antriebstechnik 11/2018

SENSORIK UND MESSTECHNIK

SENSORIK UND MESSTECHNIK Robust – präzise – schnell Induktive Wegsensoren nach dem Wirbelstrom-Prinzip Die Erfassung von Wegen, Positionen oder Abständen gehört zu den am häufigsten gemessenen Größen in der industriellen Messtechnik. Ein spezieller Typ von induktiven Wegsensoren, der auf der Induktion von Wirbelströmen basiert, erreicht sehr hohe Genauigkeit und ist weitgehend unempfindlich gegenüber äußeren Einflüssen. Dipl.-Ing. Stefan Stelzl ist Produktmanager Sensorik bei der Micro-Epsilon Messtechnik GmbH & Co. KG in Ortenburg Eines der am häufigsten verwendeten Messprinzipien für Wegund Abstandssensoren ist die elektromagnetische Induktion, also die wechselseitige Beeinflussung zwischen einem Magnetfeld und einem elektrischen Feld. Das Prinzip der elektromagnetischen Induktion wurde bereits 1831 vom englischen Forscher Michael Faraday entdeckt. Das nach ihm benannte Faradaysche Induktionsgesetz lässt sich auf verschiedene Arten für Sensoren verwenden. Verschiedene Sensortypen Wie bei fast allen Sensoren wird zunächst zwischen schaltenden und messenden Sensoren unterschieden. Schaltende Sensoren erkennen lediglich die Anwesenheit eines Objektes in einem bestimmten Abstand vor dem Sensor und schalten dann einen Ausgang. Typisches Beispiel hierfür sind Näherungsschalter. Im Gegensatz dazu liefern messende Sensoren den Abstand zum Objekt als Messwert. Zusätzlich lassen sich die Sensoren noch unterteilen, je nachdem, ob sie das Messobjekt berühren oder ob sie berührungslos arbeiten. So arbeiten LVDT-Sensoren und induktive Messtaster z. B. mit einem mit dem Messobjekt verbundenen ferromagnetischen Stößel, der in ein Magnetfeld eintaucht und dieses dadurch verändert. Das LVDT-Messprinzip (Linear Variable Differential Transformer) ist vergleichbar mit einem Transformator. Eine Primärspule wird mit einer Wechselspannung versorgt. Über einen Kern aus einem ferroelektrischen Material, der im Inneren der Spule be- 40 antriebstechnik 11/2018

01 LVDT-Sensoren und induktive Messtaster arbeiten z. B. mit einem mit dem Messobjekt verbundenen ferromagne tischen Stößel, der in ein Magnetfeld eintaucht und dieses so verändert Messprinzip Messtaster Sekundärspulen Gleitlager Tastspitze Tastspitze Weichmagnetischer Kern Primärspule Rückstellfelder Messprinzip Wegsensor Stößel Weichmagnetischer Kern Sekundärspulen Stößel Primärspule Kernverlängerung weglich angebracht ist, wird eine Spannung in der Sekundärspule induziert. Diese ändert sich, wenn sich dieser Kern, der mit dem Messobjekt über den Stößel verbunden ist, bewegt, und liefert dadurch ein Maß für dessen Auslenkung. Wenn das Objekt, dessen Abstand zum Sensor gemessen werden soll, ebenfalls aus einem ferromagnetischen Material besteht, können solche Sensoren auch berührungslos aufgebaut werden. Die induzierte Spannungsänderung ist bei diesem Messprinzip allerdings nicht linear. Da bei diesen Sensoren üblicherweise keine Linearisierung erfolgt, ist hier mit einer größeren Messungenauigkeit zu rechnen. Nachteil dieses Sensortyps ist außerdem die relativ hohe Temperaturabhängigkeit, die etwa durch die Temperatur abhängigkeit der Permeabilität des Ferritkerns verursacht wird. Berührungslose induktive Messung Nach einem etwas anderen Prinzip arbeiten die eddyNCDT-Weg sensoren von Micro-Epsilon. NCDT steht dabei für Non-contact displacement transducer – sie arbeiten also ebenfalls berührungslos. Das Sensorprinzip basiert darauf, dass ein veränderliches Magnetfeld einen Wirbelstrom in einem metallischen Material erzeugt. Aufgrund des Wirkprinzips werden diese Sensoren teilweise auch als Wirbelstromsensoren bezeichnet. Nicht zu verwechseln mit dem Wirbelstromverfahren, das in der Werkstoffprüfung gebräuchlich ist. Im Sensor erzeugt eine Spule, die Teil eines Schwingkreises ist, das Magnetfeld. Ein Ferritkern, wie bei einfachen induktiven Sensoren, ist dabei nicht notwendig. Befindet sich ein elektrisch leitender Gegenstand innerhalb des Magnetfelds, werden in diesem gemäß dem Faradayschen Induktionsgesetz Wirbelströme erzeugt. Diese bilden wiederum ein Magnetfeld aus, das dem ursprünglichen Feld entgegengerichtet ist und dadurch die Impedanz der Spule ändert. Diese Impedanz-Änderung kann im Schwingkreis mit hoher Empfindlichkeit detektiert werden und ergibt so ein Maß für den Abstand zum Messobjekt. Die Auswertung dieser Impedanz- Änderung und die Signalaufbereitung geschehen in einem Controller. Die Methode funktioniert mit allen elektrisch leitfähigen Messobjekten – sowohl aus ferromagnetischen als auch aus nicht-ferromagnetischen Metallen. Weil das Signal von den elektrischen und magnetischen Eigenschaften des Materials und von der Geometrie der Messanordnung abhängig ist, muss der Sensor für jede Anwendung kalibriert und linearisiert werden. Die entsprechenden Daten für die Kalibrierung und die Linearisierung werden im Controller abgespeichert. Die berührungslos arbeitenden Wegsensoren werden bevorzugt dann verwendet, wenn keine Kräfte auf das Messobjekt ausgeübt werden sollen oder wenn sehr schnelle Wegänderungen erfasst werden müssen. Genau und schnell Mit dem Wirbelstrommessprinzip lassen sich sehr genaue Sensoren realisieren. Die NCDT- Wegsensoren der Reihe eddyNCDT von Micro-Epsilon können auch für Messungen eingesetzt werden, bei denen eine sehr hohe Genauigkeit gefordert ist. Je nach Typ bieten diese Sensoren Auflösungen bis hinunter zu wenigen zehntel Nanometer. Eine aufwändige 3-Punkt-Linearisierung der Sensoren sorgt für einen sehr geringen Linearitätsfehler, was entscheidend zur Gesamtgenauigkeit beiträgt. Die Sensoren sind mit unterschiedlichen Messbereichen von wenigen 100 μm bis 80 mm erhältlich. Auch die Geschwindigkeit der Messung ist sehr hoch. Die mögliche Messfrequenz hängt von der Frequenz des Schwingkreises ab. Mit den eddyNCDT-Sensoren sind Bandbreiten bis zu 100 kHz möglich. Mit herkömmlichen berührenden induktiven Sensoren sind solche Bandbreiten schon allein deswegen nicht erreichbar, da der Ferritkern sich in den Spulen bewegen muss. Bei so hochgenauen Wegmessungen spielen Temperaturein flüsse eine Rolle. Diese entste-