Titelaufnahme

Titel
Kontaktlose Signalerfassung an magnetoelastischen Biegesensoren mittels Oberwellenmessung / Stefan Traxler
VerfasserTraxler, Stefan
Begutachter / BegutachterinKaniusas, Eugenijus ; Mulasalihović, Edin
Erschienen2008
UmfangVIII, 50 Bl. : Ill., zahlr. graph. Darst.
HochschulschriftWien, Techn. Univ., Dipl.-Arb., 2008
Anmerkung
Zsfassung in engl. Sprache
SpracheDeutsch
DokumenttypDiplomarbeit
Schlagwörter (DE)Oberwellen / Oberschwingung / magnetostriktiv / Bilayer / Kurvation / Sensor / kontaktlos
Schlagwörter (EN)harmonics / magnetostrictiv / bilayer / curvature / sensor / contact less
URNurn:nbn:at:at-ubtuw:1-26998 Persistent Identifier (URN)
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Kontaktlose Signalerfassung an magnetoelastischen Biegesensoren mittels Oberwellenmessung [0.51 mb]
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Zusammenfassung (Deutsch)

Ziel dieser Arbeit ist die Entwicklung einer Methode zur kontaktlosen Signalerfassung von magnetostriktiven Bilayern (BL), dem Grundelement neuartiger Kurvatursensoren. Die BL bestehen aus einem magnetostriktiven Material, dem magnetostriktiven Layer (ML), z.B.

amorphe Stähle mit einer typischen Dicke von 25 m, und einem nichtmagnetischen Counterlayer (CL), z.B. nicht magnetischer Stahl oder Aluminium mit einer typischen Dicke von etwa 75 m. Entstehen bei einem einzelnen gekrümmten ML positive und negative mechanische Spannungen und daher eine vernachlässigbare Empfindlichkeit, so wird durch Verkleben des ML mit einem CL die Empfindlichkeit für Krümmungen sehr hoch. Die resultierende Verspannung des ML ändert seine magnetischen Eigenschaften, deren Erfassung die Biegung des BL wiedergibt.

Bei einer kontaktbehafteten Erfassung des BL-Sensors wird ein Magnetfeld durch eine Spule erzeugt, welches durch den magnetostriktiven Effekt verändert wird. Die resultierende Spannung an der Spule dient als Maß für die Krümmung des Sensors. Dadurch, dass die Magnetfeldeinkopplung von der Spule in den BL prinzipiell berührungslos ist, können diese beiden Komponenten von einander getrennt und somit kontaktlos betrieben werden. Mit dieser Methode lassen sich allerdings nur Distanzen bis zu 30 mm überbrücken. Dünne ML auf größere Distanz (bis zu 1 m) zu erfassen ist im Gebiet des Radio Frequency Iditification (RFID) Stand der Technik. Geht es bei RFID darum digitale Information, im einfachsten Sinne die Anwesenheit, zu übertragen, so muss im Fall der BL- Signalerfassung eine analoge Information, nämlich die der Biegung übertragen werden. Eine Methode des RFIDs hat sich als besonders tauglich erwiesen, bei der der nichtlineare Zusammenhang zwischen induzierter magnetischer Feldstärke und resultierendem magnetischem Fluss des ML ausgenutzt wird. Dabei werden die entstehenden Oberwellen gemessen, deren Amplituden von der Form der Magnetisierungskurve abhängen. Die Form wiederum wird durch den magnetostriktiven Effekt des ML stark beeinflusst. Es besteht also die Möglichkeit von den Amplituden der Oberwellen auf die Krümmung des BL zu schließen. Um die Signalerfassung eines Krümmungssensors auf BL Basis näher zu untersuchen, wurde ein Gerät zur Erfassung der Magnetisierungskurve des BL bei verschiedenen Verbiegungen entwickelt. Die besondere Herausforderung ist in diesem Fall die geringe Dicke des ML. Will man in dem Gerät genug Platz haben, um Verbiegungen vorzunehmen, so ist das Querschnittverhältnis von ML zu Lufteinschluss sehr gering und somit ungünstig. Dies macht eine spezielle Kompensation nötig, mit deren Hilfe gute Ergebnisse erzielt wurden.

Des Weiteren wurde der Zusammenhang von Feldstärke, Verbiegung des BL und Amplituden der zweiten, dritten und fünften Oberwelle der induzierten Spannung für eine Erregerfrequenz von 90 Hz und 6,5 kHz untersucht. Es zeigen sich recht komplexe Zusammenhänge, die optimierende Schritte erlauben.

Um die kontaktlose Signalerfassung an dem Krümmungssensor zu demonstrieren, wurde ein Pflaster entwickelt mit dem es möglich ist Herzschlag und Atmung simultan über eine Distanz von 1 m zu messen.

Dabei wird ein BL von etwa 10 cm Länge mit einem hautverträglichen Klebestreifen am Brustkorb des Probanden befestigt. Die flache Bauweise eines BL kommt dabei voll zur Geltung, da der Proband weniger gestört wird, was besonders während des Schlafmonitorings von Vorteil ist. Mit zwei etwa 50 cm großen Spulen können bei richtiger Lage des BL die Biosignale zur Brustkorbdeformation erfasst werden. Der Abstand der Spulen zueinander beträgt etwa 1 m, was genug Platz für einen Probanden lässt. Ein anderes Anwendungsbeispiel sieht die Messung eines Luftstromes in einem abgeschlossenen Rohr vor. Der BL liegt quer zum Luftfluss und wird von diesem verbogen. Zur Signalerfassung wurden dabei relativ kleine Spulen mit etwa 2 cm Durchmesser verwendet. Bei Rohren aus Kunststoff wurden dabei gute Ergebnisse erzielt, während bei Rohren aus Aluminium und nichtmagnetischen Stahl mit entsprechender Anpassung der Messfrequenz und Erregerfeldstärke die abschirmende Wirkung überwunden werden konnte.

Zusammenfassung (Englisch)

The content of this work is the contact less detection of the properties of magnetostrictive bilayersensors (BL), the basic component of novel curvature sensors. Such a BL is made of two layers of different materials. One is an amorphous steel with a high magnetoelastic effect, i.e. a magnetostrictive layer (ML), with a typical thickness of 25 m and the other is a nonmagnetic steel or aluminum, the so-called counter layer (CL), with a typical thickness of about 75 m. While bending a single ML causes positive and negative mechanical stress within the ML and thus a negligible sensitivity to bending, a combination of the ML and CL, by means of agglutination results in a very high sensitivity for bending. In the later case, the resulting homogeneous stress changes the magnetic properties of the ML, which reflects the curvature of the BL.

Using an in-contact approach, a coil is used to produce a magnetic field that will be changed by the magnetoelastic effect. Thus leads to a change of the voltage at the coil which is used as a measure of the bending. Because the magnetic coupling between the coil and BL is in principle contact less, these two components can be spatially separated.

With this approach detection distances of about 30 mm have been realized. The detection of such thin materials over greater distances (up to 1 m) is the content of Radio Frequency Identification (RFID). In RFID it is often sufficient to detect the pure presence of a RFID-tag. In contrast an analog information has to be read in this work, i.e. the information about the bending of the BL. One approach from RFID proved to be useful, which encompasses a detection of higher harmonics. The nonlinearity of the ML material yields higher harmonics of an applied magnetic field.

The amplitudes of these harmonics depend on the nonlinearity of the magnetization curve of the ML. This curve again is changed through the magnetoelastic effect. It is therefore possible to detect the curvature of the sensor by inspecting the amplitudes of the higher harmonics of an applied magnetic field.

To create a deeper understanding of this method, a special device has been build, which was used to measure the magnetization curve of BL for different bending situations. The challenge here was the extreme thin ML. There has to be enough space to bend the BL, while the ratio of the cross section of the ML and the enclosed air is very low. This makes a special compensation necessary. Good results have been achieved using this compensation.

The dependencies of the amplitudes of the second, third and fifth harmonic of the strength of the magnetic field and curvature has been investigated for excitation frequencies of 90 Hz and 6,5 kHz. The results showed quite complex relations, allowing an optimization of the system.

A practical application was given by a patch for monitoring of cardiac and respiratory activity over a distance of 1 m. A skin compatible adhesive tape has been used to fix a 10 cm long BL on the chest of a test subject. The extreme thin layout of the BL facilitates its use especial for sleep monitoring. Two coils with a diameter of about 0,5 m were used for the detection of the BL bending. Both coils where 1 m apart, leaving enough space for the subject movements.

As another example of an application measurement of airflow within a sealed tube was established. Here the BL is bent by the flowing air. The measurement setup consists of two relative small coils with a diameter of about 2 cm. It was possible to achieve good results using plastic tube walls. Acceptable results have been achieved also for tubes out of shielding materials like aluminum and nonmagnetic steel, with appropriate adjustments of the measurement frequency and the strength of the magnetic field.