DE69229833T2

DE69229833T2 - Magnetometer ohne null-abweichungsdrift

Info

Publication number: DE69229833T2
Application number: DE69229833T
Authority: DE
Inventors: Timothy J. Hawks
Original assignee: Precision Navigation Inc
Current assignee: Precision Navigation Inc
Priority date: 1991-11-14
Filing date: 1992-11-09
Publication date: 2000-02-17
Anticipated expiration: 2012-11-10
Also published as: JP3175773B2; EP0612413A1; WO1993010467A1; JPH07504974A; US5239264A; EP0612413B1; EP0612413A4; DE69229833D1

Description

Die vorliegende Erfindung liegt auf dem Gebiet der Magnetometer, und sie befaßt sich insbesondere mit einem digitalen Schaltkreis hierfür, der gegenüber Temperaturschwankungen und Variationen, die bei dem Vorgang der Massenherstellung und normalerweise auch während einer Alterung auftreten, unempfindlich ist.
Im Stand der Technik sind eine Vielfalt digitaler Magnetometer bekannt. Beispielsweise offenbart das US-Patent Nr. 3,396,329, welches am 6. August 1968 für Salvi ausgegeben wurde, ein Magnetometer, bei welchem die Intensität schwacher Magnetfelder eine Funktion der Frequenzunterschiede von erfaßten Signalen ist, jedoch unabhängig von der Orientierung eines Gefäßes, in welchem das Magnetometer installiert ist. Das für Star am 16. Januar 1972 ausgegebene US-Patent Nr. 3,634,946 bezieht sich auf eine komplett digitale Schaltkreisrealisierung eines digitalen Kompasses, der auf der Basis räumlicher Beziehungen von Impulsen arbeitet, die erzeugt werden, wenn ein Sensor in einer Bezugsrichtung und senkrecht zum Erdmagnetfeld ausgerichet wird. Das für Long et al. am 8. Dezember 1981 ausgegebene US-Patent Nr. 4,305,034 offenbart ein Magnetometer, bei welchem Frequenzänderungen erzeugt werden, wenn ein Hintergrundmagnetfeld durch einen metallischen Gegenstand gestört wird. Diese Vorrichtung kann jedoch keine Vorzeichen- bzw. Richtungsinformation liefern, d. h. ob das Feld sich parallel oder antiparallel zu der Sensorspule befindet. Das US-Patent Nr. 4,340,861, welches am 20. Juli 1982 für Bondarevsk et al. ausgegeben wurde, offenbart, daß ein starkes Magnetfeld in einem LC-Schaltkreis Frequenzunterschiede erzeugt.
Das auf die Firma Precision Navigation, Incorporated in Mountain View, Kalifornien, übertragene US-Patent Nr. 4,851,775, welches am 25. Juli 1989 ausgegeben wurde, offenbart einen digitalen Kompaß und ein Magnetometer, welche eine Sensorspule haben, die auf einen isotropen Kern hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist. Dieses Patent steht mit der vorliegenden Erfindung in soweit in engem Zusammenhang, als die Reaktion der Sensorspule auf ein äußeres Magnetfeld in Verbindung mit einem Widerstandselement die Frequenz eines Kipposzillators steuert. In diesem Patent ist der Treiber des Oszillators ein Schmitt-Trigger, dessen Ausgang ein Signal bereitstellt, welches zu der Größe bzw. dem Wert des äußeren Magnetfeldes in Beziehung steht. Diese Ausgestaltung hat jedoch Probleme mit einer Nullpunktverschiebung. Die Nullpunktverschiebung des Magnetometers verändert sich (driftet) beträchtlich mit der Temperatur und aufgrund von Alterung.
Ein weiterer Ansatz, der sich speziell mit dem Problem der Nullpunktverschiebung befaßt, wird in der europäischen Patentanmeldung A3 0045509 beschrieben, die am 3. August 1981 eingereicht wurde. In dieser Anmeldung ist der magnetische Sensor ein Eisenkern mit einer Wicklung, welche die Frequenz des Oszillators bestimmt. Auf die Erregungswicklung des magnetischen Sensors wird eine Rechteckwelle aufgebracht. Die Detektorwickfung des Magnetsensors ist die Induktivität des Oszillators, der ein LC-Oszillator ist. Mit der Rechteckwellenspannung erhält man eine wechselnde magnetische Vorspannung des Eisenkernes. Die Induktivität der Detektorwicklung des Magnetsensors hängt von der magnetischen Vorspannung ab. Ein äußeres Magnetfeld bewirkt eine Veränderung in der magnetischen Vorspannung und dadurch eine Veränderung in der Induktivität, wodurch die Frequenz des Oszillators einmal erhöht und zu einem anderen Zeitpunkt abgesenkt wird. Die betreffenden Frequenzen werden ausgewertet bzw. gemessen und daraus die Differenz gebildet. Dadurch wird der Nullwert der Frequenz eliminiert, so daß die Genauigkeit der Messung sich verbessert, weil Veränderungen aufgrund der Temperatur und aufgrund von Alterung des Eisenkernes beseitigt worden sind bzw. sich aufheben. Das Problem dieses Ansatzes liegt jedoch darin, daß die Schaltkreise und ihre konkrete Realisierung relativ kompliziert sind. Weiterhin hat das System Anlaufschwierigkeiten aufgrund des nichtlinearen induktiven Sensors.
Gemäß einem Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Kippschwingungs- Schaltkreis bereitgestellt mit:
einer Treibereinrichtung, die einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß hat, um ein Schwingungssignal an dem Ausgangsanschluß bereitzustellen, einer Sensoreinrichtung, die eine erste Spule hat, welche auf einen ersten Kern hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist, um die Periode des Schwingungsschaltkreises zu steuern, wobei die erste Spule erste und zweite Spulenanschlüsse hat und die erste Spule symmetrisch zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen dieser ersten Spule liegt, und einem ersten Widerstand der ersten Spule, der mit dem ersten Anschluß der ersten Spule verbunden ist, gekennzeichnet durch: einen zweiten Widerstand der ersten Spule, der mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbunden ist, wobei der zweite Widerstand der ersten Spule und der erste Widerstand der ersten Spule in ihrer Impedanz angepaßt sind, einer Schalteinrichtung, die mit den ersten und zweiten Anschlüssen der ersten Spule und mit dem Eingangsanschluß der Treibereinrichtung verbunden ist, und die den Eingangsabschluß abwechselnd mit dem ersten Anschluß der ersten Spule und mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbindet, und einer Tor- bzw. Gattereinrichtung, die mit dem ersten Widerstand der ersten Spule und mit dem zweiten Widerstand der ersten Spule verbunden ist, um den ersten Widerstand der ersten Spule mit einem Gleichspannungspotential zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbindet, und um den zweiten Widerstand der ersten Spule mit dem erwähnten Gleichstrompotential zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem ersten Anschluß der ersten Spule verbindet.
Die Erfindung sieht auch ein Magnetometer für das Messen eines äußeren Magnetfeldes vor, mit: einem Kippschwingschaltkreis, wie oben beschrieben, und einer Meßeinrichtung für das Analysieren des Ausgangssignales von dem Ausgangsanschluß der Treibereinrichtung, und um ein Signal bereitzustellen, welches die Größe bzw. den Wert der Stärke des äußeren Magnetfeldes wiedergibt.
Eine Ausführungsform der Erfindung ermöglicht es, daß ein Kippschwingkreis mit der ihm innewohnenden Einfachheit als das Hauptwerkzeug für das Messen von Magnetfeldern verwendet wird und dennoch ein von Temperatur und Alterung unabhängiges Ergebnis in der Nullpunktverschiebung erreicht.
Gemäß bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung wird eine Magnetometertechnologie auf der Basis eines einfachen axialen Sensors bereitgestellt, der so arbeitet, daß er die nichtlineare Natur bei der Sättigung von magnetischem Kernmaterial verwendet. In der bevorzugten Ausgestaltung besteht der Sensor aus einer Spule, die in Form eines Solenoids um einen sättigungsfähigen magnetischen Kern hoher Permeabilität (wie z. B. einem amorphen Metall) gewickelt ist. Der Sensor wirkt elektrisch als Induktor mit einer nichtlinearen Induktivität, die sich sowohl mit dem extern angelegten Magnetfeld als auch mit dem durch den Spulenstrom erzeugten Feld verändert. Durch Verwendung dieses Sensors als Induktivität in einem L/R-Kippschwingkreis bewirkt eine Veränderung des angelegten Magnetfeldes eine Veränderung der Induktivität, die wiederum eine Veränderung in der Schwingungsperiode bewirkt. Die Periode des Oszillators kann unter Verwendung einfacher Zähltechniken in digitale Form umgewandelt werden. Durch Einführung einer Verstärkung dieses Schemas bzw. Prinzips, wobei zwei unterschiedliche Perioden mit unterschiedlichen Oszillatorcharakteristiken gemessen werden, hat das Magnetometer keine Drift in seinem Ausgangswert, wenn kein Feld angelegt wird.
Genauer gesagt ist das Magnetometer in der bevorzugten Ausgestaltung aus einem Kippschwingschaltkreis hergestellt, der einen Treiber mit einem Ausgangsanschluß für das Bereitstellen eines oszillierenden Signals hat. Der Schaltkreis umfaßt einen Sensor mit einer ersten Spule, die auf einen ersten Kern hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist, um die Periode bzw. Schwingungsdauer des Schwingkreises zu steuern, wobei die erste Spule erste und zweite Anschlüsse dieser ersten Spule hat und die erste Spule bezüglich ihrer ersten und zweiten Anschlüsse symmetrisch ist. Ein erster Widerstand der ersten Spule ist mit dem ersten Anschluß der ersten Spule verbunden. Ein zweiter Widerstand der ersten Spule ist mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbunden, wobei der zweite Widerstand der ersten Spule und der erste Widerstand der ersten Spule in ihrer Impedanz angepaßt sind. Ein Schaltelement ist mit den ersten und zweiten Anschlüssen der ersten Spule und mit dem Eingangsanschluß des Treibers verbunden, um den Eingangsanschluß wechselweise auf den ersten Anschluß der ersten Spule und auf den zweiten Anschluß der ersten Spule zu legen. Ein als Tor oder Gatter wirkendes Element, welches mit dem ersten Widerstand der ersten Spule und dem zweiten Widerstand der ersten Spule verbunden ist, wird zum Überbrücken bzw. Kurzschließen des ersten Widerstandes der ersten Spule auf Masse verwendet, wenn das Schaltelement den Eingangsanschluß des Schmitt-Trigger- Treibers mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbindet, und um den zweiten Widerstand der ersten Spule auf Masse kurzzuschließen, wenn das Schaltelement den Eingangsanschluß des Treibers mit dem ersten Anschluß der ersten Spule verbindet. Der Schaltkreis weist auch ein Meßelement für das Analysieren des Ausgangssignales von dem Ausgangsanschluß des Elementes auf, und um ein Signal bereitzustellen, welches die Größe bzw. den Wert der Stärke des äußeren Magnetfeldes wiedergibt.
Durch Verwendung zusätzlicher mit Draht umwickelter Kerne auf verschiedenen Achsen mit den entsprechenden Widerständen kann das externe Feld entlang aller drei Achsen bzw. Raumrichtungen bestimmt werden.
Gemäß einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung wird ein Magnetometer bereitgestellt, welches einen anderen Kippschwingschaltkreis verwendet. In dieser Ausführungsform ist der Oszillator aus einem Schmitt-Trigger-Element hergestellt, welches einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß hat, um ein oszillierendes Signal an dem Ausgangsanschluß bereitzustellen, wobei das Schmitt-Trigger-Element symmetrische Schwellwerte hat. Der Oszillator weist auch einen Sensor auf mit einer ersten Spule, die auf einen ersten Kern hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist, um die Periode des Schwingschaltkreises zu steuern. Der Sensor ist zwischen den Eingangsanschluß und den Ausgangsanschluß des Schmitt-Triggers gelegt. Der Schaltkreis weist auch einen Zeitgeberwiderstand auf, der mit dem Eingangsanschluß der Treibereinrichtung verbunden ist, sowie ein Schaltelement für eine Vorspannpolarität, die mit der Zeitgeberwiderstandseinrichtung entgegengesetzt von dem Eingangsanschluß der Schmitt-Trigger-Einrichtung verbunden ist. Das Schaltelement für die Vorspannpolarität wird verwendet, um die Vorspannpolarität der Schmitt-Trigger-Einrichtung umzuschalten. Das Meßelement des Magnetometers für die Analyse des Ausgangssignales aus diesem Magnetometerschaltkreis kann dasselbe sein wie bei der vorherigen Ausführungsform.
Weiterhin versteht es sich, daß dieser Schaltkreis in einer praktischen Anwendung zur Erhaltung von Informationen in drei Richtungen bzw. drei Achsen mit drei induktiven Sensoren verwirklicht werden würde. Generell wird jeder Sensor getrennt aktiviert und es wird die Messung durchgeführt, und dann wird die Information entlang der drei Achsen miteinander kombiniert, um sowohl die Größe als auch die Richtung des gemessenen Magnetfeldes zu erhalten.
Ausführungsformen der Erfindung werden im Folgenden lediglich beispielhaft und unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen beschrieben, von denen:
Fig. 1 ein Schema eines grundlegenden, uniaxialen Magnetometers ist, welches für ein Verständnis der Erfindung vorgesehen ist,
Fig. 2 die Wellenformen zeigt, die zu dem Magnetometer nach Fig. 1 gehören,
Fig. 3 die Wellenformen zeigt, die zu dem Betrieb des Magnetometersensors nach Fig. 1 gehören, wenn kein äußeres Magnetfeld angelegt ist,
Fig. 4 die Wellenformen zeigt, die zu dem Betrieb des Magnetometersensors nach Fig. 1 gehören, wenn ein äußeres Magnetfeld angelegt ist,
Fig. 5 eine Kurve der Sensorperiode als eine Funktion des angelegten Magnetfeldes für positive und negative Vorspannungen des Magnetometers nach Fig. 1 zeigt,
Fig. 6 eine Kurve eines Sensoransprechens mit Nullpunktskompensation als Funktion eines angelegten Magnetfeldes für das Magnetometer nach Fig. 1 zeigt,
Fig. 7 den Kippschwing/Sensorteil eines Magnetometers nach Fig. 1 zeigt, der Sensoren für alle drei Achsen hat,
Fig. 8 eine Ausführungsform eines Magnetometer-Oszillatorschaltkreises gemäß der Erfindung zeigt,
Fig. 9 die Wellenformen zeigt, die zu dem Magnetometeroszillator nach Fig. 8 gehören,
Fig. 10(a) den Oszillator nach Fig. 8 in einer Schaftkonfiguration zeigt,
Fig. 10(b) und 10(c) äquivalente Schaltkreise für den Oszillator in Fig. 10(a) in dieser Schaltkonfiguration zeigen,
Fig. 11 (a) die Schwellenverschiebung zeigt, die zu dem Schaltkreis nach Fig. 1 gehört,
Fig. 11 (b) die Schwellwertbedingungen bzw. -zustände für einen Magnetometerschaltkreis gemäß einer Ausführungsform der Erfindung zeigt,
Fig. 12 ein genaues Schema eines Magnetometerschaltkreises einer Ausführungsform der Erfindung zeigt, die dreiachsig ist.

Magnetometer ohne Nullpunktverschiebung:

In Fig. 1 ist ein uniaxiales Magnetometer in der Grundform dargestellt. Das Magnetometer hat einen Schmitt-Trigger 2 als Treiber in einem L/R-Kipposzillator und einen Magnetometersensor 3, der aus einem drahtumwickelten Kern mit hoher magnetischer Permeabilität als dem induktiven Element besteht. Der Sensorkern kann aus Metglas 2705M hergestellt sein, welches von Allied Signal erhältlich ist, und hat Maße von 0,5 mm · 15,25 mm · 0,025 mm (0,020" · 0,600" · 0,001"). Typischerweise ist der Kern mit etwa 2.000 Windungen eines AWG-Drahtes der Maßzahl 41 umwickelt.
Das gesamte Magnetfeld durch das magnetische Kernmaterial ist die Summe aus dem externen Magnetfeld und dem durch den Strom, welcher durch das induktive Element fließt, erzeugten Feld. Diese Beziehung wird ausgedrückt durch die folgende Gleichung (1).
H = X&sub0;I + HE (1)
wobei H das Gesamtmagnetfeld durch das Kernmaterial ist, HE das extern angelegte Magnetfeld ist, welches parallel zu dem Kernmaterial ist, und I der durch die Induktionsspule fließende Strom ist. Die Konstante X&sub0; hängt von wenigen verschiedenen physikalischen Parametern ab, wie z. B. der Wicklungsdichte auf der Spule. (Nach Gleichung (1) ist vorausgesetzt, daß das angelegte Feld HE in derselben Richtung verläuft wie das von einem positiven Strom I erzeugte Feld). Wenn ein Material mit hoher Permeabilität einem Magnetfeld ausgesetzt ist, so verstärkt es dieses Feld sehr wirkungsvoll durch einen großen Faktor, der als die Permeabilität bekannt ist. Für viele Materialien kann dieser irgendwo im Bereich von 100 bis 100.000 im Maximum betragen. Typischerweise ist die Permeabilität nur für einen begrenzten Bereich kleiner Felder groß. Wenn das an dem Material angelegte Feld in irgendeiner Richtung vergrößert wird, so sinkt die Permeabilität des Materials ab auf eine Verstärkung von 1. Dies entspricht der Sättigungseigenschaft dieser Materialien. Die Permeabilität als Funktion des angelegten Feldes wird als u(H) bezeichnet. Eine Kurve der abgetasteten Permeabilitätsfunktion ist als ein Teil der anhängenden Fig. 3 dargestellt. Die Spannung an der Sensorspule ist eine Funktion der Änderung des aus dem Material resultierenden Magnetfeldes. Dies kann folgendermaßen ausgedrückt werden:
V = k&sub1;u(H)* dH/dt (2)
wobei V die Spannung an der Sensorspule, u(H) die Permeabilitätsfunktion des Materials und dH/dt die zeitliche Ableitung des angelegten Feldes ist. Die Konstante k&sub1; ist eine Funktion verschiedener physikalischer Parameter einschließlich der Wicklungsdichte der Spule und des Volumens des Kernmaterials. Wenn das externe Feld HE konstant ist (d. h. sich mit der Zeit nicht verändert), so können die Gleichungen (1) und (2) kombiniert werden, so daß sich folgendes ergibt:
V = k&sub0;k&sub1;u(H) * dI/dt (3)
Mit einer normalen Induktivität hängt die Spannung mit der Zeitableitung des Stromes folgendermaßen zusammen:
V = L* di/dt (4)
wobei L als die Induktivität des Induktors definiert ist. Indem Gleichung (3) mit Gleichung (4) kombiniert bzw. interpretiert wird, so kann die Größe
L(H) = k&sub0;k&sub1;u(H) (5)
als die Induktivität des nichtlinearen Sensors bezeichnet werden. Man beachte, daß es sich hier nicht um eine Konstante handelt, sondern vielmehr um eine Funktion, die von dem an das Material angelegten Feld abhängt.
Bei einem einfachen L/R-Kipposzillator, wie z. B. dem in Fig. 1 dargestellten, bei welchem der Zeitgeberwiderstand 4 einen Widerstandswert R und der Sensor 3 eine Induktivität L hat, ist die Periode des Oszillators proportional zur Induktivität des Induktors, wobei angenommen ist, daß der Induktor linear ist. Wenn ein Oszillator unter Verwendung eines invertierenden Schmitt-Triggers verwendet wird, so ist die Periode:
t = (L/R) In VH(VS - VL)/VL(VS - VH) (6)
wobei t die Oszillatorperiode bzw. Schwingperiode ist, L die Zeitgeberinduktivität und R der Zeitgeberwiderstand ist. Die Konstanten VL und VH beziehen sich auf die niedrigen und hohen Schwellspannungen des Schmitt-Triggers und VS bezieht sich auf die Versorgungsspannung für den Oszillator. Gleichung (6) kann als sehr grobe Näherung verwendet werden, um darzustellen, daß die Periode des Oszillators näherungsweise proportional zu der Induktivität des Sensors und damit proportional zu dessen Permeabilität ist. Da jedoch der Induktor bzw. die Induktivität nicht linear ist, ist der exakte Ausdruck etwas verschieden hiervon, wie später noch diskutiert werden wird. Wenn der Induktor schwingt, so liefert er zu verschiedenen Zeiten während des Zyklus eine unterschiedliche Induktivität für den Oszillator. Die Nettoperiode ist ein gewichteter Durchschnitt der Induktivitäten über den gesamten Zyklus hinweg.
Um sicherzustellen, daß die Frequenz des Oszillators eine quasilineare Funktion des angelegten Feldes ist, muß der Oszillator mit einem Vorspanngleichstrom durch den Sensor arbeiten. Ansonsten wäre, wenn der Oszillator nur mit einem Wechselstrombestandteil eines durch den Induktor fließenden Stromes betrieben würde, die Oszillatorperiode für in entgegengesetzten Richtungen angelegte Felder gleicher Größe identisch. Dies liegt an der Symmetrie der Permeabilitätskurve (wie man in Fig. 3 erkennen kann). Glücklicherweise erzeugt die Realisierung des Kipposzillators mit einem Schmitt-Trigger natürlicherweise einen Vorspanngleichstrom durch den Induktor, der die Symmetrie bricht. Letztendlich beeinflußt die Ausgangsspannung des Schmitt-Triggers den Nettowert des Vorspanngleichstromes durch den Induktor, und die Ausgangsspannung des Schmitt- Trigger-Schalters beeinflußt die Symmetrie der Ausgangswellenform und steuert damit die Nullpunktverschiebung des Magnetometers.
Fig. 1 zeigt ein Schema für den Kipposzillator des Magnetometers, wie bereits erwähnt wurde. Es sei angenommen, daß die Eingabe bzw. der Eingang der "Vorspannpolarität" des Schalters 1 den niedrigen Eingangswert, d. h. Masse, auswählt, und dann ist der Ausgangswert des Oszillators eine Rechteckwelle, wie in Fig. 2 dargestellt. (Der Schmitt-Trigger und der Speicher sollen in CMOS ausgeführt sein, die Ausgänge sollten in der Nähe der Zufuhrschienen schwingen.) Die Spannung am Knotenpunkt A ist wie in Fig. 2 dargestellt und schwingt zwischen den Grenzspannungen bzw. Schwellwertspannungen VL und VH des Schmitt-Triggers in einer exponentiellen Sägezahnform. Der Strom 1 durch den Widerstand R folgt der Spannung am Knotenpunkt A, und er ist so, wie es in dem Bereich "Strom I (negative Vorspannung)" von Fig. 2 dargestellt ist. Die Ströme sind folgendermaßen definiert:
Is = VS/R (7)
IL = VL/R (8)
IH = VH/R (9)
wobei R der Zeitgeberwiderstand, VS die Versorgungsspannung und VL und VH die unteren und oberen Schwellwertspannungen sind. Unter Verwendung der Beziehung gemäß Gleichung (1) erzeugen die obigen Ströme entsprechende Felder in der Induktivität, die folgendermaßen definiert werden:
Hs = koIS = koVS/R (10)
HL = koIL = KoVL/R (11)
HH = koIH = koVH/R (12)
Man kann, indem man die rechte Wellenform der Kurve in Fig. 3 betrachtet (des Teiles, der mit "negative Vorspannung" bezeichnet ist), erkennen, daß das an der Induktivität angelegte Feld zwischen HL und HH oszilliert. Die spezielle Permeabilität der Kurve über diesem Bereich ergibt die Wellenform bei einer Periode tN. In Fig. 4 zeigt die Kurve den Effekt, wenn ein positivies äußeres Magnetfeld HE angelegt wird. Die Grenzwerte bzw. Schwellwerte HL und HH werden durch HE verschoben, und der Oszillator arbeitet nun auf einem anderen Abschnitt der Permeabilitätskurve, wo die durchschnittliche Induktivität etwas niedriger ist. Als Folge davon wird die Schwingperiode des Oszillators, tN, kürzer. Die Beziehung zwischen dem angelegten Feld HE und der Oszillatorperiode tN ist in Fig. 5 grafisch dargestellt. Die Periode nimmt für positive Felder ab und steigt mit negativen Feldern. (Der Maßstab der HE-Achse ist im Vergleich zu dem Maßstab der H-Achsen in den Fig. 3 und 4 vergrößert.)
Man beachte, daß in der Kurve gemäß Fig. 5 die Periode tN des Oszillators die HE = 0-Achse bei irgendeiner Periode kreuzt. Um das magnetische Feld mit einem Vorzeichen zu berechnen, ist es notwendig, diese Periode bei Null zu kennen. Unglücklicherweise verändert sich ohne angelegtes Feld die Periode des Magnetometers beträchtlich mit der Temperatur. Dies liegt daran, daß sich die Permeabilität des Materials mit der Temperatur verändert. Glücklicherweise bleibt die Permeabilitätskurve gemäß der folgenden Beziehung symmetrisch:
u(H) = u(-H) (13).
Diese Spiegelsymmetrie gilt für alle Temperaturen und auch trotz der meisten Sensordefekte. Wenn das System also auf der entgegengesetzten Seite der Kurve in einem Spiegelbild zur ersten Seite betrieben wird, so wird sichergestellt, daß die Periode der Wellenform gegenüber der ersten identisch ist, wenn kein äußeres Magnetfeld an dem Sensor angelegt ist. Außerdem kann man sehen, wenn man auf der linken Seite der Kurve in den Fig. 3 und 4 arbeitet, daß die Periode mit dem angelegten Feld steigt. Diese Periode, tP, ist gegenüber dem angelegten Feld in Fig. 5 grafisch dargestellt. Indem man die Differenz der Perioden des Schwingens auf gegenüberliegenden Seiten der Permeabilitätskurve nimmt, kann man eine hinsichtlich des Nullpunkts kompensierte Ablesung erhalten. Dies ist in Fig. 6 dargestellt. Das Endergebnis sollte theoretisch keine Nullpunktverschiebung mit der Temperatur oder Alterung haben. Das Schaltelement 1 stellt diese Fähigkeit, auf beiden Seiten der Permeabilitätskurve zu arbeiten, bereit.
Das oben erläuterte, wechselnde Vorspannschema beruht auf der Fähigkeit, auf gegenüberliegenden Seiten der Permeabilitätskurve in einem exakten Spiegelbild zu arbeiten. Dies bedeutet, daß die Schwellwert- bzw. Grenzfelder HL und HH die folgende Beziehung erfüllen müssen:
HL + HH = HS. (14)
so daß dann, wenn der Sensor sich in dem Bereich der "positiven" Vorspannung befindet, der HH - HS-Grenzwert gleich -HL ist (s. Fig. 3). In ähnlicher Weise sollte der Grenzwert HL - HS gleich -HH sein. Aufgrund der oben gezeigten Beziehungen gilt, wenn die Grenzwertspannungen des Schmitt-Triggers in dem Schaltkreis gemäß Fig. 1 das folgende Kriterium erfüllen:
VL + VH = VS (15)
daß dann der Oszillator das Wechseln der spiegelbildlichen Vorspannpolarität bereitstellt, welches für das Wechseln des Vorspannschemas erforderlich ist.
Die Vorspannpolarität des Oszillators wird durch die in Fig. 1 dargestellte Eingabe der "Vorspannpolarität" gesteuert. Während die Betriebsweise des Oszillators unabhängig von diesem Eingabeniveau fast identisch ist, wird der Nettostrom durch den Zeitgeberwiderstand verändert. Die Unterschiede zwischen dem Strom I für negative und positive Vorspannpolaritäten sind in Fig. 2 dargestellt. (Die Stromwellenform in Fig. 2 gilt für beide Polaritäten, jedoch gibt die Beschriftung bzw. Etikettierung auf den beiden Seiten die Unterschiede wieder.) Während die Wellenformen eigentlich identisch sind (unter der Annahme, daß kein äußeres Feld angelegt ist), wird der Strom um einen Betrag IS "verschoben". Diese Verschiebung kann die Vorspannung in die entgegengesetzte Hälfte der Kurve verschieben, indem einfach das Niveau der Eingabe der Vorspannpolarität verändert wird.
Im tatsächlichen Gebrauch wird das Magnetfeld durch zwei Ablesungen gemessen, und zwar durch eine positive und eine negative, und durch Subtrahieren der beiden sich daraus ergebenden Perioden, um den endgültigen, bezüglich des Nullpunktes kompensierten Ausgangswert zu erhalten. Bei dem vollständigen Kompaßsystem werden drei von diesen Sensoren verwendet, und der Vorgang muß einmal für jede Achse ausgeführt werden. Während das Magnetometer mit drei verschiedenen Oszillatoren des in Fig. 1 dargestellten Typs ausgestattet sein könnte, ist es etwas einfacher, die drei Sensoren im Multiplexbetrieb mit einem gemeinsamen Oszillator zu betreiben. Ein Schema dieses Schaltkreises ist in Fig. 7 dargestellt. IC6a in der bevorzugten Ausführungsform ist eine TLC3702, der ein CMOS Komparator mit niedriger Leistung ist, welcher verwendet wird, um den Schmitt-Trigger-Schaltkreis zu verwirklichen. Die Magnetometersensoren sind mit B1, B2 und B3 bezeichnet und jeder hat seinen eigenen Treiberpuffer, jeweils realisiert als IC5b, IC5c bzw. IC5d. Die Sensortreiberpuffer werden jeder einer nach dem anderen freigegeben, um eine Ablesung bzw. einen Wert für den jeweiligen Sensor aufzunehmen. Sensoren mit außer Betrieb gesetzten bzw. abgeschalteten Treiberpuffern hängen einfach unverbunden an dem Treiberende und nehmen an der Magnetometermessung nicht teil. IC5a ist ein Eingangspuffer. Das Umschalten der Vorspannpolarität wird über den Mikroprozessor bewerkstelligt, um für jeden Sensor beide Seiten der Permeabilitätskurve abzutasten, ebenso wie dies für den Sensor in dem einachsigen Fall getan wurde.
Wie bereits erwähnt, ist der exakte Ausdruck für die Beziehung zwischen der Oszillatorperiode und einem äußeren angelegten Feld komplizierter als eine einfache proportionale Beziehung. Unter Vernachlässigung von Hystereseeffekten des Materials (die für amorphe Metalle sehr klein sind), können die Oszillatorperioden für positive und negative Vorspannungen als Integrale ausgedrückt werden. Die Periode mit einer positiven Vorspannungspolarität, tP, kann als Funktion des angelegten, äußeren Magnetfeldes HE folgendermaßen dargestellt werden:
Die Oszillatorperiode mit einer negativen Vorspannpolarität, tN, kann in ähnlicher Weise als eine Funktion des angelegten äußeren Magnetfeldes HE folgendermaßen ausgedrückt werden:
wobei k&sub1; und k&sub0; physikalische Konstanten sind, wie es für die Gleichungen (1) und (2) erläutert wurde, und wobei R der Widerstandswert des Zeitgeberwiderstandes ist. Die Konstanten HL, HH und HS sind wie oben in den Gleichungen (10) bis (12) definiert. Die Permeabilität des Materials als Funktion des angelegten Nettofeldes ist u(H). Die Integrationsvariable ist H.
Mit den oben dargestellten Ausdrücken (16) und (17) kann man die Gültigkeit des Null-Kompensationsschemas erkennen. Wenn das angelegte äußere Feld Null ist (HE = 0), und wenn die Schwell- bzw. Grenzwerte bezüglich der Zuführschienen bzw. Versorgungsbahnen symmetrisch sind (HL + HH = HS), so sind die Integrale für tp und tN identisch, und der Unterschied zwischen den Perioden mit positiver und negativer Vorspannung ist Null.
Die obigen Integralausdrücke können auch als Faltungsintegrale behandelt werden, um ein gewisses intuitives Verständnis der Beziehung zwischen der Permeabilität des Kernes und der Ausgangslinearität zu liefern.
Für die Fachleute versteht es sich, daß das oben beschriebene Magnetometer auch mit anderen Arten von Kipposzillatoren betrieben werden könnte. Demnach ist dieses Magnetometer nicht auf die Verwendung eines Schmitt-Triggers beschränkt, sondern stattdessen ist das allgemeinere Konzept des Oszillatortreibers ein invertierendes Verstärkungselement mit einer Hysterese. Weiterhin erkennen die Fachleute, daß das Magnetometer nach Fig. 1 auf eine allgemeinere, sichtbar symmetrische Weise verwirklicht werden könnte, d. h. der Schalter 1 könnte zwischen symmetrischen Spannungen +Vb und - Vb liegen und die Vorspannpunkte des Schmitt-Triggers zwischen +VS und -VS. Bei einer solchen Verwirklichung mit Doppelzuführung ist VS > VH > VL > -VS und VL + VH = 0. Weiterhin bestimmen Vb und die Grenzwerte die Vorspannextreme, während VS eine Wirkung auf die Periode hat. Die Fachleute verstehen auch, daß ein L/R-Oszillator im Gegensatz zu einem LC-Oszillator verwendet wird. Für einen L/R-Oszillator ist die Periode proportional zur Induktivität. Für einen LC-Oszillator ist jedoch die Periode proportional zur Quadratwurzel der induktivität. Als Folge davon bewirkt eine 1%ige Änderung in der Induktivität eine 1%ige Veränderung in der Periode für den Kipposzillator und nur 0,5% Veränderung für einen LC- Oszillator. Eine kleinere Perioden- oder Frequenzänderung bedeutet entweder, daß man Auflösung oder Abtastzeiten opfert (unter der Annahme, daß alles andere konstant bleibt). Die Abtastzeit beeinflußt wiederum den Energieverbrauch des Systems, der für batteriegetriebene Systeme von kritischer Bedeutung ist.

Magnetometerschaltkreis mit geteiltem Widerstand

Auch wenn die oben beschriebene Ausführungsform, welche die Umschaltung der Vorspannpolarität verwendet, das Problem der Nullpunktverschiebung im wesentlichen angeht, so hat es sich in der Praxis doch herausgestellt, daß die Nullpunktverschiebung empfindlicher auf Temperaturveränderungen reagiert, als es im allgemeinen erwünscht ist, wenn das Magnetometer von dieser Art als Grundlage für einen genauen digitalen Kompaß verwendet wird. Weiterhin hat es sich herausgestellt, daß diese Veränderungen mit der Temperatur sehr schwierig zu beseitigen sind.
Fig. 8 zeigt einen Schaltkreis eines uniaxialen Magnetometers gemäß einer Ausführungsform der Erfindung, welcher das Problem der Nullpunktverschiebung und deren Temperaturveränderungen aufgrund seiner Topologie überwindet. Der Schaltkreis weist einen Schmitt-Trigger 11, einen induktiven Sensor 13 (der in der bevorzugten Ausführungsform aus einem mit Draht umwickelten Magnetkern hoher Permeabilität wie in der ersten Ausführungsform besteht), zwei in ihrer Impedanz angepaßte Zeitgeberwiderstände 15 und 17, ein Schaltelement 19, und ein Gateelement 21 auf, welches aus UND-Gattern 22 und 24 besteht. In dieser bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der in der obigen theoretischen Diskussion beschriebene Widerstand in effektiver Weise in zwei gleiche Hälften aufgeteilt, die zwei verschiedene Knoten bereitstellen, an welchen der Strom durch den Induktivitätssensor 13 gemessen werden kann. Dieses gibt dem Sensor positive und negative Vorspannungen, die in der Praxis wesentlich besser abgestimmt bzw. aufeinander angepaßt sind, als es bisher erreicht worden ist. Für eine angemessene Arbeitweise sollte der Schmitt-Trigger Grenz- bzw. Schwellwerte haben, die beide kleiner sind als die Hälfte der Versorgungsspannung VS. Außerdem sollten in der bevorzugten Ausgestaltung die UND-Gatter 22 und 24 Ausgänge mit geringer Impedanz haben, die von Bahn zu Bahn schwingen können (wie CMOS- Ausgänge). Die Wellenformen für den Schaltkreis gemäß Fig. 8 sind in Fig. 9 dargestellt.
Die Betriebsweise des Schaltkreises kann man durch Vereinfachung des Schaltkreises und Veranschaulichung seiner Äquivalenz zu dem grundliegenden Schmitt- Trigger-Oszillator verstehen. In Fig. 10a ist der Oszillator mit geteiltem Widerstand mit einem Eingang mit aktiver Freigabe dargestellt. Diese Eingabe auf logisch "high" in das entsprechende (niedrigere) UND-Gatter gibt effektiv den Ausgang des Schmitt-Triggers frei auf den niedrigeren der beiden Widerstände. Das abgeschaltete obere UND-Gatter erdet effektiv das Ende des anderen Widerstandes. Der freigegebene bzw. eingeschaltete Analogschalter erzeugt einen geschlossenen Signalpfad von dem Induktorende des Schmitt- Trigger-Einganges. Diese Vereinfachung ist in Fig. 10b dargestellt. Angesichts der Symmetrie des Schaltkreises kann der Fall mit dem entgegengesetzten Freigabeeingang beobachtet werden, der aktiv denselben äquivalenten Schaltkreis ergibt, mit der Ausnahme, daß der Induktor selbst "umgeschaltet" wird. Dieses ergibt in Kombination mit der inhärenten DC-Vorspannung des Schmitt-Trigger-Schaltkreises einen Mechanismus für die gleichförmige Vorspannung des Induktors in beiden Richtungen. Wenn der Schaltkreis nach Fig. 10b erneut gezeichnet wird, ergibt sich der Schaltkreis gemäß Fig. 10c. Dieses ist dem ursprünglichen Schmitt-Trigger-Oszillator sehr ähnlich. Der gesamte Zeitgeberwiderstand ist R/2 + R/2 = R, jedoch hat der Widerstand in der Weise Anschlüsse, daß der Schmitt-Trigger eine Spannung sieht, die die Hälfte derjenigen beträgt, die man in dem ursprünglichen Schaltkreis findet. Dementsprechend sind die Grenz- bzw. Schwellwerte der Schmitt-Trigger halbiert, um diesen Effekt auszugleichen.
Der generelle Vorteil der Topologie mit aufgeteiltem Widerstand liegt darin, daß die Nullpunktverschiebung nicht mehr auf Schmitt-Trigger-Eigenschaften sensitiv ist. Der Induktor erfährt mit jeder Vorspannpolarität eine gleichförmige Fortlaufverzögerung. Außerdem brauchen die Grenz- bzw. Schwellwerte nicht mehr das Symmetrieerfordernis VL + VH = VS zu erfüllen. Die Wirkung der Schwellwertasymmetrie ist in Fig. 11a dargestellt. Die Schwellwerte für den Oszillator mit aufgeteiltem Widerstand sind in Fig. 11b dargestellt. Die einzigen Schaltkreisparameter, die einen signifikanten Effekt auf die Nullpunktverschiebung haben, liegen in der Anpassung der aufgeteilten bzw. aufgespaltenen Widerstände und der Anpassung der Widerstandswerte der Ausgangspuffer. Das letztgenannte Erfordernis ist allerdings insofern etwas weniger streng zu sehen, als der Ausgangswiderstand für die positive Zufuhr nicht mit dem Ausgangswiderstand zur Masse hin zusammenpassen muß; es müssen nur die jeweiligen Widerstände zwischen den beiden UND-Puffern angepaßt werden.
Die analytische Behandlung für den Schaltkreis mit aufgeteiltem Widerstand ist etwas anders. Die Verhaltungsgleichungen für die Perioden des Sensors sind ähnlich.
Die Periode mit einer positiven Vorspannpolarität, tP, ist identisch:
Die Periode des Oszillators mit einer negativen Vorspannpolarität, tN ist jedoch
Fig. 12 zeigt eine tatsächliche Verwirklichung des Schaltkreises mit aufgespaltenem Widerstand für ein Dreiachsen-Magnetometer-System gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung. Drei induktive Sensoren 41, 43 und 45 teilen sich einen Schmitt-Trigger 61, wobei die Sensoren wiederum drahtumwickelte Magnetkerne mit hoher Permeabilität sind, wie sie zuvor bereits beschrieben wurden. Ein Gatterelement IC3 liefert die Tor/Demultiplex-Funktion, welche in der vorherigen Ausführungsform durch die UND- Gatter 22 und 24 ausgeübt wurde. In dieser Ausführungsform wird IC3 realisiert durch Verwendung eines 1 zu 8-Demultiplexers, wie z. B. eines 74AC11238. Die Schaltfunktion ist realisiert durch einen IC4 unter Verwendung eines 8 zu 1-Analogmultiplexers, wie z. B. eines 74HC4051. Da die Anpassung wichtig ist, sind die Zeitgeberwiderstände Teil eines gemeinsamen Widerstandsnetzwerkes 47. Da der größte Teil des Schaltkreises getrennt von einer einzelnen 5 V-Versorgung arbeitet, verwendet der Multiplexer IC4 eine negative Versorgungsspannung von weniger als -2,5 V, um den negativen Eingang von der nichtausgewählten Seite eines oszillierenden Sensorinduktors aufzunehmen. Das Dioden/Kondensator-Netzwerk 51 bildet einen Spannungsinvertierer, um diese Spannung bereitzustellen.
Die analytisch/mathematischen Funktionen und die Abtastauswahlfunktionen, die notwendig sind, um eine sinnvolle Information aus dem Oszillatorschaltkreis mit Spaltwiderstand zu erhalten, werden durch einen Mikroprozessor 55 durchgeführt, der über ein geeignetes Interface 54 mit dem Oszillator verbunden ist. Sobald die Messungen abgeschlossen bzw. vollständig sind, stellt der Mikroprozessor dann geeignete Signale für die Anzeige 59 über den Displaytreiber bereit, um die aus dem Meßvorgang abgeleitete Information über das magnetische Feld anzuzeigen.

Claims

1. Kippschwingungsschaltkreis mit:

einer Treibereinrichtung (11), die einen Eingangsanschluß und einen Ausgangsanschluß hat, um ein Schwingungssignal an dem Ausgangsanschluß bereitzustellen,

einer Sensoreinrichtung (13), die eine erste Spule hat, welche auf einen ersten Kern mit hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist, um die Periode des Schwingungsschaltkreises zu steuern, wobei die erste Spule erste und zweite Spulenanschlüsse hat und die erste Spule symmetrisch zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen dieser ersten Spule liegt, und

einem ersten Widerstand (15) der ersten Spule, der mit dem ersten Anschluß der ersten Spule verbunden ist,

gekennzeichnet durch:

einen zweiten Widerstand (17) der ersten Spule, der mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbunden ist, wobei der zweite Widerstand der ersten Spule und der erste Widerstand der ersten Spule in ihrer Impedanz angepaßt sind,

eine Schalteinrichtung (19), die mit den ersten und zweiten Anschlüssen der ersten Spule und mit dem Eingangsanschluß der Treibereinrichtung verbunden ist und die den Eingangsanschluß abwechselnd mit dem ersten Anschluß der ersten Spule und mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbindet, und

eine Tor- bzw. Gattereinrichtung (21), die mit dem ersten Widerstand der ersten Spule und dem zweiten Widerstand der ersten Spule verbunden ist, um den ersten Widerstand der ersten Spule auf ein Gleichspannungspotential kurzzuschließen bzw. zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem zweiten Anschluß der ersten Spule verbindet, und um den zweiten Widerstand der ersten Spule auf das Gleichspannungspotential kurzuschließen bzw. zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem ersten Anschluß der ersten Spule verbindet.

2. Schwingschaltkreis nach Anspruch 1, wobei die Treibereinrichtung einen Schmitt- Trigger aufweist.

3. Schwingschaltkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, wobei die Treibereinrichtung ein invertierendes Verstärkungselement mit Hysterese aufweist.

4. Schwingschaltkreis nach Anspruch 2, wobei der Schmitt-Trigger symmetrische Schwellwerte hat.

5. Magnetometer zum Messen eines externen magnetischen Feldes mit:

einem Schwingschaltkreis nach einem der vorstehenden Ansprüche, und einer Meßeinrichtung (55) zum Analysieren des Ausgangssignales von dem Ausgangsanschluß der Treibereinrichtung, und für die Bereitstellung eines Signales, welches der Größe der äußeren Magnetfeldstärke entspricht.

6. Magnetometer nach Anspruch 5, wobei die Sensoreinrichtung eine zweite Spule aufweist, die auf einen zweiten Kern hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist, wobei die zweite Spule erste und zweite Anschlüsse der zweiten Spule hat und die zweite Spule zwischen den ersten und zweiten Anschlüssen dieser zweiten Spule elektrisch symmetrisch liegt,

und wobei das Magnetometer weiterhin aufweist:

einen ersten Widerstand der zweiten Spule, der mit dem ersten Anschluß der zweiten Spule verbunden ist,

einen zweiten Widerstand der zweiten Spule, der mit dem zweiten Anschluß der zweiten Spule verbunden ist, wobei der zweite Widerstand der zweiten Spule und der erste Widerstand der zweiten Spule hinsichtlich ihrer Impedanz einander angepaßt sind, und wobei die Schalteinrichtung mit den ersten und zweiten Anschlüssen der zweiten Spule und mit dem Eingangsanschluß der Treibereinrichtung verbunden ist, um den Eingangsanschluß abwechselnd mit dem ersten Anschluß der zweiten Spule und dem zweiten Anschluß der zweiten Spule zu verbinden,

und wobei die Tor- bzw. Gattereinrichtung ebenfalls mit dem ersten Widerstand der zweiten Spule und dem zweiten Widerstand der zweiten Spule verbunden ist, um den ersten Widerstand der zweiten Spule auf ein Gleichspannungspotential zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem zweiten Anschluß der zweiten Spule verbindet, und um den zweiten Widerstand der zweiten Spule auf das Gleichspannungspotential zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem ersten Anschluß der zweiten Spule verbindet.

7. Magnetometer nach Anspruch 6, wobei die Sensoreinrichtung eine dritte Spule aufweist, die auf einen dritten Kern hoher magnetischer Permeabilität gewickelt ist, wobei die dritte Spule erste und zweite Anschlüsse der dritten Spule hat und wobei die dritte Spule zwischen ihren ersten und zweiten Anschlüssen elektrisch symmetrisch liegt,

und wobei das Magnetometer weiterhin aufweist:

einen ersten Widerstand der dritten Spule, der mit dem ersten Anschluß der dritten Spule verbunden ist,

einen zweiten Widerstand der dritten Spule, der mit dem zweiten Anschluß der dritten Spule verbunden ist, wobei der zweite Widerstand der dritten Spule und der erste Widerstand der dritten Spule hinsichtlich ihrer Impedanz aneinander angepaßt sind, und wobei die Schalteinrichtung mit den ersten und zweiten Anschlüssen der dritten Spule und mit dem Eingangsanschluß der Treibereinrichtung verbunden ist, um diesen Eingangsanschluß abwechselnd mit dem ersten Anschluß der dritten Spule und dem zweiten Anschluß der dritten Spule zu verbinden,

und wobei die Tor- bzw. Gattereinrichtung außerdem mit dem ersten Widerstand der dritten Spule und dem zweiten Widerstand der dritten Spule verbunden ist, um den ersten Widerstand der dritten Spule auf ein Gleichspannungspotential zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem zweiten Anschluß der dritten Spule verbindet, und um den zweiten Widerstand der dritten Spule auf das Gleichspannungspotential zu überbrücken, wenn die Schalteinrichtung den Eingangsanschluß der Treibereinrichtung mit dem ersten Anschluß der dritten Spule verbindet.