Wirbelstromsensor - Fachhochschule Südwestfalen

Fachhochschule Südwestfalen
Wir geben Impulse
Wirbelstromsensoren
T.Musiolik
Folie 2
Wirbelstromsensor
 Messeffekt beruht auf dem Entzug von Energie aus einem Schwingkreis
 Diese Energie ist zur Induktion von Wirbelströmen in elektrisch leitfähige Materialien nötig
 Spule wird mit Wechselstrom gespeist, worauf sich ein Magnetfeld um die Spule ausbildet.
 Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand in diesem Magnetfeld, entstehen darin
Wirbelströme, die ein Feld bilden. Dieses Feld wirkt dem Feld der Spule entgegen, was eine
Änderung der Spulenimpedanz nach sich zieht.
 Diese Impedanz lässt sich als Änderung der Amplitude und der Phasenlage der Sensorspule
als messbare Größe am Controller abgreifen
 Vorteile:
 Für alle elektrisch leitfähigen
Materialen einsetzbar
 Robust gegen Umwelteinflüsse
 Sensoren relativ klein, leicht, robust
 Nachteil:
 Relativ aufwändige Messverstärker
erforderlich
T.Musiolik
Folie 3
Quelle: micro-epsilon.de
Hella Sensor
 ASIC (Application Specific Integreted Ciricuit) kalkuliert präzise die Position des Rotors
 eine sich wiederholende Kennlinie des Ausgangssignalverlaufs (abhängig von der
verwendeten Sensorstruktur) sind unterschiedliche Einbaulagen realisierbar
 Quellspannung wird über äußeren Ring eingekoppelt
 Bewegliches „Stern“-Element koppelt auf „Speichen“ der Sensor-Spulen
 Phasenlage in Sensorspulen ist abhängig vom Drehwinkel
T.Musiolik
Folie 4
Quelle: kfz-tech.de
Inkrementalgeber
 Für Drehrichtungserkennung sind zwei Spuren
notwendig.
 Spur A: Flankenauswertung (steigende)
 Spur B: Zustandsauswertung, entspr. Drehrichtung
 Referenzmarke für Absolutposition (Speicherung notw.)
 Verschiedene Sensorprinzipien möglich
 Optisch
 Hall, …
Quelle: wikipedia.de
T.Musiolik
Folie 5
GMR
 der elektrische Widerstand der Struktur ist von der gegenseitigen Orientierung der
Magnetisierung der magnetischen Schichten abhängig
 bei Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei
Magnetisierung in die gleiche Richtung
 Elektronen, die sich in einer der beiden ferromagnetischen Schichten gut ausbreiten
können, weil ihr Spin günstig orientiert ist, werden in der zweiten ferromagnetischen
Schicht stark gestreut, wenn diese entgegengesetzt magnetisiert ist. Sie durchlaufen die
zweite Schicht aber wesentlich leichter, wenn die Magnetisierung dieselbe Richtung
aufweist wie in der ersten Schicht.
Quelle: wikipedia.de
T.Musiolik
Folie 6
GMR
 Werden zwei Schichten eines ferromagnetischen Materials durch eine dünne
nichtmagnetische Schicht getrennt, so richten sich die Magnetisierungen bei
bestimmten Dicken der Zwischenschicht in entgegengesetzten Richtungen aus.
 Schon kleine äußere magnetische Felder reichen aber aus, um diese
antiferromagnetische Ordnung wieder in die ferromagnetische Ordnung umzuschalten.
 In Verbindung mit dem GMR-Effekt bewirken Variationen des äußeren Magnetfeldes in
geeigneten Strukturen daher große Änderungen des elektrischen Widerstandes der
Struktur.
 Schichtdicken im Bereich einiger Nanometer erforderlich.
T.Musiolik
Folie 7
GMR Winkelsensoren.
 Magnetisierungsrichtung von FM1 wird durch
benachbarte antiferromagnetische Schicht
fixiert (gepinnt)
 Magnetisierungsrichtung von FM2 ist frei, also
von Außen beeinflussbar (drehbar)
T.Musiolik
Folie 8
GMR Winkelsensoren
 Benachbarte Brückenwiderstände bekommen jeweils
umgekehrt Vorzugsrichtungen.
 Zwei orthogonal angeordnete Vollbrücken ergeben eine
360° eindeutige Winkelinformation
T.Musiolik
Folie 9