DE3425612C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandes, einer Position oder einer Abstands- bzw. Positionsänderung.

Aus der Druckschrift "Sensoren: Magnetfeldhalbleiter" Teil 1, Datenbuch der Siemens AG, Bereich Bauelemente, München, 1982/1983 sind Einrichtungen zur Positionserfassung mit Hallsensoren und Dauermagneten bekannt, ebenso Einrichtungen zur Bestimmung der 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. - wie aus der o. g. Druckschrift entnehmbar - 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.

Die bekannten Abstands- bzw. Positionserfassungseinrichtungen mit Hallsensoren 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.

Es ist weiterhin eine Einrichtung zur Bestimmung eines Abstandes zwischen zwei magnetischen Körpern bekannt (US-PS 38 49 724), bei der die verwendeten Ströme und Spannungen auch Gleichgrößen sind.

Zur Positionsmessung ist es weiterhin bekannt (US-PS 43 55 280), einen separaten Drucksensor zur Druckmessung anzuwenden.

Der Aufbau eines Doppel-Magnetfeldes mit Dauermagneten, wobei ein Abstand zu einem oder zwischen zwei leitenden Gegenständen ermittelbar ist, ist aus der DE-OS 27 45 880 bekannt.

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 Nullspannung sind bei manchen Herstellern - allerdings gegen beträchtliche 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 ferromagnetischen 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 i _m (t) im Magnetfelderzeuger 2 (Spule) z. B. sinusförmigen Zeitverlauf mit der Frequenz f₀ hat, dann gilt

i _m (t) = î _m · cos (2π f₀t + ϕ) (A)

wobei i _m die Stromamplitude und ϕ ein beliebiger Nullphasenwinkel ist. Der Strom i _m (t) ruft eine zeitabhängige magnetische Induktion b(t) am Ort des Hallsensors 3 hervor. Es ist

b(t) = a · î _m · cos (2π f₀t + ϕ) (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 Positionsgröße ermittelt werden und auf einer Anzeige 9 z. B. linear dargestellt werden.

Im Strompfad des Hallsensors 3 fließt ein mit dem Strom i _m (t) phasengleicher sinusförmiger Wechselstrom

i _HS (t) = î _HS · cos (2π f₀t + ϕ) (C)

mit der Amplitude î _HS.

Die Ausgangsspannung des Hallsensors u _H (t) ist dann proportional dem Produkt i _HS (t) · b(t) plus einem Anteil u _{H 0} (t), der die ohmsche Nullspannung beschreibt. Es ist

u _{H 0} (t) = û _{H 0} · cos (2π f₀t + ϕ) (D)

Mit der Hallkonzentration k ergibt sich dann

u _H (t) = a · k ·î _m · î _HS · cos² (2π f₀t + d) + û _{H 0} · cos (2π f₀t + ϕ) (E)

u _H (t) kann nun in einen Gleichanteil (Mittelwert) _H und einen Wechselanteil bei der Frequenz f₀ und einen weiteren Wechselanteil bei der Frequenz 2f₀ aufgespalten werden.

Der Mittelwert (Gleichanteil) _H von _H (t), den man z. B. durch Tiefpaßfilterung einfach gewinnen kann, ist direkt proportional zu der gesuchten abstands- bzw. positionsabhängigen Größe a. Die ohmsche Nullspannung u _{H 0} (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 u _H 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 Stromaplitudenprodukt î _m · î _HS 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 î _m · î _HS ist lediglich eine einzige Wechselspannungs- bzw. Wechselstromquelle mit konstanter Amplitude erforderlich, da ja beide Ströme i _m (t) · i _HS (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 Ausführungsbeispiele 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 i _m (t) durch den Magnetfelderzeuger 2 ist dann phasengleich mit dem Strom i _HS (t) durch den Hallsensor 3. Die Ausgangsspannung u _H (t) des Hallsensors 3 wird nun in einem Tiefpaßfilter 4 so gefiltert, daß nur noch der Gleichanteil _H am Tiefpaßfilterausgang vorhanden ist. _H=½ · ak · î _m · î _HS ist das gesuchte 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 î geschaltet. Die Ströme i _m (t) und i _HS (t) sind identisch und gleich dem Quellenstrom i(t) der Wechselstromquelle 1. Der Gleichanteil _H der Hallsensorausgangsspannung u _H (t), der am Ausgang des Tiefpaßfilters 4 auftritt, ist nun

_H=½ · ak · î ² _m =½ · ak · î ² _HS =½ · ak · î ²

wobei î die Amplitude des Quellenstroms der Wechselstromquelle 1 ist. _H wird einer geeigneten Auswerteschaltung 8 mit angeschlossener Anzeige 9 zugeführt.

Claims (10)

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, dadurch gekennzeichnet, 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 der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, 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 der Magnetfeldsensors verschieden gewählt werden kann.

5. Einrichtung nach einem 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 Anspruch 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 Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, 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 der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Magnetfelderzeuger (2) aus einer oder mehreren Spulen besteht.

9. Einrichtung nach einem 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 Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, 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.