Wenn der Sensor sich selbst vermisst
Automatisierte Kalibrierung macht kompakte Magnetfeldsensoren präzise.
Forschende von INNOVENT in Jena haben ein Verfahren entwickelt, mit dem sich preiswerte, kompakte Hall-Sensoren zu präzisen, temperaturkompensierten Magnetfeldmessgeräten aufwerten lassen. Die Methodik ist auf unterschiedliche Sensortypen übertragbar.
Dreiachsige Hall-Sensoren sind klein, robust und günstig – doch für belastbare Absolutmessungen der magnetischen Flussdichte gelten sie als schwierig: Ihr Signal driftet mit der Temperatur, ihre drei Messachsen stehen fertigungsbedingt nicht exakt senkrecht zueinander, und ihre Empfindlichkeit verläuft nicht linear. Im Forschungsvorhaben „M-Gauss" hat INNOVENT eine Charakterisierungs- und Kalibriermethodik erarbeitet, die diese Fehlerquellen systematisch erfasst und rechnerisch korrigiert.
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Kern der Arbeit ist die vollständige messtechnische Vermessung des Sensorverhaltens: In einer dreiachsigen Helmholtz-Anordnung mit temperierbarer Messkammer sowie in einem Elektromagneten mit rückgeführten Referenzsonden wurde das Sensorsignal über Feldstärke und Temperatur (10 bis 40 °C) erfasst. Aus diesen Daten leiteten die Forschenden mehrere Korrekturschritte ab: 3×3-Transformationsmatrizen, die die tatsächliche räumliche Lage der Sensorachsen orthogonalisieren, sowie ein Kompensationsmodell, das die Empfindlichkeitsvariation über Polynome dritten Grades beschreibt.
Weil eine solche Kalibrierung von Hand kaum praktikabel ist, wurde sie in ein automatisiertes Verfahren überführt: Ein Zustandsautomat steuert Kalibrieraufbau und Messtechnik und bestimmt die erforderlichen Kompensationskonstanten selbstständig. In der Validierung erreichte das Verfahren eine Genauigkeit von unter fünf Promille vom Messbereichsendwert über alle drei Achsen.
Die entwickelte Methodik ist nicht auf einen bestimmten Sensor beschränkt, sondern grundsätzlich auf weitere dreiachsige Hall-Sensoren übertragbar – etwa auf die HallinOne-Sensoren des Fraunhofer-Instituts. Als weiteres Ergebnis konnten die Forschenden messtechnisch zeigen, wo die Grenzen der Hall-Sensorik liegen: Für die Bestimmung magnetischer Momente ist sie nur eingeschränkt geeignet; hier wurde eine alternative, AMR-basierte Herangehensweise charakterisiert.
Das Vorhaben „M-Gauss" wurde im Rahmen der Richtlinie FTI-Thüringen TECHNOLOGIE als Verbundvorhaben (Verbundpartner: Matesy GmbH, Jena) durchgeführt und aus Mitteln des Europäischen Fonds für regionale Entwicklung (EFRE) sowie des Freistaats Thüringen kofinanziert. [INNOVENT / dre]
