1 Ãberblick über die Sensorik
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276 5.4 Wiegand- und Impulsdrahtsensoren 5.4 Wiegand- und Impulsdrahtsensoren 277<br />
Sättigungskernverfahren ermöglichen eine außerordentlich genaue Messung von<br />
Magnetfeldern, sie gelten – bei vertretbarem Meßaufwand – als besonders zuverlässig<br />
und wirtschaftlich. Vielfältige Einsatzmöglichkeiten ergeben sich für <strong>die</strong> Messung von<br />
Erdmagnetfeldern (z.B. zur Ermittlung von Fundstätten für Rohstoffe), in der Weltraumtechnik<br />
und bei militärischen Anwendungen, weiterhin in der Werkstoffkontrolle<br />
zur Identifikation von Inhomogenitäten (z.B. schweißnahtlose Rohre für Pipelines etc.).<br />
5.4 Wiegand- und Impulsdrahtsensoren<br />
Typisch für weichmagnetische Werkstoffe mit einer Hysteresekurve, welche z. B. <strong>die</strong> in<br />
Bild 5.3.2-4a dargestellte Form hat, ist <strong>die</strong> Ausbildung mehrerer Domänen (Weißscher<br />
Bereiche, s. Band 1, Abschnitt 7.1.5) mit unterschiedlich orientierter spontaner<br />
Magnetisierung. Die Remanenz B r (Induktionsflußdichte bei der Feldstärke H = 0)<br />
ergibt sich durch eine unvollständige gegenseitige Kompensation der magnetischen Polarisation<br />
<strong>die</strong>ser Bereiche. Im Gegensatz dazu haben Bauelemente, in denen sich aufgrund<br />
einer Form- oder Kristallanisotropie (Band 1, Abschnitt 7.3.1) nur ein einziger<br />
Weißscher Bezirk ausbilden kann, fast rechteckig ausgebildete Hysteresekurven<br />
wie in Bild 5.2.2-5b. In <strong>die</strong>sem Fall ist <strong>die</strong> Remanenz nur unwesentlich kleiner als <strong>die</strong><br />
Sättigungsmagnetisierung. Erst wenn ein äußeres Magnetfeld <strong>die</strong> Koerzitivfeldstärke<br />
überschreitet, springt <strong>die</strong> Magnetisierung – und damit auch <strong>die</strong> Induktionsflußdichte –<br />
spontan (d.h. unabhängig von der Änderungsgeschwindigkeit des äußeren Magnetfeldes)<br />
um und nimmt einen entgegengerichtet gleichen Betrag an. Befindet sich der<br />
magnetische Werkstoff innerhalb einer Induktionsspule, dann wird in <strong>die</strong>se nach (5.3.1-<br />
1) eine erhebliche Spannung induziert, da <strong>die</strong> Sättigungsmagnetisierung M s gewöhnlich<br />
einen großen Wert hat und damit eine Veränderung der Sättigungsinduktionsflußdichte<br />
B s eintritt, <strong>die</strong> von sich aus innerhalb einer sehr kurzen Zeit erfolgt.<br />
Der geschilderte Effekt bildet <strong>die</strong> Grundlage für Wiegand- und Impulsdrahtsensoren,<br />
welche in digitaler Form <strong>die</strong> Änderung äußerer Magnetfelder anzeigen können.<br />
Ausgegangen wird von Drähten aus magnetischen Werkstoffen, <strong>die</strong> a priori eine Formanisotropie<br />
aufgrund des langgestreckten Aufbaus besitzen, welche durch Anlegen mechanischer<br />
Zugspannungen noch erheblich verstärkt werden kann (Magnetostriktion,<br />
s. Abschnitt 5.5.2 und Band1,Abschnitt 7.2.2). Bild 5.4-1 zeigt den prinzipiellen Aufbau,<br />
<strong>die</strong> Hysteresekurve und den zeitlichen Verlauf der induzierten Spannung bei <strong>die</strong>sen<br />
Sensoren.<br />
Bild 5.4-1 Prinzip der Wiegand-und Impulsdrahtsensoren (nach [5.20])<br />
a) Aufbau des Sensors aus einem Draht D innerhalb einer Induktionsspule S s , in<br />
welche bei einer Umkehr der Drahtmagnetisierung eine Spannung U induziert<br />
wird. An den Draht wird eine mechanische Zugspannung σ gelegt.<br />
b) Hysteresekurve: Dargestellt ist <strong>die</strong> magnetische Polarisation J = µ o M in Abhängigkeit<br />
von der Feldstärke H des äußeren Magnetfeldes. Zur Bildung eines<br />
Ummagnetisierungskeims (durch dessen Vergrößerung <strong>die</strong> Ummagnetisierung<br />
erfolgt) ist eine Feldstärke H s oberhalb der Koerzitivfeldstärke H c erforderlich.<br />
c) Zeitlicher Verlauf der induzierten Spannung in einer Induktionsspule bei Umklappen<br />
der Polarisation aufgrund eines äußeren Magnetfeldes bei verschiedenen<br />
Zugspannungen σ.<br />
d) Zunahme der Impulsspannung (Maximalspannung in c)) mit der mechanischen<br />
Zugspannung σ.