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Innovation Messtechnik 2017

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Inhalt:

Entwicklung, Aufbau und Signalverarbeitung eines hochfrequent induktiven Messsystems für präzise und absolute Positions- und Drehwinkel-Messung

In vielen industriellen Anwendungen gibt es eine große Nachfrage nach Messsystemen, zur Bestimmung der absoluten Winkelposition oder linearen Achsenposition, die in den Antrieb integriert werden können. Dieses Messsystem soll in den geometrischen Ausmaßen klein sein, eine große Betriebssicherheit haben, einem großen Temperaturbereich standhalten, unempfindlich gegenüber Feuchtigkeit, Staub und mechanischen Offset sein und eine lange Lebensdauer aufweisen. Kontaktlose induktive Sensoren erfüllen diese Anforderungen auch in rauen Industrieumgebungen.

Einer dieser induktiven Sensoren basiert auf induzierter Resonanz und nützt das physikalische Prinzip der Koppelinduktivität zwischen der Antenne und dem Positionsgeber (Target) aus (siehe Abbildung 1).

Abbildung 1: Links in der Abbildung sieht man den verwendeten kontaktlosen induktiven Positionssensor (Antenne) mit zwei verschiedenen Spulenweiten für die absolute und präzise Positionsbestimmung. Die rechteckige Spule auf dem Antennen PCB ist die Anregespule. Rechts in der Abbildung ist das Target PCB (Positionsgeber) abgebildet mit einer ebenen Spule, die die Induktivität des Resonanzschwingkreises bildet.

Die Antenne besteht aus einer rechteckigen Sende- und vier sinusförmigen Empfangsspulen mit zwei unterschiedlichen Spulenweiten. Die Anregespule erzeugt eine gleichmäßige Flussverteilung entlang der Längsachse der Antenne, die sich mit der Frequenz der Versorgungsspannung ändert. Das Target ist ein passiver LC-Schwingkreis, dessen Resonanzfrequenz auf die Frequenz der Versorgungsspannung abgestimmt ist. Befindet sich das Target innerhalb des alternierenden Magnetfelds, so werden Ströme in der Targetspule induziert die wiederum ein eigenes magnetisches Wechselfeld generieren, welches eine Spannung in Abhängigkeit der Target-Position in den Empfangsspulen induziert.

Ein großer Vorteil ist das ratiometrische Sensordesign, welches es ermöglicht die Position aus dem Verhältnis zweier Größen aus zwei Empfangskanälen zu berechnen und somit auch Messunsicherheiten, die zum Beispiel durch Abstandsänderungen hervorgerufen werden, weitgehend zu eliminieren.

Die absolute Target-Position soll bis auf 10 µm genau bei linearen Bewegungen gemessen werden und bei einer Drehwinkelmessung sollen Winkel kleiner 0.1 Grad bis zu einer Drehzahl von 5000 U/min messbar sein.

Die in Abbildung 1 gezeigte Antenne und das Target wurden für einen Versuchsaufbau entwickelt und gefertigt.

Analytische Analysen zu Signalübersprechen, Störsignalverhalten und die Auswirkungen bezüglich radialen Versatzes zwischen Target und Antenne wurden durchgeführt.

Weitere numerische Analysen in COMSOL Multiphysics werden unternommen, um die Sensorstruktur hinsichtlich Positionsempfindlichkeit zu optimieren und um die analytischen Ergebnisse mit denen der numerischen Simulationen zu vergleichen.

Abbildung 2: Das Blockdiagramm zeigt die Hauptkomponenten der analogen und digitalen Signalverabeitungs-Elektronik für die Empfangsspulen und die Treiber-Elektronik für die Anregespule. Links in der Abbildung sieht man den qualitativen Verlauf der induzierten Spannungen in den Empfangsspulen in Abhängigkeit der Target Position entlang der Antennenachse.

Zusätzlich werden verschiedene Auswertemethoden und Demodulationsverfahren für die amplitudenmodulierten Signale der Empfangsspulen, wie passive und aktive Mischer, Demodulatoren und digitale Mischverfahren untersucht. In Abbildung 2 sieht man das Blockdiagramm für eine mögliche Auswerteelektronik mit analogen Mischern.

Keywords: kontaktlos, induktiver Sensor, synchrone Demodulation, Absolut-Position, Winkelmessung, Unterabtasten