Neues Sensorkonzept für LVDT-Sensoren Quasilineare Tauchankerspule

Tauchankerspulen für LVDT-Sensoren werden bisher anwendungsspezifisch konstruiert. Mit Planarspulen in Leiterplattentechnik gibt es eine Alternative. Die Tauchankerspulen lassen sich so einfacher auf die zu überwachende Weglänge anpassen und verhalten sich quasilinear über die Position des Targets.

Die Überwachung der axialen Position von mechanisch, pneumatisch oder hydraulisch betätigten Metallkörpern gehört zu den Standardaufgaben in der mechatronischen Zustands- und Prozessüberwachung. Ein typisches Anwendungsszenario ist beispiels-weise die Kontrolle der Zugstangenposition innerhalb eines Werkzeugspannsystems (Bild 1).

Die Aufgabe eines Werkzeugspannsystems ist die Aufnahme unterschiedlicher Bohr- und Fräswerkzeuge in eine Motorspindel, die in einer Werkzeugmaschine zum Einsatz kommt und entsprechende Bohr- und Fräsoperationen durchführen soll. Die Betätigung des Werkzeugspannsystems zur Aufnahme und zum Ausstoß von Werkzeugen erfolgt dabei durch die axiale Positionierung der Zugstange. Wie im Beispiel dargestellt, ist ein entsprechender Tauchankersensor innerhalb der Motorspindel installiert, der die axiale Position eines auf der Zugstange befestigten Targetringes bestimmt. Gemäß dem Stand der Technik wird die Targetringposition mit Hilfe von Differentialtransformatoren ermittelt (Bild 2).

Stand der Technik

Sie werden auch als LVDT-Sensoren (Linear Variable Differential Transformator, LVDT) bezeichnet. Dazu wird auf dem zu überwachenden Metallkörper ein aus einem magnetisch günstigen Material bestehender Targetring montiert, dessen Position innerhalb des LVDT-Sensors erfasst und als Information zur Verfügung gestellt wird. Aus dieser Information werden dann entsprechende Aktionen abgeleitet.

LVDT-Sensoren bestehen aus drei axial und radial gewickelten Spulen, wobei in der Standardausführung zwei axial positionierte, gleich lange und in gegenläufiger Wicklung ausgelegte Spulen von einer dritten Spule radial überlagert werden (Bild 2). Mit dem Targetring innerhalb dieser Spulenanordnung wird nun der Kopplungsfaktor zwischen der äußeren roten Spule und den beiden innen liegenden und in Serie verschalteten Spulen (grün und blau) variiert. Wird an die äußere Spule ein sinusförmiges Signal gelegt, so wird an den in Serie verschalteten Spulen ein in der Amplitude verändertes sinusförmiges Signal empfangen.

Die Amplitude dieses Signals verändert sich über die Position des Targetringes und erfährt sein Minimum, wenn sich der Targetring in Gesamtspulenmittenposition befindet. Ausgehend von dieser Mittenposition verhält sich die Amplitude der in Serie verschalteten Sekundärspule linear über die Position des Targetringes. Mit Hilfe einer speziellen Auswerteschaltung unter Verwendung eines synchronen Demodulators kann aus diesem Amplitudenverhalten ein über den Gesamtweg des Targetringes lineares Ausgangssignal generiert werden.

Nachteil

Nachteilig ist hier das Konstruktionsprinzip: Der Spulengrundkörper eines LVDT-Sensors, auf den die Spule gewickelt wird, muss an die maximal zu überwachende Weglänge angepasst werden. Zudem kann sich bei thermischer Einwirkung die Klebeverbindung von Targetring und dem zum überwachenden Metallkörper aufgrund thermischer Spannungen lösen. Dies ist insbesondere dann problematisch, wenn der Metallkörper von einem Mediumkanal durchsetzt ist, wie es beispielsweise bei Werkzeugspannsystemen der Fall ist, um mit Hilfe von Bohremulsionen den Fertigungsprozess zu unterstützen. In solchen Fällen ist eine Klebeverbindung meist die einzige Befestigungsmöglichkeit, da eine mechanische Befestigung entweder konstruktionsbedingt nicht durchführbar ist oder sie das Messsignal derart verfälscht, dass die geforderte Sensorempfindlichkeit nicht mehr erreicht wird. Zudem tangieren häufig die Kostenvorgaben entsprechende mechanische Befestigungslösungen.

Neues Sensorkonzept

Die maximale Weglänge, die mit einem LVDT-Sensor überwacht werden muss, variiert von Anwendung zu Anwendung. Die Spulengrundkörper müssen für jede Anwendung spezifisch konstruiert und gefertigt werden. Diesen Aufwand möchten die Hersteller durch ein standardisiertes Verfahren vereinfachen. Außerdem soll auf einen extra gefertigten und aus einem anderen Werkstoff bestehenden Targetring verzichtet werden. Das hier vorgestellte alternative Verfahren besteht darin, durch Änderung der geometrischen Gestaltung, wie beispielsweise die Reduzierung des Metallkörperdurchmessers, und unter Verwendung einer herkömmlichen Stahllegierung, ein kostengünstiges Target zu fertigen.

Umgesetzt werden soll das Konzept mit standardisierten Planarspulen. Planarspulen werden im Vergleich zu Standardspulen zunächst in radialer Richtung aufgebaut und dann durch axiale Anordnung in die dritte Dimension erweitert (Bild 3). Die fertigungstechnische Umsetzung erfolgt in einer mehrlagigen Leiterplattenausführung (Bild 4). In dem hier vorliegenden Konzept wurden Planarspulen mit einem Innendurchmesser von Di= 12 mm und einem Außendurchmesser von Da= 20 mm umgesetzt und innerhalb einer sechslagigen Leiterplatte verwendet. Die elektrische Kontaktierung dieser sechs in Serie geschalteten Planarspulen erfolgt über die im Leiterplattenrandbereich angeordneten Durchkontaktierungen, die durch Fräsung der Leiterplattenaußenkante radial für die Lötmontage zugänglich gemacht werden.

Die Umsetzung zur Tauchankerspule erfolgte durch axiale Anordnung dieser Leiterplatten bei gleichzeitiger Serienverschaltung durch das Setzen entsprechender Lötverbindungen bei den Durchkontaktierungen im Leiterplattenrandbereich. Eine Explosionsdarstellung der so realisierten Tauchankerspule ist in Bild 5 dargestellt.

Mit diesem Aufbau kann eine beliebige Anzahl an Leiterplatten im Montageprozess verbunden werden. Damit ist eine an die zu überwachende Weglänge anpassbare Spule einfach und kostengünstig umsetzbar. Das Target wird hier durch geometrische Gestaltung und unter Verwendung des gleichen metallischen Werkstoffes wie der zu überwachende Metallkörper gefertigt. Es müssen nicht mehr unterschiedliche Materialen mit unterschiedlichen thermischen Ausdehnungskoeffizienten miteinander kombiniert werden. Damit entfällt auch eine der häufigsten Fehlerursache für Wartungs- und Reparaturarbeiten mit LVDT-Sensoren im Anwendungsbereich der Werkzeugspanntechnik.

Würde eine einfache Standardspule, wie in Bild 6 dargestellt, verwendet werden und ein Target aus magnetisch leitfähigem Material in den Spuleninnenbereich stirnseitig eindringen, so würde sich die Induktivität über die Eindringtiefe s nichtlinear verändern. In dem vorliegenden neuen Ansatz wird dieser Effekt dadurch verhindert, dass der Abstand der einzelnen Planarspulen aufgrund des Leiterplattenlagenaufbaus fertigungsbeding sehr klein gewählt ist, und sich damit die Induktivität bei vorhandenem Target stetig ändert. Diese Änderungen überlagern sich somit additiv über die Eindringtiefe des Targets, was zu einem quasilinearen Anstieg der Induktivität führt. Die Sättigung der Induktivität tritt ein, wenn der Tauchanker den Spuleninnenraum komplett durchsetzt. Dieser lineare Verlauf ist bei Wegsensoren wesentlich, da dadurch eine über den gesamten Wegbereich konstante Sensorempfindlichkeit (Änderung der Induktivität pro Wegstrecke) gegeben ist und die spätere Sensorkalibration vereinfacht wird.

Leiterplatten bieten als Spulenträgermaterial noch den Vorteil, dass der Spulendraht nicht mehr mittels Verguss fixiert werden muss. Damit entfällt auch der Einsatz einer Vakuum-Vergussanlage, die eine Luftblasenbildung im Verguss verhindern und eine homogene Füllung von punktuell geöffneten Volumenkörpern gewährleisten.

Elektrisches Verhalten

Das elektrische Verhalten der neuartigen Spule wurde im Versuchsaufbau in Bild 7 getestet, bei dem ein Eisenstab (Target) mithilfe eines positionierbaren Schlittens stirnseitig in die Spule eindringt. Die Induktivität wird mittels LCR-Meters bei einer Frequenz von 10 kHz ermittelt (Bild 8). Die Induktivität steigt über die Eindringtiefe des Targets und erfährt eine Sättigung, wenn das Target den Spuleninnenraum vollständig füllt. Innerhalb eines bestimmten Wegbereichs verändert sich die Induktivität quasilinear über die Targetposition. Wird die Anzahl der kombinierten Planarspulen erhöht, vergrößert sich der lineare Messbereich und es erhöht sich die Gesamtinduktivität.

Je mehr Planarspulen in Serie verschalten werden, desto größer ist die Sensorempfindlichkeit (Änderung der Induktivität über die Eindringtiefe des Targets). Ab einer bestimmten Anzahl kombinierter Planarspulen bleibt dieser Wert konstant bei ca. 300 µH/mm.

Die Sensorempfindlichkeit lässt sich steigern, indem die Leiterbahndichte pro Volumeneinheit erhöht wird. Im vorliegenden Aufbau beträgt der Leiterbahnabstand sowie die Leiterbahnbreite jeweils 150 µm. Die Reduzierung dieses Wertes auf 100 µm ist fertigungstechnisch ohne Einschränkung umsetzbar.

Ausblick

Wird die Leiterplattentechnologie bei der Fertigung von Planarspulen eingesetzt, so ist die Integration einer Auswerteschaltung beispielsweise auf der Spulenstirnseite denkbar. Damit ist ein digitaler Signaltransfer zu nachgelagerten Informationsverarbeitungseinheiten möglich und reduziert die Störempfindlichkeit.

Literatur

[1] Schrüfer, E.; Reindl, L. M.; Zagar, B.: Elektrische Messtechnik. Carl Hanser Verlag, 12. Auflage, September 2018.

Der Autor

Dr.-Ing. Stefan Bonerz
ist Hochschullehrer für Mess- und Regelungstechnik an der FH Vorarlberg und seit ca. 20 Jahren im Entwicklungsbereich bei diversen Firmen und Forschungseinrichtungen tätig. Sein Innovationsschwerpunkt liegt in der Konzeption und Entwicklung drahtloser, passiver Sensorsysteme.