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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen mechanischer
Druck- und Zugspannungen, bei der ein magnetostriktiver Körper der zu messenden
Kraft ausgesetzt ist.
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Für viele Zwecke ist es wünschenswert, daß die Meßgröße zur Weiterverarbeitung
oder, z. B. in Sicherheitsschaltungen, bei denen bei aber oder Unterschreiten eines
Sollwertes ein Schalterorgan betätigt werden soll, als elektrischer Analogwert zur
Verfügung steht.
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Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs erwähnten
Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines impulsgetasteten
magnetischen Stellfeldes zur Messung der durch die mechanische Verspannung erzeugten
Minderung der magnetischen Anisotropiegrößen, insbesondere der Anisotropierichtung,
vorgesehen sind. Als magnetostriktiver Körper dient dabei vorzugsweise ein auf ein
nichtmagnetisches Substrat aufgebrachtes Dünnschichtelement. Zur Messung mechanischer
Spannungen wurde bereits die Verwendung magnetischer Dünnschichtelemente mit einer
magnetischen Vorzugsrichtung vorgeschlagen, wobei jedoch als Anzeigegröße die Anderung
des elektrischen Widerstandes diente. Magnetische anisotrope Schichten ergeben nämlich
bekanntlich bei geeigneter Orientierung bereits bei kleinen Längenverformungen relativ
große Widerstandsänderungen.
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Eine mechanische Spannung erzeugt in isotropen oder magnetisch anisotropen
Schichten bei nicht verschwindener Magnetostriktionskonstanten Ä eine magnetische
Anisotropie. Die magnetische Anisotropie ist durch Betrag und Richtung gekennzeichnet,
so daß durch die Messung von Betrag und/oder Richtung die sie verursachende mechanische
Spannung ermittelt werden kann. Da im Falle des Aufbaues einer Kraftmeßdose die
Richtung der Spannung vorgebbar ist, genügt eine der genannten Anisotropiengrößen
zu ihrer Messung völlig aus.
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Zunächst soll die Messung einer mechanischen Spannung gegebener Richtung
durch Messung der Anisotropierichtungsänderung beschrieben werden: Greift eine Spannung
b, die über die elastischen Eigenschaften des magnetostriktiven Körpers (eventuell
auch der einer etwaigen Unterlage bei einer magnetostriktiven Schicht) eindeutig
mit einer angreifenden Kraft verknüpft ist, unter einem Winkel di gegen eine bereits
vorhandene Anisotropierichtung an, so dreht sich die Anisotropie um den Winkel α.
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K#sin2## tan 2α# 1 + K#cos2## K= 3/2-i-b wobei K die Anisotropiekonstante
bedeutet.
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Beträgt # = 45°, so vereinfacht sich die Gleichung zu: tan2 ; α
= a=K.
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Mit der neuen Anisotropierichtung ist damit auch die Spannung b festgestellt.
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Bei der Messung einer Spannung gegebener Richtung durch Messung von
EI*, also des Betrages der Anisotropie, greift die Spannung b unter dem Winkel 0
= 0° bzw. ç = 900 gegen eine bereits vorhandene Anisotropierichtung an. Die Anisotropierichtung
wird in diesem Fall nicht gedreht, dagegen
ändert sich der Betrag Hk. Allgemein für
beliebiges 0, bei dem sich auch die Richtung ändert, gilt: ~~~ 12.Kcos2tK2.
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Hk, Hk ist die neue Anisotropiefeldstärke, Hk0 die Anisotropiefeldstärke
vor Anlegen der Spannung, im speziellen Fall 0 = 00, 900 entsteht daraus Hk = 2
1 K.
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Hk0 Durch Messungen von Hk (Hk0 bekannt) kann somit wiederum die
Spannung b festgestellt werden.
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Die einfachere und genauere Messung erfolgt über die Messung der
Anisotropierichtung, so daß als bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung
nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Anordnung beschrieben wird, die die änderung
der Anisotropierichtung bei mechanischer Verspannung ausnutzt (Fig.3). Hierzu ist
in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die zu messende äußere Kraft Ka unter
einem Winkel 00< s < 900, vorzugsweise ç = 450, gegen die ursprünglicheVorzugsrichtung
der magnetostriktiven Schicht S angreift, die von Windungen einer Induktionsspule
IS umgeben ist, deren Achse parallel zur magnetischen Vorzugsachse verläuft, daß
gleichfalls parallel zur Vorzugsachse, aber außerhalb der Spule ein Bandleiter L
über der magnetostriktiven Schicht vorgesehen ist und daß schließlich die ganze
Anordnung im Feld zweier Helmholtzspulenpaare 1 und 2 angeordnet ist, deren Achsen
in der durch Vorzugsrichtung und Kraftrichtung aufgespannten Ebene liegen und die
derart mit elektrischen Impulsen beaufschlagt werden, daß sie ein seiner Größe nach
vorzugsweise konstantes in seiner Richtung stufenweise gedrehtes magnetisches Stellfeld
erzeugen, dessen Auswirkung auf die magnetische Schicht durchImpulse konstanter
Größe ermittelt wird, die jeweils in den Impulspausen des Stellfeldes an den Bandleiter
L angelegt werden.
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Magnetische Impulsfelder (»Stellfeld«) von den Helmholtzspulen steuern
die magnetostriktive Schicht in harter Richtung aus. Da diese Richtung gesucht ist,
werden diese Felder schrittweise in die vermutete Richtung gedreht. Die Drehung
kann durch Variation der Stromkomponentenl, und ly in den beiden gekreuzten Spulenpaaren
(Fig. 1) oder durch mechanisches Drehen eines einzigen Spulenpaares erfolgen.
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Spulenpaar 1 (Ix erzeugt Hx, Spulenpaar 2 (Iy) das Teilfeld Hy. Ein
weiteres (richtungsfestes) Impulsfeld Hy', das durch elektrische Impulse I,' auf
dem Bandleiter in den Impulspausen des Stellfeldes erzeugt wird, dient als Detektorfeld
(F i g. 2). Das Signal, das die Schicht auf dieses ebenfalls in (naher) harter Richtung
wirkende Feld in der Induktionsspule bzw.
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Schleife induziert, dient als Indikator für die neue Anisotropierichtung.
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Solange das Stellfeld nicht exakt in schwerer Richtung der Schicht
liegt, wird das Detektorfeld die Schicht nahezu homogen magnetisiert vorfinden,
da die Magnetisierung in den Stellfeldpausen in die näher gelegene Vorzugsrichtung
zurückdreht. Es entsteht daher stets ein positives oder negatives Signal in der
Induktionsspule. Zeigt das Stellfeld dagegen exakt in die harte Richtung der Schicht,
so daß beim folgenden Abschalten die Magnetisierung aufspaltet,
wobei
sie in der einen Hälfte der Schicht in der einen Lage, in der anderen Hälfte in
der um 1800 versetzten Lage der Vorzugsrichtung liegt, so liefert das Detektorfeld
kein Signal in der Induktionsspule. Die Beiträge der verschieden orientierten Bereiche
heben sich auf. Aus den Komponenten der beiden Richtungen des Stellfeldes in diesem
Fall (also z. B. der Größe der Ströme lx und Iy) läßt sich die Richtung der Anisotropie
ermitteln. Diese Methode zur Anisotropierichtungsmessung wird als sogenannte Nullmethode
bezeichnet. Ein Blockdiagramm für die automatische Anisotropierichtungsanzeige mit
einer solchen Anordnung zeigt F i g. 4. Der Programmgeber P steuert die Generatoren
G gemäß den in Fig. 1 und 2 gezeigten Impulsprogrammen. Der Zähler zählt die Impulse
innerhalb einer Meßperiode. Der Bewerter B gibt bei Signal Null von der Induktionsspule
ein Freizeichen an das Anzeigegerät A, das die Anzahl, u der aufgelaufenen Impulse
bzw. deren geeichtes Richtungs- oder Kraftäquivalent anzeigt, da die Anzahl u einer
definierten Anisotropierichtung in der Schicht S und damit auch einer definierten
Kraftgröße entspricht.
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Die Vorzüge einer solchen Anordnung zur Kraftmessung sind unter anderem
folgende: 1. Die Anordnung ist besonders geeignet für die in der automatisierten
Meßtechnik gebräuchliche digitale Auswertung.
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2. Das Impulsmeßverfahren schließt jegliche Gleichspannungsverstärkereinheiten
(wie z. B. bei Dehnungsmeßstreifen) aus. Ungestörte, unproblematische Signalfortleitung
von der Meßstelle bis zu den datenverarbeitenden Geräten.
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3. Wahl der Magnetostriktionskonstanten der Schicht in weiten Grenzen
und damit Anpassung an die auftretenden Probleme möglich.
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4. Wahl des Meßbereiches durch geeignete, einstelbare mechanische
Vorspannung der Schicht.
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5. Durch Wahl der nichtmagnetischen Unterlage, z. B. als dünnes Band
oder stabile Stange, kann, bei gleichbleibender Empfindlichkeit, das Ver-
fahren
sowohl zur Messung kleinster Kräfte als auch tonnenschwerer Lasten dienen.
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Patentansprüche: 1. Anordnung zum Messen mechanischer Druck- und
Zugspannungen, bei der ein magnetostriktiver Körper der zu messenden Kraft ausgesetzt
ist, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines impulsgetasteten
magnetischen Stellfeldes zur Messung der durch die mechanische Verspannung erzeugten
Änderung der magnetischen Anisotropiegrößen, insbesondere der Anisotropierichtung,
vorgesehen sind.