Ein magneto-induktiver Sensor wertet den Abstand zwischen dem so genannten Targetmagneten und dem Sensor aus. Je größer der Abstand, desto geringer die magnetische Feldstärke. Würde nur die Feldstärke eines Magneten zur Abstandsmessung genutzt, wäre die Kennlinie des Sensors stark nicht­linear, wie beispielsweise bei Hall-Sensoren. Hier schwächt sich der Signalhub zum Ende des Messbereichs hin deutlich ab. Deshalb wird dieser Sensortyp für die Messung größerer Abstände nur ungern genutzt. Die Kombination aus Wirbelstromverfahren und einem magnetisch sensitiven Element kompensiert diese Nichtlinearität und sorgt gewissermaßen für eine Selbstlinearisierung. Dadurch fällt die Kennlinie eines magneto-induktiven Sensors auch an der Grenze seines Messbereichs nicht ab.

Da ein magneto-induktiver Sensor auf die Magnetfeldstärke reagiert, lässt sich sein Messbereich über unterschiedliche Targetmagnete einstellen: je stärker ein Magnet, desto größer der Messbereich. Standardmäßig sind Targets für Messbereiche bis zu 55 mm möglich, für OEM-Projekte bis zu 80 mm. Trotz dieses großen Messbereichs können die Sensoren aufgrund ihrer hohen Empfindlichkeit selbst kleinste Wegänderungen erfassen. Typisch für die MainSensor-Reihe sind Auflösungen zwischen 10 und 30 µm. Damit ist das magneto-induktive Verfahren in beiden Disziplinen – Messbereich und Empfindlichkeit – dem Hall-Verfahren überlegen. Hall-Sensoren erreichen Messbereich von etwa 30 mm. Die Empfindlichkeit ist zwar am Messbereichs-Anfang etwas höher, nimmt aber zum Messbereichs-Ende stark ab und verlangt eine aufwendige Linearisierung. Ein weiterer Vorteil magneto-induktiver Sensoren: Sie können durch nicht ferromagnetische Stoffe wie Kunststoff-Abdeckungen oder Aluminium messen. Damit eignet sich das Messverfahren für druckdichte Behälter und geschlossene Systeme.

Knackpunkte des Messprinzips

Die Kombination von induktiven und magnetischen Messverfahren sorgt im Vergleich mit rein magnetisch arbeitenden Hall-Sensoren für einen größeren Messbereich bei besserer Linearität.

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Die Magnetfeldstärke am Sensor-Element – und damit das Messsignal – kann auf unterschiedlichste Weise beeinflusst werden. Ferromagnetische Materialien in Sensornähe beeinflussen ebenso den Verlauf der Magnetfeldlinien. Versuche haben gezeigt, dass ferromagnetische Materialien in der Umgebung des Sensors die Kennlinie deutlich beeinflussen. Die Bandbreite reicht von einer Änderung der Linearität und des Offsets über eine schlechtere Auflösung und reduzierte Messbereiche bis hin zu einer kompletten Funktionsstörung. Einen ähnlichen Effekt haben ferromagnetische Materialien hinter dem Targetmagneten. Darüber hinaus können äußere Magnetfelder, die beispielsweise Targets von benachbarten Sensoren oder Elektromotoren abstrahlen, das Signal beeinflussen.

Diese Aspekte gilt es beim Einbau des Sensors und des Magneten am zu detektierenden Objekt zu beachten. Ergo sind die Sensoren möglichst so zu montieren, dass diese keinen undefinierten zusätzlichen Magnetfeldern ausgesetzt sind und zwischen benachbarten Sensoren ausreichend Abstand eingehalten wird. Außerdem sollten für den Messaufbau und die Befestigung generell nicht-ferromagnetische Materialien wie Aluminium zum Einsatz kommen. Die besten Mess-Resultate werden erzielt, wenn sich der Magnet frontal und zentriert vor dem Sensor bewegt. Aber auch eine versetzte oder eine seitliche Messung ist möglich. Diese Messung muss jedoch im Einzelfall genau betrachtet werden, da sich dadurch die Sensor-Kennlinie ändert.

Auch für Drehzahl-Messungen geeignet

Auch kundenspezifische Varianten sind machbar, etwa zur Messung der Waschtrommel-Auslenkung. Dazu wird der magneto-induktive Sensor am Dämpfer per Clip befestigt.

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Neben der linearen Abstandsmessung eignet sich der Sensortyp zur Drehzahlmessung, zum Beispiel beim Starten von Spinnmaschinen wird die Maschine langsam auf Arbeitsgeschwindigkeit hoch gefahren. Bei diesem so genannten Anspinn-Prozess gilt es, die Drehzahl des Rotors zu erfassen. Wegen Lebensdauer und Wartungsfreiheit muss die Messung berührungslos erfolgen. Hierzu wird das Magnetfeld von zwei Magneten erfasst, die an einer der beiden Stützscheiben der Rotorla­gerung angebracht sind. Der Sensor „blickt“ dabei stirnseitig auf die Stützscheibe, so dass die Magnete vor dem Sensor rotieren. Aufgrund der Drehung ändert sich ständig das Magnetfeld am Sensor und damit das Ausgangssignal. Zwischen Sensor und Stützscheibe befindet sich eine Abdeckung aus Kunststoff, durch die das Magnetfeld erkannt werden muss. Sensor und Auswerte-Elektronik sind wiederum in getrennten Gehäusen untergebracht.

Magneto-induktive Sensoren gibt es als Standardmodelle (Baureihe MainSensor) mit Edelstahl- oder Kunststoffgehäuse. Bei größeren Stückzahlen ermöglicht das intelligente Schaltungsdesign einen hohen Freiheitsgrad bei der Gestaltung. Beispielsweise können Sensor-Elemente aneinander gereiht werden, um über eine lineare Strecke präzise zu messen. Der Magnet verfährt dann parallel zum Sensor. Die Elektronik um das Sensor-Element herum wird dann kundenspezifisch angepasst. Für den Dämpfer von Waschmaschinen wurde beispielsweise eine OEM-Version entworfen, bei welcher der Sensor außen auf dem Dämpfer aufgeclipst wird und über einen in der Trommel integrierten Magneten deren Schwingungen erfasst.

Autor: Christian Niederhofer arbeitet im Produkt­management der Firma Micro-Epsilon in Ortenburg.