Induktive Weg-Sensoren Neues Messprinzip ermöglicht maßgeschneiderte Entwicklungen

Induktive Weg-Sensoren

Induktive Weg-Sensoren werden im Großserienbereich beim Automobilbau oder bei Zählern in der Energieversorgung genutzt. Hierbei ist eine Messgenauigkeit von 1 % vom Skalen-Endwert gefordert. Die Kennwerte dieser Bauteile lassen sich mit einer Reihe von Maßnahmen kostenneutral deutlich verbessern, so dass damit anwendungsspezifische Entwicklungen wirtschaftlich werden.

Die herkömmlichen Sensoren zur Positionsbestimmung, die auf dem induktiven Messprinzip basieren, können als linearer variabler Differentialtransformator (LVDT – Linear Variable Differential Transformer) oder als variabler Drehdifferentialtransformator (RVDT – Rotary Variable Differential Transformer) aufgebaut sein. Ein LVDT besteht aus der Erregerspule (Primärspule), an die eine Wechselspannung angelegt wird, und den zwei äußeren Spulen (Sekundärspulen), in die ein Teil der Energie eingekoppelt wird.

Die beiden Sekundärspulen sind so geschaltet, dass die induzierten Ströme voneinander subtrahiert werden (daher auch die Bezeichnung »Differential«) und das Ausgangssignal Null beträgt. Führt man nun einen beweglichen magnetischen Positionsgeber (Target) – meist ein Ferritkern – zwischen die Spulen, ändert dies die Kopplung zwischen der Primär- und den Sekundärspulen. Das Ausgangssignal ist dabei linear proportional zur Position des Positionsgebers. Mit der Bewegung des Positionsgebers durch die Primärspule ändert sich die Phasenlage des Ausgangssignals.

Neuere Systeme verwenden planare Sensor-Spulen. Zu Beginn einer Sensor-Neuentwicklung bei Sagentia [1] wurde eine spezielle planare Spulengeometrie aus drei Spulen untersucht. Diese bestand aus der äußeren, rechteckigen Primärspule und zwei innen angeordneten Sekundärspulen mit einer Sinusbzw. Cosinus-Geometrie. Zwischen dieser Bauweise und einem LVDT bestehen zwei grundlegende Unterschiede:

  • Ist kein Positionsgeber vor handen, dann erzeugen beide Sekundärspulen kein Ausgangssignal.
  • Bei der Berechnung des Sensor-Ausgangssignals wird das Verhältnis zwischen den Ausgängen der Sekundärspulen herangezogen und nicht die Differenz.

Der erste Unterschied wird bei der Betrachtung der Sinus-Spule deutlich (Bild 1, oben). Da sich die Leiterbahnen in ganz bestimmter Weise in der Mitte der Spule kreuzen, werden in den zwei Spulenhälften gegenphasige Ströme induziert, die sich gegenseitig aufheben. Dies gilt auch für die Cosinus- Spule (Bild 1, mitte), bei der sich der in der zentralen Wicklung induzierte Strom und die in den zwei Endwicklungen induzierten Ströme gegenseitig aufheben. In der Praxis sind aufgrund von Störeinflüssen an den Sensor- Enden kleinere Design-Änderungen notwendig, um die Cosinus-Spule »auszubalancieren«. Wird nun ein Positionsgeber wenige Millimeter über einem solchen Sensor positioniert, dann hängt die Größe der induzierten Ströme von dessen Lage und der Spulengeometrie ab. Da es sich um sinusförmige Signale handelt, erhält man mit der Berechnung des Quotienten und des arctan(ϕ) ein lineares Ausgangssignal (Bild 1, unten).

Um das Potential dieses Sensors voll auszuschöpfen, empfiehlt sich der Ersatz des Positionsgebers durch einen Resonanzkreis aus einer kleinen Leiterplatte mit aufgedruckter Spule und einem Kondensator. Dies bietet gegenüber Positionsgebern aus Ferrit oder Metall folgende Vorteile:

  • Die induzierten Ströme steigen im Verhältnis zum Q-Wert des Resonanzkreises (üblicherweise um den Faktor 20).
  • Die Resonanz verursacht in den induzierten Strömen eine Phasenverschiebung um 90°, so dass diese leicht von eventuellen »Durchgangsströmen« aus der Primärspule (Störeinwirkung am Spulenende) entkoppelt werden können.

Die Sensoren werden in der Regel mit einer Erregerspannung von wenigen Volt bei Frequenzen zwischen 100 kHz und 10 MHz betrieben, der resultierende Strom beträgt wenige mA. Bei einem einfachen Resonanzkreis liegen die Signalpegel zwischen 10 mV und 100 mV, je nach Wicklungszahl und Breite des Luftspalts zwischen Sensor und Positionsgeber, der gewöhnlich 1 bis 3 mm breit ist.

Wird die Platine aus Standardwerkstoffen gefertigt und die Elektronik als ASIC-Baustein ausgeführt, dann sind die Herstellungskosten des »rohen« Sensors ohne ein anwendungsspezifisches Zusatzpaket gering. Die absolute Genauigkeit bzw. Linearität des Sensors liegt dabei zwischen 0,1 % und 1 %. Bei einer Wiederholrate von 1 bis 2 kHz erreicht die Auflösung Werte zwischen 0,01 % und 0,1 %. Durch die ratiometrische Signalverarbeitung sind diese Sensoren unempfindlich gegenüber mechanischen Toleranzen: Änderungen des Abstands zwischen Sensor und Positionsgeber oder ein lateraler Versatz von ±10 % der Sensor-Breite wirken sich auf das Ausgangssignal nur geringfügig aus.

Wegen des günstigen Preis/Leistungs- Verhältnisses sind diese Sensoren für Großserien geeignet. Im Automobilbau sind dies etwa Lenkrad, Gaspedal und Getriebe, in PDAs Bedieneroberflächen mit Taststift, in der Energieversorgung können dies Gebührenzähler sein. Diese können zur Erfassung der Position der Zählräder in einem Hodometer eingesetzt werden, das Ergebnis bildet dann die erste Stufe einer automatischen Zählerablesung mit einem AMR-System oder intelligenten Zählersystem.