Fachartikel vom 05/22/2015

Engmatec

Qualitätsprüfung bei Hochfrequenz-Sensorik

Fahrerassistenzsysteme werden auch im Massenmarkt der Mittelklassewagen eingebaut. Damit steigen in der Fertigung die Stückzahlen der eingesetzten Sensorik. Eine zuverlässige Funktion solcher Sicherheitsbauteile ist nur mit fundiertem Qualitätsmanagement sicherzustellen. Modulare Lösungen bieten eine wirtschaftliche Prüfmethode.

Prinzipschema Dopplereffekt: Radarsensor messen Relativgeschwindigkeiten sehr genau. (Bild: Engmatec)

Von Sabine Vormbaum und Andreas Zeiff

Moderne Technik macht Autofahren leichter, entscheidet in Millisekunden über Notbremsungen und erhöht so die Sicherheit im Auto. Allerdings müssen die eingesetzten Sensoren auch höchste Sicherheitskriterien erfüllen. Der Trend geht zu Radarsensoren, die in unterschiedlichen Frequenzbereichen den Raum um den Wagen abtasten. Um solche Hochfrequenzkomponenten sicher zu kalibrieren und einer zuverlässigen Endkontrolle zu unterziehen, ist umfangreiches Knowhow bei den Testeinrichtungen gefragt. Engmatec, Spezialist für Montage- und Prüflinien, bietet in diesem Zusammenhang ein Lösungskonzept an. Ob einzelne Testkammer oder in die Fertigung integriert, immer müssen die spezifischen Anforderungen der Hochfrequenzsensorik berücksichtigt werden, ein nicht immer leichtes Unterfangen.

Radarsensorik im Kfz

Im Moment setzen Automobilhersteller für mittlere Entfernungen gerne auf Radarsensoren. Der Vorteil gegenüber optischen Systemen ist der Durchblick auch bei Nebel und anderen optischen Beeinträchtigungen. Die Sensoren arbeiten meist im Spritzwasserbereich an Front und Heck des Wagens, also in einer sehr widrigen Umgebung. Sie sind darum komplett versiegelt. Je nach Einsatzzweck variiert die Arbeitsfrequenz zwischen 24 und 70 GHz. Die Reichweite der Radarsensoren ist ebenfalls unterschiedlich. Je nach Ausführung gibt es unterschiedliche Sichtweiten von zwei bis 200 m, gerne auch als Nahfeld-, Mittelbereichs- und LongRange-Sensoren bezeichnet.

Radarsensoren erkennen die Umgebung rund ums Auto (Bild: Engmatec)

Als sogenannter Mittelbereich ist eine Entfernung von ca. 45 m definiert. Die Sensoren werden als komplette Module eingesetzt, bestehend aus Sender und Empfänger, können aber auch diskrete Bauteile sein, also Sender und mehrere Antennen. So lassen sich fahrzeugbedingte Anforderungen am besten umsetzen. Da die Radartechnik im modernen Automobil mit zahlreichen anderen Komponenten zusammenarbeiten muss und aus der Umgebung ebenfalls zahlreiche Beeinträchtigungen einfließen können, ist eine praxisgerechte Prüfung der Sicherheitsbauteile lebenswichtig.

Einsatzbedingungen

Radartechnik beruht auf dem Aussenden von Funkimpulsen und dem anschließenden Auffangen der reflektierten Strahlung. Diese wird analysiert, ausgewertet und das Ergebnis ist Grundlage für die Entscheidung des Assistenzsystems. Je höher die Sendefrequenz, um so kürzer die Wellenlänge und desto besser die Auflösung des Sensors. Allgemein gesagt, je höher die Frequenz um so kleinere Einzel-Objekte kann man erkennen. Unabhängig von der Frequenz und nur von der fixen Lichtgeschwindigkeit abhängig ist die Entfernungsmessung. Klassisch wird die Laufzeit zwischen Sendeimpuls und aufgefangenem Echo gemessen, halbiert (Hin- und Rückweg benötigen ja gleiche Zeit), mit der Lichtgeschwindigkeit multipliziert und die Entfernung zum Zielobjekt steht fest.

Eine andere Methode ist das Puls–Dopplerprinzip für Geschwindigkeitsmessung. Sie beruht darauf, dass die Frequenz der reflektierten Welle sich ändert, wenn eine Relativgeschwindigkeit vorhanden ist. Die direkte Relativgeschwindigkeitsmessung ist ein entscheidender Vorteil der Radarmessung; dazu ist jedoch eine Analyse des Frequenzspektrums notwendig. Allerdings sind Störimpulse wie Funkimpulse von Handy, WLAN, Funkschlüsseln usw. dabei sicher auszublenden.

Einbaubeispiel für die Anzeige im Armaturenbrett (Bild: Engmatec)

Moderne Bauteile erlauben es heute die gesamte Sensorik samt Störfilter auf kleinem Raum aufzubauen. Schnelle Rechner stellen dann fertige Signale zur weiteren Auswertung bereit. Das alles muss aber auch mechanisch über Jahre sicher funktionieren. Nun ist der Einsatz im Kfz einer der anspruchsvollsten überhaupt. Sibirische Kälte über Mittagshitze bis hin zu glühendem Asphalt sind ebenso zu ertragen wie Nässe, Salz, Vibration, Schock, Staub und vieles mehr. Hier kann eine Prüftechnik, die alle Bereiche der Praxis abbildet, die Grundlage für eine fundierte Qualitätssicherung legen.

Kalibrieren und Prüfen

Auch die Eigenschaften elektronischer Bauteile und Baugruppen unterliegen statistischen Schwankungen. Um Sensoren gleichbleibender Güte herzustellen ist daher eine Kalibrierung auf ein Standardmaß nötig. Sollen beispielsweise 70 m erfasst werden, muss dies selbstverständlich vorher bei jedem Sensor getestet und eingestellt werden. 70 m Prüfstrecke ist in der Praxis kaum zu realisieren, Engmatec bietet darum Testmodule, die die Strahlungsintensität messen und das Signal, entsprechend der zu prüfenden Entfernung, in der Laufzeit verzögern und dämpfen. Für den Prüfling Radarsensor erscheint dies, als tauche ein Hindernis in 70 m Entfernung auf.

Um bei der Prüfung Störungen auszuschließen, muss der Testbereich besonders abgeschirmt werden. Dabei sind externe Einflüsse, die die Prüfung beeinträchtigen, zu berücksichtigen, wie Handyfunk von Mitarbeitern oder Störimpulse von Frequenzumrichtern. Auch durch Parallelbetrieb mehrerer Prüfsysteme entstehen Störimpulse. Interne Strahlung aus dem Prüfbetrieb, also vom Radar-Sensor generierte Strahlung oder eine Teststörstrahlung, um externe Einflüsse zu prüfen, sind ebenfalls abzuschirmen, um die Umgebung nicht zu beeinträchtigen. Prüfumgebung und Umwelt dürfen sich für einen sicheren Betrieb nicht gegenseitig beeinflussen. Alle Testeinrichtungen können dabei sowohl als Einzelmodul für teilautomatischen Betrieb wie auch integriert in eine Fertigungslinie eingesetzt werden. Nicht zuletzt muss auch noch die Dichtheit der Baugruppen und Gehäuse überprüft werden. Dafür wird der Prüfling im Vakuum mit Druck beaufschlagt. Wird bei Messung des Drucks ein Druckverlust festgestellt, so zeigt dies vorhandene Leckagen des Prüflings an (Closed Components Test).

Die abgeschirmte Prüfkammer bietet Raum für eine Vielzahl von Testmethoden. (Bild: Engmatec)

Praxisgerecht

Wie sehen solche Prüfeinrichtungen nun aus? Eine in der Praxis bewährte abgeschirmte Prüfzelle, in der auch anwenderspezifische Testeinrichtungen installiert werden können, kann Baugruppen zwischen 90 x 63 x 20 mm und 120 x 85 x 28 mm aufnehmen. Für einen abgeschirmten Leiterplattentest in definierter Prüfumgebung mit vormontierter Radarleiterplattengruppe bietet eine andere Prüfbox Raum. Für reine Hochfrequenztests stehen spezielle Absorber-Materialien, Radarkammern und programmierbare Frequenzsimulatoren bereit. Eine gefräste Verzögerungsstrecke, Delayline genannt, ermöglicht eine definierte Zeitverzögerung der Signale. Das Signal wird dabei innerhalb weniger Nanosekunden zurückgegeben, entsprechend der echten Laufstrecke in der Praxis. (as)

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