Wie funktionieren Drehzahl- und Winkelsensoren?
Ein Drehzahl- und Winkelsensor ist ein Gerät zur Messung der Bewegung, der Geschwindigkeit oder der Winkelposition eines rotierenden Objekts. Solche Sensoren sind weit verbreitet, von kleinen Druckern bis hin zu großen Fertigungsmaschinen, Autos, Flugzeugen und vielem mehr. Aber wie genau funktionieren sie?
Um diese Frage zu beantworten, müssen wir zunächst zwischen den verschiedenen Arten von Sensoren unterscheiden. Es gibt verschiedene Typen, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien und physikalischen Effekten beruhen. Die beiden gebräuchlichsten sind optische Sensoren und magnetische Sensoren.
Was sind magnetische Sensoren?
Magnetische Sensoren lassen sich anhand ihres spezifischen Funktionsprinzips in verschiedene Untergruppen einteilen. Dazu gehören unter anderem induktive Sensoren und TMR (tunnel magnetoresistance) Sensoren.
Was sind induktive Sensoren?
Ein induktiver Sensor ist ein einfacher magnetischer Sensor und beruht auf den Grundlagen der Elektrodynamik. Genauer gesagt basiert dieser auf dem Faraday’schen Induktionsgesetz, welches die Induktion von Strom in einem Leiter aufgrund von Änderungen des Magnetfelds um einen Leiter beschreibt. Im Allgemeinen besteht ein induktiver Sensor aus einer Kernspule, die an einem Ende der Spule mit einem Dauermagneten verbunden ist. Bewegt sich nun ein ferromagnetisches Teil nahe genug am Sensor vorbei, ändert sich das Magnetfeld in der Spule und induziert einen Stromfluss in den Wicklungen der Spule. Dieser Stromfluss bzw. die entsprechende Spannung kann dann gemessen werden.
Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Schema dieses Prozesses anhand eines ferromagnetischen Zahnrads. Jedes Mal, wenn ein Zahn den Sensor passiert, wird ein Strom induziert und unsere Messung erreicht einen Spitzenwert. Umgekehrt, ist der Messwert am niedrigsten, wenn am Sensor eine Lücke vorbeizieht. Somit erhalten wir ein oszillierendes Signal, wobei eine einzelne Oszillation das Passieren eines Zahns und einer Lücke darstellt. Wenn man nun die Gesamtzahl der Zähne kennt, kann man die Zeit pro Umdrehung und damit auch die Umdrehungen pro Minute, die Frequenz und die Winkellage bestimmen.
Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung des Funktionsprinzips eines induktiven Magnetsensors. Die Drehung des ferromagnetischen Zahnrads verändert das Magnetfeld in der Spule und induziert einen messbaren Strom.
Was sind TMR-Sensoren?
TMR-Sensoren bestehen aus zwei Komponenten: einem Magneten, der an einem rotierenden Objekt befestigt ist, und einem Magnetowiderstandssensor (MR-Sensor). Der MR-Sensor selbst besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten – einer fixierten Schicht und einer freien Schicht – welche durch einen Isolator getrennt sind. Das Magnetfeld der fixierten Schicht ist (wie der Name vermuten lässt) fixiert und zeigt immer in die gleiche Richtung. Das Magnetfeld der freien Schicht kann rotieren und ändert sich somit in Abhängigkeit vom Magnetfeld des externen Magneten.
Um eine Wechselwirkung zwischen den beiden Magnetfeldern zu ermöglichen, muss der Sensor in einem bestimmten Abstand zum Magneten angebracht werden. Der Sensor misst dann die Änderung des Widerstands des angelegten Magnetfelds aufgrund des Einflusses des externen rotierenden Magnetfelds, welches durch den sich drehenden Magneten erzeugt wird. Wenn beide Magnetfelder aufeinander ausgerichtet sind und somit in die gleiche Richtung zeigen, ist der Widerstand gering. Zeigt das äußere Feld jedoch in die entgegengesetzte Richtung als das angelegte Feld, messen wir einen hohen Widerstand. Anhand des daraus resultierenden Signals ist es jederzeit möglich, Periode,
Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise eines MR-Sensors. Durch die Rotation des Magneten ändert sich der Widerstand des Sensorelements mit dem Drehwinkel.
Was sind optische Sensoren?
Optische Sensoren messen die Drehung eines Objekts mittels Lichtmessungen. Genauer gesagt messen sie periodische Lichtsignale, welche vom Objekt selbst reflektiert werden. Zu diesem Zweck sendet in der Regel ein Infrarot (IR)-Laser Licht auf das sich drehende Objekt. Das Objekt ist mit einem Klebeband oder einem ähnlichen reflektierenden Material markiert, das den einfallenden Strahl zum Sensor zurückwirft. Zur Messung des reflektierten Lichts wird in der Regel eine Fotodiode verwendet, die das absorbierte Licht in einen messbaren Strom umwandelt. Jedes Mal, wenn nun durch die Reflexion eine erhöhte Lichtintensität gemessen wird, zeigt sich auch ein Spitzenwert im elektrischen Signal und erlaubt somit die Bestimmung der Frequenz, Periode, Rotationsgeschwindigkeit und Winkelposition.
Abbildung 3: Schematische Darstellung der Funktionsweise eines optischen Drehzahlsensors. Veranschaulichung der Detektion eines erhöhten Signals durch eine stärkere Reflektion am Tape.
Wie funktioniert die Signalverarbeitung und die Positionsbestimmung?
Die zuvor beschriebenen optischen und induktiven Sensoren lassen sich als Inkrementalgeber zusammenfassen. Die von diesen Sensorelementen (optisch oder magnetisch) gelieferten Signale werden typischerweise durch Schwellwertschalter in Rechtecksignale umgewandelt. Die Ausgangsimpulse werden an die Auswerteelektronik übertragen und gezählt. Die daraus resultierende Anzahl der gezählten Impulse pro Zeitintervall stellt das Maß für die Positionsänderung dar.
Um Informationen über die Bewegungsrichtung zu erhalten, werden zwei leicht versetzte Sensoren verwendet, um zwei asynchrone Signale zu erhalten. Aus der Abfolge der Vorder- und Rückflanke der beiden Signale lässt sich dadurch die Bewegungsrichtung bestimmen. Zur absoluten Positionsbestimmung wird schließlich einmal pro Umdrehung ein Nullimpuls implementiert, der den Beginn bzw. das Ende einer Umdrehung markiert.
Abbildung 4: Konvertierte Rechtecksignale von zwei leicht verschobenen Sensoren plus Nullimpuls. Diese Messungen enthalten alles, was für eine absolute Positionsbestimmung erforderlich ist.
Optische Sensoren bei DEWETRON
Wie bereits erwähnt, werden Drehzahlsensoren in einer Vielzahl von Maschinen eingesetzt. Der Verwendungszweck ist jedoch immer unterschiedlich – manchmal wird er nur als zusätzliche Information zu anderen Messkanälen benötigt und in anderen Fällen kann er für spezifische Analysen benötigt werden. Je nach Anwendung des Sensors ist die Montage und Installation mal einfacher und mal schwieriger.
Mit unseren Produkten – der TACHO PROBE und dem TAPE SENSOR – bieten wir zwei einfach zu handhabende und leicht zu installierende optische Sensoren für die Ordnungsanalyse, das Betriebsauswuchten, allgemeine Drehzahlmessungen sowie Dreh- und Torsionsschwingungsanalysen. Beide Sensoren sind mit einem LEMO-Stecker ausgestattet und können direkt mit einem LEMO-Zählereingang eines DEWETRON Messsystems verbunden werden. Der LEMO-Zählereingang stellt neben der Signalübertragung auch die Versorgungsspannung zur Verfügung – eine zusätzliche Stromversorgung ist daher nicht erforderlich.
Abbildung 5: Praktische Umsetzung des DEWETRON Tape Sensors. Das obere Bild zeigt den montierten Sensor sowie das reflektierende schwarz-weiße Band, das am rotierenden Rad befestigt ist. Die untere Grafik zeigt die gemessenen und verarbeiteten Daten mittels OXYGEN – DEWETRONs intuitiver Messsoftware.
ZU UNSEREN DREHZAHL- & WINKELSENSOREN
Zusammenfassend lässt sich sagen, dass es eine Vielzahl unterschiedlicher Drehzahl- und Winkelsensoren gibt. In der Regel basieren sie entweder auf optischen oder elektromagnetischen Effekten, wobei einige ein komplexeres Funktionsprinzip und eine komplexere Implementierung haben als andere. Wir von DEWETRON bieten Ihnen zwei einfache, aber effektive optische Sensoren kombiniert mit einem hochdetaillierten Messsystem für verschiedene praktische Anwendungen.
