DE2206856A1

DE2206856A1 - Einrichtung zum Sensieren magnetischer Felder

Info

Publication number: DE2206856A1
Application number: DE19722206856
Authority: DE
Inventors: Shinjiro; Ichioka Satoshi; Toda Saitama; Inoue Tadashi; Shirosaka Masaki; Tokio; Takeuchi (Japan)
Original assignee: Mishima Kosan Co. Ltd., Kitakyushu, Fukuoka (Japan)
Priority date: 1971-04-30
Filing date: 1972-02-14
Publication date: 1972-11-16
Also published as: GB1388875A; CA961549A; FR2134347A1; JPS5134308Y2; JPS4731763U

Description

Einrichtung zum Sensieren magnetischer Felder

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Einrichtung zum Sensieren magnetischer Felder, welche die Stärke und Polarität eines äußeren Magnetfeldes mit hoher Empfindlichkeit erfassen kann mittels eines magnetischen Detektors unter Anwendung eines Resonanzkreises, der aus einem magnetischen Detektorkern (nachfolgend als Magnetkern bezeichnet), einer nichtlinearen Induktanz und einem Kondensator besteht.

In einer bekannten Einrichtung zur Erfassung magnetischer Felder wird als magnetischer Detektor von Suchspulen, Hall-Sonden, Flux Gates, Mehrfrequenzschwingern und dergl. Gebrauch gemacht. Dabei kann außer bei der Suchspule die höchste magnetische Sensierungsempfindlichkeit durch die magnetische Charakteristik des Werkstoffes des Magnetfeldsensors bestimmt werden, z.B. durch die Hall-Konstante bei der Hall-Sonde, durch die magnetische Charakteristik des

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Magnetkerns beim Flux Gate und durch den RemanenzfluB bei Mehrfrequenzschwingern. Es ist daher schwierig, die Empfindlichkeit zu verbessern, ohne für jedes System den am besten geeigneten Werkstoff zu entwickeln. In der Erkenntnis, daß

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der Remanzfluß 4^er hartmagnetischen Komponente eines magnetisch dünnen Films sehr klein ist, wurde z.B. bei einer Einrichtung zur' Sensierung magnetischer Felder, welche einen konventionellen Multifrequenzschwinger verwendet, versucht, diesen Nachteil dadurch zu'beseitigen, daß der Remanenzfluß insgesamt so klein wie möglich gemacht wurde. Aber es ist schwierig, einen magnetischen Werkstoff zu fabrizieren, dessen Remanenzfluß fast Null ist, so daß diese Idee praktisch uninteressant ist.

Die vorliegende Erfindung hat das Ziel, eine Einrichtung zum Sensieren magnetischer Felder zu schaffen, welche die Stärke und Polarität des schwachen Magnetfeldes in der axialen Richtungskomponente eines Magnetfeldsensors erfaßt, wobei der oben beschriebene Nachteil vermieden und die Resonanzspannungs-Phasencharakteristik im Hinblick auf die Gestaltung der Schaltanordnung ausgenutzt wird. Diese Ausnutzung erfolgt ohne Rücksicht auf die magnetische Charakteristik, insbesondere den Remanzfluß des magnetischen Werkstoffs des Kerns, und unter Anwendung der Modulations-, der Oszillations- oder der Modulations-Oszillationsbetriebsart des Resonanzkreises.

Nach der Erfindung enthält eine Einrichtung zum Sensieren magnetischer Felder einen Magnetfeldsensor, einen Resonanzkreis, der gebildet ist durch den Anschluß eines Kondensators an einem Magnetfeldsensor, eine Einrichtung zum Wirksamwerden-lassen eines negativen Rückführstromes auf den Magnetfeldsensor und eine Einrichtung zum Erfassen der Stärke und Polarität eines äußeren Magnetfeldes aus dem negativen Rückführstrom. Der Magnetfeldsensor besteht aus einer um

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einen Magnetkern gewickelten Spule. Der Magnetkern ist hergestellt durch direkte oder indirekte Beschichtung eines Kernleiters mit einem ferromagnetisch dünnen Film.

Mit der erfindungsgemäßen Einrichtung kann ein äußeres Magnetfeld mit sehr hoher Empfindlichkeit gemessen werden,

—7 "beispielsweise mit einer solchen von weniger als 10 ' Gauß, das ist also bei weitem empfindlicher als mit den "bisher bekannten entsprechenden Einrichtungen, deren höchste Empfindlichkeit bei etwa 10 Gauß liegt.

Die spezifische Natur und die vorteilhaften Eigenschaften der erfindungsgemäßen Einrichtung ergeben sich aus der folgenden detaillierten Beschreibung einer typischen Ausführungsform im Zusammenhang mit der beigefügten Zeichnung. Darin zeigen im einzelnen

Fig. 1a bis 1c konstruktiv-schaltungstechnische Darstellungen des Magnetfeldsensors, der bei der erfindungsgemäßen Einrichtung benutzt wird,

Fig. 2a und 2b räumliche Darstellungen von Ausführungsformen des Magnetkerns, der in dem Sensor nach Fig. 1 benutzt ist,

Fig. Ja die Spannungs-Phasenkennlinie des Resonanzkreises, Fig. 5b Wellenformen der Resonanzspannung,

Fig. H- ein Blockschaltbild zur Erklärung des grundsätzlichen Aufbaues der erfindungsgemäßen Einrichtung und

Fig. 5 ein Blockschaltbild einer Ausführungsform der erfindungsgemäßen Einrichtung.

Fig. 1a zeigt einen Sensor zum Sensieren eines parallelen Magnetfeldes, und die Figuren 1b und 1c zeigen Sensoren in differentieller oder differentiierender Form, die geeignet sind zum Sensieren eines partiellen Magnetfeldes oder der Turbulenz eines partiellen Magnetfeldes. In diesen Figuren

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sind 1 und 2 die Anschlüsse eines Erregerkreises, mit dem ein magnetisches Wechselfeld auf einen Magnetkern 3 zur Einwirkung gebracht werden kann. Der Magnetkern 3 "besteht aus einem Leiter mit den Anschlüssen 1 und 2 und einem magnetischen Werkstoff. Als Verfahren zum Herstellen dieses magnetischen Kerns möge ein Verfahren angeführt werden, bei dem der magnetische Werkstoff direkt auf den Leiter geschichtet wird, oder ein Verfahren, bei dem diese Beschichtung indirekt erfolgt oder dergl. Als Ausführungsform des erstgenannten Verfahrens kann man einen Magnetkern herstellen durch Adhärieren einer magnetischen Substanz 5» wie z.B. Permalloy, auf die äußere Oberfläche eines Kernleiters 4-z.B. eines Kupferdrahtes, sowie durch Ablagern oder durch Galvanisieren, oder man kann einen magnetisch dünnen Film in Schichten auf den Kernleiter auflegen oder ihn umwickeln. Fig. 2a zeigt eine Ausführungsform eines stabförmigen Magnetkerns, der nach einem dieser Verfahren hergestellt ist.

Ein Ausführungsbeispiel des zweiten obengenannten Verfahrens ist in Fig. 2b gezeigt. Danach wird ein Isolierwerkstoff 6, z.B. Glas oder dergl., um die äußere Oberfläche des Kernleiters 4- gelegt, dann wird die magnetische Substanz 5 in der oben beschriebenen Weise um die isolierende Schicht gelegt, oder es wird die magnetische Substanz um die Oberfläche eines Isolierwerkstoffs, z.B. eines zylindrischen Glasrohres, gelegt und dann ein Leiter wie z.B. ein Kupferdraht in dieses eingesetzt.

Außerdem kann der Magnetkern auch hergestellt werden durch Ausbildung des Leiters und der magnetischen Substanz oder des Leiters, des Isolierwerkstoffs und der magnetischen Substanz in einer flachen, quadrischen, säulenförmigen oder zylindrischen Gestalt sowie in einer einfachen oder doppelten Schicht.

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Nachfolgend wird eine magnetische Substanz für den Magnetkern 5 im einzelnen erklärt.

Sie kann als offener Magnetkreis oder als geschlossener Magnetkreis in einer geraden oder gekrümmten Linie in Richtung der magnetischen Sensierungsachse ausgebildet werden oder als geschlossener Magnetkreis in einer zur Sensierungsachse senkrechten Richtung. Endlich kann die Substanz auch anisotrop sein.

7 ist eine um den Magnetkern 3 gewi.ckelte Spule, die so geformt ist, daß keine induzierte Spannung an den Klemmen 9 und 10 entsteht, da der Erregerwechselstrom mit der Spule 7 rechtwinklig verkettet ist. Anstelle des direkten Wickelverfahrens kann die Spule 7 auch indirekt um die äußere Oberfläche des Magnetkerns 3 gewickelt werden. Falls beispielsweise die magnetische Substanz stangenförmig ist, kann die Spule 7 zuvor auf eine Röhre, z.B. eine Glasröhre, gewickelt werden, in welche dann der vorbereitete Magnetkern 3 eingesetzt wird.

Verglichen mit dem direkten Wickelverfahren ist das indirekte vorteilhafter· Wenn nämlich nach dem direkten Bewickeln die Stromkreisbedingungen noch nicht erfüllt sind, so muß nicht. nur der Magnetkern 3» sondern auch die Spule 7 weggeworfen werden. Wird jedoch das indirekte Wickelverfahren angewendet, so kann die Spule 7 weiterbenutzt und ihr Kern gegen einen anderen Kern ausgetauscht werden. Es ist auch wirtschaftlich und vorteilhaft, die magnetische Charakteristik zu überwachen, d.h. schon beim Produzieren der magnetischen Substanz festzulegen, ob sie eine Funktion als Magnetkern haben wird oder nicht.

Ein Kondensator θ ist zwischen die Klemmen 9 und 10 dieser nichtlinearen Induktanz eingeschaltet, so daß sie mit diesem einen Schwingkreis bildet.

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11 ist eine Impedanz, die einen etwa durch den Resonanzkreis fließenden Resonanzstrom vollkommen verhindern kann, und ein Stromkreis 12-11-9-7-10-14 ist ein negativer Rückführkreis, dessen Strom ein äußeres Magnetfeld kompensiert.

Solange ein Erregerwechselstrom an die Klemmen 1 und 2 angelegt ist und die nichtlineare Induktanz mit dem Kondensator einen Resonanzkreis bildet, kann die Wellenform dieses Erregerwechselstromes beliebig sein. Die Phasenlage der Resonanzspannung e~ , die in diesem Resonanzkreis erzeugt wird, kann entweder 0 oder 3t sein. Welche der beiden Phasenlagen vorhanden ist, bestimmt sich nach der Polarität des zu sensierenden Magnetfeldes, welches sich in der axialen Sensierungsrichtung erstreckt.

Wenn sich der Resonanzkreis in schwingendem Zustand befindet, kann die Beziehung zwischen der magnetischen Feldstärke H und der Resonanzspannung e- durch eine Resonanzspannungs-Phasenkennlinie und eine Resonanzspannungs-Wellenform dargestellt werden, wie sie in den Figuren 3a und 3b gezeigt sind. Die Spannungs-Phasenkennlinie hat jedoch Hysterese, so daß es schwierig ist, ein Magnetfeld zu sensieren, das kleiner als die Hysteresebreite 2AHh ist. Die Feldstärke 2AHh bestimmt somit die maximale Sensierungsempfindlichkeit.

Um dieses Problem zu lösen, sieht die Erfindung eine Einrichtung vor, bei der ein dem zu sensierenden Magnetfeld entsprechender negativer Rückführstrom angewendet wird und ein magnetisches Wechselfeld mit einem Spitzenwert AHh auf den negativen Rückführkreis wirkt, so daß die Messung des Magnetfeldes mit höchster Empfindlichkeit möglich wird.

Im folgenden wird die Wirkungsweise einer Einrichtung zum Sensieren magnetischer Felder nach der vorliegenden Erfindung im einzelnen erläutert. Die Einrichtung enthält einen Magnet-

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feldsensor mit einem Magnetkern aus einem magnetisch dünnen Film mit uniaxLaler Anisotropie, dessen magnetische Vorzugsrichtung in Umfangsrichtung verläuft.

In Fig. 4 stellt 15 einen Erregerstrom-Versorgungsteil dar, 16 ist ein Magnetfeldsensor, 17 ist ein Signalprozessor, 18 ist ein Steuerteil und 19 ein äußeres Magnetfeld.

Wenn der äußere Erregerstrom in dem Erregerstrom-Versorgungsteil 15 erzeugt und an die Klemmen 1 und 2 des Magnetfeldsensors angelegt wird, kann eine Resonanzspannung e^ an den Klemmen 15 und 14 des Resonanzkreises beobachtet werden.

Nachfolgend wird auf Fig. 3b Bezug genommen. Beim Signaldurchlauf durch den Signalprozessor 17 erhält man entsprechend der Differenz zwischen den positiven und negativen Amplituden der Ausgangswelle e^ des Magnetfeldsensors 16 ein Amplitudendifferenz signal, das von der Phasenlage der Resonanzspannung abhängig ist. Dieses Signal wird integriert und verstärkt und, wie in Fig. 4 gezeigt, vom Steuerteil 18 auf den Magnetfeldsensor 16 als negativer Rückführstrom zur Wirkung gebracht, um das zu sensierende Magnetfeld zu kompensieren. Das Magnetfeld kann somit sensiert werden durch Gewinnung eines vom äußeren Magnetfeld abhängigen Signals aus dem negativen Rückführstrom.

Um die Wirkungsweise verständlich zu machen, wird diese für den Fall erläutert, daß der Resonanzkreis im schwingenden Zustand ist.

Es wird davon ausgegangen, daß sich die Resonanzspannung in der 71-Phasenlage befindet und ein so großer negativer Rückführstrom über die Klemmen 12 und 14 fließt, daß das äußere und auf die Magnetfeldsonde 16 einwirkende Magnetfeld Η_Ω__ kompensiert ist. Die Spannungs-Phasenkennlinie nach Fig. 3a zeigt,

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daß die Phasen- und Amplitudenwerte der Ausgangsspannung sich zunächst nicht verändern. Wenn jedoch der negative Rückführstrom verstärkt wird, so nimmt das kompensierende Magnetfeld, das eine entgegengesetzte Polarität wie das zu sensierende Magnetfeld hat, auf den Magnetfeldsensor Einfluß, so daß die" Phasenlage der Resonanzspannung auf O umspringt. Als Ergebnis davon wird anschließend der negative Rückführstrom verringert.

Wenn die O-Phasenlage jedoch langer als eine gewisse Zeit aufrechterhalten wird, dann nimmt der negative Rückführstrom stetig ab, und die Phasenlage der Resonanzspannung schlägt wieder in die ursprüngliche 3t-Phasenlage um.

So erhält das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 16 eine Polarität, die von der Phasenlage, und eine Amplitude, die von der Dauer des Auftretens dieser Phasenlage der Resonanzspannung abhängt. Entsprechend dieser Polarität und dieser Zeitdauer nimmt das Ausgangssignal zu oder ab. Aber diese Ausgangsseite des Magnetfeldsensors 16 stellt den negativen Rückführkreis dar, so daß am Ausgang des Signalprozessors ein negativer Rückführstrom erscheint, der eine Wechselstromkomponente enthält, deren Spitzenwert gleich einemAHh entsprechenden Strom ist, sowie eine Gleichstromkomponente, die von dem zu sensierenden Magnetfeld abhängt.

Deshalb wird die Messung des magnetischen Feldes möglich, wenn Mittel vorgesehen sind, um die Wechselstromkomponente, das Rauschen oder dergl. im negativen Rückführstrom zu unterdrücken und nur den vom zu sensierenden Magnetfeld abhängigen Strom auszusondern, z.B. durch ein Filter oder ein Integriernetzwerk, und wenn dieser vom magnetischen Feld und seiner Polarität abhängige Strom nach dem Bezugsmagnetfeld geeicht ist.

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Der Steuerteil 18 sollte folgende Funktion haben: Erzeugung des negativen Rückführsignals für den Magnetfeldsensor, Aussonderung des vom äußeren Magnetfeld abhängigen Signals aus dem negativen Rückfuhrstrom und Anzeige dieses Signals, Erzeugung eines Steuersignals, Kompensation des Umgebungsmagnetfeldee oder dergl. Der Steuerteil 18 ist z.B. so konstruiert, daß der Ausgangsstrom des Signalprozessors 17 als negativer Bückführstrom zum Magnetfeldsensor 16 gelangt, während ein Teil davon über ein Filter oder ein Integrieroder Verstärkernetzwerk geschickt wird, um die Wechselstromkomponente, das Rauschen oder dergl. zu unterdrücken, so daß die von dem zu sensierenden Magnetfeld abhängige Stromstärke und ihre Polarität einfach durch ein Zeigermeßwerk oder ein digitales Anzeigesystem angezeigt werden kann. Es ist möglich, den Eesonanzkreis als Oszillationskreis, als Modulations- oder Modulations-Oszillationskreis zu betreiben. Als Modulationskreis geht die Hysterese der Spannungs-Phasencharakteristik verloren, so daß die Wechselstromkomponente wie beim Oszillationskreis nicht als negativer Rückführstrom fließt. Dagegen fließt der vom äußeren Magnetfeld abhängige Strom.

Fig. 5 zeigt ein Beispiel der Anordnung nach der Erfindung im Detail. Der Erregerstrom-Versorgungsteil 15» der auch in. Fig. 4 gezeigt ist, besteht aus einem Oszillator 21 und einem Verstärker 22. Der Magnetfeldsensor 16 wird erregt von einer ungedämpften Ausgangsschwingung des Verstärkers 22. Wenn dieser Erregerstrom so eingestellt wird, daß der Resonanzkreis des Magnetfeldsensors 16 mit mehreren Frequenzen schwingt und in schwingendem Zustand gehalten wird, dann erhält auch das Aüsgangssignal der Magnetfeldsonde 16 die Wellenform einer Mehrfrequenzschwingung. Ein Signalprozessor 17 besteht aus einem Detektor 23» einem Verstärker 2A- und einem Integrator 25· Dementsprechend wird das Ausgangssignal des Magnetfeldsensors 16 auf den Detektor 23 gegeben, wobei eine Amplitudendifferenz der mit mehreren Frequenzen schwingenden Spannung sofort in

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eine Gleichspannung umgesetzt wird. Diese Gleichspannung wird verstärkt im Verstärker 24, integriert im Integrator 25, der eine entsprechende Zeitkonstante hat, und danach auf den Steuerteil 18 gegeben. Der Steuerteil 18 besteht aus einer das Umgebungsfeld kompensierenden Stromversorgung 20, einem Verstärker 26 und einem Signalindikator 27. Das Ausgangssignal des Integrators 25 wird verstärkt im Verstärker 26 und negativ zu dem Magnetfeldsensor 16 zurückgeführt, wodurch ein Hysterese-Schwingkreissystem gebildet wird. Dann werden eine von dem äußeren Magnetfeld abhängige Signalkomponente und die Wechselstromkomponente, die von der Zeitkonstante des Integrierkreises 25 und der Hysteresebreite der Spannungs-Phasenkennlinie bestimmt wird, dem negativen Bückführstrom überlagert. Das vom äußeren Magnetfeld abhängige Signal kann aus dem negativen Rückführstrom ausgesondert und im Indikator angezeigt werden.

Als Indikator kommt eine analoge Anzeige, eine Digitalanzeige oder dergl. in Frage, das ausgesonderte Signal kann aber auch als Steuersignal zur Bedienung anderer Hilfsgeräte benutzt werden.

Die erwähnte Gleichstromkomponente und die Gleichspannung können auch eine Wechselstromkomponente bzw. -spannung sein, wenn sie eine ausreichend kleinere Frequenz als die Erregerfrequenz haben. 20 ist eine Stromversorgung zum Kompensieren des Umgebungsfeldes und zum Erfassen und Sensieren des gewünschten mikromagnetischen Feldes, das im Umgebungsfeld enthalten ist. Wenn deshalb der dem Umgebungsfeld oder dem zu sensierenden Magnetfeld entsprechende Kompensierungsstrom von der Stromversorgung 20 zum Magnetfeldsensor und dessen Spule 7 fließt, kann das Umgebungsfeld ausgelöscht werden.

Mittels eines Operationsverstärkers zum Verhindern der Mehrfrequenz schwingung der Ausgangsspannung kann im Signalprozessor

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die Funktion eines Detektors, eines Verstärkers und eines Integrators synthetisch herbeigeführt werden.

Aus der Beschreibung geht hervor, daß, verglichen mit den bekannten Einrichtungen, das äußere Magnetfeld mit Hilfe der erfindungsgemäßen Einrichtung mit hoher Empfindlichkeit und Präzision sensiert werden kann, so daß die vorstehend beschriebene Einrichtung ein weites Anwendungsfeld als Präzisions-Strommeßeinrichtung hat, ebenso als Einrichtung zum Erkennen magnetmetallischer Partikel oder solcher, die Eisenerz oder Eisen ähnlich sind, als Einrichtung zum Auslesen jeder Art magnetischer Karten oder magnetischer Datenträgals Empfänger für ein Nachrichtenübertragungssystem im Wasser, in der Erde, in der Luft oder zwischen diesen Medien, als Einrichtung zum Auslesen analoger magnetisch gespeicherter Informationen, zur magnetischen Bruchstellenerkennung und aergl.

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Claims

Patentansprüche

1.) Einrichtung zum Sensieren magnetischer Felder, gekennzeichnet durch eine nichtlineare Induktanz, einen Resonanzkreis, eine Einrichtung zum Wirksam-werden-lassen eines negativen Rückführstromes auf die nichtlineare Induktanz, eine Einrichtung zum Sensieren der Stärke und Polarität eines äußeren Magnetfeldes aus dem negativen Rückführstrom mittels einer asymmetrischen Eigenschaft der Amplitude einer Spannungsschwingung, die in dem Resonanzkreis entsteht, wodurch das äußere Magnetfeld erfaßt werden kann.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine nichtlineare Induktanz, bestehend aus einem Magnetkern (3), der durch direkte oder indirekte Beschichtung eines Kernleiters (4) mit einem ferromagnetisch dünnen PiIm (5) entstanden ist, und aus einer darauf gewickelten Spule (7).

3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonanzkreis gebildet ist durch Anschließen eines Kondensators (8) an die Klemmen der nichtlinearen Induktanz.

4-, Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung zum Wirksam-werden-lassen des negativen Rückführströmes aus einem Stromversorgungsteil (20) zum Kompensieren des äußeren Magnetfelds, einem Verstärker (26) und einem Indikator (27) besteht.

5· Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Erregerstrom-Versorgungsteil (15) und einen Signalprozessor (17).

6. Einrichtung nach Anspruch 5» dadurch gekennzeichnet, daß der Erregerstrom-Versorgungsteil (15) aus einem Oszillator (21) und einem Verstärker (22) besteht, wobei der Oszillator eine Resonanzspannung in χ-Phasenlage liefert.

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7. Einrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Signalprozessor (17) aus einem Detektor (23), einem Verstärker (24-) und einem Integrator (25) besteht.

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