DE3130030A1

DE3130030A1 - Sensor for ferromagnetic materials

Info

Publication number: DE3130030A1
Application number: DE19813130030
Authority: DE
Inventors: Wolfram Dipl.-Ing. 7307 Aichwald Andre; Wolfgang 7300 Esslingen Müller
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1981-04-09
Filing date: 1981-07-30
Publication date: 1983-02-17

Abstract

In a sensor for ferromagnetic materials according to Patent... (Application P3114352.0), in which a body is placed onto a piezoceramic plate and piezoelectric voltages are produced across the electrodes of the plate due to the magnetic interaction between the ferromagnetic material and this body, noise voltages produced by interfering influences such as vibrations, shocks and so forth are compensated for by the fact that two plates are used which are arranged or constructed in such a manner that noise voltages of almost equal magnitude are produced across the electrodes of both plates but useful voltages only occur across the electrodes of one plate. <IMAGE>

Description

Sensor für ferromagnetische Materialien Sensor for ferromagnetic materials

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.The present invention relates to a sensor for ferromagnetic Materials according to patent ... (patent application P 31 14 352.0), in which a body with a piezoceramic clamped in place at fixed points and provided with electrodes Plate is positively connected and when passing a ferromagnetic Material on the body through magnetic interaction with this on a force the platelet is transferred and this is deformed and thereby attached to its electrodes occurring piezoelectric voltage as a criterion for the presence of a ferromagnetic material is evaluated.

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.Such a sensor is not only used when passing one ferromagnetic material on the body by magnetic interaction with it occurring forces recorded as piezoelectric voltages on its electrodes, but there are also interfering influences such as vibrations, shocks, etc. on the plate and cause undesirable piezoelectric stresses on its electrodes.

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.The present invention is therefore based on the object a Sensor for ferromagnetic materials according to patent .... (Application P 31 14 352.0) so that the effects of interference on the output signal be compensated. This object is now achieved according to the invention in that two Ceramic platelets are provided, with external interference influences on each of these platelets act almost uniformly, but essentially a magnetic interaction only takes place with the body of a platelet, and therefore only on one platelet Useful forces act, with then the difference of the piezoelectric voltages is evaluated as a criterion on the electrodes of both platelets.

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.For this purpose either only the body of the first plate consists of ferromagnetic Material, the body of the second plate, on the other hand, has the same mass and Mass distribution like the body of the first platelet, but is not ferromagnetic, or the bodies of both platelets are made of ferromagnetic material, with the platelets are spatially arranged so that when passing a ferromagnetic Material on the sensor essentially only one with the body of the first plate magnetic interaction occurs.

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 both cases, the piezoceramic material of the two Platelets either polarized in opposite directions, in which case the electrode coatings of the two platelets are electrically connected in parallel, or it is in the same direction polarized, in which case the piezoelectric voltages occurring at their electrodes fed to the inputs of a differential amplifier.

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.In electroacoustics, it is now used for microphones to suppress the Room noise known to use two similar systems, each of which the Picks up room noise practically equally well, but then only one system from one speaker is discussed directly, while the second only takes up this language in a subdued manner and reproduces. By forming the difference, the room noise becomes even if not complete suppressed, but so strongly attenuated that the speaker's speech is in the signal dominates and the room noise does not affect intelligibility. The difference formation usually takes place by means of a transformer, but can also be done by a differential amplifier.

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.The invention will now be based on the examples shown in the figures are described in detail. It shows: FIG. 1 a section in an exploded view Representation by a sensor according to the main application, Fig. 2 is a similar one Section through a sensor according to the invention, FIG. 3 is a circuit diagram of a sensor according to Fig. 2 with polarization of the two piezoceramic plates in the same direction, FIG. 4 is a circuit diagram of a sensor according to FIG. 2 with polarization in opposite directions of the two piezoceramic plates, Fig. 5 shows an embodiment for the formation of the difference according to FIG. 3, FIG. 6, an exemplary embodiment for the formation of the sum according to Fig. 4.

Fig. 1 zeigt einen Sensor nach dem Hauptpatent ....Fig. 1 shows a sensor according to the main patent ....

(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.(Registration P 31 14 352.0). With 1 is the piezoceramic plate, 2 and 3 designate the electrodes applied to this. 6 is a membrane, with one side of the piezoceramic plate 1 and with the other side the body 4 is connected. 5 is the ferromagnetic material to be located. at the sensor according to the invention according to FIG. 2 is now behind the system of body 4, Membrane 6 and piezoceramic plate 1 with electrodes 2 and 3, another sensor system with body 4 ', membrane 6' and piezoceramic plates 1 'with electrodes 2' and 3 'arranged. The body 4 'can either consist of a non-ferromagnetic Consist of material, but have the same mass and mass distribution as the body 4 of the first system, so also have the same dimensions, or he can be designed completely the same as the body 4, since the distance between Material 5 and body 4 'is in all cases so large or can be selected that practically none when a ferromagnetic material 5 is passed on the body 4 Useful voltages at the electrodes 2 'and 3' of the plate 1 'of the further rear Sensor system are delivered. It must, of course, be used to mount the two systems it must be ensured that no coupling occurs between the two sensor systems and the membrane 6 'is also excited by movements of the membrane 6. The two membranes 6 and 6 'must be neither in a sufficiently rigid housing or fastened in a strong vibration-damping material. Such measures are from the field of electromechanical filters for the attachment of transducers known, including measures to prevent air coupling between two oscillators from DE-AS 22 02 948 emerge.

Wirken nun auf die beiden Sensorsysteme von außen Störeinflüsse wie Stöße, Erschütterungen, Vibrationen usw.Now act on the two sensor systems from outside interference such as Shock, shock, vibration, etc.

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.on, its component acts in the sensor axis direction in both systems on the plates .1 and 1 and causes interference voltages on the electrodes 2, 3 or 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.Depending on whether the two piezoceramic plates 1 and 1 'are in the same direction or polarized in opposite directions, are also the interference voltages on the two platelets directed equal or opposite. These two cases are in the circuit diagrams 3 and 4 shown.

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.In Fig. 3 those occurring at the electrodes 2, 3 of the plate 1 are Signals with N = useful voltage and St = interference voltage and that at the electrodes 2 ', 3 'of the plate 1' denotes the signal occurring with St 'interference voltage. The interference voltages St and St 'are due to polarization of the piezoceramic plates in the same direction 1 and 1 'are directed in the same direction and it is therefore turned off in a differential stage 12 the signals of the two platelets 1 and 1 'formed the difference, whereby at the output the difference stage 12 only the useful signal N appears. The mode of action described here assumes, of course, that both sensor systems are completely equal to each other in terms of frequency and phase response as well as in sensitivity.

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.The deviations between the two plates are particularly noticeable 1 and 1 'with each other in frequency and phase corridor. Frequency independent Sensitivity deviations, on the other hand, can easily be corrected. This can e.g.

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.by inserting an attenuator or by adjusting the gain subsequent amplifier happen. Deviations from complete equality can then be accepted if they do not completely compensate for the Interference signals occur more, but the useful interference voltage ratio of the output signal is improved so that the remaining interference voltage residue during further processing no longer bothers.

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.The arrangement according to FIG. 4 differs from that according to FIG. 3 in that that here the piezoceramic plates 1 and 1 'are polarized in opposite directions. Through this are also the interference voltages St and occurring at the electrodes 2, 3 and 2 ', 3' St 'directed in the opposite direction. It is therefore in an adder 13 from the signals of the two platelets 1 and 1 'formed the sum, whereby at the output of the adder 13 only the useful signal N appears.

Betreffend der wertmäßigen Gleichheit von St und St' gilt das zu Fig. 3 gesagte gleichermaßen.With regard to the equality of St and St 'in terms of value, the same applies to Fig. 3 said alike.

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.5 now shows an exemplary embodiment for a differential stage 12. The non-inverting input of a differential amplifier 14 is the output signal of wafer 1 and the inverting input that of wafer 1 ' When using an integrated circuit, mostly only the non-inverting one would Make the input extremely high resistance. A commercially available and special one Inexpensive integrated module contains two differential amplifiers in one housing, whereby the so far still free second is used as an impedance converter for the inverse animals The input of the first differential amplifier can be connected upstream and so also for the output signal of the plate 1 'produces an extremely high load resistance.

Eine solche Ausführungsform eines Differerenzverstärkers ist Stand der Technik und wurde deshalb nicht gesondert- zeichnerisch dargestellt.One such embodiment of a differential amplifier is prior art the technology and was therefore not shown separately in the drawing.

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.6 now shows an exemplary embodiment for an adder stage 13. The output signals of the wafer 1 are the high-impedance inverting input of an amplifier 15 and that of the chip 1 'that of an amplifier 15.

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.The outputs of both amplifiers are connected to each other and work on a common, through the input resistance of a downstream evaluation device formed load resistance. The already mentioned inexpensive, integrated combination of two differential amplifiers can be used in which the non-inverting inputs as signal input for the output signals of the platelets 1 and 1 'can be used and the inverting inputs only for setting the gain serve by negative feedback.

5 Patentansprüche 1 Blatt Zeichnungen mit 6 Figuren5 claims 1 sheet of drawings with 6 figures

Claims

Claims Sensor for ferromagnetic materials according to the patent ...

(Patent application P 31 14 352.0), in which a body with a Fixed points clamped in place and provided with electrodes piezoceramic Plate is positively connected and when passing a ferromagnetic Material on the body through magnetic interaction with this on a force the platelet is transferred and this is deformed and this at its electrodes occurring piezoelectric voltage as a criterion for the presence of a ferromagnetic material is evaluated, d u r c h e k e n n z e -i c h n e t that two such plates (1, 1 ') are provided that on each of these Platelets have an almost uniform effect on external interference, that essentially however, a magnetic interaction of the ferromagnetic material (5) only with the body (4 or 4 ') of a platelet (1 or 1') takes place and so only through this on this platelet (1 or 1 ') useful forces act, and that then the difference the piezoelectric voltages on the electrodes (2, 3 and 2 ', 3') of both plates (1, 1 ') is evaluated as a criterion.

2. Sensor according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that only the body (4) of the first plate (1) made of ferromagnetic material there is that, on the other hand, the body (4 ') of the second plate (1') has the same mass and mass distribution like the body (4) of the first plate (1), however is not ferromagnetic.

3. Sensor according to claim 1, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the body (4, 4 ') of both plates (1, 1') made of ferromagnetic material exist that the two plates (1, 1 ') are spatially arranged so that-at Passing a ferromagnetic material (5) at the sensor essentially only a magnetic interaction occurs with the body (4) of the first plate (1).

4. Sensor according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the piezoceramic material of the two platelets (1, 1 ') is opposite is polarized, and that the electrode coatings (2, 2 'or 3, 3') of the two platelets (1, -1 ') are electrically connected in parallel.

5. Sensor according to claim 2 or 3, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t that the piezoceramic material of the two plates (1, 1 ') is polarized in the same direction and that the electrodes (2, 3 or 2 ', 3') occurring piezoelectric voltages to the inputs of a differential amplifier are fed.