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Technisches Gebiet
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Die Erfindung betrifft einen Magnetschaumsensor, umfassend einen Grundkörper mit einem magnetischen Nordpol und einem magnetischen Südpol, wobei der Grundkörper elastisch deformierbar ist, wobei der Grundkörper aus einem Schaumstoff gefertigt ist, in welchem hartmagnetische Partikel verteilt sind, und wobei dem Grundkörper ein Magnet-Sensor zugeordnet ist.
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Stand der Technik
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Aus der
DE 10 2007 022 403 A1 ist ein Sensor der eingangs genannten Art bereits bekannt. Der bekannte Magnetschaumsensor wird insbesondere verwendet, um Dimensionsänderungen von Schaumstoffen und damit deren Setzverhalten zu erfassen. Konkret kann mit dem bekannten Magnetschaumsensor bestimmt werden, in welchem Kompressionszustand sich ein zu untersuchender Schaumstoff befindet.
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Der aus dem Stand der Technik bekannte Magnetschaumsensor kann allerdings Dimensionsänderungen eines Schaumstoffs, welcher bereits erheblich komprimiert ist, nur schlecht auflösen.
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Insbesondere Schuhsohlen aus Schaumstoff werden häufig bereits bei ihrer Fertigung thermoplastisch komprimiert. Eine Detektion weiterer Kompressionsänderungen ist bisher nur schwer zu erfassen, aber unbedingt notwendig, beispielsweise um Schuhsohlen für Diabetiker rechtzeitig auszutauschen.
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Darstellung der Erfindung
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Der Erfindung liegt daher die Aufgabe zu Grunde, einen Magnetschaumsensor zu realisieren, welcher bei einfachem Aufbau Dimensionsänderungen bereits stark komprimierter Schaumstoffe zuverlässig erfassen kann.
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Erfindungsgemäß wird die voranstehende Aufgabe mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.
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Danach ist der eingangs genannte Magnetschaumsensor dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Grundkörper und dem Magnet-Sensor eine unmagnetische, komprimierbare Lage angeordnet ist.
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Erfindungsgemäß ist zunächst erkannt worden, dass die magnetische Flussdichte mit zunehmendem Abstand vom Magneten stark abnimmt. Weiter ist erkannt worden, dass eine Änderung des Magnetfelds überraschend gut erfasst werden kann, wenn der Magnet-Sensor an einer unmagnetischen, komprimierbaren Lage angeordnet ist. Obwohl der Magnet-Sensor vom Magneten erfindungsgemäß beabstandet ist und sich daher in einem schwächeren Magnetfeld befindet, können bereits geringe Veränderungen der Dicke der komprimierbaren Lage und/oder des Schaumstoffs durch Messung der magnetischen Flussdichte überraschend gut erfasst werden. Eine solche Lage kann kostengünstig zwischen dem Magnet-Sensor und dem Grundkörper angeordnet werden.
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Folglich ist die eingangs genannte Aufgabe gelöst.
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Die unmagnetische, komprimierbare Lage könnte als Schaumstofflage ausgestaltet sein. Schaumstoffe lassen sich problemlos mit einstellbarer Kompressibiltät fertigen. Insbesondere kann die Steifigkeit der unmagnetischen, komprimierbaren Lage gut auf die Steifigkeit des Schaumstoffs des Grundkörpers abgestimmt werden.
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Der Magnet-Sensor misst die vertikale Komponente der magnetischen Flussdichte und könnte insbesondere als Hall-Sensor ausgestaltet sein.
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Der Magnet-Sensor könnte zwischen dem Grundkörper und einem Flusskonzentrator angeordnet sein, wobei der Flusskonzentrator auf der dem Grundkörper abgewandten Seite des Magnet-Sensors angeordnet ist. Ein Flusskonzentrator erhöht die absolute Flussdichte des Magnetfelds, welches vom magnetischen Grundkörper erzeugt wird. Des Weiteren vermindert der Flusskonzentrator die Abhängigkeit der gemessenen Flussdichte von der Position des Magnet-Sensors. Hierdurch können auch geringe Dimensionsänderungen eines bereits erheblich komprimierten Schaumstoffs erfasst werden. Vorzugsweise ist der Flusskonzentrator unterhalb des Magnet-Sensors auf dessen dem Grundkörper abgewandten Seite angeordnet. Hierdurch können die Feldlinien des magnetischen Feldes besonders vorteilhaft auf den Magnet-Sensor gerichtet werden.
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Ein Flusskonzentrator kann als Federstahlplättchen mit einer speziellen Geometrie ausgestaltet sein. Das Federstahlplättchen kann gestanzt oder gelasert sein und eine Dicke von etwa 0,2 mm aufweisen. Die Breite beträgt beispielsweise etwa 1 cm, die Länge etwa 0,5 cm. Die Bemaßung des Flusskonzentrators ist auf die Breite der magnetischen Pole abgestimmt.
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Vor diesem Hintergrund ist denkbar, dass im Grundkörper SrFeO-Partikel verteilt sind. Die hartmagnetischen Partikel zeigen eine dauerhafte Magnetisierung, nachdem deren Elementarmagnete durch einen externen Magneten oder einen magnetischen Puls ausgerichtet wurden. Mit SrFeO-Partikeln lassen sich besonders preiswert Hartmagnete herstellen.
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Es ist auch denkbar, dass im Grundkörper NdFeB-Partikel (Neodymeisenborpartikel) verteilt sind. Diese hartmagnetischen Partikel zeigen eine besonders starke dauerhafte Magnetisierung, nachdem deren Elementarmagnete durch einen externen Magneten oder einen magnetischen Puls ausgerichtet wurden. Vorteilhaft sind die NdFeB-Partikel mit einer Schutzschicht versehen, um deren Korrosion zu verhindern oder zu vermindern.
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Der Grundkörper könnte als flächige magnetische Lage ausgebildet sein. Durch diese konkrete Ausgestaltung können aus dem Grundkörper insbesondere Schuhsohlen oder Schuheinlagen herausgestanzt werden. Des Weiteren ist der Grundkörper als Bodenbelag einsetzbar. Eine flächige magnetische Lage kann problemlos mit weiteren Lagen laminiert werden.
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Der Grundkörper könnte als zylindrischer Körper ausgestaltet sein. Ein zylindrischer Körper lässt sich problemlos fertigen und längs seiner Höhe komprimieren. Ein zylindrischer Körper ist insbesondere zur Sitzbelegungserkennung in Kraftfahrzeugen verwendbar, da er sich problemlos in den Schaumstoff von Kraftfahrzeugsitzen integrieren lässt.
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Der Grundkörper könnte benachbart angeordnete Magnetisierungsstreifen aufweisen. Durch mehrere benachbarte magnetisierte Zonen kann ein besonders starkes Magnetfeld erzeugt werden. Dieser Grundkörper findet vorteilhaft in Schuhsohlen Verwendung.
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Die Magnetisierungsstreifen könnten magnetische Nordpole und magnetische Südpole aufweisen, wobei einem magnetischen Nordpol eines ersten Magnetisierungsstreifens ein magnetischer Südpol eines benachbarten zweiten Magnetisierungsstreifens folgt. Durch die alternierende Abfolge von magnetischen Polen auf einer Seite des Grundkörpers kann ein leicht detektierbares Magnetfeld mit charakteristischem Feldlinienverlauf erzeugt werden.
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Die Magnetisierungsstreifen könnten konzentrisch angeordnet sein. Hierdurch ist eine besonders vorteilhafte Feldlinienführung bei einem zylindrischen Grundkörper realisierbar. Ein Magnetschaumsensor mit einem Grundkörper mit konzentrisch angeordneten Magnetisierungsstreifen zeigt eine besonders hohe Empfindlichkeit bzw. ein besonders hohes Auflösungsvermögen für Magnetfeldänderungen.
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Die Magnetisierungsstreifen könnten durch eine Multipolmagnetisierung in einem Schritt aus einem magnetisierbaren Flächenmaterial erzeugt werden.
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Die Magnetisierungsstreifen könnten als miteinander verbundene Einzelteile ausgestaltet sein. Diese konkrete Ausgestaltung erlaubt die separate Fertigung einzelner Magnetisierungsstreifen als quaderförmige Blöcke, die miteinander verklebt oder verschweisst werden können.
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Der Magnet-Sensor könnte als Hall-Sensor ausgebildet sein, der in einer Kapeslung eingebettet ist. Die Kapeslung kann als flächiges Gebilde ausgestaltet sein. Hierdurch kann der Hall-Sensor durch Laminieren mit dem Grundkörper verbunden werden.
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Die Kapselung könnte ein serienmäßiges Gehäuse des Magnet-Sensors, ein flexibles oder sogar dehnbares Leiterbahnsubstrat mit Zuleitungen und Kleberschichten und/oder eine hart-elastische Elektronik-Vergussmasse beinhalten.
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Der Magnet-Sensor könnte mit einer dehnbaren Leiterbahn verbunden sein. Hierdurch ist der Magnet-Sensor mit einer Auswerteelektronik verbindbar. Insbesondere ist denkbar, dass die Leiterbahn elastisch ausgestaltet ist. Durch diese konkrete Ausgestaltung kann der Magnetschaumsensor problemlos in Kleidungsstücken verwendet werden, da er sich Bewegungen des Trägers anpasst.
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Unterhalb des Grundkörpers könnten mehrere Magnet-Sensoren angeordnet sein. Hierdurch ist ein Druckmuster oder ein Abrollverhalten eines Fusses detektierbar.
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Vor diesem Hintergrund könnte eine Schuhsole einen hier beschriebenen Magnetschaumsensor umfassen. Insbesondere Diabetiker sind darauf angewiesen, dass Druckstellen an ihren Füssen rasch erkannt und angezeigt werden. Der hier beschriebene Magnetschaumsensor kann diese Aufgabe besonders gut erfüllen. Zu diesem Zweck ist der Grundkörper insbesondere sohlenförmig ausgestaltet.
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Vor diesem Hintergrund könnten im Bereich des Fussballens zwei Magnet-Sensoren und im Bereich der Ferse ein Magnet-Sensor angeordnet sein. Der Fussballen und die Ferse sind besonders druckempfindlich und müssen sorgfältig überwacht werden.
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Ein Autositz könnte in seinem Polster eine Sitzbelegungserkennungseinrichtung aufweisen, welche einen Magnetschaumsensor der hier beschriebenen Art umfasst. Hierdurch kann in Kraftfahrzeugen dauerhaft zuverlässig eine Sitzbelegung erfasst werden. Verschleißerscheinungen der Polster wie Komprimierungen oder Verpressungen werden vorteilhaft kompensiert.
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In Verbindung mit der Erläuterung der bevorzugten Ausführungsbeispiele der Erfindung anhand der Zeichnung werden auch im Allgemeinen bevorzugte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Lehre erläutert.
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Kurzbeschreibung der Zeichnung
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In der Zeichnung zeigen
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1 eine schematische Ansicht eines Magnetschaumsensors mit einer unmagnetischen, komprimierbaren Lage, wobei ein zylindrischer Grundkörper in expandiertem und komprimiertem Zustand gezeigt ist,
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2 eine perspektivische Ansicht eines Magnetschaumsensors, der einen flächigen, rechteckförmigen Grundkörper aufweist, der eine streifenförmige Magnetisierung aufweist, wobei sich an den flächigen Grundkörper eine unmagnetische, komprimierbare Lage und ein Flusskonzentrator anschliessen,
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3 eine Draufsicht auf den Magnetschaumsensor gemäß 2, wobei eine Schnittlinie A eingezeichnet ist,
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4 eine Schnittansicht des Magnetschaumsensors gemäß 2 längs der Schnittlinie A,
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5 verschiedene Flusskonzentratoren,
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6 einen Magnetschaumsensor mit einem flächigen, rechteckförmigen Grundkörper, der eine streifenförmige Magnetisierung aufweist und an ausgewählten Stellen mit Flusskonzentratoren versehen ist,
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7 eine Schnittansicht des flächigen Grundkörpers gemäß 6, wobei eine alternierende streifenförmige Magnetisierung dargestellt ist,
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8 ein zylindrischer Grundkörper, der konzentrisch angeordnete Magnetisierungsstreifen aufweist, und
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9 ein Weg-magnetische-Flussdichte-Diagramm verschiedener Magnetschaumsensoren.
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Ausführung der Erfindung
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1 zeigt einen Magnetschaumsensor, der einen zylindrischen Grundkörper 1 umfasst. Der Grundkörper 1 weist einen magnetischen Nordpol 2 und einen magnetischen Südpol 3 auf. Der Grundkörper 1 ist elastisch deformierbar. Dies ist schematisch in der rechten Abbildung in 1 gezeigt.
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Der Grundkörper 1 ist aus einem Schaumstoff aus Ethylvinylacetat gefertigt, in welchem hartmagnetische Partikel 4 aus NdFeB homogen verteilt sind. Diese Partikel 4 weisen einen mittleren Durchmesser von 10 bis 50 μm auf. Die Partikel 4 wurden durch einen externen Magneten oder einen magnetischen Puls derart magnetisiert, dass deren Elementarmagnete im Grundkörper 1 dauerhaft ausgerichtet sind. Der Magnetschaumsensor gemäß 1 zeigt daher eine dauerhafte Magnetisierung.
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Der Grundkörper 1 ist aus einem Schaumstoff gefertigt, der Poren 6 aufweist, deren Durchmesser sich im Bereich von 10 μm bis 3 mm bewegen.
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Der kreisförmigen Grundfläche 7 des zylindrischen Grundkörpers 1 gemäß 1 ist ein Hall-Sensor 5 zugeordnet. Der Hall-Sensor 5 und der Grundkörper 1 bilden in ihrer Gesamtheit einen Magnetschaumsensor, der zur Erfassung von Dimensionsänderungen und Drücken verwendet werden kann. Zwischen dem Hall-Sensor 5 und der Grundfläche 7 ist eine unmagnetische, komprimierbare Lage 8 angeordnet. Der Hall-Sensor 5 ist in einer Kapselung 10 eingebettet und etwa 0,6 mm von der unmagnetischen, komprimierbaren Lage 8 beabstandet. Der Hall-Sensor 5 misst die vertikale Komponente der magnetischen Flussdichte des vom Grundkörper 1 erzeugten Magnetfelds.
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In der linken Abbildung in 1 ist der Grundkörper 1 in expandiertem Zustand gezeigt. Im unbelasteten Zustand bildet der Grundkörper 1 magnetische Feldlinien einer gewissen Dichte aus. Bei Druckbelastung des Grundkörpers 1 durch einen Druck gemäß rechter Abbildung in 1 wird die Struktur der Feldlinien, insbesondere deren Dichte, verändert. Durch die Änderung der Feldlinien des Magnetfelds und damit dessen Flussdichte wird im Hall-Sensor 5 als Sensorsignal eine Spannung U erzeugt. Die Spannung U ist mit einer Wegstrecke korreliert, um die der Grundkörper 1 zusammengedrückt wurde. Aus einer detektierten Spannung kann daher eine Wegstrecke oder ein Druck ermittelt werden.
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In Kenntnis der Kompressibilität des Schaumstoffs des Grundkörpers 1 und der Wegstrecke, um die der Grundkörper 1 von einer ersten Höhe auf eine zweite Höhe verbracht wurde, kann auf eine Druckkraft rückgeschlossen werden, die auf den Grundkörper 1 wirkt.
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2 zeigt in einer perspektivischen Ansicht einen Magnetschaumsensor, der einen flächigen, rechteckförmigen Grundkörper 1 aufweist, der als flächige magnetische Lage ausgebildet ist. Einer Längsfläche des Grundkörpers 1 ist ein Flusskonzentrator 9 zugeordnet. 3 zeigt eine Draufsicht auf den Magnetschaumsensor gemäß 2 mit durchbrochenen Linien und eine Schnittlinie A durch den Magnetschaumsensor gemäß 2. 4 zeigt eine Schnittansicht längs der Schnittlinie A.
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4 zeigt, dass der flächige, rechteckförmige Grundkörper 1 drei benachbarte, quaderförmige Magnetisierungsstreifen 1a aufweist, deren magnetische Nordpole 2 und Südpole 3 alternierend, benachbart angeordnet sind. Die Magnetisierungsstreifen 1a weisen magnetische Nordpole 2 und magnetische Südpole 3 auf, wobei einem magnetischen Nordpol 2 eines ersten Magnetisierungsstreifens 1a ein magnetischer Südpol 3 eines benachbarten zweiten Magnetisierungsstreifens 1a folgt.
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Den Längsflächen der quaderförmigen Magnetisierungsstreifen 1a ist ein Flusskonzentrator 9 zugeordnet. An den Grundkörper 1 schließt sich unmittelbar eine komprimierbare, unmagnetische Lage 8 an. Die Lage 8 ist zwischen dem Hall-Sensor 5 und dem Grundkörper 1 angeordnet. Der Hall-Sensor 5 wiederum ist zwischen der Lage 8 und einem Flusskonzentrator 9 angeordnet. Dabei ist der Flusskonzentrator 9 auf der dem Grundkörper 1 abgewandten Seite des Hall-Sensors 5 angeordnet. Der Hall-Sensor 5 ist in einer Kapselung 10 eingebettet. Der Hall-Sensor 5 misst die vertikale Komponente der magnetischen Flussdichte des vom Grundkörper 1 erzeugten Magnetfelds.
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5 zeigt Geometrien des Flusskonzentrators 9. Der Flusskonzentrator 9 ist in der linken und mittleren Ansicht der 5 schmetterlingsförmig ausgestaltet. Die schmetterlingsförmige Ausgestaltung eignet sich besonders, wenn der Flusskonzentrator 9 unterhalb von Magnetisierungsstreifen 1a angeordnet wird. Der Flusskonzentrator 9 ist in der rechten Ansicht der 5 kreisförmig ausgestaltet. Die kreisförmige Ausgestaltung eignet sich besonders, wenn der Flusskonzentrator 9 unterhalb eines magnetisierten zylindrischen Körpers gemäß 8 positioniert wird.
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6 zeigt eine Draufsicht auf einen Magnetschaumsensor mit durchbrochenen Linien. 6 zeigt einen Magnetschaumsensor mit einem flächigen, rechteckförmigen Grundkörper 1. Der flächige, rechteckförmige Grundkörper 1 weist eine Vielzahl von quaderförmigen Magnetisierungsstreifen 1a auf, deren magnetische Nordpole 2 und Südpole 3 alternierend, benachbart angeordnet sind. Manchen Längsflächen der quaderförmigen Magnetisierungsstreifen 1a sind an ausgewählten Stellen Flusskonzentratoren 9 und Magnet-Sensoren 5 zugeordnet.
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An den Grundkörper 1 schließt sich analog zu dem Magnetschaumsensor gemäß 4 unmittelbar eine komprimierbare, unmagnetische Lage 8 an. Die Lage 8 ist zwischen Hall-Sensoren 5 und dem Grundkörper 1 angeordnet. Die Hall-Sensoren 5 wiederum sind zwischen der Lage 8 und den Flusskonzentratoren 9 angeordnet. Dabei sind die Flusskonzentratoren 9 auf der dem Grundkörper 1 abgewandten Seite eines Hall-Sensors 5 angeordnet.
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7 zeigt in einer Schnittansicht Magnetisierungsstreifen 1a des Grundkörpers 1 gemäß 6. Die Magnetisierungsstreifen 1a sind mit alternierend benachbart angeordneten magnetischen Nordpolen 2 und Südpolen 3 versehen.
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8 zeigt in einer Schnittansicht konzentrisch angeordnete Magnetisierungsstreifen 1a eines zylindrischen Grundkörpers 1. Die Magnetisierungsstreifen 1a sind mit alternierend benachbart angeordneten magnetischen Nordpolen 2 und Südpolen 3 versehen.
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9 zeigt ein Weg-magnetische Flussdichte-Diagramm, welches mit einem Hall-Sensor 5 des Typs Allegro A 1395 gemessen wurde.
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Es wurden vier Ausführungsbeispiele eines Magnetschaumsensors analog zur 1 im komprimierten Zustand (in 9 „komp”) und im expandierten Zustand (in 9 „exp”) untersucht. Im komprimierten Zustand beträgt der Grundkörper 1 etwa 40% des Volumens des Grundköpers 1 des expandierten Zustands. Vom Hall-Sensor 5 wurde jeweils die magnetische Flussdichte im expandierten und im komprimierten Zustand gemessen.
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Der elastische Magnetschaumsensor gemäß Stand der Technik (in 9 „derzeitiger Entwicklungsstand”) weist einen Grundkörper 1 auf, der aus einem Schaumstoff aus Ethylvinylacetat gefertigt ist. Im Schaumstoff sind hartmagnetische Partikel aus SrFeO mit mittleren Durchmessern aus dem Bereich 0,5 μm bis 5 μm verteilt. Der zylindrische Grundkörper 1 weist eine Höhe von 4 mm auf, die Grundflächen einen Durchmesser von 6 mm. Die Pole 2, 3 sind den Grundflächen zugeordnet.
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Die Messwerte wurden bei einem Abstand des Hall-Sensors 5 von der unmagnetischen, komprimierbaren Lage 8 von etwa 0,6 mm gemessen.
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Der Magnetschaumsensor gemäß Stand der Technik lieferte Messwerte, die durch kreisförmige Symbole gekennzeichnet sind. Die gefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des expandierten Grundkörpers 1, die ungefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des komprimierten Grundkörpers 1.
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Aus dem Diagramm gemäß 9 ist erkennbar, dass sich die magnetische Flussdichte des expandierten Zustands von der magnetischen Flussdichte des komprimierten Zustands um etwa 0,5 mT (Millitesla) unterscheidet.
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Der Magnetschaumsensor, der mit einer unmagnetischen, komprimierbaren Lage 8 aus Schaumstoff zwischen Grundkörper 1 und Hall-Sensor 5 ausgerüstet wurde (in 9 „mit Schaum”), lieferte Messwerte, die durch stehende dreieckförmige Symbole gekennzeichnet sind. Die gefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des expandierten Grundkörpers 1, die ungefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des komprimierten Grundkörpers 1.
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Aus dem Diagramm gemäß 9 ist erkennbar, dass sich die magnetische Flussdichte des expandierten Zustands von der magnetischen Flussdichte des komprimierten Zustands um 1,9 mT (Millitesla) unterscheidet.
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Der Magnetschaumsensor, der mit einem Flusskonzentrator 9 zwischen Grundkörper 1 und Hall-Sensor 5 ausgerüstet wurde (in 9 „mit Konzentrator”), lieferte Messwerte, die durch liegende dreieckförmige Symbole gekennzeichnet sind. Die gefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des expandierten Grundkörpers 1, die ungefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des komprimierten Grundkörpers 1.
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Aus dem Diagramm gemäß 9 ist erkennbar, dass sich die magnetische Flussdichte des expandierten Zustands von der magnetischen Flussdichte des komprimierten Zustands um 1,1 mT (Millitesla) unterscheidet.
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Der Magnetschaumsensor, der mit einer unmagnetischen, komprimierbaren Lage 8 aus Schaumstoff und einem Flusskonzentrator 9 zwischen Grundkörper 1 und Hall-Sensor 5 ausgerüstet wurde (in 9 „Schaum und Konzentrator”), lieferte Messwerte, die durch quadratische Symbole gekennzeichnet sind. Die gefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des expandierten Grundkörpers 1, die ungefüllten Symbole repräsentieren die Messwerte des komprimierten Grundkörpers 1.
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Aus dem Diagramm gemäß 9 ist erkennbar, dass sich die magnetische Flussdichte des expandierten Zustands von der magnetischen Flussdichte des komprimierten Zustands um 2,5 mT (Millitesla) unterscheidet.
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Hinsichtlich weiterer vorteilhafter Ausgestaltungen und Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Lehre wird einerseits auf den allgemeinen Teil der Beschreibung und andererseits auf die Patentansprüche verwiesen.
