schließen

Faraday Magnetometer

Johannes Egger

Neben den herkömmlichen Methoden der Magnetfeldmessung existieren noch weitere physikalische Effekte, welche dafür geeignet sind, jedoch selten für eine Magnetfeldmessung instrumentalisiert werden. Einer davon ist der Faraday--Effekt.

Die Zielsetzung dieser Arbeit liegt dabei in der Magnetfeldmessung einer Polyethylenfolie, welche partiell magnetisch beschichtet ist und sich in einer translatorischen Bewegung befindet.
Für eine Visualisierung der Magnetfelder wird der Faraday-Effekt benutzt, welcher eine polarisierte elektromagnetische Welle, um einen von der lokalen magnetischen Flussdichte abhängigen Winkel, rotiert.
Es wird ein optisches System vorgestellt, welches mit Hilfe des Faraday-Effektes die lokale magnetische Flussdichte in Lichtintensität umwandelt und auf einen Zeilensensor abbildet.
Das Videoausgangssignal des Zeilensensors wird digitalisiert und die Messdaten mit Hilfe eines Raspberry Pis für weitere Untersuchungen auf einer externen Festplatte abgespeichert.

Nach einer kurzen Beschreibung des Faraday-Effektes wird eine Polyethylenfolie mit einer partiellen magnetischen Farbbeschichtung beschrieben, welche für Qualitätsaussagen während dem Produktionsbetrieb vermessen werden soll.
Diese Beschichtung ist mit einem periodischen Muster versehen und weist teilweise auch Mikrostrukturen im Submillimeterbereich auf, welche mit dem Messgerät bei einer Produktionsgeschwindigkeit von 3 m/s lateral aufgelöst werden soll.

Abbildung 1: Erste aufgenommene Messdaten einer partiell beschichteten Polyethylenfolie, wobei die Beschichtung magnetisiert ist und Mikrostrukturierungen aufweist.

Es wird gezeigt, dass diese Auflösung mit einem vorgestellten Zeilensensor, welcher eine Pixelfläche von 63.5 µm x 63.5 µm aufweist, sowohl in Zeilenrichtung, als auch in Laufrichtung der Polyethylenfolie, mit einer 1:1 Abbildungsoptik, erreicht wird.
Die Videoausgangsspannung des Zeilensensors wird mit einer Verstärkerschaltung um den Faktor 2 verstärkt und einem vom Raspberry Pi gesteuertes Offsetsignal in den Messbereich des 8 Bit ADCs verschoben.
Der Abtastzeitpunkt des ADCs wird mit Hilfe eines CPLDs und einem Zeitverzögerungschip exakt auf den dafür vorgesehenen Zeitpunkt gesteuert.
Nach der Digitalisierung mit einer Zeilenabtastrate von 63.378 kHz, mit 64 Pixel pro Zeile, der Messdaten werden sie in einem 32 kB FIFO-Speicher zwischengespeichert, wo sie von einem Raspberry Pi ausgelesen werden.
Um auf den Raspberry Pi eine Streaminggeschwindigkeit von 4 MB/s erreichen zu können, wird ein System aus verschiedenen entwickelten Kernelmodulen und Programmen vorgestellt.
Der Raspberry Pi streamt die Messdaten, nach einer minimalen Signalverarbeitung auf eine externe Festplatte, wo sie dann für Offlineanalysen bereitstehen.

Für den Beweis der Funktionstüchtigkeit wurde probeweise eine Magnetfeldmessung einer beschichteten Polyethylenfolie in der Produktion durchgeführt, wobei ein Auschnitt davon in Abbildung 1 zu sehen ist, und es wird auf die Ergebnisse kurz eingegangen.
Dabei wird gezeigt, dass die Mikrostrukturen von dem Messgerät auch in voller Bandgeschwindigkeit aufgelöst werden und auf Basis dieser Werte eine qualitative Aussage über die Beschichtung getroffen werden kann und somit auch empirische Daten für eine Signalverarbeitungsentwicklung liefern kann.

Schlagwörter: Faraday Effekt, Raspberry Pi, Magnetometer, Magnetische Felder

Die Arbeit ist gesperrt ab 07. Februar 2018 für die Dauer von 5 Jahren.

02. Februar 2018