DE2316344C3 - Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung unter Ausnutzung der Magnetostriktion - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung in einem magnetischen Material durch Messen der Magnetostriktionsänderung in einem magnetostriktiven Material in Abhängigkeit von einer auf das der Spannungsmessung zu unterwerfende magnetische Material einwirkenden Beanspruchung.

Hin Spannungsmeßverfahren unter Ausnutzung der Magnetostriktion wurde ursprünglich nur für zu messende Materialien bzw. Gegenstände angewendet, die aus wenigstens einem ferromagnetischen Stoff beste ⁶S hen. Das Prinzip des Spannungsmeßverfahrens ist folgendes: Die Permeabilität des zu messenden Materials ändert sich in Abhängigkeit von seiner Belastungsoder Btanspruchungsänderung. 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. Somit kann man die mechanische Spannung des /u messenden Materals durch Erfassen der Änderung der Magnetflußdichte auf Grund der Beanspruchungsänderung des zu messenden Materials messen.

Bekannte Spannungsmeßverfahren unter Ausnutzung der Magnetostriktion sahen vor, daß das ,· - messende Material, das aus ferromagnetischem Sioil bestand, zur Erfassung der Änderung der sich ergebenden Magnetflußdichte direkt magnetisiert wurde.

Allgemein sind indessen die inneren Bereiche des /u messenden Materials auf Grund verschiedener f aktoren, wie z. B. Restspannung, Korngrenzen, ungleichmäßig verteilter Bestandteile, Kristallgitterfehler. Entweichen von Verunreinigungen usw. nicht gleichmaßig. Aus diesem Grund hat die Permeabilität des /u messenden Materials in Abhängigkeit von seiner Lüge oder Richtung verschiedene Werte. Infolgedessen zeigt das zu messende Material trotz einer gleichmäßigen Spannung verschiedene Meßergebnissc m 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 /. B. die Messung bei einer mit reyein-ußiger Drehzahl rotierenden Welle durchgefühn und. auf die ein bestimmtes Torsionsmoment einwirkt, um die gleichmäßige 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 /u der Erscheinung, daß das Ausgangssignal eines dabei very, en deten Det'.'ktors in Abhängigkeit von der Drehsteilun^ der Welle schwankt.

Weiter bewirkt die Änderung der mechanist hen Spannung des zu messenden Materials eine Zeitverzögerung bezüglich der Änderung des zu erfassenden Ausgangssignals im Maße der Spannung'.änderung auf Grund der erwähnten verschiedenen Fehlerquellen ir ncrhalb des zu messenden Materials. Außerdem mit das Einwirken der Spannungsamplitude auf das zu messende Material bei dem zu erfassenden Ausgangssignal das Auftreten von Hysteresecigenschaften hervor.

Daneben hängt die Verteilung des Magnetflusses innerhalb des zu messenden Materials bei Magnetisii rung von seiner Gestalt ab. Dementsprechend iieleri auch ein zu messendes Material, das aus dem gie heu Stoff ist und an sich die gleiche Spannung aufweist, wegen der nicht gleichmäßigen Verteilung des Magnetflusses in Abhängigkeit von seiner Gestall ein unterschiedliches Ausgangssignal.

Andererseits wurde auch eine Vorrichtung /ur kontaktlosen Messung von Spannungszuständen in Bauteilen aus beliebigen Werkstoffen, insbesondere aus Kunststoffen bekannt (DT-OS 18 14 244, die durch einen oder mehrere an der zu messenden Stelle des Bauteiles unverschiebbar befestigte Aufzeichniu j'strager aus ferromagnetischem Material und durch eine die infolge der Spannungszustände im Bauteil innerhalb des Aufzeichnungsträgers auftretenden Änderungen der magnetischen Kenngrößen abtastende Sonde gekenn/eichnc; ist, die aus einer als Bniekenzweig einer Gegcnindiik'.iviiütsmcßbrücke angeschlossenen Ma gnetfeldspule bestehen kann. Auf die Probleme der

fcontaktlosen Messung von Spannungszusiänden in bauteilen aus ferromagneiischen Werkstoffen wird in iiesem Zusammenhang nicht eingegangen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, das Verfahren der eingangs genannten Art in dem Sinne zu jerbessern, daß sich Geiugeunrc-ge'inamgkeiien. wie *estspannungen. ungleichmäßig verteilte Bestandteile. Kristallgitterfehler, Verunreinigungen, im zu messenden Material, die zu ungleichmäßigen Penreabilitats- »erten führen, praktisch nicht mehr siörer.J bei den l^eßergebnissen auswirken, sonderen stabilere Ausfangssignale und Meßwerte als bisher erhalten werden. Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß man zur ^Compensation von Gefüge-linregelnäßigkeiten des magnetostriktiven Materials auf eine Oberfläche des der Spannungsmessung zu unterwerfenden magnetischen Materials eine Schicht aus nichtmagnetischem Werkstoff aufbringt, auf diese Schicht eine Schicht mit Magnetostriktionseigen.chafien aufbringt und einen Magnetfluß durch die iet/tere Schicht ;o Jeitet. und die Schicht aus niehimagnetischeni Werkstoff zur magnetischen Isolation des magnetischen Materials gegenüber der Selnclii mit Magnetostriktionseigenschaften dient, und Δ.\β man du Anvierung des Magnetflusses in der magnetostriktiv en Schicht in Abh.ä'n- :< gigkeit von der Beanspruchung des Je- Spannungsmessung zu unterwerfenden Materials mißt.

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

Weite-bildende Merkmale ;::;d weitere VOi teile der ;> Erfindung werden an Hand der Beschreibung des in der Zeichnung veranschaulichten AusfuhrungsbeispieK naher erläutert: dann zeigt

F ι g. 1 eine Erläuterungsskizze des Grundprinzips der Erfindung und

F i g. 2 eine schematische Darstellung eines Ausfiihrungsbeispiels einer zum Verfahren gemäß der Erfindung verwendbaren Vorrichtung.

F i g. ! 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 eine Schicht 2 aus nichtmagnetischem Stoff befindet, aiii den seinerseits eine Schicht 3 aus ferromagnetische!!] Stoff aufgebrach: ist. und man erkennt weiter cmc Magnetisierungsspule 4. 5■■-■ eine Detektorspule 5 und umen b zur Andeutung eines Magnetflusses, der durch die Magnetisieriingsspule 4 erzeugt wird und die Schicht 3 durchsetzt.

Bei der vorstehend angegebenen Anordnung bildet man die Schieb: 2 dadurch aus, daß man die Oberfläche ^ des zu messenden Materials | aus magnetischem Werkstoff bis zu einer Ebenengenauigkeit von gewünschtem Grad glättet, dann diese Oberfläche mit dem nichtmagnetischen Stoff 2. z. B. kuple:. plattiert und wieder die so gebildete Oberfläche bis zu einer Ebenengenauigkei; tio von gewünschtem Grad glättet Die magnetische Schicht 3 wird hergestellt, indem man lie gegl.:';e:e Oberfläche der Schiert 2 mit dem ferromagnetischeii Material, z.B. Nickel, i ise·.. plattiert und die Plattier oberfläche wieder bis zu einer ausreichenden Glatte <\s endbearbeitet. Hierbei ist die 1 lache, auf der das Plat tieren des nich i.ignetischcn stoffes durchgeführt wird, vorzugsweise größer als die. auf der das Plattic ren des derromagnetischen Siemes vorgenommen wird. Um die Filmschichten 2 und 3 anzubringen, kann man ein Elektroplattierverfahren, ein nichieiektroMi sches Plattierverfahren, ein Schmelzeimauchplanierve.-fahren. ein Metallschmelzenaufspriizverfahren. ein Vakuuniaufdampfverfahren. ein Metallslückhaft verfahren od. dgl. anwenden.

Wie man F 1 g. i entnimmt, wird der durch die Magneiisierungsspule 4 erzeugte Magnetfluß 6 durch die Schicht 2 aus nichtmagneusehem Materia! unterbrochen, sei daß er praktisch nicht durch das zu messende Material, sondern nur durch die Schicht 3 aus ferromagnetischem Stoff auf dessen Oberfläche fließt. Ein solcher Zustand läßt sich durch geeignetes Auswählen der Materialien der Schichten 2 und 3. ihrer Dicken und auch der durch die Magnetisierungsspule 4 erzeugten Magnetflußdichte erreichen.

Nur die äußerste Schicht 3 übt daher eine:". Einfluß auf die Eigenschaften des zu erfassenden Ausgangssignals auf Grund der Magnetostriktion aii> so daß sic:·. eine Verbesserung der Gleichmäßigkeit des /.. erfas senden Ausgangssignals ergibt.

Die Slnicht 3 wird /.B gleichmäßig durch Elektroplattieren unter solchen Bedingungen gebildet, daß (i) eine Anode aus reinem Materi.il verwendet wird. (-) die -\node zahlenmäßig ver^ta'V. .iiici so angeordnet wird, daß sich eine gleichmäßige Plamerung aiii de·!! zu plattierenden Material ergibt. ( i) das zu plattierende Matevi.il wahrend vies I¹IaHiC retis gLOreht w ;rd.

(·*) emv reine Pl.ittierlosung geeigneter Zusammensetzung verwendet w,;\i und

(^) d;e Bedingungen der Pi.-.tMervorgange bei " voller Bewegung bzw. Rührung befindlicher PLmeriosung Ristiert w erden

Die gleichmäßige Auspildung der plattierten Schicht ermöglicht die Vermeidung einer Umregelmjßigkeii der Permeabilität, die sich sonst aus Jem I -iterschied der Lage und Ausrichtung des gemessenen Gegenstandes ergibt.

So fuhrt die gleichmäßige Plattiening ohne jede \ eriinreiiiigung zur Verringerung der Zenv erzogerungseffekte des erlabten Ausgangssignals gegenüber der Spannungsänderting odi.r dessen Beeinflussung durch Hvstereseerscheinungen. I ur eine andere Verwendung oiler 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 w ird.

Ein Ausfuhrungsbeispiei der Vorrichtung gemß der Erfindung soll nun an Hand von Fig.- erläutert werden, iii der man emc VVeIIe 11 aus kohlenstoffstahl erkenn!, deren Oberfläche b:s zu einer I lächeniinebenheii von bzw. über ti μ endbearbeiten ist. Die Obcrfla ehe de ι Welle 1 ist mit einer KupferpKittierung 12 einer Dicke von 0.5 mm versehen, deren Oberfläche bis zu einer l'lächenrauhigkeit V₁,η |\/w übet tMi bearbeitet ist. Die geglättete Oberfläche der Kupierplattierung ist dann mn einer Nicke'i' -.uticruiig H einer F)icke von t'.)inm überzogen, deien Oberfläche ebenfalls mit einer Flachenrauhigkeit von bzw über ti ti endbearbeiict isi ! inc Magnetisieriingsspule 14 ist um einen rs.ern 1·}./ ■; U)O Windungen gewkkel^: Em Snom mit einer iTCijuen/ von I kHz und einer Starke von I A wird von einer Stromquelle 15 der Magneiisierspule 14 zugeführt. Emc Detekiorspule 16 ist um einen Kern lh.) in -100 Windungen gewickelt. Man erkennt weiter einen Gleichrichter 17 und ein GleieliMromvoltnieier 18.

Bei der vorstehend erläuterten Anordnung ermöglicht unter der Annahme, daß die Welle ti einen Durchmesser von 46 mm aufweist, eine Torsion von 27 kg/m auf die Welle 11 einwirkt und sich die Welle 11 mit regelmäßiger Drehzahl dreht, die Zuführung eines Stroms von 1 kHz und I A zur Magnetisierungsspule 14 eine Stärke des von der Detektorspule 16 erzeugten Ausgangssignals von etwa 15OmV, 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.

Nach dem vorstehend erwähnten Ausführungsbeispiel war die Kupferplattierung relativ dick vorgenommen, um die Welle magnetisch vom Nickelplattierfilm zu isolieren.

Wie oben erwähnt, wird a; f der Oberfläche des zu messenden Materials oder Gegenstandes der Film aus dem ferromagnetischen Materi?! 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.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Verfahren zum Messen einer mechanischen Spannung in einem magnetischen Material durch ί Messen der Magnetostriktionsänderung in einem magnetostriktiven Material in Abhängigkeit von einer auf das der Spannungsmessung zu unterwerfende magnetische Material einwirkenden Beanspruchung, dadurch gekennzeichnet, daß man zur Kompensation von Gefüge-Unregdmäßigkeiten des magnetosiriktiven Materials auf eine Oberfläche des der Spannungsmessung zu unterwerfenden magnetischen Materials (1) eine Schicht

(2) aus nichtmagnetischem Werkstoff aufbringt, auf diese Schicht (2) eine Schicht (3) r.iit Magnetostriktionseigenschaften aufbringt und einen Magnetfluß (6) durch die letztere Schicht (3) leitet, und die Schicht (2) aus nichtmagnetischem Werkstoff zur magnetischen Isolation des magnetischen Materials (1) gegenüber der Schicht (3) mit Magnetostriktionseigenschaften dient, und daß man die Änderung des Magnetflusses in der magnetostriktiven Schicht (3) in Abhängigkeit von der Beanspruchung des der Spannungsmessung zu unterwerfenden Materials (1) mißt.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (3) eine kleinere Flache als die nichtinagnetische Schicht (2) bedeckt.

3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man an die magnetostriktive Schicht

(3) während deren Aufbringens auf die nichtmagnetische Schicht (2) ein bestimmtes Magnetfeld zwecks Erzeugung einer magnetischen Anisotropie anlegt.

4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß man die nichtmagnetische Schicht (2) auf das der Spannungsmessung zu unterwerfende Material (1) in einer bestimmten Dicke aufbringt, die von der Stärke der magnetischen Eigenschaften dieses Materials (1) abhängt.

5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß nur die magnetostriktive Schicht (3) einen Einfluß auf die Messung der Magneiflußände rung ausübt.

t>. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetostriktive Schicht (3) gleichmäßig auf die nichtmagnetische Schicht (2) aufgebracht wird.