DE942663C - Einrichtung zum Erfassen mechanischer Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen, von Fahrzeugen, Aufzuegen und anderen bewegten Koerpern - Google Patents

Einrichtung zum Erfassen mechanischer Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen, von Fahrzeugen, Aufzuegen und anderen bewegten Koerpern

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DE942663C
DE942663C DES39136A DES0039136A DE942663C DE 942663 C DE942663 C DE 942663C DE S39136 A DES39136 A DE S39136A DE S0039136 A DES0039136 A DE S0039136A DE 942663 C DE942663 C DE 942663C
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Germany
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semiconductor body
magnetic field
semiconductor
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electrical
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DES39136A
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English (en)
Inventor
Dipl-Phys Wolfgang Skorupa
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Siemens AG
Original Assignee
Siemens AG
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Publication date
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    • GPHYSICS
    • G01MEASURING; TESTING
    • G01PMEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/105Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by magnetically sensitive devices

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  • Physics & Mathematics (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • Hall/Mr Elements (AREA)

Description

  • Einrichtung zum Erfassen mechanischer Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen, von Fahrzeugen, Aufzügen und anderen bewegten Körpern Zum Messen von Beschleunigungen und mechanischen Schwingungen bewegter Körper ist es bekannt, eine mit dem Körper nachgiebig gekuppelte träge Masse zu verwenden und deren Relativbewegung auszunutzen, um einen elektrischen Stromkreis zu beeinflussen, so daß ein in diesem liegendes Meßgerät einen der Beschleunigung bzw. der Schwingung entsprechenden Meßwert anzeigt. Wird eine Beeinflussung des elektrischen Stromkreises durch einen mechanisch verstellten Widerstand, z. B. ein Potentiometer, verwendet, dessen Abgriff mit der genannten trägen Masse verbunden ist, so liegen dabei die den verstellbaren Kontaktwiderständen u. dgl. anhaftenden Nachteile vor, wie z. B. unsichere Kontaktgabe durch verschmutzte Widerstandsschleifbahnen usw. DieseNachteile sind bei Einrichtungen vermieden, die nach dem elektrodynamischen oder dem elektromagnetischen Prinzip mit Hilfe einer Magnetfeldanordnung arbeiten.
  • Beim elektrodynamischen Prinzip ist im Luftspalt der Magnetfeldanordnung ein elektrischer Leiter, zumeist in Form einer Spule, beweglich angeordnet. In diesem Fall entsteht in dem Leiter bzw. der Spule durch die Lageveränderung in bezug auf den Luftspalt eine Induktionsspannung, die den gewünschten Meßwert darstellt. Im anderen Fall wird die Induktion einer Magnetfeldanordnung durch einen dazu relativ beweglichen magnetischen Nebenschluß od. dgl. verändert, z. B. durch einen Tauchkern, und der elek- trische Meßwert wird an einer auf dem Magneten fest angebrachten Spulenwicklung abgenommen.
  • Die elektrodynamischen sowie die - elektromagnetischen Meßgeräte weisen jedoch den Nachteil auf, daß der von ihnen erzeugte elektrische-Meßwert nicht unabhängig von der jeweiligen Relativgeschwindigkeit des bewegten Körpers zur trägen Masse ist Durch die Erfindung wird dagegen eine Einrichtung zum Erfassen mechanischer Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen von Fahrzeugen, Aufzügen und anderen bewegten Körpern unter Anwendung einer mit dem bewegten Körper gekuppelten Magnetfeldanordnung geschaffen, bei der weder der Nachteil des geschwindigkeitsabhängigen Meßwertes noch der obenerwähnte Nachteil der mit Kontakten oder Schleifbahnen arbeitenden Widerstandseinrichtungen vorliegt. Die Erfindung besteht im wesentlichen darin, bei einer Einrichtung der vorgenannten Art magnet feldabhängige Halbleiter zu verwenden, die dem Einfluß der Magnetfeldanordnung ausgesetzt werden.
  • Zur Erzeugung des elektrischen Meßwertes wird ein durch die Relativbewegung zwischen Magnetfeldanordnung und Halbleiterkörper auftretender magnet feldabhängiger Effekt ausgenutzt. Dieser Effekt kann der Halleffekt sein, wobei an zwei Hilfselektroden des Halbleiterkörpers die sogenannte Hallspannung abgenommen wird. Es kann aber auch die durch die magnetische Beeinflussung des Halbleiterkörpers auftretende elektrische Leitwertänderung verwendet werden.
  • Widerstandskörper mit magnetfeldabhängiger Leitfähigkeit sind an sich bekannt. Am bekanntesten ist das Metall Wismut. Da jedoch dessen verhältnismäßig geringe magnetfeldabhängige Leitwertänderung kaum für die Zwecke der vorliegenden Erfindung in Betracht kommt, zumindest es dabei vielmehr eines verhältnismäßig großen Aufwandes an Verstärkungsmitteln bedarf, werden für die Zwecke der Erfindung Widerstandskörper aus Halbleitern mit einer Träger- -beweglichkeit von mindestens etwa 6000 cmVolt sec, insbesondere mindestens etwa I0000 cm2/Volt-sec, .bevorzugt. Zu diesen Stoffen gehören vor allem Widerstandskörper aus halbleitenden Verbindungen, insbesondere von der Form AmBv, -d. h. aus Verbindungen eines Elementes der III. Gruppe mit einem Element der V. Gruppe des Periodischen Systems der Elemente, und zwar Verbindungen aus Stoffen der Untergruppen b dieser beiden Hauptgruppen, wie Aluminium, Gallium, Indium einerseits und Phosphor, Arsen und Antimon andererseits. Diese Stoffe haben infolge ihrer verhältnismäßig großen Trägerbeweglichkeit die Eigenschaft, ihren Leitwert bzw. Widerstand durch Anlegen einer magnetischen Feldstärke innerhalb besonders weiter Grenzen zu verändern. Bei Indium-Antimonid beispielsweise wurden bereits Trägerbeweglichkeiten von 60000 cm2/Volt sec erreicht.
  • Besonders geeignet ist außerdem Indiumarsenid, das sich durch eine im normalen Temperaturbereich besonders geringe Abhängigkeit des Temperaturkoeffizienten des elektrischen Widerstandes auszeichnet.
  • Für die Zwecke der Erfindung werden außerdem Halbleiterkörper mit sogenannter magnetischer Sperrschicht bevorzugt, als welche z. B. eigenleitendes Germanium mit besonderer Oberflächenbehandlung in Betracht kommt. Durch Anlegen eines Magnetfeldes bestimmter Richtung und ausreichender Stärke kann der elektrische Widerstand in einer Stromdurchlaßrichtung auf einen sehr hohen Wert gesteigert werden.
  • Zur näheren Erläuterung der Einrichtung nach der Erfindung sind in der Zeichnung'einige mögliche Ausführungsbeispide schematisch dargestellt.
  • In Fig. I ist eine Einrichtung zum Erfassen von Schwingungen oder Beschleunigungen in senkrechter Richtung oder mit einer im wesentlichen senkrechten Komponente dargestellt. Eine Magnetfeldanordnung besteht aus einem ringförmig geschlossenem Dauermagneten I, zwischen dessen PolschuhenN, S ein Halbleiterkörper 2 angebracht ist. Dieser ist mit einem Fundament 3 starr befestigt. Der Dauermagnet I ist dagegen durch Federn 4 und 5 auf dem Fundament 3 beweglich gelagert und dient zugleich als träge Masse.
  • Der Halbleiterkörper 2 ist beispielsweise in einer Brückenschaltung 6 angeordnet, die außerdem drei weitere Widerstandskörper 7 bis 9 enthält. Zur Speisung der Brücke dient eine Batterie I0, an deren Stelle jedoch auch eine beliebige andere Stromquelle, insbesondere ein Netzanschlußgerät für Gleich- oder Wechselstromabgabe, verwendet werden kann. Der Galvanometerzweig der Brücke wird durch ein Meßinstrument II gebildet, dem gegebenenfalls ein Verstärker 12 vorgeschaltet sein kann. Wird die Brückenschaltung so - abgeglichen, daß in der gezeichneten Ruhelage des Dauermagneten keine Spannung an den Galvanometereckpunkten der Brückenschaltung liegt, so kann an dem Meßinstrument II, falls dieses ein Nullinstrument ist, bei einer Bewegung des Dauermagneten I zugleich die Richtung der Bewegung am Ausschlag des Meßinstrumentes abgelesen werden.
  • Als Verstärker 12 ist in diesem Fall ein richtungsabhängiger Verstärker erforderlich. Derartige Verstärker sind bekannt. Geeignet ist z. B. ein Magnetverstärker in Gegentaktschaltnhg.
  • Zur Erläuterung der Wirkungsweise der vorbeschriebenen Einrichtung sei angenommen, daß sich diese in einem Aufzug, z. B. dem Förderkorb einer Schachtanlage, befindet. Beim Anfahren oder Abbremsen des Förderkorbes, d. h. bei Beschleunigungen oder Verzögerungen, bewegt sich der Dauermagnet I infolge der auftretenden Kräfte je nach dem vor-- liegenden Fall nach oben oder unten, wie dies durch den Pfeil 13 angedeutet ist. Bewegt sich der Dauermagnet beispielsweise nach oben, so wird infolge der inhomogenen Ausbildung des Magnetfeldes der in dessen Luftspalt befindliche magnetfeldabhängige Halbleiterkörper 2 weniger induziert. Sein Widerstand nimmt infolgedessen ab. Dadurch verstemmt sich die Brücke im entsprechenden Sinn, und es ergibt sich ein bestimmter Ausschlag im Meßinstrument 11. Dieser stellt den gesuchten Meßwert für die Beschleunigung dar. Bewegt sich daher der Dauermagnet nach unten, so wird der Halbleiterkörper 2 einem stärkeren Magnetfluß ausgesetzt, da er jetzt in eine engere Stelle des Luftspaltes zwischen den Polen N und S zu liegen kommt. Der Widerstand wird größer, und die Brücke 6 verstimmt sich in ent- gegengesetzter Richtung. Es ergibt sich im Meßinstrument II ein Ausschlag in umgekehrter Richtung, und die Größe des Ausschlages stellt wiederum einen Meßwert der vorliegenden Beschleunigung dar. Um bei Beschleunigungsmessungen Schwingungen des Dauermagneten I zu vermeiden, kann dieser durch. geeignete, an sich beliebige Mittel gedämpft werden, beispielsweise mit Hilfe einer im wesentlichen aus einem Kolben und einem Zylinder bestehenden Luftbremse. Die Bemessung der Bremse muß den vorliegenden Verhältnissen angepaßt sein, so daß ausreichend genaue Meßwerte zustande kommen. An Stelle des Meßinstrumentes II kann auch ein schreibendes oder aufzeichnendes Meßinstrument verwendet werden. Im letzten Fall ergibt sich eine Meßkurve, die den Verlauf der Beschleunigung in Abhängigkeit von der Zeit darstellt.
  • Soll die Einrichtung nach Fig. I zur Schwingungsmessung verwendet werden, so wird als Meßinstrument ein Frequenzmesser verwendet, beispielsweise ein Zungenfrequenzmesser oder ein schreibendes Meßinstrument, das die Schwingungen in Abhängigkeit von der Zeit aufzeichnet.
  • In Fig. 2 ist eine ähnliche Einrichtung wie in Fig. I dargestellt, jedoch wird an Stelle der dort vorliegenden Ausnutzung der Widerstandsänderung der Halleffekt eines Halbleiterkörpers ausgenutzt. Dieser ist wieder mit 2 bezeichnet. Die mechanische Anordnung ist im übrigen die gleiche wie bei der Einrichtung nach Fig. I, und Einzelteile mit den gleichen Bezugszeichen entsprechen einander. Als Magnetfeldanordnung ist hier jedoch beispielsweise ein Elektromagnet mit einem Kern 21 und einer Erregerwicklung 22 vorgesehen, die mit einer bei 24 und 25 anzuschließenden, nicht näher dargestellten Stromquelle yerbunden werden kann. Der Halbleiterkörper 2 hat außer zwei Stromelddroden, die über einen einstellbaren Wider stand 23 an eine Stromquelle 10 angeschlossen sind, zwei zu einem Meßinstrument II führende Hallelektroden 26 und 27. Die Batterie 10 kann gegebenenfalls gleichzeitig die Stromquelle sein, von der auch die Erregerwicklung 22 gespeist wird.
  • Im Ruhezustand des Magneten 2I ergibt sich im Meßinstrument II ein Ausschlag bestimmter Größe.
  • Dieser wird vorteilhaft mit der Skalenmarke Null versehen. Er kann im Bedarfsfall mit Hilfe des Widerstandes 23 jeweils wieder genau eingestellt werden, wenn sich später einmal eine Abweichung ergeben sollte, beispielsweise bei Änderung der die Spule 22 speisenden Spannung. Es wird bevorzugt, den Betriebsstrom für den Halbleiterkörper 2 zu stabilisieren, falls als Stromquelle an Stelle der Batterie 10 ein Netzanschluß verwendet wird. Weist dann einmal die Spannung an den Klemmen 24 und 25 eine Abweichung auf, so kann diese so lange durch Verstellen des Widerstandes 23 ausgeglichen werden, so daß das Meßinstrument II im Ruhezustand genau wieder auf der Nullmarke steht. In diesem Fall ist dann trotz des Abweichens der Spannung an den Klemmen 24 und 25 Gewähr für eine einwandfreie Messung gegeben. Dies erklärt sich durch die beim Halleffekt vorliegende Produktbildung gemäß der die Hallspannung Uv proportional dem Produkt aus Betriebsstrom mal der Induktion des Halbleiterkörpers ist.
  • An Stelle des Meßinstrumentes II können, wie im Falle der Fig. I beschrieben, ebenfalls andere Anzeige-oder Registrierinstrumente verwendet werden, gegebenenfalls auch in Verbindung mit einem Verstärker.
  • Fig. 3 zeigt eine Schaltungsvariante zu Fig. I in bezug auf die Ausführung des elektrischen Teils. Die Meßwertentnahme erfolgt hier ebenfalls auf Grund der magnetfeldabhängigen Leitfähigkeit eines Halbleiterkörpers 2. An Stelle der Brückenschaltung in Fig. I ist hier ein mit dem Halbleiterkörper in Reihe geschalteter Stromtransformator 3I vorgesehen. Als elektrische Stromquelle dient eine Wechselstromquelle 32. Die Sekundärwicklung 33 speist eine Ventilanordnung 34. Es schließt sich ein Verstärker 12 und ein Meßgerät II an. Die Ventilanordnung 34 und/oder der Verstärker 12 können gegebenenfalls entfallen.
  • Der besondere Vorteil dieser Schaltung besteht darin, daß sie eine wesentlich höhere Leistungsentuahme ermöglicht.
  • Die Einrichtung nach der Erfindung eignet sich vor allem zum Erfassen kleiner, vor allem länger anhaltender Beschleunigungen oder Verzögerungen sowie zum Erfassen von Schwingungen niedriger Frequenz.
  • Sie kann außer in Aufzügen auch in horizontal bewegten Einrichtungen, z. B. Schienenfahrzeugen u. dgl., verwendet werden.
  • Ihre Anwendung ist jedoch hierauf nicht beschränkt.
  • Des weiteren ist die Erfindung nicht an die in der Zeichnung dargestellte mechanische Ausführung und Anordnung gebunden. Diese ist vielmehr nur als Anhalt zu werten. Wesentlich ist, daß zum Erfassen der mechanischen Schwingungen bzw. Beschleunigungen eine Magnetfeldanordnung in Verbindung mit einem relativ dazu bewegten Halbleiterkörper, insbesondere aus einem der obengenannten Stoffe, verwendet ist.

Claims (10)

  1. PATENTANSPRUCHE I. Einrichtung zum Erfassen mechanischer Schwingungen, insbesondere Beschleunigungen, von Fahrzeugen, Aufzügen und anderen bewegten Körpern, unter Anwendung einer mit dem bewegten Körper nachgiebig gekuppelten Magnetfeldanordnung, in deren Feld ein gegebenenfalls über einen Verstärker an ein Meß- bzw. Registriergerät angeschlossener elektrischer Leiter relativ beweglich angeordnet ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter aus einem von einer elektrischen Stromquelle gespeisten Halbleiterkörper besteht, an dem ein durch die Bewegung auftretender magnetfeldabhängiger Effekt für Anzeige, Messung oder Registrierung ausgenutzt ist.
  2. 2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an dem Widerstandskörper auftretende Effekt der Halleffekt ist, der als Hallspannung an zwei Hilfselektroden des Halbleiterkörpers abgenommen ist.
  3. 3. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der an dem Halbleiterkörper ausgenutzte Effekt die elektrische Leitwertänderung ist.
  4. 4. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Magnetfeld derart inhomogen und der Halbleiterkörper darin derart angebracht ist, daß abhängig von dessen Bewegungsrichtung und Bewegungsbetrag ein eindeutiger Meßwert vorliegt.
  5. 5. Einrichtung nach Anspruch 3 oder4, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper mit drei weiteren außerhalb der Magnetfeldanordnung angebrachten Widerstandskörpern in einer in der Ruhelage der Magnetfeldanordnung abgeglichenen Brückenschaltung angeordnet ist, an deren5einer Diagonale eine Stromquelle und an deren anderer Diagonale ein Nullinstrument angeschlossen- ist.
  6. 6. Einrichtung nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Stromquelle eine Wechselstromquelle ist und der Halbleiterkörper mit einem Stromtransformator in Reihe geschaltet ist, der sekundärseitig gegebenenfalls über eine Gleichrichteranordnung und/oder einen Verstärker an das Meß- bzw. Registriergerät angeschlossen ist.
  7. 7. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,daß der Halbleiterkörper eine Trägerbeweglichkeit- von mindestens etwa 6000 cm2/Volt sec, vorzugsweise mindestens etwa I0000 cm2/Volt sec hat.
  8. 8. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einer halbleitenden Verbindung, insbesondere von der Form AmBv, z. B. aus Indiumantimonid oder Indiumarsenid, besteht.
  9. 9. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 oder 3 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper aus einem Halbleiter, insbesondere einem Eigenhalbleiter, mit magnetisches Sperrschicht besteht.
  10. 10. Einrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, insbesondere zur Beschleunigungsmessung, dadurch gekennzeichnet, daß der Halbleiterkörper ortsfest angebracht ist, während die Magnetfeldanordnung beweglich gelagert und zugleich als träge Masse verwendet ist.
    II. Einrichtung nach Anspruch 2 oder einem darauf bezogenen Anspruch, dadurch gekennzeichnet, daß die den Betriebsstrom des Halbleiterkörpers liefernde Stromquelle stabilisiert ist und im Betriebsstromkreis ein einstellbarer Widerstand zur Nullpunkteinstellung des Meßinstrumentes eingeschaltet ist.
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Cited By (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE1147787B (de) * 1960-10-22 1963-04-25 Christof Rohrbach Dr Ing Anordnung zur Geschwindigkeitsmessung mittels Wirbelstroemen
DE1285774B (de) * 1965-11-20 1968-12-19 Boelkow Gmbh Beschleunigungsmesser
EP0006636A1 (de) * 1978-07-05 1980-01-09 DEUTSCHE FORSCHUNGSANSTALT FÜR LUFT- UND RAUMFAHRT e.V. Vorrichtung zum Messen von Beschleunigungen an schwingenden Körpern
WO1993021033A1 (en) * 1992-04-22 1993-10-28 Peters, Johannes, Petrus Automatic crash alarm for automotive vehicles

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