CN103827647A

CN103827647A - 具有用于测量力和/或负载的测量机构的装置

Info

Publication number: CN103827647A
Application number: CN201280046173.6A
Authority: CN
Inventors: P·霍夫曼; F·纳赫巴尔; R·黑弗舍尔
Original assignee: ZF Friedrichshafen AG
Current assignee: ZF Friedrichshafen AG
Priority date: 2011-12-22
Filing date: 2012-11-20
Publication date: 2014-05-28
Anticipated expiration: 2032-11-20
Also published as: KR102035660B1; US9816880B2; DE102011089605A1; US20150006054A1; CN103827647B; KR20140113916A; EP2795278A1; EP2795278B1; WO2013092068A1

Abstract

本发明涉及一种装置的组件（1），所述组件（1）具有用于测量力的测量机构（1）和至少一个金属的磁性部分区域（1b），其特征在于，所述测量机构（1a）包括至少一个用于产生交变电磁场的场发生器件（3；3a、3b）和至少一个用于探测所产生的磁场变化的探测件（5；5a、5b），所述场发生器件（3；3a、3b）和探测件（5；5a、5b）布置在所述组件（1）的所述金属的磁性部分区域（1b）处并且与所述金属的磁性部分区域共同作用，使得借助于所述测量机构（1a）可根据所述探测件（5；5a、5b）的测量信号探测出作用到所述组件（1）上的力和/或所述组件（1）的变形。

Description

具有用于测量力和/或负载的测量机构的装置

技术领域

本发明涉及一种根据权利要求1的前序部分所述的装置的组件、例如（机动）车辆的底盘组件或风力发电设备的转子组件，该组件具有用于测量力的测量机构和至少一个金属的磁性部分区域。此外，本发明涉及一种根据权利要求13的前序部分所述的用于机动车辆的驾驶员辅助系统以及一种根据权利要求14的前序部分所述的用于装置、优选地用于车辆的诊断系统。

背景技术

制造商通常力求提供寿命尽可能长的构件，该构件同时可以简单地且成本适宜地制造。为此，对测量方案进行（进一步）研发，借助于该测量方案可探测在构件处出现的呈力或力矩形式的负载和由此引起的变形，并且所测得的负载或相应的测量信号可被继续处理和/或可用于诊断目的。

从文献DE102008001006A1中已知一种用于车辆的车轮悬挂装置，其包括多个车轮悬挂元件，其中，借助于特殊的测量组件获取在车轮悬挂装置的至少一个元件中的变形。为此，需要特殊地预备应在其处测量变形的构件。例如，这通过根据所谓的磁性编码以局部不同的强度施加持久的磁化来实现。

在此不利的是，必须使用特别地适合用于这种应用的且被预备的材料，该材料自身为待测量的构件或者作为附加材料被加工到该构件中。该材料的特殊的磁性编码成本非常高并且使得（考虑到材料性能）不能在任意材料处应用测量方法。此外，磁性编码的另一困难在于仅仅难以保证的或甚至无法保证的长期稳定性。另一缺点在于，静态磁场的获取和评估相对于周围的干扰场很敏感，且反之亦然，从而在汽车领域中制造商规定了应避免静态磁场。

在特殊应用中、例如在底盘中，值得期望的是，几乎可使用任意材料用于加工相应的组件，以能够保持制造过程不变或至少成本适宜地进行。

发明内容

因此本发明的目的是，提供一种开头提及的类型的装置的组件，其克服了所描述的现有技术中的缺点并且针对所使用的测量机构而言允许组件的简单的成本适宜的设计方案。

该目的借助于根据权利要求1所述的装置的组件来实现，该组件具有用于测量力的机构和至少一个金属的磁性部分区域。根据本发明的组件是根据权利要求13所述的用于车辆的驾驶员辅助系统的组成部分以及根据权利要求14所述的用于装置、特别是用于车辆的诊断系统的组成部分。在从属权利要求2至12中给出根据本发明的装置组件的有利的改进方案。由此，这些从属权利要求的文字通过详细的对照而包含在说明书中，以避免文字重复。

具有用于测量力的测量机构和至少一个金属的磁性部分区域的根据本发明的装置的组件的特征在于，所述测量机构包括至少一个用于产生交变电磁场的场发生器件和用于探测所产生的磁场变化的探测件，该场发生器件和探测件布置在组件的所述金属的磁性部分区域处并且与所述金属的磁性部分区域共同作用，使得借助于该测量机构可根据探测件的测量信号探测出作用到组件上的力和/或组件的变形。

由Polyresearch AG（Starnberg/Deutschland）研发了用于探测组件的力和/或变形的物理方法以及相应的传感器并且申请了专利权。该方法避免了以上描述的缺点，因为不需要对材料的持续磁化的编码并且以这种方式实现，使用几乎任意的金属材料用于制造组件，在测量区域中将交变电磁场施加在该材料处或在该处产生。因此，可使用仅仅必须至少暂时磁化的任意金属材料。探测件用于，探测借助于场发生器件产生的交变电磁场的变化，该变化通过机械的负载和组件的变形引起。这种类型的交变场提供的优点是，其对周围的干扰场反应不敏感或者不会引起与装置的其它电子装置的有害的相互作用。在该申请文件的附件中详细说明了测量方法和测量机构（传感器）的优选的结构设计方案，其完全作为参考。相应的正文内容基于相同时效（Zeitrang）的Polyresearch AG的并列专利申请文献。

根据本发明的优选的设计方案，该装置为风力发电设备。就此而言，该组件可为风力发电设备的任意在风力发电设备的运行中运动的和/或受到负载的元件，例如转子叶片、转子轴、传动元件等，而本发明不限于示例性地提及的风力发电设备的部件。

根据本发明的装置的组件的一个特别优选的实施方式的特征在于，该装置是车辆的底盘，并且该组件相应地构造成底盘组件。特别是，在非限制的情况下，该组件可以构造成以下车辆组件之一：

减振元件、优选为减振元件的活塞杆；

导向摇臂、优选为横向导臂、两点式导臂、多点式导臂；

连接牵杆；

摆动支架；

稳定器，优选为摆动稳定器；

转向元件、优选为转向杆、转向柱或者轨迹导杆。

特别地在底盘区域中，识别出作用在相应的组件处的力或变形是值得期望的，以便例如及时在结构元件失效之前更换该结构元件或者结合主动式底盘影响获得对当前行驶性能的了解。例如当底盘组件为用作在稳定器和底盘之间引导力的连接元件的摆动支架的形式时，所获得的拉力或压力或者同样出现的弯曲负载用作用于机电稳定系统的测量参数，该稳定系统（自动地）干预底盘状态，以影响行驶性能。

虽然以下仅仅还阐述了底盘组件，在本发明的范围中的以下实施方案毫无疑问也可延伸到已经提及的风力发电设备。作为对以下阐述的线圈或传感器组件的补充，在旋转的轴中需要附加的测量件，其在旋转期间测量与轴的距离，从而可获取该距离并且可通过计算求得。

根据本发明的底盘组件的优选的实施方式规定，场发生器件和/或探测件构造成线圈或者包括至少一个线圈。在此，场发生器件的线圈被称为励磁线圈，并且探测件的线圈被称为测量线圈。该励磁线圈感应出在底盘组件中的交变场，该交变场在测量时被组件的材料吸收和影响。当由于作用在底盘组件处的拉力或压力而变形和/或伸长/压缩时，交变磁场变化。由测量线圈探测出该变化，该测量线圈的测量信号可以合适的方式以电子的方式被继续评估。场发生器件和探测件构造成线圈使得可以使用简单的、成本适宜的且以不同尺寸得到的元件。励磁线圈可与所谓的场集中器共同作用，该场集中器根据线圈芯（铁芯）的方式构造。在附件中将详细阐述场集中器的优选的实施方式。

有利地，场发生器件和探测件位置固定地布置在壳体中，该壳体又位置固定地布置在底盘组件处。优选地，场发生器件和探测件借助于硬化的浇铸材料（例如塑料浇注）位置固定地布置在壳体中。这种设计方案引起，场发生器件和探测件不可相对于彼此移动或者相对于底盘组件移动，这样的移动会不利地影响测量及其评估。这种布置方案的优点是，不必使用在为了修正由此影响的测量信号的上述元件彼此相对移动时可能需要的附加的器件，从而整体上可成本适宜地且结构上简单地实现该结构。

根据本发明的底盘组件的优选的实施方式规定，底盘组件具有用于壳体的固定结构。该固定结构优选地与底盘组件构造成一体，优选地通过底盘组件的局部变形构造成一体。在此，底盘组件的局部变形或者可如此实现，即，例如在底盘组件处构造通过挤压伸出的凸肩部，或者也可如此实现，即，将凹入部或槽引入底盘组件中，壳体例如通过卡上/卡入固定在该凹入部或槽之上或之中；为了该目的，壳体在两种情况中优选地具有相应的互补的造型部。固定结构与底盘组件的一体式的构造方案实现，省去了附加的固定构件，该附加的固定构件必须特殊地设计并且构造成与底盘组件或壳体互补而且会提高成本和装配成本。同样在本发明的范围中的是，壳体力配合地或材料配合地（例如通过粘接）固定在底盘组件处。该壳体可由多个部件组装而成，其中，单个部件同样可以形状配合地、力配合地或材料配合地（例如通过粘接、焊接、卡锁、卡紧、旋接……）组接在一起。

有利地，场发生器件和/或探测件与底盘组件间隔开地布置，如在附件中详细说明的那样。这种类型的结构上的设计方案使场发生器件和探测件无接触地布置在底盘组件处成为可能。由此，能够可靠地避免以前使用的应变传感器的固有缺点，该应变传感器必须直接布置在待监控的构件的表面上并且相对于环境干扰影响、例如腐蚀非常敏感。

根据本发明的底盘组件的改进方案的特征在于，该底盘组件具有至少一个焊缝，并且场发生器件和/或探测件布置成与焊缝相距在约30mm至40mm之间、优选地在约34mm至约36mm之间、最优选地为约35mm。本申请人的试验表明，在35mm的理想距离时实现了特别无干扰的测量。当在底盘组件的焊缝和场发生器件/探测件之间明显更小的距离时，存在的风险是，由于（通过焊接过程引起的）材料组织的变化，产生失真的或与正常情况有偏差的测量信号。该焊缝在制造底盘组件时用于材料配合的连接。由此，例如球窝关节可借助于焊缝与导向摇臂的端部区域相连接。在制造底盘组件时，通过焊接工艺将热引入待连接的构件中。由此，组织结构变化成使得无法实现或仅仅不适宜地实现测量。

备选地，球窝关节也可部分地、例如在其壳体处由塑料制成。在这种情况中，通过粘接实现球窝关节和导向摇臂的端部区域相连接。但是，壳体也可直接被喷铸在导向摇臂的端部区域处。那么通过喷铸工艺实现该连接。在这种情况中，甚至不需要通过粘接或焊接的材料配合接合。

在根据本发明的底盘组件的另一改进方案中规定，场发生器件和/或探测件布置在底盘组件的中性轴线的区域中。在此，此外可规定，探测件和场发生器件基本上布置在一个平面中，该平面进一步的特征在于，底盘组件的中性轴线位于该平面中。如本申请人的试验表明的那样，可以简单的方式得到测量结果，其以特别的方式适合用于确定或监控底盘组件的负载。底盘组件的“中性轴线”理解为在构件之内的这样的轴线或平面，即，其相对于构件的主弯曲方向基本上不经历伸长或压缩（例如在中性轴线之外的构件区域中会经历的那种伸长或压缩）。

有利地，测量机构具有至少两个场发生器件和至少两个探测件，优选地刚好两个场发生器件和两个探测件，其中，最为优选地这两个场发生器件和这两个探测件分别布置在底盘组件的相对侧上。这种类型的布置方案使探测拉力和压力成为可能。

根据本发明的底盘组件的另一优选的实施方式的特征在于，场发生器件和探测件彼此在底盘组件的两侧上的相对布置是相同的。这意味着，整体得到测量机构的组成部分相对于被监控的组件的假想的中间平面对称的布置方案。通过场发生器件和探测件的对称的布置方案可实现特别好的测量结果，在附件中将更精确地对其进行阐述。

包括根据本发明的底盘组件的根据本发明的用于车辆的驾驶员辅助系统优选地根据以下系统的类型构造：

-ESP（电子稳定程序；也称为ESC），

-ABS（防抱死系统），

-车道辅助系统，

-底盘稳定系统，特别地包括可主动控制的底盘稳定器，优选地带有电的、气动的或液压的促动器，最为优选地用于车辆的摆动稳定。

为了控制或调节目的，探测件的测量信号在根据本发明的底盘辅助系统中以电子的方式继续被处理。这示例性地根据稳定器进行解释：使从现有技术中充分已知的机械的弹簧杆或液压促动器通过电促动器来替代，以特别用于避免持续的高压情况。探测件的测量信号被继续传递到促动器处，其主动地作用于车辆的底盘控制，例如在车辆的倾斜超过预定的极限值时稳定车辆的位置（摆动稳定）。

在运行中对风力发电设备的监控也以这种方式实现，例如用以在过载时停止转子。

用于装置、特别是用于车辆的根据本发明的诊断系统包括根据本发明的组件（底盘组件），其中，该诊断系统构造成，以为了稍后的维护或诊断可读取的方式储存借助于测量机构获得的组件的负载数据，优选地以电子的方式储存。当根据本发明的底盘组件使用在诊断系统中时，例如可探测负载极限值，其被储存在相应的故障储存器中。在工厂中访问时可读取车辆的故障储存器，由此例如尽管可能尚未存在可见的缺陷，但可有目的地确定，由于过载应更换哪些构件。同样情况也相似地适用于风力发电设备的维护。

附图说明

以下根据实施例阐述本发明的其它优点和特征。其中：

图1示出了具有测量机构以及包围该测量机构的壳体的根据本发明的底盘组件的立体图；

图2示出了没有壳体的图1中的根据本发明的底盘组件；

图3示出了具有图2中的测量机构的根据本发明的底盘组件的俯视图；

图4示出了沿着图3的线A-A的截面图；

图5示出了具有测量机构和壳体的根据本发明的底盘组件的分解图；

图6示出了图5中的分解图的稍微旋转的视图；以及

图7示出了图5和图6的组装后的成品的视图。

附图标记列表

1 底盘组件

1a 测量机构

1b 金属的磁性部分区域

1c 连接牵杆

1d 球轴承

1e 球轴承

1f 焊缝

2 壳体

2a 上壳体半部

2b 下壳体半部

2c 浇铸材料

2d 突出部

3 场发生器件

3a 第一场发生器件

3aa 场集中器

3b 第二场发生器件

3ba 场集中器

4 缆线

5 探测件

5a 第一探测件

5b 第二探测件

6a 凹处

6b 固定件

6c 固定结构

7 电子件

x 距离

M 中间平面

NF 中性轴线

A1 测试对象

A2 磁通集中器

A3 磁场发生器线圈

A4 磁性传感器元件

A5 信号反馈线圈

A6 电流供给部

A7 信号发生器

A8 滤波器&电源驱动器

A9 滤波器&增益控制器

A10 可变增益放大器

A11 轴直径

A12 传感器弧形部的角度

具体实施方式

图1示出了根据本发明的底盘组件1，其根据连接牵杆1c、例如摆动支架的形式构造，并且在其端部处具有球轴承1d、1e或相应的轴承套。在附图标记1f中，连接牵杆1c与球轴承1d、1e通过焊缝材料配合地相连接，这在附图中不可明确看出。在底盘组件1处布置有壳体2，其优选地以塑料构成。在该壳体2中布置有在图1中不可见的在引言和附件中描述的类型的测量机构，该测量机构以下根据其它附图更详细地描述。壳体2保护测量机构的组成部分并且使其相对于连接牵杆1c、确切地说组件1固定。缆线4从壳体2中引导出来以传递所获得的测量信号。缆线联接的目标例如可为稳定器的控制装置或车辆的电子故障储存器。此外，缆线4包含用于操控测量机构并且用于测量机构的电能供给的导线。

在壳体2中布置有多次提及的测量机构（未示出）的场发生器件或探测件。将根据以下附图解释上述器件的布置方案。

图2示出了图1中的底盘组件1，然而未示出壳体2，从而可看到在图2中以附图标记1a表示的测量机构。该测量机构1a包括场发生器件3，更确切地说：第一场发生器件3a和第二场发生器件3b，多个探测件5（其中仅仅可看到一个）和用于继续处理（评估、储存、……）由测量机构1a提供的测量信号的电子器件7。已经提及的缆线4与电子器件7相连接。除了传递测量信号或评估信号之外，该缆线4特别还用于为包括实际传感器（附图标记3和5）和相关电子装置7的整个测量机构1a供给能量。

场发生器件3和探测器件5位于组件1、确切地说连接牵杆1c的金属的、可磁化的部分区域1b中。然而在本发明的范围中，整个连接牵杆1c构造在上述金属的可磁化的材料中。那么，所述部分区域1b包括整个连接牵杆1c。

图3示出了图2中的底盘组件1的俯视图。两个场发生器件3a、3b和（在此不可见的）探测件相对于连接牵杆1c的（右）端部布置在相同的高度上并且布置成与在底盘组件1处的连接牵杆1c距离相同。由此，得到测量机构1a相对于底盘组件1或连接牵杆1c的中间平面M的对称的设计方案。

根据图3，测量机构1a以相对于焊缝1f成距离x的方式位于球窝关节1e或相关的轴承套的区域中。该距离x特别地代表探测线圈（例如见图4）的中点相对于焊缝1f的距离。在实际中，x=35mm±1mm的值已证实为特别有利的。

图4示出了根据在图3中的线A-A穿过根据本发明的底盘组件1的截面图。连接牵杆1c被两个在其整体中呈部分环形的场发生器件3a、3b（至少部分地）包围。该相应的呈部分环形的元件3aa、3ba表示场集中器，其根据已知的线圈芯的方式作用，以下将详细阐述。出于可见性原因，在图4中未示出分别围绕场集中器3aa、3ba布置的实际的场发生器或励磁线圈。在场发生器件3a、3b和连接牵杆1c之间布置有两个探测件5a、5b，其中，探测件（测量线圈）5a布置在第一场发生器件3a的一侧，并且另一探测件（测量线圈）5b布置在第二场发生器件3b的一侧。此外，在图4中，在附图标记NF中，象征性地绘出了底盘组件的在说明书引言中限定的中性轴线。在此，该中性轴线为连接牵杆1c的这样的假想的平面，即，在该平面中，连接牵杆1c在根据双箭头BR的弯曲负载的情况下基本上不会经受拉伸或压缩，例如在中性的轴线NF上方和下方（在图4中右侧和左侧）就是这种情况。

场发生器件和探测件3a、3b；5a、5b以相同的方式布置在连接牵杆1c的两侧，其中，单个器件的（假想的）中心位于一条线上。由此，得到已经提及的测量机构1a的对称的设计方案。

出于可见性原因，未详细绘出特别是还可在图4中看出的在测量机构1a和电子装置7的组成部分之间的电连接部。

根据图4，场发生器件3和探测件5以相对于牵杆1c的主弯曲方向偏移90°的方式布置，其通过箭头BR示例性地绘出。根据本申请人的试验，测量机构1a的这种类型的布置方案得到特别有利的测量结果。

图5示出了带有壳体2的根据本发明的底盘组件1的分解图，该壳体2由上壳体半部2a和下壳体半部2b形成。在壳体半部2a、2b处设置有对应的缺口6a，以使得壳体半部可围绕牵杆1c通过优选为螺钉或螺栓形式的固定件6b连接成完整的壳体2。利用（塑料材料）浇铸材料2c填充壳体内部，该浇铸材料2c以支撑的方式包围包括电子装置的测量机构的组成部分并且用于其相对的定位。

图6示出了图5中的根据本发明的底盘组件1的稍微旋转的视图。补充地应指出的是，下壳体半部2b局部地具有比上壳体半部2a更大的凹处6a，以用于使固定件6b完全沉入。此外，在底盘组件1或牵杆1c处设置有呈凹处的形式的位于两侧的固定结构6c以用于布置壳体2。相应地，该壳体2在其上半部2a和其下半部2b处具有突出部2d，其构造成与在牵杆1c处的凹入部6c互补，以使得可将壳体2以及进而将测量机构准确地固定于在牵杆1c处的规定的（测量）位置上。

图7示出了在组装状态中的图5和图6中的两个分解图中的元件，其中，在此固定件6b沉入在凹处6a中。

附件：测量机构和相关的测量方法的详细说明

以下对测量方法的优选的设计方案和测量机构（传感器）的优选的结构设计方案进行说明。该说明基于相同时效的PolyresearchAG的并行专利申请文献。

在不限制广义性的情况下，测量机构被称为传感器或弯曲传感器。以下，同样在不限制广义性的情况下，场发生器件被称为感应器、磁场发生器线圈或初级线圈，并且探测件被称为磁性传感器元件。

在所有附图中，相同的附图标记表示相同或功能相同的元件。

主动式弯曲传感器

在工业领域以及在实验室研究与发展领域中，在大多数情况中使用应变测量传感器用于测量弯曲力。仅仅几个备选的传感器方案可供使用，其可提供合适的弯曲传感器测量功率并且适合用于在其中应使用该传感器的环境条件。然而，通常这些方案对于（在汽车工业中、在工业领域和用电器领域中典型的）批量制造来说过于昂贵。

对于在测试对象（例如传动轴）的使用中旋转的应用没有成本适宜的弯曲传感器方案。为此，需要成本适宜的且无接触式的测量技术。以下说明涉及根据磁性原理工作的机械的力传感器的结构，该力传感器可获取并评估在铁磁的对象（例如传动轴、螺丝刀轴、扭矩扳手和钻孔机轴）处的机械力。

该“主动式”传感器方案的独特的特征如下：

·纯无接触式的感应原理

·利用磁性原理工作

·相对于已经存在/储存在测试对象中的磁场不敏感

·测试对象不需要以任意方式被预处理（“主动式”弯曲传感器模块与测试对象相对地被保持并且在不需要其它准备措施的情况下工作）。

·传感器功率可以随着时间不变差，因为是主动式感应原理。

·（在求差-运行方式I中测量时）相对于扭矩不敏感

·相对于仅仅一个轴的弯曲力敏感（在X轴和Y轴弯曲力之间没有串扰）

·在静止或以任意转速旋转的测试对象处工作。

·相对于光、灰尘、任意形式的机械冲击、水、湿气、油液……不敏感

·只要吸引磁体，可在任意金属的测试对象材料的条件下工作

·可承受在测试对象和传感器模块之间的气隙/距离的变化。

·对测试对象的尺寸（例如轴直径）没有上限

·可在从-50℃到超过+210℃的温度范围中工作。

与其它传感器技术的区别是什么？

1.该传感器不需要与测试对象物理地相连接。甚至当（在传感器和测试对象之间）有几毫米的间隙时该传感器仍正常工作。因此，该传感器完全与测试对象表面的性能（覆层、油漆、有灰尘……）无关地工作，这对于在建筑工地、桥梁、起重机、脚手架上测量来说是理想的。

2.该传感器可利用任意金属材料工作，只要该材料的磁性性能足够用于吸引／保持永磁体（不适用于烧结的材料，其在施加弯曲力时过脆）。

3.不需要以任意方式改变测试对象。测试对象可以任何方式进行加工。

传感器结构

该传感器由两个主模块组成：

·实际的传感器元件（在使用被动式电子组件的情况下构成），以及

·传感器电子装置

两个模块可一起安装在相同的壳体中，然而也可彼此分离地布置并且仅仅通过一些缆线相互连接。缆线的长度通过自然限度限制（在2米或更大的范围中）。

在图8中示例性地示出了该结构，其中在图8a中示出了侧视图，并且在图8b中示出了前视图。示出了测试对象A1。

在图8的示图中，仅仅涉及传感器元件的多个可能的结构形式中的一个。在附图中示出了主要组件。这些组件是：

·磁通集中器A2

·磁场发生器线圈（感应器），或初级线圈A3

·磁性传感器元件（可为任意类型的磁场传感器装置：线圈、霍尔效应器、MR、GMR、……）A4

·可选：信号反馈线圈（感应器），或次级线圈A5

整个且唯一的传感器元件优选地由所有在图9中示出的组件组成。可选地，可安装反馈线圈A5（L_S-次级感应器），并且其仅仅当必须自动地补偿可能的（在测试对象和传感器模块之间的）距离变化时才需要。此外，示出了电流供给部A6和传感器电子装置A7。

重要的是：当场发生器线圈利用交变电压操控信号运行时，可使用反馈线圈的功能。

使用“可选的”反馈线圈（L_S）用于获取和测量在传感器元件和测试对象表面之间的距离（确切地说间隙）。利用该线圈测得的信号用于补偿不期望的信号振幅调制，当在测试对象和传感器元件之间的距离持续变化时，出现该不期望的振幅调制。在距离不变的应用情况中不需要反馈线圈。

在图10中示出以下：场发生器线圈（LP-初级感应器）和反馈线圈（LS-次级感应器）布置在相同的通量集中器上。由场发生器线圈产生的信号可被反馈线圈获取和测量。信号传递功能受到在通量集中器和测试对象表面之间的距离影响。在通量集中器端部的两个极和测试对象表面之间的气隙越小，在初级线圈和次级线圈之间的磁性传输越有效。这种关系不是严格成比例，并且必须通过传感器电子装置线性化。

在图11中示出以下：在通量集中器和测试对象之间的距离变化导致由反馈线圈L_S测得的信号的振幅变化。场发生器线圈LP和反馈线圈LS的信号振幅信息允许带有可变的放大功能的放大器，其修正变化的弯曲信号振幅。在此重要的是：在反馈线圈信号继续被传导到带有可变的放大功能的放大器之前，可能需要首先使反馈线圈信号线性化。所示出的组件/功能部件是：信号发生器A7，滤波器&电源驱动器A8，滤波器&增益控制器A9和可变增益放大器A10。

以求差-运行方式测量

为了在关注的弯曲力和其它机械力（例如扭矩）之间进行区别，将两个带有相同外观的传感器元件对称地布置在测试对象的两侧。通过使测得的信号彼此相减，彼此消除潜在存在的扭矩，并且保留关注的弯曲力。

可以不同方式实现两个信号（相应单个传感器元件的信号）的数学处理：

·以相反的顺序使磁场传感器线圈相互连接（以使测得的信号彼此相减的方式顺序连接，而不使用主动式电子装置）。

·将单个的且处理的测量信号输送到相似工作的加法电路以用于使信号彼此相减。

·使用数字处理系统（例如微处理器）用于进行数学的信号处理。这是最灵活的解决方案。

在此重要的是：在选择首先提出的解决方案（串联被动式磁场传感器线圈）时，必须非常小心地注意，信号振幅和彼此的信号偏移良好地彼此协调。否则得到的信号具有串扰并且（相对于关注的输出信号）失真。

传感器相对于测试对象的取向

两个基础上不同的传感器结构形式提供了良好的测量结果，在此被称为“设计1”和“设计2”（由于在观察以下绘出的截面图时与其它对象的相似性：“Glider”（“滑翔机式”）和“Monkey”（“猴子式”））。

在图12中示出以下：传感器相对于测试对象的可能的两种取向。深色的部分表示磁场传感器装置，其可为带有芯的感应器、霍尔效应传感器、MR、GMR或任意其它适合用于期望的测量范围的磁场装置。该磁场传感器装置相对于（在通量集中器的两个极之间的）磁力线的取向是重要的并且在本说明书的其它段落中进行阐述。

如果不使用求差-运行方式，将发生什么？

当然也可行的是，使用唯一的传感器单元用于测量期望的机械力。仅仅使用唯一的传感器单元还进一步减小了成本并且使该传感器更小。然而在此，不再可行的是，将被施加的弯曲力和可能存在的其它机械力、例如扭矩和在其它轴线上的弯曲相互区分。即，使用带有唯一的传感器单元的结构意味着，传感器模块同时接收多个不同的机械力，而在此不可能将其相互区分。

可以适当使用具有唯一单元的主动式弯曲传感器的唯一方式意味着，测试对象如此构造以及被安装在其应用部位处，即，仅仅期望的力在此处作用。因此这意味着，不存在干扰的机械力，例如扭矩。

在图13中示出以下：仅仅当除了关注的弯曲力之外没有其它机械力被施加到测试对象处时，才推荐使用仅仅一个传感器元件。否则，主动式弯曲传感器元件的输出信号为关注的力和干扰的机械力的组合或混合。

测试对象材料

开头已经假定，测试对象材料应当具有与当构造弯曲传感器时根据磁致伸缩原理所需要的相似质量和功率（在磁性性能方面）。该铁磁的材料稍微比“标准的”钢更贵，因为铁磁的材料必须包含镍、铬或其它元素一种或者多种。

测试结果（在主动式弯曲传感器的方案和构造的情况下）已表明，可用的金属材料的选择比期望的更多。只要能够将永磁体保持在测试对象处，主动式弯曲传感器也可工作。为了实现尽可能好的测量质量，推荐的是，至少在传感区域中使测试对象材料硬化。“传感区域”为在该处布置主动式弯曲传感器的部位。如果不进行这种处理，会导致相对大的测量滞后。

在测试对象中保留的磁场

以直流电压（静态场）运行的弯曲传感器：

在使用可具有铁磁性能并且可被永久磁化的测试对象材料时，在利用直流电压运行的主动式弯曲传感器中不应使用该材料。其原因在于，在主动式弯曲传感器所布置的部位处的该材料将缓慢地且可靠地变成棒形磁体（这意味着，主动式弯曲传感器布置所在的部位在一定的时间后自身将变成磁体。“一定的时间”在此意味着在几秒或几分钟之后）。

如果发生这种情况，弯曲传感器输出信号的信号偏移向一个方向漂移并且不稳定。因此相反地仅仅符合逻辑的是，以直流电压运行的弯曲传感器相对于储存在测试对象的表面之下的磁场非常敏感。因此，在应用之前，必须首先将测试对象的材料去磁。

动态（以交变电压）运行的弯曲传感器：

如果使主动式弯曲传感器以交变电压运行方式运行（场发生器线圈由带有一定频率的对称交变电流操控）并且使用带有铁磁芯的标准的感应器，那么主动式弯曲传感器的结构在大多数情况中相对于储存在测试对象中的磁场不敏感。

“大多数情况”意味着，这样的情况是可能的，即，在其中利用交变电压运行的主动式弯曲传感器相对于储存在测试对象的表面之下的磁场敏感。例如，如果假定在测试对象中储存一个磁化点（在传感区域中）并且如果进一步假定两个传感器线圈围绕轴对称地布置，那么由该磁化电产生的信号（当转速为300转每秒（相当于18000/分钟）时）干扰传感器系统的内部信号解码功能。

传感器电子装置

传感器线圈（MFS）的布置

传感器线圈（参照由发生器线圈和通量集中器产生的磁力线）的取向决定，获取和测量哪种机械力，并且测量信号的振幅多大（信号质量）。

应用领域

在传统的弯曲传感器技术中可能需要的是，将传感器元件牢固地固定在测试对象表面上，以保证关注的机械力实际上穿过该传感器元件作用，以测量该力。所需的缆线连接（向着传感器元件并且从传感器元件中出来）、环境限制（湿度和循环波动的温度限制传感器元件的使用寿命）以及与该传感器技术相关的成本限制了其使用并且使其无法用于批量应用。

主动式弯曲传感器克服了所有这些问题并且因此可应用在多种不同领域上：汽车工业、航空电子、加工技术、日常用品、测量和控制技术，例如：

·在大型建筑（桥梁、高层房屋……）处的诊断和预防

·在轿车/LKW车轮悬挂部中用于主动悬挂或主动稳定控制的实时测量。

·航空电子：在恶劣气候情况中的机翼负载；在框架结构处的诊断。·修理和专业工具：扭矩扳手（通过弯曲力作用）的结构；和工具过载识别。

·风力发电：在风暴时的涡轮结构和螺旋桨结构。

·工业冲压设备，例如造纸、钢铁生产和工具装备（获取极限力以避免在工具和材料处的损坏）。

工作原理

发生器线圈被直流电压信号或者被特殊的交变电压信号操控，并且由此产生在测试对象表面之下的磁通。穿过测试对象的机械力在其从通量集中器的一个极到另一极的走向上影响磁力线的方向。磁力线走向方向的变化可被布置在测试对象的表面处的磁场传感器装置获取。由磁场传感器装置接收的信号变化与附在测试对象上的关注的机械力成比例。

在使用直流电压以操控场发生器线圈时存在的风险是，使测试对象的一小部分（取决于材料）永久磁化。那么，这导致信号偏移，其看起来与实际上通过机械力引起的信号相似。通过以下方式避开该问题，即，使用交变电压操控信号以使场发生器运行。

然而，仅仅特殊的频率适合用于获取和测量在测试对象处的机械力。

传感器的物理尺寸

在图14中以侧视图14a和两幅前视图14b和14c示出以下：角度_MPS（Angle_MPS）决定，测量哪种机械力以及测量信号的质量如何。该角度也决定在测量信号中潜在的“串扰”，其可以由可能出现在测试对象处的不同的机械力引起。

研究和发展对象：

用于机械（弯曲）力的主动式传感器

用于机械力的被动式传感器和主动式传感器之间的主要区别之一在于，不需要测试对象的“永久”磁化以用于获得工作的传感器。用于机械（弯曲）力的主动式传感器可直接在将传感器硬件合适地布置在测试对象附近之后开始运行。

以下目标罗列说明着重于获得期望的传感器功率的用于机械（弯曲）力的主动式传感器的“最可能的”结构形式中的一个或两个。在此，用于至今带来最好效果的传感器的两种物理的硬件实现方案在此被称为Glider（滑翔机式）和Monkey（猴子式）。第一结果可看出，“Monkey”比“Glider”实现了稍微更好的效果。然而“Glider”在制造中更简单。

用于机械（弯曲）力的主动式传感器

定义

主动式传感器系统由多个模块组成：

·传感器硬件（通量集中器、发生器线圈、反馈线圈、MFS线圈）·电子电路

·在传感器硬件和电子装置之间的6芯连接缆线

·电的电流供给部

·在电子装置和电流供给部之间的2芯连接缆线。

这示意性地在图15中示出。

传感器硬件侧向地被安装到测试对象（例如驱动轴）附近。

这示意性地在图16中示出，其中，图16a示出了侧视图，并且图16b示出了前视图。

首先，限定了40种不同的传感器结构形式，并且几乎测试了其中的一半。结构形式编号27表现出第一种需要的测试结果。图中上方示出了带有显著改进的结构形式编号27。

用于实现当前市场要求的目标特征值

由于在此涉及完全新型的传感器技术，难以限定哪些应为目标特征值。原则上，通过传感器的应用限定目标特征值。然而，从最近10年的市场认识出发，可假定主动式弯曲传感器在市场上预期取得成功所需的“最低”要求是哪些。此外，也可限定，在此称为“标准”的“平均”的规格是怎样，并且主动式弯曲传感器会实现怎样“出色的”功率。

主动式弯曲传感器的尺寸

为了在主动式弯曲传感器硬件的尺寸的报告和记录中支持技术上的“联系”，确定以下尺寸参数：

附加地在图17中给出了以下表格中的相应参数，其中，图17a示出了侧视图，并且图17b以及图17c示出了前视图。

以下给出的特征值仅仅为用于特殊的主动式传感器模块（来自4至5个至今已经生产的传感器模块）的示例。这些规格必须还要进行优化，并且理解为在其传感器功率方面的作用还必须要进行改进。

测试对象的直径（示例：驱动轴）

测试对象（确切地说驱动轴）的直径限定了（除了另一对参数）在弯曲力方面的信号放大功能。轴的直径越大，信号放大越小（相对于恒定地被施加到轴处的弯曲力）。

提示：主动式弯曲传感器的信号放大由多个特殊的特征值确定。在检查传感器性能的试验中，当改变直径（或横截面积）时，必须保持所有其它传感器参数不变，例如：

·相同的轴材料

·相同的硬化和退火方法

·在测试对象和传感器硬件之间的距离/间隙

·由传感器硬件产生的磁通密度

·感应系数和驱动电路

·传感器硬件尺寸

·两个磁极的表面大小

·匹配性：在极中切割出半径以与轴直径A11相匹配。

在图18中以侧视图18a、18b和18c示出以下：使用一种相同结构形式的传感器硬件用于执行该测试。然而，指向测试对象的两个磁极表面必须特别地与每个轴直径相匹配。决定性的是，在磁极之间的“间隙”（距离）保持恒定，以为MFS线圈提供相同的“空间”。

最有可能的是，也由传感器硬件的弯曲特征值来限定弯曲传感器的信号放大。弯曲特征值在此意味着：“传感器硬件覆盖测试对象的角度”，见具有侧视图19a、19b和19c的图19。

传感器弧形部的角度A12与所有三个以上所示的示例不同。存在两种矛盾的假定，其两者都存在并且可在一定程度上相互补偿：

·弧形角度越大，信号放大越强

·通过更大的弧形角度覆盖传感器表面的更大面积，并且便于获取使磁性信号失真的低扭矩。

·在轴的相反两侧处的位置的磁极越靠近，传感器信号越小。

·在这种情况中（当极布置在轴的相反两侧处时），磁场几乎100%直接穿过轴材料并且对轴表面（传感器线圈布置在该处）没有影响。

在图20中，轴直径变化，并且弧形部（传感器硬件）的角度A12保持恒定。这意味着，传感器硬件的结构形式对于每种轴直径明显变化。

在轴和传感器之间的距离

存在多种已经被测试的用于当在传感器和轴表面之间的距离变化时自动地补偿信号放大变化的结构方案。最简单的结构方案是使用反馈线圈。

反馈线圈的结构：

在图21中示出以下：反馈线圈A5提供准确的关于传感器效率的信息，确切地说当在传感器硬件和轴表面之间的距离变化时。

通量集中器材料

至今已经在所有在主动式弯曲传感器处进行的测试中使用了“标准的”盘和卡紧环作为通量集中器。在此，概念“标准的”意味着，通过专业的供应商（Hoffman Tools）和超级市场（在德国的Obi）可购买多种可选的盘并且用于传感器的结构。

对于“可使用哪种盘或卡紧环材料”的唯一决定性的标准是，该材料相对于被保持在其附近的永磁体表现出强反应。至今尚未计划或进行这样的试验，以确定当使用昂贵的材料、例如变形钢时可实现怎样的传感器功率区别。

未进行通量集中器材料自身优化的原因如下：

·传感器功率很强地受到其它首先应考虑的因素影响。

·盘和卡紧环具有简化初始传感器结构和节省时间的完美结构形式。盘是精确对称的并且能够以几乎所有期望的尺寸和厚度获得。

·非常低的成本和高的可用性。

至今为止使用了至少五种不同的盘和卡紧环类型，其在材料的类型（例如硬化的弹簧钢、非硬化的盘）、覆层（无覆层、铬、锌……）方面有所区别。其全都表现了良好的功率。为了确定哪种材料实现最好的结果和“何处存在功率区别”，需要采购“相同”尺寸的且“相同地”成型的通量集中器或者亲自制造这种通量集中器，从而可将测试结果相互比较。

总结：显然通量集中器材料的选择将影响传感器功率。因为主动式弯曲传感器可以直流电压运行方式或者交变电压运行方式运行，对于这两种运行方式中的每一种也给出不同的材料特征值要求。如果所选择的材料具有高的剩磁感应，那么其不适合用于直流电压运行，因为通量集中器在其被永久磁化之后表现出与以前不同的反应。由此出发，即，变形钢是良好的材料选择。其同样可普遍地提供，然而成本高。

测试对象材料

开头已经假定，测试对象材料必须具有与在构造磁致伸缩弯曲传感器时所需的材料相似的质量和相似的性能（在磁性性能方面）。该铁磁的材料稍微比“标准的”钢更贵，因为其必须包含镍、铬或其它元素一种或者多种。

出人意料地，结果表明，可使用的金属材料的选择比原来假定的更多。只要永磁体固定在测试对象处，主动式弯曲传感器也可作用。

在测试对象中保留的磁场

以直流电压（静态场）运行的主动式传感器：

在使用可具有铁磁性能并且可被永久磁化的测试对象材料时，在利用直流电压运行的主动式弯曲传感器中不应使用该材料。其原因在于，在主动式弯曲传感器所布置的部位处该材料缓慢地但是可靠地变成棒形磁体（这意味着，主动式弯曲传感器布置在此处的部位在一定的时间后自身将变成磁体。“一定的时间”在此意味着在几秒或几分钟之后）。

如果发生这种情况，弯曲传感器的信号偏移向一个方向漂移并且不稳定。因此相反地仅仅符合逻辑的是，以直流电压运行的主动式弯曲传感器相对于储存在测试对象的表面之下的磁场非常敏感。因此，在应用之前，必须首先将测试对象的材料去磁。

动态（以交变电压）运行的主动式传感器：

“在大多数情况中”意味着，这样的情况是可能的，即，在其中利用交变电压运行的主动式弯曲传感器相对于储存在测试对象的表面之下的磁场敏感。例如，如果假定，在测试对象中储存一个磁化点（在传感区域中）并且如果进一步假定，两个传感器线圈围绕轴对称地布置，那么由该磁化点产生的信号（当转速为300转每秒（相当于18000/分钟）时）干扰传感器系统的内部信号解码功能。

通量集中器的倾斜

通量集中器的倾斜最可能导致信号放大的减小，见具有侧视图22a和前视图22b和22c的图22，其中，在视图22c中磁通集中器A2倾斜。

通量集中器的材料厚度

通量集中器装置的厚度限定能够有目的地被识别且测量的特殊的机械力的精度。重要的是，所产生的磁力线被引导穿过测试对象的表面，以保证足够的由磁场传感器装置产生的信号振幅。如果使通量集中器过薄，那么由场发生器线圈产生的场产生不期望的磁性散射场。

在图23中示出了磁通集中器A2和备选的设计方案Α2'、A2"和A2″'。

还必须测试和评估的是，当通量集中器厚度减小时传感器功率如何变化或者（两个极的）前部分的形态如何作用。为了使极表面非常纤细，可使用“喷铸的”极端部。在此潜在的优点是，这种结构形式相对于通量集中器的倾斜较为不敏感。

通量集中器轮廓

带有“矮的轮廓”的机械结构形式对于大多数应用来说是优选的。然而必须非常谨慎的是，在通量集中器处不会多余地保留有锋利的“角部”，因为磁场会在这样的“角部”处逸散，并且产生不期望的散射场。

此外重要的是保证在上端部处通量集中器不接近测试对象的表面，因为否则通量集中器的这一部分干扰测量信号（应被MFS装置获取并捕获的磁性信号“溜走”）。

在图24中以侧视图示出以下：重要的是，保持主动式扭矩传感器所需的径向空间尽可能小，以在小的结构空间中安装该传感器。然而，通过减小径向尺寸，发生器线圈更加靠近传感器线圈并且也更加靠近测试表面，这此外可导致，干扰否则可实现的传感器功率。示出了磁性通量集中器A2和另一备选的结构形式A2″″。

Claims

1.一种装置的组件（1），所述组件具有用于测量力的测量机构（1a）和至少一个金属的磁性部分区域（1b），其特征在于，所述测量机构（1a）包括至少一个用于产生交变电磁场的场发生器件（3；3a、3b）和至少一个用于探测所产生的磁场的变化的探测件（5；5a、5b），所述场发生器件（3；3a、3b）和探测件（5；5a、5b）布置在所述组件（1）的所述金属的磁性区域（1b）处并且与所述金属的磁性部分区域共同作用，使得借助于所述测量机构（1a）能够根据所述探测件（5；5a、5b）的测量信号探测出作用到所述组件（1）上的力和/或所述组件（1）的变形。

2.根据权利要求1所述的组件，其特征在于，所述装置为风力发电设备，特别是，所述组件为所述风力发电设备的在运行中运动的和/或受到负载的元件，优选为所述风力发电设备的轴或转子叶片。

3.根据权利要求1所述的组件（1），其特征在于，所述装置是车辆的底盘，并且所述组件（1）是底盘组件（1），特别地，所述底盘组件（1）是以下车辆组件之一：

-减振元件、优选为减振元件的活塞杆；

-导向摇臂；

-连接牵杆（1c）；

-摆动支架；

-稳定器；

-转向元件、优选为转向杆、转向柱或轨迹导杆。

4.根据权利要求3所述的底盘组件（1），其特征在于，所述场发生器件（3；3a、3b）和/或所述探测件（5；5a、5b）是线圈。

5.根据上述权利要求3至4中至少一项所述的底盘组件（1），其特征在于，所述场发生器件（3；3a、3b）和所述探测件（5；5a、3b）位置固定地布置在壳体（2）中，所述壳体（2）位置固定地布置在所述底盘组件（1）处，优选地，所述场发生器件（3；3a、3b）和所述探测件（5；5a、3b）借助于硬化的浇铸材料（2c）位置固定地布置在所述壳体（2）中。

6.根据权利要求5所述的底盘组件（1），其特征在于，所述底盘组件（1）具有用于所述壳体（2）的固定结构（6c）；优选地，所述固定结构（6c）与所述底盘组件（1）一体式构成，最为优选地根据在所述底盘组件（1）处的凹处的形式构造；并且优选地，所述固定结构（6c）通过所述底盘组件（1）的局部变形而构成。

7.根据上述权利要求3至6中至少一项所述的底盘组件（1），其特征在于，所述场发生器件（3；3a、3b）和/或所述探测件（5；5a、5b）与所述底盘组件（1）间隔开地布置。

8.根据上述权利要求3至7中至少一项所述的底盘组件（1），其特征在于，所述底盘组件（1）具有至少一个焊缝（1f），并且所述场发生器件（3；3a、3b）和/或所述探测件（5；5a、5b）在所述底盘组件（1）处布置成与所述焊缝（1f）相距在约30mm至40mm之间、优选地在约34mm与约36mm之间、最优选地为约35mm的距离（x）。

9.根据上述权利要求3至8中至少一项所述的底盘组件（1），其特征在于，所述场发生器件（3；3a、3b）和/或所述探测件（5；5a、5b）布置在所述底盘组件的中性轴线（NF）的区域中。

10.根据上述权利要求3至9中至少一项所述的底盘组件（1），其特征在于，所述探测件（5；5a、5b）和所述场发生器件（3；3a、3b）基本上布置在一个平面中，优选地，所述底盘组件（1）的中性轴线（NF）位于所述平面中。

11.根据权利要求10所述的底盘组件，其特征在于，所述平面稍微垂直于、优选地刚好垂直于所述底盘组件的主弯曲方向布置。

12.根据上述权利要求3至10中至少一项所述的底盘组件（1），其特征在于，所述测量机构（1a）具有至少两个场发生器件（3a、3b）和至少两个探测件（5a、5b），其中，优选地两个场发生器件（3a、3b）和两个探测件（5a、5b）分别布置在所述底盘组件（1）的相对侧上。

13.根据权利要求12所述的底盘组件（1），其特征在于，所述场发生器件（3a、3b）和所述探测件（5a、5b）彼此在所述底盘组件（1）的两侧上的相对布置是相同的。

14.一种用于车辆的驾驶员辅助系统，其包括根据上述权利要求3至12中至少一项所述的底盘组件（1），所述驾驶员辅助系统优选地根据以下系统的类型构造：

-ESP，

-ABS，

-车道辅助系统，

-摆动稳定系统，该摆动稳定系统特别地包括可主动控制或调节的底盘稳定器。

15.一种用于装置的诊断系统，其包括根据上述权利要求1至13中至少一项所述的组件、优选地为底盘组件（1），所述诊断系统能够储存和/或评估借助于所述测量机构（1a）获得的组件（1）的负载数据。