Laboratorium für Mess- und Sensortechnik Versuchstag Semester Letzter Abgabetermin Gruppe

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1 Fachhochschule Offenburg SS WS 2002 Laboratorium für Mess- und Sensortechnik Versuchstag Semester Letzter Abgabetermin Gruppe Abgabetermin verlängert bis Namen Unterschrift Testat 1 Berthold Fuchs 2 Florian Krumm 3 Daniel Maier 4 5 Aufgabe: Durchführung verschiedener Versuche mit Hilfe von Magnetfeld - Sensoren Versuch Nr. 7 Versuchsleiter Daniel Maier Korrektur siehe Ausarbeitung des Versuchsleiters Zusammenfassung Im ersten Teil dieses Versuches ging es darum, eine Linearisierung der Hall-Generator- Kennlinie mit Hilfe eines Netzwerkes zu realisieren, da ein nichtlinearer Zusammenhang zwischen der Wegverschiebung (Annäherung des Magneten an den Hall-Generator) und der Hall-Spannung des Sensors besteht. Diese Linearisierung ist notwendig, da in vielen Anwendungen ein linearer Zusammenhang zwischen Ein- und Ausgangsgrösse des Sensors erwünscht ist. Die gleiche Linearisierung des Hall-Generators wurde im zweiten Teil des Versuches anstatt mit einem Netzwerk mit Hilfe eines Mikrorechners realisiert. Als Variante wurde im dritten Teil das Netzwerk als Funktionsgenerator umfunktioniert. Dadurch ist es möglich, mit Hilfe des Netzwerkes verschiedenste Funktionen zu realisieren. Eine vorgegebene Funktion wurde mit dem Netzwerk eingestellt und oszillographiert. Der Wiegand-Sensor stellt in Teil 4 des Versuches eine andere Variante der Magnetfeldsensoren dar. Dieser wurde auf seine Funktion hin untersucht. Der Spannungsimpuls, der bei der Umkehrung des Magnetfeldes in der Sensorspule hervorgerufen wird, wurde mit einem Oszilloskop oszillographiert. Der letzte Teil des Versuches befasste sich mit der Strommessung mit Hilfe eines Hall- Sensors. Dabei wurde deutlich, dass die Strommessung nach dem Kompensationsprinzip gegen über dem Ausschlagverfahren eindeutig im Vorteil ist, da beim Kompensationsverfahren die Hall-Spannung ein direktes Mass für den Leiterstrom darstellt.

2 1. Linearisierung mit Hilfe eines Netzwerkes Die Sensorkennlinie des Hall-Generators wurde mit Hilfe von eines Multifunktionsmeters (Spannungsmessung) und einer, am Sensor befestigten Schieblehre (Wegmessung), aufgenommen. Zuerst wurde die nichtlinearisierte Kennlinie des Sensors [Usens=f(x)] aufgenommen, und diese dann zeichnerisch durch eine Gerade [Uideallinear=f(x)] angenähert. (siehe Bild 1) US[v] x[mm] Usens U ideal linear Usens Linearisiert Bild 1: Usens = f(x) ; U ideal = f(x) ; Usens Linearisiert = f(x)

3 Die Differenz zwischen der Gerade und der ermittelten Sensorkennlinie ergibt die Kennlinie in Bild 2. Diese Differenz wurde durch vier Sekanten angenähert, um mit Hilfe der Netzwerkpotentiometer die Spannnungsanstiege einstellen zu können. Die Knickpunkte wurden bei 5mm, 10mm, 30mm und 40mm festgelegt, da zwischen10mm und 30mm sowie zwischen 30mm und 40mm die gleiche Steigung angenommen werden kann. 0,6 0,5 0,4 delta U[v] 0,3 0,2 0,1 0,0-0, x [ mm] delts Usense delta Usense Linearisiert Bild 2: U = f(usens) ; Ulinearisiert = f(usens) Nach Einstellung aller Spannungsanstiege wurde die linearisierte Sensorkennlinie aufgenommen (siehe Bild 1). Dem Bild 1 kann man entnehmen, dass die linearisierte Kennlinie nur sehr wenig von der Gerade abweicht und somit eine sehr gute Linearisierung des Sensors realisiert wurde. Dies geht auch aus dem Bild 2 hervor, welches die linearisierte Abweichung U=f(Usens) im Vergleich zur nicht linearisierten Abweichung U=f(Usens) zeigt.

4 2. Linearisierung mit Hilfe eines Mikrorechners Bei der Linearisierung des Hall-Generators wird nun anstelle eines Netzwerkes ein Mikrorechner eingesetzt, wobei zuerst die nichtlineare Kennlinie mit ihren abs. Fehlern = f(x) aufgenommen wird, und nach Auswertung der Stützpunkte die linearisierte Kennlinie mit ihren absoluten Fehlern. Bild 3 zeigt die nichtlinearisierte sowie die linearisierte Kennlinie und Bild 4 zeigt die absoluten Fehler der Kennlinien f(x) x [mm] linearisierte Kennlinie nichtlinearisierte Kennlinie Bild 3: nichtlinearisierte Kennlinie und linearisierte Kennlinie des Sensors

5 3,0 2,5 2,0 1,5 f(x) 1,0 0,5 0,0-0, x[mm] delta f(x) Linearisiert delta f(x) Bild 4: f(x) Linearisiert und f(x) nicht linearisiert Mit Hilfe des Einsatzes von Mikrorechnern ist es genauso möglich, eine Linearisierung von Kennlinien zu erreichen, wie mit Hilfe von Netzwerken.

6 3. Netzwerk als Funktionsgenerator Mit Hilfe von Linearisierungsnetzwerken ist es möglich, verschiedenste Funktion zu realisieren. Als Beispiel wurde auf den Eingang des Linearisierungsnetzwerks eine Rampe gegeben und mit Hilfe der Potentiometer so eingestellt, dass die vorgegebene Funktion ausgegeben wurde. Bild 5 zeigt diese Funktion. Bild 5: Mit Hilfe des Netzwerkes erzeugte Funktion

7 4. Wiegand - Sensor Mit Hilfe eines Wiegand-Sensors kann die Drehzahl eines Motors bestimmt werden. Zu diesem Zweck wird der Spannungsimpuls ausgewertet, der entsteht, wenn sich das auf den Sensor wirkende Feld ändert. Bild 6 zeigt einen solchen Impuls, der mit dem Oszilloskop aufgenommen wurde. Bild 6: Spannungsimpuls am Wiegand-Sensor Aus Bild 6 kann man entnehmen, dass der Spannungsimpuls eine Amplitude von ca. 4,4V bei einer Impulsbreite von ca. 20µsec hat. Dadurch ist der Wiegand-Sensor sehr gut geeignet, auch sehr kleine Drehzahlen zu detektieren. Bei Anordnung mehrerer Sensoren hintereinander kann zudem die Drehrichtung erfasst werden.

8 5. Strommessung mit einem Hall-Sensor Mit Hilfe eines Hall-Sensors kann eine Strommessung durchgeführt werden (Bild 7). Dabei hat sich gezeigt, dass die Strommessung nach dem Kompensationsprinzip gegenüber der Strommessung nach dem Ausschlagverfahren klar im Vorteil ist (siehe Bild 8). Rk=1 40k IM Uk = * Rk 10 I M Kompensationswicklung ein aus 1k n=10 U Hall Bild 7: Messaufbau für die Strommessung

9 In Bild 8 und Bild 9 ist erkennbar, dass die Abweichung der Spannung zum Strom beim Ausschlagverfahren nicht linear verläuft und somit nur eingeschränkt nutzbar ist, während durch die Kompensationswicklung eine Linearisierung des Stromes erreicht wird, so dass die Hallspannung ein direktes Mass für den Strom durch den Leiter ist. 0,16 0,14 0,12 0,10 U [V] 0,08 0,06 0,04 0,02 0, I [ma] U Hall U k (Linearisiert) Bild 8: Hall-Spannung nach dem Ausschlagverfahren und Kompensationsverfahren = f (Leiterstrom)

10 0,010 0,005 0, U [V] -0,005-0,010-0,015-0,020 I [ma] delta U Hall delta U k Bild 9: U Hall Ausschlagverfahren und U Hall Kompensationsverfahren Trotzdem hatten wir Probleme bei der Durchführung des Versuches, da bei I=0 der Magnet immer noch einen Restmagnetismus aufwies und somit immer ein Spannungsoffset vorhanden war. Dies lässt sich aber vermeiden, indem man möglichst weichmagnetische Werkstoffe verwendet. Dieser letzte Teil - Versuch verdeutlichte die Bedeutung des Hdl = N * I und dessen physikalische Auswirkungen.