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Neues Messprinzip bei induktiven Weg-Sensoren

7. April 2009, 9:06 Uhr | Dr. John Golby

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Fortsetzung des Artikels von Teil 5

Fortschritte in der Sensor-Entwicklung

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.

Positionsgeber-Varianten

Bei einigen Anwendungen wäre es von Vorteil, auf ein Resonanzelement verzichten zu können. So könnte bereits ein geeignetes Stück Metall vorhanden sein, das als Positionsgeber genutzt werden kann (z.B. ein Fahrzeuggetriebe). Die Position eines sich bewegenden Elements muss eventuell durch eine Metallbarriere hindurch bestimmt werden, ein Beispiel ist die Stellung eines Pneumatik- bzw. Hydraulik-Zylinderkolbens. Hier ist als Positionsgeber ein Magnet erforderlich.

Metallischer Positionsgeber

Im ersten Beispiel hat die Verwendung eines Metallstücks anstelle eines Resonanzkreises drei Auswirkungen:

Der Signalpegel ist etwa um den Faktor 20 reduziert.
Auf Grund von Störwirkungen am Spulenende wird der Offset größer.
In der unmittelbaren Umgebung erhöht sich die Empfindlichkeit gegenüber anderen Metallobjekten.

Je nach den bestehenden geometrischen Einschränkungen lässt sich die Reduzierung der Signalpegel durch zusätzliche Spulenwicklungen teilweise ausgleichen, etwa durch die Verwendung einer vierlagigen statt einer zweilagigen Platine. Dabei bewirken die von einem Metall-Positionsgeber induzierten Ströme und auch Störungen am Spulenende keine Phasenverschiebung. Ein Offset in einem Kanal resultiert jedoch in einer Nichtlinearität des Sensor-Ausgangs. Ist der Offset konstant, dann lässt sie sich durch entsprechende Programmierung ausgleichen. Der Offset ändert sich jedoch in Abhängigkeit von Temperatur, Lebensdauer und Sensor-Typ.

Die optimale Konfiguration wird daher mit einer ausführlichen 3D-Simulation des Sensors und mit Testplatinen ermittelt, die einen jeweils geringfügig veränderten Aufbau aufweisen. Damit kann der Offset auf weniger als 1 % des maximalen Signalpegels reduziert werden. Variiert der Offset um etwa 10 %, dann beträgt der maximale Linearitätsfehler ±0,016 %.

Inwieweit die Empfindlichkeit gegenüber Metallobjekten kritisch ist, die in einem Abstand von nur wenigen Millimetern angebracht sind, hängt davon ab, wie der Entwickler die Umgebungsbedingungen des Sensors beeinflussen kann. Ein Fahrzeugmotor stellt in der Regel eine gut definierte Umgebung dar, in der zusätzliche Störsignale aufgrund umliegender stationärer Metallobjekte durch eine entsprechende Programmierung der Elektronik kompensiert werden können. Hat jedoch der Entwickler keinen Einfluss auf die Sensor-Umgebung, dann können zusätzliche Metallobjekte innerhalb eines Radius von wenigen Millimetern das Sensor-Ausgangssignal stark verfälschen.