DE2316344A1 - Verfahren und vorrichtung zum messen einer mechanischen spannung unter ausnutzung der magnetostriktion - Google Patents
Verfahren und vorrichtung zum messen einer mechanischen spannung unter ausnutzung der magnetostriktionInfo
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Description
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«München 22, Sieirwdorfetr. 13
81-20 Λγγρ (20 Λ78Η) 2316344
■2. April 1973
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-
81-("POS 30 39*O-Tp-r (9)
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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 wirds 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
♦
♦
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.
3 0 9 8 4 27 Q U 7
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)
- 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. 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· 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.309842/0447
- 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.3O9842/0U7Le e rse i te
Applications Claiming Priority (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP3266272 | 1972-04-03 | ||
JP47032662A JPS5214985B2 (de) | 1972-04-03 | 1972-04-03 |
Publications (3)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
DE2316344A1 true DE2316344A1 (de) | 1973-10-18 |
DE2316344B2 DE2316344B2 (de) | 1975-08-07 |
DE2316344C3 DE2316344C3 (de) | 1976-03-18 |
Family
ID=
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Also Published As
Publication number | Publication date |
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JPS5214985B2 (de) | 1977-04-26 |
DE2316344B2 (de) | 1975-08-07 |
JPS48101192A (de) | 1973-12-20 |
GB1369404A (en) | 1974-10-09 |
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