DE3339066A1

DE3339066A1 - Magnetic field sensor

Info

Publication number: DE3339066A1
Application number: DE19833339066
Authority: DE
Inventors: Erich J. 8501 Rückersdorf Niebler
Original assignee: Diehl GmbH and Co
Current assignee: Diehl Verwaltungs Stiftung
Priority date: 1983-10-28
Filing date: 1983-10-28
Publication date: 1985-05-09
Also published as: DE3339066C2

Abstract

A magnetic field sensor (1) having two pick-up coils (2, 3) which are connected in opposition in series, especially for obtaining a detonating signal (7) for explosive devices (9) such as mines, is intended to be designed for a high response sensitivity. To this end, it is equipped with two flat coils (2, 3) which are arranged concentrically one inside the other and have very different diameters (d, D), the numbers of turns on which coils are inversely proportional to the mean coil cross-sectional areas. Since, in consequence, both coils (2, 3) - independently of direction in the coil planes - detect parts of the range-dependent response of the field strength originating from the object moving past it, which parts are highly different from one another, the result is a voltage difference (du), which is large in comparison with the noise level, for driving the evaluation circuit (4) and nevertheless for good compensation of the interfering effects from the earth's magnetic field. Higher frequency electromagnetic interfering effects are suppressed by the coils (2, 3) being surrounded by a housing (8) consisting of material which is electrically conductive but cannot be magnetised. <IMAGE>

Description

Magnetfeldsensor Magnetic field sensor

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a magnetic field sensor according to the preamble of claim 1.

Ein solcher Magnetfeldsensor ist aus der DE-OS 25 46 659 bekannt. Mit dem resultierenden Ausgangssignal der beiden gegensinnig hintereinander-geschalteten Spulen wird dort ein Operationsverstärker gespeist; der kapazitiv beschaltet ist, also als Integrator zur frequenzabhängigen Dämpfung höherfrequenter Signalanteile arbeitet, wie es allgemein bei der Auswertung induktiver Signale zur Dämpfung der höherfrequenten Störeinflüsse üblich ist.Such a magnetic field sensor is known from DE-OS 25 46 659. With the resulting output signal of the two oppositely connected in series Coils an operational amplifier is fed there; which is capacitively wired, as an integrator for frequency-dependent attenuation of higher-frequency signal components works as it generally does when evaluating inductive signals for damping the higher-frequency interference is common.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnetfeldsensor gattungsgemäßer Art derart auszulegen, daß er bei guter Kompensation des Erdmagnetfeldes eine empfindliche Ansprechcharakteristik hinsichtlich der von einem magnetisch strahlenden Objekt herrührenden, entfernungsabhängigen Feldstärke-Schwankang aufweist.The invention is based on the object of providing a magnetic field sensor of the generic type Kind to be interpreted in such a way that with good compensation of the earth's magnetic field it is a sensitive one Response characteristics with regard to that of a magnetically radiating object having originating, distance-dependent field strength fluctuations.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gelöst, daß der gattungsgemäße Magnetfeldsensor auch die Kennzeichnungsmerkmale des Anspruches 1 aufweist.According to the invention, this object is essentially achieved by that the generic magnetic field sensor also has the characteristics of the claim 1 has.

Diese Lösung ergibt einen sehr kompakt aufbaubaren Magnetfeldsensor, der in der Spulenebene richtungsunempfindlich bei hoher Ansprechempfindlichkeit arbeitet. Denn die beiden gegensinnig in Serie geschalteten, konzentrisch angeordneten Spulen können sehr unterschiedliche Spulendurchmesser, also Spulenflächen, aufweisen und damit schon bei schwachen Feldstärke-Gradienten eine deutliche Spannungsdifferenz ohne verfälschende Erdmagnetfeldbeeinflussung an die Auswerteschaltung liefern, weil die Erdfeld-Kompensation technisch einfach über die der Spulenfläche umgekehrt proportionale Windungszahl der jeweiligen Spule im Verhältnis zur anderen Spule realisierbar ist.This solution results in a very compact magnetic field sensor, the one in the coil plane insensitive to direction with high sensitivity is working. Because the two concentrically arranged, oppositely connected in series Wash can have very different coil diameters, i.e. coil areas, and thus a clear voltage difference even with weak field strength gradients deliver to the evaluation circuit without distorting the earth's magnetic field, because the earth field compensation is technically simply reversed via that of the coil surface proportional number of turns of the respective coil in relation to the other coil is feasible.

Diese Spulen-Paarung, einschließlich ihrer Auswerteschaltung, lässt sich in ein flachzylindrisches Gehäuse einbauen und so als kompakter Magnetfeld-Zünderbausatz an Sprengmitteln wie Minen montieren. Das Gehäuse besteht vorzugsweise aus nichtferromagnetischem Metall. Denn darin bewirkt es gleichermaßen eine gute Abschirmung beider Spulen und der Auswerteschaltung gegen elektrische Umfeldstörungen wie auch, aufgrund der frequenzproportionalen Wirbelstromverluste, eine mit der Frequenz der Wechselfeldstärke ansteigende Dämpfung der Empfindlichkeit des Magnetfeldsensors; wodurch sich schaltungstechnische Maßnahmen zur Gewährleistung eines Integratorverhaltens der Auswerteschaltung erübrigen.This coil pairing, including its evaluation circuit, leaves can be installed in a flat cylindrical housing and thus as a compact magnetic field detonator kit mount on explosives such as mines. The housing is preferably made of non-ferromagnetic material Metal. This is because it also provides good shielding for both coils and the evaluation circuit against electrical environmental disturbances as well as, due to the frequency-proportional eddy current losses, one with the frequency of the alternating field strength increasing attenuation of the sensitivity of the magnetic field sensor; whereby the circuitry Measures to ensure an integrator behavior of the evaluation circuit are unnecessary.

Zusätzliche Weiterbildungen und Alternativen sowie weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen und aus nachstehender Beschreibung eines in der Zeichnung unter Beschränkung auf das Wesentliche stark vereinfacht skizzierten bevorzugten Ausführungsbeispiels zur erfindungsgemäßen Lösung. Die einzige Figur der Zeichnung zeigt in Zuordnung zu einem typischen Feldverlauf den erfindungsgemaßen Magnetfeldsensor mit im Blockschaltbild angedeuteter Auswerteschaltung.Additional training and alternatives as well as other features and advantages of the invention emerge from the subclaims and from the following Description of one in the drawing, restricting it to the essentials simplified sketched preferred embodiment for the solution according to the invention. The only figure in the drawing shows an assignment to a typical field course the magnetic field sensor according to the invention with the evaluation circuit indicated in the block diagram.

Bekanntlich nimmt über der Entfernung 1 von einem ein Magnetfeld abstrahlenden Objekt (in der Zeichnung nicht dargestellt) die Feldstärke H exponentiell ab, wobei der Gradient des Verlaufes der Feldstärke H über der Entfernung 1 bei Objekten mit großer ferromagnetischer Masse erst bei mittleren bis größeren Entfernungen zu Null wird.As is well known, increases over the distance 1 from a radiating a magnetic field Object (not shown in the drawing) the field strength H exponentially from, where the gradient of the course of the field strength H over the distance 1 for objects with large ferromagnetic mass only at medium to greater distances to zero will.

Die relative Annäherung zwischen einem Objekt und einem Magnetfeldsensor 1 mit Aufnehmer-Spulen 2, 3, die gegensinnig in Serie geschaltet sind und unterschiedliche Durchmesser D, d aufweisen, führt dem Gradienten-Verlauf der Feldstärke H entsprechend aufgrund des unterschiedlichen Feldintegrales in jeder der Spulen 2, 3 zu einer zunehmenden Spannungsdifferenz du am Eingang der Auswerteschaltung 4; die für einen bestimmten Feldgradienten desto größer ist, je mehr sich die Windungsflächen der kleinflächigen Spule 2 und der großflächigen Spule 3 voneinander unterscheiden.The relative proximity between an object and a magnetic field sensor 1 with pick-up coils 2, 3, which are connected in series in opposite directions and which are different Diameter D, d, the gradient course of the field strength H leads accordingly due to the different field integral in each of the coils 2, 3 to one increasing voltage difference du at the input of the evaluation circuit 4; those for one certain field gradients, the greater, the more the winding surfaces of the small-area coil 2 and the large-area coil 3 differ from each other.

Die Auswerteschaltung 4 besteht im wesentlichen aus einem Verstärker 5 mit Tiefpaßcharakteristik und einer Schweilenstufe 6, die bei Uberschreiten eines Mindestwertes der Spannungsdifferenz du am Eingang der Auswerteschaltung 4 ein Zündsignal 7 abgibt.The evaluation circuit 4 consists essentially of an amplifier 5 with low-pass characteristics and a welding level 6, which when a Minimum value of the voltage difference du at the input of the evaluation circuit 4 an ignition signal 7 gives up.

Um auch bei geringen Feldstärken H und schwachen Gradienten eine möglichst große, sich deutlich vom Störhintergrund abhebende Spannungsdifferenz du zu erzielen, weisen die Spulen 2, 3 also nicht nur jeweils eine möglichst große Windungszahl auf, sondern auch einen möglichst großen Unterschied in ihren Durchmessern d, D. Daraus resultiert an sich, daß das erdmagnetische Feld, das die Feldstärke H eines sich am Magnetfeldsensor 1 vorbeibewegenden Objektes überlagert, in den beiden Spulen 2, 3 unterschiedlich stark zur Wirkung kommt. Das wird jedoch dadurch kompensiert, aß die Windungszahlen der Spulen 2, 3 zu deren durch den jeweiligen Spulendurchmesser d, D bestimmten Spulenquerschnittsflächen umgekehrt proportional gewählt sind.In order to achieve a possible, even with low field strengths H and weak gradients to achieve a large voltage difference you, which clearly stands out from the background of the interference, the coils 2, 3 therefore not only each have as large a number of turns as possible on, but also as great a difference as possible in their diameters d, D. This results in itself that the terrestrial magnetic field, which the field strength H of a superimposed on the object moving past the magnetic field sensor 1, in the two coils 2, 3 have different effects. However, this is compensated by ate the number of turns of the coils 2, 3 to their by the respective Coil diameter d, D determined coil cross-sectional areas inversely proportional are chosen.

Die beiden Spulen 2, 3 unterschiedlichen Durchmessers d, D sind vorzugsweise sehr flachzylindrisch gewickelt und konzentrisch ineinander angeordnet, wie in der Zeichnung skizziert.The two coils 2, 3 of different diameters d, D are preferred wound very flat cylindrical and arranged concentrically one inside the other, as in the Drawing outlines.

Dadurch ergibt sich für den Magnetfeldsensor 1 nicht nur eine flache Bauweise, sondern auch eine in der Spulenebene richtungsunempfindliche Ansprechcharakteristik - wahrend ein exzentrischer Versatz der beiden gegensinnig in Serie geschalteten Spulen nur eine Spannungsdifferenz nach Maßgabe des Feldstärke-Gradienten in Richtung der Verbindungsgeraden zwischen den Spulenmittelpunkten erbringen würde.This results in not only a flat one for the magnetic field sensor 1 Design, but also a response characteristic that is insensitive to direction in the coil plane - while an eccentric offset of the two oppositely connected in series Coils only have a voltage difference in accordance with the field strength gradient in the direction the straight line connecting the coil centers.

Zweckmäßigerweise sind die beiden, konzentrisch angeordneten flachen Spulen 2, 3 von einem flachzylindrischen, topfförmigen Gehäuse 8 aus nicht-magnetisierbarem, elektrisch leitfähigem Material umgeben. Aufgrund der elektrischen Induktion von Wirbelströmen bei höherfrequenten Wechsel-Feldstärken H resultiert daraus hinsichtlich der Spannungsdifferenz du eine mit der Frequenz abnehmende Empfindlichkeit und somit eine Abschirmung gegen Einflüsse höherfrequenter Störfelder, ohne daß es des schaltungstechnischen Aufwandes für eine Integrationsschaltung im Rahmen der Auswerteschaltung 4 bedürfte.The two concentrically arranged flat ones are expediently Coils 2, 3 from a flat cylindrical, pot-shaped housing 8 made of non-magnetizable, surrounded by electrically conductive material. Due to the electrical induction of Eddy currents at higher-frequency alternating field strengths H result from this with regard to the voltage difference has a sensitivity that decreases with frequency and thus shielding against the effects of higher-frequency interference fields without affecting the circuitry Expenditure for an integration circuit within the evaluation circuit 4 would be required.

Insgesamt ergibt sich dann für die Auswerteschaltung 4 aufgrund der Hochpaßwirkung des elektromagnetischen Systems und einer Tiefpaß-Dimensionierung des Verstärkers 5 ein störungssicheres Bandpaßverhalten für den Magnetfeldsensor 1 einschließlich seiner Auswerteschaltung 4.Overall, this then results for the evaluation circuit 4 due to the High-pass effect of the electromagnetic system and a low-pass dimensioning of the amplifier 5 a fail-safe bandpass behavior for the magnetic field sensor 1 including its evaluation circuit 4.

Das flache Gehäuse 8 mit dem Magnetfeldsensor 1 lässt sich leicht auf Sprengmitteln 9 wie Panzer- oder Schützenminen montieren; wodurch diese ohne wesentliche Vergrößerung ihrer Außenabmessungen mit einer magnetfeldabhängigen ZUndeinrichtung ausgestattet sind. Dabei können die Schaltungskomponenten der Auswerteschaltung 4 sowie deren Leistungsquelle, beispielsweise einer Batterie (in der Zeichnung nicht berUcksichtigt)5im Innenraum der kleinen Spule 2 bzw. im Ringraum zwischen der kleinen Spule 2 und der großen Spule 3 untergebracht sein.The flat housing 8 with the magnetic field sensor 1 can be easily mount on explosives 9 such as anti-tank or rifle mines; whereby this without substantial enlargement of their External dimensions with a magnetic field dependent Zundeinrichtung are equipped. The circuit components of the evaluation circuit 4 and its power source, for example a battery (not in the drawing taken into account) 5 in the interior of the small coil 2 or in the annular space between the small one Coil 2 and the large coil 3 can be accommodated.

Bezugszeichenliste H Koordinate der magnetischen Feldstärke über 1 1 Koordinate der Entfernung zwischen einem magnetisch strahlenden Objekt und Magnetfeldsensor d Durchmesser der kleinflächigen Spule D Durchmesser der großflächigen Spule du Spannungsdifferenz aus der Anti-Serienschaltung der Spulen am Eingang der Auswerteschaltung 1 Magnetfeldsensor (mit 2, 3, 4 in 8) 2 kleine Spule (mit d) 3 große Spule (mit D; konzentrisch um 2) 4 Auswerteschaltung (hinter 2-3) 5 Verstärker (in 4) 6 Schwellenstufe (hinter 5) 7 Zündsignal (aus 4/6) 8 Gehäuse (um 2-3 und gegebenenfalls 4) 9 Sprengmittel (für 7 aus 8/4) - Leerseite - LIST OF REFERENCE SIGNS H Coordinate of the magnetic field strength above 1 1 Coordinate of the distance between a magnetically radiating object and a magnetic field sensor d diameter of the small-area coil D diameter of the large-area coil du Voltage difference from the anti-series connection of the coils at the input of the evaluation circuit 1 magnetic field sensor (with 2, 3, 4 in 8) 2 small coil (with d) 3 large coil (with D; concentrically around 2) 4 evaluation circuit (behind 2-3) 5 amplifier (in 4) 6 threshold level (behind 5) 7 ignition signal (from 4/6) 8 housing (by 2-3 and possibly 4) 9 explosives (for 7 out of 8/4) - blank page -

Claims

Claims iD magnetic field sensors (1) with two connected in antiseries Pick-up coils (2, 3), in particular for obtaining an ignition signal (7) for mines, characterized in that two concentrically arranged flat coils (2, 3) of very different diameters (d, D) are provided, their coil turns are inversely proportional to the mean coil cross-sectional areas.

2. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that the coils (2, 3) in a flat cylindrical cup-shaped housing (8) made of electrical conductive but not magnetizable material are used.

3. Magnetic field sensor according to claim 2, characterized in that the housing (8) on the surface of a disintegrant (9) such as in particular one Mine is arranged.

4. Magnetic field sensor according to one of the preceding claims, characterized characterized in that an evaluation circuit (4) connected downstream of the coils (2, 3) inside the small coil (2) and / or in the ring area between the small coil (2) and the large coil (3) is arranged.