DE2316344A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen einer mechanischen spannung unter ausnutzung der magnetostriktion - Google Patents

Description

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■2. April 1973

HITACHI LTD.. Tokio (Japan)

Verfahren und Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Spannung unter Ausnutzung der Magnetostriktion

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung eines Gegenstandes unter Ausnutzung der Magnetostriktion und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Ein Spannungsmeßverfahren unter Ausnutzung der Magnetostriktion wurde bisher nur für zu messende Materialien bzw« Gegenstände angewendet, die aus einem ferromagnetischen Stoff bestehen. Das Prinzip des Spannungsmeßverfahrens ist folgendes; Die Permeabilität des zu messenden Materials än-

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dert sich in Abhängigkeit von seiner Belastungs- oder Beanspruchungsänderung. Demgemäß läßt sich die Änderung der Permeabilität dieses Materials als Änderung der Magnetflußdichte bei Anlegung eines Magnetfelds an das Material unter Anwendung eines geeigneten Verfahrens erfassen. So läßt sich die mechanische Spannung des zu messenden Materials durch Erfassen der Änderung der Magnetflußdichte aufgrund der Beansprüchungsänderung des zu messenden Materials messen.

Bekannte Spannungsmeßverfahren unter Ausnutzung der Ma gnetostriktion sahen vor, daß das zu messende Material, das aus f err omagne ti schein Stoff bestand, zur Erfassung der Änderung der sich ergebenden Magnetflußdichte direkt magnetisiert wurde.

Allgemein sind indessen die inneren Bereiche des zu messenden Materials aufgrund verschiedener Faktoren, wie z. B. Restspannung5 Korngrenzen, ungleichmäßig verteilter Bestandteile, Kristallgitterfehler, Entweichung von Verunreinigungen usw. nicht gleichmäßig. Aus diesem Grund hat die Permeabilität des zu messenden Materials in Abhängigkeit von seiner Lage oder Ausrichtung verschiedene Werte. Infolgedessen zeigt das zu messende Material trotz einer gleichmäßigen Spannung verschiedene Meßergebnisse in Abhängigkeit von seiner Lage oder der Richtung, nach der die Messung durchgeführt wird, obwohl das Material nach dem praktisch gleichen Meßverfahren gemessen wird.

Auch wenn z. B. die Messung bei einer mit regelmäßiger Drehzahl rotierenden ¥elle durchgeführt wird_s auf die ein bestimmtes Torsionsmoraent einwirkt, um die gleichmäßige

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Verteilung der Spannung am Umfang der rotierenden Welle zu zeigen, weist die Permeabilität am Umfang der rotierenden Welle die erwähnten unterschiedlichen Werte auf. Daher führt das die Magnetostriktion ausnutzende Meßverfahren zu der Erscheinung, daß das Ausgangssignal eines dabei verwendeten Detektors in Abhängigkeit von der Drehstellung der Welle schwankt.

Weiter bewirkt die Änderung der mechanischen Spannung des zu messenden Materials das Auftreten einer Zeitverzögerung bezüglich der Änderung des zu erfassenden Ausgangssignals im Maße .der Spannungsänderung aufgrund der erwähnten verschiedenen Fehlerquellen innerhalb des zu messenden Materials. Außerdem ruft das Einwirken der Spannungsamplitude auf das zu messende Material bei dem zu erfassenden Ausgangssignal das Auftreten von Hystereseeigenschaften hervor.

Daneben hängt die Verteilung des Magnetflusses innerhalb des verarbeiteten Materials bei Magnetisierung von seiner Gestalt ab. Dementsprechend liefert auch ein zu messendes Material, das aus dem gleichen Stoff ist und an sich die gleiche Spannung aufweist, wegen der nicht gleichmäßigen Verteilung des Magnetflusses in Abhängigkeit von seiner Gestalt ein unterschiedliches Ausgangssignal.

Außerdem weist das bekannte Spannungsmeßverfahren unter Ausnutzung der Magnetostriktion die mangelnde Eignung zum Messen der Spannung in dem Fall auf, wenn das zu messende Material nicht aus ferromagnetisehern Stoff besteht, und daher wurde dieses Verfahren zur Anwendung beim Messen der Spannung von nichtferromagnetischem Material nicht eingesetzt.

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Es ist daher die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe, ein solches Spannungsmeßverfahren derart zu verbessern, daß es bei gleicher Spannung stabilere Ausgangssignale und Meßwerte liefert und sich auch zur Messung nichtferromagnetischer Materialien bzw. Gegenstände eignet. Außerdem soll im Rahmen der Erfindung eine zur Durchführung dieses Verfahrens geeignete Vorrichtung angegeben werden.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man einen gleichmäßigen Film mit guten Magnetostriktionseigenschaften auf die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes aufbringt, den Magnetfluß zum Magnetisieren des zu messenden Gegenstandes durch den Film mit den guten Magnetostriktionseigenschaften leitet und eine Spannungsänderung in Form der Änderung des Magnetflusses mißt»

Zum Messen einer mechanischen Spannung in einem ferromagnetischen Material bzw» Gegenstand wird in Weiterbildung der Erfindung vorgeschlagen, daß man einen Film aus nichtmagnetischem Werkstoff auf die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes aufbringt und den Film mit guten Magnetostriktionseigenschaften auf die Oberfläche des nichtmagnetischen Films aufbringt.

Erfindungsgemäß lassen sich so die Nachteile der bekannten Verfahren dieser Art beseitigen, indem man fast den gesamten Magnetfluß zum Magnetisieren des zu messenden Gegenstandes durch den Film des Materials mit ausgezeichneten Magnetostriktionseigenschaften zwecks Erfassung des Magnetflusses unter Anwendung eines geeigneten Verfahrens leitet.

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Weiterbildende Merkmale und weitere Vorteile der Erfindung ergeben sich anhand der Beschreibung des in der Zeichnung veranschaulichten Ausführungsbeispiels; darin zeigen:

Fig. 1 eine Erläuterungsskizze des Grundprinzips der

Erfindung; und
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Fig· 2 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer Vorrichtung gemäß der Erfindung.

Fig. 1 zeigt das Grundprinzip der vorliegenden Erfindung. In dieser Figur ist ein zu messendes Material 1 · dargestellt, das in diesem Fall aus magnetischem Werkstoff besteht, worauf sich ein Film 2 aus nichtmagnetischem Stoff befindet, auf den seinerseits ein Film 3 aus ferromagnetischem Stoff aufgebracht ist, und man erkennt weiter eine Magnetisierungsspule 4, eine Detektorspule 5 und Linien 6 zur Andeutung eines Magnetflusses, der durch die Magnetisierungsspule h erzeugt wird und den Film 3 durchsetzt.

Bei der vorstehend angegebenen Anordnung bildet man den Film 2 dadurch aus, daß man die Oberfläche des zu messenden Materials 1 aus magnetischem Werkstoff bis zu einer Ebenengenauigkeit von gewünschtem Grad glättet, dann diese Oberfläche mit dem nichtmagnetischen Stoff 2, z„ B. Kupfer, plattiert und wieder die so gebildete Oberfläche bis zu einer Ebenengenauigkeit von gewünschtem Grad glättet» Der magnetische Film 3 wird hergestellt, indem man die geglättete Oberfläche des Films 2 mit dem ferromagnetisehen Material, z. B. Nickel, "Permalloy" oder Eisen, plattiert

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und die Plattieroberfläche wieder bis zu einer ausreichenden Glätte endbearbeitet. Hierbei ist die Fläche, auf der das Plattieren des nichtmagnetischen Stoffes durchgeführt wird, vorzugsweise größer als die, auf der das Plattieren des ferromagnetischen Stoffes vorgenommen wird.

Um die Filmschichten 2 und 3 anzubringen, kann man ein Elektroplattierverfahren, ein nichtelektrolytisches Plattierverfahren, ein Schmelzeintauchplattierverfariren, ein Metallschmelzenaufspritzverfahren, ein Yakuumaufdampf~ verfahren, ein MetallStückhaftverfahren oder dergleichen anwenden.

Es ist zu bemerken, daß, falls das zu messende Material 1 aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht, der Film aus nichtmagnetischem Werkstoff nicht unbedingt nötig ist.

Wie man Fig„ 1 entnimmt, wird der durch die Magnetisierungsspule h erzeugte Magnötfluß β durch den Film 2 aus nichtmagnetischem Material unterbrochen,, so daß er praktisch nicht durch das zu messende Material„ sondern nur durch den Film 3 aus ferromagnetische!!! Stoff auf dessen Oberfläche fließt. Ein solcher Zustand läßt sich durch geeignetes Auswählen der Materialien der Filme 2 und 3» ihrer Dicken und auch der durch die Magnetisierungsspule k erzeugten Magnetflußdichte erreichen.

Nur der äußerste Film 3 übt daher einen Einfluß auf die Eigenschaften des zu erfassenden Ausgangssignals aufgrund der Magnetostriktion aus, so daß sich eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit des zu erfassenden Ausgangssignals ergibt.

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Der Film 3 wird z. B. gleichmäßig durch Elektroplattieren unter solchen Bedingungen gebildet, daß (i) eine Anode aus reinem Material verwendet wird, (2) die Anode zahlenmäßig verstärkt und so angeordnet wird, daß sich eine gleichmäßige Plattierung auf dem zu plattierenden Material ergibt, (3) das zu plattierende Material während des Plattierens gedreht wird, (k) eine reine Plattierlösung geeigneter Zusammensetzung verwendet wird und (5) die Bedingungen der Plattiervorgänge bei in voller Bewegung bzw. Rührung befindlicher Plattierlösung justiert werden. Die gleichmäßige Ausbildung der plattierten Schicht ermöglicht die Vermeidung einer Unregelmäßigkeit der Permeabilität, die sich sonst aus dem Unterschied der Lage und Ausrichtung des gemessenen Gegenstandes ergibt.

So führt die gleichmäßige Plattierung ohne jede Verunreinigung zur Verringerung der Zeitverzögerungseffekte des erfaßten Ausgangssignals gegenüber der Spannungsänderung oder dessen Beeinflussung durch Hystereseerscheinungen. Pur eine andere Verwendung oder einen anderen Zweck kann es vorteilhaft sein, ein bestimmtes Magnetfeld an das zu plattierende Material anzulegen, um hier eine magnetische Anisotropie zu erzeugen, wenn das Plattieren durchgeführt wird.

Üblicherweise konnte die mechanische Spannung nichtmagnetischen Materials, z. B. von Kupfer oder Harzen, wie z. B, Kunstharzen, nach dem die Magnetostriktion ausnutzenden Meßverfahren nicht gemessen werden. Erfindungsgemäß ermöglicht dagegen die Aufbringung des Films mit guten Magnetos triktionseigenschaf ten auf die Oberfläche des nichtmagnetischen Materials eine Messung der Spannung unter Ausnutzung der Magnetostriktionserscheinung.

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Ein Ausführungsbeispiel der Vorrichtung gemäß der Erfindung soll nun anhand von Fig. 2 erläutert werden, in der man eine Welle 11 aus Niedrigkohlenstoffstahl erkennt, deren Oberfläche bis zu einer Flächenunebenheit von bzw. über 6 /u endbearbeitet ist. Die Oberfläche der Welle 1 ist mit einer Kupferplattierung 12 einer Dicke von 0,5 mm versehen, deren Oberfläche bis zu einer Flächenrauhigkeit von bzw. Über 6 λι bearbeitet ist. Die geglättete Oberfläche der Kupferplattierung 12 ist dann mit einer Nickelplattierung 13 einer Dicke von 0,5 mm überzogen, deren Oberfläche ebenfalls mit einer Flächenrauhigkeit von bzw. über 6 /U endbearbeitet ist. Eine Magnetisierungsspule Xk ist um einen Kern i4a in 100 Windungen gewickelt« Ein Strom mit einer Frequenz von 1 kHz und einer Stärke von 1 A wird von einer Stromquelle 15 der Magnetisierspule 14 zugeführt. Eine Detektorspule 16 ist um einen Kern i6a in 400 Windungen gewickelt. Man erkennt weiter einen Gleichrichter 17 und ein Gleichstromvoltmeter 18.

Bei der vorstehend erläuterten Anordnung ermöglicht unter der Annahme, daß die Welle 11 einen Durchmesser von 46 mm aufweist, eine Torsion von 2 kg-m auf die Welle 11 einwirkt und sich die Welle 1-1 mit regelmäßiger Drehzahl dreht, die Zuführung eines Stroms von 1 kHz und 1 A zur Magnetisierungsspule 14 eine Stärke des von der Detektorspule 16 erzeugten Ausgangssignals von etwa 150 mA, wonach die Ausgangsspannung durch den Gleichrichter 17 gleichgerichtet und am Gleichstromvoltmeter 18 abgelesen wird. Wenn eine Beziehung zwischen der elektrischen Spannung und der Torsionsbelastung gegeben ist, dann läßt sich die an der Welle 11 auftretende mechanische Spannung leicht messen.

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Nach dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel war die Kupferpiattierung relativ dick vorgenommen, um die Welle magnetisch vom Nickelplattierfilm zu isolieren. Wenn indessen das zu messende Material aus nichtmagnetischem Werkstoff besteht oder einer Wärmebehandlung unterworfen wurde, so daß es gegenüber Magnetismus unempfindlich ist, dann kann man die Kupferplattierung weglassen oder so dünn aufbringen, daß sie nur als Plattierungsgrundschicht für das Aufplattieren des ferromagnetischen Materials dient.

Wie oben erwähnt, wird erfindungsgemäß auf der Oberfläche des zu messenden Materials oder Gegenstandes der Film aus dem ferromagnetischen Material ausgebildet, durch den fast die gesamten Magnetflüsse geleitet werden, so daß die Nachteile der bekannten Meßverfahren überwunden werden, indem man die Art des aus dem ferromagnetischen Material bestehenden Films verbessert und möglichst fehlerfrei macht. Außerdem läßt sich das die Magnetostriktion ausnutzende Meßverfahren vorteilhaft zum Messen der Spannung von Materialien bzw. Gegenständen aus nichtmagnetischen Werkstoffen anpassen und anwenden.

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Claims (4)

1. C 1.) Verfahren zum Messen einer■ meehäriisehen Spännung eines Gegenstandes unter Ausnutzung von Magnetostriktion, dadurch gekennzeichnet , , daß man einen gleichmäßigen Film (3) mit guten Magnetostriktionseigenschaften auf die Oberfläche des zu messenden Gegenstandes (1) aufbringt, den Magnetfluß (6) zum Magnetisieren des zu messenden Gegenstandes durch den Film (3.) mit den guten Magnetostriktionseigenschaften leitet und eine Spannungsänderung in Form der Änderung des Magnetflusses mißt.
2. 2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man einen Film (2) aus nichtmagnetischem Werkstoff auf die Oberfläche des zu messenden Gegenstands (f.) aufbringt und den Film (3) mit guten Magnetostriktionseigenschaften auf die Oberfläche des nichtmagnetischen Films (2) aufbringt.
3. 3· Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Film (13) mit guten Magnetostriktionseigenschaften auf der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes (ii), dem Film (13) mit den Magnetostriktionseigenschaf ten gegenüber angeordnete Mittel ( 1-4) zum Leiten' eines bestimmten Magnetflusses durch den Film mit den Magnetostriktionseigenschaften und Mittel (16, i6a₈ 17» 18) zum Messen der Änderung des Magnetflusses und zur Messung der Änderung einer im zu messenden Gegenstand auftretenden Spannung.

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4. 4. Vorrichtung zur Durchführung des Verfahrens nach
   Anspruch 2, gekennzeichnet durch einen Film (12) aus nichtmagnetischem Werkstoff auf der Oberfläche des zu messenden Gegenstandes (11), einen Film (13) mit guten Magnetostriktionseigenschaf ten auf dem nichtmagnetischen Film (12),
   dem Film (13) mit den Magnetostriktionseigenschaften gegenüber angeordnete Mittel (i4) zum Leiten eines bestimmten Magnetflusses durch den Film mit den Magnetostriktionseigenschaf ten und Mittel (i6, 16a, .17t 18) zum Messen der
   Änderung des Magnetflusses und zur Messung der Änderung einer im zu messenden Gegenstand auftretenden Spannung.

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