Beim Seismographen ist ein Bauteil fest mit der Erde verbunden, das andere hingegen schwingungsfähig gelagert, am einfachsten an einer Schraubenfeder aufgehängt. Im Idealfall bleibt dann z.B. der Magnet auf Grund seiner Trägheit in Ruhe, während Erschütterungen der Erde direkt an die Spule weitergegeben werden.

Versuch:

Aufbau für einen Sensor, der Erschütterungen der Tischplatte erfasst.

Mögliche Aufgabenstellung: Bau eines Geräts, das Erschütterungen registriert. Schläge auf die Tischplatte, Verschieben des Tisches oder der Aufprall von verschiedenen Gegenständen auf eine Holzplatte sollen erkannt werden. Eine Aufgabe könnte beispielsweise sein, über den Signalverlauf zu identifizieren, welcher Körper aus welchen Höhen gefallen ist.

Das Magnetfeld durch eine Spule hängt davon ab, ob sie vor weichmagnetischem Material eines Rades steht oder vor einer Lücke. Das Eisen bündelt das Magnetfeld, während die Aufstreuung bei einer Lücke größer ist. Die Änderungen bei Drehung des Rades führen zu Spannungsimpulsen.

In der Fahrzeugtechnik sind besondere Vorteile induktiver Sensoren die robuste Bauweise und eine geringe Störungsempfindlichkeit (vor allem gegenüber Temperatureinflüssen). Aller-dings hängt die Spannung des Signals von der Drehzahl ab. Dies ist beim ABS-Sensor spe-ziell bei geringen Drehzahlen nachteilig.

Zündsteuerung

Im Zündverteiler besteht der ruhende Teil (Stator) aus Dauermagneten und Spulen mit Eisenkern, die im Kreis angeordnet sind. Die Spulen sind in Reihe geschaltet.
In der Regel entspricht die Spulenzahl der Anzahl der Zylinder im Motor. Der Rotor sitzt auf der Zünd-verteilerwelle und dreht beim 4-Takt-Motor mit halber Drehzahl der Kurbelwelle.
Mit der Drehung des sternförmigen Rotors ändert sich das Magnetfeld in den Spulen und induziert ein wechselndes Spannungssignal zur Steuerung der Zündung.

Versuche:

Ein Dauermagnet sitzt vor einer Spule mit Weicheisenkern. Das Magnetfeld in der Spule ändert sich, wenn magnetische Materia-lien vor der Anordnung vorbeigeführt werden. Dann wird in der Spule eine Spannung induziert.

Vier Spulen mit Eisenkernen und angesetz-ten Magneten sind in Reihe geschaltet und kreuzförmig angeordnet. Der Rotor ist aus vier Stativstangen und einer Kreuzmuffe zusammengebaut; als Lager dient ein Tonnenfuß.

Hier gibt es verschiedene Verfahren:

Das erste Verfahren arbeitet mit einer Sendespule, die ein magnetisches Wechselfeld erzeugt und einer Empfängerspule, über die Veränderungen des Ausgangsfeldes erfasst werden. Das Wechselfeld verursacht Wirbel-ströme in metallischen Gegenständen, die wiederum das Feld verändern. Das Verfahren wird auch VLF-Verfahren („very low frequency“) genannt. Verwendet werden Frequenzen von ca. 1 – 20 kHz, in Suchgeräten für kleine Goldkörner ("nuggets") 60-70 kHz.

Sensoren nach dem PI-Verfahren („pulse-induction“) kommen dagegen mit einer einzigen Spule aus. Kurze starke Stromstöße werden durch die Spule geschickt. Vor allem der Ausschaltvorgang bewirkt eine große Änderung und einen entsprechenden Spannungsstoß. Aufgrund der lenzschen Regel ist die Flussänderung aber kleiner, wenn Wirbelströme in nahe positionierten metallischen Leitern auftreten.

BFO-Systeme („beat-frequency oscillator“) werten Schwebungsfrequen-zen aus. Die Spulen werden im Radiofrequenzbereich betrieben. Durch Metallstücke hervorgerufene Frequenzunterschiede zwischen Such- und Empfängerspule führen zu Schwebungen im Tonfrequenzbereich.

Versuche:

Der Aufbau ist vom Transformatorprinzip her bekannt.
Metalle verändern das Signal. Damit wird das Sensorprinzip deutlich und kann durch Induktion und Wirbelströme erklärt werden.
Besonders eindrucksvoll kann das Detektorsignal des Metalldetektors mit einer Spule demonstriert werden.

Bei der Untersuchung verschiedener Materialien lassen sich zwei Effekte unterscheiden: Während ein (geblätterter) Transformatorkern den magneti-schen Fluss und damit das Induktionssignal ver-stärkt, führt z. B. ein Kupferrohr aufgrund von Wir-belströmen zu einer Abschwächung. Bei einem Eisenrohr konkurrieren beide Effekte, die Ab-schwächung ist gering.

Das Signal ist nicht immer sinusförmig, wie bei dem oben gezeigten Metalldetektor. Bei einigen Geräten findet man eine gedämpfte Schwingung.

Die linke Spule wird über einen Funktionsgenerator mit Wechselspannung versorgt, die rechte Spule liegt am Oszilloskop. Die Amplitude des Signals ändert sich je nach Kopplungsgrad zwischen den beiden Spulen, der durch die Metallkarosserie beeinflusst werden kann. Ein Eisenkern in den Spulen ist nicht nötig, allerdings sollte dann die Frequenz hoch genug ge-wählt werden; in der gezeigten Versuchsanordnung betrug sie 60 kHz.

Eine Spule steckt über dem mittleren Teil eines E-förmigen Weicheisenkerns. Ein Wechselstrom durch die Spule erzeugt ein magnetisches Wechselfeld. In einem Kurzschlussring (Kupfer oder Aluminium) induziert dies einen Wirbelstrom, der nach der lenzschen Regel ein Gegenfeld erzeugt und so den Strom durch die Spule verändert.

Die Spule ist von einem ferromagnetischen Mantel umgeben. Das Joch reicht nur eine variable Strecke x in das Spuleninnere hin-ein. Mit zunehmender Eintauchtiefe x steigt die Induktivität, die sich, z. B. über die Ver-stimmung eines Schwingkreises, messen lässt.

Die Position des Transformatorkerns ändert den Kopplungsgrad zwischen Primär- und Sekundärspule.

Früher wurden Tachometer verwendet, bei denen durch einen rotierenden Dauermagneten in einer Aluminiumdose Wirbelströme erzeugt wurden. Entsprechend dem lenzschen Gesetz führt dies zu einem Drehmoment auf die Dose, die an eine Spiralfeder gekoppelt ist. Die Verdrillung der Feder ist proportional zur Winkelgeschwindigkeit, mit der sich der Magnet dreht, und lässt sich über einen Zeigerausschlag anzeigen. Heute wird dieses Prinzip u. a. noch bei einigen Windgeschwindigkeitsmessern verwendet.

Modellversuch

Als Dose dient der Alumantel eines Teelichts, der drehbar auf einer Spitze gelagert ist. Die Rotation des Magneten lässt sich z. B. durch Aufhängung an einer verdrillten Schnur erreichen.