Systemgrenzen und Fehlerkompensationsstrategien der Sechstormesstechnik im industriellen Kontext

System Constraints and Error Compensation Techniques of Six-port Based Sensors in Industrial Applications

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  • Die sechstorbasierte Empfängerarchitektur ist bereits seit den siebziger Jahren bekannt und erlangte in den vergangenen Jahren weltweit wieder vermehrt die Aufmerksamkeit verschiedener Forschungsgruppen. Dies liegt zum einen darin begründet, dass die Implementierung der Technologie in dem für neue Anwendungen oft verwendeten Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz einfach möglich ist, und zum anderen daran, dass das hohe Phasenauflösungsvermögen dieser Architektur bereits vielfach gezeigt werden konnte. Durch diese Eigenschaften eignet sich die Sechstortechnik besonders für das sich in Entwicklung befindliche Feld der mikrowellenbasierten industriellen Sensorik. Hierfür werden günstigeDie sechstorbasierte Empfängerarchitektur ist bereits seit den siebziger Jahren bekannt und erlangte in den vergangenen Jahren weltweit wieder vermehrt die Aufmerksamkeit verschiedener Forschungsgruppen. Dies liegt zum einen darin begründet, dass die Implementierung der Technologie in dem für neue Anwendungen oft verwendeten Frequenzbereich oberhalb von 10 GHz einfach möglich ist, und zum anderen daran, dass das hohe Phasenauflösungsvermögen dieser Architektur bereits vielfach gezeigt werden konnte. Durch diese Eigenschaften eignet sich die Sechstortechnik besonders für das sich in Entwicklung befindliche Feld der mikrowellenbasierten industriellen Sensorik. Hierfür werden günstige Sensoren mit kleinen Bauformen benötigt, an die hohe Anforderungen bezüglich Genauigkeit und Latenz gestellt werden. Inwieweit das Sechstor dazu geeignet ist, ist Untersuchungsgegenstand dieser Abhandlung. Nach einer Einführung in die Funktionsweise der Architektur folgt zu diesem Zweck ein Vergleich, der die Vorteile des additiven Mischansatzes der Sechstortechnologie gegenüber einem ebenfalls passiven, jedoch multiplikativen Mischer zeigt. Anschließend werden für die industrielle Sensorik wichtige Messaufgaben, wie die Frequenzmessung, die hochgenaue Abstandsmessung sowie die Vibrationsanalyse und deren jeweilige Implementierungen mit der Sechstorarchitektur, eingeführt. Außerdem werden verschiedene Fehlereinflüsse untersucht und angepasste Linearisierung- und Kompensationsstrategien vorgestellt. Um die Realisierbarkeit der dargestellten Anwendungen zu beweisen, werden ausgewählte Demonstratoren und deren Ergebnisse dargestellt. Diese zeigen für die Abstandsmessung Genauigkeiten von wenigen Mikrometern und für die Frequenzmessung einen relativen Fehler weniger ppm. Darüber hinaus wird auch ein erster Prototyp und dessen optimierter Entwicklungsprozess für einen industriellen Abstandssensor vorgestellt, der auf der Sechstortechnik beruht und eine erste kommerzielle Realisierung dieser Technik für die Abstandsmessung darstellt.show moreshow less
  • For fourty years, the six-port structure has been known as a receiver architecture, but in recent years, it has once again gained the attention of various research groups around the world. This is due to the fact that the implementation of new applications often uses the frequency range above 10GHz and at these frequencies, the implementation of the six-port network is simple and cost efficient. Furthermore, the high phase resolution capability of this architecture has already been demonstrated in several use cases. Due to these properties, the six-port technology is particularly suitable for the emerging field of microwave based industrial sensors, for which low-cost sensors with smallFor fourty years, the six-port structure has been known as a receiver architecture, but in recent years, it has once again gained the attention of various research groups around the world. This is due to the fact that the implementation of new applications often uses the frequency range above 10GHz and at these frequencies, the implementation of the six-port network is simple and cost efficient. Furthermore, the high phase resolution capability of this architecture has already been demonstrated in several use cases. Due to these properties, the six-port technology is particularly suitable for the emerging field of microwave based industrial sensors, for which low-cost sensors with small footprints are required, achieving both high accuracy and low latency values. The extent to which the six-port is suitable for this application scenarios is the object of investigation of this thesis. After introducing the six-port architecture, important measuring tasks for industrial sensor technology, such as frequency measurement, highly accurate distance measurement and vibration analysis as well as their respective implementations which use the architecture are introduced. Based on these applications, the system design as well as the system limitations are analyzed theoretically and based on simulations. It is shown that in order to reduce the measurement uncertainty, many of the interfering influences can be suppressed by appropriate compensation strategies. In addition, dedicated linearization procedures are presented for distance and frequency measurement. To demonstrate the feasibility of the presented applications, selected demonstrators and their promising results are presented. For the distance measurement, these show accuracies of a few micrometers and for the frequency measurement a relative error less than a few parts per million was achieved. In addition, a first prototype for an industrial distance sensor based on the six-port technology, which is the first commercial realization of this technique for distance measurements, and its optimized development process are presented.show moreshow less

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Metadaten
Author:Stefan Lindner
URN:urn:nbn:de:bvb:29-opus4-89668
DOI:https://doi.org/10.25593/978-3-96147-069-3
ISBN:978-3-96147-069-3
Series (Volume number):FAU Forschungen, Reihe B, Medizin, Naturwissenschaft, Technik (17)
Publisher:FAU University Press
Place of publication:Erlangen
Advisor:Alexander Kölpin, Nils Pohl
Document Type:Doctoral Thesis
Language:German
Year of Completion:2017
Embargo Date:2017/11/09
Publishing Institution:FAU University Press
Granting Institution:Friedrich-Alexander-Universität Erlangen-Nürnberg (FAU), Technische Fakultät
Date of final exam:2017/09/25
Release Date:2017/11/10
Tag:FSK; Industrielle Abstandsmessung; Industrielle Sensorik; Instantante Frequenzmessung; Interferometrie; Kompensationsverfahren; Low-Cost; Low-Power; Mehrdeutigkeit; Mikrowellen; Sechstor; Sensorik; Vibrationsmessung; Zweitonverfahren
SWD-Keyword:Abstandsmessung; Dauerstrichradar; Fehlerabschätzung; Frequenzmessung; Funkortung; Linearisierung; Radarortung; Sechstor-Reflektometer; Vibrationssensor
Pagenumber:VIII, 166 S.
Note:
Parallel erschienen als Druckausgabe bei FAU University Press, ISBN: 978-3-96147-068-6
Institutes:Technische Fakultät / Department Elektrotechnik-Elektronik-Informationstechnik
Dewey Decimal Classification:Technik, Medizin, angewandte Wissenschaften / Ingenieurwissenschaften / Ingenieurwissenschaften und zugeordnete Tätigkeiten
open_access (DINI-Set):open_access
Collections:Universität Erlangen-Nürnberg / FAU University Press
Licence (German):Creative Commons - Namensnennung-NichtKommerziell-KeineBearbeitung