On magnetoelastic resonance sensors

Abstract

Die vorliegende Dissertation behandelt das Modellieren und die Entwicklung neuartiger magnetoelastischer Resonanzsensoren (MRS). In ihrer einfachsten Form werden diese drahtlosen Sensoren millionenfach zur elektronischen Warensicherung eingesetzt. Es gibt ein steigendes Interesse a MRS, da sie die Möglichkeit zur drahtlosen Überwachung verschiedenster Messgrößen bieten. Die Sensoren sind passiv und die Materialkosten sind so niedrig, dass sie als Einwegprodukt eingesetzt werden können. Die Information über die Messgröße steckt in der charakteristischen Signalfrequenz des MRS. Die Anwendbarkeit von MRS ist jedoch eingeschränkt, da die Signalfrequenz auch von externen Magnetfeldern wie dem Erdmagnetfeld beeinflusst wird. Die vorliegende Arbeit trägt durch die Entwicklung entsprechender Sensorkonzepte und Auslesevorrichtungen zur Lösung dieses Problems bei. MRS können mit magnetischen Wechselfeldern ausgelesen werden, welche ihrerseits durch eine Luftspule erzeugt werden können. Es wird eine Vorrichtung präsentiert, die ausreichend große Felder erzeugt, um den Sensor aus einer Distanz von 20 cm auslesen zu können. Obwohl die Luftspule dazu große Anschlussströme und -spannungen benötigt, ist der Energiebedarf des entwickelten Auslesegeräts so gering, dass es für einen mobilen, batteriebetriebenen Einsatz geeignet ist.<br />Um die Eigenschwingungen eines MRS und ihre Abhängigkeit von externen Magnetfeldern zu verstehen, wurde ein numerisches, dynamisches Modell eines MRS formuliert. Das Modell beruht auf einer vollen Kopplung von magnetischen und elastischen Größen. Es wird mithilfe der Finite Differenzen Methode gelöst und durch den Vergleich mit aus Experimenten gewonnen Daten validiert.<br />Weiters wird ein Konzept zur Unterdrückung des Störeinflusses externer magnetischer DC-Felder demonstriert. Es basiert auf einem antisymmetrischen Sensordesign, durch welches die Orientierung des Sensors im Erdmagnetfeld nahezu keinen Einfluss mehr auf seine Signalfrequenz hat. Zuletzt wird eine Nutzung der MRS Technologie für die Überwachung von Temperaturgrenzen präsentiert. Dabei wird der Phasenübergang erster Ordnung einer magnetischen Formgedächtnislegierung dazu verwendet, die Information über eine Überschreitung der Temperaturgrenze zu speichern.<br />Der große Vorteil dieser Anwendung ist, dass sie nur eine 1-bit Information verwendet, welche durch zwei verschiedene Frequenzhöhen repräsentiert ist. Die gemessene Signalfrequenz kann klar einer dieser beiden Frequenzwerte zugeordnet werden, unabhängig vom Einfluss des Erdmagnetfelds.<br />

This thesis addresses the modeling and development of new types of magnetoelasticresonance sensors (MRS). In their simplest form these wireless sensors areused millionfold in electronic article surveillance.<br />There is an increasing interestin MRSs, as they provide an opportunity to remotely monitor a variety of quantities.The sensors are passive and material costs are so low that it is possible touse them on a disposable basis. The information about the measured variableis accessible via the characteristic signal frequency of the MRS. However, theapplicability of MRS is restricted, as this signal frequency is also influenced byexternal magnetic fields like the Earth's magnetic field. This thesis contributesto solving this problem by developing appropriate sensor concepts and readoutequipment.<br />MRS can be read out by alternating magnetic AC fields produced by an aircoil. A device is presented which is able to generate sufficiently large fieldsto read out the sensors from a distance of 20 cm. Despite the large currentsand voltages necessary to drive the air coil, this read-out device is designed toconsume so little energy that it is suitable for mobile usage with battery supply.<br />To understand the eigen oscillation of a MRS and its sensitivity to externalmagnetic fields a numerical dynamic model of a MRS is formulated. The modelincorporates a full coupling of magnetic and elastic quantities. It is solved usinga finite differences approach and validated by comparing the results to experimentallygained data.<br />A MRS concept to suppress the disturbing influence of external DC fieldsis demonstrated. It uses an antisymmetric sensor design which yields a signalfrequency nearly insensitive to changes of the sensor orientation in the Earth'smagnetic field.<br />Last, a utilization of the MRS technology for monitoring temperature threshholdsis presented. A first order phase transition of a magnetic shape memory alloyis used to store the information about a transgression of the threshold. The bigadvantage of this application is that it is based on just a one-bit informationwhich is represented by two different frequency levels. The measured signalfrequency can be clearly assigned to one of these two frequency levels despitethe influence of the Earth's magnetic field.