DE19523373C2 - Magnetischer Resonanzsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung beeinhaltet einen magnetischen Resonanzsensor, aus dessen Ausgangssignal mit drehzahlunabhängiger Amplitude gleichzeitig Informationen über den Abstand, die Rotationsgeschwindigkeit (Drehzahl) und die Rotationsrichtung (Drehrichtung) eines Magnetfeldes gewonnen werden können.

Bisher eingesetzte magnetische Sensoren mit drehzahlunabhängiger Ausgangsspannung beruhen auf dem großen Barkhausen-Effekt (engl. large Barkhausen effect; Abkürzung in der englischsprachigen Literatur: LBE).

Beim LBE handelt es sich um eine impulsartige vollständige Ummagnetisierung spezieller magnetischer Werkstoffe, die aufgrund ihrer Zusammensetzung und des Herstellungsverfahrens eine Vorzugsausrichtung der magnetischen Domänen besitzen. Da für die Vorzugsausrichtung der magnetischen Domänen zwei stabile Zustände existieren, werden Bauteile aus LBE-Materialien auch als bistabiles magnetisches Element (nachfolgend BME abgekürzt) bezeichnet.

Die Ummagnetisierung läuft in einer Zeitspanne von etwa 50 µs ab, woraus sich für den LBE eine Grenzfrequenz von f_Gr ≈ 20 kHz ergibt. Oberhalb von f_Gr generieren bisher gebräuchliche Sensoren kein technisch verwertbares Signal.

Da die Ummagnetisierung in LBE-Werkstoffen immer impulsartig stattfindet, wenn ein äußeres Magnetfeld eine Frequenz f < f_Gr besitzt, ist dieser Effekt für die Nutzung in magnetischen Sensoren geeignet. Bisher gebräuchliche Sensoren mit LBE- Werkstoffen lassen sich in zwei Klassen einteilen: Sensoren ohne magnetisches Erregerfeld und Sensoren mit magnetischem Erregerfeld.

Sensoren ohne magnetisches Erregerfeld werden auch als Impulsdrahtsensoren (DE Pat.-Nr. 37 29 949, DE 41 07 847, DE 38 24 075, DE 34 06 871) bezeichnet.

Durch die Kopplung von Impulsdrahtsensoren mit Auswerteelektronik können Drehzahlmeßeinrichtungen (DE 90 14 753, DE 31 12 709) realisiert werden.

Durch die Verbindung des LBE mit anderen physikalischen Wirkprinzipien ist eine größere Anzahl von Sensoren bzw. Vorrichtungen zum Patent angemeldet worden (DE 38 17 704, DE 30 08 581, DE 30 08 582, DE 30 46 804, DE 30 08 526, DE 30 08 527, DE 30 08 560, DE 30 08 561, DE 30 08 562, DE 30 08 581, DE 30 08 582, DE 30 08 583, DE 32 25 499, DE 32 25 500, DE 34 24 19, DE 34 27 582, DE 36 37 320, DE 35 38 514). Alle derartigen patentierten Lösungen weisen jedoch die Gemeinsamkeit auf, daß sie auf dem vollständigen Ablauf des LBE, d. h. der vollständigen Ummagnetisierung beruhen und damit nur bis zur Grenzfrequenz f_Gr des LBE einsatzfähig sind. Sensoren dieser Art nutzen dabei das Magnetresonanzprinzip nicht aus.

In Sensoren mit magnetischem Erregerfeld erfolgt eine ständige Ummagnetisierung der BME durch das Magnetfeld einer Erregerspule mit der Erregerfrequenz f_Err, wobei für die Erregerfrequenz wiederum die Bedingung für das Auftreten des LBE f_Err < f_Gr einzuhalten ist. Sensoren mit magnetischem Erregerfeld enthalten eine Sensorspule. Die in dieser Sensorspule induzierte Spannung U_S besitzt Spannungsspitzen infolge der Ummagnetisierung der BME in jeder Halbwelle. Durch ein äußeres Magnetfeld können die Spannungsspitzen in jeder Halbwelle des Sensorsignals je nach Orientierung des äußeren Magnetfeldes entweder verstärkt oder abgeschwächt werden. Durch die Überlagerung eines konstanten Magnetfeldes einer Arbeitspunktspule kann der Arbeitspunkt der Sensoren eingestellt werden (DE 32 41 018, DE 37 18 857, DE 40 37 052, DE 421 358).

Weiterhin sind Magnetresonanzsensoren mit weichmagnetischem Material als Spulenkern bekannt, welche nach Nutzungsart der BME-Kennlinie als auch der zur Signalanalyse notwendigen Auswertelektronik unterschieden werden können.

Eine erste Gruppe von Sensoren, u. a. repräsentiert durch (DE-G 94 12 381), nutzt dabei im Wesentlichen die beiden stabilen Arbeitspunkte des weichmagnetischen Materials (ungesättigt (U), gesättigt (G)). Diese Arbeitspunkte entsprechen den linearen Abschnitten der Magnetisierungskennlinie und sind durch Spuleninduktivitäten L_U < L_G gekennzeichnet. Der die Spule enthaltende Schwingkreis wird mit einer Frequenz f nahe der Resonanzfrequenz für einen Schwingkreis mit Induktivität L_U oder L_G angeregt.

Veränderungen des zu detektierenden äußeren Magnetfeldes H können genau dann nachgewiesen werden, wenn H die Schwellfeldstärke H_Schw über- oder unterschreitet und der Schwingkreis in Abhängigkeit des gewählten Arbeitspunktes entweder in Resonanz gebracht oder aus selbiger herausgeführt wird. Dies wiederum bewirkt einen auswertbaren sprunghaften Anstieg oder Abfall der Spannungsamplitude im Schwingkreis. Sensoren dieser Bauart sind dabei so angelegt, daß nur diese beiden Spannungen, und damit nur die beiden Fälle H < H_Schw oder H < H_schw unterschieden werden können. Dadurch kann diese Art von Sensor gut als Näherungsdetektor eingesetzt werden. Für die Messung stetiger Magnetfeldstärkeänderungen hingegen sind derartig ausgelegte Sensoren ungeeignet.

Eine zweite Gruppe von Magnetresonanzsensoren, u. a. anderem repräsentiert durch DE 195 10 519 C2, arbeitet in einem Frequenzbereich von f_Gr < f < 200 kHz und nutzt zur Erzielung einer hinreichenden Sensorempfindlichkeit ein rechteckförmiges Erregersignal mit eng definierten Signalparametern (Tastverhältnis, Pulsfolgefrequenz, Offsetspannung etc.) in Verbindung mit umfangreichen Filter- und Signalanalyseverfahren. Dabei spielt die elektrische Kopplung von Erreger- und Sensorsignal, wie sie in Einspulensystemen oder elektrisch gekoppelten Mehrspulensystemen gegeben ist, eine wesentliche Rolle, da das Antwortsignal direkt aus dem deformierten Erregersignal gewonnen wird.

Der magnetische Resonanzsensor unterscheidet sich in seiner Funktion von anderen magnetfeldempfindlichen Sensoren, die ebenfalls einen Schwingkreis einsetzen (DE 82 27 446, DE 83 16 996, DE 85 17 733, DE 90 10 779, DE 94 12 765, DE- G 94 12 381), durch die ausschließlich magnetische Kopplung von Sensor- und Erregerspule unter Nutzung eines BME als Kern des Spulensystems und die Möglichkeit, gleichzeitig Drehzahl sowie Drehrichtung und Abstand des Magnetfeldes zum Sensor zu messen. Unter Ausnutzung der spezifischen BME-Eigenschaften des Kernmaterials (starke Dämpfung von Oberwellen ab einer wohldefinierten Erregerfrequenz) kann der Sensor dabei unabhängig von der konkreten Form des Erregersignals ohne aufwendige Signalfilterung betrieben werden.

Ziel der Erfindung ist es, einen Sensor zu entwickeln, dessen Arbeitsfrequenz die im Stand der Technik ausgewiesene Grenzfrequenz f_Gr der magnetischen Sensoren mit BME als Kern deutlich überschreitet und dessen Ausgangssignal gleichzeitig Informationen über Abstand, Drehzahl und Drehrichtung des Magnetfeldes enthält. Da die Grenzfrequenz f_Gr des LBE durch objektive physikalische Prozesse festgelegt ist, muß für die Sensorfunktion ein anderes physikalisches Prinzip genutzt werden.

Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch den magnetischen Resonanzsensor und ein Verfahren zur Detektion der Lage und Lageänderung von mit Magnetfeldern wechselwirkenden Objekten realisiert (Fig. 1).

Das Resonatorsystem (Sensor) besteht aus

• - einem bistabilen magnetischen Kern (1)
• - mindestens je einer Erreger- und Arbeitspunktspule (3, 4)
• - einem Hochfrequenzschwingkreis, aufgebaut aus mindestens einer Sensorspule (5) und mindestens einem Kondensator (6).

Zum Betreiben des Sensors sind außerdem erforderlich

• - ein Hochfrequenzgenerator (2)
• - eine Gleichspannungsquelle (8)
• - eine Auswerteelektronik (7).

Der Hochfrequenzgenarator (2) speist eine vorteilhaft sinusförmige Wechselspan­ nung der konstanten Amplitude U_Err und der konstanten Resonanzfrequenz f_Res des Hochfrequenzschwingkreises in die Erregerspule (3) ein. Solange ein äußeres Magnetfeld am Sensorort eine für den Sensor charakteristische Schwellwertfeld­ stärke H_Schw nicht überschritten hat, induziert die Erregerspule über den bistabilen magnetischen Kern (1) in der Sensorspule eine sinusförmige Spannung konstanter Amplitude und gleicher Frequenz. Über dem Hochfrequenzschwingkreis wird eine sinusförmige Spannung der Resonanzfrequenz f mit konstanter Amplitude U_S als Sensorausgangsspannung abgenommen. Die Amplitude der Sensorausgangsspannung wird durch die Amplitude U_Err des Hochfrequenz­ generators (2) und die an der Arbeitspunktspule (4) anliegende Gleichspannung U_DC der Gleichspannungsquelle (8) festgelegt. Überschreitet ein äußeres Magnetfeld den Wert H_Schw, verschiebt sich der Arbeitspunkt des Sensors in den nichtlinearen Bereich der Induktions-Feldstärke-Kennlinie (B = f(H)-Kennlinie) des bistabilen magnetischen Kerns, ohne eine magnetische Sättigung oder Ummagnetisierung des Kernes zu bewirken. In der Sensorspule (5) wird eine höhere Spannung induziert, was zu einem Anstieg der Amplitude der Sensorausgangsspannung U_S führt. Un­ terschreitet das Magnetfeld den Wert H_Schw wieder, kehrt der Sensor in den durch die Arbeitspunktspule (4) festgelegten Arbeitspunkt zurück. Der Sensor liefert somit für die Dauer der Überschreitung des Wertes H_Schw einen höheren Signalwert, welches mit der Auswerteelektronik (7) bewertet wird. Die Peakamplitude des Signals U_P ist unabhängig von der zeitlichen Änderung des Magnetfeldes und nur abhängig von der maximalen magnetischen Feldstärke H_max am Sensorort, die Signalüberhöhung ist der Zeitdauer der Überschreitung des Wertes H_Schw proportional.

Die Sensorfunktion beruht auf folgenden physikalischen Vorgängen:

Die magnetischen Domänen der LBE-Werkstoffe sind auch bei hochfrequenten äußeren Erregermagnetfeldern mit f_Err < f_Gr der Kraftwirkung des Erregermagnetfeldes ausgesetzt. Da jedoch die Periodendauer des hochfrequenten Erregerfeldes T_Err < (1/f_Gr) ist, können die Domänen ihre Ausrichtung nicht vollständig ändern, sondern beginnen aufgrund ihrer Vorzugsausrichtung mit der Frequenz f_Err zu schwingen. Dieser kollektive Effekt ist auch bei f_Err < 1 MHz noch beobachtbar. Bei magnetischen Werkstoffen mit ungeordneter Lage der Domänen ist das Schwingungsverhalten deutlich schlechter, da sich die Domänen gegenseitig behindern. Das kollektive Schwingen der magnetischen Domänen in LBE- Werkstoffen führt zu einer Schwingung der magnetischen Flussdichte B mit der Frequenz f_Err. Aufgrund des Induktionsgesetzes wird in einer Sensorspule eine sinusförmige Spannung der Erregerfrequenz f_Err induziert. Wird am Sensorort ein zusätzliches äußeres Magnetfeld dem Erregermagnetfeld überlagert, kann sich je nach Orientierung des zusätzlichen Magnetfeldes aufgrund der dadurch bedingten Verschiebung des Arbeitspunktes des Sensors in der B = f(H)-Kennlinie des LBE- Werkstoffes die Sensorausgangsspannung U_S erhöhen oder verringern. Die Änderung der Sensorausgangsspannung ist jedoch bei einem Sensor, der nur aus Erregerspule, Kern aus einem LBE-Werkstoff und Sensorspule besteht zu gering, um technisch genutzt werden zu können. Um einen meßtechnisch nutzbaren Effekt zu erzielen, muß deshalb die Sensorspule mit einem Kondensator C einen Schwingkreis bilden, dessen Resonanzfrequenz f_Res = f_Err ist. Durch die Nutzung der Resonanz werden die Änderungen des Signals der Sensorspule so verstärkt, daß diese meßtechnisch auswertbar werden. Gestaltet man den Schwingkreis mit hoher Güte, was gleichbedeutend mit einer geringen Bandbreite ist, ist der Effekt der Signalverstärkung besonders ausgeprägt. Außerdem ist die Empfindlichkeit des Sensors gegen Störfelder aufgrund der geringen Bandbreite des Schwingkreises sehr klein.

Wirkt kein äußeres Magnetfeld auf den Sensor ein, liefert er ein sinusförmiges Ausgangssignal konstanter Grundamplitude U_G mit der Resonanzfrequenz f_Res des im Sensor integrierten Schwingkreises. Bei Einwirkung eines Magnetfeldes mit der Feldstärke H am Sensorort, wobei H größer sein muß als eine für den Sensorkern charakteristische Schwellwertfeldstärke H_Schw, liefert der Sensor für die Dauer der Einwirkung des Magnetfeldes einen überhöhten Signalwert mit der Peakamplitude U_P.

Aus der Breite der Hüllkurve des Impulssignals kann die Drehzahl, aus der Peakamplitude der Abstand des Sensors zum Zentrum des Magnetfeldes ermittelt werden.

Der magnetische Resonanzsensor ist als Sensor für berührungslose Drehzahl-, Drehrichtungs- und Abstandsmessungen sowie für die gleichzeitige Messung von Drehzahl, Drehrichtung und Abstand einsetzbar. Abstands-, Drehrichtungs- und Drehzahlmessungen können durch nichtmagnetische Werkstoffe mit einer Gesamtdicke bis zu 25 cm ausgeführt werden. Die Gesamtdicke der nichtmagnetischen Werkstoffe kann sich aus mehreren Komponenten zusammensetzen (z. B. Aluminiumgehäuse und Ölbad). Im Maschinen- und Motorenbau übliche Drehzahlen bis n ≈ 10⁴/min können gemessen werden. Der Sensor ist auch unter rauhen Umweltbedingungen einsetzbar (z. B. Verschmutzung der Oberflächen), bei denen optische Sensoren nicht mehr funktionsfähig sind. Durch geeignete konstruktive Maßnahmen bei der Gestaltung des Ansteuermagnetfeldes sind auch Drehwinkel meßbar.

Vorteilhafte Eigenschaften des Sensors liegen gegenüber Impulsdrahtsensoren in der wesentlich höheren Arbeitsfrequenz des Sensors, die nicht durch den LBE begrenzt wird. Der Sensor benötigt im Gegensatz zu den Impulsdrahtsensoren kein Rücksetzmagnetfeld. Seine Ansprechzeit auf ein äußeres Magnetfeld kann abhängig von der Güte des Resonanzschwingkreises deutlich unter der für den LBE charakteristischen Zeit von 50 µs liegen. Gegenüber Sensoren mit magnetischem Erregerfeld zeichnet sich die Erfindung ebenfalls durch die höhere Arbeitsfrequenz und eine einfachere Signalstruktur aus. Das mit der Erregerfrequenz modulierte Ausgangssignal läßt sich elektronisch einfach verarbeiten. Wählt man z. B. die Erregerfrequenz f_Err = 1 MHz, kann man die die für die Drehzahlmessung erforderliche Zeitmessung auf eine Auszählung der Periodenanzahl der Erre­ gerfrequenz innerhalb der Einhüllenden des Peaksignals des Sensors zurückführen.

Bei konstantem Abstand zwischen Sensor und Zentrum des Magnetfeldes ist die Breite des Peaksignals der Drehzahl umgekehrt proportional. Deshalb kann aus der Breite des Peaksignals die Momentandrehzahl ermittelt werden, während bei Sensoren, die auf dem LBE beruhen, die Drehzahl nur aus der zeitlichen Abfolge von zwei Peaks gemessen werden kann, was einer Mittelung entspricht.

Die Erfindung wird nachstehend an einem Ausführungsbeispiel näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt dabei das Schaltbild der erfindungsgemäßen Anordnung.

Der magnetische Resonanzsensor besteht hierbei aus einer Erregerspule, einer Sensorspule und einem gemeinsamen Kern, der ein mechanisch fixiertes BME enthält.

Die Erreger- und Sensorspule sind so auf dem gemeinsamen Kern angeordnet, daß die Erregerspule in der Sensorspule ein Signal mit einer Grundamplitude von etwa 3 V-5 V induziert.

Der Arbeitspunkt des Sensors kann durch eine ebenfalls auf dem gemeinsamen Kern angeordnete Arbeitspunktspule festgelegt werden, jedoch ist der Sensor auch ohne Arbeitspunktspule funktionsfähig.

Die Induktivität L_S der Sensorspule wird durch den Spulenaufbau festgelegt. Eine mögliche Gestaltungsvariante der Sensorspule ist eine zylindrische Spule mit 1000 Wicklungen eines Kupferdrahtes mit 0,1 mm Durchmesser. Für Resonanzfrequenzen f_Res zwischen 500 kHz und 1 MHz sollte die Induktivität der Sensorspule zwischen 1 mH und 10 mH betragen.

Die Kapazität des Kondensators im Schwingkreis hängt von der gewünschten Resonanzfrequenz f_Res des Sensors ab und ist nach der Schwingkreisformel von W. Thomson

zu dimensionieren.

Die Gestaltung der Erregerspule richtet sich nach der gewünschten Ausgangsspannung des Sensors. Diese wird durch das Windungsverhältnis n_Err/n_S von Erregerspule und Sensorspule festgelegt.

Zum Schutz des Sensors muß dieser von einem Gehäuse aus einem nichtmagnetischen Werkstoff umgeben sein.

Die sinusförmige Erregerspannung U_Err mit der Erregerfrequenz f_Err, für die gilt: f_Err = f_Res des Schwingkreises, wird durch einen Hochfrequenzgenerator erzeugt. Die zeitlich konstante Amplitude der Erregerspannung sollte im Bereich 5 V-12 V liegen.

Das Ausgangssignal des Sensors muß elektronisch verarbeitet werden. Möglich sind Demodulation, Peakdetektion und die Auswertung eines Schwellwertes oder mehrerer Schwellwerte.

Bezugszeichenliste

1

bistabiler magnetischer Kern

2

Hochfrequenzgenerator

3

Erregerspule

4

der Erzeugung eines Magnetfeldes dienendes Mittel

4.1

Arbeitspunktspule

5

Sensorspule

6

Kondensator

7

Auswerteelektronik

8

Gleichspannungsquelle

Claims (3)

1. Magnetischer Resonanzsensor, gekennzeichnet dadurch, daß bei einem mit der Resonanzfrequenz eines aus mindestens einer Sensorspule (5) und mindestens einem Kondensator (6) bestehenden Hochfrequenzschwingkreises betriebenen Erreger- und Resonatorsystem mit einem der Erzeugung eines Magnetfeldes dienenden Mittel (4) mindestens eine Erregerspule (3) und mindestens eine Sensorspule (5) um einen gemeinsamen, ein- oder mehrteiligen, bistabilen magnetischen Kern (1) angeordnet sind.

2. Magnetischer Resonanzsensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet dadurch, daß das der Erzeugung eines Magnetfeldes dienende Mittel (4) vorzugsweise als mindestens eine Arbeitspunktspule (4.1) ausgebildet ist.

3. Verfahren zur Detektion der Lage und Lageänderung von mit Magnetfeldern wechselwirkenden Objekten, gekennzeichnet dadurch, daß

• a) ein Hochfrequenzgenerator eine Wechselspannung einer konstanten Amplitude U_HF und einer konstanten Resonanzfrequenz f eines aus mindestens einer Sensorspule (5) und mindestens einem Kondensator (6) bestehenden Hochfrequenzschwingkreises in eine Erregerspule (3) einspeist;
• b) der Arbeitspunkt eines Sensors nach den Ansprüchen 1. und 2. auf der Induktions-Feldstärke-Kennlinie (B = f(H)-Kennlinie) durch ein auf den Sensor einwirkendes Magnetfeld festgelegt wird;
• c) die Erregerspule (3) über einen bistabilen magnetischen Kern (1) in der Sensorspule (5) eine sinusförmige Spannung konstanter Amplitude U_Err und der konstanten Resonanzfrequenz f_Res des Hochfrequenzschwingkreises induziert, solange das äußere Magnetfeld am Sensorort eine für den Sensor charakteristische Schwellwertfeldstärke H_Schw nicht überschreitet;
• d) der Sensor sich vor Überschreitung einer für den Sensor charakteristischen Feldstärke H_Schw im Arbeitspunkt A auf der B = f(H)-Kennlinie befindet;
• e) der Sensor bei Überschreitung einer für den Sensor charakteristischen Feldstärke H_Schw in den Arbeitspunkt B auf der B = f(H)-Kennlinie übergeht und sich dadurch die Amplitude U_Err der Sensorspannung vergrößert;
• f) der Sensor bei erneuter Unterschreitung der für den Sensor charakteristischen Feldstärke H_Schw wieder in den Arbeitspunkt A auf der B = f(H)-Kennlinie übergeht und sich dadurch die Amplitude U_Err der Sensorspannung verkleinert;
• g) in einer Auswerteelektronik (7) die zur Detektion der Lage und Lageänderung von mit Magnetfeldern wechselwirkenden Objekten notwendigen Informationen aus der Sensorspannung gewonnen werden.