Schaltungsanordnung zum Betreiben eines magnetoelastischen Sensors

Stand der Technik

Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben eines magnetoelastischen Sensors nach der Gattung des Hauptan¬ spruches. Ferromagnetische Materialien, insbesonde e amorphe Metalle oder Nickeleiseή-Legierungen, ändern ihre Permeabilität in der Rich¬ tung, in der Zug- oder Druckkräfte auf sie einwirken. Dieser soge¬ nannte magnetoelastische Effekt wird zum Messen von Kräften und Drehmomenten genutzt. Die Permeabilitätsänderung des Meßobjekts wird von einer Sensorspule erfaßt, die so nahe am Meßobjekt angebracht ist, daß eine magnetische Kopplung stattfindet.

Aus der Patentanmeldung DE-P 35 34 460.1 ist eine Schaltungsan¬ ordnung zum Betreiben eines solchen magnetoelastischen Sensors be¬ kannt. Ein Wechselspannungsgenerator speist eine Spannungs¬ teilerschaltung, die aus der Reihenschaltung von einem Widerstand und der Sensorspule besteht, mit einem Wechselstrom vorgegebener Frequenz. Die Spannung an der Sensorspule wird erfaßt und aus¬ gewertet. Eine Permeabilitätsänderung des Materials des Meßobjektes hat eine Spannungsänderung an der Sensorspule zur Folge, die ein Maß für die mechanische Einwirkung auf das Meßobjekt darstellt. Die

Spannung an der Sensorspule hängt nicht nur von der Permeabilität des Meßobjektes sondern auch vom Abstand zwischen der Sensorspule und de'm Meßobjekt ab, da sich die magnetische Kopplung ändert. Eine ein- deutige Kraftmessung setzt somit einen konstanten Abstand zwischen Sensorspule und Meßobjekt voraus. Bei der Konstruktion eines magne- toelastischen Sensors muß ein erheblicher Aufwand getrieben werden, um eine Abstandsänderung zwischen Sensorspule und Meßobjekt zu ver- meiden oder sehr enge Toleranzen einzuhalten. Eine Sensorkonstruk- tion, die diesen Gesichtspunkt weitgehend berücksichtigt, ist beispielsweise aus der DE-OS 34 36 643 bekannt.

Vorteile der Erfindung

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat demgegenüber den Vor¬ teil, daß eine Abstandsänderung zwischen der Sensorspule und dem Meßobjekt nahezu keinen Einfluß mehr auf das Sensorsignal hat. Die Sensorspule ist ^" mit einem "Kondensator zu einem Schwingkreis ergänzt, dessen Dämpfung von-einem Dämpfungswiderstand festgelegt ist. Ein Wechselspannungsgenerator ist zur Energieversorgung des Schwing¬ kreises vorgesehen. Der Widerstandswert des Dämpfungswiderstandes, die Induktivität der Sensorspule, die Kapazität des Kondensators so¬ wie die Frequenz des Wechselspannungsgenerators sind derart aufein¬ ander abgestimmt, daß eine Abstandsänderung bei gegebenen Meßob¬ jektmaterial nahezu keinen Einfluß mehr auf das Sensorsignal hat.

Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor¬ teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Schal¬ tungsanordnung möglich.

Der Schwingkreis kann als Serien- oder Parallelschwingkreis aus¬ gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Dämpfungs¬ widerstand in Reihe zu einem Parallel-Schwingkreis, bestehend aus Kondensator und Sensorspule, geschaltet ist. Mit dieser Schaltungs-

Variante wird ein gegebenenfalls erforderlicher Anpaßwiderstand zwi¬ schen dem Schwingkreis und dem Wechselspannungsgenerator überflüs¬ sig.

Zweckmäßigerweise wird das an der Sensorspule anliegende Sensor¬ signal gleichgerichtet und in einer nachfolgenden Siebschaltung in eine Gleichspannung umgewandelt, die in einem nachfolgenden Gleich¬ spannungsverstärker auf passende Werte verstärkt wird.

Günstig ist es, wenn zwischen dem Gleichspannungsverstärker und der Siebschaltung eine Tiefpaßanordnung vorgesehen ist.

Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bringt eine große Ersparnis bei der Sensorkonstruktion, da präzisionsmechanische Teile entfal¬ len. Auf einfache Weise wird die Drehmomenterfassung an rotierenden Teilen möglich. Bislang waren mehrere Sensoren zur Durchführung die¬ ser Messung erforderlich.

Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfin¬ dungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus der folgenden Be¬ schreibung.

Zeichnung

Figur 1 zeigt einen magnetoelastischen Sensor, bestehend aus einer Sensorspule und einem Meßobjekt, Figur 2 zeigt eine erfindungsgemäße Schaltungsanordnung zum Betreiben des magnetoelastischen Sensors ge¬ mäß Figur 1 , und Figur 3 zeigt Meßspannungen an der Sensorspule als Funktion der Frequenz eines in Figur 2 gezeigten Wechselspannungs¬ generators.

Beschreibung des Ausführungsbeispiels

Figur 1 zeigt ein Meßobjekt 10, das aus einem Material besteht, wel¬ ches den magnetoelastischen Effekt zeigt. Auf das Meßobjekt 10 wird eine Zugkraft 12 ausgeübt. In einem Abstand 14 zu dem Meßobjekt 10 ist eine Sensorspule 16 angeordnet.

Figur 2 zeigt eine Wechselspannungs-Energiequelle 20, die aus einem Wechselspannungsgenerator 22 und einem Innenwiderstand 24 besteht. Die Wechselspannung steht an den beiden Anschlüssen 26, 28 zur Ver¬ fügung. Eine Parallelschaltung, bestehend aus der Sensorspule 16 und einem Kondensator 30 ist über einen Dämpfungswiderstand 32 an die beiden Klemmen 26, 28 geschaltet. An der Sensorspule 16 ist ein Sen¬ sorsignal 3 abnehmbar. Das Sensorsignal 34 wird über eine Diode 36 einer Siebschaltung 38, bestehend aus einem Siebkondensator 40 und einem Ableitwiderstand 42, zugeführt. Die gesiebte Signalspannung 44 gelangt über eine ^* Tief aßanordnung 46, die aus einem Widerstand 48 und einem Tiefpäßkondensator 50 gebildet wird, an eine Verstärker¬ anordnung 52. Die Verstärkeranordnung 52 ist als invertierende Ope¬ rationsverstärker-Schaltung 54 ausgebildet, deren Verstärkungsfaktor mit den beiden Widerständen 56, 58 einstellbar ist.

Figur 3 zeigt einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Frequenz (f) des Wechselspannungsgenerators 22 und des Sensorsignals 34 (U). Als Parameter sind ein unterschiedlicher Abstand 14 zwischen der Sensorspule 16 und dem Meßob ekt 10 sowie eine unterschiedliche Zug¬ kraft 12 vorgesehen. Den beiden Kurven 60, 62 liegt ein unterschied¬ licher Abstand 14 der Meßspule 16 von dem Meßobjekt 10 zugrunde, wo¬ bei auf das Meßobjekt 10 jeweils keine Zugkraft 12 ausgeübt wird. Der Kurve 60 liegt ein größerer Abstand 14 zugrunde als der Kurve 62. Die beiden Kurven 60, 62 schneiden sich in einem Schnittpunkt

64. Die beiden Kurven 66, 68 werden erhalten, wenn auf das Meßobjekt 10 eine Zugkraft 12 ausgeübt wird. Der Kurve 66 liegt ein größerer Abstand 14 als der Kurve 68 zugrunde. Die beiden Kurven 66,68 schneiden sich in einem Schnittpunkt 70. Die beiden Schnittpunkte 64, 70 liegen in Ordinatenrichtung nahezu übereinander. Sie liegen bei einer Frequenz F des Wechselspannungsgenerators 22.

Anhand von Meßvorgängen, denen unterschiedliche Abstände 14 und ver¬ schiedene Zugkräfte 12 zugrundeliegen, wird die Wirkung der Schal¬ tungsanordnung nach Figur 2 anhand der in Figur 3 gezeigten Kurven näher erläutert:

Die Wechselspannungs-Energiequelle 20 erzeugt in der Sensorspule 16 einen Stromfluß. Das von der stromdurchflossenen Wicklung der Sen¬ sorspule 16 erzeugte magnetische Wechselfeld erfaßt das Meßobjekt 10, so daß die elektrischen Eigenschaften der Sensorspule 16 von dem Meßobjekt 10 beeinflußt werden. Zunächst bestimmt die Permeabilität des Meßobjektes 10 die Induktivität der Meßspule 16. Da sich die Permeabilität ferromagnetischer Stoffe unter ¹ Zug- oder Druckbe¬ lastung sowie bei Torsionsbeanspruchung ändert, kann berührungsfrei der mechanische Spannungszustand des Meßobjektes 10 gemessen werden. Dabei kann das Meßobjekt 10 beispielsweise vollständig aus ferromag- netischem Material hergestellt sein, es ist jedoch auch möglich, auf die Oberfläche eines nichtferromagnetischen Teiles eine dünne Schicht aus ferromagnetischem Material aufzubringen. Die Indukti¬ vität der Sensorspule 16 ist weiterhin auch eine Funktion des Ab- standes der Spule 16 von dem Meßobjekt 10. Ein geringerer Abstand hat eine höhere Induktivität zur Folge.

Die elektrischen Eigenschaften der Meßspule 16 werden von einem zweiten Effekt bestimmt. Das magnetische Wechselfeld induziert in die metallene Oberfläche des Meßobjektes 10 Wirbelströme, die ein

Absinken der Induktivität bewirken. Auch der Einfluß der Wirbel- ströme ist eine Funktion von dem Abstand der Sensorspule 16 von dem Meßobjekt 10. Beide Effekte vergrößern sich mit kleiner werdendem Abstand 1 .

Die in Figur 3 gezeigte Kurve 60 ist einem bestimmten Abstand 14 zwischen der Sensorspule 16 und dem Meßobjekt 10 von beispielsweise 0,6 mm zugeordnet. Dargestellt ist die Amplitude des Wechselspan- nungs-Sensorsignals 34 als Funktion der Frequenz f des Wechselspan¬ nungsgenerators 22. Das Meßobjekt 10 sei zunächst entlastet, es wir¬ ke keine Zugkraft 12. Beim Auftreten einer Zugkraft 12 geht die Kur¬ ve 60 in die Kurve 66 über, wobei der Abstand 14 weiterhin 0,6 mm beträgt. Das Maximum der Kurve 66 ist gegenüber dem Maximum der Kur¬ ve 60 zu einer höheren Frequenz f hin verschoben. Eine auf das Me߬ objekt 10 wirkende Zugkraft 12 bewirkt im gezeigten Beispiel eine Permeabilitätsabsenkung. Je nach Material kann sich auch eine Perme¬ abilitätserhöhung ergeben.

Die beiden folgenden Meßvorgänge, deren Ergebnisse die beiden Kurven 62, 68 zeigen, werden bei einem kleineren Abstand 14 von beispiels¬ weise 0,2 mm zwischen Spule 16 und Meßobjekt 10 durchgeführt. Der geringere Abstand 14 erhöht den Einfluß der Wirbelströme und erhöht gleichzeitig den Einfluß der Permeabilität des Meßobjektes 10 auf die Meßspule 16. Als Resultat ergebe sich die Kurve 62, deren Maxi¬ mum gegenüber dem der Kurve 60 zu einer niedrigeren Frequenz f hin verschoben ist. Die beiden Kurven 60, 62 weisen bei einer bestimmten Frequenz F einen Schnittpunkt 64 auf. Die Einwirkung einer Zugkraft 12 führt, ausgehend von der Kurve 62, zu einem Resultat, das die Kurve 68 zeigt. Die Zugkraft 12 verringert die Permeabilität des Meßobjekts 10, wodurch sich das Maximum der Kurve 68 gegenüber dem Maximum der Kurve 62 zu einer höheren Frequenz f hin verschiebt. Die Kurve 68 schneidet die Kurve 66 in dem Schnittpunkt 70, der nahezu bei der Frequenz F liegt.

Die Meßkurven 60, 62, 66, 68, die eine Funktion der Frequenz f sind, zeigen, daß bei einer bestimmten Frequenz F die Höhe des Sensor¬ signals 34 nahezu nur vom mechanischen Spannungszustand des Meß- _\ Objekts 10, nicht jedoch vom Abstand 14 zwischen der Sensorspule 16 und dem Meßobjekt 10 abhängt. Die beiden Schnittpunkte 64 und 70 liegen nicht exakt sondern nur näherungsweise bei der bestimmten Frequenz F.

Die Positionen der Schnittpunkte 64, 70 hängen von den Material¬ eigenschaften des Meßobjektes 10 ab, die fest vorgegeben sind. Die geeignete Wahl der Meßfrequenz f, die zum Wert F wird, der Induk¬ tivität der Meßspule 16, der Kapazität des Kondensators 30 sowie des Widerstandswertes des Dämpfungswiderstandes 32 eliminiert die Ab¬ standsabhängigkeit des Meßergebnisses weitgehend. Die experimentell gefundenen Werte werden fest eingestellt und gelten für ein bestimm¬ tes Material des Meßobjekts 10.

.Das Sensorsignal 34, -das als Wechselspannung mit der bestimmten ^' Frequenz F vorliegt, wird mit der Diode 36 gleichgerichtet. Das Siebglied 38 glättet die gleichgerichtete, pulsierende Wechsel¬ spannung. Der Siebkondensator 40 ist ergänzt durch den parallel ge¬ schalteten Ableitwiderstand 42. Ohne Ableitwiderstand 42 wäre nur eine Spitzenwerterfassung möglich. Eine noch verbleibende Welligkeit des Signals beseitigt der Tiefpaß 46, der aus einer Widerstands- Kondensator-Kombination 48, 50 besteht. Die nach dem Tiefpaß auf¬ tretende Gleichspannung wird in einer Verstärkeranordnung 52 auf einen gewünschten Signalpegel verstärkt, so daß die Signalspannung einen proportionalen oder nahezu proportionalen Wert zur Sensor¬ spannung 3 annimmt. Verwendet wird eine invertierende Verstärker¬ schaltung mit einem Operationsverstärker 54, deren Verstärkungs-

_* faktor in bekannter Weise mit den beiden Widerständen 56 und 58 ein¬ gestellt wird. t

Anstelle des in Figur 2 gezeigten Parallelschwingkreises, bestehend aus der Meßspule 16 und dem Kondensator 30, ist es auch möglich, einen Serienschwingkreis zu verwenden. Auch bei einem Serien¬ schwingkreis wird das Sensorsignal 34 an der Meßspule 16 abgegriffen.

Der Dämpfungswiders and 32 kann bei dem in Figur 2 gezeigten Paral¬ lelschwingkreis auch parallel zur Meßspule 16 geschaltet werden, wenn die Wechselspannungs-Energiequelle 20 als Stromquelle aus¬ gebildet ist. Die in Figur 2 gezeigte Schaltungsvariante, bei der der Dämpfungswiderstand 32 in Serie zum Parallelschwingkreis ge¬ schaltet ist, weist den Vorteil auf, daß die Wechselspannungs- Energiequelle 20 als Wechselspannungsgenerator 32 mit einem Innen¬ widerstand 24 ausgebildet sein kann. Diese Ausführung entspricht weitgehend den praktischen Gegebenheiten.