenwert bestimmt.

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Messung von Abstandsänderungen zu einem Messobjekt, wobei ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über eine Radarantenne zum Messobjekt gesendet wird, wobei vom Messobjekt reflektierte Radarstrahlung von der Radarantenne empfangen und das so erhaltene Empfangssignal zur Bildung eines Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal gemischt wird, wobei das Zwischenfrequenzsignal zeitdiskret abgetastet wird, um einen digitalen Datenstrom zu erzeugen.
Die Abstandsmessung mittels Radar ist eine vielfältig eingesetzte Technik im industriellen Umfeld, wenn es darum geht Abstände berührungslos und unter schwierigen Umweltbedingen, wie Staub, Dampf, Rauch, Beleuchtungsschwankungen, und Lärm, zu messen. Mit der Erfindung können Abstandsänderungen im µm-Bereich unter schwierigen Umweltbedingungen gemessen werden. Dies ermöglicht neue Anwendungen, beispielsweise im Bereich von CNC-Maschinen, Stahl- und Walzwerken sowie der Blechdickenmessung.
Stand der Technik ist die Radarabstandsmessung mit µm-Genauigkeit beispielsweise beschrieben durch die Veröffentlichung von Steffen Scherr, et. Al. „Miniaturized 122 GHz ISM Band FMCW Radar with Micrometer Accuracy“, Proceedings of the 12th European Radar Conference, 9-11 Sept. 2015, Paris. Hier wird über Abstandsbereiche von 1000 bis 2900 mm eine Abstands-Messgenauigkeit von +/- 400 µm demonstriert. In Abschnitten im Entfernungsbereich zwischen 2000 und 2005 mm zeigt die Veröffentlichung einen Entfernungsfehler von +/- 2 µm.
Bei einem FMCW-Radar wird das hochfrequente Sende- mit dem hochfrequenten Empfangssignal, die im mm-Wellen Bereich liegen, in den Audio oder Video-Frequenzbereich herunter gemischt. Dieses Signal wird digitalisiert und mit der komplexen diskreten Fourier Transformation (DFT) in ein diskretes Frequenz- und Phasenspektrum überführt. Die Maxima im Frequenzspektrum können Objekten, die sich im Messbereich der Radarkeule befinden, zugeordnet werden. In erste Näherung ist die Frequenz eines Frequenzmaximums proportional zur Entfernung des Objekts. Die Genauigkeit der Entfernungsmessung ist in der Praxis auf Werte in der Größenordnung einer halbe Wellenlänge der mittleren Sendefrequenz begrenzt.
Die Genauigkeit der Entfernungsmessung kann durch die Cramer-Rao Grenze abgeschätzt werden. Die Cramer-Rao Grenze ist eine theoretische Grenze, die in der Praxis nicht erreicht werden kann und von vielen Faktoren eines real aufgebauten Radarsystems abhängt, wie beispielsweise dem Signal-Rausch Verhältnis des Empfangssignals, dem Phasenrauschen der Sendefrequenz, dem Phasenfehler verursacht durch den Abstand von Sende-/ und Empfangs-Radarantenne, der Bandbreite des Sendesignals, der Linearität des Frequenzchirp, aber auch der gewählten Fenster-Funktion und der Digitalisierung des Radarsignals. Eine theoretische Abschätzung der erzielbaren Genauigkeit ist in der Dissertation von Steffen Scherr, „FMCW-Radarsignalverarbeitung zur Entfernungsmessung mit hoher Genauigkeit“, 2016, ISBN 978-3-7315-0607-2 beschrieben. Um die Abstandsmessgenauigkeit eines Radars zu erhöhen erfolgt die Auswertung der FMCW-Radar-Signale durch eine kombinierte Frequenz- und Phasenanalyse am Ausgang des Hochfrequenzmischers und ist Stand der Technik. Der in der Dissertation von Scherr beschriebene Algorithmus ist die Grundlage für Entfernungsmessungen mit hoher Genauigkeit. Innerhalb eines Eindeutigkeitsbereichs, in dem jeder Frequenz im Fourier-Spektrum einer eindeutigen Phase zugeordnet werden kann, können mit Hilfe der Phasenauswertung Abstandsänderungen sogar im Sub-µm-Bereich erzielt werden, wenn der entsprechende technische Aufwand betrieben wird. Vor allem eine größere Bandbreite der Sendefrequenz erhöht die Auflösung. Um Bandbreiten mit mehr als 10% der mittleren Sendefrequenz zu erzielen, bedarf es ausgeklügelter und entsprechend teurer Radarkomponenten. Außerdem bedarf die Verwendung großer Frequenz-Bandbreiten der Zulassung durch die Behörden und ist nicht immer gewährleistet.
Die Sendefrequenz des Sendesignals s_s(t) eines FMCW-Radars ändert sich linear mit der Zeit und wird beschrieben durch Gleichung 1. $s_{s} (t) = A_{s} \cdot exp (- j (ω_{s} + φ_{s})) = A_{s} \cdot exp (- j Φ_{s})$
In Gleichung 1 ist A_s die Amplitude, ω_s die Kreisfrequenz, φ_s die Phase und Φ_s die Frequenzbeschreibung des Sendesignals. Die Kreisfrequenz ist definiert durch ω_s = 2πf_s, wobei sich f_s die Sendefrequenz in einem FMCW-Radar linear über der Zeit ändert und in einem Zeitabschnitt T durch Gleichung 2 beschrieben werden kann. Diese Frequenzänderung wird auch als Chirp bezeichnet. $f_{s} (t) = f_{a} \pm \frac{B}{T} t$
In Gleichung 2 ist f_a die Anfangsfrequenz, B die Bandbreite der Sendefrequenz und somit die Differenz zwischen Anfangs- und Endfrequenz und T die Chirpzeit. also die Zeit, in der sich die Sendefrequenz linear von der Anfangsfrequenz f_a bis zur Endfrequenz ändert. ± bedeute, dass im Falle der Addition die Sendefrequenz linear von kleinen zu großen Frequenzen ansteigt und im Falle der Subtraktion von großen zu kleinen Frequenzen abfällt. In der weiteren Betrachtung wird nur der ansteigende Fall betrachtet, da der abfallende analog zu betrachten ist.
Analog zum Sendesignal lässt sich das Empfangssignal, das vom reflektierenden Objekt zurück zum Radar gelangt durch Gleichung 3 beschreiben. $s_{e} (t) = A_{e} \cdot exp (- j (ω_{e} + φ_{e})) = A_{e} \cdot exp (- j Φ_{e})$
Das Signal am Ausgang eines Hochfrequenzmischers eines FMCW-Radars wird auch als Zwischenfrequenzsignal s_IF(t) bezeichnet und lässt sich durch die Multiplikation von Sende- und Empfangssignal durch Gleichung 4 schreiben. $\begin{array}{l} s_{I F} (t) = A_{I F} \cdot exp (- j (ω_{I F} + φ_{I F})) \\ = A_{s} \cdot exp (- j (ω_{s} + φ_{s})) \times A_{e} \cdot exp (- (j ω_{e} + φ_{e})) \end{array}$
In Gleichung 4 ist A_IF die Amplitude, ω_IF die Kreisfrequenz, und φ_IF die Phase des Zwischenfrequenzsignals.
In einer vereinfachten Frequenzbetrachtung von Gleichung 4, wobei davon Gebrauch gemacht wird, dass sich die Exponenten in einer Multiplikation addieren bzw. subtrahieren ergibt sich die Gleichung 5. $ω_{I F} = ω_{s} \pm ω_{e}, oder f_{I F} = f_{s} \pm f_{e}$
Der Fall der Addition in Gleichung 5 ist ohne praktische Bedeutung, da die nachfolgende Elektronik als Tiefpass wirkt.
Ein Radarsignal, dass von einem Objekt reflektiert wird, das sich im Abstand R vom Radar befindet, wird vom Empfänger des Radars zeitverzögert nach Gleichung 6 empfangen. $τ = \frac{2 R}{c_{0}}$
In Gleichung 6 ist τ die Laufzeit, die das Sendesignal braucht, um vom Radar-Empfänger empfangen zu werden. R ist der Abstand zum Objekt und c₀ ist die Ausbreitungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum, die sich von der Ausbreitungsgeschwindigkeit in Luft kaum unterscheidet. Daraus ergibt sich Gleichung 7 unter Anwendung der Gleichungen 2, 5 und 6. $f_{I F} = \frac{B}{T} τ = \frac{2 B}{T \cdot c_{0}} R_{f}$
Gleichung 7 bedeutet, dass die Zwischenfrequenz f_IF proportional zum Abstand R ist, wenn die Bandbreite B, die Chirpzeit T und die Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle c₀ bekannt sind. Der Unterschied der Ausbreitungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle im Vakuum und in Luft ist gering und wird in der praktischen Radar Anwendung vernachlässigt. Der Fachmann legt B und T naturgemäß so fest, dass die Zwischenfrequenz f_IF im Bereich der Audio- oder Video-Frequenz liegt und technisch daher gut und kostengünstig ermittelt werden kann. Durch Ermittlung von f_IF kann somit der Abstand R innerhalb nachfolgend betrachteter Fehler ermittelt werden.
Eine genauere Betrachtung des Mischprodukts von Gleichung 4 ohne Berücksichtigung der Phase führt zu Gleichung 8. $Φ_{I F} (t) = 2 π (\frac{B}{T} τ t - \frac{B^{2}}{2 T} τ^{2} + f_{a} τ)$
In Gleichung 8 ist Φ_IF(t) die Frequenzbeschreibung des Zwischenfrequenzsignals am Ausgang des Hochfrequenzmischers. Der Term $\frac{B^{2}}{2 T} τ^{2}$
wird vernachlässigt, da die Signallaufzeit τ für Abstände im Bereich weniger Meter im Bereich von Nanosekunden liegt und damit erheblich größer ist als die Chirpzeit T, die üblicherweise im Millisekunden-Bereich liegt.
Wertet man Gleichung 4 hinsichtlich der Phase aus, führt dies zu Gleichung 9. $φ_{I F} = 2 π f_{a} τ = \frac{4 π f_{a}}{c_{0}} R_{φ}$
Durch die Messung der Phase φ_IF kann daher der Abstand R ebenfalls ermittelt werden. Der Eindeutigkeitsbereich der Phase ist naturgemäß auf +/- eine halbe Wellenlänge begrenzt, lässt sich aber erheblich genauer als die Frequenz ermittelt. Eine Kombination aus Phasen und Frequenzauswertung des Zwischenfrequenzsignals kann daher die Genauigkeit einer Abstandsmessung gegenüber der reinen Frequenzmessung erheblich verbessern, wenn durch die Frequenzmessung eine Genauigkeit erzielt wird, die besser als eine halbe Wellenlänge ist. Leider ist dies in realen Radar-Systemen nicht mit vertretbarem Aufwand zu gewährleisten.
In der Dissertation von Scherr wird die Messgenauigkeit von Radaren während einer kontinuierlichen Abstandsänderung zum Objekt gemessen. Dadurch ist jederzeit der Phasenbezug zum Abstand gewährleistet, da nur monoton steigende ober fallende Abstandsmessungen untersucht wurden. Ein FMCW-Radar, das den absoluten Abstand zu einem Objekt nach dem in der Dissertation von Scherr beschriebenen Verfahren misst, kann daher einen Fehler von einer halben Wellenlänge aufweisen, wenn die Ermittlung des Abstands durch reine Frequenzauswertung nicht genauer als eine halbe Wellenlänge ist. Wird während der Abstandsmessung die Funkstrecke zwischen Objekt und Radar unterbrochen oder gestört, beispielsweise durch ein zweites Objekt, dass zwischenzeitlich in den Radarstrahl gerät, kann dies zu einem gemessenen Entfernungssprung von einer halben Wellenlänge oder einem Vielfachen einer halben Wellenlänge führen.
Unter einem „absoluten Abstand“ wird der Abstand zwischen Radar und Objekt verstanden. Unter einem „relativen Abstand“ wird die Abstandsänderung zwischen Radar und Objekt verstanden.
Nach dem Stand der Technik kann der absolute Abstand mit kostengünstigen Radarsystemen, die durch ihre Auflösung des diskreten Frequenzspektrums und der Bandbreite begrenzt sind, nur zuverlässig mit einer Genauigkeit von höchstens einer halben Wellenlänge bestimmt werden. Der relative Abstand lässt sich durch die Phasenauswertung erheblich genauer als eine halbe Wellenlänge bestimmen, wenn während der Abstandsänderung die Funkstrecke nicht gestört wird. Eine Störung kann durch Unterbrechung der Funkstrecke eintreten, oder durch einen plötzlichen Abstandsänderungssprung zwischen zwei Radarmessungen, bei dem sich das Objekt zwischen zwei Messungen schneller als eine halbe Wellenlänge bewegt hat. Weitere Störungen können durch elektromagnetische Störungen, Temperaturänderungen, Änderungen der Luftzusammensetzung, elektronisches Rauschen und andere Einflüsse entstehen.
Der Nachteil des Standes der Technik ist, dass der absolute Abstand zu einem Objekt in der Praxis nur mit eingeschränkter Genauigkeit von einem FMCW-Radar gemessen werden kann. Eingeschränkte Genauigkeit bedeutet, dass entweder der Bereich in dem eine Genauigkeit von besser einer halben Wellenlänge erreicht werden kann auf eingeschränkte Abstandsbereiche begrenzt ist, und/oder die Ungenauigkeit bei vollem Abstandsbereich zunimmt. Im zitierten Stand der Technik ist der eingeschränkte Abstandsbereich mit 5 mm angegeben und der volle Abstandsbereich mit 1800 mm, bei kontinuierlicher Messung, ohne Störung der Funkstrecke.
Im Stand der Technik werden kontinuierliche Abstandsänderungen mit einer Änderung von weniger als einer halben Wellenlänge zwischen zwei Messungen beschrieben. Ist die Abstandsänderung zwischen zwei Messungen größer als eine halbe Wellenlänge führt die Phasenauswertung des Messsignals zu uneindeutigen Abstandsmessungen. Die Eindeutigkeit kann bei industriellen Anwendungen nicht sichergestellt werden. Abstandsänderungen von mehr als einer halben Wellenlänge zwischen zwei Messungen können unter anderem durch folgende Ursachen hervorgerufen werden:

1. Zu schnelle Bewegung des Messobjekts
2. Herausbewegen des Messobjekts aus dem Messbereich
3. Störobjekte zwischen Messobjekt und Sensor

Diese Ursachen können einen „vorhersehbaren“ und „unvorhersehbaren“ Charakter besitzen. Wenn es zu Uneindeutigkeiten bei der Phasenauswertung des Messsignals kommt entstehen Messfehler. Messfehler können dazu führen, dass der Industrie-Prozess in dem das Messverfahren eingesetzt wird, unterbrochen werden muss, um den Messprozess neu zu starten. Manuelle Eingriffe in den Industrie-Prozess sind meist inakzeptabel, da dies zu erhöhten Kosten führt und zusätzliche Fehlerquellen birgt. Der zitierte Stand Technik führt zu bisher unbefriedigenden Ergebnissen, die die Anwendung der Radartechnologie im industriellen Umfeld bisher stark einschränken oder gar unmöglich machen.
Aufgabe der Erfindung ist daher, ein Verfahren der eingangs genannten Art zu schaffen, das eine sichere, robuste, kosteneffiziente und präzise Abstandsänderungsmessung ermöglicht.
Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst. Diese sehen bei einem Verfahren zur Messung von Abstandsänderungen zu einem Messobjekt vor, dass ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über eine Radarantenne zum Messobjekt gesendet wird, dass vom Messobjekt reflektierte Radarstrahlung von der Radarantenne empfangen und das so erhaltene Empfangssignal zur Bildung eines Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal gemischt wird, dass das Zwischenfrequenzsignal zeitdiskret abgetastet wird, um einen digitalen Datenstrom zu erzeugen, und dass das Verfahren folgende Schritte aufweist:

a) für einen ersten Zeitpunkt Erzeugen eines ersten Phasenspektrums aus dem digitalen Datenstrom, Ermitteln eines ersten Phasenwerts, den dieses Phasenspektrum bei einer Bezugsfrequenz aufweist, und Speichern des ersten Phasenwerts in einem Datenspeicher,
b) für einen weiteren Zeitpunkt Prüfen, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt angeordnet ist,
c) falls für den in Schritt b) genannten Zeitpunkt das Vorliegen des Störzustands detektiert wird, Wiederholen der Schritte b) und c),
d) für den in Schritt b) genannten weiteren Zeitpunkt Erzeugen eines weiteren Phasenspektrums aus dem digitalen Datenstrom, Ermitteln eines weiteren Phasenwerts, den dieses Phasenspektrum bei der Bezugsfrequenz aufweist,
e) Ermitteln eines zur Differenz aus dem gespeicherten Phasenwert und dem in Schritt f) genannten weiteren Phasenwert proportionalen Messwerts (ΔP_φN) für die Abstandsänderung,
f) optional Ablegen des in Schritt g) genannten weiteren Phasenwerts im Datenspeicher und Wiederholen der Schritte b) bis f), wobei in Schritt e) dieser Phasenwert als gespeicherter Phasenwert verwendet wird.

Die Abstandsänderungsmessung wird also durch eine Phasenauswertung des Phasenspektrums ermittelt. In vorteilhafter Weise sind hierdurch Messgenauigkeiten im µm-Bereich möglich. Die Phase wiederholt sich jedoch alle 2π. Durch die reine Phasenauswertung kann somit nicht entschieden werden, ob sich der Abstand zwischen zwei Messungen um mehr als eine Wellenlänge verändert hat oder nicht. Die Erfindung geht davon aus, dass sich der Abstand des Messobjekts zur Radarantenne nur so langsam verändert, dass die Differenz aus dem gespeicherten Phasenwert und dem in Schritt g) genannten weiteren Phasenwert bei einer störungsfreien Abstandsmessung stets kleiner als π ist.
In der Praxis kommt es jedoch vor, dass Störzustände auftreten, bei dem ein Hindernis vorübergehend in der Radarübertragungsstrecke zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt angeordnet ist. Ein solches Hindernis kann beispielsweise ein Roboterarm sein, der vorübergehend durch die Messtrecke hindurch bewegt wird. Damit eine derartige Störungen in Schritt d) nicht zu einer fehlerhaften Abstandsmessung führen kann, sieht die Erfindung vor, dass für den in Schritt b) genannten Zeitpunkt geprüft wird, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt angeordnet ist oder die Gefahr besteht, dass das der Fall ist. Diese Prüfung kann beispielsweise bei dem Roboterarm dadurch vorgenommen werden, dass die Maschinensteuerung des Roboters ein entsprechendes Signal ausgibt, welches bei der Messung der Abstandsänderung ausgewertet wird. Wenn kein Störzustand detektiert wird, wird der Messwert für die Abstandsänderung aus der Differenz zwischen dem gespeicherten Phasenwert und dem in Schritt g) genannten weiteren Phasenwert bestimmt. Falls die Prüfung jedoch ergibt, dass ein Störzustand vorliegt, wird die Prüfung solange wiederholt, bis der Störzustand beendet ist. Danach wird in Schritt e) ein Phasenspektrum aus dem digitalen Datenstrom erzeugt und aus der Differenz des aus diesem Phasenspektrum ermittelten Phasenwerts und dem letzten Phasenwert, der gemessen wurde, bevor der Störzustand auftrat, der Messwert für die Abstandsänderung ermittelt.
Die Erfindung hat gegenüber dem Stand der Technik mehrere Vorteile:

- Es kann eine kostengünstige Radarelektronik verwendet werden mit reduzierter Bandbreite.
- Durch die Möglichkeit begrenzte Bandbreiten zu nutzen kann das hochauflösende Radar in den lizenzfreien ISM-Bänder betrieben werden.
- Das Radar kann trotz Bandbreitenlimitierung Abstandsänderungen im µm-Bereich messen.
- Gegenüber optischen Messverfahren, die ähnliche Genauigkeiten erzielen, ist das erfindungsgemäße Radarverfahren deutlich robuster und kostengünstiger.
- Wegen der erheblich größeren Wellenlänge der elektromagnetischen Strahlung eines Radars gegenüber optischen Systemen, ist die Erfindung fehlertoleranter gegenüber Staub, Rauch, Dampf, Temperaturstrahlung und Partikeln.
- Die Oberflächenrauigkeit des Messobjekts ist für die Messgenauigkeit unbedeutend.
- Gegenüber magnetisch arbeitenden Abstandsmessverfahren hat die Erfindung den Vorteil, dass die Abstandsänderung aus einem größerem Abstand gemessen werden kann.
- Unterschiede in der Oberflächenleitfähigkeit des Messobjekts haben kaum bis keinen Einfluss auf die Messgenauigkeit.
- Gegenüber Ultraschall Messmethoden hat die Erfindung erhebliche Genauigkeitsvorteile und wird durch akustische Störungen nicht beeinflusst.
- Die Erfindung ermöglicht neue Anwendungen.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen beschrieben.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass für das erste Phasenspektrum mindestens drei erste Stützstellen bereitgestellt werden, dass das erste Phasenspektrum durch lineare Interpolation aus den ersten Stützstellen gebildet und der erste Phasenwert mit Hilfe dieser Interpolation ermittelt wird, und/oder dass für das in Schritt d) von Patentanspruch 1 genannte weitere Phasenspektrum mindestens drei weitere Stützstellen bereitgestellt werden, dass das weitere Phasenspektrum durch lineare Interpolation aus den weiteren Stützstellen gebildet und der weitere Phasenwert mit Hilfe dieser Interpolation ermittelt wird. Durch diese lineare Interpolation kann die Abstandsänderung des Messobjekts zum Radar mit noch größerer Präzision ermittelt werden.
Die erste und/oder die zweite lineare Interpolation wird bevorzugt über eine Anzahl von mindestens 2, gegebenenfalls mindestens 3 und bevorzugt mindestens 10 Stützstellen durchgeführt. Hierdurch kann der Einfluss von Streuungen in den Stützstellen auf den Messwert kompensiert werden.
Bei einer vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung wird aus dem digitalen Datenstrom für den ersten Zeitpunkt ein erstes Amplitudenspektrum erzeugt und in dem ersten Amplitudenspektrum eine Abtaststelle bestimmt, bei der das Amplitudenspektrum ein dem Messobjekt zugeordnetes Maximum aufweist, wobei als Bezugsfrequenz in Schritt a) von Patentanspruch 1 die Frequenz einer Abtaststelle des ersten Amplitudenspektrums gewählt wird, die maximal n Abtaststellen von der das Maximum aufweisenden Abtaststelle entfernt ist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 0 und 10, insbesondere zwischen 0 und 5, gegebenenfalls zwischen 0 und 3 und bevorzugt 1 oder 0 ist. Optional kann für den in Schritt b) von Patentanspruch 1 genannten weiteren Zeitpunkt ein weiteres Amplitudenspektrum erzeugt und in dem weiteren Amplitudenspektrum eine Abtaststelle bestimmt werden, bei der das weitere Amplitudenspektrum ein dem Messobjekt zugeordnetes Maximum aufweist, wobei beim Wiederholen der Schritte b) bis f) von Patentanspruch 1 als Bezugsfrequenz die Frequenz einer Abtaststelle dieses weiteren Amplitudenspektrums gewählt wird, die maximal n Abtaststellen von der das Maximum aufweisenden Abtaststelle entfernt ist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 0 und 10, insbesondere zwischen 0 und 5, gegebenenfalls zwischen 0 und 3 und bevorzugt 1 oder 0 ist. Da im Bereich des Maximums des Amplitudenspektrums relativ große Signalpegel auftreten, kann die lineare Interpolation in diesem Bereich besonders genau durchgeführt werden.
Bei einer Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen,

i) dass für den in Schritt a) von Patentanspruch 1 genannten ersten Zeitpunkt aus dem digitalen Datenstrom ein erstes Amplitudenspektrum erzeugt und ein erster Frequenzwert (Δf_od) bestimmt wird, bei dem das erste Amplitudenspektrum ein Maximum aufweist, und der erste Frequenzwert (Δf_od) im Datenspeicher gespeichert wird,
ii) dass für den in Schritt b) von Patentanspruch 1 genannten weiteren Zeitpunkt aus dem digitalen Datenstrom ein weiteres Amplitudenspektrum ermittelt und ein weiterer Frequenzwert (Δf_nd) bestimmt wird, bei dem das weitere Amplitudenspektrum ein Maximum aufweist,
iii) dass zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, für die jeweils ein Amplitudenspektrum ermittelt wird, der Abstand zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt nicht um einen Wert geändert wird, dessen Betrag größer ist als die halbe Wellenlänge der mittleren Radarfrequenz des Sendesignals,
iv) dass ein zur Differenz aus dem gespeicherten Frequenzwert (Δf_od) und dem weiteren Frequenzwert (Δf_nd) aus Schritt ii) proportionaler Abstandsänderungswert (ΔR_fN) gebildet und betragsmäßig mit einem Grenzwert verglichen wird, der kleiner als ein Abstandsänderungswert ist, der bei der Messung einer Abstandsänderung auftritt, die der halben Wellenlänge der mittleren Radarfrequenz des Sendesignals entspricht,
v) dass in Schritt b) von Patentanspruch 1 der Störzustand detektiert wird, wenn der Vergleich in Schritt iv) ergibt, dass der Abstandsänderungswert (ΔR_fN) größer ist als der Grenzwert,
vi) optional Speichern des weiteren Frequenzwerts (Δf_nd) im Datenspeicher und Widerholen der Schritte ii) bis vi), wobei in Schritt iv) dieser Frequenzwert (Δf_nd) als gespeicherter Frequenzwert (Δf_od) verwendet wird.

Bei dieser Weiterbildung der Erfindung wird also das Amplitudenspektrum ausgewertet, um automatisch zu prüfen, ob ein Störzustand vorliegt. Das Verfahren ist dadurch auf einfache Weise durchführbar. Der Grenzwert kann kleiner als ein Abstandsänderungswert sein, der bei der Messung einer Abstandsänderung auftritt, die 100%, gegebenenfalls 25% und insbesondere 50% der Wellenlänge der mittleren Radarfrequenz des Sendesignals entspricht.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung werden die Schritte b) bis f) von Patentanspruch 1 mindestens zweimal durchlaufen, wobei die bei diesen Durchläufen jeweils für die Abstandsänderung ermittelten Messwerte (ΔP_φN) aufaddiert werden, um einen Gesamtwert zu erhalten, um den sich der Abstand zum Messobjekt während dieser Durchläufe verändert hat. Hierdurch können auch Abstandsänderungen, die größer als die halbe Wellenlänge der der mittleren Sendefrequenz sind, gemessen werden.
Bei einer Anwendung der Erfindung wird eine Werkzeugmaschine bereitgestellt, die ein Basisteil aufweist, an dem ein Werkstückhalter und ein Werkzeughalter angeordnet sind, wobei der Werkstückhalter ein Werkstück und der Werkzeughalter ein Bearbeitungswerkzeug zum Abtragen von Material von dem Werkstück trägt, rial von dem Werkstück trägt,

- wobei die Werkzeugmaschine einen Positionierantrieb aufweist, mittels dem der Werkstückhalter oder Werkzeughalter relativ zu der Stelle, an welcher der Positionierantrieb an dem Basisteil angeordnet ist, positioniert wird,
- wobei die Wegstrecke, um welche die Positionierung in Richtung der Radarübertragungsstrecke relativ zu dieser Stelle des Basisteils erfolgt, erfasst wird,
- wobei die Radarantenne an dem Werkstückhalter und das Messobjekt an dem Werkzeughalter oder die Radarantenne an dem Werkzeughalter und das Messobjekt an dem Werkstückhalter angeordnet ist, und
- wobei zum Ermitteln einer Drift und/oder eines Verzugs der Werkzeugmaschine die Differenz aus dem Messwert (ΔP_φN) für die Abstandsänderung zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt und der erfassten Wegstrecke gebildet wird.

Der Drift einer CNC-Werkzeugmaschine ist konstruktionsbedingt üblicherweise zwischen den Störungen kleiner als eine halbe Wellenlänge der mittleren Radar-Sendefrequenz. Im Vergleich zu anderen Messverfahren hat die Erfindung der Vorteil berührungslos zu arbeiten und weniger Empfindlich auf Verschmutzungen durch Kühl- und Schmierstoffe zu reagieren als beispielsweise optische Messverfahren. Gegenüber mechanischen Verfahren, die häufig Mikroschalter verwenden, hat das erfindungsgemäße Verfahren den Vorteil der schnelleren Messung. Mikroschalter müssen bis zum mechanischen Kontakt vergleichsweise langsam angefahren werden. Der Verschleiß an der Kontaktstelle führt zu einem Messfehlerdrift, der durch die berührungslos arbeitende Erfindung entfällt. Das Verfahren kann auf drei orthogonale zueinander angeordnete Radarmessstrecken erweitert werden, um eine vollständige Driftmessung in allen Dimensionen zu erfassen. Bei Bedarf kann der Einfluss der Drift bzw. des Verzugs auf den Abstand zwischen dem Werkstückhalter und dem Werkzeughalter mit Hilfe des Positionierantriebs automatisch kompensiert werden.
Bei einer anderen Ausgestaltung der Erfindung ist das Messobjekt eine Kante oder eine Oberfläche einer Materialbahn, insbesondere eines Blechs, welche Materialbahn relativ zu der Radarantenne entlang der Kante und/oder der Oberfläche in eine Transportrichtung bewegt wird, wobei die Radarantenne derart relativ zu der Materialbahn ausgerichtet wird, dass die Abstandsänderung zur Messobjekt quer und bevorzugt zur orthogonal zur Transportrichtung gemessen wird, und wobei die Messung der Abstandsänderung durchgeführt wird während die Materialbahn relativ zu der Radarantenne in die Transportrichtung bewegt wird.
In Blechwalzstraßen muss eine Regelung der Walzen erfolgen, die das Blech möglichst genau in der Walz-Spur hält, so dass die Dicke und Breite des Blechs innerhalb vorgegebener Toleranzen bleibt. Vor dem eigentlichen Walzprozess ist es vorteilhaft der Verzug der Bramme zu messen, da dieser während des Walzprozesses ausgeglichen werden muss. Während des Walzvorgangs wird aus der Brammenkante die Blechkante. Bei langestreckten Brammen, die vor allem in Walzstraßen für Bundmetalle Anwendung finden, ist es vorteilhaft vor dem Walzen die sogenannte „Säbelförmigkeit“ der Bramme zu ermitteln. Darunter versteht man die Krümmung der langgestreckten Bramme oder des Blechs. Beim Walzvorgang ist es vorteilhaft die Säbelförmigkeit, Breite, Dicke und Position des Blechs in der Walzstraße kontinuierlich zu erfassen und zu überwachen. Während sich die Bramme oder das Blech an der Radarmessstelle vorbei bewegt ändert sich der Abstand der Kanten zum Messsystem nur in seltenen Fällen sprunghaft. Sprunghafte Abstandsänderungen treten beispielsweise auf, wenn Blech- oder Brammenenden aneinander geschweißt werden, oder bei Defekten. Mit Hilfe der Erfindung können solche Abstandsänderungssprünge automatisch erkannt werden. Außerdem kann die kontinuierliche hochpräzise Abstandsänderung zur Messung der Säbelförmigkeit und zur präzisen Regelung der Walzstraße verwendet werden.
Beim Walzvorgang wird das Blech durch die Verformungsarbeit abschnittsweise heiß bis rotglühend. Teilweise wird das Blech mit Wasser gekühlt und es kommt zur Dampfbildung, weshalb optische Sensoren ungeeignet sind. Mit Hilfe der Erfindung kann die Abstandsänderung der Brammen- oder Blech-Kanten aus genügendem Abstand berührungslos und mit Genauigkeiten im µm-Bereich kontinuierliche gemessen werden.
Durch die Erfindung wird erstmalig eine äußerst präzise Regelung des Walzvorgangs ermöglicht. Dadurch kann das übliche Übermaß der gewalzten Blechbreite deutlich reduziert werden. Am Ende der Walzstraße wird das Blech üblicherweise auf Coils gerollt. Um zu verhindern, dass es an den Seiten des Coils zu unerwünschten Blechüberständen kommt, werden Bleche mit einem Übermaß gewalzt und an den Seiten vor dem Aufrollen maßhaltig geschnitten. Dadurch entsteht unerwünschter Schrott, der aus gewalztem Blech besteht und üblicherweise wieder eingeschmolzen wird. Eine Verringerung des Übermaßes führt daher zu einer Energieeinsparung und zur Reduzierung der CO2 Emission des Walzwerks.
Bei einer vorteilhaften Ausgestaltung der Erfindung ist vorgesehen, dass die Materialbahn in Transportrichtung durch einen Walzen- oder Rollenspalt zwischen den Walzen mindestens eines Walzenkalanders hindurchbewegt oder über ein Rollenpaar bewegt wird, dass die Materialbahn mindestens eine in Transportrichtung verlaufende erste Kante und eine dieser abgewandt gegenüberliegende, in Transportrichtung verlaufende zweite Kante aufweist, dass eine ortsfest zu dem Walzenkalander oder dem Walzenpaar angeordnete erste und eine ortsfest zu dem Walzenkalander oder Walzenpaar angeordnete zweite Radarantenne bereitgestellt wird,

I) dass ein erstes frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über die erste Radarantenne zur ersten Kante der Materialbahn gesendet und von dort reflektierte Radarstrahlung von der ersten Radarantenne empfangen wird, während die Materialbahn in Transportrichtung bewegt wird, dass das so erhaltene erste Empfangssignal zur Bildung eines ersten Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal der ersten Radarantenne gemischt wird, dass das erste Zwischenfrequenzsignal zeitdiskret abgetastet wird, um einen ersten digitalen Datenstrom zu erzeugen,
1. a1) dass für einen ersten Zeitpunkt ein erstes Phasenspektrum aus dem ersten digitalen Datenstrom gebildet und ein erster Phasenwert ermittelt wird, den das erste Phasenspektrum bei einer ersten Bezugsfrequenz aufweist, dass dieser Phasenwert in einem Datenspeicher gespeichert wird,
2. b1) dass für einen weiteren ersten Zeitpunkt geprüft wird, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der ersten Radarantenne und der ersten Kante angeordnet ist,
3. c1) dass für den Fall, dass für den in Schritt b1) genannten Zeitpunkt das Vorliegen des Störzustands detektiert wird, die Schritte b1) und c1) wiederholt werden,
4. d1) dass für den in Schritt b1) genannten weiteren Zeitpunkt ein weiteres erstes Phasenspektrum aus dem ersten digitalen Datenstrom gebildet und ein weiterer erster Phasenwert ermittelt wird, den dieses Phasenspektrum bei der ersten Bezugsfrequenz aufweist,
5. e1) dass ein zur Differenz aus dem gespeicherten ersten Phasenwert und dem in Schritt d1) genannten weiteren ersten Phasenwert proportionaler erster Messwert für die Abstandsänderung erzeugt wird,
II) dass ein zweites frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über die zweite Radarantenne zur zweiten Kante der Materialbahn gesendet und von dort reflektierte Radarstrahlung von der zweiten Radarantenne empfangen wird, während die Materialbahn in die Transportrichtung bewegt wird, dass das so erhaltene zweite Empfangssignal zur Bildung eines zweiten Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal der zweiten Radarantenne gemischt wird, dass das zweite Zwischenfrequenzsignal zeitdiskret abgetastet wird, um einen zweiten digitalen Datenstrom zu erzeugen,
1. a2) dass für einen zweiten Zeitpunkt ein zweites Phasenspektrum aus dem zweiten digitalen Datenstrom gebildet und ein zweiter Phasenwert ermittelt wird, den dieses Phasenspektrum bei einer zweiten Bezugsfrequenz aufweist, dass der zweite Phasenwert in dem Datenspeicher gespeichert wird,
2. b2) dass für einen weiteren zweiten Zeitpunkt geprüft wird, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der zweiten Radarantenne und der ersten Kante angeordnet ist,
3. c2) dass für den Fall, dass für den in Schritt b2) genannten Zeitpunkt das Vorliegen des Störzustands detektiert wird, die Schritte b2) und c2) wiederholt werden,
4. d2) dass für den in Schritt b2) genannten weiteren zweiten Zeitpunkt ein weiteres zweites Phasenspektrum aus dem zweiten digitalen Datenstrom gebildet und ein weiterer zweiter Phasenwert ermittelt wird, den dieses Phasenspektrum bei der zweiten Bezugsfrequenz aufweist,
5. e2) dass ein zur Differenz aus dem gespeicherten zweiten Phasenwert und dem in Schritt d2) genannten weiteren zweiten Phasenwert proportionaler zweiter Messwert für die Abstandsänderung erzeugt wird,
III) dass beim Auftreten von Abstandsänderungen, bei denen sich die linke und rechte Kante der Materialbahn in der von der Materialbahn aufgespannten Ebene quer zur Transportrichtung in dieselbe Richtung verschieben, die Lage der Achse wenigstens einer Walze des Walzenkalanders im Sinne einer Reduzierung dieser Lageverschiebung verändert wird,
VI) optional Speichern des in Schritt d1) genannten weiteren ersten Phasenwerts und des in Schritt d2) genannten weiteren zweiten Phasenwerts im Datenspeicher und Wiederholen der Schritte I) bis IV), wobei in Schritt e1) dieser erste Phasenwert und in Schritt e2) dieser zweite Phasenwert als gespeicherter Phasenwert verwendet wird.

Durch diese Maßnahmen kann die Materialbahn automatisch in einer Walzspur gehalten werden, so dass die Dicke und Breite der Materialbahn innerhalb vorgegebener Toleranzen bleibt. Das Verfahren kann beispielsweise in Blechwalzstraßen angewendet werden.
Bei einer zweckmäßigen Ausführungsform der Erfindung wird die Materialbahn auf einen um eine Rotationsachse drehangetriebenen Coil oder ein Wickelelement aufgewickelt, wobei das Messobjekt die Mantelfläche des Coils ist und die Abstandsänderung zur Mantelfläche gemessen wird, während die Materialbahn auf den Coil aufgewickelt wird, wobei die Änderung des Drehwinkels des Coils erfasst und aus der Abstandsänderung und der Änderung des Drehwinkels ein Messsignal für die Dicke der Materialbahn gebildet wird. Die Erfindung kann also auch sehr vorteilhaft beim Auf- oder Abrollen eines Blechs oder dergleichen Materialbahn von einem Coil eingesetzt werden. Durch die Erfassung des Aufrollwinkels, beispielsweise mit einem Winkel-Inkrementalgeber am Aufrollmechanismus des Coils und der erfindungsgemäßen Radareinheit, welche die Dicken-Zu- oder Abnahme der Blechrolle kontinuierlich erfasst, wird die Blechdicke kontinuierlich gemessen, beispielsweise zur Qualitätssicherung. Mit jeder Umdrehung des Coils ändert sich der Radius des Coils um die Blechdicke. Durch die kontinuierliche Abstandsänderungsmessung zur Coil-Oberfläche mit dem erfindungsgemäßen Hochpräzisionsradar, kann die Blechdicke mit µm-Genauigkeit gemessen werden.
Blechoberflächen können optisch spiegelnd beschaffen sein. Dadurch kann der Einsatz optischer Messtechnik unzuverlässig und ungeeignet werden. Das in dieser Erfindung beschriebene Radar misst die Abstandsänderung immer zur Oberflächennormalen des Blechs auf dem Coil und daher inhärent zuverlässig. Gegenüber optischen Systemen ergeben sich weitere Vorteile wegen der besseren Robustheit gegenüber Messfehlern durch Oberflächenrauigkeit, Dampf, Staub und Partikeln. Kondensation von Dampf und Anhaftungen von Partikeln an optischen Oberflächen führen bei optischen Systemen zu potentiellen Messfehlern. Das erfindungsgemäße Hochpräzisionsradar ist hier deutlich robuster.
Bei einer anderen vorteilhaften Ausführungsform der Erfindung ist das Messobjekt die Oberfläche eines Gegenstands, insbesondere einer Platte oder einer Scheibe, wobei die Radarantenne in einer Ebene relativ zur Oberfläche bewegt und ein Lagesignal für die Lage der Radarantenne relativ zur Oberfläche generiert wird, wobei die Abstandsänderung zwischen der Radarantenne und der Oberfläche des Gegenstands gemessen wird, während die Radarantenne relativ zur Oberfläche bewegt wird, und wobei in Abhängigkeit von den Messwerten für die Abstandsänderung und dem Lagesignal ein Messsignal für die Ebenheit und/oder den Verzug der Oberfläche erzeugt wird. Die Ebenheit von Platten lässt sich also vorteilhaft mit der Erfindung vermessen. Dazu werden die Platten auf einem Transportband unter einen Radarstrahl bewegt. Das erfindungsgemäße Radar befindet sich an dem Schlitten eines Linearmotors, der sich quer zur Transportrichtung der Platten hin und her bewegt. Dadurch wird die Abstandsänderung zur Oberfläche der Platte durch das Hochpräzisionsradar mäanderförmig gemessen. An den Kanten der Platte kommt es zu Abstandsänderungssprüngen. Diese markieren, den Plattenanfang, die Plattenseiten und das Ende der Platte. Diese Abstandsänderungssprünge können durch die Erfindung automatisch erfasst werden und damit die Geometrie der Platte. Wenn eine Platte durch das Transportband in den Radarstrahl gerät wird der Linearantrieb gestartet und die Abstandsänderungsmessung beginnt. Aus den Abstandsänderungsmessungen kann der Verzug der Platte im µm-Bereich gemessen werden. Statt der Ebenheit kann auch die Abweichung zu einer vorgegebene Oberflächenkrümmung gemessen werden.
Gegenüber optischen Messverfahren hat die Erfindung den Vorteil unabhängig von der Oberflächenrauigkeit der Platte zu messen. Durch die Erfindung kann die Oberfläche der Platte spiegelnd glatt, fräs- oder sägerau sein, ohne dass dies Einfluss auf die Messgenauigkeit des Verzugs hat. Außerdem ist die Radarmessung zuverlässiger, da sie unempfindlicher gegenüber Staub ist. Das Plattenmaterial ist für die Ebenheitsmessung mit dem erfindungsgemäßen Radar egal, solange es an der Grenzschicht Plattenoberfläche / Messstrecke zu einer auswertbaren Teilreflexion kommt. Es können daher auch optisch transparente Platten vermessen werden.
Bei einer anderen vorteilhaften Anwendung der Erfindung wird eine Presse bereitgestellt, die zwei aufeinander zu- und voneinander wegbewegbare Aufnahmen aufweist, an denen jeweils mindestens ein Pressformwerkzeug angeordnet ist, wobei die Radarantenne an der einen Aufnahme und als Messobjekt an der anderen Aufnahme ein Radarreflektor angeordnet ist, wobei mit der Presse ein Pressprozess durchgeführt und die Abstandsänderung zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt gemessen wird. Mit Hilfe der Erfindung können somit Radarsensoren in Blechpressen zur Bewegungskontrolle und der Feststellung von zeitlichen Veränderungen durch Temperaturdrift und anderen Einflüssen vorteilhaft eingesetzt werden. Während des Pressvorgangs kann es zu vorhersehbaren Abstandsänderungssprünge durch die sich schnell bewegenden Reflexionsoberfläche kommen, beispielsweise beim Öffnen und Schließen der Presse. Vor dem Öffnen oder Schießen der Presse kann die Abstandsänderungsmessung erfindungsgemäß angehalten werden und nach dem Öffnungs- oder Schließvorgang wieder fortgesetzt werden. Dadurch kann der Verzug der Presse aufgrund von Materialverformung beispielsweise verursacht durch Temperaturdrift oder andere Einflüsse im µm-Bereich gemessen werden. Außerdem kann es zu nicht vorhersehbaren Abstandsänderungssprüngen durch Fremdkörper in der Messstrecke kommen, die es zu detektieren gilt, um Fehlpressungen rechtzeitig zu erkennen und Ausschuss zu vermeiden. Gegenüber anderen Messverfahren hat das erfindungsgemäße Radarverfahren den Vorteil der besseren Robustheit und Genauigkeit über einen weiten Messbereich von 70 mm bis 1000 mm.
Weitere Einzelheiten, Merkmale und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die Zeichnung.
Es zeigt:

1 ein schematisches Blockschaltbild der Radareinheit zur kontinuierlichen Messung der Abstandsänderung zu einem Objekt,
2 das Radar-Messsignal im Frequenzbereich mit dem Amplituden- und Phasenspektrum, wobei für das Amplituden- und Phasenspektrum jeweils zwei analoge Spektren dargestellt sind, von denen das eine durch eine durchgezogene Linie und das andere strichliniert markiert sind, und wobei äquidistante Abtastwerte durch Punkte dargestellt sind,
3 eine Darstellung ähnlich 2, wobei jedoch die Amplituden- und Phasenspektren durch Geradenstücke angenähert sind, welche die Abtastwerte miteinander verbinden,
4 ein Ablaufdiagramm für die Abstandsänderungsmessung,
5 eine Radareinheit zur Messung einer Drift oder eines Verzugs in einer Werkzeugmaschine,
6 eine Abstandsänderungsmessung von Blechkanten mit zwei Radareinheiten in einer Walzstraße,
7 eine kontinuierliche Blechdickenmessung beim Aufrollen eines Blechs am Ende einer Walzstraße,
8 ein Transportband auf dem Platten befördert werden, deren Ebenheit mit Hilfe eines Radar-Verfahrens zur Messung von Abstandsänderungen ermittelt wird,
9 eine Presse, deren Weg mit einem Radar mittels Abstandsänderung hochpräzise gemessen wird,
10 ein Weg - Zeit - Diagramm der Abstandsänderung einer in 9 beschriebenen Presse.

Eine in 1 im Ganzen mit 1 bezeichnete Radareinheit 1 zur kontinuierlichen Messung der Abstandsänderung zu einem Messobjekt 2 hat einen FMCW-Radarkopf 3, der einen Radarsignalgenerator 4, eine Sende-Radarantenne 5, eine Empfangs-Radarantenne 6 und einen Hochfrequenzmischer 7 aufweist. Der Radarsignalgenerator 4 erzeugt ein FMCW-Sendesignal und ist mit seinem Ausgang mit der Sende-Radarantenne 5 verbunden, die ein Sendesignal Tx auf das in einem Abstand 8 zur Sende-Radarantenne 5 angeordnete Messobjekt 2 abstrahlt. Ein Teil des vom Messobjekt 2 reflektierten Sendesignals wird von der Empfangs-Radarantenne 6 empfangen.
Die Empfangs-Radarantenne 6 ist mit einem ersten Eingang Rx des Hochfrequenzmischers 7 verbunden. Ein zweiter Eingang LO des Hochfrequenzmischers 7 ist mit dem Ausgang des Radarsignalgenerators 4 verbunden. Der Hochfrequenzmischer 7 erzeugt ein Zwischenfrequenzsignal, das am Ausgang ZF des Hochfrequenzmischers 7 anliegt.
Der Ausgang ZF des Hochfrequenzmischers 7 ist mit dem analogen Eingang eines Analog-Digital-Wandlers 9 verbunden. Der Analog-Digital-Wandler 9 wandelt das am Ausgang ZF anliegende analoge Zwischenfrequenzsignal in einen digitalen Datenstrom. Der digitale Datenstrom am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 9 ist über eine Datenleitung 10 mit dem Eingang einer Signalverarbeitungseinheit 11 verbunden.
Die Signalverarbeitungseinheit 11 ist über eine Synchronisationsleitung 12 mit einem Eingang des Radarsignalgenerators 4 und einem Trigger-Eingang des Analog-Digital-Wandlers 9 verbunden und synchronisiert das Sendesignal mit dem digitalisierten Zwischenfrequenz-Datenstrom am Ausgang des Analog-Digital-Wandlers 9. Die Signalverarbeitungseinheit 11 ist über zwei Datenleitungen 13, 14 mit einer Recheneinheit 15 verbunden.
Die Signalverarbeitungseinheit 11 wandelt den digitalen digitalisierter Zwischenfrequenz-Datenstrom aus dem Zeitbereich in den Frequenzbereich mittels komplexer numerischer Fouriertransformation und synchronisiert den Radarsignalgenerator 4 mit dem Analog-Digital-Wandler 9.
Eine erste Datenleitung 13 überträgt die von der Signalverarbeitungseinheit 11 errechneten Amplitudenwerte des Frequenzspektrums. Eine zweite Datenleitung 14 überträgt die von der Signalverarbeitungseinheit 11 errechneten Phasenwerte des Frequenzspektrums an die Recheneinheit 15. Die Recheneinheit 15 errechnet aus den Phasen- und Frequenzwerten einen Abstandswert. Bei einer Abstandsänderung ändert sich die gemessene Phase. Aus der Änderung der Phase, die im Bereich der Frequenz gemessen wird, bei der das Frequenzspektrum ein Maximum aufweist, errechnet die Recheneinheit 15 die Abstandsänderung mit einer Genauigkeit im µm-Bereich.
Die Recheneinheit 15 erkennt aus den errechneten Abstandsdaten sprunghafte Abstandsänderungen. Die Recheneinheit 15 überträgt die errechneten Abstandsänderungsdaten, aber auch auf Anfrage einer übergeordneten Steuerung Rohdaten des Analog-Digital-Wandlers, das Frequenz- und Phasenspektrum, sowie Alarm-, Fehler- und Zustandsinformationen der Radareinheit, wie beispielsweise Temperatur und Luftdruck, über eine bidirektionale Datenleitung 16 an eine übergeordnete Steuerung und/oder an eine Anzeigeeinheit 17, welche die Messwerte, die Zeit, den Abstand und die Abstandsänderung, sowie Fehler durch sprunghafte Abstandsänderungen anzeigt. Über die bidirektionale Datenleitung 16 kann die übergeordnete Steuerung den gewünschten und anzuzeigenden Datenstrom auswählen. Über die bidirektionale Datenleitung 16 oder einer separaten Eingabeeinheit 18, die beispielsweise als einfacher Schalter ausgeführt sein kann, kann der Recheneinheit mitgeteilt werden, wann die Messung unterbrochen und wieder aufgenommen werden soll.
Die 2 und 3 beschreiben das Messsignal s_IF(t) am Ausgang ZF des Mischers 5 das durch die Fouriertransformation in Frequenzbereich mit der dazu gehörigen Phase. Das Messobjekt 2, das sich im Abstand 8 zur Antenne 5, 6 befindet, erzeugt durch die Reflexion des Sendesignals Tx am ZF-Ausgang ZF des Hochfrequenzmischers 7 ein Signal. Dieses Signal enthält die Zwischenfrequenz Δf, die gleichzusetzen ist mit f_IF aus Gleichung 5 und in erster Näherung proportional zum Abstand 8 zum Messobjekt 2 ist. Die Frequenz Δf, wird ermittelt, indem das Signal am ZF-Ausgang des Hochfrequenzmischers 7 mit dem Analog-Digital-Wandlers 9 zeitdiskret abgetastet und digitalisiert wird und mit der Signalverarbeitungseinheit 11 und mit Hilfe der komplexen numerischen Fouriertransformation in den Frequenzbereich überführt wird. Die komplexe numerische Fouriertransformation liefert ein digitalisiertes Amplituden- und PhasenSpektrum des Signals am ZF-Ausgang des Hochfrequenzmischers 7. In 2 und 3 ist im oberen Diagramm die Amplitude A über der Frequenz f_ZF dargestellt und im unteren Diagramm die Phase φ über der Frequenz f_ZF dargestellt. In 2 sind die Spektren als analoge Signale mit Stützstellen und in 3 sind die Spektren durch Geradenabschnitte angenähert, welche die Stützstellen verbinden.
Die durchgezogene Kurve ist die Referenzmessung, zu der sich die Abstandsänderung bezieht. Durch die Abstandsänderung verschiebt sich das Maximum der Kurve. Die n-te Messung nach der Referenzmessung ist als strichpunktierte Linie beispielhaft dargestellt. Wegen der diskreten Abtastung mit Stützstellen im Zeitbereich erhält man durch die numerische Fouriertransformation das Spektrum als interpolierte Funktion mit Stützstellen im Frequenzbereich. Exemplarisch sind für die Referenzmessung (durchgezogene Linie) Stützstellen von 1- 9 sowohl für das Amplitudenspektrum (oben), als auch für das Phasenspektrum (unten) eingezeichnet. Die Stützstellen für das n-te Spektrum sind nicht dargestellt.
Da der Verlauf der Kurve zwischen den Stützstellen im Amplitudenspektrum nicht genau bekannt ist, kann auch die Frequenz, bei der das Maximum der Amplitude liegt nicht mit hinreichender Genauigkeit ermittelt werden.
Der Verlauf zwischen den Stützpunkten im Phasenspektrum kann aber in sehr guter Näherung durch eine Gerade angeglichen werden (siehe 3). Die Verschiebung der Geraden aus den Phasenspektren in Folge einer Abstandsänderung kann daher deutlich genauer bestimmt werden als die Verschiebung des Maximums aus dem Amplitudenspektrum. Die Phase einer periodischen Funktion kann nur Werte zwischen -π und +π annehmen. Daher kann aus der Auswertung des Phasenspektrums der absolute Abstandswert nicht ermittelt werden. Solange sicher gestellt werden kann, dass die Abstandsänderung zwischen zwei aufeinanderfolgenden Spektren nicht größer als eine halbe Wellenlänge ist, kann daher die Abstandsänderung mit µm-Genauigkeit berechnet werden. Abstandsänderungen die größer als eine halbe Wellenlänge sind, können aber durch die Auswertung der Amplitudenmessungen erkannt werden.
Für die Berechnung der Abstandsänderung ist eine Bezugsmessung zweckmäßig. Das Maximum der Amplitude A_O der Bezugsmessung des Spektrums liegt bei der Frequenz Δf₀. Die Frequenz Δf ist proportional zum Abstand 7 und kann, wie eingangs beschrieben, nicht mit beliebiger Genauigkeit ermittelt werden. Die digitalisierten Amplitudenwerte des Frequenzspektrums liegen nur in frequenzäquidistanten Stützwerte vor. Wie der Fachmann weiß, kann die Zahl der Stützstellen durch Zero-Padding der diskreten (DFT) oder schnellen (FFT) Fouriertransformation oder die Chirped-Z-Transformation (CZP) verbessert werden, dies ändert aber nichts an der prinzipiellen Ungenauigkeit. Die Genauigkeit, mit der die Frequenz des realen Amplitudenmaximums und damit der Abstand 8 in FMCW-Radaren ermittelt werden kann, ist theoretisch durch die Cramer-Rao-Grenze limitiert. In realen Radar-Systemen ist die Genauigkeit, mit der die Frequenz Δf ermittelt werden kann deutlich geringer als durch die Cramer-Rao-Grenze beschrieben und in kostengünstigen Radarsystemen auf den Bereich einer Halben Wellenlänge der mittleren Radar-Frequenz begrenzt. Die Phasenwerte des Spektrums liegen zwischen -π und +π. Im Bereich des Amplitudenmaximums ist der Phasenverlauf linear und kann durch eine Gerade interpoliert werden. Die Abstandsmessung erfolgt kontinuierlich aufeinanderfolgend. In 3B ist die Bezugsmessung mit A_0d,Δf₀ und ^φ _0d gekennzeichnet und die n-te Messung mit A_nd, Δf_nd und ^φ _nd.
Die linearen Phasenverläufe der Bezugsmessung und der n-ten Messung haben in guter Näherung die gleiche Steigung und sind gegeneinander auf der Frequenzachse verschoben. Diese Frequenzverschiebung ist durch Mittelung über sehr viele numerische Stützwerte des Phasenspektrums deutlich genauer zu bestimmen als die Verschiebung der Amplitudenmaxima durch die Abstandsänderung. Die Phasenverschiebung des linearen Phasenverlaufs der n-ten Messung gegenüber der Bezugsmessung lässt sich so mit sehr hoher Präzision bestimmen. Änderungen im Abstand 8 können daher in der Praxis mit µm-Genauigkeit ermittelt werden, nicht jedoch der absolute Abstand 8, da nicht mit hinreichender Genauigkeit entschieden werden kann, welcher Phasenbereich zu welchem durch Frequenzmessung bestimmten Abstand gehört.
Bei der Messung der Abstandsänderung mittels der Radareinheit 1 werden folgende Verfahrensschritte durchlaufen:

a) Für einen ersten Zeitpunkt wird ein erstes Amplitudenspektrum erzeugt und es wird das dem Messobjekt 2 zugeordnete Maximum dieses Amplitudenspektrums ermittelt. Für den ersten Zeitpunkt wird außerdem ein erstes Phasenspektrum erzeugt und es wird ein erster Phasenwert ermittelt, den dieses Phasenspektrum bei einer Bezugsfrequenz aufweist, die mit der Frequenz übereinstimmt, an der das erste Amplitudenspektrum das vorstehend genannte Maximum hat. Der erste Phasenwert wird in einem Datenspeicher abgelegt.
b) Für einen weiteren Zeitpunkt wird geprüft, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt 2 angeordnet ist oder die Gefahr besteht, dass das der Fall ist.
c) Falls für den in Schritt b) genannten Zeitpunkt das Vorliegen des Störzustands detektiert wird, wird die Messung unterbrochen und die Schritte b) und c) werden wiederholt. Während der Unterbrechung werden keine neuen Messwerte für die Abstandsänderung erfasst. Während der Unterbrechung erzeugt der Radarsignalgenerator 4 aber weiterhin das FMCW-Sendesignal.
d) Für den in Schritt b) genannten weiteren Zeitpunkt wird ein weiteres Amplitudenspektrum aus dem digitalen Datenstrom erzeugt und es wird das dem Messobjekt 2 zugeordnete Maximum dieses Amplitudenspektrums ermittelt. Für den weiteren Zeitpunkt wird außerdem ein weiteres Phasenspektrum erzeugt und es wird ein weiterer Phasenwert ermittelt, den dieses Phasenspektrum bei der Bezugsfrequenz aufweist. Der weitere Phasenwert wird im Datenspeicher abgelegt.
e) Es wird ein zur Differenz aus dem gespeicherten Phasenwert und dem in Schritt d) genannten weiteren Phasenwert proportionaler Messwert (ΔP_φN) für die Abstandsänderung ermittelt.
f) optional wird für den weiteren Zeitpunkt ein weiteres Amplitudenspektrum aus dem digitalen Datenstrom erzeugt und es wird das dem Messobjekt 2 zugeordnete Maximum dieses Amplitudenspektrums ermittelt. Außerdem wird für den weiteren Zeitpunkt ein weiterer Phasenwert ermittelt, den das in Schritt d) genannte Phasenspektrum bei einer Bezugsfrequenz aufweist, die mit der Frequenz übereinstimmt, an der das in Schritt f) genannte weitere Amplitudenspektrum ein dem Messobjekt 2 zugeordnete Maximum hat. Dieser weitere Phasenwert wird im Datenspeicher abgelegt und die Schritte b) bis f) werden wiederholt, wobei in Schritt e) dieser Phasenwert als gespeicherter Phasenwert und in Schritt d) als Bezugsfrequenz die Bezugsfrequenz aus Schritt f) verwendet wird.

4 beschreibt das Ablaufdiagramm zur Messung der Abstandsänderung. Nach dem Start und der Initialisierung der Radareinheit 1 wird der Zähler N auf Null gesetzt. Dann erfolgt die absolute Abstandsmessung nach Gleichung 7(R_f0 ~ f_IF) und die Abstandsmessung nach Gleichung 9 (R_φ0 - φ_IF), wobei R_f0 die Referenzmessung der Abstandsänderungsmessung ist. Danach wird in einer Programmierschleife der Zähler N inkrementiert und die Messung nach Gleichung 7 und 9 wiederholt. Aus der Differenz der Referenzmessung R_φ0 und der N-ten Abstandsmessung R_φN wird die Abstandsänderung ΔR_φN errechnet. Der Zeitpunkt der Messung wird in t_N erfasst. Dann wird entschieden, ob die Messung gültig ist, das heißt zwischen den Messungen kein Phasensprung stattgefunden hat. Dazu wird die Abstandsmessung nach Gleichung 7 mit der vorangegangenen Abstandsmessung als Gleichung 7 verglichen und festgestellt ob die Änderung der Abstände kleiner als eine halbe Wellenlänge ist $(R_{f N} - R_{f N - 1} \geq \frac{λ}{2}) .$
Ist die Abstandsänderung größer/gleich, so wird eine Fehlermeldung ausgegeben. Ist die Abstandsänderung kleiner so wird die errechnete Abstandsänderung zusammen mit dem Zähler, dem Zeitstempel der Messung und dem absoluten Messwert ausgegeben. Wenn die Messung weder pausieren soll noch gestoppt werden soll fängt die Schleife wieder beim Inkrementieren des Zählers an. Sollte die Messung Pausieren, weil beispielsweise eine Störung der Funkstrecke zu erwarten ist, so wird so lange gewartet bis die Messung durch ein „Weiter“ Kommando fortgesetzt werden soll, wenn beispielsweise die Störung der Funkstrecke behoben ist und sichergestellt ist, dass das Objekt wieder innerhalb einer Abstandsmessung zur letzten gültigen Messung von weniger als einer halben Wellenlänge ist. Die Kommandos „Pause“ und „Weiter“ können beispielsweise durch den Schalter 17 erfolgen. In einer erweiterten Ausführung kann die Pausierung auch automatisch beim Feststellen einer Störung erfolgen.
5 beschreibt, wie das erfindungsgemäße Verfahren zur kontinuierlichen Messung der Drift in einer Werkzeugmaschine 19 verwendet werden kann. Bei dem Verfahren werden die Werkzeugmaschine und die in 1 dargestellte Radareinheit 1 bereitgestellt.
Die Werkzeugmaschine 19 weist einen Werkstückhalter 20 auf, der ein Werkstück 21 relativ zu einem als Aufnahmeblock ausgestalteten Basisteil 22 positioniert. Der Werkstückhalter 20 ist zu diesem Zweck mittels eines an dem Basisteil 22 befestigten, als Linearmotor ausgestalteten Positionierantrieb 23 relativ zu dem Basisteil 22 auf ein Bearbeitungswerkzeug 24 zu- und von diesem weg verfahrbar. Das Bearbeitungswerkzeug 24, beispielsweise eine Schleifscheibe, ist an einem Werkzeughalter 25 angeordnet, der an dem Basisteil 22 befestigt ist. Der Werkstückhalter 20 verfährt mit Hilfe des Positionierantriebs 23 das Werkstück 21 beispielsweise gegen das Bearbeitungswerkzeug 24.
Der FMCW-Radarkopf 3 der Radareinheit 1 ist mit dem Werkstückhalter 20 fest verbunden. Ein Radarreflektor, der als Messobjekt 2 dient, ist mit dem Werkzeughalter 20 fest verbunden. Abstandsänderungen 8 zwischen Werkzeughalter 25 und Werkstückhalter 20 werden mit der Radareinheit 1 gemessen und erfassen den Vorschub des Werkstücks 21 zusammen mit der Drift der Werkzeugmaschine 19. Der Vorschub des Werkstücks 21 ist über eine in der Zeichnung nicht näher dargestellte Ansteuerung des Positionierantriebs 23 üblicher Weise mit µm-Genauigkeit bekannt. Aus dem Vergleich des Vorschubs mit der von der Radareinheit 1 gemessenen Abstandsänderung wird die Drift der Werkzeugmaschine 19 berechnet.
6 beschreibt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens zur kontinuierlichen Vermessung der Säbelförmigkeit einer Materialbahn 26, nämlich eines Blechbandes in einer Walzstraße. Die Materialbahn 26 bewegt sich über Rollen 27 geführt tangential zur Mantelfläche der Rollen 27 in eine Transportrichtung 28 an einer Messstelle vorbei, an der zwei gegenüberliegende FMCW-Radarköpfe 3, 3' angeordnet sind, die jeweils einer Radareinheit 1 gemäß 1 zugeordnet sind. Die Radarköpfe 3, 3' senden jeweilig Radarkeulen 29, 29` aus. Der Öffnungsraumwinkel der Radarkeulen 29, 29' ist von untergeordneter Bedeutung, da die jeweiligen Abstandsänderungen 8, 8' der beidseitigen Blechkanten an den Stellen gemessen werden, an denen die Radarkeulen 29, 29' orthogonal auf die Kanten der Materialbahn 26 treffen.
7 beschreibt die Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens bzw. der in 1 gezeigten Radareinheit 1 zur präzisen Messung der Dicke 32 einer Materialbahn 26, die am Ende einer Walzstraße auf ein Coil 30 aufgerollt wird. Beim Aufrollen der Materialbahn 26 auf den Coil 30 reduziert sich der Abstand zu dem der Umfangsfläche des Coils 30 zugewandten FMCW-Radarkopfes 3 der Radareinheit 1 kontinuierlich. Der Drehwinkel des Coils 30 wird beim Aufrollen der Materialbahn 26 über einen Inkrementalgeber 31 kontinuierlich gemessen. Aus dem gemessenen Drehwinkel und der von der Radareinheit 1 gemessenen Abstandsänderung 8 wird die Dicke 32 der Materialbahn 26 berechnet. Aus der Differenz der gemessene Abstandsänderung 8 zwischen einem ersten Drehwinkel und einem zweiten Drehwinkel, der gegenüber dem Ersten um eine volle Umdrehung oder 360° später erfolgt, wird die Dicke 32 der Materialbahn 26 berechnet.
8 zeigt ein Transportband 33 auf dem Platten 34 in einer Richtung 35 befördert werden, deren Ebenheit mit der Radareinheit 1, von der in 8 der Einfachheit halber nur der FMCW-Radarkopf 3 dargestellt ist, mittels Abstandsänderungsmessung 8 ermittelt wird. Dazu wird der Radarstrahl 36 senkrecht auf die Oberfläche der Platte 34 ausgerichtet. Das Transportband 33 bewegt die Platte 34 unter dem Radarstrahl 36. Dabei werden Abstandsänderungen bis in den µm-Bereich erfasst. Und mit einer Referenzplatte, deren Ebenheit bekannt ist, verglichen.
9 zeigt eine Presse 37, die einen Stempelträger 38 mit Pressstempel 39 und einem Rahmenunterteil 40 aufweist. Die Presse 37 hat ein oberes Pressformwerkzeug 41 und ein auf dieses zu und von diesem wegbewegbares unteres Pressformwerkzeug 42. Der Abstand 43 zwischen dem oberen Pressformwerkzeug 41 und dem unteren Pressformwerkzeug 42 ändert sich zyklisch durch das Auf- und Ab-Bewegen des oberen Pressformwerkzeug 41. Das obere Pressformwerkzeug 41 ist über eine obere Werkzeugaufnahme 44 mit dem Pressstempel 39 verbunden und das untere Pressformwerkzeug 42 ist an einer unteren Werkzeugaufnahme 40 angeordnet. Die in 1 dargestellte Radareinheit 1 misst die Abstandsänderung 45 zwischen der oberen Werkzeugaufnahme 44 und der unteren Werkzeugaufnahme 40 auf der Messstrecke. Die zeitliche Abstandsänderung 45 ist in der rechten Skizze von 9 dargestellt.
10 beschreibt ein Weg - Zeit - Diagramm der Abstandsänderung einer der in 9 dargestellten Presse 37 mit zyklisch sich wiederholender Öffnungs- und Schließbewegung. Dabei kommt die in 1 skizzierte Radareinheit 1 zur Überwachung der Pressenbewegung zum Einsatz. Auf der Ordinate 46 von 10 ist der von der Radareinheit 1 gemessenen Abstand aufgetragen. Auf der Abszisse 47 ist die Zeit während der Messung aufgetragen. Die Zyklusdauer 48 ist gegeben durch das Durchlaufen des gleichen Abstandswerts in gleicher Bewegungsrichtung. Die maximale Bewegungsauslenkung ist mit 49 bezeichnet. Der maximale Abstand zwischen Messobjekt und Radarsensor ist durch 50 angegeben. Die maximale Bewegungsgeschwindigkeit ist in Punkt 51 erreicht. Ein möglicher festgelegter Abstandswert, der als Mess-Unterbrechungs- und Wiederaufnahmepunkt der Abstandsänderungsmessung definiert werden kann, ist durch die Gerade 52 skizziert.

Claims

Verfahren zur Messung von Abstandsänderungen zu einem Messobjekt (2), wobei ein frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über eine Radarantenne zum Messobjekt (2) gesendet wird, wobei vom Messobjekt (2) reflektierte Radarstrahlung von der Radarantenne empfangen und das so erhaltene Empfangssignal zur Bildung eines Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal gemischt wird, wobei das Zwischenfrequenzsignal zeitdiskret abgetastet wird, um einen digitalen Datenstrom zu erzeugen, und wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist: a) für einen ersten Zeitpunkt Erzeugen eines ersten Phasenspektrums aus dem digitalen Datenstrom, Ermitteln eines ersten Phasenwerts, den dieses Phasenspektrum bei einer Bezugsfrequenz aufweist, und Speichern des ersten Phasenwerts in einem Datenspeicher, b) für einen weiteren Zeitpunkt Prüfen, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt (2) angeordnet ist oder die Gefahr besteht, dass das der Fall ist, c) falls für den in Schritt b) genannten Zeitpunkt das Vorliegen des Störzustands detektiert wird, Wiederholen der Schritte b) und c), d) für den in Schritt b) genannten weiteren Zeitpunkt Erzeugen eines weiteren Phasenspektrums aus dem digitalen Datenstrom, Ermitteln eines weiteren Phasenwerts, den dieses Phasenspektrum bei der Bezugsfrequenz aufweist, e) Ermitteln eines zur Differenz aus dem gespeicherten Phasenwert und dem in Schritt d) genannten weiteren Phasenwert proportionalen Messwerts (ΔP_φN) für die Abstandsänderung, f) optional Ablegen des in Schritt d) genannten weiteren Phasenwerts im Datenspeicher und Wiederholen der Schritte b) bis f), wobei in Schritt e) dieser Phasenwert als gespeicherter Phasenwert verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass für das erste Phasenspektrum mindestens drei erste Stützstellen bereitgestellt werden, dass das erste Phasenspektrum durch lineare Interpolation aus den ersten Stützstellen gebildet und der erste Phasenwert mit Hilfe dieser Interpolation ermittelt wird, und/oder dass für das in Schritt d) von Patentanspruch 1 genannte weitere Phasenspektrum mindestens drei weitere Stützstellen bereitgestellt werden, dass das weitere Phasenspektrum durch lineare Interpolation aus den weiteren Stützstellen gebildet und der weitere Phasenwert mit Hilfe dieser Interpolation ermittelt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die erste und/oder die zweite lineare Interpolation über eine Anzahl von mindestens 2, gegebenenfalls mindestens 3 und bevorzugt mindestens 10 Stützstellen durchgeführt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, - dass aus dem digitalen Datenstrom für den ersten Zeitpunkt ein erstes Amplitudenspektrum erzeugt und in dem ersten Amplitudenspektrum eine Abtaststelle bestimmt wird, bei der das Amplitudenspektrum ein dem Messobjekt zugeordnetes Maximum aufweist, dass als Bezugsfrequenz in Schritt a) von Patentanspruch 1 die Frequenz einer Abtaststelle des ersten Amplitudenspektrums gewählt wird, die maximal n Abtaststellen von der das Maximum aufweisenden Abtaststelle entfernt ist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 0 und 10, insbesondere zwischen 0 und 5, gegebenenfalls zwischen 0 und 3 und bevorzugt 1 oder 0 ist, und optional - dass für den in Schritt b) von Patentanspruch 1 genannten weiteren Zeitpunkt ein weiteres Amplitudenspektrum erzeugt und in dem weiteren Amplitudenspektrum eine Abtaststelle bestimmt wird, bei der das weitere Amplitudenspektrum ein dem Messobjekt zugeordnetes Maximum aufweist, und dass beim Wiederholen der Schritte b) bis f) von Patentanspruch 1 als Bezugsfrequenz die Frequenz einer Abtaststelle dieses weiteren Amplitudenspektrums gewählt wird, die maximal n Abtaststellen von der das Maximum aufweisenden Abtaststelle entfernt ist, wobei n eine ganze Zahl zwischen 0 und 10, insbesondere zwischen 0 und 5, gegebenenfalls zwischen 0 und 3 und bevorzugt 1 oder 0 ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, i) dass für den in Schritt a) von Patentanspruch 1 genannten ersten Zeitpunkt aus dem digitalen Datenstrom ein erstes Amplitudenspektrum erzeugt und ein erster Frequenzwert (Δf_od) bestimmt wird, bei dem das erste Amplitudenspektrum ein Maximum aufweist, und der erste Frequenzwert (Δf_od) im Datenspeicher gespeichert wird, ii) dass für den in Schritt b) von Patentanspruch 1 genannten weiteren Zeitpunkt aus dem digitalen Datenstrom ein weiteres Amplitudenspektrum ermittelt und ein weiterer Frequenzwert (Δf_nd) bestimmt wird, bei dem das weitere Amplitudenspektrum ein Maximum aufweist, iii) dass zwischen aufeinanderfolgenden Zeitpunkten, für die jeweils ein Amplitudenspektrum ermittelt wird, der Abstand zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt (2) nicht um einen Wert geändert wird, dessen Betrag größer ist als die halbe Wellenlänge der mittleren Radarfrequenz des Sendesignals, iv) dass ein zur Differenz aus dem gespeicherten Frequenzwert (Δf_od) und dem weiteren Frequenzwert (Δf_nd) aus Schritt ii) proportionaler Abstandsänderungswert (ΔR_fN) gebildet und betragsmäßig mit einem Grenzwert verglichen wird, der kleiner als ein Abstandsänderungswert ist, der bei der Messung einer Abstandsänderung auftritt, die der halben Wellenlänge der mittleren Radarfrequenz des Sendesignals entspricht, v) dass in Schritt b) von Patentanspruch 1 der Störzustand detektiert wird, wenn der Vergleich in Schritt iv) ergibt, dass der Abstandsänderungswert (ΔR_fN) größer ist als der Grenzwert, vi) optional Speichern des weiteren Frequenzwerts (Δf_nd) im Datenspeicher und Widerholen der Schritte ii) bis vi), wobei in Schritt iv) dieser Frequenzwert (Δf_nd) als gespeicherter Frequenzwert (Δf_od) verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Grenzwert kleiner als ein Abstandsänderungswert ist, der bei der Messung einer Abstandsänderung auftritt, die 100%, gegebenenfalls 25% und insbesondere 50% der Wellenlänge der mittleren Radarfrequenz des Sendesignals entspricht.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Lage des Hindernisses erfasst und mit der Lage der Übertragungsstrecke verglichen wird, und dass der Störzustand detektiert wird, wenn der Vergleich ergibt, dass das Hindernis in der Übertragungsstrecke angeordnet ist oder einen vorbestimmten Abstand zur Übertragungsstrecke unterschreitet.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Schritte b) bis f) von Patentanspruch 1 mindestens zweimal durchlaufen werden, und dass die bei diesen Durchläufen jeweils für die Abstandsänderung ermittelten Messwerte (ΔP_φN) aufaddiert werden, um einen Gesamtwert zu erhalten, um den sich der Abstand zum Messobjekt (2) während dieser Durchläufe verändert hat.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Werkzeugmaschine (19) bereitgestellt wird, die ein Basisteil (22) aufweist, an dem ein Werkstückhalter (20) und ein Werkzeughalter (25) angeordnet sind, dass der Werkstückhalter (20) ein Werkstück (21) und der Werkzeughalter (25) ein Bearbeitungswerkzeug (24) zum Abtragen von Material von dem Werkstück (21) trägt, - dass die Werkzeugmaschine (19) einen Positionierantrieb (23) aufweist, mittels dem der Werkstückhalter (20) oder der Werkzeughalter (25) relativ zu der Stelle, an welcher der Positionierantrieb (23) an dem Basisteil (22) angeordnet ist, positioniert wird, - dass die Wegstrecke, um welche die Positionierung in Richtung der Radarübertragungsstrecke relativ zu dieser Stelle des Basisteils erfolgt, erfasst wird, - dass die Radarantenne an dem Werkstückhalter (20) und das Messobjekt (2) an dem Werkzeughalter (25) oder die Radarantenne an dem Werkzeughalter (25) und das Messobjekt (2) an dem Werkstückhalter (20) angeordnet ist, und - dass zum Ermitteln einer Drift und/oder eines Verzugs der Werkzeugmaschine (19) die Differenz aus dem Messwert (ΔP_φN) für die Abstandsänderung zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt (2) und der erfassten Wegstrecke gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (2) eine Kante oder eine Oberfläche einer Materialbahn (26), insbesondere eines Blechs ist, welche Materialbahn (26) relativ zu der Radarantenne entlang der Kante und/oder der Oberfläche in eine Transportrichtung (28) bewegt wird, dass die Radarantenne derart relativ zu der Materialbahn (26) ausgerichtet wird, dass die Abstandsänderung zur Messobjekt (2) quer und bevorzugt zur orthogonal zur Transportrichtung (28) gemessen wird, und dass die Messung der Abstandsänderung durchgeführt wird während die Materialbahn (26) relativ zu der Radarantenne in die Transportrichtung (26) bewegt wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (26) in Transportrichtung (28) durch einen Walzen- oder Rollenspalt zwischen den Walzen mindestens eines Walzenkalanders hindurchbewegt oder über ein Rollenpaar bewegt wird, dass die Materialbahn (26) mindestens eine in Transportrichtung (28) verlaufende erste Kante und eine dieser abgewandt gegenüberliegende, in Transportrichtung (28) verlaufende zweite Kante aufweist, dass eine ortsfest zu dem Walzenkalander oder dem Walzenpaar angeordnete erste und eine ortsfest zu dem Walzenkalander oder Walzenpaar angeordnete zweite Radarantenne bereitgestellt wird, I) dass ein erstes frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über die erste Radarantenne zur ersten Kante der Materialbahn (26) gesendet und von dort reflektierte Radarstrahlung von der ersten Radarantenne empfangen wird, während die Materialbahn (26) in Transportrichtung (28) bewegt wird, dass das so erhaltene erste Empfangssignal zur Bildung eines ersten Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal der ersten Radarantenne gemischt wird, dass das erste Zwischenfrequenzsignal zeitdiskret abgetastet wird, um einen der ersten digitalen Datenstrom zu erzeugen, a1) dass für einen ersten Zeitpunkt ein erstes Phasenspektrum aus dem ersten digitalen Datenstrom gebildet und ein erster Phasenwert ermittelt wird, den das erste Phasenspektrum bei einer ersten Bezugsfrequenz aufweist, dass dieser Phasenwert in einem Datenspeicher gespeichert wird, b1) dass für einen weiteren ersten Zeitpunkt geprüft wird, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der ersten Radarantenne und der ersten Kante angeordnet ist, c1) dass für den Fall, dass für den in Schritt b1) genannten Zeitpunkt das Vorliegen des Störzustands detektiert wird, die Schritte b1) und c1) wiederholt werden, d1) dass für den in Schritt b1) genannten weiteren Zeitpunkt ein weiteres erstes Phasenspektrum aus dem ersten digitalen Datenstrom gebildet und ein weiterer erster Phasenwert ermittelt wird, den dieses Phasenspektrum bei der ersten Bezugsfrequenz aufweist, e1) dass ein zur Differenz aus dem gespeicherten ersten Phasenwert und dem in Schritt d1) genannten weiteren ersten Phasenwert proportionaler erster Messwert (ΔR_φN1) für die Abstandsänderung erzeugt wird, II) dass ein zweites frequenzmoduliertes Dauerstrichradarsignal erzeugt und als Sendesignal über die zweite Radarantenne zur zweiten Kante der Materialbahn (26) gesendet und von dort reflektierte Radarstrahlung von der zweiten Radarantenne empfangen wird, während die Materialbahn (26) in die Transportrichtung (28) bewegt wird, dass das so erhaltene zweite Empfangssignal zur Bildung eines zweiten Zwischenfrequenzsignals mit dem Sendesignal der zweiten Radarantenne gemischt wird, dass das zweite Zwischenfrequenzsignal zeitdiskret abgetastet wird, um einen zweiten digitalen Datenstrom zu erzeugen, a2) dass für einen zweiten Zeitpunkt ein zweites Phasenspektrum aus dem zweiten digitalen Datenstrom gebildet und ein zweiter Phasenwert ermittelt wird, den dieses Phasenspektrum bei einer zweiten Bezugsfrequenz aufweist, dass der zweite Phasenwert in dem Datenspeicher gespeichert wird, b2) dass für einen weiteren zweiten Zeitpunkt geprüft wird, ob ein Störzustand vorliegt, bei dem ein Hindernis in der Radarübertragungsstrecke zwischen der zweiten Radarantenne und der ersten Kante angeordnet ist, c2) dass für den Fall, dass für den in Schritt b2) genannten Zeitpunkt das Vorliegen des Störzustands detektiert wird, die Schritte b2) und c2) wiederholt werden, d2) dass für den in Schritt b2) genannten weiteren zweiten Zeitpunkt ein weiteres zweites Phasenspektrum aus dem zweiten digitalen Datenstrom gebildet und ein weiterer zweiter Phasenwert ermittelt wird, den dieses Phasenspektrum bei der zweiten Bezugsfrequenz aufweist, e2) dass ein zur Differenz aus dem gespeicherten zweiten Phasenwert und dem in Schritt d2) genannten weiteren zweiten Phasenwert proportionaler zweiter Messwert (ΔR_φN2) für die Abstandsänderung erzeugt wird, III) dass beim Auftreten von Abstandsänderungen, bei denen sich die linke und rechte Kante der Materialbahn (26) in der von der Materialbahn (26) aufgespannten Ebene quer zur Transportrichtung (28) in dieselbe Richtung verschieben, die Lage der Achse wenigstens einer Walze des Walzenkalanders im Sinne einer Reduzierung dieser Lageverschiebung verändert wird, VI) optional Speichern des in Schritt d1) genannten weiteren ersten Phasenwerts und des in Schritt d2) genannten weiteren zweiten Phasenwerts im Datenspeicher und Wiederholen der Schritte I) bis IV), wobei in Schritt e1) dieser erste Phasenwert und in Schritt e2) dieser zweite Phasenwert als gespeicherter Phasenwert verwendet wird.
Verfahren nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass die Materialbahn (26) auf einen um eine Rotationsachse drehangetriebenen Coil (30) oder ein Wickelelement aufgewickelt wird, dass das Messobjekt (2) die Mantelfläche des Coils (30) ist und die Abstandsänderung zur Mantelfläche gemessen wird, während die Materialbahn (26) auf den Coil (30) aufgewickelt wird, dass die Änderung des Drehwinkels des Coils (30) erfasst und aus der Abstandsänderung und der Änderung des Drehwinkels ein Messsignal für die Dicke der Materialbahn (26) gebildet wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass das Messobjekt (2) die Oberfläche eines Gegenstands ist, insbesondere einer Platte (34) oder einer Scheibe, dass die Radarantenne in einer Ebene relativ zur Oberfläche bewegt und ein Lagesignal für die Lage der Radarantenne relativ zur Oberfläche generiert wird, dass die Abstandsänderung zwischen der Radarantenne und der Oberfläche des Gegenstands gemessen wird, während die Radarantenne relativ zur Oberfläche bewegt wird, und dass in Abhängigkeit von den Messwerten für die Abstandsänderung und dem Lagesignal ein Messsignal für die Ebenheit und/oder den Verzug der Oberfläche erzeugt wird.
Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass eine Presse (37) bereitgestellt wird, die zwei aufeinander zu- und voneinander wegbewegbare Werkzeugaufnahmen (40, 44) aufweist, an denen jeweils mindestens ein Pressformwerkzeug (41, 42) angeordnet ist, und dass die Radarantenne an der einen Werkzeugaufnahme und als Messobjekt (2) an der anderen Werkzeugaufnahme ein Radarreflektor angeordnet ist, dass mit der Presse (37) ein Pressprozess durchgeführt und die Abstandsänderung (45) zwischen der Radarantenne und dem Messobjekt (2) gemessen wird.