Neuer Sensor zur exakten Bestimmung von Drehwinkeln

Optische Kompensation von Winkelfehlern macht zusätzliche Elektronik überflüssig

Vergleichende Darstellung des Prinzips zwischen unkompensiertem Sensor und kompensiertem Sensor. (Bildquelle: Institut für Technische Optik, Uni Stuttgart)

Vor allem im Maschinenbau oder in Antrieben werden Drehwellen unterschiedlichster Art eingesetzt. Die Einstellung und die Positionserkennung von Drehwellen benötigt Drehwinkelsensoren. Jeder dieser Drehsensoren hat jedoch einen Winkelfehler, weil es sehr schwierig ist, die Sensoren genau zu justieren. Diese Fehler mussten bisher aufwändig elektronisch kompensiert werden, zum Beispiel durch einen zweiten Auslesekopf.

Am Institut für Technische Optik der Universität Stuttgart wurde nun ein neuartiger Drehwinkelsensor entwickelt, der die Winkelfehler optisch kompensiert und so eine zusätzliche Elektronik bzw. aufwändige Justage überflüssig macht. Mit diesem neuartigen Sensor können die Position exakt bestimmt und Drehwinkel genau eingestellt werden.
Das Grundprinzip von optischen Drehwinkelsensoren basiert auf einer drehbar gelagerten Welle, auf der eine Kodescheibe fixiert ist. Ein so genannter Schlag der Maßspur entsteht durch eine Dezentrierung der Scheibenachse zur Wellenachse und führt zu einem Winkelmessfehler. Um eine hohe Genauigkeit zu erreichen, muss die Kodierscheibe möglichst genau zur Welle zentriert werden. Dies erfordert einen hohen Aufwand bei der Montage und ist daher teuer. Und trotz des hohen Aufwands kann ein geringer mechanischer Zentrierfehler nie ganz vermieden werden.

Bei der von David Hopp, Christof Pruß und Wolfgang Osten am Institut für Technische Optik entwickelten Drehwinkelsensor wird der Einfluss durch einen Schlag der Kodierscheibe schon vor der Generierung des Sensorsignals optisch korrigiert. Dies wird durch eine zweite so genannte Kompensationsspur erreicht, welche sich zentriert zur Maßspur auf einem anderen Radiusbereich der drehenden Kodierscheibe befindet. Diese Kompensationsspur lenkt das Ausleselicht auch bei starker Exzentrizität der Kodierscheibe automatisch immer auf die richtige Winkelposition der Kodierspur. Der Winkelfehler wird damit bereits vor der Signalentstehung optisch kompensiert, d.h. es wird direkt die korrekte Winkelposition ausgelesen. Der Winkelfehler wird um etwa vier Größenordnungen gegenüber einem unkompensierten System reduziert.

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