Magnetband-Sensoren: Arten, Funktionsweise und Anwendungsgebiete
Magnetband-Sensoren ermöglichen das berührungslose lineare Messen von Längen und Entfernungen. Im Vergleich zu optischen Systemen sind sie äußerst robust und können daher auch unter schwierigen Umgebungsbedingungen zum Einsatz kommen.
Welche Arten von Magnetband-Sensoren gibt es?
Magnetband-Sensoren sind magnetische Längen-Messsysteme, die aus zwei Komponenten bestehen: einem Lesekopf und dem namensgebenden Magnetband. Sie wandeln die Linearbewegung des Lesekopfes über das Magnetband in analoge oder digitale Signale um. Wir bieten die Messsysteme in analoger (MXAZ-Serie) und in digitaler Ausführung (Serien MXS2, MXW11/MXI11, MXW21/MXI21 und MXI51) an. Digitale Magnetband-Sensoren können absolut oder inkremental ausgelegt sein.
Absolute Sensoren übermitteln ihre absolute Position auf dem Messweg. Diese Information beruht auf einem speziellen Codemuster auf dem Magnetband, das eine exakte Lagebestimmung ohne Kenntnis der vorherigen Position ermöglicht. Auf diese Weise lässt sich die Sensorposition auch nach einem Stromausfall präzise ausgeben. Ein Nullsetzen ist bei dieser Sensor-Variante nicht erforderlich.
Das Magnetband besteht aus einem Edelstahl-Trägerstreifen und einem Magnetstreifen, in dem sich in regelmäßigen Abständen Nord- und Südpole abwechseln. Zum Schutz des Magnetstreifen kann zusätzlich noch ein Abdeckstreifen angebracht werden.
Im Lesekopf befinden sich magnetoresistive Sensoren bzw. Hall-Sensoren. Diese Sensoren erfassen den Wechsel zwischen Nord- und Südpolen, während der Lesekopf über das Magnetband verfährt, und wandeln diesen Wechsel in ein elektrisches Signal um. Das Signal wird dann in einer Folgeelektronik im Lesekopf in ein entsprechendes Ausgangssignal verarbeitet.
Durch ihre Beschaffenheit und das magnetische Messprinzip bietet die Magnetband Längenmessung eine Reihe von Vorteilen:
- Da der Lesekopf berührungslos über das Magnetband Messsystem verfährt, arbeitet die Magnetband Längenmessung reibungs- und verschleißfrei.
- Das Fehlen von beweglichen mechanischen Bauteilen, wie Lagern, minimiert das Risiko von Fehlern oder Ausfällen.
- Die Verwendung von miniaturisierten Sensormodulen und Schaltkreisen ermöglichen sehr kompakte und schlanke Gehäuse.
- Die vollständig geschlossenen Sensorgehäuse und die durch den zusätzlichen Abdeckstreifen geschützten Magnetbänder erreichen hohe Schutzklassen von IP67 bis IP69K.
- Die Sensorsysteme sind unempfindlich gegenüber Licht, Staub, Feuchtigkeit, Öl, Fett und einer großen Bandbreite von Chemikalien (siehe Tabelle).
Ausgangssignale
Digitale Magnetbandmesssysteme können inkremental oder absolut sein.
Inkrementale Messsysteme erzeugen rechteckförmige oder sinusförmige Signale, die Informationen über Weg, Position und Verschiebung bereitstellen. Die Positionsinformationen sind dabei zyklisch, also relativ und mehrdeutig. Das bedeutet, dass sie wiedergeben ob und in welche Richtung sich der Sensor bewegt, aber nicht die absolute Position ausgeben. Um dieses Problem auszugleichen, ist es erforderlich den Sensor zu Beginn des Betriebs nullzusetzten, um die absolute Position des Systems zu bestimmen. Aus diesem Grund verfügen die meisten Magnetband Sensoren über einen Indeximpuls oder einen Referenzmagneten, die eine Referenzposition entlang des Magnetbandes für das Einschalten oder im Falle eines Stromausfalls bereitstellen.
Absolute Magnetbandsensoren hingegen übermitteln die absolute Position entlang des Messweges. Die Positionsinformation basiert auf einem speziellen Codemuster auf dem Magnetband, welches die Position eindeutig wiedergeben kann, ohne dass die Kenntnis einer vorherigen Position erforderlich ist. Daraus ergibt sich der Vorteil, dass die Position auf dem Magnetband immer genau erfassbar ist. Auch nach einem Stromausfall kann die Position eines absoluten Sensors präzise ausgegeben werden. Aus diesem Grund ist bei einem solchen Sensor kein Nullsetzten notwendig.
Wie sind Magnetbänder aufgebaut?
Magnetbänder bestehen aus:
- einem Magnetstreifen aus Verbundferrit,
- einem ferromagnetischen Trägerstreifen,
- einem Edelstahlabdeckstreifen (optional) und einem
- selbstklebenden Befestigungsstreifen.
Der Magnetstreifen wird auf einem ferromagnetischen Edelstahl-Trägerstreifen montiert, der ihm Stabilität und Flexibilität verleiht und ihn von störenden Magnetfeldern abschirmt. Der auf der Unterseite befindliche Befestigungsstreifen ermöglicht eine einfache Montage. Ein Abdeckstreifen kann das Magnetband vor dem Verkratzen oder Verunreinigungen schützen.
Wie funktioniert ein Magnetband?
Der im Magnetband befindliche Magnetstreifen wird einem Kodierungsprozess unterzogen, bei dem er magnetisiert wird. Dabei entsteht:
- eine regelmäßige Abfolge von Nord-Süd-Polen mit einem wechselnden Magnetfeld mit gleicher Polteilung (inkrementales Magnetband, z. B. MXW11- & MXI11-Serie),
- eine kodierte Abfolge von Nord-Süd-Polen, aus der sich ein absolutes Muster zur Längenmessung ergibt (absolutes Magnetband, MXAZ-Serie)
Der Lesekopf erfasst die aus den unterschiedlichen Polungen resultierenden Abweichungen im Magnetfeld. Dadurch erkennt der Lesekopf kleinste Veränderungen seiner Position und gibt diese mithilfe der Folgeelektronik als Signal aus.
Für inkrementale Sensoren gilt: Je kleiner der Abstand zwischen den Polen, desto höher ist die Auflösung. Bei absoluten Magnetband-Sensoren weisen die Pole verschiedene Abstände auf. Hieraus ergibt sich das für die absolute Positionsinformation erforderliche Codemuster.
Für eine zuverlässige Messung ist es unabdingbar, die Leseköpfe ausschließlich mit den im zugehörigen Datenblatt verzeichneten Magnetbändern zu kombinieren.
Magnetbänder bestehen hauptsächlich aus einem Verbundferritmaterial, in dem die Bezugsposition kodiert ist. Während des Kodierungsprozesses wird das empfindliche Material magnetisiert, um entweder eine regelmäßige Abfolge von Nord-Süd-Polen mit wechselndem Magnetfeld mit gleicher Polteilung (inkrementale Version) oder eine kodierte Abfolge von Nord-Süd-Polen zu erhalten, die ein absolutes Muster für die Magnetband Längenmessung erzeugt (absolute Version). Des Weiteren können absolute Magnetbänder zweispurig konstruiert werden, wobei zur absoluten Spur auch eine inkrementale Spur für die Geschwindigkeitsinformation hinzukommt.
Der so entstandene Magnetstreifen wird auf einem ferromagnetischen Trägerstreifen aus Edelstahl montiert. Auf diese Weise erhält der Magnetstreifen Stabilität, Flexibilität und wird von eventuellen Magnetfeldern von unten geschützt. Das Magnetband für die Längenmessung kann mit Hilfe des selbstklebenden Streifens auf der Unterseite des Trägerstreifens leicht montiert werden. Der mitgelieferte Abdeckstreifen aus Edelstahl kann auf dem Magnetstreifen angebracht werden, um ihn vor Verkratzen und Verunreinigung zu schützen.
WayCon Magnetbänder besitzen, je nach Modell, eine Weite von 10 oder 20 mm und erreichen Messlängen von 99,99 m. Sie können einfach entsprechend der Anforderungen der Anwendung gekürzt werden.
Was bedeutet die Polteilung?
Wie im vorherigen Abschnitt beschrieben, wird das Magnetband bei der Herstellung magnetisiert, um eine Abfolge von Nord- und Südpolen entlang des Messweges zu erhalten. Diese Pole ermöglichen es dem Lesekopf die Veränderungen im Magnetfeld zu erfassen, während er über das Magnetband verfährt. Dadurch erkennt der Lesekopf auch kleinste Veränderungen seiner Position und kann diese mit Hilfe der Folgeelektronik als Signal ausgeben. Die Polteilung drückt dabei den Abstand zwischen zwei aufeinanderfolgenden Polen aus.
Für inkrementale Sensoren gilt dabei: je kleiner die Polteilung, desto höher die Auflösung.
Auch bei absoluten Sensoren alternieren die Magnetfelder durch einen Wechsel von Nord- und Südpolen. Diese Wechsel weisen jedoch unterschiedliche Abstände auf, wodurch sich das für die absolute Positionsinformation wichtige Codemuster ergibt.
Auf Grund der unterschiedlichen Polteilungen ist es zwingend erforderlich, Leseköpfe nur mit den im entsprechenden Datenblatt angegebenen Magnetbändern zu kombinieren.
Welche Vorteile bietet die magnetbasierte Längenmessung?
Das magnetische Messprinzip ist mit einer Reihe von Vorzügen verbunden:
- Der Lesekopf gleitet berührungsfrei über das Magnetband. Dadurch erfolgt die Längenmessung reibungs- und verschleißfrei.
- Da es keine beweglichen mechanischen Bauteile (z. B. Lager) gibt, besteht ein sehr geringes Risiko für Fehler oder Ausfälle.
- Durch Einsatz miniaturisierter Sensormodule und Schaltkreise lassen sich die Gehäuse sehr kompakt und schlank halten.
- Die Kombination aus vollständig geschlossenem Sensorgehäuse und zusätzlich durch einen Abdeckstreifen geschütztem Magnetstreifen ermöglicht besonders hohe Schutzklassen (IP67 und IP68).
- Magnetband-Sensoren sind unempfindlich gegen äußere Einflüsse wie Licht, Staub, Feuchtigkeit, Fette, Öle und eine große Bandbreite von Chemikalien.
Wo kommen Magnetband-Sensoren zur Anwendung?
Die magnetischen Wegmesssysteme von WayCon überzeugen durch eine hohe Präzision von bis zu ±15 um bei langen Messwegen und erreichen Messstrecken von bis zu 100 Metern. Sie sind eine ideale Wahl für industrielle Anwendungen und funktionieren auch unter harschen Bedingungen problemlos. Typische Einsatzfelder sind:
- thermische Solaranlagen,
- Holzbearbeitungsmaschinen und -anlagen,
- die Glasbearbeitung (Cutting, Grinding, Printing, Handling) und
- die Medizintechnik (z. B. Labor- und Analysetechnik, Operations- und Behandlungstische).
Sie haben noch Fragen zu unseren Magnetband-Sensoren oder sind sich unsicher, welches Modell sich für Ihren Einsatzzweck am besten eignet? Dann setzen Sie sich einfach mit uns in Verbindung. Wir stehen Ihnen gern Rede und Antwort.
