Freepitch Sensoren

Funktionelle Sensorschaltungen

Bei verschiedenen Sensoren werden zwei Brückenschaltungen verwendet, um entweder den Messbereich zu vergrößern oder eine Bewegungsrichtung erkennen zu können.

Um eine Bewegungsrichtung erkennen zu können, werden zwei Brückenschaltungen so versetzt angeordnet, dass sich das Ausgangssignal der einen Brücke sinusförmig mit der Position verändert, das Ausgangssignal der anderen Brücke cosinusförmig (vgl. Abbildung 32).

Für eine Winkelmessung werden zwei um 45° verdrehte Brücken verwendet, um den Messbereich von 90° auf 180° zu erweitern.

 

FREEPITCH® Sensoren

FREEPITCH®: Sensoren die ein Magnetfeld quasi in einem Punkt erfassen.

Der Widerstand eines Permalloy-Streifens hängt direkt vom Winkel j zwischen der Magnetisierung M und dem Strom I ab. Für die Winkelmessung ist es nicht notwendig die Kennlinie durch Verwendung von Barberpolen zu linearisieren. Für den Widerstand R in Abhängigkeit vom Winkel j gilt:

R(j)=Rm + DR/2 cos(2j)

Da das Signal mit 180° periodisch verläuft, kann ein einzelner Widerstand nur im Bereich bis 90° eindeutig (absolut) messen. Wird eine zweite Brückenschaltung verwendet, die gegenüber der ersten um 45° verdreht ist, vergrößert sich der Messbereich auf 0° bis 180°. Die erste Brücke liefert ein Ausgangssignal, das proportional zum Sinus des zweifachen Winkels j  ist. Aus der zweiten Brücke erhält man das entsprechende Cosinussignal des doppelten Winkels.

 

j in Grad

 

Ausgangssignale eines Winkelsensors mit zwei Brückenschaltungen

 

Die Ausgangsspannung der Cosinus-Brücke ist:

Uo,1= Vcc DRg/Rm = Vcc /2  DR/Rm cos(2j).

Die Ausgangsspannung der Sinus-Brücke beträgt:

Uo,2= Vcc DRg/Rm = Vcc /2  DR/Rm sin(2j).

 

 

Zur Auswertung wird der Quotient der Brückenausgangsspannungen verwendet:

Uo,2/Uo,1=        sin(2j)/cos(2j)=tan(2j).

Der gesuchte Winkel j ist damit:

j= 1/2 arctan (Uo,2/Uo,1).

Damit wird das Ergebnis unabhängig von der Temperatur und der Versorgungsspannung der Brücken.

 

Um genaue Messergebnisse zu erhalten ist es wichtig, dass die Magnetisierung M dem externen Feld gut folgt. Deshalb müssen die externen Felder viel größer sein als das interne Feld, so dass der Sensor in der Sättigung betrieben wird. In diesem Fall ist das Ausgangssignal des Sensors nur noch abhängig von der Feldrichtung und nicht von der Feldstärke. Eine Übersteuerung des Sensors ist nicht möglich.
Vielmehr gilt: Je größer die Feldstärke des zu messenden Feldes, desto robuster ist das Sensorsystem gegenüber Fremdmagnetfeld (Störmagnetfeld).

 

Weiterhin ist beim Sensordesign die Formanisotropie hinderlich. Die Magnetisierung soll sich möglichst frei bewegen können, auch bei kleinen Feldern. Wird das MR-Material nicht in Streifen sondern möglichst rund angeordnet, ist die Formanisotropie praktisch null (Abbildung 33). Es bleibt nur eine geringe Materialanisotropie bestehen. Damit ausreichend hohe Brückenwiderstände und damit ein ausreichend hoher Spannungsabfall am Brückenausgang entsteht, müssen viele kleine Elemente in Reihe geschaltet werden. Dadurch steigt der Platzbedarf auf der Sensorfläche.

 

MR-Widerstände mit geringer Formanisotropie
(obere Reihe: Widerstände für Sinus-Brücke, untere Reihe: Widerstände für Cosinus-Brücke)

 

 

Filterung der 3. und 5. Oberwelle bei FREEPITCH®-Sensoren

Einige FREEPITCH®-Sensoren verwenden mäanderförmige Strukturen zur Filterung von Oberwellen. Zur Filterung der dritten Oberwelle (Periodizität: 60° \ p/3) und der fünften Oberwelle (Periodizität: 36° \ p/5), wird das im folgenden beschriebene Vorgehen gewählt.

Wird ein MR-Streifen halbiert, und die Streifen jeweils um 15° verdreht, wird die dritte Oberwelle unterdrückt.

Wird ein MR-Streifen halbiert, und die Streifen jeweils um 9° verdreht, wird die fünfte Oberwelle unterdrückt.

 

Um die dritte und fünfte Oberwelle gleichzeitig filtern zu können, wird der MR-Streifen halbiert und um 15° verdreht. Die verdrehten Streifen werden nochmals halbiert und die äußeren Hälften um weitere 9° verdreht. Durch das Verdrehen bleibt die mittlere Stromrichtung und damit die Grundwelle erhalten.

Abbildung 34: von links nach rechts: MR-Streifen ohne Filterung, MR-Streifen mit Filterung der 3. Oberwelle, MR-Streifen mit Filterung der 5. Oberwelle, MR-Streifen mit Filterung der 3. und 5. Oberwelle

 

 

 

FIXPITCH®-Sensoren;

 

FIXPITCH®: Sensoren die ein "breiten" Magnetfeldbereich erfassen.

Die Gegenläufigkeit der Brückenwiderstände wird durch die geometrisch angepasste Anordnung der MR-Widerstandselemente an die Pollängenteilung (Pitch) einer magnetischen Maßverkörperung (z.B. Polring oder Maßstab) erreicht.

 

Schematische Darstellung der Anordnung Sensor-Maßstab

Da bei Verwendung einer einzelnen Wheatstonebrücke die Bewegungsrichtung des Sensors bezüglich des Maßstabes nicht erkennbar ist, werden zwei Wheatstonebrücken verwendet.

Die ‚Sinus-Brücke‘ ist gegenüber der ‚Cosinus-Brücke‘ um eine viertel Periode (entspricht dem halben Pitch) versetzt. Wird der Sensor in "Sättigung" betrieben, erzeugt er pro magnetischem Pol (Nord bzw. Süd) eine Signalperiode. D.h eine Unterscheidung zwischen Nord- bzw. Südpol ist nicht möglich.

Abbildung 36: Ausgangssignal der Sinus-Brücke (--) und der Cosinus-Brücke (___)

Eine Verbesserung der Sensor-Performance kann erreicht werden, wenn die einzelnen MR-Widerstandselemente nicht nur auf einem Pol angeordnet werden. Dazu werden die Brückenwiderstände z.B. parallel im Abstand eines Viertel des Poles angeordnet (schematische Darstellung siehe Abbildung 35).

Das Messergebnis ist temperaturunabhängig und robust gegenüber homogenen magnetischen Störfeldern.  Die Widerstandselemente sind versetzt gegenläufig im Sensor verschaltet und ein Fremdfeld wird eliminiert.