Distanzen sicher messen mit magnetoresistiven Sensoren

In vielen Anwendungen ist es erforderlich, eine Distanz zu messen – sei es bei der Positionierung von Sägeblättern in der Holz verarbeitenden Industrie, der Prozessüberwachung bei Biegevorgängen von Blechen oder der Positionierung von Mikroskop-Tischen. Dabei kommen Sensor-Köpfe zum Einsatz, die den magnetoresistiven Effekt nutzen.

In vielen Anwendungen ist es erforderlich, eine Distanz zu messen – sei es bei der Positionierung von Sägeblättern in der Holz verarbeitenden Industrie, der Prozessüberwachung bei Biegevorgängen von Blechen oder der Positionierung von Mikroskop-Tischen. Dabei kommen Sensor-Köpfe zum Einsatz, die den magnetoresistiven Effekt nutzen.

Wenn es darauf ankommt, eine Position mit hoher Reproduziergenauigkeit anzufahren, werden häufig Messsysteme auf Basis magnetoresistiver (MR) Sensoren eingesetzt. Diese Sensoren lassen sich einfach montieren und liefern trotzdem Messwerte mit höchster Präzision.

Sie widerstehen Umwelteinflüssen wie Staub, Öl oder Feuchtigkeit und lassen sich daher auch unter rauhen Umgebungsbedingungen einsetzen. Als Signal an der Schnittstelle stehen meistens digitale inkrementale Impulse zur Verfügung, mit denen über einen Zähler in der SPS oder eine Steuerungseinheit die aktuelle Position ermittelt wird. Hinzu kommt meist ein Index-Signal, mit dem durch das Überfahren eines speziellen Pols ein Impuls ausgegeben wird, der die Absolutposition festlegt (Bild 1).

Als Messband kommt ein Stahlband zum Einsatz, auf das ein magnetisierbarer Kunststoff aufgebracht ist, der mit Polbreiten zwischen 500 µm und 10 mm magnetisiert ist. Diese Magnetbänder werden in Längen von einigen 100 m gefertigt und nach Bedarf zugeschnitten. Als Alternative steht ein keramikgebundener Hartferrit zur Verfügung, hier betragen die Längen bis zu 300 mm. Da der keramische Werkstoff spröde ist, ist die Handhabung dieser Maßstäbe bereits ab 200 mm kritisch, auch deshalb, weil diese nur wenige mm dick sind und leicht brechen. Allerdings lassen sich damit Messsysteme mit Genauigkeiten bis herab in den µm-Bereich realisieren. Die Genauigkeit der Messsysteme mit Kunststoff- Magnetbändern liegt bei einigen 10 µm.

Störsicher und robust: AMR-Sensoren

MR-Sensoren setzen sich in den letzten Jahren immer mehr durch. Sie gelten als sicher und einfach und haben sich in vielen Anwendungen bewährt. Bei der Verwendung von Sensoren, die den anisotropen magnetoresistiven (AMR) Effekt nutzen – eine Variante des MR-Effektes – wird das Sensor- Element in der Sättigung betrieben. Diese Sensoren detektieren die Richtung des Magnetfeldes, das durch das Magnetband erzeugt wird. Sie haben den Vorteil, dass Schwankungen der Feldstärke in der Regel keinen Einfluss auf die Signalgüte haben. Als Faustformel gilt hier: Die Magnetfeldstärke ist bis zu einem Abstand der halben Pollänge des Magnetbandes groß genug, um das Sensor-Element in der Sättigung zu halten und damit störungsfrei zu betreiben.

Die AMR-Sensoren bestehen aus einer Nanometer dünnen, magnetfeldabhängigen Schicht mit strukturierten Widerstandselementen, die zu einer Wheatstone-Brücke verschaltet sind. Beim Überfahren eines Magnetpols wird bei einer Betriebsspannung von 5 V ein Sinus-Signal mit einer Amplitude von etwa 100 mVss generiert. Für die Vorwärts-/Rückwärtserkennung sind auf jedem Sensor-Element zwei Wheatstone-Brücken integriert, die so angeordnet sind, dass zu dem Sinus- Signal ein um 90 ° verschobenes Signal erzeugt wird (Bild 2). Durch das Layout wird der Einfluss homogener magnetischer Störfelder auf den MRSensor minimiert. Zudem überprüft sich das Messsystem selbst: Ist das Messelement in Ordnung, dann gilt für die Summe der Messsignale die Beziehung sin2 + cos2 = 1 (Pythagoras). Das Index-Signal wird durch eine zweite Magnetspur dargestellt, zu deren Abtastung ein weiterer Sensor erforderlich ist. Mit nachgeschalteten Interpolations- Schaltkreisen werden die analogen Sin- und Cos-Signale der AMRSensoren in digitale Signale mit einer höheren Frequenz gewandelt. Auf diese Weise werden Auflösungen von einigen 10 nm erreicht, wie sie etwa bei Dosiereinheiten oder der Positionierung von Mikroskop-Tischen benötigt werden. Im Gegensatz dazu werden etwa in der Holz verarbeitenden Industrie nur Auflösungen von einigen Millimetern benötigt. Werden hier MRSensoren eingesetzt, dann sind die Anforderungen an die mechanischen Führungen gering, da die Abstandsschwankungen je nach verwendeter Polteilung einige Millimeter betragen dürfen. Carsten Möller, Sensitec/jw