Zur Bestimmung des für die jeweilige Anwendung am besten geeigneten Messprinzips müssen die Verantwortlichen zunächst festlegen, an welcher Stelle der Applikation sie die Positionsveränderung bestmöglich mit der kleinsten Toleranz messen können. Gerade bei der Erfassung kleiner Winkelbereiche kann es nämlich mitunter besser sein, an einer außerhalb des Winkelbereiches liegenden Stelle der Applikation eine lineare Bewegung oder eine Bewegung auf gebogenen Linien zu erfassen, um so eine bessere Auflösung des Messsignals zu erhalten.

Tabelle 1: Technologieauswahl nach Einsatzgebieten der heute gängigen automobilen Positionssensoren.

Tabelle 1: Technologieauswahl nach Einsatzgebieten der heute gängigen automobilen Positionssensoren.AB Elektronik

Weiterhin ist von Bedeutung, ob ein Sensor als Komplettsystem angeliefert wird oder ob ein Teilverbau im eigenen Hause erfolgen soll. Gegebenenfalls befindet sich auch ein bewegliches und ortsfestes Bauteil des Sensors in einem Bauraum oder beide Bauteile sind getrennt, beispielsweise durch eine Wandung aus Aluminium. Nach der Klärung dieser Fragen erfolgt die Auswahl eines geeigneten Messprinzips gemäß Tabelle 1.

Parallel hierzu müssen die Entwickler festlegen, über welche Schnittstelle die gemessenen Signale zum Steuergerät übertragen werden. Nach wie vor ist im Bereich der Positionssensorik die analoge Schnittstelle am weitesten verbreitet, bei der die Übertragung des Signals ratiometrisch in einem Spannungsbereich von meist 0,5 V bis 4,5 V erfolgt. Für längere Übertragungswege, beispielsweise beim Einsatz im Nutzfahrzeug, bietet sich als einfache Lösung ebenfalls die Übertragung durch ein PWM-Signal an. Beide Lösungen sind jedoch im Hinblick auf die elektromagnetische Verträglichkeit der Übertragung nicht unproblematisch. Abhilfe schaffen digitale Schnittstellen, die sich immer mehr im Bereich der Positionssensorik durchsetzen. Hier sind vor allem die Interfaces der Typen SENT und PSI5 von Bedeutung.

Bild 1: Möglichkeiten der induktiven Technologien aus dem Hause AB Elektronik.

Bild 1: Möglichkeiten der induktiven Technologien aus dem Hause AB Elektronik.AB Elektronik

SIMPSpad

Im Rahmen der Auswahl gilt es, bei möglichst geringem Integrationsaufwand eine möglichst hohe Flexibilität in punkto Messprinzip und Schnittstelle zu erreichen. „Die von AB Elektronik entwickelte induktive Messtechnik zeichnet sich als das System mit der größten am Markt verfügbaren Flexibilität aus und erreicht dabei eine hohe Abdeckung der (in Tabelle 1 beschriebenen) Anwendungsfälle und aller gängigen Kundenschnittstellen“, kommentiert Stefan Rühl, Head of Pre-Development & New Technologies bei AB Elektronik, die SIMPSpad-Technologie. „Neben der klassischen Auslegung als induktiver Positionssensor, wie er von vielen Unternehmen angeboten wird, kann die Technologie auch als magneto-induktiver Sensor eingesetzt werden, der in der Lage ist, die Position eines sich bewegenden Elements durch einen Magnet zu messen. Damit ist AB Elekronik in der Lage, seine patentierte und millionenfach bewährte Autopad-Technologie durch das SIMPSpad-Messprinzip zu ergänzen, welches Positionen durch eine Gehäusewandung hindurch erfassen kann, was bisher verfügbaren induktiven Systemen nicht möglich war.“

Das Unternehmen aus Werne sieht in SIMPSpad eine Ergänzung zu den marktüblichen Systemen, die mit Hilfe von Hall-Sensoren, induktiven Messverfahren oder PLDC-Technologie eine lineare Position oder einen Winkel erfassen.

SIMPSpad: Die Technik

Der wesentliche Vorteil dieser Technologie ist die Fähigkeit, durch Nichteisenmetalle hindurch eine Position zu erfassen. Aufgrund dieser Eigenschaft eignet sich SIMPSpad besonders für Anwendungen im Antriebsstrang eines Fahrzeugs. Die SIMPSpad-Technologie baut auf der Autopad-Technologie auf und verwendet sowohl das ASIC als auch die Designmethoden dieser Technologie, die bereits millionenfach im Automobil Verwendung findet. Eine Schicht aus einem hochpermeablen weichmagnetischen Metall wird dabei auf eine herkömmliche Autopad-Leiterplatte aufgebracht. Somit ändert sich die Arbeitsweise von einer rein induktiven zu einer magneto-induktiven Messtechnik, mit der die Position eines Magneten erkannt wird.

Das Pad besteht aus zwei Leiterbahn-Strukturen, die je eine Sendespule bilden und dabei sinus- sowie cosinusförmige (ergo: um 90 ° phasenverschobene) räumliche elektromagnetische Felder erzeugen. Eine dritte Spule ist als Empfangsspule in die Leiterplatte integriert, wobei eine dünne Schicht aus hochpermeablem weichmagnetischen Material mit der Leiterplatte verbunden ist. Wenn kein magnetisches Ziel vorhanden ist, kann die Kopplung zwischen den Sendespulen und der Empfangsspule vernachlässigt werden. Sobald sich aber ein Zielmagnet in Reichweite befindet, wird ein Teil des Metalls gesättigt, was wiederum eine Kopplung von der Sinus- und Cosinus-Spule in die Empfängerspule zur Folge hat. Die relativen Anteile der Sinus- und Cosinus-Signale hängen von der Position des Magneten ab, wodurch sich ein positionsabhängiges Signal ergibt. Die Elektronik ist identisch mit der Autopad-Messtechnologie, wobei durch die Sinus- und Cosinus-Spulen jeweils ein quadraturmodulierter hochfrequenter Treiberstrom fließt. Die Position des Magneten ergibt sich aus der Modulationsphase des empfangenen Signals. Zur Auswertung berechnet ein ASIC zunächst diese Phasenverschiebung des empfangenen Signals, um den so ermittelten Wert dann in ein kundenspezifisches Ausgangssignal umzusetzen.

Mehr Flexibilität durch Mu-Metall

Bild 2: Feldstärken im SIMSPpad-System an einer Stelle ohne (Bild 2) und mit (Bild 3) Magnet.

Bild 2: Feldstärken im SIMSPpad-System an einer Stelle ohne (Bild 2) und mit (Bild 3) Magnet.AB Elektronik

Das Prinzip eines induktiven Sensors ist immer gleich, denn es findet stets eine Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspulen statt, die durch das bewegliche Koppelelement verändert wird. Während in der Autopad-Technologie als Koppelelement ein Resonanzkreis zum Einsatz kommt, der aus einer Leiterkarte mit einer gedruckten Spule und einem Kondensator besteht, nutzt die SIMPSpad-Technologie zusätzlich die speziellen Eigenschaften von Mu-Metall und setzt als Koppelelement einen Magneten ein. Hierzu wird das Metall als dünnes Blech auf einen Autopad-Sensor aufgeklebt, wobei das Metall durch seine hohe Permeabilität und seine niedrige Sättigungsflussdichte bereits durch schwache Magnetfelder lokal gesättigt wird.

Bild 3: Feldstärken im SIMSPpad-System an einer Stelle ohne (Bild 2) und mit (Bild 3) Magnet.

Bild 3: Feldstärken im SIMSPpad-System an einer Stelle ohne (Bild 2) und mit (Bild 3) Magnet.AB Elektronik

Ohne Magnetfeld entsteht eine gleichmäßige Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule, sodass keine Position erfasst wird. Bei lokaler Sättigung, verliert das Metall seine Permeabilität, wodurch die Kopplung abnimmt (Bilder 2 und 3). Die Position des Magnets ermittelt das System durch die lokale Änderung der Kopplung zwischen den Spulen. „Durch die direkte Montage der Platine mit dem Mu-Metall auf einer metallischen Oberfläche lassen sich sehr flache Sensoren realisieren“, betont Stefan Rühl, „und da es bei der Erfassung der Position um Unterschiede in der Sättigung des Materials geht, ist die SIMPSpad-Technologie auch unempfindlicher gegenüber externen magnetischen Feldern als andere am Markt befindliche magnetische Technologien.“