TECHNISCHES GEBIETTECHNICAL AREA
Verschiedene Beispiele betreffen eine Vorrichtung, die einen Lichtleiter, eine Membran mit einer Membranfläche und einen zwischen der Membranfläche und einer Substratfläche ausgebildeten optischen Resonator umfasst. Die Vorrichtung umfasst auch einen Magneten, der auf der Membran angeordnet ist. Weitere Beispiele betreffen ein Verfahren, welches das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage mit mindestens einem Rotorblatt umfasst. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators.Various examples relate to a device comprising an optical fiber, a membrane having a membrane surface, and an optical resonator formed between the membrane surface and a substrate surface. The device also includes a magnet disposed on the membrane. Further examples relate to a method which comprises measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind turbine with at least one rotor blade. The method also includes controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator.
HINTERGRUNDBACKGROUND
Es sind verschiedene Magnetfeldsensoren bekannt. Zum Beispiel sind Magnetfeldsensoren bekannt, welche basierend auf dem Hall-Effekt oder einem xMR-Effekt, wie beispielsweise TMR, AMR oder GMR basieren. Bei solchen Magnetfeldsensoren wird der Magnetfeldsensor elektrisch ausgelesen.Various magnetic field sensors are known. For example, magnetic field sensors are known which are based on the Hall effect or an xMR effect, such as TMR, AMR or GMR. In such magnetic field sensors, the magnetic field sensor is read out electrically.
Jedoch weisen solche Magnetfeldsensoren bestimmte Nachteile und Einschränkungen auf. Zum Beispiel kann es aufgrund des elektrischen Auslesens der Sensoreinheit möglich sein, dass Magnetfelder am Ort der Sensoreinheit in den elektrischen Zuleitungen und/oder in der elektrischen Schaltung der Sensoreinheit ungewünschte Störeffekte hervorrufen. Beispielsweise können Wirbelströme auftreten. Solche Störeffekte können beispielsweise die Messgenauigkeit der Magnetfeldsensoren beeinträchtigen.However, such magnetic field sensors have certain disadvantages and limitations. For example, due to the electrical readout of the sensor unit, it may be possible for magnetic fields at the location of the sensor unit in the electrical supply lines and / or in the electrical circuit of the sensor unit to produce undesired interference effects. For example, eddy currents can occur. Such disturbing effects can, for example, impair the measuring accuracy of the magnetic field sensors.
Beispielsweise ist aus CN101852840 A ein Fabry-Perot basierter Magnetfeldsensor bekannt. Ein solcher Magnetfeldsensor weist den Nachteil auf, dass die Befestigung des Lichtleiters im Bereich des Resonators wenig robust ist. Dadurch kann es zu Störeinflüssen aufgrund der Bewegung des Lichtleiters kommen.For example, it is off CN101852840 A a Fabry-Perot based magnetic field sensor known. Such a magnetic field sensor has the disadvantage that the attachment of the light guide in the region of the resonator is not very robust. This can lead to interference due to the movement of the light guide.
ZUSAMMENFASSUNGSUMMARY
Deshalb besteht ein Bedarf für verbesserte Techniken zum Bestimmen eines Magnetfelds. Insbesondere besteht ein Bedarf für Techniken, welche die oben genannten Nachteile beheben oder lindern.Therefore, there is a need for improved techniques for determining a magnetic field. In particular, there is a need for techniques which overcome or alleviate the above disadvantages.
Diese Aufgabe wird von den Merkmalen der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Die abhängigen Patentansprüche definieren Ausführungsformen.This object is solved by the features of the independent claims. The dependent claims define embodiments.
In einem Beispiel umfasst eine Vorrichtung einen Lichtleiter. Der Lichtleiter weist ein Ende auf. Die Vorrichtung umfasst auch eine Membran mit einer Membranfläche. Die Vorrichtung umfasst auch einen optischen Resonator. Der optische Resonator ist zwischen der Membranfläche und einer Substratfläche ausgebildet. Die Vorrichtung umfasst auch eine Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um aus dem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung in Richtung des optischen Resonators umzulenken. Die Vorrichtung umfasst auch einen Magneten. Der Magnet ist auf der Membran angeordnet.In one example, an apparatus includes a light pipe. The light guide has an end. The device also includes a membrane with a membrane surface. The device also includes an optical resonator. The optical resonator is formed between the membrane surface and a substrate surface. The device also comprises a deflection unit. The deflecting unit is set up in order to deflect primary radiation emerging from the end of the optical waveguide in the direction of the optical resonator. The device also includes a magnet. The magnet is arranged on the membrane.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Einstrahlen einer Primärstrahlung in einen optischen Resonator. Das Einstrahlen der Primärstrahlung erfolgt mittels eines Lichtleiters und mittels einer Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit lenkt aus dem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung um. Der Resonator ist zwischen einer Membranfläche einer Membran und einer Substratfläche ausgebildet. Ein Magnet ist auf der Membran angeordnet.In one example, a method includes irradiating a primary radiation into an optical resonator. The irradiation of the primary radiation by means of a light guide and by means of a deflection. The deflection unit redirects primary radiation emerging from the end of the light guide. The resonator is formed between a membrane surface of a membrane and a substrate surface. A magnet is arranged on the membrane.
In einem Beispiel umfasst ein Verfahren das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage. Die Windkraftanlage weist mindestens ein Rotorblatt auf. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators in Abhängigkeit des Messens.In one example, a method includes measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind turbine. The wind turbine has at least one rotor blade. The method also includes controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator as a function of the measurement.
In einem Beispiel umfasst ein Computerprogramm Programm-Code, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Ausführen des Programm-Codes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage. Die Windkraftanlage weist mindestens ein Rotorblatt auf. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators in Abhängigkeit des Messens.In one example, a computer program includes program code that may be executed by at least one processor. Executing the program code causes the at least one processor to perform a method. The method comprises measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind turbine. The wind turbine has at least one rotor blade. The method also includes controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator as a function of the measurement.
In einem Beispiel umfasst ein Computerprogrammprodukt Programm-Code, der von mindestens einem Prozessor ausgeführt werden kann. Ausführen des Programm-Codes bewirkt, dass der mindestens eine Prozessor ein Verfahren ausführt. Das Verfahren umfasst das Messen eines Magnetfelds im Bereich eines Generators einer Windkraftanlage. Die Windkraftanlage weist mindestens ein Rotorblatt auf. Das Verfahren umfasst auch das Steuern eines Betriebsparameters des mindestens einen Rotorblatts und/oder des Generators in Abhängigkeit des Messens.In one example, a computer program product includes program code that may be executed by at least one processor. Executing the program code causes the at least one processor to perform a method. The method comprises measuring a magnetic field in the region of a generator of a wind turbine. The wind turbine has at least one rotor blade. The method also includes controlling an operating parameter of the at least one rotor blade and / or the generator as a function of the measurement.
Die oben dargelegten Merkmale und Merkmale, die nachfolgend beschrieben werden, können nicht nur in den entsprechenden explizit dargelegten Kombinationen verwendet werden, sondern auch in weiteren Kombinationen oder isoliert, ohne den Schutzumfang der vorliegenden Erfindung zu verlassen. The features and features set out above, which are described below, can not only be used in the corresponding combinations explicitly stated, but also in other combinations or isolated, without the To leave the scope of protection of the present invention.
KURZE BESCHREIBUNG DER FIGURENBRIEF DESCRIPTION OF THE FIGURES
1 illustriert schematisch eine Vorrichtung gemäß verschiedener Ausführungsformen, die eine Lichtquelle, einen Magnetfeldsensor und einen Detektor umfasst. 1 schematically illustrates a device according to various embodiments, comprising a light source, a magnetic field sensor and a detector.
2 illustriert schematisch den Magnetfeldsensor gemäß verschiedener Ausführungsformen, wobei der Magnetfeldsensor eine Membran und einen auf der Membran angeordneten Magneten umfasst. 2 schematically illustrates the magnetic field sensor according to various embodiments, wherein the magnetic field sensor comprises a membrane and a magnet arranged on the membrane.
3 illustriert schematisch eine Auslenkung der Membran des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen. 3 schematically illustrates a deflection of the diaphragm of the magnetic field sensor according to various embodiments.
4 illustriert schematisch die Spektralbreite der Lichtquelle, ein Interferenzspektrum eines durch eine Membranfläche der Membran begrenzten optischen Resonators des Magnetfeldsensors, sowie die Filterkurve eines Kantenfilters des Detektors gemäß verschiedener Ausführungsformen. 4 schematically illustrates the spectral width of the light source, an interference spectrum of an optical resonator of the magnetic field sensor bounded by a membrane surface of the membrane, as well as the filter curve of an edge filter of the detector according to various embodiments.
5 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen. 5 schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
6 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen. 6 schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
7 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen. 7 schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
8 illustriert schematisch die Anordnung des Magneten auf der Membran gemäß verschiedener Ausführungsformen. 8th schematically illustrates the arrangement of the magnet on the membrane according to various embodiments.
9 illustriert schematisch eine Fluidverbindung zwischen einem durch eine Membranfläche der Membran begrenzten optischen Resonator und einer Umgebung des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen. 9 schematically illustrates a fluid connection between an optical resonator defined by a membrane surface of the membrane and an environment of the magnetic field sensor according to various embodiments.
10 ist eine schematische Perspektivansicht des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen. 10 FIG. 12 is a schematic perspective view of the magnetic field sensor according to various embodiments. FIG.
11 ist eine schematische Perspektivansicht des Magnetfeldsensors gemäß verschiedener Ausführungsformen. 11 FIG. 12 is a schematic perspective view of the magnetic field sensor according to various embodiments. FIG.
12 illustriert schematisch eine Windkraftanlage mit mindestens einem Rotorblatt und einem Generator gemäß verschiedener Ausführungsformen. 12 schematically illustrates a wind turbine with at least one rotor blade and a generator according to various embodiments.
13 illustriert schematisch den Generator der Windkraftanlage, gemäß verschiedener Ausführungsformen in Bezug auf welchen der Magnetfeldsensor angeordnet ist. 13 schematically illustrates the generator of the wind turbine, according to various embodiments with respect to which the magnetic field sensor is arranged.
14 illustriert schematisch den Zeitverlauf des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors in einer Anordnung im Generator der Windkraftanlage gemäß verschiedener Ausführungsformen. 14 schematically illustrates the time course of the magnetic field at the location of the magnetic field sensor in an arrangement in the generator of the wind turbine according to various embodiments.
15 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen. 15 FIG. 10 is a flowchart of a method according to various embodiments. FIG.
16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Ausführungsformen. 16 FIG. 10 is a flowchart of a method according to various embodiments. FIG.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG VON AUSFÜHRUNGSFORMENDETAILED DESCRIPTION OF EMBODIMENTS
Die oben beschriebenen Eigenschaften, Merkmale und Vorteile dieser Erfindung sowie die Art und Weise, wie diese erreicht werden, werden klarer und deutlicher verständlich im Zusammenhang mit der folgenden Beschreibung der Ausführungsbeispiele, die im Zusammenhang mit den Zeichnungen näher erläutert werden.The above-described characteristics, features, and advantages of this invention, as well as the manner in which they will be achieved, will become clearer and more clearly understood in connection with the following description of the embodiments, which will be described in detail in conjunction with the drawings.
Nachfolgend wird die vorliegende Erfindung anhand bevorzugter Ausführungsformen unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In den Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche oder ähnliche Elemente. Die Figuren sind schematische Repräsentationen verschiedener Ausführungsformen der Erfindung. In den Figuren dargestellte Elemente sind nicht notwendigerweise maßstabsgetreu dargestellt. Vielmehr sind die verschiedenen in den Figuren dargestellten Elemente derart wiedergegeben, dass ihre Funktion und genereller Zweck dem Fachmann verständlich wird. In den Figuren dargestellte Verbindungen und Kopplungen zwischen funktionellen Einheiten und Elementen können auch als indirekte Verbindung oder Kopplung implementiert werden. Eine Verbindung oder Kopplung kann drahtgebunden oder drahtlos implementiert sein. Funktionale Einheiten können als Hardware, Software oder eine Kombination aus Hardware und Software implementiert werden.Hereinafter, the present invention will be described with reference to preferred embodiments with reference to the drawings. In the figures, like reference characters designate the same or similar elements. The figures are schematic representations of various embodiments of the invention. Elements shown in the figures are not necessarily drawn to scale. Rather, the various elements shown in the figures are reproduced in such a way that their function and general purpose will be understood by those skilled in the art. Connections and couplings between functional units and elements illustrated in the figures may also be implemented as an indirect connection or coupling. A connection or coupling may be implemented by wire or wireless. Functional units can be implemented as hardware, software or a combination of hardware and software.
Nachfolgend werden Techniken in Bezug auf einen optischen Resonator beschrieben. Der optische Resonator kann zwischen zwei begrenzenden Flächen ausgebildet sein, die einen Reflektionsgrad aufweisen. Dann wird in den Resonator eintretende Primärstrahlung zwischen den Flächen mehrfach reflektiert, bevor sie als Sekundärstrahlung aus dem optischen Resonator austritt. Innerhalb des Resonators werden bestimmte Moden der Strahlung resonant unterstützt. In verschiedenen Beispielen ist der optische Resonator ein Stehwellenresonator, bei dem die Resonanzfrequenzen gegeben sind durch c/2L, wobei c die Lichtgeschwindigkeit bezeichnet und L den Abstand zwischen den den Resonator begrenzenden Flächen. Zum Beispiel kann mittels des Fabry-Perot-Prinzips ein Interferenzspektrum des Resonators ausgewertet werden und dadurch auf die Abmessung des optischen Resonators zurückgeschlossen werden.Hereinafter, techniques related to an optical resonator will be described. The optical resonator may be formed between two bounding surfaces having a reflectance. Then, primary radiation entering the resonator is multiply reflected between the surfaces before it emerges as secondary radiation from the optical resonator. Within the resonator are certain modes of radiation resonantly supported. In various examples, the optical resonator is a standing wave resonator in which the resonance frequencies are given by c / 2L, where c denotes the speed of light and L the distance between the surfaces bounding the resonator. For example, by means of the Fabry-Perot principle, an interference spectrum of the resonator can be evaluated, thereby deducing the dimension of the optical resonator.
Der optische Resonator ist in verschiedenen Beispielen durch eine Membranfläche eine Membran begrenzt. Die Membran kann eine gewisse Elastizität aufweisen, so dass die Membranfläche durch Krafteinwirkung ausgelenkt werden kann und die Abmessung L des optischen Resonators derart verändern kann. Zum Beispiel kann die Membran die Elastizität aufgrund einer vergleichsweise geringen Materialdicke aufweisen. Alternativ oder zusätzlich kann das Material der Membran elastisch sein. In verschiedenen Beispielen ist die Dicke der Membran nicht größer als 100 µm, optional nicht größer als 50 µm, weiter optional nicht größer als 10 µm. Die Membran könnte z.B. aus Glas, Kunststoff, Silizium etc. gefertigt sein.The optical resonator is limited in various examples by a membrane surface a membrane. The membrane may have a certain elasticity, so that the membrane surface can be deflected by the action of force and can change the dimension L of the optical resonator in such a way. For example, the membrane may have the elasticity due to a comparatively small material thickness. Alternatively or additionally, the material of the membrane may be elastic. In various examples, the thickness of the membrane is not greater than 100 microns, optionally not greater than 50 microns, further optionally not greater than 10 microns. The membrane could e.g. made of glass, plastic, silicon, etc.
Dann kann das Interferenzspektrum des Resonators eine Abhängigkeit von der Auslenkung der Membran aufweisen. Eine auf die Membran wirkende Kraft kann dadurch basierend auf dem Interferenzspektrum des Resonators gemessen werden. Insbesondere kann die Sekundärstrahlung indikativ für das Interferenzspektrum des Resonators sein. Deshalb kann die Sekundärstrahlung dazu verwendet werden, um die auf die Membran wirkende Kraft bzw. die Auslenkung der Membran zu bestimmen.Then the interference spectrum of the resonator can have a dependence on the deflection of the membrane. A force acting on the membrane can thereby be measured based on the interference spectrum of the resonator. In particular, the secondary radiation may be indicative of the interference spectrum of the resonator. Therefore, the secondary radiation can be used to determine the force acting on the membrane or the deflection of the membrane.
In verschiedenen Beispielen werden nachfolgend Techniken in Bezug auf das Bestimmen eines Magnetfelds beschrieben. Dies bedeutet, dass nachfolgend in verschiedenen Beispielen Techniken in Bezug auf einen Magnetfeldsensor beschrieben werden. Der Magnetfeldsensor kann eingerichtet sein, um ein Sensorsignal bereitzustellen, welches indikativ für die Amplitude eines Mess-Magnetfelds ist. Alternativ oder zusätzlich kann der Magnetfeldsensor eingerichtet sein, um ein Sensorsignal bereitzustellen, welches indikativ für die Orientierung des Mess-Magnetfelds ist.In various examples, techniques for determining a magnetic field will be described below. That is, techniques in terms of a magnetic field sensor will be described below in various examples. The magnetic field sensor may be configured to provide a sensor signal indicative of the amplitude of a measurement magnetic field. Alternatively or additionally, the magnetic field sensor can be set up to provide a sensor signal which is indicative of the orientation of the measuring magnetic field.
In verschiedenen Beispielen stellt der Magnetfeldsensor ein optisches Sensorsignal bereit, welches indikativ für die Amplitude des Mess-Magnetfelds und/oder die Orientierung des Mess-Magnetfelds ist. Zum Beispiel kann der Magnetfeldsensor durch den optischen Resonator, wie obenstehend beschrieben, implementiert werden. Dabei kann ein Magnet auf der Membran angeordnet sein. In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann der Magnet z.B. als Dünnschnicht-Magnet oder Bulk-Magnet ausgebildet sein. Es können ferro-, dia-, oder paramagnetische Materialien verwendet werden. In various examples, the magnetic field sensor provides an optical sensor signal which is indicative of the amplitude of the measurement magnetic field and / or the orientation of the measurement magnetic field. For example, the magnetic field sensor may be implemented by the optical resonator as described above. In this case, a magnet can be arranged on the membrane. In the various examples described herein, the magnet may be e.g. be designed as Dünnschnicht magnet or bulk magnet. Ferro, dia, or paramagnetic materials can be used.
Die Wechselwirkung zwischen der Magnetisierung des Magneten mit dem Mess-Magnetfeld bewirkt eine Kraft auf den Magneten; diese Kraft kann auf die Membran übertragen werden und dadurch das Interferenzspektrum des optischen Resonators verändert werden. Deshalb kann die vom optischen Resonator reflektierte Sekundärstrahlung indikativ für das Mess-Magnetfeld sein.The interaction between the magnetization of the magnet and the measuring magnetic field causes a force on the magnet; this force can be transmitted to the membrane, thereby changing the interference spectrum of the optical resonator. Therefore, the secondary radiation reflected by the optical resonator may be indicative of the measuring magnetic field.
Der optoelektronische Wandler bzw. der Detektor kann beabstandet von dem Magnetfeldsensor angeordnet sein. Zum Beispiel kann der Detektor in einem Bereich angeordnet sein, in dem das Mess-Magnetfeld keine signifikante Amplitude mehr aufweist, z.B. eine Amplitude < 100 mT, optional < 10 mT, weiter optional < 1 mT. Zum Beispiel kann der Detektor in einem Bereich angeordnet sein, in dem auch weitere Magnetfelder, die am Ort des Magnetfeldsensors vorherrschen, keine signifikante Amplitude mehr aufweisen, z.B. eine Amplitude < 100 mT, optional < 10 mT, weiter optional < 1 mT. Die Sekundärstrahlung kann als das Sensorsignal von dem Magnetfeldsensor zum Detektor mittels eines Lichtleiters übertragen werden. Entsprechend wäre es möglich, dass eine Lichtquelle zum Erzeugen der Primärstrahlung beabstandet vom Magnetfeldsensor angeordnet ist. Die Primärstrahlung kann von der Lichtquelle zum Magnetfeldsensor mittels des Lichtleiters oder mittels eines weiteren Lichtleiters übertragen werden.The optoelectronic transducer or the detector can be arranged at a distance from the magnetic field sensor. For example, the detector may be disposed in a region where the measuring magnetic field no longer has a significant amplitude, e.g. an amplitude <100 mT, optionally <10 mT, further optional <1 mT. For example, the detector may be disposed in a region in which other magnetic fields prevailing at the location of the magnetic field sensor no longer have a significant amplitude, e.g. an amplitude <100 mT, optionally <10 mT, further optional <1 mT. The secondary radiation can be transmitted as the sensor signal from the magnetic field sensor to the detector by means of a light guide. Accordingly, it would be possible for a light source to generate the primary radiation to be arranged at a distance from the magnetic field sensor. The primary radiation can be transmitted from the light source to the magnetic field sensor by means of the light guide or by means of a further light guide.
Durch solche Techniken kann erreicht werden, dass eine besonders genaue Bestimmung des Mess-Magnetfelds, z.B. auch in Anwesenheit starker zeitveränderlicher Magnetfelder, möglich ist. Insbesondere kann erreicht werden, dass der Magnetfeldsensor ohne elektrische und oder elektronische Bauteile implementiert werden kann. Dadurch können Störeffekte, wie beispielsweise Wirbelströme, welche das Sensorsignal des Magnetfeldsensors beeinträchtigen könnten, vermieden. Der Magnetfeldsensor kann optisch implementiert werden.By such techniques it can be achieved that a particularly accurate determination of the measuring magnetic field, e.g. even in the presence of strong time-varying magnetic fields, is possible. In particular, it can be achieved that the magnetic field sensor can be implemented without electrical and / or electronic components. As a result, interference effects, such as eddy currents, which could affect the sensor signal of the magnetic field sensor avoided. The magnetic field sensor can be optically implemented.
In manchen Beispielen umfasst eine Vorrichtung eine Umlenkeinheit. Die Umlenkeinheit ist eingerichtet, um aus dem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung in Richtung des optischen Resonators umzulenken. Die Umlenkeinheit kann alternativ oder zusätzlich eingerichtet sein, um vom optischen Resonator reflektierte Sekundärstrahlung umzulenken. Die Umlenkeinheit kann z.B. einen Umlenkwinkel von > 45° implementieren.In some examples, a device includes a diverter unit. The deflecting unit is set up in order to deflect primary radiation emerging from the end of the optical waveguide in the direction of the optical resonator. The deflection unit may alternatively or additionally be set up in order to divert secondary radiation reflected by the optical resonator. The deflection unit may e.g. Implement a deflection angle of> 45 °.
Durch die Umlenkeinheit kann eine besonders flexible Positionierung des Lichtleiters in Bezug auf die Membran und/ein Substrat, auf welchem die Membran angeordnet ist, erreicht werden. Insbesondere kann es möglich sein, dass der Lichtleiter zum Beispiel parallel zu einer Rückseite des Substrats angeordnet ist. Dadurch kann eine besonders stabile Kopplung zwischen dem Lichtleiter und dem Substrat erfolgen. Dadurch kann die Robustheit des Magnetfeldsensors erhöht werden.By the deflection unit, a particularly flexible positioning of the light guide with respect to the membrane and / or a substrate on which the Membrane is arranged can be achieved. In particular, it may be possible for the light guide to be arranged, for example, parallel to a rear side of the substrate. As a result, a particularly stable coupling between the light guide and the substrate can take place. As a result, the robustness of the magnetic field sensor can be increased.
In den verschiedenen Beispielen, die hierin beschrieben werden, könnte die Umlenkeinheit auf verschiedene Arten und Weisen implementiert werden. Beispiele umfassen: einen Spiegel, eine Gradientenindex-Linse, ein Prisma, eine Kugellinse, eine Linse, eine Sammellinse, eine Streulinse, etc. Die Umlenkeinheit kann insbesondere Kombinationen der vorab genannten Elemente aufweisen.In the various examples described herein, the redirector could be implemented in a variety of ways. Examples include: a mirror, a gradient index lens, a prism, a ball lens, a lens, a condenser lens, a diffuser, etc. The diverter unit may in particular comprise combinations of the aforementioned elements.
In den verschiedenen Beispielen, die hierin beschrieben werden, können unterschiedliche Lichtleiter verwendet werden. Zum Beispiel können Einmoden-Lichtleiter (engl. single mode) oder Mehrmoden-Lichtleiter (engl. multi mode) verwendet werden. Beispielsweise kann der Lichtleiter ein oder mehrere der folgenden Elemente umfassen: eine Glasfaser, eine optische Faser, und/oder einen Polymerleiter. Es können Materialien wie optische Polymere, Polymethylmethacrylat, Polycarbonat, Quarzglas, und/oder Ethylen-Tetrafluorethylen verwendet werden. Solche Materialen können gegebenenfalls dotiert sein. Insbesondere kann die optische Faser als Singlemode-Faser, zum Beispiel eine SMF-28 Faser ausgebildet sein. Hierbei bezeichnet der Ausdruck “SMF-Faser” einen speziellen Typ einer Standard Singlemode-Faser.In the various examples described herein, different light guides may be used. For example, single-mode or multi-mode optical fibers may be used. For example, the optical fiber may include one or more of the following: a glass fiber, an optical fiber, and / or a polymer conductor. Materials such as optical polymers, polymethylmethacrylate, polycarbonate, quartz glass, and / or ethylene-tetrafluoroethylene may be used. Such materials may optionally be doped. In particular, the optical fiber may be formed as a singlemode fiber, for example an SMF-28 fiber. Here, the term "SMF fiber" refers to a specific type of standard singlemode fiber.
1 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Vorrichtung 100 gemäß verschiedener Beispiele. Die Vorrichtung 100 umfasst einen Magnetfeldsensor 101. Der Magnetfeldsensor 101 wird über einen Lichtleiter 131 angesteuert. Über den Lichtleiter 131 kann insbesondere Primärstrahlung 138 zu dem Magnetfeldsensor 101 geleitet werden und es kann Sekundärstrahlung 139 als Sensorsignal von dem Magnetfeldsensor 101 empfangen werden. 1 illustrates aspects relating to a device 100 according to various examples. The device 100 includes a magnetic field sensor 101 , The magnetic field sensor 101 is over a light guide 131 driven. Over the light guide 131 can in particular primary radiation 138 to the magnetic field sensor 101 and it can be secondary radiation 139 as a sensor signal from the magnetic field sensor 101 be received.
Die Primärstrahlung 138 wird dabei durch eine Lichtquelle 105 erzeugt. Über einen Multiplexer 103 wird die Primärstrahlung 138 in den Lichtleiter 131 eingespeist. Die Sekundärstrahlung 139 wird von einem Detektor 106 detektiert, nachdem sie den Multiplexer 103 durchlaufen hat. Der Detektor 106 ist ein optoelektronische Wandler. Dies bedeutet, dass der Detektor 106 eingerichtet ist, um ein elektrisches Messsignal 180 auszugeben. Das Messsignal 180 ist indikativ für die Größe eines Mess-Magnetfelds 181 am Ort des Magnetfeldsensors 101. In dem Beispiel der 1 ist das Messsignal 180 ein digitales Signal. In anderen Beispielen wäre es möglich, dass das Messsignal 180 ein analoges Signal ist.The primary radiation 138 is thereby by a light source 105 generated. Via a multiplexer 103 becomes the primary radiation 138 in the light guide 131 fed. The secondary radiation 139 is from a detector 106 detected after being the multiplexer 103 has gone through. The detector 106 is an opto-electronic converter. This means that the detector 106 is set up to receive an electrical measurement signal 180 issue. The measuring signal 180 is indicative of the size of a measuring magnetic field 181 at the location of the magnetic field sensor 101 , In the example of 1 is the measurement signal 180 a digital signal. In other examples, it would be possible for the measurement signal 180 is an analog signal.
In dem Beispiel der 1 wird das Messsignal 180 an eine Steuerung 107 übergeben. Durch die Steuerung können z.B. bestimmte Elemente gesteuert werden, welche das Mess-Magnetfeld 181 beeinflussen. Z.B. könnte derart ein Regelkreis implementiert werden. In anderen Beispielen könnte das Messsignal 180 auch an andere Einheiten übergeben werden. Zum Beispiel könnte das Messsignal 180 an einen Speicher übergeben werden und in dem Speicher – beispielsweise zusammen mit einem Zeitstempel – abgespeichert werden (in 1 nicht dargestellt). Es wäre auch möglich, dass das Messsignal 180 über eine Benutzerschnittstelle an einen Benutzer ausgegeben wird (in 1 nicht dargestellt).In the example of 1 becomes the measuring signal 180 to a controller 107 to hand over. For example, certain elements which control the measuring magnetic field can be controlled by the control 181 influence. For example, such a loop could be implemented. In other examples, the measurement signal could 180 can also be transferred to other units. For example, the measurement signal 180 be transferred to a memory and stored in the memory - for example, together with a time stamp - (in 1 not shown). It would also be possible for the measurement signal 180 is output to a user via a user interface (in 1 not shown).
In dem Beispiel der 1 ist lediglich ein einzelner Magnetfeldsensor 101 über einen einzelnen Lichtleiter 131 mit der Lichtquelle 105 und dem Detektor 106 verbunden. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass mehrere Magnetfeldsensoren über den Multiplexer 103 mit der Lichtquelle 105 und dem Detektor 106 verbunden sind. Um zwischen den verschiedenen Magnetfeldsensoren zu unterscheiden könnten dann zum Beispiel Techniken des Frequenz-Multiplexen und/oder des Zeit-Multiplexen eingesetzt werden. Z.B. könnte durch eine Kombination mehrerer Magnetfeldsensoren das Mess-Magnetfeld besonders genau vermessen werden und/oder mehrere Mess-Magnetfelder an unterschiedlichen Orten bestimmt werden. Es wäre auch möglich, dass über den Multiplexer 103 weitere optische Sensoren – z.B. Dehnungssensoren, Drehmomentsensoren, Beschleunigungssensoren, etc. – angesteuert werden.In the example of 1 is just a single magnetic field sensor 101 over a single optical fiber 131 with the light source 105 and the detector 106 connected. In other examples, it would also be possible to have multiple magnetic field sensors via the multiplexer 103 with the light source 105 and the detector 106 are connected. For example, to distinguish between the various magnetic field sensors, techniques of frequency multiplexing and / or time multiplexing could then be used. For example, by a combination of a plurality of magnetic field sensors, the measuring magnetic field could be measured particularly accurately and / or a plurality of measuring magnetic fields could be determined at different locations. It would also be possible for that via the multiplexer 103 other optical sensors - eg strain sensors, torque sensors, acceleration sensors, etc. - are controlled.
Verschiedenen Beispielen liegt die Erkenntnis zugrunde, dass durch eine getrennte Anordnung von elektronischen Bauteilen – wie beispielsweise die Lichtquelle 105 und den Detektor 106 – von dem Magnetfeldsensor 101 eine besonders genaue Messung des Mess-Magnetfelds 181 möglich sein kann. Insbesondere kann ein Einfluss des Mess-Magnetfelds 181 auf die elektronischen Bauteile reduziert werden. Insbesondere für Fälle in welchen das Mess-Magnetfeld 181 und/oder ein weiteres Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors 101 eine Zeitabhängigkeit aufweisen, kann es erstrebenswert sein, eine solche bauliche Trennung zwischen dem Magnetfeldsensor 101 und den elektronischen Bauteilen zu implementieren, um z.B. Wirbelstrom-Störeffekte zu vermeiden.Various examples are based on the knowledge that by a separate arrangement of electronic components - such as the light source 105 and the detector 106 - from the magnetic field sensor 101 a particularly accurate measurement of the measuring magnetic field 181 may be possible. In particular, an influence of the measuring magnetic field 181 be reduced to the electronic components. Especially for cases in which the measuring magnetic field 181 and / or another magnetic field at the location of the magnetic field sensor 101 have a time dependence, it may be desirable, such a structural separation between the magnetic field sensor 101 and to implement the electronic components, for example, to avoid eddy current disturbing effects.
Zum Beispiel könnte der Lichtleiter 131 zwischen dem Multiplexer 103 und dem Magnetfeldsensor 101 eine Länge aufweisen, die nicht kleiner als 1 m ist, optional nicht kleiner als 10 m, weiter optional nicht kleiner als 20 m ist. Derart kann erreicht werden, dass die Amplitude des Mess-Magnetfelds 181 und/oder eines weiteren Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 101 im Bereich der Lichtquelle 105 und des Detektors 106 besonders gering ist bzw. nicht mehr signifikant ist. Eine nicht-signifikante Amplitude kann bedeuten, dass keine signifikanten Störeffekte auftreten.For example, the light guide could 131 between the multiplexer 103 and the magnetic field sensor 101 have a length not smaller than 1 m, optionally not smaller than 10 m, further optional not smaller than 20 m. In this way it can be achieved that the amplitude of the measuring magnetic field 181 and / or another magnetic field at the location of the magnetic field sensor 101 in the area of the light source 105 and the detector 106 is particularly low or not is more significant. A non-significant amplitude may mean that no significant interference effects occur.
Anstatt eines einzelnen Lichtleiters 131 zur Ansteuerung des Magnetfeldsensors 101 könnten auch mehrere Lichtleiter verwendet werden.Instead of a single light guide 131 for controlling the magnetic field sensor 101 could also be used multiple light guides.
2 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. In dem Beispiel der 2 umfasst der Magnetfeldsensor 101 eine Membran 111 mit einer Membranfläche 112. Die Membran 111 ist auf der Vorderseite 143 eines Substrats 140 aufgebracht. Zwischen der Membranfläche 112 und einer Fläche 141 des Substrats 140 ist ein optischer Resonator 120 ausgebildet. Es ist eine Umlenkeinheit 135 vorgesehen, die eingerichtet ist, um die aus dem Ende 134 des Lichtleiters 131 austretende Primärstrahlung 138 in Richtung des Resonators 120 umzulenken. Der Lichtleiter 131 umfasst dabei eine Hülle 132A, einen Mantel 132 und einen Kern 133. Die Hülle 132A und der Mantel 132 enden beanstandet von der Umlenkeinheit 135, um einen geringen Abstand zwischen dem Kern 133 und der Unterseite 142 des Substrats 140 zu ermöglichen. 2 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In the example of 2 includes the magnetic field sensor 101 a membrane 111 with a membrane surface 112 , The membrane 111 is on the front 143 a substrate 140 applied. Between the membrane surface 112 and a surface 141 of the substrate 140 is an optical resonator 120 educated. It is a diverting unit 135 provided, which is set to get out of the end 134 of the light guide 131 exiting primary radiation 138 in the direction of the resonator 120 redirect. The light guide 131 includes a shell 132A , a coat 132 and a core 133 , The case 132A and the coat 132 complains of the deflection unit 135 to a small distance between the core 133 and the bottom 142 of the substrate 140 to enable.
Das Inset der 2 (mit der gepunktet-gestrichelten Linie gekennzeichnet) illustriert Aspekte in Bezug auf die Umlenkeinheit 135. Insbesondere illustriert das Inset der 2 Aspekte in Bezug auf einen Winkel 135A, um welchen die Umlenkeinheit 135 die Primärstrahlung 138 umlenkt. In dem Beispiel der 2 beträgt der Winkel 135A in etwa 90°. In anderen Beispielen könnten auch kleinere Winkel 135A implementiert werden. Beispielsweise könnte der Winkel 135A nicht kleiner als 45° sein, optional nicht kleiner als 80° sein, weiter optional nicht kleiner als 88°.The inset of 2 (indicated by the dotted-dashed line) illustrates aspects relating to the diverter unit 135 , In particular, the inset illustrates the 2 Aspects related to an angle 135A around which the deflection unit 135 the primary radiation 138 deflects. In the example of 2 is the angle 135A in about 90 °. In other examples, smaller angles could also be used 135A be implemented. For example, the angle could be 135A not smaller than 45 °, optionally not smaller than 80 °, further optional not smaller than 88 °.
Die Umlenkeinheit 135 ist weiterhin eingerichtet, um vom Resonator 120 reflektierten Sekundärstrahlung 139 in Richtung des Lichtleiters 131 umzulenken (in 2 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt).The deflection unit 135 is further set up by the resonator 120 reflected secondary radiation 139 in the direction of the light guide 131 to divert (in 2 not shown for reasons of clarity).
Durch eine solche Umlenkeinheit 135 kann eine besonders flexible Positionierung des Lichtleiters 131 in Bezug auf den Resonator 120 bzw. das Substrat 140 und die Membran 111 erzielt werden. Insbesondere ist es möglich, dass – wie in dem Beispiel der 2 dargestellt – der Lichtleiter 131 entlang seiner Zentralachse 131A an der Rückseite 142 des Substrats 140 angebracht ist. Der Lichtleiter 131 könnte zum Beispiel mittels einer Lötverbindung, mittels Kleber und/oder mechanischen Fixiermitteln wie beispielsweise Klammern etc. an der Rückseite 142 des Substrats 140 angebracht sein. Eine solche Befestigung ist besonders stabil. Außerdem kann der Magnetfeldsensor 101 besonders platzsparend integriert werden.By such a deflection unit 135 can be a particularly flexible positioning of the light guide 131 with respect to the resonator 120 or the substrate 140 and the membrane 111 be achieved. In particular, it is possible that - as in the example of 2 represented - the light guide 131 along its central axis 131A at the back 142 of the substrate 140 is appropriate. The light guide 131 could, for example, by means of a solder joint, by means of adhesive and / or mechanical fixatives such as brackets, etc. on the back 142 of the substrate 140 to be appropriate. Such attachment is particularly stable. In addition, the magnetic field sensor 101 be integrated in a particularly space-saving way.
In dem Beispiel der 2 ist der optische Resonator 120 durch eine Kavität, die in der Vorderseite 143 des Substrats 140 ausgebildet ist, implementiert. Der Boden 141 der Kavität bildet dabei die untere Fläche des Resonators 120. Der Boden 141 ist beabstandet von der Vorderseite 143 des Substrats 140. Zum Beispiel könnte die Kavität durch Ätzen, wie beispielsweise flüssigätzen oder Ionenstrahl-Ätzen geformt werden.In the example of 2 is the optical resonator 120 through a cavity in the front 143 of the substrate 140 is formed, implemented. The floor 141 The cavity forms the lower surface of the resonator 120 , The floor 141 is spaced from the front 143 of the substrate 140 , For example, the cavity could be formed by etching, such as liquid etching or ion beam etching.
Durch eine solche Implementierung des Resonators 120 mittels der Kavität im Substrat 140 kann eine besonders einfache Herstellung erzielt werden. Insbesondere kann es möglich sein, dass die Membran 111 flächig auf die Vorderseite 143 des Substrats 140 aufgebracht wird. Dies kann besonders stabil erfolgen. Eine Strukturierung der vergleichsweise dünnen und damit oftmals fragilen Membran 111 muss nicht notwendigerweise erfolgen. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, dass die den optischen Resonator 120 implementierende Kavität zumindest teilweise in der Membran 111 ausgebildet ist.By such an implementation of the resonator 120 by means of the cavity in the substrate 140 a particularly simple production can be achieved. In particular, it may be possible for the membrane 111 flat on the front 143 of the substrate 140 is applied. This can be done very stable. A structuring of the comparatively thin and thus often fragile membrane 111 does not necessarily have to be done. In other examples, it would also be possible that the optical resonator 120 implementing cavity at least partially in the membrane 111 is trained.
3 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert 3 Aspekte in Bezug auf die Membran 111. In 3 ist die Membran 111 in zwei beispielhaften Auslenkungszuständen dargestellt. Ein erster Auslenkungszustand (durchgezogene Linie in 3) entspricht einer Ruhelage der Membran. Die Membran 111 ist dabei insbesondere nicht gekrümmt und nicht in Richtung des Bodens 141 des Resonators 120 ausgelenkt. Dadurch ist die Länge L 320 des Resonators 120 vergleichsweise groß. Ein zweiter Auslenkungszustand (gestrichelte Linie in 3) entspricht einer Auslenkung 311 der Membran 111. Die Membran 111 ist dabei gekrümmt und in Richtung des Bodens 141 des Resonators 120 ausgelenkt. Dadurch ist die Länge L 320 des Resonators um die Auslenkung 311 gegenüber dem ersten Auslenkungszustand verkürzt. 3 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular, illustrated 3 Aspects relating to the membrane 111 , In 3 is the membrane 111 shown in two exemplary deflection states. A first deflection state (solid line in FIG 3 ) corresponds to a rest position of the membrane. The membrane 111 is in particular not curved and not in the direction of the ground 141 of the resonator 120 deflected. This is the length L 320 of the resonator 120 comparatively large. A second deflection state (dashed line in FIG 3 ) corresponds to a deflection 311 the membrane 111 , The membrane 111 is curved and in the direction of the ground 141 of the resonator 120 deflected. This is the length L 320 of the resonator around the deflection 311 shortened compared to the first deflection state.
Nunmehr wird die Funktionsweise des Magnetfeldsensors 101 beschrieben. Wenn der Magnetfeldsensor 101 in einem Mess-Magnetfeld 181 angeordnet wird, wirkt eine Kraft auf den Magneten 150 (in 3 aus Gründen der Übersichtlichkeit nicht dargestellt). Diese Kraft bewirkt, dass die Membran 111 eine Auslenkung 311 erfährt. Dadurch verändert sich die Länge 320 des optischen Resonators 120. Dadurch verschiebt sich das Interferenzspektrum des Resonators 120. Dies kann basierend auf der Sekundärstrahlung 139 vom Detektor 106 detektiert werden. Damit ist das Messsignal 180 indikativ für die Auslenkung 311 der Membran. Durch Kenntnis der magnetischen Parameter des Magneten 150, sowie der Bewegungsgleichung für die Membran 311 kann auf die Amplitude und/oder Orientierung des Mess-Magnetfelds 181 zurückgeschlossen werden. Insoweit ist das Messsignal 180 auch indikativ für das Mess-Magnetfeld 181.Now, the operation of the magnetic field sensor 101 described. When the magnetic field sensor 101 in a measuring magnetic field 181 is arranged, a force acts on the magnet 150 (in 3 not shown for reasons of clarity). This force causes the membrane 111 a deflection 311 experiences. This changes the length 320 of the optical resonator 120 , This shifts the interference spectrum of the resonator 120 , This can be based on the secondary radiation 139 from the detector 106 be detected. This is the measurement signal 180 indicative of the deflection 311 the membrane. By knowing the magnetic parameters of the magnet 150 , as well as the equation of motion for the membrane 311 can affect the amplitude and / or orientation of the measuring magnetic field 181 be closed back. In that regard, the measurement signal 180 also indicative of the measuring magnetic field 181 ,
In 3 ist weiterhin dargestellt, in welchem Bereich (schraffiert gefüllt) die Primärstrahlung 138 in den Resonator 120 eintritt und die Sekundärstrahlung 139 aus dem Resonator 120 austritt. Insbesondere ist die Breite 338 dieses Bereichs signifikant kleiner als die Breite 340 des Resonators 120. Zum Beispiel könnte die Breite 338 nicht größer als 20 % der Breite 340 sein, optional nicht größer als 10 %, weiter optional nicht größer als 5 %. Die Breite 338 kann durch die Umlenkeinheit 135 eingestellt werden. Die Breite 338 kann auch durch die Führung des Kerns 133 des Lichtleiters 131 zur Umlenkeinheit 135 beeinflusst werden.In 3 is also shown, in which area (hatched filled) the primary radiation 138 in the resonator 120 entry and the secondary radiation 139 from the resonator 120 exit. In particular, the width 338 this area is significantly smaller than the width 340 of the resonator 120 , For example, the width could be 338 not larger than 20% of the width 340 optionally, not greater than 10%, further optional not greater than 5%. The width 338 can through the deflection unit 135 be set. The width 338 can also be guided by the core 133 of the light guide 131 to the deflection unit 135 to be influenced.
Indem die Breite 338 im Vergleich zu Breite 340 vergleichsweise klein dimensioniert ist, kann erreicht werden, dass die Krümmung der Membran 111 im Bereich der optisch sensitiven Zone (in 3 in der Mitte des optischen Resonators 120, oberhalb des schraffierten Bereichs) gering ist. Insbesondere kann die Krümmung der Membran 111 auch für signifikante Auslenkungen 311 in der optisch sensitiven Zone vergleichsweise klein sein. Dadurch kann es möglich sein, dass die Länge L 320 des Resonators 120 in der optisch sensitiven Zone scharf definiert ist. Dadurch kann wiederum eine besonders genaue Messung durchgeführt werden.By the width 338 in comparison to width 340 is dimensioned comparatively small, can be achieved that the curvature of the membrane 111 in the area of the optically sensitive zone (in 3 in the middle of the optical resonator 120 , above the hatched area) is low. In particular, the curvature of the membrane 111 also for significant deflections 311 be comparatively small in the optically sensitive zone. This may make it possible for the length L 320 of the resonator 120 is sharply defined in the optically sensitive zone. As a result, again a particularly accurate measurement can be carried out.
4 illustriert Aspekte in Bezug auf die Primärstrahlung 138. In 4 ist die Intensität 305 der Primärstrahlung 138 als Funktion der Frequenz dargestellt (gestrichelte Linie in 4, oben). Aus 4 ist ersichtlich, dass die Primärstrahlung 138 ein Maximum 307 der Intensität 305 aufweist, sowie eine bestimmte Spektralbreite 306 – z.B. als Halbwertsbreite definiert. Beispielsweise könnte die Spektralbreite 306 einem Wellenlängenbereich mit einer Ausdehnung von 30 nm bis 150 nm entsprechen. Manchmal wird deshalb die Primärstrahlung 138 auch als breitbandig bezeichnet. Insbesondere kann die Primärstrahlung 138 im Vergleich zu Laserstrahlung eine große Spektralbreite 306 aufweisen. Das Maximum der Intensität 307 könnte beispielsweise einer Wellenlänge von zwischen 500 nm bis 1500 nm entsprechen. 4 illustrates aspects related to primary radiation 138 , In 4 is the intensity 305 the primary radiation 138 represented as a function of frequency (dashed line in 4 , above). Out 4 it can be seen that the primary radiation 138 a maximum 307 the intensity 305 and a certain spectral width 306 - For example, defined as half width. For example, the spectral width could 306 a wavelength range with an extent of 30 nm to 150 nm. Sometimes, therefore, the primary radiation 138 also referred to as broadband. In particular, the primary radiation 138 a large spectral width compared to laser radiation 306 exhibit. The maximum of intensity 307 for example, could correspond to a wavelength of between 500 nm to 1500 nm.
4 illustriert weiterhin Aspekte in Bezug auf den optischen Resonator 120. Insbesondere illustriert 4 Aspekte in Bezug auf das Interferenzspektrum 320 des Resonators 120 (durchgezogene Linie in 4 oben). Aus 4 ist ersichtlich, dass die Spektralbreite 306 der Primärstrahlung 138 deutlich größer ist als die Periodizität des Interferenzspektrums 320. Generell könnte die Primärstrahlung 138 eine Spektralbreite 306 aufweisen, die mindestens zwei Maximalwerte des Interferenzspektrums des Resonators 120 umfasst, optional mindestens vier Maximalwerte, weiter optional mindestens sechs Maximalwerte. Derart kann eine besonders einfache Lichtquelle 105 verwendet werden. Insbesondere kann es entbehrlich sein, eine Laserlichtquelle zu verwenden. Die Sekundärstrahlung 139 bildet dann das Interferenzspektrum 320 ab. 4 further illustrates aspects related to the optical resonator 120 , In particular, illustrated 4 Aspects related to the interference spectrum 320 of the resonator 120 (solid line in 4 above). Out 4 it can be seen that the spectral width 306 the primary radiation 138 is significantly larger than the periodicity of the interference spectrum 320 , Generally, the primary radiation could 138 a spectral width 306 have at least two maximum values of the interference spectrum of the resonator 120 includes, optionally at least four maximum values, further optionally at least six maximum values. Such can be a particularly simple light source 105 be used. In particular, it may be unnecessary to use a laser light source. The secondary radiation 139 then forms the interference spectrum 320 from.
Außerdem kann der optische Resonator 120 einfach hergestellt werden.In addition, the optical resonator 120 easy to be made.
4 illustriert weiterhin Aspekte in Bezug auf den Detektor 106. In dem Beispiel der 4 umfasste Detektor 106 einen Kantenfilter. In 4 ist die Filterkurve 366 des Kantenfilters dargestellt. Der Kantenfilter ist in dem Beispiel der 4 als Bandpass-Filter implementiert. In anderen Beispielen könnte der Kantenfilter auch als Hochpass-Filter oder als Tiefpass-Filter implementiert werden. Der Kantenfilter ist typischerweise ein optischer Filter. 4 further illustrates aspects related to the detector 106 , In the example of 4 included detector 106 an edge filter. In 4 is the filter curve 366 the edge filter shown. The edge filter is in the example of 4 implemented as a bandpass filter. In other examples, the edge filter could also be implemented as a high pass filter or as a low pass filter. The edge filter is typically an optical filter.
Aus 4 ist ersichtlich, dass die Flanke der Filterkurve 366 des Kantenfilters im Bereich eines Maximums des Interferenzspektrums 305 des Resonators 120 ausgebildet ist (vertikale gestrichelte Line in 4) – z.B. in Bezug auf die Ruhelage der Membran 111.Out 4 it can be seen that the edge of the filter curve 366 of the edge filter in the region of a maximum of the interference spectrum 305 of the resonator 120 is formed (vertical dashed line in 4 ) - eg in relation to the rest position of the membrane 111 ,
In 4 ist weiterhin die Verschiebung des Interferenzspektrums 320 für eine beispielhafte Auslenkung 311 der Membran 111 dargestellt. Aus 4 ist ersichtlich, dass eine solche beispielhafte Auslenkung 311 ein Maximum des Interferenzspektrums 320 innerhalb der Flankenbreite der Filterkurve 366 bewegt. Insbesondere werden nicht mehrere Maxima des Interferenzspektrums 320 durch die Kante der Filterkurve 366 hindurch bewegt. In anderen Worten können die Membran 111 und der Magnet 150 eingerichtet sein, um innerhalb eines spezifizierten Messbereichs von Mess-Magnetfeldern 181 eine Frequenzverschiebung des Interferenzspektrums 320 zu bewirken, die nicht größer als die Flankenbreite der Filterkurve 366 des Kantenfilters ist.In 4 is still the shift of the interference spectrum 320 for an exemplary deflection 311 the membrane 111 shown. Out 4 It can be seen that such exemplary deflection 311 a maximum of the interference spectrum 320 within the edge width of the filter curve 366 emotional. In particular, not several maxima of the interference spectrum will be 320 through the edge of the filter curve 366 moved through. In other words, the membrane 111 and the magnet 150 be set to within a specified measuring range of measuring magnetic fields 181 a frequency shift of the interference spectrum 320 which is not greater than the edge width of the filter curve 366 of the edge filter is.
Z.B. kann daher der Messbereich durch die Dimensionierung der Membran 111, etwa Dicke und/oder Elastizität, des Resonators 120, z.B. Breite 340, eingestellt werden. Der Messbereich kann dann in Bezug auf die Flankenbreite der Filterkurve 366 bestimmt sein. Der Messbereich kann die Amplitude und/oder Orientierung des Mess-Magnetfelds 180 bezeichnen, für deren Messung die Vorrichtung 100 ausgelegt ist.For example, therefore, the measuring range by the dimensioning of the membrane 111 such as thickness and / or elasticity, of the resonator 120 , eg width 340 to be discontinued. The measuring range can then be compared to the edge width of the filter curve 366 be determined. The measuring range can be the amplitude and / or orientation of the measuring magnetic field 180 for the measurement of which the device 100 is designed.
Durch eine solche Technik kann eine besonders genaue Bestimmung des Mess-Magnetfelds 181 erfolgen. Insbesondere kann erreicht werden, dass die Signalantwort des Kantenfilters in guter Näherung linear als Funktion der Frequenzverschiebung des Interferenzspektrums 320 ist: dies kann der Fall sein, weil der Kantenfilter im Bereich der Flanke eine lineare Kenlinie aufweisen kann. Durch die Beschränkung der Messung auf ein einzelnes Maximum des Interferenzspektrums 320 können weiterhin Zweideutigkeiten vermieden werden, die andernfalls auftreten würden, wenn mehr als ein Maximum des Interferenzspektrums 320 berücksichtigt werden würde. Außerdem kann es mittels solcher Techniken möglich sein, vergleichsweise geringe Auslenkungen 311 der Membran 111 für typische Mess-Magnetfelder 181 zu verwenden. Dadurch kann die Materialbelastung der Membran 111 limitiert werden und es können anharmonische oder nichtlineare Effekte in Bezug auf die Auslenkung 311 vermieden werden.By such a technique, a particularly accurate determination of the measuring magnetic field 181 respectively. In particular, it can be achieved that the signal response of the edge filter to a good approximation linear as a function of the frequency shift of the interference spectrum 320 is: this may be the case because the edge filter is in the range of Flank can have a linear curve. By limiting the measurement to a single maximum of the interference spectrum 320 ambiguities may continue to be avoided which would otherwise occur if more than a maximum of the interference spectrum 320 would be considered. In addition, it may be possible by means of such techniques, comparatively small deflections 311 the membrane 111 for typical measuring magnetic fields 181 to use. As a result, the material load of the membrane 111 be limited and there may be anharmonic or non-linear effects in terms of deflection 311 be avoided.
5 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert 5 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. In dem Beispiel der 5 ist der Magnet 150 als Dünnschicht ausgebildet. Die Schichtdicke der Dünnschicht kann insbesondere kleiner sein als eine Dicke der Membran 111. Zum Beispiel könnte die Schichtdicke < 500 µm sein, optional < 20 µm, weiter optional < 1 µm. Zum Beispiel könnte die Dünnschicht durch thermisches Verdampfen des magnetischen Materials im Vakuum hergestellt werden. Zum Beispiel könnte die Dünnschicht durch Sputtern hergestellt werden. 5 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular, illustrated 5 Aspects related to the magnet 150 , In the example of 5 is the magnet 150 formed as a thin film. The layer thickness of the thin layer may in particular be smaller than a thickness of the membrane 111 , For example, the layer thickness could be <500 μm, optionally <20 μm, further optionally <1 μm. For example, the thin film could be made by thermally evaporating the magnetic material in vacuo. For example, the thin film could be made by sputtering.
Insbesondere bei der Verwendung einer Dünnschicht könnte zum Beispiel eine wohldefinierte Orientierung der Magnetisierung des Magneten 150 erreicht werden. In dem Beispiel der 5 ist eine out-of-plane Orientierung der Magnetisierung 551 dargestellt, d.h. senkrecht zur Membranfläche 112. Es wären auch in-plane Orientierungen der Magnetisierung 552 möglich, d.h. parallel zur Membranfläche 112. Zum Beispiel könnte durch eine geeignete Kristall-Anisotropie des Materials des Magneten 150 die Orientierung der Magnetisierung 551, 552 vorgegeben sein. Alternativ oder zusätzlich könnte die Orientierung der Magnetisierung 551, 552 auch durch geeignete laterale oder vertikale Strukturierung des Magneten 150 vorgegeben werden. Alternativ oder zusätzlich könnte die Orientierung der Magnetisierung 551, 552 auch durch ein Polarisation-Magnetfeld, welches am Ort des Magneten 150 durch eine entsprechende Magnetfeldquelle angewendet wird, vorgegeben werden. Bei der Verwendung einer Dünnschicht können auch sehr große Magnetfelder gemessen werden. Da die Menge des magnetischen Materials begrenzt ist, kann gleichzeitig die Auslenkung 311 der Membran 111 auch bei großen Amplituden des Mess-Magnetfelds 181 vergleichsweise klein sein. Eine Beschädigung der Membran 111 wird vermieden.In particular, when using a thin film could, for example, a well-defined orientation of the magnetization of the magnet 150 be achieved. In the example of 5 is an out-of-plane orientation of magnetization 551 represented, ie perpendicular to the membrane surface 112 , It would also be in-plane orientations of magnetization 552 possible, ie parallel to the membrane surface 112 , For example, by a suitable crystal anisotropy of the material of the magnet 150 the orientation of the magnetization 551 . 552 be predetermined. Alternatively or additionally, the orientation of the magnetization could 551 . 552 also by suitable lateral or vertical structuring of the magnet 150 be specified. Alternatively or additionally, the orientation of the magnetization could 551 . 552 also by a polarization magnetic field, which is at the location of the magnet 150 is applied by a corresponding magnetic field source can be specified. When using a thin film, even very large magnetic fields can be measured. Since the amount of magnetic material is limited, the deflection at the same time 311 the membrane 111 even with large amplitudes of the measuring magnetic field 181 be comparatively small. Damage to the membrane 111 is avoided.
Während in dem Beispiel der 5 ein Szenario illustriert es, in dem der Magnet 150 durch eine Dünnschicht implementiert ist, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass der Magnet 150 durch ein Bulk-Material implementiert wird. Dabei könnte die Dicke des Magneten 150 signifikant größer sein als die Dicke der Membran 111. In einem solchen Beispiel kann es möglich sein, auch vergleichsweise kleine Magnetfelder besonders sensitiv zu vermessen.While in the example of the 5 a scenario illustrates it in which the magnet 150 implemented by a thin film, it would also be possible in other examples that the magnet 150 implemented by a bulk material. It could be the thickness of the magnet 150 be significantly larger than the thickness of the membrane 111 , In such an example, it may be possible to measure even relatively small magnetic fields particularly sensitive.
Das Material des Magneten 150 kann zum Beispiel ferromagnetisch, paramagnetisch oder dir magnetisch sein. Zum Beispiel könnte eine ferromagnetische Legierung verwendet werden, zum Beispiel Nickel-Eisen-Legierungen. Es könnten auch magnetische Oxide verwendet werden.The material of the magnet 150 For example, it may be ferromagnetic, paramagnetic, or you magnetic. For example, a ferromagnetic alloy could be used, for example nickel-iron alloys. Magnetic oxides could also be used.
In dem Beispiel der 5 ist die Ausdehnung 250 des Magneten 150 auf der Membran 111 größer als die Breite 338 des Bereichs, in dem die Primärstrahlung 138 und die Sekundärstrahlung 139 in den Resonator 120 ein- bzw. austritt. Die Ausdehnung 250 ist aber kleiner als die Breite 340 des Resonators 120.In the example of 5 is the expansion 250 of the magnet 150 on the membrane 111 larger than the width 338 of the area where the primary radiation 138 and the secondary radiation 139 in the resonator 120 enters or exits. The expansion 250 but is smaller than the width 340 of the resonator 120 ,
6 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert 6 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. Das Beispiel der 6 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 5. In dem Beispiel der 6 ist die Ausdehnung 250 des Magneten 150 auf der Membran 111 größer als die Breite 338 des Bereichs, in dem die Primärstrahlung 138 und die Sekundärstrahlung 139 in den Resonator 120 ein- bzw. austritt. Die Ausdehnung 250 ist auch größer als die Breite 340 des Resonators 120. 6 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular, illustrated 6 Aspects related to the magnet 150 , The example of 6 basically corresponds to the example of 5 , In the example of 6 is the expansion 250 of the magnet 150 on the membrane 111 larger than the width 338 of the area where the primary radiation 138 and the secondary radiation 139 in the resonator 120 enters or exits. The expansion 250 is also larger than the width 340 of the resonator 120 ,
7 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert 7 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. Das Beispiel der 7 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 5. In dem Beispiel der 7 ist die Ausdehnung 250 des Magneten 150 auf der Membran 111 in etwa gleich der Breite 338 des Bereichs, in dem die Primärstrahlung 138 und die Sekundärstrahlung 139 in den Resonator 120 ein- bzw. austritt. Die Ausdehnung 250 ist kleiner als die Breite 340 des Resonators 120. 7 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular, illustrated 7 Aspects related to the magnet 150 , The example of 7 basically corresponds to the example of 5 , In the example of 7 is the expansion 250 of the magnet 150 on the membrane 111 approximately equal to the width 338 of the area where the primary radiation 138 and the secondary radiation 139 in the resonator 120 enters or exits. The expansion 250 is smaller than the width 340 of the resonator 120 ,
8 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert 8 Aspekte in Bezug auf den Magneten 150. Das Beispiel der 9 entspricht dabei grundsätzlich dem Beispiel der 7. In dem Beispiel der 8 wird jedoch ein Bulk-Magnet 150 verwendet, der eine Ausdehnung 750 senkrecht zur Membran 111 aufweist, die größer ist, als die Dicke 720 der Membran 111. 8th illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular, illustrated 8th Aspects related to the magnet 150 , The example of 9 basically corresponds to the example of 7 , In the example of 8th but becomes a bulk magnet 150 used that an extension 750 perpendicular to the membrane 111 which is larger than the thickness 720 the membrane 111 ,
9 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere illustriert 9 Aspekte in Bezug auf eine Fluidverbindung 800 zwischen dem Resonator 120 und der Umgebung des Magnetfeldsensors 101. In dem Beispiel der 9 ist die Fluidverbindung 800 durch einen Kanal in der Membran 111 ausgebildet. In anderen Beispielen könnte die Fluidverbindung 800 beispielsweise auch durch einen Kanal im Substrat 140 ausgebildet werden (in 9 nicht dargestellt). 9 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular, illustrated 9 Aspects related to a fluid connection 800 between the resonator 120 and the environment of the magnetic field sensor 101 , In the example of 9 is the fluid connection 800 through a channel in the membrane 111 educated. In other examples could be the fluid connection 800 for example, by a channel in the substrate 140 be trained (in 9 not shown).
Durch das Vorsehen der Fluidverbindung 800 kann erreicht werden, dass ein Ausgleich zwischen dem Umgebungsdruck und dem Druck im Inneren des Resonators 120 erzielt wird. Dadurch kann erreicht werden, dass Änderungen des Umgebungsdrucks keine oder keine signifikante Auslenkung der Membran 111 bewirken. Dadurch können Störeinflüsse verringert werden und das Mess-Magnetfeld 181 kann besonders genau bestimmt werden.By providing the fluid connection 800 can be achieved that a balance between the ambient pressure and the pressure inside the resonator 120 is achieved. This can be achieved that changes in the ambient pressure no or no significant deflection of the membrane 111 cause. As a result, interference can be reduced and the measuring magnetic field 181 can be determined very precisely.
10 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere ist 10 eine Perspektivansicht des Magnetfeldsensors 101 von schräg unten. In 10 ist dargestellt, wie der Lichtleiter 131 in eine entsprechende Aussparung der Rückseite 142 des Substrats 140 eingebettet sein kann. Dadurch kann eine besonders stabile Verbindung zwischen dem Lichtleiter 131 und dem Magnetfeldsensor 101 erzielt werden. 10 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular 10 a perspective view of the magnetic field sensor 101 from diagonally below. In 10 is shown as the light guide 131 in a corresponding recess on the back 142 of the substrate 140 can be embedded. This allows a particularly stable connection between the light guide 131 and the magnetic field sensor 101 be achieved.
11 illustriert Aspekte in Bezug auf den Magnetfeldsensor 101. Insbesondere ist 11 eine Perspektivansicht des Magnetfeldsensors 101 von schräg oben. 11 illustrates aspects related to the magnetic field sensor 101 , In particular 11 a perspective view of the magnetic field sensor 101 from diagonally above.
12 illustriert Aspekte in Bezug auf eine Windkraftanlage 1200. Die Windkraftanlage 1200 weist einen Turm 1232 und eine Gondel 1231 auf. Die Gondel 1231 ist drehbar mit einem Anlagenrotor 1220 verbunden, der insbesondere einen Nabe aufweist. Am Anlagenrotor 1220 sind im Beispiel der 12 zwei Rotorblätter 1211, 1212 befestigt; in anderen Beispielen könnten mehr oder weniger Rotorblätter vorhanden sein. In manchen Beispielen kann es möglich sein, dass der Blattwinkel bzw. Pitch-Winkel 1215 der verschiedenen Rotorblätter 1211, 1212 eingestellt werden kann. 12 illustrates aspects related to a wind turbine 1200 , The wind turbine 1200 has a tower 1232 and a gondola 1231 on. The gondola 1231 is rotatable with a system rotor 1220 connected, in particular having a hub. At the plant rotor 1220 are in the example of 12 two rotor blades 1211 . 1212 attached; in other examples more or less rotor blades could be present. In some examples, it may be possible for the blade angle or pitch angle 1215 the different rotor blades 1211 . 1212 can be adjusted.
Das Verändern des Pitch-Winkels 1215 eines Rotorblatts 1211, 1212 entspricht einer Verdrehung des entsprechenden Rotorblatts 1211, 1212 um seine Längsachse. Das Verändern des Pitch-Winkels 1215 bewirkt das Verändern des Anströmverhaltens von Wind auf das jeweilige Rotorblatt 1211, 1212 und damit das Verändern des vom jeweiligen Rotorblatt 1211, 1212 erzeugten Drehmoments. Eine aerodynamische Bremse kann derart implementiert werden. Der Auftrieb kann verringert werden und ein Strömungsabriss kann herbeigeführt oder vermieden werden. Der Kraftfluss zu einem Generator 1251 der Windkraftanlage 1200 kann verändert werden. In machen Beispielen kann Pitch-Winkel 1215 der verschiedenen Rotorblätter 1211, 1212 individuell eingestellt werden. Durch das individuelle Einstellen der Pitch-Winkel 1215 der verschiedenen Rotorblätter 1211, 1212 kann beispielsweise eine aerodynamische Unwucht kompensiert werden. Die eine aerodynamische Unwucht kann insbesondere bei einer getriebelosen Windkraftanlage (engl. direct drive), bei der der Generator 1251 direkt – das heißt ohne ein Getriebe im Triebstrang 1252 – mit dem Anlagenrotor 1220 verbunden ist, eine Beschädigung des Generators 1251 bewirken – insbesondere bei kleinen Spaltmaßen des Generators 1251. In anderen Beispielen kann die Windkraftanlage 1200 auch ein Getriebe im Triebstrang 1252 aufweisen (in 12 nicht dargestellt).Changing the pitch angle 1215 a rotor blade 1211 . 1212 corresponds to a rotation of the corresponding rotor blade 1211 . 1212 around its longitudinal axis. Changing the pitch angle 1215 causes the changing of the flow behavior of wind on the respective rotor blade 1211 . 1212 and thus the changing of the respective rotor blade 1211 . 1212 generated torque. An aerodynamic brake can be implemented in this way. The buoyancy can be reduced and a stall can be brought about or avoided. The power flow to a generator 1251 the wind turbine 1200 can be changed. In examples can make pitch-angle 1215 the different rotor blades 1211 . 1212 be set individually. By individually adjusting the pitch angle 1215 the different rotor blades 1211 . 1212 For example, an aerodynamic imbalance can be compensated. The one aerodynamic imbalance can in particular in a gearless wind turbine (English direct drive), in which the generator 1251 directly - that is without a transmission in the drive train 1252 - with the system rotor 1220 connected, damage to the generator 1251 cause - especially for small gaps of the generator 1251 , In other examples, the wind turbine 1200 also a transmission in the drive train 1252 have (in 12 not shown).
In den verschiedenen hierin beschriebenen Beispielen kann es möglich sein, mittels eines Magnetfeldsensors 101 wie voranstehend beschrieben einen besonders langlebigen, zuverlässigen und robusten Betrieb des Generators 1251 – insbesondere im Zusammenhang mit einer getriebelosen Windkraftanlage 1200 – zu ermöglichen. Durch das Vermeiden der Notwendigkeit ein Getriebe bereitzustellen, können komplexe Anordnungen von Zahnrädern, Hohlwellen, etc. vermieden werden.In the various examples described herein, it may be possible to use a magnetic field sensor 101 As described above, a particularly long-lived, reliable and robust operation of the generator 1251 - Especially in connection with a gearless wind turbine 1200 - to enable. By avoiding the need to provide a transmission, complex arrangements of gears, hollow shafts, etc. can be avoided.
13 illustriert Aspekte in Bezug auf den Generator 1251. 13 ist eine Schnittansicht durch den Generator 1251; die Rotationsachse ist senkrecht zur Zeichenebene der 13 orientiert. Der Generator 1251 in dem Beispiel der 13 weist eine Innenpolanordnung auf, d.h. der Rotor 1301 umfasst Permanentmagnete 1399 als DC-Magnetfeldquelle und der Stator 1302 umfasst Generatorspulen 1311, die eingerichtet sind, um einen Generatorstrom beispielsweise zur Einspeisung ins Stromnetz bereitzustellen. In anderen Beispielen könnte auch eine Außenpolanordnung verwendet werden. 13 illustrates aspects related to the generator 1251 , 13 is a sectional view through the generator 1251 ; the axis of rotation is perpendicular to the plane of the 13 oriented. The generator 1251 in the example of 13 has an inner pole arrangement, ie the rotor 1301 includes permanent magnets 1399 as a DC magnetic field source and the stator 1302 includes generator coils 1311 , which are set up to provide a generator power, for example for feeding into the power grid. In other examples, an outer pole arrangement could also be used.
In dem Beispiel der 13 ist der Generator 1251 fremderregt, d.h. über einen Erregerstromfluss der Spulen 1312 kann das von den Permanentmagneten 1399 erzeugte Generator-Magnetfeld 1340 manipuliert werden. Dadurch kann auch die mit den Generatorstrom assoziierte Quellspannung manipuliert werden.In the example of 13 is the generator 1251 externally excited, ie via a field current flow of the coils 1312 can that from the permanent magnets 1399 generated generator magnetic field 1340 be manipulated. As a result, the source voltage associated with the generator current can also be manipulated.
In 13 sind weiterhin Aspekte in Bezug auf das Spaltmaß 1305 des Generators 1251 dargestellt. Das Spaltmaß 1305 bezeichnet den Abstand zwischen Rotor 1301 und Stator 1302. Ohne Unwucht (in 13 oben dargestellt) ist das Spaltmaß 1305 an unterschiedlichen Punkten typischerweise gleich dimensioniert. Liegt jedoch eine Unwucht vor (in 13 unten dargestellt), ist das Spaltmaß 1305 an unterschiedlichen Punkten unterschiedlich. Dadurch kommt es insbesondere zu einer einseitigen Verringerung des Spaltsmaßes (in 13, unten linksseitig). Wenn das Spaltmaß zu stark reduziert wird, kann es zu einer Beschädigung des Generators 1251 kommen.In 13 are still aspects related to the gap 1305 of the generator 1251 shown. The gap 1305 refers to the distance between the rotor 1301 and stator 1302 , Without imbalance (in 13 shown above) is the gap 1305 typically dimensioned the same at different points. However, if there is an imbalance (in 13 shown below), is the gap dimension 1305 different at different points. This results in particular in a one-sided reduction of the gap dimension (in 13 , bottom left). If the gap size is reduced too much, it can damage the generator 1251 come.
Zur Überwachung des Spaltsmaßes 1305 kann ein Mess-Magnetfeld 181 verwendet werden, welches durch eine Magnetfeldquelle 1350 erzeugt wird. Es kann ein AC-Mess-Magnetfeld 181 oder ein DC-Mess-Magnetfeld 181 erzeugt werden. In dem Beispiel der 13 ist der Magnetfeldsensor 101 starr mit dem Rotor 1301 gekoppelt. Die Magnetfeldquelle 1350 ist starr mit dem Stator 1302 gekoppelt und ist insbesondere im Bereich des Generator-Magnetfelds 1340 angeordnet. Eine Veränderung des Spaltmaßes 1305 bewirkt eine Änderung des Mess-Magnetfelds 181 am Ort des Magnetfeldsensors 101. For monitoring the gap size 1305 can be a measuring magnetic field 181 which are used by a magnetic field source 1350 is produced. It can be an AC measuring magnetic field 181 or a DC measuring magnetic field 181 be generated. In the example of 13 is the magnetic field sensor 101 rigid with the rotor 1301 coupled. The magnetic field source 1350 is rigid with the stator 1302 is coupled and is in particular in the region of the generator magnetic field 1340 arranged. A change in the gap 1305 causes a change in the measuring magnetic field 181 at the location of the magnetic field sensor 101 ,
In einem Beispiel gemäß 13, in welchem der Magnetfeldsensor 101 starr mit dem Rotor 1301 verbunden ist, kann es erstrebenswert sein, dass auch die Lichtquelle 105 und/oder der Detektor 106 starr mit dem Rotor 1301 verbunden sind. Beispielsweise könnten die Lichtquelle 105 und/oder der Detektor 106 in der Nabe des Anlagenrotors 1220 angeordnet sein. Dies kann es ermöglichen, andere faseroptische Messtechniken – beispielsweise in Bezug auf die Verformung der Rotorblätter 1211 – mittels derselben Leuchtquelle 105 und desselben Detektors 106 durchzuführen.In an example according to 13 in which the magnetic field sensor 101 rigid with the rotor 1301 Connected, it may be desirable that even the light source 105 and / or the detector 106 rigid with the rotor 1301 are connected. For example, the light source could be 105 and / or the detector 106 in the hub of the plant rotor 1220 be arranged. This may allow other fiber optic measurement techniques - for example, with respect to the deformation of the rotor blades 1211 - By the same light source 105 and the same detector 106 perform.
In 13 ist ein Beispiel dargestellt, in welchem ein einzelner Magnetfeldsensor 101 vorgesehen ist. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass mehrere Magnetfeldsensor 101 an unterschiedlichen Stellen des Rotors 1301 vorgesehen sind. Beispielsweise wäre es möglich, dass die mehreren Magnetfeldsensoren 101 über den Multiplexer 103 mit derselben Lichtquelle 105 und/oder demselben Detektor 106 verbunden sind (vergleiche 1). Durch das Bereitstellen mehrerer Magnetfeldsensoren 101 kann die Unwucht des Rotors 1301 gegenüber dem Stator 1302 besonders genau vermessen werden.In 13 an example is shown in which a single magnetic field sensor 101 is provided. In other examples, it would also be possible for multiple magnetic field sensor 101 at different points of the rotor 1301 are provided. For example, it would be possible for the multiple magnetic field sensors 101 over the multiplexer 103 with the same light source 105 and / or the same detector 106 are connected (see 1 ). By providing multiple magnetic field sensors 101 can the imbalance of the rotor 1301 opposite the stator 1302 be measured very accurately.
In 13 ist ein Beispiel dargestellt, in welchem eine einzelne Magnetfeldquelle 1350 zum Erzeugen des Mess-Magnetfelds 181 vorgesehen ist. In anderen Beispielen wäre es auch möglich, dass mehrere Magnetfeldquelle in 1350 zum Erzeugen von mehreren Mess-Magnetfeldern vorgesehen sind. Beispielsweise wäre es möglich, dass die mehreren Magnetfeldquellen an unterschiedlichen Positionen des Stators 1302 vorgesehen sind. Zur Diskriminierung zwischen den verschiedenen Mess-Magnetfeldern könnten die von den verschiedenen Magnetfeldquellen erzeugten AC-Mess-Magnetfelder unterschiedliche Frequenzen aufweisen. Es wäre auch möglich, dass der Detektor 106 ein Steuersignal empfängt, das indikativ für den Drehwinkel des Rotors 1301 ist: daraus ließe sich zurückschließen, welcher Magnetfeldsensor welches DC-Mess-Magnetfeld misst.In 13 an example is shown in which a single magnetic field source 1350 for generating the measuring magnetic field 181 is provided. In other examples, it would also be possible to have multiple magnetic field source in 1350 are provided for generating a plurality of measuring magnetic fields. For example, it would be possible for the plurality of magnetic field sources to be at different positions of the stator 1302 are provided. To discriminate between the different measuring magnetic fields, the AC measuring magnetic fields generated by the different magnetic field sources could have different frequencies. It would also be possible for the detector 106 receives a control signal indicative of the rotational angle of the rotor 1301 is: from this it would be possible to deduce which magnetic field sensor measures which DC measuring magnetic field.
Durch den einen oder die mehreren Magentfeldsensoren 101 kann das Spaltmaß 1305 überwacht werden. Insbesondere können geeignete Gegenmaßnahmen getroffen werden, wenn ein signifikantes Absinken des Spaltmaßes 1305 beobachtet wird. Dadurch kann es möglich sein, dass das Spaltmaß 1305 besonders klein dimensioniert wird. Zum Beispiel könnte das Spaltmaß 1305 – beispielsweise in einem Zustand ohne Unwucht – nicht größer als 5 mm sein, optional nicht größer als 3 mm, weiter optional nicht größer als 2 mm. Durch eine derart geringe Dimensionierung des Spaltmaßes 1305 kann ein besonders großer Generatorstrom erzeugt werden.Through the one or more magenta field sensors 101 can the gap size 1305 be monitored. In particular, suitable countermeasures can be taken if a significant decrease in the gap 1305 is observed. This may make it possible that the gap 1305 is particularly small dimensions. For example, the gap size 1305 - For example, in a state without imbalance - not greater than 5 mm, optionally not greater than 3 mm, further optional not greater than 2 mm. By such a small dimensioning of the gap 1305 a particularly large generator current can be generated.
14 illustriert die Amplitude des Magnetfelds am Ort des Magnetfeldsensors 101 als Funktion der Zeit für die Anordnung der 13. Das Magnetfeld am Ort des Magnetfeldsensors 101 setzt sich zusammen aus dem Generator-Magnetfeld 1340, sowie dem Mess-Magnetfeld 181. 14 illustrates the amplitude of the magnetic field at the location of the magnetic field sensor 101 as a function of time for the arrangement of 13 , The magnetic field at the location of the magnetic field sensor 101 is composed of the generator magnetic field 1340 , as well as the measuring magnetic field 181 ,
14 illustriert ein Beispiel, in dem das Mess-Magnetfeld 181 ein DC-Mess-Magnetfeld 181 ist. Dies bedeutet, dass eine Zeitabhängigkeit der Amplitude des Mess-Magnetfelds 181 aufgrund der Rotation des Rotors 1301 bewirkt wird – und nicht (zusätzlich) durch eine zeitvariable Komponente des Mess-Magnetfelds 181 im Bezugssystem des Stators 1302. Entsprechende Techniken ließen sich aber auch mit AC-Mess-Magnetfeldern 181 implementieren. 14 illustrates an example in which the measuring magnetic field 181 a DC measuring magnetic field 181 is. This means that a time dependence of the amplitude of the measuring magnetic field 181 due to the rotation of the rotor 1301 is effected - and not (additionally) by a time-variable component of the measuring magnetic field 181 in the frame of reference of the stator 1302 , Corresponding techniques could also be used with AC measuring magnetic fields 181 to implement.
Da sich der Rotor 1301 gegenüber der Magnetfeldquelle 1350 bewegt, weist das Mess-Magnetfeld 1351 eine periodische Zeitabhängigkeit auf. Außerdem verändert sich die Amplitude des Mess-Magnetfelds 1351 als Funktion des Spaltmaßes 1305. Die Amplitude des Generator-Magnetfelds 1340 bildet eine Grundlinie (in 14 mit der gestrichelten Linie dargestellt). Zum Beispiel wäre es möglich, einen Hochpassfilter zu implementieren, um das von dem Mess-Magnetfeld 181 hervorgerufene Signal von dem vom Generator-Magnetfeld 1340 hervorgerufenen Signal zu trennen. Beispielsweise wäre es möglich, dass der Detektor 106 einen entsprechenden Filter aufweist. Der Filter kann beispielsweise ein Steuersignal empfangen, das indikativ für die Frequenz des Mess-Magnetfeld 1351 am Ort des Magnetfeldsensors 101 ist. Das Signal kann beispielsweise die Rotationsfrequenz des Rotor 1301 indizieren. Dann wäre es möglich, dass der Filter zum Beispiel das Messsignal 180 in Abhängigkeit dieses Steuersignals filtert. Dadurch können zum Beispiel Lock-in Techniken umgesetzt werden und es kann eine hohe Genauigkeit in Bezug auf das Bestimmen des Mess-Magnetfelds 1350 erzielt werden.Because the rotor 1301 opposite to the magnetic field source 1350 moves, points the measuring magnetic field 1351 a periodic time dependence. In addition, the amplitude of the measuring magnetic field changes 1351 as a function of the gap dimension 1305 , The amplitude of the generator magnetic field 1340 forms a baseline (in 14 shown by the dashed line). For example, it would be possible to implement a high pass filter to that of the measuring magnetic field 181 caused signal from that of the generator magnetic field 1340 separated signal to separate. For example, it would be possible for the detector 106 has a corresponding filter. For example, the filter may receive a control signal indicative of the frequency of the measurement magnetic field 1351 at the location of the magnetic field sensor 101 is. The signal can, for example, the rotational frequency of the rotor 1301 index. Then it would be possible for the filter, for example, the measuring signal 180 filtered in response to this control signal. As a result, for example, lock-in techniques can be implemented, and high accuracy can be achieved with respect to determining the measurement magnetic field 1350 be achieved.
Obenstehend wurden verschiedene Techniken beschrieben, mittels welchen es möglich ist, durch die Messung des Mess-Magnetfelds 181 das Spaltmaß 1305 zu überwachen. In manchen Beispielen wäre es möglich, dass der Detektor 106 eingerichtet ist, um das Messsignal 180 auszugeben, welches indikativ für das Spaltmaß 1305 ist. Alternativ wäre es auch möglich, dass die Steuerung 107 eingerichtet ist, um das Spaltmaß 1305 auf Grundlage des Messsignals 180 zu bestimmen.In the above, various techniques have been described by which it is possible by measuring the measuring magnetic field 181 the gap 1305 to monitor. In some examples, it would be possible for the detector 106 is set up to receive the measurement signal 180 which is indicative of the gap 1305 is. Alternatively, it would also be possible for the controller 107 is set up to the gap 1305 based on the measurement signal 180 to determine.
In manchen Beispielen kann die Steuerung 107 eingerichtet sein, um in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 das Spaltmaß 1305 zu überwachen. Wird zum Beispiel festgestellt, dass das Spaltmaß 1305 einen bestimmten Schwellenwert unterschreitet, können Gegenmaßnahmen ausgelöst werden. Alternativ oder zusätzlich wäre es auch möglich, dass die Steuerung 107 einen Regelkreis implementiert, der einen bestimmten Soll-Wert für das Spaltmaß 1305 umsetzt.In some examples, the controller may 107 be set up in response to the measurement signal 180 the gap 1305 to monitor. For example, it is determined that the gap 1305 below a certain threshold, countermeasures can be triggered. Alternatively or additionally, it would also be possible for the controller 107 implemented a control loop, which has a specific target value for the gap 1305 implements.
Zum Beispiel könnte die Steuerung 107 eingerichtet sein, um in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 mindestens einem Betriebsparameter des mindestens einen Rotorblatts 1211, 1212 der Windkraftanlage 1200 einzustellen. Der Betriebsparameter könnte zum Beispiel der Pitch-Winkel 1251 sein. Beispielsweise könnte durch individuelle Regelung der Pitch-Winkel 1251 der verschiedenen Rotorblätter 1211, 1212 eine aerodynamische Unwucht, die in einer Veränderung des Spaltmaßes 1305 resultiert, kompensiert werden.For example, the controller could 107 be set up in response to the measurement signal 180 at least one operating parameter of the at least one rotor blade 1211 . 1212 the wind turbine 1200 adjust. The operating parameters could be, for example, the pitch angle 1251 be. For example, by individual control of the pitch angle 1251 the different rotor blades 1211 . 1212 an aerodynamic imbalance resulting in a change in the gap 1305 results are compensated.
Alternativ oder zusätzlich könnte die Steuerung 107 eingerichtet sein, um in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 mindestens einen Betriebsparameter des Generators 1251 einzustellen. Zum Beispiel könnte in Abhängigkeit von dem Messsignal 180 der Erregerstrom durch die Spulen 1312 angepasst werden. Derart könnte die aerodynamische Unwucht, die in einer Veränderung des Spaltmaßes 1305 resultiert, kompensiert werden.Alternatively or additionally, the controller could 107 be set up in response to the measurement signal 180 at least one operating parameter of the generator 1251 adjust. For example, depending on the measurement signal 180 the excitation current through the coils 1312 be adjusted. Such could be the aerodynamic imbalance resulting in a change in the gap 1305 results are compensated.
15 ist ein Flussdiagramm eines beispielhaften Verfahrens. In Block 5001 wird zunächst Primärstrahlung in einen optischen Resonator eingestrahlt. Dazu wird beispielsweise ein Lichtleiter verwendet. Außerdem kann eine Umlenkeinheit verwendet werden, die eingerichtet ist, um aus einem Ende des Lichtleiters austretende Primärstrahlung in Richtung des Resonators umzulenken, beispielsweise um einen Winkel von in etwa 90°. Der optische Resonator kann auf einer Seite durch eine Membranfläche einer beweglichen bzw. elastischen Membran begrenzt sein. Auf der Membran kann zum Beispiel ein Magnet angeordnet sein. Dann kann eine Kraftwirkung auf die Membran ausgeübt werden, wobei die Stärke der Kraftwirkung von einem Mess-Magnetfeld am Ort des Magneten abhängt. Eine Auslenkung der Membran resultiert, wodurch wiederum das Interferenzspektrum des Resonators verändert wird. 15 FIG. 10 is a flowchart of an example method. FIG. In block 5001 First, primary radiation is radiated into an optical resonator. For this purpose, for example, a light guide is used. In addition, it is possible to use a deflecting unit which is set up in order to deflect primary radiation emerging from one end of the optical waveguide in the direction of the resonator, for example by an angle of approximately 90 °. The optical resonator may be bounded on one side by a membrane surface of a movable or elastic membrane. For example, a magnet can be arranged on the membrane. Then, a force can be exerted on the membrane, wherein the strength of the force depends on a measuring magnetic field at the location of the magnet. A deflection of the membrane results, which in turn changes the interference spectrum of the resonator.
In Block 5002 wird dann aus dem Resonator austretende Sekundärstrahlung detektiert. Dazu kann beispielsweise eine Fotodiode etc. verwendet werden. In verschiedenen Beispielen kann die Sekundärstrahlung bei einer bestimmten Wellenlänge detektiert werden, indem zum Beispiel ein Kantenfilter verwendet wird. Es wäre aber auch möglich, dass die Sekundärstrahlung Wellenlängen-aufgelöst detektiert wird, indem zum Beispiel ein Spektrometer wie ein Gitter-Spektrometer verwendet wird. Die Sekundärstrahlung kann insbesondere indikativ für das Interferenzspektrum des Resonators sein.In block 5002 Then secondary radiation emerging from the resonator is detected. For this purpose, for example, a photodiode, etc. can be used. In various examples, the secondary radiation may be detected at a particular wavelength using, for example, an edge filter. However, it would also be possible for the secondary radiation to be detected in a wavelength-resolved manner, for example by using a spectrometer such as a grating spectrometer. The secondary radiation may in particular be indicative of the interference spectrum of the resonator.
In Block 5003 wird ein Messsignal ausgegeben. Das Messsignal kann beispielsweise indikativ für die Amplitude und/oder die Orientierung eines Magnetfelds am Ort des Resonators sein. Alternativ oder zusätzlich kann das Messsignal indikativ für die Auslenkung der Membran sein.In block 5003 a measuring signal is output. The measuring signal can be indicative of the amplitude and / or the orientation of a magnetic field at the location of the resonator, for example. Alternatively or additionally, the measurement signal may be indicative of the deflection of the membrane.
16 ist ein Flussdiagramm eines Verfahrens gemäß verschiedener Beispiele. In Block 5101 wird ein Mess-Magnetfeld in einem Generator, beispielsweise einem Generator einer Windkraftanlage, gemessen. Zum Messen des Mess-Magnetfelds in Block 5101 kann zum Beispiel das Verfahren gemäß 15 eingesetzt werden. 16 is a flowchart of a method according to various examples. In block 5101 a measuring magnetic field is measured in a generator, for example a generator of a wind turbine. For measuring the measuring magnetic field in block 5101 For example, the method according to 15 be used.
Anschließend erfolgt in Block 5102 das Steuern eines Betriebsparameters, etwa des Generators oder eines Triebstrangs, der mit dem Generator gekoppelt ist. Beispielsweise könnte ein Erregerstrom der zum Aufmagnetisieren einer DC-Magnetfeldquelle des Generators verwendet wird, variiert werden. Dadurch kann beispielsweise eine Unwucht des Rotors des Generators gegenüber dem Stator des Generators reduziert werden.Subsequently, in block 5102 controlling an operating parameter, such as the generator or a driveline, coupled to the generator. For example, an excitation current used to magnetize a DC magnetic field source of the generator could be varied. As a result, for example, an imbalance of the rotor of the generator relative to the stator of the generator can be reduced.
Selbstverständlich können die Merkmale der vorab beschriebenen Ausführungsformen und Aspekte der Erfindung miteinander kombiniert werden. Insbesondere können die Merkmale nicht nur in den beschriebenen Kombinationen, sondern auch in anderen Kombinationen oder für sich genommen verwendet werden, ohne das Gebiet der Erfindung zu verlassen.Of course, the features of the previously described embodiments and aspects of the invention may be combined. In particular, the features may be used not only in the described combinations but also in other combinations or per se, without departing from the scope of the invention.
Zum Beispiel wurden obenstehend verschiedene Beispiele beschrieben, in welchen ein Magnetfeldsensor mit einem optischen Resonator ortsfest mit einem Rotor eines Generators verbunden ist. In anderen Beispielen wäre es aber auch möglich, entsprechende Techniken für Beispiele zu implementieren, in welchen der Magnetfeldsensor ortsfest mit einem Stator des Generators verbunden ist. Zum Beispiel wäre es im Zusammenhang mit solchen Techniken, bei welchen der Magnetfeldsensor ortsfest mit dem Stator des Generators verbunden ist, möglich, dass das Mess-Magnetfeld, welches anhand des Magnetfeldsensors erfasst und ausgewertet wird, das Generator-Magnetfeld ist, welches auch zur induktiven Stromerzeugung verwendet wird.For example, various examples have been described above in which a magnetic field sensor having an optical resonator is fixedly connected to a rotor of a generator. In other examples, however, it would also be possible to implement corresponding techniques for examples in which the magnetic field sensor is stationarily connected to a stator of the generator. For example, in the context of such techniques in which the magnetic field sensor is stationarily connected to the stator of the generator, it would be possible for the measuring magnetic field detected and evaluated by the magnetic field sensor to be the generator magnetic field which is also inductive Power generation is used.
Während voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf einen Detektor beschrieben wurden, der einen Kantenfilter umfasst, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, dass der Detektor zum Beispiel ein Spektrometer umfasst. Mittels des Spektrometers kann es möglich sein, die Intensität der Sekundärstrahlung Wellenlängen-aufgelöst zu detektieren. While various examples have been described above with respect to a detector comprising an edge filter, in other examples it would also be possible for the detector to comprise, for example, a spectrometer. By means of the spectrometer it may be possible to detect the intensity of the secondary radiation in a wavelength-resolved manner.
Während voranstehend verschiedene Beispiele in Bezug auf einen Generator einer Windkraftanlage beschrieben wurden, wäre es in anderen Beispielen auch möglich, entsprechende Techniken für andere Generatoren anzuwenden. Zum Beispiel wäre es möglich, entsprechende Techniken für Generatoren im Zusammenhang mit der Stromerzeugung durch Kraftstoff-Verbrennung oder Generatoren im Zusammenhang mit der Stromerzeugung durch Wasserkraft einzusetzen.While various examples have been described above with respect to a wind turbine generator, in other examples it would also be possible to apply corresponding techniques to other generators. For example, it would be possible to use corresponding techniques for generators related to power generation by fuel combustion or generators related to hydropower generation.
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Zitierte PatentliteraturCited patent literature
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CN 101850840 A [0004] CN 101850840 A [0004]
