Back-biased Magnetfeldsensor

Back-biased Magnetfeldsensor

Leroy Adam

Problemstellung
Als etablierter Automatisierungsspezialist bietet Balluff AG bereits ein umfassendes Portfolio an Sensorkomponenten für Industrieanlagen an. Um die Produktepalette zu erweitern, soll im Rahmen dieser Projektarbeit ein Sensorelement zur stirnseitigen ferromagnetischen Distanzauflösung auf Basis des Back-biased Magnetfeldmessprinzip entwickelt werden (Abb. 1). Dabei soll untersucht werden, welche technischen Herausforderungen zu überwinden sind, wie auch welche begrenzenden Eigenschaften das Messverfahren aufweist. Seitens Industriepartner werden durch einen konkreten Anwendungsfall die Maximalabmessungen auf ∅10mm begrenzt.

Lösungskonzept
In Kombination mit der vorgängig definierten Dauermagnetform wurde ein differentielles Messprinzip eruiert und realisiert. Dabei umfasst das Lösungskonzept das erstellte Funktionsmuster eines Sensorelements, sowie eine für die Validierung verwendete Messstrecke.

Realisierung
Für die Entwicklung wird anfänglich eine FEM-Simulation zur Parametrisierung durchgeführt. Anschliessend folgte eine darauf basierte Konzipierung mit entsprechender Sensorevaluation. Ein erstelltes mechanisches Konzept berücksichtigt die Maximalabmessungen. Ebenso wurde in einem elektrischen Konzept die benötigten Komponenten ausgemacht und konzipiert (Abb. 2). Anhand der anschliessenden Implementierung und Realisierung des Funktionsmusters wurden Messungen am realen System zur Verifizierung der erhaltenen Simulationsresultate durchgeführt (Abb. 3). Diese wurden analysiert, um eine Charakterisierung zu ermöglichten. Aufgrund des Projekthintergrund konnten konzeptionelle Optimierungs- und Erweiterungsmöglichkeiten erfasst werden.

Ergebnisse
Unter Einhaltung der gegebenen Projektanforderungen wurde anhand stochastischer Messdatenauswertung eine Distanz von 23,8mm nachgewiesen, an der eine eineindeutige Auflösung einer gemessenen magnetischen Flussdichte in eine Deltatargetdistanz möglich ist. Es ist der Zusammenhang zwischen Genauigkeit und Targetdistanz erkennbar, wobei die Genauigkeit der Positionsauflösung mit zunehmender Deltatargetdistanz abnimmt. Dem kann durch eine Messwertmittelung entgegengewirkt werden, was wiederum die Messdauer erhöht. Die drei Parameter der Messgeschwindigkeit, der Genauigkeit und der messbaren Deltatargetdistanz stehen in einer Dreiecksbeziehung zueinander, wobei jeweils zwei Parameter bei einer Einbusse des dritten verbessert werden können. So kann eine relative Targetpositionsauflösung mit einer Aktualisierungsrate von 10Hz über den Grossteil des Messbereichs (0-15mm) mit einer Toleranz von weniger als ±0.33% zur Deltatargetdistanz erreicht werden.

Studienbetreuer Dr. Patric Eberle
Preisstifter Balluff AG

Back-biased Magnetfeldmessprinzip: Magnetfeldveränderung bei ferromagnetischer Targetannäherung
Konzeptionelle Ansicht der verwendeten Messstrecke
Aufnahme der umgesetzten Messstrecke inklusive Funktionsmuster

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