Sensorik Neue Magnetmesstechnik erreicht Genauigkeit optischer Lösungen

Redakteur: Jan Vollmuth

Das Berliner Unternehmen Bogen Electronic hat im europäischen Innovationsprojekt Tumapos die Genauigkeit der magnetischen Messtechnik deutlich verbessert. Die ersten Produkte aus diesem Projekt erreichen ein Genauigkeitsniveau, das die unteren Genauigkeitsklassen von optischen Systemen übertrifft.

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Bogen hat mit dem Tumapos-Sensor und den 80-µm-Maßstäben eine neue Messlösung aufgebaut. Die Kombination von Maßstab und Messkopf erreicht Systemgenauigkeiten bis 5 µm, d. h. die Systemgenauigkeit ist mit optischen Messlösungen vergleichbar.
Bogen hat mit dem Tumapos-Sensor und den 80-µm-Maßstäben eine neue Messlösung aufgebaut. Die Kombination von Maßstab und Messkopf erreicht Systemgenauigkeiten bis 5 µm, d. h. die Systemgenauigkeit ist mit optischen Messlösungen vergleichbar.
(Bild: Bogen Electronic GmbH)

Zwei Schlüsselfaktoren beeinflussen die Genauigkeit eines magnetischen Messsystems: der magnetische Maßstab, auf dem die magnetischen Nord- und Südpole geschrieben werden, und der Sensor, mit dem der Maßstab gelesen wird, einschließlich der zugehörigen Signalauswertung. Beide Faktoren hängen voneinander ab. Ohne eine genaue Skala kann der beste Sensor keine hochgenauen Messergebnisse liefern; falls ein guter Sensor im System fehlt, ist wiederum die genaueste Skala wertlos. Um also die Genauigkeit eines magnetischen Systems zu verbessern, müssen sowohl der Maßstab als auch der Sensor optimiert werden.

Den Maßstab verfeinert

Genau dies war das Ziel des von der europäischen Kommission mitgetragenen Projekts Tumapos unter der Leitung des deutschen Unternehmens Bogen Electronic GmbH mit Sitz in Berlin. Im Rahmen des Projekts wurde als erstes Entwicklungsziel für den Maßstab eine höhere Genauigkeit beim Schreiben des Maßstabs von besser als 3 µm/m Meter maximale Abweichung zwischen Ist-Polgrenze zur Ideal-Polgrenzposition definiert. Dies erforderte eine Neukonstruktion der Einrichtungen für den Magnetisierungsprozess der Maßstäbe innerhalb der Produktion, da die bestehenden Maschinen die Genauigkeitsanforderungen nicht erfüllen konnten. Im Ergebnis können jetzt auf Linear- und Rotationsmaßstäben Polteilungen mit einer Genauigkeit von besser als ±3 μm geschrieben werden. Damit sind magnetische Maßstäbe entstanden, die in ihrer Genauigkeit vergleichbar mit optischen Maßstäben sind.

Wesentlichen Einfluss auf die Genauigkeit des Sensors haben die Interpolatoren im Rahmen der Signalauswertung. Je besser der Interpolator, desto geringer sind die Interpolationsfehler. Allerdings unterscheiden sich optische und magnetische Maßstäbe deutlich in den verwendeten Strukturgrößen. Während bei den optischen Maßstäben 20 µm Strukturen verwendet werden, nutzen die Standardmagnetmaßstäbe eine Polbreite von typischerweise 2 mm. Um eine Auflösung von 1 µm zu erreichen, sind magnetisch Interpolationsfaktoren von 2000 erforderlich, während die optischen Maßstäbe lediglich um den Faktor 20 interpolieren müssen. Um die Fehler bei der Interpolation zu verringern, ist daher eine kleinere Polgröße erforderlich. Im Rahmen des Tumapos-Projekts wurde somit eine verringerte Polgröße angestrebt, um die Interpolationsfehler zu minimieren. Dabei wurde festgestellt, dass 80 µm eine mögliche Lösung für die Polbreite darstellt.

Geeignete Sensoren gesucht

Um diese kleinen Polteilungen des Maßstabs für hochgenaue Messungen in industriellen Anwendungen nutzen zu können, war im nächsten Schritt die Entwicklung eines entsprechenden Sensors erforderlich. Dies erforderte Kenntnis der gängigsten Magnet-Sensoren:

  • Hall-Sensoren wurden ursprünglich für die axiale Messung der Rotation mit Dipolmagneten eingesetzt, also typische Wellenendanwendungen. Später wurden Hall-Sensoren für die Positionsmessung mit Multipolmaßstäben verwendet. Da Hall-Sensoren billig sind, werden sie hauptsächlich für den Großserieneinsatz wie z. B. im Automobilbereich, verwendet. Eine typische Hall-Sensor-Anwendung in einem Fahrzeug ist beispielsweise die Bestimmung der Raddrehung im ABS.
  • Den nächsten Schritt in der Entwicklung besserer magnetischer Positionssensoren stellen magneto-resistive Sensoren dar. Das Magnetfeld der Maßstäbe ändert den Widerstand im Sensor, aus der Widerstandsänderung kann eine Position bestimmt werden. Den Anfang bei der magnetischen Positionsmesstechnik bildete die AMR-Technologie (AMR = anisotrop-magneto-resistiv), auf der heute viele magnetische Messlösungen basieren. AMR bietet eine bessere räumliche Auflösung als die Hall-Technologie, ist aber teurer. Eine noch bessere Leistung liefern GMR-Sensoren (Giganto Magneto Resistiv) und TMR-Sensoren (Tunnel Magneto Resistiv). Beide Technologien bieten eine höhere Empfindlichkeit bei einer Änderung der eingehenden Werte. In den letzten Jahren wurden zunehmend GMR- und TMR-Sensoren für axiale Rotationsmessungen implementiert und es ist davon auszugehen, dass die GMR- und TMR-Technologie andere Technologien zunehmend ersetzen wird.

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