DE3525070A1 - Magnetfeldsensor - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft einen Magnetfeldsensor gemäß Gattungsbegriff des Anspruchs 1. Sie soll einen Magnet­ feldsensor mit geringer Stromaufnahme schaffen, dessen Auswerteschaltung gegebenenfalls zusammen mit dem Sensor in kompakter Bauweise, beispielsweise als integrierte Schaltung oder Hybridschaltung mit geringem Raumbedarf aufgebaut werden kann, einerseits wenig störanfällig ist und andererseits leicht abgeglichen und an verschie­ dene Einsatzbedingungen angepaßt werden kann. Diese Auf­ gabe wird gelöst durch die im Anspruch 1 gekennzeichneten Merkmale. Durch die Verwendung eines gemeinsamen Takt­ gebers, der sowohl den elektronischen Schalter, als auch den A/D-Umsetzer und den Abtastschalter steuert, ist nicht nur der Schaltungsaufwand auf ein Minimum reduziert, sondern auch ein synchroner Betrieb aller drei Funktionen ohne zusätzliche Maßnahmen fortlaufend gewährleistet. Bei der synchronen Abtastung der am Ausgang der Gleichrichter­ schaltung stehenden im wesentlichen sägezahnförmigen Spannung entfällt die andernfalls erforderliche Glättung des durch Abtastung gewonnenen Signals, weil jeweils zum Abtastzeitpunkt das abgetastete Signal zugleich dem A/D- Umsetzer zugeführt wird. Damit genügt für die Abtastung eine Abtastimpulsfolgefrequenz entsprechend etwa der doppelten Grenzfrequenz der zu erwartenden Änderungen des Magnetfelds und damit des Sensorsignals, wodurch die Abtastrate und damit zugleich die Schaltrate des Sensors auf einen niedrigen Wert reduziert wird, was eine ent­ sprechende Verringerung der Stromaufnahme des Sensors, insbesondere der Magnetspule, zur Folge hat. Die Abtast­ frequenz in Höhe der doppelten Grenzfrequenz ergibt sich aus dem bekannten Abtasttheorem. Vorteilhafte Ausgestal­ tungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Mit der Veränderung der Verzögerungszeitspanne zwischen dem Schließintervall des elektronischen Schalters einer­ seits und dem Abtastzeitpunkt andererseits lassen sich etwaige Nullpunktverschiebungen oder sonstige, beispiels­ weise durch Temperaturänderungen oder Betriebsspannungs­ schwankungen hervorgerufene Störeinflüsse ohne zusätzliche Schaltungsmaßnahmen allein durch eine entsprechende Steue­ rung der Abtastzeitpunkte vom Mikroprozessor her kompen­ sieren.

Die Erfindung wird nachfolgend anhand eines in der Zeich­ nung dargestellten Ausführungsbeispiels erläutert. Dabei zeigt

Fig. 1 den Schaltungsaufbau des Magnetsensors und

Fig. 2 den Signalverlauf an verschiedenen Schaltungspunkten.

In Fig. 1 ist das dem Magnetfeld ausgesetzte Fühlerelement 1 über einen schematisch dargestellten elektronischen Schal­ ter 2 an eine Stromquelle U _B anschließbar. Das Fühlerele­ ment 1 besteht beispielsweise aus einer auf einen Spulen­ körper aufgewickelten Spule und einem im Inneren des Spulenkörpers oder auch unmittelbar im Inneren der Spule angeordneten Magnetkern, dessen Permeabilität sich in Abhängigkeit von dem ihn umgebenden Magnetfeld ändert. Als Kernmaterial eignen sich beispielsweise die unter den Markennamen Permalloy und Vitrovac bekannten Werk­ stoffe. An die Fühlerspule 1 ist eine Gleichrichter­ schaltung, bestehend aus Diode 3, Kondensator 4 und Widerstand 5 angeschlossen, deren Ausgang gegebenenfalls unter Zwischenschaltung eines Verstärkers 6 an den Sig­ naleingang eines A/D-Umsetzers 7 bzw. eines in diesem vorgesehenen Abtastschalters 8 angeschlossen ist. Der Abtastschalter 8 schließt die Eingangsleitung 9 zu be­ stimmten Schaltzeitpunkten an den Signaleingang des A/D-Umsetzers 7 an. Gleichzeitig wird von einem Mikro­ prozessor 10 her über die Steuerleitung 11 der A/D-Um­ setzer eingeschaltet und wandelt das auf der Leitung 9 anstehende Signal in ein digitales Ausgangssignal um, welches am Ausgang 12 zur Verfügung steht. Der Mikro­ prozessor 10 steuert gleichzeitig über eine weitere Takt­ leitung 13 den elektronischen Schalter und schließt die­ sen periodisch. Die Frequenz der Taktsignale auf den Leitungen 11 und 13 ist die gleiche, jedoch sind beide Signale gegeneinander phasenverschoben, wie dies nach­ folgend anhand von Fig. 2 erläutert wird.

In Fig. 2 ist als zu erfassende Meßgröße ein hier sich sinusförmig änderndes Feld F angenommen. Dieses Feld beeinflußt die Permeabilität des Kerns im Fühlerelement 1 und damit die Induktivität der Fühlerspule. Der elektro­ nische Schalter 2 wird im Rhythmus der vom Mikroprozessor 10 über die Leitung 13 gelieferten Taktimpulse S ge­ schlossen. Die Taktimpulse treten periodisch mit einer Periodendauer T auf und haben ein konstantes Puls/Pausen­ verhältnis T _e /T. Durch dieses periodische Schließen des elektronischen Schalters 2 entstehen in der Fühlerspule 1 Spannungsimpulse I entsprechend der senkrechten Kurven­ teile des sägezahnförmigen Kurvenzugs U, deren Länge dem jeweiligen Wert der Induktivität und damit des Feldes F proportional ist. Diese Impulse werden gleichgerichtet und laden den Kondensator 4 periodisch auf. Während der Öffnungszeit des elektronischen Schalters 2 entlädt sich der Kondensator über den Widerstand 5, so daß am Konden­ sator eine sägezahnförmige Spannung U steht, welche über die Leitung 9 und gegebenenfalls einen zwischengeschal­ teten Verstärker 6 an den Abtastschalter 8 des A/D-Um­ setzers 7 gelangt. Über die Leitung 11 werden dem Abtast­ schalter Abtastimpulse A zugeführt, welche gegenüber den Taktimpulsen S für den elektronischen Schalter 2 um eine Zeitspanne T _M phasenverschoben sind. Die Abtastung des Signals U erfolgt also jeweils zu Zeitpunkten T _A auf dem abfallenden Ast der Sägezahnkurve U. Die Amplitude der einzelnen Abtastwerte UA folgt wie Fig. 2 zeigt, dem Kurvenverlauf des Feldes F. Damit folgen die am Ausgang 12 in periodischen Abständen auftretenden Digitalsignale jeglichen Änderungen der Induktivität der Sensorspule 1 und damit den zu erfassenden Feldänderungen. In Fig. 2 ist die Abtastrate zur deutlicheren Wiedergabe der Übereinstimmung des Mittelwerts U _M der Abtastwerte U _A mit dem Feldverlauf mit einem relativ hohen Wert von etwa 10 Abtastungen pro Schwingungsperiode des Feldes F wiedergegeben. Das Abtasttheorem verlangt lediglich eine zweimalige Abtastung pro Änderungsperiode des Feldes F. Für die gezeigte Darstellung würden also zwei Abtastungen genügen oder mit anderen Worten bei der dargestellten Abtastrate könnten auch wesentlich schnellere Feldände­ rungen F erfaßt und fehlerfrei gemessen werden.

Claims (3)

1. Magnetfeldsensor mit einer Spule, deren Induktivität vom umgebenden Magnetfeld abhängig ist, ge­ kennzeichnet durch

• a) einen die Spule (1) periodisch für kurze vorge­ gebene Zeitintervalle (T _e ) an eine Stromquelle (U _B ) anschließenden, steuerbaren elektronischen Schalter (2);
• b) eine an die Spule angeschlossene Gleichrichter­ schaltung (3, 4, 5);
• c) einen der Gleichrichterschaltung nachgeschalteten A/D-Umsetzer (7);
• d) einen Mikroprozessor (10), dessen Taktgeber einer­ seits den elektronischen Schalter (2) und anderer­ seits den A/D-Umsetzer (7) steuert;
• e) einen zwischen Gleichrichterschaltung und A/D- Umsetzer eingeschalteten, vom gleichen Taktgeber gesteuerten Abtastschalter (8), welcher den Eingang des A/D-Umsetzers jeweils um eine vorgegebene Zeit­ spanne (T _M ) gegenüber dem Schließintervall (T _S ) des elektronischen Schalters (2) verzögert an die Gleichrichterschaltung anschließt;
• f) einen die Abtastwerte (U _A ) oder ein hieraus abge­ leitetes Signal liefernden Ausgang (12) des Mikro­ prozessors (10).

2. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1, gekenn­ zeichnet durch einen zwischen die Gleichrichterschaltung (3, 4, 5) und den Abtastschalter (8) eingeschalteten Verstärker (6).

3. Magnetfeldsensor nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verzögerungs­ zeitspanne (T _M ) zwischen dem Schließintervall (T _e ) des elektronischen Schalters (2) und dem Abtastzeitpunkt (T _A ) veränderbar ist.