Entwicklung eines hochgenauen und kostengünstigen Abstandssensors

Abstract

Im Zuge dieser Diplomarbeit wurden die Grundlagen eines Sensorprinzips für die hochgenaue und kostengünstige Erfassung des Abstandes eines Körpers (z.B. Rotor) gegenüber einer Referenzposition, speziell für den Bereich aktiver magnetischer Lagerungen, erarbeitet.<br />Ausgehend von einer Recherche des aktuellen Stands der Technik wurde aus den verschiedenen betrachteten Sensorprinzipien das Wirbelstromprinzip gewählt, da dieses die geforderte Robustheit bei hoher Sensitivität bietet.<br />Zunächst wurde eine Finite Elemente Simulation unter Variation der geometrischen und physikalischen Parameter durchgeführt, um, basierend auf diesen Daten, mittels eines analytischen Vergleichs unterschiedlicher Auswerteverfahren, das geeignetste zu ermitteln. Von den verschiedenen Verfahren die zur Auswertung von Wirbelstromsensor-Signalen zur Verfügung stehen wurde das Prinzip der Wirbelstromsonde weiter verfolgt, da dieses das größte Potential, hinsichtlich erzielbarer Sensitivität und der Möglichkeit zur Weiter-entwicklung, aufweist.<br />Im Anschluss an die theoretischen Betrachtungen wurde ein Prototyp eines Wirbelstromsonden-Sensors entwickelt. Hierzu wurden zwei elektronische Interfaces, das Sensorschaltungsmodul und das Versorgungsinterface, entworfen und die Schaltungen mittels Pspice simuliert. Im Anschluss an die Erstellung der Platinenlayouts wurden die Interfaces geätzt und bestückt.<br />Zur abschließenden Betrachtung des Sensorverhaltens wurden die statische und dynamische Kennlinie des neu entwickelten Sensors erfasst und mit einem kommerziellen Wirbelstromsensor verglichen. Hiermit konnte die Qualität des neuen Wirbelstromsensors, bei um einen Faktor 20 reduzierten Kosten gegenüber Produkten gleicher Genauigkeits¬klasse, verdeutlicht werden.<br />

In this master thesis the sensor principle fundamentals for a high precision and low-cost displacement sensor, especially for applications in active magnetic bearings, have been developed.<br />Based on an investigation on the state of the art, the eddy current principle has been chosen as optimum sensor principle for this application because of the advantages in robustness and sensitivity.<br />First, a finite element simulation with variable geometric and physical parameter has been carried out to gather data for an analytical comparison of different sensor realizations. Out of the available concepts the eddy current probe realization has been chosen because it provides the highest sensitivity and the largest potential for further research.<br />Based on the theoretical results, an eddy current probe sensor prototype has been developed. Two electronic interfaces, the sensor-voltage-module and the supply-interface, have been designed and simulated using PSpice.<br />After printed circuit board (PCB) design the PCBs have been manufactured.<br />To validate the performance of the developed sensor the steady-state and the dynamic behavior have been determined and compared with a commercial eddy current sensor. In this way an eddy current probe sensor has been developed, that is 20 times cheaper than a commercial sensor offering the same signal quality.