DE102009057258A1

DE102009057258A1 - Magnetfeldsensor und Verfahren zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds

Info

Publication number: DE102009057258A1
Application number: DE200910057258
Authority: DE
Inventors: Thomas Ebi
Original assignee: EMBEX GmbH
Current assignee: EMBEX GmbH
Priority date: 2009-12-08
Filing date: 2009-12-08
Publication date: 2011-06-09

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor (10) zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds, insbesondere des Erdmagnetfelds, mit einem dreiachsigen magnetischen Sensor (11) zur Lieferung dreidimensionaler körperfester Daten des Magnetfelds, einem mit dem dreiachsigen magnetischen Sensor (11) in Signalkommunikation stehenden Prozessor (13) zur Datenverarbeitung und einem mit dem Prozessor (13) in Signalkommunikation stehenden ersten Interface (14) als Magnetometerausgang zur Ausgabe kompensierter, körperfester magnetischer Daten, wobei der Magnetfeldsensor (10) zusätzlich einen zweiachsigen Winkelgeber (12) aufweist, der mit dem Prozessor (13) in Signalkommunikation steht und wobei der Magnetfeldsensor (10) ein mit dem Prozessor (13) in Signalkommunikation stehendes zweites Interface (15) aufweist, an dem die durch den Prozessor (13) unter Verwendung der Daten des zweiachsigen Winkelgebers (12) bestimmte horizontale Komponente des Magnetfelds abfragbar ist sowie Verfahren zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds, das zumindest die folgenden Schritte Bestimmen von körperfesten dreidimensionalen Magnetfelddaten Xm, Ym, Zr mit einem dreiachsigen magnetischen Sensor (11), Bestimmen von Verkippungswinkeln Xw, Yw des dreiachsigen magnetischen Sensors mit einem zweiachsigen Winkelgeber (12), Berechnen der horizontalen Komponenten Xs, Ys des Magnetfelds und Ausgeben der horizontalen Komponenten Xs, Ys des Magnetfelds aufweist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor zur Bestimmung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds, insbesondere Erdmagnetfeldes, mit den Merkmalen des Oberbegriffs des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds.
Allgemein bekannt sind dreiachsige magnetische Sensoren, die dreidimensionale körperfeste Daten eines Magnetfelds liefern. Derartige Sensoren, die beispielsweise im Bereich der Flugnavigation Verwendung finden, sind beispielsweise unter der Produktbezeichnung CRM 500/CRM 510 von der Firma Crossbow Technology erhältlich. Die Werte, die von derartigen Sensoren gemessen werden, sind aber von der jeweiligen Lage des dreiachsigen magnetischen Sensors abhängig und daher nicht unmittelbar geeignet, sicher die horizontale Komponente eines Magnetfelds zu ermitteln.
Zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds, insbesondere des Erdmagnetfelds, werden daher üblicherweise Magnetometer verwendet, die pendelnd aufgehängt sind. Typischerweise werden dabei Saturationskern-Magnetometer (englisch: „Fluxgate”-magnetometer) verwendet. Derartige Magnetometer sind beispielsweise aus der US 5 530 349 bekannt. Diese Geräte nutzen die Nichtlinearität zwischen dem magnetischen Fluß Φ und der magnetischen Feldstärke H bei ferromagnetischen Materialien im Bereich der Sättigung aus. Das Grundprinzip, nach dem sie arbeiten, besteht darin, dass ein vorzugsweise zylindrischer Ferritkern durch ein von einer ihn vorzugsweise konzentrisch umgebenden erste Spule erzeugtes Wechselfeld symmetrisch in beiden Richtungen in Sättigung gefahren wird. Dies induziert in einer die erste Spule umgebenden zweiten Spule ein Signal mit ungeradzahligen Oberwellen. Bei Überlagerung eines magnetischen Gleichfeldes entstehen durch die dann unsymmetrische Ansteuerung im induzierten Signal auch geradzahlige Oberwellen, deren Amplitude proportional zur Stärke des Gleichfeldes ist. Die Ausgabe der Daten erfolgt dabei typischerweise mittels 3 Phasenspannungen bezogen auf eine 28 V/400 Hz Referenzspannung.
Problematisch bei der Verwendung eines derartigen Magnetometers in einem Sensor zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds ist, dass das Saturationskern-Magnetometer dazu wie ein Pendel aufgehängt sein muss. Als Konsequenz ist ein derart ausgebildeter Sensor sensibel auf Beschleunigungen und durch Scheinlot hervorgerufene Effekte und liefert insbesondere bei Verwendung in einem mobilen Messgerät nur ungenaue Ergebnisse.
Aufgabe der Erfindung ist daher das Bereitstellen eines Sensors zur Magnetfeldmessung und eines Verfahrens zur Magnetfeldmessung, die eine verringerte Empfindlichkeit gegen Störeffekte aufweisen.
Diese Aufgabe wird gelöst durch einen Magnetfeldsensor zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1 und ein Verfahren zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds mit den Merkmalen des Patentanspruchs 4. Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind den jeweiligen Unteransprüchen zu entnehmen.
Der erfindungsgemäße Magnetfeldsensor zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds umfasst einem dreiachsigen magnetischen Sensor zur Lieferung dreidimensionaler körperfester Daten des Erdmagnetfelds, einem mit dem dreiachsigen magnetischen Sensor in Signalkommunikation stehenden Prozessor zur Datenverarbeitung und einem mit dem Prozessor in Signalkommunikation stehenden ersten Interface als Magnetometerausgang zur Ausgabe kompensierter, körperfester magnetischer Daten. Ferner weist der Magnetfeldsensor erfindungsgemäß zusätzlich einen zweiachsigen Winkelgeber, der mit dem Prozessor in Signalkommunikation steht und ein zweites mit dem Prozessor in Signalkommunikation stehendes Interface aufweist, an dem die durch den Prozessor unter Verwendung der Daten des zweiachsigen Winkelgebers bestimmte horizontale Komponente des Magnetfelds abfragbar ist.
Der zweiachsige Winkelgeber gibt zu jedem Zeitpunkt die Lage der Achsen des dreiachsigen magnetischen Sensors relativ zur Horizontalen an. Mit Hilfe dieser Informationen des zweiachsigen Winkelgebers ist es möglich, mit dem Prozessor die durch den dreiachsigen magnetischen Sensor bestimmten körperfesten magnetischen Daten auf die Horizontale zu projizieren und somit die Horizontalkomponente des magnetischen Feldes sicher zu bestimmen.
Anstelle des zweiachsigen Winkelgebers kann auch ein dreiachsiger Beschleunigungsmesser verwendet werden.
Als besonders vorteilhaft hat es sich erwiesen, wenn das erste Interface als serielles Interface ausgebildet ist und wenn das zweite Interface zur Weitergabe analoger Daten geeignet ist.
Das erfindungsgemäße Verfahren zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds weist zumindest die folgenden Schritte auf:
Zunächst werden körperfeste dreidimensionale Magnetfelddaten Xm, Ym, Zr mit einem dreiachsigen magnetischen Sensor und Verkippungswinkel Xw, Yw des dreiachsigen magnetischen Sensors relativ zur Horizontalen mit einem zweiachsigen Winkelgeber bestimmt. Aus diesen Daten werden die horizontalen Komponenten Xs, Ys des Magnetfelds berechnet und dann ausgegeben.
In einer Ausführungsform des Verfahrens, die besonders genau ist, werden die horizontalen Komponenten des Magnetfelds mittels der Beziehungen Xs = Xm·cos(Xw) + Zm·sin(Xw) Ys = Ym·cos(Yw) + Zm·sin(Yw) berechnet. Dabei handelt es sich um eine Projektion der dreidimensionalen magnetischen Daten.
In vielen Fällen, insbesondere dann, wenn nur mit geringen Verkippungswinkeln von weniger als etwa 15° zu rechnen ist, ist es aber auch hinreichend genau, die einfacheren Beziehungen Xs = Xm·cos(Xw) Ys = Ym·cos(Yw)
Zur Berechnung zu verwenden. Dies spart Rechenzeit und Speicherplatz ein.
In einer weiteren bevorzugten Ausgestaltung des Verfahrens werden die horizontalen Komponenten Xs, Ys des Magnetfelds in Polarkoordinaten R,θ umgerechnet. Die Koordinate R ergibt sich als Wurzel aus der Summe der Quadrate der horizontalen Komponenten Xs, Ys. Die Koordinate Q ist der Tangens des Quotienten Ys/Xs.
Bei der Ausgabe von Polarkoordinaten kann das Interface, an dem Informationen zur horizontalen Komponente des Magnetfelds abgefragt werden, besonders einfach gestaltet werden, wenn nur die Winkelinformationen übergeben werden. Dies ist besonders bei der Messung der horizontalen Komponente des Erdmagnetfelds vorteilhaft, wenn, diese lediglich durchgeführt wird, um einen elektronischen Kompass bereitzustellen.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand einer Zeichnung näher erläutert. Es zeigt:
1: Eine Blockdarstellung eines Sensors zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds.
Die Figur zeigt eine Blockdarstellung eines Sensors 10 zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds. Der Sensor 10 umfasst einen dreiachsigen magnetischen Sensor 11, einen zweiachsigen Winkelgeber 12, und einen Prozessor 13 mit einem ersten Interface 14 und einem zweiten Interface 15. Der dreiachsige magnetische Sensor 11 liefert einen schematisch als Pfeil dargestellten Datenstrom 21 von Magnetfeld-Messdaten, entsprechend den körperfesten Messwerten Xm, Ym, Zm des dreiachsigen magnetischen Sensors 11, an den Prozessor 13. Diese Messwerte werden vom Prozessor 13 verarbeitet und über das erste Interface 14, das bevorzugt als serielles Interface ausgebildet ist, in Form eines schematisch als Pfeil dargestellten Datenstroms 23 ausgegeben, so dass ein Satz kompensierter, körperfester magnetischer Daten 16 bereitgestellt wird.
Der zweiachsige Winkelgeber 12, der mit dem Sensor 10 mechanisch verbunden bzw. gekoppelt ist, liefert einen schematisch als Pfeil dargestellten Datenstrom 22 von Winkeldaten Xw, Yw an den Prozessor 13. Die Datenströme 21 und 22 werden vom Prozessor 13 verarbeitet, um die horizontale Komponente des Magnetfelds zu ermitteln und am zweiten Interface 15, das bevorzugt zur Ausgabe von Analogwerten ausgebildet ist, als schematisch als Pfeil dargestellten Datenstrom 24 von Flux-Valve-Werten auszugeben, so dass ein Datensatz 17 von horizontalen Komponenten der magnetischen Daten Xs, Ys oder von diesen entsprechenden Werten in Polarkoordinaten R,θ bereitgestellt wird.
Die Verarbeitung der Datenströme 21 und 22 durch den Prozessor umfasst insbesondere die Projektion der körperfesten Daten des dreidimensionalen magnetischen Felds auf die X/Y-Ebene und die Multiplikation mit der X/Y-Ebene des Kippsensors.
Bezugszeichenliste

10: Magnetfeldsensor
11: dreiachsiger magnetischer Sensor
12: zweiachsiger Winkelgeber
13: Prozessor
14: erstes Interface
15: zweites Interface
16: Datensatz
17: Datensatz
21, 22, 23, 24: Datenströme

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
Diese Liste der vom Anmelder aufgeführten Dokumente wurde automatisiert erzeugt und ist ausschließlich zur besseren Information des Lesers aufgenommen. Die Liste ist nicht Bestandteil der deutschen Patent- bzw. Gebrauchsmusteranmeldung. Das DPMA übernimmt keinerlei Haftung für etwaige Fehler oder Auslassungen.
Zitierte Patentliteratur

US 5530349 [0003]

Claims

Magnetfeldsensor (10) zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds, insbesondere des Erdmagnetfelds mit einem dreiachsigen magnetischen Sensor (11) zur Lieferung dreidimensionaler körperfester Daten des Magnetfelds, einem mit dem dreiachsigen magnetischen Sensor (11) in Signalkommunikation stehenden Prozessor (13) zur Datenverarbeitung und einem mit dem Prozessor (13) in Signalkommunikation stehenden ersten Interface (14) als Magnetometerausgang zur Ausgabe kompensierter, körperfester magnetischer Daten, dadurch gekennzeichnet, dass der Magnetfeldsensor (10) zusätzlich einen zweiachsigen Winkelgeber (12) aufweist, der mit dem Prozessor (13) in Signalkommunikation steht und dass der Magnetfeldsensor (10) ein mit dem Prozessor (13) in Signalkommunikation stehendes zweites Interface (15) aufweist, an dem die durch den Prozessor (13) unter Verwendung der Daten des zweiachsigen Winkelgebers (12) bestimmte horizontale Komponente des Magnetfelds abfragbar ist.
Magnetfeldsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das erste Interface (14) ein serielles Interface ist.
Magnetfeldsensor (10) nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Interface (15) zur Ausgabe von Analogwerten geeignet ist.
Verfahren zur Messung der horizontalen Komponente eines Magnetfelds, das zumindest die folgenden Schritte aufweist: – Bestimmen von körperfesten dreidimensionalen Magnetfelddaten Xm, Ym, Zr mit einem dreiachsigen magnetischen Sensor (11) – Bestimmen von Verkippungswinkeln Xw, Yw des dreiachsigen magnetischen Sensors (11) mit einem zweiachsigen Winkelgeber (12) – Berechnen der horizontalen Komponenten Xs, Ys des Magnetfelds – Ausgeben der horizontalen Komponenten Xs, Ys des Magnetfelds.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Komponenten des Magnetfelds mittels der Beziehungen Xs = Xm·cos(Xw) + Zm·sin(Xw) Ys = Ym·cos(Yw) + Zm·sin(Yw) berechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Komponenten des Magnetfelds mittels der Beziehungen Xs = Xm·cos(Xw) Ys = Ym·cos(Yw) berechnet werden.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass die horizontalen Komponenten Xs, Ys des Magnetfelds in Polarkoordinaten umgerechnet werden.
Verfahren nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass nur die Winkelinformation der berechneten Polarkoordinaten an das zweite Interface (15) weitergegeben wird.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiachsige Winkelgeber (12) durch einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser ersetzt ist.
Verfahren nach einem der Ansprüche 4 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zweiachsige Winkelgeber (12) durch einen dreiachsigen Beschleunigungsmesser ersetzt wird.