Bernhard Aschenbrenner,
"Kontaktloser Resonant Gekoppelter Induktiver Absolut Positionssensor für Lineare Position und Drehwinkel Messanwendungen"
, 6-2015
Original Titel:
Kontaktloser Resonant Gekoppelter Induktiver Absolut Positionssensor für Lineare Position und Drehwinkel Messanwendungen
Sprache des Titels:
Deutsch
Original Kurzfassung:
Ziel der Arbeit war einen neuartigen absolut messenden Winkelmesssensor für Durchgangswellen zu entwickeln.
Eine Herausforderung bestand darin dieses Winkelmesssystem so schlank zu entwickeln, dass dieses in den Lagerdeckel eines Kugellagers integriert werden kann.
SKF Österreich AG beauftragte das ACCM mit dieser Forschungsarbeit.
Das entwickelte Sensorprinzip ist ähnlich dem Prinzip eines Resolvers, jedoch wird der Sensor in einer planaren Ausführung über Platinentechnologie realisiert.
Der Sensor besteht aus einer entsprechend dem Durchmessers des Kugellagers flexiblen Antennenplatine, die sich der Krümmung des Lagerdeckels anpasst und somit die Welle kreisförmig umschließt.
Neben einer rechteckigen Anregespule beinhaltet die Antennenplatine zwei Paare sinusförmiger Positionsmessspulen mit zwei unterschiedlichen Periodenlängen.
Der Positionsgeber ist ein serieller RLC Schwingkreis.
Dieser berührungslose, induktive und absolute Positionssensor ist für raue Industrieumgebungen geeignet, misst Absolutpositionen über einen relativ weiten Messbereich, bietet eine präzise Positionsauflösung, und kann gleichzeitig mehrere Positionsgeber an unterschiedlichen Stellen entlang der Messachse erfassen.
Die Absolutpositionsauflösung wurde verbessert durch das Hinzufügen einer Nonius-Positionsmessspule die mehrere Perioden entlang der Antennenplatine aufweist.
Je nach gewählter Anregung ist das positionsgeber abhängige Ausgangssignal amplitudenmoduliert oder phasenmoduliert.
Durch die Verwendung von gekoppelten Resonanzen konnte die schwache induktive Koppelung zwischen der rechteckigen Anregespule und Positionsgeberspule kompensiert werden.
Die Berechnung der Cramer-Rao-Lower-Bound erlaubt die kleinste mögliche erreichbare Unsicherheit der Positionsmessung zu evaluieren.
Die Methode des Bandpassunterabtasten wurde angewandt um die amplitudenmodulierten Sensorsignale zu demodulieren und diskretisieren.
Sprache der Kurzfassung:
Deutsch
Englischer Titel:
Contactless Resonant Coupled Inductive Absolute Position Sensor for Linear and Angular Measurement Applications
Englische Kurzfassung:
The objective of this research was to develop a novel absolute angle sensor technology which is applicable for through-shaft applications.
The sensor has to be narrow enough to be integrated in a ball bearing cap.
SKF Österreich AG approached the Austrian Center of Competence in Mechatronics (ACCM) to conduct this research.
The sensor works on principles similar to contactless resolvers.
It bases on printed circuit board technologies and its working principles rely on mutual inductive coupling.
Thus, the sensor only consists of a planar excitation coil and position sensing coils formed by conductive tracks on a narrow antenna PCB and a detached target PCB which is a passive resonant serial RLC circuit.
Furthermore, this position sensor is suitable for rough industrial environments, offers a high inherent resolution, can measure target position over a wide measurement range, and can potentially measure multiple target locations simultaneously.
The basic position resolution is improved by adding two additional finer pitched position sensing coils.
The sensor provides amplitude modulated or phase modulated target position dependent output signals.
Furthermore, mathematical models for both cases are derived and discussed in detail.
The use of coupled resonances enables to overcome the weak coupling between the excitation coil and the target coil.
A Cramer-Rao lower bound analysis was performed to evaluate the minimum achievable uncertainty of the position reading.
The amplitude modulated positioning sensing coils signals were demodulated and transformed to a discrete time representation by bandpass sampling.
A novel absolute angle measurement system for large trough shaft applications was introduced and discussed in detail.
Furthermore, a notable advantage of this angle measurement principle is that the axial antenna PCB arrangement allows using the same antenna PCB for different shaft diameters.