DE3512180A1 - Vibrating-frame sensor for vectorial measurement of magnetic fields - Google Patents

Vibrating-frame sensor for vectorial measurement of magnetic fields

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Abstract

For the purpose of vectorial measurement of magnetic fields, use is made of a vibrating frame whose stretched surface is periodically varied by flexural vibrations, likewise periodic, of the frame, as a result of which periodic fluctuations also occur in the magnetic flux of the frame. Consequently, an alternating voltage is induced in a coil, which is proportional to the magnetic field and whose phase angle indicates the direction of the magnetic field.

Description

Die Erfindung betrifft einen elektromechanischen Wandler, mit dem es möglich ist, ein magnetisches Feld nach seiner Größe und Richtung zu messen.The invention relates to an electromechanical transducer with which it is possible to measure a magnetic field according to its size and direction.

Prinzipiell gibt es zwei Möglichkeiten der Messung.In principle there are two ways of measuring.

Erstens die Messung mit einem Wandler, der nacheinander in drei senkrecht zueinander stehende Positionen gebracht wird, wodurch drei Richtungsvektoren gemessen werden, die anschließend mittels Computer zur Berechnung des resultierenden Feldvektors dienen.Firstly, the measurement with a transducer, which is successively brought into three mutually perpendicular positions, whereby three directional vectors are measured, which are then used by a computer to calculate the resulting field vector.

Zweitens die Messung mit drei senkrecht zueinander angeordneten Wandlern, die gleichzeitig die drei Richtungsvektoren messen, die ebenfalls mittels Computer der weiteren Berechnung des resultierenden Feldvektors dienen.Secondly, the measurement with three transducers arranged perpendicular to one another, which simultaneously measure the three direction vectors, which are also used by the computer to further calculate the resulting field vector.

Der Zweck dieser Erfindung war ursprünglich die vektorielle Erfassung des Erdmagnetfeldes in einer Rasteranordnung über Grundstücken, um so z.B. biologisch wirksame Störungen wie unterirdische Wasserläufe oder starke Bruchzonen im Untergrund usw. aufzuspüren.The purpose of this invention was originally the vectorial detection of the earth's magnetic field in a grid arrangement over properties in order to detect, for example, biologically effective disturbances such as underground watercourses or strong fracture zones in the subsurface, etc.

Auch die Einlagerung größerer Mengen im Vergleich zur Umgebung andersartiger Mineralien, die andere magnetische Eigenschaften aufweisen, können zu örtlichen Störungen des sonst homogenen Erdmagnetfeldes führen und somit meßbar sein.The storage of larger amounts in comparison to the surroundings of different types of minerals, which have different magnetic properties, can lead to local disturbances of the otherwise homogeneous geomagnetic field and thus be measurable.

Dabei war es wichtig, im Gelände schnell und mit möglichst geringem Aufwand an technischem Gerät und Energie eine vektorielle Magnetfeldmessung zu ermöglichen.It was important to be able to get off the ground quickly and with as much as possible To enable a vectorial magnetic field measurement with little expenditure on technical equipment and energy.

Die Meßwerte sollten so aufbereitet sein, dass sofort oder später eine übersichtliche Rasterauswertung per Computer möglich ist.The measured values should be prepared in such a way that a clear grid evaluation by computer is possible immediately or later.

Diese Anforderungen werden mit meiner Anordnung erfüllt, wobei große Bereiche sogar durch systematische Exploration z.B. durch Überfliegen oder auch Unterwasserschlepp erfasst werden könnten.These requirements are met with my arrangement, whereby large areas could even be covered by systematic exploration, e.g. by overflying or underwater towing.

Es ist mit diesem Schwingrahmensensor aber ebenso möglich, einen elektronischen Kompass zu bauen.With this oscillating frame sensor it is also possible to build an electronic compass.

Ein solcher Kompaß hätte den Vorteil, dass er praktisch keine Zeit zum Einpendeln benötigt, seine Zeitkonstanten sind per Software im Computerprogramm beliebig einstellbar. Ein weiterer wichtiger Vorteil wäre, dass Störungen z.B. durch Schiffsmagnetismus durch geeignete Programme auf der Softwareseite korrigiert werden können, sodaß magnetische Korrekturen entfallen.Such a compass would have the advantage that it practically does not need any time to settle; its time constants can be set as desired using software in the computer program. Another important advantage would be that disturbances, e.g. caused by ship magnetism, can be corrected by means of suitable programs on the software side, so that magnetic corrections are not necessary.

Schließlich können per Software dann noch viele Dienste wie z.B. Berechnung von Standardabweichungen des Kurses, Berechnung und Bewertung der Roll- und Gier-Bewegungen oder gar die automatische, von der Position abhängige Berücksichtigung von geologischen Mißweisungen in Anspruch genommen werden. Dabei können alle Meßwerte automatisch von einem Computer abgerufen und verarbeitet werden.Finally, many services such as the calculation of standard deviations of the course, calculation and evaluation of roll and yaw movements or even the automatic, position-dependent consideration of geological misalignments can be used by software. All measured values can be automatically called up and processed by a computer.

Natürlich sind mit der Anordnung auch technische Magnetfelder meßbar. Das zu messende Magnetfeld muß nicht stationär sein, seine zulässige Änderungsgeschwindigkeit darf aber eine maximale Größe nicht überschreiten, die im allgemeinen aber hauptsächlich durch die Datenrate des Computers begrenzt ist.Of course, technical magnetic fields can also be measured with the arrangement. The magnetic field to be measured does not have to be stationary, but its permissible rate of change must not exceed a maximum size, which is generally limited mainly by the data rate of the computer.

Bekannt sind Magnetfeldsensoren nach dem Hall-Prinzip,Magnetic field sensors based on the Hall principle are known,

Feldplatten (Widerstandsprinzip) und rotierende Spulen (Dynamoprinzip).Field plates (resistance principle) and rotating coils (dynamo principle).

Das hier vorgestellte Verfahren ist im Prinzip dynamisch, mit hohen Frequenzen und mit dem entscheidenden Vorteil, dass keine mechanisch bewegten Teile und keine Schleifkontakte nötig sind.The method presented here is in principle dynamic, with high frequencies and with the decisive advantage that no mechanically moving parts and no sliding contacts are required.

Das nachfolgend beschriebene Verfahren ist in einem Testgerät voll verwirklicht, die Funktion ist bestätigt.The procedure described below is fully implemented in a test device, the function is confirmed.

Das Gerät wurde auch im Gelände erprobt, zum Betrieb ist nur ein kleiner NC-Akkumulator nötig. Zusätzlich ist ein Programm erstellt, mit dem Raster-Meßwerte aus Reihenmessungen verarbeitet und anschließend graphisch anschaulich dargestellt werden.The device was also tested in the field, only a small NC accumulator is required for operation. In addition, a program has been created with which raster measured values from series measurements are processed and then graphically displayed.

Wichtig ist, dass man auch ohne Computerhilfe mit dem Gerät die Feldrichtung und Feldstärke sehr schnell ermitteln kann, indem man richtungsabhängig das Maximum der Meßspannung sucht.It is important that the field direction and field strength can be determined very quickly with the device, even without the help of a computer, by looking for the maximum of the measurement voltage depending on the direction.

Das Testgerät besteht aus zwei Einheiten, dem Meßkopf mit den Ausmaßen 5 x 10 x 12 cm[hoch]3 und der Elektronik mit ähnlichem Volumen.The test device consists of two units, the measuring head with the dimensions 5 x 10 x 12 cm [high] 3 and the electronics with a similar volume.

Das Gerät kann aber wesentlich kleiner konstruiert werden.The device can, however, be made much smaller.

Die Funktionsweise des Schwingrahmensensors ist folgendermaßen.The vibration frame sensor works as follows.

Wie bekannt wird in einer, einen magnetischen Fluß umschließenden Spule eine elektrische Spannung induziert, die der Anzahl der Windungen und der zeitlichen Änderung des magnetischen Flusses proportional ist, oder mathematisch dargestellt:As is known, an electrical voltage is induced in a coil enclosing a magnetic flux, which voltage is proportional to the number of turns and the change in the magnetic flux over time, or it is represented mathematically:

Gl. 1Gl. 1

e = -N d Durchmesser/dte = -N d diameter / dt

N = WindungszahlN = number of turns

Durchmesser = magnetischer FlußDiameter = magnetic flux

e = Induktionsspannunge = induction voltage

Führt man hier die magnetische Induktion "B" und die durch die Spule umschlungene Fläche "A" ein, so kann man mit Durchmesser = B mal A schreiben.If one introduces the magnetic induction "B" and the area "A" wrapped around by the coil, one can write with diameter = B times A.

Gl. 2Gl. 2

e = -N d(B mal A)/dt = -N (A mal dB/dt + B mal dA/dt)e = -N d (B times A) / dt = -N (A times dB / dt + B times dA / dt)

Wie man sieht, ist die Spannung abhängig von der zeitlichen Änderung der magnetischen Induktion und von der Änderung der umschlungenen Fläche.As you can see, the voltage depends on the change in the magnetic induction over time and on the change in the area wrapped around it.

Ist nun das magnetische Feld stationär oder quasie stationär,If the magnetic field is stationary or quasi stationary,

so ist [hoch]dB/dt = 0 und es wirdso [high] dB / dt = 0 and it becomes

Gl. 3Gl. 3

e = -N mal B mal dA/dte = -N times B times dA / dt

d.h. "e" ist proportional zur magnetischen Induktion "B" und proportional zur Flächenänderungsgeschwindigkeit "[hoch]dA/dt".i.e. "e" is proportional to the magnetic induction "B" and proportional to the rate of change of area "[high] dA / dt".

Bei meinem Prinzip wird nun erfindungsgemäß die Flächenänderung dadurch erreicht, dass ein geschlossener Schwingrahmen aus Nichteisenmetall zu periodischen Biegeschwingungen angeregt wird, die einer seiner mechanischen Resonanzfrequenzen entspricht und sich durch geeignete Rückkopplungsverfahren in Verbindung mit einer elektronischen Oszillatorschaltung und einem elektromechanischen Wandler selbständig erregt.In my principle, according to the invention, the change in area is achieved in that a closed oscillating frame made of non-ferrous metal is excited to periodic flexural vibrations which correspond to one of its mechanical resonance frequencies and which are automatically excited by suitable feedback methods in conjunction with an electronic oscillator circuit and an electromechanical converter.

In meinem Musteraufbau ist als elektromechanischer Wandler ein Piezoxid eingesetzt.A piezo oxide is used as an electromechanical converter in my sample structure.

Die Biegeschwingungen des Schwingrahmens sind so erregt, dass sie in Richtung der vom Schwingrahmen aufgespannten Fläche wirken, wodurch sich der effektive Flächeninhalt der vom Schwingrahmen aufgespannten Fläche periodisch synchron mit der anregenden Frequenz ändert.The flexural vibrations of the oscillating frame are excited in such a way that they act in the direction of the area spanned by the oscillating frame, whereby the effective area of the area spanned by the oscillating frame changes periodically synchronously with the exciting frequency.

Der Schwingrahmen allein wirkt hier nun als Spule mit einer Windung, die gleichzeitig als Primärspule eines kernlosen Transformators fungiert.The oscillating frame alone now acts as a coil with one turn, which also functions as the primary coil of a coreless transformer.

Eine innerhalb der Schwingrahmenfläche angeordnete zweite Spule mit "N" Windungen wirkt als Sekundärspule, an welcher die induzierte Spannung abgenommen wird. Diese induzierte Spannung wird zunächst in einem Verstärker verstärkt und dann einem Synchrondetektor zugeführt, wo der Betrag und die Polarität der Spannung ermittelt werden. Diese vorzeichenbehaftete Spannung ist schon die Eingabegröße für den Computer, sie kann automatisch abgefragt oder auch von Hand eingegeben werden.A second coil with "N" turns, arranged within the surface of the oscillating frame, acts as a secondary coil from which the induced voltage is tapped. This induced voltage is first amplified in an amplifier and then fed to a synchronous detector, where the magnitude and polarity of the voltage are determined. This signed voltage is already the input variable for the computer; it can be queried automatically or entered manually.

Um sämtliche Daten zur Berechnung des vektoriellen Magnetfeldes zu erhalten, müssen nur die drei senkrecht zueinander stehenden Richtungskomponenten gemessen werden.In order to obtain all the data for calculating the vector magnetic field, only the three directional components that are perpendicular to one another need to be measured.

Die Anordnung mit einem mechanisch schwingenden Rahmen ist besonders geeignet, weil erstens kein mechanischer Verschleiß auftritt und somit auch keine Wartung erforderlich ist. Der Schwinger kann vollkommen in Nichteisenmetall gekapselt werden, wodurch er gegen Einstreuungen und Umwelteinflüsse geschützt ist.The arrangement with a mechanically oscillating frame is particularly suitable because, firstly, there is no mechanical wear and therefore no maintenance is required. The transducer can be completely encapsulated in non-ferrous metal, which means that it is protected against interference and environmental influences.

Zweitens ist die Resonanzfrequenz des Schwingers, durch seine geometrischen Abmessungen definierbar, relativ groß. Dadurch ist eine störungsfreie einfache Verstärkung der induzierten Spannung möglich.Second, the resonance frequency of the oscillator, which can be defined by its geometric dimensions, is relatively large. This enables a simple, interference-free amplification of the induced voltage.

In meinem Modellaufbau ist ein rechteckiger Schwingrahmen mit den Außenmaßen 80 mm x 50 mm einer Breite von 9,3 mm und einer Materialstärke von 4 mm aus Aluminium verwendet. Die erregte Eigenfrequenz beträgt praktisch genau 3000 Hz.In my model structure is a rectangular swing frame with the external dimensions 80 mm x 50 mm, a width of 9.3 mm and a material thickness of 4 mm made of aluminum. The excited natural frequency is practically exactly 3000 Hz.

Die Art der erregten Schwingung ist etwas komplizierter, die theoretische Beschreibung stimmt aber sehr gut mit den gemessenen Werten überein.The type of excited oscillation is somewhat more complicated, but the theoretical description agrees very well with the measured values.

Bild 1 zeigt die prinzipielle Anordnung meines Schwingers und gestrichelt die stark vergrößert dargestellten extremen Schwingungszustände.Figure 1 shows the basic arrangement of my oscillator and the extreme oscillation states shown in dashed lines.

Es sind aber viele andere Moden möglich und sinnvoll. Ebenfalls sind andere Schwingrahmenformen möglich und es ist auch möglich, den Schwingrahmen aus einem isolierenden Material z.B. Quarzglas herzustellen und auf seiner Oberfläche die Sekundärspule aufzubringen z.B. aufdampfen. In dieser Form kann der Schwingrahmen und der piezoelektrische Wandler integriert erstellt werden.However, many other fashions are possible and useful. Other oscillating frame shapes are also possible and it is also possible to manufacture the oscillating frame from an insulating material, e.g. quartz glass, and to apply the secondary coil to its surface, e.g. by vapor deposition. In this form, the vibrating frame and the piezoelectric transducer can be built in an integrated manner.

Die theoretische Beschreibung des Schwingrahmens führt auf das Schwingungsverhalten eines beidseitig fest eingespannten Stabes mit der Länge "L" wie in Bild 2 gezeigt.The theoretical description of the oscillating frame leads to the oscillation behavior of a rod firmly clamped on both sides with the length "L" as shown in Figure 2.

Der Stab wird z.B. mit seiner vierten Eigenwertbedingung erregt. Man muß sich diesen Stab nun zu einem Rechteck zusammengelegt vorstellen, wobei der Piezoxid-Wandler in der Mitte des Stabes angreift und das mittlere Stück eine kurze Seite des Rechtecks nach Bild 1 bildet. In der Mitte der gegenüberliegenden Seite des Rechtecks stoßen die beiden festeingespannten Enden des gestreckten Stabes zusammen. So ergibt sich dann der Schwingungsverlauf nach Bild 1.For example, the rod is excited with its fourth eigenvalue condition. You have to imagine this rod folded into a rectangle, with the piezo-oxide transducer engaging in the center of the rod and the middle piece forming a short side of the rectangle according to Figure 1. In the middle of the opposite side of the rectangle, the two firmly clamped ends of the elongated rod meet. This then results in the waveform as shown in Figure 1.

Die Bewegungsgleichung des entdämpften, beidseitig fest eingespannten Stabes ist die DifferentialgleichungThe equation of motion of the undamped rod firmly clamped on both sides is the differential equation

Gl. 4 kleines Omega = AuslenkungGl. 4th small omega = deflection

x = Ortx = place

t = Zeitt = time

kleines Gamma = spezifisches Gewicht des Stabmaterialssmall gamma = specific weight of the rod material

F = Fläche des StabesF = area of the bar

E = dynamischer Elastizitätsmodul des StabmaterialsE = dynamic modulus of elasticity of the rod material

I = FlächenträgheitsmomentI = area moment of inertia

g = Erdbeschleunigungg = acceleration due to gravity

Die Lösung für die Auslenkung "kleines Omega" dieser Gleichung lässt sich in Produktform schreiben, wobei ein Faktor nur von der Zeit "t" und der zweite Faktor nur vom Ort "x" abhängig ist.The solution for the displacement "small omega" of this equation can be written in product form, whereby one factor only depends on the time "t" and the second factor only depends on the location "x".

Gl. 5Gl. 5

kleines Omega(x,t) = W(x) mal T(t)small omega (x, t) = W (x) times T (t)

darin sindare in it

Gl. 6Gl. 6th

W(x)=C[tief]1 mal cos(ax)+C[tief]2 mal sin(ax)+C[tief]3 mal cosh(ax)+C[tief]4 mal sinh(ax)W (x) = C [deep] 1 times cos (ax) + C [deep] 2 times sin (ax) + C [deep] 3 times cosh (ax) + C [deep] 4 times sinh (ax)

undand

Gl. 7Gl. 7th

T(t) = A mal Cos kleines Omega t + B mal sin kleines Omega tT (t) = A times Cos small omega t + B times sin small omega t

mit dem Koeffizienten "a" wobei ist.with the coefficient "a" where is.

Mit Hilfe der Randbedingung W = 0 und W' = 0 an fest eingespannten Enden ergibt sich.With the help of the boundary conditions W = 0 and W '= 0 at firmly clamped ends, this results.

Gl. 8 W(0) = 0 = C[tief]1 + C[tief]3Gl. 8 W (0) = 0 = C [low] 1 + C [low] 3

Gl. 9 W'(0) = 0 = C[tief]2 + C[tief]4Gl. 9 W '(0) = 0 = C [low] 2 + C [low] 4

Gl. 10 W(L) = 0 = C[tief]1 mal (cosa mal l-cosha mal l)+C[tief]2 mal (sina mal L-sinha mal L)Gl. 10 W (L) = 0 = C [deep] 1 times (cosa times l-cosha times l) + C [deep] 2 times (sina times L-sinha times L)

Gl. 11 (W'(L) = 0 = -C[tief]1 mal a mal (sina mal L+sinha mal L)+C[tief]2 mal a mal (cosa mal L-cosha mal L)Gl. 11 (W '(L) = 0 = -C [deep] 1 times a times (sina times L + sinha times L) + C [deep] 2 times a times (cosa times L-cosha times L)

daraus ergibt sich schließlich die Bedingungsgleichungthis finally results in the conditional equation

Gl. 12Gl. 12th

2-2 mal cosaL mal coshaL/(cosaL - coshaL) mal (sinaL + sinhaL) = 02-2 times cosaL times coshaL / (cosaL - coshaL) times (sinaL + sinhaL) = 0

beziehungsweiserespectively

Gl. 13Gl. 13th

cos großes Omega = 1/cosh großes Omega mit großes Omega = aLcos large omega = 1 / cosh large omega with large omega = aL

Diese Gleichung hat beliebig viele Lösungen, uns interessiert hier die fünfte LösungThis equation has any number of solutions, we are interested in the fifth solution

Gl. 14Gl. 14th

großes Omega = a[tief]5 mal L = 14,147165large omega = a [deep] 5 times L = 14,147165

Damit kann nun die fünfte Eigenfrequenz des Schwingers bestimmt werden, zuThis means that the fifth natural frequency of the oscillator can now be determined, too

Gl. 15 Gl. 15th

In diesem konkreten Fall führt das zuIn this specific case, that leads to

Gl. 16 Gl. 16

F = 9,3 mal 4 mm[hoch]2F = 9.3 by 4 mm [high] 2

g = 9810 mm/s[hoch]2g = 9810 mm / s [high] 2

E = 7000 kg/mm[hoch]2E = 7000 kg / mm [high] 2

I = 9,3 mal 4 mm[hoch]4/12 kleines Gamma = 2,85 kg/10[hoch]6 mm[hoch]3I = 9.3 by 4 mm [high] 4/12 small gamma = 2.85 kg / 10 [high] 6 mm [high] 3

L = 244 mmL = 244 mm

Der gemessene Wert der erregten Frequenz von 3000 Hz weicht also von dem theoretisch zu erwartenden Wert f = 3028 Hz nur unwesentlich ab.The measured value of the excited frequency of 3000 Hz therefore deviates only insignificantly from the theoretically expected value f = 3028 Hz.

Um nun die Flächenänderung des Schwingrahmens zu bestimmen, muss die Ortsfunktion der Auslenkung W(x) betrachtet werden.In order to determine the change in area of the oscillating frame, the position function of the deflection W (x) must be considered.

Gl. 17Gl. 17th

W(X) = C[tief]1 mal (cosa[tief]5 mal x - cosha[tief]5 mal x)+C[tief]2 mal (sina[tief]5 mal x - sinha[tief]5 mal x)W (X) = C [deep] 1 times (cosa [deep] 5 times x - cosha [deep] 5 times x) + C [deep] 2 times (sina [deep] 5 times x - sinha [deep] 5 times x)

Gl. 18Gl. 18th

mit C[tief]1 = -C[tief]2 mal sina[tief]5 mal L-sinha[tief]5 mal L/cosa[tief]5 mal L-cosha[tief]5 mal L = -C[tief]2 mal 1wirdwith C [deep] 1 = -C [deep] 2 times sina [deep] 5 times L-sinha [deep] 5 times L / cosa [deep] 5 times L-cosha [deep] 5 times L = -C [deep ] 2 times 1 becomes

Gl. 19Gl. 19th

W(x) = C[tief]2 mal (sina[tief]5 mal x - sinha[tief]5 mal x - cosa[tief]5 mal x + cosha[tief]5 mal x)W (x) = C [deep] 2 times (sina [deep] 5 times x - sinha [deep] 5 times x - cosa [deep] 5 times x + cosha [deep] 5 times x)

= C[tief]2 mal (sina[tief]5 mal x - cosa[tief]5 mal x + B[hoch]-a[tief]s mal x)= C [low] 2 times (sina [low] 5 times x - cosa [low] 5 times x + B [high] -a [low] s times x)

Die Gleichung ist eine Bestimmungsgleichung für C[tief]2, wenn man die Auslenkung durch den Piezoxid-Wandler an der Stelle x=L/2 mit Co einführt.The equation is a determining equation for C [deep] 2 if the deflection by the piezo-oxide transducer is introduced at the point x = L / 2 with Co.

Co wiederum ist durch die Ansteuerspannung am Piezoxid und dessen elektrodynamischen Eigenschaften bestimmt.Co, in turn, is determined by the control voltage at the piezo oxide and its electrodynamic properties.

Damit wirdSo that will

Gl. 20Gl. 20th

W(L/2) = C[tief]0 = C[tief]2 mal (sina[tief]5 mal L/2 -cosa[tief]5 L/2 + B[hoch]-a[tief]5 L/2) = C[tief]2 mal 8,5 mal 10[hoch]-4W (L / 2) = C [deep] 0 = C [deep] 2 times (sina [deep] 5 times L / 2 -cosa [deep] 5 L / 2 + B [high] -a [deep] 5 L / 2) = C [low] 2 times 8.5 times 10 [high] -4

womit sich ergibtwhich results

Gl. 21Gl. 21

C[tief]2 = C[tief]0 mal 1,1764 mal 10[hoch]3 und damitC [low] 2 = C [low] 0 times 1.1764 times 10 [high] 3 and thus

Gl. 22Gl. 22nd

W(x)=C[tief]0 mal 1,1764 mal 10[hoch]3 mal (sina[tief]5 mal x - cosa[tief]5 mal x + e[hoch]-a[tief5s mal x)W (x) = C [low] 0 times 1.1764 times 10 [high] 3 times (sina [low] 5 times x - cosa [low] 5 times x + e [high] -a [low5s times x)

Wie in Bild 2 zu sehen, ist die Fläche unter dem gestreckten schwingenden Stab je nach Phasenlage durch drei positive Maxima und zwei negative Maxima bzw. durch zwei positive Maxima und drei negative Maxima gekennzeichnet.As can be seen in Figure 2, the area under the stretched vibrating rod is characterized by three positive maxima and two negative maxima or by two positive maxima and three negative maxima, depending on the phase position.

Das Integral über die Ortsfunktion W(x) in den beiden extremen Schwingungszuständen ist also je nach Phasenlage einmal größer als "0" also positiv und einmal kleiner als "0" also negativ. Die maximale Flächenänderung ist also gleich dem doppelten Wert des Integrals über W(x).The integral over the position function W (x) in the two extreme oscillation states is thus, depending on the phase position, one time greater than "0" that is positive and one time less than "0" that is negative. The maximum change in area is therefore equal to twice the value of the integral over W (x).

Gl. 23 Gl. 23

= C[tief]0 mal 2,353 mal 10[hoch]3 mal 1/a[tief]5= C [low] 0 times 2.353 times 10 [high] 3 times 1 / a [low] 5

= C[tief]0 mal 2,353 mal 10[hoch]3/14,137 mal L= C [low] 0 times 2.353 times 10 [high] 3 / 14.137 times L

im konkreten Aufbau mit L=244mm alsoin the concrete structure with L = 244mm

Gl. 24Gl. 24

A=C[tief]0 mal 4,06 mal 10[hoch]4 mmA = C [deep] 0 by 4.06 by 10 [high] 4 mm

Der verwendete Piezoxid der Firma Valvo vom Materialtyp PXE 5 mit einer Dicke von 3 mm arbeitet praktisch mechanisch unbelastet an einem hochohmigen System in Resonanz und folgt damit der GleichungThe piezo oxide used by Valvo, of the material type PXE 5 with a thickness of 3 mm, works practically mechanically unloaded on a high-resistance system in resonance and thus follows the equation

Gl. 25Gl. 25th

S = d mal E[tief]1 die den Zusammenhang zwischen elektrischen und mechanischen Größen beschreibt.S = d times E [deep] 1 which describes the relationship between electrical and mechanical quantities.

"S" ist hier die relative Dickenänderung C[tief]0/D,"S" is the relative change in thickness C [deep] 0 / D,

"d" ist die piezoelektrische Ladungskonstante und"d" is the piezoelectric charge constant and

"E[tief]1" ist elektrische Feldstärke U/D"E [deep] 1" is the electric field strength U / D

mit der Ansteuerspannung "U".with the control voltage "U".

Mit d=384 mal 10[hoch]-9 mm/V lässt sich schreibenWith d = 384 times 10 [high] -9 mm / V one can write

Gl. 26Gl. 26th

C[tief]0/D = 384 mal 10[hoch]-9 mm/V mal U/DC [low] 0 / D = 384 times 10 [high] -9 mm / V times U / D

Gl. 27Gl. 27

C[tief]0 = 3,84 mal 10[hoch]-9 mm/V mal UC [low] 0 = 3.84 times 10 [high] -9 mm / V times U

"C[tief]0" in Gleichung Gl. 24 eingesetzt und "U" durch U[tief]0 mal sin kleines Omega[tief]5 mal t ersetzt führt zu"C [deep] 0" in equation Eq. 24 inserted and "U" replaced by U [deep] 0 times sin small omega [deep] 5 times t leads to

Gl. 28Gl. 28

A(t) = 3,84 mal 10[hoch]-9 mm/V 4,06 mal 10[hoch]4 mm mal U[tief]0 mal sin kleines Omega[tief]5 mal tA (t) = 3.84 times 10 [high] -9 mm / V 4.06 times 10 [high] 4 mm times U [deep] 0 times sin small omega [deep] 5 times t

= 1,559 mal 10[hoch]-2 mm[hoch]2/V mal U[tief]0 mal sin kleines Omega[tief]5 mal t= 1.559 times 10 [high] -2 mm [high] 2 / V times U [low] 0 times sin small omega [low] 5 times t

mit einer Spitzen-Ansteuerspannung von ca. 300V ergibt sich A(t) zuwith a peak control voltage of approx. 300V, A (t) results in

Gl. 29Gl. 29

A(t) = 4,677 mm[hoch]2 mal sin kleines Omega[tief]5 mal tA (t) = 4.677 mm [high] 2 times sin small omega [deep] 5 times t

undand

Gl. 30Gl. 30th

dA(t)/dt = 4,677 mm[hoch]2 mal kleines Omega[tief]5 mal cos kleines Omega[tief]5 mal t = 4,677 mm[hoch]2 mal 2 mal kleines Pi mal 3028[tief][hoch]-1 mal cos kleines Omega[tief]5 mal tdA (t) / dt = 4.677 mm [high] 2 times small omega [deep] 5 times cos small omega [deep] 5 times t = 4.677 mm [high] 2 times 2 times small pi times 3028 [deep] [high] -1 times cos small omega [deep] 5 times t

= 8,9 mal 10[hoch]4 mal mm[hoch]2/s mal cos kleines Omega[tief]5 mal t= 8.9 times 10 [high] 4 times mm [high] 2 / s times cos small omega [deep] 5 times t

Gl. 30 in Gl. 3 eingesetzt ergibt endlich die durch denGl. 30 in Eq. 3 inserted finally results in the

Schwingrahmen induzierte Spannung "e", die der magnetischen Induktion "B" proportional ist. "N" ist im Modellaufbau mit 100 realisiert.Oscillating frame induced voltage "e" which is proportional to the magnetic induction "B". "N" is implemented with 100 in the model structure.

Gl. 31Gl. 31

e = -N mal B mal dA(t)/dt = -100 mal B mal 8,9 mal 10[hoch]4 mm[hoch]2/s mal cos kleines Omega[tief]5 mal te = -N times B times dA (t) / dt = -100 times B times 8.9 times 10 [high] 4 mm [high] 2 / s times cos small omega [deep] 5 times t

= -B mal 8,9 mal 10[hoch]6 mm[hoch]2/s mal cos kleines Omega[tief]5 mal t= -B times 8.9 times 10 [high] 6 mm [high] 2 / s times cos small omega [deep] 5 times t

Die magnetische Feldstärke "H" beträgt in Erdnähe ungefährThe magnetic field strength "H" is approximately near the earth

H[tief]Erde = 15 A/m = 1,5 mal 10[hoch]-2 A/mmH [deep] earth = 15 A / m = 1.5 times 10 [high] -2 A / mm

Die magnetische Induktion "B" und die Feldstärke "H" sind verknüpft durch die GleichungThe magnetic induction "B" and the field strength "H" are related by the equation

Gl. 32Gl. 32

B = µ[tief]r mal µ[tief]0 mal HB = µ [deep] r times µ [deep] 0 times H

wobei µ[tief]r für Luft = 1 ist und die Feldkonstante µ[tief]0 beträgt µ0 = 1,256 mal 10[hoch]-9 Vs/Ammwhere µ [deep] r for air = 1 and the field constant µ [deep] 0 is µ0 = 1.256 times 10 [high] -9 Vs / Amm

Die Größen in Gl. 32 eingesetzt ergebenThe quantities in Eq. 32 inserted result

Gl. 33Gl. 33

e = -1,256 mal 10[hoch]-9 Vs/Amm 1,5 mal 10[hoch]-2 A/mm mal 8,9 mal 10[hoch]6 mm[hoch]2/s mal cos kleines Omega[tief]5 mal te = -1.256 times 10 [high] -9 Vs / Amm 1.5 times 10 [high] -2 A / mm times 8.9 times 10 [high] 6 mm [high] 2 / s times cos small omega [low ] 5 times t

= -1,68 mal 10[hoch]-4 V mal cos kleines Omega[tief]s mal t= -1.68 times 10 [high] -4 V times cos small omega [low] s times t

d.h. es wird ein Spannungsbetrag von ca. 0,168 mV erzeugt, wenn das magnetische Feld senkrecht durch die durch den Schwingrahmen aufgespannte Fläche tritt.i.e. a voltage of approx. 0.168 mV is generated when the magnetic field passes perpendicularly through the area spanned by the oscillating frame.

Die induzierte Spannung "e" ist gegenüber der Rahmenschwingung um 90° in der Phase verschoben.The induced voltage "e" is phase shifted by 90 ° with respect to the frame oscillation.

Weicht der Durchtrittswinkel um "kleines Beta" von 90° ab, so ist die wirksame InduktionIf the passage angle deviates by "small beta" from 90 °, the induction is effective

Gl. 34Gl. 34

B (kleines Beta) = B mal cos kleines BetaB (small beta) = B times cos small beta

An Gl. 34 sieht man, dass die erzeugte Spannung "e" einschließlich Vorzeichen von der projizierten Größe B(kleines Beta) abhängig ist, also den Vektor "B" darstellt.At Eq. 34 it can be seen that the generated voltage "e" including the sign is dependent on the projected quantity B (small beta), that is, it represents the vector "B".

Die dem Vektor "B" proportionale Spannung "e" wird verstärkt und synchron demoduliert, sodass bei Erdfeldmessungen in meinem Modell relative Ausgangsspannungswerte im Bereich -5V kleiner gleich als U kleiner gleich als 5V erzeugt werden. Diese Spannungen sind geeignet, mit Hilfe von Analog-Digitalwandlern automatische Datenverarbeitung zu betreiben.The voltage "e", which is proportional to the vector "B", is amplified and demodulated synchronously so that relative output voltage values in the range -5V less than or equal to U less than or equal to 5V are generated in my model during earth field measurements. These voltages are suitable for automatic data processing with the aid of analog-digital converters.

Es sei bemerkt, dass z.B. ein dreieckiger Schwingrahmen, der in der 3.ten Harmonischen erregt wird, bei gleicher Fläche ca. um den Faktor 15 effektiver arbeitet, als der beschriebene rechteckige Schwingrahmen.It should be noted that, for example, a triangular oscillating frame, which is excited in the 3rd harmonic, works around a factor of 15 more effectively than the rectangular oscillating frame described above for the same area.

Abschließend ist zu sagen, dass der Schwingrahmen auch in einer Wirkumkehr betrieben werden kann.In conclusion, it must be said that the oscillating frame can also be operated in reverse operation.

Dazu wird die Spule mit einer Wechselspannung beaufschlagt, wodurch in dem Schwingrahmen ein Wechselmagnetfeld erzeugt wird, das nun durch seine Rückwirkung (Gegeninduktivität) den Schwingrahmen zu mechanischen Biegeschwingungen anregt.For this purpose, an alternating voltage is applied to the coil, as a result of which an alternating magnetic field is generated in the vibrating frame, which now stimulates the vibrating frame to mechanical bending vibrations through its reaction (mutual inductance).

Claims (4)

1. Schwingrahmensensor zur vektoriellen Messung von Magnetfeldern, dadurch gekennzeichnet, dass ein geeignet geformter geschlossener Rahmen entweder aus Nichteisenmetall oder aus einem nichtleitenden Material an einer geeigneten Stelle zu mechanischen Resonanz-Biegeschwingungen angeregt wird, die dazu führen, dass sich die von dem Rahmen aufgespannte effektive Fläche periodisch ändert, wodurch ein den Rahmen senkrecht durchflutender magnetischer Fluß ebenfalls periodische Veränderungen erfährt, was dazu führt, dass an einer entweder innerhalb des Nichteisenmetallrahmens aufgespannten ruhenden Spule oder an einer auf den nichtleitenden Rahmen aufgebrachten mitschwingenden Spule eine elektrische Wechselspannung induziert wird, die dem magnetischen Fluß proportional ist, mit der Frequenz der mechanischen Rahmenschwingung oszilliert und deren Spannung und Phasenlage der Identifizierung des Magnetfeldes dient.1. Oscillating frame sensor for the vectorial measurement of magnetic fields, characterized in that a suitably shaped closed frame either made of non-ferrous metal or a non-conductive material is excited at a suitable point to mechanical resonance bending vibrations, which lead to the effective Area changes periodically, whereby a magnetic flux flowing vertically through the frame also experiences periodic changes, which leads to an alternating electrical voltage being induced on a stationary coil stretched either within the non-ferrous metal frame or on a co-oscillating coil attached to the non-conductive frame, which is induced by the magnetic Flux is proportional, oscillates with the frequency of the mechanical frame oscillation and whose voltage and phase position is used to identify the magnetic field. 2. Schwingrahmensensor nach Anspruch 1 dadurch gekennzeichnet, dass das den Rahmen zu mechanischen Schwingungen anregende Bauelement ein piezoelektrischer Wandler ist, der entweder an geeigneter Stelle mit dem Rahmen mechanisch verbunden wird, oder der in Form eines integrierten Schwingers gleichzeitig mit der Herstellung des nichtleitenden Rahmens erstellt wird.2. The oscillating frame sensor according to claim 1, characterized in that the component which stimulates mechanical oscillations in the frame is a piezoelectric transducer which is either mechanically connected to the frame at a suitable point or which is created in the form of an integrated oscillator at the same time as the non-conductive frame is manufactured will. 3. Schwingrahmensensor nach Anspruch 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass zwei oder drei jeweils senkrecht zueinander orientierte Rahmenanordnungen gleichzeitig mechanisch erregt werden.3. oscillating frame sensor according to claim 1 and 2, characterized in that two or three each Frame arrangements oriented perpendicular to one another are mechanically excited at the same time. 4. Schwingrahmensensor nach 1 und 2 dadurch gekennzeichnet, dass in einer Wirkumkehr der Schwingrahmen durch Anlegen einer mit der Rahmen-Resonanzfrequenz oszillierenden Wechselspannung ein Wechselmagnetfeld erzeugt, dessen Rückwirkung den Rahmen wiederum zu Resonanz-Biegeschwingungen veranlasst und in dem komplexen elektrischen Eingangswiderstand an der Spule nachweisbar ist.4. Oscillating frame sensor according to 1 and 2, characterized in that in a reversal of action, the oscillating frame generates an alternating magnetic field by applying an alternating voltage oscillating with the frame resonance frequency, the reaction of which in turn causes the frame to resonate flexural vibrations and is detectable in the complex electrical input resistance at the coil is.
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