AT501015A1 - Sensoreinrichtung mit einem magnetischen sensorelement - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einem magnetischen Sensorelement, das von Halteelementen gehalten ist, und dem elektrische Wicklungsmittel zugeordnet sind, sowie weiters eine vorteilhafte Verwendung einer solchen Sensoreinrichtung.

Sensoreinrichtungen, insbesondere in kleiner Bauweise und in Kleinst-Bauweise, gewinnen auf verschiedensten Gebieten, wie in der Kraftfahrzeugtechnik, aber auch in der Medizintechnik und in vielen anderen Gebieten, immer mehr an Bedeutung. Beim Bau von derartigen Sensoreinrichtungen sind magnetische Effekte und magnetische Materialien von Bedeutung, und sie werden für die Realisierung von Sensoren mit hoher Genauigkeit eingesetzt, etwa für Sensoren zum Erfassen von Positionen, von Zug- oder Druckbelastungen, von elektromagnetischen Feldern und dgl. physikalischen Größen. Ein Problem bei derartigen Sensoreinrichtungen liegt jedoch in der Abhängigkeit von der Umgebung, nämlich von Umgebungsfeldern, von der Umgebungstemperatur, aber auch in der Abhängigkeit von mechanischen Belastungen, wenn sie zum Erfassen von Feldstärken oder ähnlichen Parametern verwendet werden. Es besteht demgemäß ein Bedarf an einer intelligenten Sensoreinrichtung, die eine derartige gegenseitige Beeinträchtigung von physikalischen Messgrößen vermeidet, indem eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen physikalischen Größen ermöglicht wird.

Es ist daher Ziel der Erfindung, eine Sensoreinrichtung vorzusehen, bei der die genannten gegenseitigen Abhängigkeiten beherrscht werden und insbesondere gegenüber Temperaturänderungen unempfindliche Messergebnisse erhalten werden können. Weiters wird angestrebt, eine „gleichzeitige" Erfassung von mechanischen Belastungen, Feldstärken und Temperatur mit ein und derselben Sensoreinrichtung zu ermöglichen.

Zur Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe wird eine Sensoreinrichtung wie in Anspruch 1 definiert vorgeschlagen. Vorteilhafte Ausführungsformen dieser Sensoreinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben, ebenso wie eine besonders vorteilhafte Verwendung einer solchen Sensoreinrichtung.

Bei der vorliegenden Sensoreinrichtung ist somit das Sensor- ····· · · · • · ··· · · · • · · ···· t · · ··· «···· ·· _··£* __ · · ·· · element ein „lineares" magnetostriktives (ferromagnetisches) Element, insbesondere in Form eines länglichen Zylinders bzw. Drahts oder eines Bandes mit einer Form-Anisotropie, wobei die Längenerstreckung, das Längenmaß, wesentlich größer ist als die Quererstreckung, also eine Breite bzw. Dicke oder ein Durchmesser; insbesondere beträgt das Verhältnis von Längenabmessung zu Querabmessung mindestens 1000. Das magnetostriktive längliche, lineare Sensorelement wird vorgespannt, und es wird insbesondere mit Hilfe der Halteelemente selbst elektrisch angeschlossen. Die Halteelemente sind bevorzugt Kupfersubstrate. Weiters wird das magnetostriktive Sensorelement z.B. mit Hilfe eines Permanentmagneten, insbesondere eines Permanentmagnetstabes, oder einer Spule vormagnetisiert. An den beiden Enden des linearen Sensorelements sind Wicklungen bzw. Spulen aufgebracht, wobei die eine Wicklung, am einen Ende, als Erregerwicklung zum Generieren eines Magnetfeldes entlang des Sensorelementes dient, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflossen wird, wogegen die Wicklung oder Spule am anderen Ende des Sensorelements als Prüf- bzw. Abtast- bzw. Messspule dient. Wesentlich ist somit für die vorliegende Sensoreinrichtung, dass das eingesetzte magnetostriktive Sensorelement sowohl mechanisch vorgespannt als auch vormagnetisiert vorliegt. Die Sensoreinrichtung kann dann in drei verschieden Betriebsarten betrieben werden, nämlich als magnetostriktive Verzögerungsstrecke oder -leitung (MDL - magnetostrictive delay line), als magneto-induktives Element (MI-Element) und als Spontan-Fluss-umkehreinheit (Ummagnetisierungseinheit) (REF - re-entrant flux reversal).

Es sei hier erwähnt, dass an sich die MDL-Technik ebenso wie der MI-Effekt bereits bekannt sind, vgl. etwa die Dokumente E. Hristoforou, „Magnetostricive delay lines" Engineering Theory and Sensing Applications, Review Article, Meas. Sei. & Technol., 14, S. R15-R47, 2003; bzw. K. Mohri, K. Bushida, M. Noda, H. Yoshida, L.V. Pania, T. Uchiyama, „Magneto-impedance element", IEEE Transactions on Magnetics, 31, S. 2455-2460, 1995. Ebenso ist der Effekt der spontanen Flussumkehrung bekannt, vgl. beispielsweise das Dokument E. Hrisoforou and D. Niarchos, „Me-chanical Sensors Based on Re-Entrant Flux Reversal", IEEE Trans. Mag., Vol. 28, S. 2190-2192, 1992.

I t · ···· · · • · · · · · · ·· *·^· _^ · · ··

Wenn die vorliegende Sensoreinrichtung in der Betriebsart einer magnetostriktiven Verzögerungsleitung (MDL-Betrieb) betrieben wird, wird ein gepulster Strom durch die Erregerspule geführt. Dadurch wird ein pulsförmiges Magnetfeld längs des magnetostriktiven Sensorelements bewirkt, welches gepulste Mikroverformungen im Bereich des Sensorelements innerhalb der Erregerspule zufolge des Magnetostriktions-Effektes erzeugt. Diese pulsförmigen Mikroverformungen pflanzen sich dann in Längsrichtung des dünnen zylindrischen oder bandförmigen Sensorelements fort, vergleichbar longitudinalen akustischen Pulssignalen. Wenn eine derartige pulsförmige Mikroverformung im Bereich der Messspule ankommt, wird als sie Flussänderung erfasst, und es wird ein pulsförmiges Ausgangs-Spannungssignal erhalten, welches zufolge des inversen Magnetostriktions-Effekts proportial zur ersten Ableitung des propagierenden Mikroverformungs-Pulses ist.

Der Permanentmagnet oder die Spule orientiert die magnetischen Dipole im Sensorelement in einer vorgegebenen Ausrichtung, so dass die Erzeugung und Detektion der gepulsten Mikroverformung in wiederholbarer Form möglich ist. Auf diese Weise wird eine von Null abweichende Signalantwort ermöglicht. Durch die Vormagnetisierungswirkung des Permanentmagneten wird auch ein etwaiger Beitrag von Umgebungsfeldern bei der Erzeugung und Detektion der „akustischen" Impulse vernachlässigbar.

Mit der vorliegenden Sensoreinrichtung ist eine Optimierung im MDL-Betrieb möglich, da alle reflektierten Signale an den Enden des ferromagnetischen Sensorelements zum Hauptimpuls hinzu addiert werden. Wenn mit Hilfe der Halteelemente, insbesondere Kupfersubstrate, das magnetostriktive Sensorelement unter Vorspannung gesetzt wird, wobei darunter eine Zug-, Druck- oder aber auch eine Drehmoment-Aufbringung zu verstehen ist (d.h. das Sensorelement wird mit Hilfe der Halteelemente in Verwindungsrichtung vorgespannt, d.h. verdreht), so führt dies entweder zu einer Verringerung der pulsförmigen AusgangsSpannung, wenn das Sensorelement eine positive Magnetostriktionskonstante hat, oder aber zu einer Ausgangssignal-Erhöhung, wenn das Sensorelement eine negative Magnetostriktionskonstante hat. Dies ist entweder auf die parallele oder aber auf die rechtwinkelige Ausrichtung der magnetischen Dipole relativ zur Achse des Sensorelements, entsprechend der Art des magnetostriktiven Materials (positiv bzw. negativ) im Hinblick auf die aufgebrachte Vorspannung zurückzuführen. Ein zusätzliches magnetisches Feld führt zu einer Abnahme der Ausgangsspannung, wenn das Magnetfeld versucht, die magnetischen Dipole längs der Achse auszurichten. Im Hinblick darauf, dass das magnetostriktive Element vorgespannt ist, ergibt sich eine monotone Abhängigkeit von einer mechanischen Last und von Magnetfeldern, wobei ein exponentieller Verlauf feststellbar ist, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird.

Die MI-(Magneto-induktive)Betriebsart basiert auf der Übertragung eines sinusförmigen Stroms mit entsprechend stabilisierter Amplitude und Frequenz über die bevorzugt als solche elektrisch leitend ausgebildeten Halteelemente, insbesondere Kupfer-Substrate. Auch wenn an sich die Anwendung von hohen Frequenzen, z.B. bei etwa 500 MHz, (im Hinblick auf einen so genannten „Riesen-Magneto-Impedanz-Effekt", auch GMI-Effekt genannt; GMI - giant magneto-impedance) denkbar ist, wird bei der vorliegenden Sensoreinrichtung doch die Verwendung von niedrigen Frequenzen, z.B. im Bereich von 10 bis 100 kHz, im Hinblick auf eine besser wiederholbare Sensorbetriebsweise bevorzugt; die Ausnützung des vorgenannten GMI-Effekts soll aber nicht ausgeschlossen werden, d.h. die Verwendung einer hohen Frequenz ist durchaus möglich und sinnvoll. Das übertragene sinusförmige Signal führt zur Erzeugung eines um das Sensorelement herum, d.h. um die Achse der Propagation des Sinussignals, verlaufenden Magnetfeldes. Aufgrund des so genannten Skin-Effekts und des erzeugten Wirbelstroms kann dieses Magnetfeld nur die Oberfläche des magnetostriktiven Sensorelements beeinflussen. Da das Sensorelement mechanisch vorgespannt sowie vormagnetisiert ist, ergibt sich, dass die magnetischen Dipole des Sensorelements bezüglich der Amplitude und Richtung des Magnetfeldes polarisiert sind. Es folgt daher eine kontinuierliche Änderung der Oberflächen-Magnetisierung des magnetostriktiven Sensorelements zufolge einer Verschiebung der Domänenwände (bei niedrigen Betriebsfrequenzen) oder zufolge einer Drehung des Magnetisierungsvektors innerhalb der Domänen (bei hohen Betriebsfrequenzen). Eine derartige Änderung der Oberflächenmagnetisierung entspricht einer Flussänderung längs des magneto- striktiven Sensorelements und wird daher über die Messwicklung als gepulste Ausgangsspannung mit niedriger Frequenz oder als pseudo-sinusförmiges Signal bei hohen Frequenzen erfasst. Durch die zusätzliche Aufbringung einer Zugspannung oder eines Drehmoments am Sensorelement ergibt sich eine parallele oder rechtwinkelige Ausrichtung der Dipole, wie im Fall der MDL-Betriebsart. Eine derartige zusätzliche Dipol-Ausrichtung führt wiederum zu einer Abnahme oder zu einer Erhöhung der induzierten AusgangsSpannung. Ein zusätzliches Magnetfeld längs des Sensorelements verstärkt die Dipol-Ausrichtung und reduziert die induzierte Ausgangsspannung. Wie bei der MDL-Betriebsart ist die Abhängigkeit von mechanischen Lasten und von Feldern auch in der MI-Betriebsart monoton, wie ebenfalls noch näher erläutert werden wird.

Die Temperatur kann bei beiden Betriebsarten, bei der MDL- und bei der MI-Betriebsart, in ähnlicher Weise Einflüsse ausüben, jedoch ist bei der vorliegenden Sensoreinrichtung, zufolge der praktisch „linearen" Ausbildung des Sensorelements, bevorzugt als amorphes Band oder als amorpher Draht, mit entsprechender Wärmebehandlung, der Temperatureffekt vernachlässigbar, d.h. Auswirkungen von Temperaturschwankungen liegen innerhalb von an sich gegebenen Fehlergrenzen. Für ein Arbeiten in der dritten Betriebsart, der REF-Betriebs-art, ist insbesondere die Aufbringung der Vorspannung auf das ferromagnetische Sensorelement (im Sinne eines Sixtus - und -Tonk-Experiments) von Bedeutung, wobei diese Vorspannung zur Ausrichtung der magnetischen Dipole in einer Richtung führt. Weiters erweist sich hier die Verwendung eines amorphen Drahtes oder Bandes als Sensorelement von Vorteil, wobei eine einzige magnetische Domäne längs der Sensorelement-Achse, insbesondere nach einer Wärmebehandlung im Magnetfeld und nach axialem Vorspannen, vorliegt. Wenn ein sinusförmige Strom durch die Erregerspule geschickt wird, führt das resultierende sinusförmige Feld längs der Achse des Sensorelements und am Ende des Sensorelements zu einer Domänenwand-Kernbildung und Ausbreitung. Wenn sich die Domäne längs des Sensorelements ausbreitet und die Ausrichtung ändert, ändert sich die Flussdichte längs des Sensorelements und insbesondere auch im Bereich innerhalb der

Messspule. Daher kann diese Änderung als pulsförmige Ausgangsspannung an der Messspule, in Entsprechung zur induzierten Magnetisierungsänderung zufolge der Änderung der Domänen-Aus-richtung, erfasst werden. Die Abhängigkeit des Messergebnisses von Vorspannung und Feld ist in dieser REF-Betriebsart an sich bei niedrigen Spannungsamplituden und Feldstärken bedeutsam, jedoch wird die vorliegende Sensoreinrichtung zufolge der Vormagnetisierung des Sensorelements (oberhalb eines Schwellenwerts) sowie des Aufbringens einer mechanischen Vorspannung gegenüber mechanischen Beanspruchungen und Umgebungsfeldern unempfindlich. Die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen bleibt jedoch, da sich die Temperatur auf die Domänenstruktur auswirkt. Eine Temperaturerhöhung führt zu einem Aufsplitten der vorerwähnten einzelnen Domäne in mehrere parallele/antiparallele Domänen, was wiederum zu einer monotonen Abnahme der REF-Ausgangsspannung führt, wenn die Temperatur der Umgebung ansteigt.

Wenn die drei vorstehend erläuterten Betriebsarten unter Anwendung der mechanischen Vorspannung und des magnetischen Felds längs der Achse des Sensorelements sowie bei Änderungen bei Umgebungstemperatur aufeinanderfolgend angewandt werden, kann dies zu einer gleichzeitigen Messung von mechanischen Lasten (Kraft/Druck/Biegung), von Feldstärken und von Temperatur genützt werden, wobei für die Ermittlung von Vorteil ist, wenn die Messung in der MDL- und MI-Betriebsart gegenüber Temperaturschwankungen unempfindlich ist. Dies ist tatsächlich der Fall, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird.

Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich somit, dass bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung über die Vormagnetisierung und über die mechanische Vorspannung des ferromagnetischen Sensorelements hinaus von Vorteil ist, wenn die Halteelemente einen elektrischen Anschluss für das magnetostriktive Sensorelement vorsehen, wobei die Halteelemente bevorzugt selbst die Anschlussteile bilden, etwa wenn sie aus Kupfer bestehen, und wobei es auch günstig ist, wenn die Halteelemente durch Substrate gebildet sind, die zugleich die elektrischen Anschlussteile bilden. Zumindest eines der Halteelemente ist zum Aufbringen der mechanischen Vorspannung im Sinne einer Kraft in • · • · · « t • · ··· · · · 9 · * ···· · · · ··· · I · 9 · ····«· · · ·· ·

Achsrichtung des Sensorelements oder aber im Sinne einer Verdrehung des Sensorelements eingerichtet, entweder durch eine feste, ein Vorspannen bewirkende Lagerung oder aber eine bewegliche Lagerung des Halteelements selbst an bzw. in einem zugehörigen Basisteil, oder durch einen Einbau eines entsprechend beweglichen Teils innerhalb des übrigen Halteelements.

Zur Vormagnetisierung ist insbesondere ein Permanentmagnet vorgesehen, der bevorzugt durch einen Stab gebildet ist, der sich parallel zum linearen magnetostriktiven Sensorelement zwischen den Halteelementen erstreckt. Vorteilhafte Ergebnisse konnten in der Praxis erzielt werden, wenn der Permanentmagnet ein Nd-Fe-B-Magnet ist. Andererseits kann zur Vormagnetisierung auch eine Stromspule vorgesehen sein, die z.B. um das Sensorelement herum angeordnet ist.

Das längliche, „lineare" magnetostriktive Sensorelement ist vorzugsweise dünn-zylindrisch oder bandförmig ausgebildet, und insbesondere beträgt das Verhältnis von seiner Längsabmessung zu seiner Querabmessung (Durchmesser oder Breite) wie erwähnt mindestens 1000. Das Sensorelement besteht gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einem amorphen Material, insbesondere aus einem hinsichtlich der magnetischen Wirkung günstigen wärmebehandelten Material. Von besonderen Vorteil ist es, wenn das magnetostriktive Sensorelement aus einem Fe78Se7Bi5-Mate-rial gebildet ist.

Die beiden Wicklungen oder Spulen können aus einem emaillierten Kupferdraht bestehen, wobei der Kupferdraht beispielsweise einen Durchmesser von ca. 0,1 mm hat. Im Hinblick auf eine hohe Empfindlichkeit der Sensoreinrichtung ist es auch von Vorteil, wenn die Messwicklung eine größere Spulenlänge aufweist als die Erregerwicklung; auch ist es hier günstig, wenn die Messwicklung eine höhere Wicklungszahl aufweist als die Erregerwicklung.

Wie dargelegt wird bei der Verwendung der Sensoreinrichtung als magnetostriktive Verzögerungsleitung (MDL-Betriebsart) ein impulsförmiger Strom an die Erregerspule angelegt. Im Fall der MI-Betriebsart wird durch das Sensorelement ein sinusförmiger Strom übertragen; und im Fall der REF-Betriebsart wird ein si- #··· ···· ··«· ·· ·· · ····· · · · • · ··· · · · • · · t··· · · · ··· ····· ·· ··£· · * ·· · nusförmiger Strom der Erregerspule zugeführt.

Insgesamt wird durch die Erfindung eine Kombinations-Sensoreinrichtung erhalten, die basierend auf drei verschiedenen magnetischen Effekten oder Betriebsarten bei der selben Bauform die Erfassung von mechanischen Lasten, Magnetfeldern und Temperaturen ermöglicht. Die magnetischen Effekte sind wie erwähnt Magnetostriktion, Magneto-Impedanz und spontane Flussumkehr.

Wenn die Sensoreinrichtung in diesen drei verschiedenen Betriebsarten gesondert und aufeinanderfolgend betrieben wird, kann ein Signal entsprechend den drei genannten verschiedenen physikalischen Größen, nämlich mechanische Last, Feldstärke und Temperatur, erhalten werden. Bei Tests hat sich dabei auch ergeben, dass innerhalb eines Bereichs das Gesamtausgangssignal der Sensoreinrichtung in jeder der drei verschiedenen Betriebsarten gleich dem Produkt der drei entsprechenden Funktionen für die physikalischen Größen ist; daher können die drei Parameter oder Größen (mechanische Last, Temperatur und Magnetfeld) auf der Basis der Lösung einer 3 x 3-Matrix-Gleichung ermittelt werden.

Die Erfindung wird nachstehend anhand von Ausführungsbeispielen und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen: Fig. 1 schematisch eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung; Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der AusgangsSpannung bzw. Messspannung von einer aufgebrachten mechanischen Spannung zeigt; Fig. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einer magnetischen Feldstärke in der MDL-Betriebsart zeigt; Fig. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einem Magnetfeld in der MI-Betriebsart zeigt; Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einem Magnetfeld in der REF-Be-triebsart veranschaulicht; und Fig. 6 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der AusgangsSpannung von der Temperatur 2 in der REF-Betriebsart zeigt.

In Fig. 1 ist schematisch eine Sensoreinrichtung 1 veranschaulicht, die als wesentliches Element ein magnetostriktives, d.h. ferromagnetisches Sensorelement 2 aufweist. Dieses Sensorelement ist lang und dünn, somit ein „lineares" Sensorelement 2, wobei die Längsabmessung bevorzugt zumindest lOOOmal größer ist als die Querabmessung des Sensorelements 2. Das Sensorelement kann zylindrisch (mit rundem oder elliptischem Querschnitt) oder bandförmig sein, und es besteht bevorzugt aus einer amorphen, wärmebehandelten, ferromagnetischen Legierung.

In einem für Testzwecke aufgebauten konkreten Ausführungsbeispiel wurde für das Sensorelement 2 ein amorpher Draht aus Fe78Si7Bi5-Material verwendet, welches einen mehr oder weniger vernachlässigbaren Temperaturkoeffizienten bis zu einer Temperatur von 350°C aufweist. Der Durchmesser dieses Drahtes betrug 125 pm, und die Länge des Drahts betrug 5 cm.

Das Sensorelement 2 wird von zwei Halteelementen 3, 4 in Position gehalten, wobei es sich hierbei bevorzugt um Halteelemente 3,4 aus Kupfer, insbesondere Kupfersubstrate handelt. Die elektrische und mechanische Verbindung des Sensorelements 2, also des Drahtes, mit den beiden Kupfer-Halteelemten 3, 4 kann -wie im praktischen Ausführungsbeispiel - durch Laserschweißen bewerkstelligt werden.

Auf dem Sensorelement 2 sitzen endseitig zwei Spulen oder Wicklungen, nämlich einerseits eine Erregerspule oder -Wicklung 5 und andererseits eine Mess- oder Prüfspule oder -Wicklung 6. Beide Spulen 5,6 können beispielsweise mit einem Kupferdraht, etwa einem emaillierten Kupferdraht mit einem Durchmesser von ca. 0,1 mm, hergestellt werden. Im genannten praktischen Ausführungsbeispiel hatte die Erregerspule 5 30 Windungen, und ihre Spulenlänge betrug ca. 0,4 mm. Die Messspule 6 hatte dagegen 300 Windungen, und die Spulenlänge betrug 1 mm.

Parallel zum linearen Sensorelement 2 erstreckt sich zwischen den Halteelementen 3, 4 ein stabförmiger Permanentmagnet 7, um eine Vormagnetisierung des magnetostriktiven Sensorelements 2 vorzusehen. Dieser Permanentmagnet 7 kann beispielsweise aus Nd-Fe-B-Magnetmaterial bestehen. Im vorgenannten konkreten Ausführungsbeispiel betrug die Feldstärke des Permanentmagnetenstabes 7 an der Oberfläche 20 kA/m. Für die Vormagnetisierung kann aber anstatt eines Permantent- ·· ·· · *Μ· ««·· ···· ·· ·· · *Μ· ««·· ····

• ♦ ♦ · · · · • · · · · · · « · · ···· · · • · · · · · · ·· ·*|·β · · ♦· magneten 7, wie gezeigt, auch eine stromdurchflossene Spule 7' verwendet werden, wie dies in Fig. 1 schematisch mit strich-lierten Linien angedeutet ist. Die Spule 7' wird dabei wie dargestellt bevorzugt um das Sensorelement 2 herum angeordnet, und zwar außerhalb der Erregerspule 5 sowie der Messspule 6. An sich könnte die Spule 7' aber selbstverständlich auch neben dem Sensorelement 2 angeordnet werden, ähnlich wie der Permanentmagnet 7 in der Nähe des Sensorelements 2 angeordnet ist. Überdies wäre es auch denkbar, zur Vormagnetisierung des Sensorelements 2 dem Sensorelement 2 einen Gleichstrom zuzuführen, der bei seinem Durchfluss durch das Sensorelement 2 ein entsprechendes Vormagnetisierungs-Magnetfeld bewirkt.

Aus Fig. 1 ist weiters ersichtlich, dass die als elektrische Anschlussteile dienenden Halteelemente 3, 4 mit einer elektrischen Stromquelle 8 verbunden sind, um dem Sensorelement 2 insbesondere einen sinusförmigen Strom zuzuführen. Die Amplitude und die Frequenz dieses sinusförmigen Stroms können mit an sich herkömmlichen Mitteln eingestellt und stabilisiert werden, was in der Zeichnung nicht näher veranschaulicht ist.

In ähnlicher Weise kann der Erregerspule 5 ein sinusförmiger Strom zugeführt werden, und zu diesem Zweck ist die Erregerspule 5 an einen entsprechenden Stromgeneratorschaltkreis 9 angeschlossen .

Die Prüf- bzw. Messspule 6 ist ferner mit einer entsprechenden Messkreisschaltung 10, z.B. mit Signalformung, Signalverarbeitung und Anzeige, wie an sich herkömmlich, verbunden.

Schließlich ist in Fig. 1 noch eine Basis 11 für die Halteelemente 3, 4 gezeigt, wobei auch schematisch bei 12 veranschaulicht ist, dass mit Hilfe eines Teiles dieser Basis 11 eines der Halteelemente, z.B. 4, verschiebbar und/oder verdrehbar angeordnet ist, um so die gewünschte mechanische Vorspannung, nämlich eine axiale Zugspannung und/oder eine Torsionsbeanspruchung, auf das Sensorelement 2 aufzubringen.

Weiters sind bei 13 an sich herkömmliche Mittel angedeutet, um eine zu messende mechanische Last (Zug oder Druck) aufzubringen.

Für den Fall einer Druck-Last ist es auch denkbar, das lineare Sensorelement 2 in einem Rohr 14 anzuordnen, das ein Ausknicken des Sensorelements 2 verhindert. Ferner ist es auch möglich, eine Biegebeanspruchung (s. Kraft F in Fig. 1) auf das Sensorelement 2 auszuüben und zu messen.

Eine wie schematisch in Fig. 1 gezeigt ausgebildete Ausführungsform der vorliegenden Sensoreinrichtung 1, mit den vorstehend bereits angegebenen Dimensionierungen und Materialien, wurde praktisch getestet, und entsprechende Messergebnisse, die die angegebenen Abhängigkeiten der Messsignale V von mechanischer Last σ, Magnetfeld H und Temperatur T bestätigen, werden nachfolgend in Verbindung mit den Fig. 2 bis 6 noch näher erläutert.

Im Einzelnen wurde die Sensoreinrichtung 1 in der MDL-Betriebs-art betrieben, wobei die Abhängigkeit des Ausgangssignals V (in mV) von der aufgebrachten mechanischen Last σ (Kraft) in N bzw. von der angelegten Feldstärke H (in A/m) ermittelt wurde, vgl. Fig. 2 und 3. Im Einzelnen wurde gemäß Fig. 2 die Abhängigkeit des Ausgangssignals V von der mechanischen Last σ, bei stationären Bedingungen hinsichtlich Feldstärke und Temperatur ermittelt. Die Abhängigkeit des Ausgangssignals V von der mechanischen Last σ hat einen exponentiellen Verlauf und kann wie folgt angeschrieben werden: (1) V(a)=V0-e~a'

Darin ist V0 das maximale Signal, wenn keine Last vorliegt(σ=0), und 0Ci ist ein materialabhängiger Koeffizient größer 0. Durch Vorspannen des Sensorelements 2 im Betrieb kann auf Basis der Beziehung (1) die aufgebrachte, zu messende mechanische Last ermittelt werden.

Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung V von der Feldstärke H in der MDL-Betriebsart, siehe Fig. 3, folgt einer Rayleigh-Funkti-on, die gemäß folgender Beziehung angeschrieben werden kann: (2)

V {H)=V q-H-e~aiH

’-·ϊ2 -* ···· ···· ··#· • · ·

Darin ist 0¾ wiederum ein Koeffizient größer 0, und V0 ist wiederum das maximale Spannungssignal in der MDL-Betriebsart.

Wenn beispielsweise das Sensorelement 2 durch den Permanentmagneten 7 mit einem Feldstärkewert > 80 A/m vormagnetisiert wird, kann die Signalspannung V aufgrund des Magnetfeldes H durch folgende Beziehung angegeben werden:

(3)

Darin ist V'0 das neue Maximum der Ausgangsspannung V bei der nunmehr gegebenen Abhängigkeit von der Feldstärke H in der MDL-Betriebsart .

Wenn nun berücksichtigt wird, dass die Temperaturabhängigkeit in der MDL-Betriebsart - wie sich gezeigt hat - mit einer Schwankung von 1% praktisch stetig und vernachlässigbar ist, und im Hinblick darauf, dass die Vorspannung als ein effektives Feld ausgedrückt werden kann, kann gefolgert werden, dass das MDL-Ausgangssignal für beliebige mechanische Lasten und für Feldstärken, die größer sind als jene beim Spitzenwert gemäß Fig. 3 (also bei ca. 80 A/m), als Produkt der vorstehenden Gleichungen (1) und (3) wie folgt angeschrieben werden kann: (4) V(a,H)=k-e

Wenn in entsprechender Weise für die MI-Betriebsart vorgegangen wird, kann festgestellt werden, dass die Signalantwort V eine lineare, abnehmende und monotone Funktion der aufgebrachten mechanischen Last σ ist, wobei dies mit der folgenden Gleichung angeschrieben werden kann: (5) V{a)=k-a+b .

Darin sind k und b Polynom-Koeffizienten.

Andererseits hängt das Ausgangssignal in der MI-Betriebsart der Sensoreinrichtung 1 von der Feldstärke H in der Art einer (6) »« ·· ·

• · · « • · · · • · *· 9 9 9999 9 9 9 ··- 13* -·

Gauss'sehen Funktion (vgl. Fig. 4) ab, wobei hierfür etwa folgende Beziehung angeschrieben werden kann: V(H)=k

Darin ist ß2 wieder ein positiver Koeffizient.

Diese Gleichung (6) kann unter Berücksichtigung dessen, dass ein Vormagnetisierungs-Permanentmagnet 7 vorhanden ist, näherungsweise ersetzt werden durch folgende Gleichung: V{H)=k’-e~ißH) . (7)

Es gilt somit, dass der Anfangsbereich der Kurve gemäß Fig. 4 nicht weiter von Bedeutung ist.

Wenn ferner berücksichtigt wird, dass in der MI-Betriebsart die Temperatur-Abhängigkeit ebenfalls mit einer Schwankung von 2% als stetig angenommen werden kann, wie sich gezeigt hat, und dass die Belastung als effektive Feldstärke ausgedrückt werden kann, ergibt sich, dass die Abhängigkeit der Ausgangsspannung V von mechanischer Last σ und Feldstärke H in der MI-Betriebsart als Produkt der Gleichungen (1) und (7) wie folgt angeschrieben werden kann: V{u,H)={k-a+b)-k'-e~m] . (8)

Es handelt sich hierbei um die Kombination einer Rayleigh-Funktion und einer exponentiellen Funktion. Für die REF-Betriebsart hat sich gezeigt, dass die Last-Abhängigkeit mit einem Fehler von 1-2% als konstant angenommen werden kann. Die Feldabhängigkeit ist in Fig. 5 veranschaulicht. Wenn eine entsprechende Vormagnetisierung des Sensorelements 2 vorausgesetzt wird, kann, wie sich aus den Kurven in Fig. 5 ergibt, das Ausgangssignal V als nahezu konstant angenommen werden.

Schließlich zeigte sich überraschend, dass in der REF-Betriebs-

• · · · « · • ···· · 9 · • 9 9 9 9 9

art die Abhängigkeit der AusgangsSpannung V von der Temperatur T eine lineare Funktion ist, vgl. die nachfolgende Gleichung: (9) V{T)=k2-T+b2 (mit k2, b2 = Polynom-Parameter)

Nach Beschreibung des Formalismus für die vorerwähnten unbekannten Parameter: Last, Temperatur und Feldstärke auf der Basis von experimentellen Daten können deren Größen unter Verwendung von numerischen Analysetechniken bestimmt werden. Die Gleichung (9) kann unabhängig zur Bestimmung der Umgebungstemperatur benützt werden, wogegen die Gleichungen (4) und (8) in Kombination zur numerischen Bestimmung der Größe von mechanischer Last und Feldstärke in der MDL-Betriebsart bzw. MI-Betriebsart herangezogen werden können.

Aber auch wenn die Temperaturabhängigkeit in der MDL- und MI-Betriebsart, sowie die Feld- und Lastabhängigkeit in der REF-Be-triebsart berücksichtigt werden, können Last σ, Temperatur T und Feldstärke H durch Lösen einer 3 x 3-Matrix-Gleichung gefunden werden, da die Sensor-Ausgangsspannung V in einem Bereich dem Produkt der drei Funktionen für die obigen physikalischen Größen σ, T, H entspricht.

Claims (17)

1. • · • · « · • · · · · · · • · · ···· · I t · · t · · · ·· · · ·· Patentansprüche 1. Sensoreinrichtung mit einem magnetischen Sensorelement, das von Halteelementen gehalten ist, und dem elektrische Wicklungsmittel zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, dass das Sensorelement (2) ein längliches magnetostriktives Sensorelement (2) ist, das einerseits mit einer Erregerwicklung (5) und andererseits mit einer Messwicklung (6) versehen ist, das mit seinen beiden Enden von den Halteelementen (3, 4) gehalten und mit Hilfe der Halteelemente (3, 4) unter Vorspannung setzbar bzw. gesetzt ist, und das vormagnetisiert ist.
2. 2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3, 4) einen elektrischen Anschluss für das magnetostriktive Sensorelement (2) vorsehen.
3. 3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3, 4) aus Kupfer bestehen.
4. 4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3, 4) durch Substrate gebildet sind, die zugleich elektrische Anschlussteile bilden.
5. 5. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) mittels eines Permanentmagneten (7) vormagnetisiert ist.
6. 6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (7) stabförmig ausgebildet ist und sich parallel zum magnetostriktiven Sensorelement (2) zwischen den Halteelementen (3, 4) erstreckt.
7. 7. Sensoreinrichtung nach Anspruch 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (7) ein Nd-Fe-B-Magnet ist.
8. 8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) mittels einer Spule (7') vormagnetisiert ist.
9. 9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ·· ·· · ···· ···· t··· • · · · · · · · • · · · · · · · • · ♦ ·♦♦· · · · ··· ····« ·· · · ·· · gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) zylindrisch oder bandförmig ausgebildet ist.
10. 10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass das längliche magnetostriktive Sensorelement (2) ein Verhältnis von Längsabmessung zu Querabmessung von mindestens 1000 hat.
11. 11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) aus einem amorphen Material besteht.
12. 12. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) aus einem wärmebehandelten Material besteht.
13. 13. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) aus einem Fe7eSe7Bi5-Material gebildet ist.
14. 14. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch gekennzeichnet, dass die beiden Wicklungen (5, 6) aus einem emaillierten Kupferdraht, z.B. mit einem Durchmesser von ca. 0,1 mm, bestehen.
15. 15. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwicklung (6) eine größere Spulenlänge aufweist als die Erregerwicklung (5).
16. 16. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, dass die Messwicklung (6) eine höhere Windungszahl aufweist als die Erregerwicklung (5).
17. 17. Verwendung der Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als magnetostriktive Verzögerungsstrecke, als magneto-induktive Einheit und/oder als Wiedereintritts-Flussumkehreinheit. /ms