DE3824267C2

DE3824267C2 -

Info

Publication number: DE3824267C2
Application number: DE19883824267
Authority: DE
Inventors: Franz-Juergen 6458 Rodenbach De Riewe
Original assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Current assignee: Honeywell Regelsysteme GmbH
Priority date: 1988-01-09
Filing date: 1988-07-16
Publication date: 1991-09-26
Also published as: DE3824267A1

Description

Die Erfindung geht aus von einem Magnetfeldsensor gemäß Gattungs begriff des Anspruchs 1. Ein solcher Sensor ist aus DE-OS 35 25 070 bekannt. Die Spule ist beispielsweise mit einem Kern aus Permalloy oder einem amorphen Metall ausgestattet. Bei dem bekannten Magnetfeldsensor gelangt das Ausgangssignal der an die Magnetspule angeschlossenen Gleichrichterschaltung an den Eingang eines Verstärkers, der den Wechselspannungsanteil verstärkt und über einen Abtastschalter dem A/D-Umsetzer zuführt. Um zu verhindern, daß der Verstärker durch den beträchtlichen Gleichstromanteil des Signals (Offset) über steuert wird, ist an seinem Eingang üblicherweise ein nur den Wechselstromanteil hindurchlassender Koppelkondensator vor gesehen, der jedoch wegen der geringen Nutzfrequenz, beispielsweise herab bis zu 50 mHz relativ groß sein muß. Dies bedeutet eine beträchtliche Zeitkonstante, die insbesondere einer schnellen Aktivierung der Schaltungsanordnung entgegen steht. The invention is based on a magnetic field sensor of the generic type Concept of claim 1. Such a sensor is from DE-OS 35 25 070 known. The coil is, for example, with a core made of permalloy or an amorphous metal. In which known magnetic field sensor receives the output signal of the Rectifier circuit connected to the solenoid Input of an amplifier, the AC component amplified and via a sampling switch the A / D converter feeds. To prevent that the amplifier by the considerable DC component of the signal (offset) is controlled, is usually only at its input Coupling capacitor passing AC component seen, but because of the low frequency, for example down to 50 mHz must be relatively large. This means a considerable time constant, in particular against rapid activation of the circuit arrangement stands.

Aus der Firmendruckschrift VALVO Technische Information 8 61 105 "Anwendungen der Magnetfeldsensoren KMZ10" sind Magnetfeldsensoren mit magnetoresistiven Halbleitern bekannt, bei denen das Nutzsignal an einer Widerstandsmeßbrücke abgegriffen wird. Für die Messung schwacher Magnetfelder, z. B. des Erdfeldes, wird dort zur Trennung von Offsetspannungen und magnetisch hervorgerufenen Signalen vorgeschlagen, den magnetoresistiven Sensor mit einer periodischen Folge von positiven und negativen magnetischen Impulsen zu beaufschlagen. Hierzu dient entweder eine direkt auf dem Sensorkörper angebrachte Wicklung oder eine mittels eines Spulenkörpers über diesen Sensor geschobene gesonderte Wicklung.From the company brochure VALVO Technical Information 8 61 105 "Applications of the KMZ10 magnetic field sensors" Known magnetic field sensors with magnetoresistive semiconductors, in which the useful signal at a resistance measuring bridge is tapped. For measuring weak magnetic fields, e.g. B. the earth field, is there for the separation of Offset voltages and magnetically induced signals suggested using a magnetoresistive sensor periodic sequence of positive and negative magnetic Impulses. Either one is used for this directly on the sensor body attached winding or a means a bobbin pushed over this sensor separately Winding.

Ausgehend vom eingangs genannten Stand der Technik ist es Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Magnetfeldsensor zu schaffen, der aus einem Wartezustand schnell in den aktiven Zustand überführt werden kann und zugleich jegliche durch die periodische Auf- und Entladung der Kondensatoren der Gleichrichterschaltung bedingte Welligkeit der Ausgangsspannung vermeidet. Based on the prior art mentioned at the beginning, it is Object of the present invention to provide a magnetic field sensor create that from a waiting state quickly into active Condition can be transferred and at the same time any through the periodic charging and discharging of the capacitors Rectifier circuit-related ripple Avoids output voltage.

Diese Aufgabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung. Sie führt zu einem Magnetsensor, der infolge seiner geringen Stromaufnahme auch über längere Zeit aus einer Batterie betrieben werden kann und der durch den Wegfall des bislang benötigten, auch für nieder frequente Wechselspannungen durchlässigen Koppelkondensators schnell aus einem Wartezustand in den aktiven Zustand überführt werden kann. Für diese Betriebsartumschaltung kann beispiels weise ein besonderes Auslösesignal oder das Ausgangssignal eines Wecksensors benutzt werden.This task is solved by the im Claim 1 marked invention. It leads to one Magnetic sensor, which also due to its low power consumption can be operated from a battery for a long time and that by eliminating the previously required, also for Nieder frequency alternating voltages permeable coupling capacitor quickly changed from a waiting state to the active state can be. For this mode switching, for example as a special trigger signal or the output signal of a Alarm sensor can be used.

Verstärkerschaltungen, die durch eine relativ hohe Offset spannung nicht in die Sättigung getrieben werden, sondern einer solchen Offsetspannung überlagerte Wechselspannungen sättigungsfrei verarbeiten, sind an sich bekannt (vgl. Application Data Book der Firma National Semiconductor Corp., Ausgabe 1986, Seite 89). Ebenfalls zum Stand der Technik gehören Magnetfeldsensoren mit zwei Spulen. So zeigt die DE-OS 29 33 129 einen Sensor, dessen beide Spulen Kerne aus sättigungsgesteuertem Material aufweisen, gegensinnig geschaltet und räumlich parallel zueinander im Magnetfeld angeordnet sind. Die Spulen sind als frequenzbestimmendes Schaltelement an zwei Oszillatorschaltungen angeschlossen, deren Frequenzunterschied ausgewertet wird. Amplifier circuits through a relatively high offset tension is not driven to saturation, but one AC voltages superimposed on such an offset voltage Processing without saturation are known per se (cf. Application Data Book from National Semiconductor Corp., Edition 1986, page 89). Also belong to the state of the art Magnetic field sensors with two coils. For example, DE-OS 29 33 129 a sensor, the two coils of saturation-controlled cores Have material, switched in opposite directions and spatially parallel are arranged to each other in the magnetic field. The coils are as frequency-determining switching element on two oscillator circuits connected whose frequency difference is evaluated.

Weiterhin beschreibt die DE-OS 25 25 143 einen Magnetsensor mit zwei mechanisch hinter- oder nebeneinander angeordneten Spulen, die elektrisch gegeneinander geschaltet sind. Auch in der DE-OS 30 44 020 werden solche Doppel- oder Differenzsonden zur Feldgradientenmessung als bekannt geschildert.Furthermore, DE-OS 25 25 143 describes a magnetic sensor two coils arranged mechanically one behind the other or next to each other, which are electrically connected to each other. Also in the DE-OS 30 44 020 become such double or differential probes Field gradient measurement described as known.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Die Erfindung wird nachfolgend anhand in der Zeichnung wiedergegebener Ausführungsbeispiele erläutert. Dabei zeigtAdvantageous embodiments of the invention result from the Subclaims. The invention is described below in the Drawing illustrated embodiments explained. Here shows

Fig. 1 das teilweise schematisierte Schaltbild einer ersten Ausführungsform des Magnetsensors gemäß der Erfindung; Figure 1 shows the partially schematic circuit diagram of a first embodiment of the magnetic sensor according to the invention.

Fig. 2 den Verlauf der Magnetisierung B einer der Spulen in Abhängigkeit von der magnetischen Feldstärke H, die sich aus einer durch den Spulenstrom hervor gerufenen Komponente und einer durch das zu messende Magnetfeld erzeugten Komponente zusammen setzt;2 shows the variation of the magnetization B of the coil in dependence on the magnetic field strength H which is made up by the coil current induced component and a generated by the measured magnetic field component composed of a.

Fig. 3 ein sich in Abhängigkeit von der Zeit t sinusförmig änderndes Magnetfeld M, die sich hieraus ergebenden Spannungen U13 und U14 am Ausgang der den beiden Spulen nachgeschalteten Gleichrichterschaltungen sowie die Spannung U18 am Ausgang der Verstärker schaltung; Figure 3 is a is a function of the time t sinusoidally varying magnetic field M, the stresses resulting therefrom, and 13 U 14 18 U circuit at the output of the two coils connected downstream of the rectifier circuits and the voltage U at the output of the amplifier.

Fig. 4a und 4b zwei Möglichkeiten des elektrischen Anschlusses der beiden Spulen; FIGS. 4a and 4b two ways of the electrical connection of the two coils;

Fig. 5a bis d vier Möglichkeiten der räumlichen Anordnung der Spulen 1 und 2 im Magnetfeld; und Figures 5a-d four ways the spatial arrangement of the coils 1 and 2 in the magnetic field. and

Fig. 6 die Anordnung der Spulen nach Fig. 5c in einem inhomogenen Magnetfeld. Fig. 6 shows the arrangement of the coils according to Fig. 5c in an inhomogeneous magnetic field.

Das in Fig. 1 dargestellte Ausführungsbeispiel des Magnetfeld sensors weist zwei Spulen 1 und 2 auf, die jeweils einen Magnet kern 3 bzw. 4 umschließen und mit ihrer Achse parallel zueinan der oder gleichachsig ausgerichtet sind. Die Magnetkerne 3 und 4 bestehen aus einem Material hoher Permeabilität und geringer Remanenz, beispielsweise aus Permalloy oder amorphem Metall. Die Verwendung derartiger Kernmaterialien führt wegen der äußerst geringen Remanenz zu einer äußerst schmalen Ummagnetisierungskennlinie und folglich geringstmöglichen Ummagnetisierungsverlusten. Man kann praktisch davon ausgehen, daß die Magnetisierung längs der Neukurve erfolgt.The embodiment shown in Fig. 1 of the magnetic field sensor has two coils 1 and 2 , each enclosing a magnetic core 3 and 4 and with their axis parallel to each other or aligned. The magnetic cores 3 and 4 consist of a material of high permeability and low remanence, for example of permalloy or amorphous metal. Because of the extremely low remanence, the use of such core materials leads to an extremely narrow magnetic reversal curve and consequently the lowest possible magnetic reversal losses. One can practically assume that the magnetization takes place along the new curve.

Jede der beiden Spulen ist über die Reihenschaltung einer Diode 5 bzw. 6 mit einem Widerstand 7 bzw. 8 und einen elektronischen Schalter 9 an die Versorgungsgleichspannung U_B anschließbar. Beide Spulen 1 und 2 sind entweder gegensinnig ausgerichtet oder wie im gezeigten Ausführungsbeispiel mit entgegengesetzter Polarität elektrisch angeschlossen. Jeder Spule ist eine aus einem Gleichrichter 11 bzw. 12 und einem Kondensator 13 bzw. 14 bestehende Gleichrichterschaltung nachgeschaltet, wie dies aus DE-OS 35 25 070 bekannt ist. Each of the two coils can be connected to the DC supply voltage U _B via the series connection of a diode 5 or 6 with a resistor 7 or 8 and an electronic switch 9 . Both coils 1 and 2 are either aligned in opposite directions or electrically connected with opposite polarity as in the exemplary embodiment shown. Each coil is followed by a rectifier circuit consisting of a rectifier 11 or 12 and a capacitor 13 or 14 , as is known from DE-OS 35 25 070.

An die beiden Gleichrichterschaltungen 11, 13 und 12, 14 ist eine zwei Operationsverstärker aufweisende an sich bekannte Schaltungsanordnung angeschlossen, welche sättigungsfrei Wechselspannungen verstärken kann, die relativ hohen Offset spannungen überlagert sind. Diese Verstärkerschaltung besteht im gezeigten Ausführungsbeispiel aus zwei Operationsverstärkern 15 und 16, bei denen jeweils der Ausgang 17 bzw. 18 und der invertierende Eingang 19 bzw. 20 über einen Rückführwiderstand 21 bzw. 22 in Verbindung stehen. Den beiden invertierenden Eingängen 19 und 20 der Operationsverstärker 15 und 16 wird über hochohmige Entkopplungswiderstände 23 bzw. 24 das Ausgangssignal der beiden Gleichrichterschaltungen 11, 13 bzw. 12, 14 zuge leitet. Die nicht invertierenden Eingänge 25 und 26 der beiden Verstärker 15 und 16 sind gemeinsam an eine den Arbeitspunkt der Verstärker festlegende Bezugsspannung U_R angeschlossen. Diese Bezugsspannung U_R ist innerhalb der Grenzen des Gleichtakt bereiches der Verstärker frei wählbar und wird als feste Referenzspannung oder auch z. B. durch einen aus der Ver sorgungsgleichspannung gespeisten Spannungsteiler auf einen für den A/D-Wandler günstigen Wert festgelegt. Im Falle einer bipolaren (+/-) z. B. massesymmetrischen Versorgungsspannung kann das Massepotential als Referenzspannung dienen. Zur Aktivierung und Einschaltung der beiden Verstärker 15 und 16 dient ein zweiter elektronischer Schalter 27, der zwischen die Stromquelle U_B und den Betriebsspannungsanschluß 28 für beide Verstärker eingeschaltet ist. Die elektronischen Schalter 9 und 27 sind Halbleiterschalter. Die Widerstände R22/R24 bestimmen die Verstärkung; es gilt R23=R22, R21=R29 und z. B. R23=10×R21, wobei R21 beispielsweise 100 kOhm ist. Die Toleranzen der Widerstände gleicher Größe sollten eng sein, da diese für die Gleichtaktunterdrückung verantwortlich sind.Connected to the two rectifier circuits 11, 13 and 12, 14 is a circuit arrangement which has two operational amplifiers and is known per se and which can amplify AC voltages without saturation, the relatively high offset voltages being superimposed. In the exemplary embodiment shown, this amplifier circuit consists of two operational amplifiers 15 and 16 , in each of which the output 17 or 18 and the inverting input 19 or 20 are connected via a feedback resistor 21 or 22 . The two inverting inputs 19 and 20 of the operational amplifiers 15 and 16 , the output signal of the two rectifier circuits 11, 13 and 12, 14 is supplied via high-impedance decoupling resistors 23 and 24 , respectively. The non-inverting inputs 25 and 26 of the two amplifiers 15 and 16 are connected together to a reference voltage U _R which defines the operating point of the amplifiers. This reference voltage U _R is freely selectable within the limits of the common mode range of the amplifier and is used as a fixed reference voltage or z. B. by a voltage divider fed from the United supply voltage divider to a value favorable for the A / D converter. In the case of a bipolar (+/-) z. B. ground symmetrical supply voltage, the ground potential can serve as a reference voltage. A second electronic switch 27 , which is connected between the current source U _B and the operating voltage connection 28 for both amplifiers, is used to activate and switch on the two amplifiers 15 and 16 . The electronic switches 9 and 27 are semiconductor switches. The resistors R 22 / R 24 determine the gain; R 23 = R 22 , R 21 = R 29 and z. B. R 23 = 10 × R 21 , where R 21 is, for example, 100 kOhm. The tolerances of the same size resistors should be narrow, as they are responsible for common mode rejection.

Der Ausgang 17 des ersten Operationsverstärkers 15 steht ferner über einen Koppelwiderstand 29 mit dem invertierenden Eingang 20 des zweiten Operationsverstärkers 16 in Verbindung, dessen Ausgang 18 an einen Eingang 30 eines Abtastschalters 31 angeschlossen ist. Dieser Abtastschalter tastet in einem durch einen Taktgeber des Microprozessors 32 vorgegebenen Rhythmus das Ausgangssignal des Verstärkers 16 ab und führt es dem Eingang eines nachgeschalteten A/D-Umsetzers 33 zu. Der Abtastschalter 31 wird vom gleichen Taktgeber gesteuert wie der erste elektronische Schalter 9. Er schließt den Eingang des A/D-Umsetzers 33 jeweils um eine vorgegebene Zeitspanne gegenüber dem Schließintervall des ersten elektronischen Schalters 9 verzögert an den Ausgang 18 des Verstärkers 16 an. Über die Leitung 34 erhält der zweite elektronische Schalter 27 vom Microprozessor 32 sein Steuersignal, welches ihn schließt und damit die Verstärker 15 und 16 an die Betriebsspannung legt. Das Steuersignal kann beispielsweise von einem Wecksensor geliefert werden oder im Falle einer periodischen Magnet feldüberwachung in vorgegebenen zeitlichen Abständen periodisch auftreten. Über die Leitung 35 steuert der Taktgeber des Micro prozessors 32 den ersten elektronischen Schalter 9 und damit die periodische Einschaltung der Spulen 1 und 2, wie dies in DE-OS 35 25 070 beschrieben ist. Zwecks Stromersparnis werden die Verstärker 15 und 16 über den zweiten elektronischen Schalter 27 nur dann eingeschaltet, wenn der Magnetsensor aktiviert werden soll. Im Ruhezustand sind beide Verstärker abgeschaltet. Sofern das Magnetfeld nur in bestimmten zeitlichen Abständen zu ermitteln ist, werden die Verstärker 15 und 16 über den Schalter 27 von der Versorgungsspannung U_B getrennt, sobald das der magnetischen Feldstärke entsprechende Ausgangssignal des Verstärkers 16 digitalisiert und im Speicherteil des Micro prozessors 32 gespeichert ist. Falls erforderlich, können noch weitere Verstärker vorgesehen, insbesondere zwischen den Ausgang 18 des Verstärkers 16 und den Eingang 30 des Abtastschalters 31 eingeschaltet sein. Auch diese werden dann über den zweiten elektronischen Schalter 27 an die Betriebsspannung gelegt. Wird der erste elektronische Schalter 9 über die Leitung 35 im Rhythmus des Taktgebers im Microprozessor 32 geschlossen, so fließt Strom von der Stromquelle U_B durch die beiden Spulen 1 und 2 und treibt deren Magnetkern in die Sättigung.The output 17 of the first operational amplifier 15 is also connected via a coupling resistor 29 to the inverting input 20 of the second operational amplifier 16 , the output 18 of which is connected to an input 30 of a sampling switch 31 . This sampling switch samples the output signal of the amplifier 16 in a rhythm predetermined by a clock of the microprocessor 32 and feeds it to the input of a downstream A / D converter 33 . The sampling switch 31 is controlled by the same clock generator as the first electronic switch 9 . It connects the input of the A / D converter 33 to the output 18 of the amplifier 16 with a delay of a predetermined time compared to the closing interval of the first electronic switch 9 . Via the line 34 , the second electronic switch 27 receives its control signal from the microprocessor 32 , which closes it and thus applies the amplifiers 15 and 16 to the operating voltage. The control signal can, for example, be supplied by a wake-up sensor or, in the case of periodic magnetic field monitoring, occur periodically at predetermined time intervals. Via the line 35 , the clock of the micro processor 32 controls the first electronic switch 9 and thus the periodic switching on of the coils 1 and 2 , as described in DE-OS 35 25 070. In order to save electricity, the amplifiers 15 and 16 are only switched on via the second electronic switch 27 when the magnetic sensor is to be activated. Both amplifiers are switched off in the idle state. If the magnetic field can only be determined at certain time intervals, the amplifiers 15 and 16 are separated from the supply voltage U _B via the switch 27 as soon as the output signal of the amplifier 16 corresponding to the magnetic field strength is digitized and stored in the memory part of the microprocessor 32 . If necessary, further amplifiers can be provided, in particular be switched on between the output 18 of the amplifier 16 and the input 30 of the sampling switch 31 . These are then also connected to the operating voltage via the second electronic switch 27 . If the first electronic switch 9 is closed via the line 35 in the rhythm of the clock generator in the microprocessor 32 , current flows from the current source U _B through the two coils 1 and 2 and drives their magnetic core into saturation.

Die Abhängigkeit der Magnetisierung B von der Feldstärke H zeigt Fig. 2. Die Magnetisierung B setzt sich dabei in beiden Spulen jeweils aus einem durch das äußere Magnetfeld M bedingten Anteil B_M und einem durch den Magnetisierungsstrom in der Spule hervorgerufenen, sich mit diesem längs der Magnetisierungs kennlinie K ändernden Anteil B₁ bzw. B₂ zusammen und erreicht im Sättigungsfall die Sättigungsinduktion B_S bzw. -B_S. Wird der Strom durch die Spule 1 bzw. 2 abgeschaltet, so entsteht an der Spule durch Selbstinduktion eine Spannung, die über die Diode 11 bzw. 12 den nachgeschalteten Kondensator 13 bzw. 14 auflädt. Dabei verringert sich die Magnetisierung jeweils vom Sättigungswert B_S bis zu dem durch das äußere Magnetfeld bedingten Wert B_M also minimal bis zu einem durch das Erdmagnetfeld hervorgerufenen Wert. Da die Sättigung des Magnetkerns bei vorgegebener Induktion eintritt und folglich konstant ist, bleibt die aus der Spule gewonnene Energie und damit die am Kondensator 13 bzw. 14 stehende Spannung mit ihrem Anfangswert solange konstant wie sich das äußere Magnetfeld M nicht ändert. Tritt eine Änderung des äußeren Magnetfelds ein, so ändert sich auch die Spannung an den Kondensatoren. Für eine fortlaufende Messung des Magnetfelds werden die Spulen 1 und 2 über den elektronischen Schalter 9 periodisch ein- und ausgeschaltet. Damit entsteht am jeweiligen Kondensator eine Spannung, welche der Differenz von Sättigungsinduktion B_S und magnetfeldbedingter Induktion B_M also dem Wert B_S-B_M entspricht und um den Wert B_M der magnetfeldabhängigen Magnetisierung schwankt. Die dem Wert B_S-B_M entsprechende Spannung wird als Offset oder Gleichspannungsanteil bezeichnet und muß vom eigentlichen Nutzsignal B_M abgetrennt werden.The dependence of the magnetization B on the field strength H is shown in FIG. 2. The magnetization B in both coils is composed in each case of a portion B _M caused by the external magnetic field _M and a portion caused by the magnetizing current in the coil, which along with it Magnetization characteristic K changing portion B ₁ or B ₂ together and reaches the saturation induction B _S or -B _{S in the} event of saturation. If the current through the coil 1 or 2 is switched off, a voltage arises on the coil by self-induction, which charges the downstream capacitor 13 or 14 via the diode 11 or 12 . The magnetization decreases in each case from the saturation value B _S to the value B _M caused by the external magnetic field, ie minimally to a value caused by the earth's magnetic field. Since the saturation of the magnetic core occurs with a given induction and is consequently constant, the energy obtained from the coil and thus the voltage at the capacitor 13 or 14 remains constant with its initial value as long as the external magnetic field M does not change. If the external magnetic field changes, the voltage across the capacitors also changes. For a continuous measurement of the magnetic field, the coils 1 and 2 are periodically switched on and off via the electronic switch 9 . A voltage thus arises at the respective capacitor, which corresponds to the difference between saturation induction B _S and magnetic field-induced induction B _M, that is to say the value B _S -B _M , and fluctuates around the value B _{M of} the magnetization-dependent magnetization. The voltage corresponding to the value B _S -B _M is referred to as the offset or DC voltage component and must be separated from the actual useful signal B _M.

Dies erreicht die Erfindung durch die Verwendung von zwei Sensorspulen 1 und 2, die im zu messenden Magnetfeld in gleicher Richtung orientiert, beispielsweise parallel zueinander oder gleichachsig angeordnet sind, aber wie Fig. 1 zeigt elektrisch gegensinnig angeschlossen sind. Man könnte statt dessen auch die räumliche Orientierung der Spulen umkehren, beispielsweise ihren Wicklungssinn und den elektrischen Anschluß übereinstimmend vornehmen. Die Widerstände 7 und 8 begrenzen den Strom durch die Spulen oberhalb der magnetischen Sättigung. Die Dioden 5 und 6 dienen der Entkopplung. Nunmehr entstehen an den Kondensatoren 13 und 14 zwei Spannungen U13 und U14, die, gleiche Spulen und Magnetkerne vorausgesetzt, eine resultierende Spannung proportional der folgenden Beziehung der magnetischen Induktion liefern:The invention achieves this by using two sensor coils 1 and 2 which are oriented in the same direction in the magnetic field to be measured, for example arranged parallel to one another or coaxially, but as shown in FIG. 1 are connected in opposite electrical directions. Instead of this, one could also reverse the spatial orientation of the coils, for example make their winding sense and the electrical connection coincident. Resistors 7 and 8 limit the current through the coils above magnetic saturation. The diodes 5 and 6 are used for decoupling. Now, two voltages U 13 and U 14 arise at the capacitors 13 and 14 , which, provided the same coils and magnetic cores, provide a resulting voltage proportional to the following relationship of magnetic induction:

B_{S 1} - B_M + (-B_{S 2}) - B_M = 2 B_M.B _{S 1} - B _M + (-B _{S 2} ) - B _M = 2 B _M.

Hierbei bedeutet B_S1 bzw. B_S2 die Sättigungsmagnetisierung der Spule 1 bzw. der Spule 2. Da die der Induktion B_M ent sprechenden Spannungsanteile den der Sättigungsmagnetisierung entsprechenden wesentlich größeren Spannungsanteilen überlagert sind, müssen die Ausgangssignale der beiden Gleichrichter schaltungen 11, 13 bzw. 12, 13 durch eine Verstärkeranordnung verarbeitet werden, die hohe Offsetspannungen verarbeiten können, ohne in die Sättigung getrieben zu werden. Eine solche Schaltung ist beispielsweise aus dem eingangs genannten Application Data Book bekannt und in Fig. 1 dargestellt. Sie umfaßt die beiden Verstärker 15 und 16 mit zugehöriger Beschaltung. Here, B _S1 and B _S2 mean the saturation magnetization of coil 1 and coil 2, respectively. Since the voltage components corresponding to the induction B _M are superimposed on the substantially larger voltage components corresponding to the saturation magnetization, the output signals of the two rectifier circuits 11, 13 and 12, 13 must be processed by an amplifier arrangement which can process high offset voltages without entering into saturation to be driven. Such a circuit is known, for example, from the Application Data Book mentioned at the outset and is shown in FIG. 1. It includes the two amplifiers 15 and 16 with associated wiring.

An den beiden Kondensatoren 13 und 14 stehen bei periodischer Betätigung des elektronischen Schalters 9 die in Fig. 3 schematisch wiedergegebenen sägezahnförmigen Spannungen U13 und U14. Aus ihnen leitet die Verstärkerschaltung 15, 16 die Aus gangsspannung U18 ab, welche gemäß obiger Gleichung für die jeweilige Stärke des äußeren Magnetfeldes M kennzeichnend ist. Die beschriebene Gleichtaktunterdrückung mittels der beiden Verstärker 15 und 16 vermeidet zugleich jegliche durch die periodische Auf- und Entladung der Kondensatoren 13 und 14 bedingte Welligkeit der Ausgangsspannung U18. Man kann, wie in der eingangs genannten DE-OS 35 25 070 erläutert, die Aus gangsspannung U18 mit Hilfe des Abtastschalters 31 periodisch abtasten, den Abtastwert in einem A/D-Umsetzer digitalisieren und den so gewonnenen Digitalwert im Speicher des Micro prozessors 32 speichern. Bei jeder Abtastung wird der Speicherwert fortgeschrieben.The electronic switch are provided on the two capacitors 13 and 14 at periodic actuation 9 schematically shown in Fig. 3 sawtooth voltages U 13 and U 14. From them, the amplifier circuit 15, 16 derives the output voltage U 18 , which is characteristic of the respective strength of the external magnetic field M according to the above equation. The described common mode suppression by means of the two amplifiers 15 and 16 also avoids any ripple in the output voltage U 18 caused by the periodic charging and discharging of the capacitors 13 and 14 . You can, as explained in the aforementioned DE-OS 35 25 070, periodically sample the output voltage U 18 using the sampling switch 31 , digitize the sample value in an A / D converter and the digital value thus obtained in the memory of the microprocessor 32nd to save. The memory value is updated with each scan.

Da gemäß obiger Gleichung die von der Sättigungsmagnetisierung B_S herrührenden Spannungsanteile bei der anschließenden Signalverarbeitung in der Verstärkerschaltung 15, 16 unterdrückt werden, können mit dem Magnetsensor gemäß der Erfindung statische Magnetfelder selbst sowie deren Änderungen gemessen werden, z. B. das erdmagnetische Feld und seine Änderungen.Since according to the above equation the voltage components resulting from the saturation magnetization B _S are suppressed in the subsequent signal processing in the amplifier circuit 15, 16 , static magnetic fields themselves and their changes can be measured with the magnetic sensor according to the invention, e.g. B. the geomagnetic field and its changes.

Während in Fig. 1, wie auch in Fig. 4a im Ausschnitt wieder gegeben, die beiden Spulen 1 und 2 elektrisch gegensinnig zwischen die Verbindungspunkte 37 und 38 einerseits und Bezugs potential (Masse) andererseits eingeschaltet sind, können diese Spulen, wie Fig. 4b zeigt, auch gleichsinnig eingeschaltet werden. Außerdem ergeben sich für die räumliche Anordnung der Spulen 1 und 2 im zu messenden Magnetfeld verschiedene Möglich keiten, die in den Fig. 5a bis 5d angegeben sind. In Fig. 5a sind die beiden Spulen 1 und 2 dicht benachbart gleichachsig zueinander angeordnet, während in Fig. 5b die beiden Spulen dicht nebeneinander, also achsparallel angeordnet sind. In Fig. 5c ist zwischen den wiederum gleichachsig angeordneten Spulen 1 und 2 ein vorgegebener, vorzugsweise wählbarer Abstand A von beispielsweise 100 mm vorhanden, während in Fig. 5d die Spulen wiederum, ähnlich wie in Fig. 5b parallel zueinander aber diesmal ebenfalls in einem vorgegebenen räumlichen Abstand A vorgesehen sind. Mit diesen verschiedenen räumlichen Anordnungen der Spulen 1 und 2 und den anhand der Fig. 4a und 4b darge stellten unterschiedlichen elektrischen Anschlüssen dieser Spulen an die Auswerteschaltung ergeben sich zahlreiche unter schiedliche Einsatzmöglichkeiten für den neuen Magnetsensor, von denen einige nachfolgend kurz erläutert werden sollen.While in FIG. 1, as in FIG. 4a, the two coils 1 and 2 are electrically connected in opposite directions between the connection points 37 and 38 on the one hand and the reference potential (ground) on the other hand, these coils, as shown in FIG. 4b shows can also be switched on in the same direction. In addition, there are various possibilities for the spatial arrangement of the coils 1 and 2 in the magnetic field to be measured, which are indicated in FIGS . 5a to 5d. In Fig. 5a, the two coils 1 and 2 are arranged closely adjacent coaxially to one another, while in Fig. 5b the two coils are arranged close to one another, that is to say axially parallel. In FIG. 5c there is a predetermined, preferably selectable distance A of, for example, 100 mm between the coils 1 and 2, which are again arranged coaxially, while in FIG. 5d the coils again, similar to FIG. 5b, parallel to one another but this time also in a predetermined one spatial distance A are provided. With these different spatial arrangements of the coils 1 and 2 and the different electrical connections of these coils presented with the aid of FIGS . 4a and 4b to the evaluation circuit, there are numerous possible uses for the new magnetic sensor, some of which will be briefly explained below.

Bereits anhand von Fig. 1 wurde beschrieben, daß mit einem elektrischen Anschluß der Spulen entsprechend Fig. 4a bei räumlicher Anordnung entweder nach Fig. 5a oder 5b ein statisches Magnetfeld sowie dessen Änderung gemessen werden kann. Schließt man die Spulen gemäß Fig. 4b gleichsinnig an und sieht wie in Fig. 5c oder 5d einen räumlichen Abstand A zwischen den Spulen vor, so läßt sich der Gradient des Magnetfelds ermitteln. Wie Fig. 6 zeigt, tauchen die Spulen 1 und 2 bei der Anordnung gemäß Fig. 5c in Bereiche unterschiedlicher Feld liniendichte ein, die Magnetkerne 3 und 4 werden also unterschiedlich durchflutet. Mit einer solchen Anordnung lassen sich beispielsweise vorbeifahrende oder über den Magnetsensor hinwegrollende Fahrzeuge detektieren. Gleiches gilt für eine räumliche Anordnung gemäß Fig. 5d. Sieht man bei einer räumlichen Anordnung der Spulen gemäß Fig. 5c bzw. Fig. 6 einen elektrischen Anschluß gemäß Fig. 4a vor, so lassen sich sowohl das statische Magnetfeld und seine Änderungen als auch der Feldgradient messen. Mit der Schaltung nach Fig. 4b und einer räumlichen Anordnung der Spulen nach Fig. 5d kann eine der Spulen zur Messung eines Bezugsfeldes, beispielsweise des ungestörten Erdmagnetfeldes dienen und die andere irgendeiner das Erdfeld beeinflussenden Störgröße ausgesetzt sein. Es ist ohne weiteres ersichtlich, daß eine Vielzahl weiterer Anwendungsmöglichkeiten in Abhängigkeit von der räumlichen Anordnung und vom gewählten elektrischen Anschluß der Spulen gegeben sind.It has already been described with reference to FIG. 1 that an electrical connection of the coils according to FIG. 4a with a spatial arrangement either according to FIG. 5a or 5b can measure a static magnetic field and its change. If the coils according to FIG. 4b are connected in the same direction and, as in FIG. 5c or 5d, there is a spatial distance A between the coils, the gradient of the magnetic field can be determined. As shown in FIG. 6, the coils 1 and 2 are immersed in regions of different field line density in the arrangement according to FIG. 5c, so the magnetic cores 3 and 4 are flooded differently. With such an arrangement, vehicles passing by or rolling over the magnetic sensor can be detected, for example. The same applies to a spatial arrangement according to FIG. 5d. If an electrical connection according to FIG. 4a is provided in the case of a spatial arrangement of the coils according to FIG. 5c or FIG. 6, then both the static magnetic field and its changes and the field gradient can be measured. With the circuit according to FIG. 4b and a spatial arrangement of the coils according to FIG. 5d, one of the coils can be used to measure a reference field, for example the undisturbed earth's magnetic field, and the other can be exposed to any disturbance variable influencing the earth's field. It is readily apparent that there are a variety of other possible applications depending on the spatial arrangement and the chosen electrical connection of the coils.

Um die Aktivierungszeit des Magnetsensors weiter zu verkürzen, kann man zu Beginn jeder Aktivierungsperiode, also beim Schließen des elektronischen Schalters 9 diesen für eine vorgegebene Zeitspanne mit erhöhter Frequenz schließen, um auf diese Weise die Kondensatoren 13 und 14 der Gleichrichter schaltung beschleunigt aufzuladen. Ausgelöst durch einen Wecksensor oder gesteuert durch eine vorgegebene Zeitfolge wird der Schalter S9 für eine Zeitspanne, welche zur Aufladung der Kondensatoren 13 und 14 ausreicht, mit dieser erhöhten Frequenz von beispielsweise 10 kHz geschaltet mit einer Schließzeit des Schalters von z. B. 10 µs. Nach Ablauf dieser gegenüber der zuvor geschilderten Methode verkürzten Einschwingzeit erfolgt die weitere Betätigung des Schalters 9 beispielsweise mit einer Frequenz von 1 kHz, und zwar für eine Zeitspanne, welche der zu erwartenden Änderung des Magnetfelds angepaßt ist. Dient der Magnetfeldsensor zur Erfassung von Fahrzeugen, so kann er jeweils nach einer vorgegebenen Zeitspanne wieder abgeschaltet werden, sofern kein Fahrzeug festgestellt wurde. In periodischen Abständen entsprechend einer vorgegebenen Zeitfolge wird der Sensor wieder aktiviert.In order to further shorten the activation time of the magnetic sensor, at the beginning of each activation period, that is to say when the electronic switch 9 is closed, it can be closed for a predetermined period of time with an increased frequency, in order in this way to accelerate the capacitors 13 and 14 of the rectifier circuit. Triggered by a wake-up sensor or controlled by a predetermined time sequence, the switch S 9 is switched for a period of time which is sufficient for charging the capacitors 13 and 14 at this increased frequency, for example 10 kHz, with a closing time of the switch of e.g. B. 10 µs. After this settling time, which is shortened compared to the previously described method, the further actuation of the switch 9 takes place, for example, at a frequency of 1 kHz, for a period of time which is adapted to the expected change in the magnetic field. If the magnetic field sensor is used to detect vehicles, it can be switched off again after a predetermined period of time, provided that no vehicle has been found. The sensor is reactivated at periodic intervals in accordance with a predetermined time sequence.

Eine weitere Möglichkeit zur Stromersparnis bei langzeitig eingesetzten und beispielsweise aus einer Batterie gespeisten Magnetfeldsensoren besteht darin, nur in größeren Zeitabständen einzelne impulsförmige Messungen vorzunehmen. Der Abstand zwischen zwei solchen Messungen muß dann größer sein als die fünffache Zeitkonstante gebildet durch die RC-Glieder R23, C13 bzw. R24, C14, damit die Kondensatoren nach jeder Messung vollständig entladen sind. Durch geeignete Dimensionierung dieser RC-Glieder läßt sich dieses Erfordernis bei einer gewünschten Abtastfolge erfüllen. A further possibility for saving electricity in the case of long-term magnetic field sensors that are fed, for example, from a battery, consists in taking individual pulse-shaped measurements only at larger time intervals. The distance between two such measurements must then be greater than five times the time constant formed by the RC elements R 23 , C 13 and R 24 , C 14 , so that the capacitors are completely discharged after each measurement. By appropriately dimensioning these RC elements, this requirement can be met with a desired scanning sequence.

Anstelle der im beschriebenen Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 vorgesehenen Verwendung eines Mikroprozessors 32 mit zu geordnetem A/D-Umsetzer 33 zur Erzeugung eines digitalisierten Meßsignals und dessen Weiterverarbeitung im Mikroprozessor kann auch ein analoges Meßsignal erzeugt werden. Hierzu schließt man die Leitung 28 unter Weglassung des zweiten elektrischen Schalters 27 unmittelbar an die Versorgungsspannung U_B an. Der Taktgeber 32 steuert dann nur den ersten elektrischen Schalter 9. Am Ausgang des Verstärkers 18 steht ein Analogsignal zur Verfügung, das unmittelbar oder nach Verstärkung angezeigt, in einem Regelkreis als Steuer- oder Führungsgröße verwendet oder zur Überwachung einem Vergleicher zugeführt werden kann. Auf diese Weise lassen sich Magnetfeldänderungen für beliebige Zwecke erfassen und auswerten.Instead of the intended in the described embodiment of Fig. 1 using a microprocessor 32 with an orderly to A / D converter 33 to produce a digitized measurement signal and its further processing in the microprocessor and an analog measurement signal can be generated. For this purpose, line 28 is connected directly to supply voltage U _B , omitting second electrical switch 27 . The clock generator 32 then controls only the first electrical switch 9 . An analog signal is available at the output of the amplifier 18 , which is displayed immediately or after amplification, used in a control loop as a control or reference variable or can be fed to a comparator for monitoring. In this way, changes in the magnetic field can be recorded and evaluated for any purpose.

Claims

1. Magnetic field sensor for measuring weak magnetic fields with

a) a coil ( 1 ) whose inductance changes depending on the size of the magnetic field to be measured;
b) a first controllable electronic switch ( 9 ) which connects the coil ( 1 ) periodically for short predetermined time intervals to a current source (U _B );
c) a rectifier circuit ( 11, 13 ) connected to the coil ( 1 ); such as
d) a clock generator ( 32 ) for controlling the electronic switch ( 9 ),

characterized in that

e) a second coil ( 2 ) is arranged in the same magnetic field to be measured as the first-mentioned coil ( 1 ), namely spatially parallel or coaxially with it, and is connected between the electronic switch ( 9 ) and reference potential;
f) a second rectifier circuit ( 12, 14 ) is connected to the second coil ( 2 );
g) the outputs of the two rectifier circuits ( 11, 13; 12, 14 ) are connected to the inputs of a differential amplifier circuit ( 15, 16 ) which amplifies alternating voltages superimposed with high offset voltages without saturation and the first generated by one rectifier circuit ( 11, 13 ) Subtracts signal (B _S1 -B _M ) from the second signal (B _S2 + B _M ) generated by the second rectifier circuit ( 12, 14 ) and generates a signal proportional to the magnetic field-dependent induction of the two coils ( 1, 2 );
h) the output ( 18 ) of the differential amplifier circuit ( 15, 16 ) provides the measurement signal dependent only on the magnetic field (B _M ) to be measured, and that
i) the first rectifier circuit ( 11, 13 ) a first signal proportional to the difference between saturation induction and magnetic field-dependent induction of the first coil ( 1 ) and
j) the second rectifier circuit ( 12, 14 ) supplies a second signal proportional to the difference between saturation induction and magnetic field-dependent induction of the second coil ( 2 ).

2. Magnetic field sensor according to claim 1, characterized in that the output ( 18 ) of the differential amplifier circuit ( 15, 16 ) is connected to the input of an A / D converter ( 33 ) and the clock ( 32 ) at the same time the A / D Converter ( 33 ) controls.

3. Magnetic field sensor according to claim 1 or 2, characterized in that the operating voltage input ( 28 ) of the differential amplifier circuit ( 15, 16 ) via a second electronic switch ( 27 ) to the current source (U _B ) can be connected.

4. Magnetic field sensor according to claim 2 or 3, characterized in that

a) the outputs of the rectifier circuits ( 11, 13; 12, 14 ) connected to the two coils ( 1, 2 ) each via a resistor ( 23, 24 ) to the inverting input ( 19, 20 ) of an operational amplifier ( 15, 16 ) are connected, the non-inverting input ( 25, 26 ) of which is connected to a reference potential (U _R );
b) the output ( 17 ) of the first operational amplifier is connected via a resistor ( 29 ) to the inverting input ( 20 ) of the second operational amplifier ( 16 ); and
c) the output ( 18 ) of the second operational amplifier ( 16 ) is connected to the input of the A / D converter ( 33 ).

5. Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 4, characterized in that between the first electronic switch ( 9 ) and each of the coils ( 1, 2 ) in each case the series connection of a diode ( 5, 6 ) with a resistor ( 7, 8th ) is switched on.

6. Magnetic field sensor according to claim 4 or 5, characterized in that in both operational amplifiers ( 15, 16 ) between their output ( 17, 18 ) and their inverting input ( 19, 20 ) each have a feedback resistor ( 21, 22 ).

7. Magnetic field sensor according to one of claims 2 to 6, characterized by a between the output ( 18 ) of the differential amplifier circuit ( 15, 16 ) and the input of the A / D converter ( 33 ) switched on by the same clock ( 32 ) as the first electronic switch ( 9 ) controlled sampling switch ( 31 ), which delays the input of the A / D converter in each case by a predetermined time period compared to the closing interval of the first electronic switch ( 9 ) to the output ( 18 ) of the amplifier circuit ( 15, 16 ) connects.

8. Magnetic field sensor according to one of claims 3 to 7, characterized in that the second electronic switch ( 27 ) can be actuated by the output signal of a further sensor.

9. Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 8, characterized in that the two coils ( 1, 2 ) are arranged closely adjacent either spatially parallel ( Fig. 5b) or coaxially one behind the other ( Fig. 5a).

10. Magnetic field sensor according to one of claims 1 to 9, characterized in that the two coils ( 1, 2 ) at a predetermined spatial, preferably selectable distance (A) from one another either spatially parallel ( Fig. 5d) or coaxially one behind the other ( Fig. 5c) are arranged.

11. Magnetic field sensor according to claim 9 or 10, characterized in that both coils ( 1, 2 ) are electrically switched in the same direction between the electronic switch ( 9 ) and reference potential (ground) ( Fig. 4b).

12. Magnetic field sensor according to claim 8 or 9, characterized in that the second coil ( 2 ) in the opposite direction to the first coil ( 1 ) between the electronic switch ( 9 ) and reference potential (ground) is switched on ( Fig. 4a).