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Neuer integrierter Näherungssensor

Greiner, Felix :
Neuer integrierter Näherungssensor.
Technische Universität Darmstadt
[Haus-, Projekt- oder Studienarbeit], (2004)

Kurzbeschreibung (Abstract)

Zusammenfassung:

1. Aufgabenstellung

In der Studienarbeit sollte ein induktiver Mikro-Näherungssensor für industrielle Anwendungen mit zwei integrierten Schwingkreisen und integrierter Ausleseelektronik aufgebaut werden. Auf dem gegebenen ASIC waren zwei aktive Resonanzsysteme und die Ausleseelektronik integriert. Um den Hybirdaufbau zu realisieren, mussten zwei externe Spulen angeschlossen werden. Es gibt zwei prinzipielle Konfigurationen:

A) Eine Spule fungiert als Referenz-, die andere als Messspule.

B) Beide Spulen dienen als Messspulen.

2. Funktionsprinzip

Die Annäherung eines Metallkörpers an eine oszillierende Spule kann zwei Effekte haben:

Handelt es sich um ein ferromagnetisches Material, so erhöht sich die Induktivität der Spule. Dieser Effekt wird z.B. bei Eisenkernen in Spulen verwendet. Im leitfähigen Material werden aber auch Wirbelströme induziert. Das führt zu einer Schwächung des Magnetfeldes und somit zu einer Verringerung der Induktivität.

Wählt man einen nicht ferromagnetischen Werkstoff, so lässt sich die Verringerung der Induktivität einer schwingenden Spule bei Annäherung des Messobjekts messen. Bei einer Flachspule kann das Metall nicht in den Kern der Spule eindringen, man geht also von planen Anordnungen aus. Bei kleinen Spulen ist außerdem die hohe Resonanzfrequenz und damit der starke Einfluss des Wirbelstromeffektes bei leitenden Materialien zu beachten.

Im Vergleich zeigt sich der Messeffekt des nicht ferromagnetischen Werkstoffs wesentlich größer als der des ferromagnetischen. Außerdem wird bei hohen Frequenzen der Q-Faktor von ferromagnetischen Werkstoffen nachteiliger beeinflusst als von nicht ferromagnetischen.

Im ASIC werden die Differenzen der Schwingfrequenzen der beiden Spulen ermittelt und auf TTL-Niveau ausgegeben.

In der Konfiguration A) habe die Messspule eine geringfügig kleinere Induktivität als die Referenzspule. Wird ein Aluminium-Blech angenähert, sinkt die Induktivität der Messspule, dessen Resonanzfrequenz steigt und somit auch die des Ausgangssignals.

Der Zusammenhang ist stark nichtlinear.

Im Aufbau B) sind die Empfindlichkeit und die Linearität wesentlich größer.

3. Ergebnisse

Während der Studienarbeit wurden verschiedene Aufbauten mit Mikro-Flachspulen getestet. Letztendlich konnte das Sensorsystem mit gewickelten Spulen realisiert werden. Deren Induktivität lag bei der Resonanzfrequenz von ca. 19MHz bei rund 10µH. Ein einstellbarer Hub zwischen 250µm und 1500µm konnte mit einer Empfindlichkeit von bis zu 1,73kHz/µm und einer Auflösung von <25nm detektiert werden.

Ein weiteres Ziel der Sensorkonzeption war die Temperaturabhängigkeit zu minimieren, unter anderem indem man den gleichen Resonanzkreis zweimal verwendete. Mit einem Drift von 8,17ppm/K wurde eine gute Kompensation erreicht. Die Leistungsaufnahme konnte mit einem nicht optimierten ASIC auf 20mW reduziert werden.

Typ des Eintrags: Haus-, Projekt- oder Studienarbeit
Erschienen: 2004
Autor(en): Greiner, Felix
Titel: Neuer integrierter Näherungssensor
Sprache: Deutsch
Kurzbeschreibung (Abstract):

Zusammenfassung:

1. Aufgabenstellung

In der Studienarbeit sollte ein induktiver Mikro-Näherungssensor für industrielle Anwendungen mit zwei integrierten Schwingkreisen und integrierter Ausleseelektronik aufgebaut werden. Auf dem gegebenen ASIC waren zwei aktive Resonanzsysteme und die Ausleseelektronik integriert. Um den Hybirdaufbau zu realisieren, mussten zwei externe Spulen angeschlossen werden. Es gibt zwei prinzipielle Konfigurationen:

A) Eine Spule fungiert als Referenz-, die andere als Messspule.

B) Beide Spulen dienen als Messspulen.

2. Funktionsprinzip

Die Annäherung eines Metallkörpers an eine oszillierende Spule kann zwei Effekte haben:

Handelt es sich um ein ferromagnetisches Material, so erhöht sich die Induktivität der Spule. Dieser Effekt wird z.B. bei Eisenkernen in Spulen verwendet. Im leitfähigen Material werden aber auch Wirbelströme induziert. Das führt zu einer Schwächung des Magnetfeldes und somit zu einer Verringerung der Induktivität.

Wählt man einen nicht ferromagnetischen Werkstoff, so lässt sich die Verringerung der Induktivität einer schwingenden Spule bei Annäherung des Messobjekts messen. Bei einer Flachspule kann das Metall nicht in den Kern der Spule eindringen, man geht also von planen Anordnungen aus. Bei kleinen Spulen ist außerdem die hohe Resonanzfrequenz und damit der starke Einfluss des Wirbelstromeffektes bei leitenden Materialien zu beachten.

Im Vergleich zeigt sich der Messeffekt des nicht ferromagnetischen Werkstoffs wesentlich größer als der des ferromagnetischen. Außerdem wird bei hohen Frequenzen der Q-Faktor von ferromagnetischen Werkstoffen nachteiliger beeinflusst als von nicht ferromagnetischen.

Im ASIC werden die Differenzen der Schwingfrequenzen der beiden Spulen ermittelt und auf TTL-Niveau ausgegeben.

In der Konfiguration A) habe die Messspule eine geringfügig kleinere Induktivität als die Referenzspule. Wird ein Aluminium-Blech angenähert, sinkt die Induktivität der Messspule, dessen Resonanzfrequenz steigt und somit auch die des Ausgangssignals.

Der Zusammenhang ist stark nichtlinear.

Im Aufbau B) sind die Empfindlichkeit und die Linearität wesentlich größer.

3. Ergebnisse

Während der Studienarbeit wurden verschiedene Aufbauten mit Mikro-Flachspulen getestet. Letztendlich konnte das Sensorsystem mit gewickelten Spulen realisiert werden. Deren Induktivität lag bei der Resonanzfrequenz von ca. 19MHz bei rund 10µH. Ein einstellbarer Hub zwischen 250µm und 1500µm konnte mit einer Empfindlichkeit von bis zu 1,73kHz/µm und einer Auflösung von <25nm detektiert werden.

Ein weiteres Ziel der Sensorkonzeption war die Temperaturabhängigkeit zu minimieren, unter anderem indem man den gleichen Resonanzkreis zweimal verwendete. Mit einem Drift von 8,17ppm/K wurde eine gute Kompensation erreicht. Die Leistungsaufnahme konnte mit einem nicht optimierten ASIC auf 20mW reduziert werden.

Freie Schlagworte: Elektromechanische Konstruktionen, Mikro- und Feinwerktechnik, Abstandsmessung induktiv, Mikrospule, nicht ferromagnetisches Metall, Sensor induktiv, Temperaturkompensation
Fachbereich(e)/-gebiet(e): Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen
Fachbereich Elektrotechnik und Informationstechnik > Institut für Elektromechanische Konstruktionen > Mikrotechnik und Elektromechanische Systeme
Hinterlegungsdatum: 11 Okt 2011 14:53
Zusätzliche Informationen:

EMK-spezifische Daten:

Lagerort Dokument: Archiv EMK, Kontakt über Sekretariate,

Bibliotheks-Sigel: 17/24 EMKS 1553

Art der Arbeit: Studienarbeit

Beginn Datum: 08-03-2004

Ende Datum: 09-08-2004

Querverweis: keiner

Studiengang: Elektrotechnik und Informationstechnik (ETiT)

Vertiefungsrichtung: Mikro- und Feinwerktechnik (MFT)

Abschluss: Diplom (MFT)

ID-Nummer: 17/24 EMKS 1553
Gutachter / Prüfer: Ballas, Dipl.-Ing. Rüdiger ; Schlaak, Prof. Dr.- Helmut Friedrich ; Kejik, Dipl.-Ing. Pavel
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