CN117120861A - 磁场传感器和传感器组件 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于检测磁场(B)的磁场传感器(6)，包括：‑能够机械振荡的磁电传感器元件(1)，该传感器元件(1)具有由磁致伸缩材料制成的至少一个第一层(2)、由压电材料制成的第二层(3)以及由导电材料制成的至少一个电极(4)，该导电材料更具体地是金属；以及‑电子器件(7)。磁场传感器(6)，更具体地电子器件(7)，被设计成借助于激励信号(A)引起传感器元件(1)的机械振荡、接收传感器元件(1)的机械振荡并将所述机械振荡转换成接收信号(E)、从接收信号(E)产生激励信号(A)，并且基于接收信号(E)确定与磁场(B)相关的变量。

Description

磁场传感器和传感器组件

技术领域

本发明涉及一种用于检测磁场的磁场传感器，该磁场传感器包括能够机械地振荡的磁电传感器元件，并且涉及一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量和/或特性的传感器组件，该传感器组件包括根据本发明的磁场传感器。

背景技术

在各种实施例中从现有技术中已知用于监测和/或确定介质的至少一个(例如化学或物理)过程变量的现场设备。在本申请的框架内，在过程和供应或过程过程相关信息附近使用的所有测量设备或传感器组件原则上被称为现场设备，因此包括远程I/O、无线适配器和位于现场级的一般电子部件。Endress+Hauser Group的公司生产和分销各种各样的这种现场设备。

许多不同的现场设备基于磁场的测量以及基于与相应磁场相关的变量的相应过程变量和/或特性的识别和/或确定。通常使用不同类型的磁场传感器来检测磁场。这种现场设备的精度很大程度上取决于磁场传感器的测量精度。

因此，期望能够以最简单的方式尽可能精确地检测磁场。

磁电传感器被用于检测磁场，并且基于磁致伸缩材料和压电材料的机械力耦合。

磁致伸缩材料的特征在于，由于施加的磁场而发生材料的变形。在本上下文中，在焦耳磁致伸缩(意指由于磁化强度的变化而导致的长度变化)、维拉里效应、逆磁致伸缩效应(其中磁性的变化由于机械应力而发生)和ΔE效应(其描述由于磁化强度的变化而导致的弹性模量的变化)之间进行区分。磁致伸缩材料例如由铁磁过渡金属(诸如铁、镍或钴)或其合金(诸如钴和铁的合金、镓和铁的合金或galfenol，或铽、镝和铁的合金或terfenol)，以及过渡金属与稀土的各种其他化合物或不同的铁磁玻璃给出。

压电材料的特征在于电极化的变化，并且因此由于弹性变形而出现电压。压电材料例如由锆钛酸铅、聚偏二氟乙烯或氮化铝给出。

在磁电传感器的情况下，磁致伸缩材料牢固地耦合到压电材料。由于施加的磁场，磁致伸缩材料在作用磁场的方向上经历长度的变化和/或弹性模量的变化。长度延伸在压电材料上施加力，这导致极化的变化，并且从而产生电气可检测的电压。弹性模量的变化进而导致改变的传输行为，这也是可检测的。例如，在本上下文中已知借助于压电材料在磁电传感器中引起机械振荡。在这种情况下，由于施加的磁场的弹性模量的变化导致改变的振荡行为，其能够例如基于机械振荡的频率和/或振幅来评估。

对于磁电传感器的构造，已知许多不同的可能实施例。在许多情况下，使用多层结构，其包括至少一层磁致伸缩材料、一层压电材料和可选的一个用于分接电压的电极。层结构通常具有在一端紧固的条带的形状。然后，施加磁场导致条带弯曲并产生电压信号作为接收信号。

在具有特定频率的周期性时变磁场的影响下，磁电传感器执行强制振荡。谐振振荡是特别有利的，因为在这种情况下，即使相对小的磁场变化也会引起相对大的电压。例如，从US2010/0015918A1、DE102011008866A1或WO2020/253908A1已知设置磁电传感器的谐振频率的各种方式。

电压相对于频率的评估通常借助于所谓的扫描方法进行，其中根据频率记录接收信号，并且寻找接收信号的振幅最大的频率。在这样的评估方法中，不利的是，找到谐振频率所需的持续时间随着可实现的准确度而明显增加。因此，谐振频率的精确检测非常耗时。此外，必须确定最大振幅的信号评估相对复杂。

其他常用的评估方法，诸如光程长度测量也是，相对耗时的。

发明内容

从这一点出发，本发明的目的是提供一种具有磁电传感器元件的磁场传感器，其中，能够以最简单且同时可能最精确的方式进行接收信号的评估以及因此传感器行为的评估。

该目的通过根据权利要求1所述的磁场传感器和根据权利要求9所述的传感器组件来实现。

关于磁场传感器，本发明的目的通过一种用于检测磁场的磁场传感器来实现，该磁场传感器包括能够机械振荡的磁电传感器元件，该传感器元件具有由磁致伸缩材料制成的至少一个第一层、由压电材料制成的第二层以及由导电材料(更具体地，金属)制成的至少一个电极。磁场传感器进一步包括电子器件。根据本发明，磁场传感器，更具体地是电子器件，被设计成借助于激励信号引起传感器元件的机械振荡、接收传感器元件的机械振荡并将机械振荡转换成接收信号、由接收信号产生激励信号，并基于接收信号确定与磁场相关的变量。

基于作为电压信号的接收信号来评估磁场或与磁场相关的变量。激励信号(更具体地是激励信号的频率)直接由接收信号(更具体地由接收信号的频率)产生。能够产生激励信号，使得传感器元件以可指定的频率(更具体地是谐振频率)执行振荡。以这种方式，传感器元件以可指定的频率永久地振荡。因此，为了确定与磁场相关的变量，有利地仅需要评估接收信号，特别是关于接收信号的频率。

传感器元件能够例如借助于本身已知的具有或不具有预定基板的涂覆技术来生产；例如，能够应用硅技术工艺。

在一个实施例中，传感器元件是MEMS传感器元件，即微机电(MEMS)系统。

另一实施例包括能够引起传感器元件谐振振荡。谐振振荡导致相对于磁场的检测的可实现的测量准确度的增加，并且是特别节能的。

在另一实施例中，磁场传感器，更具体地是电子器件，被设计为从接收信号产生激励信号，使得在激励信号和接收信号之间存在可指定的相移。在这种情况下，传感器元件是反馈电谐振电路的一部分，借助于该反馈电谐振电路，引起传感器元件机械振荡。例如，对于谐振振动，必须满足放大因子≥1并且谐振电路中发生的所有相位导致360°的倍数的谐振电路条件。为了激励和满足谐振电路条件，必须确保激励信号和接收信号之间的规定的相移。因此，通常设置相移的可预定值，因此设置激励信号和接收信号之间的相移的设定点。为此，从现有技术中已知各种各样的解决方案，包括模拟和数字方法，所有这些都适用于本发明。

在一个实施例中，电子器件，更具体地用于设置可指定相移，包括相位控制单元，更具体地是基于锁相放大器、移相器、环形缓冲器或滤波器(更具体地是具有可调中心频率的自适应滤波器)的原理的相位控制单元。然而，本申请决不限于用于设置目标相移的当前显式变型。

根据本发明，传感器元件包括至少一个电极，其更具体地用于分接接收信号。优选地，电极沿着压电元件或第二层的表面的大部分或基本上完全延伸。然后，将单个电极用于发射和用于接收相对于可实现的测量精度是特别有利的，因为电压能够在大体积或最大体积的压电材料上分接。此外，这种过程大大简化了制造磁电传感器的过程。

然而，还可以设想将传感器元件设计成使得存在若干电极。

例如，磁场传感器的一个实施例提供传感器元件以包括至少两个电绝缘电极，其特别是在不同区域中施加到第二层。在这种情况下，例如，第一电极能够用于引起振荡，并且第二电极用于检测接收信号。

磁场传感器的另一实施例包括电子器件被设计成交替地执行第一操作模式和第二操作模式。电子器件特别地被设计成借助于激励信号在第一操作模式中引起传感器元件的机械振荡，并且在第二操作模式中中断传感器元件的激励、接收传感器元件的机械振荡并将所述机械振荡转换成接收信号，并且基于接收信号确定与磁场相关的变量和/或阻尼(特别是传感器元件的阻尼)。两种操作模式优选地以周期性交替的方式执行。仅在第二操作模式期间评估接收信号。通过提供两种操作模式，有利地可能另外确定干扰影响，并且特别地还确定传感器元件的阻尼，并且如果需要，在确定与磁场相关的变量时考虑这一点。

在与磁场相关的变量是磁通量密度、磁化率或磁导率的情况下是有利的。

本发明的目的进一步通过一种用于确定和/或监测容器中的介质的至少一个过程变量和/或特性的传感器组件来实现，该传感器组件包括依照根据至少一个所描述的实施例的本发明的磁场传感器。传感器组件，更具体地是包括磁场传感器的传感器组件的检测设备，优选地被设计为基于与磁场相关的变量来确定和/或监测过程变量和/或特性。

传感器组件有利地包括用于在磁场传感器的区域中并且还可能在介质的区域中产生特别是静态或周期性磁场的设备。

根据本发明的传感器组件的一个实施例包括：磁场传感器和/或用于产生磁场的设备被布置和/或设计成使得磁场能够根据介质的过程变量和/或特性的值被影响，并且传感器组件被设计成基于与磁场相关的变量来确定和/或监测过程变量和/或特性。优选地，传感器设备被布置在容器的内部体积内，并且磁场传感器被布置在容器外部。

另一实施例包括：传感器组件包括传感器设备，该传感器设备被设计和/或布置成使得传感器设备的部件的至少一个磁性质取决于过程变量和/或特性，并且磁场设备的磁场能够借助于传感器设备根据过程变量和/或特性被影响。

在介质的过程变量和/或特性是介质的温度、压力、电导率或流速的情况下是有利的。

应当注意，结合磁场传感器描述的实施例能够加以必要的修改而应用于根据本发明的传感器组件，反之亦然。

附图说明

参考以下附图更详细地解释本发明。图示出了：

图1：磁电传感器元件的两个可能的实施例；

图2：根据本发明的磁场传感器的电子器件的优选实施例；以及

图3：根据本发明的传感器组件的优选实施例。

在附图中，相同的元件提供有相同的附图标记。

具体实施方式

图1示出了磁电传感器元件1的两个优选实施例。来自图1a的传感器元件1具有由压电材料制成的第一层2和由磁致伸缩材料制成的第二层3，第一层2和第二层3被布置成一个在另一个之上并且彼此机械地耦合。传感器元件1具有层结构，例如以MEMS部件的形式。在其他实施例中，能够存在另外的层或此外能够存在基底。

由导电材料制成的电极4沿着由压电材料制成的第一层2上的表面O施加，并且用于检测来自传感器元件1的电压形式的接收信号。第二电极能够由磁致伸缩材料制成的第二层3提供，因为磁致伸缩材料通常是导电的。然后能够分接电极4和第二层3之间的电压。然而，还可以设想(但不是强制性的)提供单独的附加电极5，如图1a所示，并且在电极4和5之间分接电压。

与图1a所示的实施例相反，图1b的传感器元件1包括两个电极4a和4b，第一电极4a是激励电极，第二电极4b是接收电极。两个电极4a和4b彼此电绝缘并且施加在由压电材料制成的第一层2的表面O的不同区域中。

图2示出了根据本发明的具有磁电传感器元件1和电子器件7的磁场传感器6的各种实施例。借助于激励信号A引起传感器元件1机械振荡，并且传感器元件1的机械振荡被接收并被转换成接收信号E。

图2a中示意性地示出的电子器件7可选地包括A/D和D/A转换器，但是其他实施例还能够包括类似的电子器件7。此外，电子设备7包括单元8，借助于该单元能够设置激励信号A和接收信号E之间的可指定的目标相移ΔΦ，以便能够从接收信号E产生激励信号A。单元8能够是例如相位控制单元，更具体地是基于锁相放大器、移相器或环形缓冲器的原理的相位控制单元。

根据本发明的电子器件7的另一可能实施例是图2b的主题。在该变型中，借助于自适应滤波器8a设置相移ΔΦ。在图2a的情况下，接收信号E在被提供给自适应滤波器8a之前首先通过模数转换器。适当地调整自适应滤波器的滤波器特性，以便设置相移ΔΦ。滤波器特性的调整能够例如通过相位控制单元9来执行，借助于该相位控制单元9，自适应滤波器8a的中心频率f_m被调节，使得在激励信号A和接收信号E之间存在可指定的相移ΔΦ。相位控制单元9又能够基于例如锁相放大器的原理。

使用自适应滤波器8a来设置相移ΔΦ允许进行调节，而不管(诸如例如外部振动的)破坏性影响，并且因此特别稳健，特别是关于外部振动。

激励信号A在从电子器件7引导到传感器元件1之前通过数模转换器。此外，这里，磁场传感器6包括可选的开关元件10，以便允许执行第一操作模式和第二操作模式，其中，引起传感器元件1在第一操作模式(开关元件10闭合)中机械振荡，并且在第二操作模式(开关元件10断开)中被中断激励。

图3最后涉及根据本发明的用于确定和/或监测容器12中的介质M的过程变量和/或特性的传感器组件11的优选实施例。对于本文所示的示例，传感器设备13被布置在容器12(这里为罐)内并且被紧固到容器12的壁。传感器设备13包括部件15，部件15的至少一个磁性质取决于介质M的过程变量和/或特性，并且在当前情况下被设计成薄的细长元件的形式。例如，该部件15能够是由铁磁或磁致伸缩材料制成的元件。在当前情况下，部件15被布置在载体14上。然而，这不是强制性的，这就是为什么载体14以虚线示出的原因。

传感器组件11进一步包括磁场设备16，磁场设备16用于在传感器设备13、至少部分介质M的区域中以及在包括根据本发明的磁场传感器6的检测设备17的区域中产生磁场B。磁场B因此穿透检测设备17、传感器设备13和介质M。磁场B受到传感器设备13或部件15的影响，使得能够基于由检测设备17检测到的磁场B或基于检测到的与磁场B相关的变量来确定和/或监测介质M的过程变量和/或特性。

附图标记列表

1 传感器元件

2 第一层

3 第二层

4 电极，4a,4b电极

5 背电极

6 磁场传感器

7 电子器件

8 用于设置相移的单元

8a 自适应滤波器

9 相位控制单元

10 开关元件

11 传感器组件

12 容器

13 传感器设备

14 载体

15 磁性能取决于过程变量的部件

16 用于产生磁场的设备

17 检测设备

M 介质

B 磁场

A 激励信号

E 接收信号

ΔΦ 相移

Claims (13)

1.一种用于检测磁场(B)的磁场传感器(6)，包括：

-能够机械振荡的磁电传感器元件(1)，所述传感器元件(1)至少具有：

○由磁致伸缩材料制成的一个第一层(2)，

○由压电材料制成的第二层(3)，以及

○至少一个电极(4)，所述至少一个电极(4)由导电材料制成，所述导电材料更具体地是金属，

以及

-电子器件(7)，

其中，所述磁场传感器(6)，更具体地是所述电子器件(7)，被设计成：

-借助于激励信号(A)引起所述传感器元件(1)的机械振荡，

以及接收所述传感器元件(1)的机械振荡并且将所述机械振荡转换成接收信号(E)，

-从所述接收信号(E)产生所述激励信号(A)，以及

-基于所述接收信号(E)确定与所述磁场(B)相关的变量。

2.根据权利要求1所述的磁场传感器(6)，

其中，所述传感器元件(1)是MEMS传感器元件。

3.根据前述权利要求中的至少一项所述的磁场传感器(6)，

其中，能够引起所述传感器元件(1)谐振振荡。

4.根据前述权利要求中的至少一项所述的磁场传感器(6)，

其中，所述磁场传感器(6)，更具体地是所述电子器件(7)，被设计为从所述接收信号(E)产生所述激励信号(A)，使得在所述激励信号(A)和所述接收信号(E)之间存在能够指定的相移(ΔΦ)。

5.根据前述权利要求中的至少一项所述的磁场传感器(6)，

其中，所述电子器件(7)包括相位控制单元，更具体地是基于锁相放大器、移相器、环形缓冲器或滤波器(8a)，更具体地是具有能够调节的中心频率的自适应滤波器的原理的相位控制单元。

6.根据前述权利要求中的至少一项所述的磁场传感器(6)，

其中，所述传感器元件(1)包括至少两个电绝缘电极(4a,4b)，所述至少两个电绝缘电极(4a,4b)特别地在不同区域中被施加到所述第二层(3)。

7.根据前述权利要求中的至少一项所述的磁场传感器(6)，

其中，所述电子器件(7)被设计成交替地执行第一操作模式和第二操作模式；所述电子器件(7)特别地被设计成：

借助于激励信号(A)在所述第一操作模式中引起所述传感器元件(1)机械振荡，以及

在所述第二操作模式中中断所述传感器元件(1)的激励、接收所述传感器元件(1)的机械振荡并将所述机械振荡转换成接收信号(E)，并且基于所述接收信号(E)确定与所述磁场(B)和/或阻尼相关的变量。

8.根据前述权利要求中的至少一项所述的磁场传感器(6)，

其中，与所述磁场(B)相关的变量是磁通量密度、磁化率或磁导率。

9.一种用于确定和/或监测容器(12)中的介质(5)的至少一个过程变量和/或特性的传感器组件(11)，包括根据前述权利要求中的至少一项所述的磁场传感器(6)。

10.根据权利要求9所述的传感器组件(11)，

包括用于在所述磁场传感器(6)的区域中产生特别是周期性磁场(B)的设备(16)。

11.根据权利要求9或10所述的传感器组件(11)，

其中，所述磁场传感器(6)和/或用于产生所述磁场(B)的所述设备(16)被布置和/或设计成使得所述磁场(B)能够根据所述介质(M)的过程变量和/或特性的值被影响，以及

其中，所述传感器组件(11)被设计为基于与所述磁场(B)相关的变量来确定和/或监测所述过程变量和/或特性。

12.根据权利要求9-11中的至少一项所述的传感器组件，

包括传感器设备(13)，所述传感器设备(13)被设计和/或布置成使得所述传感器设备(13)的部件(15)的至少一个磁特性取决于所述过程变量和/或特性，并且所述磁场设备(16)的磁场(B)能够借助于所述传感器设备(13)根据所述过程变量和/或特性被影响。

13.根据权利要求9-12中至少一项所述的传感器组件，

其中，所述介质(M)的过程变量和/或特性是所述介质(M)的温度、压力、电导率或流速。