Magnetische Messtechnik

Magnetische Messungen verwenden einen Maßstab, bei dem ein Muster aus magnetischen Nord- und Südpolen eine hochgenaue Skala definiert. Die verschiedenen Arten von Sensortechnik - Hall-Sensoren oder magnetoresistive Sensoren - werden verwendet, um das Magnetmuster zu lesen. Die Sensoren wandeln die magnetischen Eingangssignale in elektrische Signale, welche für eine Bewegungssteuerung oder eine andere elektronische Steuereinheit verwendet werden.

Die verschiedenen Arten von Sensortechnik können für Unterscheidungsaufgaben verwendet werden. Hall-Sensoren stehen als Schalt- oder Linearsensoren zur Verfügung. Schaltende Hallsensoren lassen sich am besten zum Erfassen von Positionen auf einem Maßstab verwenden, während lineare Hall-Zellen für eine Interpolation zur Verfügung stehen. Magnetoresistive Elemente stellen eine Information bereit, die ähnlich wie Hallsensoren linear ist.

Die Herausforderung bei der Massenproduktion ist es, ein sehr genaues Magnetmuster zu erzeugen, also die Grenzen zwischen dem Nord- und Südpol an der idealen Position möglichst genau zu setzen. Für einen Maßstab mit 2 mm Polteilung, d. h. die Länge eines einzigen Pols beträgt jeweils 2 mm, muss das Produktionssystem gewährleisten, dass es exakt alle 2 mm eine Polgrenze gibt. BOGEN beschreibt die Qualität der Maßstäbe durch die Bestimmung, wie viel jeder Nord- oder Südpol von seiner idealen Position abweicht. Falls Pole weniger als 10 Mikrometer entfernt von der idealen Position innerhalb 1 m sind, wird der Maßstab mit Qualität A10 bewertet. 

Die Vorteile der Magnetmessung sind zahlreich.

  • Lesen auf Distanz - Als Faustregel gilt, dass der Abstand zwischen dem Maßstab und dem Messkopf eine halbe Polteilung betragen kann. Bei Verwendung eines Maßstabes mit 5 mm Polteilung bedeutet dies, dass der Abstand zwischen dem Messkopf und dem Maßstab kleiner als 2,5 mm sein soll. Dieser Abstand kann Luft sein, es könnte aber auch jedes paramagnetische Material genutzt werden, beispielsweise die meisten Flüssigkeiten.
  • Lesen in schmutziger Umgebung - In vielen Anwendungen akkumulieren sich Schmutz, Staub oder Flüssigkeitstropfen auf dem Maßstab. Der Magnetmaßstab kann unabhängig von diesen Störungen gelesen werden, da nur das Magnetfeld für den Sensor relevant ist.
  • Anpassung des Maßstabs an unterschiedliche Geometrien - Magnetische Maßstäbe können für jede beliebige Länge bis 200 m mit unterschiedlicher Maßstabsbreite hergestellt werden.

Das magnetische Messen entwickelt sich zu einer Alternative zu anderen Messverfahren. Mit einer hohen Genauigkeit können unterschiedliche Messaufgaben gelöst werden.

Genaue Positionierung

BOGEN entwickelt und fertigt Messköpfe und hochpräzise magnetische Impulsgeber in den Längen- und Winkelmesssystemen für eine Vielzahl industrieller Anwendungen.

Die flexible und effiziente Magnettechnologie von BOGEN gewährleistet ein Optimum für komplexe Mess- und Steuerungsaufgaben. Das patentierte dynamische BOGEN-Verfahren ist in Präzision und Wirtschaftlichkeit anderen Magnetisierungsverfahren überlegen.

BOGEN codiert Linear- und Rotationsmaßstäbe mit frei wählbaren Magnetmustern:

  • Einspurig oder mehrspurig 
  • Inkrementell oder absolut

Im Folgenden sind die wichtigsten Kennzeichen des magnetischen Messens zusammengefasst:

  • Zum Messen werden die magnetischen Eigenschaften eines Impulsgebers ausgewertet.
  • Es werden Hall- oder magnetoresistive Sensoren eingesetzt.
  • Eine Messgenauigkeit von 3 µm ist erreichbar.
  • Die Messung ist berührungslos.
  • Der Abstand vom Impulsgeber hängt von der Pollänge ab.
  • Für die Messung ist kein Sichtkontakt erforderlich.

Für das magnetische Messen werden ein Messkopf und ein Impulsgeber eingesetzt. Dabei werden mit Hall- oder magnetoresistiven Sensoren (MR-Sensoren) die Nord- und Südpole des Impulsgebers ausgewertet.  Dazu wird zunächst ein Impulsgeber produziert, der aus einer Kombination von magnetischen Süd- und Nordpolen besteht. BOGEN kann durch sein patentiertes Spezialverfahren beliebige magnetische Muster schreiben. Dieser Maßstab ist dann ein Teil der Messlösung. Die Messlösung besteht aus einem Messkopf und einem Impulsgeber.

Die Messung ist berührungslos. Der Abstand vom linearen oder rotativen Impulsgeber hängt von der Pollänge ab. Typische Impulsgeber haben Pollängen von 1, 2 oder 5 mm, es gibt aber auch Sondergrößen mit 2,54 mm, 0,5 mm und kundenspezifische andere Größen. Mit einem Hilfsmittel lassen sich die Magnetinformationen verdeutlichen. Der Magnetbetrachter zeigt die Grenzen zwischen den Nord- und Südpolen auf.

Messen mit Hall-Sensoren

Die Hall-Sensoren basieren auf dem 1879 von Sir Edwin Hall entdeckten Hall Effekt. Durch ein dünnes Leiterplättchen wird ein Strom getrieben. Wird das Leiterplättchen von einem magnetischen Fluss durchdrungen, so ist senkrecht zum Strom und zum Flussdichtevektor eine Spannung messbar, die proportional zur Flussdichte ist.

Messen mit MR-Sensoren

Der Widerstand eines ferromagnetischen Leiters hängt von dem Feldstärkevektor in seinem Inneren ab. Für die MR-Sensoren sind bestimmte Materialsorten für die Impulsgeber erforderlich und es sind bestimmte Geometrien einzuhalten. Die Widerstandsänderung über einem magnetischen Maßstab wird mit Wheatstone-Messbrücken gemessen. Um ein Sinus- und Kosinus-Signal zu erhalten, wird mit zwei im 45°-Winkel gegeneinander verdrehten Messbrücken gemessen. AMR Sensoren werden meist in Sättigung betrieben, weshalb das Signal nur von der Richtung des Feldes abhängt.

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