DE3442278C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einem Magnetfeldmeßgerät mit einem Magnetfeldsensor, der aus vier magnetoresistiven Sensorelementen besteht, nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Aus der Firmenschrift: VALVO Technische Informationen 8 40 323 mit dem Titel "Magnetoresistive Sensoren" ist ein Magnetfeldsensor eingangs beschriebener Art zur Verwendung in einem Magnetfeldmeßgerät bekannt, der vier als Brücke geschaltete Sensorelemente enthält. Die Sensorelemente sind sogenannte magnetoresistive Sensorelemente mit Barberpole-Konfiguration. Diese weisen je eine dünne Schicht Permalloy mit magnetischer Vorzugsrichtung auf, auf der mindestens zwei parallel liegende Leitungsbahnen hoher Leitfähigkeit aufgebracht sind. Werden die beiden äußeren Leitungsbahnen an eine Gleichspannungsquelle ange­ schlossen, fließt der Strom auf senkrecht zu den Leitungs­ bahnen liegenden Strombahnen durch die Permalloyschicht. Wirkt ein Magnetfeld auf die Sensorelemente ein, verändert sich der Winkel, den die Magnetisierungsrichtung mit der Richtung der Strombahnen einschließt, so daß dadurch der ohm′sche Widerstand der Sensorelemente verändert wird. Am Nullzweig der Brücke ist dann eine Spannung abgreifbar, deren Wert der Große des Magnetfeldes entspricht. Toleranzen bei der Fertigung der Sensorelemente bewirken jedoch, daß die Sensorelemente ohne Einwirkung des Magnet­ feldes unterschiedliche Widerstandswerte aufweisen, so daß am Nullzweig der Brücke auch dann eine von Null abweichende Fehlerspannung anliegt, wenn kein Magnetfeld auf die Sensorelemente einwirkt. Da die ohm′schen Widerstandswerte der Sensorelemente außerdem temperatur­ abhängig sind, verändert sich die Fehlerspannung mit der Temperatur. Somit ist zur Kompensation der Fehlerspannung eine Schaltungsanordnung erforderlich, die auch den Temperaturgang der Sensorelemente berücksichtigt und somit sehr kompliziert aufgebaut ist.

Aus der Zeitschrift ETZ-B Band 17 (1965), Heft 10, Seite 289 bis 293 geht die Erfassung von kleinen Magnet­ feldern mit einem magnetischen Wechselfeld unter Berück­ sichtigung einer Vormagnetisierung hervor. Dies hat nachteilig zur Folge, daß bei diesem Verfahren mit anliegendem Magnetfeld wechselnder Polarität und wegen der nicht-linearen Sensorkennlinie hohe Ansprüche bezüglich der Stabilität, also an den Schaltungsaufwand gestellt werden müssen, um einen unerwünschten Einfluß auf das Meßergebnis zu vermeiden. Weiter ist durch den bei diesem Verfahren vorgesehenen Dauerbetrieb in nachteiliger Weise ein ständiger Stromverbrauch vorhanden.

Ferner hat sich gezeigt, daß eine permanente wechselnde oder konstante Vormagnetisierung die Empfindlichkeit negativ beeinflußt.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes Magnetfeldmeßgerät zu schaffen, das fehlerfreie, d. h. von Herstellungstoleranzen und Temperaturdrift der Sensor­ elemente unabhängige Magnetfeldmeßwerte liefert.

Diese Aufgabe wird bei einem Magnetfeldmeßgerät eingangs genannter Art durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Am Nullzweig der Brücke liegt hierbei eine Wechselspannung an, deren Amplitude sich mit dem zu erfassenden Magnetfeld ändert und die von einer fehlerhaften Gleichspannung über­ lagert wird, deren Wert von dem zu erfassenden Magnetfeld unabhängig ist. Die Amplitude der Wechselspannung ist auf einfache Weise meßbar und gibt fehlerfrei Auskunft über die Größe des zu erfassenden Magnetfeldes.

Eine einfache Möglichkeit, die Amplitude der Wechselspan­ nung zu messen, ist gegeben, wenn die Auswerteschaltung als Wechselspannungsvoltmeter ausgebildet ist.

Da die Phasenlage der am Nullzweig anliegenden Spannung von der Richtung des zu erfassenden Magnetfeldes abhängt, ist es zur Erfassung der Richtung des Magnetfeldes vorteilhaft, daß die Auswerteschaltung aus einem mit dem Nullzweig der Sensorbrücke verbundenen phasenempfindlichen Gleichrichter und einer Vorrichtung zur Anzeige der Amplitude und der Polarität der vom Gleichrichter gelieferten Spannung besteht.

Eine einfache Möglichkeit, kurze Stromimpulse zu erzeugen, ergibt sich, wenn der Stromimpulsgenerator einen Rechteck­ impulsgenerator enthält, dessen Ausgang einerseits mit dem nicht-invertierenden Eingang und andererseits über ein RC-Glied mit dem invertierenden Eingang eines Differenz­ verstärkers verbunden ist, dessen Ausgang an die Magne­ tisierungsspule angeschlossen ist.

Differenzverstärker, die aus zwei parallel geschalteten Gegentaktstufen bestehen, wobei die eine Gegentaktstufe mit dem invertierenden und die andere Gegentaktstufe mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist, sind durch einen hohen Stromverstärkungs­ faktor und damit durch einen hohen Ausgangsstrom gekenn­ zeichnet. Der hohe Ausgangsstrom erzeugt in der mit dem Differenzverstärker verbundenen Spule ein starkes Magnet­ feld.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden anhand der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen.

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Magnetfeldmeßgerätes,

Fig. 2 eine Ausgestaltung des Stromimpulsgenerators,

Fig. 3 ein Diagramm der im Stromimpulsgenerator auftretenden Impulse.

Das in Fig. 1 dargestellte Magnetfeldmeßgerät weist einen Magnetfeldsensor mit vier Sensorelementen 1 bis 4 auf. 0ie Sensorelemente sind magnetoresistiv, weisen eine Barberpole-Konfiguration auf und bestehen jeweils aus einem isolierenden Trägersubstrat, auf dem eine Schicht aus magnetoresistiven Material, beispielsweise aus Permalloy, aufgetragen ist. Wird das Permalloy unter Einwirkung eines magnetischen Gleichfeldes erhitzt und wieder abgekühlt, bildet sich im Permalloy eine magnetische Vorzugsrichtung 5 aus. Auf die Permalloy­ schicht werden mindestens zwei parallelliegende Leitungs­ bahnen 33, 34 hoher Leitfähigkeit aufgebracht, die mit der magnetischen Vorzugsrichtung 5 der Permalloyschicht einen Winkel von 45° bilden. Werden die äußeren Leitungsbahnen an je einen Pol einer Gleichspannungsquelle 7 ange­ schlossen, fließt Strom auf senkrecht zu den Leitungs­ bahnen 33, 34 liegenden Strombahnen durch die Permalloy­ schicht, so daß auch die Strombahnen mit der magnetischen Vorzugsrichtung 5 einen Winkel von 45° bilden. Die Strom­ bahnen sind in Fig. 1 als Pfeile zwischen den beiden parallel liegenden Leitungsbahnen 33, 34 der Sensor­ elemente 1 bis 4 eingezeichnet.

Die Sensorelemente 1 bis 4 sind als Wheatstonesche Brücke geschaltet und derart ausgerichtet, daß die magnetischen Vorzugsrichtungen 5 der Sensorelemente 1 bis 4 parallel liegen und daß die Strombahnen zweier in Reihe liegender Sensorelemente 1 und 2, 2 und 3, 3 und 4, 4 und 1 senk­ recht zueinander und zweier diagonal einander gegenüber­ liegender Sensorelemente 1 und 3, 2 und 4 parallel zueinander ausgerichtet sind. Die Brückenschaltung wird von einer Gleichstromquelle 7 gespeist. Am Nullzweig der Brücke ist eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen.

In Nähe der Sensorelemente 1 bis 4 ist eine ringförmige Magnetisierungsspule 9 angeordnet, die in Fig. 1 im Schnitt dargestellt ist. Die Sensorelemente 1 bis 4 sind innerhalb der ringförmigen Magnetisierungsspule 9 derart angeordnet, daß ein von der Magnetisierungsspule 9 erzeug­ tes Magnetfeld auf alle Sensorelemente 1 bis 4 in gleichem Maße einwirkt. Die Magnetisierungsspule 9 ist mit einem Stromimpulsgenerator 10 verbunden, der über die Anschlüsse 11 und 12 mit Gleichspannung versorgt wird. Die an den Nullzweig der Sensorbrücke angeschlossene Auswerteschal­ tung 8 kann ein Wechselspannungsvoltmeter sein, das die Größe der am Nullzweig anliegenden Wechselspannung mißt und anzeigt. Die Auswerteschaltung 8 kann auch aus einem phasenempfindlichen Gleichrichter bestehen, welcher die Amplitude und die Phasenlage der am Nullzweig anliegenden Wechselspannung erfaßt und über eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige bringt.

Wirkt ein zu erfassendes Magnetfeld 6 auf die Sensorele­ mente 1 bis 4 ein, wird die Magnetisierungsrichtung gegen­ über der Vorzugsrichtung 5 der Sensorelemente 1 bis 4 im Uhrzeigersinn verdreht. Der ohm′sche Widerstand der Sensorelemente 1 und 3 nimmt dadurch ab und derjenige der Sensorelemente 2 und 4 nimmt zu, da der ohm′sche Wider­ stand der Sensorelemente 1 bis 4 am kleinsten ist, wenn die Strombahnen mit der magnetischen Vorzugsrichtung 5 einen Winkel von 90° bilden und dann am größten ist, wenn die Strombahnen und die magnetische Vorzugsrichtung parallel liegen. Die am Nullzweig der Brücke anliegende Spannung ist somit ein Maß für das auf die Sensorelemente 1 bis 4 einwirkende Magnetfeld 6.

Wird die Magnetisierungsspule 9 vom Stromimpulsgenerator 10 mit kurzen Stromimpulsen c gespeist, die abwechselnd positive und negative Polarität aufweisen, erzeugt die Magnetisierungsspule 9 Magnetfeldimpulse, deren Polarität im Takt der Stromimpulse wechselt und die das magneto­ resistive Material der Sensorelemente 1 bis 4 ebenfalls im Takt der Stromimpulse ummagnetisieren. Nach einem ersten Magnetfeldimpuls weist das Material beispielsweise die mittels der Pfeile 5 in Fig. 1 angedeutete Magnetisie­ rungsrichtung auf. Von einem darauffolgenden zweiten Magnetfeldimpuls mit zum ersten Magnetfeldimpuls entgegen­ gesetzter Polarität wird das Material ummagnetisiert, so daß es nach dem zweiten Magnetfeldimpuls entgegen der Richtung der Pfeile 5 magnetisiert ist. Dadurch wird bei Einwirkung eines Magnetfeldes 6 auf die Sensorelemente 1 bis 4 nach dem zweiten Magnetfeldimpuls die Magnetisie­ rungsrichtung entgegen des Uhrzeigersinnes verdreht, so daß der ohm′sche Widerstand der Sensorelemente 1 und 3 abnimmt und derjenige der Sensorelemente 2 und 4 zunimmt. Nach dem zweiten Magnetfeldimpuls liegt somit am Nullzweig der Brücke eine Spannung mit einer anderen Polarität als nach dem ersten Magnetfeldimpuls an, wobei die Größe der Spannung unabhängig von der Polarität ist und lediglich der Stärke des zu messenden Magnetfeldes 6 entspricht. Somit liegt am Nullzweig der Brücke eine Wechselspannung an, deren Frequenz von der Frequenz des von der Magneti­ sierungsspule 9 erzeugten magnetischen Wechselfeldes bestimmt wird und deren Amplitude ein Maß für die Stärke des zu messenden Magntfeldes 6 ist.

Die Wechselspannung wird von einer Gleichspannung überla­ gert, die schon bei geringen fertigungsbedingten Unter­ schieden der ohm′schen Widerstände der Sensorelemente 1 bis 4 einen relativ großen Wert aufweist. Ist die Auswer­ teschaltung 8 als Wechselspannungsvoltmeter ausgebildet, wird lediglich die Wechselspannung, nicht aber die Gleich­ spannung gemessen, so daß der vom Wechselspannungsvolt­ meter angezeigte Wert unabhängig von Toleranzen bei der Fertigung der Sensorelemente sehr genau einen dem zu messenden Magnetfeld 6 entsprechenden Wert anzeigt.

Der in Fig. 2 dargestellte Stromimpulsgenerator 10 enthält einen Rechteckimpulsgenerator 15, der einerseits mit dem nicht-invertierenden Eingang 13 eines Differenzverstärkers 18 und andererseits über ein RC-Glied 16 und ein Digitali­ sierungsglied 17 mit dem invertierenden Eingang 14 des Differenzverstärkers 18 verbunden ist. Das Digitali­ sierungsglied 17, das die Ausgangsspannung des RC-Gliedes 16 digitalisiert, ist beispielsweise als Und-Glied ausge­ bildet, dessen Eingangsklemmen miteinander verbunden sind und somit gleichzeitig angesteuert werden. Das in Fig. 2 schematisch skizzierte Digitalisierungsglied 17 weist deshalb nur eine Eingangsklemme auf.

Der Differenzverstärker 18 besteht aus zwei parallelge­ schalteten Gegentaktstufen 19 und 20, die jeweils aus einem PNP-Transistor 21, 22 und einem damit in Reihe geschalteten NPN-Transistor 23, 24 bestehen und über die Anschlüsse 11 und 12 an eine Gleichspannungsquelle ange­ schlossen sind.

Die Basen der Transistoren 22 und 24 sind über Widerstände 25 und 26 mit dem Rechteckimpulsgenerator 15 und die Basen der Transistoren 21 und 23 sind über Widerstände 27 und 28 mit dem Ausgang des Digitalisierungsgliedes 17 verbunden.

Die Funktion des Stromimpulsgenerators 10 wird anhand des in Fig. 3 dargestellten Impulsdiagrammes erläutert. Der Rechteckimpulsgenerator 15 erzeugt ein rechteckförmiges Signal a, das einerseits über die Widerstände 25 und 26 den Transistoren 22 und 24 und andererseits dem RC-Glied 16 zugeführt wird. Das Signal a wird im RC-Glied 16 um eine von der Größe des Kondensators 28 und des Widerstan­ des 30 abhängige Zeit T verzögert und anschließend im Digitalisierungsglied 17 digitalisiert, so daß sich das Signal b ergibt, das gegenüber dem Signal a um die Zeit T verzögert ist. Das Signal b wird über die Widerstände 27 und 28 den Transistoren 21 und 23 zugeführt.

Nach den ansteigenden Flanken der Signalimpulse a liegt während der Verzögerungszeit T an den Basen der Transis­ toren 22 und 24 ein höheres Potential als an den Basen der Transistoren 21 und 23, so daß die Transistoren 21 und 24 in dem leitenden Zustand und die Transistoren 22 und 23 in den Sperrzustand geschaltet werden. Es ergibt sich somit ein geschlossener Stromkreis von der Anschlußklemme 11 über den Transistor 21, die Anschlußklemme 31, die Magnetisierungsspule 9, die Anschlußklemme 32, den Transistor 24 zum Masseanschluß 12. Über die Anschluß­ klemmen 31 und 32 fließt solange ein kurzer Stromimpuls c, bis nach Ablauf der Verzögerungszeit T die Signale a und b wieder gleiche Pegel annehmen.

Da die abfallenden Flanken der Signale b um die Verzö­ gerungszeit T später auftreten als diejenigen der Signale a, liegt während der Verzögerungszeit T zwischen den Rückflanken der Signale a und b an den Basen der Transi­ storen 21 und 23 ein höheres Potential als an den Basen der Transistoren 22 und 24, so daß nun die Transistoren 22 und 23 in den leitenden Zustand und die Transistoren 21 und 24 in den Sperrzustand geschaltet werden und sich ein geschlossener Stromkreis von der Anschlußklemme 11 über den Transistor 22, die Klemme 32, die Magnetisierungsspule 8, die Klemme 31, den Transistor 23 zum Masseanschluß 12 ergibt. Wie in Fig. 3 skizziert ist, hat nun der zweite Stromimpuls c eine zum ersten Stromimpuls entgegengesetzte Polarität.

Claims (6)

1. Magnetfeldmeßgerät mit einem Magnetfeldsensor aus vier magnetoresistiven Sensorelementen mit Barberpole- Konfiguration in einer von einer Gleichstromquelle gespeisten Brückenschaltung mit diagonal angeordneten komplementaren Sensorelementpaaren mit gleicher magnetischer Vorzugsrichtung und einer Auswerteschaltung, dadurch gekennzeichnet, daß ein Stromimpulsgenerator (10) eine Magnetisierungsspule (9), die auf die Brückenschal­ tung wirkt, mit Stromimpulsen (c) derart speist, daß sich mit jedem Impuls die magnetische Vorzugsrichtung der Sensorelementpaare ändert.

2. Magnetfeldmeßgerät nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Stromimpulse (c) des Stromimpulsgenerators (10), die der Ummagnetisierung dienen, im Verhältnis zur Impulsfrequenz sehr kurz sind.

3. Magnetfeldmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (8) als Wechselspannungsvoltmeter ausgebildet ist.

4. Magnetfeldmeßgerät nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Auswerteschaltung (8) aus einem mit dem Nullzweig der Sensorbrücke verbundenen phasenempfindlichen Gleichrichter und einer Vorrichtung zur Anzeige der Amplitude und der Polarität der vom Gleichrichter gelieferten Spannung besteht.

5. Magnetfeldmeßgerät nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Stromimpulsgenerator (10) einen Rechteckimpulsgenerator (15) enthält, dessen Ausgang einerseits mit dem nicht-invertierenden Eingang (13) und andererseits über ein RC-Glied (16) und ein Digitalisierungsglied (17) mit dem invertierenden Eingang (14) eines Differenzverstärkers (18) verbunden ist, dessen Ausgang (31, 32) an die Magnetisierungs­ spule (9) angeschlossen ist.

6. Magnetfeldmeßgerät nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Differenzverstärker (18) aus zwei parallel geschalteten Gegentaktstufen (19, 20) besteht, wobei die eine Gegentaktstufe (21, 23) mit dem invertierenden (14) und die andere Gegentaktstufe (22, 24) mit dem nicht-invertierenden Eingang (13) des Differenz­ verstärkers (18) verbunden ist.