NO173904B - Innretning for registrering av styrke og retning av et magnetfelt, saerlig jordmagnetfeltet - Google Patents

Description

Oppfinnelsen angår en innretning for registrering av styrke og retning av et magnetfelt i overensstemmelse med inn-ledningen til patentkrav 1, og videre en anvendelse av denne innretning.

En innretning av den nevnte type er eksempelvis kjent fra sidene 8 - 10 i brosjyren "Anwendungen der Magnetfeldsensoren KMZ 10", Technische Information Philips-VALVO 861105

(1986), 17 sider. Ifølge denne brosjyre kan det med to i en spole i rett vinkel på hverandre anordnede • følere fremstilles et kompass, hvorved begge følere kan omkoples med en spole.

Når nemlig en magnetoresistiv føler benyttes for registrering av styrke og retning av et magnetfelt, er det nødvendig å definere en fortrinns- eller preferanseretning på føleren ved hjelp av et på denne innvirkende, magnetisk hjelpefelt. Hjelpefeltet tjener til å hindre den urelmessige omkas-ting av de Weissiske områder (Weiss'schen Bezirke) under inn-virkningen av variable magnetfelter, eller det bevirker i det minste gjenopprettelse av en definert magnetiseringstilstand for føleren etter hendøing av en på denne innvirkende, sterk, magnetisk forstyrrelse.

Fra den anførte brosjyre er det kjent å frembringe

det magnetiske hjelpefelt ved hjelp av en spole som gjennomflytes av en strøm. Videre er det kjent, når et svakt felt, såsom eksempelvis jordmagnetfeltet, skal registreres, å benytte en spole som gjennomflytes av en taktstyrt strøm, idet hjelpefeltet utkoples ved tidspunktet for registrering, for å unngå

at spolens følsomhet blir redusert på grunn av hjelpefeltet. Videre er det kjent, ved systematisk ommagnetisering av føleren, å unngå virkningen av den sterkt temperaturavhengige og fra det ene til det andre eksemplar av føleren fremstillingsbetinget variable nullverdiforskyvning ("DC offset").

En fullstendig registrering av styrken og retningen

av jordmagnetfeltet i et nøyaktig, elektronisk kompass krever imidlertid tre følere med i forhold til hverandre ikke kopla-nare måleretninger (for bestemmelse av horisontalplanet kreves dessuten hellings- eller tyngdekraftfølere). Med hensyn til dette problem gir den anførte brosjyre følgende henvisning: "For målinger også i den tredje retning (loddrett på XY-planet)

må det riktignok benyttes en andre spole. Det har nemlig vist seg at anordninger med bare én spole for tre retninger (og dermed for tre følere) ikke gir noen tilfredsstillende løsnin-ger . "

Ved anvendelse av flere rette spoler (solenoider), slik det foreslås i den anførte brosjyre, er det nemlig en ulempe at anordningen av spolene i forhold til hverandre er underkastet visse begrensninger. Således er det eksempelvis nødvendig å tilveiebringe en større romlig avstand mellom spolene eller å avskjerme vekselfeltet for hver spole, for å unngå en gjensidig påvirkning.

En ytterligere ulempe med anvendelsen av åpne spoler er at hver spole ved sine ender fritt utstråler hjelpefeltet, hvilket fører til problemer med den elektromagnetiske forenlighet og til tap,særlig ved høyfrekvensavskjerming, dvs. til et øket effektbehov for matingen av innretningen.

Ikke desto mindre er det ønskelig å måle de tre komponenter av magnetfeltet samtidig i det tredimensjonale rom,

for å utelukke målefeil som opptrer ved raskt bevegede måle-steder (f.eks. på et kjøretøy) eller ved et hurtig varierende magnetfelt, når målingen av de forskjellige komponenter skjer etter hverandre eller målingen av én av komponentene i forhold til de to andre skjer med tydelig tidsforsinkelse.

Formålet med oppfinnelsen er, for samtidig registrering av de tre komponenter av magnetfeltet i det tredimensjonale rom, å påvirke minst tre følere samtidig med det samme, velde-finerte hjelpefelt, uten derved å ta med på kjøpet de nevnte ulemper ved anvendelsen av mer enn én spole.

Ovennevnte formål oppnås ifølge oppfinnelsen ved hjelp av en innretning som er kjennetegnet ved de i krav 1 angitte, karakteriserende trekk. Fordelaktige utførelsesformer av innretningen ifølge oppfinnelsen og en anvendelse av denne er angitt i de tilsvarende, avhengige krav.

Med innretningen ifølge oppfinnelsen er det mulig å måle de tre komponenter av magnetfeltet i det tredimensjonale rom, ikke bare på samme tid, men også praktisk talt på samme sted, på grunn av at innretningens dimensjoner kan holdes vesentlig mindre enn når man benytter den kjente innretning med tre følere. Dessuten oppnås at innretningen ikke må drives i en forutbestemt, romlig stilling (dvs. på forhånd horisontert). Disse muligheter gir betydelige fordeler ved anvendelse av innretningen som elektronisk kompass i luft-, sjø- eller land-^fartøyer i hurtig bevegelse.

Ved den ifølge oppfinnelsen tilveiebrakte form på den hjelpefeltfrembringende spole er hjelpefeltet i det indre av spolen i hovedsaken homogent, og da også i små utsparinger for opptakelse av følerne og disses tilkoplinger. For anvendelse av innretningen som elektronisk kompass er dette felt tilstrek-kelig homogent. Dertil kommer at hjelpefeltets feltstyrke i det indre av en toroidformet spole er lett å beregne.

For å forbedre hjelpefeltets homogenitet og gjøre mer plass disponibel for opptakelse av følerne, hvorved det forblir garantert at alle følere påvirkes med samme styrke av hjelpefeltet, kan legemet oppvise en form som er avledet fra en torus, idet torusens tenkte midtlinje, stadig værende i det samme plan, er bearbeidet til en lukket linje med avsnitt med forskjellig krumning. Eksempelvis kan midtlinjen i området for følerne oppvise rette avsnitt og sirkelbueformede avsnitt som i vekselvis innbyrdes tilslutning er forbundet med hverandre.

Videre er det fordelaktig, særlig for anvendelse av innretningen som elektronisk kompass i luft-, sjø- eller land-fartøyer i hurtig bevegelse, at konstruksjonen av innretningen kan være kompakt og den gjensidige stilling av følerne er fast.

Slik som ved den kjente, innledningsvis anførte innretning er det ved innretningen ifølge oppfinnelsen mulig, ved systematisk ommagnetisering av følerne, å unngå virkningen av den temperaturavhengige og fremstillingsbetingede nullverdiforskyvning ("DC offset").

Endelig blir de i det foregående nevnte ulemper som er forbundet med tilstedeværelsen av spoleender, nemlig pro-blemene med den elektromagnetiske forenlighet og effekttapene, unngått med innretningen ifølge oppfinnelsen.

Det henvises her også til følgende litteratursteder som angår de av Permalloy og i tynnfilmteknikk fremstilte, magnetoresistive følere og disses anvendelse innen datateknikk, måleteknikk og navigasjon: "Magnetoresistive Sensoren", Technische Information Philips-VALVO 840323 (1984), 8 sider; "The permalloy magnetoresistive sensor - properties and applications", W.Kwiatowski og S.Tumanski, J.Phys E. Sei. Instrum. 19 (1986) 502-515; "Magnetoresistive permalloy sensors and magnetometers", W.Kwiatowski og S.Tumanski, Archiwum Elektrotechniki 32 (1983) 55-64.

Som teknologisk bakgrunn med hensyn til prinsippet for og anvendelsen av magnetoresistive følere henvises til følgende litteratutsteder: "The magnetoresistive sensor - a sensitive device for detecting magnetic field variation", U.Dibbern og A.Petersen, Electronic Components and Applications, 5/3 (1983) 148-153; "Drehwinkelmessung mit Magnetfeldsensoren", G.Reiniger, Elektronik 23 (1986) 129-136; "Magnetoresistive response of small permalloy features", S.K.Decker og C.Tsang, IEEE Trans, on Magnetics, Mag-16/5 (1980) 643-645; "Magnetoresistance in laminated NiFe films", J.A.C.van Cyen m.fl., J. Appl. Phys, 53/3 (1982) 2596-2598.

Oppfinnelsen skal beskrives nærmere i det følgende i forbindelse med utførelseseksempler på innretningen ifølge oppfinnelsen under henvisning til tegningene, der fig. 1 viser et skjematisk riss av et første eksempel på en utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen i snitt gjennom dennes midtplan, fig. 2 viser et skjematisk riss av utførelsen på fig. 1

i snitt gjennom det plan som på fig. 1 er betegnet med linjen A-A, og fig. 3 viser et skjematisk riss av et andre eksempel på en utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen i snitt gjennom dennes midtplan.

På fig. 1 og 2, som forklarer oppfinnelsen på en skjematisk fremtillingsmåte, er det vist en første utførelse av en innretning ifølge oppfinnelsen med et i hovedsaken toroidformet legeme 1. Materialet i dette legeme kan være et vilkårlig, ikke-magnetisk, isolerende materiale, eksempelvis et kunststoff eller også keramikk. Ved anvendelse av kunststoff blir det som materiale i legemet 1 fortrinnsvis benyttet et glassfiberforsterket kunststoff av kjent type, såsom en glassfiberforsterket epoksyharpiks.

På fig. 1 er legemet 1 vist i snitt gjennom sitt midtplan M (planet for torusens sirkelformede midtlinje), og på fig. 2 er det vist i diametralt snitt gjennom det på fig. 1 med linjen A-A betegnede plan. Legemet 1 danner kjernen i en toroidformet spole 2 som i det vesentlige, dvs. med de i det etterfølgende forklarte unntak, er viklet på legemet 1 i regelmessige vindinger. På fig. 1 er bare noen vindinger av spolen 2 vist skjematisk (spesielt overproporsjonalt.dimensjo-nert) i tverrsnitt, mens på fig. 2 de vindinger, som der skulle være synlige, overhodet ikke er inntegnet, da en vinding i riktig målestokk på fig. 2 knapt ville være registrerbar og en overdimensjonert fremstilling av en eneste vinding eller en riktig fremstilling av hele spolen ville skade forståelsen av fig. 2.

For å lette fremstillingen av viklingen og monterin-gen av innretningen, består legemet 1 av to deler 3 og 4. Disse deler 3 og 4 er fortrinnsvis av samme størrelse, slik at de føyer seg sammen langs et diametralplan 5 av legemet 1.

Det toroidformede legeme 1 kan imidlertid ved behov også bestå av mer enn to deler. Befestigelsen av de to deler 3 og 4 til hverandre er ikke vist, men kan eksempelvis skje ved sammen-liming og/eller befestigelse på et felles underlag. På fig. 1 er de to deler 3 og 4 vist med en liten mellomliggende avstand, men dette er imidlertid en tegnemessig foranstaltning for klarhet i fremstillingen, og de to deler 3 og 4 ligger i virkeligheten an mot hverandre.

Legemet 1 er forsynt med tre uttakinger eller utsparinger 6, 7, 8 som er anordnet for opptakelse av en respektiv, magnetoresistiv føler 6', 7', 8". Sådanne magnetoresistive følere er i hovedsaken rektangulære, tynne plater som har en respektiv måleretning i hvilken de på grunn av sine magnetoresistive egenskaper er følsomme for feltstyrken av et på disse pålagt magnetfelt. Komponentene av denne feltstyrke i følerens måleretning blir av denne omformet til et elektrisk signal. På fig. 1 og 2 er følerne 6', 7<1>, 8' fremstilt med en tydelig avstand til veggen av den tilordnede utsparing 6'/ 7', 8', men dette er imidlertid bare en tegnemessig foranstaltning for klarhet i fremstillingen. Følerne ligger i virkeligheten stabilt (tysk: satt) i utsparingene for at deres stilling skal være nøyaktig bestemt, og de er på vilkårlig måte fast festet i disse, for eksempel fastlimt. Klebemiddelet tjener forøvrig også til kjøling av følerne, idet det bortleder den i følerne elektrisk utviklede varme til legemet 1.

I området for følerne 6<1>, 7', 8' kan spolens 2 vikling ikke videreføres nøyaktig så regelmessig som i området mellom følerne, dvs. det aktuelle område for en utsparing og den tilordnede føler hoppes over på passende måte, eksempelvis ved oppdeling av viklingen eller endring av viklingsskrittet.

Disse unntagelser med hensyn til viklingens regelmessighet er imidlertid ikke betydelige, slik at hele innretningen også med utsparingene og de i disse beliggende følere er i hovedsaken toroidformet.

Todelingen av legemet 1 letter anbringelsen av spolens 2 viklinger ganske vesentlig. Sådanne hjelpemidler som steg, skiver eller plater 10 av f.eks. kunststoff kan anordnes på dette eller fremstilles som integrerte deler av spolelegemet og tjene til befestigelse av hele toroidformasjonen på et underlag.

I legemet 1 er utsparingene orientert på en slik

måte at måleretningene 6', 7<1>, 8<1> for de tre følere ligger ortogonalt i forhold til hverandre. Således registreres tre innbyrdes ortogonalt beliggende komponenter av feltstyrken som skal måles, hvilket tillater bestemmelse av styrke og retning av det magnetfelt som skal måles.

For økning av nøyaktigheten og sikkerheten av måleresultatet, kan det på legemet 1 i tillegg til følerne 6', 7', 8' anordnes minst én'ytterligere føler 9' i en respektiv, tilsvarende uttaking eller utsparing. Vinkelstillingen av de ekstra følere er derved valgt i overensstemmelse med det tilsiktede formål. I det på fig. 1 og 2 viste eksempel er legemet 1 forsynt med en fjerde utsparing 9 som er anordnet for opptak av en fjerde, magnetoresistiv føler 9'. Måleretningen for denne føler 9' er i prinsipp forskjellig fra måleretningene for følerne 6', 7', 8<1.> For at føleren 9 * skal kunne oppfylle sitt formål på lik måte i samvirke med hver av de tre andre følere 6*, 7' og 8', er den fortrinnsvis slik anordnet at dens måleretning i forhold til de tre andre, innbyrdes ortogonale måleretninger for følerne 6', 7', 8' ligger i den samme vinkel. Med andre ord, når man forestiller seg at måleretningene for følerne 6 ' , 7<1> og 8<1> danner kantene av en terning, ligger måleretningen i føleren 9' på én av romdiago-nalene til denne terning. Den måleverdi som i dette eksempel registreres med føleren 9', idet generelle tilfelle med andre følere, er bestemt til å kombineres med de av de tre andre følere 6<1>, 7' og 8<1> registrerte måleverdier for, slik som eksempelvis foran nevnt, å øke nøyaktigheten og sikkerheten av måleresultatet.

Spolen 2 tjener til frembringelse av et på følerne 6', 7', 8' og 9' pålagt, magnetisk hjelpefelt. Hensikten med dette hjelpefelt er i og for seg kjent og forklart i beskrivel-sens innledning.

På fig. 3, som likeledes forklarer oppfinnelsen på en skjematisk fremstillingsmåte, er det vist en andre utførelse av innretningen ifølge oppfinnelsen med et legeme 31 med en annen form enn på fig. 1. I denne utførelse er legemets 31 form avledet fra formen til en torus ved bearbeidelse av torusens tenkte midtlinje, idet denne tenkte midtlinje stadig forblir i det samme plan, videre danner en lukket linje, og nå oppviser avsnitt med forskjellig krumning (ved en krumning som er lik null, er vedkommende avsnitt rettlinjede). Legemet 31 har derfor en form som er ekvivalent med en torus og som i kort-form kan betegnes som deformert ring. Dette vil bli nærmere beskrevet nedenfor. Legemets 31 materiale er allerede beskrevet i forbindelse med legemet 1. Legemet 31 kan bestå av to eller flere deler, slik som beskrevet i forbindelse med fig. 1.

På fig. 3 er legemet 31 analogt med fremstillings-måten på fig. 1 vist i snitt gjennom, sitt .midtplan Legemet 31 danner kjernen i en spole 32 som i det vesentlige, dvs. med de i forbindelse med fig. 1 omtalte unntagelser, er viklet på legemet 31 i regelmessige vindinger. På fig. 3 er denne spole 32 vist skjematisk i snitt.

Legemet 31 er forsynt med fem uttakinger eller utsparinger 33, 34, 35, 36 og 37 som er anordnet for opptak av en respektiv, ikke vist, magnetoresistiv føler av den type som allerede er omtalt i forbindelse med fig. 1. I området for utsparingene 33, 34, 35, 36 og 37 er legemets 31 tenkte midtlinje rettlinjet, dvs. hver utsparing befinner seg i ett av fem i hovedsaken sylindriske avsnitt av legemet 31. Mellom disse sylindriske avsnitt er legemets 31 nevnte midtlinje krum-met. Langs den tenkte midtlinje er altså vekselvis fem rettlinjede og fem til disse tangentialt tilsluttende, i hovedsaken sirkelbueformede avsnitt sammensluttet til en lukket, ubrutt kurve. Det rundt denne tenkte midtlinje konstruerte legeme 31 oppviser et i hovedsaken sirkelformet tverrsnitt og er derfor, billedlig uttrykt, en deformert torus.

For å oke styrken av legemet 1 hhv. 31 i området for utsparingene 6, 7, 8 og 9 hhv. 33, 34, 35, 36 og 37, og for å oppnå i forhold til midtplanet fast forbundne anleggsflater, kan det i stedet for platene 10 være anbrakt kvaderformede forsterkninger 38, 39, 40, 41 og 42.

Liksom spolen 2 på fig. 1 er spolen 32 i området for utsparingene 33, 34, 35, 36 og 37 uavbrutt, dvs. det aktuelle område av en utsparing og den tilordnede føler hoppes over på passende måte, eksempelvis ved oppdeling av viklingen eller endring av viklingsskrittet (viklingsstigningen). Heller ikke her er disse unntagelser fra viklingens regelmessighet betydelige.

I legemet 31 er utsparingene 33, 34, 35, 36 og 37 orientert på forskjellig måte, for å gi de fem følere forskjellige måleretninger og således øke nøyaktigheten og sikkerheten av måleresultatet, slik som allerede beskrevet i forbindelse med fig. 1.

I utførelsen ifølge fig. 3 kan det eksempelvis i de tre utsparinger 33, 34, 35 anordnes respektive følere med innbyrdes ortogonale måleretninger av samme type som følerne 6', 7', 8' på fig. 1, og i de to utsparinger 36, 37 kan det anordnes respektive, ytterligere følere av samme type som føle-ren 9' på fig. 1. Disse fem følere forspennes i fellesskap av magnetfeltet til den felles spole 32.

Den beskrevne og på fig. 1 - 3 i forskjellige utfø-relser fremstilte innretning er særlig egnet for registrering av styrken og retningen av jordmagnetfeltet, eksempelvis for anvendelse i en innretning for magnetisk nord-angivelse i et luft-, sjø- eller landfartøy. Da alle tre komponenter av jordmagnetfeltet registreres, er legemets 1 innbygningsstilling i fartøyet hhv. i fartøyets kompass vilkårlig. Riktignok økes nøyaktigheten av nord-angivelsen når det velges en stilling i hvilken ingen av de tre komponenter stadig dominerer. Ved den foretrukne stilling er legemet 1 slik innbygget i innretningen for magnetisk nord-angivelse at legemets 1 midtplan M danner en vinkel med horisontalplanet. Denne vinkel bestemmes slik at minst to følere avgir like store signaler når innretningen viser mot nord. På midlere geografiske bredder beløper derfor vinkelen seg til ca. 2 0°.

Den på fig. 1-3 viste innretning egner seg selvsagt også for registrering av styrken og retningen av andre magnetfelter enn jordmagnetfeltet når disses feltstyrke ligger i samme størrelsesorden som jordmagnetfeltet eller avviker fra dette med inntil to størrelsesordener, altså ligger mellom -2 2 •

10 og 10 ganger størrelsen av jordmagnetfeltet.

Ved et konkret eksempel på en sådan innretning benyttes magnetoresistive følere av en i handelen tilgjengelig type med en rektangulær, følsom plate med en sidelengde på ca. 1,6 mm. Følerne er innstøpt i kunststoff og presenterer seg om en tilnærmet firkantet, liten plate med en sidelengde på ca. 5 mm og en høyde på ca. 1,8 mm (nærmere angivelser finnes i det innledningsvis anførte trykkskrift). Det magnetiske hjelpefelt må ved disse følere beløpe seg til ca. 3 kA/m. Som betingelse for hjelpefeltets homogenitet over hele det magnetisk følsomme område av hver føler kan det fastslås at hjelpefeltets tverrkomponenter, som fremkommer ut fra krumningen av dets feltlinjer i det toroidformede legeme eller et legeme som er analogt med en torus, ikke på noe sted av det følsomme område må være større enn en forutbestemt brøkdel av hjelpefeltets lengdekomponenter på legemets midtlinje.. Ut fra dimensjonene på det magnetisk følsomme område av følerne samt det som maksimalt tillatt valgte forhold mellom tverr- og lengdekomponentene, eksempelvis 10 %, kan den minimalt til-latelige radius på vedkommende sted av legemet beregnes med enkle geometriske og trigonometriske overveielser.

Claims (12)

1. Innretning for registrering av styrke og retning av et magnetfelt, omfattende flere magnetoresistive følere til hvilke det er tilordnet en forskjellig måleretning, og en spole for frembringelse av et på følerne pålagt, magnetisk hjelpefelt, karakterisert ved et legeme (1; 31) av ikke-magnetisk, isolerende materiale og med en form som er topo-logisk ekvivalent med en torus, på hvilket legeme spolen (2;

32) er påviklet med i hovedsaken regelmessige vindinger, og som er forsynt med minst tre utsparinger (6, 7, 8; 33, 34, 35) for opptak av respektive følere (6<1>, 7', 8').

2. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at måleretningene for tre følere (6<1>, 7', 8') er anordnet ortogonalt i forhold til hverandre.

3. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet (1; 31) består av glassfiberforsterket kunststoff.

4. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet (1; 31) består av keramikk.

5. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet (1) i det vesentlige har form av en torus.

6. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet (31) har en form som er avledet fra en torus, idet torusens tenkte midtlinje, stadig liggende i det samme plan, er deformert til en lukket linje med avsnitt med forskjellig krumning.

7. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet (1; 31) er forsynt med minst én ytterligere utsparing (9; 36, 37) for opptak av en ytterligere føler (9<1>) hvis måleretning er forskjellig fra måleretningene for de nevnte, andre tre følere (6<1>, 7', 8').

8. Innretning ifølge krav 2, karakterisert ved at legemet (1) er forsynt med en ytterligere utsparing (9) for opptak av en ytterligere føler (9<1>) hvis måleretning i forhold til hver av måleretningene for de nevnte tre innbyrdes ortogonale følere (6<1>, 7', 8') ligger på en slik måte i samme vinkel som en ternings romdia-gonaler i forhold til dennes kanter.

9. Innretning ifølge krav 1, karakterisert ved at legemet (1; 31) er utformet i flere deler.

10. Innretning ifølge kravene 5 og 9 eller ifølge kravene 6 og 9, karakterisert ved at legemet (1) er utformet to-delt og sammenføyningen av dets todeler (3, 4) skjer langs et diametralt symmetriplan (5) av legemet (1).

11. Anvendelse av innretningen ifølge krav 1 for registrering av styrken og retningen av et magnetfelt hvis feltstyrke er av samme størrelsesorden som jordmagnetfeltet eller ligger inntil to størrelsesordener over eller under denne feltstyrke .

12. Anvendelse av innretningen ifølge krav 1 for magnetisk nord-angivelse, idet legemets (1; 31) midtplan (M) er anordnet i en vinkel i forhold til horisontalplanet som er avhengig av den geografiske breddegrad for innretningens an-vendelsessted og som ved midlere breddegrader beløper seg til ca. 20°.