DE4233691A1

DE4233691A1 - Magnetoelastisch-optischer Kraftaufnehmer

Info

Publication number: DE4233691A1
Application number: DE19924233691
Authority: DE
Inventors: Soeren Richter
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1992-10-04
Filing date: 1992-10-04
Publication date: 1994-04-07
Anticipated expiration: 2012-10-05
Also published as: DE4233691C2

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um einen Kraftaufnehmer, der auf dem zur Magnetostriktion inversen Effekt einer Magnetisie rungsänderung eines ferromagnetischen Körpers unter Druck (resp. Zug) beruht (Villari-Effekt II). Er führt eine Kraftmessung über magnetoelastisch bedingte Magnetisierungsänderung auf eine optische Winkelmessung zurück.

Neben federmechanischen und piezoelektrischen Kraftaufnehmern existieren bereits magnetoelastische Kraftaufnehmer, die eine durch Magnetoelastizität bedingte Permeabilitätsänderung eines ferromagnetischen Druckkörpers über elektrische Induktivitäts messung nachzuweisen gestatten. Zwar sind diese Kraftaufnehmer mechanisch äußerst einfach aufgebaut und für robuste Betriebs messungen geeignet, ihre Induktivitätsmessung ist jedoch weit ungenauer als optische Winkelmessungen sein können. Sie benöti gen in jedem Fall eine elektrische Versorgung.

Mit der eingangs genannten Erfindung soll eine Kraftmessung über den invers-magnetostriktiven Effekt (Villari II - Effekt) einer Magnetisierungsänderung eines ferromagnetischen, elastisch deformierbaren Detektorstabes auf eine optische Winkelmessung zurückgeführt werden, die mit hoher Genauigkeit ausgeführt wird.

Die Magnetfeldmessung über optische Winkelmessung kann geschehen durch Messung der Lichtdurchlässigkeit einer Baugruppe aus Mag netnadel und einer diese überlagernden drehbaren Schablonen scheibe, die von einer lichten Fläche mit der Form der Nadel gekennzeichnet ist. Der die Lichtdurchlässigkeit der Baugruppe erfassende fotoelektrische Sensor steuert einen Drehgeber an, der die Schablone solange dreht, bis das absolute Minimum an Transmission der Baugruppe gemessen wird. Dann befinden sich Magnetnadel und lichte Fläche der Schablone in Deckung. Ein weiteres Ausführungsbeispiel gäbe die Maximum-Messung in Trans mission oder auch Reflexion. Die Extremum-Methode könnte sich auch einer Hilfsabbildung bedienen, die das Bild der Nadel und die Schablone überlagert. Hat die Schablone die optimale Deckung mit der Nadel, kann ein Winkeldekoder am Schablonenring ein elek trisches Ausgangssignal liefern, das in Krafteinheiten kalibrier bar ist. Die Zuordnung von Kraft zu Winkel ist eindeutig, wenn die Hysterese der Magnetisierung des Detektorstabes eine zu ver nachlässigende Fläche beinhaltet, was z. B. bei Nickel durch eine Folge von Kompressionen mit jeweils nachfolgender magnetischer Umpolung zu erreichen ist. Nach einer solchen Vorbehandlung ist die Druckmagnetisierung dann nicht mehr remanent. Zur Abschirmung äußerer magnetischer Störfelder sollte der magnetoelastisch-opti sche Druckaufnehmer in hochpermeables Mymetall eingekapselt sein. Der Mantel wird nur von notwendigen Durchführungen wie der Detek torstabdurchführung durchbrochen.

Claims

Magnetoelastisch-optischer Kraftaufnehmer, dadurch gekennzeichnet, daß
- a) die Kraftmessung über magnetoelastisch bedingte Magnetisierungsänderung eines mechanisch auf Spannung belasteten Detektorstabes erfolgt, dessen Verhalten hinsichtlich Magnetisierungsänderung hervorgerufen durch mechanische Spannung über Vor behandlung, etwa eine Folge von Kompressions-Umpo lungszyklen, optimiert wurde,
- b) die magnetische Feldänderung des Detektorstabes magnetomechanisch auf eine optoelektrische Mes sung zurückgeführt wird. Ungenauigkeiten, mit denen die Induktivitätsmessung beim bekannten magneto elastisch-induktiven Kraftaufnehmer behaftet ist, entfallen. Nicht die magnetoelastische Permeabi litätsänderung, sondern die spannungselastisch be dingte Änderung der Magnetisierung wird quasista tisch zur Kraftmessung herangezogen und mit hoher Präzision magnetomechanisch-optoelektrisch umge setzt. Weiter ist kennzeichnend, daß
- c) die magnetoelastisch-magnetomechanisch-optoelek trische Kraftmessung vollständig automatisch und sehr genau erfolgen kann, z. B. beim Wägen schwerer Maschinen, und der Kraftaufnehmer magnetisch und elektrisch abgeschirmt sowie als kompakte Einheit zu fertigen ist.
2. Kraftaufnehmer nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch
- a) eine Vorrichtung zum magnetomechanischen Umsetzen einer axial auf den als Meßfühler fungierenden magnetoelastischen Detektorstab wirkenden Spannung in eine Drehbewegung einer Magnetnadel,
- b) eine sich mit der Magnetnadel, bei Hilfsabbildung deren Bild, überlagernde drehbare Schablone, die in der Regel so ausgeführt wird, daß sie flach und bis auf eine lichte Fläche mit der Form der Nadel lichtundurchlässig ist. Bei einer Messung wird dann die lichte Fläche mit der Nadel in Deckung gebracht, bis das die Baugruppe aus Nadel und Schablone passierende Licht ein Exremum (Mini mum) annimmt. Ein mit dem Schablonenring verbunde ner Winkeldecoder kann ein elektrisches Ausgangs signal liefern, das in Krafteinheiten kalibrier bar ist. Der Schablonenring kann mittels Drehgeber mit der Nadel in Deckung gebracht werden. Zudem ist der Kraftaufnehmer nach 2.a), b) gekennzeichnet durch
- c) die Eigenschaft, daß die Steuerimpulse für den Dreh geber in Abhängigkeit von der Lichtdurchlässigkeit der Baugruppe aus Magnetnadel und drehbarer Schablo nenscheibe von einem fotoelektrischen Sensor gelie fert werden, der solange zu einer Drehung der Schab lone Anlaß gibt, bis ein Extremum (Minimum) an Durch lässigkeit erreicht ist. Sodann ist die Winkelstel lung des Schablonenringes ein Maß für die auf den Kraftaufnehmer wirkende Kraft. Schließlich ist der Kraftaufnehmer gekennzeichnet durch
- d) eine Verkapselung der magnetoelastisch-magnetomecha nisch-optischen Baugruppe aus hochpermeablem Mymetall, die nur von notwendigen Durchführungen durchbrochen. wird.