Was ist ein Winkelsensor?
Winkelsensoren sind Sensoren zur Erfassung von Winkelinformationen, z. B. aus der Position eines Objekts.
In letzter Zeit ist der Bedarf an hochpräziser Positionserfassung aufgrund von Präzisionsbearbeitung, Halbleiterherstellung, Automobilen und Robotik gestiegen, und der Bedarf an präzisen Winkelmessungen zur Positionserfassung nimmt ebenfalls zu.
Winkelsensoren sind im Allgemeinen mit magnetischen, optischen, induktiven oder Potentiometer-Winkelerfassungsmethoden erhältlich. Es ist wichtig, je nach Anwendungsbereich die am besten geeignete Methode zu wählen.
Darüber hinaus haben in letzter Zeit Kreiselsensoren, die neben dem Winkel auch Trägheitskräfte wie Winkelgeschwindigkeit und Beschleunigung erfassen, zur Unterstützung des automatisierten Fahrens an Bedeutung gewonnen. Der Trend geht zu Kreiselsensoren sowie zu herkömmlichen Winkelsensoren.
Anwendungen von Winkelsensoren
Winkelsensoren werden unter anderem in der Präzisionsbearbeitung, der Halbleiterfertigung, der Automobilindustrie und der Robotik eingesetzt.
1. Kraftfahrzeuge
Durch die Erfassung des Kurbel- und Nockenwinkels mit Winkelsensoren kann der optimale Zeitpunkt und die Dauer der Kraftstoffeinspritzung berechnet werden. Weitere Anwendungen sind elektrische Servolenkungen und elektronisch gesteuerte Aufhängungen.
2. Roboter
Winkelsensoren werden zur Erkennung und Steuerung der Position von Roboterarmen eingesetzt.
Funktionsweise der Winkelsensoren
Es gibt die folgenden vier allgemeinen Arten von Winkelsensoren:
1. Magnetischer Typ
Bei dieser Methode werden die Winkel durch Messung der Spannung ermittelt, die erzeugt wird, wenn ein Magnetfeld senkrecht zu einem stromdurchflossenen Hall-Element angelegt wird. Dieses Phänomen ist als Hall-Effekt bekannt.
2. Optisches Verfahren
Bei dieser Methode werden die Winkel anhand der Anzahl der Lichtimpulse ermittelt, die beim Durchgang von Licht durch eine Scheibe mit einem spaltförmigen Gitter erfasst werden. Diese Methode wird als Transmissionsmethode bezeichnet, während eine andere Methode die Reflexionsmethode ist.
Bei der Reflexionsmethode wird der Winkel aus den Lichtimpulsen gemessen, die vom lichtemittierenden Element zur Scheibe zurückprallen und vom lichtempfangenden Element empfangen werden.
3. Induktiver Typ
Der induktive Typ besteht aus einer Primärspule, einer Sekundärspule und einem dazwischen rotierenden, nockenförmigen Kern; wenn eine Spannung an die Primärspule angelegt wird, gibt die Sekundärspule eine von der Position des Kerns abhängige Spannung ab, und der Winkel kann anhand der Größe dieser Spannung ermittelt werden.
4. Typ des Potentiometers
Potentiometer haben Klemmen und Bürsten, die sich auf einem Widerstandselement drehen. Der Drehwinkel der Bürste kann durch Messung des Widerstands zwischen den Klemmen gemessen werden.
Weitere Informationen zu Winkelsensoren
1. Vorteile der magnetischen Winkelsensoren
Magnetische Winkelsensoren nutzen den Hall-Effekt, um Änderungen im Magnetfeld in einen Spannungswert umzuwandeln und das Signal als Analogausgang auszugeben. Im Gegensatz zu potentiometrischen Winkelsensoren können magnetische Winkelsensoren zwei Ausgangssysteme haben: Die beiden Ausgangswerte sind im Allgemeinen unterschiedlich, mit Ausnahme der Neutralstellung.
Die beiden Ausgangssysteme erhöhen den erfassten Wert und die Zuverlässigkeit des Winkelsensors. Potentiometrische Winkelzentralen benötigen zwei Winkelsensoren, um einen 360 °-Winkel zu erfassen, da der Winkelsensor aufgrund seiner Struktur immer einen blinden Fleck aufweist.
Magnetische Winkelsensoren hingegen können 360 ° mit einem einzigen Winkelsensor erfassen, was den Vorteil hat, dass die Anzahl der Komponenten reduziert wird. Da magnetische Winkelsensoren berührungslos arbeiten, weisen sie weniger Fehlerfaktoren auf und haben eine längere Lebensdauer als kontaktbehaftete Sensoren wie Potentiometer-Winkelsensoren.
Sollte es dennoch zu einem Ausfall kommen, ist auf den Abstand zum Sensorkörper zu achten. Wird die Abstandseinstellung beim Wiedereinbau des Sensors nicht berücksichtigt, kommt es bei Berührung zu einem vorzeitigen Ausfall des Winkelsensors, und der Winkelsensor kann den Winkel nicht korrekt erfassen, wenn der Abstand zum Sensorkörper zu groß ist.
2. Analoger Ausgang des Winkelsensors
Der analoge Ausgang eines Winkelsensors, der Spannungswert, wird durch eine Änderung des elektrischen Widerstands ausgegeben. Die Ausgabemethode ist häufig Spannung, kann aber auch Strom sein, und der Ausgabebereich des Analogausgangs ist je nach Winkelsensor unterschiedlich. Bei der Spannung liegt der Bereich nicht nur bei 0-5 V, sondern auch bei 0-10 V. Es ist wichtig, die Angaben des Herstellers sorgfältig zu prüfen.
Winkelsensoren benötigen einen Stromkreis und eine Masse (GND), um einen Analogausgang zu liefern. Der Winkelsensor hat daher drei Klemmen, nämlich die Stromversorgungsklemme, die Erdungsklemme (GND) und die Analogausgangsklemme. Wenn der Analogausgang abnormal ist, kann die Ursache sowohl eine abnormale Verdrahtung oder Verbindung als auch ein Fehler im Winkelsensor selbst sein.