Technologie

Funktionsprinzip eines Differential-Transformators

Die Induktiv-Sensorik der Firma POSIC ist basiert auf dem Prinzip des Differential-Transformators, dessen Kopplung zwischen Primar- und Sekundarspulen von einem ferromagetischen oder einem leitfähigen Objekt moduliert wird. Die Primarspule erzeugt ein hochfrequentes Magnetfeld (1 – 2 MHz). Die zwei Sekondarspulen sind in eine Differentialkonfiguration, perfekt symmetrisch zur Primarspule, geschaltet. Das von der Primarspule erzeugte Wechselmagnetfeld induziert in beide Sekondarspulen eine Spannung gemäss des Faradaischen Gesetzes: Solange die Symmetrie vom Magnetfeld erhalten bleibt, ist die Ausgangsspannung des Differentialpaars null.


Vsek = dIprim/dt

Differentialtransformator

Ferromagnetisches Objekt

Ein ferromagnetisches Objekt das sich im Magnetfelt befindet wird das Magnetfeld anziehen. Wenn das Magnetfeld sich ändert, aber symmetrisch bleibt, wird die in den Sekundarspulen generierte Spannung null bleiben (Bild rechts in der Mitte). Wenn aber das Objekt die Symmetrie stört, werden die Sekundarspulen eine Spannung generieren (Bilder rechts oben und unten. Beispiele von ferromagnetischen Materialien sind Stahl und Ferriten.

Von einem ferromagnetischen Objekt generiertes Signal

Elektrisch leitfähiges Objekt

Ein elektrisch leitfähiges Objekt das sich im Magnetfelt befindet wird das Magnetfeld abstossen. Wenn das Magnetfeld sich ändert, aber symmetrisch bleibt, wird die in den Sekundarspulen generierte Spannung null bleiben (Bild rechts in der Mitte). Wenn aber das Objekt die Symmetrie stört, werden die Sekundarspulen eine Spannung generieren (Bilder rechts oben und unten. Beispiele von elektrisch leitfähigen Materialien sind Aluminium, Messing, Kupfer, Silber, Gold.

Von einem elektrisch leitenden Objekt generiertes Signal

Robustheit des POSIC Differentialtransformators

Der POSIC Differentialtransformator ist extrem unempfindlich gegenüber magnetische und elektromagnetische Störfelder aus zwei Hauptgründe:

  • Erstens wegen der Differentialprinzips auf einem sehr kleinen Silizium-Chip. Es ist nahezu unmöglich um eine magnetische, elektromagnetische, thermische oder andere Störung in einem der Messspulen zu verursachen ohne die gleiche Störung in der andere Messspule zu verursachen, weil die Spulen weniger als 1 mm auseinander liegen. Elektromagnetische Felder mit einer Frequenz im MHz-Bereich haben eine Wellenlänge die viel grösser ist als der Abstand zwischen den Spulen, so dass keine Störung in dem relevanten Frequenzbereich generiert werden kann.
  • Zweitens wegen der Frequenz-Modulation. Die Trägerfrequenz wird benutzt um das Magnetfeld zu generieren, aber auch um das gemessene Signal synchron zu demodulieren. Mechatronische Systeme haben normalerweise viele Störquellen meistens im Frequenzbereich von 0 bis mehrere kHz. Weil die Trägerfrquenz vom Sensor im MHz-Bereich liegt, werden diese Störsignäle beim demodulieren herausgefi

Zwei-kanalige Induktivsensor

Wenn ein ferromagnetisches oder elektrisch leitfähiges Objekt vor dem Sensor entlang bewegt wird, wird ein Sinus-ähnliches Signal generiert. Ein POSIC Sensor enthält zwei Sekundär-Spulenpaare die gegenüber einander versetzt angeordnet sind, siehe Zeichnung rechts. Die POSIC Scheiben und Massstäbe haben alle eine Reihe von Kupferstreifen mit Periodenlänge 1.2 mm. Der Versatz der zwei Spulenpaare auf dem Sensor-Chip ist 0.3 mm und deshalb haben die zwei Sinus-ähnliche Signäle einen Phasen-versatz von 90°. Anders gesagt: die Sensor-Signäle sind ein Sinus und ein Cosinus.

Zwei-kanalige Differentialtransformator

Sinus und Cosinus Signale

Wenn das Objekt vor dem Sensor ein wiederholendes Muster von ferromagnetischen oder leitfähigen Streifen, dessen Periode mit dem Sensor-Geometrie übereinstimmt, ist, wird ein Kanal ein Sinus-Signal ausgeben und das andere Kanal ein Cosinus. Dies ist im Figur rechts illustriert. Diese Figur zeigt auch, dass das Signal nicht-Linear wird und schlussendlich Null wird wenn das Ende des Massstabs erreicht wird. Aus diesem Grund sollte der Massstab auf jede Seite um ungefähr eine Periode länger als der Verfahrweg sein.

Sinus und Cosinus Signale von einem Lineargeber

Analog-Elektronik

Rechts ist das Blockschaltbild der Analog-Elektronik eines POSIC Induktivsensors. Eine hochfrequenz Strom wird vom Oszillator generiert und vom Verstärker in der Primarspule injiziert. Das so generierte AC-Magnetfeld wird in die Sekondarspulen gekoppelt. Die Kopplung zwischen Primar- und Sekundarspulen wird vom Massstab, unter dem Blockschaltbild gezeichnet, moduliert. Das Differentialsignal der Mess-Spulen wird verstärkt und mit dem Oszillator-Frequenz synchron demoduliert. Nach Tiefpass-Filterung sind die Analog-Signäle, typischerweise als Sinus und Cosinus, am Ausgang verfügbar.

Analoge Sensor-Elektronik

Digital-Elektronik

Rechts ist das Block-Schaltbild des kompletten Sensor-Chips, inklusive Primar- und Sekundar-Spulen, Analog-Elektronik, Digital-Elektronik und Schnittstellen. Die Sinus und Cosinus Signäle können als Analog-Signäle ausgelesen werden, oder sie können interpoliert werden und als A quad B signäle mit Interpolation bis 12 Bit pro Periode ausgeleden werden. Einbau-Toleranzen zwischen Geber und Gerberrad oder Massstab können zu eine gewisse Nicht-Linearität leiten. POSIC’s Geber beinhalten ein LookUp Table mit 256 Stützpunkte um die Nicht-Linearität nach einbau von Geber und Geberrad/Massstab nachträglich zu korrigieren.

Block-Schaltbild des kompletten Encoders

Interpolation

Rechts sehen Sie ein Teil einer Massstab, die gemessene Sinus- und Cosinus-Signäle und die digitale A quad B Signäle bei Interpolation x1 (4 Inkremente pro Periode = 2 Bit), x2 (3 Bit) und x4 (4 bit).

Für Massstäbe ist der Interpolationsfaktor einstellbar von x1 (2 Bit) bis x1024 = 12 Bit pro Periode von 1.2 mm. Bei 12 Bit Interpolation is die Auflösung 1.2 mm / 4096 = 0.3 um.

Für die Standard Encoderscheibe mit 64 Perioden pro Umdrehung kann die Interpolation von x2 bis x64 pro Periode eingestellt werden, was zu einer Auflösung von 128 CPR = 9 Bit bis 4096 CPR = 14 Bit leitet.

Interpolation der Sinus und Cosinus Signale

Herstellung

Die POSIC Sensoren sind sehr kompakt und geschickt um in grosse Mengen herzustellen weil die Sensor-Spulen und die ganze Elektronik auf einem Silizium-Chip integriert sind. Die Struktur eines Sensors wird im Figur rechts gezeigt: die grosse Runde Strukturen sind die Primarwindungen und die kleinere runde Strukturen innerhalb der Primarspule sind die Mess-Spulen (Sekondarspulen). Die Messspulen sind durch optische Interferenz vielfarbig (die Periodenlänge der Windungen ist vergleichbar mit der Wellenlänge von sichbares Licht).

Silizium-Wafer mit POSIC's Mikrospulen-Chips

Encoderscheiben und Massstäbe

Die Leistung eines Encoders hängt nicht nur vom Sensor-Element, aber auch von der Massverkörperung (Scheibe oder Massstab) ab. Die wichtigste Parameter einer Massverkörperung sind:

  • Material
  • Form
  • Dimensionen

Diese drei Parameter haben einen entscheidenden Einfluss auf der Sensor-Leistung: Auflösung, Luftspalt, Linearität, Widerholgenauigkeit, Maximalgeschwindigkeit usw.

POSIC hat eine Reihe von nach Leistung optimierten Massverkörperungen entwickelt. Diese Massverkörperungen sind Leiterplatten mit Kupferstreifen und sind als Geberscheibe oder als Linear-Massstab verfügbar.

Scheiben und Massstäbe für POSIC-Encoder

Kundenspezifische Anpassung

POSIC bietet eine Anpassung der Geber und Gerberscheibe/Massstab an Kundenspezifische Anforderungen an. Beispiele:

  • Sensor-Aufbau auf unterschiedliche Materialien: Platine, Flexleiter, Keramik
  • Schnittstellen: A quad B und Index, SSI
  • Mechanische Verbindung/Ausrichtung: Bohrungen für Stifte/Schrauben, Strukture für optisches Ausrichten, Ausrichten gegen ein oder zwei Sensor-Seiten
  • Scheiben: Leiterplatte-Scheiben, Zahnräder, Scheiben mit Löcher, Scheiben am Ende der Welle
  • Massstäbe: Leiterplatten-Massstäbe, gelöcherte Metallbänder, Klebeband
Kundenspezifischer Induktiv-Encoder auf einem Flexleiter

Die wichtigste Merkmale der POSIC Encoder

  • Hohe Auflösung bis 0,02 µm
  • Sehr dünne Encoder: bis 0,9 mm
  • Sehr dünne Encoder-Scheibe: bis 0,9 mm
  • Encoder und Scheibe/Massstab sind unempfindlich gegenüber Störmagnetfelder
  • Encoder und Scheibe/Massstab ziehen keine ferromagnetischen Partikel an
  • Grosses Temperaturbereich: -40 bis +125°C
  • Unempfindlich gegenüner Partikel, Staub, Öl Fett, Fechtigkeit, Flüssigkeiten, Kondenz, usw.
  • Messprinzip ohne Kontakt
  • Kein Bias-Magnet: Eisen-Partikel und -Staub haften nicht
  • Linear- und Winkel-Messung
  • Grosse Auswahl an Materialien: Stahl, Aluminium, Kupfer, Messing
  • Hohe geschwindigkeit
  • Funktioniert einwandfrei bei Null-Geschwindigkeit