A. Pohl:
"Passive Radio Sensor Systems";
Technische Universität Wien, Fakultät für Elektrotechnik, 2000.
Durch die hohe Verfügbarkeit elektronischer Regelschaltungen in der Industrie gewinnt die Sensortechnik immer mehr an Bedeutung. Im Dezember 1998 wird in einer industrienahen Veröffentlichung festgestellt, daß die Wachstumsrate der Sensorik die höchste innerhalb aller elektrotechnischen Fachbereiche ist. Von einfachen Industrieerzeugnissen bis hin zu komplexen Systemen, von der Waschmaschine bis zum Kernkraftwerk, ist Sensorik und Regelungstechnik entscheidend für sicheren, wirtschaftlichen und umweltverträglichen Betrieb. Am Eingang des Überwachungs- bzw. Regelungssystems stehen die Sensoren, die als Wandler eine mechanische, thermische, chemische, usw., Meßgröße (engl.: measurand) in einen elektrischen Wert umformen. Dieser wird in der folgenden Signalverarbeitungs-schaltung (meist digital) aufbereitet und zur Steuerung der Maschine bzw. des Prozesses herangezogen.Die vorliegende Arbeit greift drahtlos auszulesende Funksensoren, die zugehörigen Hochfrequenz Abfragesysteme und Auswerteverfahren heraus. Unterschieden werden dabei lineare und nichtlineare Sensoren sowie Elemente mit und ohne Mechanismus zur Energiespeicherung. Der herausragende Vorteil dieser Sensoren, besonders solcher als Oberflächenwellenbauelement ausgeführter, liegt in ihrer Passivität und Robustheit: Es werden keine temperatur- und alterungsempfindlichen Batterien bzw. ebensolche elektronische Bauelemente sowie fehleranfällige (bewegte) Drahtverbindungen und Schleifringe gebraucht. Andererseits ist für die verläßliche und genaue Ablesung der Meßgröße vom Sensor ein optimiertes Funkabfrage- und Auswerteverfahren, sowie die Berücksichtigung des bei bewegten Maschinenteilen stark verrauschten und schwundbehafteten Funkkanals notwendig. Da passive Funksensoren und Identifikationsmarken (ID Tags) eingehend erst seit etwa fünf Jahren untersucht werden, war eine zusammenfassende Darstellung dieser Probleme bisher nicht bekannt.
Insgesamt ist das Ziel der Arbeit, einen Überblick über die bekannten und neuen passiven Funksensorsysteme zu geben, wobei das Hauptgewicht auf die umfassende Quantifizierung der durch den Funkkanal, die Abfragesysteme und die verschiedenen Auswerteverfahren auftretenden Fehler gelegt wird. Einflüsse durch Signalinterferenz und bestimmte Rauschquellen im Radiokanal, die bei der Anwendung auftreten, werden untersucht, notwendige, einzuhaltende Randbedingungen werden angegeben.
Es zeigt sich bei der Auswertung, daß für schnell sich ändernde Meßgrößen breitbandige Abfrageimpulse anzuwenden sind (in der Arbeit mit time domain sampling, TDS, bezeichnet). Eine Genauigkeitssteigerung bzw. Reduktion des Meßfehlers läßt sich hier nur mit integrativen Signalauswertemethoden erzielen. Eine höhere Genauigkeit erreichen von sich aus die Frequenzbereichsverfahren (frequency domain sampling, FDS), bei denen die Sensorantwort mit relativ langen schmalbandigen Signalen der Funkabfrage im Frequenzbereich abgetastet wird.
Im einzelnen wurden Temperaturmessungen an Bremsscheiben von Eisenbahnfahrzeugen, an Stahlkonvertern und an Maschinenteilen im Bereich der industriellen Fertigung, Messung des Luftdruckes in KFZ Reifen, Messungen des Kraftschlusses zwischen Reifen und Fahrbahn, verschiedene Messungen von Schwingungen und Beschleunigungen (z.B. Verzögerung eines Dartpfeiles), Messung des Kolbenringverschleißes, Drehmomentmessungen an Antriebswellen, u.v.a.m. durchgeführt. Einige Anwendungen und Auswerteverfahren sind Gegenstand von in Patenten festgehaltenen eigenen Erfindungen. Für alle diese Anwendungen lassen sich ein auf das Sensorsystem abgestimmtes Pegeldiagramm und die daraus mit den Methoden der Nachrichtentechnik ermittelbaren Meßfehler angeben.
Schwerpunkte der Arbeit werden bei der Systemtechnik, der Schaltungstechnik zur Signalverarbeitung und der Analyse von Fehlerquellen und ihres Einflusses gesetzt. Neben einer überblicksmäßigen Einteilung der Systeme und Verfahren wird versucht, an Hand der Ergebnisse konkreter Beispiele quantifizierbare Aussagen zu machen. Einige experimentell demonstrierte Anwendungen sind in beigeschlossenen Publikationen dargestellt.
Due to its high availability, sensor technology is of rapidly growing importance. In December 1998, an industry related publication mentions its growing rates to be the highest in electrical engineering market. More and more processes and procedures in everyday life as well as in industries, a washer in the household as well as a nuclear power plant, are controlled electronically, enabled by and depending on the sensor technology. Control circuits provide a secure, economical and ecological operation. The sensors are the front end components of all control systems. They operate as an interface, converting the mechanical, thermal, chemical, etc. parameters to observe (i.e. the measurands), into electrically readable quantities. The sensors are read out by sensor systems, delivering the information about the measurand for process control to computers, displays and actuators. These readout systems can span from Wheatstone resistor bridges to highly sophisticated data transmission and signal processing circuits.The current work gives an overview of known and new passive radio sensor principles. It concerns the passive radio transponder sensors, the principles of readout and the circuits employed. For the radio sensors is distinguished between linear and non linear devices and between units with and without energy storage capability. The outstanding advantage of these sensor devices, especially of the surface acoustic wave (SAW) type is their passive operation. Since no active components, no capacitors and no batteries are employed, the effect of aging almost vanishes and they are capable of operation in hazardous environmental conditions.
Then, it is focused to the system engineering, to the signal processing employed and to the sources of errors. The main emphasis is focused to the comprehensive quantification of the occurring errors due to the radio transmission and the sensor signal processing methods..Effects of noise and interference are investigated, boundary conditions for operation are given. It is shown, that for the evaluation of rapidly changing measurands, wideband interrogation (a time domain sampling, TDS) utilizing wideband signals is applicable only. The energy contents of the signals is rather small and therefore the accuracy of measurement via larger distances only can be ensured utilizing integrative signal processing. For quasistationary measurands, also a narrow band frequency domain sampling (FDS) is applicable, inherently including more signal energy to achieve a better performance without further measures.
To provide a reliable and accurate readout, an optimized radio interrogation and signal processing technique is required. Therefore, the properties of the radio transmission channel, disturbed by noise and interference have to be considered.
Since the passive radio sensors and ID tags are under research and development for a few years only, a comprehensive description was not available up to now.
During our research concerning passive SAW radio sensors, many applications have been verified experimentally. Temperature measurements at brake discs, at machine parts, at steel converters, etc., have been performed as well as the measurement of car tire pressure and of the friction between the tire and the road surface. Further investigations have been done experimentally proving the wireless measurement of mechanical vibration and acceleration and the wear of the wear rings in industrial compressors. These applications and methods partly are the contents of Austrian, German and international patents.
http://publik.tuwien.ac.at/files/pub-et_841.pdf