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Magnetische Messtechnik

Magnetisches Messen bietet zahlreiche Vorteile gegenüber anderen Positionier- und Messverfahren: es ermöglicht das Messen auf Distanz, in schmutziger Umgebung mit hoher Genauigkeit.

Eine typische Messlösung besteht aus einem Messkopf mit Sensor und einem magnetischen linearen oder rotativen Maßstab (Impulsgeber).

Zum Messen werden die magnetischen Eigenschaften eines Maßstabs ausgewertet. Dazu wird der Maßstab mit einem Muster aus magnetischen Nord- und Südpolen zu einer hochgenauen Skala definiert. BOGEN kann Linear- und Rotationsmaßstäbe durch ein patentiertes Spezialverfahren mit frei wählbaren Magnetmustern codieren: einspurig oder mehrspurig, inkrementell oder absolut. Mit einem Magnetbetrachter lassen sich diese Magnetinformationen auf einem Maßstab sichtbar machen. Er zeigt die Grenzen zwischen den Nord- und Südpolen auf.

Die magnetische Messung erfolgt berührungslos. Der Abstand zwischen Sensor und linearem oder rotativen Maßstab hängt von der Pollänge ab. Als Faustregel gilt, dass der Abstand zwischen Maßstab und Sensor eine halbe Polteilung (Länge eines einzigen Pols) betragen kann. Bei Verwendung eines Maßstabes mit 5 mm Polteilung bedeutet dies, dass der Abstand zwischen dem Sensor 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.

Für die magnetische Messung ist kein Sichtkontakt erforderlich. Bei vielen Anwendungen in der Industrie akkumulieren sich jedoch Schmutz, Staub oder Flüssigkeitstropfen auf dem Maßstab. Der Maßstab kann jedoch unabhängig von diesen Störungen trotzdem gelesen werden, da nur das Magnetfeld für den Sensor relevant ist.

Die Herausforderung beim Lesen mit hoher Genauigkeit besteht darin, ein sehr genaues Magnetmuster zu erzeugen, also die Grenzen zwischen dem Nord- und Südpol an der idealen Position exakt zu setzen. Für einen Maßstab mit 2 mm Polteilung, d. h. die Länge eines einzigen Pols beträgt jeweils 2 mm, muss gewährleistet sein, dass es exakt alle 2 mm eine Polgrenze gibt. Eine Messgenauigkeit von 3 µm ist erreichbar.

Das Magnetfeld eines Maßstabs bleibt über die Zeit unveränderlich. Es kann nur verändert werden, wenn ein stärkeres Magnetfeld den Maßstab in Kontakt berührt.

Messkopf mit Magnetsensor

Der Messkopf ist eine Abtastkopf-Einrichtung mit integrierter Elektronik, um den magnetischen Informationen von einem magnetischen Maßstab zu messen und in ein Signal umzuwandeln, das in der angeschlossenen Elektronik verwendet werden kann. Es gibt verschiedene Arten von Messköpfen, die abhängig vom verwendeten Sensor, dem Ausgangssignal (digital oder analog) und dem Umfang der Signalverarbeitung im Abtastkopf sind.

Das Schlüsselelement eines Messkopfes ist der Sensor. Es werden verschiedene Arten von Sensortechnik  verwendet, um das Magnetmuster zu lesen: Hall-Sensoren und magneto-resistive Sensoren. Diese Sensoren wandeln magnetische Informationen in ein elektrisches Signal um, das für eine Bewegungssteuerung oder andere elektronische Steuereinheit verwendet werden kann.

Verschiedene Arten der Sensorik werden für unterschiedliche Aufgaben eingesetzt.

Beim Hall-Prinzip wird Strom durch ein dünnes Leiterplättchen getrieben. Wenn das Leiterplättchen von einem magnetischen Fluss durchdrungen wird, ist senkrecht zum Strom und zum Flussdichtevektor eine Spannung messbar, die proportional zur Flussdichte ist. Hall-Sensoren gibt es als schaltende oder lineare Sensoren. Schaltende Hall-Sensoren eignen sich am besten für die Erfassung von Positionen auf einer Skala, während lineare Hall-Zellen einen Ausgang liefern, der über verschiedene Teile einer Skala unterschiedlich ist.

Magneto-resistive Sensoren (MR-Sensoren) nutzen andere Materialeigenschaften. Der Widerstand eines ferromagnetischen Leiters hängt von dem Feldstärkevektor in seinem Inneren ab. Für MR-Sensoren sind bestimmte Materialsorten für die Impulsgeber erforderlich und es sind bestimmte Geometrien einzuhalten. Magneto-resistive Elemente liefern eine Information, die, ähnlich wie bei linearen Hall-Sensoren, weiter interpoliert werden kann.

Das Signal eines Sensors ist nicht optimal. Durch Signalkonditionierung werden die Ausgangssignale des Sensors optimiert, um qualitativ hochwertige Informationen für die Nachfolgeelektronik zur Verfügung zu stellen.

Eine Signalverarbeitung reichert das Signal an und wandelt das analoge Signal in ein digitales Signal um. Analog- bzw. Digital-Wandler verarbeiten das Signal und stellen es für viele verschiedene Ausgänge bereit.

Ein Standardausgang wandelt das analoge Signal in ein Format, bei dem das Signal in zwei um 90 Grad verschobene Rechteckwellen umgewandelt wird, die auf dem A- und B-Kanal der Schnittstelle ausgegeben werden. Die Referenzinformation wird als Z-Kanal geliefert.

Inkrementelle Messköpfe haben RS485 ABZ oder TTL-/HTL-Ausgängen. Absolute Messköpfe sind mit SSI- oder BISS-C-Ausgängen ausgestattet. Die serielle Signalschnittstelle SSI ermöglicht die serielle Bereitstellung von Informationen. Der Sensor liefert serialisierte absolute Positionsinformationen im definierten Binärformat.

Inkrementelle und absolute Messung

Magnetische Messlösungen gibt es für absolute und inkrementelle Messungen.

Rein inkrementelle Systeme zählen die Anzahl der Schritte zwischen zwei Positionen, eine Schrittanzahl zwischen dem Start des Systems und dem Jetzt, wobei Schritte in jede Richtung gezählt werden können. Eine Stoppuhr ist ein inkrementelles System, das anzeigt, wie viele Sekunden (Schritte) seit dem Start der Messung vergangen sind. Für inkrementelle Systeme ist das Design einfach.

OneTrackIncremental
Eine andere Art von Inkrementalmaßstäben hat eine Referenz, wobei eine Referenzposition auf den Nullpunkt des inkrementellen Maßstabs ausgerichtet ist. Inkrementelle Systeme mit Referenz erfordern eine Referenzfahrt, um die Nullposition zu finden und dann von dort zu zählen.

OneTrackIncremental+Reference
Typischerweise basieren Motion-Control-Systeme auf Inkrementaltechnik. Sie steuern eine Relativbewegung mit den Eingabewerten.
Mit einem absoluten Messsystem wird ein Absolutsignal erzeugt, z. B. die Position. Ein anderes absolutes Messsystem ist die Uhr: sie gibt einen Zeitpunkt in Bezug auf eine allgemeine Referenz an. Für Absolut-Messungen gibt es viele Lösungen.

Der Pseudo-Zufallscode ist eine Erweiterung des Binärcodes für lineare Anwendungen. Anstatt mehrere Spuren parallel zu verwenden, verfügt der Maßstab über eine binäre Kombination, die in jedem Inkrement des Maßstabs anders ausgebildet ist. Typischerweise wird der Maßstab mit der gleichen Anzahl von Bits wie die Anzahl der Sensoren im Messkopf erzeugt.

AbsolutePseudoRandom

Es gibt verschiedene Algorithmen, die ein solches Muster erstellen können. Es sieht aus wie zufällig, weshalb es den irreführenden Namen erhalten hat.

Während der Pseudo-Zufallscode jede Position identifiziert, wird beim Prinzip des Pseudo-Zufallscode mit einer zusätzlicher Inkrementalspur diese Spur verwendet, um zwischen den Schritten zu interpolieren.

AbsolutePseodoRandom+Incremental

Dieses Muster verfügt über eine höhere Auflösung als die Anzahl der Sensoren in der Pseudo-Zufallsspur, da die Interpolation der Inkrementalspuren mit diesem Faktor für die Gesamtauflösung multipliziert wird.

Die Nonius-Spur verwendet zwei Spuren mit unterschiedlichen Polzahlen, in der Regel mit einem Unterschied von Eins.

AbsoluteNonius

Das Nonius-Muster wird mit zwei parallelen Sensorelementen, die jeweils eine Spur lesen, analysiert. Mit der Phasenverschiebung zwischen den beiden Spuren kann die absolute Lage berechnet werden.

Das Always-Absolute-Muster als ein hochauflösendes absolutes Muster.

AbsoluteAlways

5 - Die Position wird durch den Winkel der Polgrenze bestimmt. Das Always-Absolute-Muster kann schmaler als andere Zwei- oder Mehrspurmuster ausfallen und bietet eine höhere Auflösung als eine Spur Pseudo-Zufallscode.

Rotative Messlösungen

Rotative Systeme für inkrementale als auch absolute Messungen werden für die kontinuierliche oder diskrete Positionierung und Bewegungssteuerung eingesetzt, wie z.B. Kommutierung eines elektrischen Motors. Winkelmesslösungen erfordern spezialisierte Rotationsmessköpfe und aufgabenspezifische Rotationsmaßstäbe.

Rotationsmaßstäbe gibt es in diversen Ausführungen für viele Anwendungsbereiche mit:

  • Anbringung des Maßstabs auf dem Flansch, Außen- oder Innendurchmesser
  • Codierung einer oder mehrerer Spuren mit minimalen Pollängen von 0.1 mm
  • Referenzpunkt oder Index in der zweiten Spur als Nullpunkt
  • Außendurchmesser von 3 mm bis 2.1 m
  • Ferrit (auch verklebt auf Nabe)
  • Plastoferrit (mit Ferrit gefüllter Kunststoff)
  • Elastomer auf Nabe (mit Ferrit gefülltes Elastomer)
  • Vulkanisiertem Gummi auf Nabe (mit Ferrit gefülltes Gummi)
  • wahrer Winkelteilung (z. B. bei einem Ring-Umfang von 360 mm und einer Anzahl von 360 Polen wird Nord- oder Südpol für jeden mm exakt 1° codiert, ohne Lücke oder Stoßstelle an jedem beliebigen Punkt des Rotationsmaßstabs)
  • hohe Genauigkeit bis < 0,005 °

Lineare Messlösungen

Inkrementale als auch absolute magnetische Linearmesslösungen werden für die kontinuierliche oder diskrete Positionierung, Bewegungssteuerung, wie Kommutierung und andere Lösungen verwendet.

Magnetische Linear-Maßstäbe gibt es mit einer oder mehreren Spuren. Ein Referenzpunkt oder Index, der als Nullpunkt für die Steuerung verwendet werden kann, kann in der zweiten Spur geschrieben werden. Typische Maßstäbe haben Pollängen von 1, 2 oder 5 mm, es gibt aber auch Sondergrößen mit 0.5 oder 2.54 mm und anderen kundenspezifischen Größen.

Standardmäßig besteht ein Linearmaßstab aus einem magnetisierten Elastomer-Band (oder anderen Materialien) in unterschiedlicher Breite (typischerweise 5 bis 25 mm), das auf Edelstahl geklebt ist. Sie sind mit unterschiedliche Pollängen und in jeder beliebigen Länge bis 200 m erhältlich. Die Oberseite der Maßstäbe kann mit einem dünnen Edelstahl als Abdeckband geschützt werden

Genauigkeit und Auflösung

Die Genauigkeit wird definiert als maximale Abweichung einer Polgrenze von der Idealposition oder auch Grad der Übereinstimmung zwischen dem tatsächlich gemessenen und dem idealen Positionswert und wird in verschiedene Genauigkeitsklassen von +/- 3 bis +/- 100 µm unterteilt.

Auflösung beschreibt den kleinsten messbaren Schritt für das Messsystem. Bei einem inkrementellen Messsystem beschreibt sie die kleinste Differenz in der Position. Für viele absolute Systeme wird die Auflösung in der Anzahl von Bits ausgedrückt, d.h. wie viele 2x Positionen unterschieden werden können.

Präzision ist auch als Wiederholgenauigkeit bekannt. Präzision ist die maximale Differenz der verschiedenen Messergebnisse, wenn ein Tester ein vordefiniertes Testverfahren häufiger anwendet, um die gleiche Position zu erreichen.

Magnetmaßstab-Produktionstechnik

Digital gesteuerte Produktionstechnik für magnetische Linear- und Rotationsmaßstäbe erfüllt höchste Anforderungen an Genauigkeit, Präzision und Wirtschaftlichkeit. So können Mustervariationen mit unterschiedlichen Polteilungen und speziellen Mustern produziert oder an andere Maßstabsgrößen und -geometrien angepasst werden.

Als erstes wird das magnetische Muster auf dem Maßstab erzeugt, woraufhin jede Polgrenze gemessen und dahingehend geprüft, ob die Lage der Polgrenzen den Vorgaben entspricht. Sollte dies nicht der Fall sein, wird eine Korrektur berechnet und in einem weiteren Magnetisierungslauf werden alle nicht konformen Polgrenzen korrigiert. Die Polgrenzen werden quasi auf die gewünschte Position verschoben. Die Magnetisierung wird erneut überprüft. Dieser Prozess wird solange wiederholt bis alle  Anforderungen erfüllt sind. So können sowohl Prototypenmengen als auch Großserien wirtschaftlich produziert werden.

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