DE3843160A1 - Sensor zur messung eines weges oder eines bewegungsverhaltens - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen Sensor zur Messung me­ chanischer Bewegungsgrößen, d.h. eines Weges, eines Bewe­ gungsverhaltens oder ähnlichem, mit einer in einem Gehäuse verschiebbar geführten Permanentmagnetanordnung, die durch die Abstoßungskräfte gleichnamiger Magnetpole in dem Gehäuse positioniert oder in Schwebe gehalten ist, und mit einer Meßeinrichtung, die bei Verschieben der Permanentmagnetan­ ordnung relativ zu dem Gehäuse ein elektrisches Meßsignal liefert, nach Patent... (Patentanmeldung P 38 09 887.3).

Solche Sensoren sind z.B. zum Einbau in Kraftfahrzeuge ge­ eignet. Es lassen sich mit diesen Sensoren durch entspre­ chende Einbaurichtung selektiv Beschleunigungskomponenten in den verschiedenen Richtungen ermitteln. Die Vertikalbe­ schleunigung oder Aufbaubeschleunigung ist eine wichtige Meßgröße in Systemen zur Fahrwerksregelung, während Informa­ tionen über die Beschleunigung in Fahrtrichtung oder senk­ recht zur Fahrtrichtung, z.B. für Blockierschutz- und An­ triebsschlupfregelungen benötigt werden.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Sensor dieser Art zu entwickeln, dessen Verhalten bzw. Kennlinien sich auf einfache Weise und mit geringem Aufwand den jewei­ ligen Forderungen oder dem jeweiligen Anwendungsfall anpas­ sen läßt.

Es hat sich nun herausgestellt, daß diese Aufgabe mit einem Sensor der im Hauptpatent beschriebenen Art gelöst werden kann, dessen Besonderheit darin besteht, daß die Permanent­ magnetanordnung aus einem in das Gehäuse eingepaßten Gleit- und Führungskörper und aus an den beiden Stirnseiten dieses Körpers angefügten Permanentmagneten besteht.

Während es bisher große Schwierigkeiten bereitete und mit erheblichen Kosten verbunden war, den verschiebbaren, in der Schwebe gehaltenen Permanentmagneten mit den gewünschten, physikalisch günstigen Abmessungen herzustellen und den je­ weiligen Anwendungsfällen anzupassen, werden erfindungsgemäß durch Verwendung einer Permanentmagnetanordnung mit einem Gleit- und Führungskörper alle derartigen Schwierigkeiten überwunden und dadurch die Anwendungsmöglichkeiten dieses Sensors erheblich erweitert. Der Gleit- und Führungskörper läßt sich nämlich - im Gegensatz zu den marktgängigen Perma­ nentmagneten - sehr einfach bearbeiten und auf jedes ge­ wünschte Maß bringen, so daß exakt der günstigste Luftspalt zwischen dem Gehäuse und dem Gleitkörper eingestellt werden kann. Die Mantelfläche läßt sich leicht glätten, was eben­ falls für die Genauigkeit und Ansprechempfindlichkeit des Sensors vorteilhaft ist. Der Luftspalt und die Beschaffen­ heit der benachbarten Oberflächen haben einen großen Einfluß auf die Sensorkennlinien.

Der Gleit- und Führungskörper des erfindungsgemäßen Sensors verhindert ein Verkanten der Permanentmagnetanordnung in dem Gehäuse und stellt sicher, daß zwischen diesem verschiebba­ ren, in der Schwebe gehaltenen Körper und der Innenwandung des Gehäuses gerade so viel Luft durchströmen kann, daß die Bewegung der Permanentmagnetanordnungen nicht zu stark be­ hindert wird, sondern gerade die für das Meßsystem günstig­ ste Schwingungsdämpfung erfährt.

Als Permanentmagneten können nun handelsübliche, z.B. gesin­ terte Körper verwendet werden, deren Abmessungen erheblichen Toleranzen unterliegen, wobei die übliche hohe Rauhigkeit der Oberfläche keine Rolle spielt. Ein Schleifen oder son­ stige Nachbearbeitung der Permanentmagnete ist nicht erfor­ derlich. Es genügt, wenn sichergestellt ist, daß die Durch­ messer der Permanentmagneten etwas kleiner sind als der Durchmesser des Gleit- und Führungskörpers.

Es können z.B. Permanentmagnete auf Basis von seltenen Erd­ metallen und Kobalt verwendet werden, die in der Material­ ausnutzung besonders wirtschaftlich sind, wenn sie in Form von Scheiben ausgebildet werden können; ohne Führungskörper wären solche Scheiben schon wegen der Gefahr des Verkantens unbrauchbar.

Außerdem wird es durch die Verwendung der Gleit- und Füh­ rungskörper möglich, die seismisch wirksame Masse unabhängig von den verfügbaren Permanentmagneten frei zu wählen, näm­ lich durch Dimensionierung des Gleit- und Führungskörpers und durch Wahl des gewünschten Materials.

Nach einer Ausführungsart der Erfindung ist als Gehäuse ein Hohlzylinder, z.B. ein Glasrohr, vorgesehen, wobei der Luft­ spalt zwischen der Innenwandung des Hohlzylinders und dem Mantel des eingepaßten Gleit- und Führungskörpers derart be­ messen ist, daß sich eine vorgegebene Dämpfung des Bewe­ gungsverhaltens der Permanentmagnetanordnung einstellt.

Eine weitere Ausführungsart der Erfindung besteht darin, daß der Gleit- und Führungskörper aus einem weichmagnetischen Material, z.B. aus weichmagnetischem Stahl (Automatenstahl) besteht. Andererseits ist es für viele Anwendungsfälle aus­ reichend oder von Vorteil, den Gleit- und Führungskörper aus Kunststoff herzustellen, wobei dann die Permanentmagneten an den Stirnflächen dieses Körpers angeklebt, mechanisch befe­ stigt oder in den Kunststoff eingebettet sind. Das geringe Gewicht eines Gleit- und Führungskörpers aus Kunststoff ist für manche Messungen besonders günstig.

Weitere Merkmale, Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der Erfindung gehen aus der folgenden Darstellung eines Ausfüh­ rungsbeispiels und der beigefügten Abbildung hervor, die in schematischer Vereinfachung einen Längs- bzw. Axialschnitt durch einen Sensor der erfindungsgemäßen Art wiedergibt.

Nach der Abbildung besteht der erfindungsgemäße Sensor im wesentlichen aus einem Gehäuse 1, das hier die Form eines Glasrohres aufweist, aus einer Permanentmagnetanordnung 2, 3, 4 und aus einer Meßanordnung 5, nämlich einer etwa in der Mitte des Sensors auf dem Glasrohr 1 angeordneten Meß­ wicklung. Ferner gehören zu dem Sensor noch zwei weitere Permanentmagnete 6, 7, die an den Enden des Glasrohres 1 ein­ geklebt sind. Das ganze, nämlich die beschriebenen Bestand­ teile, befinden sich im Inneren eines Stahlgehäuses 8, das gleichzeitig als Abschirmung gegen äußere Magnetfelder dient, die die Meßergebnisse beeinflussen könnten.

Die Permanentmagnetanordnung setzt sich aus einem Gleit- und Führungskörper 2 und aus zwei Permanentmagneten 3, 4 zusam­ men, die an den beiden Stirnflächen des zylinderförmigen Gleit- und Führungskörpers 2 angefügt sind. Besteht der Kör­ per 2 aus weichmagnetischem Material, z.B. aus Automaten­ stahl, genügt die Magnetkraft zum Halten der beiden Perma­ nentmagnete 3, 4 an den Stirnflächen der Permanentmagnetan­ ordnung. Besteht der Gleit- und Führungskörper 2 aus magne­ tisch neutralem Material, beispielsweise Kunststoff oder Messing, müssen die Permanentmagnete 3, 4 auf den Stirnflä­ chen festgeklebt oder mechanisch, beispielsweise durch Füh­ rungsstifte oder dergl., befestigt werden. Die Permanentma­ gnete 3, 4 lassen sich auch in manchen Anwendungsfällen an den Stirnflächen in den Kunststoff des Gleit- und Führungs­ körpers 2 einbetten.

Die fest in das Glasrohr 1 angeklebten Permanentmagnete 6, 7 und die benachbarten, zu der Permanentmagnetanordnung gehö­ renden Permanentmagnete 3, 4 stehen sich jeweils mit ihren gleichnamigen Polen gegenüber. Bei den Permanentmagneten 3 und 6 stehen sich die Südpole S, bei den Magneten 4 und 7 die Nordpole N gegenüber. Die dadurch bedingten Abstoßungs­ kräfte sorgen für die "elastische" Positionierung der Perma­ nentmagnetanordnung 2 bis 4 in der dargestellten Lage. Da es sich in dem abgebildeten Ausführungsbeispiel um einen auf­ rechtstehenden, auf Vertikalbeschleunigungen ansprechenden Sensor handelt, wirkt auch die Schwerkraft auf die Perma­ nentmagnetanordnung ein.

Das Gehäuse bzw. das Glasrohr 1 des dargestellten Sensors besitzt schließlich noch eine Luftausgleichsöffnung 9.

Wie die Abbildung zeigt, wird der äußere Durchmesser der Permanentmagnete 3, 4 kleiner gewählt als der Außendurchmes­ ser des Gleit- und Führungskörpers 2. Die Durchmesser könn­ ten natürlich auch gleich sein. Das Gleit- und Dämpfungsver­ halten der Anordnungen 2 bis 4 im Inneren des Glasrohres 1 wird daher ausschließlich oder vornehmlich durch den Außen­ durchmesser und die Oberfläche des Gleit- und Führungskör­ pers 2 bzw. durch die Größe des Luftspaltes zwischen diesem Körper 2 und der Innenwandung des Glasrohres 1 bestimmt. Die äußere Form und die Abmessungen der Permanentmagnete 3, 4 sind daher in weiten Grenzen wählbar und ohne Einfluß auf die Kennlinie.

Das Material des Gleit- und Führungskörpers 2 ist an sich beliebig. In der Praxis ist ein weichmagnetisches Metall we­ gen der größeren seismischen Masse in vielen Fällen vorzu­ ziehen. Besonders günstig ist weichmagnetischer Stahl, weil in diesem Fall auf eine besondere Befestigung der Permanent­ magnete 3, 4 an den Stirnflächen des Körpers 2 verzichtet werden kann. Es genügt ein einmaliges Zentrieren der Perma­ nentmagnete 2, 3 auf dem Körper 2, um nach dem Einsetzen in das Glasrohr 1 die Funktion des Sensors auf Dauer zu gewähr­ leisten. Die am Gehäuse befestigten Permanentmagnete 8, 7 un­ terstützen die Haltekräfte der Magnete 3, 4 an dem Körper 2, weil die Abstoßungskräfte zusätzlich in Richtung zu dem Gleit- und Führungskörper 2 auf die Permanentmagnete 3, 4 einwirken.

In einem weiteren, nicht abgebildeten Ausführungsbeispiel der Erfindung wurden die Permanentmagnete (3, 4) in "Gegen­ reihe" geschaltet bzw. an den Gleit- und Führungskörper 2 angeordnet. Die an den beiden Stirnflächen des Körpers 2 an­ liegenden Pole der Permanentmagnete (2, 3) sind in diesem Falle gleichnamig. Die feststehenden Permanentmagnete (6, 7) wurden derart gedreht bzw. angeordnet, daß sich wiederum die Permanentmagnetanordnung (2-4) und die feststehenden Per­ manentmagnete (6, 7) mit gleichen Magnetpolen gegenüberste­ hen.

Wird in der zuletzt beschriebenen Ausführungsart ein Stahl­ körper ausreichender Länge als Gleit- oder Führungskörper (2) verwendet, haften die Permanentmagnete (3, 4) trotz der Gegenreihenschaltung an den Stirnflächen. In einem Ausfüh­ rungsbeispiel betrug der Durchmesser der schwebend angeord­ neten Permanentmagnetanordnung 2,5 mm, der Gleit- und Füh­ rungskörper hatte eine Länge von 10 mm, die Permanentmagnete jeweils eine Länge bzw. Dicke von 2,5 mm.

Mit einer solchen Gegenreihenschaltung läßt sich eine für viele Anwendungsfälle günstige Magnetfeldverteilung errei­ chen.

Der beschriebene und abgebildete Sensor arbeitet wie folgt:

In seiner Ruhestellung nimmt der Schwebekörper, nämlich die Permanentmagnetanordnung 2 bis 4, die dargestellte Position in dem Gehäuse 1 ein. Tritt eine Beschleunigung in axialer Richtung bzw. mit einer Komponenten in axialer Richtung auf, wird die Permanentmagnetanordnung 2 bis 4 aufgrund ihrer seismischen Masse axial verschoben. Dadurch wird in der Meß­ wicklung 5 eine Spannung induziert, die mit Hilfe einer nicht dargestellten elektronischen Schaltung in ein zur Be­ schleunigung oder Verschiebung der Permanentmagnetanordnung relativ zu dem Gehäuse proportionales elektrisches Signal umgesetzt wird. Bei jeder Bewegung der Permanentmagnetanord­ nung muß ein Luft- oder Druckausgleich über den Mantel des Gleit- und Führungskörpers 2 erfolgen, weshalb sich die Größe des Luftspaltes zwischen diesem Körper 2 und der In­ nenwandung des Glasrohres 1 auf die Bewegung des Körpers bzw. auf die Dämpfung dieser Bewegung auswirkt. Die Rauhig­ keit der Außenfläche des Körpers 2 und/oder der Innenfläche des Glasrohres 1 spielen ebenfalls eine Rolle.

Claims (4)

1. Sensor zur Messung mechanischer Bewegungsgrößen, d.h. ei­ nes Weges, eines Bewegungsverhaltens oder ähnlichem, mit einer in einem Gehäuse verschiebbar geführten Permanent­ magnetanordnung, die durch die Abstoßungskräfte gleichna­ miger Magnetpole in dem Gehäuse positioniert oder in Schwebe gehalten ist, und mit einer Meßeinrichtung, die bei Verschieben der Permanentmagnetanordnung relativ zu dem Gehäuse ein elektrisches Meßsignal liefert, nach Pa­ tent... (Patentanmeldung P 38 09 887.3), dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Permanentmagnetanord­ nung (2-4) aus einem in das Gehäuse (1) eingepaßten Gleit- und Führungskörper (2) und aus an den beiden Stirnseiten dieses Körpers angefügten Permanentmagneten (3, 4) besteht.

2. Sensor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeich­ net, daß als Gehäuse (1) ein Hohlzylinder, z.B. ein Glasrohr, vorgesehen ist und daß der Luftspalt zwischen der Innenwandung dieses Hohlzylinders und dem Mantel des Gleit- und Führungskörpers (2) derart bemessen ist, daß sich eine vorgegebene Dämpfung des Bewegungsverhaltens der Permanentmagnetanordnung (2-4) einstellt.

3. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gleit- und Führungskörper (2) aus einem weichmagnetischem Material, z.B. aus weichma­ gnetischem Stahl, besteht.

4. Sensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn­ zeichnet, daß der Gleit- und Führungskörper (2) aus Kunststoff besteht und daß die Permanentmagneten an den Stirnflächen des Körpers (2) angeklebt, mechanisch befestigt oder in die Stirnflächen eingebettet sind.