DE60121148T2

DE60121148T2 - Sensor zur messung von positionen und elektromagnetischen feldern

Info

Publication number: DE60121148T2
Application number: DE60121148T
Authority: DE
Inventors: Francis John GREGG
Original assignee: Oxford University Innovation Ltd
Current assignee: Oxford University Innovation Ltd
Priority date: 2000-03-14
Filing date: 2001-03-13
Publication date: 2007-05-24
Anticipated expiration: 2021-03-14
Also published as: GB0006144D0; WO2001069168A1; US6984994B2; EP1666834B1; EP1666835B1; US20060097732A1; ATE331938T1; EP1269110B1; JP4731087B2; EP1666835A1; EP1269110A1; JP2003536053A; US20030179000A1; EP1666834A1; AU4080301A; DE60121148D1

Description

Diese Erfindung betrifft einen Sensor zum Erfassen der Position eines Objekts und/oder eines elektromagnetischen Felds, das diesem Objekt zugeordnet ist. Die GB-A-2,067,295, die DE-A-19803187 und die US-A-5,239,264 zeigen jeweils Suszeptibiltiätssensoren zum Erfassen der Relativbewegung zwischen einem inhomogen geformten Objekt und dem Sensor. Eine Bewegung zwischen dem Objekt und dem Sensor bewirkt, dass sich das elektromagnetische Feld mit einer Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität zeigt. Dies verursacht Veränderungen des Verlusts in einem Oszillatorkreis, in der Amplitude der Schwingung und in der Schwingungsfrequenz. Diese Veränderungen werden verwendet, um eine Positionserfassung zu erlauben.
Die vorliegende Erfindung hat als Aufgabe die Bereitstellung eines verbesserten Suszeptibilitätssensors.
Nach einem ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Suszeptibilitätssensor zum Erfassen einer Relativbewegung zwischen einem zu messenden inhomogen geformten Objekt (80) und dem Sensor bereitgestellt, umfassend:
einen Robinson-Grenzoszillator (20) mit einer Mehrzahl von elektrischen Eigenschaften;
einen Schwingungskreis (30), der mit dem Robinson-Grenzoszillator verbunden ist und so eingerichtet ist, dass er ein elektromagnetisches Messfeld/Sensorfeld erzeugt, wenn er von dem Oszillator mit Energie versorgt wird;
Mittel zum Erfassen von elektromagnetischen Energieverlusten, die aus Änderungen der sich dem elektromagnetischen Messfeld zeigenden, elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität resultieren, wenn sich das zu messende Objekt (80) relativ zu dem Sensor bewegt; und
eine Sensorausgabe (70), die an die Mittel zum Erfassen der elektromagnetischen Energieverluste gekoppelt ist und die dazu eingerichtet ist, ein Sensorausgabesignal in Abhängigkeit von den erfassten elektromagnetischen Energieverlusten zu erzeugen.
Die Ausnutzung von Variationen der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität bietet außerdem eine Anzahl von Vorteilen. Zuerst kann das zu erfassende Objekt aus einer sehr breiten Fülle von Materialien gebildet sein, wie etwa Ferromagneten, Nichtferromagneten, Metallen und sogar Isolatoren, wie etwa keramische Kunststoffmaterialien. Zweitens weist der Sensor eine sehr hohe Empfindlichkeit in Bezug auf frühere Bewegungssensoren auf und diese Empfindlichkeit ist unabhängig von der Geschwindigkeit, mit welcher die relative Bewegung zwischen dem Objekt und dem Sensor stattfindet.
Die Mittel zum Erzeugen des elektromagnetischen Messfeldes können ein Wechselstromfeld (AC-Feld) erzeugen, vorzugsweise bei RF- oder Mikrowellenfrequenzen. Das elektromagnetische Messfeld kann durch eine für die Leitung eines Wechselstroms eingerichtete leitfähige Spule oder durch einen einer Wechselspannung ausgesetzten Kondensator erzeugt werden.
In Verwendung zeigt sich das elektromagnetische Messfeld mit einer Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität, was zu einer Änderung der elektromagnetischen Energieverluste innerhalb des Oszillators führen kann.
Die Mittel zum Erzeugen des elektromagnetischen Messfeldes können eine Spule und ein kapazitives Element umfassen, welche gemeinsam einen Resonanzkreis bilden. In diesem Fall kann die Ausgabe des Sensors so eingerichtet sein, dass ein Signal bereitgestellt wird, welches in Abhängigkeit von einer Änderung der Resonanzfrequenz des Resonanzkreis variiert, wobei die Änderung der Resonanzfrequenz hervorgerufen wird durch eine Änderung im Realteil der sich dem elektromagnetischen Messfeld zeigenden elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität. Am stärksten bevorzugt ist es, wenn die Ausgabe dann eine Frequenz-Spannung-Wandler umfasst, der so eingerichtet ist, dass er im Wesentlichen eine Gleichspannung erzeugt, welche monoton in Abhängigkeit von Veränderungen der Resonanzfrequenz des Resonanzkreises variiert.
Vorzugsweise ist die Spule nichtplanar. Die Verwendung einer nichtplanaren Spule bietet besondere Vorteile, wie etwa die Möglichkeit der Fokussierung des sensitiven Bereichs und die Erzielung einer besseren räumlichen Auflösung.
Alternativ kann die Sensorausgabe ein Signal bereitstellen, welches sich in Abhängigkeit einer Änderung des Gütefaktors (Q) des Resonanzkreises ändert, wobei die Änderung des Q-Faktors durch eine Änderung des Imaginärteils der sich dem elektromagnetischen Messfeld zeigenden elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität hervorgerufen wird. In diesem Fall kann die Ausgabe eine Erfassungsstufe umfassen, die so eingerichtet ist, dass sie im Wesentlichen eine Gleichspannung erzeugt, die sich monoton mit der Amplitude der Wechselspannung über wenigstens einen Teil des Resonanzkreises ändert.
Bevorzugt werden eine Oszillatorschleife und ein Begrenzungsdetektor eingesetzt. Dies erlaubt potentiell den Betrieb vom UHF-Bereich bis hin zu DC und ist unempfindlich gegenüber Amplitudenrauschen.
Die Verwendung einer Oszillatorschleife zusammen mit einem Begrenzungsdetektor ist gleichermaßen insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Begrenzungsdetektor Galliumarsenid oder Transistoren mit hoher Elektronenmobilität enthält. Die Verwendung solcher Bauteile erlaubt dem Betrieb, bis hinein in den GHz-Bereich, was wiederum eine erhöhte räumliche Auflösung bietet.
In einer besonders bevorzugten Ausführungsform ist der Sensor der Erfindung ferner dazu in der Lage, ein elektromagnetisches Objektfeld, das dem zu messenden Objekt zugeordnet ist, zu überwachen. In diesem Fall kann der Sensor ferner ein Sensorelement umfassen, welches in der Nähe des mittels zum Erzeugen des elektromagnetischen Messfelds angeordnet ist, wobei das Sensorelement eine anisotrope elektrische oder magnetische Suszeptibilität aufweist, wobei der Sensor ferner derart eingerichtet ist, dass die Änderung der Größe oder der Richtung des dem zu messenden Objekt zugeordneten elektromagnetischen Objektfeldes bei Einwirkung auf das Sensorelement eine Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des Sensorelements verursacht. Das elektromagnetische Messfeld erfährt dann eine Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität, was wiederum zu einer Änderung der wenigstens einen elektrischen Eigenschaft des Oszillators führt.
Ein solcher Sensor kann unter Verwendung eines diskreten Sensorelements in enger Nachbarschaft zu einem Mikrowellen-Streifenleiter oder einem UHF-Schwingungskreis, umfassend eine Spule und einen Kondensator, aufgebaut sein. Ein solcher Sensor ist sehr vielseitig und kann sowohl Änderungen der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des zu messenden Objekts als auch Änderungen der Größe oder Richtung des dem zu messenden Objekt zugeordneten elektromagnetischen Messfelds oder beides erfassen. Der Sensor selbst muss nicht modifiziert werden und die Ausgabe kann ein Signal unabhängig davon erzeugen, welcher Parameter des zu messenden Objekts sich ändert. Wenn sich das zu messende Objekt bewegt, ihm jedoch kein elektromagnetisches Objektfeld zugeordnet ist, so ignoriert der Sensor der bevorzugten Ausführungsform effektiv das Vorhandensein des Sensorelements, dessen elektrische oder magnetische Suszeptibilität in diesem Fall konstant bleibt.
In einer alternativen Konstruktion kann das Sensorelement als dünner Film ausgebildet sein, der auf einer Spule des Oszillators gewachsen oder anderweitig ausgebildet ist, welcher in diesem Fall als Streifenleiterstruktur wirken kann. Eine solche Konstruktion ist insbesondere dann vorteilhaft, wenn der Oszillator eine Resonanzfrequenz im Mikrowellenfrequenzbereich des elektromagnetischen Spektrums aufweist, und der Sensor wirkt dann als ein Mikrowellenbewegungs- und/oder Magnetfeldsensor.
Obwohl besondere Vorteile mit einem Kombinationssensor einhergehen, welcher sowohl ein Sensorelement als auch Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Messfelds aufweist, was die Überwachung sowohl von sich bewegenden Objekten als auch von Objekten, denen ein sich mit der Zeit veränderndes elektromagnetisches Feld zugeordnet ist, erlaubt, so muss der Sensor jedoch nicht notwendigerweise die Überwachung von sich bewegenden Objekten ermöglichen.
Das Sensorelement kann aus einem überaus stark magnetostriktiven Material, wie etwa Lanthan-Strontium-Manganit (LSMO), aufgebaut sein. Ein solches Material weist eine nichtlineare Magnetisierung M (H) auf. Eine solche Nichtlinearität tritt selbst bei geringen magnetischen Feldern auf, was dazu führt, dass der Sensor sehr empfindlich ist, ohne dass er unmittelbar neben der Quelle des zu messenden elektromagnetischen Felds angeordnet sein muss. Wegen der Kramers-Kronig-Beziehung bedeutet dies, dass jedes Material, welches eine starke Variation der imaginären magnetischen Suszeptibilität mit dem angelegten magnetischen Feld aufweist, besonders geeignet ist. Zusätzlich zu LSMO kann daher Permalloy verwendet werden.
Wenngleich zurzeit Sensorelemente bevorzugt werden, die Veränderungen der imaginären magnetischen Suszeptibilität mit den angelegten Magnetfeldern zeigen, so könnten stattdessen oder zusätzlich Materialien eingesetzt werden, die Veränderungen der imaginären elektrischen Suszeptibilität als Funktion der angelegten elektrischen Felder zeigen. Darüber hinaus wären Materialien, die Variationen sowohl der elektrischen als auch der magnetischen Suszeptibilität zeigen, besonders geeignet.
Der Suszeptibilitätssensor der Erfindung ist besonders zum Messen und Überwachen bestimmter Objekte geeignet. Dementsprechend stellt die vorliegende Erfindung ferner in einer Kombination den Suszeptibilitätssensor des ersten Aspekts der Erfindung sowie ein durch den Sensor zu messendes, inhomogen geformtes Objekt bereit, wobei das inhomogen geformte Objekt bewirkt, dass sich das elektromagnetische Messfeld mit einer Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität zeigt, wenn es relativ zum Sensor bewegt wird.
Vorzugsweise weist das zu messende Objekt Rotationsinhomogenität auf. Beispielsweise kann das Objekt einen oder mehrere räumlich vorstehende Elemente aufweisen, wobei die Position des oder jedes vorstehenden Elements relativ zum Sensor zu einer gegebenen Zeit, die sich dem elektromagnetischen Messfeld zu dieser Zeit zeigende, elektrische oder magnetische Suszeptibilität definiert. Mit anderen Worten weist ein Raumbereich, der zu dem Sensor und dem bewegenden Objekt gehört oder zwischen diesen liegt, eine sich verändernde elektrische, magnetische Suszeptibilität auf, und zwar aufgrund der Tatsache, dass in diesem ein Abschnitt des sich bewegenden Objekts, dessen Bewegung zu messen ist, eindringt.
Das zu messende Objekt kann vorzugsweise ein Nocken mit einer oder mehreren Nockennasen oder ein Zahnrad sein.
Wie zuvor kann das zu messende Objekt ebenfalls Mittel zum Erzeugen eines zweiten elektromagnetischen Feldes umfassen. Diese können an dem zu messenden Objekt angebracht sein, beispielsweise als kleiner Permanentmagnet, oder können diesem anderweitig zugeordnet sein. Das erzeugte zweite elektromagnetische Feld kann eine konstante Amplitude aufweisen und in diesem Fall verursacht eine Bewegung des Objekts relativ zu dem Sensor eine Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des Sensorelements. Alternativ kann das zweite elektromagnetische Feld eine veränderliche Amplitude aufweisen. Beispielsweise kann sich ein kleiner Elektromagnet, welcher an oder neben dem zu messenden Objekt angeordnet ist, ein- und ausschalten, um den Status des zu messenden Objekts anzuzeigen, und der Sensor ist dann in der Lage, das sich verändernde magnetische Feld des Elektromagneten an dem zu messenden Objekt über eine Änderung der Suszeptibilität des Sensorelements des Sensors zu erfassen.
Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren des Erfassens einer Relativbewegung zwischen einem zu messenden inhomogen geformten Objekt (80) und einem Suszeptibilitätssensor bereitgestellt, wobei der Suszeptibilitätssensor einen Robinson-Grenzoszillator (20) umfasst, welcher eine Mehrzahl von elektrischen Eigenschaften aufweist und mit einem Schwingungskreis (30) verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst:
Versorgung des Robinson-Grenzoszillators (20) mit Energie, so dass die Schwingungsschaltung (30) ein elektromagnetisches Messfeld/Sensorfeld erzeugt;
Bewegen des Objekts (80) relativ zu dem Sensor, so dass das elektromagnetische Messfeld sich mit veränderter elektrischer oder magnetischer Suszeptibilität zeigt, was wiederum elektromagnetische Energieverluste in der Schwingungsschaltung (30) verursacht;
Erfassen von Änderungen einer elektrischen Eigenschaft des Robinson-Grenzoszillators (20) aufgrund von elektromagnetischen Energieverlusten in der Schwingungsschaltung (30), wenn sich das Objekt (80) relativ zu dem Sensor bewegt; und
Erzeugen eines Sensorausgabesignals an einem Ausgang (70) des Sensors, welches mit der erfassten Änderung der elektrischen Eigenschaft des Robinson-Grenzoszillators variiert, wenn sich das Objekt (80) relativ zum Sensor bewegt.
Einige Ausführungsformen der Erfindung werden nun, lediglich beispielhaft und unter Bezugnahme auf die beigefügten Figuren, beschrieben, wobei:
1 einen Sensor gemäß einer ersten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
2 einen Sensor gemäß einer zweiten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt;
3 einen Sensor gemäß einer dritten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt; und
4 einen Sensor gemäß einer vierten Ausführungsform der vorliegenden Erfindung zeigt.
1 zeigt ein Schaltungsdiagramm eines Sensors gemäß einer ersten Ausführungsform der Erfindung. Die Schaltung 10 umfasst einen Oszillator 20 mit geschlossener Schleife vom Robinson-Typ, der mit einem Schwingungskreis 30 verbunden ist. Der Schwingungskreis 30 umfasst einen Kondensator und eine Induktivität, bereitgestellt durch einen veränderlichen Kondensator 40, der parallel zu einer Spule 50 geschaltet ist. Die Spule 50 ist um ein Sensorelement 60 herum gewickelt und umfasst ein Stück sehr stark magnetostriktiven Materials, wie etwa Lanthan-Strontium-Manganit (LSMO). Dieses Material weist eine starke Veränderung des Imaginärteils seiner Suszeptibilität bei Veränderung des an dieses angelegten magnetischen Feldes auf.
In der Schaltung der 1 weisen die Transistoren T1 und T2 eine Dreifachfunktion auf. Zuerst stellen sie die Verstärkung bereit, um den betrieb des Robinson-Oszillators mit geschlossener Schleife 20 aufrecht zu erhalten, zweitens stellen sie eine Begrenzungswirkung bereit, wodurch eine von Amplitudenrauschen unabhängige Rückkopplung bereitgestellt wird, und drittens führen sie die Erfassung zur Erzeugung eines Ausgangssignals aus. Diese drei durch die Transistoren T1 und T2 bereitgestellten Funktionen können separiert werden, wie nachfolgend in Verbindung mit 2 beschrieben wird.
Der Oszillator 20 arbeitet bei der Resonanzfrequenz des Schwingungskreises 30, die durch die Induktivität der Spule 50 und die Kapazität des veränderlichen Kondensators 40 definiert ist. Die Amplitude der Oszillation ist eine Funktion der elektrischen Verluste in dem Schwingungskreis 30. Diese sind wiederum eine Funktion der Suszeptibilität, die sich dem durch die Spule 50 erzeugten elektromagnetischen Feld zeigt, wie nachfolgend beschrieben wird.
Die HF-Amplitude wird in ein Gleichspannungssignalumgewandelt und dieses wird durch die Transistoren T3 und T4 verstärkt, um eine Schaltungsausgabe 70 zu erhalten. Die Transistoren T5 und T6 dienen zur Glättung der Spannungsversorgung bzw. zur Erzeugung der Frequenzausgabe.
Der Sensor von 1 erlaubt das Messen in einer Vielzahl von unterschiedlichen Arten, was nun erläutert wird.
I. Variable Suszeptibilität eines zu messenden Objekts
Ein zu messendes Objekt 80 befindet sich im Bereich der Spule 50 des Schwingungskreises 30. Das in 1 gezeigte Objekt 80 ist ein Zahnrad aufgrund der Rotationsinhomogenität des Zahnrades erfährt bei einer Drehung des Zahnrads das durch die Spule 50 erzeugte elektromagnetische Feld eine periodische Veränderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität (in Abhängigkeit vom Material, aus welchem das Zahnrad gebildet ist). Insbesondere entspricht eine Änderung der imaginären magnetischen Suszeptibilität, erfahren durch das von dem Schwingungskreis 30 erzeugte elektromagnetische Feld als Funktion der Zeit, HF-Verlusten in der Spule 50. Dies reduziert wiederum den Gütefaktor Q der Schaltung 10 und die Amplitude des HF-Signals in der Schaltung ändert sich ebenfalls. Die Änderung der HF-Amplitude wird erfasst und in eine sich ändernde Gleichspannung umgewandelt. Die Änderung der Suszeptibilität steht in Relation zur Drehzahl und lässt sich direkt in eine entsprechende Variation der Ausgangsspannung von dem Sensor umwandeln.
Somit wird der Sensor der 1 eine Bewegung (in diesem Fall eine Rotation) irgendeines Objekts messen, welches dem durch die Spule 50 erzeugten elektromagnetischen Feld eine sich verändernde magnetische Suszeptibilität zeigt. Dies führt zu besonderen Vorteilen des Sensors, da er die Überwachung von magnetischen Materialien, nichtmagnetischen Materialien oder Metallen erlaubt.
Wenngleich das zu messende Objekt 80 in 1 ein Zahnrad ist, so ist es doch einsichtlich, dass ein inhomogen geformtes Objekt, das sich linear hinter der Spule 50 des Sensors bewegt, gleichermaßen eine Änderung der Suszeptibilität für das dadurch erzeugte elektromagnetische Feld zeigt, was erfasst werden kann. Tatsächlich ist es sogar möglich, ein festes, inhomogen geformtes Objekt, das zu messen ist, zu überwachen, indem der Sensor relativ zu einem zu erfassenden, festen Objekt bewegt wird.
II. Erfassung von magnetischen Feldern
Im vorstehenden Fall I. wird die Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität durch das zu messende Objekt selbst bereitgestellt, welches eine inhomogene Form aufweist und relativ zu dem Sensor bewegt wird. In diesem Fall ist das Sensorelement 60 keine Voraussetzung der Schaltung 10, da die Bewegung des Objekts 80 selbst (in der beschriebenen Ausführungsform) die veränderliche elektrische oder magnetische Suszeptibilität für das durch die Spule 50 erzeugte Feld bietet. Da jedoch das Sensorelement 60 eine Suszeptibilität aufweist, welche sich mit der Richtung und/oder der Größe des angelegten magnetischen Felds ändert, kann durch dieselbe Schaltung auch ein zweiter Betriebsmodus bereitgestellt werden.
In dem zweiten Betriebsmodus ist an dem zu messenden Objekt 80 eine Quelle eines elektromagnetischen Felds angebracht. In der direktesten Art kann dies einfach ein kleiner Permanentmagnet sein. Wenn sich das Objekt 80 relativ zu dem Sensor 10 bewegt, so ändert sich das durch den Permanentmagnet erzeugte magnetische Feld in seiner Einwirkung auf das Sensorelement 60. Wie zuvor erläutert, ändert sich der Imaginärteil der Suszeptibilität des Sensorelements 60 mit dem angelegten magnetischen Feld. Das in der Nähe der Spule 50 befindliche Sensorelement 60 bewirkt, dass das durch die Spule 50 erzeugte elektromagnetische Feld eine sich ändernde magnetische Suszeptibilität (speziell eine sich ändernde imaginäre Suszeptibilität) erfährt, was zu einem Auftreten von elektromagnetischen Verlusten in der Schaltung 10 führt, wobei die Änderung der Suszeptibilität stattdessen durch die Bewegung des Objekts 80 selbst bereitgestellt wird (Beispiel I oben).
2 zeigt einen modifizierten Sensor 85, welcher mehr Verstärkung und aufgelöste Verarbeitungsfunktionen bietet als der Sensor 10 der 1. Der Schwingungskreis 30 des modifizierten Sensors 85 in 2 umfasst einen festen Kondensator 90 zusammen mit der Spule 50 und dem Sensorelement 60. Die Transistoren T1 und T2 zusammen mit zusätzlichen Kondensatoren und Widerständen bilden ein Cherry/Hooper-Verstärkerpaar 100. Die Ausgabe des Cherry/Hooper-Paars 100 wird einem Begrenzer und Detektor 110 zugeführt, welcher aus den Transistoren T3 und T4 gebildet ist, die als ein Differenzverstärker/Long-Tailed-Pair wirken.
3 zeigt noch eine weitere Sensoranordnung 200, welche eine gegenüber den Sensoren der 1 und 2 verbesserte räumliche Auflösung bereitstellt. Die Sensoranordnung 200 umfasst wiederum einen Schwingungskreis 210 mit einer Spule L und zwei Kondensatoren C₁ und C₂. Der Schwingungskreis beschickt einen Differenzverstärker/Long-Tailed-Pair-Detektor 220, ähnlich dem Sensor der 2. Im Gegensatz zu dem Sensor der 2 sind jedoch die den Differenzverstärker/Long-Tailed-Pair bildenden Transistoren T1 und T2 GaAs-FETs oder Transistoren mit hoher Elektronenmobilität (HEMTs). Durch den Einsatz solcher Bauteile kann die Betriebsfrequenz der Sensoranordnung 200 der 3 in den GHz-Bereich hinein angehoben werden, wobei die Hocheffizienz-Differenzverstärker/-Long-Tailed-Pair-Detektorkonfiguration beibehalten wird.
Die typischerweise geringe Eingangsimpedanz von III–V-Bauteilen, wie etwa GaAs, erfordert, dass die Impedanz des Schwingungskreises herabtransformiert wird. Da die Spule L typischerweise nur eine einzelne Drahtschleife ist, wird dies durch Anzapfen von Kondensatoren unter Verwendung der Kondensatoren C₁ und C₂ erzielt. Der veränderliche Kondensator C₅ wird ebenfalls in der Schaltung der 3 eingesetzt, um die Größe des rückgeführten Stromimpulses einzustellen. Dies ermöglicht wiederum die Einstellung der Amplitude der Oszillation.
Zwei Dioden D1 und D2 definieren ein negatives Potential von –1,2 V, woran ein Emitterwiderstand angeschlossen ist. Da dieses 1,2 V-Potential relativ zur Versorgungsspannung (typischerweise +/–15 V) klein ist, ist der Emitterwiderstand dann 15/1,2-fach kleiner, was wiederum den Detektorwirkungsgrad (proportional zur Konduktanz des Emitterwiderstands) um das 15/1,2-Fache verbessert.
Eine Spanne von Transistoren sind geeignet für T₁ und T₂ des Differenzverstärkers/Long-Tailed-Pair, wie etwa BFE 505, BFE 520, BFG 505, BFG 520 oder BFG 590.
4 zeigt ein Teil eines Sensors 120, der besonders geeignet zum Messen eines Objekts 80 unter Verwendung von Mikrowellen anstelle von UHF-Frequenzen ist. Die Komponenten in 1, 2 und 3, welche den Oszillator, Begrenzer und Detektor bilden, sind in dem Sensor 120 der 4 in einem einzigen Block komprimiert, der durch einen Mikrowellentransistor T1 repräsentiert ist. Der Schwingungskreis 30' der 4 gleicht nunmehr einer Übertragungsleitung, da die induktiven und die kapazitiven Funktionen bei Mikrowellenfrequenzen weniger unterschiedlich sind. Das Sensorelement 60' ist ein auf dem Streifenleiter des Schwingungskreis 30' gewachsener/aufgebauter Magnetfilm. Veränderungen der Suszeptibilität des Sensorelements 60' bewirken, dass der Transistor T1 in einem anderen Bereich seiner Charakteristiken arbeitet und somit einen anderen Gleichstrom zieht. Dieser Gleichstrom wird durch zugeordnete Steuer-/Regelelektronik (nicht gezeigt) in eine Variation der Ausgangsspannung umgewandelt.
Der vorstehend in Verbindung mit 1 bis 4 beschriebene Sensor ist, wie zuvor erwähnt, extrem vielseitig dahingehend, dass er die Erfassung oder Überwachung (d.h. entweder eine quantitative oder eine qualitative Messung) von inhomogen geformten Objekten, die aus einer extrem breiten Vielzahl von Materialien gebildet sind, erlaubt. Gleichzeitig können unter Verwendung eines Sensorelements, das eine elektrische und/oder magnetische Suszeptibilität aufweist, die sich mit der Richtung und/oder der Größe des angelegten magnetischen Felds ändert, und zwar innerhalb des Sensors selbst, qualitative und quantitative Messungen der Größe und/oder Richtung eines magnetischen Felds an einem zu messenden Objekt ebenfalls ausgeführt werden. Die Form des Sensorelements ist nicht von Bedeutung, es sei denn, dieses ist zu groß, dann wird die räumliche Auflösung des Sensors beeinträchtigt. Es ist jedoch hilfreich, die Resonanzschaltung so einzurichten, dass ein maximales Eindringen des durch die Spule erzeugten elektromagnetischen Feldes in das Sensorelement selbst sichergestellt ist. Dies ist ein Grund dafür, warum es besonders vorteilhaft ist, das Sensorelement auf der Spule selbst wachsen zu lassen/aufzubauen.
Der oben beschriebene Sensor wurde bereits im Verteiler einer Brennkraftmaschine eines Kraftfahrzeugs getestet, wobei die Bewegung des Rotors relativ zum Sensor eine periodische Veränderung der durch die Sensorspule erfahrenen Suszeptibilität mit der Rotation des Rotors verursacht. Der Sensor erzeugt ein Signal, welches in der Lage ist, die Zündzeitsteuerung zu steuern/zu regeln. Für diese spezielle Anwendung hat sich der Sensor als hochvorteilhaft im Vergleich mit herkömmlichen Sensoren erwiesen, da er Temperaturen im Ausmaß von 1000°C für längere Zeiträume tolerieren kann und ein exzellentes Signal-Rausch-Verhältnis aufweist, welches in der Praxis lediglich durch Mikrofonierauschen begrenzt ist. Ferner hat es der Sensor ermöglicht, ein „skipping" („Überspringen") bei niedrigen Maschinendrehzahlen zu eliminieren und dies führte zu einer Reduzierung von Kohlenwasserstoffemissionen von der Brennkraftmaschine um einen signifikanten Betrag. Darüber hinaus ist der Sensor in der Lage, eine Bewegung in einem Rotor zu erfassen, der weder metallisch, noch magnetisch ist. Der Sensor ist ebenfalls für diese besondere Anwendung von Vorteil, da er in der Lage ist, ein großes Ausgangssignal unabhängig von der Rotorgeschwindigkeit zu erzeugen.
Ebenfalls ist es selbstverständlich, dass der Sensor sehr billig hergestellt werden kann.
Andere Anwendungen für den Sensor umfassen die Erfassung von Kunststoffmaterialien, die unter der Erde unterirdisch verlegt sind. In diesem Fall muss der Sensor relativ zu dem unterirdisch verlegten Kunststoffmaterial bewegt werden. Dies kann ausgeführt werden, indem der Sensor an einem Prüfkopf montiert wird und dieser Prüfkopf in die Erde eingeführt wird. Während des Einführens bewegt sich dann der Sensor relativ zu dem Kunststoffmaterial, welches die Erfassung eines Signals bewirkt. Da das Ausgangssignal unabhängig von der Relativgeschwindigkeit zwischen dem Kunststoffmaterial und dem Prüfkopf ist, muss der Prüfkopf nicht mit einer bestimmten Geschwindigkeit eingeführt werden, um eine erfolgreiche Erfassung zu erreichen. Alternativ können ein Feld von Sensoren an einem festen Prüfkopf angebracht werden, wobei die Sensoren räumlich voneinander getrennt sind und dann nacheinander aktiviert werden.
Alternative Anwendungen sind denkbar, wie etwa die Erfassung von kunststoffbasierten Kabeln oder Rohren (z.B. Lichtleitfaserkabel) oder von nichtmetallischen Versorgungsrohren. Ferner ist es möglich, dass der Sensor eine Strömung inhomogenen Fluids, wie etwa Blut, erfasst.

Claims

Suszeptibilitätssensor zum Erfassen einer Relativbewegung zwischen einem zu messenden inhomogen geformten Objekt (80) und dem Sensor, umfassend: einen Robinson-Marginaloszillator (20) mit einer Mehrzahl von elektrischen Eigenschaften; einen Schwingungskreis (30), der mit dem Robinson-Marginaloszillator verbunden ist und so eingerichtet ist, dass er ein elektromagnetisches Messfeld erzeugt, wenn er von dem Oszillator mit Energie versorgt wird; ein Mittel zum Erfassen von elektromagnetischen Energieverlusten, die aus Änderungen der sich dem elektromagnetischen Messfeld zeigenden, elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität resultieren, wenn sich das zu messende Objekt (80) relativ zu dem Sensor bewegt; und einen Sensorausgang (70), der an das Mittel zum Erfassen der elektromagnetischen Energieverluste gekoppelt ist und der dazu eingerichtet ist, ein Sensorausgabesignal in Abhängigkeit von den erfassten elektromagnetischen Energieverlusten zu erzeugen.
Suszeptibilitätssensor nach Anspruch 1, in welchem das Mittel zum Erzeugen des elektromagnetischen Messfelds (30) dazu eingerichtet ist, ein Wechselstromfeld (ac) zu erzeugen.
Suszeptibilitätssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welchem das Mittel zum Erzeugen des elektromagnetischen Sensorfelds (30) eine leitfähige Spule (50) umfasst, welche dazu eingerichtet ist, einen Wechselstrom zu führen.
Suszeptibilitätssensor nach Anspruch 1 oder Anspruch 2, in welchem das Mittel zum Erzeugen des elektromagnetischen Sensorfelds (30) einen Kondensator (40) umfasst, der einer Wechselspannung ausgesetzt ist.
Suszeptibilitätssensor nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welchem bei Verwendung das sich mit einer Änderung in der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität zeigende elektromagnetische Messfeld eine Variation der elektromagnetischen Energieverluste innerhalb des Oszillators (20) verursacht.
Suszeptibilitätssensor nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, in welchem das Mittel zum Erzeugen des elektromagnetischen Sensorfelds (30) eine Spule (50) und ein kapazitives Element (40) umfasst, welche zusammen einen Resonanzkreis bilden.
Suszeptibilitätssensor nach Anspruch 6, in welchem die Spule (50) nicht planar ist.
Suszeptibilitätssensor nach Anspruch 6, in welchem die Ausgabe (70) dazu eingerichtet ist, ein Signal bereitzustellen, welches in Abhängigkeit von einer Änderung des Gütefaktors (Q) des Resonanzkreises variiert, wobei sich die Änderung des Q-Faktors aufgrund einer Änderung des Imaginärteils der sich dem elektromagnetischen Sensorfeld zeigenden elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität ereignet.
Suszeptibilitätssensor nach Anspruch 8, in welchem die Ausgabe (70) eine Erfassungsstufe enthält, welche dazu eingerichtet ist, im Wesentlichen eine Gleichspannung zu erzeugen, die monoton mit der Amplitude der Wechselspannung über wenigstens einem Teil des Resonanzkreises variiert.
Suszeptibilitätssensor nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, ferner umfassend einen oder mehrere Gallium-Arsenid-Transistoren oder Transistoren mit hoher Elektronenmobilität, welche als HF-Verstärkungselemente wirken, um einen Betrieb oberhalb von einem Gigahertz zu ermöglichen.
Suszeptibilitätssensor nach irgendeinem vorhergehenden Anspruch, um ferner ein dem zu messenden Objekt (80) zugeordnetes elektromagnetisches Objektfeld zu überwachen, wobei der Sensor ferner umfasst: ein Sensorelement (60), welches in der Nähe des Mittels zum Erzeugen des elektromagnetischen Sensorfelds (30) angeordnet ist, wobei das Sensorelement (60) eine elektrische oder magnetische Suszeptibilität aufweist, welche als eine Funktion der Größe und/oder Richtung eines angelegten elektromagnetischen Feldes variiert; wobei der Sensor ferner derart eingerichtet ist, dass eine Änderung der Größe und/oder Richtung des dem zu messenden Objekt (80) zugeordneten elektromagnetischen Feldes bei Einwirkung auf das Sensorelement (60) eine Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des Sensorelements (60) verursacht, wodurch das elektromagnetische Sensorfeld eine sich ändernde elektrische oder magnetische Suszeptibilität erfährt, welche wiederum eine Änderung der wenigstens einen elektrischen Eigenschaft des Oszillators (20) verursacht.
Kombination aus dem Suszeptibilitätssensor nach irgendeinem der Ansprüche 1 bis 10 und einem durch den Sensor zu messenden inhomogen geformten Objekt, wobei das inhomogen geformte Objekt bewirkt, dass sich das elektromagnetische Sensorfeld mit einer Änderung in der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität zeigt, wenn es relativ zu dem Sensor bewegt wird.
Kombination nach Anspruch 12, in welcher das zu messende Objekt Rotationsinhomogenität aufweist.
Kombination nach Anspruch 13, in welcher das zu messende Objekt wenigstens ein räumlich vorstehendes Element aufweist, wobei die Position des oder jedes vorstehenden Elements relativ zu dem Sensor zu einer gegebenen Zeit die sich dem elektromagnetischen Sensorfeld zu dieser Zeit zeigende, elektrische oder magnetische Suszeptibilität definiert.
Kombination nach Anspruch 14, in welcher das zu messende Objekt ein Zahnrad ist.
Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 15, in welcher das zu messende inhomogen geformte Objekt aus einem ferromagnetischen, einem nicht-ferromagnetischen, einem metallischen oder einem Kunststoffmaterial gebildet ist.
Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 16, in welcher das Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Objektfeldes konstanter Amplitude an dem zu messenden Objekt (80) angebracht ist, wobei eine Bewegung des Objekts (80) relativ zu dem Sensor die Änderung in der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des Sensorelements (60) verursacht.
Kombination nach irgendeinem der Ansprüche 12 bis 17, in welcher das Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Objektfeldes veränderlicher Amplitude an dem zu messenden Objekt (80) angebracht ist, wobei die Änderung der Amplitude des zweiten elektromagnetischen Feldes die Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des Sensorelements verursacht.
Kombination aus dem Suszeptibilitätssensor nach Anspruch 11 und einem zu messenden Objekt (80), wobei dem zu messenden Objekt (80) Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Objektfeldes zugeordnet sind.
Kombination nach Anspruch 19, in welcher das Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Objektfeldes an dem zu messenden Objekt (80) angebracht ist und bei Verwendung ein elektromagnetisches Objektfeld konstanter Amplitude erzeugt, wobei die Bewegung des Objekts (80) relativ zu dem Sensor die Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des Sensorelements (60) verursacht.
Kombination nach Anspruch 19, in welcher das Mittel zum Erzeugen eines elektromagnetischen Objektfeldes bei Verwendung ein elektromagnetisches Objektfeld veränderlicher Amplitude erzeugt, wobei die Änderung der Amplitude des elektromagnetischen Objektfeldes die Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität des Sensorelements (60) verursacht.
Verfahren des Erfassens einer Relativbewegung zwischen einem zu messenden inhomogen geformten Objekt (80) und einem Suszeptibilitätssensor, wobei der Suszeptibilitätssensor einen Robinson-Marginaloszillator (20) umfasst, welcher eine Mehrzahl von elektrischen Eigenschaften aufweist und mit einem Schwingungskreis (30) verbunden ist, wobei das Verfahren umfasst: Versorgung des Robinson-Marginaloszillators (20) mit Energie, so dass die Schwingungsschaltung (30) ein elektromagnetisches Sensorfeld erzeugt; Bewegen des Objekts (80) relativ zu dem Sensor, so dass das elektromagnetische Sensorfeld sich mit veränderter elektrischer oder magnetischer Suszeptibilität zeigt, was wiederum elektromagnetische Energieverluste in der Schwingungsschaltung (30) verursacht; Erfassen von Änderungen einer elektrischen Eigenschaft des Robinson-Marginaloszillators (20) aufgrund von elektromagnetischen Energieverlusten in der Schwingungsschaltung (30), wenn sich das Objekt (80) relativ zu dem Sensor bewegt; und Erzeugen eines Sensorausgabesignals an einem Ausgang (70) des Sensors, welches mit der erfassten Änderung der elektrischen Eigenschaft des Robinson-Marginaloszillators variiert, wenn sich das Objekt (80) relativ zum Sensor bewegt.
Verfahren nach Anspruch 22, in welchem das zu messende Objekt (80) Rotationsinhomogenität aufweist, wobei das Verfahren ferner ein Rotieren des Objekts (80) relativ zu dem Sensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22 oder Anspruch 23, in welchem der Schritt des Erfassens der Änderung wenigstens einer der elektrischen Eigenschaften ein Messen der Änderung der elektromagnetischen Verluste in dem Oszillator (20) bei Bewegung des inhomogen geformten Objekts relativ zum Sensor umfasst.
Verfahren nach Anspruch 24, in welchem der Schritt des Messens der Änderung der elektromagnetischen Verluste in dem Oszillator (20) ein Messen der Variation des Gütefaktors des Oszillators (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 22, 23 oder 24, in welchem der Oszillator (20) eine Spule (501) und einen Kondensator (40) umfasst, wobei das Verfahren ferner ein Anregen des Oszillators (20) bei seiner Resonanzfrequenz sowie ein Erfassen von Änderungen des Gütefaktors (Q) des Oszillators (20) umfasst.
Verfahren nach Anspruch 26, in welchem die Schritte des Erfassens ein Umwandeln der Amplitude der Wechselspannung über wenigstens einem Teil des Oszillators. in im Wesentlichen eine Gleichspannung umfassen.
Verfahren nach irgendeinem der Ansprüche 22 bis 27, ferner umfassend: Erzeugen eines elektromagnetischen Objektfeldes an oder nahe dem zu messenden Objekt (80); und Erfassen von Änderungen in der Richtung oder Größe des elektromagnetischen Objektfeldes durch Überwachen der Änderung der elektrischen oder magnetischen Suszeptibilität eines Sensorelements (60), welches in der Nähe des Oszillators (20) angeordnet ist und eine magnetische oder elektrische Suszeptibilität aufweist, die sich als eine Funktion der Größe und/oder Richtung eines angelegten magnetischen Feldes ändert, so dass das Sensorelement (60) die Änderung in der wenigstens einen elektrischen Eigenschaft des Oszillators (20) verursacht, wenn die Richtung oder Größe des elektromagnetischen Objektfeldes sich ändert; wodurch das Verfahren das Messen von sowohl der Bewegung des inhomogen geformten Objekts (80) als auch von Änderungen des an oder nahe diesem erzeugten, elektromagnetischen Objektfeldes ermöglicht.