Automatisierte Kalibrierung verbessert Präzision kompakter Magnetfeldsensoren
Wissenschaftler der INNOVENT e.V. in Jena haben ein Verfahren entwickelt, das kostengünstige, kompakte Hall-Sensoren in präzise und temperaturkompensierte Magnetfeldmessgeräte verwandelt. Diese Methode lässt sich auf verschiedene Sensortypen anwenden.
Herausforderungen bei dreiachsigen Hall-Sensoren
Dreiachsige Hall-Sensoren zeichnen sich durch ihre geringe Größe, Robustheit und niedrige Kosten aus. Für zuverlässige Absolutmessungen der magnetischen Flussdichte stellen sie jedoch eine Herausforderung dar, da ihr Signal temperaturabhängig driftet, die drei Messachsen aufgrund der Fertigung nicht exakt orthogonal zueinander stehen und die Empfindlichkeit nicht linear verläuft.
Entwicklung einer systematischen Kalibrierungsmethodik
Im Rahmen des Forschungsprojekts „M-Gauss“ hat INNOVENT e.V. eine Methode zur Charakterisierung und Kalibrierung entwickelt, die diese Fehlerquellen systematisch erfasst und rechnerisch korrigiert. Im Mittelpunkt steht die vollständige messtechnische Vermessung des Sensorverhaltens.
- Die Messungen erfolgten in einer dreiachsigen Helmholtz-Spule mit temperierbarer Messkammer sowie in einem Elektromagneten mit rückgeführten Referenzsonden.
- Erfasst wurden Sensorsignale über unterschiedliche Feldstärken und Temperaturen im Bereich von 10 bis 40 °C.
- Aus den Messdaten wurden Korrekturschritte abgeleitet, darunter 3×3-Transformationsmatrizen zur Orthogonalisierung der Sensorachsen und ein Kompensationsmodell zur Beschreibung der Empfindlichkeitsvariation mittels Polynomen dritten Grades.
Da eine manuelle Kalibrierung aufwendig ist, wurde das Verfahren automatisiert. Ein Zustandsautomat steuert den Kalibrieraufbau sowie die Messtechnik und bestimmt eigenständig die notwendigen Kompensationsparameter. Die Validierung zeigte eine Genauigkeit von unter 0,5 % des Messbereichsendwerts über alle drei Achsen.
Übertragbarkeit und weitere Erkenntnisse
Die entwickelte Methodik ist nicht auf einen einzelnen Sensortyp beschränkt, sondern kann grundsätzlich auf weitere dreiachsige Hall-Sensoren angewandt werden, beispielsweise auf die HallinOne-Sensoren des Fraunhofer-Instituts. Zudem konnten die Forschenden messtechnisch die Grenzen der Hall-Sensorik aufzeigen: Für die Bestimmung magnetischer Momente ist sie nur eingeschränkt geeignet. Für diesen Anwendungsfall wurde eine alternative Methode auf Basis von AMR-Sensoren charakterisiert.
Die gewonnenen Ergebnisse fließen in weitere Forschungsprojekte bei INNOVENT e.V. ein und werden unter anderem auf der Magsense-Konferenz in Jena präsentiert.
Förderung
Das Projekt „M-Gauss“ wurde als Verbundvorhaben im Rahmen der Richtlinie FTI-Thüringen TECHNOLOGIE durchgeführt. Verbundpartner war die Matesy GmbH, Jena. Die Finanzierung erfolgte durch den Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) sowie den Freistaat Thüringen.
Kontakt für wissenschaftliche Anfragen
INNOVENT e.V., Bereich Magnetische und Optische Systeme
Michael Röder
Telefon: 03641-889944
E-Mail: m.roeder@innovent-jena.de
