DE4309413C2 - Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit zur Erfassung von Dehnungen auf einer Bauteiloberfläche - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit zur Erfassung von Dehnungen auf einer Bauteiloberfläche gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1, wie aus der EP 0 329 479 A2 bekannt.

Magnetoelastische Materialien haben die Eigenschaft, ihre magnetische Suszeptibilität unter dem Einfluß mechanischer Dehnung zu ändern (Villary-Effekt). Bei amorphen, ferromagnetischen Materialien ist dieser Effekt besonders ausgeprägt.

Zur Messung von Dehnungen auf Bauteiloberflächen wird amorphes, ferromagnetisches Material als bandförmiger, magnetoelastischer Streifen auf die Oberfläche eines Verformungskörpers gefügt. Um die Änderung der Suszeptibilität zu erfassen, werden Spulen angeordnet, die mit dem magnetoelastischen Streifen elektromagnetisch gekoppelt sind. Dies ist bekannt z. B. aus der Zeitschrift Technisches Messen tm, Jg. 52, 1985, S. 189 bis 198.

In der eingangs genannten EP 0 329 479 A2 wird eine Meßeinheit beschrieben, bei der photolithographisch auf einem Trägermaterial hergestellte Spiralspulen mit einem magnetoelastischen Streifen elektromagnetisch gekoppelt sind. Diese Meßeinheit eignet sich zur Messung von Dehnungen auf Bauteiloberflächen, indem sie auf die Bauteiloberfläche gefügt wird. Die transformatorische Kopplung zweier auf einem Trägermaterial hergestellter Spiralspulen über den magnetoelastischen Streifen wird dadurch erreicht, daß das Trägermaterial den magnetoelastischen Streifen ganzflächig bedeckt. Die geometrische Anordnung der Spiralspulen zum magnetoelastischen Streifen und die Geometrie des magnetoelastischen Streifens selbst haben Einfluß auf die Empfindlichkeit der Meßeinheit. Die Änderung der magnetischen Suszeptibilität infolge mechanischer Spannungen im magnetoelastischen Streifen kann nur dann im gleichen Maß in Änderungen der elektrischen Spannung mit Hilfe der Spiralspulen umgeformt werden, wenn durch die Spiralspulen und durch den magnetoelastischen Streifen ein magnetischer Kreis gebildet wird, der vollständig geschlossen ist und keine Luftspalte enthält, oder wenn der magnetoelastische Streifen ein großes Verhältnis seiner Länge zu seiner Breite aufweist. Durch diese Bedingungen wird jeweils erreicht, daß die magnetische Scherung gering ist. Mit dem magnetischen Kreis, wie er in der Meßeinheit der EP 0 329 479 A2 vorliegt, wird die hohe Dehnungsempfindlichkeit des magnetoelastischen Streifens nicht optimal in Änderungen der elektrischen Spannung umgeformt, da die Windungen der Spiralspulen den magnetoelastischen Streifen nicht umschlingen, sondern ganzflächig auf den magnetoelastischen Streifen gefügt werden. Der magnetische Kreis, der durch diese Anordnung gebildet wird, ist durch eine hohe magnetische Scherung gekennzeichnet, da der magnetische Fluß von den Spiralspulen über die Oberfläche des magnetoelastischen Streifens in den Querschnitt des magnetoelastischen Streifens geleitet wird.

Der magnetische Fluß wird nicht in einem einheitlichen Richtungssinn in die ferromagnetische Querschnittsfläche des magnetoelastischen Streifens geleitet, da in der beschriebenen Meßeinheit der EP 0 329 479 A2 die Windungen der Spiralspulen den magnetoelastischen Streifen nicht umschlingen. Die elektromagnetische Kopplung zwischen den Spiralspulen und dem magnetoelastischen Streifen sowie die transformatorische Kopplung der beiden Spiralspulen ist dadurch gering gegenüber einer technischen Lösung für den magnetischen Kreis, bei der die Windungen der Spiralspulen den magnetoelastischen Streifen umschlingen.

Darüber hinaus ist das Verhältnis von Länge zu Breite des magnetoelastischen Streifens aufgrund der ganzflächig auf dem magnetoelastischen Streifen aufliegenden Spiralspulen kleiner gegenüber einer technischen Lösung für den magnetischen Kreis, bei der die Windungen der Spiralspule den magnetoelastischen Streifen umschlingen.

In der US 5 194 806 A ist eine Meßeinheit beschrieben, bei der die Windungen einer Spule, die im Schichtaufbau hergestellt wird, den magnetoelastischen Streifen umschlingen. Dadurch wird eine geringere magnetische Scherung erreicht gegenüber der Anordnung in der EP 0 329 479 A2. Die beschriebene Art der Herstellung der Spule im Schichtaufbau ist technisch aufwendiger gegenüber einer photolithographisch hergestellten Spiralspule, wie sie in der EP 0 329 479 A2 verwendet wird, das die Spule im Schichtaufbau aus einzelnen Leiterbahnelementen mit Hilfe einer großen Anzahl von Kontakierungen hergestellt wird.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit anzugeben, bei der die Windungen photolithographisch hergestellter Spiralspulen den magnetoelastischen Streifen umschlingen. Die hohe Empfindlichkeit der magnetischen Suszeptibilität des magnetoelastischen Streifens gegenüber mechanischer Dehnung soll dabei mit photolithographisch hergestellten Spiralspulen optimal in Änderungen der elektrischen Spannung umgeformt werden.

Diese Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale gelöst.

Es ist mindestens eine Spiralspule erforderlich, die durch Lithographie- und Ätztechnik auf einem folienartigen Trägermaterial hergestellt wird. Diese Spiralspule weist einen von Null verschiedenen Innenradius auf. Innerhalb der Fläche, die von der innersten Windung eingeschlossen wird, ist ein Durchgangsloch in der Trägerfolie vorgesehen. Der bandförmige, magnetoelastische Streifen wird durch diese Öffnung im Zentrum der Spiralspule durchgeführt und auf der Oberseite und der Unterseite des Trägermaterials fixiert. Dieses Fixieren kann beispielsweise mit Klebstoff oder mit dem Isolierlack erfolgen, der auf die Spiralspule aufgetragen wird, um elektrischen Kurzschluß der Windungen durch den elektrisch leitenden magnetoelastischen Streifen zu verhindern. Der bandförmige, magnetoleastische Streifen weist ein großes Verhältnis seiner Länge zu seiner Breite auf. Die Windungen der Spiralspule umschlingen den magnetoelastischen Streifen.

Die magnetoelastische Dehnungseinheit, bestehend aus einem Trägermaterial mit mindestens einer photolithographisch hergestellten Spiralspule und mindestens einem bandförmigen, magnetoelastischen Streifen, ist zum Messen von Dehnungen auf Bauteiloberflächen geeignet, wenn sie auf dieser befestigt wird. Dies geschieht beispielsweise mit Klebstoffen, die auch für das Messen mit handelsüblichen Widerstands-Dehnungsmeßstreifen verwendet werden. Die Änderung der Suszeptibilität des magnetooptischen Streifens bedingt eine Änderung der Selbstinduktion der Spiralspule, die meßtechnisch erfaßt wird. Dies wird beispielsweise durch Impedanzmessung mit Brückenschaltungen oder durch Frequenzmessung realisiert, wenn die Spiralspule als frequenzbestimmendes Glied in einer Oszillatorschaltung verschaltet ist. Lageänderungen zwischen Spiralspule und magnetoelastischem Streifen sind durch das gemeinsame Applizieren von Spiralspule und magnetoelastischem Streifen auf der Bauteiloberfläche ausgeschlossen.

Weitere Vorteile sind durch die im folgenden beschriebenen Ausgestaltungen der Erfindung gegeben, die auf dem Prinzip transformatorisch gekoppelter Spiralspulen basieren. Im einfachsten Fall befinden sich auf dem folienartigen Trägermaterial zwei Spiralspulen, die einen von Null verschiedenen Innenradius aufweisen. Der bandförmige, magnetoelastische Streifen wird durch die Öffnungen in der Trägerfolie in den Zentren der beiden Spiralspulen geflochten. Die elektromagnetische Kopplung der beiden Spiralspulen wird dann durch die Dehnung des magnetoelastischen Streifens zwischen den beiden Spiralspulen beeinflußt.

Es wird darauf hingewiesen, daß eine elektromagnetische Kopplung von magnetoelastischem Streifen und Spiralspule auch dann gegeben ist, wenn der magnetoelastische Streifen im Bereich des Zentrums der Spiralspule endet und nicht durch eine Öffnung in der Trägerfolie durch das Zentrum der Spiralspule durchgeführt wird.

Die Vorteile der im Patentanspruch 1 angegebenen Ausgestaltung liegen jener gegenüber in der besseren elektromagnetischen Kopplung von magnetoelastischem Streifen und Spiralspule, in dem größeren Verhältnis von Länge zu Breite des magnetoelastischen Streifens und der dadurch höheren Empfindlichkeit der magnetoelastischen Dehnungsmeßeinheit, und in der Schaffung von Zusammenhalt von Trägerfolie und magnetoelastischem Streifen durch das Verflechten beider, wenn mehrere Spiralspulen verwendet werden. Die elektronische Auswertung der induzierten Spannung an der Spiralspule geschieht vorteilhaft mit dem Trägerfrequenz-Meßverfahren.

Die Erfindung wird im folgenden an Ausführungsbeispielen anhand der Zeichnung näher erläutert.

Es zeigt

Fig. 1 eine magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit für eine Meßstelle mit transformatorischer Kopplung und einlagiger Ausführung der Spiralspulen;

Fig. 2 eine magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit wie in Fig. 1 im Querschnitt, die auf einem Verformungskörper appliziert ist;

Fig. 3 eine magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit für zwei nach dem Differentialprinzip wirksame Meßstellen mit transformatorischer Kopplung und einlagiger Ausführung der Spiralspulen;

Fig. 4 die elektrische Verschaltung der Spiralspulen der magnetoelastischen Dehnungsmeßeinheit in Fig. 3 für zwei nach dem Differentialprinzip wirksame Meßstellen mit transformatorischer Kopplung.

Fig. 1 zeigt eine vorteilhafte Ausführungsform durch Verwendung zweier transformatorisch gekoppelter Spiralspulen. Hierzu ist der magnetoelastische Streifen 1 durch das Trägermaterial, z. B. eine Trägerfolie 3, mit den Spiralspulen 2a und 2b geflochten. Die transformatorische Kopplung von Spiralspule 2a und Spiralspule 2b erfolgt nahezu ausschließlich über den magnetoelastischen Streifen 1, da die Spiralspulen nicht koaxial, sondern lateral versetzt angeordnet sind. Die induzierte Spannung der Spiralspule 2b wird somit ausschließlich durch Änderungen des magnetischen Flusses im dehnungsempfindlichen, magnetoelastischen Streifen 1 bestimmt. Ein Vorteil dieser Spulenanordnung in Verbindung mit der transformatorischen Kopplung der Spiralspulen 2a und 2b besteht darin, daß die Empfindlichkeit nicht durch elektromagnetische Kopplung der Spiralspulen durch Luftinduktion herabgesetzt wird. Der Verbindungsdraht 4, der eine elektrische Verbindung zum inneren Anschluß der Spiralspule 2a bzw. 2b herstellt, ist nur bei einlagig ausgeführten Spiralspulen erforderlich. Er kann bei zweilagig ausgeführten Spiralspulen gemäß den Patentansprüchen 7 bis 9 entfallen, wenn z. B. die obere Lage die Windungen von außen nach innen und die untere Lage die Windungen von innen nach außen führt. Die beiden Lagen werden vorteilhaft beidseitig des Trägermaterials gefertigt, wobei im Zentrum der Spiralspule eine Durchkontaktierung vorzusehen ist. Dies wird, wie aus der Leiterplattentechnik bekannt, mittels galvanisch aufgebrachter Schichten realisiert.

Eine weitere Möglichkeit zur Kontaktierung des inneren Endes von einlagig ausgeführten Spiralspulen besteht gemäß Patentanspruch 10 in der Verwendung des magnetoelastischen Streifens als elektrischen Anschluß. Der magnetoelastische Streifen wird dann beispielsweise durch Ultraschall-Bonden mit dem inneren Anschluß der Spiralspulen elektrisch leitend verbunden. Dieser Fügeprozeß ist ebenso wie das Weichlöten durch die Isolierschicht 5 hindurch realisierbar.

Zur Kontaktierung der magnetoelastischen Dehnungsmeßeinheit mit der Auswerteelektronik werden des weiteren Leiterbahnen auf dem Trägermaterial vorgesehen, die zu Lötstützpunkten am Rand des Trägermaterials führen.

Fig. 2 zeigt im Querschnitt eine magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit, die auf die Oberfläche eines Verformungskörpers 7 geklebt ist. Die magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit ist so angeordnet, daß die im Verformungskörper 7 vorgesehene Meßstelle geringen Querschnitts zwischen den beiden Spiralspulen 2a und 2b liegt.

Damit die Windungen der Spiralspulen 2a und 2b durch den flach aufliegenden magnetoelastischen Streifen 1 nicht kurzgeschlossen werden, sind die Spiralspulen mit einer Isolierschicht 5 versehen.

Der magnetoelastische Streifen 1 ist dem Richtungssinn nach dergestalt durch das Trägermaterial 3 geflochten, daß der magnetoelastische Streifen 1 direkt, d. h. ohne dazwischenliegendes Trägermaterial auf die Oberfläche des Verformungskörpers 7 geklebt werden kann. Dies bedeutet, daß nur die Klebstoffschicht 6 die Dehnungen der Oberfläche des Verformungskörpers 7 übertragen muß. Das Trägermaterial 3 muß keine Dehnungen auf den magnetoelastischen Streifen 1 übertragen. Dadurch werden hier im Gegensatz zur Widerstands-Dehnungsmeßstreifentechnik die Hysterese- und Kriecherscheinungen vermieden, die von dem Trägermaterial 3 verursacht werden.

Der Zusammenhalt der magnetoelastischen Dehnungsmeßeinheit ist durch das Verflechten von Trägermaterial 3 und magnetoelastischem Streifen 1 gegeben. Der magnetoelastische Streifen 1 kann jedoch zusätzlich auf dem Trägermaterial 3 fixiert werden, um ein Verschieben des magnetoelastischen Streifens 1 innerhalb des Trägermaterials 3 während des Applizierens zu verhindern. Dies kann beispielsweise durch den Lack geschehen, der für die Isolation der Spiralspulen 2a und 2b aufgebracht wird.

Fig. 3 zeigt eine abgewandelte Ausführungsform der magnetoelastischen Dehnungsmeßeinheit. Sie enthält vier Spiralspulen, wobei jeweils die Spiralspule 2a mit der Spiralspule 2b transformatorisch gekoppelt ist. Diese Dehnungsmeßeinheit ist damit eine Verdopplung der in Fig. 1 dargestellten Dehnungsmeßeinheit. Die transformatorische Kopplung der Spiralspulen 2a und 2b erfolgt jedoch nur durch einen einzigen magnetoelastischen Streifen 1, der durch das Trägermaterial 3 geflochten wird. Dieses Durchflechten geschieht in dem Richtungssinn, daß der magnetoelastische Streifen 1 an den beiden Meßstellen, die jeweils zwischen der Spiralspule 2a und der Spiralspule 2b liegen, direkt auf die Bauteiloberfläche geklebt werden kann. Die Verwendung von zwei Spiralspulen 2a, wie im Patentanspruch 3 ausgeführt, ermöglicht, daß der durch das Trägermaterial 3 geflochtene magnetoelastische Streifen 1 an beiden Meßstellen direkt über der Bauteiloberfläche liegt. Für die magnetische Erregung der zwei Teilsysteme, bestehend aus den Spiralspulen 2a und 2b , würde sonst auch eine einzige Spiralspule genügen. Die Spiralspulen 2b bilden mit dem magnetoelastischen Streifen eine Differentialanordnung, so daß nur gegensinnig auftretende Dehnungen an den Meßstellen zu einer Ausgangssignaländerung führen. Gleichsinnig wirkende Störeinflüsse werden somit kompensiert. Damit eignet sich diese Bauform für die Applikation auf der Oberfläche eines Doppelbiegebalkens, wie er häufig für den Bau von Kraftsensoren angewendet wird. Die biegeweichen Dehnstellen des Doppelbiegebalkens müssen im Bereich zwischen Spiralspule 2a und Spiralspule 2b liegen. Die beiden Spiralspulen 2a sind in Reihe geschaltet. Wenn ein Offsetabgleich vorgesehen werden soll, müssen sie von getrennten Stromkreisen gespeist werden. Die Lötstützpünkte 8 bilden das Anschlußpaar für die in Reihe geschalteten Spiralspulen 2a. Die Lötstützpunkte 9 bilden das Anschlußpaar für die in Differentialanordnung verschalteten Spiralspulen 2b. Die Lötstützpunkte 8 und 9 der Anschlußpaare sind an beiden Enden der magnetoelastischen Dehnungsmeßeinheit verfügbar.

Der Vorteil dieser in Fig. 3 dargestellten Ausgestaltung besteht darin, daß die Differentialanordnung mit nur einem magnetoelastischen Streifen 1 realisiert werden kann. Dadurch wird die Symmetrie der Meßstellen günstig beeinflußt. Da die Spiralspulen 2a und 2b selbst und die geometrische Anordnung der Spiralspulen 2a und 2b untereinander fertigungsbedingt nur geringste Toleranzen aufweisen, kann die Symmetrie nur noch durch den Fügevorgang des magnetoelastischen Streifens 1 auf die Bauteiloberfläche beeinträchtigt werden. Das Verhältnis von Länge zu Breite des magnetoelastischen Streifens 1 ist bei der Verwendung eines einzigen magnetoelastischen Streifens 1 ebenfalls größer, als es bei der Realisierung der Differentialanordnung mit zwei getrennten magnetoelastischen Streifen 1 bei gleicher Baugröße möglich wäre.

Fig. 4 zeigt die elektrische Verschaltung der Spiralspulen auf der Dehnungsmeßeinheit für zwei nach dem Differentialprinzip wirksame Meßstellen, wie sie in Fig. 3 dargestellt ist. An den Lötstützpunkten 8 des einen Anschlußpaars erfolgt die Stromspeisung der in Reihe geschalteten Spiralspulen 2a. An den Lötstützpunkten 9 des anderen Anschlußpaars liegt die Differenz der Spannungen vor, die an den Spiralspulen 2b induziert werden. Die magnetische Kopplung der zwei Spiralspulen 2a und 2b wird durch die mechanische Dehnung Epsilon im magnetoelastischen Streifen 1 beeinflußt. Nur gegensinnige Dehnungen bewirken eine Änderung der Ausgangsspannung an den Lötstützpunkten 9, so daß der Einfluß von symmetrischen Störeinflüssen, z. B. Temperaturdehnung, kompensiert wird.

Claims (10)

1. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit zur Erfassung von Dehnungen auf einer Bauteiloberfläche, bestehend aus wenigstens einem bandförmigen magnetoelastischen Streifen aus amorphem ferromagnetischem Material und wenigstens einer photolithographisch auf einem Trägermaterial, das auf der Bauteiloberfläche befestigbar ist, hergestellten Spiralspule, die mit dem bandförmigen magnetoelastischen Streifen elektromagnetisch gekoppelt ist, dadurch gekennzeichnet,
daß der wenigstens eine bandförmige magnetoelastische Streifen (1), ausgehend von der Oberseite der auf dem Trägermaterial (3) hergestellten wenigstens einen Spiralspule (2a, 2b) durch eine Öffnung im Zentrum der wenigstens einen Spiralspule (2a, 2b) und durch eine Öffnung im Trägermaterial (3) zur Unterseite des Trägermaterials (3) geführt ist, und
daß der wenigstens eine bandförmige magnetoelastische Streifen (1) ein großes Verhältnis seiner Länge zu seiner Breite aufweist.

2. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zur transformatorischen Kopplung mehrere Spiralspulen (2a, 2b) über mehrere Meßorte in Zusammenwirken mit einem einzigen bandförmigen magnetoelastischen Streifen (1) angeordnet sind.

3. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zwischen zwei Meßorten zwei Spiralspulen (2a) als Erregerspulen angeordnet sind.

4. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß sich der bandförmige, magnetoelastische Streifen (1) am jeweiligen Meßort unmittelbar über der Bauteiloberfläche befindet.

5. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen der Spiralspule (2a, 2b) und dem bandförmigen magnetoelastischen Streifen (1) eine Isolierschicht (4) befindet.

6. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralspule (2a, 2b) einlagig ausgebildet und auf einer Seite des Trägermaterials (3) angeordnet ist.

7. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralspule (2a, 2b) zweilagig ausgebildet, die zwei Lagen durch eine Isolierschicht getrennt, und diese Anordnung auf einer Seite des Trägermaterials (3) angeordnet ist.

8. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Spiralspule (2a, 2b) zweilagig ausgebildet ist, und daß die zwei Lagen durch das Trägermaterial (3) getrennt sind.

9. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekennzeichnet,
daß die zwei Lagen der Spiralspule (2a, 2b) über eine Durchkontaktierung im Spulenzentrum verbunden sind, und
daß der Richtungssinn der Wicklungen der zwei Lagen so ist, daß die magnetischen Flüsse der zwei Lagen sich im Spulenkern addieren.

10. Magnetoelastische Dehnungsmeßeinheit nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß der elektrische Anschluß des inneren Endes der einlagig ausgebildeten Spiralspule (2a, 2b) über eine zwischen der Spiralspule (2a, 2b) und dem bandförmigen, magnetoelastischen Streifen (1) angeordnete elektrisch leitende Verbindung erfolgt.