ENGINEERINGNET.BE - Met dr. Ali Pourkazemi ontwikkelde het VUB team een hogeresolutieradar die zo breed mogelijk inzetbaar moet zijn in de bouw. “De lange termijn droom: met één toestel willen we zowat alles kunnen meten.”
De radar maakt gebruik van de materiaal-afhankelijke voortplantingssnelheid en weerkaatsing van elektromagnetische golven. “Om te zien of iemand ademt heb je echt niet veel resolutie nodig,” zegt Stiens die zich met zijn team precies in die hoge resolutie wil onderscheiden. De onderzoekers identificeerden een dozijn industrieën waar ze ‘expressions of interest' noteerden.
Ze willen nu echter eerst het verschil maken in de bouwsector waar ze kunnen nagaan wat er in een spouwmuur zit, bijvoorbeeld, en dat zonder voorkennis. "Bij renovatie weet je vaak niet waaraan je begint. Dat de bouwsector heel heterogeen is qua materialen maakt het extra uitdagend.” Maar ook in nieuwbouw ziet hij mogelijke toepassingen.
Blind meten
Zonder kennis over de densiteit en de dikte, de dichtheid meten van een materiaal, dat achter een muur verborgen zit is geen sinecure. “Elektromagnetisch kan je die twee dingen niet samen oplossen”, stelt Stiens die wijst op het principe van dispersie. “Een materiaal met frequentie-afhankelijke elektromagnetische eigenschappen levert bij elke frequentie immers steeds nieuwe problemen op.”
Hoe meer signaal op verschillende frequenties je er op afvuurt, des te meer wiskundige problemen je op te lossen hebt. “Je moet een techniek hebben die én de eigenschappen én de dikte van de laag kan ontbinden.” Het probleem is niet op te lossen met radarpulsen. “Een puls heeft een breed spectrum.
Elke frequentie in die puls creëert dan ook zijn eigen probleem wat het geheel snel te complex maakt. Het probleem is ook niet op te lossen als je een frequentie gemoduleerde continue golfradar gebruikt, want bij definitie zend je met deze FMCW radar ook verschillende frequenties uit. Elke frequentie heeft een eigen propagatietijd en de signalen komen op een andere tijd terug. “Elke vertraging of versnelling is nefast voor de nauwkeurigheid.”
Transient Radar Methodology
Welke soort radar werkt dan wel om dikte én elektromagnetische eigenschappen van een laag te kunnen meten? ETRO gebruikt een totaal nieuw type radar dat onder de noemer valt van 'Transient Radar Methodology’ (TRM). “De radar zendt een transient signaal uit dat zeer monochromatisch is, met andere woorden met één frequentie.
Een minimale storing van het signaal, brengt je van 0 naar een sinus. Een schakelaar, die de sinus geleidelijk opbouwt, zorgt voor een sinus met één frequentie … Met dat speciaal signaal kunnen we het probleem vereenvoudigen en de impact van de dispersie van een materiaal heel sterk beperken. Dat levert ook de hoge resolutie en nauwkeurigheid van onze gepatenteerde technologie.”
Er wordt gemeten tot 100 fs nauwkeurig. Dat komt overeen met een tiende van een miljoenste van een miljoenste van een 1 s. Een eerste aanvraag voor octrooi in 2015 is ondertussen aanvaard. “We moeten nog een aantal extra zaken aanvragen”, zegt Stiens.
Met perfecte sinussen
“Wij vonden een optimum van nul naar één dat het zuiverste signaal oplevert.” De optimale overgang is nét snel genoeg. Te snel en je krijgt teveel frequenties. Te traag en je verliest resolutie. De ‘neus' van het signaal reflecteert op de muur. Een deel gaat door de muur, door de spouw en bereikt de achterzijde van de gevel. Telkens is er reflectie.
Een elektromagnetische golf in de lucht doet er 1 ns over om 30 cm af te leggen. Aangezien de radar het moet hebben van de reflectie, gaat het signaal op 1 ns heen en terug over een afstand van 15 cm. Maar als dezelfde golf zich ook in het materiaal moet voortplanten, legt het op 1 ns misschien maar 7 cm af.
“Uiteindelijk, wil je submillimeter nauwkeurigheid, van 0,07 mm bijvoorbeeld, dan kom je in de buurt van 10 ps. Heel snel, dus.” De uitdaging: “Je moet heel kleine signaalverschillen meten in een heel kleine meettijd. We meten onder 1 ps resolutie. Onder dat niveau is de elektronica niet meer stabiel. Er treedt heel veel ‘jitter’ op.” Zeer geavanceerde signaalprocessing moet het mogelijk maken om naderhand de nodige informatie te distilleren uit een chaos van stochastische verschijnselen.
Andere toepassingen
“We definieerden twaalf markten”, zegt Stiens. “Prioriteit geven aan de bouwsector was een compromis tussen wat we vandaag kunnen en de vraag vanuit die sector.” Het scannen van de spouwmuur en wat daarin zoal terug te vinden is, is op dit ogenblik de beste match. “We dromen ervan ’s avonds robots door een gebouw te sturen om de kwaliteit te checken van wat er die dag is gezet. We spraken al met projectontwikkelaars. Als onze technologie kan leveren wat het belooft, zullen ze die ook inzetten.
In de bouw worden er immers juridische veldslagen gevoerd over wie verantwoordelijk is waarvoor.” Andere applicaties zijn nog volop in ontwikkeling. De technologie bouwt op heel veel materiaalkennis. “Met ons Bouwkunde departement volgen we het uitharden van beton, de veroudering van beton, betonrot … Een volgende paper betreft rubber. We zijn met heel veel tegelijk bezig”, aldus Stiens. Er wordt gepraat met een bedrijf dat agressieve vloeibare producten opslaat en behandelt.
“Wij kunnen de kwaliteit van de speciaal ontworpen tankwand die nodig is voor die productie opmeten met het oog op onderhoud.” Er loopt een project van Vlaams Brabant waarmee de onderzoekers aan bronopsporing van waterlekken willen doen. “Dat vergt een heel mobiel platform.” Naast de bouw mikt het team sinds kort ook op de medische sector. Eén doctoraalstudent, Salar Tayebi, maakt er werk van. Vandaag wordt bij heel wat medische toepassingen invasief gemeten met een katheder.
“Onze aanpak is niet-invasief en levert bovendien een continue meting op.” Naargelang de applicatie kan men met de vermogens spelen. “We kunnen uitzenden met milliwatts maar ook met honderden watt.” Aan een ergonomische graphical user interfase is nog niet gesleuteld. “Dat had nog geen zin. Eerst werken we aan marktaanvaarding van de technologie. Daarna kunnen we het beeld ‘sympathieker’ maken.” Concurrentie? “In Singapore is er recent een bedrijf met een elektromagnetische oplossing actief in de bouw.”
Show stopper
De radar haalt zijn voeding uit een stopcontact of een batterij. “De autonomie van het systeem is niet de show stopper”, zegt Stiens. “De antennes, die mee het systeem dimensioneren, kunnen dat wel zijn.” De antenne bepaalt de resolutie en penetratiediepte. Die laatste hangt ook af van het bestraalde materiaal, het vochtgehalte …
“Hoe hoger het vochtgehalte des te beter de resolutie. Maar met water moet je naar lagere frequenties. En dat betekent dan weer automatisch grotere antennes.” Op dit ogenblik heeft de technologie een resolutie van 6 cm in het vierkant, “Onze pixel heeft een diameter van 6 cm”, verduidelijkt Stiens. Een radar heeft immers cirkelvormige bundels en antennes.
“Maar een metalen pijpje van 6 mm pikken we door het contrast ook op.” Densiteits- en vochtigheidsvariaties opmeten blijken een ander verhaal. De ontvangende en uitzendende antenne liggen uit elkaar om ‘overspraak’ te voorkomen. De antenne zelf heeft het formaat van een stevige gsm. Voor de stabiliteit van het systeem wordt mechanisch contact gemaakt met de muur.
“We testen verschillende configuraties uit om het systeem mobiel en toch ook mechanisch stabiel te maken. Onze technologie zit nu in de TRL4”, rekent Stiens. “Volgend jaar willen we tegen TRL 7-8 aan zitten om in 2023 naar een spin-off te gaan. Deze zomer beginnen we met TRL 5 en 6.” De komende maanden wordt met industriële partners aan ‘productizatie’ gewerkt. Stiens mikt op een neerhalen van de dimensies van de industriële apparatuur tot “een schoendoos voor grote laarzen.”
Spin-off
In 2011 is het onderzoek naar het nieuwe radar meetprincipe gestart met Ali Pourkazemi. Hij haalde er zijn doctoraat in 2017 mee. Met een Innoviris project is het werk aan de applicatie voor de bouwsector aangevat. Ondertussen financiert ook Vlaams-Brabant via Smart Hub. Het is de bedoeling van professor Stiens om de technologie in de loop van 2023 in een spin-off onder te brengen die als werknaam TRMCo meekreeg, naar de ondertussen gepatenteerde transient radar methodologie.
De researchers tackelden meerdere uitdagingen. Ze ontwikkelden de signaalgenerator en zochten naar een uniek triggersysteem. Heel wat kopbrekens ook om alle vormen van ruis op die picosecondetijdschaal, alle perturbaties en storingen die tot onnauwkeurigheden leiden, uit het gereflecteerde signaal te halen en enkel de ‘juiste’ informatie naar voor te brengen.
“Onlangs is een baanbrekende doorbraak gerealiseerd op niveau van de signaalprocessing die er voor zorgt dat heel wat ontwerpbeperkingen nu verdwijnen als sneeuw voor de zon.” Vandaag, in het lab, past de radar en alle randapparatuur op een pallet van een 1 m³. Die vormfactor kan een stevige drempel zijn en weerhoudt vooralsnog om meer applicaties te ontwikkelen.
Kostprijs en bediening zijn eveneens belangrijke drempels. "De geplande spin-off zal dus beginnen in een servicemodel. De ingenieurs zullen de toestellen zelf bedienen. Mettertijd, wanneer de toepassingswereld vertrouwen heeft in de technologie, kan de spin-off de mogelijkheden en het aantal apparaten stapsgewijs uitbouwen.”
