DE10119293A1 - Berührungslose magnetoelastische Sensoren - Google Patents

Abstract

Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischer Größen bei einem im Einsatz befindlichen Fahrzeugstreifen, aufweisend einen im oder am Reifen befindlichen Probekörper (Sensorelement) aus magnetoelastischem Material, insbesondere Band oder Draht aus einer ferromagnetischen amorphen Legierung, mit einer außerhalb des Reifens befindlichen Sender-Empfängereinheit, die den Probekörper mit elektromagnetische Wellen bestrahlt und die das vom Probekörper erzeugte Echo aufnimmt und mit einer Auswerteeinheit, die der Sender-Empfängereinheit zugeordnet ist und die aus dem Unterschied der gesendeten und der empfangenen Signale den Dehnungszustand des Probekörpers als physikalische Größe ermittelt.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischen Größen bei einem im Einsatz befindlichen Fahrzeugreifen. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Systems.

Die aufgrund von Automatisierung und Prozessoptimierung wachsende Notwendigkeit, mechanische Größen wie Dehnungen und Spannungen präzise messen zu können, hat zu einer stark wachsenden Nachfrage an entsprechenden Sensorsystemen geführt. Von besonderem Interesse sind kontaktlos auslesbare Sensoren zur Messung mechanischer Größen an rotierenden oder schwer zugänglichen Objekten. Beispiele hierfür sind die Messung des Drehmoments an rotierenden Wellen, des Druckes in chemischen Reaktoren und des Kraftschlusses zwischen Reifen und Strasse.

Die bislang bekannten Systeme sind aufwendig und ungenau. Sie lassen sich in Serien-Kraftfahrzeugen nur bedingt einsetzen.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges System zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen läßt und das genaue Meßergebnisse liefert. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb des Systems zu schaffen.

Diese Aufgaben werden durch ein System nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 3 gelöst.

Die hier vorgeschlagene Möglichkeit zur Realisierung berührungsloser Messsysteme beruht auf der Verwendung magnetoelastischer Legierungen in Verbindung mit Radartechnik. Das physikalische Prinzip ist dabei einerseits der Villari-Effekt (inverser magnetostriktiver Effekt), wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei ruft die Änderung des mechanischen Spannungszustandes eines magnetoelastischen Materials eine Änderung seiner Permeabilität hervor. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des inversen magnetostriktiven Effekts: eine Spannungs- oder Dehnungsänderung führt zu einer Scherung der Magnetisierungskurve (links) bzw. zu einer Änderung der differentiellen Permeabilität (rechts).

Andererseits führt diese Permeabilitätsänderung zu einer Änderung der Radarreflektivität der Sensorelemente, die auf den sogenannten "giant-magneto- impedance" (GMI) Effekt zurückzuführen ist. Dabei ändert sich die Skineindringtiefe und damit der Ohmsche Widerstand bzw. die Impedanz des magnetischen Werkstoffes. Voraussetzung ist hierbei, dass die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes hinreichend gross ist, so dass die Skineindringtiefe kleiner als die Werkstoffdimensionen ist und damit der genannte Effekt eine Auswirkung auf den elektrischen Widerstand aufweist.

Ein Kernstück der Erfindung ist ein fernabfragbarer magnetoelastischer Sensor, der über die Dehnung im Reifen den Strassenzustand bestimmt. Das Sensorelement wird beispielsweise im Reifen einvulkanisiert, während sich die Sende-/Empfangseinheit im Radkasten befindet.

Das Meßkonzept läßt sich folgendermaßen darstellen: Das magnetoelastische Element kann in einem ersten Ansatz gleichzeitig als Sensor und als Antenne dienen, wobei die Änderung der Permeabilität eine Änderung der Impedanz der Antenne verursacht (Fig. 2). Im zweiten Konzept bildet das magnetostriktive Material den magnetischen Kern eines LC-Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz sich in Folge der Permeabilitätsänderung über die Induktivität der Spule verschiebt. Im Folgenden wird der erste Ansatz näher untersucht. Das Messprinzip beruht auf einer Kombination des magnetoelastischen Effektes und einer damit verbundenen Änderung der Radarreflektivität. Das magnetoelastische Material wird direkt als Antenne betrieben. Als magnetoelastische Materialien können Bänder oder Drähte aus ferromagnetischen amorphen Legierungen oder Dünnschichtsysteme verwendet werden. Für integrierte LC Schwingkreise eignen sich vorzugsweise dünne Schichten.

Die zu verwendenden magnetoelastischen Werkstoffe müssen eine ferromagnetische Grenzfrequenz aufweisen, die deutlich über der Arbeitsfrequenz (z. B. 2,45 GHz) liegt. Weiterhin müssen sie bei dieser Arbeitsfrequenz einen hinreichend grossen inversen magnetostriktiven Effekt aufweisen. Im Bereich dünner Schichten lassen sich diese Anforderungen gut durch die Herstellung von Viellagenschichten erfüllen.

Das in Fig. 3 schematisch dargestellte Messsystem besteht aus einem magnetoelastischen Sensorelement, das Änderungen des mechanischen Spannungszustandes lokal detektiert, einer Sende/Empfangseinheit sowie einer Spule zur Erzeugung eines magnetischen Modulationsfeldes, um das Messsignal von Störsignalen, die von anderen reflektierenden Teilen herrühren, zu trennen. Die ist der typische Aufbau eines Messsystems zur fernauslesbaren Detektion des Dehnungszustandes in magnetoelastischen Sensorelementen. Die Auswertung des empfangenen Signals erfolgt entweder analog oder in einem PC bzw. Mikrocontroller.

Bei der Auswahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz für das Sensorsystem sind die Materialeigenschaften, die resultierende Wellenlänge sowie die internationalen Vorschriften zur Nutzung der Frequenzbänder zu berücksichtigen. Eine obere Grenzfrequenz ergibt sich durch die verwendeten ferromagnetischen Materialien. Heute verfügbare, metallische magnetoelastische Werkstoffe weisen eine Resonanzfrequenz von maximal 7 GHz auf. Oberhalb dieses Resonanzbereiches ist es nicht möglich, den GMI-Effekt zu nutzen, da in diesem Fall die relative Permeabilität gleich Eins ist und daher durch mechanische Spannungen oder magnetische Felder nicht mehr moduliert werden kann. Eine Begrenzung zu niedrigen Frequenzen hin ergibt sich im Wesentlichen durch die für die Anwendung noch vertretbare Antennengröße.

Für Applikationen bei denen sich der Sensor selbst oder andere reflektierende Bauteile in dessen Umfeld bewegen, kann es von Vorteil sein, eher niedrige Frequenzen zu nutzen, so dass die Amplituden der Bewegungen im Bereich einer viertel Wellenlänge liegen. Man vermeidet so starke Schwankungen in Amplitude und Phase des empfangenen HF-Signals aufgrund von variierenden Interferenzen zwischen Nutz- und Störsignalen. Aufgrund dieser Randbedingungen eignen sich besonders die ISM-Frequenzbänder (industrial scientific and medical applications) bei 433 MHz und 2,45 GHz zur Abfrage der Sensoren. Die erforderlichen Sendeleistungen liegen typischerweise im Bereich von 1 µW bis 10 mW, je nach Arbeitsabstand und geforderter Störfestigkeit.

Wie in nachfolgend erläutert wird, ist das vom Sensor reflektierte Signal mit einer Frequenz im kHz Bereich moduliert. Der Empfänger hat die Aufgabe, dieses Signal zu verstärken und anschließend zu demodulieren. Abhängig von der jeweiligen messtechnischen Aufgabenstellung ist entweder eine Amplitudenmodulation ausreichend, oder es wird ein Quadraturdemodulator benötigt.

Die Notwendigkeit zur Quadraturdemodulation kann sich in Systemen mit bewegten Komponenten ergeben. Im Allgemeinen werden das Nutzsignal vom Sensorelement und die Störsignale von den anderen Bauteilen nicht die gleiche Phasenlage haben, da sie in unterschiedlichen Entfernungen von der Antenne reflektiert werden. Bei einer Arbeitsfrequenz von 2,45 GHz führt bereits eine Abstandsänderung von 1,5 cm zwischen Antennen und Sensorelement zu einer Phasenverschiebung von 90°, die insbesondere dann, wenn das Störsignal wesentlich größer als das Nutzsignal ist, zu nicht interpretierbaren Signalen führt. Für Anwendungsfelder, bei denen keine definierte Phasenlage sichergestellt werden kann, ist daher ein Amplitudendemodulator ungeeignet.

Ein Problem bei dem vorgeschlagenen Messprinzip ergibt sich dadurch, dass nicht nur das Sensorelement selbst, sondern auch anderen Bauteile im Umfeld des Sensors einen Teil der vom Sender emittierten Leistung reflektieren. Trifft man keine Gegenmassnahmen, können bewegte Bauteile eine Änderung des Spannungszustandes vortäuschen. Um diese Probleme zu umgehen, erzeugt man um das Sensorelement ein niederfrequentes, magnetisches Wechselfeld, das gerade stark genug ist, das Sensorelement periodisch in die magnetische Sättigung zu treiben. Da die verwendeten Materialien magnetisch weich sind, genügen hierfür Amplituden von wenigen 100 µT. Das periodische Durchlaufen der magnetischen Hystereseschleife führt zu einer Modulation des reflektierten Signals mit der doppelten Frequenz des Modulationsfeldes, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Das vom Empfänger detektierte reflektierte Signal des Sensorelementes ist mit dem Biasmagnetfeld (gestrichelte Linie) moduliert. Die Fouriertransformation des Signals zeigt, dass das Amplitudenspektrum für den gedehnten Sensor wesentlich schneller abklingt. Die Reflektionen der anderen, nicht weichmagnetischen Bauteile werden dagegen nicht moduliert. Dies ermöglicht es, die Störsignale nach dem Empfänger mittels eines Band- oder Hochpassfilters zu unterdrücken und damit nur die Signale des Sensorelements zu extrahieren.

Wie erwähnt, kann die Amplitude des empfangenen Signals unabhängig vom Spannungszustand des Sensors variieren. Verantwortlich hierfür sind z. B. Interferenzen durch bewegte Objekte oder die Dämpfung durch Umwelteinflüsse. Diese Einflüsse lassen sich jedoch durch eine geeignete Signalverarbeitung eliminieren. Durch das magnetische Modulationsfeld wird die in Fig. 1 dargestellte µ-H-Kennlinie der Permeabilität periodisch durchlaufen. Am Demodulator erhält man die in Fig. 4 links dargestellten Signalverläufe. Bei jedem Nulldurchgang des Modulationsfelds zeigt das Signal eine Spitze deren Breite abhängig vom Spannungszustand des Sensors ist.

Das Amplitudenspektrum der schmalen Spitzen klingt wesentlich langsamer ab als das der breiten (Fig. 4 rechts). Das Amplitudenverhältnis zweier geeigneter Obertöne ist somit ein Maß für die Dehnung des Sensors und unempfindlich gegen Schwankungen der Gesamtamplitude.

Für eine einfache Auswertung genügt es, zwei Hochpassfilter mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen mit dem demodulierten Signals zu speisen (Fig. 5). Die Amplitude bzw. Leistung in den entsprechenden Frequenzbändern erhält man durch (quadratische) Gleichrichtung der Filterausgänge. Die Bildung des Quotienten und die Linearisierung der Kennlinie kann anschließend ohne hohen Rechenaufwand in einem Mikrocontroller erfolgen.

In Fig. 5 ist eine Schaltung zur Signalauswertung dargestellt. Das vom Sensor reflektierte Signal wird zunächst verstärkt und anschließend demoduliert. Das demodulierte NF-Signal durchläuft zwei Hochpassfilter mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen, deren Kennlinien im oberen Teil der Grafik schematisch dargestellt sind. Durch Gleichrichtung des gefilterten Signals erhält man zwei Messgrößen: die Gesamtamplitude des NF-Signals (A_{<2 kHz}) und der relative Anteil der Frequenzkomponenten oberhalb von 4,5 kHz (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}).

Im Folgenden werden Ergebnisse präsentiert, die bei der Integration von magnetoelastischen Sensoren in PKW-Reifen erzielt wurden. Dabei war es Ziel einen Sensor zu entwickeln, der während des Abrollens des Reifens kontinuierlich Daten über die im Kontaktbereich zur Fahrbahn auftretenden Kräfte übermittelt. Hierbei sind die Anforderungen an die absolute Genauigkeit der Messung relativ gering, wichtig ist, dass schnelle Veränderungen der Kräfte aufgelöst werden können. Diese schnellen, lokalen Kraftänderungen treten z. B. auf, wenn ein Stollen die Fahrbahn berührt oder wenn der Stollen einen Bereich des Reifenlatsches durchläuft, in dem ein Übergang von Haft- zu Gleitreibung stattfindet. Eine Auswertung dieser Daten kann wichtige Informationen über das Kraftschlusspotential liefern.

Alle hier vorgestellten Messungen wurden an einem Prüfstand durchgeführt, in dem zwei Reifen aufeinander abrollen, wobei der obere Reifen mittels einer PKW- Radaufhängung montiert ist. Die Achslast des oberen Reifens kann kontinuierlich von 0 bis 3000 N variiert werden. Die Sensoren bestehen aus 2 cm langen amorphen Fe-Co-Basis Drähten mit 27,5 µm Durchmesser und einem ca. 5 µm dicken Glasmantel. Sie sind in tangentialer Richtung zwischen den Stollen auf den Profilboden geklebt. Da der Stahlgürtel des Reifens die Radiowellen stark abschirmt, sind an beide Enden des Sensordrahts Kupferdrähte von 30 cm Länge gelötet, die durch das Profil zur Außenwand des Reifens geführt und dort in Form einer Dipolantenne befestigt sind.

Die Sende- und Empfangsantennen sowie die Spule für das magnetische Modulationsfeld befinden sich 5 cm seitlich neben dem Reifen und 12 cm über der gedachten Fahrbahn an der Radaufhängung. Die Modulationsspule besitzt einen 20 cm langen geschichteten Stahlkern mit 3 × 3 cm² Querschnitt. Für die Messungen wird die Spule so angesteuert, dass sie unter dem Reifen ein Modulationsfeld von 200 µT Amplitude mit einer Frequenz von 1,5 kHz erzeugt. Die Antennen bestehen aus kreisförmigen Drahtschleifen mit 8 cm Durchmesser, die nicht auf die Arbeitsfrequenz abgestimmt sind. Durch die Verwendung von Arbeitsfrequenzen von 433 MHz und niedriger befindet sich der Sensor im Nahfeld der Antennen. Aufgrund der vorher erörterten Zusammenhänge wird ein Amplitudendemodulator verwendet.

In Fig. 6 ist die Änderung des demodulierten Signals in Folge einer sich ändernden Belastung bei stehendem Reifen gezeigt. Gezeigt ist die Änderung des empfangenen Signals aufgrund einer statischen Last bei stehendem Reifen. Der Sensor befindet sich bei der Messung ca. 2 cm vor dem Kontaktbereich der Reifen. Deutlich ist zu erkennen, wie die Signalspitzen bei wachsender Dehnung abgerundet werden. Die weitere Verarbeitung des demodulierten Signals erfolgt auf einem Laptop mittels des Programmpaketes LabView. Hierzu wird das Signal zunächst mit 200 kHz Abtastfrequenz digitalisiert und anschließend, wie beschrieben, mittels zweier IIR (Infinite Impulse Response) Hochpässe zweiter Ordnung gefiltert. Die Grenzfrequenzen betrugen 2 kHz und 4,5 kHz.

In Fig. 7 ist die Ausgangsamplitude (quadratischer Mittelwert) des 2 kHz-Filters (A_{<2 kHz}) sowie das Verhältnis beider Amplituden (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}) als Funktion einer definierten Dehnung des Drahtes gezeigt. Zu sehen ist die Amplitude (A_{<2 kHz}) und Anteil der hochfrequenten Komponenten (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}) im demodulierten Signal als Funktion der Dehnung des Sensordrahtes. Man erkennt, dass die Gesamtamplitude des Signals bis zu einer Dehnung von 0,2% ansteigt. An diesem Punkt ist das Demodulatorsignal nahezu sinusförmig, das Modulationsfeld reicht nicht mehr aus, um den Draht magnetisch zu sättigen. Eine weitere Dehnung führt zu einem weiteren Abflachen der µ-H-Kennlinie, was zu einer Reduktion der Modulationstiefe führt. Aus demselben Grund nehmen die hochfrequenten Anteile (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}) des Signals ebenfalls nur bis zu einer Dehnung von 0,2% ab. Durch das Abknicken der Kennlinie bei 0,2% Dehnung wird der nutzbare Arbeitsbereich des Sensors definiert.

Fig. 8 zeigt Messungen am rotierenden Reifen für unterschiedliche Achslasten. Die Kurvenverläufe oberhalb der durchgezogenen Linie entsprechen dabei einer Druck-, unterhalb der Linie einer Zugspannung. Gezeigt sind Daten, die an einem rotierenden Reifen mit unterschiedlichen Achslasten aufgenommen sind. Da der Sensordraht mit einer Vorspannung auf die Reifenoberfläche aufgebracht ist, ist es möglich, sowohl Dehnungen als auch Stauchungen im Reifen zu bestimmen. Die 0 N Kurve dient dabei als Referenz für den spannungsfreien Zustand. Sie ist in den Randbereichen nicht konstant, da dort auch die Amplitude des Modulationsfelds abfällt. Wie erwartet, nimmt die Breite der Kontaktzone mit steigender Achslast zu. In der Kontaktzone wird der Reifen abgeflacht, was zu einer Stauchung des Gummis im Profilboden führt. In den Bereichen vor und hinter der Kontaktzone wird das Gummi gedehnt, da die lokale Krümmung der Profiloberfläche grösser ist als im unbelasteten Fall. Bei Achslasten über 100 N wird der Gummi im Kontaktbereich so stark gestaucht, dass die Vorspannung des Sensordrahts vollständig abgebaut wird. In diesem Bereich erhält man keine verwertbaren Daten. Dieser Bereich ist in den 720 N und 1340 N Kurven als verrauschte Gerade in der Mitte des Plots zu erkennen.

Die dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass sich fernabfragbare Sensoren für mechanische Grössen mittels magnetoelastischer Materialien und einer Hochfrequenz-Sende/Empfangseinheit realisieren lassen. Das bislang realisierte System erlaubt Messungen mit einer Bandbreite von 2 kHz, wobei diese Beschränkung durch das niederfrequente Magnetfeld vorgegeben ist und keine prinzipielle Grenze darstellt. Die verwendeten magnetoelastischen Drähte erlauben eine Messung im Dehnungsbereich bis 0,2%. Für die vorgestellte Anwendung als Reifensensor ist daher eine geeignete Vorspannung zu wählen, um sowohl Zug- als auch Druckspannungen messen zu können. Der messbare Dehnungsbereich hängt dabei vom verwendeten magnetoelastischen Material ab. Da die maximale Dehnung im Draht < 1% erreicht, kann hier durch gezielte Materialauswahl bzw. -entwicklung der Messbereich noch vergrössert werden. Eine wesentliche Störgrösse für derartige Sensoren stellen magnetische Störfelder, insbesondere Gleichfelder, dar. Nur solange die Amplitude des Wechselfeldes ausreicht, das magnetische Material, auch gegen die Störfelder, vom Nullfeld bis zur Sättigung zu modulieren, kann der Störfeldeinfluss vernachlässigt werden. Die prinzipielle Abhängigkeit des Sensorsignals vom Ort des Messobjekts (bei bewegten Objekten) aufgrund von Phasenschiebungen des Hochfrequenzfeldes oder der Inhomogenität des niederfrequenten Bias- Magnetfeldes wurden diskutiert. Sie sind in der praktischen Gestaltung des Messsystems zu berücksichtigen. Weitere geplante Untersuchungen betreffen die Verringerung von anderen Querempfindlichkeiten wie z. B. der Temperatur und die Übertragung des Messprinzips auf andere Applikationsfelder.

Claims (3)

1. Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischen Größen bei einem im Einsatz befindlichen Fahrzeugreifen, gekennzeichnet durch,
einen im oder am Reifen befindlichen Probekörper (Sensorelement) aus magnetoelasischem Material, insbesondere Band oder Draht aus einer ferromagnetischen amorphen Legierung,
einer außerhalb des Reifen befindlichen Sender-Empfängereinheit, die den Probekörper mit elektromagnetische Wellen bestrahlt und die das vom Probekörper erzeugte Echo aufnimmt,
einer Auswerteeinheit, die der Sender-Empfängereinheit zugeordnet ist und die aus dem Unterschied der gesendeten und der empfangenen Signale den Dehnungszustand des Probekörpers als physikalische Größe ermittelt.

2. Sensorsystem nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen außerhalb des Reifen befindlichen Magnetfeldsender, insbesondere in Form einer Spule, über den der Probekörper mit einem veränderlichen magnetischen Modulationsfeld bestrahlbar ist.

3. Verfahren zum Betreiben eines Systems nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet,
daß mit dem magnetischen Modulationsfeld die µ-H-Kennlinie der Permeabilität des Sensorelementes periodisch durchlaufen wird,
daß das vom Sensorelement reflektierte Signal aufgenommen wird und
daß der Dehnungszustand des Sensorelementes aus dem Abklingverhalten des Amplitudenspekrums ermittelt wird.