Dreiachsige Hall-Sensoren sind klein, robust und günstig – doch für belastbare Absolutmessungen der magnetischen Flussdichte gelten sie als schwierig: Ihr Signal driftet mit der Temperatur, ihre drei Messachsen stehen fertigungsbedingt nicht exakt senkrecht zueinander, und ihre Empfindlichkeit verläuft nicht linear. Im Forschungsvorhaben „M-Gauss" hat die INNOVENT e.V. eine Charakterisierungs- und Kalibriermethodik erarbeitet, die diese Fehlerquellen systematisch erfasst und rechnerisch korrigiert.
Charakterisieren statt schätzen
Kern der Arbeit ist die vollständige messtechnische Vermessung des Sensorverhaltens: In einer dreiachsigen Helmholtz-Anordnung mit temperierbarer Messkammer sowie in einem Elektromagneten mit rückgeführten Referenzsonden wurde das Sensorsignal über Feldstärke und Temperatur (10–40 °C) erfasst. Aus diesen Daten leiteten die Forschenden mehrere Korrekturschritte ab: 3×3-Transformationsmatrizen, die die tatsächliche räumliche Lage der Sensorachsen orthogonalisieren, sowie ein Kompensationsmodell, das die Empfindlichkeitsvariation über Polynome dritten Grades beschreibt.
Weil eine solche Kalibrierung von Hand kaum praktikabel ist, wurde sie in ein automatisiertes Verfahren überführt: Ein Zustandsautomat steuert Kalibrieraufbau und Messtechnik und bestimmt die erforderlichen Kompensationskonstanten selbstständig. In der Validierung erreichte das Verfahren eine Genauigkeit von unter 0,5 Prozent vom Messbereichsendwert über alle drei Achsen.
Übertragbar über den Einzelfall hinaus
Die entwickelte Methodik ist nicht auf einen bestimmten Sensor beschränkt, sondern grundsätzlich auf weitere dreiachsige Hall-Sensoren übertragbar – etwa auf die HallinOne-Sensoren des Fraunhofer-Instituts. Als weiteres Ergebnis konnten die Forschenden messtechnisch zeigen, wo die Grenzen der Hall-Sensorik liegen: Für die Bestimmung magnetischer Momente ist sie nur eingeschränkt geeignet; hier wurde eine alternative, AMR-basierte Herangehensweise charakterisiert.
Die gewonnenen Erkenntnisse fließen bereits in weitere Forschungsvorhaben der Einrichtung ein. Vorgestellt wird die Methodik unter anderem auf der Magsense-Konferenz in Jena.