Messtaster Vom analogen Mess-Taster zum digitalen Smart-Sensor mit Nanometer-Auflösung

Autor / Redakteur: Prof. Guido Keel, Institut für Mikroelektronik und Embedded Systems (IMES), HSR / Andreas Leu

Mit dem Projekt DTN hat das IMES der HSR einen analogen Mess-Taster zu einem Smart-Sensor entwickelt, der direkt an Feldbus-Systeme angeschlossen werden kann. Ein Projektbeschrieb.

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(Bild: HSR)

Die Firma Peter Hirt GmbH in Nänikon produziert erfolgreich induktive Mess-Taster, die in vielen industriellen Messanwendungen, z. B. zur Prüfung von komplexen mechanischen Teilen, eingesetzt werden. Die Mess-Taster enthalten zwei gekoppelte Spulen und einen Ferritkern, der mit dem Tastkopf verbunden ist, sodass sich die Induktivitäten der Spulen mit der Position des Tastkopfs verändern. (Abb. 1).

Heute regt meistens eine aufwendige Konditionierungselektronik die Spulen mit einem Sinussignal an und wertet die Differenz der Spulenspannungen mit analogen Schaltungen aus. Die Präzision der Messung liegt im Mikrometer-­Bereich, wenn der Sensor nach dem Einbau kalibriert wird.

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Im KTI-Projekt DTN (Digital Transducer Network) wurde eine Elektronik mit einem eigenen ASIC (Application Specific Integrated Circuit) entwickelt, die nur einen Bruchteil der heutigen Systeme kostet, direkt im Mess-Taster mit einem Durchmesser von 8 mm verbaut werden kann und die zudem viel genauer ist: Kalibriert beträgt die Genauigkeit 100 nm, die Standardabweichung der Messwerte beträgt nur 5 nm.

Bisherige hohe Kosten für Abstimmungen vermeiden

Sind Mess-Taster und Messelektronik getrennt wie in Abb. 2, müssen beide Teile hohen Genauigkeitsanforderungen genügen, um eine vorgegebene Präzision erreichen zu können, und es entsteht Aufwand, um die Mess-Taster und die Konditionierungselektronik aufeinander einzustellen. Ein kompaktes System aus Mess-Taster und Messelektronik, bei dem Mechanik und Elektronik als Einheit gebaut und kalibriert werden (Abb. 3), weist hingegen Kosten-, Wartungs- und Performance-Vorteile auf.

Präzision der bisherigen Systeme signifikant verbessert

Das neue System kombiniert Mess-Taster und Messelektronik und verfügt über eine digitale Schnittstelle. Der Mess-Taster wird so zum Smart-Sensor. Ein solcher Smart-­Sensor liefert ein bereits fertig aufbereitetes digitales Signal, das einfach im Messrechner weiterverarbeitet werden kann. Durch die fixe Verknüpfung der Konditionierung mit dem Mess-System können zudem dessen Schwachstellen mitkorrigiert werden. Zusätzlich können mögliche Störungen und Informationen (Kernbruch, Litzenbruch sowie Lifecycle-Informationen) festgestellt und gemeldet werden.

Die Signalkonditionierung

Induktive Mess-Taster bestehen aus zwei Spulen, die von Sinussignalen mit Frequenzen im Bereich um 12 kHz angeregt werden. Die mechanische Position des Tasters ist direkt proportional zum Amplitudenunterschied der gemessenen Empfangssignale. Die Anregung des Sensors erfolgt mit einem von einem Oszillator generierten stabilen Sinussignal.

Für präzise Messungen muss das Sensorsignal verstärkt und mit einem Filter vom Rauschen befreit werden. Die Amplitude wird gemessen mit einem speziellen Gleichrichter (Synchron-Demodulator) und einem Tiefpass-Filter. Dessen Ausgangs­signal wird danach digitalisiert und zur Positions-Bestimmung verwendet.

Da induktive Sensoren und damit die Konditionierungselektronik in grossen Stückzahlen eingesetzt werden, hat die Firma Analog Devices einen speziellen IC dafür entwickelt, den AD698.

Die Abbildung 4 zeigt das Blockdiagramm des AD698 mit dem Sensor, hier «Half bridge LVDT» genannt.

Zwei Amplituden müssen genau gemessen werden

Die Anregung erfolgt über beide Spulen, gemessen werden die Anregungsamplitude und die Amplitude über einer der Spulen. Befindet sich der Ferritkern in der Mitte, beträgt die Amplitude A genau 50 % der Gesamtamplitude B. Amplitudenschwankungen bei der Anregung werden durch die Division A/B kompensiert. Andererseits müssen zwei Amplituden genau gemessen werden, und eine analoge Division ist nötig. Vor der Division A/B werden dafür beide Signale synchron gleichgerichtet und mit einem Tiefpass gefiltert.

Die analogen Schaltungen unterliegen grossen Streuungen und Temperaturabhängigkeiten, insbesondere die Generierung von Sinussignalen, die Demodulation und die analoge Division. Mit dem AD698 sind daher Messauflösungen von etwa 12 Bit oder 1 µm möglich. Dies bei hohen Kosten von 20 Dollar pro Chip, ohne Digitalisierung.

ASIC enthält die gesamte Signalkonditionierung

Grundsätzlich sind im neu entwickelten ASIC dieselben Blöcke wie im AD698 enthalten. Das Blockdiagramm des Systems zeigt die Abbildung 5.

Dank einer Taktfrequenz von 8 MHz und der Signalfrequenz von 12 kHz können überabgetastete, hoch auflösende Sigma-­Delta-Wandler eingesetzt werden, was einen kleinen Analogteil zur Folge hat. Der ASIC enthält die gesamte Signalkonditionierung, inklusive Analog-Digital-Wandlung und digitaler Signalverarbeitung, und liefert die Daten in digitaler Form an einen Mikrocontroller (uC).

Der Sigma-Delta-Modulator

Der Sigma-Delta-Modulator unten im Blockdiagramm sorgt mit dem digitalen Sollwert aus dem Block «Sine Generation» für den sogenannten Sigma-Delta-­Bitstream, der nach einem externen Tiefpass-­Filter mit Widerstand und Kondensator die Sinusspannung erzeugt, mit welcher der Sensor angeregt wird. Zur Messung der Spannungsamplitude des Sensors wird das Prinzip umgedreht: Aus der analogen Eingangsspannung wird durch die oberen beiden Sigma-Delta-Modulatoren je ein hoch frequenter Sigma-Delta-Bitstream erzeugt, der sämtliche Informationen des interessierenden Eingangssignals enthält. Der hoch frequente Bitstream wird gefiltert, moduliert und gemittelt, sodass am Ende des Messpfads sowohl Amplitude wie auch die Phase des Eingangssignals mit einer hohen Genauigkeit zur Verfügung stehen. Der «Divider» rechnet das Verhältnis der beiden Amplituden, die vom Mikro­controller ausgelesen und an die Kontroll­einheit übertragen werden können.

Präziser und störungsunempfindlicher als heutige Systeme

Das beschriebene DTN-Mess-System ist einerseits wesentlich präziser und auch störungsunempfindlicher als die heutigen Systeme, es ist andererseits aber auch so klein, dass Mess-Taster mit Elektronik an der Stelle heutiger Mess-Taster ohne Elektronik eingesetzt werden können. Der ASIC wurde in einer 350-nm-Technologie von X-FAB entwickelt. Er ist knapp 4 mm2 gross und enthält 78 000 Transis­toren, wovon über 90 % in der rechten Hälfte des Digitalteis enthalten sind. (Abb. 6)

Projekt von der KTI mitfinanziert

Das Projekt wurde von der KTI mitfinanziert und gestartet mit dem Ziel, in 3 Jahren das Funktionsmuster eines smarten Sensors mit vier Mal besserer Präzision zu ent­wickeln als vergleichbare Systeme. Stand heute ist die Präzision mindestens zehn Mal besser, und auch die anderen Ziele wurden erfüllt oder übertroffen. Das KTI-Projekt wurde im November 2017 abgeschlossen.

Weitere Sensortypensollen nun smart werden

Die beschriebene Elektronik besteht aus dem ASIC, einem Mikrocontroller, einem Treiberbaustein für die Kommunikation via RS485 und einigen passiven Komponenten.

Neben der System-, ASIC-und Elektronik-Entwicklung erfolgten an der HSR auch die Entwicklung von Hard- und Software für den ASIC- und den Modul-Test. Diese Tests und auch die Logistik der Elektronik werden von einer Partnerfirma im Auftrag von Peter Hirt GmbH durchgeführt. Der Zusammenbau der Elektronik-Module mit den Sensoren erfolgt bei der Peter Hirt GmbH. Es ist geplant, in Zukunft auch weitere Kommunikationsstandards anzubieten. So werden momentan an der HSR I/O-Link- und USB-Kommunikationsinterfaces implementiert.

hsr.ch

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