1 Überblick über die Sensorik

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272 5.3 Spulen 5.3.2 Sättigungskernverfahren 273
vorhandenen Leiterbahnen durchgeätzt. Im nächsten Schritt wird wieder eine Metallschicht
für die obere Verdrahtungsebene abgeschieden (i) und in Leiterbahnen so
strukturiert, daß beide Verdrahtungsebenen zusammen eine Spule bilden (j und k),
d.h. die Kontaktflächen der oberen und unteren Leiterbahnen werden versetzt miteinander
verbunden.
Der Aufbau von Sensorspulen mit hochpermeablem Kern führt – im Vergleich zu Luftspulen
– zu kürzeren Drahtlängen und damit zu einem geringeren Rauschen. Sekundäreigenschaften
der Permeabilität, sowie der geometrischen Aufbau des Spulenkerns können
zu einer Nichtlinearität der Sensorkennlinie und einer zusätzlichen Frequenz- und
Temperaturabhängigkeit führen.
Bei Anwesenheit eines Spulenkerns der relativen Permeabilität µ rc wird die magnetische
Induktionsflußdichte (2) um den Faktor µ rc verstärkt, d.h. als Amplitude U o der
induzierten Spannung ergibt sich analog zu (3) und (4):
Bei den Sättigungskernverfahren (Saturationskernverfahren, Flux Gate Magnetometer)
sind zwei getrennte Wicklungen um einen hochpermeablen Spulenkern ange
ordnet (Bild 5.3.2-1). Während eine der Wicklungen zur Erzeugung eines Magnetfeldes
H für die periodische Aussteuerung der Magnetisierung des Kerns bis in den
Bild 5.3.2-1 Prinzipieller Aufbau eines Sensors nach dem Sättigungskernverfahren (nach [5.18])
Mit dem Durchmesser D c des Spulenkerns und der Magnetfeldamplitude H i im Kern.
Dabei muß berücksichtigt werden, daß der magnetisierte Kern ein Entmagnetisierungsfeld
erzeugt, welches dem äußeren Feld H entgegenwirkt, so daß nur eine "effektive"
Permeabilität µ rc wirken kann. Nur bei langgestreckten Stäben mit einem großen Verhältnis
von Länge zu Durchmesser geht das Entmagnetisierungsfeld gegen Null, so daß
diese Stabform häufig bevorzugt wird. Analog zu (5) ergibt sich als Empfindlichkeit des
Spulensensors mit Magnetkern:
d.h. für D ≈ D c ergibt sich relativ zur Luftspule eine Vergrößerung der Empfindlichkeit
um den Faktor µ rc . Im Ersatzschaltbild 5.3.1-1 treten bei Anwesenheit von Spulenkernen
zu den Serienwiderständen noch weitere hinzu aufgrund von Wirbelströmen und
Hystereseverlusten.
Induktionsspulen finden vielfältige Anwendungen, wenn es auf große Empfindlichkeit
und Zuverlässigkeit ankommt und keine große Ortsauflösung gefordert wird. Messungen
des Erdmagnetfeldes, sowie magnetischer Felder in der Astronomie werden häufig
in dieser Technik ausgeführt. In anderen Anwendungsbereichen erfolgt lediglich die
Anzeige bewegter magnetisierter Materie, z.B. bei Sicherungssystemen im Eisenbahnverkehr.
5.3.2 Sättigungskernverfahren
Bild 5.3.2-2
Sättigungskernverfahren mit Auswertung der zweiten Harmonischen einer sinusförmigen
Aussteuerung des Kerns (nach [5.18]): Betrachtet werden die Signalformen ohne
äußeres Magnetfeld (durchgezogen) und bei Wirkung eines Magnetfeldes H ext (gestrichelt).
a) Magnetfeld der Ansteuerungsspule
b) Hysteresekennlinie des hochpermeablen Spulenkerns
c) Induktionsflußdichte im Kern aufgrund der Ansteuerung
d) induzierte elektrische Spannung in der Aufnahmespule