Fraunhofer-Institut für Hochfrequenzphysik und Radartechnik FHREnergieeffizienter Hochfrequenz-Sensor für die Produktion
Mit dem Mikrocontroller basierten-Radarsensor µRADAS lassen sich Abstände, Konturen und Oberflächen mikrometergenau und zerstörungsfrei vermessen – in Echtzeit und unter widrigsten Bedingungen. Das System ermöglicht punktweise Untersuchungen ebenso wie tomographische Bildgebungen und ermöglicht somit eine ressourceneffiziente Qualitätsüberwachung während der Produktion.
Befinden sich Plastik- oder Glassplitter in der Schokolade, die gerade vom Band läuft? Sind produktionsbedingte Fehler wie Lufteinschlüsse im Kunststoffrohr entstanden? Um solche Fragen zu beantworten, kommen bisher Röntgenverfahren wie Computertomographie zum Einsatz. Doch sind hierfür einerseits starke Sicherheitsmaßnahmen nötig, andererseits tun sich Röntgenstrahlen schwer, Materialien mit ähnlichem Dämpfungskoeffizienten zu unterscheiden. Anders gesagt: Einschlüsse wie Glas- oder Kunststoffsplitter in der Schokolade sind auf einem Röntgenbild kaum auszumachen.
µRADAR: Ressourcen- und energieeffizient, sensitiv und nicht-ionisierend
Forschende des Fraunhofer FHR konnten diese Herausforderungen mit der Technologie µRADAR lösen. »Mit Terahertz-Technologie lassen sich auch nichtleitende Materialien durchdringen – es kann daher ähnlich wie Röntgenstrahlen zur bildgebenden, tomographischen Qualitätssicherung genutzt werden«, sagt Sabine Gütgemann, Abteilungsleiterin am Fraunhofer FHR. »Schutzmaßnahmen sind überflüssig, da Radarwellen nicht ionisieren.« Ein weiterer Vorteil gegenüber Röntgenstrahlen: Mit dem Terahertz-Radar lassen sich auch Materialien ähnlicher Dämpfungskoeffizienten unterscheiden – also beispielsweise Glas und Schokolade. Denn das System erfasst nicht nur die Amplitude des Signals, sondern auch die Phaseninformation; die Kanten zwischen den Materialien sind somit gut sichtbar. Der Frequenzbereich lässt sich über verschiedene Front-Ends entweder auf 60 bis 90 Gigahertz oder aber auf 120 bis 160 Gigahertz realisieren – je nach gewünschter Auflösung. Schließlich gilt: Je höher die Frequenz der Radarstrahlen, desto präziser die Messung. Um dreidimensionale Bilder zu generieren, wird die Probe bei der Messung gedreht und der Sensor hoch und runter bewegt. »Einen Machbarkeits-Demonstrator haben wir bereits entwickelt: Auch mit einem kleinen kosteneffizienten Sensor lassen sich also tomographische Aufnahmen realisieren«, erläutert Gütgemann.
Doch ist µRADAS keineswegs auf bildgebende Verfahren beschränkt. So kann das System die Produktion auch mit einkanaligen mikrometergenauen Distanzmessungen mit bis zu vier Kilohertz Messrate absichern. Etwa in der Stahlverarbeitung: An beiden Seiten des Stahlbandes angebracht, vermisst er hochgenau die Breite von Brammen oder Stahlblechen, ober- und unterhalb des Laufbandes befestigt ihre Dicke. Ist das Stahlblech zu breit oder zu dünn? Da der Sensor mit 130 mm x 70 mm x 50 mm sehr kompakt ist, kann er auch an Stellen eingesetzt werden, die zuvor für Sensoren zu eng waren. Für solche Entfernungs- und Dickenmessungen ist der Sensor – anders als beim tomographischen Einsatz – schon bereit für den industriellen Einsatz.