Systementwicklung und Optimierung eines hochempfindlichen digitalen Magnetfeldsensors

Hochauflösende mobile Magnetfeldmessungen im unabgeschirmten Erdmagnetfeld stellen hohe Anforderungen an Bandbreite und Dynamikbereich des verwendeten Sensorsystems. Die in Biomedizin und Geoexploration derzeit eingesetzten supraleitenden Quanteninterferometer (DC-SQUID) erreichen eine Auflösung im fT-bereich, müssen jedoch aufgrund ihrer periodischen Kennlinie mit Hilfe einer Flussregelschleife in ihrem Arbeitspunkt gehalten werden, was zu einer Begrenzung der maximalen Feldänderung und damit der erlaubten Bewegungsgeschwindigkeit führt.
Die vorliegende Arbeit beschäftigt sich mit dem alternativen Konzept des Digital-SQUIDs, eines als Flussquantenzähler arbeitenden Magnetfeldsensors, welcher als Delta-Modulator einen theoretisch unbegrenzten Dynamikbereich besitzt. das von Reich/Ortlepp entwickelte Schaltungskonzept wurde in ein selbst entwickeltes Messsystem eingebettet unter Zuhilfenahme von Ansätzen aus Systemtheorie und Signalverarbeitung evaluiert. Der Schwerpunkt wurde hierbei auf die Analyse und Optimierung von Linearität und Dynamikbereich unter Berücksichtigung von Rauscheinflüssen und Nichtlinearitäten gelegt. Die Ursachen für die praktische Begrenzung von Auflösung und Dynamikbereich wurden abgeleitet. Des Weiteren wurden die Einflussparameter auf diese Kenngrößen sowie ihre komplexen Wirkzusammenhänge identifiziert und Schlussfolgerungen unter den gegebenen technologischen Rahmenbedingungen gezogen. Der umfangreiche experimentelle Teil der Arbeit bestätigt die erarbeitete Theorie.
Aus den gewonnene Erkenntnissen wurden Entwurfsregeln abgeleitet, welche zur Optimierung des Systems hinsichtlich der geforderten Kenngrößen führen. Darüber hinaus wurden Maßnahmen aufgezeigt und diskutiert, welche für einen Einsatz des Systems im unabgeschirmten Erdmagnetfeld erforderlich sind. Erste Maßnahmen wurden in einem neuen Entwurf bereits implementiert.
Das Ergebnis der Arbeit ist ein wichtiger Beitrag zur Überführung des vorliegenden Schaltungskonzepts in ein praktisches hochauflösendes Messsystem zum mobilen Einsatz im Freifeld.