Erforschung und Entwicklung eines hochauflösenden induktiven Messsystems
Zusammenfassung der Projektergebnisse
Nachdem im ersten Antragszeitraum die Brauchbarkeit des Mikro-Inductosyn® nachgewiesen worden war, erfolgte im zweiten Antragszeitraum zunächst eine weitere Verbesserung des Messsystems. Durch Ersetzen der zwei Sekundärspulen (Sinus- und Kosinusspule) durch vier Halbspulen entsteht eine Anordnung, welche den Einfluss einer Verkippung des Läufers auf die Luftspaltabstände und damit auf die induzierten Intensitäten kompensiert. Damit weist das Sekundärsystem vier statt zwei Mäanderspulen auf. Technologische Herausforderungen wurden im Bereich der Minimalgröße der Schichtstrukturen gemeistert. Durch Vergrößerung des Isolierabstandes zwischen Spule und Pol auf 5 µm gegenüber 3 µm bei der ersten Version des Mikro-Induktosyn® bei gleichzeitiger Reduzierung der Abmessungen der Polgeometrie konnte die Periode des Systems von 48 µm auf 44 µm verringert werden. Bei diesem verbesserten Entwurf kamen wie schon beim Originalentwurf FEM-Simulationen zum Einsatz, um das Systemverhalten zu beschreiben und zu analysieren. Hierzu wurde ein 2D-Modell erstellt, das ein Meanderleiterpar und die umgebenden drei Pole darstellt. Es gelang nachzuweisen, dass die technologisch erzielbare Reduktion der Systemperiode noch ein ausreichendes Messsignal verspricht. Damit wurde gegenüber der Ursprungsversion eine höhere Systemauflösung erreicht. Zwar ist das Mikrowegmesssystem zur Integration im Mikropositionierer gedacht, um es umfassend erproben zu können, soll es jedoch auch in einer autarken Version aufgebaut werden und hierzu eine Mikrokugelführung erhalten. Die experimentellen Untersuchungen an dem gefertigten induktiven Mikromesssystem erfolgt in zwei unterschiedlichen Versuchsaufbauten. Der eine dient der Bestimmung der Kopplung zwischen Ständer und Läufer als Funktion des Luftspaltes. Der andere ermöglicht die Erforschung der Messungenauigkeit. Die Erfassung der induzierten Messsignale erfolgt rauscharm durch den Einsatz von neu entwickelten hochfrequenten Lock-In-Verstärkern. Diese speziell entwickelte Messelektronik ist in der Lage, die vier induzierten Signale gleichzeitig aufzunehmen und für Anwendungen zur Positionsregelung mit Frequenzen von mehr als 100 kHz bereitzustellen. Vergleichsmessungen mit einem Heterodyn-Verschiebeinterferometer haben gezeigt, dass eine Genauigkeit von Positionsmessungen im Bereich von 0,1 µm realisiert werden können. Die geringen Rauschwerte von wenigen Nanometern im Stillstand lassen bei optimierten Führungseigenschaften eine weitere deutliche Verbesserung erwarten.
Projektbezogene Publikationen (Auswahl)
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Development of a Linear Micro Inductosyn Sensor. EEE Trans. on Magn., Vol. 42, Nr. 10, S. 2830- 2832, 2006
Dinulovic, D. Hermann, J. Flügge, H.H. Gatzen
