Ratgeber
Winkelsensoren spielen eine entscheidende Rolle in vielen Industriebereichen, da sie eine präzise Messung der Orientierung oder Drehposition von Objekten ermöglichen. In der Automation sorgen sie beispielsweise für die Steuerung von Roboterarmen und -gelenken. In unserem Ratgeber informieren wir Sie über Typen und Bauformen dieser Sensoren, wobei wir den Schwerpunkt auf magnetische Ausführungen gelegt haben.
Winkelsensoren, auch unter dem Begriff Drehwinkelsensoren bekannt, können die Orientierung oder die Drehposition eines Objekts relativ zu einem Anfangsreferenzpunkt ermitteln.
Sensoren dieses Typs wandeln mechanische Positionen in elektrische Signale um, die dann von einem Mikrocontroller oder einem anderen elektronischen Gerät gelesen und interpretiert werden können. Der Messbereich der Umdrehungen kann bis 360 Grad betragen.
Zur Positionsermittlung lassen sich je nach Applikation und Aufbau unterschiedliche Technologien nutzen. So verfügen potentiometrische Drehwinkelsensoren über Potentiometer zur Messung der Drehposition. Die Bewegung verändert den Widerstand, was zu einer Veränderung der Ausgangsspannung führt.
Optische Winkelsensoren verwenden dagegen Licht. Es wird zur Erfassung der Position durch eine Codierscheibe geleitet. Die Unterbrechungen im Lichtmuster der Scheibe dienen dann zur Bestimmung des Winkels.
Kapazitive und induktive Sensoren wiederum messen Positionsveränderungen über die Kapazität von Kondensatoren beziehungsweise die Induktivität von Spulen. Elektrische Parameter, die sich durch die relative Bewegung eines Objekts ändern.
Der Fokus dieses Ratgebers liegt aber auf magnetischen Winkelsensoren. Sie messen Veränderungen im magnetischen Feld, in der Regel hervorgerufen durch die Drehung eines magnetischen Objekts. Magnetische Drehwinkelsensoren verfügen nicht nur über eine lange Lebensdauer, sie gelten auch als zuverlässig. Außerdem sind sie für ihre hohe Genauigkeit bekannt.
In der Praxis haben sich fünf unterschiedliche Funktionsweisen von Winkelsensoren durchgesetzt, die jeweils Permanentmagneten als Urheber des Magnetfelds nutzen. Diese Magnete lassen sich relativ leicht an Objekte anbringen und erlauben eine nahezu unbegrenzte Messung. Vorausgesetzt, die Umgebungstemperatur ist nicht zu hoch, und es besteht keine Gefahr für heftige Erschütterungen. Beide Bedingungen können die Stärke des magnetischen Felds negativ beeinflussen. Da Drehwinkel-Sensoren in der Regel in Produktionsumgebungen im Einsatz sind, verfügen sie über stabile Gehäuse vorwiegend aus schlagfestem Kunststoff sowie hohe IP-Schutzarten.
Dieser Drehwinkelsensor nutzt den Hall-Effekt zur Messung der Winkelposition eines Magnetfelds relativ zum Sensor. Der Effekt beschreibt das Phänomen, dass eine Spannung quer zu einem elektrischen Strom in einem leitenden Material erzeugt wird, wenn dieses Material einem Magnetfeld ausgesetzt wird. Die Höhe dieser Hall-Spannung ist proportional zur Stärke des Magnetfelds und zur Stromstärke. Im Kern des Winkelsensors befindet sich das Hall-Element, ein dünnes Stück Halbleitermaterial, durch das ein elektrischer Strom fließt.
Da die Position des Magneten relativ zum Hall-Element die Charakteristiken des Magnetfelds ändert, ergibt sich aus der Veränderung der Hall-Spannung die Winkelposition des Magneten – und somit des Objekts, an dem der Magnet befestigt ist. Moderne Hall-Sensoren verwandeln die analogen Spannungssignale über integrierte Schaltkreise in digitale Werte, die sich direkt in Steuerungen verwenden lassen.
Auch dieser Drehwinkelsensor basiert auf magnetischen Effekten, und zwar auf die magnetoresistiven. Gemessen wird dabei der sich ändernde elektrische Widerstand eines Materials, wenn es in ein Magnetfeld gebracht wird. Diese Sensor-Elemente bestehen aus dünnen Schichten oder Streifen eines magnetoresistiven Materials. Wenn ein Magnetfeld senkrecht oder parallel zu diesen Streifen ausgerichtet ist, ändert sich ihr elektrischer Widerstand. Die Änderung ist abhängig von der Richtung des Magnetfelds relativ zur Orientierung der magnetoresistiven Elements. Der MR-Effekt wird im Automobilbereich häufig in ABS-Sensoren verwendet. Als Quelle des magnetischen Felds dienen Zahnräder, verbunden mit der Achse jedes Rades. Die Zahnräder sind mit Magneten ausgestattet, und zwar in abwechselnder Polrichtung. Mit einem solchen Multipolrad lassen sich sowohl vorwärts- als auch rückwärtsdrehende Räder erkennen.
Die Winkelberechnung erfolgt durch die Analyse der Widerstandsänderungen. MR-Sensoren verwenden oft komplexe Schaltungen und Algorithmen der Messtechnik zur präzisen Erfassung des Winkels, damit funktionieren sie selbst bei schwachen Magnetfeldern oder in Umgebungen mit elektromagnetischen Störungen.
Der Sensor kann axial oder auf den Umfang eines Magneten, beziehungsweise auf ein Polrad mit einer Vielzahl von Permanentmagneten, angebracht werden.
Axial
Umfang
Polrad
Dieser Drehwinkelsensor ist – wie auch die nachfolgend beschriebenen Drehwinkelsensoren – ein naher Verwandter des MR-Effekt-Winkelsensors. Er nutzt den anisotropen magnetoresistiven Effekt zur Messung der Winkelposition eines Magnetfeldes relativ zum Sensor. Dieser Effekt bezeichnet die Eigenschaft bestimmter ferromagnetischer Materialien, bei denen sich der elektrische Widerstand in Abhängigkeit von der Richtung des angelegten Magnetfeldes relativ zur Stromrichtung im Material ändert.
AMR-Sensorelemente bestehen meist aus dünnen Streifen eines ferromagnetischen Materials, typischerweise Nickel-Eisen-Legierungen. Die Streifen sind oft in einer Wheatstone-Brückenschaltung angeordnet, das erhöht die Sensitivität und kompensiert temperaturbedingte Widerstandsänderungen. Ist das Magnetfeld parallel zur Stromrichtung in den AMR-Streifen ausgerichtet, erreicht der elektrische Widerstand ein Minimum, senkrecht zur Stromrichtung ein Maximum. Die Widerstandsänderung zwischen diesen beiden Extremen ist annähernd sinusförmig in Bezug auf den Winkel zwischen dem Magnetfeld und der Stromrichtung.
Durch Anlegen einer Spannung an die Wheatstone-Brücke fließt Strom durch die AMR-Elemente. Änderungen im Widerstand der Elemente aufgrund der Ausrichtung des Magnetfeldes führen zu einer Änderung der Ausgangsspannung der Brücke. Diese analoge Spannungsänderung wird gemessen und digitalisiert zur Berechnung des Winkels zwischen dem Magnetfeld und den Sensor-Elementen verwendet.
GMR steht für Giant Magnetoresistance, also Riesenmagnetowiderstand. Der hier genutzte Effekt beruht auf der Änderung des elektrischen Widerstands in bestimmten mehrschichtigen mikroskopischen Strukturen in Anwesenheit eines Magnetfelds. Diese Änderung ist deutlich größer als die, die durch den AMR-Effekt erzeugt wird. Das macht den GMR-Effekt-Winkelsensor besonders für Anwendungen interessant, bei denen hohe Sensitivität gefordert ist.
Der eigentliche Sensor besteht aus mehreren dünnen Schichten, wobei sich ferromagnetische Materialien wie Eisen oder Cobalt mit nichtmagnetischen Materialien wie Kupfer abwechseln. Die elektronische Streuung an den Grenzflächen dieser Schichten ist abhängig von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung in den ferromagnetischen Schichten. Über das Messen der Spannung oder des Stroms lässt sich die Widerstandsänderung des Sensors erfassen. Diese Änderung korreliert mit der Orientierung des externen Magnetfelds relativ zur Sensorstruktur. Auch in diesem Sensor dienen elektronische Schaltkreise zur Digitalisierung der analogen Signale, aus denen sich dann die exakte Winkelposition des Magneten ergibt.
A) Parallele Kopplung – B) Antiparallele Kopplung
1. antiferromagnetische Schicht – 2. Ferromagnet – 3. Leiter – 4. Ferromagnet
Funktionsbasis bei diesem Drehwinkelsensor ist der Tunnelmagnetoresistenz-Effekt. Hier tritt eine Veränderung des elektrischen Widerstands in einer Tunnelbarriere auf, wenn sie von zwei ferromagnetischen Schichten flankiert wird. Elektronen können durch diese hauchdünne Isolierung aufgrund des quantenmechanischen Tunnel-Effekts hindurchtreten. Der Widerstandswechsel hängt von der relativen Ausrichtung der Magnetisierung der beiden ferromagnetischen Schichten ab. Im Vergleich zu AMR- und GMR-Sensoren bietet der TMR-Sensor eine noch höhere Empfindlichkeit, er kann selbst kleinste Veränderungen im Magnetfeld detektieren.
Ähnlich wie bei anderen magnetoresistiven Sensoren, integrieren TMR-Sensoren üblicherweise elektronische Schaltkreise, die gemessene Widerstandsänderungen in digitale Signale umwandeln. Diese Signale lassen sich dann direkt zur Bestimmung des Drehwinkels verwenden.
1. obere Kontaktelektrode – 2. freie Schicht – 3. Isolierschicht – 4. gepinnte Schicht – 5. antiferromagnetische Schicht – 6. untere Kontaktelektrode