DE3610479A1 - Magnetischer wegsensor - Google Patents
Magnetischer wegsensorInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen
magnetischen Wegsensor zur Erfassung der Lage eines Meßobjektes,
das berührungslos längs eines von zwei wechselstromgespeisten
Erregerspulen magnetisierten weichmagnetischen Kerns bewegbar
angeordnet ist und - abhängig von seiner Position - an einer
Stelle des weichmagnetischen Kerns einen virtuellen Luftspalt
erzeugt und damit den Streufluß des Systems und die in mindestens
einer Sekundärspule erzeugte Spannung beeinflußt.
Ein derartiger Wegsensor ist beispielsweise in der Zeitschrift
Technisches Messen, 50. Jahrgang, 1983, Heft 10, auf den
Seiten 373 bis 378 beschrieben. Dieser Wegsensor enthält einen
langgestreckten rechteckförmigen magnetischen Kern, auf dessen
Schmalseiten je eine Primär- und eine Sekundärwicklung angeordnet
sind. Das Meßobjekt, dessen Lage durch den Wegsensor bestimmt
werden soll, besteht aus einem Kurzschlußring, der eine der
längeren Seiten des weichmagnetischen Kerns umschließt.
Dieser Kurzschlußring bewirkt, daß an seiner jeweiligen Position
ein virtueller Luftspalt in dem weichmagnetischen Kern entsteht,
da die in ihm induzierten Kurzschlußströme weitgehend verhindern,
daß der magnetische Kern an der Stelle des Kurzschlußrings einen
magnetischen Fluß führt.
Wenn sich das Meßobjekt (Kurzschlußring) in der Mitte des lang
gestreckten Schenkels des weichmagnetischen Kerns befindet,
besitzen beide jeweils aus Primär- und Sekundärspule bestehenden
Magnetsysteme das gleiche Streufeld, so daß die in den Sekundär
spulen erzeugten Spannungen einander gleich sein können und sich
in einer Differenzschaltung gegenseitig aufheben.
Verschiebt sich das Meßobjekt aus der Mittellage, so wird die
induzierte Spannung in einer der Sekundärwicklungen vergrößert
und in der anderen verkleinert. Man erhält also eine Spannung,
deren Größe abhängig von der Lage des Meßobjektes ist, so daß
der von dem Meßobjekt zurückgelegte Weg bestimmt werden kann.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine derartige Meß
einrichtung bei mindestens gleicher Genauigkeit wesentlich zu
vereinfachen und deren Einsatzmöglichkeiten zu erweitern.
Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß der
weichmagnetische Kern als längsgestreckter Streifen ausgebildet
ist, daß um den weichmagnetischen Kern mit Abstand voneinander
zwei Erregerspulen gewickelt und so an eine Wechselspannungs
quelle angeschlossen sind, daß die in den Erregerspulen fließen
den Erregerströme den weichmagnetischen Kern gegensinnig magneti
sieren, daß zwischen den Erregerspulen eine Sekundärwicklung auf
den weichmagnetischen Kern gewickelt ist, deren Länge dem erfaß
baren Weg entspricht und daß im Bereich der Sekundärspule ein
Meßobjekt längs zum weichmagnetischen Kern bewegbar ist, das im
weichmagnetischen Kern einen virtuellen Luftspalt erzeugen kann.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unter
ansprüchen beschrieben.
Die Wirkungsweise des neuen Wegsensors wird nachstehend anhand
der Fig. 1 bis 4 beschrieben. Fig. 5 zeigt eine Anordnung
mit verringerter Empfindlichkeit gegen störende Gleichfelder.
In Fig. 1 ist der Aufbau des erfindungsgemäßen Wegsensors
schematisch - ohne Halterungen, Gehäuse usw. - dargestellt.
Er besteht aus einem Träger 1, der beispielsweise aus einem
Kunststoffstreifen bestehen kann und aus einem auf den Träger 1
aufgeklebten Streifen aus amorphem Metall, der den weich
magnetischen Kern bildet.
Hierzu kann jeder weichmagnetische Werkstoff verwendet werden,
allerdings zeichnet sich amorphes Metall dadurch aus, daß es
biegeunempfindlich ist und eine hohe Permeabilität aufweist.
Verwendet man ein amorphes Metall aus einer Kobalt-Basislegierung
mit verschwindend kleiner Magnetostriktion, so wäre es ohne
weiteres möglich, zusammen mit einem elastischen Träger auch
nichtgeradlinige Wegsensoren herzustellen.
Im Bereich der Enden des Trägers 1 und des weichmagnetischen
Kerns 2 sind zwei Erregerspulen 3 und 4 angeordnet;
eine Sekuudärspule 5 befindet sich zwischen den Erregerspulen
3 und 4 und füllt den gesamten Raum zwischen diesen Erreger
spulen aus.
Als Meßobjekt 11 dient ein Dauermagnet, der in Richtung der
Pfeile 6 und 7 - also längs des weichmagnetischen Kerns 2 -
verschiebbar ist. Der Abstand des Meßobjektes 11 von der
Sekundärspule 5 bzw. vom weichmagnetischen Kern 2 kann so groß
gewählt werden, daß der weichmagnetische Kern 2 von dem
Magneten gerade noch gesättigt wird. Durch die Sättigung des
weichmagnetischen Kerns 2 in der Position des Meßobjektes 11
wird erreicht, daß hier ein virtueller Luftspalt entsteht.
Wie beim Bekannten könnte man beim Gegenstand des erfindungs
gemäßen Wegsensors ebenfalls einen Kurzschlußring verwenden;
dies würde immer noch eine Vereinfachung bedeuten, da der
Kurzschlußring seitlich einfach auf den weichmagnetischen Kern 2
aufgeschoben werden kann, während er beim Bekannten um einen
Schenkel eines geschlossenen magnetischen Rechteckkerns
gewickelt werden muß.
Vorteilhafterweise besitzen die Windungen der Sekundärspule 5
voneinander gleichen Abstand, da sich dann ein von der Ver
schiebung des Meßobjektes 11 weitgehend linear abhängiges
Ausgangssignal ergibt - also kein besonderer Aufwand zur Lineari
sierung des analogen Ausgangssignals des erfindungsgemäßen Weg
sensors erforderlich ist.
Fig. 2 zeigt, daß sich auf besonders einfache Weise ein gleich
mäßiger Abstand der einzelnen Windungen der Sekundärspule 5
voneinander dadurch erzielen läßt, daß der Träger 1 etwas breiter
gewählt ist als der weichmagnetische Kern 2 und an seinen Rändern
Einkerbungen 8 zur Aufnahme des die Windungen der Sekundärspule 5
bildenden Drahtes besitzt.
ln Fig. 3 ist die Schaltung der in den Fig. 1 und 2 darge
stellten Anordnung aufgezeigt. Die Erregerwicklungen 3 und 4
sind in Reihe an eine Wechselspannungsquelle 9 so angeschlossen,
daß sie versuchen, den weichmagnetischen Kern 2 gegensinnig zu
magnetisieren. Mit dem Meßobjekt 11 in Mittelstellung ergibt sich
ein durch Unterbrechung des weichmagnetischen Kerns 2 angedeuteter
virtueller Luftspalt 10 in der Mitte zwischen den Erregerspulen
3 und 4. Da sich an dieser Stelle ohnehin wegen der gegensinnigen
Magnetisierung der Enden des weichmagnetischen Kerns 2 kein
magnetischer Fluß befindet, hat der virtuelle Luftspalt an dieser
Stelle keinen Einfluß auf die in der Sekundärspule 5
erzeugten Spannungen. Diese Spannungen sind mit u a und u b
bezeichnet und sind einander entgegengerichtet (um 180° phasen
verschoben), wie in Fig. 3 angedeutet ist. An den Anschlüssen
12 und 13 der Sekundärspule 5 liegt damit die Summenspannung u s
an, die bei der in Fig. 3 dargestellten Position des Meß
objektes 11 den Wert 0 hat.
Fig. 4 zeigt die gleiche Anordnung wie Fig. 3 nur mit dem
Unterschied, daß das Meßobjekt 11 nach links verschoben ist.
Man sieht, daß hierdurch die Spannung u a vermindert und die
Spannung u b vergrößert ist, so daß sich ein von der Fosition des
Meßobjektes 11 abhängiger Wert für die Summenspannung u s ergibt.
Durch die exzentrische Lage des virtuellen Luftspalts 10 wird
erreicht, daß in der Mitte zwischen den Erregerspulen 3 und 4
der von der Erregerspule 3 ausgehende Fluß geschwächt wird, so
daß der Magnetisierungseinfluß der Erregerspule 4 überwiegt.
Bei der beschriebenen erfindungsgemäßen Anordnung mit einem
Dauermagneten als Meßobjekt 11 können magnetische Gleichfelder
je nach Stärke und Richtung den durch das Meßobjekt 11 erzeugten
virtuellen Luftspalt 10 in Größe und Lage beeinflussen. Die sich
hieraus ergebende Verfälschung des Meßwertes (Summenspannung u s )
läßt sich wesentlich verringern, wenn man zwei zu beiden Seiten
der Sekundärspule 5 einander gegenüber angeordnete Dauermagnete
14 und 15 verwendet, die zusammen dann das Meßobjekt 11 bilden.
Verwendet man Magnete als Meßobjekt 11, so können diese beliebige
Richtungen im Verhältnis zum weichmagnetischen Kern 2 aufweisen,
vorausgesetzt, daß sie an ihrer Position den weichmagnetischen
Kern 2 sättigen können und damit einen virtuellen Luftspalt
erzeugen.
Claims (9)
1. Magnetischer Wegsensor zur Erfassung der Lage eines Meß
objektes (11), das berührungslos längs eines von zwei wechsel
stromgespeisten Erregerspulen (3, 4) magnetisierten weichmagneti
schen Kerns (2) bewegbar angeordnet ist und - abhängig von seiner
Position - an einer Stelle des weichmagnetischen Kerns (2) einen
virtuellen Luftspalt (10) erzeugt und damit den Streufluß des
Systems und die in mindestens einer Sekundärspule (5) erzeugte
Spannung beeinflußt, dadurch gekennzeichnet,
daß der weichmagnetische Kern (2) als längsgestreckter Streifen
ausgebildet ist, daß um den weichmagnetischen Kern (2) mit
Abstand voneinander zwei Erregerspulen (3, 4) gewickelt und so an
eine Wechselspannungsquelle (9)geschlossen sind, daß die in
den Erregerspulen (3, 4) fließenden Erregerströme den weich
magnetischen Kern (2) gegensinnig magnetisieren, daß zwischen
den Erregerspulen (3, 4) eine Sekundärwicklung (5) auf den
weichmagnetischen Kern (2) gewickelt ist, deren Länge dem erfaß
baren Weg entspricht und daß im Bereich der Sekundärspule (5)
ein Meßobjekt (11) längs zum weichmagnetischen Kern (2) bewegbar
ist, das im weichmagnetischen Kern (2) einen virtuellen Luftspalt
(10) erzeugen kann.
2. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch
gekennzeichnet, daß als Meßobjekt (11) ein in der
Nähe des weichmagnetischen Kerns (2) angeordneter Dauermagnet
vorgesehen ist.
3. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 2, dadurch ge
kennzeichnet, daß an zwei gegenüberliegenden Seiten
des magnetischen Kerns (2) als Meßobjekt (11) je ein Magnet
(14, 15) so angeordnet ist, daß unterschiedliche pole an den
dem benachbarten Kern (2) zugewandten Seiten vorhanden sind.
4. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch
kennzeichnet, daß als weichmagnetischer Kern (2) ein
Streifen aus amorphem Metall vorgesehen ist.
5. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß der den magnetischen Kern (2)
bildende Streifen aus amorphem Metall auf einen Träger (1)
aufgeklebt ist.
6. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Träger (1) in Abständen
voneinander Einkerbungen (8) zur Aufnahme und Fixierung der
Windungen der Sekundärspule (5) aufweist.
7. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 1, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Sekundärspule (5) so gewickelt
ist, daß ihre Windungen voneinander überall den gleichen Abstand
aufweisen.
8. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 4, dadurch ge
kennzeichnet, daß für den Streifen aus amorphem
Metall eine Kobalt-Basislegierung mit niedriger Magnetostriktion
verwendet wird.
9. Magnetischer Wegsensor nach Anspruch 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß der Streifen aus amorphem Metall
auf einen elastischen Träger (1) aufgeklebt ist, so daß sich der
magnetische Kern (2) mit dem Träger (1) verbiegen läßt und der
Wegsensor auch nichtlineare Bewegungen erfassen kann.
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