1 Überblick über die Sensorik

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