Induktív szögszenzor tervezése elektromágneses térszimuláció segítségével

Az elsősorban motorokhoz használt szögszenzorok manapság a technológiai paletta széles skáláján mozognak. Léteznek nagyfelbontású és nagypontosságú optikai és kapacitív szenzorok, nagy érzékenységű és felbontású mikróhullám-alapú szenzorok, melyek előnye az, hogy kis méretben lehet megvalósítani őket, illetve vannak induktív technológia alapú szenzorok, melyek a többi technológiáknál jóval robosztusabbak a környezeti zavaró hatásokkal szemben.

Ezen szenzorok elsődleges felhasználása az autóipar, melynek sajátossága az, hogy folyamatosan változnak a szenzorok felé támasztott kritériumok. Az elektromos és önvezető autók térnyerése által nagy hangsúlyt kap az EMC-kompatibilitás és a robosztusság, a szenzoroknak ellenállóknak kell lenniük a terükbe bejutó nemkívánatos anyagokkal szemben, mint víz, olaj és egyéb szennyeződések, valamint a mechanikai igénybevétellel kapcsolatban - mint pl. rezgés, axiális és radiális elmozdulások - is magasak az elvárások.. Hosszú távon ellenállónak kell lenniük a kopással, illetve az öregedésből fakadó változásokkal szemben. Ezen kritériumok mellett adott pontosság és felbontás elérése (megtartása) a cél úgy, hogy közben a redundancia biztosítva van és mindezt alacsonyan tartott bekerülési költségen kell biztosítani.

A PCB-n megvalósított induktív szenzorok előnye az, hogy olcsók, gyorsan prototipizálhatók, illetve az, hogy nagyon változatos geometriájú kialakításokat lehet létrehozni. Ez a rugalmasság biztosítja a lehetőséget arra, hogy a szenzor geometriájának optimalizálását el lehessen végezni.

Az induktív szenzorok működésének alapja Faraday indukciós törvénye. A szenzorok alapját egy tekercs képezi, mely interakcióban van legalább egy olyan objektummal, mely befolyásolja a tekercs terét. Ez az objektum tipikusan egy mágnes, egy másik aktív vagy passzív tekercs, esetleg egy réz vezető, melyben örvényáram alakul ki. A szögelfordulás hatására az objektum változó módon befolyásolja a kialakult teret, ezáltal a tekercs paraméterei is változnak. A szenzor kimenetén ezt a változó paramétert mérjük.

Az induktív szenzorok három nagy csoportba oszthatók:

1. Aktív tekercs és passzív céltárgy (target) alapú szenzor, mely esetében a gerjesztő tekercs egyben a mérőtekercs is. A targetben kialakuló örvényáramok hatása gyengítik a tekrecs terét, ezzel módosítva annak induktivitását.

2. Két vagy több tekercs kölcsönös induktivitásán alapuló szenzor. Ezen szenzorok esetében az egyik tekercs a gerjesztő tekercs, míg a másik tekercs(ek) végzik az érzékelést. Ebben az esetben mindkét fél aktív.

3. Gerjesztőtekercs - target - érzékelőtekercs(ek) láncából álló elrendezés. A működés hasonlatos az 1. verzióhoz, azzal a különbséggel, hogy a gerjesztés és az érzékelés feladatát két külön tekercs látja el.

Dolgozatom célja az 1. -es típusú szenzor architektúrájának tervezési és megvalósítási lehetőségeinek vizsgálata. A tervezés paraméterei az automotive ipar követelményeiből származnak, azaz tolerancia, pontosság, felbontás, fizikai méretek, valamint költségbeli előírásokat kell figyelembe venni.

Elsőként szimulációs modell kialakításával foglalkozom PCB alapú tekercsekhez ANSYS Maxwell szoftverben. Ezt követően meghatározom a bemeneti paraméterek kritériumainak teljesülését mutató arányszámokat, majd tanulmányokat végezek a paraméterek közötti összefüggések vizsgálatára.

Végül megfontolásokat teszek egy olyan eljárással kapcsolatban, mely segítségével a megfelelő iterációs lépések elvégzése által adott paraméterekkel rendelkező szenzort lehet tervezni.

A cél egy olyan szenzor előállítása, mely kimenete minél egyszerűbb módon (és ezáltal minél olcsóbb technológiával) feldolgozható. Dolgozatomban ezért kitérek a szenzor kimenetét érintő jelfeldolgozási kérdésekre is.

szerző

Kovács Adorján
Villamosmérnöki szak, mesterképzés
mesterképzés (MA/MSc)

konzulens

Dr. Pávó József
egyetemi tanár, Szélessávú Hírközlés és Villamosságtan Tanszék

helyezés

I. helyezett

letöltés
3 143 kB