DE3425612A1

DE3425612A1 - Einrichtung zur abstands- und positionsmessung

Info

Publication number: DE3425612A1
Application number: DE19843425612
Authority: DE
Inventors: Paul Walter Prof. Dr.-Ing. 6750 Kaiserslautern Baier; Klaus Dr.-Ing. 6751 Krickenbach Dostert
Original assignee: Individual
Current assignee: Siemens AG
Priority date: 1984-07-12
Filing date: 1984-07-12
Publication date: 1986-01-16
Also published as: DE3425612C2

Description

Dr.-Ing. Klaus Dostert
Prof. Dr.-Ing. Paul Walter Baier Lehrstuhl für Grundlagen der Elektrotechnik Universität Kaiserslautern Postfach 3049 6750 Kaiserslautern Einrichtung zur Abstands- und Positionsmessung Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandes, einer Position oder einer Abstands- bzw. Positionsänderung.
Aus der Druckschrift /1/ sind Einrichtungen zur Positionserfassung mit Hallsensoren und Dauermagneten bekannt, ebenso Einrichtungen zur Bestimmung des Abstandes zwischen einem Dauermagneten und einem Hallsensor. Hierbei ist die Hallsensorausgangsspannung eine Gleichspannung, die dem Produkt aus dem Steuerstrom des Hallsensors und der magnetischen Induktion, die die aktive Hallsensorfläche senkrecht durchsetzt, proportional ist. Die für die Hallsensorausgangsspannung maßgebliche magnetische Induktion wird bei einer Abstandsänderung zwischen Dauermagnet und Hallsensor nach Betrag und Richtung verändert, und somit ist die Hallsensorausgangsspannung ein Maß für den Abstand zwischen Dauermagnet und Hallsensor, wobei die Orientierung der aktiven Hallsensorfläche zum magnetischen Feld des Dauermagneten entscheidenden Einfluß hat. So kann z.B. - siehe auch Druckschrift /1/ - durch geeignete geometrische Anordnung von Dauermagnet und Hallsensor erreicht werden, daß die Hallsensorausgangsspannung einer Positionsänderung zwischen Hallsensor und Dauermagnet in gewissen Grenzen weitgehend linear folgt. Dies ist im Interesse einer einfachen nachfolgenden Signalverarbeitung erstrebenswert.
/1/ "Sensoren: Magnetfeldhalbleiter" Teil 1, Datenbuch der Siemens AG, Bereich Bauelemente, München, 1982/1983.
Die bekannten Abstands- bzw. Positionserfassungseinrichtungen mit Hall sensoren und Dauermagneten weisen einige schwerwiegende Nachteile auf, die ihren Einsatz in einer Reihe von Fällen nicht ratsam erscheinen lassen. Jedes magnetische Gleichfeld, das eine Feldkomponente senkrecht zur aktiven Hallsensorfläche hat, beeinflußt die Hallsensorausgangsspannung. Mit solchen störenden Magnetfeldern muß in Industriebetrieben, im Kraftfahrzeug, z.B. bei gleichstromführenden Leitungen und überall in der Nähe größerer Eisen- oder Stahlteile gerechnet werden.
Sogar das Magnetfeld der Erde kann für bestimmte Einsatzfälle eine kritische Störgröße darstellen. Ferner muß bei Dauermagneten mit allmählichem Magnetisierungsverlust gerechnet werden, so daß bei Langzeiteinsatz stetig zunehmende Meßfehler entstehen.
Weiterhin ist bekannt, daß Hallsensoren auch bei Abwesenheit eines Magnetfeldes bereits eine Spannung an ihren Ausgangsklemmen liefern, sobald ein Steuerstrom fließt. Diese sogenannte ohmsche Nullspannung resultiert aus Unsymmetrien bei der Hallsensorherstellung und ist großen Streuungen nach Betrag und Vorzeichen unterworfen, so daß eine individuelle Kompensation nötig ist. Speziell selektierte Hallsensoren mit kleiner ohmscher Null spannung sind bei manchen Herstellern - allerdings gegen beträchliche Preisaufschläge - erhältlich.
Weitaus störender als die ohmsche Nullspannung an sich ist ihre Veränderung mit der Temperatur. Diese Temperaturabhängigkeit erfordert eine temperaturabhängige Kompensation, die insbesondere bei großen Umgebungstemperaturschwankungen (z.B. im Kraftfahrzeug) erheblichen Schaltungsaufwand und zeitraubende Abgleicharbeit verursacht.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandes, einer Position oder einer Abstands- bzw.
Positionsänderung zwischen einem Magnetfelderzeuger und einem Hallsensor zu schaffen, die die oben beschriebenen schwerwiegenden Nachteile nicht aufweist; d.h. weder fremde Magnetfelder (Gleich- oder Wechselfelder), noch die ohmsche Nullspannung des Hallsensors und deren Temperaturabhängigkeit haben einen störenden Einfluß. Auch Alterungserscheinungen, die z.B. bei Dauermagneten auftreten können, kommen nicht vor. Ferner soll die zu schaffende Einrichtung einfach und kostengünstig aufzubauen und schnell und einfach abzugleichen sein.
Die Aufgabe wird - wie in Fig. 1 und Fig. 2 dargestellt -erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß an die Stelle des Dauermagneten ein Erzeuger eines magnetischen Wechselfeldes tritt, z.B. in Form einer Zylinderspule 2 mit oder ohne ferromagnetischem Kern. Der Speisestrom der Spule ist ein Wechselstrom, der vorzugsweise phasengleich mit dem Steuerstrom des Hallsensors 3 ist; beide Ströme sind einer gemeinsamen Wechselspannungs- oder Wechselstromquelle 1 entnehmbar. Wenn der Wechselstrom 1m (t) im Magnetfelderzeuger 2 (Spule) z.B. sinusförmigen Zeitverlauf mit der Frequenz f0 hat, dann gilt im(t) = (A) 1m = 1, cos(2?tf0t + ), wobei im die Stromamplitude und 9 ein beliebiger Nullphasenwinkel ist. Der Strom im(t) ruft eine zeitabhängige magnetische Induktion b(t) am Ort des Hallsensors 3 hervor. Es ist # b(t) = a . im cos(2#fot + # ) (B) mit einer Größe a, die vom Aufbau des Magnetfeldzeugers und von der Position der aktiven Hallsensorfläche bezüglich des Magnetfelderzeugers abhängt. Aus der Größe a kann mit Hilfe einer geeigneten Auswerteschaltung 8 die gewünschte Abstands- oder Postionsgröße ermittelt werden und auf einer Anzeige 9 z.B.
linear dargestellt werden.
Im Strompfad des Hallsensors 3 fließt ein mit dem Strom im(t) phasengleicher sinusförmiger Wechselstrom iHS(t) = iHS . COS(2#fot + # ) (C) mit der Amplitude iHS.
Die Ausgangsspannung des Hallsensors uH(t) ist dann proportional dem Produkt iHS(t) . b(t) plus einem Anteil uHo(t), der die ohmsche Nullspannung beschreibt. Es ist uHo(t) = uHo . cos (2#fot + #). (D) Mit der Hallkonstanten k ergibt sich dann ## uH(t) = a . k.im.iHS . cos2 (2#fot + #) + uHo . cos(2#fot + #).
(E) uH(t) kann nun in einen Gleichanteil (Mittelwert) uH und einen Wechsel anteil bei der Frequenz fO und einen weiteren Wechselanteil bei der Frequenz 2fo aufgespalten werden: + uHO.cos(2#fot + #). (F) Der Mittelwert (Gleichanteil) uH von uH(t), den man z.B. durch Tiefpaßfilterung einfach gewinnen kann, ist direkt proportional zu der gesuchten abstands- bzw. positionsabhängigen Größe a.
Die ohmsche Nullspannung uHo(t) des Hallsensors und somit auch deren Temperaturdrift haben keinen störenden Einfluß mehr.
Ebenso bleiben fremde Magnetfelder, deren Frequenzen von f0 verschieden sind, ohne Wirkung auf den Mittelwert uH der Hallsensorausgangsspannung und somit auf die Bestimmung der gesuchten Größe a.
Um eine temperaturunabhängige Bestimmung der gesuchten Größe a zu gewährleisten, muß die Hallkonstante k und das Stromapli-# # tudenprodukt im . iHS im interessierenden Temperaturbereich konstant sein. Eine hinreichende Temperaturunabhängigkeit der Hallkonstanten k ist z.B. bei modernen Hallsensoren auf Gallium-Arsenid-Basis gegeben. Zur Konstanthaltung des Stromamplitudenprodukts lm 1HS ist lediglich eine einzige Wechselspannungs- bzw. Wechselstromquelle mit konstanter Amplitude erforderlich, da ja beide Ströme im(t) und iHS(t) aus derselben Quelle entnommen werden. Die Amplitudenstabilisierung in der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsquelle 1 kann entfallen, wenn der Auswerteschaltung 8 ein Referenzsignal aus der Quelle 1 zugeführt wird.
In den Zeichnungen Fig. 1 und Fig. 2 sind zwei Ausführungsbeipiele der erfindungsgemäß ausgebildeten Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandes, einer Position oder einer Abstands-bzw. Positionsänderung dargestellt, die im folgenden erläutert werden.
In Fig. 1 ist der Magnetfelderzeuger 2 über einen ohmschen Widerstand 6 und einen Kondensator 7 an eine Wechselspannungsquelle 1 mit konstanter Amplitude und Frequenz angeschlossen.
Parallel dazu ist der Steuerstrompfad des Hallsensors 3 über den Widerstand 5 an dieselbe Wechselspannungsquelle 1 angeschlossen. Der Kondensator 7 ist so dimensioniert, daß er zusammen mit dem Magnetfelderzeuger 2 einen Serienresonanzkreis bei der Frequenz der Wechselspannungsquelle 1 bildet. Der Strom im(t) durch den Magnetfelderzeuger 2 ist dann phasengleich mit dem Strom iHS(t) durch den Hallsensor 3. Die Ausgangsspannung uH(t) des Hallsensors 3 wird nun in einem Tiefpaßfilter 4 so gefiltert, daß nur noch der Gleichanteil uH am Tiefpaßfilterausgang vorhanden ist. uH = 1.ak ist das gesuchte 2 2 1m1HS abstandsabhängige Signal, das nun einer geeigneten Auswerteschaltung 8 mit Anzeige 9 zugeführt wird.
In Fig. 2 ist der Magnetfelderzeuger 2 in Serie mit dem Steuerstrompfad des Hallsensors 3 an eine Wechselstromquelle 1 mit # konstanter Stromamplitude i geschaltet. Die Ströme im(t) und iHS(t) sind identisch und gleich dem Quellenstrom i(t) der Wechselstromquelle 1. Der Gleichanteil uH der Hallsensorausgangsspannung uH(t), der am Ausgang des Tiefpaßfilters 4 auftritt, ist nun uH = 1.ak*1m = l.ak.l2HS = l.ak l2, wobei 1 die Amplitude des Quellenstroms der Wechselstromquelle 1 ist. uH wird einer geeigneten Auswerteschaltung 8 mit angeschlossener Anzeige 9 zugeführt.

Claims

Dr.-Ing. Klaus Dostert Prof. Dr.-Ing. Paul Walter Baier Lehrstuhl für Grundlagen der Elektrotechnik Universität Kaiserslautern Postfach 3049 6750 Kaiserslautern Patentansprüche 1. Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandes, einer Position oder einer Abstands- bzw. Positionsänderung mit einem Magnetfeldsensor und einem Magnetfelderzeuger, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger (2) ein magnetisches Wechselfeld entsprechend einem Wechselstrom, der dem Steuerstrom des aus einem oder mehreren Hallsensoren bestehenden Magnetfeldsensors (3) entspricht, erzeugt, und daß der Magnetfeldsensor (3) diesem magnetischen Wechselfeld ausgesetzt ist, so daß der Mittelwert der Magnetfeldsensorausgangsspannung ein Maß für den Abstand zwischen bzw. die Position von Magnetfeldsensor (3) und Magnetfelderzeuger (2) ist.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Steuerstrom des Magnetfeldsensors (3) und der magnetfelderzeugende Strom über passend gewählte Vorwiderstände (5), (6) aus einer gemeinsamen Wechselspannungs- oder Wechselstromquelle (1) in Parallelschaltung entnommen werden, wobei zur Vermeidung einer Phasenverschiebung zwischen den beiden Strömen ein Phasenkorrekturglied (7) in Reihe mit dem Magnetfelderzeuger (2) geschaltet ist.
3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet daß derselbe Steuerstrom, der den Magnetfeldsensor (3) durchfließt, in Serie auch den Magnetfelderzeuger (2) durchfließt und aus einer Wechselstromquelle (1) oder aus einer Wechselspannungsquelle (1) entnommen wird.
4. Einrichtung nach einem oder mehreren 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 dem Steuerstrompfad des Magnetfeldsensors (3) und/oder dem Magnetfelderzeuger (2) ein fester oder einstellbarer Widerstand parallelgeschaltet wird, so daß der magnetfelderzeugende Strom vom Steuerstrom des Magnetfeldsensors verschieden gewählt werden kann.
5. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß entweder der Magnetfelderzeuger (2) fest montiert und der Magnetfeldsensor (3) an einem beweglichen Organ angebracht ist oder daß der Magnetfeldsensor (3) fest montiert und der Magnetfelderzeuger (2) an einem beweglichen Organ angebracht ist oder sowohl der Magnetfeldsensor (3) als auch der Magnetfelderzeuger (2) an beweglichen Organen angebracht sind, wobei die Stromzuführung zu den bewegten Teilen über flexible, bruchfeste Zuleitungen erfolgt.
6. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet , daß als bewegliches Organ eine druckabhängig bewegte Membrane vorgesehen ist, so daß der Abstand zwischen Magnetfelderzeuger (2) und Magnetfeldsensor (3) ein Maß für Druck auf die Membrane ist.
7. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6 d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß als bewegliches Organ eine kraftabhängig bewegbare Feder vorgesehen ist, so daß der Abstand zwischen Magnetfelderzeuger (2) und Magnetfeldsensor (3) ein Maß für eine auf die Feder einwirkende Kraft ist.
8. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 7, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß der Magnetfelderzeuger (2) aus einer-oder mehreren Spulen besteht, in deren Magnetfeld bzw. Magnetfeldern ein aus einem oder mehreren Hallsensoren bestehender Magnetfeldsensor angeordnet ist.
9. Einrichtung und einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß eine analoge oder digitale Auswerteschaltung (8) vorgesehen ist, der das gesuchte abstands- bzw. positionsabhängige Signal nach Filterung in einem analogen oder digitalen Tiefpaß (4) zugeführt wird.
10. Einrichtung nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 9, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Auswerteschaltung (8) von der Wechselstrom- bzw. Wechselspannungsquelle (1) ein Referenzsignal erhält, so daß eine Amplitudenstabilisierung für die Wechselstrom-bzw. Wechselspannungsquelle (1) entfallen kann.