FI124691B

FI124691B - Optical sensor for magnetic fields

Info

Publication number: FI124691B
Application number: FI20130146A
Authority: FI
Inventors: Mertsi Haapalainen; Salvatore Digirolamo; Alexei A Kamshilin
Original assignee: Oplatek Group Oy
Priority date: 2013-05-27
Filing date: 2013-05-27
Publication date: 2014-12-15
Also published as: FI20130146A

Description

Optinen magneettikenttäanturiOptical magnetic field sensor

Keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen 1 johdannon mukainen optinen muuttuvien magneettikenttien anturi, jota voidaan soveltaa myös 5 virran mittaamiseen.The invention relates to an optical variable magnetic field sensor according to the preamble of claim 1, which can also be applied for measuring 5 currents.

Nykyisin muuttuvia magneettikenttiä mitataan useilla erityyppisillä mekaanisilla ja elektronisilla antureilla. Suurin osa näistä antureista on kytketty elektronisiin piireihin ja niiden käyttö edellyttää jännite- tai virtalähteen. Tämä aiheuttaa jatkuvan virran kulutuksen, ίο Magneettikenttien mittausta voidaan hyödyntää myös virran mittaamisessa johteesta, koska johteessa kulkeva virta luo ympärilleen magneettikentän joka on suoraan virtaan verrannollinen. Virran mittauksissa käytetään yleensä Hall-antureita tai muuntajia. Mitattaessa muuntajilla virtoja, tarvitaan suuri määrä materiaaleja pyörrevirtojen sekä is muiden häviöiden vähentämiseksi. Lisäksi korkeavirran ollessa kyseessä mittaaminen on vaarallista. Eräs piirre nykyisille elektronisille antureille on jatkuva virran kulutus, joka joissain tapauksissa muodostaa ympäristöön häiritseviä sähkö- ja magneettikenttiä. Nämä kentät puolestaan saattavat 0 aiheuttaa vääristymiä mittauksiin mm. lämmittämällä mitattavaa kohdettaToday, changing magnetic fields are measured by several types of mechanical and electronic sensors. Most of these sensors are connected to electronic circuits and require a voltage or power supply to operate. This causes constant current consumption, ίο Magnetic field measurement can also be used to measure current from a conductor, since current in the conductor creates a magnetic field around it that is directly proportional to the current. Current measurements are usually made using Hall sensors or transformers. When measuring currents at transformers, a large amount of material is required to reduce eddy currents and other losses. In addition, in the case of high current, measuring is dangerous. One feature of current electronic sensors is the continuous power consumption, which in some cases generates interfering electric and magnetic fields. These fields, in turn, may cause 0 to cause distortions in measurements, e.g. by heating the object to be measured

CNJCNJ

g 20 tai muuttamalla mitattavan kohteen muita ominaisuuksia. Mittalaitteiden ^ aiheuttamat sähkö- ja magneettikentät aiheuttavat myös häiriöitä toisiing 20 or by changing other properties of the item being measured. Electric and magnetic fields caused by measuring instruments also cause interference to others

XX

“ mittalaitteisiin. Lisäksi, antureista lähtevät johteet muuttavat“Measuring instruments. In addition, the guides from the sensors are changing

CDCD

^ ominaisuuksiaan lämpötilan funktiona ja nämä muutokset on otettava^ their properties as a function of temperature and these changes must be taken

OO

COC/O

o huomioon virhetarkasteluissa.o take into account error considerations.

C\JC \ J

25 Keksinnön tarkoituksena on poistaa edellä mainitut epäkohdat ja esittää ratkaisu, jolla mitattavaa kohdetta häiritään mahdollisimman vähän. Lisäksi 2 keksinnön mukaiseen magneettikenttäanturiin ei tarvitse liittää virta- tai jännitelähdettä, jolloin vähennetään energian kulutusta. Keksinnön mukainen magneettikenttäanturi tuottaa joko optisen signaalin tai sähkömagneettisen signaalin, joka voidaan mitata helposti optisen 5 valodiodin ja mittalaitteen avulla. Tarvittaessa keksinnön mukaisen magneettikenttää nturin tuottama optinen signaali voidaan johtaa mittauspiirille analysoitavaksi myös valokuidun avulla. Näin ollen lähtevään signaaliin ei vaikuta ulkoiset sähkö- ja magneettikentät eikä myöskään lämpötilan vaihtelut. Tämä lisää huomattavasti myös turvallisuutta 10 mitattaessa suuria virtoja, koska galvaaninen yhteys mitattavaan johteeseen ei ole tarpeellinen. Lisäksi optinen kuitu toimii myös eristeenä, joten signaalin siirto voidaan tuoda turvallisen matkan päähän vaarallisista korkeista magneetti-ja sähkökentistä.The object of the invention is to eliminate the aforesaid drawbacks and to provide a solution which disturbs the object to be measured as little as possible. Furthermore, the magnetic field sensor of the invention does not need to be connected to a current or voltage source, thereby reducing energy consumption. The magnetic field sensor of the invention produces either an optical signal or an electromagnetic signal which can be easily measured by means of an optical photodiode and a measuring device. If necessary, the optical signal produced by the magnetic field sensor of the invention can also be applied to the measuring circuit for analysis by means of optical fiber. Therefore, the outgoing signal is not affected by external electric and magnetic fields, nor by temperature variations. This also greatly increases safety 10 when measuring high currents, since galvanic connection to the conductor to be measured is not necessary. In addition, optical fiber also acts as a dielectric, allowing signal transmission to be brought a safe distance away from dangerous high magnetic and electric fields.

Keksinnön mukaisella anturilla mitataan magneettikenttiä optisesti. 15 Optinen signaali saadaan aikaan siten, että pietsoelementtiin aiheutuu muodonmuutos eli tyypillisesti taipuma, vääntymä tai puristuma. Pietsomateriaalit ovat tunnettu siitä, että ne muuttavat ulkoisen voiman jännitteeksi, joka puolestaan saa aikaan riittävän jännitteen sekä virran ? esimerkiksi valodiodin eli LED:in syttymiseen. Valodiodin signaali voidaanThe sensor according to the invention measures the magnetic fields optically. The optical signal is obtained by deformation, typically deflection, distortion or compression, of the piezo element. Piezo materials are known for converting an external force into a voltage that in turn provides sufficient voltage and current? for example, a light-emitting diode or LED. The LED signal can be

CMCM

cd 20 johtaa optiseen kuituun, joten mitattavan kohteen läheisyyteen ei tarvitse o £ tuoda metallisia johteita, jotka usein toimivat antennien tavoin häiriten | mittausta. Optisen kuidun avulla signaali voidaan siirtää ilman signaaliin ^ tulevia häiriöitä ulkoisista magneetti- tai sähkökentistä. Erityisenä etuna δ $2 keksinnölle on se, ettei anturi tarvitse valmiusvirtaa tai - jännitettä, vaan othe cd 20 leads to the optical fiber, so there is no need to bring metallic wires near the object to be measured, which often act like antennas | measurement. With the help of optical fiber, the signal can be transmitted without interference from the external magnetic or electric fields. A particular advantage of the δ $ 2 invention is that the sensor does not need standby current or voltage but

CMCM

25 pietsoelementin tuottama energia riittää optisen signaalin tuottamiseen. Seuraavassa kuvataan keksintöä lähemmin viittaamalla oheiseen piirustukseen, joka esittää yhtä keksinnön mukaista voimasensoria.The energy produced by the 25 piezoelements is sufficient to produce an optical signal. The invention will now be described in more detail with reference to the accompanying drawing, which shows a power sensor according to the invention.

33

Pietsolevy 1, johon ulkoinen magneettikenttä 2 on aiheuttamassa dynaamisen muodonmuutoksen eli taipumisen. Pietsolevyyn 1 on asetettu kestomagneetti 3, joka pyrkii muuttamaan asentoaan ulkoisen magneettikentän 2 suuntaiseksi. Pietsolevyn pinnalla olevat elektrodit 4 on 5 liitetty johteiden 5 avulla valodiodiin 6. Valodiodin tuottamat signaalit 7 ovat kohdistettu optiselle anturille 8. Optinen anturi 8 on liitetty johteilla 9 mittausyksikköön 10, jossa tulokset lasketaan ja esitetään.The piezo-plate 1 into which the external magnetic field 2 is causing a dynamic deformation, i.e. deflection. A permanent magnet 3 is disposed on the piezo plate 1, which tends to change its position in the direction of the external magnetic field 2. The electrodes 4 on the surface of the piezo-plate 5 are connected by means of wires 5 to the light-emitting diode 6. The signals 7 produced by the light-emitting diode 7 are applied to the optical sensor 8. The optical sensor 8 is connected by wires 9 to the measuring unit 10.

Esimerkkitapauksessa esitetty keksintöä voidaan soveltaa myös käyttämällä useampia pietsolevyjä tai vastaavia pietsoelementtejä. Myös ίο pietsoelementtiin voidaan liittää lisämagneetteja tai keloja, jotka vahvistavat ulkoisen magneettikentän voiman aiheuttamaa ärsykettä. Tarvittaessa pietsolevyn vapaaseen päähän voidaan myös asentaa lisämassa, joka voimistaa muodonmuutosta tai vähentää pienten tärinöiden vaikutusta pietsolevyn tuottamaan signaaliin. Lisäksi voidaan 15 asentaa ulkoisia voimia vastustavia jousia tai esimerkiksi kumityynyjä rajoittamaan pietsolevyn tai -elementin liikettä.The invention illustrated in the exemplary case may also be applied using more piezo plates or equivalent piezo elements. Additional magnets or coils can also be attached to the ίο piezo element to amplify the stimulus induced by the force of the external magnetic field. If necessary, an additional mass may be mounted at the free end of the piezo-plate to enhance deformation or reduce the effect of small vibrations on the signal produced by the piezo-plate. In addition, springs or, for example, rubber pads for resisting external forces may be mounted to limit the movement of the piezo-plate or element.

Keksinnön mukaista anturia on myös mahdollista soveltaa siten, että pietsoelementit ovat sarjassa tai rinnakkain, jolloin saatava jännite ja virta o saadaan halutulle tasolle. On myös mahdollista soveltaa keksinnön 0 20 mukaista anturia siten, että siihen liitetään kondensaattoreita, vastuksia ja i * 1^ keloja, joilla optinen signaali voidaan muuttaa, suodattaa tai muotoillaIt is also possible to apply the sensor according to the invention so that the piezo elements are in series or in parallel, whereby the resulting voltage and current o are achieved at the desired level. It is also possible to apply the sensor according to the invention 0 20 by connecting capacitors, resistors and coils by which the optical signal can be changed, filtered or shaped.

CCCC

haluamallaan tavalla. Tällöin on mahdollista tuottaa anturilla myös optinenthe way they want. In this case, it is also possible to produce an optical sensor

CDCD

^ kantoaalto, joka on tietyissä ratkaisuissa hyödyllistä. Myös useiden ledien^ A carrier that is useful in certain solutions. There are also several leds

COC/O

o tai vastaavien lähettimien käyttö on mahdollista, jolloin lähetettävää 25 signaalia voidaan joko suunnata tai signaalin aallonpituutta voidaan muuttaa halutulla tavalla. Tällöin on mahdollista erottaa helposti pietsolevyn taipuminen eri suuntiin, koska sen tuottaman virran suunta 4 muuttuu myös taipumissuunnan mukaisesti. Koska anturilla voidaan tuottaa myös silmin havaittava optinen signaali, niin anturia voidaan käyttää myös ilman elektronista signaalin jatkokäsittelyä. Tällöin optisen signaalin avulla nähdään lähinnä se, että onko magneettikenttä tai virta 5 päällä/käytössä jossain laitteessa tai johteessa.or the use of corresponding transmitters is possible, whereby the signal to be transmitted may be either directional or the wavelength of the signal may be changed as desired. Here, it is possible to easily distinguish the bending of the piezo-plate in different directions, since the direction of the current 4 it produces also changes in the direction of bending. Because the sensor can also produce an optical signal perceptible to the eye, the sensor can also be used without further electronic signal processing. In this case, the optical signal essentially shows that the magnetic field or current 5 is on / off in a device or conductor.

10 15 510 15 5

CNJCNJ

CDCD

OO

l 1^ x ccl 1 ^ x cc

CLCL

CDCD

δδ

CDCD

δδ

CVJCVJ

2020

Claims

1. Magnetic fait sensor comprehensive - a voltage and current element ie. a piezo plate or a piezo element (1) capable of generating a voltage between electrodes (4) due to a force caused by an extreme magnetic field (2) - a magnet (3) coupled to the piezo plate or piezo element (1) a source (6) generating optical or electromagnetic strain has been connected to the piezo plate or piezo element (1).

Optical sensor according to claim 1, characterized in that the signal from the source (6) generating optical strain has been collected into an optical sensor (8).