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Magnetfeldmeßgerät
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Die Erfindung beie.ht sich auf ein Magnetfeldmeßgerät mit einem Magnetfeldsensor,
der aus vier Sensorelementen besteht, die als Wheatstonesche Brücke geschaltet sind,
von einer Gleichstromquelle gespeist werden und eine Schicht aus magnetoresistivem
Material aufweisen, durch das der Gleichstrom auf Strombahnen fließt, die auf jeweils
zwei in Reihe geschalteten Sensorelementen senkrecht zueinander und auf diagonal
einander gegenüberliegenden Sensorelementen parallel zueinander ausgerichtet sind,
wobei die Sensorelemente eine magnetische Vorzugsrichtung in derselben Richtung
aufweisen.
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Aus der Firmenschrift: VALVO Technische Informationen 840323 mit dem
Titel "Magnetoresistive Sensoren ist ein Magnetfeldsensor eingangs beschriebener
Art zur Verwendung in einem Magnetfeldmeßgerät bekannt, der vier als Brücke geschaltete
Sensorelemente enthält. Die Sensorelemente weisen je eine dünne Schicht Permalloy
mit magnetischer Vorzugsrichtung auf, auf der mindestens zwei parallel liegende
Leitungsbahnen hoher Leitfähigkeit aufgebracht sind. Werden die beiden äußeren Leitungsbahnen
an eine Gleichspannungsquelle angeschlossen, fließt Strom auf senkrecht zu den Leitungsbahnen
liegenden Strombahnen durch die Permalloyschicht. Wirkt ein Magnetfeld auf die Sensorelemente
ein, verändert sich der Winkel, den die agntisierungsrichtung mit der Richtung der
Strombahnen einschließt, sodaß dadurch der ohm'sche Widerstand der Sensorelemente
verändert wird. Am Nullzweig der Brücke ist dann eine Spannung abgreifbar, deren
Wert der Größe des Magnetfeldes entspricht. Toleranzen ei der Fertigung der
Sensorelemente
bewirken jedoch, daß die Sensorelemente ohne Einwirkung des Magnetfeldes unterschiedliche
Widerstandswerte aufweisen, sodaß am Nullzweig der Brücke auch dann eine von Null
abweichende Fehlerspannung anliegt, wenn kein Magnetfeld auf die Sensorelemente
einwirkt. Da die ohm'schen Widerstandswerte der Sensorelemente außerdem temperaturabhängig
sind, verändert sich die Fehlerspannung mit der Temperatur. Somit ist zur ' t?nsation
der Fehlerspannung eine Schaltungsanordnung erforderlich, die auch den Temperaturgang
der Sensorelemente berücksichtig und somit sehr kornpliziert aufgebaut ist.
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Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein einfach aufgebautes
Magnetfeldmeßgerät zu schaffen, das fehlerfreie, d.h. von Herstellungstoleranzen
und Temperaturdrift der Sensorelemente unabhängige Magnetfeldmeßwerte liefert.
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Diese Aufgabe wird bei einem Magnetfeldmeßgerät eingangs genannter
Art dadurch gelöst, daß in Nähe der Sensorelemente eine Magnetisierungsspule angeordnet
ist, die von einem Stromimpulsgenerator mit kurzen, abwechselnd positiven und negativen
Stromimpulsen gespeist wird, die in der Magnetisierungsspule ein magnetisches Wechselfeld
erzeugen, welches das magnetoresistive Material im Takt der Stromimpulse ummagnetisiert,
wodurch am Nullzweig der Sensorbrücke eine Wechsel spannung entsteht, deren Amplitude
und/oder Phasenlage durch eine dort angeschlossene Auswerteschaltung meßbar ist.
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Am Null zweig der Brücke liegt hierbei eine Wechselspannung an, deren
Amplitude sich mit dem zu erfassenden Magnetfeld ändert und die von einer fehlerhaften
Gleichspannung überlagert wird, deren Wert von dem zu erfassenden Magnetfeld unabhängig
ist. Die Amplitude der Wechselspannung ist auf einfache Weise meßbar und gibt fehlerfrei
Auskunft
über die Größe des zu erfassenden Magnetfeldes.
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Eine einfache Möglichkeit, die Amplitude der Wechselspannung zu messen,
ist gegeben, wenn die Auswerteschaltung als Wechselspannungsvoltmeter ausgebildet
ist.
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Da die Phasenlage der am Null zweig anliegenden Spannung von der Richtung
des zu erfassenden Magnetfeldes abhängt, ist es zur Erfassung der Richtung des Magnetfeldes
vorteilhaft, daß die Auswerteschaltung aus einem mit dem Nullzweig der Sensorbrücke
verbundenen phasenempfindlichen Gleichrichter und einer Vorrichtung zur Anzeige
der Amplitude und der Polarität der vom Gleichrichter gelieferten Spannung besteht.
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Eine einfache Möglichkeit, kurze Stromimpulse zu erzeugen, ergibt
sich, wenn der Stromimpulsgenerator einen Rechteckinpulsgenerator enthält, dessen
Ausgang einerseits mit dem nicht-invertierenden Eingang und andererseits über ein
RC-Glied mit dem invertierenden Eingang eines Differenzverstärkers verbunden ist,
dessen Ausgang an die Magnetisierungsspule angeschlossen ist.
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Differenzverstärker, die aus zwei parallel geschalteten Gegentaktstufen
bestehen, wobei die eine Gegentaktstufe mit dem invertierenden und die andere Gegentaktstufe
mit dem nicht-invertierenden Eingang des Differenzverstärkers verbunden ist, sind
durch einen hohen Stroerstärkungsfaktor und damit durch einen hohen Ausgangsstrom
gekennzeichnet. Der hohe Ausgangsstrom erzeugt in der mit dem Differenzverstärker
verbundenen Spule ein starkes Magnetfeld.
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Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird im folgenden
anhand
der Zeichnungen beschrieben. Es zeigen: Fig. 1 eine schematische Darstellung des
MagnetfeldIneßgerätes Fig. 2 eine Ausgestaltung des Stromimpulsgenerators Fig. 3
ein Diagramm der im Stromimpulsgenerator auftretenden Impulse.
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Das in Fig. 1 dargestellte Magnetfeldmeßgerät weist einen Magnetfeldsensor
mit vier Sensorelementen 1 bis 4 auf. Die Sensorelemente bestehen jeweils aus einem
isolierenden Trägersubstrat, auf dem eine Schicht aus magnetoresistivein Mateci.1l,
beispielsweise aus Permalloy, aufgetragen ist. Wird das Permalloy unter Einwirkung
eines magnetischen Gleichfeldes erhitzt und wieder abgefühlt, bildet sich im Permalloy
eine magnetische Vorzugsrichtung 5 aus. Auf die Permalloyschicht werden mindestens
zwei parallelliegende Leitungsbahnen 33, 34 hoher Leitfähigkeit aufgebracht, die
mit der magnetischen Vorzugsrichtung 5 der Permalloyschicht einen Winkel von 45°
bilden. Werden die äußeren Leitungsbahnen an je einen Pol einer Gleichspannungsquelle
7 angeschlossen, fließt Strom auf senkrecht zu den Leitungsbahnen 33, 34 liegenden
Strombahnen durch die Permalloyschicht, sodaß auch die Strombahnen mit der magnetischen
Vorzugsrichtung 5 einen Winkel von 45° bilden. Die Strombahnen sind in Fig. 1 als
Pfeile zwischen den beiden parallel liegenden Leitungsbahnen 33, 34 der Sensorelemente
1 bis 4 eingezeichnet.
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Die SensorelenenFe 1 bis 4 sind als Wheatstonesche Brücke geschaltet
und derart- atlsgerichtet, daß die magnetischen Vorzugsrichtungen 5 der Sensorelemente
1 bis 4 parallel liegen und daß die Strombahnen zweier in Reihe liegendes
Sensorelemente
1 und 2, 2 und 3, 3 und 4, 4 und 1 senkrecht zueinander und zweier diagonal einander
gegenüberliegender Sensorelemente 1 und 3, 2 und 4 parallel zueinander ausgerichtet
sind. Die Brückenschaltung wird von einer Gleichstromquelle 7 gespeist. Am Nullzweig
der Brücke ist eine Auswerteschaltung 8 angeschlossen.
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In Nähe der Sensorelemente 1 bis 4 ist eine ringförmige Magnetisierungsspule
9 angeordnet, die in Fig. 1 im Schnitt dargestellt ist. Die Sensorelemente 1 bis
4 sind innerhalb der ringförmigen Magnetisierungsspule 9 derart angeordnet, daß
ein von der Magnetisierungsspule 9 erzeugtes Magnetfeld auf alle Sensorelemente
1 bis 4 in gleichem Maße einwirkt. Die Magnetisierungsspule 9 ist mit einem Stromimpulsgenerator
10 verbunden, der über die Anschlüsse 11 und 12 mit Gleichspannung versorgt wird.
Die an den Null zweig der Sensorbrücke angeschlossene Auswerteschaltung 8 kann ein
Wechselspannungsvoltmeter sein, das die Größe der am Nullzweig anliegenden Wechselspannung
mißt und anzeigt. Die Auswerteschaltung 8 kann auch aus einem phasenempfindlichen
Gleichrichter bestehen, welcher die Amplitude und die Phasen lage der am Nullzweig
anliegenden Wechselspannung erfaßt und über eine Anzeigevorrichtung zur Anzeige
bringt.
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Wirkt ein zu erfassendes Magnetfeld 6 auf die Sensorelemente 1 bis
4 ein, wird die Magnetisierungsrichtung gegenüber der Vorzugsrichtung 5 der Sensorelemente
1 bis 4 im Uhrzeigersinn verdreht. Der ohm'sche Widerstand der Sensorelemente 1
und 3 nimmt dadurch ab und derjenige der Sensorelemente 2 und 4 nimmt zu, da der
ohm'sche Widerstand der Sensorelemente 1 bis 4 am kleinsten ist, wenn die Strombahnen
mit der magnetischen Vorzugsrichtung 5 einen Winkel von 90" bilden und dann am größten
ist, wenn
die Strombahnen und die magnetische Vorzugsrichtung 5
parallel liegen. Die am Nullzweig der Brücke anliegende Spannung ist somit ein Maß
für das auf die Sensorelemente 1 bis 4 einwirkende Magnetfeld 6.
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Wird die Magnetisierungsspule 9 vom St romimPulsgenerator 10 mit kurzen
Stromimpulsen c gespeist, die abwechselnd positive und negative Polarität aufweisen,
erzeugt die Magnetisierungsspule 9 Magnetfeldimpulse, deren Polarität im Takt der
Stromimpulse wechselt und die das magnetoresistive Material der Sensorelemente 1
bis 4 ebenfalls im Takt der Stromimpulse ummagnetisieren. Nach einem ersten Magnetfeld
impuls weist das Material beispielsweise die mittels der Pfeile 5 in Fig. 1 ange-le,ltete
Magnetisierutzgsric'atung auf. Von einem darauffolgenden zweiten Magnetfeld impuls
mit zum ersten Magnetfeldimpuls entgegengesetzter Polarität wird das Material unmagnetisiert,
sodaß es nach dem zweiten Magnetfeld impuls entgegen der Richtung der Pfeile 5 magnetisiert
ist. Dadurch wird bei Einwirkung eines Magnetfeldes 6 auf die Sensorelemente 1 bis
4 nach dem zweiten Magnetfeldimpuls die Magnetisierungsrichtung entgegen des Uhrzeigersinnes
verdreht, sodaß der ohm'sche Widerstand der Sensorelemente 1 und 3 abnimmt und derjenige
der Sensorelemente 2 und 4 zunimmt. Nach dem zweiten Magnetfeld impuls liegt somit
am Nullzweig der Brücke eine Spannung mit einer anderen Polarität als nach dem ersten
Magnetfeldimpuls an, wobei die Größe der Spannung unabhängig von der Polarität ist
und lediglich der Starke des zu messenden Magnetfeldes 6 entspricht.
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Somit liegt am Nullzweig der Brücke eine Wechselspannung an, deren
Frequenz von der Frequenz des von der Magnetisierungsspule 9 erzeIlgien magnetischen
Wechselfeldes bestimmt wird und deren Amplitude ein Maß für die Stärke des zu messenden
Magntfeldes 6 ist.
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Die Wechselspannung wird von einer Gleichspannung überlagert, die
schon bei geringen fertigungsbedingten Unterschieden der ohm'schen Widerstände der
Sensorelemente 1 bis 4 einen relativ großen Wert aufweist. Ist die Auswerteschaltung
8 als WecIlselspannangsusltneter ausgebildet, wird lediglich die Wechselspannung,
nicht aber die Gleichspannung gemessen, so daß der vom Wechselspannungsvoltkneter
angezeigte Wert unabhängig von Toleranzen bei der Fertigung der Sensorelemente sehr
genau e1non de:a zu messenden Magnetr-.eld 6 entsprechenden Wert anzeigt.
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Der in Fig. 2 dargestellte Stromimpulsgenerator 10 enthält einen Rechteckimpulsgenerator
15, der einerseits mit dem nicht-invertierenden Eingang 13 eines Differenzverstärkers
18 und andererseits über ein RC-Glied 16 und ein Digitalisierungsglied 17 mit dem
invertierenden Eingang 14 des Differenzverstärkers 18 verbunden ist. Das Digitalisierungsglied
17, das die Ausgangsspannung des RC-Gliedes 16 digitalisiert, ist beispielsweisI?
als Und-Glied ausgebildet, dessen Eingangsklemmen miteinander verbunden sind und
somit gleichzeitig angesteuert werden. Das in Fig. 2 schematisch skizzierte Digitalisierungsglied
17 weist deshalb nur eine Eingangsklemme auf.
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Der Differenzverstärker 18 besteht aus zwei parallelgeschalteten Gegentaktstufen
19 und 20, die jeweils aus einen PNP-Transistor 21, 22 und einem damit in Reihe
geschalteten NPN-Transistor 23, 24 bestehen und über die Anschlüsse 11 und 12 an
eine Gleichspannungsquelle angeschlossen sind.
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Die Basen der Transistoren 22 und 24 sind über Widerstände 25 und
26 mit dem Rechteckimpulsgenerator 15 und die Basen der Transistoren 21 und 23 sind
über Widerstände 27 und 28 mit dem Ausgang des Digitalisierungsgliedes 17 verbunden.
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Die Funktion des Stromimpulsgenerators 10 wird anhand des in Fig.
3 dar'jeLelien Impulsdiagrammes erläutert. Der Rechteckimpulsgncar 15 erzeugt ein
rechteckförmiges Signal a, das einerseits über die Widerstände 25 und 26 den Transistoren
22 und 24 und andererseits dem RC-Glied 16 zugeführt wird. Das Signal a wird im
RC-Glied 16 um eine von der Größe des Kondensators 29 und des Widerstandes 30 abhängige
Zeit T verzögert und anschließend im Digitalisierungsglied 17 digitalisiert, sodaß
sich das Signal b ergibt, das gegenüber den Signal a um die Zeit T verzögert ist.
Das Signal b wird über die Widerstände 27 und 28 den Transistoren 21 und 23 zugeführt.
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Nach den ansteigenden Flanken der Signal impulse a liegt während der
Verzögerungszeit T an den Basen der Transistoren 22 und 24 ein höheres Potential
als an den Basen der Transistoren 21 und 23, sodaß die Transistoren 21 und 24 in
dem leitenden Zustand und die Transistoren 22 und 23 in den Sperrzustand geschaltet
werden. Es ergibt sich somit ein geschlossener Stromkreis von der Anschlußklemme
11 über den Transistor 21. die Anschlußklemme 31, die Magnetisierungsspule 9, die
Anschlußklemme 32, den Transistor 24 zum ,Qasseanschluß 12. Über die Anschlußklemmen
31 und 32 fließt solange ein kurzer Stromimpuls c, bis nach Ablauf der Verzögerungszeit
T die Signale a und b wieder gleiche Pegel annehmen.
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Da die abfallenden Flanken der Signale b um die Verzögerungszeit T
später auftreten als diejenigen der Signale a, liegt während der Verzögerungszeit
T zwischen den Rückflanken der Signale a und b an den Basen der Transistoren 21
und 23 zin ilvjheres Potential als an den Basen der Transistoren 22 und 24, sodaß
nun die Transistoren 22 und 23 in den leitenden Zustand und die Transistoren 21
und 24 in den Sperrzustand geschaltet werden und sich ein
geschlossener
Stromkreis von der Anschlußklemme 11 über den Transistor 22, die Klemme 32, die
Magnetisierungsspule 9, die Klemme 31, den Transistor 23 zum Masseanschluß 12 ergibt.
Wie in Fig. 3 skizziert ist, hat nun der zweite Stromimpuls c eine zum ersten Stromimpuls
entgegengesetzte Polarität.
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