DE4028366A1 - Detektor zur messung eines magnetfeldes und messeinrichtung unter verwendung dieses detektors - Google Patents
Detektor zur messung eines magnetfeldes und messeinrichtung unter verwendung dieses detektorsInfo
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Description
Die Erfindung betrifft einen Detektor zur Messung eines
Magnetfeldes, mit einer magnetostriktiven Folie, die im
Magnetfeld ihre Abmessungen ändert. Weiterhin betrifft
die Erfindung eine Meßeinrichtung mit einem solchen
Detektor.
Ein derartiger Detektor ist in der Literaturstelle
F. Bucholtz et al "Fiber Optic Magnetometers, SPIE Vol.
718, Fiber Optic and Laser Sensors IV (1986)", S. 128 bis
133 beschrieben. Bei solchen faseroptischen Magnetometern
wird die Längenänderung des magnetostriktiven Materials
auf eine Lichtleitfaser übertragen, die fest mit dem
magnetostriktiven Material verbunden sein muß. Die bei
Anlegen eines Magnetfeldes erfolgende Änderung der
optischen Länge der Lichtleitfaser wird einem
Interferometer gemessen. Als magnetostriktives Material
wird eine dünne Folie, beispielsweise aus einem
metallischen Glas, verwendet, um eine starke
Entmagnetisierung und Wirbelströme zu vermeiden.
Nachteilig ist bei einer solchen Anordnung die
mechanische Belastung, welche die Lichtleitfaser auf die
magnetostriktive Folie ausübt.
Aufgabe der Erfindung ist es, einen Detektor der eingangs
genannten Art vorzuschlagen, bei dem die
Abmessungsänderung der magnetostriktiven Folie elektrisch
ausgewertet wird, ohne daß an der Folie eine
Lichtleitfaser oder ein Bauteil befestigt sein muß, das
die Abmessungsänderung überträgt.
Nach der Erfindung ist obige Aufgabe bei einem Detektor
der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß die Folie
die eine Elektrode eines Kondensators bildet und dessen
anderer Elektrode in einem Abstand gegenübersteht, wobei
sich im Magnetfeld dieser Abstand und damit die Kapazität
des Kondensators ändert.
Der Detektor ist in seinem Aufbau einfach. Insbesondere
deswegen, weil mit der Folie kein Element mechanisch
starr verbunden sein muß, das deren Abmessungsänderung
zur Auswertung weiterüberträgt.
Wird der Detektor in das zu messende Magnetfeld gebracht,
dann ändert sich wegen der Abmessungsänderung der Folie
der Abstand zwischen den beiden Elektroden des
Kondensators. Die damit verbundene Kapazitätsänderung
läßt sich in verschiedener Weise auswerten.
Die Folie muß zwar einen elektrischen Anschluß aufweisen.
Über diesen müssen jedoch nicht die Abmessungsänderungen
der Folie übertragen werden.
In bevorzugter Ausgestaltung der Erfindung sind die
magnetostriktive Folie und die andere Elektrode
kreiszylindrisch koaxial angeordnet. Im Magnetfeld ändert
sich der Feldstärke entsprechend der Abstand zwischen den
beiden kreiszylindrischen Elektroden, weil sich der
Durchmesser der von der Folie gebildeten einen Elektrode
ändert, wogegen der Durchmesser der anderen Elektrode
gleich bleibt. Die damit verbundene Kapazitätsänderung
wird ausgewertet. Sie ist ein Abbild der
Magnetfeldstärke.
In Ausgestaltung der Erfindung ist die andere Elektrode
auf einem nicht magnetischen, elektrisch isolierenden
Kreiszylinder angeordnet, der vorzugsweise aus Glas
besteht und auf den die andere Elektrode aufgedampft ist.
Es ist dadurch erreicht, daß die andere Elektrode
gegenüber der von der magnetostriktiven Folie gebildeten
Elektrode sehr starr angeordnet ist.
Weitere Ausgestaltungen des Detektors und
Meßeinrichtungen unter Verwendung des Detektors ergeben
sich aus der folgenden Zeichnungsbeschreibung. In der
Zeichnung zeigen:
Fig. 1 einen Detektor schematisch im Schnitt,
Fig. 2 den Detektor in einer Meßeinrichtung,
Fig. 3 den Detektor in einer weiteren Meßeinrichtung und
Fig. 4 die in der Beschreibung verwendeten Formeln.
Ein Detektor (1) bildet einen Zylinderkondensator, der
eine kreiszylindrische, äußere Elektrode (2) und eine
kreiszylindrische, innere Elektrode (3) aufweist. Die
Elektroden (2, 3) sind koaxial zur Zylinderachse (Z)
angeordnet. Der Radius der inneren Elektrode (3) ist r1 .
Der Radius der äußeren Elektrode (2) ist r2. Der mittlere
Radius ist mit r bezeichnet. Die Elektroden (2, 3) stehen
im Abstand (d). Die Länge des Zylinderkondensators ist l.
Der Abstand (d) ist möglichst klein, beispielsweise
beträgt er 0,1 mm. Die Länge (l) ist etwa gleich dem
doppelten Radius (r) und beträgt beispielsweise 50 mm.
Die innere Elektrode (3) ist als dünner Metallfilm auf
einen hohlen Kreiszylinder (4) aufgedampft. Dieser besteht
aus einem nicht metallischen, elektrisch isolierenden
Material, beispielsweise aus Glas.
Die äußere Elektrode (2) ist von einer dünnen Folie mit
einer Wandstärke von etwa 0,025 mm aus einem
magnetostriktiven Material gebildet. Dieses ist
vorzugsweise ein an sich bekanntes metallisches Glas, das
eine hohe Magnetostriktion aufweist.
Die äußere Elektrode (2) ist mit einem elektrischen
Anschluß (5) versehen. Die innere Elektrode (3) trägt einen
elektrischen Anschluß (6).
Wird der Detektor (1) in ein Magnetfeld gebracht, dann
dehnt sich die von der magnetostriktiven Folie gebildete
äußere Elektrode (2) aus. Dadurch vergrößert sich der
Abstand (d). Die Zunahme der Länge (l) der äußeren
Elektrode (2) bleibt hier außer Betracht. Infolge der
Zunahme des Abstandes (d) ändert sich die Kapazität (C) des
beschriebenen Zylinderkondensators entsprechend. Für
diese gilt Formel I (vgl. Fig. 4). Für die Änderung der
Kapazität (dC) gilt bei einer kleinen Änderung des
Abstandes (d) dementsprechend die Formel II.
Wird der Detektor in ein sinusförmiges magnetisches
Wechselfeld gebracht, dann ergibt sich die zeitbezogene
Kapazitätsänderung (dc/dt) aus der Formel III.
Ein in Richtung der Zylinderachse (Z) wirksames
Magnetfeld (H) führt zu einer relativen Dehnung (ε) in
Richtung der Zylinderachse (Z) nach der Formel IV. Die
Dehnung in der Radialrichtung ergibt sich mit der
Querkontraktionszahl (µ), die etwa 0,2 beträgt aus der
Formel V. Hieraus folgt die Änderung des Abstandes nach
der Formel VI.
Nach Fig. 2 ist eine Meßeinrichtung vorgesehen, in der
zwischen die Anschlüsse (5, 6) in Reihenschaltung ein
Widerstand (R) und eine Gleichspannungsquelle (Uo) gelegt
sind. Die Gleichspannung Uo beträgt beispielsweise 100 V
bis 500 V. Der Widerstand (R) liegt beispielsweise
zwischen 1 MOhm und 100 MOhm. Am Widerstand (R) wird eine
Meßspannung U (t) abgegriffen. Diese Meßschaltung eignet
sich für Fälle, in denen die Frequenz des magnetischen
Wechselfeldes hinreichend groß ist, beispielsweise über
100 Hz liegt. Bei dieser Schaltung wird die am
Widerstand (R) durch den Ladestrom des Kondensators
hervorgerufene Spannung U (t) gemessen.
Die Spannung U (t) folgt der Formel VII, in der die Formel
III berücksichtigt ist.
Durch das thermische Rauschen des Widerstands (R) wird die
kleinste, noch nachweisbare Änderung des Abstandes (d)
bestimmt. Diese ist in Formel VIII dargestellt.
Aus den Formeln VIII und VI ergibt sich die bei der
Schaltung nach Fig. 2 noch erfaßbare Änderung der
Magnetfeldstärke entsprechend Formel IX.
Zur Auswertung der Formel IX kann davon ausgegangen
werden, daß das genannte metallische Glas, aus dem die
äußere Folie (2) besteht, im optimalen Arbeitspunkt eine
Magnetostriktion bis dε/dH = 10-5/Oe aufweist. Setzt man
weiterhin in die Formel IX die unter X in Fig. 4
aufgeführten Werte ein, dann ergibt sich die kleinste,
noch nachweisbare Magnetfeldstärke Hmin mit unter XI in
Fig. 4 angegebenen Werten. Diese Werte liegen wesentlich
günstiger als die mit faseroptischen Interferometern
erreichbaren Werte. Die unter XI angegebenen Werte zeigen
eine höhere Empfindlichkeit als die bei faseroptischen
Interferometern bisher erreichten Werte.
In Fällen, in denen statische Magnetfelder oder sehr
niederfrequente Magnetfelder, beispielsweise unter
100 Hz, erfaßt werden sollen, kann die Änderung der
Kapazität (C) des Detektors (1) über eine
Kapazitätsmeßbrücke (7) erfolgen, wie dies in Fig. 3
dargestellt ist.
Claims (11)
1 . Detektor zur Messung eines Magnetfeldes, mit einer
magnetostriktiven Folie, die im Magnetfeld ihre
Abmessungen ändert, dadurch gekennzeichnet, daß die Folie
die eine Elektrode (2) eines Kondensators (1) bildet und
dessen anderer Elektrode (3) in einem Abstand (d)
gegenübersteht, wobei sich im Magnetfeld dieser
Abstand (d) und damit die Kapazität (C) des Kondensators (1)
ändert.
2. Detektor nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
die magnetostriktive Folie (2) und die andere Elektrode (3)
kreiszylindrisch koaxial angeordnet sind.
3. Detektor nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß
die andere Elektrode (3) auf einem nicht magnetischen,
elektrisch isolierenden Kreiszylinder (4) angeordnet ist.
4. Detektor nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß
der Kreiszylinder (4) als Hohlzylinder aus Glas besteht
und die andere Elektrode (3) auf ihn aufgedampft ist.
5. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis
4, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive
Folie (2) die äußere Elektrode bildet und die andere
Elektrode (3) die innere Elektrode ist.
6. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis
5, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (l) des
Kreiszylinders (4) etwa gleich dessen Durchmesser ist.
7. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche 2 bis
6, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d) wesentlich
kleiner als der Radius (r) der Elektroden (2, 3) ist.
8. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Folie (2)
aus einem metallischen Glas besteht.
9. Detektor nach einem der vorhergehenden Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet, daß sich im zu messenden
Magnetfeld die magnetostriktive Folie (2) dehnt, so daß
der Abstand (d) zu anderen Elektrode (3) zunimmt.
10. Meßeinrichtung unter Verwendung eines Detektors nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß zwischen die Elektroden (2,3) eine
Serienschaltung aus einem Widerstand (R) und einer
Gleichspannungsquelle (Uo) gelegt ist und daß am
Widerstand (R) eine Meßspannung U (t) abgegriffen wird.
11 . Meßeinrichtung unter Verwendung eines Detektors nach
einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch
gekennzeichnet, daß der Kondensator (1, 2, 3) in eine
Kapazitätsmeßbrücke (7) geschaltet ist.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
DE4028366A DE4028366A1 (de) | 1990-09-07 | 1990-09-07 | Detektor zur messung eines magnetfeldes und messeinrichtung unter verwendung dieses detektors |
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Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
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DE4028366A1 true DE4028366A1 (de) | 1992-03-12 |
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