1 Überblick über die Sensorik

Seite 146
290 5.5 Andere Sensoren 5.5.4 SQUIDs 291
Eine wichtige und weitverbreitete Anwendung der Eigenschaften von Wirbelströmen in
der Sensortechnik ist der Wirbelstromtachometer (Bild 5.5.3-1), der in der Kraftfahrzeugtechnik
routinemäßig eingesetzt wird.
Bei Wirbelstrom-Näherungssensoren ist die Spule eines Hochfrequenz-Resonanzkreises
so ausgelegt, daß ihr Magnetfeld nach außen dringt. Befindet sich ein metallischer
Körper im Bereich des Magnetfeldes, dann werden dort Wirbelströme induziert,
welche den Resonanzkreis dämpfen (Bild 5.5.3-2).
Bild 5.5.3-3
Optimierung des Spulenaufbaus für einen Wirbelstrom-Näherungssensor mit Hilfe
eines E-förmigen oder Topfkerns (Band 5: "Weichmagnetische Keramiken") aus einem
weichferritischen Werkstoff: Eingezeichnet ist der resultierende Verlauf der
magnetischen Feldlinien (nach [5.32]).
Bild 5.5.3-2 Wirbelstrom-Näherungssensor (nach [5.32])
a) Ein Oszillator wird mit einer Spule betrieben, deren Magnetfeld sich nach außen
ausbreitet. Befindet sich dort ein leitfähiges Werkstück, dann werden Wirbelströme
induziert, welche die Oszillation dämpfen, so daß die Ausgangsspannung abnimmt;
sie kann im Extremfall vollständig zusammenbrechen.
b) Abhängigkeit des Ausgangsstroms eines Wirbelstrom-Näherungssensors von
dem Abstand zu einem elektrisch leitfähigen Werkstück.
Mit Hilfe eines weichmagnetischen Kerns (Band 5 dieser Reihe) kann das Magnetfeld
der Spule eines Wirbelstrom-Näherungssensors für spezifische Anwendungen optimiert
werden (Bild 5.5.3-3).
5.5.4 SQUIDs
SQUIDs (superconducting quantum interference devices) erlauben die Messung außerordentlich
kleiner Magnetfelder bis in den fT(Femtotesla)-Bereich. Sie lassen sich
herstellen aus ringförmig strukturierten supraleitenden Werkstoffen (Band 1, Abschnitt
4.2.1). In diesen Materialien kondensieren die Elektronen bei Temperaturen unterhalb
einer Sprungtemperatur T c und unterhalb einer kritischen Feldstärke H c
zu Cooper-Paaren mit entgegengesetzt gerichtetem Spin. Bei metallischen Supraleitern
liegen die Sprungtemperaturen gewöhnlich unterhalb 20 K, bei keramischen können
sie bis auf 120 K – in Zukunft möglicherweise auf noch höhere Werte – ansteigen (s.
Tabellen in Band 1, Abschnitt 4.2.1). Die Cooper-Paare ermöglichen einen Ladungstransport
ohne jeden Energieverlust, sie führen damit zu einer unendlich großen Gleichstromleitfähigkeit.
Weiterhin führt der Meißner-Effekt dazu, daß in kompakten Supraleitern
bei Anlegen einer magnetischen Feldstärke unterhalb von H c (bei Supraleitern
2. Art H c1 (Band 1, Abschnitt 4.2.1)) die resultierende Magnetisierung (bzw.
Polarisation oder die magnetische Induktionsflußdichte) vollständig aus dem Supraleiter
verdrängt wird, d.h. der Werkstoff nimmt eine magnetische Suszeptibilität χ = –1
(vollständiger Diamagnetismus) an. Eine ausführliche Behandlung der Theorie und
Technik supraleitender Bauelemente würde über den Rahmen dieses Buch weit hinausführen,
es muß daher auf die umfangreiche Spezialliteratur ([5.33], [5.35 bis 37]) verwiesen
werden.