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Magneto-Sensorik Messverfahren und Anwendung von AMR Sensoren Dipl.-Ing. (FH) Andreas Wolf, M.Sc. Rocco Holzhey, Prof. Dr. Peter Görnert Hochpräzise Messelektronik für Wheatstone-Brücken zur genauen Charakterisierung von Permanentmagneten in Sensor- und Antriebssystemen 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Magneto-Sensorik Messverfahren und Anwendung von AMR Sensoren Hochpräzise Messelektronik für Wheatstone-Brücken zur genauen Charakterisierung von Permanentmagneten in Sensor- und Antriebssystemen Gliederung: • INNOVENT Technologieentwicklung Jena / MOS • Notwendigkeit der Charakterisierung von Permanentmagneten • Verfahren zur Charakterisierung • AMR Sensorik: Prinzip und Besonderheiten • Messprinzip / Messelektronik • Anwendungsgebiete • Zusammenfassung 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Übersicht INNOVENT Technologieentwicklung Jena / MOS 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Übersicht INNOVENT Technologieentwicklung Jena / MOS Forschungsbereich MOS- Magnetische & Optische Systeme - magnetische Systeme - Elektronikentwicklung - Magnetooptik - technische Optik - Simulation - magnetische Materialien - Kristallzucht 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Notwendigkeit der Charakterisierung von Permanentmagneten gelieferte Magnete unterscheiden sich hinsichtlich der geforderten Ansprüche hauptsächlich im magnetischen Moment sowie im Magnetisierungswinkel • Ursache der fehlerhaften Magnetisierung: • Magnete werden häufig aus größeren Blöcken gesägt, erodiert oder gefräst • bei der Herstellung aus einzelnen Magnetpartikeln kommt es zu gebogenen Vorzugsrichtungen im Material • Untersucht werden muss: • magnetisches Moment • Magnetisierungswinkel m N S Magnetanordnung mit idealen Magneten Eingangskontrolle der gelieferten Permanentmagnete unerlässlich! 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Notwendigkeit der Charakterisierung von Permanentmagneten Probleme bei fehlerhafter Magnetisierung: • sensorischer Bereich: • häufig wird eine Kombination aus magnetisch empfindlichem Sensorelement und Magnetfeld erzeugendem Element verwendet • durch die Beweglichkeit einer dieser Elemente können lineare oder rotierende Bewegungen erfasst werden • durch eine fehlerhafte Magnetisierung (Austrittswinkel der Magnetisierung entspricht nicht der geometrischen Achse) entstehen Linearitäts- und Positionsfehler • Antriebstechnik • um die Funktionalität zu gewährleisten und fehlerhafte Magnete zu kompensieren werden Magnete überdimensioniert • bei Motoren kann es unter Umständen zu Rastmomenten kommen wobei schwankende Drehmomente auftreten. Abhilfe: eindeutig charakterisierte Magnete verwenden! 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Verfahren zur Charakterisierung • Helmholtzspulen/ Fluxmeter Kombination: • in eine Helmholtzspule wird ein Magnet eingeführt wobei die sich ändernde Induktionsspannung aufintegriert wird • das magnetische Moment ist proportional zu der gemessenen Flussänderung Nachteile: 21.06.2012 • genaue Bewegung des Magneten erforderlich • zeitaufwendig INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Verfahren zur Charakterisierung Messen des in den Sensoren induzierten magnetischen Feldes 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Verfahren zur Charakterisierung Messen des in den Sensoren induzierten magnetischen Feldes Vorteile: • statische Vermessung des Magneten • kurze Messzeit (unter 1 Sekunde pro Magnet) • Messbereich: 0,05-4 Am² Auflösung: Moment = 1%; Winkel = 0,1 (Skalierbar auf 0,0045-0,05Am² sowie: 4-2000Am²) 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung AMR Sensorik: Prinzip und Besonderheiten • Widerstand der Permalloy Schicht ist magnetfeldabhängig • Je nach Winkel zwischen Stromdichtevektor und Magnetfeld ändert sich der Widerstand : • Anordnung der AMR Schichten als Wheatstone-Brücke 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung AMR Sensorik: Prinzip und Besonderheiten • Domänen der AMR Elemente müssen auf die magnetisch leichte Achse ausgerichtet werden • Realisierung mit Set/Reset Windung im Sensorelement, Stromimpulse bis 4 A • AMR Sensoren als IC-Bausteine erhältlich (Feldbereich: +/-2G/200µT∆R=2,5Ohm) 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Messprinzip / Messelektronik Problem Leitungslänge • räumlich verteilte Sensorelemente • Sensoren sollen unverstärkt und Leitungsgebunden an die Messelektronik angeschlossen werden geometrisch unabhängiges Messsystem • Signalrauschabstand bei unverstärkten Wheatstone-Brücken über 5m problematisch (1Digit bei 16 Bit 490µV bei Ub=5V @ 2G) Abhilfe : alternatives Messverfahren mit hohem Signalrauschabstand erforderlich 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Messprinzip / Messelektronik • Widerstandsänderung auf eine Änderung der Zeitkonstante zurückführen U1 U 0 e U0 U2 U0 e t2 2 2 ( R R) C U1=U2 1 ( R R) C t1 t2 t1 t1 1 µC/DSP t2 1 2 t1 ( R R) C t 2 ( R R) C t1 k t2 t1 R k 1 1 k t2 R k 1 1 k 1 t1 t2 1 Spannungsänderung Wheatstone-Brücke Auflösung = 15ps 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Messprinzip / Messelektronik Vorteile • höherer Signalrauschabstand • digitales Messverfahren in CMOS Technologie • hohe Temperaturstabilität • kein Verstärkungsfehler • gleichzeitiges Ausmessen mehrerer Messkanäle über Triggerimpuls möglich 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Messprinzip / Messelektronik • hochauflösendes Messsystem (max. 24Bit) • Kaskadierbar (RS485) • verschiedene Sensorkonzepte (DMS, Druck, Temperatur) • freie Anordnung der Sensoren durch Kabellösung • Auflösung des magnetischen Feldes bis 12,5nT eff. Noise over 50sec. @50Sps (12,5nT eff.) 60 50 40 30 Feld [nT] 20 10 0 -10 0 5 10 15 20 25 30 35 40 45 50 -20 t[s] -30 -40 -50 -60 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Anwendungsgebiete • Charakterisierung von Permanentmagneten ( M-Axis ) 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Anwendungsgebiete • Charakterisierung von Permanentmagneten in einer Sensoranwendung (ca. 12000 Magnete vermessen und klassifiziert) 4500 4000 3500 Häufigkeit 3000 φ≤2 & MR>370mT=4610 Stk. 2500 2000 φ>2 ,MR<370mT= 7402 Stk. 1500 1000 500 0 < 354,9 355 - 359,9 360 - 364,9 365 - 369,9 370 - 374,9 375 - 379,9 380 - 384,9 385 - 389,9 > 390 Remanenz [mT] 4000 3500 3000 Häufigkeit 2500 2000 1500 1000 500 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 und größer Achsabweichung [°] 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Anwendungsgebiete • Ortung eines permanentmagnetischen Markers Industrietechnik Medizintechnik Wirbelschichtanlage 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Zusammenfassung • Zur Qualitätssicherung von Permanentmagneten in Sensor- und Antriebssystemen ist es unerlässlich eine Charakterisierung der Magnete durchzuführen • alternativ zu den klassischen Messsystemen mit Helmholtzspulen können AMR Sensoren verwendet werden. Nichtlineare Optimierungsalgorithmen ersetzen dabei Berechnungen mit einem Fluxmeter. • Wheatstone-Brücken (AMR, DMS, Drucksensoren) können alternativ zur Auswertung der Ausgangsspannung mit AD-Wandlern durch das Messen der Zeitkonstante ausgewertet werden. Quellen: Matesy GmbH Uni Harburg www.Honeywell.com http://www.joergs-modellbau-seiten.de/bilder/femm/femm07-64mm.jpg 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung Magneto-Sensorik Messverfahren und Anwendung von AMR Sensoren Dipl Ing. (FH) Andreas Wolf, M.Sc. Rocco Holzhey, Prof. Dr. Peter Görnert Vielen Dank für die Aufmerksamkeit 21.06.2012 INNOVENT e.V. Technologieentwicklung
