Magnetfeld Sensoren

Berührungslose Messung des Stromes

Magnetfeldsensoren beruhen meist auf dem magneto-resistiven- oder dem Hall-Prinzip. Im Gegensatz

zu optischen Drehgebern, Resolvern und Präzisionspotentiometern enthalten Magnetfeldsensoren

keine beweglichen Komponenten wie Wellen, Kugellager, Codescheiben oder Schleifringe. Ein

Umstand, der es erlaubt, sie vollständig mit Vergussmasse zu vergießen und damit optimal

abzudichten. Dies macht sie tolerant gegenüber Verschmutzungen jeglicher Art. Aber auch starke

Vibrationen, wie sie im täglichen rauen Einsatz des öfteren auftreten, bringen die Magnetfeldsensoren

nicht aus dem Tritt.

So vielfältig wie die Anwendungen in der Praxis, so umfangreich ist auch die Typenvielfalt bei den

Magnetfeldsensoren: Der Zahnradsensor mit im Sensor integrierten Vorspannmagneten, das

berührungslose Potentiometer, das seine Signale mittels eines externen Stabmagneten generiert und

die inkrementellen Drehgeber bzw. Längenmesssensoren, deren Massverkörperung aus einem

Magnetring oder einem Magnetband besteht. Die Auflösung reicht dabei von fast «rudimentär» beim

Zahnradsensor bis hin zu hoch auflösend beim 12-Bit-Singleturn-Drehgeber mit Bus-Anbindung.

Der Halleffektsensor bereitete uns von Anfang an Kopfzerbrechen, da wir noch keine Erfahrung mit

Halleffektsensoren geschweige denn Ferriten hatten. Also befassten wir uns zuerst mit dem Halleffekt,

auf dessen Prinzip der Halleffektsensor, oder auch Hallsonde genannt, basiert.

Der Halleffekt

Ein sehr dünnes Halbleiterplättchen wird in Längsrichtung vom Strom IH durchflossen. Auf der

Oberfläche wirkt ein Magnetfeld mit der Flussdichte B. Infolge der Lorentz- Kraft wird dabei der

Elektronenstrom abgelenkt, so dass sich an den Seiten des Plättchens unterschiedliche

Elektronendichten ausbilden. Zwischen den Außenkanten entsteht auf diese Weise eine Spannung,

die Hallspannung, deren Betrag von Materialeigenschaften des Plättchens, von der Stromstärke IH und

von der Flussdichte B bestimmt wird. Die Hallspannung lässt sich berechnen:

KH.........Hallkonstante, Materialkonstante des Plättchens

für Indium-Antimonid

d............Dicke des Plättchens

Eckdaten der Magnetsensoren im Vergleich

Sensortyp Familie Auflösung Frequenz Ausgangssignal Spezielle

Merkmale

Zahnradsensor MHRM Ab Zahnmodul

1

15 kHz Push-pull IP 68 / 20 bar

/ 120°

Berührungslose

Poti

MDRM/

MDFM

10 Bit 20 kHz Analog U und I Absolutes

Signal

Inkrementeller

DG

MDFK Abhängig von Polrad &

Interpolationsfaktor

Push-pull, RS 422 Optional mit

Nullimpuls

Linearsensor MLFK 10 Mikrometer V max.

40m/sec.

Push-pull, RS 422 Inkrementell

Anwendung von Magnetfeldsensoren

Im perfekten Zusammenspiel mit Magnetbändern, Stab- oder

Ringmagneten lassen sich mittels Magnetfeldsensoren die vielfältigsten Anwendungen in der

Überwachung und Steuerung von Dreh- und Linearbewegungen erschließen. Sie sind unempfindlich

gegenüber Staub, Feuchtigkeit und Vibrationen (IP 67), sind schnell montiert und unterliegen auch bei

hohen Drehzahlen keinerlei Abnützung. Aufgrund ihrer Toleranz und Robustheit bieten sie sich auch

an für Drehgeber- Applikationen in verschmutzter Umgebung was Anwendungen im Freien mit

einschließt.

Die Hallsonde

Hallsensoren (oder Hallsonden, nach Edwin Hall) nutzen den Hall-Effekt zur Messung von

Magnetfeldern und Strömen.

Wird ein Hallsensor einer gegebenen Bauform in einem Magnetfeld angeordnet und von einem Strom

durchflossen, so liefert er eine Ausgangsspannung die proportional zum Produkt aus magnetischer

Feldstärke und Strom ist. Ist der Strom bekannt, kann man die magnetische Feldstärke messen; ist

das Magnetfeld bekannt, kann man die Stromstärke messen. Sind Stromstärke und Magnetfeldstärke

bekannt, dann kann der Hallsensor auch als Metalldetektor verwendet werden.

Die Feldplatte

Funktionsweise

Die Feldplatte ist ein Widerstand dessen Wert magnetisch steuerbar ist, sie besitzt deshalb im

Gegensatz zum Hallgenerator nur 2 Anschlüsse. Durch Einwirkung eines Magnetfeldes B erhöht sich

der elektrische Widerstand der Platte. Im Ruhezustand (B=0,T=25°C) ist der Widerstand klein

(Grundwiderstand zwischen 10 Ohm und 1k). Bei Einwirkung eines Magnetfeldes wird der Strom

abgelenkt, so werden die Strombahnen länger und der Widerstand erhöht sich (Abb.1) Die größte

Widerstandserhöhung erreicht man, wenn das Magnetfeld B senkrecht auf die Plattenebene einwirkt,

bei jeder Abweichung wird die Änderung kleiner.

Liegt kein magnetisches Feld an, verlaufen die Strombahnen gerade (Fall a). Bei Einfluß eines eines

Magnetfeldes werden die Elektronen abgelenkt (Fall b bzw Fall c). Je größer die magnetische

Felddichte, desto größer ist der Weg. Die Vergrößerung des Weges ist gleich einer Erhöhung des

Widerstandwertes.

Schaltzeichen:

Feldplatten-Kennlinie:

Schichtausschnitt mit Strombahn:

Feldplatten Aufbau-Bauformen:

Eisentypen (Trägermaterial ist ferromagnet. Werkstoff mit großer Permiabilität (Ferrite)

Kunststofftypen (Trägermaterial aus Kunststoff oder Keramik)

Auf dem Träger wird Indiumantimonid aufgebracht, welches sich durch eine hohe

Trägerberbeweglichkeit auszeichnet. Durch ein besonderes Fertigungsverfahren baut man in einem

Indiumantimonidkristall in Quer- Richtung zum Plättchen gut leitende Nickelantimonid- Nadeln ein.

Das Halbleitermaterial ist bis etwa 95°C belastbar.

Feldplatten Anwendungen:

Funktionserklärung-Drehzahlmessung

Zur Messung von Drehzahlen eignen sich galvanomagnetische Bauteile besser als induktive, da die

Amplitude des Ausgangssignals von der Drehzahl unabhängig ist. Man verwendet meist ein als

Differentialsonde ausgebildetes Doppelelement, das dem Abstand der abzutastenden Zähne

angepaßt werden kann, um die optimale Amplitude des Ausgangssignals zu erhalten. Mit Hilfe eines

zweiten Fühlers kann sehr einfach die Drehrichtung eines Zahnrades erkannt werden. Dabei wird der

zweite Sensor mechanisch so justiert, daß elektrisch ein um 90° versetztes Signal erzeugt wird. Eine

Auswertlogik kann nun in Abhängigkeit der Impulsfolge von F1 und F2 die Drehrichtung anzeigen.

Funktionserklärung-Kontaktloser Taster

Feldplatten können zur kontaktlosen Signalgabe verwendet werden. Bei Tastenbetätigung ein

Permanentmagnet senkrecht in Richtung Feldplatte bewegt und damit prellfrei ein Kontakt

geschlossen. In der Steuer und Regelungstechnik werden Feldplatten auch als stufenlos verstellbare

Widerstände verwendet.

Grundlagen