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Die Erfindung betrifft einen magnetfeldempfindlichen Näherungssensor.
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Magnetfeldempfindliche Näherungssensoren und insbesondere magnetfeldempfindliche Näherungsschalter dienen dazu, ein Schaltsignal zu erzeugen, wenn ein magnetischer Körper (Detektionsmagnet) einen bestimmten Abstand zu dem Näherungssensor erreicht hat.
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Stand der Technik
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Aus der
EP 0 268 580 B1 ist ein magnetfeldabhängiger induktiver Näherungsschalter bekannt, welcher einen Hochfrequenzgenerator mit einer Oszillatorspule aufweist, die einen gegenüber einem zu erfassenden Magnetfeld sättigungsempfindlichen Kern hat. Dem offenen Kern ist dabei unter Bildung eines definierten Luftspaltes eine dünne Ankerplatte aus einem weichmagnetischen Metallglasmaterial oder aus einer Nickel-Eisen-Legierung fest zugeordnet, so daß bei Intensivierung der Feldbeaufschlagung der Oszillatorstrom vom bedämpften Zustand des Hochfrequenzgenerators definiert ansteigt und umgekehrt bei einer Schwächung der Feldbeaufschlagung der Hochfrequenzgenerator in den bedämpften Zustand zurückkehrt.
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Die
DE 39 19 916 C2 offenbart einen induktiven Näherungsschalter, welcher zwei Spulen aufweist, die innerhalb von Schalenkernen angeordnet sind, wobei der Schalenkern der zweiten Spule auf die erste Spule bzw. auf den Schalenkern der ersten Spule aufgesetzt ist und zwischen beiden Spulen ein Abstandshalter angeordnet ist, der die Kopplungg der beiden Spulen nicht beeinflußt.
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Die
DE 195 16 934 C1 offenbart einen induktiven Näherungsschalter mit Spule, wobei eine aktive Fläche der Spule mit einem elektrisch leitenden Material belegt ist.
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Aufgabenstellung
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen magnetfeldempfindlichen Näherungssensor zu schaffen, welcher universell und variabel einsetzbar ist.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß mit den Merkmalen gemäß Anspruch 1 gelöst.
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In dem bestimmten Abstandsbereich ist dafür gesorgt, daß der Oszillator schwingt und der Einfluß des metallischen Gegenstands ist – durch Änderung der Induktivität – eine Änderung der Schwingungsamplitude des schwingenden Oszillators. Es wird dabei überwiegend die Änderung der Induktivität ausgewertet und höchstens in geringem Maß eine Güteänderung.
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Aus dem Stand der Technik sind induktive Näherungssensoren bekannt, welche einen magnetfeldfesten Oszillator umfassen und insbesondere selber magnetfeldfest sind, wobei insbesondere mindestens in einem bestimmten Abstandsbereich eine Beeinflussung dieses induktiven Näherungssensor durch einen metallischen Gegenstand unabhängig davon ist, ob der Gegenstand aus einem ferromagnetischen oder einem paramagnetischen Material ist. Dies stellt einen Spezialfall eines induktiv beeinflußbaren induktiven Näherungssensors mit in einem bestimmten Abstandsbereich schwingenden Oszillator dar. Magnetfeldfest bedeutet dabei, daß ein externes Magnetfeld den Oszillator nicht direkt beeinflußt bzw. nur unwesentlich beeinflußt, d. h. daß ein externes Magnetfeld im wesentlichen nicht an den Oszillator ankoppelt. Insbesondere weist dazu eine Schwingkreisspule bzw. Schwingkreisspulen des Oszillators keine Spulenkerne auf, in welche ein Magnetfeld einkoppeln kann, und insbesondere keine Ferritkerne auf. Bei einem solchen induktiven Näherungssensor ist mindestens in einem bestimmten Abstandsbereich die Beeinflussung des Schwingkreises unabhängig von dem Material eines den induktiven Näherungsschalter beeinflussenden metallischen Ansprechkörpers, und insbesondere ist dann in diesem Bereich der Schaltabstand des induktiven Näherungssensors unabhängig von den Eigenschaften des zu detektierenden Gegenstandes. Solche induktive Näherungssensoren werden auch als Faktor-1-Sensoren bezeichnet, weil ein Korrekturfaktor (Reduktionsfaktor) für den Schaltabstand bezüglich der Materialabhängigkeit von dem Ansprechkörper den Wert 1 mindestens in einem bestimmten Abstandsbereich hat.
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Ein solcher induktiver Näherungssensor ist beispielsweise aus der
DE 196 11 810 A1 bekannt, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Der erfindungsgemäße magnetfeldempfindliche Näherungssensor ist nun dadurch gebildet, daß dem Oszillator des induktiven Näherungssensors ein Kopplungselement zugeordnet ist, welches durch das Detektionsmagnetfeld beaufschlagbar ist und wobei wiederum dieses Kopplungselement induktiv und insbesondere gegeninduktiv an den Oszillator koppelt. Diese gegeninduktive Kopplung selber wird durch das Detektionsmagnetfeld beeinflußt, d. h. hängt von dem Abstand zwischen einem Detektionsmagneten, welcher das Detektionsmagnetfeld erzeugt, und dem Kopplungselement ab. Dieser Einfluß auf den Oszillator wiederum läßt sich mittels einer Auswerteeinheit ermitteln, und dadurch läßt sich eine Abstandsinformation bezüglich des Abstands zwischen Detektionsmagneten und des magnetfeldempfindlichen Näherungssensors erhalten.
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Das Detektionsmagnetfeld koppelt daher nicht direkt an den Oszillator an (d. h. beeinflußt nicht dessen Eigeninduktivität), sondern gegeninduktiv und beeinflußt damit die effektive Induktivität und die Güte des Oszillators für das in das Kopplungselement eingekoppelte Magnetfeld.
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Ein induktiver Näherungssensor beispielsweise mit Korrekturfaktor 1 schwingt stets zumindest in dem bestimmten Abstandsbereich, in dem auf den Korrekturfaktor 1 ausgelegt ist.
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Durch die induktive Ankopplung des Kopplungselements, welches nicht durch ein Magnetfeld beaufschlagt ist, erhöht sich die effektive Induktivität des Oszillators und gleichzeitig verringert sich die Güte, weil in dem Kopplungselement Wirbelstromverluste erzeugt werden. Die Induktivitätserhöhung überwiegt dabei jedoch die Güteerniedrigung, so daß gegenüber dem Zustand der Nichtankopplung eines Kopplungselements die Oszillatoramplitude erhöht ist. Der induktive Näherungssensor reagiert in diesem Zustand nicht mehr auf metallische Ansprechkörper, da das Kopplungselement gewissermaßen den Oszillator abschirmt. Nähert sich nun ein Detektionsmagnet mit einem Detektionsmagnetfeld dem Kopplungselement, so wird dieses mindestens teilweise magnetisch gesättigt, und damit ändert sich die induktive Ankopplung an den Oszillator. Dessen Induktivität wird dadurch verringert, und weiterhin verringert sich die Güte. Dadurch wiederum verändert sich die Oszillatoramplitude, und aus dieser Veränderung läßt sich der Abstand zwischen dem Detektionsmagneten und dem Kopplungselement ermitteln und insbesondere läßt sich ein Schaltsignal generieren. Diese Änderung der Oszillatoramplitude ist dabei unabhängig von dem Material, welches zwischen dem Detektionsmagneten und dem Kopplungselement angeordnet ist (beispielsweise Wandung eines Zylinders, in welchem ein Magnet bewegt wird), sofern dieses Material das Magnetfeld selber im wesentlichen nicht beeinflußt.
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Der erfindungsgemäße magnetfeldempfindliche Näherungssensor läßt sich auf einfache Weise herstellen, wenn vor einen bekannten induktiven Näherungssensor beispielsweise mit Korrekturfaktor 1 ein entsprechendes Kopplungselement positioniert wird. Ein magnetfeldfester induktiver Näherungssensor läßt sich also auf einfache Weise in einen magnetfeldempfindlichen Näherungssensor umrüsten. Für einen Anwender hat dies große Vorteile, da er nur einen Schaltertyp vorrätig halten muß, unabhängig davon, ob er die Annäherung metallischer Gegenstände detektieren möchte oder von Detektionsmagneten.
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Der erfindungsgemäße magnetfeldempfindliche Näherungssensor ist nicht nur als Näherungsschalter einsetzbar, welcher ein digitales Signal liefert, je nach dem, ob ein bestimmter Schaltabstand überschritten/unterschritten wird, sondern auch als absoluter Abstandsmesser, da insbesondere durch die Beeinflussung der induktiven Ankopplung durch das Detektionsmagnetfeld eine Beeinflussung der Oszillatoramplitude erreicht ist und nicht nur eine Beeinflussung im Sinne eines Übergangs bedämpft-unbedämpft bzw. umgekehrt. Der erfindungsgemäße magnetfeldempfindliche Näherungssensor weist daher umfangreiche Einsatzmöglichkeiten auf und ist insbesondere auch variabel einsetzbar.
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Günstig ist es insbesondere, wenn der induktive Näherungssensor so ausgebildet ist, daß mindestens in einem Abstandsbereich eine Beeinflussung durch einen metallischen Gegenstand unabhängig davon ist, ob dieser aus einem ferromagnetischen oder paramagnetischen Material ist (Sensor mit Korrekturfaktor 1).
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Vorteilhaft ist es, wenn das Kopplungselement gegeninduktiv an eine oder mehrere Induktivitäten des Oszillators koppelt. Durch die gegeninduktive Kopplung wird also nicht die Eigeninduktivität von induktiven Elementen des Oszillators beeinflußt, wozu insbesondere ein Spulenkern, wie ein Ferritkern, vorgesehen werden müßte. Dadurch wiederum lassen sich bereits vorhandene induktive Näherungssensoren mit Korrekturfaktor 1 auf einfache Weise in erfindungsgemäße magnetfeldempfindliche Näherungssensoren umrüsten.
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Um eine gute induktive Ankopplung des Kopplungselements an den Oszillator zu erreichen, welche insbesondere auch durch ein Detektionsmagnetfeld beeinflußbar ist, ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn das Kopplungselement aus einem magnetisch sättigungsempfindlichen, elektrisch leitfähigen Material ist. Aufgrund der elektrischen Leitfähigkeit werden durch ein Detektionsmagnetfeld Wirbelströme in dem Kopplungselement angeregt, welche wiederum Wirbelstromverluste erzeugen und zu einer Güteänderung des Oszillators führen. Daneben wird auch die effektive Induktivität des Oszillators beeinflußt. Durch gleichzeitige Auswertung der Induktivitätsänderung und der Güteänderung, beispielsweise über die Auswertung der Amplitude der Oszillatorschwingungen, lassen sich dadurch Informationen über den Abstand zwischen einem Detektionsmagneten, welcher das Detektionsmagnetfeld erzeugt, und dem magnetfeldempfindlichen Näherungssensor erhalten.
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Für den erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Näherungssensor ist es notwendig, daß der Oszillator magnetfeldfest angeordnet/ausgebildet ist. Insbesondere ist dann der induktive Näherungssensor magnetfeldfest ausgebildet. Üblicherweise sind induktive Näherungssensoren mit dem Korrekturfaktor 1 magnetfeldfest ausgebildet, so daß automatisch für eine magnetfeldfeste Ausbildung des Oszillators gesorgt ist.
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Der Oszillator umfaßt eine oder mehrere Luftspulen, d. h. es müssen keine Spulenkerne vorgesehen werden. Dadurch läßt sich ein erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlicher Näherungssensor kostengünstiger und auf einfache Weise herstellen. Aufgrund des induktiv ankoppelnden Kopplungselements müssen keine Spulenkerne vorgesehen werden.
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Für Anwender besonders vorteilhaft ist es, wenn der induktive Näherungssensor eine integrale Einheit ist. Der induktive Näherungssensor als solcher läßt sich dann einsetzen, um die Annäherung metallischer Ansprechkörper an diesen zu ermitteln. Er läßt sich aber auch auf einfache Weise in einen erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Näherungssensor umrüsten, um einen Näherungssensor für Detektionsmagneten bereitzustellen. Ein Anwender braucht dann nur eine Art von Näherungssensoren vorrätig halten, nämlich solche induktiven Näherungssensoren, und wenn der Fall eintritt, daß die Anwesenheit eines Detektionsmagneten zu detektieren ist, läßt sich auf einfache Weise ein erfindungsgemäßer magnetfeldempfindlicher Näherungssensor herstellen.
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Günstig dazu ist es, wenn das Kopplungselement vor einem Detektionsende des induktiven Näherungssensors angeordnet ist, so daß auf diese Weise eine einfache Ankopplung des Kopplungselements ermöglicht ist, ohne daß in den induktiven Näherungssensor selber eingegriffen werden muß.
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Günstigerweise ist dann ein Detektionsende des magnetfeldempfindlichen Näherungssensors durch das Kopplungselement gebildet und insbesondere sind dann beispielsweise Abstände zwischen dem Näherungssensor und einem Detektionsmagneten auf den Abstand zwischen letzterem und dem Kopplungselement bezogen.
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Für einen Anwender besonders günstig ist es, daß ein Halter für das Kopplungselement vorgesehen ist, mit welchem dieses relativ zu dem Oszillator positionierbar und fixierbar ist. Durch einen solchen separaten Halter läßt sich dann auf einfache Weise ein induktiver Näherungssensor in einen erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Näherungssensor umrüsten.
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Der Halter ist an dem induktiven Näherungssensor fixierbar. Der Halter läßt sich extern an dem induktiven Näherungssensor positionieren und insbesondere ist er wieder entfernbar. Der Aufwand für die Umrüstung eines induktiven Näherungssensor in einen magnetfeldempfindlichen Näherungssensor und umgekehrt ist dazu minimal.
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Günstig ist es, wenn das Kopplungselement als Plättchen ausgebildet ist, insbesondere als dünnes Plättchen ausgebildet ist mit einer Stärke, die insbesondere in der Größenordnung von 0,1 mm liegt. Ein Plättchen läßt sich auf einfache Weise relativ zu dem Oszillator positionieren, und andererseits ist für eine effektive induktive Ankopplung mit ihrer entsprechenden Magnetfeldabhängigkeit gesorgt.
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Günstig ist es dazu, wenn ein Gehäuse oder ein Teil davon, in welchem der Oszillator angeordnet ist, aus einem magnetischen permeablen Material ist, damit, wenn das Kopplungselement innerhalb des Gehäuses liegt, ein externes Magnetfeld dieses beaufschlagen kann. Es kann bei einem Gehäuse aus einem permeablen Material auch so sein, daß das Gehäuse selber oder ein Teil davon, welcher aus einem permeablen Material ist, ein Kopplungselement bildet.
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Grundsätzlich genügt es, wenn das Kopplungselement aus einem Material hergestellt ist, welches induktiv an den Oszillator koppelt und wobei diese Kopplung durch ein Magnetfeld beeinflußbar ist. Insbesondere sollten Wirbelströme in dem Kopplungselement erzeugbar sein. Deshalb ist grundsätzlich jedes metallische Material geeignet, welches magnetisch permeabel und insbesondere hoch permeabel ist. Es könnten auch ferromagnetische Materialien eingesetzt werden. Jedoch tritt hier das Problem auf, daß aufgrund der hohen Remanenz bei jeder Änderung der Stellung des Detektionsmagneten relativ zu dem magnetfeldempfindlichen Näherungssensor das Kopplungselement entmagnetisiert werden müßte, beispielsweise durch Erhitzung. Es ist deshalb für Anwendungen sehr vorteilhaft, wenn das Kopplungselement aus einem Material mit niedriger Remanenz hergestellt ist, um derartige Entmagnetisierungsprozeduren vermeiden zu können.
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Beispielsweise ist das Kopplungselement aus einem amorphen Metall bzw. Metallglas hergestellt oder aus Mu-Metall.
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Günstig ist es, wenn die induktive Ankopplung des Kopplungselements an den Oszillator bei Nichtbeaufschlagung mit einem Detektionsmagnetfeld eine Amplitude des Oszillators im Vergleich zum entkoppelten Zustand erhöht. Dadurch läßt sich die Auswertung zur Ermittlung eines Abstandssignals zwischen einem Detektionsmagneten und dem Oszillator vereinfachen.
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Ganz besonders günstig ist es, wenn die Beaufschlagung des induktiv angekoppelten Kopplungselements mit einem Detektionsmagnetfeld die Amplitude des Oszillators im Vergleich zum magnetfeldfreien Zustand erniedrigt. Aus der Amplitude des Oszillators läßt sich dann die Stärke der Magnetfeldbeaufschlagung des Kopplungselements ermitteln und daraus dann wiederum der Abstand zwischen Detektionsmagneten und Kopplungselement.
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Vorteilhafterweise stellt der magnetische Näherungssensor ein analoges Signal für den Abstand zwischen Kopplungselement und Detektionsmagneten bereit, um so einen absoluten Wert für den Abstand ermitteln zu können. Es ist dabei vorteilhaft, wenn eine Amplitudenerniedrigung durch Magnetfeldbeaufschlagung im wesentlichen proportional zu dem Abstand zwischen dem Kopplungselement und einem Detektionsmagneten ist, um so auf einfache Weise den Abstand aus der Amplitude des Oszillators ermitteln zu können.
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Zur Auswertung der magnetfeldinduzierten Verhaltensänderung des Oszillators ist es ganz besonders vorteilhaft, wenn eine Auswerteeinheit für den Oszillator vorgesehen ist, welche die Amplitude des Oszillators erfaßt.
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Bei einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform ist es zur Bildung eines induktiven Näherungssensors mit dem Korrekturfaktor 1 vorgesehen, daß der Oszillator eine Schwingkreisbrücke umfaßt, welche mindestens zwei Kondensatoren und mindestens zwei Induktivitäten aufweist, an die das Kopplungselement koppelt, und bei welchem eine Brückendiagonalspannung ausgewertet wird. Ein solcher Oszillator mit seinen Vorteilen ist in der
DE 196 11 810 A1 beschrieben, auf welche hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird.
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Günstig ist es dann insbesondere, wenn durch eine Auswerteeinheit eine Induktivitätsänderung des Oszillators über induktive Ankopplung des Kopplungselements erfaßt wird und alternativ und, was ganz besonders günstig ist, gleichzeitig durch eine Auswerteeinheit eine Güteänderung durch Ankopplung des Kopplungselements erfaßt wird. Durch eine kombinierte Induktivitätsauswertung und Güteauswertung läßt sich ein Detektionssignal bereitstellen, welches einen präzisen Schaltabstand ermittelt und aus dem sich, falls erforderlich, auch ein Meßabstand zwischen Detektionsmagneten und magnetfeldempfindlichen Näherungssensor ermitteln läßt.
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Vorteilhafterweise sind der Abstand zwischen dem Kopplungselement und dem Oszillator und/oder die Dicke des Kopplungselements so gewählt, daß die Empfindlichkeit gegenüber Detektionsmagnetfeldern optimiert ist. Dies kann dahingehend erfolgen, daß bei vorgegebenem Magnetfeld Dicke und/oder Abstand so verändert werden, bis sich eine große (maximale) Amplitudenänderung ergibt oder daß bei vorgegebener Amplitudenänderung eine Variation so erfolgt, daß bei größtem Abstand eines Detektionsmagneten diese Änderung eintritt.
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Ausführungsbeispiel
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Die nachfolgende Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform dient im Zusammenhang mit der Zeichnung der näheren Erläuterung der Erfindung. Es zeigen:
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1 eine schematische Darstellung eines erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Näherungssensors vor der Fixierung eines induktiv ankoppelnden Kopplungselements an einen induktiven Näherungssensor;
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2 eine schematische Darstellung des Aufbaus eines magnetfeldempfindlichen Näherungssensors und seine Ankopplung an ein Detektionsmagnetfeld und
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3 ein Diagramm der effektiven Induktivität L eines induktiven Näherungssensors mit Korrekturfaktor 1 und dessen Güte Q über der Frequenz, wenn kein Kopplungselement induktiv angekoppelt ist (L – untere Kurve; Q – obere Kurve), ein Kopplungselement angekoppelt ist, welches nicht mit einem Magnetfeld beaufschlagt ist (L – obere Kurve; Q – mittlere Kurve) und wenn das Kopplungselement mit einem Magnetfeld beaufschlagt ist (L – mittlere Kurve; Q – untere Kurve).
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Ein Ausführungsbeispiel eines erfindungsgemäßen magnetfeldempfindlichen Näherungssensors, welches in 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt einen induktiven Näherungssensor 12 mit Korrekturfaktor 1 (Faktor-1-Sensor). Der induktive Näherungssensor 12 selber weist ein Gehäuse 14 auf, in welchem ein Oszillator 16 (2) angeordnet ist und eine als Ganzes mit 18 bezeichnete Auswerteeinheit.
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Der induktive Näherungssensor 12 weist ein Detektionsende 20 auf, über welches bei ”normalem” Betrieb, in welchem der induktive Näherungssensor 12 nicht im Zusammenhang mit einem magnetfeldempfindlichen Näherungssensor eingesetzt ist, ein metallischer Ansprechkörper an den Oszillator 16 ankoppeln kann. Insbesondere ist der Oszillator 16 an oder in der Nähe des Detektionsendes 20 angeordnet.
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An einem dem Detektionsende 20 gegenüberliegenden Anschlußende 22 ist ein elektrischer Anschluß 24 vorgesehen, welcher insbesondere Kontaktstifte 26 aufweist, an welchen ein Stecker ankoppelbar ist.
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An dem Anschlußende 22 weist das Gehäuse 14 des induktiven Näherungssensors 12 ein Außengewinde 28 auf, durch welches sich der induktive Näherungssensor 12 in einer Anwendung, beispielsweise einer Werkzeugmaschine, fixieren läßt.
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Das Gehäuse 14 weist ferner in einem vorderen Bereich 30 ebenfalls ein Außengewinde 32 auf, auf das sich ein Halter 34 mit einem Innengewinde 36 aufschrauben läßt. In 1 sind der Halter 34 und der induktive Näherungssensor 12 in einer Stellung vor ihrer gegenseitigen Verbindung gezeigt.
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Durch den Halter 34 läßt sich ein Kopplungselement 38, welches insbesondere als dünnes Plättchen mit einer Stärke von beispielsweise der Größenordnung 0,1 mm ausgebildet ist, vor dem Detektionsende 20 des induktiven Näherungssensors 12 an diesem fixieren. Bei der gezeigten Ausführungsform wird nach Aufschrauben des Halters 34 auf das Gehäuse 14 das Kopplungselement 38 klemmend zwischen dem Halter 34 und dem Detektionsende 20 des induktiven Näherungssensors 12 gehalten. Das Kopplungselement 38 selber wiederum bildet dann nach dessen Positionierung und Fixierung ein Detektionsende des magnetfeldempfindlichen Näherungssensors 10 für Detektionsmagnetfelder.
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Das Kopplungselement 38 ist aus einem magnetisch sättigungsempfindlichen Material, welches elektrisch leitfähig ist, so daß ein externes Magnetfeld an das Kopplungselement 38 ankoppeln kann und Wirbelströme in dem Kopplungselement 38 erzeugt werden können.
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Vorteilhaft ist es dazu noch, wenn das Kopplungselement 38 aus einem Material mit niedriger Remanenz gefertigt ist, so daß keine Vorkehrungen bezüglich einer Entmagnetisierung vorgenommen werden müssen. Geeignete Materialien sind beispielsweise amorphe Metalle wie beispielsweise Mu-Metall oder ”Vitrovac” der Vakuumschmelze GmbH, Hanau oder Metallgläser.
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Bei dem in 1 gezeigten Ausführungsbeispiel stellt der induktive Näherungssensor 12 eine integrale Einheit dar, an welcher das Kopplungselement 38 fixiert wird. Es kann aber auch vorgesehen sein, daß das Kopplungselement 38 selber in dem Gehäuse des induktiven Näherungssensors angeordnet ist. Damit das Detektionsmagnetfeld den Oszillator 16 beeinflussen kann, sollte dazu das Gehäuse aus einem magnetisch permeablen Material sein. Es kann dann wiederum vorgesehen sein, daß das Kopplungselement 38 in dem Gehäuse vor dem Oszillator angeordnet ist (bezogen auf das Detektionsende 40) oder hinter dem Oszillator angeordnet ist. Es kann aber auch sein, daß das Kopplungselement beispielsweise an eine Kappe des Gehäuses angeordnet ist und so über das vordere Ende des Gehäuses feldbeaufschlagbar ist. Eine Kappe ist üblicherweise aus Kunststoff angeordnet. Schließlich kann das Kopplungselement auch in das Gehäuse integriert sein und insbesondere ein Teil des Gehäuses sein (in der Zeichnung nicht gezeigt).
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Bei einem Ausführungsbeispiel, welches in 2 gezeigt ist, umfaßt der Oszillator 16 des induktiven Näherungssensors 12 eine Schwingkreisbrücke 42 mit einem ersten Kondensator C1 und einem zweiten Kondensator C2, welche in Reihe geschaltet sind, und mit einer ersten Induktivität L1 und einer zweiten Induktivität L2, welche ebenfalls in Reihe geschaltet sind. Weiterhin sind mit den Induktivitäten L1 und L2 ein erster Widerstand R1 und ein zweiter Widerstand R2 in Reihe geschaltet. Zur Auswertung herangezogen wird eine Brückendiagonalspannung Ud, welche zwischen den Kondensatoren C1, C2 und den Widerständen R1 und R2 abgegriffen wird. In der Auswerteeinrichtung 18 wird dabei aus der Brückendiagonalspannung Ud und einer Eingangsspannung Ua des Oszillators 16, welche zwischen Anschlüssen 44 und 46 ansteht, eine Brückenübertragungsfunktion gebildet, deren Realteil zur Gewinnung eines Meßsignals und insbesondere Schaltsignals dient.
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Ein induktiver Näherungssensor mit einer solchen Brückenschaltung ist in der
DE 196 11 810 A1 beschrieben, auf die hiermit ausdrücklich Bezug genommen wird. Mit einer entsprechenden Schwingkreisbrücke läßt sich eine Vergrößerung des Schaltabstands gegenüber Industrie-Standardschaltabständen erreichen und ein Abgleich des Schaltabstands, welcher aufgrund von Toleranzen und Streuungen erforderlich ist, ist auf rein elektronischem Wege möglich. Der konstruktive Aufwand für das Spulensystem der Schwingkreisbrücke ist sehr gering, da insbesondere nur zwei induktive Elemente benötigt werden, deren konstruktive Auslegung unkritisch ist, da die Funktionsweise des induktiven Näherungssensors nicht an eine bestimmte Auslegung und Anordnung der Spulen als Induktivitäten gebunden ist. Die Induktivitäten müssen lediglich in unterschiedlicher Weise vom herangeführten Gegenstand beeinflußt werden.
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Es ist noch ein Demodulator 48 vorgesehen, um Amplitudenänderungen direkt auswerten zu können.
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Ferner ist ein Signalerzeuger 50 vorgesehen, welcher in die Auswerteeinheit 18 integriert ist oder getrennt von dieser angeordnet ist. Der Signalerzeuger 50 kann beispielsweise auch außerhalb des induktiven Näherungssensors 12 angeordnet sein. Der Signalerzeuger 50 stellt an einem ersten Ausgang 52 ein analoges Signal 54 bereit, welches ein Maß für den Abstand eines Detektionsmagneten 56 von dem Kopplungselement 38 ist. An einem zweiten Ausgang 58 ist ein digitales Signal 60 bereitgestellt, welches insbesondere angibt, ob ein bestimmter Abstand zwischen dem Detektionsmagneten 56 und dem Kopplungsmagneten 38 überschritten oder unterschritten ist, d. h. das digitale Signal 60 ist ein Schaltabstandssignal.
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Der erfindungsgemäße magnetfeldempfindliche Näherungssensor funktioniert wie folgt:
Der induktive Näherungssensor 12 ist ein solcher mit Korrekturfaktor 1, d. h. mindestens in einem gewissen Abstandsbereich ist eine Beeinflussung des induktiven Näherungssensors durch einen metallischen Ansprechgegenstand unabhängig davon, ob der Gegenstand aus einem ferromagnetischen oder einem paramagnetischen Material ist. Die Brückenspannung Ud hängt mit der Eingangsspannung Ua über die Übertragungsfunktion A zusammen: Ud = A·Ua. Um bei einer reellen Verstärkung V des Oszillators eine reelle Übertragungsfunktion A zu erhalten, wird die Schwingkreisbrücke definiert verstimmt, was dadurch erreichbar ist, daß Kondensatoren C1 und C2 unterschiedliche Kapazitäten aufweisen und/oder die Induktivitäten L1 und L2 unterschiedliche Induktivitätswerte. Die Übertragungsfunktion A selber ist eine Funktion des Meßabstands zwischen dem sich annähernden metallischen Ansprechkörper und dem Detektionsende 20 des induktiven Näherungssensors 12. Die Annäherung des metallischen Gegenstands verändert dadurch den Schwingungszustand des Oszillators 16 und insbesondere wird die Amplitude verändert. Wird A vergrößert, dann wächst die Schwingungsamplitude (bis zu einer durch die Aussteuerbarkeit eines Verstärkers vorgegebenen Grenze). Wird der Betrag von A kleiner, so klingt die Schwingungsamplitude bis auf Null ab. Die Schwingungsamplitude enthält also die Information über den Abstand des metallischen Ansprechkörpers.
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Wird nun das Kopplungselement 38 angekoppelt, so beeinflußt dieses als Gegeninduktivität die effektive Induktivität L des Oszillators 16. Dies ist in 3 in Abhängigkeit der Frequenz f des Oszillators 16 gezeigt: Die Kurve 62 zeigt L ohne Ankopplung des Kopplungselements 38 (”reiner” induktiver Näherungssensor), und die Kurve 64 zeigt L mit induktiv angekoppeltem Kopplungselement 38 (Zustand gemäß 10). Man beobachtet eine deutliche Erhöhung von L.
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Weiterhin ist in 3 gezeigt, wie sich die Güte Q des Oszillators 16 bei induktiver Ankopplung des Kopplungselements 38 verändert. Die Güte hängt dabei mit L und einem effektiven Widerstand R des Oszillators 16 über die Beziehung Q = 2πfL/R zusammen. Die Kurve 66 zeigt Q ohne das Kopplungselement 38, und die Kurve 68 zeigt Q mit dem Kopplungselement 38.
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Die Ankopplung des Kopplungselements 38 – ohne dessen Beaufschlagung mit einem Detektionsmagnetfeld 70 – bewirkt also eine Induktivitätserhöhung L des Oszillators 16 und eine Erniedrigung der Güte Q. Insgesamt überwiegt die Induktivitätserhöhung über die Güteerniedrigung zumindest bei höheren Frequenzen, in welchen der induktive Näherungssensor 10 als Faktor-1-Sensor betrieben wird, so daß durch die Ankopplung des nicht magnetfeldbeaufschlagten Kopplungselements 38 die Oszillatoramplitude im Vergleich zu der Nichtankopplung des Kopplungselements 38 zunimmt, und zwar üblicherweise in einem relativ geringen Maße.
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In diesem Zustand, d. h. mit angekoppeltem Kopplungselement 38, reagiert der magnetfeldempfindliche Näherungssensor 10 nicht mehr auf metallische Ansprechkörper, da das Kopplungselement 38 gewissermaßen den Oszillator 16 abschirmt; die induktive Ankopplung des Kopplungselements 38 an den Oszillator 16 überwiegt in starkem Maße die Ankopplung eines metallischen Ansprechkörpers, welcher vor dem Kopplungselement 38 liegt und daher weiter entfernt von den Induktivitäten L1 und L2 des Oszillators ist.
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Nähert sich nun ein Detektionsmagnet 56 mit seinem Detektionsmagnetfeld 70 dem Kopplungselement 38, so durchsetzen Magnetfeldlinien das Kopplungselement 38 und es wird dann durch die Magnetfeldbeaufschlagung des Kopplungselements 38 dessen gegeninduktive Ankopplung an den Oszillator 16 verändert; zum einen wird die Induktivität L des Oszillators 16 herabgesetzt, wie es anhand der Kurve 72 gezeigt ist. Darüber hinaus verringert sich die Güte Q des Oszillators 16, da Wirbelstromverluste entstehen. Dies ist in der Kurve 74 gezeigt. Die Kurven 72 und 74 beziehen sich auf die Ankopplung eines Kopplungselements 38, welches magnetfeldbeaufschlagt ist. Die Verringerung der Induktivität L und der Güte Q bewirkt insgesamt eine Verkleinerung der Amplitude des Oszillators 16, wobei diese Verkleinerung abhängig davon ist, wie groß der Abstand zwischen dem Detektionsmagneten 56 und dem Kopplungselement 38 ist. Insbesondere ist die Verringerung der Amplitude der Oszillatorschwingungen proportional zu dem Abstand zwischen dem Detektionsmagneten 56 und dem Kopplungselement 38, so daß sich auf einfache Weise aus dem analogen Signal 54 dieser Abstand ermitteln läßt.
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Das digitale Signal 60 läßt sich insbesondere dadurch ermitteln, indem über einen Komparator (in der Zeichnung nicht gezeigt) ermittelt wird, ob die Amplitude des Oszillators 16 einen bestimmten vorgegebenen Wert überschreitet oder unterschreitet.
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Da der magnetfeldempfindliche Näherungssensor 10 im wesentlichen nur hoch auf die Anwesenheit von Detektionsmagnetfeldern 70 reagiert und nicht mehr auf die Annäherung von metallischen Ansprechkörpern, ist die Amplitudenänderung des Oszillators 16, welche durch den Detektionsmagneten 56 indiziert ist, im wesentlichen unabhängig davon, aus welchem Material ein Gegenstand ist, welcher zwischen dem Detektionsmagneten 56 und dem Kopplungselement 38 liegt, sofern die Beeinflussung des Detektionsmagnetfelds 70 durch diesen Gegenstand vernachlässigbar ist. Der Detektionsmagnet 56 läßt sich dann beispielsweise hinter einer Metallwand verschieben, und die Reaktion des magnetfeldempfindlichen Näherungssensors 10 ist unabhängig davon, aus welchem Material diese Metallwand gefertigt ist. Der magnetfeldempfindliche Näherungssensor weist deshalb in diesem Sinne verstanden ebenfalls einen Korrekturfaktor 1 auf, wie der entsprechend zugrundeliegende induktive Näherungssensor 12.
