DE4311973C2 - Magneto-induktives Sensorsystem für eine magnetische Positions- und/oder Wegbestimmung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein magneto-induktives Sensorsystem für eine magnetische Positions- und/oder Wegbestimmung eines Magneten.

Sensoren oder Schalter, die Sättigungsbereiche von magnetischen Schichten hoher Permeabilität ausnützen, sind bekannt. Die DE 36 19 238 A1 schlägt einen auf einen sich annähernden Auslöser ansprechenden Näherungsschalter mit HF-Schwingkreis vor, für dessen Schwingungsmagnetfeld ein geschlossener Kern vorgesehen ist, der in einem besonders sättigungsempfindlichen Bereich durch das Feld eines zusätzlichen Magneten in Sättigung treibbar ist. Eine Auswerteschaltung, die die von dem Grad der Kernsättigung abhängige Schwingungsamplitude erfaßt, löst bei Unterschreiten bzw. Überschreiten eines bestimmten Amplitudengrenzwertes einen Schaltvorgang aus. Zur Erhöhung der Ansprechempfindlichkeit und des Schaltabstandes ist vorgesehen, daß der Kern am sättigungsempfindlichen Bereich an der der Schwingkreisspule abgewandten Seite mit einer elektrisch gut leitenden Wirbelstrom-Metallschicht oder -Metallfolie versehen ist.

durch die DE 35 44 809 A1 ist ein magnetfeldabhängiger, elektronischer Annäherungsschalter bekannt geworden, der durch einen sich annähernden, magnetischen Auslöser betätigt wird und der einen durch den Auslöser beeinflußbaren HF-Schwingkreis besitzt, deren eine Schwingkreisspule und eine Kupplungsspule aufweisender Spulenanordnung ein magnetisierbarer Körper zugeordnet ist, der ab einer bestimmten Magnetfeldstärke durch das äußere Magnetfeld des Auslösers unter Entdämpfen des Schwingkreises in magnetische Sättigung treibbar ist. Der magnetisierbare Körper besteht aus einem amorphen oder überwiegend amorphen Metallband, wobei die Schwing­ kreisspule und die Kopplungsspule auf einem gemeinsamen Wickelkörper sitzen. Das amorphe Metallband ist als geradliniger, dünner Streifen ausgebildet, der auf der Achse der Spulenanordnung angeordnet ist und den Spulentorus durchsetzt.

Durch die WO 86/07637 ist ein magnetfeldabhängiger induktiver Nähe­ rungsschalter mit Hochfrequenz-Oszillator bekanntgeworden, der die vom Grad der Kernsättigung abhängige Schwingungsamplitude erfaßt und bei Erreichen eines bestimmten Amplitudengrenzwertes einen Schaltvorgang auslöst. Der Kern besteht z. B. aus Ferrit, dem ein jochähnlicher Körper zugeordnet ist. Dabei wird ein weichmagnetischer Werkstoff mit solcher Permeabilität für den jochähnlichen Körper verwendet, daß die Permeabilitätskurve, bezogen auf einen Quadranten des Koordinatensystems, deutlich S-förmig verläuft, so daß eine Auswertung in zwei Auswertebereichen erfolgt, deren einer bei Annäherung des zu erfassenden Magnetfeldes den Anstieg des Oszillatorstromes und deren anderer bei weiterer Annäherung den Abfall des Oszillatorstromes für den Schaltvorgang nutzt.

Des weiteren ist aus der DE 36 10 479 A1 bekannt, über einen langgestreckten weichmagnetischen Sensorkern längs eine Sekundärspule aufzuwickeln, wobei auf die enden des Sensorkerns je eine Primärspule aufgewickelt ist. Ein Magnet kann längs des weichmagnetischen Sensorkerns in geringem Abstand desselben verfahren werden. Bei Erregung der Primärspulen wird innerhalb der Sekundärspule eine Spannung induziert, die gemessen werden kann. Das Magnetfeld des Magneten bringt den weichmagnetischen Sensorkern in unmittelbarer Nähe in die Sättigung, so daß der magnetische Wechselfluß innerhalb der Sekundärspule im Sättigungsbereich unterbrochen wird und eine durch die vektorielle Addition der Teilspannungen von der Lage des Magneten abhängige Spannung an der Sekundärspule abgenommen werden kann.

Ein Positionssensor zur Erfassung linearer oder rotatorischer Bewegungen ist durch die DE 42 13 866 A1 bekanntgeworden. Eine Anzahl von flächigen Spulen als Induktivitäten ist in linearer Anordnung oder auf einem Kreis als frequenzbestimmende Elemente für mehrere Oszillatoren aufgebracht. Die Induktivitätswerte werden durch Anwesenheit von metallischen Gegenständen beeinflußt, was gleichzeitig die Oszillatorfrequenzen beeinflußt, deren unterschiedliche Höhe einer Mustererkennung unterzogen wird und einen Kennwert für das gesuchte Positionssignal liefert.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein magneto-induktives Sensorsystem der genannten Gattung zu schaffen, mit dem bei ausreichender Genauigkeit und reproduzierbarer Positions- und/oder Wegbestimmung eines Magneten entsprechend den Anforderungen eine vereinfachte Herstellung als gedruckte Schaltung und damit eine preiswerte Fertigung möglich ist.

Die Lösung der Aufgabe besteht in den Merkmalen des Anspruchs 1. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.

Das magneto-induktive Sensorsystem besitzt den Vorteil, daß mit diesem bei voll ausreichender Genauigkeit, die entsprechend den Anforderungen gewählt werden kann, eine effiziente Positions- und/oder Wegbestimmung des Magneten längs des Sensorsystems möglich ist, so daß mit dem Sensorsystem beispielsweise die berührungslose Erfassung von Ventilständen oder Kolbenpositionen möglich ist. In vorteilhafter Anwendung können dadurch Positions- und Wegbestimmungen sogar durch Metallwände hindurch getroffen werden, die aus magnetisch unterschiedlich leitfähigem Material bestehen können. Auf diese Weise können preiswerte Positions- und/oder Wegbestimmungssysteme hergestellt werden, deren Genauigkeit voll ausreichend ist, die dazu der spezifischen Anwendung angepaßt werden kann.

Die Genauigkeit und Empfindlichkeit des erfindungsgemäßen Sensorsystems für eine Positions- und/oder Wegbestimmung kann entscheidend durch die Materialwahl und unterschiedliche Geometrie der magnetisch leitfähigen Schicht und/oder der Spulen oder Mäander beeinflußt werden. Besitzt die Schicht eine hohe magnetische Permeabilität, wie zum Beispiel das Material Vitrovac®, so kann die Schicht schon durch ein relativ geringes Magnetfeld des Magneten leicht in die Sättigung gesteuert werden. Wird hingegen Weicheisen verwendet, so muß das Magnetfeld des Magneten entsprechend stärker sein. Die magnetisch leitfähige Schicht sollte somit vorzugsweise ferromagnetisch sein.

Der hervorstechende Vorteil des Sensorsystems liegt darin begründet, daß diese auf einfache Weise als gedruckte Schaltung mit bekannten Techniken einschließlich der Spulen hergestellt werden kann, so daß ein Auflöten oder Bestücken mit diskreten Spulen entfällt. Das ist deshalb möglich, weil vorteilhaft nur das äußere Magnetfeld der Spulen bzw. die Summation der magnetischen Feldanteile in der Ebene der magnetisch leitfähigen Schicht beeinflußt und gemessen werden, nicht jedoch ein inneres Magnetfeld.

Ebenso können die Positionen mehrerer Magnete bzw. Wechselfelderzeuger gleichzeitig erfaßt werden. Zusätzlich ist die Möglichkeit der Positions- und Wegbestimmungen auf einer gekrümmten Fläche gegeben.

Beispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und anschließend beschrieben. Dabei zeigt:

Fig. 1 eine Explosionszeichnung eines technisch realisierten Sensorsystems im Form einer Sensorzeile,

Fig. 2 ein Schaltbild einer Sensorzeile zur Erläuterung der Erkennung der einzelnen Positionen bei einem angepaßten Magneten,

Fig. 3 die sich an den einzelnen Komparatoren ergebenden Signalverläufe,

Fig. 4 eine Anordnung eines Sender-Empfänger-Systems mit schräg angeordneter Empfängerspule,

Fig. 5 eine weitere Anordnung eines Sender-Empfänger-Systems und

Fig. 6 eine technische Anwendung einer Sensorzeile.

Fig. 1 zeigt eine technische Ausgestaltung einer Sensorzeile, die hohe Auswertespannungen liefert. Unter einer magnetisch leitfähigen Schicht 1 hoher magnetischer Permeabilität, die wiederum eine flexible Vitrovac®-Folie sein kann, sind Spulen 2, 3, 4, 5, 6, 7 angeordnet, die den Feldern A, B, C, D, E der Schicht 1 zugeordnet sind. Die Spulen 2 bis 7 bestehen aus zwei Teilen, nämlich einer Oberspule 2′, 3′, 4′, 5′, 6′, 7′, die oberhalb der Schicht 1′ angeordnet ist und einer Unterspule 2′′, 3′′, 4′′, 5′′, 6′′, 7′′, die unterhalb der Schicht 1′ angeordnet sind. Die Oberspulen sind von außen nach innen geknickt-spiralförmig flächig jeweils in einer Ebene liegend gewickelt, wobei das innere Ende der Oberspulen die Schicht 1′ durchstößt und dort zur Bildung der Unterspulen von innen nach außen geknickt-spiralförmig gewickelt ist. Oberhalb der Schicht 1 ist verfahrbar ein Hufeisenmagnet mit Nordpol und Südpol angeordnet, der die Breite X besitzt. Die Spulen 2 bis 7 sind vorzugsweise gedruckt hergestellt.

Die magnetisch leitfähige Schicht kann in voneinander unabhängige Felder unterteilt sein, die vorzugsweise die Breite der Spulen haben.

Die Spulen 2, 4, 6 sind Senderspulen und die dazwischenliegenden Spulen 3, 5, 7 die Empfängerspulen E1, E2, E3. Am Einwirkungsort des Magneten 8, der als gestrichelte Fläche 9 gezeichnet ist, wird aufgrund der im Sättigungsbereich befindlichen magnetisch-leitfähigen Schicht 1 die Koppelfähigkeit für überlagerte Wechselfelder stark abgeschwächt bzw. aufgehoben.

Die Wechselfelder innerhalb der Senderspulen Sa, Sb werden zeitlich versetzt erzeugt; die Empfängerspulen E1, E2, E3 sind jeweils an eigene Komparatoreingänge geschaltet. Ströme I_a(t1), I_b(t2) innerhalb der Senderspulen 2, 4, 6 erzeugen innerhalb der Empfängerspulen 3, 5, 7 bzw. E1, E2, E3 die Nutzsignale U_E1(t1, t2), U_E2(t1, t2), U_E3(t1, t2). Liegt normale Koppelfähigkeit des Mediums hoher magnetischer Permeabilität ohne den Einfluß des Magneten 8 vor, so ist an allen Empfängerspulen zum Abfragezeitpunkt t1 eine von den Senderspulen Sa induzierte Spannung vorhanden; entsprechendes gilt zum Abfragezeitpunkt t2 und für die Senderspulen Sb. Gleichermaßen kann über einen Multiplexer auch nur ein Komparator angesteuert und dessen Werte gespeichert werden.

Liegt dagegen eine Beeinträchtigung der Koppelfähigkeit aufgrund Anwesenheit des Magneten 8 in Nachbarschaft der Schicht 1 vor, so ist zum Zeitpunkt t1 bzw. t2 keine bzw. eine unter einer definierten Schwelle liegende Spannung an der betreffenden Empfängerspule vorhanden, was dadurch angezeigt werden kann, daß dieser Zustand zur entgegengesetzten Information am Ausgang eines Komparators führt. Die Ausgangsinformationen zu den Zeitpunkten t1 und t2 können jeweils zwischengespeichert und anschließend beliebig weiterverarbeitet werden.

Der Magnet 8 der Breite X sättigt dabei teilweise die Zonen A oder A+B oder B oder B+C oder C oder C+D oder D oder D+E oder E usw. Der geringste elektrische Aufwand zur Positionsauswertung, was quasi der direkten Ausgabe der Position entspricht, wird dann erreicht, wenn die Breite des Magnetfeldes, die die Schicht magnetischer Permeabilität durchsetzt, etwa der Breite einer Spule entspricht.

Die Fig. 2 und 3 zeigen die Erkennung der einzelnen Positionen bei angepaßten Magneten, was auch bei Abschattung eines Senders bzw. Empfängers der Fall ist. Die Darstellung der Sender- und Empfängerspulen entspricht dabei denjenigen der Fig. 1.

Die Positionen sind in N1, N2, N3, N4, N5, N6, N7, N8 unterteilt. Dann wird folgende Meldung der Empfängerspulen erhalten:

In Fig. 3 sind die zugehörigen Signalverläufe zu den Abfragezeitpunkten t1 und t2 an den an den Empfängerspulen angeschlossenen Komparatoren gezeigt. Alle nichtgezeigten Signale verlaufen entsprechend den Signalen von U_E1 und U_A1 ohne Magneteinfluß.

Fig. 4 zeigt eine weitere Ausgestaltung eines Sender-Empfängersystems, bei dem wiederum auf einer magnetisch leitfähigen Schicht 27 mit hoher magnetischer Permeabilität wenigstens zwei Senderspulen 28, 30 angeordnet sind, wobei die Senderspulen 28, 30 länglich gestaltet sind. Die übrige Ausgestaltung der Senderspule 28, 30, insbesondere die Aufteilung in eine Oberspule 28′ und eine Unterspule 28′′, ent­ spricht der Gestaltung der Spulen in Fig. 1. Zwischen beiden Senderspulen 28, 30 ist schräg eine Empfängerspule 29 angeordnet, die somit diagonal innerhalb des freien Raumes zwischen den beiden Senderspulen verläuft. Ein Magnet 31 ist über das Sender-Empfängerspulen-System quer zu den Senderspulen 28, 30 verfahrbar. Im Bereich des Magneten 31 wird wiederum die Schicht hoher ma­ gnetischer Permeabilität gesättigt, so daß eine Einkopplung der Signale aus den Senderspulen in die Empfängerspule, abhängig von der Geometrie, unterschied­ lich stark reduziert wird. Mit der Veränderung der Geometrie läßt sich prak­ tisch eine beliebige Signalfunktion erzeugen.

Fig. 5 zeigt eine weitere Ausgestaltung des Sensors, in der das Wirkprinzip umgekehrt ist. Die magnetisch leitfähige Schicht 41 befindet sich zwischen der oder den flächigen Sender- und Empfängerspulen 39, 40. Bei Abwesenheit eines Magneten 42 wirkt die magnetisch leitfähige Schicht 41 als Abschirmung. Bei Anwesenheit des Magneten 42 wird die Schicht in die Sättigung gebracht, ihre abschirmende Wirkung verringert sich bzw. geht verloren. Damit wird die Kopplung zwischen Sende- und Empfangsspule erhöht bzw. erst ermöglicht.

Fig. 6 zeigt ein Anwendungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Sensorzeile 35 auf einer magnetisch gut leitfähigen Schicht 34 hoher magnetischer Permeabilität. Die Spulenschicht 35 und die magnetisch leitfähige Schicht 34 sind außen auf die Zylinderwand 33 eines Zylinders 32 längs aufgebracht, wobei innen innerhalb des Zylinders 32 ein Magnet 38 mit einem Luftspalt 37 längs der Schicht 34 verfahrbar angeordnet ist, was durch den Doppelpfeil X angedeutet ist; der Magnet kann auch um 90 Grad gedreht angeordnet sein. Beispiels­ weise ist dieser Magnet 38 auf der (der nicht gezeigten) Kolbenstange angeord­ net. Mit der Bezugsziffer 36 ist der magnetisch gesättigte Bereich der Schicht 34 gekennzeichnet, wo sich der Magnet 38 gerade unterhalb der Schicht 34 be­ findet. Wenn die Zylinderwandung 33 magnetisch leitfähig ist, jedoch eine er­ heblich geringere magnetische Leitfähigkeit besitzt, als die Schicht 34 mit hoher magnetischer Permeabilität, so wird das im Innern des Zylinders 32 durch den Magnet 38 erzeugte magnetische Feld in die außerhalb des Zylinders 32 befindliche Schicht 34 gezwungen und kann dort mittels der Spulenschicht 35, die in Anordnung und Aufbau der Fig. 1 entspricht, erfaßt werden. Für die magnetischen Widerstände gilt, daß der magnetische Widerstand der Zylinder­ wand viel größer sein muß, als der magnetische Widerstand der Schicht 34.

Wenn die Dicke der Spulenschicht 35 und der Luftspalt 37 genügend klein ge­ halten werden, dann ist die Bedingung erfüllt, daß der größte Teil des magnetischen Flusses durch die Schicht 34 verläuft.

Claims (7)

1. Magneto-induktives Sensorsystem für eine magnetische Positions­ und/oder Wegbestimmung eines Permanent- oder Elektromagneten (8, 42) mit einer magnetisch leitfähigen Schicht (1, 27, 41), die mittels der magnetischen Feldstärke des Magneten (8, 42) in die magnetische sättigung versetzbar ist, und mit mindestens zwei nebeneinander angeordneten Sender- Empfängersystemen, bestehend aus wenigstens einer Senderspule (2, 4, 6) und wenigstens einer Empfängerspule (3, 5, 7), wobei die Sender- und Emp­ fängerspulen jeweils aus einer oder mehreren übereinander angeordneten Flachspulen bestehen, deren Achsen senkrecht zur magnetisch leitfähigen Schicht (1, 27, 41) stehen, wobei die Sender- und Empfängerspulen entweder nebeneinander auf der magnetisch leitfähigen Schicht oder ober- und unterhalb der magnetisch leitfähigen Schicht angeordnet sind, über die der Magnet längs der magnetisch leitfähigen Schicht bewegbar ist, und wobei die Senderspulen von jeweils zwei nebeneinander angeordneten Sender-Empfängersystemen mit zeitlich versetzten Signalen beaufschlagbar und die in den Empfänger­ spulen in Abhängigkeit von der Stellung des Magneten induzierten Signale meßbar sind.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein Sender-Empfängersystem durch drei Spulen gebildet ist, wobei je­ weils die mittlere Spule die Empfängerspule und die links und rechts davon liegenden Spulen die Senderspulen bilden oder umgekehrt, die Senderspulen von einem Strom ungefähr gleicher Stromstärke durchflossen werden und die beiden Ströme gegenphasig oder gleichphasig aber zeitversetzt sind.

3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Windungen (2′, 2′′,3′, 3′′, 4′, 4′′, 5′ 5′′, 6′, 6′′, 7′, 7′′, 28′, 28′′) der Flachspulen (2, 3, 4, 5, 6, 7, 28, 29, 30, 39, 40) spiralförmig oder mäanderförmig sind.

4. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens zwei magnetisch leifähige Schichten übereinander ange­ ordnet sind, wobei zwischen den Schichten jeweils Sender- und Empfänger­ spulen angeordnet sind.

5. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die übereinander angeordnete Flachspulen gegeneinander versetzt sind.

6. Sensorsystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Sender- und Empfängerspulen (28, 29, 30) länglich gestaltet sind und die Empfängerspulen (29) zwischen den Senderspulen schräg angeordnet sind.

7. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Magneten dergestalt gewählt ist, daß sie der Breite einer Spule entspricht.