DE4032717A1 - Bewegungsgroessensensor mit detektoreinrichtung fuer magnetische felder - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsgrößen, wie Lageänderung oder Beschleunigung eines Objektes, mit einer mit Masse behafteten Einrichtung, welche relativ zu einem Bezugssystem der Vorrichtung bewegbar und selbsttätig in eine Neutrallage rückkehrbar ist.

Aus der Enzyklopädie Naturwissenschaft und Technik, Zweiburgen Verlag Weinheim, ist es bekannt, Bewegungsgrößen wie Beschleunigung oder Lageveränderung mit Hilfe von schwerer Masse unter Ausnutzung von Massenträgheit bzw. Schwerkraft (Gravitation) zu messen. Üblicherweise wird dabei eine von der zu messenden Bewegungsgröße verursachte Auslenkung der Masse relativ zum Bezugssystem des Bewegungssensors erfaßt und daraus ein Meßwert der Bewegungsgröße ermittelt. Herkömmlicherweise wird die Erfassung der relativen Auslenkung der Masse im Bezugssystem des Bewegungssensors mit Wegaufnehmern realisiert, welche zum Beispiel nach dem Prinzip eines veränderlichen Widerstandes arbeiten. Dabei wird im wesentlichen die Masse mit einem auf einer Widerstandsschicht gleitenden Abgreifkontakt so verbunden, daß die Lageänderung der Masse die Position des Abgreifkontaktes auf der Widerstandsschicht verändert und eine direkte Beziehung zwischen der Lage der Masse und dem eingestellten Widerstandswert besteht, so daß der Widerstandswert ein Maß für die zu bestimmende Bewegungsgröße ist, aus welchem ein derselben entsprechendes elektrisches Signal erzeugt werden kann.

Aus der gleichen Enzyklopädie ist ein induktiv arbeitendes Prinzip der Erfassung der relativen Auslenkung der Masse bekannt. Dabei ist die Masse mit einem Kern aus magnetischem Material verbunden, welcher in Abhängigkeit von der relativen Auslenkung der Masse in einer Spule verschoben wird, so daß dadurch elektrische Spannungen in der Spule in direkter Abhängigkeit zur zeitlichen Änderung der Auslenkung induziert werden und zur Bestimmung der Auslenkung und zur Umwandlung derselben in ein elektrisches Signal verwendet werden können.

Für spezielle Anwendungen, nämlich zur Messung von zeitlich schnell veränderlichen Beschleunigungen ist es auch bekannt, piezoelektrische Elemente zu verwenden, welche die aufgrund der Beschleunigung auf die Masse wirkende Kraft direkt in ein elektrisches Signal umwandeln, dessen Größe in direkter Beziehung zur Beschleunigung steht.

Bei diesen bekannten Bewegungsgrößensensoren ergibt sich die Schwierigkeit, die Lageveränderung der Masse im Bezugssystem des Sensors so zu erfassen, daß aus der Erfassung eine präzise quantitative Aussage über die gemessene Bewegungsgröße abgeleitet werden kann, wobei die Erfassung der Lageänderung keinen Einfluß auf diese ausüben soll, um den Meßwert nicht zu verfälschen. Ferner ergibt sich die Schwierigkeit, daß ein Sensor, welcher die zuvor genannten Anforderungen erfüllt, zudem möglichst einfach aufgebaut sein soll, um eine zuverlässige Funktion bzw. Betriebssicherheit zu gewährleisten und gleichzeitig die Fertigungskosten niedrig sowie das Gewicht und den Raumbedarf des Sensors so klein als möglich zu halten.

Mit den zuvor beschriebenen Sensoren ist eine gleichzeitige optimale Lösung aller dieser Schwierigkeiten nicht erzielbar.

So erweist sich das Prinzip des Widerstandsaufnehmers als nachteilig hinsichtlich der erzielbaren Meßgenauigkeit, weil eine Lageveränderung der Masse nur gegen die zur Verschiebung des Abgriffs auf der Widerstandsbahn benötigte Kraft stattfinden kann, was das Meßergebnis unabänderlich verfälscht.

Für den induktiven Aufnehmer ist der relativ große Platzbedarf der Spule zusammen mit deren Gewicht und schließlich die erforderliche Komplexität der Auswerteelektronik von nachteiliger Bedeutung.

Der piezoelektrische Aufnehmer ist nur für zeitveränderliche Beschleunigungsmessungen geeignet und benötigt ferner eine relativ aufwendige Auswerteelektronik.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen Bewegungsgrößensensor der oben genannten Art zu schaffen, welcher eine einfache und zugleich präzise Umwandlung der Bewegungsgröße in ein entsprechendes elektrisches Signal erlaubt und dabei einfach aufgebaut ist, geringen Platzbedarf hat und hohe Betriebssicherheit bietet.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß die Einrichtung ein Element zur Abgabe eines magnetischen Feldes aufweist, durch das eine Detektoreinrichtung beeinflußbar ist, mittels der die Bewegungsgröße ermittelbar ist.

Eine derartige Vorrichtung hat den Vorteil, daß mit einer einfachen Konstruktion ein Bewegungsgrößensensor mit hoher Präzision und hoher Zuverlässigkeit erzielt wird, dessen Volumenbedarf sowie Gewicht gering sind. Die magnetische Detektion erlaubt eine exakte Bestimmung der Auslenkung der Masse relativ zum Bezugssystem des Sensors und arbeitet mit einer aufwandarmen Auswerteelektronik.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen finden sich in den Unteransprüchen.

Die nachfolgende Beschreibung der in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispiele soll die Erfindung näher erläutern. Im einzelnen zeigt:

Fig. 1 ein erstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 2 ein zweites Ausführungsbeispiel;

Fig. 3 ein drittes Ausführungsbeispiel;

Fig. 4 ein viertes Ausführungsbeispiel;

Fig. 5 ein fünftes Ausführungsbeispiel;

Fig. 6 ein sechstes Ausführungsbeispiel;

Fig. 7a, 7b ein siebtes Ausführungsbeispiel;

Fig. 8 ein achtes Ausführungsbeispiel;

Fig. 9 ein neuntes Ausführugsbeispiel.

In der nachfolgenden detaillierten Beschreibung der Zeichnungen werden für identische oder in ihrer Funktion äquivalente Teile jeweils gleiche Bezugszeichen verwendet.

Gemäß Fig. 1 weist ein axial polarisierter Permanentmagnet 1 an einem seiner Enden eine Halterung 3 auf, so daß der Permanentmagnet mit Hilfe der Einrichtungen 4a, b und 6 so in dem Gehäuse 5 des Sensors gelagert werden kann, daß er Bewegungen in von den Pfeilen angedeuteten Richtungen möglichst reibungsfrei durchführen kann. Unterhalb dem Permanentmagneten 1 ist eine magnetische Detektoreinrichtung 2 angeordnet, welche vom Gehäuse des Sensors getragen wird. Der magnetische Detektor 2 kann ein elektrisches Signal in Abhängigkeit von der auf ihn wirkenden magnetischen Feldstärke liefern, beeinflußt jedoch selbst das magnetische Feld nicht. Eine elektrische Signalleitung 7 verbindet den Magnetdetektor 2 mit einem Signalverstärker 8, an dessen Ausgang ein der zu bestimmenden Bewegungsgröße entsprechendes elektrisches Signal zur Verfügung steht. Wirkt nun eine zu bestimmende Bewegungsgröße auf den Sensor gemäß dem ersten Ausführungsbeispiel ein, so bewirkt diese eine Auslenkung des Permanentmagneten 1 um sein Lagerzentrum herum. Dadurch verändert sich der Abstand zwischen dem Permanentmagneten und dem Magnetdetektor 2, wodurch sich aufgrund der inhomogenen Struktur des von dem Permanentmagneten 1 erzeugten magnetischen Feldes die Feldstärke am Ort des Detektors 2 in direkter Abhängigkeit zur Auslenkung des Permanentmagneten 1 ändert. Mit Hilfe des Detektors 2, sowie des über die Signalleitung 7 an den Detektor 2 angeschlossenen Verstärkers 8 wird dann das der zu bestimmenden Bewegungsgröße proportionale Ausgangssignal erzeugt. Die auf den Permanentmagneten wirkende Rückstellkraft ist die Graviationskraft. Für spezielle Anwendungen ist es möglich, auch magnetische Kräfte aus dem Feld des Permanentmagneten 1 zur Rückstellung zu verwenden.

Mit Hilfe von (nicht gezeigten) magnetischen Wirbelstrombremsvorrichtungen ist es möglich, Schwingneigungen des Permanentmagneten 1 zu bedämpfen. Als Magnetdetektorvorrichtung 2 eignen sich beliebige Einrichtungen, mit deren Hilfe die Stärke des Magnetfeldes bestimmt werden kann. Insbesondere bieten sich für eine präzise Bestimmung der magnetischen Feldstärke Hall-Elemente an, welche eine Ausgangsspannung liefern, die der auf sie wirkenden magnetischen Feldstärke proportional ist.

Für den Fall, daß der Bewegungsgrößensensor nur dazu verwendet werden soll, zu bestimmen, ob der Betrag der Bewegungsgröße oberhalb oder unterhalb einer bestimmten Schwelle liegt, kann ein Reedschalter zur Detektion des Magnetfeldes verwendet werden, welcher den großen Vorteil bietet, mit sehr einfacher elektrischer Beschaltung arbeiten zu können. Je nach Bedarf können dabei Reedschalter mit Ruhekontakt oder mit Arbeitskontakt verwendet werden, d. h., Reedschalter, welche bei Abwesenheit eines ausreichend starken Magnetfeldes leitend sind, und den Stromfluß unterbrechen, wenn die Magnetfeldstärke einen vorbestimmten Betrag überschreitet, bzw. umgekehrt.

Fig. 2 zeigt eine Abwandlung des ersten Ausführungsbeispieles der Erfindung. Diese besteht im wesentlichen in der Lagerung des Permanentmagneten 1′, welcher in der Darstellung der Fig. 2 in einem Kugelgelenk 14 gehalten wird, so daß der Bewegungsgrößensensor 2′ eine in allen Richtungen gleiche Empfindlichkeit von Beweglichkeit zeigt, während der Bewegungsgrößensensor nach Fig. 1 unempfindlich für Einwirkungen senkrecht zur Ebene seiner möglichen Auslenkung ist.

Fig. 3 zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Ein Permanentmagnet 41 ist in axialer Richtung polarisiert und wird von einem elastischen, biegefähigen Element, z. B. einem Federstab 46 pendelartig gehalten. Unter dem Permanentmagneten ist ein Magnetfelddetektor 2′′ angeordnet, welcher über eine Signalleitung 7′′ mit einem nicht dargestellten Signalverstärker verbunden ist, an dessen Ausgang ein der zu erfassenden Bewegungsgröße entsprechendes elektrisches Signal abgenommen werden kann. Beschleunigung oder Lageveränderung des Bewegungsgrößensensors bewirkt eine Verbiegung des elastischen Elementes 46, so daß sich die relative Position zwischen dem Permanentmagneten 41 und dem Felddetektor 2′′ in Abhängigkeit von der einwirkenden Bewegungsgröße ändert. Das elastische Element ist über eine Befestigung 47 mit dem Gehäuse 5′′ verbunden. Aus der inhomogenen Feldstruktur des von dem Magneten 41 erzeugten Magnetfeldes ergibt sich eine variable Feldstärke am Ort des Detektors 2′′ in Abhängigkeit von der Auslenkung des Magneten 41, so daß aus der Feldstärke die Auslenkung und damit die einwirkende Bewegungsgröße bestimmbar ist.

Fig. 4 zeigt ein viertes Ausführungsbeispiel. Eine Kugel 31 besteht aus einem magnetisch permanent polarisierten Material, welche sich, geführt von der Schale 36, abhängig von der auf die Vorrichtung einwirkende Bewegungsgröße an verschiedenen Positionen unter einem Magnetfelddetektor 2′′′ befindet, der über eine Leitung 7′′′ mit einem Verstärker 8′′′ verbunden ist.

Fig. 5 zeigt ein fünftes Ausführungsbeispiel. Auf einer Vorrichtung 37 zur Erzeugung eines Magnetfeldes, z. B. einem Permanentmagneten, ruht ein schalenförmiges, hohlgewölbtes Teil 36′. Das schalenförmige Teil 36′ nimmt eine Kugel 31′ aus Weicheisen auf. In das Zentrum der Schale 36′ ragt ein Magnetfelddetektor 38 hinein. Über eine Signalleitung 7′′′ ist der Magnetfelddetektor 38 mit einem Signalverstärker 8′′′ verbunden, an dessen Ausgang ein der zu bestimmenden Bewegungsgröße entsprechendes Ausgangssignal entnommen werden kann. In dieser Anordnung wirkt die Kugel 31′ aus Weicheisen als "Sammellinse" für die von dem Permanentmagneten 37 erzeugten magnetischen Feldlinien. Dabei ist die Position der Kugel 31′ in der Schale 36′ abhängig von der auf den so konstruierten Bewegungsgrößensensor einwirkenden Bewegungsgröße. Dadurch wird erreicht, daß die Stärke des magnetischen Feldes am Ort des Detektors 38 in direkter Abhängigkeit steht zur auf den Bewegungsgrößensensor einwirkenden Beschleunigung bzw. zur Lage des Sensors relativ zur Richtung der Schwerkraft, so daß aus der Detektion der magnetischen Feldstärke die Bewegungsgröße quantitativ erfaßt werden kann. Die Schale 36′ kann aus einem magnetischen Werkstoff hergestellt werden, welcher sich in gutem Kontakt mit der Stirnfläche des Permanentmagneten 37 befindet, so daß ein Teil des magnetischen Kraftflußes in der Schale geführt und von dort an die Kugel 31′ weitergegeben werden kann. Ferner kann die Schale 36′ direkt für eine Wirbelstrombedämpfung der Bewegung der Kugel 31′ dadurch verwendet werden, daß sie aus einem elektrisch leitfähigen Material hergestellt wird.

Fig. 6 zeigt ein sechstes Ausführungsbeispiel, bei dem ein Permanentmagnetstab 60 pendelartig über einen Stab 61 an einer Achse 62 befestigt ist, die in Lagern 63 und 64 gehalten wird, welche an einem Ring 65 vorgesehen sind. Außerdem ist der Ring 65 über Lager 66, 67 um eine Achse verschwenkbar, die senkrecht zur Achse 62 verläuft. Auf diese Weise kann der Magnetpendel 60, 61 beliebig verschwenkt werden. Der zugeordnete Detektor kann wie im Ausführungsbeispiel gemäß den Fig. 1, 2 und 3 ausgebildet und angeordnet sein.

Fig. 7a und 7b zeigen ein siebtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. In Fig. 7a ist ein Bewegungsgrößensensor in einer Ansicht von oben dargestellt, welcher aus einer Halteplatte 51 besteht, in welche ein axial polarisierter Permanentmagnet 52 eingesetzt ist. Die Halteplatte 51 ist mit Bohrungen 53a bis 53d versehen, in welche Federn 54a bis 54d eingehängt werden, welche jeweils mit ihrem anderen Ende mit dem Gehäuse 50 des Sensors verbunden sind, so daß die Halteplatte mit dem darin eingesetzten Magneten eine Ruhelage einnehmen kann, in welcher alle vier Federelemente 56a bis 56b gleichmäßig vorgespannt sind. Über dem Permanentmagneten 61 ist ein Magnetdetektor 22 montiert, welcher in der Aufsicht der Fig. 7b nicht dargestellt ist. Fig. 7b zeigt das siebte Ausführungsbeispiel in einer Seitenansicht, aus welcher die Position eines Magnetdetektors 55 relativ zu dem sich in Ruhe befindlichen Magneten 52 zu entnehmen ist. Die zu bestimmende Bewegungsgröße bewirkt die Auslenkung des Halters 51 zusammen mit dem Magneten 52 aus seiner Ruheposition gegen die von den Federn 56a bis 56d bewirkte Rückstellkraft, so daß dadurch, wie schon im Zusammenhang mit vorangehenden Ausführungsbeispielen beschrieben, aus der magnetischen Feldstärke am Ort des Detektors 55 der Betrag der Bewegungsgröße bestimmbar ist.

Fig. 8 zeigt ein achtes Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Dieses unterscheidet sich vom siebten Ausführungsbeispiel im wesentlichen durch die Anordnung der Vorrichtungen zur Erfassung der Stärke des magnetischen Feldes, welches von einem Permanentmagneten 71 erzeugt wird, der mittels eines Halteteiles 73 in gleicher Weise, wie bereits im siebten Ausführungsbeispiel beschrieben, von Federeinrichtungen 76a bis 76d gehalten wird. Der Bewegungsgrößensensor nach Fig. 8 weist voneinander unabhängig arbeitende Magnetfelddetektoren 72a bis 72d auf, welche das von dem Permanentmagneten 71 erzeugte Magnetfeld detektieren, dessen Stärke abhängig vom Abstand zwischen dem jeweiligen Detektor und Magnet 71 ist. Damit ist dieser Bewegungsgrößensensor in der Lage, nicht nur Beträge der Bewegungsgrößen zu bestimmen, sondern auch deren Richtungen. Für den Fall, daß analog arbeitende Magnetfelddetektoren verwendet werden, ist es ausreichend, wenn nur zwei derartige, im rechten Winkel angeordnete Detektoren 72a, 72b vorgesehen werden. Durch Vorsehen von vier unabhängigen derartigen Detektoren läßt sich ein Sensor realisieren, welcher eine Unterscheidung von Richtungen der auf ihn einwirkenden Bewegungsgrößen mit Hilfe von vier binären, elektrisch leicht erfaßbaren Signalen möglich macht. Ein Gehäuse ist mit 70 bezeichnet. Von den Detektoren 72a bis 72d führen Leitungen 77a bis 77d.

Beim neunten Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 9 sind sämtliche Teile einer Vorrichtung explosionsartig dargestellt. An einer oberen Deckplatte 80 befindet sich eine Pendelbefestigung 81, die eine stabförmige Feder 82 trägt, die zusammen mit einem Stabmagneten 83 einen Pendel bildet. Mit 84 ist eine obere Platine bezeichnet, in der Lötlöcher 85 vorgesehen sind. Mit 86 ist eine Kabeldurchführung bezeichnet, in die ein Kabel 87 mit vier Adern mündet. Mit 88 ist ein Gehäuserahmen bezeichnet, in dessen Eckbereichen Bohrungen 89 vorgesehen sind, in denen sich Reet-Schalter 90 befinden. Mit 91 ist ein Kabelkanal für das Kabel 87 bezeichnet. Eine untere Platine 92 weist eine Bohrung 93 für den Kabelausgang auf. Eine untere Deckplatte 94 ist mit einer Kabeldurchführung 95 versehen, aus der das Kabel 87 heraustritt.

Mit Hilfe der vier jeweils um 90° beabstandeten Reet-Schalter ist es möglich, zwischen den einzelnen Richtungen der Ausschwenkung des Stabmagneten 83 zu unterscheiden. Sobald der Magnet 83 einen vorgegebenen Abstand zum betreffenden Reet-Schalter 90 unterschreitet, wird dieser geschlossen und signalisiert die entsprechende Richtung der Pendelauslenkung des Magneten 83.

Claims (6)

1. Vorrichtung zur Bestimmung von Bewegungsgrößen, wie Lageänderung oder Beschleunigung eines Objektes, mit einer mit Masse behafteten Einrichtung, welche relativ zu einem Bezugssystem der Vorrichtung bewegbar und selbsttätig in eine Neutrallage rückkehrbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß

• - die Einrichtung ein Element (1) zur Abgabe eines magnetischen Feldes aufweist, durch das eine Detektoreinrichtung (2) beeinflußbar ist, mittels der die Bewegungsgröße ermittelbar ist.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (1) bzw. (31) bzw. (41) bzw. (60) bzw. (52) bzw. (71) bzw. (83) ein Permanentmagnet ist und daß die Detektoreinrichtung aus mindestens einem Reed-Schalter (90) besteht.

3. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (1) bzw. (1′) bzw. (41) bzw. (60) bzw. (83) an einer Aufhängung schwenkbar angeordnet ist.

4. Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Element mit einer gehäuseseitig befestigten Federanordnung (46; 54a bis 54d; 76a bis 76d; 82) verbunden ist.

5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das Element (31; 31′) eine Kugel aus magnetischem Werkstoff, insbesondere aus ferromagnetischem Werkstoff, ist, die in einer rotationssymmetrischen Schale (36) bzw. (36′) beweglich gelagert ist, über deren Fußpunkt die Detektoreinrichtung (2′′′) bzw. (38) angeordnet ist.

6. Vorrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Permanentmagnet als Stabmagnet (41) bzw. (83) ausgebildet ist und zusammen mit der Feder (46) bzw. (82) ein Pendel bildet, und daß mindestens vier Reed-Schalter (90) vorgesehen sind, die um den Stabmagnet in gleichem Abstand von diesem angeordnet sind.