Sensoranwendungen für amorphe weichmagnetische Materialien

Abstract

Im ersten Teil der Arbeit werden Temperaturgrenzwertsensoren auf der Basis von akustomagnetische Sensoren behandelt. Diese, auch magnetoelastische Resonanzsensoren (MRS) genannte Sensoren, bestehen aus zumindest einem weichmagnetischen Plättchen und einem Biasmagneten. Der Biasmagnet dient der Einstellung des Arbeitspunktes, da die mechanische Resonanzfrequenz des weichmagnetischen Plättchens (Resonators) stark von den vor Ort statischen Magnetfeldern abhängt. Zum besseren Verständnis der Sensoren wurde ein mathematisches Modell entwickelt. Damit war es möglich, die Abhängigkeit der mechanischen Resonanzfrequenz zweier gekoppelter Resonatoren zu simulieren und erfolgreich mit den Experimenten zu vergleichen. Weiters wurden Prototypen von Temperaturgrenzwertsensoren in einer Kleinserie hergestellt. Dabei wird angestrebt, die Abbildungsgröße des Sensors (Resonanzfrequenz) bei Erreichen einer Grenztemperatur nicht reversibel um einen möglichst hohen Betrag zu verschieben. Dies wird dadurch erreicht, dass ein System von magnetischen Materialien so zueinander angeordnet wird, dass eine Verschiebung oder Rotation der Materialien mit einer Änderung des Streufeldes einhergeht. Das zweite Sensorkonzept verwendet die Analyse der harmonischen Frequenzanteile, welche beim Ummagnetisieren eines weichmagnetischen Materials entstehen, um eine Identifikation und Unterscheidung einzelner Sensoren möglich zu machen. Dabei wird eine sinusförmige magnetische Erregung durch eine Spule erzeugt. Die dadurch erzeugte Änderung der Magnetisierung eines weichmagnetischen Plättchens wird mithilfe eines weiteren Spulensystems gemessen. Die Fourieranalyse des induzierten Signals liefert Informationen über das Material, die geometrischen Verhältnisse des Systems und die statischen magnetischen Gegebenheiten am Ort des Sensors. Das Konzept wurde mathematisch beschrieben und die prinzipiellen Abhängigkeiten im System für verschiedene Parameter untersucht. Weiters wurde ein Prototyp einer Kapselerkennung in eine Heißgetränkemaschine eines bekannten Herstellers eingebaut und mithilfe von präparierten Kapseln die Möglichkeit der Unterscheidung von drei verschiedenen Sorten zu je drei Kapseln demonstriert.

The first part of this work is dedicated to acustomagnetic sensors. These, also known as magnetoelastic resonance sensors, consist of at least one softmagnetic ribbon and an adjacent bias magnet. The biasmagnet is used to define the working point of the resonator, as the mechanical resonance frequency depending on external magnetic fields is very strong. For a better understanding of the resonators a mathematical model was developed. It was possible to describe the dependency of the mechanical resonance frequency of two coupled resonators successfully with this model. This thesis deals with temperature threshold sensors on the basis of such magnetoelastic resonance sensors. When reaching a temperature threshold the sensor response frequency (resonance frequency) should be shifted irreversible by an amount which is as big as possible. To obtain such a behavior a system consisting of some movable magnetic materials is used. When their position is changed the effective strayfield changes the resonance frequency. The second concept describes a sensor using the harmonic response generated by the magnetization process of soft magnetic materials to obtain a possibility to distinguish between different sensors. A sinusoidal magnetic field is produced by a coil to magnetize a softmagnetic ribbon periodically. A compensated pick-up system measures the magnetization of the ribbon. Doing a Fourier transformation with the gathered signals leads to a harmonic spectrum, which contains informations about the material, the geometric relations and the static magnetic field acting on the ribbon. The concept was mathematically described and so the dependencies of the system for some parameters determined. Also a coffee machine produced by a well known company was rebuilt as a prototype for capsule recognition. A set of three flavors with three capsules each was constructed and successfully tested.