DE69633356T2

DE69633356T2 - Magnetfelddetektor

Info

Publication number: DE69633356T2
Application number: DE69633356T
Authority: DE
Inventors: Frederick Rockwell IV Rochester Chamberlain
Original assignee: Eastman Kodak Co
Current assignee: Eastman Kodak Co
Priority date: 1995-03-16
Filing date: 1996-03-12
Publication date: 2005-10-20
Anticipated expiration: 2016-03-13
Also published as: EP0732595A3; EP0732595B1; EP0732595A2; JPH08285953A; DE69633356D1; US5610518A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf das Messen magnetischer Felder und insbesondere auf das Erkennen eines Magnetfeldes, das durch das Vorhandensein eines magnetischen Objekts oder das Vorhandensein einer Anomalie oder Störung in einem sich bewegenden leitfähigen Blatt bedingt ist.
Es sind bereits die unterschiedlichsten Geräte zum Erkennen eines magnetischen Objekts bekannt. Dabei reichen die Anwendungen vom Erkennen der Position von Zähnen eines sich drehenden Zahnrades (US-A-5 304 926) bis zum Messen des Abstandes zwischen einer Eisenbahnwagenachse und der Eisenbahnschiene (US-A-4 943 772). Die angewandte Technik sowie die Ausbildung der verwendeten Hardware sind in starkem Maße abhängig von dem zu erkennenden Objekt und seiner Entfernung zum Messgerät.
US-A-5 304 926 beschreibt einen Positionssensor mit zwei einem U-förmigen Magneten zugeordneten, magnetisch empfindlichen Geräten. Der Sensor ist benachbart zu einem mindestens eine Unterbrechung der Oberfläche aufweisenden drehbaren Element, etwa einem drehbaren Zahnrad, angeordnet. Die beiden magnetisch empfindlichen Geräte, etwa Hall-Effekt-Wandler, liefern Ausgangssignale, die jeweils die Richtung und Stärke des Magnetfeldes wiedergeben, in dem sich der betreffende Wandler befindet. Die algebraische Summe des ersten und des zweiten Ausgangssignals der magnetisch empfindlichen Geräte gibt einen Hinweis auf die Position des benachbart zum Sensor angeordneten drehbaren Elements.
GB 2 159 954A beschreibt eine Vorrichtung zum Feststellen des Ortes einer Unterbrechung in einem Metallrohr oder einer Metallleitung. Die Vorrichtung weist ein Magnet auf, das im Rohr ein Magnetfeld induziert, und ferner zwei Hall-Effekt-Geräte mit Ausgängen, die aneinander angepasst, jedoch invertiert sind, um den Effekt eines magnetisch induzierten Pols des Rohres aufzuheben.
In beiden Fällen sind die Hall-Sensoren so angeordnet, dass sie auf den vom U-förmigen Magneten stammenden Kraftfluss ansprechen.
Die in Anspruch 1 definierte Erfindung ist einsetzbar für das Erkennen eines kleinen magnetischen Objekts unter Bedingungen, in denen der Detektor nahe an den Bereich herangeführt werden kann, in dem sich das magnetische Teilchen vermutlich befindet. Möglich ist eine Anwendung im medizinischen Bereich, wenn Ärzte ein Mittel benötigen, mit dem sie einen magnetischen Fremdkörper in einem Patienten, insbesondere in den Augen, erkennen können, bevor sie den Patienten in das große Magnetfeld eines Diagnose-Scanners einbringen. Der große Feldgradient des Scanners könnte eine Bewegung des magnetischen Objekts und dadurch eine Verletzung verursachen. Die Erfindung ist auch vor und während Operationen zum Erkennen und Bestimmen der Position eines magnetischen Objekts in einem Patienten einsetzbar.
Eine weitere Anwendung der erfindungsgemäßen Struktur besteht im Erkennen von Anomalien im Wirbelstrom-Magnetfeld, die durch einen Riss oder eine andere Unterbrechung eines sich bewegenden ebenen Blatts eines elektrisch leitfähigen Materials verursacht werden.
Ein Paar Hall-Sensoren ist symmetrisch zwischen den Polen eines hufeisenförmigen Magneten angeordnet. Die Hall-Sensoren liegen in einer mit den magnetischen Stirnflächen fluchtenden Ebene und im gleichen Abstand zur Mittellinie des Magneten. Ein vorzugsweise auf der Magnetachse positioniertes kleines magnetisches Objekt im Magnetfeld des Magneten weist ein induziertes Dipolmoment auf, das von den Hall-Sensoren erfasst wird. Aufgrund des Dipolfeldes des kleinen magnetischen Objekts fließt der Kraftfluss in den Hall-Sensoren jeweils in entgegengesetzter Richtung, und durch differentielle Erfassung der Ausgangssignale der Hall-Sensoren wird ein zum magnetischen Objekt proportionales Signal erfasst. Der Streufluss der Magnete sowie der Kraftfluss des Magnetfeldes der Erde fließen an beiden Hall-Sensoren in derselben Richtung, so dass deren Auswirkungen durch die differentielle Erfassung der Ausgangssignale der Hall-Sensoren gegenseitig aufgehoben wird.
Werden die Pole des Magneten über die Oberfläche eines nicht magnetischen Blatts eines leitfähigen Materials gezogen, werden durch das sich bewegende Magnetfeld Wirbelströme in dem Blatt induziert. Wegen der Symmetrie der Magnet-/Sensor-Anordnung erzeugen diese Ströme in einem gleichmäßigen Blatt identische Magnetfelder, so dass die Sensor-Ausgangssignale sich gegenseitig aufheben. Ein Riss oder eine sonstige Anomalie in dem Blatt führt jedoch zu ungleichen Signalen an den beiden Sensoren, so dass man ein zur Anomalie proportionales Ausgangssignal erhält.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
Es zeigen:
1 die Darstellung einer erfindungsgemäßen Vorrichtung zum Erkennen des Vorhandenseins eines magnetischen Objekts;
2 eine Darstellung einer zweiten Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Vorrichtung; und
3 eine Darstellung des Einsatzes der Erfindung zum Erkennen eines Risses in einem ebenen Blatt eines nicht magnetischen Materials.
In 1 weist ein hufeisenförmiger Permanentmagnet 10 in einer Ebene verlaufende Polflächen 12, 14 auf. Der Magnet 10 besteht vorzugsweise aus einem Material hoher Koerzitivfeldstärke, so dass sein Streufluss minimal ist, d. h. im Wesentlichen der gesamte Kraftfluss an den Flächen 12, 14 in den Magneten eintritt und aus ihm austritt. Ein Paar Hall-Sensoren 16, 18 ist in einer zu den Polflächen 12, 14 coplanaren Ebene angeordnet, wobei die Sensoren 16, 18 bezüglich der Magnetpolflächen 12, 14 symmetrisch positioniert sind. Die empfindlichen Achsen der Hall-Sensoren 12, 14 verlaufen parallel zur "z"-Richtung, während entlang zur "z"-Achse orthogonalen Richtungen die Sensoren nicht ansprechen. (Die empfindliche Richtung verläuft in 1 rechtwinklig zur Oberfläche der Hall-Sensoren 16, 18.) Wie bereits erwähnt wurde, wird das Material des Magneten 10 im Hinblick auf minimalen Streufluss ausgewählt, wobei zu erkennen ist, dass die größte Komponente eines eventuellen Rest-Streuflusses entlang einer für die Hall-Sensoren 16, 18 nicht empfindlichen Richtung verläuft.
Auf der "z"-Achse ist ein zu erfassendes kleines magnetisches Objekt 20 dargestellt, das durch das Feld, zum Beispiel 22, 24, des Magneten 10 beeinflusst wird, wodurch ein Dipolfeld im magnetischen Objekt 20 induziert wird. Die Feldlinien 26, 28, 30 stellen typische Feldlinien des induzierten Dipolfeldes dar. Dabei ist zu beachten, dass die Feldlinie 30 beim Eintritt in den Hall-Sensor 18 in der Minus-"z"-Richtung und beim Eintritt in den Hall-Sensor 16 in der Plus-"z"-Richtung verläuft. Die Ausgangssignale der Hall-Sensoren werden differentiell erfasst, so dass sich die vorausgehenden Feldsignale aufaddieren, was auf das Vorhandensein des magnetischen Objekts 20 hinweist, während von externen Magnetfeldern, zum Beispiel dem Magnetfeld der Erde, stammende Signale, die in denselben Richtungen in die Sensoren eintreten, und thermische Effekte in den Sensoren gegenseitig aufgehoben werden.
In 2 ist in einer zweiten Ausführungsform der Erfindung ein Magnet 10', der durch ein größeres Randfeld als der Magnet 10 gemäß 1 gekennzeichnet ist, mit Hall-Sensoren 16', 18' ausgestattet. (In den Zeichnungen sind unterschiedliche, aber entsprechende Elemente mit denselben, jedoch mit Indizes versehenen Bezugsziffern gekennzeichnet.) Hier überbrücken gewölbte Feldlinien 32, 34, 36 das U des Magneten, und die Hall-Sensoren sind nicht mit den Stirnflächen des Magneten fluchtend angeordnet, sondern die Elemente 16', 18' sind so geneigt, dass die Randfeldlinie, z. B. die Linie 34, parallel zu den Oberflächen der Hall-Sensoren verläuft und die Oberflächen mit den Magnetstirnflächen nicht fluchten. Auf diese Weise weist der Randfluss keine Komponente entlang den empfindlichen Achsen der Hall-Sensoren 16', 18' auf, und in diesem Fall kann die Erfindung mit einem weniger teuren Magneten, der ein deutliches Randfeld aufweist, ausgeführt werden.
In der Darstellung der 3 stehen ein Magnet 10'' und mit den Polflächen des Magneten 10'' fluchtend angeordnete Sensoren 16'', 18'' mit einem ebenen, leitfähigen, nicht magnetischen Blatt 40 in Berührung. Durch Bewegung des Magneten 10'' über die Oberfläche des Blatts 40, zum Beispiel in Richtung des Pfeils 42, werden durch den sich ändernden Kraftfluss im Blatt 40 Wirbelströme mit sich daraus ergebenden Magnetfeldern erzeugt. Bei einem homogenen Blatt ergeben sich an den Hall-Sensoren 16'', 18'' identische Felder, und die differentiell erfassenden Hall-Effekt-Sensoren 16'', 18'' geben kein erkennbares Ausgangssignal ab. Ein Riss 44 führt jedoch zu einer Störung der durch den Wirbelstrom erzeugten Felder, so dass das Feld an einem Hall-Sensor 16'' von jenem am anderen Hall-Sensor 18'' abweicht. So kann das Vorhandensein des Risses 44 oder einer anderen Anomalie erkannt werden.
Die Erfindung wurde vorstehend im einzelnen unter besonderer Bezugnahme auf besondere Ausführungsformen beschrieben; es versteht sich jedoch, dass Abänderungen und Modifikationen möglich sind, ohne den Rahmen der Erfindung zu verlassen.

Claims

Magnetischer Detektor zum Erkennen des Vorhandenseins eines magnetischen Objekts (20), mit: a) einem hufeisenförmigen Magneten (10) zum Erzeugen eines magnetischen Feldes; und b) einem ersten und zweiten Erkennungselement (16, 18), wobei das erste Erkennungselement (16) ein erster Hall-Sensor mit einer ersten empfindlichen Achse und das zweite Erkennungselement (18) ein zweiter Hall-Sensor mit einer zweiten empfindlichen Achse ist, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hall-Sensor (16) dem hufeisenförmigen Magneten (10) benachbart angeordnet ist, wobei sich die erste empfindliche Achse orthogonal zur Flusslinie (34) des Magneten erstreckt, und dass der zweite Hall-Sensor (18) dem hufeisenförmigen Magneten (10) benachbart angeordnet ist, wobei sich die zweite empfindliche Achse orthogonal zur Flusslinie (34) des Magneten erstreckt, wodurch der erste und der zweite Hall-Sensor auf den Kraftfluss des hufeisenförmigen Magneten nicht reagieren.