DE4028366A1

DE4028366A1 - Detektor zur messung eines magnetfeldes und messeinrichtung unter verwendung dieses detektors

Info

Publication number: DE4028366A1
Application number: DE4028366A
Authority: DE
Inventors: Konrad Dr Boehm
Original assignee: Daimler Benz AG
Current assignee: Daimler Benz AG
Priority date: 1990-09-07
Filing date: 1990-09-07
Publication date: 1992-03-12

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 (U_o) gelegt sind. Die Gleichspannung U_o 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

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 (U_o) 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.