DE3130030A1 - Sensor fuer ferromagnetische materialien - Google Patents

Description

• Sensor für ferromagnetische Materialien
• Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Sensor für ferromagnetische Materialien nach Patent ... (Patentanmeldung P 31 14 352.0), bei dem ein Körper mit einem an Fixpunkten ortsfest eingespannten und mit Elektroden versehenen piezokeramischen Plättchen kraftschlüssig verbunden ist und bei dem bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials an dem Körper durch magnetische Wechselwirkung mit diesem eine Kraft auf das Plättchen übertragen und dieses verformt wird und die hierdurch an seinen Elektroden auftretende piezoelektrische Spannung als Kriterium für das Vorhandensein eines ferromagnetischen Materials ausgewertet wird.
• Von einem solchen Sensor werden nicht nur die bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials an dem Körper durch magnetische Wechselwirkung mit diesem auftretenden Kräfte als piezolektrische Spannungen an seinen Elektroden erfaßt, sondern es wirken auch Störeinflüsse wie Vibrationen, Stöße usw. auf das Plättchen ein und verursachen an seinen Elektroden unerwünschte piezoelektrische Spannungen.
• Der vorliegenden Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, einen Sensor für ferromagnetische Materialien nach Patent .... (Anmeldung P 31 14 352.0) so weiterzubilden, daß die Auswirkungen von Störeinflüssen auf das Ausgangssignal kompensiert werden. Diese Aufgabe wird nun erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß zwei keramische Plättchen vorgesehen sind, wobei auf jedes dieser Plättchen äußere Störeinflüsse nahezu gleichmäßig einwirken, eine magnetische Wechselwirkung jedoch im wesentlichen nur mit dem Körper eines Plättchens erfolgt, und hierdurch nur auf ein Plättchen Nutzkräfte einwirken, wobei dann die Differenz der piezoelektrischen Spannungen an den Elektroden beider Plättchen als Kriterium ausgewertet wird.
• Hierzu besteht entweder nur der Körper des ersten Plättchens aus ferromagnetischem Material, der Körper des zweiten Plättchens dagegen weist zwar gleiche Masse und Massenverteilung wie der Körper des ersten Plättchens auf, ist jedoch nicht ferromagnetisch, oder es bestehen die Körper beider Plättchen aus ferromagnetischem Material, wobei die Plättchen räumlich so angeordnet sind, daß bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials am Sensor im wesentlichen nur mit dem Körper des ersten Plättchens eine magnetische Wechselwirkung auftritt.
• In beiden Fällen kann dabei das piezokeramische Material der beiden Plättchen entweder entgegengesetzt polarisiert sein, wobei dann die Elektrodenbeläge der beiden Plättchen elektrisch parallel geschaltet werden, oder es ist gleichsinnig polarisiert, wobei dann die an ihren Elektroden auftretenden piezoelektrischen Spannungen den Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt werden.
• In der Elektroakustik ist es nun für Mikrophone zum Unterdrücken des Raumgeräusches bekannt, zwei gleichartige Systeme einzusetzen, von denen jedes das Raumgeräusch praktisch gleich gut aufnimmt, aber dann nur ein System von einem Sprecher direkt besprochen wird, während das zweite diese Sprache nur gedämpft aufnimmt und wiedergibt. Durch Differenzbildung wird das Raumgeräusch wenn auch nicht vollständig unterdrückt, so doch so stark gedämpft, daß die Sprache des Sprechers im Signal dominiert und das Raumgeräusch die Verständlichkeit nicht beeinflußt. Die Differenzbildung erfolgt hierbei überlicherweise mittels eines Übertragers, kann aber auch durch einen Differenzverstärker erfolgen.
• Die Erfindung soll nun anhand der in den Figuren dargestellten Beispiele eingehend beschrieben werden. Es zeigt dabei: Fig. 1 einen Schnitt in auseinandergezogener Darstellung durch einen Sensor gemäß der Hauptanmeldung, Fig. 2 einen ebensolchen Schnitt durch einen erfindungsgemäßen Sensor, Fig. 3 ein Wirkschaltbild eines Sensors nach Fig. 2 bei gleichsinniger Polarisation der beiden piezokeramischen Plättchen, Fig. 4 ein Wirkschaltbild eines Sensors nach Fig. 2 bei gegensinniger Polarisation der beiden piezokeramischen Plättchen, Fig. 5 ein Ausführungsbeispiel für die Differenzbildung nach Fig. 3, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel für die Summenbildung nach Fig. 4.
• Fig. 1 zeigt einen Sensor nach dem Hauptpatent ....
• (Anmeldung P 31 14 352.0). Mit 1 ist das piezokeramische Plättchen, mit 2 und 3 die auf dieses aufgebrachten Elektroden bezeichnet. 6 ist eine Membran, mit deren einen Seite das piezokeramische Plättchen 1 und mit deren anderen Seite der Körper 4 verbunden ist. 5 ist das zu ortende ferromagnetische Material. Bei dem erfindungsgemäßen Sensor nach Fig. 2 ist nun hinter dem System aus Körper 4, Membran 6 und piezokeramischer Plättchen 1 mit Elektroden 2 und 3 ein weiteres Sensorsystem mit Körper 4', Membran 6' und piezokeramischen Plättchen 1' mit Elektroden 2' und 3' angeordnet. Der Körper 4' kann dabei entweder aus einem nicht ferromagnetischen Material bestehen, dabei aber gleiche Masse und Massenverteilung aufweisen, wie der Körper 4 des ersten Systems, also auch gleiche Abmessungen aufweisen, oder er kann völlig gleichartig wie der Körper 4 ausgebildet sein, da der Abstand zwischen Material 5 und Körper 4' in allen Fällen so groß ist oder gewählt werden kann, daß bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials 5 am Körper 4 praktisch keine Nutzspannungen an den Elekroden 2' und 3' des Plättchens 1' des weiteren hinteren Sensorsystems abgegeben werden. Es muß natürlich bei der Halterung der beiden Systeme dafür gesorgt werden, daß keine Verkopplung zwischen den beiden Sensorsystemen auftritt und die Membran 6' durch Bewegungen der Membran 6 miterregt wird. Die beiden Membranen 6 und 6' müssen ent- weder in einem hinreichend starren Gehäuse oder in einem stark schwingungsdämpfenden Material befestigt sein. Solche Maßnahmen sind aus dem Gebiete der elektromechanischen Filter für die Schwingerbefestigung bekannt, wobei auch Maßnahmen zum Verhindern der Luftkopplung zwischen zwei Schwingern aus der DE-AS 22 02 948 hervorgehen.
• Wirken nun auf die beiden Sensorsysteme von außen Störeinflüsse wie Stöße, Erschütterungen, Vibrationen usw.
• ein, so wirkt deren Komponente in Sensorachsrichtung in beiden Systemen auf die Plättchen .1 und 1 ein und verursacht Störspannungen an den Elektroden 2, 3 bzw. 2', 31.
• Je nachdem, ob die beiden piezokeramischen Plättchen 1 und 1' gleichsinnig oder gegensinnig polarisiert sind, sind auch die Störspannungen an den beiden Plättchen gleich-oder entgegengesetzt gerichtet. Diese beiden Fälle sind in den Wirkschaltbildern der Fig. 3 und 4 dargestellt.
• In Fig. 3 sind die an den Elektroden 2, 3 des Plättchens 1 auftretenden Signale mit N = Nutzspannung und St = Störspannung und das an den Elektroden 2', 3' des Plättchens 1' auftretende Signal mitSt'-Störspannung bezeichnet. Die Störspannungen St und St' sind infolge gleichsinniger Polarisierung der piezokeramischen Plättchen 1 und 1' gleichsinnig gerichtet und es wird deshalb in einer Differenzstufe 12 aus den Signalen der beiden Plättchen 1 und 1' die Differenz gebildet, wodurch am Ausgang der Differenzstufe 12 nur das Nutzsignal N erscheint. Die hier beschriebene Wirkungsweise setzt natürlich voraus, daß beide Sensorsysteme untereinander völlig gleich im Frequenz- und Phasengang sowie in der Empfindlichkeit sind.
• Besonders bemerkbar machen sich die Abweichungen der beiden Plättchen 1 und 1' untereinander im Frequenz- und Phasen- gang. Frequenzunabhängige Empfindlichkeitsabweichungen lassen sich dagegen leicht korrigieren. Dieses kann z.B.
• durch Einfügen eines Dämpfungsgliedes oder durch Verstärkungseinstellung nachfolgender Verstärker geschehen. Abweichungen von der völligen Gleichheit können dann in Kauf genommen werden, wenn durch sie zwar keine völlige Kompensation der Störsignale mehr eintritt, jedoch das Nutz-Störspannungsverhältnis des Ausgangssignales so verbessert wird, daß der verbleibende Störspannungsrest bei der Weiterverarbeitung nicht mehr stört.
• Die Anordnung nach Fig. 4 unterscheidet sich von der nach Fig. 3 dadurch, daß hier die piezokeramischen Plättchen 1 und 1' gegensinnig polarisiert sind. Hierdurch sind auch die an den Elektroden 2, 3 und 2', 3' auftretenden Störspannungen St und St' gegensinnig gerichtet. Es wird deshalb in einer Addierstufe 13 aus den Signalen der beiden Plättchen 1 und 1' die Summe gebildet, wodurch am Ausgang der Addierstufe 13 nur das Nutzsignal N erscheint.
• Betreffend der wertmäßigen Gleichheit von St und St' gilt das zu Fig. 3 gesagte gleichermaßen.
• Fig. 5 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel für eine Differenzstufe 12. Dem nichtinvertierenden Eingang eines Differenzverstärkers 14 wird das Ausgangssignal des Plättchens 1 und dem invertierenden Eingang das des Plättchens 1' zugeführt Bei Einsatz eines integrierten Schaltkreises würde sich meistens nur der nichtinvertierende Eingang extrem hochohmig machen lassen. Ein im Handel befindlicher und besonders preiswerter intergrierter Baustein enthält zwei Differnzverstärker in einem Gehäuse, wobei sich der bisher noch freie zweite als Impedanzwandler dem inver- tiernden Eingang des ersten Differenzverstärkers vorschalten läßt und so auch für das Ausgangssignal des Plättchens 1' einen extrem hohen Belastungswiderstand herstellt.
• Eine solche Ausführungsform eines Differerenzverstärkers ist Stand der Technik und wurde deshalb nicht gesondert- zeichnerisch dargestellt.
• Fig. 6 zeigt nun ein Ausführungsbeispiel für eine Addierstufe 13. Die Ausgangssignale des Plättchens 1 werden dem hochohmigen invertierenden Eingang eines Verstärkers 15 und die des Plättchens 1' dem eines Verstärkers 15 zugeführt.
• Die Ausgänge beider Verstärker sind miteinander verbunden und arbeiten auf einem gemeinsamen, durch den Eingangswiderstand einer nachgeschalteten Auswerteeinrichtung gebildeten Lastwiderstand. Auch hier kann als Verstärker die bereits erwähnte preiswerte, integrierte Kombination zweier Differenzverstärker verwendet werden, bei denen die nichtinvertierenden Eingänge als Signaleingang für die Ausgangssignale der Plättchen 1 und 1' eingesetzt werden und die invertierenden Eingänge nur zur Verstärkungseinstellung durch Gegenkopplung dienen.
• 5 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnungen mit 6 Figuren

Claims (5)

1. Patentansprüche Sensor für ferromagnetische Materialien nach Patent ...

   (Patentanmeldung P 31 14 352.0), bei dem ein Körper mit einem an Fixpunkten ortsfest eingespannten und mit Elektroden versehenen piezokeramischen Plättchen kraftschlüssig verbunden ist und bei dem bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials an dem Körper durch magnetische Wechselwirkung mit diesem eine Kraft auf das Plättchen übertragen und dieses verformt wird und die hierbei an seinen Elektroden auftretende piezoelektrische Spannung als Kriterium für das Vorhandensein eines ferromagnetischen Materials ausgewertet wird, d a d u r c h g e k e n n z e -i c h n e t , daß zwei solcher Plättchen (1, 1') vorgesehen sind, daß auf jedes dieser Plättchen äußere Störeinflüsse nahezu gleichmäßig einwirken, daß im wesentlichen jedoch eine magnetische Wechselwirkung des ferromagnetischen Materials (5) nur mit dem Körper (4 oder 4') eines Plättchens (1 oder 1') erfolgt und so hierdurch nur auf dieses Plättchen (1 oder 1') Nutzkräfte einwirken, und daß dann die Differenz der piezoelektrischen Spannungen an den Elektroden (2, 3 und 2', 3') beider Plättchen (1, 1') als Kriterium ausgewertet wird.
2. 2. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß nur der Körper (4) des ersten Plättchens (1) aus ferromagnetischem Material besteht, daß dagegen der Körper (4') des zweiten Plättchens (1') zwar gleiche Masse und Massenverteilung wie der Körper (4) des ersten Plättchens (1) aufweist, jedoch nicht ferromagnetisch ist.
3. 3. Sensor nach Anspruch 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß die Körper (4, 4') beider Plättchen (1, 1') aus ferromagnetischem Material bestehen, daß dabei die beiden Plättchen (1, 1') räumlich so angeordnet sind, daß-bei Vorbeiführen eines ferromagnetischen Materials (5) am Sensor im wesentlichen nur mit dem Körper (4) des ersten Plättchens (1) eine magnetische Wechselwirkung auftritt.
4. 4. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das piezokeramische Material der beiden Plättchen (1, 1') entgegengesetzt polarisiert ist, und daß die Elektrodenbeläge (2, 2' bzw. 3, 3') der beiden Plättchen (1,-1') elektrisch parallel geschaltet sind.
5. 5. Sensor nach Anspruch 2 oder 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t , daß das piezokeramische Material der beiden Plättchen (1, 1') gleichsinnig polarisiert ist und daß die an ihren Elektroden (2, 3 bzw. 2', 3') auftretenden piezoelektrischen Spannungen den Eingängen eines Differenzverstärkers zugeführt werden.