DE69216489T2 - Verfahren zum Messen eines Drehmomentes und/oder axialer Spannungen - Google Patents

Verfahren zum Messen eines Drehmomentes und/oder axialer Spannungen

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Description

    TECHNISCHES GEBIET:
  • Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zum Messen eines Drehmoments und/oder von axialen Spannungen bzw. Kräften, die an ein Objekt angelegt werden, gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
  • TECHNISCHER HINTERGRUND:
  • Es ist altbekannt, ein Drehmoment, welches an eine Dreh- oder feste Welle angelegt wird, durch Verwendung von magnetoelastischen Materialien zu messen, die einen Teil der Welle bilden oder darauf angeordnet sind, da es bekannt ist, daß sich die Permeabilität von magnetischen Materialien aufgrund einer angelegten mechanischen Spannung ändert. Die Permeabilitäten der magnetoelastischen Materialien ändern sich wegen der Tatsache, daß ein magnetoelasisches Material seine magnetischen Eigenschaften ändert, wenn es Zug- bzw. Druckspannungen ausgesetzt wird, Deshalb muß das Drehmoment und/oder axiale mechanische Spannungen, denen ein Objekt ausgesetzt ist, entweder an Zug- und Druckspannungen des magnetoelastischen Materials, welches auf dem Objekt befestigt ist, übertragen werden, oder das Objekt selbst (oder ein Teil davon) umfaßt ein magnetoelastisches Material.
  • Die JP-A-166 827/1984 zeigt einen kontaktfreien Drehmomentenwandler, bei dem dünne magnetoelastische Bänder an der Oberfläche einer Welle angebracht sind, an der die Bänder ein Fischgrätenmuster bilden, wobei zwei Aufnahmespulen und eine Erregungsspule als eine Erfassungseinrichtung verwendet werden. Die Erregungsspule wird mit einer Frequenz 20 kHz erregt.
  • Ein anderer kontakfreier Drehmomentensensor basiert auf einen Dreischichtprinzip. Die innerste Schicht, d.h. der Welle am nächsten, umfaßt eine höchstpermeable nicht-magnetostriktive amorphe Schicht, wonach eine Schicht, die nicht-magnetisches Material umfaßt, folgt. Die äußerste Schicht umfaßt ein höchstpermeables magnetostriktives amorphes Material. Eine Erregungsfrequenz von ungefähr 100 kHz wird verwendet. Insbesondere umfaßt der Sensor drei Schichten, um die Empfindlichkeit gegenüber Streufeldern zu verringern.
  • In der EP-A-0 422 702 ist ein magnetoelastischer Drehmomentwandler offenbart, der eine Erregungsfrequenz von 1-100 kHz und vorzugsweise eine Frequenz von 10-30 kHz, d.h. gerade oberhalb des menschlichen Härbereichs, zur Vermeidung von Pfeifgeräuschen, verwendet.
  • Auch in der US-A-4 823 620 ist eine magnetostriktive Einrichtung zum Messen eines Torsionsdrehmoments gezeigt, die genauso eine Erregungsfrequenz von 1-100 kHz verwendet.
  • Alle bekannten Drehmomentsonsoren dieser Art weisen den Nachteil auf, daß sie gegenüber externen magnetischen Streufeldern empfindlich sind. Dies begrenzt die Verwendung von derartigen Sensoren beträchtlich, wobei sogar das Erdmagnetfeld möglicherweise das Signal beeinflußt. Bei der Verwendung von Erregunsgsfrequenzen von mehreren 10 kHz ist es unter Umständen erforderlich, weit entwickelte Abschirmungseinrichtungen zu verwenden. Eine Aufgabe bei der vorliegenden Erfindung besteht darin, einen Sensor mit einer hohen Empfindlichkeit bereitzustellen, der einfach handhabbar und herzustellen ist und der eine schnelle Ansprechzeit aufweist. Er sollte ferner gegenüber Streufeldern unempfindlich sein und verschiedene Arten von z.B. schmutzigen oder fettigen Umgebungen aushalten. Ferner sollte er mit einem einfachen Spulensystem verwendbar sein, d.h. nicht ein sehr kompliziertes Spulensystem oder ähnliches erfordern.
  • Weitere Probleme bestehen in der Tatsache, daß die Sensoren stark von der Temperatur abhängen. Eine gewisse Verringerung der Drift aufgrund der Temperatur kann erreicht werden, indem die Klebeschicht oder ähnliches, mit der das magnetoelastische Material an dem Objekt angebracht wird, über der gesamten Fläche, an der es verwendet werden sollte, auf einer identischen und gleichformigen Dicke gehalten wird (unterschiedliche Dicken der Klebeschichten, z.B. unter verschiedenen Bandriemen bewirken, daß die zwei Ausgangssignale unterschiedlich driften, so daß der abschließende Ausgang driften wird, wenn ein Signal von dem anderen subtrahiert wird). Ferner kann eine gewisse Verringerung der Temperaturabhängigkeit erreicht werden, indem der Spulenwickelkörper befestigt wird, um seine Bewegungen in Abhängigkeit von Temperaturänderungen zu beschränken. Aufgrund der Tatsache, daß die Spulenwickelkörper normalerweise aus Materialien hergestellt sind, die selbst einen hohen Ausdehnungskoeffizienten aufweisen, werden die Spulen verschoben, wenn sich die Temperatur ändert. Für eine Anzahl von Anwendungen bedeuten diese Maßnahmen jedoch nicht, daß die Temperaturabhängigkeit dieses Sensors auf ein akzeptables Niveau verringert wird.
  • ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG:
  • Demzufolge ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum kontaktfreien Messen eines Drehmoments und/oder Kräften, die an ein Objekt angelegt werden, bereitzustellen.
  • Diese und andere Aufgaben werden durch den Gegenstand des Anspruchs 1 gelöst.
  • Bevorzugte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen vorgesehen.
  • Gemäß der Erfindung sollte eine Anregungsfrequenz von wenigstens 300 kHz verwendet werden, vorzugsweise zwischen 500 kHz und 10 MHz und vorzugsweise 1-2 MHz. Die Wellenform der Anregungsfrequenz kann irgendeine Form sein, aber gemäß einer bevorzugten Ausführungsform ist sie sinusförmig. Bei allen bekannten Sensoren wird eine Frequenz von höchsten 100 kHz verwendet und eine Frequenz von 20-30 kHz wird in diesem Gebiet als eine hohe Frequenz angesehen. Ein Grund, warum derartige beträchtlich höhere Frequenzen derartig gute Ergebnisse bereitstellen, besteht darin, daß der Magnetisierungsprozeß geändert wird. Dies macht das Sensorsignal im wesentlichen unabhängig von irgendeinem normalerweise auftretenden Streufeld und ferner nimmt seine Abhängigkeit von dem Anregungspegel ab. Bezüglich des dabei beteiligten Magnetisierungsprozesses umfaßt dieser im wesentlichen zwei grundlegende Mechanismen, nämlich die sogenannte Domänenwandbewegung und die Magnetisierungsrotation (SAMR-Modell; Kleinwinkel- Magnetisierungsrotation). Bei gewöhnlichen Anregungsfrequenzen und Pegeln ist der Domänenwandbewegungs- Magnetisierungsmechanismus dominant, aber bei höheren Frequenzen oder geringeren Anregungspegeln dominiert das SAMR-Modell. Dies bringt mit sich, daß ein Sensor im wesentlichen in zwei unterschiedlichen Bereichen arbeiten kann, nämlich in einem Bereich II, in dem die Domänenwandbewegung dominiert und in dem Bereich I, in dem das SAMR-Modell dominiert. Bei einer Magnetisierung durch eine Domänenwandbewegung werden verschiedene Bereiche mit parallelem Spin volumenmäßig jeweils vergrößert und verkleinert und das Material wird magnetisiert. Ein Material, welches durch diesen Prozeß magnetisiert wird, erfordert ziemlich hohe Anregungspegel, weil die Wände auf Unregelmäßigkeiten in dem Material heruntergepinnt (heruntergezogen) werden, aber wenn der Pegel hoch genug ist, springt es plötzlich auf eine neue Pinnstelle, welches ein sehr geräuschvolles Magnetisierungsverhalten ergibt. Es ist auch möglich, durch Anwendung von mechanischen Spannungen Energie in das Material zu pumpen. Die Magnetisierung ist ferner irreversibel, was bedeutet, daß das Material magnetisiert ist, selbst wenn das Anregungsfeld fehlt. Domänenwände weisen eine Trägheit auf, was bedeutet, daß sie sich nicht unendlich schnell bewegen können. Wenn die Anregungsfrequenz zu sehr erhöht wird, so wird die Bewegung der Wände gedämpft und schließlich bewegen sich die Wände überhaupt nicht. Wenn der Anregungspegel zu gering ist, wird nicht genug Energie vorhanden sein, um die Domänenwände zu bewegen und deshalb wird die Rotationsmagnetisierung dominierend sein.
  • Kurz zusammengefaßt, wenn die Anregungsfrequenz hoch genug ist oder wenn der Anregungspegel niedrig genug ist, wird eine Rotationsmagnetisierung dominieren, Diese Magnetisierung arbeitet so, daß die einzelnen Spins bei einem kleinen Winkel zu den Restpositionen gedreht werden. Dieser Prozeß ist reversibel und demzufolge gibt es keine bleibende Magnetisierung, wenn das Anregungsfeld entfernt wird. In einem Bereich, in dem die Rotationsmagnetisierung dominiert, ist die Permeabilität im wesentlichen unabhängig von dem Anregungspegel, was auf den einfachen Zusammenhang: µ θ (H)/H zurückzuführen ist, wobei θ der Rotationswinkel der Spins ist und H die Anregungsfeldstärke ist.
  • Das Pinnen der Domänenwände kann wie folgt beschrieben werden:
  • β dx/dt + αx = 2HIs
  • wobei β ein Dämpfungsparameter ist, α ein elastischer Federkoeffizient ist und ²HIs die Kraft pro Einheitsfläche auf der Domänenwand ist. Eine Lösung der Gleichung ergibt:
  • x(t) = x&sub0; eiωt mit X&sub0; = 2HM/αs
  • und Ms = Sättigungs-Magnetisierung.
  • Ferner ist ω die Anregungsfrequenz, ω&sub0; = α/β.
  • Es gibt eine Schwellenamplitude, über der die Domänenwand von seiner Pinnstelle weggerissen wird,
  • xt = 2Hc1Ms/α . Hc1 ist das Koerzitivfeld, wenn ω = 0 ist.
  • Die gleichzeitig anhängenden europäischen Patentanmeldungen Nr. 92 850 164.2 "Sensorsystem" und Nr. 92 850 165.9 ( EP-A2- 523 024 und EP-A2-523 026, die beide am 13.01.1993 veröffentlicht sind) "Überwachungssystem" mit dem gleichen Anmeldedatum betreffend spezielle Ausführungsformen und Anwendungen im wesentlichen auf Grundlage des gleichen Prinzips. Gemäß der Erfindung wird eine Temperaturkompensation durch Messen der Temperatur auf den Streifen erreicht, wonach die Temperatur entweder mathematisch oder elektronisch kompensiert wird. Die besondere Weise, in der eine Temperaturkompensation ausgeführt wird, hängt von der Anwendung ab. Gemäß der Erfindung ist es möglich, die Temperatur der Streifen unter Verwendung der Streifengürtel zu messen. Entweder getrennte Streifen oder Bänder können auf den Streifengürteln für das Drehmoment verwendet werden, und/oder Messungen der mechanischen Spannung können verwendet werden. Für diese Aufgabe kann einer oder mehrere weitere Streifengürtel in solcher Weise auf dem Objekt angebracht werden, daß sie nicht den gleichen mechanischen Spannungen etc., denen das Objekt selbst ausgesetzt ist und die gemessen werden sollen, ausgesetzt sind und gleichzeitig die mechanischen Spannungen subtrahieren, die die Folge einer thermischen Ausdehnung sind. Dies kann dann in einer analogen Weise gemessen werden. In dieser Weise können die mechanischen Spannungen aufgrund einer thermischen Expansion von den anderen mechanischen Spannungen unterschieden werden. In Abhängigkeit von der Anwendung können diese weiteren Streifengürtel oder Bänder in vielerlei Weisen angebracht werden. Eine Kompensation der Temperaturabhängigkeit des magnetoelastischen Materials kann in einigen Fällen mit berücksichtigt werden, indem ein empfindliches (magnetoelastisches) Material mit einem Temperaturkoeffizienten, der mehr oder weniger demjenigen des Materials des Meßobjekts gleicht, berücksichtigt werden.
  • KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN:
  • Diese Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben. In den Zeichnungen zeigen:
  • Fig. 1 eine Welle mit einem daran angebrachten magnetoelastischen Streifengürtel und einer Aufnahmespule und einer Anregungsspule auf einem gemeinsamen Wickelkörper;
  • Fig. 2 eine Welle mit zwei magnetoelastischen Streifengürteln und zwei Aufnahmespulen und einer Anregungsspule jeweils auf unterschiedlichen Wickelkörpern;
  • Fig. 3 eine Welle mit einem Streifengürtel mit Streifen, die so herausgeätzt sind, daß sie einen Winkel von ungefähr 0º zu der Längsachse des Objekts, der Welle oder ähnlichem bilden;
  • Fig. 4 eine Welle mit zwei Streifengürteln und zwei Aufnahmespulen und einer Anregungsspule auf einem gemeinsamen Spulenwickelkörper;
  • Fig. 5 einen Spulenwickelkörper, der zur Aufnahme einer Anregungsspule und außerdem von zwei Aufnahmespulen vorgesehen ist, wobei Ausnehmungen für die Aufnahmespulen herausgenommen sind;
  • Fig. 6 eine Welle mit zwei Streifengürteln, einem Spulensystem und zwei Lagern;
  • Fig. 7a zwei Streifengürtel;
  • Fig. 7b zwei Streifengürtel mit einem Zwischenband für eine Temperaturkompensation;
  • Fig. 7c zwei Streifengürtel, die von zwei Bändern oder Gürteln umschlossen sind;
  • Fig. 8 die Bereiche für eine Domänenwandbewegung bzw. eine Magnetisierungsrotation;
  • Fig. 9 eine Darstellung einer Domänenwandverschiebung und einer Rotationsmagnetisierung;
  • Fig. 10 eine Darstellung der Empfindlichkeit gegenüber mechanischen Spannungen und außerdem gegenüber Streufeldern bei verschiedenen Frequenzen;
  • Fig. 11 unter anderem die Permeabilitätsabhängigkeit vom Anregungspegel für zwei unterschiedliche Anregungsfrequenzen;
  • Fig. 12 eine Darstellung von Ausgangssignalen für ein sich veränderndes Drehmoment und eine Anzahl von verschiedenen Temperaturen; und
  • Fig.13 eine Darstellung von Ausgangssignalen für ein sich veränderndes Drehmoment mit einer Kompensation für eine Anzahl von unterschiedlichen Temperaturen.
  • BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
  • In Fig. 1 umfaßt die Sensoreinrichtung 101 einen magnetoelastischen Streifengürtel 102, der an dem Objekt (der Welle 1) angebracht ist, wobei der Streifengürtel ein Muster von Streifen 103 aufweist, die unter einem Winkel von 45º zu der Längsrichtung des Streifengürtels 102 geätzt sind, wobei die Streifen 103 das Muster bilden, welches unter 45º relativ zu der Längsrichtung der Welle 1 angebracht wird. Der Streifengürtel 102 ist von einer Aufnahmespule 3 und einer Anregungsspule 4 umschlossen, wobei beide Spulen um ein und den gleichen Spulenwickelkörper 5 gewickelt sind, der eine nach unten ausgenommene Ausnehmung 7 zur Aufnahme der Aufnahmespule 3 aufweist. Fig. 1 zeigt ferner, daß die Breite der Ausnehmung 7 für die Aufnahmespule 3 sehr viel kleiner als diejenige für den Streifengürtel 102 ist.
  • Allgemein kann das Torsionsdrehmoment von axialen mechanischen Spannungen unterschieden werden, wenn eine Spule/ein Streifengürtel verwendet wird. Andererseits kann ein Torsionsdrehmoment gemessen werden, wenn zwei Streifengürtel/Aufnahmespulen seriell und entgegengesetzt verbunden sind, wohingegen, wenn zwei Streifengürtel/Aufnahmespulen seriell in Phase verbunden sind, axiale mechanische Spannungen (Kräfte) und Temperaturen gemessen werden können,
  • In Fig. 2 ist eine weitere Ausführungsform gezeigt, bei der eine Welle 1 zwei magnetoelastische Streifengürtel 202, 202 aufweist, wobei das Muster davon durch Ätzen erhalten wird und wobei die Streifen 303 einen Winkel von ungefähr 90º zu den Streifen 303 in dem anderen Streifengürtel 302 bilden, wobei die Streifen 303 einen Winkel von ungefähr 45º zu der Längsachse des Objekts 1 bilden. Die Aufnahmespulen 3' bzw. die Anregungsspule 4' sind auf getrennte Wickelkörper 6, 9 gewickelt.
  • In einer dritten Ausführungsform gemäß Fig. 3 kann das Prinzip zum Messen von axialen mechanischen Spannungen angewendet werden. Ein Streifengürtel 302 wird dadurch so an die Welle 1 angebracht, daß die Streifen 303 einen Winkel von ungefähr 0º zu der Längsrichtung der Welle 1 bilden.
  • In Fig. 4 sind zwei Streifengürtel 402, 402 gezeigt, wobei das Muster jedes Streifengürtels 402 90º zu dem Muster des anderen Streifengürtels 402 bildet. Jeder Streifengürtel 402 ist von einer Aufnahmespule 3"' umschlossen, um die eine Anregungsspule 4"' gewickelt ist. In diesem Fall wird ein gemeinsamer Spulenwickelkörper 8 für sowohl die beiden Aufnahmespulen 3"' als auch die Anregungsspule 4"' verwendet. Der Wickelkörper 8 selbst ist getrennt in Fig. 5 gezeigt, wobei die Ausnehmungen 7"' für die Aufnahmespulen 3"', 3"' sichtbar sind.
  • Für Drehmomentmessungen wird nachstehend nur auf Fig. 4 Bezug genommen, aber natürlich gilt dies auch für die anderen Sensoren, z.B. zwei Streifengürtel 402, 402 können auf und um die Welle 1 herum angebracht werden, wobei eine weitere Aufnahmespule 3"' um jeden Streifengürtel 402, 402 gewickelt wird. Eine Anregungsspule 4"' wird um die zwei Aufnahmespulen 3"' herumgewickelt Dann wird ein Wechselstrom durch die Anregungsspule 4"' gesendet, woraufhin ein magnetisches Feld dort um 4"' erzeugt wird und ein sogenanntes Transformator-gekoppeltes Spulensystem erhalten wird. Dies bedeutet, daß durch Zuführen eines Stroms an die Anregungsspule 4"' eine Spannung in den Aufnahmespulen 3"' induziert wird, die proportional zu dem Kopplungsfaktor zwischen der Anregungsspule 4"' und den Aufnahmespulen 3"' ist ei Der Kopplungsfaktor zwischen der Anregungsspule und den Aufnahmespulen ist mit der Anzahl von Windungen der Spulen, dem Abstand zwischen den Spulen und den magnetischen Eigenschaften eines möglicherweise vorhandenen Kerns gegeben. Gemäß der Erfindung wirken die magnetoelastischen Streifen als Kerne der Aufnahmespulen. Der Zusammenhang zwischen den Spannungen kann mit den folgenden Formeln gezeigt werden:
  • U&sub1; = (k&sub1; µ&sub1; + m&sub1;) U
  • U&sub2; = (k&sub2; µ&sub2; + m&sub2;) U
  • µu = Ms/1Ku-3λs
  • wobei U die Spannung der Anregungsspulen ist, k&sub1;, k&sub2; Konstanten sind, U&sub1; bzw. U&sub2; die Spannungen der Aufnahmespulen sind und µ die Permeabilität des Materials ist, wobei K und λ für das Material charakteristische Konstanten sind, während die mechanische Zugspannung ist, der das Material ausgesetzt ist, wobei m&sub1;, m&sub2; Konstanten sind. Demzufolge wird der Spannungsausgang von den Aufnahmespulen von der mechanischen Dehnung abhängen, der das Material ausgesetzt ist. Die Streifen 403 sind unter einem Winkel von 45º zu der Längsachse der Welle 1 geätzt, um eine maximale Dehnung und Stauchung der Bänder 403 zu erhalten. Ferner scheint es von größter Wichtigkeit zu sein, daß die Streifen 403 einen symetrischen Winkel bezüglich einer imaginären Mittenlinie bilden. Wenn die Streifen 403 einen anderen Winkel als 45º bilden, werden sie weniger gedehnt/gestaucht und die Empfindlichkeit des Sensors wird abnehmen. Die Empfindlichkeit des Sensors hängt auch von dem bestimmten Material ab, welches in den Bändern 403 verwendet wird. Es hat sich als vorteilhaft herausgestellt, ein amorphes magnetoelastisches Material zu verwenden. Die Empfindlichkeit dieser Materialien verändert sich von einem Material zu einem anderen.
  • Die Anregungsspule 4"' umfaßt vorzugsweise nur wenige Windungen (20-50). Jedoch sollte der Draht einen großen Durchmesser aufweisen oder mit einer relativ dicken Isolationsschicht versehen sein. Dies ist dafür vorgesehen, die Kapazität zwischen den Drahtwindungen auf einem niedrigen Niveau zu halten. Um die Effekte der Kapazität zu verringern, die sich ergeben können, wenn hohe Anregungsfrequenzen verwendet werden, umfaßt die Spule lediglich eine oder wenige Schichten. (Gemäß der Erfindung hat sich als eine insbesondere zweckdienliche Anregungsfrequenz 1-2 MHz herausgestellt). Auch die Aufnahmespulen 3"' 3"' umfassen lediglich wenige Windungen (ungefähr 5-20), aber aus geometrischen Gründen ist der Durchmesser dieses Drahts kleiner. Bezüglich des Spulenwickelkörpers 5; 6; 8; 9 sollte dieser aus einem Material hergestellt sein, welches soweit wie möglich die Anforderungen der bestimmten Umgebung erfüllt, in der der bestimmte Wickelkörper 5; 6; 8; 9 verwendet werden soll, d.h. er muß an die Umgebung angepaßt werden, z.B. soweit die Wärme, das Wiederstandsvermögen gegenüber Fett etc. betroffen ist. Aufgrund der Tatsache, daß die Ausnehmungen 7"' in dem Wickelkörper 8 wesentlich dünner als der entsprechende magnetoelastische Streifengürtel ist, siehe Fig. 4 und 5 (beispielsweise können die Ausnehmungen eine Breite von ungefähr 1 mm aufweisen, wohingegen der Streifengürtel eine Breite von ungefähr 8 mm aufweisen kann). Die Empfindlichkeit gegenüber einer axialen Verzerrung wird beträchtlich reduziert und das Spulensystem könnte etwas um die Mittenposition herum verschoben werden, ohne daß das Signal beeinflußt wird.
  • Fig. 6 zeigt ein im wesentlichen vollständiges System zum Messen eines Drehmoments, wobei 32 die Lager sind und 33 eine Modulationselektronik zeigt. Wenn gewünscht, ist es möglich, eine gewöhnliche Temperatursonde 31 zu verwenden, wobei die Sonde 31 innerhalb des Wickelkörpers nahe an der Achse angebracht wird.
  • Fig. 7a zeigt die Streifengürtel 302A, 302A für Drehmomentmessungen ohne irgendeine Kompensation der Temperatur bis auf die Kompensation, die durch ein identisches Ankleben der Gürtel 303A erhalten wird, die ferner eine identische Geometrie aufweisen müssen. Wenn dies erfüllt ist, sollten eine Temperaturänderung (0-Gradient) und eine axiale mechanische Spannung den gleichen Einfluß auf beide Streifengürtel 302A, 302A ausüben. Dies bedeutet, daß das Ausgangssignal bei einer seriellen entgegengesetzten Verbindung wie voranstehend erwähnt, 0 sein wird.
  • Fig. 7b zeigt, wie ein Extrastreifen oder ein Extraband 41 aus einem amorphen magnetoelastischen Material (welches ebenfalls axiale Streifen umfassen kann; nicht gezeigt) zwischen zwei zum Messen eines Drehmoments und/oder axialen mechanischen Spannungen vorgesehenen Streifengürtel 302B, 302B plaziert wird. In diesem Fall kann die Temperatur kontinuierlich gemessen werden, aber es besteht keine Möglichkeit, einen Temperaturgradienten über den Streifengürteln 302B, 302B zu messen. Wenn dies erforderlich ist, können zwei Extrabänder 42, 42 (mit oder ohne axialen Streifen) aus einem amorphen Material auf jeder gegenüberliegenden Seite der beiden Streifengürtel 302C; 302C angeordnet werden, wie in Fig. 7C gezeigt. Dadurch wird es möglich, eine Temperatur zu berücksichtigen, die sich über den Streifengürteln 302C, 302C verändert, wobei diese Veränderung z.B. über eine elektrische Rückkopplung oder eine rein numerische Kompensation durch einen Computer ausgeglichen werden kann.
  • Nachstehend wird erläutert, warum das magnetoelastische, vorzugsweise amorphe, magnetoelastische Material oder selbst lediglich magnetostriktiv in Kombination mit einer hohen Anregungsfrequenz derartig gute Ergebnisse bereitstellt.
  • Im folgenden wird auf ein amorphes Material Bezug genommen, wobei es selbstverständlich ist, daß es auch magnetoelastisch ist, obwohl es nicht amorph sein muß. Die magnetischen Eigenschaften des amorphen Materials hängen von der Frequenz ab, mit der das Material angeregt wird. Fig. 8 zeigt die zwei verschiedenen Mechanismen, die bei dem Magnetisierungsprozeß auftreten, wobei ein Bereich 1 den Bereich kennzeichnet, in dem eine Magnetisierungsrotation (SAMR-Modell) dominierend ist, wohingegen ein Bereich 2 den Bereich bezeichnet, in dem die Domänenwandbewegung dominiert. Die Anregungsfrequenz auf der X-Achse ist durch eine Teilung durch eine materialabhängige Konstante normalisiert und der Ausdruck für das "normalisierte" Anregungsfeld H ist mit dem folgenden Ausdruck gegeben
  • Ht/Hc1 1 + (ω)2/ω0
  • wobei ω die Anregungsfrequenz ist, ω&sub0; eine Schwellenfrequenz ist, ω&sub0; = α/β, Hc1 das Koerzitivfeld ist, wenn ω = 0 ist und Ht eine Schwellenansteuerfeldstärke ist.
  • Sämtliche angeführten herkömmlichen Sensoren arbeiten in dem Bereich II, d.h. in dem Bereich, in dem die Domänenwandbewegung dominiert (es könnte auch möglich sein, einen sehr hohen Anregungspegel und eine niedrige Frequenz zu verwenden, d.h. selbst in diesem Fall würde man in den Bereich I gehen, aber dieser ist von keinem praktischen Interesse). Die Grundlagen der Domänenwandmagnetisierung sind kurz oben beschrieben worden und in Fig. 9 ist eine vereinfachte Darstellung gezeigt. Links oben ist ein zufälliges System gezeigt, d.h. eine Null-Magnetisierung&sub1; wohingegen in der Mitte links mit einem angelegten Feld einer normalen Frequenz die Wände begonnen haben, sich in die Richtung des Felds auszurichten, wohingegen zum Schluß alle Domänenwände in der Richtung des Felds ausgerichtet sind oder das Material gesättigt ist. Rechts geht das Material in einen Bereich I über, in dem eine Rotationsmagnetisierung dominiert, die durch die kleinen Pfeile in der Figur gezeigt sind, die einen Winkel zu der Feldrichtung bilden. Wie vorher erläutert können die Domänenwände sich nicht unendlich schnell bewegen und deshalb wird die Bewegung der Domänenwände gedämpft und schließlich können sie sich überhaupt nicht bewegen, wenn die Anregungsfrequenz zu hoch ist. Wenn der Anregungspegel gering ist, wird nicht genug Energie vorhanden sein, um die Domanenwände zu bewegen und deshalb wird die Rotationsmagnetisierung dominieren und somit dominiert die Rotationsmagnetisierung, wenn die Anregungsfrequenz hoch ist (oder der Anregungspegel klein genug ist), wodurch, wie in Fig. 9 gezeigt, die einzelnen Spins um einen kleinen Winkel aus ihren Ruhepositionen gedreht werden und dies ist ein reversibler Prozeß, wie voranstehend erwähnt, und somit bleibt keine Magnetisierung, nachdem das Anregungsfeld entfernt worden ist, im Gegensatz zu einer Domänenwandbewegung, bei der es sich um einen irreversiblen Prozeß handelt.
  • Fig. 10 ist eine Darstellung der Empfindlichkeit gegenüber der mechanischen Spannung und gegenüber Streufeldern, wenn mit Frequenzen ungefähr im Bereich von 20 kHz bis zu 10 MHz gearbeitet wird, wobei der Absolutwert der Permeabilität über der Frequenz aufgetragen ist. Aus der Figur ist ersichtlich, daß nach ungefähr 300 kHz eine Änderung in dem Verhalten allmählich auftritt, wobei der Unterschied aufgrund von Streufeldern fast vollständig verschwindet, da die Kurven, die kein Streufeld (gestrichelte Linie) und ein schwaches Streufeld anzeigen, fast übereinstimmen, wohingegen sie bei niedrigeren Frequenzen aufgespalten werden. Ferner nimmt die Empfindlichkeit gegenüber mechanischer Spannung zu, was der Tatsache entnommen werden kann, daß die Kurven, die sich auf keine mechanische Spannung (kleine Rechtecke) und auf eine mechanische Spannung von 10 MPa (Kreuze) beziehen, sich bei höheren Frequenzen mehr als bei niedrigen Frequenzen unterscheiden, was ein Maß für die Empfindlichkeit ist.
  • In Fig. 11 ist die Permeabilitätsabhängigkeit vom Anregungspegel für zwei verschiedene Anregungsfrequenzen, 1 kHz und 1 MHz, jeweils gezeigt, wobei eine durchgezogene Linie keine mechanische Spannung anzeigt, eine gestrichelte Linie eine mechanische Spannung von 10 MPa für beide Frequenzen anzeigt, Dreiecke sich auf eine 1 kHz Frequenz beziehen und sich X auf eine 1 MHz Frequenz bezieht. Der Figur kann entnommen werden, daß, wenn eine Anregungsfrequenz von 1 MHz verwendet wird, d.h. entsprechend einem Bereich I, die Permeabilität im wesentlichen unabhängig von dem Anregungspegel ist. Wenn andererseits eine Anregungsfrequenz von ungefähr 1 kHz verwendet wird, somit in dem Bereich für eine Domänenwandbewegung, ist die Permeabilität von dem Anregungspegel, d.h. von dem Anregungsfeld, stark abhängig.
  • Ferner kann man sagen, daß das Signal in dem Bereich, in dem eine Domänenwandbewegung normalerweise dominiert, ziemlich rauschbehaftet ist, nämlich aufgrund von Ritzen, zu deren Beseitigung ein bestimmter Energiebetrag erforderlich ist. Dies ist in dem SAMR-Bereich nicht der Fall.
  • Ein weiteres Problem , auf das sich die Erfindung bezieht, betrifft die Temperaturabhängigkeit des Sensors. Da das amorphe Material auf das Objekt bei einer erhöhten Temperatur aufgeklebt wird und wegen dem Unterschied in dem Temperaturkoeffizienten, wird es auf dem Objekt, z.B. der Welle, in einem vorgespannten Zustand angeordnet, der die Permeabilität beeinflußt, wenn die Betriebstemperatur höher ist. Durch Messen der Summe der Aufnahmesignale anstelle der Differenz, ist es möglich, ein Signal zu erhalten, welches eine lineare Abhängigkeit von der Temperatur aufweist. Dieses Signal kann als eine Temperatursonde verwendet werden und kann danach in einer Kompensationselektronik verwendet werden. Aufgrund der Bewegungen der Aufnahmesignale wird das differenzierte Signal (das Drehmomentsignal) eine Empfindlichkeit aufweisen, die mit zunehmender Temperatur zunimmt. Dies ist in Fig. 12 dargestellt, in der der Sensorausgang (in Volt) über dem Drehmoment für verschiedene Temperaturen aufgetragen ist. Da die Änderung im Temperaturkoeffizienten exponentiell ist und eine gute Reproduzierbarkeit aufweist, ist es möglich, eine elektronische Kompensationsschaltung herzustellen. In Fig. 13 ist ein Temperatur-kompensiertes Ausgangssignal gezeigt.
  • Jedoch ist es anstelle einer Verwendung von magnetoelastischen Streifen auf der Basis von Fe, so wie dies normalerweise der Fall ist, auch möglich, magnetoelastische Streifen auf der Basis von z.B. Ni zu verwenden. Als ein Beispiel weist das Material auf Ni-Basis < 2826 MB, allied signal, Metglas 2826) einen Temperaturkoeffizient auf, der ähnlich wie derjenige für Stahl ist, was bedeutet, daß dieses Material von einer Temperaturänderung nur zu einem geringen Ausmaß beeinträchtigt wird. Andererseits bedeutet dies, daß das Material nur in einer Richtung verwendet werden kann, d.h. entweder zum Messen von Kompressions- oder Zugspannungen. Da jedoch das Material auf Ni-Basis einen geringfügig höheren Temperaturkoeffizienten als Stahl aufweist, kann es vor-gedehnt werden, wenn es bei einer sehr erhöhten Temperatur aufgeklebt wird, und es könnte in sowohl einem Zug- als auch Kompressionsmodus verwendet werden. Jedoch ist es erforderlich, daß die Temperatur, bei der es auf das Objekt geklebt wird, ziemlich hoch ist. Unter Umständen geht sie bis auf 200ºC herauf oder höher.
  • Eine Vorgehensweise zum Messen einer Temperatur mit dem amorphen Material wird nachstehend diskutiert. In einem Drehmomentsensor erzeugen die zwei Aufnahmespulen ein Signal, welches proportional zu den Spannungen in dem amorphen Material ist, wobei das Signal von einer der Aufnahmespulen zunimmt, wenn das andere abnimmt. Durch Ermittlung der Differenz zwischen den zwei Aufnahmesignalen ist es möglich, die Empfindlichkeit des Sensors zu verbessern.
  • Wenn eine axiale Spannungskomponente vorhanden ist, so wird diese durch Ermitteln der Differenz der Signale beseitigt, da eine derartige Komponente in beiden Aufnahmespulen die gleiche Signaländerung hervorruft. Ferner wird durch Ermitteln der Differenz der Signale eine Null-Drift, die in dem Signal der Aufnahmespulen vorhanden ist, beseitigt, da sie in beiden Aufnahmespulen eine Drift in der gleichen Richtung ergibt.
  • Jedoch wird die Empfindlichkeitsabhängigkeit von der Umgebungstemperatur nicht in der gleichen Weise berücksichtigt. Um dies zu erreichen muß die Temperatur gemessen werden, wonach entweder eine mathematische Kompensation in einem Computer oder eine elektronische Kompensation durchgeführt werden muß, Demzufolge wird gemäß einer Ausführungsform zum Messen der Temperatur eine Temperatursonde benötigt: Entweder eine gewöhnliche Sonde, beispielsweise Pt 100 Elemente (nicht kontaktfrei) können verwendet werden oder die Bänder oder die Spulensysteme selbst können verwendet werden. Die letzte Alternative ermöglicht es, die Temperatur auf dem Objekt in kontaktfreier Weise und ohne die Hinzufügung von irgendwelchen Extrastreifen zu messen. Durch Addieren der Aufnahmesignale, anstelle die Differenz zu ermitteln, wird das Signal nicht von dem Drehmoment, sondern nur von der Temperatur und der axialen Spannungskomponente abhängig sein. Wenn keine axiale Spannungskomponente vorhanden ist, ist es deshalb möglich, es als eine Temperatursonde zu verwenden. Dies kann wegen der Null-Drift in den Aufnahmesignalen durchgeführt werden. Das an den Sensor angelegte Drehmoment ist dadurch unsignifikant, weil sich die Drehmomentsignale von den Aufnahmespulen jeweils auslöschen werden. Dies liegt an der Tatsache, daß die Signale der verschiedenen Aufnahmespulen 30 in unterschiedliche Richtungen sind, wenn ein Drehmoment an das Objekt angelegt wird.
  • Das Temperatursignal ist linear in dem gleichen Drehmomentintervall wie das Drehmomentsignal selbst und infolge dessen kann es zum Steuern eines variablen Verstärkers verwendet werden, um die Empfindlichkeitsänderungen zu berücksichtigen.
  • Eine Temperaturkompensation ist ferner in der gleichzeitig anhängigen Patentanmeldung Nr. 92 850 165.9 (EP-Az-523 026, veröffentlicht am 13.01.1993) "Überwachungssystem" diskutiert, die eine besondere elektrische Kompensation durch Verwendung von zwei Spannungsteilern offenbart, wobei jeder eine (identische) Diode umfaßt, das Ausgangssignal von jedem der Spannungsteiler an zwei Verstärker mit unterschiedlichem Gain und an einen Differenzverstärker geführt wird, um jedes Signal um einen geeigneten Faktor zu verstärken, damit sich die beiden Signale auslöschen.
  • Das Verfahren gemäß der vorliegenden Erfindung umfaßt ferner Schritte zur Herstellung eines magnetoelastischen Materials. Unter Verwendung eines herkömmlichen Sensors mit einer Anregungsfrequenz von ungefähr 20 kHz war es sehr wichtig, wie das geätzte Muster angeordnet war, weil es von äußerster Wichtigkeit war, eine Richtung mit "einfacher Achse" für die Domänenwände zu erhalten. Die Richtung der Domänenwände ist von der Herstellungsrichtung abhängig. Bezüglich der vorliegenden Erfindung, mit einer Anregungsfrequenz, die höher ist und bei der der Magnetisierungsprozeß durch die sogenannte Magnetisierungsrotation, d.h. den Bereich I, dominiert wird, ist es nicht erforderlich, die Domänenwände in irgendeine bestimmte Richtung auszurichten und deshalb ist die Herstellungsrichtung von keiner Bedeutung. Dies bedeutet, daß das Rohmaterial wirtschaftlicher und in effizienterer Weise verwendet werden kann, z.B. bezüglich eines On-Line- Prozesses zum Aufbringen der Streifen auf die Welle oder ähnlichen Vorgängen.
  • Diese Erfindung kann in einer Anzahl von verschiedenen Gebieten eingesetzt werden z.B. wenn es erwünscht ist, das Torsionsdrehmoment in einer Drehwelle, auf Bohrern und so weiter durch Messen des Drehmoments und von axialen mechanischen Spannungen oder Spannungen auf Schrauben etc. zu messen.

Claims (6)

1. Verfahren zum Messen von einem an ein vorzugsweise aus einem nicht-magnetoelastischen Material bestehendes Objekt (1) angelegten Drehmoment- und/oder von axialen Kräften, wobei das Verfahren folgende Schritte aufweist:
- Versehen des Objekts (1) mit einer Sensoreinrichtung, die ein magnetoelastisches Material aufweist;
- Anbringen der Sonsoreinrichtung an das Objekt (1) und
- Anordnen einer Erfassungsvorrichtung derart, daß sie zumindest teilweise die Sonsoreinrichtung umschließt oder bedeckt, wobei die Erfassungsvorrichtung ein Spulensystem aufweist, das sowohl eine Anregungs- als auch eine Aufnahmefunktion ausführt,
gekennzeichnet durch den Schritt des Benutzers einer solchen Anregungsfrequenz, daß der vorherrschende Prozeß der Magnetisierung des magnetoelastischen Materials eine Kleinwinkel-Magnetisierungsrotation ist, wobei die Anregungsfrequenz zumindest 300 kHz beträgt.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsfrequenz im Bereich von 500 kHz bis 10 MHz benutzt wird.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß eine Anregungsfrequenz von 1-2 MHz benutzt wird.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoelastische Material direkt auf das Objekt (1) mittels Sputtern oder chemischer Abscheidung aufgebracht wird, wonach Streifen in dem Material durch Ätzen erzeugt werden.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoelastische Material direkt auf das Objekt (1) mittels einer Maskierung und einem darauffolgenden Sputtern aufgebracht wird, so daß Streifen direkt in dem magnetoelastischen Material ohne jegliches Ätzen oder ähnliches erzeugt werden.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoelastische Material durch sogenanntes schnelles Abschrecken bzw. Quenchen hergestellt wird, die magnetoelastischen Streifen derart durch Ätzen gebildet werden, daß sie in einem Streifengürtel zusammengehalten werden, wobei das Ätzen in einer beliebigen Richtung bezüglich der Herstellungsrichtung des Materials durchgeführt wird und wobei die Streifen/Streifengürtel an dem Objekt (1) beispielsweise durch Kleben oder ähnliches angebracht werden.
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