DE19753975C2

DE19753975C2 - Kraftsensor

Info

Publication number: DE19753975C2
Application number: DE1997153975
Authority: DE
Inventors: Erich Zabler; Guenter Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-10-28
Anticipated expiration: 2017-12-06
Also published as: DE19753975A1

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere transformatorisch wirkenden magnetoelastischen Kraftsensor, mit einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärwicklung und einer orthogonal zur Primärwicklung angeordneten Sekundärwicklung, wobei in Abhängigkeit einer auf den Kraftsensor wirkenden Kraft in der Sekundärwicklung eine Sekundärspannung induziert wird. DOLLAR A Es ist vorgesehen, daß ein Teil der Primärwicklung (4) als Kompensationswicklung (30) zur Kompensation eines Offsetfehlers parallel zur Sekundärwicklung (5) und somit orthogonal zur Primärwicklung (4) aufgebracht ist.

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbeson dere einen magnetoelastischen Kraftsensor mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkmalen. Ein solcher Kraftsensor ist aus Soviet Inventions Illustrated, R1: Measuring, Testing, S. 17, Week X25 (28.07.76) bekannt.

Stand der Technik

Magnetoelastische Kraftsensoren nach dem Kreuzduk tor-Prinzip sind zur Messung sehr hoher Kräfte über einen weiten Betriebstemperaturenbereich, bei spielsweise bei Kraftfahrzeugbremsen, geeignet. Üb licherweise weisen magnetoelastische Kraftsensoren eine zylindrische Form auf, bestehen aus schwach ferromagnetischem Material, sind mit einer Primär wicklung und einer zu der Primärwicklung senkrecht angeordneten Sekundärwicklung versehen. Die Funkti onsweise basiert darauf, daß eine in die Primär wicklung eingespeiste Wechselspannung nur dann in der zu dieser senkrecht angeordneten Sekundärwick lung eine Spannung induziert, wenn eine Meßkraft auf den Kraftsensor wirkt. Unter der Wirkung der Kraft wird dann das im Ruhezustand magnetisch isotrope und magnetoelastische Material anisotrop. Hierdurch entsteht zusätzlich eine zur Primärwick lung spulenparallele Feldkomponente, welche jedoch keine Sekundärspannung induziert, sowie eine zu dieser Feldkomponente orthogonale Feldkomponente, die eine annähernd zur Kraft proportionale Spannung induziert. Eine Umkehr der Kraftrichtung, das heißt eine aufgebrachte Druck- anstelle einer Zugspan nung, hat hierbei unter idealen Randbedingungen ei ne gegenphasige induzierte Spannung zur Folge, so daß die Richtung der Kraft beispielsweise mit Hilfe eines phasenselektiven Gleichrichters feststellbar ist. Bei dieser Meßmethode ist der Nullpunkt der Kraft-Spannungskennlinie, das heißt die Abhängig keit der induzierten Spannung von der aufgebrachten Kraft, nahezu unabhängig von der Temperaturausdeh nung des für den Kraftsensor verwendeten Materials, beziehungsweise dessen magnetoelastischen Material konstanten.

Nachteilig in der Praxis ist jedoch die auftretende Asymmetrie des Eisenkreises, wodurch bereits ohne Einwirkung einer äußeren Kraft eine orthogonale Feldkomponente auftritt, welche einen nicht uner heblichen Offset, das heißt eine Nullpunktsabwei chung, bewirkt. Dieser Offset hängt zudem zwangs läufig von Temperaturausdehnungs-koeffizienten des verwendeten Materials ab und reduziert damit die Genauigkeit des Sensors in unerwünschter Weise.

Es ist bekannt, den Offset auf elektronischem Wege zu kompensieren, indem von der induzierten Spannung eine entsprechende Spannung subtrahiert wird. Hier durch läßt sich jedoch nicht die erwünschte Null punktstabilität erzielen.

Eine weitere Möglichkeit zur Offsetkompensation ist, die Primär- und die Sekundärspule nicht exakt in einem rechten Winkel zueinander anzuordnen, son dern einen davon abweichenden Winkel zu wählen, welcher die magnetische Asymmetrie des Eisenkreises geometrisch ausgleicht. Nachteilig hierbei ist je doch, daß bei einer möglichen Materialänderung je weils auch die Konstruktion des Kraftsensors geän dert werden muß, womit deutliche Mehrkosten verbun den sind.

Die eingangs zitierte Schrift und US 3,903,739 leh ren die Verwendung von Kompensationsspulen zusätz lich zu Primär- und Sekundärspulen.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftsensor zu schaffen, bei dem eine Offsetkompensation in einfa cher Weise zur exakten statischen Kraftmessung er folgt.

Vorteile der Erfindung

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den im Patent anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß auf einfache konstruktive Weise eine Nullpunkts einstellung beziehungsweise Offsetkompensation des Kraftsensors ermöglicht wird, ohne daß aufwen dige elektronische Korrekturmaßnahmen erforderlich sind. Der Kraftsensor ermöglicht einen vor allem von Materialparametern des Kraftsensors unabhängi gen stabilen Nullpunkt der Sensorkennlinie. Daraus resultiert eine sehr hohe Genauigkeit der Kraftmes sung, die bei herkömmlichen Sensorschaltungen nur mit hohem konstruktiven oder elektronischen Aufwand erreichbar wäre.

Zudem erfordert die erfindungsgemäße Offsetkompen sation keinen konstruktiven Eingriff in das Sensor design und kann bevorzugt lediglich durch Hinzufügen weniger zusätzlicher Windungen der Primärwicklung parallel zur Sekundärwicklung durchgeführt werden. Entsprechend einfach und kostengünstig gestaltet sich auch die Anpassung dieser Kompensation, wenn das Sen sordesign oder -material, beispielsweise aus Gründen der Meßbereichserweiterung, einmal modifiziert werden muß.

Eine dem Sensor nachgeschaltete Elektronik hätte ohne die erfindungsgemäße Kompensation ein in Relation zur gemessenen Größe relativ großes Signal zu verarbei ten, wodurch die in der Elektronik begründeten Abwei chungen aufgrund von Temperaturdrifts und Schwankun gen der Bauteileigenschaften, verhältnismäßig groß werden. Dies ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Schaltung nicht der Fall, da das Ausgangssignal von einem großen Offset bereits befreit ist.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.

Zeichnungen

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen:

Fig. 1a eine Prinzipdarstellung eines magneto elastischen Kraftsensors mit Primär- und Sekundärwicklung in einer Seiten ansicht;

Fig. 1b eine Draufsicht auf den Kraftsensor aus Fig. 1a

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der von der Sekundärwicklung induzierten Spannung;

Fig. 3a eine Prinzipdarstellung der Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen ohne Kompensationswicklung;

Fig. 3b eine Prinzipdarstellung der Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen mit einer zusätzlichen Kompensationswicklung und

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines magneto elastischen Kraftsensors mit Primär-, Sekundär- und Kompensationswicklung in einer Seitenansicht.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Fig. 1a zeigt in einer Seitenansicht eine Prinzip darstellung eines magnetoelastischen Kraftsensors 1, auf den diagonal eine als Speisewicklung fungierende Primärwicklung 4 und eine zu dieser senkrecht ange ordnete Sekundärwicklung 5 aufgebracht sind. Zur exakten Festlegung der beiden Wicklungen sind jeweils Nuten an der Mantelfläche des Kraftsensors 1 vorgese hen. Die Primärwicklung 4 ist in eine Nut 11 und die Sekundärwicklung 5 in eine Nut 10 aufgewickelt. Die Primärwicklung 4 kann mit einer Wechselspannung U₁ aus einer Spannungsquelle 8 beaufschlagt werden, die dann eine entsprechende Sekundärspannung U₂ in der als Meßwicklung fungierenden Sekundärwicklung 5 indu ziert. Je nach axialer Beaufschlagung des Kraftsen sors 1 mit einer Kraft 2 ändert sich auch die Sekun därspannung U₂. Ein bereits im Ruhezustand auftre tender Offset wird durch ein nicht spulenparalleles Feld B_o angedeutet, das aus einer spulenparallelen Feldkomponente B_p und einer zu dieser Feldkomponente B_p orthogonalen Feldkomponente B_s resultiert (Asymmetrie des Eisenkreises). Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf den Sensorkern 1 aus Fig. 1a, wobei der rechteckige, vorzugsweise quadratische Quer schnitt des Sensorkerns 1 erkennbar ist. Die Nuten 10, 11, in denen die Primärwicklung 4 und die Sekun därwicklung 5 aufgewickelt sind, weisen an ihren Kanten zweckmäßigerweise jeweils eine leichte Abrun dung auf, um die Wicklungen nicht zu stark abzuknic ken.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipschaltung zur Weiterver arbeitung der in der Sekundärspule induzierten Sekun därspannung U₂. Ein phasenselektiver Gleichrichter 24 bestimmt die Wirkrichtung der Kraft 2, die entspre chend die Phase der Sekundärspannung U₂ beeinflußt. Dem Gleichrichter 24 ist ein Tiefpaß 26 zur Heraus filterung unerwünschter höherfrequenter Anteile der Sekundärspannung U₂ nachgeschaltet, so daß man eine Ausgangsspannung U_a, die eine exakte kraftproportio nale Spannung darstellt, erhält.

Die Fig. 3a und 3b zeigen jeweils Prinzipdarstel lungen der Anordnung von Primär- und Sekundärwicklun gen ohne (Fig. 3a) und mit (Fig. 3b) einer zusätz lichen Kompensationswicklung. Zur Kompensation der unerwünschten Feldkomponente B_s, welche die Offset spannung bewirkt, ist, wie in Fig. 3b dargestellt, ein Teil der Primärwicklung 4 in der Orientierungs richtung der Sekundärwicklung 5, das heißt parallel zu dieser und orthogonal zur Primärwicklung 4 aufge bracht. Der Wicklungssinn der Sekundärwicklung 5 und der Kompensationswicklung 30 ist zweckmäßigerweise so zu wählen, daß die störende Feldkomponente B_s annä hernd zu Null kompensiert wird. Diese Kompensations wicklung 30 ist in Fig. 3b dargestellt. Hierdurch wird eine zusätzliche Feldkomponente ΔB erzeugt, wel che die Feldkomponente B_s kompensiert. Da normaler weise die Windungszahl der Kompensationswicklung 30 nur sehr gering ist und diese Windungszahlen im all gemeinen nur ganzzahlig aufgebracht werden können, kann die oben beschriebene Offsetkompensation nicht beliebig exakt wirken. Ein geringer verbleibender Restoffset kann jedoch beispielsweise auf elektroni schem Wege kompensiert werden. Da sowohl die Primär wicklung 4 wie auch die Sekundärwicklung 5 direkt auf den Kraftsensor 1 gewickelt sind, sind für die Kom pensationswicklung 30 keine weiteren Spulenanschlüsse erforderlich. Die Kompensationswicklung 30 kann in einfacher Weise direkt im Anschluß an die Primärwick lung 4, das heißt mit dieser in Reihe geschaltet, in die für die Sekundärwicklung 5 vorgesehene Nut 10 gewickelt werden. Die Kompensationswicklung 30 kann dabei entweder in die noch unbelegte Nut 10 vor dem Aufwickeln der Sekundärwicklung 5 eingebracht werden oder auch auf die Sekundärwicklung 5 aufgewickelt werden. Die für eine möglichst effektive Offsetkom pensation erforderliche Anzahl von Windungen der Kom pensationswicklung 30 sowie deren erforderlicher Wicklungssinn kann sowohl mit der Konstruktion des Kraftsensors 1 als auch mit dessen magnetoelastischem Material differieren und wird zweckmäßigerweise durch vorhergehende Berechnungen und/oder durch Versuche ermittelt.

Fig. 4 zeigt schließlich in einer Seitenansicht eine Prinzipdarstellung des magnetoelastischen Kraftsen sors 1 entsprechend Fig. 1a, auf den diagonal die als Speisewicklung fungierende Primärwicklung 4 und die zu dieser senkrecht angeordnete Sekundärwicklung 5 aufgebracht sind. In die Nut 10 der Sekundärwick lung ist hierbei zusätzlich die Kompensationswicklung 30 aufgebracht. Die unerwünschte Feldkomponente B_s, welche die Offsetspannung bewirkt, wird durch die zu ihr parallele zusätzliche Feldkomponente ΔB kompen siert, wodurch die beiden zu B_s und ΔB orthogonalen Feldkomponenten B_o und B_p annähernd parallel werden.

Claims

1. Kraftsensor, insbesondere transformatorisch wir kender magnetoelastischer Kraftsensor, mit einer mit Wechselspannung beaufschlagbaren Primärwick lung, einer orthogonal zur Primärwicklung angeord neten Sekundärwicklung, wobei in Abhängigkeit einer auf den Kraftsensor wirkenden Kraft in der Sekun därwicklung eine Sekundärspannung induziert wird, und einer parallel zur Sekundärwicklung (5) und so mit orthogonal zur Primärwicklung (4) aufgebrachten Kompensationswicklung (30), dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensationswicklung (30) mit der Primär wicklung (4) in Reihe geschaltet ist.

2. Kraftsensor nach Anspruch 1, dadurch gekenn zeichnet, daß die für die Offsetkompensation erfor derliche Anzahl von Windungen der Kompensations wicklung (30) und deren erforderliche Wicklungssinn in Abhängigkeit von der Konstruktion und/oder des magnetoelastischen Materials des Kraftsensors (1) bestimmbar ist.

3. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden An sprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Primär wicklung (4) und die Kompensationswicklung (30) di rekt nacheinander aufgewickelt sind.

4. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß ein durch eine ganz zahlige Windungszahl verbleibender Restoffset durch eine nachgeschaltete elektronische Offsetkompensation korrigierbar ist.

5. Kraftsensor nach einem der vorhergehenden Ansprü che, dadurch gekennzeichnet, daß die Kompensations wicklung (30) auf die Sekundärwicklung (5) in der gleichen Nut (10) wie diese aufgewickelt ist.

6. Kraftsensor nach Anspruch 5, dadurch gekennzeich net, daß der Wicklungssinn der Kompensationswicklung (30) und der Sekundärwicklung (5) so gerichtet ist, daß eine störende Feldkomponente (B_s) kompensiert wird.