DE3685859T2

DE3685859T2 - Vibrationsempfindlicher transduktor.

Info

Publication number: DE3685859T2
Application number: DE8686302727T
Authority: DE
Inventors: Ian Macalindin
Original assignee: Geoquip Security Systems Ltd
Current assignee: Geoquip Ltd
Priority date: 1985-04-17
Filing date: 1986-04-11
Publication date: 1992-12-17
Anticipated expiration: 2006-04-12
Also published as: AU5615286A; GB2175771B; US4760295A; EP0206458A2; EP0206458B1; EP0206458A3; DE3685859D1; GB2175771A; GB8608886D0; AU591894B2; ATE77879T1

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft einen linearen vibrationsempfindlichen Wandler, der in erster Linie zur Befestigung an Begrenzungszäunen oder sonstigen Einrichtungen ausgelegt ist, wenngleich er auch auf anderen Gebieten, die nicht direkt etwas mit der Sicherheitsindustrie zu tun haben, ohne weiteres Anwendung finden kann. Die Funktionsweise des Wandlers besteht darin, daß er beim Auftreffen von mechanischen Schwingungen auf die Außenfläche der Vorrichtung elektrische Signale erzeugt. Wenn die so erzeugten Signale elektronisch verarbeitet werden, ist es möglich, die Art der diese Signale erzeugenden Störung zu ermitteln und somit vor drohenden Untaten zu warnen.
Bis heute basieren die meisten Alarmanlagen, die mit linearen Schwingungssensoren arbeiten, entweder auf dem natürlichen Mikrophoneffekt eines Koaxialkabels, wo der Mechanismus der Signalerzeugung dem triboelektrischen Effekt zugeschrieben wird, oder auf einer Abwandlung dieses Effekts, wo das dielektrische Material des Kabels einer Behandlung unterzogen wird, die die Empfindlichkeit des Kabels verbessert. Diese letztere Gerätegattung umfaßt unter anderem elektretartige und piezoelektrische Kabel. Diese Sensorarten erzeugen zwar ausreichende Signalpegel, sind aber in keiner Weise ideal geeignet für den beschriebenen Anwendungszweck. Die hervorstechenden Nachteile dieser Sensoren werden nachfolgend erläutert.

1) Hohe Ausgangsimpedanz:

Wenn, was oft der Fall ist, die analogen Signale von dem Sensorkabel zu einer zentralen Überwachungsstelle zurückgeleitet werden müssen, muß eine Art Pufferschaltung zwischen dem Sensor und dem Verbindungskabel vorgesehen sein, damit die höherfrequenten Anteile des Signals nicht durch den kapazitiven Widerstand des Kabels gedämpft werden. Diese Schaltung muß notwendigerweise physikalisch neben dem Sensor angeordnet sein und kann extremen klimatischen Bedingungen ausgesetzt sein, was die Zuverlässigkeit des Systems vermindert. Die Pufferschaltung benötigt auch eine Stromquelle, was in den meisten Fällen dazu führt, daß ein zusätzliches Leiterpaar zu dem Schnittstellenkasten gelegt werden muß. Dieses zusätzliche Verlegen von Kabeln führt zu einem beachtlichen Anstieg der Montagekosten und ist somit unerwünscht. Hohe Quellimpedanzen verhindern ebenfalls die Realisierung eines wirklich rauscharmen, leistungsstarken Systems, da eine Voraussetzung für ein rauscharmes System eine niedrige Quellimpedanz ist.

2) Schwankungen in der Empfindlichkeit des Sensors:

Im Falle von vorbehandelten dielektrischen Kabeln, die den größten Prozentsatz bei dieser Art von System ausmachen, hängt der Grad der Empfindlichkeit mit der Höhe der elektrischen Beanspruchung zusammen, die während der Sensibilisierung auf das Dielektrikum ausgeübt werden kann. Da es unmöglich ist, eine 100%ige Gleichmäßigkeit der Kabelabmessungen während der Herstellung zu garantieren, folgt daraus, daß die maximale Beanspruchung, die auf das Kabel ausgeübt werden kann, dahingehend modifiziert werden muß, daß ein Versagen an der schwächsten Stelle des Kabels verhindert wird. Das heißt, daß alle anderen Stellen auf der Länge des Kabels weniger empfindlich sind als der(die) schwächste(n) Abschnitt(e), und bei anderen herstellungsbedingten Ungleichmäßigkeiten eine andere Empfindlichkeit zeigen werden.

Hohe Kosten pro Meter:

Die meisten der derzeit verwendeten Sensoren bestehen aus einem PTFE-Dielektrikum, das an sich schon ein teures Material ist; ein Hauptproblem bei der Herstellung von langen PTFE-Kabeln liegt jedoch in der Schwierigkeit, große Partien von rohem PTFE mit ausreichend gleichmäßigen Eigenschaften zu erhalten, um während der Fertigung enge Toleranzen sicherzustellen. Aus diesem Grund sind die Kosten für Längen von wesentlich mehr als 100 m im Verhältnis im allgemeinen beträchtlich höher als für Längen von 1000 m oder weniger.
Diese obengenannten Punkte kennzeichnen die Hauptnachteile der koaxialen Sensoren.
Der im nachfolgenden Text beschriebene Sensortyp arbeitet nach einem völlig anderen Prinzip als die früher beschriebenen. Während die koaxialen Sensortypen die Bewegung von Leitern in einem elektrischen Feld umfassen, beruht die Funktionsweise dieses Sensors auf der Bewegung von Leitern in einem Magnetfeld. Bekanntermaßen führt die mechanische Bewegung eines Leiters in einem Magnetfeld zur Erzeugung einer EMK an den Enden des Leiters. Bei solchen Sensoren ist ein Leiter so angeordnet, daß er sich auf Grund von außen erzeugten mechanischen Schwingungen, die auf die äußere Hülle des Sensors auftreffen, innerhalb eines Magnetfelds bewegen kann. Da es möglich ist, flexible magnetische Werkstoffe herzustellen, ist es auch möglich, einen Schwingungssensor zu bauen, der auf diesem Prinzip beruht und die Vorteile der früheren Arten von strangförmigen Sensoren aufweist.
Ein solcher Sensor ist in der US-A-3 659 257 (Witzell) offenbart, der ein leitungsartiges Hydrophon ist zur Verwendung bei seismographischen Untersuchungen. Bei diesem Hydrophon ist ein flexibler Magnetstreifen in einer Hülle aus geschlossenzelligem Schaumkunststoff angeordnet, um die in Längsrichtung ein elektrischer Leiter gewickelt ist, der mittels Klebeband in festem Kontakt mit der Hülle gehalten ist. Die Hülle ist bis zu einem gewissen Grad flexibel, so daß sich auf Grund gewisser mechanischer Einwirkungen auf den Strang der Draht in bezug auf den Magneten bewegen kann (Biegen der Hülle), so daß darin ein elektrischer Strom induziert wird.
Gemäß der vorliegenden Erfindung ist ein strangförmiger Wandler angegeben zum Erzeugen von elektrischen Signalen auf Grund einer mechanischen Schwingung oder eines mechanischen Impulses, mit einem langgestreckten Gebilde, das magnetischen Fluß erzeugende Mittel und einen elektrischen Leiter aufweist, der auf Grund einer mechanischen Einwirkung auf den Strang sich in dem von den flußerzeugenden Mitteln erzeugten Magnetfeld bewegt und dadurch die genannten Signale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter seitwärts von den magnetischen Fluß erzeugenden Mitteln derart lose gehalten ist, daß er auf Grund der mechanischen Einwirkung zwischen sich in Längsrichtung erstreckenden Begrenzungsmitteln frei beweglich ist.
Vorzugsweise umfassen die magnetischen Fluß erzeugenden Mittel einen langgestreckten Abschnitt aus einem flexiblen magnetisierten Material. Dies kann in Form eines Bandes vorliegen, wo der elektrische Leiter oder die elektrischen Leiter beispielsweise an einem Rand entlang verläuft bzw. verlaufen (sofern einer vorhanden ist), oder wo zwei elektrische Leiter (sofern zwei vorhanden sind) beispielsweise an beiden Rändern entlang verlaufen.
Die Leiter können aus sehr feinem Draht bestehen, der lose in einem Rohr mit kleinem Innendurchmesser sitzt, das an den magnetischen Fluß erzeugenden Mitteln befestigt oder einstückig mit diesen ausgebildet ist.
Um die Empfindlichkeit des Wandlers gegen äußere Magnetfelder zu reduzieren, kann der Leiter bzw. die Leiter so angeordnet sein, daß er bzw. sie mit einem außen angelegten Feld nicht induktiv gekoppelt ist bzw. sind; dies kann beispielsweise dadurch erreicht werden, daß der bzw. die Leiter in einen Stromkreis mit zusätzlichen Leitern geschaltet werden, die so festgelegt sind, daß sie in dem Magnetfeld nicht vibrieren können, und somit keine EMKs in ihnen induziert werden können. Ferner können sie so angeordnet sein, daß ein symmetrischer Ausgang in bezug auf eine "zentrale Abzweigstelle" entsteht; die zentrale Abzweigstelle kann durch einen oder mehrere der bereits erwähnten festgelegten Leiter gebildet werden, oder, wenn der magnetisierte Kern leitend ist, durch den Kern.
Die Schaltungsanordnungen, mit denen die obigen Funktionen erreicht werden, sind nachfolgend beschrieben.
In einer alternativen Ausführungsform kann ein in seiner Hülle lose sitzender Draht entlang des Kerns mit einem Leiter zu einem "Adernpaar" verdrillt sein, der in bezug auf den Kern nicht beweglich ist, z.B. ein herkömmlicher isolierter Draht, der an dem Kern befestigt ist. Die Verwendung eines verdrillten Adernpaares führt zu einem geringen Eigenrauschen, und bei Verwendung eines festgelegten Drahtes wird das Löschen von Signalen vermieden, anders als bei Verwendung von zwei lose verlegten Drähten. Diese Merkmale (das verdrillte Adernpaar und die Verwendung eines festgelegten Leiters) können unabhängig voneinander eingesetzt werden.
In einer alternativen Ausführungsform kann der Wandler in Form eines Stranges vorliegen, der einen magnetisierten Kern mit im allgemeinen kreisförmigem Querschnitt aufweist, in dessen Oberfläche Schlitze vorgesehen sind, in denen die elektrischen Leiter angeordnet sind. Der Kern kann einstükkig ausgebildet sein oder er kann aus zwei oder mehr komplementären, ähnlich geformten Teilen bestehen, d.h. aus zwei Teilen mit im allgemeinen halbkreisförmigem Querschnitt und mit Vertiefungen in ihrer Oberfläche, die beim Zusammenbauen der beiden Hälften, die sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitze für die Leiter bilden.
Damit sich die aktiven Leiter in bezug auf das Magnetfeld bewegen können, das durch den Kern auf Grund einer Schwingung des Stranges erzeugt wurde, während die Rückleiter in bezug auf das Magnetfeld ortsfest gehalten werden, sind die Schlitze für die Rückleiter so ausgelegt, daß die Rückleiter in diesen Schlitzen festgelegt sind, während die Schlitze für den aktiven Leiter größer sind als der Durchmesser des Leiters.
Die Einheit aus Kern und Leitern ist vorzugsweise mit einem äußeren Mantel umhüllt, der dazu dient, den Strang zu schützen, und der außerdem dazu dienen kann, zu verhindern, daß die aktiven Leiter aus ihren Schlitzen geschoben werden. Eine elektrostatische Abschirmung aus Folienband kann vor dem Umhüllen mit dem äußeren Mantel um den Kern und die Leiter gewickelt werden.
Um zu verhindern, daß das Material des Mantels in die Schlitze eindringt, kann ein Stück aus extrudiertem Kunststoff in die Schlitze gepreßt werden, bevor der Mantel angebracht wird.
Die Ausführung des Stranges mit einem durchgehend kreisförmigen Querschnitt hat im Vergleich zu einem Band den Vorteil, daß verschiedene herkömmliche Zubehörteile und Bauteile (z.B. Durchführungen und Kabelstutzen) mitverwendet werden können, daß die Herstellung unkompliziert ist, und daß ein stärkeres Magnetfeld, in dem sich der(die) Leiter bewegen kann(können), erzeugt werden kann.
Die Erfindung gibt ferner eine Überwachungsvorrichtung an zu Zwecken der Sicherheits-, Gefahren- und Zustandsüberwachung, die im Gebrauch mit dem Wandler gekoppelt ist und die Schaltung aufweist, die auf eine in dem Wandler induzierte EMK anspricht, die ein diesen Zustand anzeigendes elektrisches Signal erzeugt; der Wandler kann auch an sich eine Ausführungsform der Erfindung darstellen.
Die Erfindung wird anhand eines nicht begrenzten Beispiels mit Bezug auf die beiliegende Zeichnung näher erläutert, in der:
Fig. 1a eine Draufsicht auf eine Ausführungsform des Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung darstellt;
Fig. 1b in einem großen Maßstab eine schematische Detailansicht des Wandlers von Fig. 1a darstellt;
Fig. 2 das Muster des magnetischen Flusses in dem Wandlerkern darstellt;
Fig. 3, 4 und 5 weitere Ausführungsformen des Wandlers gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen;
Fig. 6 eine schematische Darstellung des Querschnitts der Ausführungsform von Fig. 5 zeigt;
Fig. 7a eine Ansicht gemäß Fig. 1a einer weiteren Ausführungsform der Erfindung darstellt;
Fig. 7b und 7c Detailansichten der Leiter des Wandlers darstellen.
Fig. 8a den Aufbau des Kerns einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
Fig. 8b eine Querschnittdarstellung der zweiten Ausführungsform zeigt.
Fig. 1 zeigt die allgemeine Anordnung von Leitern in einer ersten Ausführungsform der Erfindung und ihre physikalische Anordnung in bezug auf den Kern 2 aus dem magnetischen Material. Der magnetische Kern 2, der das zentrale Element der Einheit ist, umfaßt einen flexiblen Streifen aus einem metallischen Werkstoff, der permanentmagnetisiert wird, indem man ihn einem starken äußeren Magnetfeld aussetzt; wahlweise könnte der Kern 2 auch aus einem Kunststoff bestehen, vorzugsweise aus einem elektrisch leitenden, da es vorteilhaft ist, wenn der Kern bei der Überwachungsvorrichtung, mit der der Wandler 1 verbunden ist, an Erde gelegt ist. Die Polarisationsrichtung des Feldes liegt im rechten Winkel zur Länge des Streifens, und das Feld hat auf der ganzen Länge des Streifens dieselbe Ausrichtung. Damit die fertige Einheit flexibel genug ist, hat der Streifen geeigneterweise nur eine Dicke in der Größenordnung von 0,05 mm, während die Breite des Streifens im Bereich von 6 mm liegt. Fig. 2 zeigt die Verteilung des magnetischen Flusses, wie sie beim Blick auf das Ende eines Abschnitts des Streifens erscheinen würde.
An jedem Rand des Kerns 1 entlang verläuft jeweils ein leitender Draht 3a, 3b, der jeweils lose in einem Rohr oder einer Hülle 4a, 4b mit kleinem Innendurchmesser verläuft, das bzw. die an dem Kern 1 befestigt oder einstückig damit ausgebildet ist. Die Drähte 3a, 3b liegen also im Bereich der jeweiligen Pole des Kerns 1. Jede durch die Hülle der Einheit übertragene Schwingung führt dazu, daß der Draht mitschwingt, und dabei entsteht in dem Draht eine EMK auf Grund seiner Bewegung in dem Magnetfeld.
In Fig. 1A wird der Signalausgang SO von den linken Enden der Leiter 3a und 5a genommen und ist symmetrisch in bezug auf eine mittlere Abzweigstelle CT, die durch die Verbindung zwischen den linken Enden der Leiter 3b und 5b gebildet wird. Man kann sehen, daß die Leiter sich an dem fernen, rechten Ende überkreuzen, wobei der Leiter 5a mit dem Leiter 3b verbunden ist, und der Leiter 5b mit dem Leiter 3a. Alle Leiter können emailbeschichtet oder auf sonstige Weise isoliert sein. Fig. 1B soll die Funktionsweise der Ausführungsform von Fig. 1A verständlicher machen und zeigt die Eingangsimpedanz Z des Überwachungsstromkreises.
Der Überwachungsstromkreis kann jede geeignete Art von Analog- und Digitalschaltung oder beides enthalten, um den Ausgang des Wandlers in geeigneter Weise zu überwachen, und um ein oder mehrere Ausgangssignale zu erzeugen, die den Zustand anzeigen, der überwacht werden soll. Die Schaltung kann eine Signalverarbeitungsschaltung aufweisen, die ein oder mehrere Kennwerte des Wandlerausgangs überwacht, z.B. den Spektralanteil, die Amplitude oder Dauer, die abhängt von der Schwingung oder Bewegung, die erfaßt werden soll.
Die Anordnung der in Fig. 1A dargestellten Leiter insgesamt ist so gewählt, daß der durch die mechanische Schwingung erzeugte Signalpegel maximiert wird, während die durch die äußeren elektromagnetischen Felder induzierten Signale minimiert werden. Dies wird dadurch erreicht, daß die durch die Leiter gebildete Schleife so angeordnet wird, daß sie nicht induktiv gekoppelt ist, soweit äußere elektromagnetische Felder betroffen sind. Zu diesem Zweck verlaufen die Rückleiter 5a, 5b (d.h. nicht die in Schwingung versetzten Leiter 3a, 3b), die in bezug auf den Kern 1 durch das extrudierte Umhüllungsmaterial festgelegt sind, entlang einer Bahn, die dem aktiven Leiter so dicht wie möglich folgt, so daß die Leiteranordnung insgesamt als bifilar gewickelte Schleife erscheint, d.h. als zwei entgegengesetzt gerichtete Schleifen, die im allgemeinen den Effekt der außen induzierten Magnetfelder aufheben. Die endgültige Realisierung dieses Ziels kann dadurch erreicht werden, daß man ein verdrilltes Paar von Drähten im Bereich jedes Pols des magnetischen Materials verwendet. Normalerweise würde das heißen, daß das gewünschte Signal, das auf Grund der empfangenen Schwingungen erzeugt wurde, ebenfalls minimiert würde, abgesehen davon, daß ein Draht des Paares in Bezug auf das Magnetfeld festgelegt ist. Dies wird dadurch erreicht, daß man einen viel dickeren Draht verwendet, der durch das äußere Umhüllungsmaterial in seiner Position "verriegelt" ist. Im Endergebnis werden daher die auf die Anordnung auftreffenden mechanischen Schwingungen EMKs in den Leitern erzeugen, die sich in dem Magnetfeld frei bewegen können, so daß ein Stromfluß in der durch die Leiter und die Abschlußimpedanz gebildeten Schleife erzeugt wird. Durch äußere elektrische Einflüsse erzeugte, sich bewegende Magnetfelder werden jedoch im allgemeinen Ströme in den Schleifenelementen erzeugen, die sich gegenseitig aufheben, soweit das bei der Abschlußimpedanz auftretende resultierende Signal betroffen ist. Auf mechanische Schwingungen zurückzuführende Signale werden verstärkt, indem die Verbindung der beiden "aktiven" Leiter so angeordnet wird, daß die durch die Schwingungen erzeugten EMKs additiv sind. Wenn man annimmt, daß an einer bestimmten Stelle des Sensors eine Erschütterung auftritt, geht man vernünftigerweise davon aus, daß beide "aktiven" Leiter aufgrund der Erschütterung eine Beschleunigung in derselben Richtung erfahren. Da die Polarisationsrichtung des Magnetfeldes bei beiden Leitern dieselbe ist, wird auch die Richtung des induzierten Stromflusses in jedem Leiter dieselbe sein. Würde man die beiden Leiter nun am selben Ende der Anordnung verbinden, würden die in der nun mit der Abschlußimpedanz gebildeten Schleife induzierten Ströme sich im allgemeinen aufheben, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors herabgesetzt wird. Fig. 3 zeigt diese weniger vorteilhafte Anordnung, wo nur die beiden umhüllten Leiter 3a und 4a an den gegenüberliegenden Seiten des Kerns 2 befestigt sind.
Wenn die Leiter jedoch in der in Fig. 1 dargestellten Weise angeordnet sind, ist zu erkennen, daß die in derselben Richtung in jedem "aktiven" Leiter induzierten Ströme additiv sind, wodurch die Empfindlichkeit des Sensors insgesamt verbessert wird. In der Praxis hat sich herausgestellt, daß angemessene Signalpegel erreicht werden, wenn man die in Fig. 3 dargestellte Anordnung verwendet. Dies ist darauf zurückzuführen, daß infolge der mechanischen Begrenzung beide Leiter sich nie genau im Gleichklang miteinander bewegen, so daß immer ein resultierender Strom erzeugt wird. Eine weitere Verbesserung bezüglich der Unterdrückung unerwünschter Störsignale kann dadurch erreicht werden, daß man den metallischen Magnetstreifen auf Erde legt, so daß ein gewisses Maß an elektrostatischer Abschirmung im Bereich der Leiter erreicht wird.
Fig. 4 zeigt eine Abwandlung der in Fig. 3 dargestellten Anordnung. In diesem Fall wird ein metallischer Magnetstreifen 2 als Rückleiter verwendet anstelle getrennter Leiter, wie zum Beispiel 5a und 5b in Fig. 1A und 1B, so daß die in den aktiven Leitern induzierten Ströme nun phasengleich sind, was die Empfindlichkeit des Sensors erhöht. Diese Anordnung, wie auch die von Fig. 3, kann jedoch einer extern induzierten elektromagnetischen Störung unterworfen sein.
Fig. 5 zeigt eine Abwandlung der Anordnung von Fig. 1. In diesem Fall sind die Einheiten 3a, 4a, 3b, 4b aus aktivem Leiter und Rohr auf der Oberseite des Magnetstreifens 2 im Bereich der Ränder angeordnet. Wenn das Extrudierverfahren abgeschlossen ist und die Leiter und der Magnetstreifen zueinander festgelegt sind, kann man die Einheit auf die Hälfte "zusammenfalten", wie es in Fig. 6 dargestellt ist. Wenn, wie es hier dargestellt ist, die "aktiven Leiter 3a, 3b in Form eines "Sandwich" zwischen dem zusammengefalteten Magnetstreifen 2 angeordnet sind, wirkt auf sie nun ein stärkeres Magnetfeld infolge der Verringerung des Luftspaltes zwischen den Polen des Magneten. Der Magnetstreifen sieht nun ähnlich aus wie der bekannte "Hufeisen"-Magnet. Das Zusammenfalten des Sensors auf die Hälfte kann in einfacher Weise beispielsweise während der Montage eines solchen Sensors auf einem Begrenzungszaun erfolgen, da der Sensor normalerweise mit Kunststoffbändern befestigt wird, die auch dazu dienen könnten, die Einheit im "zusammengefalteten" Zustand zu halten. Je nach der Dicke des Umhüllungsmaterials der Rohre 4a, 4b und der endgültigen Steifigkeit der Einheit, kann es notwendig sein, einen etwas breiteren Magnetstreifen zu verwenden, um die Einheit vollständig zu einer "U"-Form falten zu können. Das Zusammenfalten könnte natürlich gewünschtenfalls auch während der Herstellung erfolgen.
Die Fig. 7a bis 7c zeigen eine weitere Ausführungsform der Erfindung, die diese Nachteile vermindern oder ausschalten soll. Hier sieht man, daß die Leiter 3a, 3b durch ein Element A ersetzt wurden, welches einen Leiter 3 enthält, der wieder lose in seiner Hülle 4 sitzt und so in bezug auf den Magnetkern 2 bewegbar ist, als "verdrilltes Adernpaar" angeordnet ist, und am entfernten Ende über ein Leiterverbindungsglied 8 mit einem Element B verbunden ist, welches einen Draht 6 enthält, der ein herkömmlicher Draht ist mit einem leitenden Kern 7 und einer eng sitzenden Hülle 9, und auf diese Weise ist der leitende Kern 7 unfähig, sich im selben Maß wie der Draht 3 in bezug auf den Magnetkern 2 zu bewegen.
Das verdrillte Paar von Leitern ist im Kontakt mit der Oberfläche des metallischen Streifens durch den äußeren Mantel des Stranges festgelegt.
Die Verwendung von Drähten in einem verdrillten Adernpaar beseitigt das erste Problem der induzierten Störung, da dieses von Natur aus gegen eine externe elektromagnetische Störung unempfindlich ist. Die Verwendung des Drahtes 6 dient dazu, das Problem der Löschung von Signalen zu beseitigen, da er nicht in dem Magnetfeld des Kerns 2 schwingt und daher verhindert, daß Signale gelöscht werden. Um ein symmetrisches System aufrechtzuerhalten, werden beide Leiter dieser Anordnung in bezug auf Faktoren identisch sein, die das Widerstandsmaterial, die Querschnittsfläche, die Bauart, den Temperaturkoeffizienten, etc. bestimmen.
Die Fig. 8a und 8b zeigen eine zweite Ausführungsform der Erfindung, wo der Wandler in Form eines Stranges und nicht in Form eines Bandes vorliegt. Wie in Fig. 8a dargestellt, besteht der Kern 2 aus zwei identisch geformten Teilen 2a und 2b aus magnetischem Material. Jeder Teil ist im allgemeinen im Querschnitt halbkreisförmig und besitzt in seiner Oberfläche eine rechteckige Vertiefung 12a oder 12b, die einen sich in Längsrichtung erstreckenden Schlitz darstellt, und zwei sich in Längsrichtung erstreckende, entgegengesetzt angeordnete abgerundete Einkerbungen 10a und 10b. Wenn die beiden Teile in der dargestellten Weise zusammengebaut sind, bilden sie einen Kern mit zwei Paaren von in Längsrichtung verlaufenden Schlitzen 10 und 12, die symmetrisch um die Ebene 11 angeordnet sind.
Die abgerundeten Einkerbungen sind derart bemessen, daß das Paar von Schlitzen 10, das sie in dem zusammengebauten Kern bilden, breiter ist als das Paar von rechteckigen Schlitzen 12.
Die zwei Teile 2a und 2b des Kerns sind so magnetisiert, daß man die in Fig. 8B dargestellte Polkonfiguration erhält, wo die Pole mit "N" und "S" bezeichnet sind. Eine solche Polkonfiguration hat den Vorteil, daß die zwei Teile des Kerns einander anziehen, was die Herstellung erleichtert.
Der Wandler hat die in Fig. 8B dargestellte Bauweise. Die Leiter 13a, 13b, 14a und 14b sind alle gleich, wobei die Rückleiter 14a, 14b in den Schlitzen 12 angeordnet sind und die aktiven Leiter 13a, 13b in den Schlitzen 10.
Der Durchmesser der Leiter ist so, daß die Rückleiter 14a, 14b fest in der festgelegten Position in den Schlitzen 12 gehalten sind, aber die aktiven Leiter 13a, 13b sich frei in Schlitzen 10 bewegen können entsprechend der mechanischen Schwingung des Stranges, und dadurch die elektrischen Signale erzeugen.
Der Kern und die Leiter sind mit einem äußeren Mantel 15 umhüllt, der aus Kunststoff besteht, der auf den Strang extrudiert wurde. Der äußere Mantel 15 hat die zweifache Aufgabe, den Strang zu schützen und zu verhindern, daß die aktiven Leiter 13a, 13b aus den Schlitzen 10 rutschen.
Eine Lage Folienband 16 kann um den Kern und die Leiter gewickelt werden, bevor der äußere Mantel 15 aufgesetzt wird. Dies bewirkt eine elektrostatische Abschirmung, und es wird auch verhindert, daß das Material des Mantels in den Schlitz eindringt. Dieses Eindringen kann alternativ auch dadurch verhindert werden, daß man ein Stück aus extrudiertem Kunststoff in die Schlitze preßt, bevor der Mantel aufgesetzt wird.
Die Leiter können in ähnlichen Anordnungen verbunden werden wie sie in Zusammenhang mit der ersten Ausführungsform beschrieben sind, um eine induktionsfreie Schleife an einem symmetrischen Ausgang oder an einem Differenzausgang zu bilden.
Wahlweise kann eine Bewegung der aktiven Leiter bei gleichzeitiger Festlegung der Rückleiter auch dadurch ermöglicht werden, daß alle in Längsrichtung verlaufenden Schlitze gleich breit gemacht werden, und daß für die Rückleiter ein größerer Durchmesser verwendet wird als für die aktiven Leiter.
Die Hauptvorteile der dargestellten Sensorvorrichtung sind:

1) Niedrige Ausgangsimpedanz:

Da das erzeugte Signal über einen Kupferleiter oder einen anderen guten Leiter entsteht, ist die Ausgangsimpedanz sehr niedrig. Dadurch kann das Signal auf wesentlich längeren Leitungen ohne Abschwächung übertragen werden, als dies bei koaxialen Sensoren möglich ist. Außerdem kann aus den oben erläuterten Gründen ein wesentlich höheres Signal-Rausch-Verhältnis erzeugt werden.

2) Einheitliche Signalantwort:

Es ist vergleichsweise einfach sicherzustellen, daß das magnetische Material auf der Länge des Streifens genau der gleichen Magnetisierungskraft unterworfen wird. Infolgedessen ist es weniger wahrscheinlich, daß die induzierten Signale bei einer gegebenen Kraft in ihrer Amplitude schwanken, als dies bei den koaxialen Sensoren der Fall ist. Da der Magnetstreifen aus einem Metall bestehen kann, ist es außerdem recht einfach, seine Maßgenauigkeit während der Herstellung sicherzustellen. Dies dürfte zu einer einheitlicheren Sensorbauart führen als dies bisher möglich war. Ein weiteres Merkmal dieser Art von Sensor besteht darin, daß aufgrund des im Prinzip permanentmagnetischen Effekts kein Verlust an Empfindlichkeit aufgrund der Alterung des Stranges auftreten dürfte. Dies steht im Gegensatz zu den elektretartigen Strängen, die über einen gewissen Zeitraum einen inhärenten Ladungsabfall zeigen, was zu einem Verlust an Empfindlichkeit führt.

3) Symmetrischer Ausgang möglich (in Fig. 1 und 4):

Da eine "zentrale Abzweigstelle" des Sensors an jedem Ende der Einheit vorhanden ist, handelt es sich von Haus aus um eine symmetrische Art von Leitung, bei der ein hohes Maß an Gleichtaktunterdrückung möglich ist. Dies vermindert die Komplexität der Verarbeitungsschaltung, die erforderlich ist, um dies auf andere Weise zu erreichen.
Bei den oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung können sich beide Leiter in ihrer Umhüllung bewegen. Ein Problem bei dieser Anordnung liegt darin, daß die Schleife eine einfache Schleife ist und deshalb gegen induzierte Störungen von äußeren elektromagnetischen Feldern empfindlich ist. Nachdem jeder Leiter sich unter dem Einfluß einer mechanischen Einwirkung von außen im allgemeinen in dieselbe Richtung beschleunigt, werden die in jedem Leiter induzierten Ströme ebenfalls in dieselbe Richtung gehen und sich daher im allgemeinen aufheben, wenn die Leiter in der dargestellten Weise verbunden sind.

Claims

1. Strangförmiger Wandler (1) zum Erzeugen von elektrischen Signalen auf Grund einer mechanischen Schwingung oder eines mechanischen Impulses, mit einem langgestreckten Gebilde, das magnetischen Fluß erzeugende Mittel (2) und einen elektrischen Leiter (3a, 13a, 13b) aufweist, der auf Grund einer mechanischen Einwirkung auf den Strang sich in dem von den flußerzeugenden Mitteln (2) erzeugten Magnetfeld bewegt und dadurch die genannten Signale erzeugt, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (3a) seitwärts von den den magnetischen Fluß erzeugenden Mitteln (2) derart lose gehalten ist, daß er auf Grund der mechanischen Einwirkung zwischen sich in der Längsrichtung erstreckenden Begrenzungsmitteln (4a, 10, 12) frei beweglich ist.

2. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Fluß erzeugenden Mittel (2) von einem permanentmagnetisierten metallischen Werkstoff oder Kunststoff gebildet werden.

3. Stranförmiger Wandler nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (3a, 13a, 13b) so angeordnet ist, daß er mit einem außen angelegten Elektromagnetischen Feld nicht induktiv gekoppelt ist.

4. Strangförmiger Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Fluß erzeugenden Mittel (2) die Form eines Bandes haben.

5. Strangförmiger Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Wandler (3a) mindestens eine Länge eines sich in der Längsrichtung des Stranges erstreckenden Drahtes besitzt, der lose in einer Hülle (4a) sitzt, deren Wände die genannten Begrenzungsmittel bilden.

6. Strangöfmiger Wandler nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Hülle (4a) mit den magnetischen Fluß erzeugenden Mitteln (2) einstückig ist.

7. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Leiter (3a, 13a, 13b) zwei Leiteradern besitzt, die zu einem Adernpaar verdrillt sind.

8. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter (13a, 13b) in Schlitzen (10, 12) im Umfang eines zylindrischen Kerns des Stranges angeordnet ist und die Wandlungen der Schlitze die genannten Begrenzungsmittel bilden.

9. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) die magnetischen Fluß erzeugenden Mittel bildet.

10. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß der Kern (2) zwei Teile (2a, 2b) besitzt, die einander auf einem Durchmesser des Querschnitts des Kerns berühren.

11. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein Schlitz (12) vollständig in einem der Teile des Kerns (2a, 2b) ausgebildet ist und mindestens ein Schlitz (10) von beiden Teilen des Kerns (2a, 2b) begrenzt ist und sich quer durch die ihnen gemeinsame Durchmesserebene erstreckt.

12. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Leiter zwei Adern besitzt, von denen die eine (13a, 13b) in einem ersten Schlitz (10) angeordnet ist, dessen Breite größer ist als der Durchmesser des darin befindlichen elektrischen Leiters (13a, 13b) und eine zweite Ader (14a, 14b) in einem weiteren Schlitz oder weiteren Schlitzen (12) angeordnet ist, dessen bzw. deren Breite derart ist, daß die zweite Ader (14a, 14b) des elektrischen Leiters in dem weiteren Schlitz (12) festgelegt ist.

13. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Schlitz (10) sich quer durch die gemeinsame Durchmesserebene von zwei Teilen des Kerns (2) erstreckt.

14. Strangförmiger Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegbare elektrische Leiter (3a, 3b, 13a, 13b) aus einer bewegbaren Ader besteht, die sich längs des Gebildes erstreckt und mit einer festgelegten Ader aus einem elektrischen Leiter (7, 14a, 14b) derart verbunden ist, daß ein symmetrischer Ausgang erhalten wird.

15. Strangförmiger Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der bewegliche elektrische Leiter oder die bewegliche Ader des elektrischen Leiters (3b, 14a, 14b) mit einem gegenüber den magnetischen Fluß erzeugenden Mitteln festgelegten elektrischen Leiter (6) so verbunden ist, daß ein Differenzausgang erhalten wird.

16. Strangförmiger Wandler nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetischen Fluß erzeugenden Mittel (2) den festgelegten elektrischen Leiter (6) bilden.

17. Überwachungsvorrichtung mit einem strangförmigen Wandler nach einem der vorhergehenden Ansprüche.