DE69218541T2

DE69218541T2 - Sättigbarer Kern-Näherungssensor mit Fluxführung

Info

Publication number: DE69218541T2
Application number: DE69218541T
Authority: DE
Inventors: Bernard J Burreson; Ted M Daniels
Original assignee: Eldec Corp
Current assignee: Eldec Corp
Priority date: 1991-10-15
Filing date: 1992-10-15
Publication date: 1997-07-03
Anticipated expiration: 2012-10-16
Also published as: CA2080656A1; US5351004A; DE69218541D1; CA2080656C; EP0538037A3; EP0538037B1; EP0538037A2

Description

Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft magnetfeldabhängige Näherungssensoren, insbesondere magnetfeldabhängige Näherungssensoren mit sättigbarem Kern.

Hintergrund der Erfindung

Magnetfeldabhängige Näherungssensoren sind bekannt, wie die US-Patente 4 719 362 von Nest et al., 4 587 486 von Soyck und 4 140 971 von Blincoe zeigen. Derartige Näherungssensoren enthalten typischerweise einen Magneten, der als das Target des Sensors füngiert, einen Kern aus einem Stoff, der magnetisch in Sättigung geht, wenn er einem Feld ausgesetzt wird, welches eine vorbestimmte magnetische Induktion aufweist, und ein induktives Element, beispielsweise eine Spule, die den Kern umgibt. Wenn der Magnet in Richtung der Anordnung aus kerninduktivem Element bewegt wird, wird schließlich ein Abstand erreicht, bei dem das Magnetfeld des Magneten den Kern im Weg geringster Reluktanz auffindet. Als Ergebnis tritt der Fluß des Feldes in den Kern ein und bringt, wenn der Abstand kleiner wird, den Kern schließlich in Sättigung. Dies bewirkt eine Abnahme der Induktivität des induktiven Elements. Durch Messen der Anderungen der Induktivität des induktiven Elements läßt sich das Vorhandensein des Magnetfelds und damit die Position des Magneten nachweisen. Das deutsche Patent Nr.3 346 340, von dem der Oberbegriff des Anspruchs 1 ausgeht, zeigt eine ähnliche Ausgestaltung eines Näherungssensors. Ein Magnetkern ist von einem Schutzgehäuse umgeben, welches auf einem Joch sitzt. Wenn ein Targetmagnet in die Nähe des Kern gebracht wird, geht das Joch in Sättigung.
Magnetfeldabhängige Näherungssensoren werden auf einem großen Anwendungsgebiet eingesetzt, um nachzuweisen, wann ein erstes Bewegungsglied eine vorbestimmte, beabstandete Lagebeziehung zu einem zweiten Glied einnimmt. Beispielsweise können solche Näherungssensoren dazu benutzt werden, die Position von Bauelementen nachzuweisen, die zum Betätigen der Flügelklappen eines Flugzeugs verwendet werden, wie dies in dem US-Patent 4 256 277 von Embree offenbart ist. Obschon magnetfeldabhängige Näherungssensoren, die in Flugzeugen eingesetzt werden, typischerweise zufriedenstellend arbeiten, wird ihre Leistungsfähigkeit dann abträglich beeinflußt, wenn das Flugzeug von einem Blitz getroffen wird. Genauer gesagt, wenn ein Blitz ein Flugzeug trifft, kann ein Spitzenstrom von mehr als 200 KA durch die Außenhaut des Flugzeugs fließen. Diese Ströme erzeugen hochfrequente elektromagnetische Felder, die von dem Kern und dem Induktor oder dem Magneten des Targets eines magnetfeldabhängigen Näherungssensors aufgenommen werden können, der an dem Flugzeug angeordnet ist. In einigen Fällen reicht die Stärke derartiger Felder aus, den Kern in Sättigung zu bringen. Als Ergebnis dieser Sättigung fällt die Induktivität des Induktors möglicherweise in einen Bereich, der anzeigt, daß der Magnet und damit das daran befestigte mechanische Element sich in einen Nahberich der aus Kern und Induktivitätselement bestehenden Anordnung bewegt hat. Eine ähnliche Anderung des Nachweisbereichs des Näherungssensors kann stattfinden, wenn die elektromagnetischen Felder den Magneten des Targets entmagnetisieren. Eine derartige fehlerhafte Signalinformation seitens des Näherungssensors kann mit besonderen Schwierigkeiten verbunden sein, wenn der Sensor dazu dient, das Vorhandensein oder das Fehlen eines mechanischen Elements nachzuweisen, welches den sicheren Betrieb des Flugzeugs beeinflußt.
Zusätzlich zu der Empfindlichkeit bekannter Näherungssensoren gegenüber hochfrequenten elektromagnetischen Feldern, wie sie durch Blitzschläge erzeugt werden, haben bekannte Sensoren außerdem die Neigung, ungewollte Ergebnisse zu liefern, nämlich dann, wenn die Sensoren elektromagnetischer Störung ("EMI") ausgesetzt werden, die durch Anlagen wie Elektromotoren, Verdrahtungen und dergleichen in der Nähe des Näherungssensors erzeugt wird. Dazu sei angemerkt, daß bekannte magnetfeldabhängige Näherungssensoren typischerweise nicht dazu ausgelegt sind, nur den Anteil eines magnetischen Feldes nachzuweisen, der eine vorbestimmte Richtungskomponente aufweist. Das heißt, bekannte magnetfeldabhängige Näherungsfühler sind im allgemeinen nicht so ausgebildet, daß sie die X- Komponente eines Magnetfeldes nachweisen, welches X-, Y- und Z- Richtungskomponenten aufweist, während gleichzeitig die Y- und Z- Komponente des Magnetfeldes praktisch nicht nachgewiesen werden. Als Konsequenz der EMI und der Unfähigkeit bekannter Näherungssensoren, eine Unterscheidung bezüglich der Richtungskomponente eines von ihm nachgewiesenen Feldes vorzunehmen, kann die Auflösung und/oder das Zielentfernungs-Feldstärken-Verhältnis derartiger Sensoren nicht so gut sein, wie es wünschenswert ist.
Die Betätigungszone bekannter veränderlicher Reluktanz- Näherungssensoren, das heißt die physikalische Zone, in welcher das Targetmaterial positioniert werden muß, um von dem Sensor nachgewiesen zu werden, ist häufig in unerwünschter Weise klein. Als Konsequenz ist die jeweilige Anordnung des Targets und des Sensors auf zwei mechanischen Elementen, deren Annäherung nachzuweisen ist, kritisch, um die richtige Näherungs-Nachweisinformation zu erlangen. Wenn Sensor und Target aufgrund unzureichender Installation, mechanischen Verschleißes, Toleranz- Summierung sowie weiterer Faktoren zu nah beieinander liegen, könnte im Normalbetrieb das erste mechanische Element das zweite mechanische Element berühren, bevor dessen Vorhandensein nachgewiesen wird. Wenn - alternativ - Sensor und Target aufgrund der angegebenen Faktoren zuweit voneinander entfernt sind, zeigt der Sensor niemals an, daß sich das erste mechanische Element in einem vorbestimmten Nahbereich des zweiten Elements befindet. Eine derartige Sensibilität aufgrund der relativen Anordnung von Sensor und Magnet kann in beträchtlichem Umfang die Kosten zum Installieren und Warten des Näherungssensors steigern und gefährdet möglicherweise den sicheren Betrieb der Maschine, in welcher der Näherungssensor installiert ist.
Ein weiteres Problem bei bekannten magnetfeldabhängigen Näherungsfühlern liegt darin, daß exakte Näherungsinformation aus solchen Bauelementen nur in einem relativ engen Temperaturbereich erhalten werden kann. Weil diese Näherungssensoren häufig in einer Umgebung eingesetzt werden, die erheblichen Temperaturschwankungen unterliegt, beispielsweise in ungeheizten Bereichen eines Flugzeugs, besteht ein erheblicher Bedarf an einem magnetfeldabhängigen Näherungssensor, der in hohem Maße temperaturstabil ist.
Das Nachweisbereichs/Gewichts-Verhältnis bekannter magnetfeldabhängiger Näherungssensoren ist typischerweise kleiner als erwünscht. Beispielsweise wiegt ein bezüglich der Nachweisbereichs/Gewichts-Verhältnisse für den Stand der Technik repräsentativer, bekannter Näherungssensor variabler Reluktanz 0,059 Kg (0,13 Pfund) und besitzt einen Nachweisbereich von 0,254 cm (0,1 Zoll), was ein Bereichs/Gewichts-Verhältnis von 4,305 cm/Kg (0,769 Zoll/Pfund) bedeutet. Dieses relativ niedrige Bereichs/Gewichts-Verhältnis ist besonders dann problematisch, wenn der Näherungssensor für den Einsatz in Raumfahrzeugen oder anderen Anlagen ausgebildet ist, in denen das Gewicht kritisch ist.

Offenbarung der Erfindung

Gemäß unserer Erfindung wird ein Näherungssensor mit sättigbarem Kern des Typs geschaffen, der einen Targetmagneten und einen Induktor mit einer Induktivität, die sich bei Annäherung des Sensors an den Targetmagneten ändert, aufweist, wobei der Näherungssensor umfaßt:
ein magnetisches Target, welches einen Magneten mit einer Vorderseite und einer Rückseite enthält, der ein Magnetfeld vor, hinter und an den Seiten des Magneten erzeugt; und
eine Sensoreinrichtung zum Nachweisen des Magnetfeldes und zum Anzeigen, wann die Sensoreinrichtung sich innerhalb eines vorbestimmten Nahbereichs des magnetischen Targets befindet, wozu die Sensoreinrichtung einen Kern und ein induktives Element aufweist, von denen der Kern und das induktive Element eine Induktivität aufweisen, die abnimmt, wenn der Kern durch das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld gesättigt wird, und eine Induktivität, die zunimmt, wenn der Kern von dem von dem Magneten erzeugten Magnetfeld nicht gesättigt wird, wobei die Induktivitätsänderung eine Anzeige für die Nähe der Sensoreinrichtung an dem magnetischen Target liefert.
Die vorliegende Erfindung schafft also einen Näherungssensor mit sättigbarem Kern, der eine Sensoranordnung und eine Targetanordnung aufweist. Die Sensoranordnung enthält einen Kern aus einem permeablen Material, welches in Sättigung geht, wenn es einem eine vorbestimmte magnetische Induktion aufweisenden magnetischen Feld ausgesetzt wird. Die Induktivität des Induktors ist geringer als ein vorbestimmter Wert, wenn der Kern gesättigt ist, und ist größer als der vorbestimmte Wert, wenn der Kern nicht gesättigt ist. An dem freien Ende des Sensorkerns befindet sich ein Satz aus sich radial erstreckenden Flußdirektorarmen. Jeder Arm besitzt eine Querschnittsfläche, die annähernd ein Viertel der Querschnittsfläche des Kerns beträgt. Die Flußdirektorarme bestehen aus dem gleichen hochpermeablen Stoff wie der Kern, so daß die Flußdirektorarme gleichzeitig mit dem Kern in Sättigung gehen. Die Flußdirektorarme steigern die Empfindlichkeit des Sensors und erhöhen außerdem die Änderungsgeschwindigkeit der Induktivität, wenn sich der Sensor einer Targetanordnung nähert.
Die Targetanordnung beinhaltet eine Basisplatte aus einem Material mit einer hohen relativen Permeabilität und einem hohen Flußsättigungswert. Ein Magnet mit hoher Feldstärke, beispielsweise ein Magnet aus Samarium- Kobalt, befindet sich auf der hochpermeablen Platte. Der Magnet besitzt eine flache Form und ist so magnetisiert, daß sein Magnetfeld um eine Achse zentriert ist, die sich senkrecht zur Hauptebene des Magneten erstreckt. Die hochpermeable Platte verringert den Reluktanzweg, welcher den Magneten umgibt, um etwa 50% und beseitigt damit praktisch denjenigen Teil des Magnetfeldes, welches sich in eine Richtung weg von der Hauptebene des Magneten erstreckt, und steigert die Feldstärke desjenigen Teils des Magnetfeldes, der sich von der Hauptebene in die entgegengesetzte Richtung wegerstreckt. Ein aus nicht magnetischem Metall bestehendes Gehäuse umgibt Basis und Magnet und schließt diese Teile ein. Das Gehäuse ist so ausgebildet, daß es als Faraday'scher Käfig fungiert, das heißt, es beseitigt elektromagnetische Felder, die durch eine Quelle außerhalb des Näherungssensors gelieferte Ströme entstehen, so daß die elektromagnetischen Felder den Magneten der Targetanordnung praktisch nicht abfangen.
Wenn die Targetanordnung in Richtung der Sensoranordnung bewegt wird, wird schließlich ein Punkt erreicht, an dem das Magnetfeld des Induktors (erzeugt durch den Treiberstrom der Sensoranordnung) gemeinsam mit dem Magnetfeld der Targetanordnung bewirkt, daß der Kern der Sensoranordnung in einem Maß in Sättigung geht, bei dem die Induktivität des Induktors um einen vorbestimmten Wert abnimmt. Dieser vorbestimmte Wert gibt an, daß die Targetanordnung sich in einen vorbestimmten Nahbereich der Sensoranordnung bewegt hat.
Aufgrund seiner Ausgestaltung und Konstruktion ist der erfindungsgemäße Näherungssensor in hohem Maße temperaturstabil. Bei einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung unterschied sich der Abstand zwischen der Sensoranordnung und der Targetanordnung, bei der die Sensoranordnung als erstes das Vorhandensein der Targetanordnung nachwies, um weniger als 4% in einem Temperaturbereich von -60ºC bis +120ºC.
Zusätzlich zu der hohen Temperaturstabilität besitzt der Erfindungsgegenstand ein Nachweisbereichs/Gewichts-Verhältnis, welches etwa fünfmal besser ist als bei bekannten Näherungssensoren mit variabler Reduktanz. Folglich eignet sich der Sensor sehr gut für Anwendungen, bei denen das Gewicht kritisch ist, beispielsweise in der Raumfahrt.

Kurze Beschreibung der Zeichnungen

Die vorstehenden Aspekte und zahlreiche damit verbundene Vorteile der Erfindung ergeben sich deutlicher durch Bezugnahme auf die nachfolgende Beschreibung in Verbindung mit den begleitenden Zeichnungen. Es zeigen:
Fig. 1 eine Seitenansicht des erfindungsgemäßen Näherungssensors, wobei der Sensor und das Target für den Betrieb in der Passierbetriebsart angeordnet sind;
Fig. 2 eine auseinandergezogene, perspektivische Darstellung des Targets des Näherungssensors;
Fig. 3 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 1, mit der Ausnahme, daß Sensor und Target für den Gegeneinander-Betrieb;
Fig. 4 graphisch die Art und Weise, in der die Induktivität des Induktors des Sensors sich mit Änderungen des Abstands zwischen Sensor und Target innerhalb eines vorbestimmten Bereichs bei einer Ausführungsform des erfindungsgemäßen Sensors ändert;
Fig. 5 graphisch für eine Ausführungsform der Erfindung in einem gegebenen Temperaturbereich den Abstand zwischen Sensor und Target, in welchem der Sensor das Target nachweist;
Fig. 6 eine Seitenansicht des Targets, wobei die Art und Weise dargestellt ist, in der elektromagnetische Felder aus einer externen Stromquelle das Target erfassen;
Fig. 7 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 6, mit der Ausnahme, daß diese Figur die Art und Weise darstellt, in der das Gehäuse des Targets solche elektromagnetischen Felder beseitigt;
Fig. 8 eine ähnliche Ansicht wie Fig. 3, mit der Ausnahme, daß das Target näher zu dem Sensor bewegt wurde und die Magnetfelder des Induktors des Sensors dargestellt sind;
Fig. 9 eine Schaltungsskizze einer Ausführungsform des Näherungssensors;
Fig. 10 eine Draufsicht auf eine weitere Ausführungsform des Targets des Näherungssensors;
Fig. 11 eine auseinandergezogene, dreidimensionale Darstellung des Näherungssensors gemäß der Erfindung, einschließlich eines Flußdirektors gemäß einem weiteren Aspekt der vorliegenden Erfindung;
Fig. 12 eine Seitenansicht eines Sensorkerns einschließlich des Flusses;
Fig. 13 eine Querschnittansicht des Näherungssensors, wobei dargestellt ist, wie die verzerrten Flußlinien von dem Targetmagneten durch den Flußdirektor in den Sensorkern gezogen werden;
Fig. 14 eine graphische Darstellung der verbesserten Empfindlichkeit, die durch Einsatz des Flußdirektors erzielt wird, wenn der Näherungssensor in einem Passier-Betrieb arbeitet; und
Fig. 15 eine graphische Darstellung der verbesserten Empfindlichkeit, die durch Einsatz des Flußdirektors erhalten wird, wenn der Näherungssensor in einem Gegeneinander-Betrieb eingesetzt wird.

Detaillierte Beschreibung der Erfindung

Bezugnehmend auf Fig. 1, handelt es sich bei der vorliegenden Erfindung um eine Näherungssensoranordnung 20 mit sättigbarem Kern, die ein Target 22 und einen Sensor 50 enthält. Typischerweise ist entweder das Target 22 oder der Sensor 50 an einem (nicht gezeigten) ersten Gegenstand befestigt, welcher derart gelagert ist, daß er entlang eines vorgegebenen Wegs relativ zu einem zweiten (nicht dargestellten) Gegenstand beweglich ist, an dem das andere Teil von dem Target 22 und dem Sensor 50 befestigt ist. In einigen Fällen ist der zweite Gegenstand auch derart gelagert, daß er sich entlang einem vorbestimmten Weg bewegt. Abhängig von der verwendeten Konfiguration kann die Sensoranordnung 20 dazu benutzt werden, das Vorhandensein des ersten Gegenstands in Relation zu dem zweiten Gegenstand nachzuweisen, oder kann dazu benutzt werden, den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Gegenstand innerhalb eines gegebenen Bereichs zu ermitteln, wie es weiter unten im einzelnen noch erläutert wird.
Bezugnehmend auf Fig. 2 enthält das Target 22 einen Magneten 24. Im Idealfall besitzt der Magnet 24 die höchsten Werte für Br (Restflußdichte) und Hc (Koerzitivkraft), welche Werte sich bei Temperaturänderungen, die die Sensoranordnung 20 möglicherweise antrifft, nicht verschlechtern. Höhere Br-Werte sorgen für einen weiteren Betätigungsbereich der Sensoranordnung 20 und höhere Hc-Werte sorgen für einen erhöhten Schutz gegenüber Entmagnetisierungsfeldern. Sowohl Br als auch Hc bestimmen die Energie in dem Magneten. Unglücklicherweise dürften handelsübliche Magneten mit ausreichend hohen Werten für Br und Hc und hoher Stabilität dieser Werte in einem umfangreichen Temperaturbereich (zum Beispiel von -60ºC bis +120ºC) nicht existieren. Folglich muß entweder ein hoher Br- Wert oder ein hoher Hc-Wert oder hohe Temperaturstabilität geopfert werden.
Ist hohe Temperaturstabilität für die Werte Br und Hc gewünscht, so setzt sich eine Familie magnetischer Werkstoffe, die in zufriedenstellender Weise für den Magneten 24 verwendet werden kann, aus Seltenerd-Elementen und Kobalt zusammen, beispielsweise Samarium-Kobalt. Vorzugsweise besitzt ein aus solchen Stoffen hergestellter Magnet einen Wert Br von mindestens etwa 8000 Gauss und einen Wert Hc (Koerzitivkraft) von mindestens etwa 7000 Oersted, einen Induktions-Umkehrtemperaturkoeffizienten von etwa -0,09% pro ºC im Bereich von 25ºC bis 100ºC, und eine Curie-Temperatur von mindestens etwa 250ºC. Die Ugimag Company vertreibt diesen Magnettypen unter der Marke RECOMA .
Abhängig von dem vorgesehenen Anwendungsfall für die Sensoranordnung 20 können die spezifischen Werte für die vorstehend genannten Kenngrößen des Magneten 24 etwas von den oben angegebenen Werten abweichen. Wenn beispielsweise die Sensoranordnung dazu vorgesehen ist, in einer Umgebung eingesetzt zu werden, die Temperaturschwankungen von lediglich etwa -55ºC bis 70ºC ausgesetzt ist, kann die Curie-Temperatur des Magneten 24 geringer sein, so daß man Neodym-Eisen-Bor-Magnete als Magneten 24 verwenden kann. Ein Vorteil solcher Magnete liegt in deren relativ hohen Br-Werten (das heißt 11000 Gauss), die zu einer Vergrößerung des Arbeitsbereichs des Sensors führen. Die Ugimag Company vertreibt diesen Typ von Magnet unter der Marke REFEMA .
Magnetisiert wird der Magnet 24 derart, daß sein Magnetfeld sich in Dikkenrichtung in entgegengesetzte Richtungen erstreckt und zentriert ist, das heißt, eine maximale X-Richtungs-Flußdichte am Schwerpunkt des Magneten aufweist. Darüber hinaus variiert die Verteilung des Magnetfelds Bx an einem Punkt X der Mittellinie des Magneten (die das Zentrum des Magneten schneidende und sich senkrecht zur Hauptebene des Magneten erstrekkende Achse), basierend auf der physikalischen Konfiguration des Magneten, gemäß folgenden Formeln:
Zylindrische Ausgestaltung:
Br = Restflußdichte des Magneten
L = Länge des Magneten
R = Radius des Magneten
X = Abstand von der Oberfläche des Magneten entlang der Magnet-Mittellinie (gemessen entlang der X-Achse koaxial zur Längsachse des Zylinders)
Quadrat- oder Rechteckform:
Br = Restflußdichte des Magneten
A = Länge des Magneten
B = Breite des Magneten
L = Dicke des Magneten (Abmessung parallel zur Magnet- Mittellinie)
X = Abstand von der Oberfläche des Magneten entlang der Magnet-Mittellinie
Wie also durch die vorstehenden Gleichungen angegeben wird, werden größeren Konfiguration des Magneten 24 basierend auf dem Abstand zwischen dem Target 22 und dem Sensor 50, bei dem das Vorhandensein des Targets nachgewiesen werden soll, ausgewählt.
Das Target 22 enthält außerdem eine Basisplatte 28 aus einem Material, welches vorzugsweise eine relative Permeabilität von mindestens etwa 100 aufweist, das heißt dem 100-fachen der Permeabilität von Vakuum. Darüber hinaus besitzt die Basisplatte 28 vorzugsweise einen Fluß-Sättigungswert von mindestens etwa 14000 Gauss. Magnetische Legierungen ähnlich wie rostfreier Stahl vom Typ 416 können für die Basisplatte 28 hergenommen werden. Vorzugsweise ist die Querschnittsfläche der Oberseite 29 der Basisplatte 28 größer als die Querschnittsfläche der Oberseite 25 des Magneten 24. Bei einer Ausführungsform der Erfindung bemißt die Oberfläche 25 des Magneten 24 1,27 cm x 1,27 cm (0,5 Zoll x 0,5 Zoll), und die Oberfläche 29 der Basisplatte 28 mißt 2,54 cm x 2,54 cm (1,0 Zoll x 1,0 Zoll), während der Magnet 24 eine Dicke von 0,318 cm (0,125 Zoll) und die Platte 28 eine Stärke von 0,102 cm (0,04 Zoll) aufweist.
Die relative Permeabilität, der Fluß-Sättigungswert und die Dickenwerte der Basisplatte 28 sind bis zu einem gewissen Maß relativ. Stoffe mit niedrigeren Sättigungspegeln können dann verwendet werden, wenn die Dicke und/oder die Permeabilität zunimmt. Weiterhin müssen die relative Permeabilität, die Fluß-Sättigung und die Dickenwerte der Basispiatte 28 möglicherweise abhängig von dem Betrag des Br-Werts des Magneten 24 möglicherweise etwas justiert werden. Eine solche Austarierung von Parametern erfolgt nach Maßgabe des vorgesehenen Einsatzes des Sensors 20, und hier wird davon ausgegangen, daß sie in dem Rahmen der Fähigkeiten des Fachmanns liegt.
Das Target 22 enthält außerdem ein zweiteiliges Gehäuse aus einem Behälter 34 und einem Deckel 36. Der Behälter 34 enthält vier Seiten und eine Basis, er ist oben offen. Der Behälter ist derart bemessen, daß er den Magneten 24 und die Basisplatte 28 aufzunehmen vermag. Der Deckel 36 ist derart ausgestaltet, daß er auf den Behälter 34 paßt und das offene Ende des Behälters verschließt.
Zur Montage des Targets 22 wird die Basisplatte 28 am Boden des Behälters 34 mit geeigneten Mitteln, beispielsweise einem Klebstoff, angebracht. Dann wird der Magnet 34 in der gewünschten Weise polarisiert und auf der Platte 28 positioniert (in diesem Beispiel zentriert). Klebstoff dient zum Befestigen des Magneten in der in Fig. 6 gezeigten Position. Nach dem Anbringen des Deckels 36 wird der Deckel verschweißt oder anderweitig an dem Behälter 36 derart befestigt, daß elektrische Kontinuität gewährleistet ist. Der Behälter 34 und der Deckel 36 sind derart bemessen, daß der Magnet 24 und die Basisplatte 28 spannungsfrei geschützt sind. Befestigungsmittel wie Schraubenbolzen 37 können an dem Behälter 34 angebracht sein, um das Target an einem Gegenstand zu befestigen, deren Annäherung in Bezug auf ein zweites Objekt nachzuweisen ist.
Bezugnehmend auf die Fig. 1 und 2 erzeugt das Target 22 ein Magnetfeld, welches dargestellt werden kann durch konzentrische Flußlinien 46 (Fig. 1). Die Flußlinien 46 entspringen dem Magneten 24, machen dann eine Wendung und treten entlang dem Weg geringster Reluktanz in die Basisplatte 28 ein. Anschließend wird der Fluß soweit entlang der Basisplatte geführt, bis er wieder in den Magneten 24 eintritt. Die Flußdichte des durch das Target 22 geschaffenen Magnetfelds in Richtung parallel zur Achse 48 ist in der Nachbarschaft der Mittelachse am größten, wobei letztere sich senkrecht zu der Oberseite des Targets erstreckt und das Zentrum des Magneten 24 schneidet.
Üblicherweise entspringen die Flußlinien eines Magnetfeldes eines Magneten nach außen, bilden eine Schleife um den Magneten herum und treten dann erneut in den Magneten an einer Stelle ein, die derjenigen Stelle entgegengesetzt ist, an der die Flußlinien den Magneten verlassen, wie dies durch die Flußlinie 47 (Fig. 1) angegeben ist. Wegen der hohen relativen Permeabilität der Basisplatte 28 jedoch stellt diese einen Weg dar, dessen Reluktanz niedriger ist als in der Zone neben der Rückseite des Targets 22, das heißt dem Bereich in dem die Schraubenbolzen 37 umgebenden Raum. In dieser Hinsicht sollten die Permeabilität und die Geometrie der Basisplatte 28 derart ausgewählt werden, daß letztere eine Reduzierung um mindestens 90% des Reluktanzwegs auf der Rückseite des Targets 22 bewirkt. Durch geeignete Bemessung und Materialauswahl des Magneten 24 und der Basisplatte 28 besteht ein vernünftiges Ziel darin, etwa 95-98% des Reluktanzwegs auf der Rückseite des Targets 22 zu reduzieren. Damit verhindert die Basisplatte 28 wirksam das Entspringen eines Magnetfelds auf der Rückseite des Targets 22.
Zusätzlich zum Verhindern eines solchen Entspringens des Magnetfelds erhöht die Basisplatte 28 die Stärke des Magnetfelds, welches sich aus der Vorderseite der Sensoranordnung 20 heraus erstreckt. Insbesondere erstreckt sich das Magnetfeld um etwa das 1,6-fache von der Vorderseite des Targets 22 aus, gemessen entlang der Mittelachse 48, im Vergleich zu dem Fall, daß die Basisplatte 28 nicht vorhanden wäre.
Erneut auf Fig. 1 bezugnehmend, enthält der Sensor 50 einen Kern 52 aus einem magnetisch sättigbaren Material hoher relativer Permeabilität. Ist hohe Temperaturstabilität des Sensors 20 erwünscht, sollte der Kern 52 die höchstmögliche relative Permeabilität besitzen. Allerdings hat sich eine relative Permeabilität von mehr als 20000 als zufriedenstellend ergeben. Ein Stoff niedrigerer Permeabilität, das heißt ein Stoff mit einer relativen Permeabilität von weniger als 20000 kann ebenfalls in zufriedenstellender Weise eingesetzt werden, wenn ein gewisser Verlust der Temperaturstabilität in einem breiten Bereich in Kauf genommen werden kann. Der Kern 52 kann kreisförmigen oder rechteckigen Querschnitt aufweisen, je nachdem wie es erwünscht ist. Die Längsabmessung des Kerns 52, das heißt die Abmessung entlang der Achse 54, ist signifikant größer als die Querschnittsbreite oder der Durchmesser des Kerns. Die spezifische Länge und Größe des Kerns 52 variiert abhängig von der Umgebung, in der die Sensoranordnung 20 eingesetzt werden soll. Um allerdings die Temperaturstabilität der Sensoranordnung 20 zu optimieren und das Messen von Seitenfeldern zu minimieren, besitzt der Kern 52 vorzugsweise eine kleine Querschnittsfläche, beispielsweise von 0,0097 cm² (0,0015 Quadratzoll) und ein Längen-Breiten- Verhältnis von mindestens 7 zul. In einer Ausführungsform der Erfindung besaß der Kern 52 eine Breite von 0,238 cm (0,094 Zoll), eine Dicke von 0,0356 cm (0,014 Zoll) und eine Länge von 1,90 cm (0,75 Zoll). Der Kern 52 besitzt ein stirnseitiges Ende 56.
Außerdem enthält der Sensor 50 ein induktives Element 60, welches den Kern 52 umgibt. Das induktive Element 60 enthält mehrere Windungen eines relativ dünnen Drahts, beispielsweise eines # 37-Kupferdrahts, dessen Enden mit einer (nicht gezeigten) Schaltung verbunden sind, die das Ausgangssignal der Sensoranordnung 20 empfängt. Wie außerdem unten in größerer Einzelheit diskutiert werden wird, ändert sich die Länge des induktiven Elements 60 als Funktion der Umgebung und der vorgesehenen Betriebsart der Sensoranordnung 20.
Das induktive Element 60 ist mit einer (nicht gezeigten) Schaltung gekoppelt, mit der die Sensoranordnung 20 verbunden ist. Die Schaltung liefert einen Treiber-Wechselstrom an das induktive Element 60, der das Element dazu bringt, ein Magnetfeld zu erzeugen, welches durch Flußlinien 62 angedeutet ist (Fig. 1 und 3). Diese Flußlinien laufen durch den Kern 52, treten an einem Ende des Kerns aus, laufen um die Außenseite des Sensors 50 und treten erneut in das andere Ende des Kerns ein. Die Stärke des mit dem induktiven Element 40 verbundenen Magnetfelds ändert sich als Funktion der Amplitude des Treiberstroms. Die Stärke des Magnetfelds des induktiven Elements 60 wird ihrerseits beeinflußt, wenn der Kern 52 Sättigung erlangt, was den Nachweisbereich der Sensoranordnung 20 festlegt, wie es im folgenden näher ausgeführt wird. Damit sind die spezifischen Kennwerte des Treiberstroms für den Sensor 50 entwurfsabhängig, und von dem Fachmann abhängig von dem gewünschten Einsatzzweck und Betätigungsbereich der Sensoranordnung 20 vorzunehmen. Allerdings liegt der in den Sensor 50 eingespeiste Treiber-Wechselstrom typischerweise in der Größenordnung von 1-3 Milliampere bei 1 Volt und einer Frequenz im Bereich von 1000 bis 3000 Hz. Auf jeden Fall reicht der Treiberstrom für das induktive Element 60 nicht aus, um das Element dazu zu bringen, ein Magnetfeld mit einer Stärke zu erzeugen, die den Kern 52 auf einen bestimmten Wert in Sättigung bringt, was bedeuten würde, daß das Target 22 sich innerhalb eines vorbestimmten Nahbereichs des Sensors 50 befindet, wie dies im folgenden noch näher diskutiert werden wird.
Der Sensor 50 enthält vorzugsweise ein (nicht gezeigtes) Schutzgehäuse, welches den Kern 52 und das induktive Element 60 umgibt. Dieses Gehäuse ist aus nicht-magnetischem Material gefertigt, beispielsweise einem geeigneten Typ rostfreien Stahls, und kann hermetisch abschließend ausgebildet sein.
Die Sensoranordnung 20 ist derart ausgelegt, daß sie entweder im Passier- oder Vorbeigleitbetrieb gemäß Fig. 1 oder im Gegenüber-Betrieb gemäß Fig. 3 arbeitet. Im Passierbetrieb ist das Target 22 an einem (nicht gezeigten) ersten Objekt gelagert, welches sich neben einem (nicht gezeigten) zweiten Objekt befindet, an dem der Sensor 50 angebracht ist. Eine Relativbewegung erfolgt zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt entlang einer oder mehrerer Achsen, die parallel zur Achse 70 (Fig. 1) verlaufen. Abhängig von der Umgebung, für deren Einsatz der Näherungssensor 20 ausgestaltet ist, kann das erste Objekt ortsfest sein, während das zweite Objekt sich parallel zu der Achse 70 bewegt. In anderen Fällen kann das zweite Objekt fixiert sein, während das erste Objekt sich parallel zur Achse 70 bewegt. In einem dritten Fall können sich sowohl das erste als auch das zweite Objekt entlang achsenparallel zu der Achse 70 vor- und zurückbewegen.
Wenn sich das Target 22 in Richtung auf den Sensor 50 bewegt, wird schließlich ein Punkt erreicht, an welchem die Flußlinien 46 in den Kern 52 einzutreten beginnen, um ihm als Weg geringster Reluktanz zu folgen. Wie im folgenden näher erläutert werden wird, sind die baulichen Abmessungen und der Sättigungswert des Kerns 52 in Verbindung mit den Abmessungen und der Ausgestaltung des induktiven Elements 60 und den Kennwerten des dem Element 60 zugeführten Treiberstroms derart ausgewählt, daß sie festlegen, wann nach diesem Punkt der Kern die magnetische Sättigung erreicht. Wann immer zumindest ein Teil des Targets 22 sich innerhalb der kugelförmigen Betätigungszone 72 (Fig. 1) befindet, bringt das von dem Target 22 erzeugte Magnetfeld im Verein mit dem durch das induktive Element 60 erzeugte Magnetfeld den Kern auf einen vorbestimmten Wert in Sättigung. Genauer gesagt, der Kern 52 geht mit einem vorbestimmten Wert in Sättigung, wenn zumindest ein Teil des Targets 22 die Betätigungszonengrenze 72a überquert und derart seine Sättigung verliert, daß sein Sättigungswert geringer ist als der vorbestimmte Wert, wenn das gesamte Target 22 die Deaktivierungszonengrenze 72b kreuzt. Der Abstand zwischen den Grenzen 72a und 72b ist relativ gering, das heißt er beträgt weniger als etwa 0,05 cm (0,020 Zoll). Die Betätigungszonengrenzen 72a und 72b werden hervorgerufen durch eine Hysterese in der (nicht gezeigten) Elektronik, an die die Sensoranordnung 20 angeschlossen ist. Diese Elektronik ist nicht Teil der vorliegenden Erfindung. Sie werden nicht hervorgerufen durch Differenzen im Betrag des vorbestimmten Sättigungswerts, wenn die Targetanordnung 22 in Richtung des Sensors 50 bewegt wird, gegenüber dem Fall, daß die Targetanordnung von dem Sensor 50 wegbewegt wird.
Bezugnehmend auf Fig. 3 und 4 fällt, wenn der Kern 52 auf einen vorbestimmten Wert gesättigt ist, die Induktivität des induktiven Elements 60 von einem relativ hohen Wert, der praktisch keine Sättigung des Kerns repräsentiert, scharf auf einen relativ niedrigen Wert ab, der praktisch die vollständige Sättigung des Kerns repräsentiert. Der Wert der Induktivität "ohne Sättigung" wird durch den oberen horizontalen Teil der Induktivitätskurve 80 in Fig. 4 repräsentiert, und der Induktivitätspegel bei "vollständiger Sättigung" wird durch die unteren horizontalen Abschnitte der Kurve 80 dargestellt. Bei der vorliegenden Erfindung beträgt die Induktivität des Elements 60, wenn der Kern 52 nicht gesättigt ist, typischerweise etwa das 6- bis 8-fache der Induktivität des Elements 60, wenn der Kern 52 gesättigt ist.
Wenn die Induktivität des induktiven Elements 60 von dem oberen Pegel "ohne Sättigung" auf den unteren Pegel bei "vollständiger Sättigung" abfällt, durchläuft der Induktivitätswert einen vorbestimmten Pegel, der auf der Kurve in Fig. 4 mit "X" markiert ist. Dieser vorbestimmte Induktivitätswert bedeutet entweder, (a) daß das Target 22 sich in einen vorbestimmten Nahbereich des Sensors 50 hineinbewegt hat, wenn die Induktivität des induktiven Elements 60 an dem vorbestimmten Induktivitätswert vorbei abnimmt, oder (b) daß das Target 22 sich aus einem vorbestimmten Nahbereich des Sensors 50 herausbewegt hat, nämlich dann, wenn die Induktivität des induktiven Elements 60 durch den vorbestimmten Induktivitätswert hindurch zunimmt. Der spezifische Betrag des vorbestimmten Induktivitätswerts differiert in Abhängigkeit der Größe des induktiven Elements 60 sowie der Stelle der Steigung der Induktivitätskurve, die als der vorbestimmte Induktivitätswert ausgewählt wird. Vorzugsweise beträgt der vorbestimmte Induktivitätswert etwa 50% des Induktivitätswerts "ohne Sättigung", um gleiche Abstände für "Nah" und "Fern" sowie eine symmetrische Übertragungsfunktion zu erhalten, wie dies in Fig. 4 gezeigt ist. Wenn das Target 22 sich innerhalb eines vorbestimmten Nahbereichs des Sensors 50 befindet, so ist damit auch bekannt, daß das erste Objekt, an dem das Target befestigt ist, sich in dem vorbestimmten Nahbereich des zweiten Objekts befindet, an dem der Sensor angebracht ist, gemessen entlang der Achse 70.
Die Geschwindigkeit, mit der die Induktivität des induktiven Elements 60 von dem oberen, die Nicht-Sättigung des Kerns 52 repräsentierenden Wert abfällt auf den unteren, die Sättigung des Kerns 52 repräsentierenden Wert, relativ zu den Änderungen des Abstands zwischen dem Target 22 und dem Sensor 50, variiert in Abhängigkeit der Größe, der Ausgestaltung und der Permeabilität des Kerns 52 sowie der Größe, der Ausgestaltung und des Treiberstroms des induktiven Elements 60. Wenn der Sensor 20 im Passier- Betrieb arbeitet, ist es typischerweise wünschenswert, daß die Induktivitäts- Abstands-Kurve eine sehr steile Funktion zwischen den Punkten der Sättigung und der Nicht-Sättigung aufweist, beispielsweise so, wie es durch die Induktivitätskurve 80 dargestellt ist. Zu diesem Zweck wird der Sensor 20 derart ausgebildet, daß seine gesamte Länge sehr schnell in Sättigung geht, wenn er einem Magnetfeld mit einer vorbestimmten Flußdichte ausgesetzt wird. Das heißt: der Kern 52 ist relativ kurz (zum Beispiel besitzt der Kern 52 ein Längen-Durchmesser-Verhältnis im Bereich von 5 zu 1 bis 10 zu 1), und der Kern besitzt eine hohe relative Permeabilität (zum Beispiel 20000), während die Länge des induktiven Elements 60 etwa derjenigen des Kerns 52 gleicht. Mit diesem Aufbau arbeitet die Sensoranordnung 20 als "Ein/Aus"-Näherungsdetektor.
Für gewisse Passier-Betrieb-Anwendungen kann es wünschenswert sein, die Induktivitäts-Abstands-Kurve für den Sensor 50 etwas abzuflachen, damit die spezifische Induktivität des induktiven Elements 60 angepaßt werden kann an den Abstand zwischen dem Target 22 und dem Sensor 50. Wenn beispielsweise die Sensoranordnung 20 an zwei beweglichen Objekten befestigt ist, deren Zwischenabstand sich im Laufe der Zeit möglicherweise ändert, läßt sich die Änderung des Abstands zwischen den Objekten gegenüber einem Grundlinienabstand dadurch bestimmen, daß man den Absolutwert der Induktivität des induktiven Elements 60 überwacht. Um diese Abflachung der Induktivitäts/Abstands-Kurve zu erreichen, werden die Länge des Kerns 52 und die des induktiven Elements 60 etwa erhöht.
Die Betätigungszone 72 erstreckt sich von dem stirnseitigen Ende 56 entlang der Achse 54 über eine relativ große Distanz nach außen, verglichen mit bekannten magnetfeldabhängigen Näherungssensoren veränderlicher Reluktanz. Als Ergebnis dieser Konfiguration existiert, wenn die Sensoranordnung 20 im Passier-Betrieb eingesetzt wird, eine relativ große Breite in der Anordnung des Targets 22 an dem ersten Objekt und des Sensors 50 an dem zweiten Objekt, gemessen entlang Achsen, die parallel zur Mittelachse 54 verlaufen. Das heißt: der Abstand zwischen dem Target 22 und dem Sensor 50, gemessen entlang einer Achse, die parallel zur Mittelachse 54 verläuft, kann in einem relativ großen Umfang schwanken, beispielsweise 1,27 cm (0,5 Zoll) bei einer Ausführungsform der Erfindung, wobei dennoch sichergestellt ist, daß das Target 22 in die Betätigungszone 72 gelangt, wenn es sich in der Nachbarschaft des vorderen Endes 56 des Sensors 50 befindet. Andererseits können bekannte Näherungssensoren mit veränderlicher Reluktanz, die im Passier-Betrieb eingesetzt werden, typischerweise nur eine relativ geringe Abstandsschwankung zwischen Target und Sensor berücksichtigen, beispielsweise ± 0,127 cm (± 0,05 Zoll).
Die Sensoranordnung 20 ist außerdem derart ausgebildet, daß sie im Gegeneinander-Betrieb eingesetzt werden kann, wie dies in Fig. 3 dargestellt ist. In dieser Betriebsart sind das erste Objekt, an dem das Target 22 befestigt ist, und das zweite Objekt, an dem der Sensor 50 befestigt ist, derart ausgebildet, daß sie sich aufeinander zu und voneinander weg derart bewegen, daß die Mittelachse 48 des Targets parallel oder koaxial zu der Mittelachse 54 des Sensors verläuft, das heißt, ein Objekt oder beide, das erste und das zweite Objekt, bewegen sich entlang einer Achse oder entlang Achsen, die parallel zu der Achse 80 in Fig. 3 verlaufen. Wenn die Sensoranordnung 20 eingestellt wird, um im Gegenüber-Betrieb zu arbeiten, kann die Sensoranordnung entweder dazu verwendet werden, festzustellen, wann das erste Objekt, an dem das Target 22 befestigt ist, sich in einem vorbestimmten Nahbereich des zweiten Objekts, an dem der Sensor 50 befestigt ist, befindet, oder man kann den Abstand zwischen dem ersten und dem zweiten Objekt feststellen, wenn dieser Abstand innerhalb eines vorbestimmten Bereichs liegt.
Wenn gemäß Fig. 3 und 4 die Sensoranordnung 20 im Gegenüber-Betrieb eingesetzt wird, um festzustellen, wann sich ein erstes Objekt innerhalb eines vorbestimmten Nahbereichs des zweiten Objekts befindet, sind der Kern 52 und das induktive Element 60 des Sensors 50 vorzugsweise relativ kurz, das heißt, die Länge des Kerns 52 liegt größenordnungsmäßig bei dem 5- bis 10-fachen der Breite oder des Durchmessers des Kerns, während die Länge des induktiven Elements 60 ähnlich groß ist wie die Länge des Kerns 52. Wie oben in Zusammenhang mit der Beschreibung des Betriebs der Sensoranordnung 20 im Passier-Betrieb diskutiert wurde, erstreckt sich eine kugelförmige Betätigungszone 72 von dem stirnseitigen Ende 56 des Sensors nach außen. Wenn sich also das erste Objekt, an dem das Target 22 befestigt ist, in Richtung des zweiten Objekts, an dem der Sensor 50 angebracht ist, bewegt, gelangt das Target 22 in die Betätigungszone 72 und verursacht dadurch, daß der Kern des Sensors in Sättigung zu gehen beginnt, während die Induktivität des induktiven Elements abzunehmen beginnt. Ist der Sensor 50 relativ kurz, wechselt der Kern vom ungesättigten in einen gesättigten Zustand, und die Induktivität des induktiven Elements 60 wechselt von einem relativ hohen auf einen relativ niedrigen Wert, und zwar als Ergebnis lediglich einer relativ geringen Relativbewegung zwischen Target und Sensor, wie dies durch den Graphen 80 in Fig. 4 dargestellt ist. Wenn, wie oben diskutiert, der Sensor 50 relativ kurz ist, arbeitet er im wesentlichen als Ein-Aus-Näherungsdetektor. Weil die Induktivitäts-Abstands- Kennlinie für einen relativ kurzen Sensor 50 eine sehr steile Funktion im Übergangsbereich zwischen Sättigung und Nicht-Sättigung aufweist, besitzt die Sensoranordnung 20 einen guten Rauschabstand und eine starke Immunität gegenüber EMI (Elektromagnetischer Störung).
Wegen des relativ niedrigen Induktionsumkehrtemperaturkoeffizienten des Magneten 24 (beispielsweise liegt er bei etwa -0,09%/ºC im Bereich von 25ºC bis 100ºC), des relativ großen Luftspalts, der zu dem Sensor 50 gehört, und des relativ geringen Querschnitts des Kerns 52 ist die Sensoranordnung 20 in hohem Maß temperaturstabil. Diese Kennwerte der vorhegenden Erfindung sind in hohem Maße vorteilhaft, wenn konsistente Annäherungs- oder Abstandnachweis-Information in einem relativ breiten Temperaturbereich gefordert wird (beispielsweise -60ºC bis 150ºC).
Die hohe Temperaturstabilität der Sensoranordnung 20 ist anschaulich dargestellt durch den Graphen in Fig. 5. Bei einer Ausführungsform der Sensoranordnung 20, eingesetzt im Gegenüber-Betrieb, unterscheidet sich die Stelle, an der der Sensor 50 zum ersten Mal das Vorhandensein des Targets 22 nachweist, in einem Temperaturbereich von etwa -60ºC bis etwa 120ºC um weniger als 4% ab. Bei dieser Ausführungsform besteht der Sensor 50 aus einem Kern 52 mit einer Querschnittsfläche von 0,0084 cm² (0,0013 Quadratzoll), einer Länge von etwa 1,90 cm (0,75 Zoll) und einer relativen Permeabilität von etwa 20000. Das induktive Element 60 besteht aus Windungen aus Kupferdraht, die über praktisch die gesamte Länge des Kerns in einer solchen Dicke gewickelt sind, daß der Außendurchmesser des induktiven Elements etwa 1,27 cm (0,5 Zoll) beträgt. Der Kern und das induktive Element werden von einem zylindrischen Gehäuse aus nicht-magnetischem rostfreien Stahl mit einer Wandstärke von etwa 0,05 cm (0,02 Zoll) eingeschlossen. Auch bei dieser Ausführungsform der Sensoranordnung 20 mißt der Magnet 24 etwa 1,27 cm x 1,27 cm x 0,317 cm (0,5 Zoll x 0,5 Zoll x 0,125 Zoll), ist aus Samarium-Kobalt hergestellt, besitzt eine Restinduktion Br von etwa 10000 Gauss, eine Koerzitivkraft Hc von etwa 10000 Oersted, einen Induktionsumkehrtemperaturkoeffizienten von etwa -0,09%/ºC (25ºC bis 100ºC), und eine Curie-Temperatur von etwa 312ºC. Die Basisplatte 28 mißt etwa 2,54 cm x 2,54 cm x 0,127 cm (1 Zoll x 1 Zoll x 0,05 Zoll) und ist aus einer rostfreien Legierung mit einer relativen Permeabilität von etwa 100 und einem Sättigungswert von etwa 14000 Gauss gefertigt. Der Behälter 34 und der Deckel 36 sind aus Aluminiumblech mit einer Dicke von etwa 0,076 cm (0,03 Zoll) gefertigt.
Die Induktivität des induktiven Elements 60 der im vorausgehenden Abschnitt beschriebenen Ausführungsform der Sensoranordnung 20 ändert sich auch um weniger als 4% in einem Temperaturbereich von -60ºC bis 120ºC dann, wenn das Target 22 sich in fester Ortsbeziehung zu dem Sensor 50 befindet, so daß der Kern 52 des Sensors von dem durch das Target 22 erzeugten Magnetfeld gesättigt wird. Beispielsweise besaß bei der im vorausgehenden Abschnitt beschriebenen Ausführungsform der Sensoranordnung 20 das induktive Element 60 bei 30ºC eine Induktivität von etwa 4 mH bei einem 2-KHz-Treibersignal, und diese Induktivität änderte sich um weniger als 2% in einem Temperaturbereich von -60ºC bis 120ºC bei einer Gesamtänderung von weniger als etwa 4%. Weil die Induktivität des induktiven Elements 60 das Ausgangssignal der Sensoranordnung 20 bildet, zeigen derartige, relativ geringfügige Änderungen der Induktivität, daß von der Sensoranordnung 20 in einem relativ großen Temperaturbereich in hohem Maß konsistente Ergebnisse erhalten werden können.
Die oben beschriebene Ausführungsform der Sensoranordnung 20 besitzt ein Nachweisbereichs-Gewichts-Verhältnis von etwa 7 zu 1. Das heißt, der Sensor 50 weist zunächst das Vorhandensein des Targets 22 nach, wenn die Sensoranordnung 20 im Gegenüber-Betrieb arbeitet, sobald das Target 22 sich in eine Entfernung von etwa 1,9 cm (0,75 Zoll) des Sensors 50 hineinbewegt, wobei die gesamte Sensoranordnung 20 etwa 0,1 Pfünd wiegt. Änhliche Nachweisbereichs/Gewichts-Verhältnisse erhält man, wenn die oben beschriebene Ausführungsform der Sensoranordnung 20 im Passier- Betrieb arbeitet. Durch Auswahl eines Magneten 24, der größer ist als der in der oben beschriebenen Ausführungsform der Sensoranordnung 20, oder durch Einsatz eines Magneten mit einer Restinduktion Br von mehr als 10000 Gauss lassen sich Nachweisbereichs/Gewichts-Verhältnisse durch die Erfindung erzielen, die deutlich über 10 zu 1 liegen.
Die Sensoranordnung 20 ist so ausgebildet, daß sie eine wiederholbare Näherungs- oder Abstands-Nachweisinformation auch in Beisein relativ starker elektromagnetischer Felder liefert, die durch Strom aus einer externen Quelle zu der Sensoranordnung erzeugt werden. Wenn beispielsweise die Sensoranordnung 20 in einem Flugzeug installiert ist, wird dieses möglicherweise von Blitzschlägen mit Stromspitzen von 200 kA oder darüber belastet. Dieser Strom, der als Flächenstrom in der Außenhaut des Flugzeugs fließt, erzeugt elektromagnetische Felder mit einer Stärke von 10000 A/m, die die Sensoranordnung 20 möglicherweise abfangen, wenn diese sich in der Nähe der Außenhaut des Flugzeugs befindet. Derartige Felder können vorübergehend den Betrieb der Sensoranordnung 20 abträglich dadurch beeinflussen, daß sie den Kern 52 des Sensors 50 in Sättigung bringen und dadurch bewirken, daß die Induktivität des induktiven Elements 60 auf einen Wert sinkt, der bezeichnend dafür ist, daß sich das Target 22 innerhalb des Nahbereichs des Sensors 50 befindet. Darüber hinaus können elektromagnetische Felder in Verbindung mit Blitzschlag oder anderen starken Stromquellen möglicherweise den Betrieb des Näherungssensors 20 dauerhaft beeinflussen, indem sie den Magneten 24 des Targets 22 entmagnetisieren.
Um eine solche vorübergehende oder dauerhafte Beeinflussung durch Blitzschläge oder andere externe Stromquellen zu vermeiden, sind der Gehäusebehälter 34 und der Gehäusedeckel 36 vorgesehen. Wie oben angemerkt, bestehen der Behälter 34 und der Deckel 36 aus nicht-magnetischem Metall mit ziemlich hoher Leitfähigkeit, das heißt einer Leitfähigkeit, die mindestens halb so groß ist wie die Leitfähigkeit von Kupfer. Es ist bevorzugt, Aluminium beim Aufbau des Behälters 34 und des Deckels 36 einzusetzen, weil Aluminium relativ korrosionsfrei ist. Allerdings können auch andere Stoffe mit einer ähnlichen oder höheren Leitfähigkeit als Aluminium verwendet werden, beispielsweise Kupfer, insbesondere dann, wenn Korrosion nicht stattfindet oder in Kauf genommen werden kann.
Wenn der Behälter 34 und der Deckel 36 in der in den Fig. 1 bis 3 dargestellten Weise zusammengebaut sind, um den Magneten 24 und die Basisplatte 28 in sich aufzunehmen, fungieren Behälter und Deckel als Faraday'scher Käfig. Elektromagnetische Felder, die durch Strom aus einer bezüglich der Sensoranordnung 20 externen Quelle erzeugt werden und sich so erstrecken, daß das Target 22 abgefangen wird, nehmen hierbei ein Muster an, wie es durch Flußlinien 90a und 90b in Fig. 6 gezeigt ist. Flußlinien 90a verlaufen in einer ersten Richtung entlang konzentrischer, im wesentlichen kreisförmiger Wege, die bezüglich eines Punkts in der Nachbarschaft eines Endes des Targets 22 zentriert sind, und Flußlinien 90b verlaufen in entgegengesetzter Richtung konzentrisch etwa in kreisförmigen Wegen, die bezüglich eines zweiten Punkts zentriert sind, der sich neben einem abgewandten Ende des Targets 22 befindet, wobei die Wege der Flußlinien 90a überlappt werden. Weil sich die Flußlinien 90a und 90b entlang einander überlappender Wege durch den Magneten 24 hindurch erstrecken, wird derjenige Anteil des Magnetfelds, der durch die durch den Magneten 24 verlaufenden Flußlinien dargestellt wird, im wesentlichen gelöscht, so daß ein resultierendes Feld entsteht, wie es in Fig. 7 durch die Flußlinien 92 dargestellt ist. Wie durch diese Flußlinien 92 angedeutet ist, werden höchstens die äußeren Ränder des Magneten 24 von den relativ schwachen elektromagnetischen Feldern erfaßt.
Der Einfluß eines relativ starken Blitzschlags auf die oben in Verbindung mit der Diskussion der Fig. 5 beschriebenen Ausführungsform der Sensoranordnung 20 wurde untersucht. Es wurde angenommen, daß die Wellenform des Blitzstroms eine doppelt abkungende Exponentialkurve mit einem Spitzenwert von 200 kA für 6,4 Mikrosekunden und einem 50%- Abfall in 69 Mikrosekunden war. Es wurde außerdem angenommen, daß der Näherungssensor in der Nachbarschaft der Außenfläche eines Flugzeugflügels gelagert war, der einem Blitzschlag mit den obigen Kennwerten ausgesetzt war. Im Hinblick auf die Art und Weise, in der der Behälter 34 und das Gehäuse 36 elektromagnetische Felder auslöschen, die von Strom aus einer externen Quelle erzeugt werden, wie es oben erläutert wurde, wurde berechnet, daß die Stärke H derartige Felder an der Oberfläche 25 des Magneten 24 etwa 45 Oersted beträgt. Im Gegensatz dazu wurde berechnet, daß ein Feld mit einer Stärke von 13500 Oersted zum Entmagnetisieren des Magneten 24 erforderlich wäre. Damit wird der Betrieb der Sensoranordnung 20 durch elektromagnetische Felder, die durch Ströme einer externen Quelle mit einer Stärke in der Größenordnung, die möglicherweise bei einem relativ starken Blitzschlag angetroffen wird, erzeugt werden, praktisch nicht beeinflußt wird.
Der Behälter 34 und der Deckel 36 bilden auch einen baulichen Schutz des Magneten 24 und der Platte 28. Außerdem stellt der Behälter 34 mit seinen Lagerbolzen 37 eine zweckdienliche Möglichkeit zum Anbringen des Targets 22 an einem Objekt dar.
Eine wichtige Kenngröße der Sensoranordnung 20 insbesondere dann, wenn der Sensor 50 im Verhältnis zu seinem Durchmesser relativ lang ausgebildet ist, das heißt, ein Längen-Durchmesser-Verhältnis von mehr als 5 bis 1 aufweist, besteht darin, daß die Sensoranordnung 20 praktisch keine seitlichen Felder erfaßt, die sich quer zu der Mittelachse 54 des Sensors 50 erstrecken. Solche Seitenfelder bestehen typischerweise aus elektromagnetischer Störung (EMI), die durch elektrische Anlagen erzeugt wird, die sich in der Nachbarschaft der Sensoranordnung 20 befinden, und auch durch weitere bekannte Faktoren erzeugt werden.
Wie in Fig. 8 gezeigt ist, bestehen die Flußlinien 46, die zu dem von dem Target 22 erzeugten Magnetfeld gehören, aus Richtungskomponenten entlang der X-, Y- und Z-Achse. Weil aber die Längsabmessung des Kerns 52 parallel zu den X-Richtungs-Komponenten verläuft, wie dies durch die Koordinatenachse gemäß Fig. 8 definiert wird, stellt der Kern einen Weg geringster Reluktanz praktisch nur für die X-Richtungs-Komponenten dar, und folglich treten nur letztere in den Kern 52 ein und veranlassen diesen, in Sättigung zu gehen. Die Y- und Z-Richtungs-Komponenten finden den durch den Kern 52 gebildeten Reluktanzweg genügend stark ausgeprägt, um praktisch zu vermeiden, daß Y- und Z-Komponenten in den Kern eintreten und dessen Sättigung beeinflussen. Wenn also das Target 22 in Richtung auf den Sensor 50 bewegt wird, entweder im Passier-Betrieb oder im Gegenüber-Betrieb, so wird ein Punkt erreicht, an dem die X-Richtungs- Komponenten in den Kern 52 eintreten und diesen veranlassen, auf einen vorbestimmten Wert in Sättigung zu gehen (zusammen mit dem durch das induktive Element 60 gebildeten Feld), um dadurch zu veranlassen, daß die Induktivität des induktiven Elements 60 auf einen Wert abfällt, der angibt, daß sich das Target innerhalb des vorbestimmten Nahbereichs des Sensors befindet. Hierzu sollte gesehen werden, daß das zu dem induktiven Element 60 gehörige Magnetfeld 62 im wesentlichen aus X-Richtungs- Komponenten, das heißt Richtungskomponenten besteht, die entlang der Längserstreckung des Kerns verlaufen. Allerdings ist die Flußdichte des Felds 62 nicht ausreichend, um den Kern 52 auf den vorbestimmten Wert zu sättigen.
Damit haben durch EMI oder andere Quellen erzeugte Seiten- oder Querfelder, falls überhaupt, nur wenig Einfluß auf die Fähigkeit des Sensors 50, die Annäherung oder den Abstand des Targets 22 exakt und konsistent nachzuweisen. Zusätzlicher Schutz vor Einflüssen durch EMI und andere Felder, die sich von der Rückseite des Targets 22 nähern, wird als Folge des Einsatzes der Basisplatte 28 erreicht. Wie oben diskutiert, füngiert diese als Folge der hohen relativen Permeabilität der Basisplatte 28 als Abschirmung gegenüber magnetischen Feldern.
Wenn die Größe und die Ausgestaltung des Sensors 50 festgelegt wird, muß die elektronische Umgebung Berücksichtigung finden, in der die Sensoranordnung 20 eingesetzt werden soll. Weil die Anderung der Induktivität des induktiven Elements 60 als Konsequenz des Umschaltens des Kerns 52 zwischen gesättigtem und ungesättigtem Zustand relativ groß sein kann, beispielsweise größer als 6 zu 1, sollte der Sensor 50 derart bemessen sein, daß die Induktivitätsänderung in einen Bereich fällt, der mit der elektronischen Umgebung, in der die Sensoranordnung 20 installiert werden soll, verträglich ist. Beispielsweise kann in der BIT-Umgebung (built-in test equipment) eines zivilen Flugzeugs eine induktive LRU (Leitungsaustauscheinheit) einen akzeptierbaren Bereich von 4,2 mH bis 10 mH aufweisen, wobei Induktivitäten außerhalb des Bereichs als Versagen der LRU betrachtet werden. Wenn also die Sensoranordnung 20 derart ausgestaltet ist, daß die Induktivität des induktiven Elements 60 einen Bereich von 3 mH bis 18 mH aufweist, würde das BIT-System den Betrieb des Näherungssensors 20 als konstant fehlerhaft betrachten.
Um dieses Problem zu vermeiden, ist gemäß Fig. 9 der Sensor 50 derart bemessen und aufgebaut, daß sich seine Induktivität in einem relativ engen Bereich von beispielsweise 0,5 mH bis 3 mH ändert. Durch Anschließen des Sensors 50 in Reihe mit einem induktiven Element 100 an die elektronische Schaltung 102, in der der Näherungssensor entwurfsgemäß eingesetzt werden soll, und durch geeignete Auswahl des induktiven Elements 100 kann das Ausgangssignal der aus dem Sensor 50 und dem induktiven Element 100 bestehenden Schaltung derart eingestellt werden, daß es in den vorbestimmten Bereich des BIT-Systems fällt. Zum Beispiel kann bei einem BIT- System mit einem vorbestimmten Bereich von 4,2 mH bis 10 mH die Sensoranordnung 20 derart ausgestaltet sein, daß die Induktivität des induktiven Elements 60 zwischen 0,5 mH und 3 mH liegt, während die Induktivität des induktiven Elements 100 4 mH beträgt.
Bei gewissen Passier-Betriebsart-Anwendungen reicht es nicht aus, zu wissen, wann das erste Objekt, an dem das Target 22 befestigt ist, einen vorbestimmten Punkt an einem zweiten Objekt, an dem der Sensor 50 befestigt ist, passiert hat. Diese Information wird durch die in Fig. 1 dargestellte Ausführungsform der Sensoranordnung 20 geliefert. Unter gewissen Umständen ist es hingegen wünschenswert, zu wissen, ob das erste Objekt irgendwo entlang des Wegs des zweiten Objekts liegt. In anderen Worten: bei gewissen Anwendungen ist ein kontinuierliches Ausgangssignal immer dann erwünscht, wenn sich das erste Objekt irgendwo entlang dem vorbeschriebenen Weg des zweiten Objekts befindet.
Um den oben erläuterten Passier-Betrieb zu verwirklichen, ist das in Fig. 10 dargestellte Target 222 als Ersatz für das Target 22 vorgesehen. Das Target 222 ist dem Target 22 ähnlich, mit der Ausnahme, daß es eine längliche Gestalt und mehrere Magnete 224 (das heißt 224a, 224b etc.) mit gleicher Polarität anstelle des Magneten 24 aufweist. Alternativ könnte ein (nicht gezeigter) länglicher Magnet anstelle der Magnete 224 verwendet werden. Damit besitzt auch die Basisplatte 228, die aus einem hochpermeablen Material gefertigt ist, eine längliche Gestalt. Ein Behälter 234 aus nichtmagnetischem Metall ist so bemessen, daß er die längliche Basisplatte 228 und das Feld von darauf angeordneten Magneten 224 aufnimmt. Eine längliche Version eines (nicht gezeigten) Deckels 36 tritt mit dem Behälter 234 so in Eingriff, daß der Raum umschlossen wird, in welchem sich die Magnete 224 und die Basisplatte 228 befinden und geschützt sind.
Unter der Annahme, daß das Target 222 an dem ersten Objekt und der Sensor 50 an einem zweiten Objekt befestigt ist, welches sich entlang einer Achse parallel zur Längsachse des Targets 220 vor- und zurückbewegt, so daß der Sensor 50 von den Magnetfeldern der Magneten 224 erfaßt wird, wird schließlich ein Punkt während der Bewegung des zweiten Objekts erreicht, an dem der Magnet 224 in die Betätigungszone des Sensors 50 eintritt. Dieses Ereignis verursacht, daß der Kern 52 auf einen vorbestimmten Wert gesättigt wird und dadurch bewirkt, daß die Induktivität des induktiven Elements 60 abfällt, was wiederum bedeutet, daß das zweite Objekt sich innerhalb einer vorbestimmten Nahzone des ersten Objekts befindet. Wenn das zweite Objekt fortfährt, sich entlang der Achse des Targets 222 zu bewegen, gelangt der Sensor 50 aus dem Magnetfeld des Magneten 224a heraus und in das Magnetfeld des Magneten 224 hinein. Vorzugsweise sind die Magnete 224 im Target 222 ausreichend nahe beeinander angeordnet, so daß der Kern 52 des Sensors 50 auf den vorbestimmten Wert gesättigt bleibt, während der Sensor zwischen den benachbarten Magneten vorbeiläuft. Solange also das zweite Objekt relativ zu dem ersten Objekt so gelegen ist, daß der Kern 52 des Sensors 50 durch das Magnetfeld von mindestens einem der Magneten 224 des Targets 222 auf den vorbestimmten Wert gesättigt ist, bleibt die Induktivität des induktiven Elements niedrig und gibt damit die relative Nähe des ersten und des zweiten Objekts an.
Die Targets 22 und 222 wurden beschrieben als mit einem Gehäuse ausgestattet, welches aus nicht-magnetischem Metall besteht. Man sollte sehen, daß, wenn die Sensoranordnung 20 (Behälter 34 und Deckel 36) für den Einsatz in einer Umgebung ausgebildet sind, in der Streuströme aus externen Quellen nicht vorhanden sind, beispielsweise in einer Außenraumumgebung, das Gehäuse nicht erforderlich ist. In diesem Fall kann die Basisplatte 28 oder 228 direkt an einem ersten Objekt angebracht werden.
Eine Abwandlung des Näherungssensors so ist in Fig. 11 gezeigt. Der Sensor 50 enthält eine nicht-magnetische Spule 53, auf die das induktive Element 60 aufgewickelt ist. Der Kern 52 verläuft innerhalb der Spule 53. Der Sensor kann entweder im Passier-Betrieb oder im Gegenüber-Betrieb arbeiten. Im Passier-Betrieb bewegt sich der Sensor relativ zu dem Magneten 24 in Y-Richtung. Wenn sich der Sensor dem Magneten 24 nähert, treten von dem Magneten 24 erzeugte magnetische Flußlinien 46 in den Kern 52 ein. Wenn die Flußdichte einen vorbestimmten Pegel innerhalb des Kern erreicht, geht der Kern in Sättigung und bewirkt einen entsprechenden Abfall der Induktivität des induktiven Elements 60. Diese Änderung der Induktivität läßt sich von einer geeigneten elektronischen Schaltung messen, um festzustellen, wann der Sensor sich in einem vorab definierten Nahbereich des Magneten 24 befindet.
Der Sensor kann auch im Gegenüber-Betrieb eingesetzt werden, bei dem der Sensor sich in X-Richtung auf den Magneten 24 zu bewegt. Wenn der Sensor nahe genug ist, geht der Kern 52 in Sättigung und bewirkt einen Abfall der Induktivität des induktiven Elements 60, wie es oben beschrieben ist.
Außerdem ist in Fig. 11 ein Zusatz für das Kernelement 52 dargestellt. Der Zusatz ist ein Flußdirektor 120, bestehend aus einem Paar Metallstreifen, die durch Punktschweißen an dem Kern befestigt oder einstückig an dessen einem Ende ausgebildet sind. Der Flußdirektor arbeitet so, daß er die verzerrten Flußlinien 46 von dem Magneten 24 abfängt und die Flußlinien in den Kern 52 einleitet. Wie weiter unten näher erläutert wird, macht der Zusatz des Flußdirektors zu dem Sensorkern 52 den Sensor empfindlicher und genauer.
Eine vergrößerte Ansicht des Flußdirektors 120 ist in Fig. 12 dargestellt. Die Metallstreifen bilden vier sich radial erstreckende Arme 120a, 120b, 120c und 120d. Jeder der Arme ist etwa 90º um den Kern herum von den anderen Armen beabstandet. Vorzugsweise wird der Flußdirektor 120 aus dem gleichen hochpermeablen Material wie der Kern 52 gefertigt. Bei der bevorzugten Ausführungsform bestehen der Kern 52 und der Flußdirektor 120 jeweils aus HyMu "80" . Wie oben ausgeführt, arbeitet der Flußdirektor 120 so, daß er die Flußlinien von dem magnetischen Element 24 gemäß Fig. 11 abfängt und in den Kern 52 einleitet. Als Ergebnis geht der Kern bei einer größeren Entfernung von dem Magneten in Sättigung, als dies ohne den Flußdirektor möglich ist.
Die Querschnittsfläche der Arme des Flußdirektors 120 legt fest, wie der Sensor anspricht, wenn er im Passier- oder im Gegenüber-Betrieb eingesetzt wird. Im Passier-Betrieb erstrecken sich zwei Arme auf einer Seite des Sensors, die dem Target zugewandt ist, beispielsweise der Arm 120a und der Arm 120d, in die verzerrten magnetischen Flußlinien, bevor dies die Arme auf der anderen Seite des Sensors tun. Die Arme, die sich in die Flußlinien des Magneten hineinerstrecken, lenken die Flußlinien durch den Kern 52. Damit der Anteil des Flußdirektors, der sich in die magnetischen Flußlinien hineinerstreckt, und der Kern 52 gleichzeitig in Sättigung gehen, ist es wünschenswert, daß jeder der Flußdirektorarme eine Querschnittsfläche aufweist, die etwa einer halben bis einer viertel Querschnittsfläche des Kerns entspricht. Deshalb ist die Gesamtquerschnittsfläche des Teils des Flußdirektors, der sich in das von dem Magneten 24 erzeugte Magnetfeld hineinerstreckt, wenn der Kern in Sättigung geht, annähernd gleich der Querschnittsfläche des Kerns.
Wird der Sensor im Gegenüber-Betrieb eingesetzt, sind sämtliche Flußdirektorarme dem verzerrten Magnetfeld, welches von dem Magneten 24 erzeugt wird, gleichermaßen ausgesetzt, während sich der Sensor auf den Magneten zu bewegt. Wenn der Flußdirektor zur gleichen Zeit wie der Kern in Sättigung gehen soll, sollte jeder der Flußdirektorarme einen Querschnitt aufweisen, der annähernd einem Viertel der Querschnittsfläche des Kerns 52 entspricht. Wie der Fachmann erkennt, sollte, falls der Flußdirektor mit drei Armen ausgebildet ist und im Gegenüber-Betrieb eingesetzt wird, jeder Arm eine Querschnittsfläche aufweisen, die einem Drittel der Querschnittsfläche des Kerns entspricht. Die dargestellte Ausführungsform ist ein vernünftiger Kompromiß und arbeitet sowohl im Gegenüber-Betrieb als auch im Passier- Betrieb.
Fig. 13 zeigt, wie der Flußdirektor 120 arbeitet, um die entfernten Flußlinien 46 des Magneten 24 einzufangen, wenn der Sensor 50 vorbeigleitet. Wenn der Sensor sich dem Magneten 24 von links her nähert, werden die Flußlinien 40 von dem Pfad geringer Reluktanz der Flußdirektorarme in den Kern 52 hineingezogen. Als Ergebnis geht der Kern 52 bei einem Abstand in Sättigung, der bezüglich des Magneten 24 größer ist, als wenn kein Flußdirektor vorhanden wäre.
Fig. 14 ist eine graphische Darstellung zweier Kurven, die die Stelle von Punkten zeigen, bei denen der Sensor eine Impedanz in der Mitte zwischen Minimum- und Maximum-Werten aufweist. Eine Kurve 130 zeigt die Zwischenwertimpedanz für einen Sensor ohne den Flußdirektor, Kurve 132 zeigt die Zwischenwertimpedanz für einen Sensor mit einem Flußdirektor. Die Kurven 130 und 132 zeigen, wo in Relation zu dem Magneten der Sensor eine Zwischenwertimpedanz aufweist. Die X- und die Y-Achse haben die gleiche Orientierung wie in Fig. 11. Beispielsweise besitzt an dem Punkt mit der Markierung "A" der Sensor mit dem Flußdirektor eine Zwischenwertimpedanz bei etwa 0,18 cm (0,07 Zoll) zur linken Seite des Magneten und 0,51 cm (0,2 Zoll) von der Vorderseite des Magneten. In ähnlicher Weise befindet sich an einem Punkt "B" der Sensor ohne einen Flußdirektor ebenfalls bei 0,51 cm (0,2 Zoll) vor dem Magneten und etwa 0,10 cm (0,04 Zoll) links von dem Magneten. Wie aus den beiden Kurven 132 und 130 ersichtlich ist, befindet sich bei einem Abstand von 1,65 cm (0,65 Zoll) von der Vorderseite des Magneten die Kurve 132 auf der Mittellinie mit einem Gesamt-Passier-Delta von annähernd 0,20 cm (0,08 Zoll), während die Kurve 130 sich bei -0,38 cm (-0,15 Zoll) bei einem Passier-Delta von 0,48 cm (0,19 Zoll) befindet. Dies ist durch eine Lücke 134 dargestellt und veranschaulicht die etwa 2 : 1 betragende Verbesserung in der Passier- Genauigkeit, die durch den Einsatz des Flußdirektors erzielt wird.
Fig. 15 zeigt einen Graphen der Sensorimpedanz in Bezug auf den Abstand für einen Näherungssensor mit und ohne Flußdirektor, wenn der Sensor in einer Gegenüber-Betriebsart eingesetzt wird. Eine Linie 136 veranschaulicht die Impedanzänderung in Bezug auf die Gegenüber-Entfernung von dem Magneten bei einem Sensor ohne den Flußdirektor. In ähnlicher Weise zeigt eine Linie 138 die Impedanzänderung bei einem Abstand von dem Magneten für einen Sensor, der den Flußdirektor aufweist. Wie aus den Graphen ersichtlich ist, erreicht der Sensor ohne den Flußdirektor die Zwischenwertimpedanz bei einem Abstand von 2,98 cm (0,9 Zoll) von dem Magneten, wie durch den Punkt "C" angegeben ist. In ähnlicher Weise wird bei einem Sensor mit dem Flußdirektor die Zwischenwertimpedanz bei einem Abstand von 2,69 cm (1,06 Zoll) erreicht, angedeutet durch den Punkt "D". In der Gegenüber-Betriebsart erreicht der Flußdirektor eine 18% betragende Verbesserung in dem Lückenabstand gegenüber dem Sensor ohne Flußdirektor, was also den Sensor empfindlicher macht. Außerdem erhöht der Flußdirektor den Impedanzbereich, wenn der Sensor von einem ungesättigten in einen gesättigten Zustand übergeht. Schließlich besitzt die Linie 138 eine größere Steigerung als die Linie 136 an der Stelle der Zwischenwertimpedanz, wie durch die Punkte C und D dargestellt ist, so daß eine stärkere Impedanzänderung bei einer gegebenen Entfernungsänderung gegenüber dem Magneten hervorgerufen und die Übertragungsfunktion bezüglich des Zwischenwert- Impedanz-Punkts symmetrisch ist. Deshalb arbeitet der den Flußdirektor enthaltende Sensor bei einer gegebenen Anderung in X-Richtung genauer als der gleiche Sensor ohne den Flußdirektor.
Wie man sehen kann, verbessert die Verwendung des Flußdirektors 120 an dem Ende des Kerns 52 die Empfindlichkeit des Sensors, wenn dieser im Gegenüber- und im Passier-Betrieb eingesetzt wird. Obschon der Flußdirektor gemäß Darstellung allgemein den Aufbau entsprechend einem "X" aufweist, können auch andere Ausgestaltungen verwendet werden, abhängig von dem Anwendungsfall, für den der Sensor vorgesehen ist. Es ist allerdings wichtig, daß der Flußdirektor und der Kern etwa an der gleichen Stelle mit Abstand von dem Magneten in Sättigung gehen, und deshalb muß die Querschnittsfläche des Kerns annähernd die gleiche sein wie die Gesamtquerschnittsfläche des Flußdirektors an dem Punkt, an dem der Sensor in Sättigung geht.
Ein wichtiger Vorteil der vorliegenden Erfindung gemäß Beschreibung ist darin zu sehen, daß das Betätigungsbereichs-Gewichts-Verhältnis etwa 7- mal besser ist als bei konventionellen Näherungssensoren mit veränderlicher Reluktanz. Genauer gesagt, Näherungssensoren, die ähnliche Kennwerte haben wie die oben in Verbindung mit der Diskussion der Fig. 5 beschriebenen Ausführungsform, und die die hohe Temperaturstabilität der Sensoranordnung 20 besitzen, können einen Betätigungsbereich in der Größenordnung von 1,27 cm (0,5 Zoll) bis mindestens 5,08 cm (2 Zoll) aufweisen. Im Gegensatz dazu besitzen bekannte Näherungssensoren mit veränderlicher Reluktanz bei ähnlichem Gewicht wie diese Ausführungsform der vorliegenden Erfindung typischerweise einen Betätigungsbereich in der Größenordnung von 0,254 cm (0,1 Zoll). Folglich ist der vorliegende Sensor besonders brauchbar in Bereichen, in denen minimales Gewicht von Bedeutung ist, beispielsweise beim Flugzeugbau oder bei Raumfahrzeugen. Das hohe Betätigungsbereichs/Gewichts-Verhältnis des erfindungsgemäßen Sensors wird erreicht durch die Auswahl von Stoffen für den Magneten 24, die Bereitstellung der Platte 28, die Materialauswahl für den Kern 52 und das Längen-Durchmesser-Verhältnis des Sensors 50, wie dies alles oben erläutert wurde.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der Sensoranordnung gemäß der Erfindung ist dessen hohe Beständigkeit gegenüber elektromagnetischen Feldern, die durch eine Quelle außerhalb der Sensoranordnung erzeugt werden. Damit läßt sich der Sensor in vorteilhafter Weise in solchen Umgebungen einsetzen, in denen es starke elektromagnetische Felder gibt, beispielsweise in einem Flugzeug, welches möglicherweise von Blitzschlägen getroffen wird.
Ein weiterer wichtiger Vorteil der erfindungsgemäßen Sensoranordnung ist darin zu sehen, daß deren Ausgangssignal in hohem Maße temperaturstabil ist. Typischerweise schwankt das Ausgangssignal der Sensoranordnung um weniger als etwa 4% in einem Temperaturbereich von -60ºC bis +120ºC.
Während die bevorzugte Ausführungsform der Erfindung dargestellt und beschrieben wurde, erkennt man, daß zahlreiche Abwandlungen möglich sind, ohne vom Grundgedanken und Schutzumfang der Erfindung abzuweichen.

Claims

1. Näherungssensor (20) mit sättigbarem Kern des Typs, der einen Targetmagneten (22) und einen Induktor (60) mit einer Induktivität, die sich bei in der Nähe des Targetmagneten (22) befindlichem Sensor (20) ändert aufweist, umfassend:

ein magnetisches Target (22), welches einen Magneten (24) mit einer Vorderseite und einer Rückseite enthält, der ein Magnetfeld vor, hinter und an den Seiten des Magneten erzeugt; und

eine Sensoreinrichtung zum Nachweisen des Magnetfeldes und zum Anzeigen, wann die Sensoreinrichtung sich innerhalb eines vorbestimmten Nahbereichs des magnetischen Targets befindet, wozu die Sensoreinrichtung einen Kern (52) und ein induktives Element (60) aufweist, von denen der Kern (52) und das induktive Element (60) eine Induktivität aufweisen, die abnimmt, wenn der Kern durch das von dem Magneten erzeugte Magnetfeld gestättigt wird, und eine Induktivität, die zunimmt, wenn der Kern von dem von dem Magneten erzeugten Magnetfeld nicht gesittigt wird, wobei die Induktivitätsänderung eine Anzeige für die Nähe der Sensoreinrichtung an dem magnetischen Target liefert,

dadurch gekennzeichnet, daß

das magnetische Target (22) außerdem eine Platte (28) enthält, die benachbart zu dem Magneten angeordnet ist, um das Magnetfeld hinter dem Magneten und an der Seite des Magneten zu verringern und die Distanz zu vergrößern, bis zu der sich das Magnetfeld in einer Richtung senkrecht zur Vorderseite des Magneten erstreckt, der Kern (52) ein fernes Ende und ein nahes Ende sowie eine Längsachse, die im wesentlichen senkrecht zur Vorderseite des Magneten ausgerichtet ist, aufweist, der Kern eine Querschnittsfläche in einer Ebene senkrecht zu der Längsachse aufweist, die wesentlich kleiner ist als die Querschnittsfläche des Kerns entlang der Längsachse, der Kern magnetisch gesättigt wird, wenn er den Magnetfeldern einer vorbestimmten Flußdichte ausgesetzt ist, die sich entlang der Längsachse des Kerns erstrecken, jedoch nicht gesättigt wird, wenn er Magnetfeldern der vorbestimmten Flußdichte ausgesetzt wird, die in einer Richtung verlaufen, welche wesentlich von der Längsachse des Kerns abweicht, und

das induktive Element (60), welches den Kern umgibt, ein zweites Magnetfeld erzeugt, welches durch den Kern und durch einen Luftspalt zwischen dem fernen und dem nahen Ende des Kern verläuft.

2. Sensor nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Löscheinrichtung (34), die zu dem magnetischen Target gehört und dazu dient, elektromagnetische Felder zu beseitigen, die durch Ströme erzeugt werden, welche durch eine außerhalb des Sensors vorhandene Quelle erzeugt werden, so daß solche Felder praktisch das von dem magnetischen Target bereitgestellte Magnetfeld nicht erfassen.

3. Sensor nach Anspruch 1, umfassend einen Flußdirektor (120), der an einem fernen Ende des Kerns angeordnet ist, um einen verzerrten Abschnitt des Magnetfelds des magnetischen Targets zu erfassen.

4. Sensor nach Anspruch 3, bei dem der Flußdirektor mehrere sich radial erstreckende Arme aufweist, welche das Magnetfeld des magnetischen Targets durch den Kern leiten.

5. Sensor nach Anspruch 4, bei dem die sich radial erstreckenden Arme gleichmäßig um das ferne Ende des Kerns herum beabstandet sind.

6. Sensor nach Anspruch 3, bei dem der Flußdirektor eine Permeabilität besitzt, die im wesentlichen die gleiche ist wie die Permeabilität des Kerns.

7. Sensor nach Anspruch 3, bei dem der Flußdirektor und der Kern gleichzeitig in Sättigung gehen, wenn der Sensor in das Magnetfeld des magnetischen Targets eintritt.

8. Sensor nach Anspruch 1, bei dem der Magnet des magnetischen Targets eine Curie-Temperatur von mindestens etwa 250ºC aufweist, und die benachbart zu dem Magneten angeordnete Platte eine relative Permeabilität von mindestens 100 und einen Flußsättigungswert von mindestens etwa 10.000 Gauss aufweist.

9. Sensor nach Anspruch 1, bei dem die Sensoreinrichtung eine kugelförmige Betätigungszone aufweist, die sich von einem Ende des Sensors nach außen erstreckt und um eine Mittelachse des Sensors herum zentriert ist, wobei außerdem das Magnetfeld eine Stärke besitzt, die ausreicht, daß zumindest ein Teil des Kerns in Sättigung gebracht wird, wenn zumindest ein Teil des magnetischen Targets sich innerhalb der Betätigungszone befindet.