DE3218795A1 - Elektrischer sensor zur erfassung von wegdifferenzen und von physikalischen groessen, die ein sensorglied verschieben - Google Patents

Description

• Elektrischer Sensor zur Erfassung von Wegdifferenzen und von physikalischen Größen, die ein Sensorglied verschieben.
• Die Erfindung betrifft einen Sensor zur Erfassung von Wegdifferenzen, bedingt durch äußere Krafteinwirkung auf ein Sensorglied, bzw. von physikalischen Größen, wie Druck oder Beschleunigung, die sich über die Wegdifferenz eines Sensorgliedes erfassen lassen. Ein derartiger-Sensor soll kleine Wegdifferenzen in leicht auswertbare elektrische Signale verwandeln. Er soll mit gleichbleibendem Prinzip Wegdifferenzen bestimmen, die mit äußeren Kräften linear verknüpft sind, wie zum Beispiel mit Druckkräften von Flüssigkeiten oder Gasen, mit Trägheitskräften infolge von Beschleunigungen oder Erdbeben. Dabei kann vorgesehen seing daß bei Erreichen eines vorbestimmten Beschleunigungswertes Einrichtungent wie zum Beispiel Sicherheitseinrichtungen in einem Kraftfahrzeugg ausgelöst werden.
• Es ist bekanntg zur Erfassung von Wegdifferenzen Dehnungs.-meßstreifen einzusetzeng die auf einer Membrane befestigt, bei einer Auslenkung der Membrane gedehnt werden und infolgedessen ihren elektrischen Widerstand ändern. Diese Anordnung ist mit wenig technischem Aufwand nur bei der Druckmessung einzusetzen. Für die Erfassung von Trägheitskräfteng die bei Erdbeben und allgemein Beschleunigungen auftreten# ist hierbei eine Koppelung zwischen einer Membrane und einer trägen Masse erforderlich. Diese Verbindung ist bei längerer Beanspruchung störanfällig. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Sensor zu entwickeln, der ohne Dehnungsmeßstreifen auskommt und der abgesehen von einer Anordnung zur Druckmessung auch ohne Membranen arbeitet. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwischen den Polschuhen eines Magneten, die einen zur Seite kontinuierlich breiter werdenden Spalt bilden, ein in Richtung der Spaltverbreiterung hierzu relativ beweglich angeordneter Hallgenerator als Sensorglied eingesetzt ist" der-von einer Konstantstromquelle gespeist ist, wobei die am Hallgenerator entstehende Hallepannung als Meßsignal einer Auswertungseinrichtung zuführbar ist. Durch die entsprechende Ausbildung der den magnetischen Fluß leitenden Polschuhe wird in dem kontinuierlich breiter werdenden Spalt ein kontinuierlich abnehmendes, inhomogenest magnetisches Feld erzeugt. Infolgedessen und weil die Hallspannung proportional zu der magnetischen Induktion am Ort des Hallgenerators ist, hängt die am Hallgenerator abzugreifende Hallspannung funktionell von der Eintauchtiefe des Hallgenerators in den Spalt zwischen den Polschuhen deutlich ab. Es hängt vom Anwendungsfall ab, ob man den Magneten oder den Hallgenerator als Sensorglied beweglich anordnet. So ist es zur Messung von Trägheitskräften günstig, den Magneteng der eine größere Masse hat als der Hallgenerator, beweglich aufzuhängen. Zur Erzeugung des kontinuierlich abnehmenden Feldes können die Polschuhe im einfachsten Fall plane, um einen Winkel gegeneinander geneigte Flächen aufweisen. Um Wegdifferenzen in einer Ebene, also in zwei Koordinaten, erfassen zu können, kann man die Abstände zwisch,--.i den Polschuhen des Magneten in zwei Dimensionen variieren,* Das Magnetfeld läßt sich durch einen Permanentmagneten oder durch einen El.ektromagheten erzeugen, mit den jeweils bekannten Vorteilen.
• Nach einer wesentlichen Weiterbildung kann man die deutliche Temperaturabhängigkeit des funktionellen Zusammenhanges zwischen Hallspannung und magnetischer Induktion kompensieren. Hierzu eignet sich ein zweiter Hallgenerator mit gleichem Temperaturverhalten, der In Reihe zum ersten geschaltet und zwischen planen parallelen Polschuhen eines Elektromagneten fest angeordnet ist. Der Strom durch die Spule dieses Elektromagneten ist variabel und wird so geregelt, daß die Hallspannung am zweiten Hallgenerator ebenso groß ist wie die Hallspannung am ersten Hallgenerator, oder aber diese übertrifft. Zur Regelung des Spulenstromes kann man die Hallspannungen der beiden Hallgeneratoren durch Differenzverstärker verstärken und dann einem Operationsverstärker zuführen. Dieser variiert den Spulenstrom so lange, bis die Differenz der Hallspannungen Null wird. Die sich auf diese Weise ergebende Stromstärke durch die zweite Spule ist ein temperaturunabhängiges Maß für die Eintauchtiefe des ersten Hailgenerators. Die Stromstärke und damit auch die an einem Widerstand abfallende Spannung ist zu der Eintauchtiefe proportional. Eine Angleichung der beiden Hallspannungen kann alternativ auch dadurch erfolgen, daß Analogschalter nacheinander verschiedene elektrische Widerstände mit schrittweise verringertem Widerstandswert in den Stromkreis der Spule des dem zweiten Hallgenerator zugeordneten Magneten schalten. Die Zahl der Schaltschritte des Analogschalters ist dann ein temperaturunabhängiges Maß für die Eintauchtiefe des ersten Hallgenerators.
• Mit dem Sensor nach der Weiterbildung der Erfindung wird auch der Vorteil erzielt, daß durch die Koppelung zweier identischer Hallgeneratoren, von denen nur einer in einem variablen Magnetfeld beweglich ist, allgemein Störeffekte eliminiert werden.
• Die Erfindung soll nun anhand eines in der Zeichnung grob schematisch wiedergegebenen Ausführungsbeispieles näher beschrieben werden: Fig. 1 gibt einen Grundaufbau des Sensors wieder. Fig. 2 zeigt das prinzipielle Schaltbild des Hallgenerators beim Sensor nach Fig. 1.
• Fig. 3 zeigt das Schaltbild eines temperaturkompensierten Sensors.
• Fig. 4 veranschaulicht einen Sensor zur Druckerfassung. Fig. 5 veranschaulicht einen Sensor zur Erfassung von Beschleunigungen in einer Richtung. Fig. 6 veranschaulicht einen Sensor zur Erfassung von Erdbebenkräften. Der Sensor zur Erfassung von Wegdifferenzen gemäß Fig. 1 besteht aus einem Hallgenerator 1 als Se#:,sorglied, einem EwlektromaKneten 41-, der ein Feld erz,#_i--#C-einer Konstantstromquelle 3, sowie einer Auswerteeinri chtung 4. Der-Hallgenerator 1 ist relativ beweglich in bezug den Elektrom agneten 2 zwischen dessen Polschuhen 5 in einem Spalt angeordnet. Dieser Spalt, der nach auben kontinuierlich verbreitert ist, wird von den planen um einen Winkel gegeneinander geneigten Polschuhen 5 begrenzt. Ein Strom J 1 durch die Spule 10 des Elektromagneten 20 der von der Konstantstromquelle 3 ausgeht, bewirkt in dem Spalt eine magnetische Induktion B, die nach außen abnimmt. Die Konstantstromquelle 3 erzeugt auch den Hallstrom JH9 der über die Anschlüsse 6 und 7 den Hallgenerator 1 durchfließt. Es entsteht gemäß dem Hall-Effekt an den Anschlüssen 8 und 9 des Hallgenerators 1 eine Hallspannung UHj. Sie hängt funktionell von B und damit auch von der Eintauchtiefe des Hallgenerators 1 in den Spalt zwischen den Polschuhen 5 ab und wird von der Auswerteeinrichtung 4 erfaßt.-Der Hallgenerator * 1 wird gemäß Fig. 2 von der magnetischen Induktion B durchsetzt. Senkrecht zur Richtung von B fließt über die Anschlüsse 6 und 7 der Hallstrom JHP der von der Konstantstromquelle 3 erzeugt wird, durch den Hallgenerator 1. Die magnetische Induktion B bewirkt nach dem Hall-Effekt eine Lorentzkraft s-enkrecht zur Richtung von B und von .JH auf die bewegten Elektronen des Hallstromes JH, SO daß an den Anschlüssen 8 und 9 des Hallgenerators 1 eine Hallspannung UH, entsteht. Sie wird von der Auswerteeinrichtung 4 erfaßt, die im einfachsten Fall ein handelsübliches Spannungsmeßgerät sein kann. Um temperaturabhängige Schwankungen der Hallspannung LTH, zu eliminieren , wird nach Fig. 3 ein zweiter Hallgenerator 11 in Reihe zu dem Hallgenerator 1 geschaltet. Sie werden,wie auch die felderzeugende Spule 10 des Elektromagneten 2, von einer Konstantstromquelle 3 versorgt. Durch die Spule 10 fließt der konstante Strom JTJ,. während der Hallstrom JH über die Anschlüsse 6 und 7 durch den Hallgenerator 1 und über die Anschlüsse 61 und 71 durch den Hallgenerator 11 fließt. Der Hallgenerator 1 ist zum Magnetfeld relativ beweglich angeordnet, indessen ist der Hallgenerator 11 im Spalt zwischen planen und parallelen Polschuhen 24 eines zweiten Elektromagneten 25 fest montiert. Der Strom 12 durch dessen felderzeugende Spule 12 ist variabel und wird so gewählt, daß die Hallspannung UH2 an den Anschlüssen 81 und 91 des Hallgenerators 11 ebenso groß oder größer ist als die Hallspannung UH, an den Anschlüssen 8 und 9 des Hallgenerators 1. Dazu werden die Hallspannungen UH1 und UH2 Jeweils über Differenzverstärker 13 bzw. 14 einem Operationsverstärker 15 zugefUhrt, der die Stromstärke 12 durch die Spule12 variiert bis die Hallspannungen UH1 und UH2 gleich sind.Der Strom J2 bzw. die an einem Widerstand 16 abfallende Spannung U ist dann ein Maß fÜr die Eintauchtiefe des Hallgenerators 1 in das von dem Elektromagne±en 2 erzeugte inhomogene, magnetische Feld zwischen den Polschuhen 5 gemäß Fig. 1. Die Eintauchtiefe des Hallgenerators 1 im Magnetfeld kann durch verschiedenartige Kräfte verändert werden. Eine Membrane 17 nach Fig. 4 wird vom Druck P eines Mediums beaufschlagt. Die dadurch bewirkte Auslenku-i-, Membrane 17 läßt sich mechanisch auf einen Hallgenerator 1 übertragen.
• Um Beschleunigungskräfte in einer Richtung zu erfase#,eA, wird gemäß Fig. 5 eine Masse 18 an einer Feder 19 be- festigt und mit einem Dämpfungsglied 20 versehen. Eine Auslenkung der Masse 18 wird mechanisch auf einen Blektromagneten 2 nach Fig. 1 übertragen. Der Hallgenerator 1 ist dann unbeweglich fest montiert und das Magnetfeld bewegt sich.
• I Zur Bestimmung von Erdbebenkräften ist es günstig, anstelle des Elektromagneten 2 einen Permanentraagneten 21 gemäß Fig. 6 mit Stahlfedern 22 und 23 seismisch aufzuhängen. Der Hallgenerator 1 ist im Feld des Permanentmagnetet 21 fest montiert, wobei der Permanentmagnet 21 ausgelenkt werden kann.

Claims (2)

1. Patentans2rüche 'Sensor zur Z-rfass.iir-j" von Wegdifferenzen,bedingt durch äußere Krafteinwirkung auf ein Sensorglied, bzw. "r(u# physikalischen Größen '. wie Druck oder Beschl-r-,unJgii-ig, die sich über die Wegdifferenz elnes e-,-fassen lassen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h - n e t, daß zwischen den Polschuhen (5) eines Magneter. (2), die einen Zur Seite kontinuierlich breiter werdenden Spalt bilden, ein in Richtung der Spaltverbreiterung hierzu relativ beweglich angeordneter Hallgenerator (1) als Sensor,glied eingesetzt ist, der von einer Konstantstromquelle (3) gespeist ist, wobei die am Hellgenerator (1) entstehende Hallspannung als Meßsignal einer Auswertungseinrichtung (4) zufUhrbar ist.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1 zur Erfassung von Wegdifferlenzen infolge von Beschleunigungsvorgängen, d a d u r c g e k e n n z e i c h n e t, daß der Hallgenerator (1) fest und der felderzeugende Magnet (2) als Sensorglied beweglich angeordnet ist. 3. Sensor nach Anspruch 1 zur Erfassung von Wegdifferenzen des Sensorgliedes, die mit einem auf das Sensorglied wirkenden Druck von Gasen oder Flüssigkeiten hervorgerufen werden, d a d u r c h g e k e n n z e i c h -n e t, daß der felderzeugende Magnet (2) fest montiert und der Hallgenerator (1) mit einer Membran (17) eines Gefäßes für Gase oder Flüssigkeiten mechanisch verbunden ist. 4. Sensor nach ein.em der Ansprüche 1 bis 3, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß die Pol-Schuhe (5) des Magneten (2) plane, um einen Winkel gegeneinander geneigte Flächen aufweisen. 5. Sensor nach einem dur Ansprüche g e k e n n z e i c h ii e t, claf3 die ADGi-än##e den Polschulien (5) des Magneten (e2) in zwei variieren. 6. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a d u.r c h g e k e n n z e i c 11 n e t, daß der Magr#,zr# (2) eine auf einem Kern aus magnetischem Material an- geordnete Spule (10) aufweist, die mit einer Konstant- stromquelle (3) verbunden ist. 7. Sensor nach einem der Ansprüche 1 bis 5, d a -d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß der Magnet (2) ein Permanentmagnet ist. 8. Verfahren zur Kompensation von temperaturabhängigen Schwankungen der am Hallgenerator (1) des Sensors nach Anspruch 1 abzugreifenden Hallspannung, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß ein zweiter Hallgenerator (11) mit gleichem Temperaturverhalten in Reihe zum ersten geschaltet und zwischen planen, parallelen Polschuhen (24) eines Elektromagneten (25) fest angeordnet ist und daß der Strom durch die Spule (142) des Elektromagneten (25) variabel ist und so geregelt wird, daß die Hallspannung am zweiten Hallgenerator (11) ebenso groß ist wie die Hallspannung am ersten Hallgenerator (1) oder diese übertrifft. 9. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß die Hallspannungen der beiden Hahgeneratoren (1 und 11) durch Differenzverstärker (13 und 14) verstärkt und dann einem Operationsverstärker (15) zugeführt werden, der die Stromstärke variiert, bis die Hallsparinungen gleich sind, wobei da= die Stromstärke durch dIe Spule des dem zwoJ-ten Hallgenerator (11) zugeordneten Elektromagneten (25) ein temperaturunabhängigez Maß für die Eintauchtiefe des ersten Hallgenerators (1) ist. 10. Verfahren nach Anspruch 8, d a d u r, c h g e -k e n n z e i c h n e t, daß Analogschalter nacheinander verschiedene elektrische Widerstände mit schrJtl.-weise verringertem Widerstandswert in den Stromkreis der Spule (12) des dem zweiten Hallgenerator (11) zugeordneten Blektromagneten'(25) schalten, bis dessen Hallspannung diejenige am ersten Hallgenerator (1) übertrifft, wobei dann die Zahl der Schaltschritte des Analogschal.-ters ein temperaturunabhängiges Maß für die Eintauchtiefe des ersten Hallgenerators (1) ist.