SAWs: Eien Innovative Technologie

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Die Firma Sensor Technology ist ein kleines Hi-Tech-Unternehmen, das sich mit der Forschung, Entwicklung und Produktion von Drehmoment-Messwertwandlern unter Verwendung von Akustischer Oberflächenwellen- (SAW) -Technologie, sowie deren Lizenzierung beschäftigt.

Die Firma befindet sich im Privatbesitz der Zwillingsbrüder Anthony und Bryan Lonsdale, sowie Tony Ingham. Sie wurde vor 27 Jahren gegründet und befindet sich in einer hübschen umgebauten Wassermühle in der Nähe von Banbury in Oxfordshire, England.

Seit jeher bestanden die Fertigkeiten des Unternehmens darin, für ihre Kunden maßgeschneiderte Forschung und Entwicklung im Bereich von Magnetometer- und Navigationssystemen, sowie Drehmomentsensoren, durchzuführen. Tatsächlich war es die Arbeit an einem Navigations- und Magnetometersystem im Jahr 1990, bei der Anthony Lonsdale mit den von ihm verwendeten SAW-Geräten Probleme hatte und erkannte, dass er diesen Nachteil in einen Vorteil umwandeln könnte, indem SAWs als Belastungsmesser eingesetzt werden.

Das Unternehmen beschäftigt 23 Mitarbeiter in den Bereichen Forschung & Entwicklung und Produktion, und ist nach ISO 9000 eingetragen.

Kraft seiner Geschäftstätigkeit stammen seine Kunden aus den Bereichen Verteidigung, Luftfahrt, Formel 1 Rennteams, Universitäten, Testorganisationen, diskrete Teilefertigung sowie laufende Verarbeitung.

Die Strategie des Unternehmens besteht darin, seine Patente bezüglich der SAW-Technologie dazu zu verwenden, sich stärker auf Drehmomentsensoren in den Märkten für Instrumentierung und Tests zu konzentrieren, z.B. für das Testen von Motoren, Getrieben und Kugellagern. Bisher war die für die Abfragung von SAWs erforderliche Elektronik kompliziert und umfangreich. Die Einführung der neuen Baureihe RWT310/RWT320 verwendet eine andere Elektronikstrategie und wurde mit dem Schwerpunkt auf niedrige Kosten und OEM-Einsatz entworfen. Hierdurch entsteht der Firma Sensor Technology nicht nur dadurch, dass sie in der Lage sind, einen einfachen Messwertwandler anzubieten, der von OEM-Benutzern begrüßt wird, sondern auch einen fortschrittlichen Messwertwandler mit einer Reihe von benutzerkonfigurierbaren Eigenschaften und einer Vielzahl von Ausgängen, ein einzigartiger Vorteil. Die Einfachheit, Genauigkeit und Kosten, die diese Technologie anbieten kann und die jetzt im neuen Produkt mit eingeschlossen sind, wird vielen neuen Geschäftszweigen, wie z.B. der Pumpen-, Misch- und Automobilbranche zugute kommen. Das jedenfalls hofft Sensor Technology.

SAWs

Akustische Wellengeräte sind nicht neu und werden seit mehr als 60 Jahren kommerziell eingesetzt. Sie wurden in den 70er Jahren für Impulskompressions-Radare, Oszillatoren und Bandpassfilter für Fernseher für den Hausgebrauch und professionellen Rundfunk entwickelt. In den 80er Jahren verursachte die Verbreitung von Mobiltelefonen einen dramatischen Anstieg in der Nachfrage für Filter. Die Telekombranche ist mit über 3 Milliarden SAW Filtern jährlich, die als Bandpassfilter eingesetzt werden, der größte Abnehmer.

Im Jahr 1885 sagte der englische Wissenschaftler Lord Rayleigh voraus, dass solche Wellen bei Erdbeben eine bedeutende Rolle spielten, eine Tatsache, die sehr viel später, in den 20er Jahren, aufgrund der Erfindung von seismografischen Aufzeichnungen bestätigt wurde.

Etwa 45 Jahre später generierten Voltmer und White von der University of California solche Wellen, die gewöhnlich als Akustische Oberflächenwellen (Surface Acoustic Waves oder SAW) oder rayleighsche Wellen bezeichnet werden, auf der freien Oberfläche eines isotropischen, elastischen Substrats – Quarz.

Eine wichtige Eigenschaft einer Akustischen Oberflächenwelle ist, dass die Geschwindigkeit der rayleighschen Welle etwa 10⁵ Mal langsamer als die Geschwindigkeit elektromagnetischer Strahlung in vacuo ist, so dass also bei gleicher Frequenz die Wellenlänge der elastischen Welle um einen Faktor von 10⁵ kleiner als die Wellenlänge der dazugehörigen elektromagnetischen Welle ist. Dieses Ergebnis wirkt sich direkt auf die Geometrie der resultierenden Anzeige aus und ist die Philosophie hinter der Oberflächenwellentechnologie, da die Geräte selbst sehr viel kleiner als ihre elektromagnetischen Gegenstücke sein können.

Ein einfaches SAW-Gerät besteht aus zwei Elektroden, den sogenannten Interdigitaltransducern (IDTs) auf einem piezoelektrischem Substrat, wie z.B. Quarz. Die IDTs bestehen aus kammförmig angeordneten Metallelektroden, die vorgefertigt sind und standardmäßige integrierte Schaltkreistechnologie verwenden, um die Wellen auszusenden und zu empfangen, so dass ein elektrisches Signal in eine akustische Welle und anschließend wieder in ein elektrisches Signal umgewandelt wird. Durch diese Anwendung eines elektrischen Felds entstehen mechanische Belastungen. Umgekehrt kann bei der Anwendung von mechanischer Belastung, wie z.B. aufgrund von Dehnung, ein elektrisches Feld und somit ein Signal generiert werden.

Der Abstand der kammförmigen Metallelektroden bestimmt den Zeitraum der generierten Welle. Eine Belastung ändert den Abstand der interdigitalen Elektroden und somit die Resonanzfrequenz. Sensor Technology verwendet die Frequenzänderung zur Messung der Belastung und somit des Drehmoments.

Die Verwendung eines SAW-Messwertwandlers zur Belastungsmessung hängt von der Wahl eines geeigneten piezoelektrischen Substrats ab, das an dem zu belastenden Material befestigt werden kann.

Es bieten sich eine Menge Anwendungen für akustische Wellengeräte an. Zum Beispiel Drehmoment- und Reifendrucksensoren für Automobilanwendungen, chemische Sensoren für medizinische und Sicherheitsanwendungen, sowie Drehmoment-, Dampf-, Feuchtigkeits-, Temperatur- und Massensensoren für industrielle Anwendungen. Es wird angenommen, dass einige dieser sich entwickelnden Sensoranwendungen eines Tages mit der Nachfrage des Telekom-Marktes gleichziehen werden.

Zur Anwendung des SAW-Elementprinzips auf die Drehmomentmessung werden zwei Geräte in einer Halbbrücke verwendet, analog zur klassischen Widerstandsspannungs-Konfiguration; eins wird so positioniert, dass es die hauptsächliche Druckbelastung spürt, und das andere wird so positioniert, dass es die hauptsächliche Dehnungsbelastung beobachtet.

Die beiden von den SAWs produzierten Frequenzen werden elektronisch miteinander vermischt und resultieren in den Signalen für die Differenz und/oder Summe. Das Differenzsignal misst die induzierte Belastung aufgrund des Torsionsmoments und, da die Materialeigenschaften und zugrundeliegenden Gleichungen bekannt sind, das Drehmoment. Das Summensignal misst die Wellentemperatur.

Die Kopplung der Signale zur und von der Maschinenwelle wird durch eine elektromagnetische Kopplung erreicht. Diese wird in geeigneter Entfernung voneinander getrennt montiert, wobei ein Teil am Wellengehäuse und das andere Teil an der rotierenden Welle befestigt wird, so dass eine eigensichere kontaktfreie Abfrage ermöglicht wird.

Obgleich also Drehmomentmessungen mit anderen Systemen möglich sind, bietet die SAW-Technologie eine kostengünstige und effektive Methode zur Drehmomentmessung.

SAW Entwicklung

Kurz gesagt besteht die Drehmomentmessung mit SAW-Technologie aus drei Komponenten:

• Die eigentlichen SAWs
• Eine Kopplung
• Ein Elektronikpaket

Das Unternehmen hat die Technologie in den letzten 12 Jahren entwickelt. Im Laufe dieser Jahre hat es im Zusammenhang mit dieser Technologie mehrere Patente und erhebliches Know-How gesammelt.

Neues Produkt

Die Einführung des neuen RWT310/RWT320 bietet einen kompakten Messwertwandler, bei dem die Elektronik im Gehäuse integriert ist. Dies wurde durch die Entwicklung der Abtast-Elektronik möglich, die die Vorteile einer größeren Bandbreite bietet.

Der RWT310 wird in mehreren verschiedenen Größen angeboten werden, so dass Drehmomente von 100MNm bis zu 10000Nm und möglicherweise darüber hinaus gemessen werden können, wobei die zu wählende Ausgangsspannung 4-20MA oder 0-20MA beträgt.

Das fortschrittliche Produkt RWT320 bietet standardmäßig:

• Analogausgang
• RS232 -Ausgang
• einen Hochgeschwindigkeits-USB-Ausgang
• Eingebaute Höchstdrehmomentproben, Speicherung und Mittelwertbildung
• Ein Paket für Selbstdiagnosetests
• Zusätzlich besteht die Option einer benutzerseitig wählbaren Ausgangsspannung von 4-20mA oder 0-20mA