TECHNISCHES GEBIET:
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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:
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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:
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Demzufolge ist eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ein
Verfahren zum kontaktfreien Messen eines Drehmoments und/oder
Kräften, die an ein Objekt angelegt werden, bereitzustellen.
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Diese und andere Aufgaben werden durch den Gegenstand des
Anspruchs 1 gelöst.
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Bevorzugte Ausführungsformen sind mit den Unteransprüchen
vorgesehen.
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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.
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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.
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Das Pinnen der Domänenwände kann wie folgt beschrieben
werden:
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β dx/dt + αx = 2HIs
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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:
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x(t) = x&sub0; eiωt
mit X&sub0; = 2HM/αs
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und Ms = Sättigungs-Magnetisierung.
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Ferner ist ω die Anregungsfrequenz, ω&sub0; = α/β.
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Es gibt eine Schwellenamplitude, über der die Domänenwand von
seiner Pinnstelle weggerissen wird,
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xt = 2Hc1Ms/α . Hc1 ist das Koerzitivfeld, wenn ω = 0 ist.
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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:
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Diese Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die
beiliegenden Zeichnungen weiter beschrieben. In den
Zeichnungen zeigen:
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Fig. 1 eine Welle mit einem daran angebrachten
magnetoelastischen Streifengürtel und einer
Aufnahmespule und einer Anregungsspule auf einem
gemeinsamen Wickelkörper;
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Fig. 2 eine Welle mit zwei magnetoelastischen
Streifengürteln und zwei Aufnahmespulen und einer
Anregungsspule jeweils auf unterschiedlichen
Wickelkörpern;
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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;
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Fig. 4 eine Welle mit zwei Streifengürteln und zwei
Aufnahmespulen und einer Anregungsspule auf einem
gemeinsamen Spulenwickelkörper;
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Fig. 5 einen Spulenwickelkörper, der zur Aufnahme einer
Anregungsspule und außerdem von zwei Aufnahmespulen
vorgesehen ist, wobei Ausnehmungen für die
Aufnahmespulen herausgenommen sind;
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Fig. 6 eine Welle mit zwei Streifengürteln, einem
Spulensystem und zwei Lagern;
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Fig. 7a zwei Streifengürtel;
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Fig. 7b zwei Streifengürtel mit einem Zwischenband für eine
Temperaturkompensation;
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Fig. 7c zwei Streifengürtel, die von zwei Bändern oder
Gürteln umschlossen sind;
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Fig. 8 die Bereiche für eine Domänenwandbewegung bzw. eine
Magnetisierungsrotation;
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Fig. 9 eine Darstellung einer Domänenwandverschiebung und
einer Rotationsmagnetisierung;
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Fig. 10 eine Darstellung der Empfindlichkeit gegenüber
mechanischen Spannungen und außerdem gegenüber
Streufeldern bei verschiedenen Frequenzen;
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Fig. 11 unter anderem die Permeabilitätsabhängigkeit vom
Anregungspegel für zwei unterschiedliche
Anregungsfrequenzen;
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Fig. 12 eine Darstellung von Ausgangssignalen für ein sich
veränderndes Drehmoment und eine Anzahl von
verschiedenen Temperaturen; und
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Fig.13 eine Darstellung von Ausgangssignalen für ein sich
veränderndes Drehmoment mit einer Kompensation für
eine Anzahl von unterschiedlichen Temperaturen.
BESCHREIBUNG VON BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN:
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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.
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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,
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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.
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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.
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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.
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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:
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U&sub1; = (k&sub1; µ&sub1; + m&sub1;) U
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U&sub2; = (k&sub2; µ&sub2; + m&sub2;) U
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µu = Ms/1Ku-3λs
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Nachstehend wird erläutert, warum das magnetoelastische,
vorzugsweise amorphe, magnetoelastische Material oder selbst
lediglich magnetostriktiv in Kombination mit einer hohen
Anregungsfrequenz derartig gute Ergebnisse bereitstellt.
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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
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Ht/Hc1 1 + (ω)2/ω0
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.