DE3730701A1 - Magnetfeldsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Magnetfeldsensor nach dem Oberbegriff des Patentanspruches 1.

Ein Magnetfeldsensor dieser Art ist beispielsweise in der DE-PS 33 43 269 dargestellt und beschrieben. Dieser Magnetfeldsensor besteht aus einer erregenden zylinder­ förmigen Spule mit einem Kern aus weichmagnetischem Material und einem relativ zur Spule und in Achsrichtung derselben bewegbarem Permanentmagneten. Beim Bewegen des Magneten relativ zu einer Stirnseite der Spule wird eine Änderung der Magnetflußdichte in dem weichmagnetischen Kern der Spule verursacht, so daß über die nichtlineare Funktion B=f(H) der Magnetisierungskurve des Kerns der Spule eine Änderung der dynamischen Permeabilität µ(H)=dB/dH und in der Folge der Induktivität L=µ(H)N² × A/l der Spule bewirkt. Hierbei bedeuten B=Magnetflußdichte, H=magnetische Feldstärke, µ=Permeabilität, L=Induktivität der Spule, N=Windungszahl der Spule, A=Spulenquerschnitt und l=die Spulenlänge. Die Änderung der Induktivität kann indirekt als Meßwert, beispielsweise als induktiver Spannungsabfall, an der Spule abgenommen und einem als Trägerfrequenz-Meßbrücke ausgebildeten Auswertesteuergerät zugeführt werden. Diese bekannte Anordnung zum indirekten, berührungslosen, elektrischen Messen kleiner Wege besitzt aufgrund der nichtlinearen Funktion B=f(H) der Magneti­ sierungskurve eine nichtlineare Ausgangskennlinie Ua=f(s), wie Fig. 1 zeigt. Für viele Anwendungen, ins­ besondere für die stetige Wegmessung, ist es notwendig, einen linearen Zusammenhang zwischen Weg und Ausgangs­ signal zu erhalten.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Magnet­ feldsensor der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 beschriebenen Art derart zu verbessern, daß sich die Ausgangskennlinie zumindest in dem gewünschten Meßbereich linearisieren läßt. Diese Aufgabe wird gelöst bei einem Magnetfeldsensor der eingangs beschriebenen Art durch die kennzeichnenden Merkmale des Patentanspruchs 1. Weitere Einzelheiten und Merkmale ergeben sich aus den folgenden Unteransprüchen.

Anhand der Zeichnung, in der mehrere Ausführungsbeispiele dargestellt sind, wird die Erfindung näher erläutert; es zeigen:

Fig. 1 die Abhängigkeit der Ausgangsspannung in Abhängig­ keit vom Weg s bei den bekannten Magnetfeldsensoren,

Fig. 2 einen Magnetfeldsensor gemäß der Erfindung, in einer Endstellung,

Fig. 3 den Magnetfeldsensor gemäß Fig. 2 in einer Zwischenstellung

Fig. 4 den Magnetfeldsensor gemäß Fig. 2 in der anderen Endstellung

Fig. 5 die Ausgangskennlinie des Magnetfeldsensors gemäß Fig. 2,

Fig. 6 eine Hülse eines Magnetfeldsensors gemäß Fig. 2 mit verschiedenen ringförmigen Teilbereichen,

Fig. 7 eine weitere Ausbildung des erfindungsgemäßen Magnetfeldsensors.

Der Magnetfeldsensor besteht aus dem eigentlichen Sensor­ element mit einem Kern 1 aus weichmagnetischem Material, welches vorzugsweise ein weichmagnetisches amorphes Material ist. Auf dem weichmagnetischen Kern 1 sitzt eine Spule 2, die auf einem Spulenkörper 3 aufgewickelt ist. Der Kern 1 und ein mit den Enden der Spule 2 kontaktiertes Anschlußkabel 5 sind durch einen Kunststoffverguß 4 in ihrer Lage fixiert.

Mit dem Sensorelement 1 bis 5 wirkt ein Permanentmagnet 6 zusammen, der axial zur Spule 2 angeordnet ist. Bei dem in Fig. 2 bis 4 dargestellten Ausführungsbeispiel bildet der Permanentmagnet 6 einen Teil einer Hülse 7 aus elektrisch leitendem Material. Er kann auch direkt am Boden der Hülse 7 angebracht werden, bzw. es kann ein Röhrchen mit aufgesetzten Dauermagneten verwendet werden. Wesentlich ist hierbei, daß Permanentmagnet 6 und Hülse 7 gemeinsam bewegt werden und daß die Hülse 7 über die Spule 2 des Sensorelementes greift. Mit 8 ist ein elektrisch und magnetisch nicht-leitendes Sensorgehäuse bezeichnet.

Der Einfluß der Hülse 7 auf das Sensorelement ist wie folgt:

Wird die Spule 2 mit Wechselstrom angesteuert, so bildet sich ein magnetisches Wechselfeld Hsp aus. Innerhalb der elektrisch leitenden Hülse 7 fließen vom magnetischen Wechselfeld induzierte Wirbelströme, die ihrerseits ein der Änderung des Magnetfeldes Hsp entgegengerichtetes Feld Hw erzeugen. Die in der elektrisch leitenden Hülse 7 fließenden Wirbelströme bedämpfen die Spule 2, da das Magnetfeld Hsp wegen des entgegengerichteten Feldes Hw geschwächt wird. Dadurch verringert sich die zur Auswer­ tung herangezogene Spuleninduktivität, was ein kleineres Ausgangssignal zur Folge hat.

Da sich die Hülse 7 mit dem Magneten 6 bewegt, wird gleichzeitig mit dem Entfernen des Permanentmagneten 6 die Wirbelstrombedämpfung geschwächt, so daß die Spulen­ induktivität ansteigt (Fig. 3).

Im folgenden wird der Einfluß des Permanentmagneten 6 auf das Sensorelement beschrieben:

Die magnetische Feldstärke H am Ort des Kerns 1 hängt von der jeweiligen Stellung des Permanentmagneten 6 zum Kern 1 ab. Aufgrund des nichtlinearen Zusammenhangs zwischen der Magnetflußdichte B und der magnetischen Feldstärke H ergibt daher entsprechend B=f(H) je nach der Stellung des Permanentmagneten 6 eine Änderung der dynamischen Permeabilität µ(H)=dB/dH. Dies hat eine auswert­ bare Induktivitätsänderung zur Folge, wie bereits eingangs beschrieben wurde.

Durch das Verschieben des Permanentmagneten 6 in Achs­ richtung der Spule 2 wird der Arbeitspunkt auf der Magnetisierungskurve eingestellt. Vergrößert man den Abstand zwischen Kern 1 und Permanentmagnet 6, so nimmt die magnetische Feldstärke H am Ort des Kerns 1 ab, d. h., dieser ist weniger stark gesättigt. Die dynamische Permeabilität µ(H) steigt und die Induktivität L der Spule 2 erhöht sich ebenfalls.

Beide zuvor beschriebenen Effekte überlagern sich. Die Erhöhung der dynamischen Permeabilität µ(H) und die abnehmende Wirbelstrombedämpfung wirken beim Übergang von der Stellung gemäß Fig. 2 nach der Stellung gemäß Fig. 4 so zusammen, daß sich eine wegproportionale, lineare Ausgangskennlinie gemäß Fig. 5 einstellt.

Der maximal erreichbare Meßweg wird von der Länge der Spule 2 bestimmt, die in etwa gleich lang ist. Dabei müssen die Hülsenabmessungen so gewählt werden, daß sie in der Endstellung gemäß Fig. 2 die Spule 2 über deren gesamter Länge umschließen.

Die Auswertung des Sensorsignals erfolgt in an sich bekannter Weise über die Induktivitätsänderung, wobei die Spule 2 mit unipolaren Stromimpulsen in einer Magnetisie­ rungsrichtung in die Sättigung ausgesteuert wird. Das Ausgangssignal erhält man durch Gleichrichten der beim Abschalten des Stroms induzierten Spannung U=Ldi/dt wobei L die Induktivität und di/dt den Stromanstieg bedeuten. Ein Betrieb mit Wechselfeldmagnetisierung ist ebenfalls möglich.

Gemäß der Erfindung kann die Größe der Bedämpfung durch die Wahl des Hülsenmaterials beeinflußt werden, in dem Materialien mit verschiedenen spezifischen elektrischen Widerständen, wie z. B. Kupfer, Aluminium, Messing oder dergleichen, eingesetzt werden.

Eine andere Möglichkeit der Anpassung ergibt sich erfindungsgemäß durch eine Variation des Hülseninnen­ durchmessers und/oder der Hülsenwandstärke.

Eine weitere Möglichkeit besteht darin, daß die Hülse aus mindestens zwei ringförmigen Teilen aus unterschiedlichen Materialien besteht, so daß Zonen unterschiedlich starker Bedämpfung entstehen, wodurch sich die Ausgangskennlinie über einen noch größeren Bereich linearisieren läßt. Fig. 6 zeigt ein entsprechendes Ausführungsbeispiel der Hülse 7, die aus den ringförmigen Teilen 9 bis 11 zusammengesetzt ist, wobei die einzelnen Ringe aus verschiedenen Werkstoffen bestehen.

Ein wesentlicher Vorteil des erfindungsgemäßen Magnetfeld­ sensors ist, daß zwischen dem eigentlichen Sensorelement und der Hülse 7 keine exakte Führung notwendig ist. Mit zunehmendem Luftspalt zwischen Sensorelement und Hülse 3 verringert sich zwar die auswertbare Induktivitäts­ änderung und damit der Spannungshub, aber die lineare Ausgangskennlinie bleibt erhalten.

Fig. 7 zeigt ein weiteres Ausführungsbeispiel, wobei ein ringförmiger Permanentmagnet 12 und eine elektrisch leitende Hülse 13 miteinander kombiniert sind. Diese Aus­ führung hat den Vorteil, daß kein mechanischer Anschlag die Bewegung zwischen Sensorelement und der Kombination aus Hülse und Magnet begrenzt. Weiterhin ergibt sich eine Fertigungsvereinfachung, wenn statt einer elektrisch leitenden Hülse der Permanentmagnet mit einer elektrisch leitenden Schicht, die z. B. durch Aufdampfen aufgebracht werden kann, versehen wird.

Eine Kompensation des Temperaturganges des weichmagneti­ schen Kerns 1 und des Widerstandes der Hülse 7 ist aufgrund der linearen Ausgangskennlinie durch eine Differentialanordnung von zwei Sensorelementen möglich, wie dies beispielsweise auch in der DE-PS 33 43 269 beschrieben ist. Dabei wird ein Magnet in der Mitte der Hülse zwischen zwei gegenüberliegenden Sensorelementen angebracht. Die entsprechend angepaßte Hülse bedämpft je nach Stellung beide Spulen verschieden stark.

Claims (11)

1. Magnetfeldsensor zum indirekten berührungslosen elektrischen Messen kleiner Wege, mit einer erregenden zylinderförmigen Spule, welche auf einem Kern aus weichmagnetischem Material angeordnet ist, und einem relativ zur Spule und in Achsrichtung derselben bewegbaren Permanentmagneten, welcher bei relativer Bewegung eine Änderung der Magnetflußdichte bewirkt, wobei diese Änderung durch entsprechende Auswertung eines an der Spule abgenommenen Meßwertes als ein Maß für den zu messenden Weg herangezogen wird, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die zylinderförmige Spule (2) von einer diese umgreifenden Hülse (7) aus elektrisch leitendem Material umgeben ist, die die relative Bewegung des Permanentmagneten (6) mitmacht.

2. Magnetfeldsensor, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Länge der Hülse (7) so gewählt ist, daß sie die Spule (2) in der Endstellung (Fig. 2) auf der gesamten Länge umschließt.

3. Magnetfeldsensor, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die Hülse (7) aus mindestens zwei ringförmigen Teilen (9, 10, 11) aus unterschiedlichen Materialien besteht.

4. Magnetfeldsensor nach einen der Anprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet (6) am Boden der Hülse (7) angeordnet ist.

5. Magnetfeldsensor nach Anspruch 4, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (6) auf ein elektrisch leitendes Röhrchen aufgeklebt wird.

6. Magnetfeldsensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorgehäuse (8) aus elektrisch und magnetisch nichtleitendem Material besteht.

7. Magnetfeldsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der relativ zur Spule (2) bewegbare Permanentmagnet (12) als Ringmagnet ausgebildet ist und einen Durchmesser aufweist, der größer ist als der Außendurchmesser der Spule (2).

8. Magnetfeldsensor nach Anspruch 7, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der ringförmige Permanent­ magnet (12) auf bzw. innerhalb einer elektrisch leitenden Hülse (13) angeordnet ist oder der ringförmige Permanent­ magnet (12) im Inneren oder an seiner Außenseite eine der Hülse (13) entsprechende elektrisch leitende Schicht aufweist.

9. Magnetfeldsensor nach Anspruch 8, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Permanentmagnet (12) die gleiche Länge wie die Hülse (13) aufweist.

10. Magnetfeldsensor nach den Ansprüchen 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der Hülse (13) etwa der Länge der Spule (2) entspricht.

11. Magnetfeldsensor nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekenn­ zeichnet, daß die elektrisch leitende Hülse (7, 13) zur Befestigung mit einem Außengewinde versehen ist.