30.11.2021
Im Rahmen des TransMeT-Projektes „Rückführbare Kalibriereinrichtung für Vektor-Magnetometer“ (Kooperation mit Matesy GmbH) hat die PTB eine Magnetfeldspule entwickelt und aufgebaut, die beliebige Vektorfelder bis 2 mT Flussdichte mit geringer Unsicherheit im Raum erzeugen kann. Diese Spule ermöglicht zukünftig die kompakte Kalibrierung dreidimensionaler Magnetfeldsensoren.
Mehrachsige Magnetometer spielen in der Industrie für Positioniersysteme, bei Weltraummissionen sowie im Bereich E-Mobility und Automotive eine zunehmend wichtige Rolle. Allerdings bestehen derzeit nur eingeschränkte Möglichkeiten, die Position und Ausrichtung der Sensoren schnell und zuverlässig rückgeführt zu kalibrieren, da bislang jede Raumrichtung einzeln in konventionellen eindimensionalen (1D) Felderzeugern kalibriert werden muss. Mit Hilfe eines neu entwickelten 3D-Spulensystems und entsprechender Auswertesoftware kann nun die Anzahl der Kalibrierungen erheblich reduziert und gleichzeitig die Messunsicherheit minimiert werden.
Bei der neuen 3D-Spule (siehe Bild) handelt es sich um ein Spulensystem mit jeweils vier Windungspaaren pro Raumrichtung, die verschachtelt auf Kugelschalen mit unterschiedlichen Radien angeordnet sind. Der homogene Feldbereich im Innenbereich erlaubt die Charakterisierung von Feldsensoren mit bis zu 48 mm Durchmesser. Das Design wurde mittels eines evolutionären Algorithmus so optimiert, dass neben Vektorfeldern großer Homogenität bis hinunter zu ΔB/B ≅ 10-4 (für die x-Achse) bzw. 10-5 (für die y- und z-Achsen) auch lineare Gradientenfelder und Sattelfelder realisiert werden können. Letztere sind notwendig, um die Sensorposition im Raum mit hoher Genauigkeit bestimmen zu können. Die ermittelten Fehlwinkel der Spulenachsen zueinander sind reproduzierbar in der Größenordnung wenigen tausendstel Grad. Die anspruchsvolle Fertigung des 3D-Spulenkörpers aus einem Stück Material wurde im wissenschaftlichen Gerätebau der PTB realisiert. Nach erfolgreicher Charakterisierung und Rückführung der Spulenparameter kann das neue 3D-Magnetfeldnormal nun in der AG 2.51 „Magnetische Messtechnik“ für vektorielle Magnetfeldkalibrierungen genutzt werden.
Bild: 3D-Spulenssystem zur Erzeugung von magnetischen Vektorfeldern bis zu 2 mT Flussdichte in beliebiger Raumrichtung.
Veröffentlichung:
Nicolas Rott et al., Publikation in Vorbereitung (2021)
Fachbereich 2.5 „Halbleiterphysik und Magnetismus“