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Inhalt:

Messung von Magnetfeldern für das Testen von Automobilsensoren

Dipl.-Ing. Dr. Hendrik Husstedt

   

Betreuer und 1. Begutachter:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Manfred Kaltenbacher

2. Betreuer:

Univ.-Prof. Dipl.-Ing. Dr. Bernhard Zagar

Rigorosum:

27. April 2012

Im modernen Auto werden mit Hilfe von Magnetfeldern und magnetischen Sensoren unterschiedliche Messgrößen, wie Winkel, Position oder Drehzahl, berührungslos erfasst. Bevor ein Senor in ein Auto eingebaut wird, muss dieser einen umfassenden Funktionstest durchlaufen. Bei magnetischen Sensoren bedeutet dies, dass neben elektrischen Stimuli auch magnetische Referenzfelder benötigt werden. Das Ziel der Arbeit ist es Konzepte zu entwerfen, um die für diese Tests verwendeten Magnetfelder genau untersuchen zu können. Dies bedeutet, dass alle drei Freiheitsgerade von Magnetfeldern an verschiedenen Positionen im Raum gemessen werden sollen. Die Amplitude der im Automobil eingesetzten Magnetfelder ist typischerweise im Bereich von 10 μT − 200 mT, und das zu untersuchende Volumen besitzt eine Größe von einigen Kubikzentimetern. Bei manchen Tests werden stark inhomogen Magnetfelder verwendet, welche beispielsweise einen Gradient von 1 % pro 10 μm besitzen. Deshalb muss für genaue Messungen eine hohe Positionsgenauigkeit erreicht werden. In der Arbeit werden zwei Messkonzepte entwickelt.

Als erstes werden das Konzept und der Aufbau eines Messplatzes präsentiert, mit welchem die Geometrie und das Magnetfeld beliebiger Feldquellen genau vermessen werden können. Dieser Messaufbau wird als Magnetfeld- und Koordinatenmessgerät (MKMG) bezeichnet, und dieser besteht aus einem optischen und magnetischen Sensor, welche beide an einem Positioniersystem befestigt sind (siehe Abbildung 1). Bevor eine Messung gestartet werden kann, muss das MKMG genau kalibriert werden. Aus diesem Grund werden optische und magnetische Kalibriermethoden vorgestellt, und es wird eine ausführliche Fehlerabschätzung durchgeführt. Schließlich werden das Messprinzip und die Funktionsweise des MKMG an zwei Messbeispielen veranschaulicht.

Abbildung 1: Fotografie (links) und schematische Zeichnung (rechts) des Messaufbaus des MKMG. Das Koordinatensystem des Positioniersystems besitzt die Koordinaten x<sup>m</sup>, y<sup>m</sup>, z<sup>m</sup>, und das Koordinatensystem der Feldquelle die Koordinaten x<sup>d</sup>, y<sup>d,</sup> z<sup>d</sup>.

Abbildung 1: Fotografie (links) und schematische Zeichnung (rechts) des Messaufbaus des MKMG. Das Koordinatensystem des Positioniersystems besitzt die Koordinaten xm, ym, zm, und das Koordinatensystem der Feldquelle die Koordinaten xd, yd, zd.

Im zweiten Teil der Arbeit wird das Konzept und die Umsetzung eines dreidimensionalen magnetischen Überwachungssensor vorgestellt. Dieses Sensorsystem besteht aus drei eindimensionalen Hallsensoren, welche an einem gemeinsamen Aluminiumrahmen befestigt sind (siehe Abbildung 2). Dieser Rahmen verfügt über Passlöcher, sodass in Kombination mit Passstiften eine genaue Positionierung ermöglicht wird. Darüber hinaus sind drei Luftspulen in den Rahmen verbaut, mit denen die Funktionalität der Hallsensoren in der Anwendung überprüft werden kann. Der gesamte Überwachungssensor ist für einen weiten Temperaturbereich ausgelegt, damit dieser im produktiven Umfeld von Automobilsensoren eingesetzt werden kann. Des Weiteren wird ein Messaufbau, bestehend aus 12 Spulen, präsentiert, mit dem wichtige geometrische Parameter des Überwachungssensors bestimmt werden können.

Abbildung 2: a) Schematische Zeichnung des magnetischen 3D Überwachungssensors mit Rahmen (links) und ohne Rahmen (rechts). b) Fotografie des magnetischen 3D Überwachungssensors.

Abbildung 2: a) Schematische Zeichnung des magnetischen 3D Überwachungssensors mit Rahmen (links) und ohne Rahmen (rechts). b) Fotografie des magnetischen 3D Überwachungssensors.

Keywords: Scannen, Magnetfeld, Messtechnik, Koordinatenmessgerät, magnetisches Testen, Hallsensor.