DE3639908C1 - Device for indirectly electrically measuring a mechanical quantity on a moving object to be sensed - Google Patents
Device for indirectly electrically measuring a mechanical quantity on a moving object to be sensedInfo
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Abstract
Description
Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung gemäß dem Oberbegriff des Anspruches 1.The invention relates to a device according to the preamble of claim 1.
Es ist eine gattungsgemäße Vorrichtung bekannt (US-PS 43 56 397), welche zur Positionsbestimmung eines Ventils dient. Hierbei ist mit einem als Sensierungsobjekt dienenden be weglichen Schaft des Ventils ein Permanentmagnet verbunden, mit welchem ein auf dem drehbaren Analysator angeordnetes magnetisches Teil korrespondiert. Bewegt sich das Sensierungs objekt - und mit ihm der Permanentmagnet - so wird auf grund des vom Permanentmagnet ausgehenden Magnetfeldes der Analysator gegenüber dem fest angeordneten Polarisator ent sprechend gedreht, wodurch hinter dem Analysator eine Änderung der Lichtintesität und in Folge eine Änderung des vom Empfänger generierten elektrischen Spannungssignals be wirkt wird, welche zur Positionsbestimmung des Ventils entsprechend ausgewertet wird. There is a generic device known (US-PS 43 56 397), which is used to determine the position of a valve. In this case, a permanent magnet is connected to a movable shaft of the valve serving as a sensing object, with which a magnetic part arranged on the rotatable analyzer corresponds. If the sensing object moves - and with it the permanent magnet - the analyzer is rotated accordingly due to the magnetic field emanating from the permanent magnet relative to the fixed polarizer, causing a change in the light intensity behind the analyzer and consequently a change in the electrical generated by the receiver Voltage signal is effective, which is evaluated accordingly to determine the position of the valve.
Ferner ist eine Vorrichtung bekannt (DE-OS 34 28 790), welche als fotoelektrischer Lagesensor vorzugsweise für Regelzwecke ausgebildet ist. Der Lagesensor besteht hierbei aus einem in einem Gehäuse angeordneten optischen Sender und einem optischen Empfänger und zwei in dem Strahlengang zwischen denselben angeordneten gekreuzten Polarisatoren, wobei mindestens einer fest mit dem Sensierungsobjekt verbunden ist und von welchem bei einer Drehbewegung des Sensierungs objektes eine Helligkeitsmodulation des Lichtstrahles be wirkt wird.Furthermore, a device is known (DE-OS 34 28 790), which as a photoelectric position sensor, preferably for control purposes is trained. The position sensor consists of one optical transmitter arranged in a housing and a optical receiver and two in the beam path between the same arranged crossed polarizers, wherein at least one firmly connected to the sensing object and of which when the sensation rotates object modulates the brightness of the light beam will work.
Aufgabe der Erfindung ist es, eine gattungsgemäße Vor richtung so auszubilden, daß die Messung der mechanischen Größe nicht nur berührungslos - also ohne mechanische Kopplung zwischen der Vorrichtung und dem Sensierungsobjekt - , sondern darüber hinaus mit einer absoluten trägheitslosen Reaktion erfolgen kann und die ferner auch in rauher Um gebung eingesetzt werden kann. The object of the invention is to provide a generic device in such a way that the measurement of the mechanical size not only without contact - that is, without mechanical coupling between the device and the sensing object - but also with an absolute inertia response and also in harsh environment can be used.
Diese Aufgabe wird mit den kennzeichnenden Merkmalen des Anspruches 1 gelöst, wobei die Merkmale der Unteransprüche den Erfindungsgegenstand in vorteilhafter Weise weiter bilden und ausgestalten.This task is carried out with the characteristic features of the Claim 1 solved, the features of the subclaims the subject of the invention in an advantageous manner form and shape.
Beim Erfindungsgegenstand handelt es sich also um ein magneto-opto-elektrisches Sensorsystem zur berührungslosen indirekten elektrischen Messung mechanischer Größen auf Basis des physikalischen Effektes (P. Goldberg et al., US-Z "Journal of applied Physics", Volum 42, Number 10, Sept. 1971, Seiten 3874-3876), wonach ein magnetisch gesteuertes Ferro fluid die lineare Polarisation eines durch dieses hindurch gehenden Lichtstrahles bewirkt, wobei der Polarisationswinkel über die Stärke des magnetischen Gleichfeldes verändert werden kann.The subject of the invention is therefore a magneto-opto-electrical sensor system for non-contact indirect electrical measurement of mechanical quantities Basis of the physical effect (P. Goldberg et al., US-Z "Journal of Applied Physics", Volum 42, Number 10, Sept. 1971, Pages 3874-3876), according to which a magnetically controlled Ferro fluid the linear polarization of one through it outgoing light beam causes, the polarization angle changed over the strength of the magnetic direct field can be.
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigenEmbodiments of the invention are in the drawing are shown and are described in more detail below. It demonstrate
Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel als Prinzipdarstellung, Fig. 1 shows a first embodiment as a schematic diagram,
Fig. 2 ein zweites und Fig. 2 shows a second and
Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel. Fig. 3 shows a third embodiment.
In Fig. 1 ist der prinzipielle Aufbau einer Vorrichtung zur Erfassung der magnetfeldabhängigen linearen Polarisation eines Lichtstrahles in einem polaren Ferrofluid mit Hilfe einer optoelektronischen Intensitätsbestimmung dargestellt.In Fig. 1, the basic structure is a device for detecting the magnetic field-dependent linear polarization of a light beam depicted in a polar ferrofluid by means of an optoelectronic intensity determination.
Die Vorrichtung besteht aus einem lichtelektrischen Sender 1 und Empfänger 2 und zwei in dem Strahlengang zwischen den selben angeordneten gekreuzten Polarisatoren, nämlich einem Polarisator 3 und einem Analysator 4. Über einen elektrischen Anschluß 1.1 ist hierbei der Sender 1 und Empfänger 2 mit einer Gleichspannungsquelle 5 und über einen elektrischen Anschluß 2.1 ist der Empfänger 2 des weiteren mit einer elektronischen Auswerteeinheit 6 verbunden, in welcher das vom Empfänger 2 generierte elektrische Spannungssignal entsprechend der zu messenden mechanischen Größe ausgewertet wird. Wie aus der Fig. 1 ersichtlich ist, seien der Sender 1 und der Pola risator 3 einerseits und der Analysator 4 und der Empfänger 2 andererseits, welche über den als Lichtleiter 7.1, 7.2 aus gebildeten Strahlengang 7 miteinander optisch gekoppelt sind, in Richtung der z-Achse ausgerichtet. In den Strahlengang 7 ist nun zwischen die beiden Lichtleiter 7.1, 7.2 ein aus einem polaren Ferrofluid bestehendes Sensorelement 8 mit zwei Elek troden 8.1 und 8.2 eingebracht und zwar derart, daß ein bei einer über die Anschlüsse 8.1.1, 8.2.1 an die Elektroden 8.1, 8.2 angelegten elektrischen Spannung - beispielsweise eben falls von der Gleichspannungsquelle 5 - erzeugtes statisches elektrisches Gleichfeld 8.3 senkrecht zur Achse des Strahlen ganges (z-Achse) verläuft, also beispielsweise in Richtung der y-Achse. Ferner ist ein ein magnetisches Gleichfeld 9.1 erzeugender Magnet 9 - beispielsweise ein Permanentmagnet - derart angeordnet, daß dessen Gleichfeld 9.1 sowohl senkrecht zur Achse des Strahlenganges (z-Achse) als auch senkrecht zum elektrischen Gleichfeld 8.3 (y-Achse) verläuft - also in Richtung der x-Achse -, wobei der Magnet 9 in diesem Aus führungsbeispiel mit dem in Richtung der x-Achse beweg baren Sensierungsobjekt 10 fest verbunden ist.The device consists of a photoelectric transmitter 1 and receiver 2 and two crossed polarizers arranged in the beam path between the same, namely a polarizer 3 and an analyzer 4 . Via an electrical connection 1.1 , the transmitter 1 and receiver 2 are connected to a DC voltage source 5 and via an electrical connection 2.1 , the receiver 2 is further connected to an electronic evaluation unit 6 , in which the electrical voltage signal generated by the receiver 2 corresponds to the mechanical one to be measured Size is evaluated. As can be seen from FIG. 1, the transmitter 1 and the polarizer 3 on the one hand and the analyzer 4 and the receiver 2 on the other hand, which are optically coupled to one another via the beam path 7 formed as light guides 7.1 , 7.2 , in the direction of the z Axis aligned. In the beam path 7 between the two light guides 7.1 , 7.2, a sensor element 8 consisting of a polar ferrofluid with two electrodes 8.1 and 8.2 is introduced in such a way that one at one of the connections 8.1.1 , 8.2.1 to the electrodes 8.1 , 8.2 applied electrical voltage - for example just if generated by the DC voltage source 5 - generated static electrical DC 8.3 perpendicular to the axis of the beam path (z-axis), so for example in the direction of the y-axis. Furthermore, a magnet 9 generating a DC magnetic field 9.1 - for example a permanent magnet - is arranged in such a way that its DC field 9.1 runs both perpendicular to the axis of the beam path (z-axis) and perpendicular to the electrical direct field 8.3 (y-axis) - that is, in the direction the x-axis -, the magnet 9 in this exemplary embodiment being firmly connected to the sensing object 10 which can be moved in the direction of the x-axis.
Das elektrische Gleichfeld 8.3 hat hierbei eine definierte Vorausrichtung der polaren Ferrofluidpartikel im Sensor element 8 zu bewirken, so daß eine störsichere Reproduzier barkeit des Meßeffektes ermöglicht wird, da das elektrische Gleichfeld 8.3 im Sensorelement 8 die Rückstellkräfte für die polaren Ferrofluidpartikel erzeugt, derart, daß sich die polaren Ferrofluidpartikel entsprechend der resultieren den Kraft aus dem magnetischen und dem elektrischen Gleich feld einstellen und damit die optische Polarisationsebene bestimmen können. Ferner sind bei der Justierung der Vor richtung das magnetische und das elektrische Gleichfeld so eingestellt, daß das linear polarisierte Licht das Sensor element 8 nur mit geringer Schwächung durchläuft und des weiteren ist die optische Polarisationsebene des Analysa tors 4 senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahls - also im wesentlichen auch senkrecht zur Po larisationsebene des Polarisators 3 - eingestellt, so daß kein Licht durch den Analysator 4 treten kann.The DC electric field 8.3 here has a defined pre-alignment of the polar ferrofluid particles in the sensor element 8 , so that an interference-free reproducibility of the measurement effect is made possible because the DC electric field 8.3 in the sensor element 8 generates the restoring forces for the polar ferrofluid particles in such a way that adjust the polar ferrofluid particles according to the result of the force from the magnetic and electrical fields and thus determine the optical plane of polarization. Furthermore, the magnetic and electrical DC fields are set so that the linearly polarized light passes through the sensor element 8 with only a slight attenuation and further the optical polarization plane of the analyzer 4 is perpendicular to the polarization plane of the incident light beam - that is, when adjusting the direction essentially also perpendicular to the polarization plane of the polarizer 3 - set, so that no light can pass through the analyzer 4 .
Die Wirkungsweise der Vorrichtung ist nun folgende:The device works as follows:
Im lichtelektrischen Sender 1 wird ein Lichtstrahl generiert, welcher über den Polarisator 3 linear polarisiert und über den Lichtleiter 7.1 dem Sensorelement 8 zugeführt wird und dieses mit geringer Schwächung durchläuft. Der so das polare Ferrofluid des Sensorelementes 8 transmittierende polarisierte Lichtstrahl wird über den Lichtleiter 7.2 dem Analysator 4 zugeführt, wobei jedoch am Empfänger 2 noch kein Licht auftrifft, da die Polarisationsebene des Analysators 4 senkrecht zur Polarisationsebene des einfallenden Lichtstrahles eingestellt ist. Wird nun das Sensierungsobjekt 10 und mit ihm der Magnet 9 in Richtung der x-Achse auf das Sensorelement 8 hinbewegt, so bewirkt die das Sensorelement durchdringende zunehmende Stärke des magnetischen Gleichfeldes 9.1 (Änderung des Magnetflusses Φ im Sensorelement) eine Drehung der Aus richtungsebene der Partikel des polaren Ferrofluids im Sensorelement 8 und somit eine optische Aufhellung hinter dem Analysator 4, welche von dem optoelektronischen Empfänger 2 in ein elektrisches Signal umgewandelt und in der elektroni schen Auswerteeinheit 6 entsprechend der zu messenden mecha nischen Größe - im Ausführungsbeispiel der Bewegungsweg des Sensierungsobjektes oder dessen Bewegungsgeschwindig keit - ausgewertet wird. Die optische Aufhellung und damit das vom Empfänger generierte elektrische Signal ist hierbei proportional der Stärke des magnetischen Gleichfeldes, der Dicke der durchstrahlten Substanz (Ferrofluid) im Sensor element und einem substanzspezifischen Proportionalitäts faktor.A light beam is generated in the photoelectric transmitter 1 , which polarizes linearly via the polarizer 3 and is fed to the sensor element 8 via the light guide 7.1 and passes through it with little attenuation. The polarized light beam thus transmitting the polar ferrofluid of the sensor element 8 is fed to the analyzer 4 via the light guide 7.2 , but no light hits the receiver 2 yet, since the polarization plane of the analyzer 4 is set perpendicular to the polarization plane of the incident light beam. If the sensing object 10 and with it the magnet 9 is now moved in the direction of the x-axis towards the sensor element 8 , the increasing strength of the magnetic direct field 9.1 (change in the magnetic flux Φ in the sensor element) penetrating the sensor element causes a rotation of the directional plane of the particles of the polar ferrofluid in the sensor element 8 and thus an optical brightening behind the analyzer 4 , which is converted into an electrical signal by the optoelectronic receiver 2 and in the electronic evaluation unit 6 according to the mechanical size to be measured - in the exemplary embodiment, the movement path of the sensing object or its Movement speed - is evaluated. The optical brightening and thus the electrical signal generated by the receiver is proportional to the strength of the magnetic direct field, the thickness of the irradiated substance (ferrofluid) in the sensor element and a substance-specific proportionality factor.
Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 ist die Vorrichtung nach Fig. 1 als bauliche Einheit dargestellt. Hierbei sind der Sender 1 und der Polarisator 3 parallel zum Empfänger 2 und Analysator 4 in einem Gehäuse 11 angeordnet, an welchem ein Sensorgehäuse 12 angeordnet ist. Im Sensorgehäuse 12 ist zum einen das Sensorelement 8 und zum anderen - im Unterschied zu Fig. 1 - in einer topfförmigen Ausnehmung 12.2 auch der Magnet 9 angeordnet, welcher von einer nichtmagnetischen Abschlußplatte 12.1 getragen ist und welche das Sensor gehäuse 12 abschließt, so daß die Vorrichtung auch in aggressi ven Medien betrieben werden kann. Der Polarisator 3 und der Analysator 4 sind mit dem Sensorelement 8 über die Lichtlei ter 7.1, 7.2 und die Umlenkprismen 7.3, 7.4 optisch gekoppelt. Auch hier ist der Einbau der einzelnen Elemente so getroffen, daß sämtliche Achsen - die Achse des magnetischen Gleichfel des 9.1, die Achse des elektrischen Gleichfeldes 8.3 zwischen den beiden Elektroden 8.1, 8.2 und die Achse des Strahlen ganges 7 - senkrecht zueinander stehen und sich in einem Punkt schneiden. Die elektrischen Anschlüsse 1.1, 2.1, 8.1.1 und 8.2.1 der einzelnen Elemente sind hierbei in dem vorzugs weise als Stecker ausgebildeten Gehäuse 11 untergebracht, wel cher Stecker über ein Kabel mit der Gleichspannungsquelle 5 und der Auswerteeinheit 6 verbunden werden kann.In the exemplary embodiment according to FIG. 2, the device according to FIG. 1 is shown as a structural unit. Here, the transmitter 1 and the polarizer 3 are arranged parallel to the receiver 2 and analyzer 4 in a housing 11 , on which a sensor housing 12 is arranged. In the sensor housing 12 , on the one hand, the sensor element 8 and on the other - in contrast to Fig. 1 - in a cup-shaped recess 12.2 also the magnet 9 is arranged, which is supported by a non-magnetic end plate 12.1 and which closes the sensor housing 12 , so that the Device can also be operated in aggressive media. The polarizer 3 and the analyzer 4 are optically coupled to the sensor element 8 via the light guide 7.1 , 7.2 and the deflection prisms 7.3 , 7.4 . Again, the installation of the individual elements is made so that all axes - the axis of the magnetic constant field of 9.1 , the axis of the electrical constant field 8.3 between the two electrodes 8.1 , 8.2 and the axis of the beam path 7 - are perpendicular to each other and in intersect a point. The electrical connections 1.1 , 2.1 , 8.1.1 and 8.2.1 of the individual elements are accommodated in the housing 11 , which is preferably in the form of a connector, and which connector can be connected via a cable to the DC voltage source 5 and the evaluation unit 6 .
Mit einer derart ausgebildeten Vorrichtung ist sowohl eine Positionsmessung eines ferromagnetischen Sensierungs objektes 10 als auch eine Drehzahlmessung eines sich radial an der Vorrichtung vorbeibewegenden Sensierungsobjektes 10 möglich, wobei die Drehzahlmessung von der Drehzahl Null an möglich ist. In beiden Fällen wird durch den sich ändernden Luftspalt zwischen Sensierungsobjekt und Vorrichtung die Stärke des das Sensorelement 8 durchdringenden magnetischen Gleichfeldes 9.1 beeinflußt. Außerdem ist mit dieser Vor richtung auch eine Zählung weichmagnetischer Sensierungs objekte oder nichtmagnetischer Sensierungsobjekte mit weich magnetischer Plakette möglich.With a device designed in this way, both a position measurement of a ferromagnetic sensing object 10 and a rotational speed measurement of a radially moving past the device sensing object 10 is possible, the rotational speed measurement being possible from zero speed. In both cases, the strength of the magnetic direct field 9.1 penetrating the sensor element 8 is influenced by the changing air gap between the sensing object and the device. In addition, with this device it is also possible to count soft magnetic sensing objects or non-magnetic sensing objects with a soft magnetic badge.
Während beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 2 der Magnet 9 in Achsrichtung der Vorrichtung angeordnet ist, ist beim Ausführungsbeispiel nach Fig. 3 der Magnet 9 senkrecht zur Achse der Vorrichtung angeordnet. Gleichwohl steht auch bei dieser Ausführung die Achse des magnetischen Gleichfeldes 9.1 senkrecht zu den Achsen des elektrischen Gleichfeldes 8.3 und des Strahlenganges 7, da der Hauptfluß Φ H auch über einen weichmagnetischen Rückschlußschenkel 12.3 - welcher in der topfförmigen Ausnehmung 12.2 zwischen dem Magnet 9 und dem Sensorelement 8 angeordnet ist - durch das Sensorelement 8 geleitet wird. Die Stärke des magnetischen Hauptflußes Φ H wird hierbei durch das bewegte Sensierungsobjekt 10 insofern gesteuert, als sich über dieses in Abhängigkeit von seiner relativen Lage zum Magnet 9 ein Nebenschlußkreis 9.2 mit einem mehr oder weniger großen Nebenfluß Φ N bildet, so daß der magnetische Hauptfluß H je nach Stärke des magnetischen Nebenflusses V N ab- oder zunimmt, da der magnetische Gesamt fluß konstant ist.While in the embodimentFig. 2 the magnet9 is arranged in the axial direction of the device is at Embodiment according toFig. 3 the magnet9 perpendicular to Axis of the device arranged. Nevertheless also stands with this version, the axis of the DC magnetic field9.1 perpendicular to the axes of the DC electric field8.3 and of the ray path7because the main riverΦ H also about one soft magnetic yoke12.3 - which in the pot-shaped recess12.2 between the magnet9 and the Sensor element8th is arranged - by the sensor element8th is directed. The strength of the main magnetic fluxΦ H is here by the moving sensation object10th to that extent controlled than about this depending on his relative position to the magnet9 a shunt9.2 With a more or less large tributaryΦ N forms so that the main magnetic flux H depending on the strength of the magnetic TributaryV N decreases or increases as the total magnetic flow is constant.
Obwohl in den Fig. 2 und 3 das Sensorgehäuse 12 mit dem Ge häuse 11 direkt verbunden ist, ist ohne weiteres erkennbar, daß das Sensorgehäuse 12 gegenüber dem Gehäuse 11 auch ent fernt angeordnet sein kann, wobei dann die Elemente der beiden Gehäuse lediglich über die beiden Lichtleiter 7.1, 7.2 miteinander verbunden sind. Das bedeutet, daß das Sensor gehäuse 12 mit dem Magnet 9 und dem Sensorelement 8 un mittelbar am Sensierungsort - beispielsweise in rauher Um gebung - angeordnet werden kann, während das mit ihm über die Lichtleiter 7.1, 7.2 verbundene Gehäuse 11 mit den Elementen 1 bis 4 und den elektrischen Anschlüssen an einem weit ent fernten Empfangsort angeordnet sein kann, da über die Licht leiter - beispielsweise Glasfaserlichtleiter - eine besonders störungsarme Signalübertragung möglich ist.Although in Figs. 2 and 3, the sensor housing 12 housing the Ge 11 is directly connected, is readily apparent that the sensor housing may also be arranged ent removed from the housing 11 12, in which case the elements of the two housing only via the two light guides 7.1 , 7.2 are connected to each other. This means that the sensor housing 12 with the magnet 9 and the sensor element 8 un directly at the sensing location - for example in a rough environment - can be arranged while the housing 11 connected to it via the light guides 7.1 , 7.2 with the elements 1 to 4 and the electrical terminals can be arranged at a receiving location to far away as conductors on the light - for example, fiber optic light guide - particularly a low-interference signal transmission is possible.
Mit der Erfindung ist es also möglich, eine kleine, robuste und störarme Vorrichtung zur berührungslosen Messung von mechanischen Größen aufzubauen, da vom Sensierungsort bis zum Ort der Signalauswertung die Information über den Zustand des Sensierungsobjektes über eine Faseroptik übertragen wer den kann, welche gegen elektromagnetische Störungen sicher ist und bei entsprechender Ankopplung an das ferrofluidische Sensorelement und an die elektronische Auswerteeinheit auch unempfindlich gegen Öl-und Salzverschmutzung am Meßort ist. Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Vorrichtung liegt in deren absoluten trägheitslosen Reaktion auf geometrische Lageänderungen des Sensierungsobjektes.With the invention it is therefore possible to have a small, robust and low-interference device for contactless measurement of mechanical quantities to build up, from the point of detection to information about the status of the location of the signal evaluation of the sensing object via a fiber optic who which can be safe against electromagnetic interference and with a corresponding coupling to the ferrofluidic Sensor element and to the electronic evaluation unit too is insensitive to oil and salt pollution at the measuring location. Another advantage of the device according to the invention lies in their absolute inertia reaction to geometric Changes in the position of the sensing object.
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