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Technologie
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Funktionsprinzip eines Differential-Transformators Die Induktiv-Sensorik der Firma POSIC 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 Sekundärspulen sind in einer Differentialkonfiguration, perfekt symmetrisch zur Primarspule, geschaltet. Das von der Primarspule erzeugte Wechselmagnetfeld induziert in beiden Sekundärspulen eine Spannung gemäss des Faradayischen Gesetzes: Solange die Symmetrie vom Magnetfeld erhalten bleibt, ist die Ausgangsspannung des Differentialpaars null.
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Ferromagnetisches Objekt Ein ferromagnetisches Objekt, das sich im Magnetfeld befindet, zieht das Magnetfeld an. Wenn das Magnetfeld sich ändert, aber symmetrisch bleibt, wird die in den Sekundärspulen 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 Ferrite. |
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Elektrisch leitfähiges Objekt Ein elektrisch leitfähiges Objekt, das sich im Magnetfeld befindet, wird das Magnetfeld abstossen. Wenn das Magnetfeld sich ändert, aber symmetrisch bleibt, wird die in den Sekundärspulen generierte Spannung null bleiben (Bild rechts in der Mitte). Wenn aber das Objekt die Symmetrie stört, werden die Sekundärspulen eine Spannung generieren (Bilder rechts oben und unten). Beispiele von elektrisch leitfähigen Materialien sind Aluminium, Messing, Kupfer, Silber oder Gold. |
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Robustheit des POSIC Differentialtransformators Der POSIC Differentialtransformator ist extrem unempfindlich gegenüber magnetischen und elektromagnetischen Störfeldern aus zwei Hauptgründe:
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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. |
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Sinus und Cosinus Signale Wenn das Objekt vor dem Sensor ein wiederholendes Muster von ferromagnetischen oder leitfähigen Streifen, dessen Periode mit der Sensor-Geometrie übereinstimmt, ist, wird ein Kanal ein Sinus-Signal ausgeben und der andere Kanal ein Cosinus. Dies ist in der Figur rechts illustriert. Diese Figur zeigt auch, dass das Signal nicht-Linear und schlussendlich Null wird, wenn das Ende des Massstabs erreicht ist. Aus diesem Grund sollte der Massstab auf jede Seite um ungefähr eine Periode länger als der Verfahrweg sein. |
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Analog-Elektronik Rechts ist das Blockschaltbild der Analog-Elektronik eines POSIC Induktivsensors. Eine hochfrequenter Strom wird vom Oszillator generiert und vom Verstärker in der Primarspule injiziert. Das so generierte AC-Magnetfeld wird in die Sekundärspulen gekoppelt. Die Kopplung zwischen Primar- und Sekundärspulen wird vom Massstab, unter dem Blockschaltbild gezeichnet, moduliert. Das Differentialsignal der Mess-Spulen wird verstärkt und mit der Oszillator-Frequenz synchron demoduliert. Nach Tiefpass-Filterung sind die Analog-Signäle, typischerweise als Sinus und Cosinus, am Ausgang verfügbar. |
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Digital-Elektronik Rechts ist das Block-Schaltbild des kompletten Sensor-Chips, inklusive Primär- und Sekundär-Spulen, Analog-Elektronik, Digital-Elektronik und Schnittstellen. Die Sinus und Cosinus Signale können als Analog-Signale ausgelesen werden, oder sie können interpoliert werden und als A quad B Signale mit Interpolation bis 16 Bit pro Periode ausgelesen werden. Einbau-Toleranzen zwischen Geber und Gerberrad oder Massstab können zu einer gewissen Nicht-Linearität führen. POSIC’s Geber beinhalten eine LookUp Tabelle mit 256 Stützpunkten, um die Nicht-Linearität nach Einbau von Geber und Geberrad/Massstab nachträglich zu korrigieren. |
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Interpolation Rechts sehen Sie einen Teil eines Massstabs, die gemessenen Sinus- und Cosinus-Signale und die digitalen A quad B Signale 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 führt. |
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Herstellung Die POSIC Sensoren sind sehr kompakt und ideal, um auch in grossen Mengen hergestellt zu werden, weil die Sensor-Spulen und die ganze Elektronik auf einem Silizium-Chip integriert sind. Die Struktur eines Sensors wird in Figur rechts gezeigt: die grossen runden Strukturen sind die Primärwindungen und die kleineren runden Strukturen innerhalb der Primarspule sind die Mess-Spulen (Sekundärspulen). Die Messspulen sind durch optische Interferenz vielfarbig (die Periodenlänge der Windungen ist vergleichbar mit der Wellenlänge von sichbarem Licht). |
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Encoderscheiben und Massstäbe Die Leistung eines Encoders hängt nicht nur vom Sensor-Element, sondern auch von der Massverkörperung (Scheibe oder Massstab) ab. Die wichtigsten Parameter einer Massverkörperung sind:
Diese drei Parameter haben einen entscheidenden Einfluss auf die Sensor-Leistung: Auflösung, Luftspalt, Linearität, Wiederholgenauigkeit, Maximalgeschwindigkeit usw. POSIC hat eine Reihe von Massverkörperungen mit optimierten Leitsung entwickelt. Diese Massverkörperungen sind Leiterplatten mit Kupferstreifen, welche als Geberscheibe oder als Linear-Massstab verfügbar sind. |
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Kundenspezifische Anpassung POSIC bietet eine Anpassung der Geber und Gerberscheibe/Massstab an kundenspezifische Anforderungen an. Beispiele:
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Die wichtigste Merkmale der POSIC Encoder
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