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Ratgeber

Radarsensoren » Effiziente Bewegungsdetektion

Mit Radarwellen lassen sich nicht nur die Bewegungen von Flugzeugen und Schiffen feststellen, sondern auch die von deutlich kleineren Objekten. Von Autos, Menschen und Tieren bis zu Werkstücken in der Produktion. Die dazu nötigen Radarsensoren sind klein, leistungsfähig und preiswert. Lesen Sie in unserem Ratgeber, wie Radarsensoren funktionieren in welchen Bereichen sie hilfreich sind.



Wie funktioniert Radar?

Radar steht für „Radio Detection and Ranging“, zu Deutsch etwa „funkgestützte Ortung und Abstandsmessung“. Es handelt sich dabei um eine Technologie, die zur OrtungErfassung und Verfolgung von Objekten in der Umgebung verwendet wird. Radar basiert auf der Ausbreitung von elektromagnetischen Wellen, normalerweise im Mikrowellenbereich. Die Frequenz liegt hier zwischen 300 Megahertz und 300 Gigahertz.

Radarsignale bewegen sich mit Lichtgeschwindigkeit, die im Vakuum bei ungefähr 299.792 Kilometern pro Sekunde liegt. In Medien wie Luft oder Wasser können sich die Signale etwas langsamer ausbreiten, je nach dem Brechungsindex des Mediums. In der Praxis sind die Abweichungen jedoch so gering, dass sie normalerweise als vernachlässigbar gelten.

Ein Radar-System besteht typischerweise aus einer Sendeantenne für die Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen und einer Empfangsantenne zur Detektion der reflektierten Wellen. Das Radar sendet kurze Impulse elektromagnetischer Energie aus und misst die Zeit, die benötigt wird, um die reflektierten Signale von Objekten in der Umgebung zu empfangen. Durch die Analyse der Laufzeit der Signale kann das Radar die Entfernung zu den Objekten und auch deren Bewegung bestimmen.

Radartechnik wird in verschiedenen Bereichen eingesetzt, darunter Flugverkehrskontrolle, Wetterbeobachtung, Schifffahrt, Militär, Verkehrssicherheit und autonomes Fahren. Es ermöglicht die Erkennung von Hindernissen, die Messung von Entfernungen, die Überwachung von Bewegungen und die Erfassung von Geschwindigkeiten.



Was sind Radarsensoren?

Radarsensoren, die wir in diesem Ratgeber vorstellen, sind sozusagen Miniatur-Ausgaben großer Systeme. Sie arbeiten ebenfalls mit Radarwellen im Bereich von etwa 24 bis 77 Gigahertz, enthalten einen Sender ebenso wie einen Empfänger. Allerdings ist die Energieabgabe erheblich niedriger, entsprechend gering ist die Reichweite, die meist nur einige Meter beträgt.

Haupteinsatzgebiet dieser Sensoren ist die Meldung von Bewegungen. Sie stehen damit in direkter Konkurrenz mit klassischen Bewegungsmeldern, die im Allgemeinen auf die Detektion von Infrarot – also Wärmestrahlung – spezialisiert sind. Bekannteste Vertreter sind PIR-Sensoren.

Das P steht für passiv, infrarote Strahlung wird also nicht ausgesendet, sondern nur empfangen. Eine Bewegung erkennen diese Sensoren nur, wenn ein Objekt im Erfassungsbereich mehr Wärme ausstrahlt als in der Umgebung vorhanden ist.

Die Temperaturdifferenz löst in der Sensor-Elektronik eine Aktion aus, zum Beispiel für das Öffnen einer Tür oder das Einschalten der Beleuchtung.

Größter Nachteil eines PIR-Sensors: Er reagiert nur auf Temperaturdifferenzen, das heißt, es muss sich ein Mensch oder ein Tier im Erfassungsbereich des Sensors befinden. Außerdem benötigt die Sensorik eine freie Sicht, jedes Hindernis beeinträchtigt die Empfindlichkeit.



So funktionieren Radar-Bewegungsmelder

Anders dagegen ein Bewegungsmelder auf der Basis von Radartechnik. Als aktiver Sensor besitzt er seine eigene Strahlungsquelle, deren elektromagnetische Wellen nicht-metallische Gehäuse oder Objekte problemlos passieren. Gleiches gilt für die empfangenen Wellen. Ein Radar-Bewegungsmelder lässt sich daher ohne Weiteres komplett in ein Kunststoffgehäuse oder versteckt montieren.

Im Gegensatz zu PIR-Sensoren verfügen einige Radar-Bewegungsmelder über eine Schaltung, die den Doppler-Effekt nutzt. Sie können damit die Bewegung eines Objekts relativ zum Sensor messen. Der Doppler-Effekt wird durch die Kompression oder Dehnung der Wellenlänge verursacht. Wenn sich das Objekt dem Sensor nähert, werden die Wellen schneller reflektiert, die Wellenlänge verkürzt sich. Dies führt zu einer höheren wahrgenommenen Frequenz. Bei einer Bewegung von Sensor weg wird die Wellenlänge gedehnt, die Frequenz erscheint niedriger.

Schaltungstechnisch gesehen besteht ein modular aufgebauter Radar-Bewegungsmelder meist aus folgenden Komponenten: dem eigentlichen Sender-Empfänger-Modul mit Oszillator und eingebautem Mischer zur Überlagerung der Basis- mit der Doppler-Frequenz, einer stabilisierten Stromversorgung für Spannungen von 8 bis 15 Volt Gleichstrom, einem Niederfrequenz-Vorverstärker und einem Analog-Digital-Wandler.

Der Vorverstärker ist notwendig, um die Signale des Detektors sowohl zu verstärken als auch deren Frequenz zu begrenzen, in der Regel auf 400 Hertz. Bewegt sich ein Objekt beispielsweise mit 1 km/h Richtung Sensor, erzeugt die Schaltung ein Ausgangssignal von etwa 44 Hertz. Mit der 400-Hertz-Begrenzung lassen sich somit Objektbewegungen bis maximal 9 km/h erkennen. Die Erfassungsweite liegt im Freifeld bei rund 15 Metern, der Erfassungsradius bei 70 bis 80 Grad horizontal und 32 bis 70 Grad vertikal.

Wichtig bei Bewegungsmeldern sind die Verarbeitungsmöglichkeiten der vom Wandler gelieferten Signale. Als optimal erweist sich offener Kollektor-Transistor-Ausgang, der bei erkannter Bewegung gegen Masse durchschaltet. Mit einer integrierten Freilauf-Diode lässt sich damit direkt ein Relais ansteuern. Zusätzlich ist meist auch die Ausgabe von CMOS- oder TTL-Logikpegeln möglich.



Typische Einsatzbereiche von Bewegungsmeldern

Die Radar-Technologie eigenen sich sehr gut zur temperaturunabhängigen und unsichtbaren Steuerung von Automatiktüren, zur Erkennung und Geschwindigkeitsmessung bewegter Objekte und als Präsenzmelder. Mit Radar-Bewegungssensoren lassen sich beispielsweise Gefahrenzonen rund um laufende Maschinen errichten: Bewegt sich jemand in den Gefahrenbereich, löst ein Alarm aus oder die Maschine stoppt. Ähnlich funktionieren Sicherheitszonen zum Beispiel für museale Ausstellungsstücke. Hier wird der Sensor mit vertikalen Bewegungserfassung einfach an der Decke montiert. Dieses Verfahren ist deutlich einfacher anzuwenden als beispielsweise der Aufbau von Lichtschranken. Weitere Einsatzbereiche sind Hygiene-Schalter für Sanitärräume und die Gebäudeleittechnik.

Da gängige Radarsensoren nur geringe Spannungen und Ströme im Milliampere-Bereich benötigen, lassen sie sich auch mit Batterieversorgung verwenden. Typisch wären Einsätze in Kraftfahrzeugen, in Wohnmobilen oder in Baustellen ohne ständige Stromversorgung. Bei Letzteren bietet sich eine Stromversorgung über kleine Solarmodule an, die auch ein gekoppeltes SMS-Modul zum Versenden von Warnmeldungen versorgen.



Mit welcher Frequenz arbeiten handelsübliche Radar-Sensoren?

Viele Modelle verwenden Frequenzen im Bereich von 24 Gigahertz. Im Angebot sind aber auch Bewegungsmelder, die mit Frequenzen von rund 5 Gigahertz senden. Werden diese in einer WLAN-Umgebung installiert, könnte es aber Probleme mit Interferenzen geben, da sehr viele Internet-Router mit 5 Gigahertz arbeiten.