DE3610479A1 - Magnetischer wegsensor - Google Patents

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.