Präzision im rauen Umfeld

Technik konkret

Sensorik – Ein innovatives magnetisches Abtastverfahren ermöglicht die Konstruktion von extrem robusten Absolut-Drehgebern mit einer Messgenauigkeit, die sich bisher nur mit optischen Systemen realisieren ließ.

30. März 2012

Raue Umgebungsbedingungen wie extreme Temperaturbereiche, Betauung oder Vibration stellen besondere Anforderungen an die Messtechnik. Der Oberhausener Automatisierungsspezialist Lenord + Bauer hat deshalb die magnetisch-absoluten Drehgeber der Baureihe 235 entwickelt, deren spezielles Messprinzip eine sehr hohe Auflösung mit extremer Robustheit verbindet. Das Messverfahren beruht auf der Abtastung einer ferromagnetischen Codescheibe mit drei Spuren, die jeweils unterschiedliche Stegzahlen haben. Der eindeutige Phasenversatz zwischen den drei Spuren ermöglicht so auf der Grundlage des Nonius-Prinzips die hochgenaue Ermittlung einer Absolutposition mit einer Auflösung von bis zu 16 Bit (65.536 Schritte pro Umdrehung) und ist damit anderen magnetischen Absolutwertgebern deutlich überlegen, die nur die Feldlinienorientierung eines Stabmagneten abtasten können.

Hergestellt wird das Oberflächenprofil der Codescheibe mittels konventioneller Belichtungs- und Ätzverfahren, die eine hohe Maßhaltigkeit, Strukturtreue und Homogenität gewährleisten, weil dabei die gesamte Oberflächenstruktur in einem Schritt erzeugt wird. Bei einem Durchmesser der Stegscheibe von ca. 50 Millimeter liegen die kleinsten, relevanten Strukturgrößen im Bereich einiger 10 bis 100 Mikrometer. Zur Abtastung der Noniusscheiben dienen Sensoren, die den Riesenmagnetowiderstand (GMR, Giant Magneto Resistance) nutzen. Dieser quantenmechanische Grenzschichteffekt wird in Strukturen beobachtet, die aus abwechselnden magnetischen und nichtmagnetischen Schichten mit einigen Nanometern Dicke bestehen.

Er resultiert in einer symmetrischen Änderung des elektrischen Widerstands durch eine Magnetfeldmodulation relativ zu den parallelen Grenzschichten. Dabei ist der Widerstand bei einer Magnetisierung in entgegengesetzte Richtungen deutlich höher als bei einer Magnetisierung in die gleiche Richtung. Die auch von Computerfestplatten bekannten, sehr kompakten GMR-Sensorelemente verbinden eine hohe Empfindlichkeit und Linearität mit einer geringen Temperaturdrift. Lenord + Bauer realisiert den Aufbau eines Magnetkreises zur Abtastung der magnetisch passiven Maßverkörperung durch einen Stützmagneten, ein Sensorelement und eine Maßverkörperung.

Maßverkörperung und Sensorelement sind dabei in einem Abstand von wenigen 100 Mikrometer zueinander angeordnet, so dass das Oberflächenprofil der rotierenden Maßverkörperung das permanente Magnetfeld des Stützmagneten moduliert. Jeder Magnetkreis erzeugt in Kombination mit den Spuren der Stegscheibe Sinussignale mit abweichender Phasenlage. Ein hochintegriertes ASIC führt neben der Nonius-Auswertung auch den elektronischen Abgleich der GMR-Sensoren durch und kann so mechanische Fertigungstoleranzen automatisch ausgleichen.

Das magnetische Messprinzip arbeitet verschleißfrei und erlaubt einen dauerhaften Einsatz auch bei wechselnden Umgebungstemperaturen, Feuchteschwankungen, starken Vibrationen etc. Als erster Sensor der neuen Baureihe erreicht der Absolutwertgeber GEL235 eine Genauigkeit von 0,08 Winkelgrad und erfasst Bewegungsprozesse absolut sicher mit einer Gesamtauflösung von 28 Bit (16 Bit Singleturn/12 Bit Multiturn). Zudem profitieren die Anwender von einer dynamischen Regelung und der hoch reproduzierbaren Signalqualität. Die Innovation erreicht so mit robusten, magnetisch-absoluten Drehgebern eine Auflösung und Mess-Genauigkeit, die man bisher nur von empfindlichen optischen Systemen kannte.

Marcus Staszewski, Leiter Produktmanagement, Lenord, Bauer & Co.

Erschienen in Ausgabe: 02/2012