CN105518425A - 用于运行磁致伸缩传感器的方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于运行磁致伸缩传感器(16，18)的方法，所述磁致伸缩传感器具有磁致伸缩元件(14，40)和用于检测所述磁致伸缩元件(14，40)的磁阻的测量接收器(22)，所述方法包括将交变场(36，50)耦合到所述磁致伸缩元件(14，40)中。

Description

用于运行磁致伸缩传感器的方法

技术领域

本发明涉及一种用于运行磁致伸缩传感器的方法、用于执行该方法的控制装置以及一种具有该控制装置的磁致伸缩传感器。

背景技术

由DE102006018480A1已知了一种用于通过磁致伸缩传感器测量机械压力的方法。

发明内容

本发明的目的在于，改善已知的方法。

所述目的通过独立权利要求的特征来实现。优选扩展构型是从属权利要求的主题。

根据本发明的一个方面，一种用于运行磁致伸缩传感器的方法，所述磁致伸缩传感器具有磁致伸缩元件和用于检测磁致伸缩元件的磁阻的测量敏感元件/测量检出元件，所述方法包括以下步骤：将交变场耦合到磁致伸缩元件中。

所给出的方法基于这样的构思：磁致伸缩传感器的输出信号由于磁致伸缩元件上的磁滞的原理而存在误差，所述误差特别显著地在符号交变的情况下施加在磁致伸缩元件上并且在待测量的输入信号中出现。但在所给出的方法的范围内已可知，在迟滞时在磁致伸缩元件上也产生饱和效应。这就是说，如果在磁致伸缩元件上施加已知的交变输入信号，则迟滞效应对于全部加载在所述交变输入信号上的待测量信号而言明显下降。已知的输入信号于是仅在处理磁致伸缩传感器的包含待测量信号的输出信号时仍须例如通过计算予以考虑。

因为通过磁致伸缩传感器测量物理场，所以选择交变场作为先前提及的已知的交变输入信号。众所周知，物理场描述物理参量的空间分布，所述物理参量在所给出的方法的扩展构型中例如可以是磁场强度或机械场强度，例如压力。由此，交变场可以是机械交变场或交变磁场。作为替换方案，可同时使用两个场类型。

在所给出的方法的一个附加扩展构型中，交变场是由直流分量和交变分量构成的混合场。该扩展构型基于这样的构思：磁致伸缩元件的上述迟滞曲线具有磁化曲线和去磁曲线。在磁致伸缩元件上的待测量场被取消之后，在磁致伸缩元件上在磁致伸缩元件的目前自由的极面之间建立新的磁场。所得到的用于这个磁场的值被称为磁工作点。通过施加具有直流分量和交流分量的混合场而实现：磁致伸缩元件持续地在所述磁工作点被磁化。在此，直流分量将磁化度提高到磁工作点，交流分量负责不重新失去磁化度。以此方式，用磁致伸缩传感器进行的测量全部在磁致伸缩元件的去磁曲线上执行，由此，即使待测量输入信号(场)进行符号交变时也几乎不产生相移。

测量敏感元件可以是可检测磁致伸缩元件的磁致伸缩效应的任意一个元件。在一个特殊的扩展构型中，测量敏感元件包括转换器，所述转换器具有初级线圈和次级线圈，所述初级线圈和次级线圈分别绕磁致伸缩元件缠绕。以此方式，磁致伸缩效应以及由此待测量场可用简单方式基于两个线圈之间的由于磁致伸缩效应而变化的耦合因子来检测。

待耦合的交变场在此可在任意一个位置上耦合到磁致伸缩元件中。但优选交变场在初级线圈与次级线圈之间耦合到磁致伸缩元件中，这是因为在两个线圈之间的位置上耦合因子被最强烈地影响，由此，通过所给出的方法产生的作用最大。

在所给出的方法的另一个扩展构型中，基于电激励信号激励交变场。在此，电激励信号可基于任意一种换能器原理变换成待耦合的交变场。因此，作为换能器例如考虑机械的压电元件，也考虑磁线圈。

在一个优选扩展构型中，所给出的方法包括步骤：基于电激励信号对来自测量敏感元件的输出信号滤波。对于滤波在此应理解为这样的步骤：在所述步骤中至少将激励信号的信号分量从输出信号去除。这可通过任意一种滤波功能、例如混频来执行。

在所给出的方法的一个特别优选的扩展构型中，输出信号的滤波通过低通滤波器执行，所述低通滤波器的截止频率与交变场的频率相关。这种低通滤波器也可在没有激励信号直接存在于所述低通滤波器上的情况下运行，这是因为所述低通滤波器仅仅需要激励信号的以及由此交变场的通常不变化的频率，由此，滤波可特别简单地执行。

根据本发明的另一个方面，设置有控制装置，被控制装置设置用于实施根据所给出的方法任意之一。

在所给出的控制装置的一个扩展构型中，所给出的装置具有存储器和处理器。在此，所给出的方法以计算机程序的形式储存在存储器中，当计算机程序从存储器加载到处理器中时，处理器被设置用于实施所述方法。

根据本发明的另一个方面，计算机程序包括程序代码单元，当计算机程序在计算机或所给出的装置任意之一上实施时，所述程序代码单元用于执行所给出的方法任意之一的全部步骤。

根据本发明的另一个方面，计算机程序产品包括程序代码，所述程序代码存储在计算机可读的数据载体上，当所述程序代码在数据处理装置上实施时，所述程序代码执行所给出的方法任意之一。

根据本发明的另一个方面，磁致伸缩传感器包括所给出的控制装置任意之一。

磁致伸缩传感器可在任意一种应用中、例如在车辆中用于检测扭力轴上的力矩、如转向轴上的力矩或轴承上的支承力。

因此，根据本发明的另一个方面，车辆包括所给出的磁致伸缩传感器任意之一。

附图说明

结合对实施例进行的下述说明可更清楚且明确地理解本发明的上述特性、特征和优点及其实现的方式和方法，结合附图详细描述所述实施例，其中：

图1示出车辆的示意性视图，

图2示出转向角传感器的示意性视图，

图3示出车轮支承力传感器的示意性视图，

图4示出磁致伸缩的测量接收器的迟滞曲线，

图5示出图4的迟滞曲线的一个局部，以及

图6示出图2的转向角传感器或图3的车轮支承力传感器的电路。

具体实施方式

附图中，相同的技术元件设置有相同的附图标记并且仅描述一次。

参考图1，图1示出了车辆2的示意性视图。

车辆2以本身已知的方式包括底盘4，所述底盘可移动地承载在前轮6和后轮8上。前轮6的车轮偏转在此可借助于方向盘10来调整，其中，图2中标示出的转向角12通过方向盘10调整并且通过转向杆14传递给转向角传感器16，所述转向角传感器于是将转向角12以电输出信号30输出，所述电输出信号又可用于控制未示出的、调整车轮偏转的致动器。

另外，车辆2包括车轮支承力传感器18，通过所述车轮支承力传感器可测量与车辆2的底面正交的、在图3中标示出的机械负载状态20。所述负载状态22例如可用于求得车辆2的过载。

参考图2，图2示出了转向角传感器16的示意性视图。

转向角传感器16包括具有初级线圈24和次级线圈26的转换器22，所述初级线圈和次级线圈以彼此间确定的距离分别绕转向杆14缠绕。转向杆14在本实施形式中由磁致伸缩材料制成，由此，初级线圈24和次级线圈26通过转向杆14彼此耦合。

转向轴14例如可用未进一步示出的方式在一侧固定。如果转向轴14通过方向盘10扭转一个转向角12，则转向轴14的磁致伸缩材料建立未进一步示出的磁场并且由此改变初级线圈24与次级线圈26之间的耦合。馈入到初级线圈24中的传递信号28由此根据施加在转向轴14上的转向角12而不同地变化并且作为输出信号30在次级线圈26上输出。因此，由输出信号30可读出关于转向角12的信息。

但磁场的上述建立过程存在迟滞。这就是说，在转向角12的扭转被取消之后，所建立的磁场的至少一部分保持存在并且由此导致输出信号30中的关于转向角12的信息失真。为了降低输出信号30中的所述迟滞的作用以及进而降低在检测转向角时的测量误差，在本实施例的范围内提出，基于电激励信号32通过压电元件34在磁致伸缩的转向轴14上施加机械交变场36。通过所述机械交变场36在磁致伸缩的转向轴14上施加磁工作点38，所述磁工作点持续地磁化磁致伸缩的转向轴14并且由此部分地使该转向轴14进入磁饱和。从所述饱和起，磁致伸缩的转向轴14的保留下来的迟滞降低并且测量转向角12时的精度由此升高。

稍后在图4和图5的范围内详细探讨磁工作点38如何施加在磁致伸缩的转向轴14上的细节。

但首先要借助于图3详细描述车辆2的车轮支承力传感器18。

车轮支承力传感器18在本实施形式中集成在未进一步标示出的车轮轴承中，所述车轮轴承具有外环40和内环42。所述外环和内环可通过滚动元件44彼此相对滚压。在本实施形式中，绕外环40缠绕着初级线圈24和次级线圈26，而外环又由磁致伸缩材料制成。如果外环40通过车轮支承力46而变形，则可用与图2中的转向角12相同的方式求得所述车轮支承力。

但在磁致伸缩的外环40上产生与在磁致伸缩的转向轴14上相同的迟滞效应。为了使所述迟滞效应降低或甚至降到最小，在本实施形式中，在磁致伸缩的外环40上通过在初级线圈24与次级线圈26之间缠绕的激励线圈48也基于激励信号32施加磁工作点38。通过激励线圈48在外环40上施加激励磁场50，所述激励磁场可用与通过压电元件34施加在磁致伸缩的转向轴14上的机械激励场相同的方式磁化外环40并且由此部分地使该外环进入饱和。

下面要描述示例性地借助于绕磁致伸缩的外环40缠绕的激励线圈48基于激励信号32对磁工作点38的施加。但基于激励信号32的磁工作点38也可用相同的方式通过压电元件34施加在磁致伸缩的转向轴14上，因此，出于简短原因省略对此的自身描述。

激励信号32在本实施形式中基于直流电压52和叠加在所述直流电压上的纯粹的交流电压54来产生。激励信号32由此是具有直流分量和交流分量的混合电压，所述直流分量和交流分量在后面出于清楚原因相应地用对应于直流分量和交流分量的电压的附图标记52和54来标示出。

下面要借助于图4和图5详细描述所述降低迟滞的作用，图4和图5相应地示出了作为磁致伸缩的测量敏感元件14、40的外环40的迟滞曲线56和迟滞曲线56的一个局部58，所述迟滞曲线相应地描述磁致伸缩的外环40中的与激励磁场50相关的通量密度60。

在第一次施加直流分量52时，磁致伸缩的外环40在迟滞曲线56的起始磁化曲线62上被磁化。如果激励电压32由于现在起作用的交变分量54而又下降，则在磁致伸缩的外环40的自由极面之间又建立新的磁场，所述新的磁场穿过包围磁致伸缩的外环40的导磁空间并且在此从磁致伸缩的外环40中吸收能量。因此，磁致伸缩的外环40的开放式(offene)磁化以及由此其磁工作点38稍低于本身已知的剩磁通量密度64。

但磁致伸缩的外环40不是在起始磁化曲线62上而是在迟滞曲线56的去磁曲线66上占据所述磁工作点38。如果现在在初级线圈24上施加传递信号28，则从图5可直接看到，迟滞由于所述传递信号28而在磁工作点38附近出现并且比磁致伸缩的外环40的本来迟滞56小很多。此外，通过磁工作点38使外环40的磁通量密度变负并且由此在初级线圈24与次级线圈26之间的传递中出现相位突变的可能性减小。

如果现在在磁致伸缩的外环40上施加车轮支承力，则外环40的迟滞曲线56由于外环40的磁致伸缩特性而朝磁通量密度60的轴线伸展，这通过附图标记56′来表示。通过这种伸展，去磁曲线66的梯度以及由此外环40的相对导磁能力明显变化。随着外环40的相对导磁能力的变化，该外环的磁阻也变化，因此，传递信号28在不施加车轮支承力46的情况下通过转换器22以与施加车轮支承力的情况不同的阻尼被传递。传递信号28的这种阻尼可从可读取的输出信号30中以本身已知的方式读出。

但为此输出信号30必须首先清除通过激励信号32引起的信号分量。这如通过图6中所示的可作为控制装置使用的电路67所示，例如可通过低通滤波器68来实现，因为直流分量不可通过转换器22由激励线圈48传递给次级线圈26。如果低通滤波器68参数确定合适，则可从输出信号30中滤掉激励信号32的交变分量54，由此，可由在低通滤波器68的输出端上得到的低通信号70中以已知的方式获得车轮支承力46。

Claims (10)

1.一种用于运行磁致伸缩传感器(16，18)的方法，所述磁致伸缩传感器具有磁致伸缩元件(14，40)和用于检测所述磁致伸缩元件(14，40)的磁阻的测量敏感元件(22)，所述方法包括以下步骤：将交变场(36，50)耦合到所述磁致伸缩元件(14，40)中。

2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述交变场(36，50)包括机械交变场(36)和/或交变磁场(50)。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其中，所述交变场(36，50)包括由直流分量(52)和交变分量(54)构成的混合场。

4.根据前述权利要求中任一项所述的方法，其中，所述测量敏感元件(22)包括转换器(22)，所述转换器具有初级线圈(24)和次级线圈(26)，所述初级线圈和次级线圈分别绕所述磁致伸缩元件(14，40)缠绕。

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述交变场(36，50)在所述初级线圈(24)与所述次级线圈(26)之间耦合到所述磁致伸缩元件(14，40)中。

6.根据前述权利要求中任一项所述的方法，所述方法包括以下步骤：基于电激励信号(32)激励所述交变场(36，50)。

7.根据权利要求6所述的方法，所述方法包括以下步骤：基于所述电激励信号(32)对来自所述测量敏感元件(22)的输出信号(30)滤波。

8.根据权利要求7所述的方法，其中，所述输出信号(30)的滤波通过低通滤波器(68)执行，所述低通滤波器的截止频率与所述交变场(36，50)的频率相关。

9.一种控制装置(67)，所述控制装置被设置用于实施根据上述权利要求任意之一的方法。

10.一种磁致伸缩传感器(16，18)，包括根据权利要求9所述的控制装置(67)。