WO2019243448A1 - Belastungsmessanordnung, Herstellverfahren hierfür und damit durchführbares Belastungsmessverfahren - Google Patents

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WO2019243448A1
WO2019243448A1 PCT/EP2019/066265 EP2019066265W WO2019243448A1 WO 2019243448 A1 WO2019243448 A1 WO 2019243448A1 EP 2019066265 W EP2019066265 W EP 2019066265W WO 2019243448 A1 WO2019243448 A1 WO 2019243448A1
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WO
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magnetic field
test object
load
measuring
load measuring
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PCT/EP2019/066265
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Tobias Kitzler
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Trafag Ag
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
    • G01L3/103—Details about the magnetic material used
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L9/00—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means
    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress

Definitions

  • the invention relates to a load measuring arrangement comprising a test object and a load measuring device for measuring a load on the test object, the load measuring device being a
  • Magnetic field detection device for detecting a changing magnetic field parameter due to the load.
  • the invention further relates to a manufacturing method for such a load measuring arrangement and a load measuring method that can be carried out with it.
  • the invention particularly relates to a method and an arrangement for
  • Loads are understood to mean forces, torques or mechanical stresses on the test object.
  • Torque measuring arrangement with a torque sensor for one
  • Torque sensor for measuring a torque on a test object in the form of a wave while detecting changes in the magnetic field.
  • refinements of the invention relate to a measuring method for measuring a torque by detecting changes in the magnetic field.
  • a type of torque transducer as described in D4 (DE 30 31 997 A1), has proven to be particularly effective for the measurement of torques in shafts and other measuring points.
  • exemplary embodiments relate to a pressure sensor with a membrane as the test object and a voltage detection device for detecting a mechanical tension in the membrane by active magnetization.
  • Measured variables torque, force and position can be determined on ferromagnetic objects.
  • Magnetoelastic (or also inverse magnetostrictive) sensors or eddy current or eddy current sensors are usually used.
  • the ferromagnetic materials used change their permeability under the influence of tensile or compressive stresses (also called the Villari effect). Differentiating the individual effects is usually difficult in practice, only the eddy current sensor is easier to distinguish from the other effects due to its frequency dependence.
  • the state of the magnetization of the object is often not known or is influenced by processing and handling of the objects, so that wide industrial use is often difficult.
  • Generator and detector coils namely two first magnetic field detection coils A1, A2 and two second magnetic field detection coils B1, B2 and a central generator coil Lg in a cross arrangement (X arrangement) are used for this.
  • the difference between the coil pair A-B (A1 + A2) - (B1 + B2) is determined in an analog signal processing scheme.
  • the object of the invention is to design a load measuring arrangement of the type specified in the preamble of claim 1 in such a way that it can be used more universally.
  • the invention provides a load measuring arrangement according to claim 1. Furthermore, a manufacturing method for producing such a load measuring arrangement and a load measuring method are proposed, which in particular with such
  • the invention provides a load measuring arrangement comprising a test object and a load measuring device for measuring a load on the test object, the load measuring device being a
  • Magnetic field detection device for detecting a changing magnetic field parameter due to the load, wherein the measuring range is a layer from a ferromagnetic amorphous or nanocrystalline metal with a maximum grain size less than 1 pm.
  • the ferromagnetic amorphous or nanocrystalline metal is a ferromagnetic metallic glass or a nanocrystalline coating such as chemical nickel.
  • the test object contains a body made of a non-ferromagnetic material, which has a coating made of the ferromagnetic amorphous or nanocrystalline metal at least at the measuring area.
  • loads such as torque or force can be measured particularly advantageously using the Villari effect (inverse magnetostrictive effect) in test objects which are mainly formed from non-ferromagnetic materials.
  • Villari effect inverse magnetostrictive effect
  • Metallic glasses - also called amorphous metals - are metal or metal and non-metal alloys that do not have a crystalline, but an amorphous structure at the atomic level and still show metallic conductivity.
  • Nanocrystalline metals Such metals with nanocrystals with a maximum grain size of less than 1 pm (e.g. diameter) are referred to here as nanocrystalline metals.
  • Nanocrystalline materials are particularly preferred. These include e.g. also chemically deposited nickel (with glass former such as phosphor). Chemical nickel with the phosphorus contents specified in the exemplary embodiments is not yet completely amorphous.
  • Magnetic amorphous or nanocrystalline metals are used in the invention.
  • Amorphous or nanocrystalline alloys are preferably made at least one glass former from the group that contains boron, silicon and phosphorus and at least one metal from the group that contains nickel, chromium, iron and cobalt.
  • Many of these metallic glasses are magnetic, usually (especially when cobalt is not dominant) soft magnetic, ie with a low coercive force.
  • amorphous or nanocrystalline metal is a
  • amorphous or nanocrystalline metal is a
  • Is metal alloy that has at least one glass former.
  • the glass former is preferably a glass former from the group of silicon, boron and phosphorus.
  • the proportion of glass former is 2 to 30 atomic percent.
  • the amorphous or nanocrystalline metal chemically has or is nickel with a phosphorus content of 2 to 11% by weight, preferably 5 to 9%. It is particularly preferred that the deposited chemical nickel has a phosphorus content of 2 to 11 percent by weight.
  • amorphous or nanocrystalline metal is a
  • Metal alloy is that which contains 65 to 95 atomic percent of one or more metals from the group iron, cobalt and nickel and 5 to 35 atomic percent one or more glass formers from the group silicon, boron and phosphorus.
  • the body is formed from or with a non-ferromagnetic material from the group comprising stainless steel, aluminum, plastic, fiber-reinforced plastic, GFK, CFK. Particularly good results have been achieved, for example, with a sensor which detects a load on a body, in particular torque on a shaft, the body being formed from chemically nickel-plated aluminum.
  • the layer of ferromagnetic amorphous or nanocrystalline metal is only partially provided on the test object. It is particularly preferred here that the layer is continuous, without interruptions in the surface, that is to say without patterning in the surface, so that there is a uniform magnetic field spread over the surface.
  • test object if it consists of a ferromagnetic material, has a non-magnetic, electrically good conductive separating layer between the body and the coating.
  • the coating can be used in particular to measure loads on non-ferromagnetic test objects.
  • test objects made of or with ferromagnetic materials can also be coated
  • test object is rotatable about an axis of rotation relative to the load measuring device.
  • test object can be a shaft rotating about an axis of rotation on which a torque is to be measured.
  • the magnetic field generating device can be easily integrated on a measuring head that points radially to the test object.
  • a first measuring range of the test object has a layer made of the layer which is uniformly continuous in the circumferential direction with respect to the axis of rotation Has amorphous or nanocrystalline metal.
  • the layer of amorphous or nanocrystalline metal can, for example, be provided on a shaft around the entire circumference.
  • amorphous or nanocrystalline metal which is provided only on a part of the circumference and / or has a material parameter which influences the magnetic field and which changes depending on the circumferential position.
  • Load measuring device are generated in the test object induced magnetic field. This angle dependency can be compared with one of the
  • Magnetic field detection devices or with an additionally provided coil or the like can be measured.
  • a combination sensor that measures a load and a rotational speed or, if appropriate, also a rotational angle can be created.
  • the layer in the second measuring area can also be applied with a material parameter that influences the magnetic field and changes depending on the circumference.
  • Material parameters can e.g. a layer thickness or layer width or a material composition.
  • the load measuring device has a sensor head.
  • the sensor head has a magnetic field generating coil, a first magnetic field measuring coil and a second magnetic field measuring coil in a V arrangement. It is preferred that the sensor head has a magnetic field generating coil and a first to fourth magnetic field measuring coil in an X arrangement.
  • the invention provides a manufacturing method for manufacturing a load measuring arrangement according to one of the above configurations with the steps:
  • test object made of a non-ferromagnetic material or a ferromagnetic test object with a non-ferromagnetic, electrically conductive separating layer
  • Magnetic field detection device for detecting a magnetic field parameter that changes due to the load
  • step b) comprises:
  • the deposition taking place so quickly that an amorphous or nanocrystalline metal with a maximum grain size of less than 1 pm is formed.
  • step b) comprises:
  • Chemical nickel is a chemical coating. It can be deposited as wear or corrosion protection. This creates chemical nickel layers.
  • the difference to galvanic nickel is, among other things, that no external electrical current, for example from a rectifier, is used, but the electrons necessary for the deposition (reduction) of the nickel ions are generated by means of a chemical oxidation reaction in the bath itself. With chemical nickel-plating, this results in coatings that are true to the contour and whose dimensions can range from 8 miti to 80 miti with a tolerance of ⁇ 2 miti to ⁇ 3 miti.
  • the deposition is preferably carried out at temperatures below 200 °, more particularly less than 150 °, very particularly in the range of 90 °. There is therefore no need for rapid cooling.
  • electrically non-conductive bodies e.g. B. from plastics such as polyamide to coat.
  • step b) comprises:
  • step b) comprises:
  • step b) comprises:
  • step b) comprises:
  • Circumferential point changed material parameters influencing magnetic field.
  • step b) comprises:
  • step b) comprises: b8) depositing a metallic glass.
  • step b) comprises:
  • step b) comprises:
  • step b) comprises:
  • step b) comprises:
  • step b) comprises:
  • the invention relates to a load measurement method for measuring a load on a test object formed from non-ferromagnetic material, comprising:
  • the load measurement method is preferably carried out with a
  • Preferred refinements of the invention relate to the idea of a Metglas coating (Metglas - metallic glass, i.e. amorphous metal) or a nanocrystalline metal coating for torque measurement and combination of sensors.
  • Metglas coating Metal - metallic glass, i.e. amorphous metal
  • nanocrystalline metal coating for torque measurement and combination of sensors.
  • Non-ferromagnetic materials such as stainless steel, aluminum, plastic, GRP connections cannot be used.
  • Preferred refinements of the invention provide for a layer to be deposited on these substrates which has ferromagnetic properties.
  • Metglass deposits as well as nanocrystalline metal deposits from e.g. Nickel or chrome show such properties.
  • test objects designed as waves can e.g. can be produced by injection molding.
  • Gear elements, chainrings, etc. made of other materials can be manufactured more cheaply and other dimensions can be realized.
  • Metglas or nanocrystalline metal it is also possible to only partially apply the Metglas or nanocrystalline metal to the test object, e.g. a wave of upset.
  • Make a torque measurement at one point with Metglas / Nanocrystalline metal and at another point on the shaft also apply a signature for an angle measurement with Metglass / Nanocrystalline metal.
  • this structuring of the shaft can be done either by subsequent removal of material, or the application of
  • Metglass / nanocrystalline metal for example, only takes place at dedicated locations.
  • a preferred embodiment of the invention see one with
  • Metglas / nanocrystalline metal coated shaft for torque measurements Metglas / nanocrystalline metal coated shaft for torque measurements.
  • test object material e.g. Any non-ferromagnetic material that can be provided with a well-adhering ferromagnetic Met-Glass / Nanocrystal-Metal coating can serve as shaft material. It should preferably be provided that the coating is not destroyed by the application of force.
  • the layer of amorphous or nanocrystalline metal can e.g. be applied outside. Since such layers are harder and more corrosion-resistant than other metals, they are well suited as an outer material. However, the layer can also be a layer under one or more cover layers.
  • the layer is preferably applied by deposition.
  • deposited material should be ferromagnetic and amorphous or nanocrystalline (e.g. metallic glass).
  • amorphous or nanocrystalline e.g. metallic glass.
  • a homogeneous closed layer is preferably provided.
  • a combination of a rotating test object e.g. a shaft, a wheel, a gear, a chainring or the like and a torque sensor for measuring a torque on the test object.
  • This embodiment can e.g. be used on an e-bike, whereby the torque can be measured on the pedal crank or an element provided with it.
  • CFRP with a layer of metal glass or nanocrystalline metal can be used.
  • Load measuring arrangement is a pressure sensor with at least one membrane to be acted upon by a pressure to be measured as a test object and a magnetoelastic voltage detection device as
  • Membrane e.g. be made of stainless steel and with Metglas or
  • Fig. 1 shows a first preferred embodiment of a sensor head
  • Load measuring device for measuring a mechanical Load, such as in particular force, tension or torque on a test object
  • Fig. 3 is a side view of the sensor head of Fig. 1 together with the
  • Fig. 4 is a view comparable to FIG. 3 of another embodiment of the
  • FIG. 5 shows a view comparable to FIG. 3 of yet another embodiment of the sensor head
  • Fig. 6 is a schematic view of a step of coating the
  • FIG. 7 shows a schematic view of an embodiment of the test object with a first and a second measuring range
  • Fig. 8 is a schematic view of another embodiment of the
  • Test object with a first and a second measuring range
  • FIG. 9 shows a schematic view of a load measuring arrangement in which the test object according to FIG. 7 or FIG. 8 is used;
  • Fig. 10 is a schematic view of a pressure sensor as another
  • FIG. 11 shows one of the sensor heads in the pressure sensor from FIG. 10
  • FIGS. 1 to 5 show different embodiments of sensor heads 10 for a load measuring device 12.
  • Load measuring device 12 is used to measure mechanical
  • Loads such as in particular torques, forces or tensions, in an at least partially magnetizable test object 14, preferably rotatable about an axis of rotation, such as a shaft, a gear part, a wheel hub, a chainring or the like.
  • the test object 14 can be used by others
  • Designs can also be stationary, e.g. be a beam or a strut in a support structure on which loads or forces are to be measured.
  • Test object 14 is provided with a layer 13 of a ferromagnetic metallic glass or of ferromagnetic nanocrystalline metal at least at one measuring area 11, which will be explained in more detail below.
  • the test object 14 and the load measuring device 12 together form a load measuring arrangement 16.
  • the load measuring device 12 has a magnetic field generation device 18 and a plurality of magnetic field detection devices 20, 22.
  • the load measuring device 12 has an angle of rotation detection device 40 for detecting an angle of rotation of the test object 14 and an evaluation device 42 for reducing one
  • the evaluation device 42 is connected to the rotation angle detection device 40 and to the magnetic field detection devices 20, 22.
  • Evaluation device 42 is in particular set up to reduce the RSN using the rotation angle information.
  • the magnetic field generating device 18 has a generator coil Lg and a driver circuit, not shown, for driving the generator coil Lg.
  • the magnetic field detection devices 20, 22 have magnetic field sensors 26 in the form of detector coils A1, A2, B1, B2 or solid-state magnetic field sensors 27 and an evaluation device 42 for evaluating the signals of the
  • Magnetic field sensors 26 The embodiment of the sensor head 10 shown in FIG. 1 with a view of the front to be directed at the test object 14 is shown from the side in FIG. 3.
  • This embodiment has two first magnetic field sensors 26-1 designed as first detector coils A1, A2 and two second magnetic field sensors 26-2 designed as second detector coils B1, B2.
  • the detector coils A1, A2, B1, B2 are provided in a cross-shaped arrangement or X arrangement 28 on a common flux concentrator 30 made of ferromagnetic material.
  • the generator coil Lg is provided in the center - here also on a corresponding projection of the flux concentrator 30 - the first
  • Detector coils A1 and A2 lie opposite one another and the second detector coils B1 and B2 lie opposite one another.
  • Fig. 2 shows a further embodiment of the sensor head 10 with a V arrangement 32, where only a first magnetic field sensor 26-1 - e.g. the first
  • Detector coil A1 - and only a second magnetic field sensor 26-1 are arranged at an angle to one another with the generator coil Lg at the tip of the angular shape.
  • Solid-state magnetic field sensors 27 can be provided as first and second magnetic field sensors 26-1, 26-2.
  • Fig. 5 shows an embodiment of the sensor head 10, in which the coils - detector coils A1, A2, B1, B2 and generator coil Lg - as planar coils 34 in a circuit board element 36 - e.g. designed as PCB boards - are provided.
  • the load measuring device 12 implements a new signal processing concept for tapping and
  • the test object 14 is provided with a layer 13 made of ferromagnetic amorphous or nanocrystalline metal.
  • Amorphous metals are also called metallic glasses. Glasses are solid materials without a crystal structure. This means that the atoms do not form a lattice, but are arranged randomly at first glance: there is no long-range, but at most a short-range order, this structure is called amorphous. Nanocrystalline metal is understood to mean a metal that still has very small crystals with maximum grain sizes of less than 1 pm. Experiments have shown that nanocrystalline metals show comparable magnetic properties to corresponding amorphous metals.
  • amorphous or nanocrystalline metals are created by completely or largely preventing natural crystallization. This can be done, for example, by rapidly cooling (“quenching”) the melt, so that the atoms are robbed of their mobility before they can take on the crystal arrangement.
  • metallic glasses and nanocrystalline metals in the form of alloys of at least two metals are known, which are amorphizable.
  • the layer of amorphous or nanocrystalline metal is formed as a thin band from a melt, which is poured onto a cooled, rotating body of the test object 14 and suddenly cools down.
  • a thin amorphous or nanocrystalline layer 13 is obtained by chemical vapor deposition or sputter deposition. As a result, only a partial area of the test object 14 can also be selectively coated.
  • Amorphous or nanocrystalline atomic arrangement which is very unusual for metals, results in a unique combination of physical properties: Amorphous and nanocrystalline metals are generally harder, more corrosion-resistant and stronger than ordinary metals.
  • Metallic glasses show u. a. the typical metallic light reflection and are indistinguishable from ordinary metals for the layperson.
  • the surface can be polished particularly smooth and is not so easily scratched due to its great hardness, which is why a particularly beautiful and lasting shine can be achieved.
  • Metallic glasses are harder than their crystalline counterparts and have high strength. Small deformations ( «1%) are purely elastic. This means that the absorbed energy is not lost as deformation energy, but is fully released when the material springs back.
  • the corrosion resistance is usually higher than that of metals of comparable chemical composition. This is because corrosion is mostly there
  • bonding electrons do not belong to one atom, but to all atoms.
  • Weiss districts also Weiss districts, according to the French physicist Pierre-Ernest Weiss are called microscopic magnetized domains in the crystals of magnetism
  • ferromagnetic substance The size of these districts ranges from about 10 to 1000 pm linear extension.
  • the direction of the magnetization is based on the crystal lattice of the material. For materials whose grain size is this
  • all crystallites are single domain particles, i. that is, not further divided into domains. This is the case with amorphous metals, but also with metals with a maximum grain size of less than 1 pm - the nanocrystalline metals.
  • the hysteresis effect is particularly problematic for torque measurements with active magnetization and can lead to measurement errors.
  • great efforts have therefore been made to reduce the hysteresis effect.
  • the configurations available here use the way to provide the measuring area of the test object with a layer of amorphous or nanocrystalline metals.
  • nanocrystalline materials One way of producing nanocrystalline materials is to heat a metal glass coating to 500 degrees to 600 degrees. Another possibility is the deposition of chemical nickel.
  • the manufacturing process of amorphous and crystalline metallic glass strips has some excellent properties.
  • the individual element magnets in the material are partly due to the non-conductive glass-forming elements
  • Magnetic amorphous or nanocrystalline metals are used for the layer 13 in the embodiments of the invention. This enables a coating to be achieved with one of the best commercially available soft magnetic materials. This enables a layer with excellent ferromagnetic properties to be achieved, so that the load measurement can be carried out very precisely even with low field strengths.
  • the amorphous or nanocrystalline alloys made of the glass formers boron, silicon and phosphorus and the metals iron, cobalt and / or nickel are magnetic, and usually (ie when cobalt is not dominant) they are magnetically soft, ie with a low coercive force, and have at the same time a high electrical resistance.
  • the conductivity is usually metallic, but of the same order of magnitude as that of molten metals, just above the melting point. This leads to low eddy current losses.
  • the layer 13 is made of amorphous or nanocrystalline metal.
  • the layer 13 is preferably amorphous or nanocrystalline with a grain size of ⁇ 1 pm up to amorphous alloys. Alloys for the formation of
  • ferromagnetic metallic glasses e.g. used in the composition (Fe, Ni, Co) 70-85 (Si, B) 15-30.
  • the composition can be read as a chemical formula; i.e. 70-85 atom percent of any mixture of iron, cobalt and nickel with 15-30 atom percent of any mixture of boron and silicon.
  • Such an alloy becomes amorphous or nanocrystalline through very rapid quenching; alternatively, the layer is first made amorphous and then heated to form nanocrystals.
  • 96Nb4 In another exemplary embodiment (Fe0.68Dy0.07B0.2Si0.05) 96Nb4 is used, in which the iron content is ⁇ 70 atomic percent.
  • Other possible, also commercially available materials include:
  • the material of the layer 13 preferably contains glass formers, in particular Si, B and / or P.
  • glass formers in particular Si, B and / or P.
  • nanocrystalline, ferromagnetic materials also used in exemplary embodiments preferably contain glass formers.
  • a specific example would be: Fe91Zr7B3, which has a typical grain size of 17 nm.
  • the alloy preferably contains atomic proportions of Si,
  • the aforementioned alloys are applied to the measuring area by methods known for the production of metallic glasses.
  • layers 13 of metallic glass can be placed on a body 48 of the test object 14 in different ways
  • the body 48 can be formed from very different, especially non-ferromagnetic materials.
  • Test object 14 is provided.
  • the bath 66 is designed in such a way that only the partial area to be coated, for example the measuring area 11, is wetted by the bath 66.
  • the bath 66 is designed to deposit chemical nickel.
  • chemical Nickel in particular with a phosphorus content of 5 to 9% by weight, is deposited on the body 48 such that amorphous metal is formed as the layer 13.
  • Such a selective coating with chemical nickel is offered by different service providers on the market.
  • Test object completely immersed in a correspondingly larger bath 66.
  • the entire surface of the body 48 is provided with the layer 13 of amorphous chemical nickel.
  • test object 14 can be, for example, a shaft 46 rotatable about an axis of rotation 44.
  • a first measuring area 11a is provided with a first layer 13a made of amorphous or nanocrystalline metal on the test object 14, which can be rotated about the axis of rotation 44 relative to the load measuring device 12.
  • the first layer 13a extends all around the entire circumferential area around the test object 14 and is provided uniformly around the entire circumferential area.
  • a second layer 13b made of amorphous or nanocrystalline metal is provided on a second measuring region 11b which is axially offset from the first measuring region 11a with respect to the axis of rotation 44 and is only partially provided on a circumferential region, as shown in FIG. 7, or such it is provided that a parameter influencing the magnetic field of the layer 13b changes depending on the circumferential position.
  • the width of the layer changes depending on the circumferential position, as shown in FIG. 8.
  • the test object 14 has a body 48 on which the layer 13, 13a, 13b is attached.
  • the body 48 is made of non-ferromagnetic material, such as aluminum, stainless steel or, as shown, a fiber composite material, such as GFK or CFK.
  • FIG. 9 shows the load measuring arrangement 16 with the test object 14 according to one of FIGS. 7 or 8.
  • the load measuring device 12 can have one of the sensor heads 10 previously explained with reference to FIGS. 1 to 5 and at least one further coil 50.
  • a plurality of further coils 50 are provided around the test object 14. A current is passed through the further coil 50, and the impedance of the further or each further coil 50 is detected. If the partially provided second layer 13b of FIG. 7 moves past the further coil 50, then the impedance of the coil 50 changes. The impedance of the further coil 50 depends on an overlap of the coil with the layer 13b made of amorphous or nanocrystalline Metal.
  • the impedance of the respective further coil 50 changes depending on the width of the region of the layer 13b currently located on the coil 50.
  • speed information or angle information can be obtained.
  • the sensor head 10 and the at least one further coil 50 can be held on a common holder 52 of the load measuring device 12.
  • a rotating test object 14 is provided.
  • the test object 14 can be any test object 14 on which loads are to be measured.
  • the test object 14 could also be a membrane 112 of a pressure sensor 110, as shown in FIG. 10.
  • the pressure sensor 110 is thus a further exemplary embodiment of the load measuring arrangement 16.
  • FIGS. 10 and 11 show an embodiment of a pressure sensor 110 which has at least one membrane to be acted upon by pressure, here in the form of a first membrane 112, and a magnetoelastic one
  • Has voltage detection device here in the form of a first magnetoelastic voltage detection device 114, for magnetoelastic detection of a mechanical stress caused by the pressurization.
  • the membrane to be pressurized is a first membrane 112, mechanical stresses caused by the pressurization of the first membrane 112 being detected by a first magnetoelastic tension detection device 114.
  • Voltage detection device 118 is assigned to the second membrane 116 in an analogous manner to the first magnetoelastic
  • Voltage detection device 114 is assigned to the first membrane 112. A particularly precise difference measurement can be achieved in this way.
  • the at least one membrane 112, 116 is formed from a body 48 which is provided with the layer 13 of ferromagnetic amorphous or nanocrystalline metal at least at the measuring region 11.
  • the membrane 112, 116 is thus formed on a surface area from a ferromagnetic material and the correspondingly assigned magnetoelastic voltage detection device 114, 118 is for this purpose
  • the membrane 112, 116 could, for example, be ceramic or in particular made of stainless steel.
  • the first and the second magnetoelastic voltage detection devices 114, 118 are constructed analogously, their common construction being explained in more detail below only with reference to the first magnetoelastic voltage detection device 114 with reference to FIG. 11.
  • the magnetoelastic voltage detection device 114, 118 has at least one magnetic field generation device 120 for generating a current that runs through the area where voltages are to be detected
  • the magnetoelastic also shows
  • Magnetic field flux detection device 122 for detecting a magnetic field flux in the area where mechanical stresses are to be detected.
  • the membrane 114, 116 In contrast to pressure sensors, in which a deflection of the membrane is measured, a tension in the membrane is measured in the pressure sensor 110.
  • the membrane 114, 116 therefore does not have to deflect in order to generate a signal. Accordingly, the membrane 114, 116 can also be made thick. It can therefore be a very large pressure sensor 110
  • Measuring range can be created.
  • the magnetic field generating device 120 is designed to generate a magnetic flux that flows through the area of the associated membrane 112, 116, at which voltages are to be detected, and that Magnetic field flux detection device 122 is designed to
  • the magnetic field generating device 120 has at least one excitation coil 124 and one excitation coil core 126.
  • Magnetic field flux detection device 122 has at least one measuring coil 128 and one measuring coil core 130.
  • the arrangement can be analogous to that of the sensor heads shown in FIGS. 1 to 5.
  • Voltage detection device 114, 118 is referred to DE 10 2016 122 172 A1.
  • pressure sensor 110 For more details on pressure sensor 110 and its possible

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Abstract

Um eine genaue und einfache berührungslose Belastungsmessung an Testobjekten aus hinsichtlich ihres Einsatzzweckes optimierten Materialien durchführen zu können, schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung (16) umfassend ein Testobjekt (14) und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt, wobei die Belastungsmessvorrichtung (12) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds an einem Messbereich (11) des Testobjekt (14) und eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters aufweist, dadurch gekennzeichnet, dass der Messbereich (11) eine Schicht (13) aus einer ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metalllegierung mit maximalen Korngrößen kleiner als 1 μm aufweist.

Description

Belastungsmessanordnung, Herstellverfahren hierfür und damit durchführbares Belastungsmessverfahren
Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt, wobei die Belastungsmessvorrichtung eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds an einem Messbereich des Testobjekts und eine erste und eine zweite
Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters aufweist. Weiter betrifft die Erfindung ein Herstellverfahren für eine solche Belastungsmessanordnung sowie ein damit durchführbares Belastungsmessverfahren.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Anordnung zum
Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen an dem Testobjekt verstanden.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine
Drehmomentmessanordnung mit einem Drehmomentmessgeber für einen
Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einem Testobjekt in Form einer Welle unter Erfassung von Magnetfeldänderungen. Außerdem betreffen Ausgestaltungen der Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet. Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Testobjekten wie
insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben:
D1 Gerhard Hinz und Heinz Voigt„Magnoelastic Sensors“ in„Sensors“, VCH
Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152
D2 US 3 311 818
D3 EP 0 384 042 A2
D4 DE 30 31 997 A
D5 US 3 011 340 A
D6 US 4 135 391 A
Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 (DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt.
Andere Ausführungsbeispiele betreffen einen Drucksensor mit einer Membran als Testobjekt und einer Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer mechanischen Spannung in der Membran durch aktive Aufmagnetisierung.
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen
Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder Eddy- Current-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch Villari- Effekt genannt). Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist. Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, z.B. Pedelecs, Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich.
Aus der
D7 EP 3Ό51‘265 A1
ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1 , A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1 , B2 und eine mittige Generatorspule Lg in einer Kreuzanordnung (X-Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1 +A2) - (B1 +B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Belastungsmessanordnung der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art so auszubilden, dass sie universeller einsetzbar ist.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Belastungsmessanordnung nach Anspruch 1. Weiter werden ein Herstellverfahren zur Herstellung einer solchen Belastungsmessanordnung sowie ein Belastungsmessverfahren vorgeschlagen, welches insbesondere mit einer derartigen
Belastungsmessanordnung durchführbar ist.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche.
Die Erfindung schafft eine Belastungsmessanordnung umfassend ein Testobjekt und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt, wobei die Belastungsmessvorrichtung eine
Magnetfelderzeugungseinrichtung zum aktiven Erzeugen eines Magnetfelds an einem Messbereich des Testobjekt und eine erste und eine zweite
Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters aufweist, wobei der Messbereich eine Schicht aus einem ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall mit einer maximalen Korngröße kleiner als 1 pm aufweist.
Beispielsweise ist das ferromagnetische amorphe oder nanokristalline Metall ein ferromagnetisches metallisches Glas oder eine nanokristalline Beschichtung wie chemisch Nickel.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt einen Körper aus einem nicht- ferromagnetischen Material enthält, der zumindest an dem Messbereich eine Beschichtung aus dem ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall aufweist.
Durch die Schicht amorphes oder nanokristallines Metall können besonders vorteilhaft Belastungen, wie Drehmoment oder Kraft, unter Verwendung des Villari-Effekts (invers magnetostriktiver Effekt) in Testobjekten gemessen werden, die hauptsächlich aus nicht-ferromagnetischen Materialien gebildet sind. Z.B. kann so berührungslos Drehmoment oder Kraft an Wellen, Streben oder anderen Bauteilen gemessen werden, die z.B. aus Edelstahl, Aluminium, Kunststoffen oder Faserverbundmaterialien gebildet sind.
Metallische Gläser - auch amorphe Metalle genannt - sind Metall- oder Metall- und-Nichtmetall-Legierungen, die auf atomarer Ebene keine kristalline, sondern eine amorphe Struktur aufweisen und trotzdem metallische Leitfähigkeit zeigen.
Ein ähnliches oder genauso gutes Verhalten zeigen Metalle, die auf atomarer Ebene nur sehr kleine Kristalle im Nanobereich, kleiner als 1 pm, aufweisen.
Derartige Metalle mit Nanokristallen mit einer maximalen Korngröße von kleiner als 1 pm (z.B. Durchmesser) werden hier als nanokristalline Metalle bezeichnet. Besonders bevorzugt sind nanokristalline Materialien. Darunter zählt z.B. auch chemisch abgeschiedenes Nickel (mit Glasbildner wie z.B. Phospor). Chemisch Nickel mit den in den Ausführungsbeispielen angegebenen Phosphorgehalten ist noch nicht ganz amorph.
Bei der Erfindung werden magnetische amorphe oder nanokristalline Metalle eingesetzt. Vorzugsweise werden amorphe oder nanokristalline Legierungen aus wenigstens einem Glasbildner aus der Gruppe, die Bor, Silizium und Phosphor enthält und wenigstens einem Metall aus der Gruppe, die Nickel, Chrom, Eisen und Kobalt enthält, verwendet. Viele dieser metallischen Gläser sind magnetisch, gewöhnlich (insbesondere bei Nicht-Dominanz von Kobalt) weichmagnetisch, d. h. mit niedriger Koerzitivfeldstärke.
Es ist bevorzugt, dass das amorphe oder nanokristalline Metall eine
Metalllegierung ist, die wenigstens ein Metall aus der Gruppe Eisen, Nickel, Kobalt und Molybdän aufweist.
Es ist bevorzugt, dass das amorphe oder nanokristalline Metall eine
Metalllegierung ist, die wenigstens einen Glasbildner aufweist.
Der Glasbildner ist vorzugsweise ein Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor.
Es ist bevorzugt, dass der Anteil an Glasbildner 2 bis 30 Atom-Prozent beträgt.
Es ist bevorzugt, dass das amorphe oder nanokristalline Metall Chemisch Nickel mit einem Phosphorgehalt von 2 bis 11 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 9%, aufweist oder ist. Es ist insbesondere bevorzugt, dass das abgeschiedene Chemisch Nickel einen Phosphorgehalt von 2 bis 11 Gewichtsprozent aufweist.
Es ist bevorzugt, dass das amorphe oder nanokristalline Metall eine
Metalllegierung ist, die 65 bis 95 Atom-Prozent eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel und 5 bis 35 Atom-Prozent eines oder mehrere Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor enthält.
Es ist bevorzugt, dass der Körper aus oder mit einem nicht-ferromagnetischen Material aus der Gruppe gebildet ist, die Edelstahl, Aluminium, Kunststoff, faserverstärkter Kunststoff, GFK, CFK umfasst. Besonders gute Ergebnisse wurden beispielsweise mit einem Sensor erzielt, der eine Belastung an einem Körper, insbesondere Drehmoment an einer Welle, erfasst, wobei der Körper aus chemisch vernickeltem Aluminium gebildet ist.
Es ist bevorzugt, dass die Schicht aus ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall nur partiell an dem Testobjekt vorgesehen ist. Besonders bevorzugt ist dabei, dass die Schicht flächig durchgängig, ohne Unterbrechungen in der Fläche, also ohne Musterung in der Fläche ausgebildet ist, so dass sich eine über die Fläche gleichmäßige Magnetfeldausbreitung ergibt.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt, wenn es aus einem ferromagnetischen Material besteht, eine nichtmagnetische, elektrisch gut leitende Trennschicht zwischen Körper und Beschichtung aufweist.
Durch die Beschichtung können insbesondere Belastungen an nicht- ferromagnetischen Testobjekten gemessen werden. Aber auch Testobjekte aus oder mit ferromagnetischen Materialien können durch die Beschichtung
verbesserte Messergebnisse erzielen. In diesem Fall ist bevorzugt, die
Trennschicht zwischen dem ferromagnetischen Material des Körpers und der Beschichtung vorzusehen.
Es ist bevorzugt, dass das Testobjekt relativ zu der Belastungsmessvorrichtung um eine Drehachse drehbar ist.
Zum Beispiel kann das Testobjekt eine um eine Drehachse drehende Welle sein, an der ein Drehmoment gemessen werden soll.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung zum aktiven
Erzeugen eines radialen Magnetfelds an dem Messbereich des Testobjekt ausgebildet ist. Insbesondere kann die Magnetfelderzeugungseinrichtung ganz einfach an einem Messkopf, der radial zu dem Testobjekt zeigt, integriert werden.
Es ist bevorzugt, dass ein erster Messbereich des Testobjekts eine bezüglich der Drehachse in Umfangsrichtung gleichmäßig durchgängige Schicht aus dem amorphen oder nanokristallinen Metall aufweist. Die Schicht amorphes oder nanokristallines Metall kann beispielsweise an einer Welle um den gesamten Umfang vorgesehen sein.
Es ist bevorzugt, dass an einem zu dem ersten Messbereich in Richtung der Drehachse axial verlagerten zweiten Messbereich eine Schicht aus dem
amorphen oder nanokristallinen Metall aufweist, die nur auf einem Teil des Umfangs vorgesehen ist und/oder einen sich abhängig von der Umfangsposition ändernden, magnetfeldbeeinflussenden Materialparameter aufweist.
Durch einen nur partiellen Auftrag des amorphen oder nanokristallinen Metalls an einem Umfangsbereich des Testobjekts kann eine Winkelabhängigkeit eines durch die Magnetfelderzeugungseinrichtung oder eine weitere
Magnetfelderzeugungseinrichtung bei Relativdrehung von Testobjekt und
Belastungsmessvorrichtung in das Testobjekt induzierten Magnetfelds erzeugt werden. Diese Winkelabhängigkeit kann mit einer der
Magnetfelderfassungseinrichtungen oder mit einer zusätzlich vorgesehenen Spule oder dergleichen gemessen werden. So kann ein Kombinationssensor, der eine Belastung und eine Drehzahl oder gegebenenfalls auch einen Drehwinkel misst, geschaffen werden.
Anstelle einer partiellen Beschichtung am Umfang kann die Schicht in dem zweiten Messbereich auch mit einem sich abhängig von dem Umfang ändernden magnetfeldbeeinflussenden Materialparameter aufgetragen werden. Der
Materialparameter kann z.B. eine Schichtdicke oder Schichtbreite oder eine Materialzusammensetzung sein.
Es ist bevorzugt, dass die Belastungsmessvorrichtung einen Sensorkopf aufweist.
Es ist bevorzugt, dass der Sensorkopf eine Magnetfelderzeugungsspule, eine erste Magnetfeldmessspule und eine zweite Magnetfeldmessspule in einer V- Anordnung aufweist. Es ist bevorzugt, dass der Sensorkopf eine Magnetfelderzeugungsspule und eine erste bis vierte Magnetfeldmessspule in einer X-Anordnung aufweist.
Gemäß einem weiteren Aspekt schafft die Erfindung ein Herstellverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen mit den Schritten:
a) Bereitstellen eines Testobjekts aus einem nicht-ferromagnetischen Material oder eines ferromagnetischen Testobjektes mit einer nicht ferromagnetischen, elektrisch leitenden Trennschicht,
b) zumindest teilweises Beschichten des Testobjekts mit einem
ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall, um einen Messbereich zu bilden,
c) Bereitstellen einer Belastungsmessvorrichtung mit einer
Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Messbereich des Testobjekts und einer ersten und einer zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters, und
d) Anordnen der Belastungsmessvorrichtung an dem Messbereich.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b1 ) vorzugsweise chemisches oder galvanisches Abscheiden einer Legierung aus wenigstens einem Glasbildner und wenigstens einem Metall mit
ferromagnetischen Eigenschaften auf dem Testobjekt, wobei das Abscheiden so schnell erfolgt, dass ein amorphes oder nanokristallines Metall mit maximaler Korngröße kleiner als 1 pm entsteht.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b2) Abscheiden von Chemisch Nickel mit einem Phosphorgehalt von 2 bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 9 Gew.-%.
Chemisch Nickel ist eine chemische Beschichtung. Sie kann als Verschleiß- oder Korrosionsschutz abgeschieden werden. Dabei entstehen Chemisch-Nickel- Schichten. Der Unterschied zum galvanisch Nickel liegt unter anderem darin, dass zur Abscheidung kein äußerer elektrischer Strom, etwa aus einem Gleichrichter, verwendet wird, sondern die zur Abscheidung (Reduktion) der Nickelionen notwendigen Elektronen mittels chemischer Oxidationsreaktion im Bad selbst erzeugt werden. Dadurch erhält man beim chemischen Vernickeln konturentreue Beschichtungen, deren Maße bei einer Toleranz von ± 2 miti bis ± 3 miti im Bereich von 8 miti bis 80 miti liegen können. Vorzugsweise erfolgt die Abscheidung bei Temperaturen unterhalb von 200°, mehr insbesondere kleiner 150°, ganz insbesondere im Bereich von 90°. Es muss somit keine schnelle Abkühlung erfolgen.
Aufgrund der außenstromlosen Abscheidung ist es möglich, auch elektrisch nicht leitfähige Körper, z. B. aus Kunststoffen wie Polyamid, zu beschichten.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b3) Beschichten mit einer Schichtdicke größer als 10 miti, insbesondere zwischen 10 pm und 500 miti.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b4) Beschichten eines bezüglich einer Achse des Testobjekts umlaufenden Umfangsbereich des Testobjekts.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b5) partielles Beschichten eines bezüglich einer Achse des Testobjekts umlaufenden Umfangsbereichs des Testobjekts.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b6) Erzeugen einer Umfangspositionssignatur an einer Umfangsstelle an dem Testobjekt durch partiellen Auftrag der Beschichtung, durch Strukturierung der Beschichtung oder durch Erzeugen der Beschichtung mit einem an dieser
Umfangsstelle geänderten magnetfeldbeeinflussenden Materialparameter.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b 7) Erzeugen einer flächig durchgängigen Schicht ohne Unterbrechungen.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst: b8) Abscheiden eines metallischen Glases.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b9) Abscheiden einer Legierung, die wenigstens ein Metall aus der Gruppe Eisen, Nickel, Kobalt und Molybdän aufweist.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b10) Abscheiden einer Legierung, die wenigstens einen Glasbildner aufweist.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b11 ) Abscheiden einer Legierung, die wenigstens einen Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor aufweist.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b12) Abscheiden einer Legierung, die 2 bis 30 Atom-Prozent wenigstens eines Glasbildners, insbesondere aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor, aufweist.
Es ist bevorzugt, dass Schritt b) umfasst:
b13) Abscheiden einer Legierung, die 65 bis 95 Atom-Prozent eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel und 5 bis 35 Atom- Prozent eines oder mehrere Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und
Phosphor enthält. Selbstverständlich können weitere Legierungszusätze vorgesehen sein.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung an einem aus nicht-ferromagnetischen Material gebildeten Testobjekt, umfassend:
Beschichten zumindest eines Messbereichs des Messobjekts mit einem
ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall mit maximaler
Korngröße kleiner als 1 miti,
aktives Erzeugen eines Magnetfelds in dem Messbereich,
Erfassen einer Änderung eines Magnetfeldparameters aufgrund einer Belastung an dem Testobjekt. Vorzugsweise wird das Belastungsmessverfahren mit einer
Belastungsmessanordnung nach einer der voranstehenden Ausgestaltungen durchgeführt.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung betreffen die Idee einer Metglas- Beschichtung (Metglas - metallisches Glas, d.h. amorphes Metall) oder einer nanokristallinen Metall-Beschichtung zur Drehmomentmessung und Kombination von Sensoren.
Für die Drehmomentmessung mit aktiven magnetisch induktiven Sensoren müssen derzeit zwangsläufig für die Testobjekte Materialien verwendet werden, die ferromagnetisch sind. Nicht-ferromagnetische Materialien wie Edelstahle, Aluminium, Kunststoff, GFK Verbindungen können nicht eingesetzt werden.
Bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung sehen vor, auf diesen Substraten eine Schicht abzuscheiden, die ferromagnetische Eigenschaften besitzt. Metglas- Abscheidungen sowie nanokristalline Metallabscheidungen aus z.B. Nickel oder Chrom zeigen derartige Eigenschaften. Durch den Einsatz von anderen als ferromagnetische Werkstoffe können z.B. Gewichtsreduzierungen der
eingesetzten Werkstücke erlaubt werden, oder die z.B. als Wellen ausgeführten Testobjekte können z.B. durch Spritzgussverfahren hergestellt werden.
So können Wellen oder auch andere Testobjekte, wie z.B. Streben,
Getriebeelemente, Kettenblätter, usw. aus anderen Materialien können günstiger hergestellt werden und es können andere Dimensionen realisiert werden.
Es ist auch möglich das Metglas bzw. nanokristalline Metall nur partiell auf das Testobjekt, z.B. eine Welle, aufzubringen. So kann z.B. an einer Stelle mit Metglas/Nanokristallinen Metall eine Drehmomentmessung realisieren und an einer anderen Stelle auf der Welle zusätzlich mit Metglas/Nanokristallinem Metall noch eine Signatur für eine Winkelmessung aufbringen. Bei Ausgestaltungen der Erfindung kann diese Strukturierung der Welle entweder durch nachfolgendes Abtragen von Material gemacht werden, oder der Auftrag von
Metglas/Nanokristallines Metall erfolgt z.B. nur an dedizierten Stellen. Eine bevorzugte Ausgestaltung der Erfindung siehe eine mit
Metglas/Nanokristallinem Metall beschichtete Welle für Drehmomentmessungen vor.
Es wird die Messung von Drehmoment an nicht-magnetischen Wellen ermöglich, indem sie mit ferromagnetischem, metallischem Glas (Met-Glass) oder
nanokristallinem Metall beschichtet werden.
Als Testobjektmaterial, z.B. Wellenmaterial kann jedes nicht-ferromagnetische Material dienen, dass mit einer gut haftenden ferromagnetischen Met- Glass/Nanokristall-Metall Beschichtung versehen werden kann. Vorzugsweise ist vorzusehen, dass die Beschichtung durch die Kraftanwendung nicht zerstört wird.
Die Schicht amorphes oder nanokristallines Metall kann z.B. außen aufgetragen werden. Da derartige Schichten härter und korrosionsbeständiger als andere Metalle sind, sind sie als Außenmaterial gut geeignet. Die Schicht kann aber auch eine Schicht unter einer oder mehreren Deckschichten sein.
Im Folgenden werden bevorzugte Eigenschaften des abgeschiedenen Materials erläutert.
Vorzugsweise wird die Schicht durch Abscheiden aufgetragen. Das
abgeschiedene Material soll ferromagnetisch und amorph oder nanokristallin sein (z.B. Metallisches Glas). In einem Beispiel erhält man entsprechende
Beschichtungen durch schnelles Abscheiden von Chemisch Nickel mit einem Phosphorgehalt von 5-9 Gew.-%, welches nur eine sehr moderate
Wärmebehandlung erfährt - eine solche Beschichtung ist noch nicht ganz amorph, sondern kann noch Kristalle mit Korngrößen unterhalb von 1 pm aufweisen.
Vorzugsweise ist eine homogene geschlossene Schicht vorgesehen.
Vorteilhaft ist die gute mechanische Verbindung zum Basissubstrat. Typische Schichtdicken von > I Omiti, 30mhh und 40mhh haben sich in Versuchen als gut geeignet dargestellt.
Gemäß einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die
Belastungsmessanordnung eine Kombination aus einem drehenden Testobjekt, wie z.B. einer Welle, einem Rad, einem Zahnrad, einem Kettenblatt oder dergleichen und einem Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an dem Testobjekt. Diese Ausführungsform kann z.B. an einem E-Bike eingesetzt werden, wobei das Drehmoment an der Tretkurbel oder einem damit versehenen Element gemessen werden kann. Dabei kann z.B. CFK mit einer Schicht Metglas oder nanokristallinem Metall verwendet werden.
Bei einem weiteren bevorzugten Ausführungsbeispiel ist die
Belastungsmessanordnung ein Drucksensor, mit wenigstens einer durch einen zu messenden Druck zu beaufschlagenden Membran als Testobjekt und einer magnetoelastischen Spannungserfassungseinrichtung als
Belastungsmessvorrichtung zum magnetoelastischen Erfassen einer durch die Druckbeaufschlagung bedingten mechanischen Spannung. Hier kann die
Membran z.B. aus Edelstahl ausgebildet sein und mit Metglas oder
nanokristallinem Metall beschichtet sein. Edelstahl weist hervorragende
Eigenschaften zur Verwendung als Membran, insbesondere
Korrosionsbeständigkeit und elastisches Verhalten, auf. Für weitere Einzelheiten zu der Ausgestaltung und den Vorteilen des Drucksensors wird ausdrücklich auf die deutsche Patentanmeldung DE 10 2017 104 547.3 verwiesen, die hiermit durch Bezugnahme inkorporiert wird. Alle dort genannten Ausgestaltungen können auch mit einer Membran, die mit einer Beschichtung aus ferromagnetischen metallischen Material versehen ist, realisiert werden.
Ausführungsbeispiele werden im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt:
Fig. 1 eine erste bevorzugte Ausführungsform eines Sensorkopfes einer
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung, wie insbesondere Kraft, Spannung oder Drehmoment an einem Testobjekt;
Fig. 2 eine zweite bevorzugte Ausführungsform des Sensorkopfes;
Fig. 3 eine Seitenansicht des Sensorkopfes von Fig. 1 zusammen mit dem
Testobjekt;
Fig. 4 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 einer weiteren Ausführungsform des
Sensorkopfes;
Fig. 5 eine Ansicht vergleichbar Fig. 3 noch einer weiteren Ausführungsform des Sensorkopfes;
Fig. 6 eine schematische Ansicht eines Schritts einer Beschichtung des
Testobjekts mit einem metallischen Glas;
Fig. 7 eine schematische Ansicht einer Ausgestaltung des Testobjekts mit einem ersten und einem zweiten Messbereich;
Fig. 8 eine schematische Ansicht einer weiteren Ausgestaltung des
Testobjekts mit einem ersten und einem zweiten Messbereich;
Fig. 9 eine schematische Ansicht einer Belastungsmessanordnung, bei der das Testobjekt gemäß Fig. 7 oder Fig. 8 eingesetzt ist;
Fig. 10 eine schematische Ansicht eines Drucksensors als weiteres
Ausführungsbeispiel für die Belastungsmessanordnung; und
Fig. 11 einen der Sensorköpfe der in dem Drucksensor von Fig. 10
eingesetzten Belastungsmessvorrichtung. In den Figuren 1 bis 5 sind verschiedene Ausführungsformen von Sensorköpfen 10 für eine Belastungsmessvorrichtung 12 dargestellt. Die
Belastungsmessvorrichtung 12 dient zum Messen von mechanischen
Belastungen, wie insbesondere Drehmomenten, Kräften oder Spannungen, in einem zumindest teilweise magnetisierbaren, vorzugsweise um eine Drehachse drehbaren, Testobjekt 14, wie z.B. einer Welle, einem Getriebeteil, einer Radnabe, einem Kettenblatt oder dergleichen. Das Testobjekt 14 kann bei anderen
Ausgestaltungen auch stationär sein, z.B. ein Träger oder eine Strebe in einer Stützstruktur sein, an der Belastungen oder Kräfte zu messen sind. Das
Testobjekt 14 ist zumindest an einem Messbereich 11 mit einer Schicht 13 aus einem ferromagnetischen metallischen Glas oder aus ferromagnetischen nanokristallinen Metall versehen, die hiernach noch näher erläutert wird. Das Testobjekt 14 und die Belastungsmessvorrichtung 12 bilden zusammen eine Belastungsmessanordnung 16.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 weist eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 und mehrere Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 auf.
Bei einer bevorzugten Ausgestaltung weist die Belastungsmessvorrichtung 12 eine Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 zum Erfassen eines Drehwinkels des Testobjekts 14 sowie eine Auswerteeinrichtung 42 zur Verringerung einer
Beeinflussung der Belastungsmessung durch drehwinkelabhängige Effekte auf.
Die Auswerteeinrichtung 42 ist mit der Drehwinkelerfassungseinrichtung 40 und mit den Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 verbunden. Die
Auswerteeinrichtung 42 ist insbesondere eingerichtet, die RSN unter Verwendung der Drehwinkelinformation zu verringern.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Generatorspule Lg und eine nicht näher dargestellte Treiberschaltung zum Treiben der Generatorspule Lg auf.
Die Magnetfelderfassungseinrichtungen 20, 22 weisen Magnetfeldsensoren 26 in Form von Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 oder Festkörpermagnetfeldsensoren 27 und eine Auswerteeinrichtung 42 zum Auswerten der Signale der
Magnetfeldsensoren 26 auf. Die in Fig. 1 mit Blick auf die auf das Testobjekt 14 zu richtende Vorderseite gezeigte Ausführungsform des Sensorkopfs 10 ist in Fig. 3 von der Seite gezeigt. Diese Ausführungsform weist zwei als erste Detektorspulen A1 , A2 ausgebildete erste Magnetfeldsensoren 26-1 und zwei als zweite Detektorspulen B1 , B2 ausgebildete zweite Magnetfeldsensoren 26-2 auf. Die Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 sind in einer kreuzförmigen Anordnung oder X-Anordnung 28 auf einem gemeinsamen Flusskonzentrator 30 aus ferromagnetischem Material vorgesehen. Dabei ist mittig die Generatorspule Lg - hier ebenfalls auf einem entsprechenden Vorsprung des Flusskonzentrators 30 - vorgesehen, wobei sich die ersten
Detektorspulen A1 und A2 gegenüberliegen und sich die zweiten Detektorspulen B1 und B2 gegenüberliegen.
Fig. 2 zeigt eine weitere Ausführungsform des Sensorkopfes 10 mit einer V- Anordnung 32, wo nur ein erster Magnetfeldsensor 26-1 - z.B. die erste
Detektorspule A1 - und nur ein zweiter Magnetfeldsensor 26-1 winkelförmig zueinander angeordnet mit der Generatorspule Lg an der Spitze der Winkelform vorgesehen sind.
Wie Fig. 4 zeigt, können anstatt Detektorspulen auch
Festkörpermagnetfeldsensoren 27 als erste und zweite Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2 vorgesehen sein.
Fig. 5 zeigt eine Ausführungsform des Sensorkopfes 10, bei der die Spulen - Detektorspulen A1 , A2, B1 , B2 und Generatorspule Lg - als Planarspulen 34 in einem Leiterplattenelement 36 - z.B. ausgeführt als PCB-Platten - vorgesehen sind.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 gemäß bevorzugten Ausführungsformen implementiert ein neues Signalverarbeitungskonzept zum Abgreifen und
Verarbeiten der Signale der Magnetfeldsensoren 26-1 , 26-2, wie es genauer in der deutschen Patentanmeldung 10 2017 112 913.8, auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, beschrieben und gezeigt ist. Das Testobjekt 14 ist mit einer Schicht 13 aus ferromagnetischem amorphen oder nanokristallinen Metall versehen.
Amorphe Metalle werden auch metallische Gläser genannt. Gläser sind feste Materialien ohne Kristallstruktur. Das heißt, die Atome bilden kein Gitter, sondern sind auf den ersten Blick regellos angeordnet: Es besteht keine Fern-, sondern allenfalls eine Nahordnung, diese Struktur bezeichnet man als amorph. Unter nanokristallinem Metall wird ein Metall verstanden, das noch sehr kleine Kristalle, mit maximalen Korngrößen kleiner als 1 pm aufweist. Versuche haben gezeigt, dass nanokristalline Metalle vergleichbare magnetische Eigenschaften wie entsprechende amorphe Metalle zeigen.
Wie alle Gläser entstehen auch amorphe oder nanokristalline Metalle, indem die natürliche Kristallisation ganz oder weitgehend verhindert wird. Dies kann zum Beispiel durch rasches Abkühlen („Abschrecken“) der Schmelze geschehen, so dass den Atomen die Beweglichkeit geraubt wird, bevor sie die Kristallanordnung einnehmen können. Es sind z.B. metallische Gläser und nanokristalline Metalle in Form von Legierungen aus mindestens zwei Metallen bekannt, die amorphisierbar sind. Häufiger sind amorphe oder nanokristalline Legierungen aus nur einem Metall - z. B. Fe - und einem sogenannten Glasbildner - z. B. Bor oder Phosphor, etwa in der Zusammensetzung Fe4B.
Bei einer Ausgestaltung entsteht die Schicht aus amorphen oder nanokristallinen Metall als dünnes Band aus einer Schmelze, die auf einen gekühlten, rotierenden Körper des Testobjekts 14 gegossen wird und dabei schlagartig abkühlt.
In einer weiteren Ausgestaltung wird eine dünne amorphe oder nanokristalline Schicht 13 durch chemische Gasphasenabscheidung oder Sputterdeposition gewonnen. Hierdurch kann auch einfach eine selektive Beschichtung nur eines Teilbereichs des Testobjekts 14 erfolgen.
Die für Metalle sehr ungewöhnliche amorphe oder nanokristalline Atomanordnung hat eine einzigartige Kombination physikalischer Eigenschaften zur Folge: Amorphe und nanokristalline Metalle sind im Allgemeinen härter, korrosionsbeständiger und fester als gewöhnliche Metalle.
Metallische Gläser zeigen u. a. die typische metallische Lichtreflexion und sind für den Laien nicht von gewöhnlichen Metallen zu unterscheiden. Die Oberfläche lässt sich besonders glatt polieren und verkratzt aufgrund der großen Härte auch nicht so leicht, daher lässt sich ein besonders schöner und dauerhafter Glanz erzielen.
Metallische Gläser sind härter als ihre kristallinen Gegenstücke und haben eine hohe Festigkeit. Geringe Verformungen (« 1 %) sind rein elastisch. Das heißt, die aufgenommene Energie geht nicht als Verformungsenergie verloren, sondern wird beim Zurückfedern des Materials wieder voll abgegeben.
Die Korrosionsbeständigkeit ist in der Regel höher als bei Metallen vergleichbarer chemischer Zusammensetzung. Dies liegt daran, dass Korrosion meist an
Korngrenzen zwischen den Einzelkristalliten eines Metalls angreift, die es bei amorphen Materialien nicht gibt.
In Metallen gehören Bindungselektronen nicht einem, sondern allen Atomen.
Derart miteinander gekoppelt, wirken sie aufeinander ein und bilden in
ferromagnetischen Materialien spontan magnetisch geordnete Bereiche aus - die Weißschen Bezirke. Als Weiss-Bezirke (auch weisssche Bezirke, nach dem französischen Physiker Pierre-Ernest Weiss) bezeichnet man beim Magnetismus mikroskopisch kleine magnetisierte Domänen in den Kristallen eines
ferromagnetischen Stoffes. Die Größe dieser Bezirke erstreckt sich von etwa 10 bis 1000 pm linearer Ausdehnung. Die Richtung der Magnetisierung orientiert sich am Kristallgitter des Werkstoffs. Bei Werkstoffen, deren Korngröße dieser
Größenordnung entspricht oder noch darunter liegt, sind alle Kristallite Ein- Domänen-Teilchen, d. h., nicht weiter in Domänen unterteilt. Dies ist bei amorphen Metallen, aber auch bei Metallen mit einer maximalen Korngröße von weniger als 1 pm - den nanokristallinen Metallen der Fall. Amorphe und nanokristalline
Metalle sind homogen und ihre magnetischen Eigenschaften sind in allen
Richtungen gleich. Die Magnetisierung ist darum wesentlich erleichtert. Dies macht sich insbesondere bei einem erneuten Wechsel der Magnetfeldrichtung bemerkbar. In einem Metall mit Gitterstruktur ist es oft energieaufwändiger, den ursprünglichen Zustand wieder herzustellen, es verbleibt eine Restmagnetisierung (Remanenz). Somit weisen amorphe und nanokristalline Metalle einen weit aus geringeren Hysterese-Effekt auf.
Der Hysterese-Effekt ist insbesondere bei Drehmomentmessungen mit aktiver Magnetisierung problematisch und kann zu Messfehlern führen. Im Stand der Technik auf dem Gebiet der hier interessierenden aktiven Magnetsensoren gab es daher große Anstrengungen, den Hysterese-Effekt zu verringern. Die hier vorliegenden Ausgestaltungen nutzen hierzu den Weg, den Messbereich des Testobjekts mit einer Schicht aus amorphen oder nanokristallinen Metallen zu versehen.
Eine Möglichkeit einer Herstellung nanokristalliner Materialien ist, eine Metallglas- Beschichtung auf 500 Grad bis 600 Grad zu erwärmen. Eine andere Möglichkeit ist die Abscheidung von chemisch Nickel.
Der Herstell prozess amorpher und kristalliner metallischer Glasbänder hat einige hervorragende Eigenschaften zur Folge. Die einzelnen Elementarmagnete im Material sind zum Teil durch die nichtleitenden glasbildenden Elemente
gegeneinander isoliert, so dass der spezifische Widerstand des Werkstoffes mit etwa 120 bis 150 mW-cm etwa dreifach höher als von Elektroblech ist. Außerdem sind sie sehr klein, bei kristallinen metallischen Glasbändern liegen sie etwa um 10 nm. Dadurch sind die Wirbelstromverluste, auch bei höheren Frequenzen, geringer als bei anderen kristallinen Legierungen.
Bei den Ausgestaltungen der Erfindung werden magnetische amorphe oder nanokristalline Metalle für die Schicht 13 verwendet. Dadurch lässt sich eine Beschichtung mit einem der besten kommerziell verfügbaren weichmagnetischen Werkstoffen erzielen. Hierdurch lässt sich eine Schicht mit hervorragenden ferromagnetischen Eigenschaften erzielen, so dass die Belastungsmessung auch mit geringen Feldstärken sehr genau erfolgen kann. Die amorphen oder nanokristallinen Legierungen aus den Glas-Bildnern Bor, Silizium und Phosphor und den Metallen Eisen, Kobalt und/oder Nickel sind magnetisch, und zwar gewöhnlich (d. h. bei Nicht-Dominanz von Kobalt) weichmagnetisch, d. h. mit niedriger Koerzitivfeldstärke, und haben gleichzeitig einen hohen elektrischen Widerstand. Gewöhnlich ist die Leitfähigkeit zwar metallisch, aber von derselben Größenordnung wie bei geschmolzenen Metallen eben über dem Schmelzpunkt. Dies führt zu niedrigen elektrischen Wirbelstrom- Verlusten.
Herkömmliche Metalle ziehen sich typischerweise beim Erstarren schlagartig zusammen. Da die Erstarrung als Glas kein Phasenübergang erster Ordnung ist, findet dieser Volumensprung hier nicht statt. Wenn die Schmelze eines
metallischen Glases eine Form ausfüllt, so behält sie diese beim Erstarren. Dies ist ein Verhalten, das man zum Beispiel von Polymeren kennt und das dort große Vorteile bei der Verarbeitung (z. B. Spritzguss) bietet. Daher lassen sich unterschiedliche Materialien gut beschichten, und die Schicht 13 ist dennoch sehr langlebig und hat geringe Auswirkungen auf die gewünschten mechanischen Eigenschaften des für das Testobjekt 14 gewählten Materials.
Bei Ausgestaltungen der Erfindung wird die Schicht 13 aus amorphem oder nanokristallinem Metall hergestellt. Vorzugsweise ist die Schicht 13 amorph oder nanokristallin mit einer Korngröße von <1 pm bis hin zu amorphen Legierungen. Vorzugsweise werden zur Herstellung Legierungen zum Ausbilden von
ferromagnetischen metallischen Gläsern, z.B. in der Zusammensetzung (Fe, Ni, Co) 70-85 (Si, B)15-30 verwendet. Die Zusammensetzung ist als chemische Formel zu lesen; sprich 70-85 Atomprozent einer beliebigen Mischung aus Eisen, Kobalt und Nickel mit 15-30 Atomprozent einer beliebigen Mischung aus Bor uns Silizium. Eine solche Legierung wird durch sehr schnelles Abschrecken amorph oder nanokristallin; alternativ wird die Schicht zunächst amorph hergestellt und dann erwärmt, um Nanokristalle auszubilden.
Bei einem anderen Ausführungsbeispiel wird (Fe0.68Dy0.07B0.2Si0.05)96Nb4 verwendet, bei dem der Eisengehalt <70 Atomprozent ist. Weitere mögliche, auch kommerziell erhältliche Materialien sind z.B.:
Fe78B13Si9 (Metglas 2605 SA1 )
Fe81 B13,5Si3,5C2 (Metglas 2605 SC)
• Fe66Co18B15Si1 (Metglas 2605 CO)
Co69Fe4Ni1 Mo2Si12B12 (Metglas 2705 M)
Co66Fe4B14Si15Ni1 (Metglas 2714 A)
Fe40Ni38B18Mo4 (Metglas 2826 MB)
Co66Fe4B12Si16Mo2 (Vitrovac 6025)
• Co70(FeMo)2Mn5(Sib)23 (Vitrovac 6030)
Bevorzugt enthält das Material der Schicht 13 Glasbildner, insbesondere Si, B und/oder P. Entsprechend enthalten auch in Ausführungsbeispielen verwendete nanokristalline, ferromagnetische Materialien vorzugsweise Glasbildner. Als konkretes Beispiel wäre z.B.: Fe91Zr7B3 zu nennen, das eine typische Korngröße von 17 nm aufweist. Vorzugsweise enthält die Legierung atomaren Anteile an Si,
B, und P im Bereich von 2...30 Atomprozent.
Bei einer Ausgestaltung der entsprechenden Materialien werden die zuvor genannten Legierungen durch zur Herstellung metallischer Gläser bekannte Verfahren auf den Messbereich aufgebracht.
Wie oben erläutert, lassen sich Schichten 13 aus metallischem Glas auf unterschiedliche Art und Weise auf einem Körper 48 des Testobjekts 14
aufbringen, wobei der Körper 48 aus ganz unterschiedlichen, insbesondere nichtferromagnetischen Materialien gebildet sein kann.
In Fig. 6 ist ein derzeit bevorzugtes Ausführungsbeispiel für einen
Verfahrensschritt zum Herstellen des mit der Schicht 13 versehenen Testobjekts 14 erläutert.
Hier wird ein Bad 66 zum selektiven Beschichten eines Körpers 48 des
Testobjekts 14 vorgesehen. Das Bad 66 ist derart ausgestaltet, dass nur der zu beschichtende Teilbereich, z.B. der Messbereich 11 , durch das Bad 66 benetzt wird. Das Bad 66 ist zum Abscheiden von Chemisch Nickel ausgebildet. Chemisch Nickel, insbesondere mit einem Phosphorgehalt von 5 bis 9 Gew.-%, wird auf dem Körper 48 so abgeschieden, dass amorphes Metall als Schicht 13 gebildet wird. Solche ein selektives Beschichten mit Chemisch Nickel wird von unterschiedlichen Dienstleistern auf dem Markt angeboten.
Bei einer nicht näher dargestellten Ausgestaltung wird der Körper 48 des
Testobjekts vollständig in ein entsprechend größeres Bad 66 eingetaucht.
Hierdurch wird die gesamte Oberfläche des Körpers 48 mit der Schicht 13 aus amorphen Chemisch Nickel versehen.
In beiden Fällen erfolgt anschließend keine oder allenfalls eine sehr moderate Wärmebehandlung.
Wie in Fig. 7 und 8 gezeigt, kann das Testobjekt 14 zum Beispiel eine um eine Drehachse 44 drehbare Welle 46 sein.
An dem relativ zu der Belastungsmessvorrichtung 12 um die Drehachse 44 drehbaren Testobjekt 14 ist ein erster Messbereich 11 a mit einer ersten Schicht 13a aus amorphen oder nanokristallinem Metall versehen. Die erste Schicht 13a erstreckt sich umlaufend über den gesamten Umfangsbereich um das Testobjekt 14 und ist um den gesamten Umfangsbereich gleichmäßig vorgesehen.
An einem bezüglich der Drehachse 44 axial zu dem ersten Messbereich 11 a versetzten zweiten Messbereich 11 b ist eine zweite Schicht 13b aus amorphen oder nanokristallinen Metall vorgesehen, die nur partiell an einem Umfangsbereich vorgesehen ist, wie dies in Fig. 7 dargestellt ist, oder derart vorgesehen ist, dass sich ein magnetfeldbeeinflussender Parameter der Schicht 13b abhängig von der Umfangsposition ändert. Zum Beispiel ändert sich die Breite der Schicht abhängig von der Umfangsposition, wie dies in Fig. 8 dargestellt ist.
Das Testobjekt 14 weist einen Körper 48 auf, auf dem die Schicht 13, 13a, 13b angebracht ist. Der Körper 48 ist aus nichtferromagnetischem Material, wie z.B. Aluminium, Edelstahl oder wie dargestellt einem Faserverbundmaterial, z.B. GFK oder CFK hergestellt. In Fig. 9 ist die Belastungsmessanordnung 16 mit dem Testobjekt 14 gemäß einer der Fig. 7 oder 8 dargestellt.
Die Belastungsmessvorrichtung 12 kann einen der zuvor anhand der Fig. 1 bis 5 erläuterten Sensorköpfe 10 und wenigstens eine weitere Spule 50 aufweisen. In einer Ausgestaltung sind mehrere weitere Spulen 50 um das Testobjekt 14 herum vorgesehen. Durch die weitere Spule 50 wird ein Strom geleitet, und es wird die Impedanz der weiteren oder jeder weiteren Spule 50 erfasst. Bewegt sich ein die partiell vorgesehene zweite Schicht 13b der Fig. 7 an der weiteren Spule 50 vorbei, dann ändert sich die Impedanz der Spule 50. Die Impedanz der weiteren Spule 50 ist abhängig von einer Überdeckung der Spule mit der Schicht 13b aus amorphen oder nanokristallinen Metall.
Entsprechend ändert sich bei einer Verwendung des Testobjekts 14 von Fig. 8 die Impedanz der jeweiligen weiteren Spule 50 je nach Breite des aktuell an der Spule 50 befindlichen Bereichs der Schicht 13b. Somit kann eine Drehzahlinformation oder eine Winkelinformation erhalten werden.
Mittels der Drehzahlinformation oder der Winkelinformation und dem Drehmoment kann z.B. unmittelbar die mechanische Leistung erfasst werden. Wie in der früheren deutschen Patentanmeldung 10 2018 113 378.2, auf die für weitere Einzelheiten ausdrücklich verwiesen wird, dargestellt, kann damit auch sehr wirksam eine RSN-Kompensation erzielt werden.
Der Sensorkopf 10 und die wenigstens eine weitere Spule 50 können an einer gemeinsamen Halterung 52 der Belastungsmessvorrichtung 12 gehalten sein.
Bei den in den Fig. 1 bis 9 gezeigten Ausgestaltungen ist ein sich drehendes Testobjekt 14 vorgesehen. Das Testobjekt 14 kann aber ein beliebiges Testobjekt 14 sein, an welchem Belastungen zu messen sind. Beispielsweise könnte das Testobjekt 14 auch eine Membran 112 eines Drucksensors 110 sein, wie er in Fig. 10 gezeigt ist. Der Drucksensor 110 ist somit ein weiteres Ausführungsbeispiel für die Belastungsmessanordnung 16. In den Figuren 10 und 11 ist eine Ausführungsform eines Drucksensors 110 dargestellt, der wenigstens eine durch einen Druck zu beaufschlagende Membran, hier in Form einer ersten Membran 112, und eine magnetoelastische
Spannungserfassungseinrichtung, hier in Form einer ersten magnetoelastischen Spannungserfassungseinrichtung 114, zum magnetoelastischen Erfassen einer durch die Druckbeaufschlagung bedingten mechanischen Spannung aufweist. Bei den dargestellten Ausgestaltungen ist eine magnetoelastische
Spannungserfassungseinrichtung vorgesehen, die mit einer aktiven
Aufmagnetisierung arbeitet.
Bei den dargestellten Ausführungsformen ist die mit Druck zu beaufschlagende Membran eine erste Membran 112, wobei durch die Druckbeaufschlagung der ersten Membran 112 verursachte mechanische Spannungen durch eine erste magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtung 114 erfasst werden.
Bei bevorzugten Ausgestaltungen ist weiter eine zweite Membran 116
vorgesehen, wobei eine zweite magnetoelastische
Spannungserfassungseinrichtung 118 der zweiten Membran 116 in analoger Weise zugeordnet ist, wie die erste magnetoelastische
Spannungserfassungseinrichtung 114 der ersten Membran 112 zugeordnet ist. Flierdurch lässt sich eine besonders genaue Differenzmessung erzielen.
Bei den dargestellten Ausführungsformen ist die wenigstens eine Membran 112, 116 aus einem Körper 48 gebildet, der zumindest an dem Messbereich 11 mit der Schicht 13 aus ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall versehen ist. Damit ist die Membran 112, 116 an einem Oberflächenbereich aus einem ferromagnetischen Material gebildet und die entsprechend zugeordnete magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtung 114, 118 ist dazu
ausgebildet, mechanische Spannungen in der zugeordneten Membran 112, 116 magnetoelastisch zu erfassen. Aufgrund der Beschichtung mit dem amorphen oder nanokristallinen Material das Material des Hauptkörpers der Membran 112, 116 entsprechend der gewünschten Eigenschaften des Drucksensors 1 10 ausgewählt werden. Die Membran 112, 116 könnte z.B. keramisch oder insbesondere aus Edelstahl ausgebildet werden.
Die erste und die zweite magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtungen 114, 118 sind analog aufgebaut, wobei deren gemeinsamer Aufbau im Folgenden nur anhand der ersten magnetoelastischen Spannungserfassungseinrichtung 114 anhand Fig. 11 näher erläutert wird.
Die magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtung 114, 118 weist wenigstens eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 120 zum Erzeugen eines durch den Bereich, an dem Spannungen zu erfassen sind, laufenden
Magnetfeldflusses auf. Weiter weist die magnetoelastische
Spannungserfassungseinrichtung 114, 118 eine
Magnetfeldflusserfassungseinrichtung 122 zum Erfassen eines Magnetfeldflusses in dem Bereich auf, an dem mechanische Spannungen zu erfassen sind.
Mechanische Spannungsänderungen an einer insbesondere aus einem
weichmagnetischen Material gebildeten Oberfläche eines Körpers führen aufgrund des magnetoelastischen Effekts zu Permeabilitätsänderungen und so zu
Änderungen eines in die Oberfläche induzierten Magnetfeldflusses. Dieser Effekt wird bei dem dargestellten Drucksensor 110 ausgenutzt, um Spannungen in der durch Druck beaufschlagten Membran 112, 116 unmittelbar zu erfassen. Diese Spannungen sind ein Maß für den auf die Membran wirkenden Druck.
Anders als bei Drucksensoren, bei denen eine Auslenkung der Membran gemessen wird, wird bei dem Drucksensor 110 eine Spannung in der Membran gemessen. Die Membran 114, 116 muss sich demnach nicht auslenken, um ein Signal zu erzeugen. Entsprechend kann die Membran 114, 116 auch dick ausgeführt werden. Es kann somit ein Drucksensor 110 mit sehr großem
Messbereich geschaffen werden.
Demnach ist die Magnetfelderzeugungseinrichtung 120 dazu ausgebildet, einen Magnetfluss zu erzeugen, der durch den Bereich der zugeordneten Membran 112, 116, an dem Spannungen zu erfassen sind, fließt und die Magnetfeldflusserfassungseinrichtung 122 ist dazu ausgebildet, durch
mechanische Spannungen verursachte Änderungen an dem Magnetfeldfluss, wie insbesondere Richtungsänderungen der Magnetflusslinien, zu erfassen.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 120 weist wenigstens eine Erregerspule 124 und einen Erregerspulenkern 126 auf. Die
Magnetfeldflusserfassungseinrichtung 122 weist wenigstens eine Messspule 128 und einen Messspulenkern 130 auf. Die Anordnung kann analog wie bei den in den Fig. 1 bis 5 gezeigten Sensorköpfen sein.
Für weitere Einzelheiten zu dem Aufbau der magnetoelastischen
Spannungserfassungseinrichtung 114, 118 wird auf die DE 10 2016 122 172 A1 verwiesen.
Für weitere Einzelheiten für den Drucksensor 110 und dessen mögliche
Abwandlungen, Ausführungsformen, Funktionen, Verwendungen und Vorteile wird auf die nicht vorveröffentlichte deutsche Patentanmeldung 10 2017 104 547.3 verwiesen.
Bezugszeichenliste:
10 Sensorkopf
11 Messbereich
11 a erster Messbereich
11 b zweiter Messbereich
12 Belastungsmessvorrichtung
13 Schicht aus ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall
13a erste Schicht
13b zweite Schicht
14 Testobjekt
16 Belastungsmessanordnung
18 Magnetfelderzeugungseinrichtung
20 erste Magnetfelderfassungseinrichtung
22 zweite Magnetfelderfassungseinrichtung
26 Magnetfeldsensor
26-1 erster Magnetfeldsensor
26-2 zweiter Magnetfeldsensor
27 Festkörpermagnetfeldsensor
28 X-Anordnung
30 Flusskonzentrator
32 V-Anordnung
34 Planarspule
36 Leiterplattenelement
40 Drehwinkelerfassungseinrichtung
42 Auswerteeinrichtung
44 Drehachse
46 Welle
48 Körper
110 Drucksensor
112 erste Membran
114 erste magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtung
116 zweite Membran
118 zweite magnetoelastische Spannungserfassungseinrichtung
120 Magnetfelderzeugungseinrichtung Magnetfeldflusserfassungseinrichtung Erregerspule
Erregerspulenkern
Messspule
Messspulenkern

Claims

Ansprüche:
1. Belastungsmessanordnung (16) umfassend ein Testobjekt (14) und eine Belastungsmessvorrichtung zur Messung einer Belastung an dem Testobjekt, wobei die Belastungsmessvorrichtung (12) eine Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds an einem Messbereich (11 ) des Testobjekt (14) und eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung ändernden Magnetfeldparameters aufweist, dadurch gekennzeichnet,
dass der Messbereich (11 ) eine Schicht (13) aus einem ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall mit maximaler Korngröße kleiner 1 pm aufweist.
2. Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 1 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Testobjekt (14) einen Körper (48) aus einem nicht-ferromagnetischen Material oder aus einem ferromagnetischen Material mit einer elektrisch leitenden nicht ferromagnetischen Trennschicht enthält, der zumindest an dem Messbereich (11 ) eine Beschichtung (13) aus dem ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall aufweist.
3. Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 2,
dadurch gekennzeichnet,
dass der Körper (48) aus oder mit einem nicht-ferromagnetischen Material aus der Gruppe gebildet ist, die Edelstahl, Aluminium, Kunststoff, faserverstärkter
Kunststoff, GFK, CFK enthält.
4. Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass das amorphe oder nanokristalline Metall
4.1 ein metallisches Glas ist und/oder
4.2 eine Metalllegierung ist, die wenigstens ein Metall aus der Gruppe Eisen, Nickel, Kobalt und Molybdän aufweist; und/oder
4.3 eine Metalllegierung ist, die wenigstens einen Glasbildner aufweist;
und/oder
4.4 eine Metalllegierung ist, die wenigstens einen Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor aufweist; und/oder
4.5 eine Metalllegierung ist, die 2 bis 30 Atom-Prozent wenigstens eines Glasbildners, insbesondere aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor, aufweist;
4.5 Chemisch Nickel mit einem Phosphorgehalt von 2 bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 9 Gew.-%, aufweist oder ist; und/oder
4.6 eine Metalllegierung ist, die 65 bis 95 Atom-Prozent eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel und 5 bis 35 Atom-Prozent eines oder mehrere Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor enthält.
5. Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
5.1 dass die Schicht (13) aus amorphem oder nanokristallinem Metall nur partiell an dem Testobjekt (14) vorgesehen ist und/oder
5.2 dass die Schicht (13) aus amorphen oder nanokristallinen Metall eine flächig durchgängige Schicht ohne Unterbrechungen aufweist, an der sowohl die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) als auch die eine erste und eine zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) angeordnet ist.
6. Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden
Ansprüche,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Testobjekt (14) relativ zu der Belastungsmessvorrichtung (12) um eine Drehachse (44) drehbar ist.
7. Belastungsmessanordnung (16) nach Anspruch 5 und nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet,
dass ein erster Messbereich (11 a) des Testobjekts (14) eine bezüglich der Drehachse (44) in Umfangsrichtung gleichmäßig durchgängige Schicht (13a) aus dem amorphen oder nanokristallinen Metall aufweist und an einem zu dem ersten Messbereich (11a) in Richtung der Drehachse (44) axial verlagerten zweiten Messbereich (11 b) eine zweite Schicht (13b) aus dem amorphen oder
nanokristallinen Metall aufweist, die nur auf einem Teil des Umfangs vorgesehen ist und/oder einen sich abhängig von der Umfangsposition ändernden,
magnetfeldbeeinflussenden Materialparameter aufweist.
8. Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Belastungsmessvorrichtung (12) einen Sensorkopf (10) aufweist,
8.1 der eine Magnetfelderzeugungsspule, eine erste Magnetfeldmessspule und eine zweite Magnetfeldmessspule in einer V-Anordnung (32) aufweist, oder
8.2 der eine Magnetfelderzeugungsspule und eine erste bis vierte
Magnetfeldmessspule in einer X-Anordnung (28) aufweist.
9. Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum aktiven Erzeugen eines radialen Magnetfelds an dem Messbereich des Testobjekts ausgebildet ist
10. Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden
Ansprüche, dadurch gekennzeichnet,
dass die Belastungsmessanordnung (16) als Drucksensor (110) mit wenigstens einer Membran (112, 116) als Testobjekt (14) ausgebildet ist.
11. Herstellverfahren zum Herstellen einer Belastungsmessanordnung (16) nach einem der voranstehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch
a) Bereitstellen eines Testobjekts (14) aus einem nicht-ferromagnetischen Material oder eines ferromagnetischen Testobjektes mit einer nicht
ferromagnetischen, elektrisch leitenden Trennschicht,
b) zumindest teilweises Beschichten des Testobjekts (14) mit einem ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall mit maximaler
Korngröße kleiner als 1 miti, um einen Messbereich (11 ) zu bilden, c) Bereitstellen einer Belastungsmessvorrichtung (12) mit einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds an dem Messbereich (11 ) des Testobjekts (14) und einer ersten und einer zweiten
Magnetfelderfassungseinrichtung (20, 22) zum Erfassen eines sich aufgrund der Belastung an dem Messbereich (11 ) ändernden Magnetfeldparameters, und d) Anordnen der Belastungsmessvorrichtung (12) an dem Messbereich (11 ).
12. Herstellverfahren nach Anspruch 11 ,
dadurch gekennzeichnet,
dass Schritt b) wenigstens einen oder mehrere der folgenden Schritte umfasst: b1 ) Abscheiden, insbesondere galvanisches oder chemisches Abscheiden, einer Legierung aus wenigstens einem Glasbildner und wenigstens einem Metall mit ferromagnetischen Eigenschaften auf dem Testobjekt (14), wobei das
Abscheiden so schnell erfolgt, dass ein amorphes oder nanokristallines Metall mit maximaler Korngröße kleiner 1 pm entsteht;
b2) Abscheiden von Chemisch Nickel mit einem Phosphorgehalt von 2 bis 12 Gew.-%, vorzugsweise 5 bis 9 Gew.-%;
b3) Beschichten mit einer Schichtdicke größer als 10 pm, insbesondere zwischen 10 pm und 500 pm;
b4) Beschichten eines bezüglich einer Achse des Testobjekts (14) umlaufenden Umfangsbereich des Testobjekts (14);
b5) partielles Beschichten eines bezüglich einer Achse des Testobjekts (14) umlaufenden Umfangsbereichs des Testobjekts (14);
b6) Erzeugen einer Umfangspositionssignatur an einer Umfangsstelle an dem Testobjekt (14) durch partiellen Auftrag der Beschichtung (13b), durch
Strukturierung der Beschichtung oder durch Erzeugen der Beschichtung (13b) mit einem an dieser Umfangsstelle geänderten magnetfeldbeeinflussenden
Materialparameter;
b 7) Erzeugen einer flächig durchgängigen Schicht ohne Unterbrechungen; b8) Abscheiden eines metallischen Glases;
b9) Abscheiden einer Legierung, die wenigstens ein Metall aus der Gruppe Eisen, Nickel, Kobalt und Molybdän aufweist;
b10) Abscheiden einer Legierung, die wenigstens einen Glasbildner aufweist; b11 ) Abscheiden einer Legierung, die wenigstens einen Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor aufweist;
b12) Abscheiden einer Legierung, die 2 bis 30 Atom-Prozent wenigstens eines Glasbildners, insbesondere aus der Gruppe Silizium, Bor und Phosphor, aufweist; b13) Abscheiden einer Legierung, die 65 bis 95 Atom-Prozent eines oder mehrerer Metalle aus der Gruppe Eisen, Kobalt und Nickel und 5 bis 35 Atom- Prozent eines oder mehrere Glasbildner aus der Gruppe Silizium, Bor und
Phosphor enthält.
13. Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung an einem aus nicht-ferromagnetischen Material gebildeten Testobjekt (14), umfassend:
Beschichten zumindest eines Messbereichs (11 ) des Testobjekts (14) mit einem ferromagnetischen amorphen oder nanokristallinen Metall mit maximaler
Korngrößen kleiner als 1 miti,
aktives Erzeugen eines Magnetfelds in dem Messbereich,
Erfassen einer Änderung eines Magnetfeldparameters aufgrund einer Belastung an dem Testobjekt (14).
14. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 13,
dadurch gekennzeichnet,
dass es mit einer Belastungsmessanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10 oder mit einer Belastungsmessanordnung erhältlich mit einem Herstellverfahren nach einem der Ansprüche 11 oder 12 durchgeführt wird.
15. Belastungsmessverfahren nach Anspruch 13 oder 14,
dadurch gekennzeichnet,
dass das Magnetfeld bezüglich einer Drehachse des Testobjekts radial erzeugt wird.
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