{"id":47438,"date":"2023-01-16T09:40:43","date_gmt":"2023-01-16T09:40:43","guid":{"rendered":"https:\/\/www.dewetron.com\/news\/wie-funktionieren-drehzahl-und-winkelsensoren\/"},"modified":"2025-02-03T14:30:40","modified_gmt":"2025-02-03T14:30:40","slug":"wie-funktionieren-drehzahl-und-winkelsensoren","status":"publish","type":"post","link":"https:\/\/www.dewetron.com\/de\/news\/wie-funktionieren-drehzahl-und-winkelsensoren\/","title":{"rendered":"Wie funktionieren Drehzahl- und Winkelsensoren?"},"content":{"rendered":"
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Ein Drehzahl- und Winkelsensor ist ein Ger\u00e4t zur Messung der Bewegung, der Geschwindigkeit oder der Winkelposition eines rotierenden Objekts. Solche Sensoren sind weit verbreitet, von kleinen Druckern bis hin zu gro\u00dfen Fertigungsmaschinen, Autos, Flugzeugen und vielem mehr. Aber wie genau funktionieren sie?<\/p>\n

Um diese Frage zu beantworten, m\u00fcssen wir zun\u00e4chst zwischen den verschiedenen Arten von Sensoren unterscheiden. Es gibt verschiedene Typen, die auf unterschiedlichen Funktionsprinzipien und physikalischen Effekten beruhen. Die beiden gebr\u00e4uchlichsten sind optische Sensoren und magnetische Sensoren.<\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Was sind magnetische Sensoren?<\/h2>\n
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Magnetische Sensoren lassen sich anhand ihres spezifischen Funktionsprinzips in verschiedene Untergruppen einteilen. Dazu geh\u00f6ren unter anderem induktive Sensoren und TMR (tunnel magnetoresistance) Sensoren.
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Was sind induktive Sensoren?<\/h4>\n

Ein induktiver Sensor ist ein einfacher magnetischer Sensor und beruht auf den Grundlagen der Elektrodynamik<\/a>. Genauer gesagt basiert dieser auf dem Faraday\u2019schen Induktionsgesetz, welches die Induktion von Strom in einem Leiter aufgrund von \u00c4nderungen des Magnetfelds um einen Leiter beschreibt. Im Allgemeinen besteht ein induktiver Sensor aus einer Kernspule, die an einem Ende der Spule mit einem Dauermagneten verbunden ist. Bewegt sich nun ein ferromagnetisches Teil nahe genug am Sensor vorbei, \u00e4ndert sich das Magnetfeld in der Spule und induziert einen Stromfluss in den Wicklungen der Spule. Dieser Stromfluss bzw. die entsprechende Spannung kann dann gemessen werden.<\/p>\n

Abbildung 1 zeigt ein vereinfachtes Schema dieses Prozesses anhand eines ferromagnetischen Zahnrads. Jedes Mal, wenn ein Zahn den Sensor passiert, wird ein Strom induziert und unsere Messung erreicht einen Spitzenwert. Umgekehrt, ist der Messwert am niedrigsten, wenn am Sensor eine L\u00fccke vorbeizieht. Somit erhalten wir ein oszillierendes Signal, wobei eine einzelne Oszillation das Passieren eines Zahns und einer L\u00fccke darstellt. Wenn man nun die Gesamtzahl der Z\u00e4hne kennt, kann man die Zeit pro Umdrehung und damit auch die Umdrehungen pro Minute, die Frequenz und die Winkellage bestimmen.
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Abbildung 1: Vereinfachte Darstellung des Funktionsprinzips eines induktiven Magnetsensors. Die Drehung des ferromagnetischen Zahnrads ver\u00e4ndert das Magnetfeld in der Spule und induziert einen messbaren Strom.<\/em><\/p>\n

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Was sind TMR-Sensoren?<\/h4>\n

TMR-Sensoren bestehen aus zwei Komponenten: einem Magneten, der an einem rotierenden Objekt befestigt ist, und einem Magnetowiderstandssensor (MR-Sensor). Der MR-Sensor selbst besteht aus zwei ferromagnetischen Schichten \u2013 einer fixierten Schicht und einer freien Schicht – welche durch einen Isolator getrennt sind. Das Magnetfeld der fixierten Schicht ist (wie der Name vermuten l\u00e4sst) fixiert und zeigt immer in die gleiche Richtung. Das Magnetfeld der freien Schicht kann rotieren und \u00e4ndert sich somit in Abh\u00e4ngigkeit vom Magnetfeld des externen Magneten.<\/p>\n

Um eine Wechselwirkung zwischen den beiden Magnetfeldern zu erm\u00f6glichen, muss der Sensor in einem bestimmten Abstand zum Magneten angebracht werden. Der Sensor misst dann die \u00c4nderung des Widerstands des angelegten Magnetfelds aufgrund des Einflusses des externen rotierenden Magnetfelds, welches durch den sich drehenden Magneten erzeugt wird. Wenn beide Magnetfelder aufeinander ausgerichtet sind und somit in die gleiche Richtung zeigen, ist der Widerstand gering. Zeigt das \u00e4u\u00dfere Feld jedoch in die entgegengesetzte Richtung als das angelegte Feld, messen wir einen hohen Widerstand. Anhand des daraus resultierenden Signals ist es jederzeit m\u00f6glich, Periode,
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Abbildung 2: Vereinfachte Darstellung der Funktionsweise eines MR-Sensors. Durch die Rotation des Magneten \u00e4ndert sich der Widerstand des Sensorelements mit dem Drehwinkel.<\/em><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Was sind optische Sensoren?<\/h2>\n
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Optische Sensoren messen die Drehung eines Objekts mittels Lichtmessungen. Genauer gesagt messen sie periodische Lichtsignale, welche vom Objekt selbst reflektiert werden. Zu diesem Zweck sendet in der Regel ein Infrarot (IR)-Laser Licht auf das sich drehende Objekt. Das Objekt ist mit einem Klebeband oder einem \u00e4hnlichen reflektierenden Material markiert, das den einfallenden Strahl zum Sensor zur\u00fcckwirft. Zur Messung des reflektierten Lichts wird in der Regel eine Fotodiode verwendet, die das absorbierte Licht in einen messbaren Strom umwandelt. Jedes Mal, wenn nun durch die Reflexion eine erh\u00f6hte Lichtintensit\u00e4t gemessen wird, zeigt sich auch ein Spitzenwert im elektrischen Signal und erlaubt somit die Bestimmung der Frequenz, Periode, Rotationsgeschwindigkeit und Winkelposition.
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Abbildung 3: Schematische Darstellung der Funktionsweise eines optischen Drehzahlsensors. Veranschaulichung der Detektion eines erh\u00f6hten Signals durch eine st\u00e4rkere Reflektion am Tape.<\/em><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Wie funktioniert die Signalverarbeitung und die Positionsbestimmung?<\/h2>\n
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Die zuvor beschriebenen optischen und induktiven Sensoren lassen sich als Inkrementalgeber zusammenfassen. Die von diesen Sensorelementen (optisch oder magnetisch) gelieferten Signale werden typischerweise durch Schwellwertschalter in Rechtecksignale umgewandelt. Die Ausgangsimpulse werden an die Auswerteelektronik \u00fcbertragen und gez\u00e4hlt. Die daraus resultierende Anzahl der gez\u00e4hlten Impulse pro Zeitintervall stellt das Ma\u00df f\u00fcr die Positions\u00e4nderung dar.<\/p>\n

Um Informationen \u00fcber die Bewegungsrichtung zu erhalten, werden zwei leicht versetzte Sensoren verwendet, um zwei asynchrone Signale zu erhalten. Aus der Abfolge der Vorder- und R\u00fcckflanke der beiden Signale l\u00e4sst sich dadurch die Bewegungsrichtung bestimmen. Zur absoluten Positionsbestimmung wird schlie\u00dflich einmal pro Umdrehung ein Nullimpuls implementiert, der den Beginn bzw. das Ende einer Umdrehung markiert.
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Abbildung 4: Konvertierte Rechtecksignale von zwei leicht verschobenen Sensoren plus Nullimpuls. Diese Messungen enthalten alles, was f\u00fcr eine absolute Positionsbestimmung erforderlich ist.<\/em><\/p>\n\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n <\/div>\n<\/div>\n\n\n

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Optische Sensoren bei DEWETRON<\/h2>\n
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Wie bereits erw\u00e4hnt, werden Drehzahlsensoren in einer Vielzahl von Maschinen eingesetzt. Der Verwendungszweck ist jedoch immer unterschiedlich – manchmal wird er nur als zus\u00e4tzliche Information zu anderen Messkan\u00e4len ben\u00f6tigt und in anderen F\u00e4llen kann er f\u00fcr spezifische Analysen ben\u00f6tigt werden. Je nach Anwendung des Sensors ist die Montage und Installation mal einfacher und mal schwieriger.<\/p>\n

Mit unseren Produkten der TACHO PROBE und dem TAPE SENSOR – bieten wir zwei einfach zu handhabende und leicht zu installierende optische Sensoren f\u00fcr die Ordnungsanalyse, das Betriebsauswuchten, allgemeine Drehzahlmessungen sowie Dreh- und Torsionsschwingungsanalysen. Beide Sensoren sind mit einem LEMO-Stecker ausgestattet und k\u00f6nnen direkt mit einem LEMO-Z\u00e4hlereingang eines DEWETRON Messsystems verbunden werden. Der LEMO-Z\u00e4hlereingang stellt neben der Signal\u00fcbertragung auch die Versorgungsspannung zur Verf\u00fcgung – eine zus\u00e4tzliche Stromversorgung ist daher nicht erforderlich.
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Abbildung 5: Praktische Umsetzung des DEWETRON Tape Sensors. Das obere Bild zeigt den montierten Sensor sowie das reflektierende schwarz-wei\u00dfe Band, das am rotierenden Rad befestigt ist. Die untere Grafik zeigt die gemessenen und verarbeiteten Daten mittels OXYGEN<\/a> – DEWETRONs intuitiver Messsoftware.<\/em><\/p>\n

ZU UNSEREN DREHZAHL- & WINKELSENSOREN<\/a><\/span>
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Zusammenfassend l\u00e4sst sich sagen, dass es eine Vielzahl unterschiedlicher Drehzahl- und Winkelsensoren gibt. In der Regel basieren sie entweder auf optischen oder elektromagnetischen Effekten, wobei einige ein komplexeres Funktionsprinzip und eine komplexere Implementierung haben als andere. Wir von DEWETRON bieten Ihnen zwei einfache, aber effektive optische Sensoren kombiniert mit einem hochdetaillierten Messsystem<\/a> f\u00fcr verschiedene praktische Anwendungen.
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