CN107683404A - 用于借助至少两个间隔开的磁场传感器测量力或力矩的方法和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明首先涉及一种用于利用逆磁致伸缩效应测量力和/或力矩的装置。此外，本发明涉及用于基于逆磁致伸缩效应测量力和/或力矩的方法。力或力矩作用于机器元件(01)，所述机器元件具有至少一个用于磁化的磁化区域(04)和进而形成用于基于逆磁致伸缩效应进行测量的主传感器。根据本发明的装置包括至少两个间隔开的磁场传感器(08)，所述磁场传感器用于测量通过磁化以及通过力或通过力矩引起的磁场(11)，所述磁场传感器分别形成用于基于逆磁致伸缩效应进行测量的副传感器。根据本发明，该装置还包括测量信号处理单元，所述测量信号处理单元构成用于对各个磁场传感器(06)的测量信号进行信号处理。
Description
技术领域
本发明首先涉及一种用于利用逆磁致伸缩效应来测量力和/或力矩的装置。该装置包括至少两个间隔开的磁场传感器作为副传感器。此外，本发明涉及一种用于基于逆磁致伸缩效应测量力和/或力矩的方法。
背景技术
EP 2 365 927 B1公开一种中轴，所述中轴具有两个踏板曲柄和一个齿环载体，所述齿环载体与中轴的轴连接。齿环载体抗转动地与齿环轴连接，所述齿环轴又抗转动地与该轴连接。齿环轴分部段地具有磁化。设有如下传感器，所述传感器检测在磁化的范围中存在转矩的情况下磁化的改变。
US 6,490,934 B2教导一种用于测量转矩的磁致弹性的转矩传感器，所述转矩作用于具有铁磁性的、磁致伸缩的且磁致弹性的活性区域的元件上。所述区域构成在测量变换器中，所述测量变换器作为柱形套筒例如安置在轴上。转矩传感器与测量变换器相对置。
从EP 0 803 053 B1中已知一种转矩传感器，所述转矩传感器包括磁致弹性的测量变换器。测量变换器作为柱形套筒安置在轴上。
US 8,893,562 B2示出了一种用于识别磁致弹性的转矩传感器中的磁噪声的方法。转矩传感器包括转矩变换器和多个磁场传感器，所述转矩变换器具有相反极化的磁化，在所述磁场传感器之间能够进行切换。
US 8,578,794 B2教导了一种磁致弹性的转矩传感器，所述转矩传感器具有纵向延伸的元件和具有多个磁致弹性的活性区以及具有主磁场传感器和副磁场传感器，所述磁场传感器轴向上间隔开。
从US 2014/0360285 A1中已知一种磁致弹性的转矩传感器，所述转矩传感器包括纵向延伸的元件，所述纵向延伸的元件具有多个磁致弹性的活性区。在空心的该元件中存在主磁场传感器和副磁场传感器。
US 2002/0162403 A1公开一种磁致弹性的转矩传感器，所述转矩传感器具有轴，其中线圈安置在磁致弹性的区域上。
从US 8,087,304 B2中已知一种磁致弹性的转矩传感器，所述转矩传感器包括具有多个磁致弹性的活性区的纵向延伸的元件。转矩传感器包括主磁场传感器和副磁场传感器，所述磁场传感器构成为惠斯通电桥。
EP 2 799 827 A1示出一种磁致弹性的转矩传感器，所述转矩传感器具有空心的纵向延伸的元件，所述元件包括多个磁致弹性的活性区。在空心的该元件中存在主磁场传感器和副磁场传感器，所述磁场传感器构成为惠斯通电桥。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于：基于逆磁致伸缩效应能够更抗干扰地执行对力和/或力矩的测量。
所提出的目的通过根据所附的权利要求1的装置以及通过根据所附的并列的权利要求10的方法来实现。
根据本发明的装置用于测量在机器元件上的至少一个力和/或至少一个力矩。至少一个力或至少一个力矩作用于该机器元件，由此产生机械应力并且该机器元件通常稍微变形。机器元件用于传递所提到的力和/或力矩。
机器元件具有至少一个磁化区域，用于在机器元件中构成的磁化。其中一个磁化区域或多个磁化区域分别形成用于确定力或力矩的主传感器。只要构成磁化区域中的多个，则所述磁化区域优选具有相同的空间扩展并且间隔开。替选地，优选磁化区域能够在整个机器元件之上延伸。
此外，根据本发明的装置包括至少两个间隔开的磁场传感器，所述磁场传感器分别形成用于确定力或力矩的副传感器。主传感器，即至少一个磁化区域，用于将要测量的力或要测量的力矩变换成相应的磁场，而副传感器实现将该磁场变换成电信号。所述至少两个磁场传感器分别构成用于测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场或磁化改变。由于逆磁致伸缩效应而出现所提到的磁场。因此，借助根据本发明的装置实现的测量基于逆磁致伸缩效应。
此外，根据本发明的装置包括测量信号处理单元，所述测量信号处理单元构成用于对各个磁场传感器的测量信号进行信号处理。因此，能够分开地处理至少两个磁场传感器的测量信号。通过至少两个磁场传感器中的每一个能够输出至少一个测量信号，所述测量信号能够单独地由测量信号处理单元来处理。磁场传感器优选单独地与测量信号处理单元电连接。因此，不像在并联电路中、在串联电路中或在惠斯通电桥中的情况那样将磁场传感器连接在一起。在根据本发明的装置之内，借助每个磁场传感器实现对所提到的磁场进行绝对测量。
根据本发明的装置的一个特别的优点在于：能够可变化地处理至少两个磁场传感器的信号，以便例如测量在基于逆磁致伸缩效应的测量中特定的干扰影响并且能够将其消除。此外，实现间接地改进信噪比和降低故障率。
优选地，至少两个磁场传感器中的每个磁场传感器具有电连接或逻辑连接，所述电连接或逻辑连接单独地引导至测量信号处理单元。因此，至少两个磁场传感器的信号能够单独地被处理。电连接优选通过连接线路形成。逻辑连接优选在总线之内构成。连接能够针对模拟的或针对数字的信号传输来构成。
磁场传感器能够冗余地存在，即磁场传感器中的多个磁场传感器构成用于测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的相同的分量或相同的特性。
机器元件优选沿一个轴线延伸。轴线优选是机器元件的旋转轴线。机器元件优选能够围绕该轴线旋转。随后说明的方向，即轴向方向、径向方向和切向方向，参考所提到的轴线。
根据本发明的装置优选包括至少四个、更优选至少六个并且还进一步优选至少八个磁场传感器。磁场传感器的数量越高，就能够越好地消除干扰影响。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，磁场传感器等间距地设置，对此必须存在至少三个磁场传感器。在根据本发明的装置的另外的优选的实施方式中，至少两个磁场传感器相对于轴线等角度地设置，即在每两个相邻的磁场传感器之间的角间距相同。当存在多于三个的磁场传感器时，那么优选至少在多个磁场传感器的子集中的磁场传感器等间距地设置，使得所述磁场传感器成组等间距地设置。如果存在多于两个的磁场传感器，那么优选至少在多个磁场传感器的子集中的磁场传感器等角度地设置，使得所述磁场传感器分组等角度地设置。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，磁场传感器具有距轴线相同的间距。如果存在多于两个的磁场传感器，那么优选地至少在多个磁场传感器的子集中的磁场传感器具有距轴线相同的间距。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，一些磁场传感器设置在轴线中。
所述磁场传感器优选以矩阵的形式设置，其中矩阵能够在极坐标中或笛卡尔坐标中构成。
只要存在多于两个的磁场传感器，所述磁场传感器就优选地设置在一个平面中。只要存在多于三个的磁场传感器，那么优选地至少在多个磁场传感器的子集中的磁场传感器设置在一个平面中，使得磁场传感器成组地各设置在一个平面中。
至少两个磁场传感器优选设置在一个平面中，所述平面平行于或垂直于轴线定向。只要存在多于两个的磁场传感器，那么优选至少在多个磁场传感器的子集中的磁场传感器设置在一个平面中，所述平面平行于或垂直于轴线定向。
至少两个磁场传感器优选设置成行和/或列。行和/或列优选垂直于或平行于轴线设置。
至少两个磁场传感器优选设置在相对于轴线等角度设置的半径上。在此，在每个半径上优选存在磁场传感器的子集，所述子集的磁场传感器相同间隔开地设置在相应的半径上。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，至少两个磁场传感器分别构成用于单独地测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的刚好一个方向分量。所述方向分量优选为轴向的方向分量、径向的方向分量或切向的方向分量。
在根据本发明的装置的其他的优选的实施方式中，至少两个磁场传感器分别构成用于单独地测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的多个方向分量。所述方向分量优选为轴向的方向分量、径向的方向分量和/或切向的方向分量。
在根据本发明的装置的特别优选的实施方式中，至少两个磁场传感器分别构成用于单独地测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的三个方向分量。所述三个方向分量优选为轴向的方向分量、径向的方向分量和切向的方向分量。至少，优选多个磁场传感器分别构成用于单独地测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的三个方向分量。
在根据本发明的装置的其他优选的实施方式中，磁场传感器中的至少一个还构成用于测量机器元件的磁化的磁场和/或干扰磁场。由此能够直接地且时间上测量干扰磁场的影响，使得在测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场时能够消除所述影响。
根据本发明的装置的其他的优选的实施方式包括用于测量机器元件的磁化的磁场和/或干扰磁场的其他的磁场传感器。
根据本发明的装置的其他优选的实施方式包括在磁场传感器处的温度传感器，所述温度传感器用于测量分别在那里存在的温度。温度传感器优选同样与测量信号处理单元电连接。测量信号处理单元优选被配置成：补偿温度对磁场传感器的测量信号的影响。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，机器元件具有空腔，使得机器元件是空心的。空腔优选至少部分地沿轴线延伸。空腔尤其构成在轴线的区域中。优选地，空腔在机器元件的整个轴向长度上延伸。空腔优选在轴向端部处是敞开的。所述空腔优选具有柱形形状。
至少两个磁场传感器优选设置在机器元件的空腔中。在那里，磁场传感器在最大程度上受到保护以免受外界影响。但是，至少两个磁场传感器也能够设置在机器元件之外。
一个或多个磁化区域可以是永久磁化的或暂时磁化的。在根据本发明的装置的优选的实施方式中，一个或多个磁化区域是永久磁化的，使得磁化通过永久磁化形成。在根据本发明的装置的替选优选的实施方式中，所述装置还具有至少一个用于磁化至少一个磁化区域的磁体，使得至少一个磁化区域的磁化原则上是暂时性的。至少一个磁体能够通过永磁体或优选通过电磁体形成。
永久或暂时磁化的一个或多个磁化区域在机器元件未承受力或力矩负荷的状态下向相应的磁化区域之外优选是磁中性的，使得技术上不能够测量相应的磁化区域之外的相关的磁场。
一个或多个磁化区域分别为机器元件的体积的一部分。一个或多个磁化区域优选分别环形地构成，其中机器元件的轴线也形成相应的环形的中轴线。特别优选地，一个或多个磁化区域分别具有与机器元件的轴线同轴的空心柱体的形状。
至少一个磁化区域优选围绕轴线在环周上延伸并进而也能够视为磁化轨迹。因此，其为至少一个环绕该轴线的磁化区域，其中该轴线本身优选不形成磁化区域的一部分。一个或多个磁化区域优选具有相对于机器元件的围绕该轴线延伸的表面切向的定向。一个或多个磁化区域优选仅具有相对于机器元件的围绕该轴线延伸的表面切向的定向。一个或多个磁化区域优选分别沿着围绕该轴线闭合的路径延伸，其中一个或多个磁化区域允许具有短的空隙。只要构成多个磁化区域，所述磁化区域就优选具有相同的空间扩展并且轴向间隔开。只要构成多个磁化区域，所述磁化区域就优选具有相反的极性。特别优选地，至少两个在环周上延伸的磁化区域以磁化轨迹的形式构成。
机器元件至少在磁化区域中由磁致伸缩的或磁致弹性的材料构成。优选地，机器元件完全地由磁致伸缩的或磁致弹性的材料构成。优选地，机器元件由钢构成。
机器元件优选具有棱柱或柱体的外形，其中棱柱或柱体优选与轴线同轴地设置。棱柱或柱体优选是直的。特别优选地，机器元件具有直圆柱体的外形，其中圆柱体优选与该轴线同轴地设置。在特别的实施方式中，棱柱或柱体锥形地构成。
特别优选地，机器元件具有空心柱体的形状。
机器元件优选通过轴、通过部分空心的轴、通过空心轴、通过法兰或通过空心法兰形成。轴、部分空心的轴、空心轴、法兰或空心法兰能够针对受不同的力和力矩引起的负荷来设计，并且例如是传感器中轴(Sensortretlager)的、摆动稳定器的或肥料撒料器的部件。原则上，机器元件也能够通过完全不同类的机器元件类型形成，即例如换挡拨叉。
至少两个磁场传感器优选分别通过半导体传感器形成。替选地，至少两个磁场传感器优选地分别通过MR传感器、通过霍尔传感器、通过磁敏电阻器(Feldplatte)、通过SQUID、通过线圈元件、通过福斯特探针或通过磁通门磁力计形成。原则上，也能够使用其他的传感器类型，只要其适合于测量通过逆磁致伸缩效应引起的磁场或所述磁场的一个或多个方向分量。优选地，磁场传感器通过不同的传感器类型形成，由此能够确保最佳地匹配于机器元件和磁化区域。
测量信号处理单元优选通过微控制器形成。广义上，测量信号处理单元优选通过计算单元形成。
测量信号处理单元优选还构成用于评估各个磁场传感器的测量信号。因此，不仅实现各个磁场传感器的测量信号的预处理，而且测量信号处理单元也实现输出经评估的测量结果，例如输出通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的磁通密度的矢量说明，其中干扰场已被消除。测量信号处理单元优选也实现输出要测量的力或要测量的力矩的值。
测量信号处理单元优选包括用于传感器数据的存储器。所述传感器数据形成用于解释磁场传感器的测量信号的信息数据库。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，测量信号处理单元构成用于：评估磁场传感器的组的测量信号，其中能够改变磁场传感器的分组。因此，磁场传感器能够不同地分组，以便例如能够测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场的或还有干扰磁场的不同的分量。因此例如能够近似同时对干扰磁场进行测量。
根据本发明的方法用于利用逆磁致伸缩效应来测量机器元件上的力和/或力矩。机器元件具有至少一个用于磁化的磁化区域。根据方法，至少两个间隔开的磁场传感器用于测量通过磁化以及通过力或/或通过力矩引起的磁场。根据本发明，单独地处理至少两个磁场传感器的测量信号。
根据本发明的方法优选也具有结合根据本发明的装置所描述的步骤和特征。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，进行各个磁场传感器的测量信号的似然性检验。这特别在如下情况下才实现：磁场传感器的数量显著大于二，使得多次冗余地测量磁场。
在根据本发明的方法的优选的实施方式中，识别外来磁场和补偿该外来磁场对作用力或作用力矩的测量的影响。
外来磁场能够通过近场或通过远场来形成。近场是磁场传感器的装置处的不均匀的磁场。近场在磁场传感器的装置之内的场分布是可识别的，因为每个磁场传感器优选也提供单独的矢量的方向和所测量的磁场方向分量的值。因此，能够识别外来磁场的方向、分布和强度。但是也能够识别外来磁场的类型，即剩余的磁化，或干扰影响的时间变化，即例如干扰源的衰弱或迁移。但是也能够识别干扰的形式，即点状地或广域地。同样能够识别转变成磁场的电场。优选测量近场并且在测量力或力矩时补偿该近场。
远场产生磁场在矢量方向上超出磁场传感器的整个装置的偏移。可识别该偏移的值和方向。优选地，远场和线性近场同时被测量，以测量力或力矩，并且进行补偿。优选检测近场的非线性的部分，以便对其进行补偿。
优选地，借助磁场传感器分别测量磁场的多个方向。基于此，优选也确定机器元件的弯曲。该弯曲优选为围绕垂直于机器元件的轴线的两个轴线的扭转。优选确定弯曲的方向和值。此外，优选确定横向力。横向力垂直于机器元件的轴线定向。优选地，确定横向力的方向和值。优选地，确定多个力矩和/或力。
另一优选要确定的干扰场因机器元件处的温度梯度引起。例如，当机器元件是120℃热且温度为大致0℃的涌水或冰水碰到该机器元件时，会出现该温度梯度。如果冷水碰到热的机器元件，那么该机器元件在接触部位处冷却。冷却围绕水的碰触区域传播。同时，其余的机器元件，尤其机器元件的相对置的区域仍是热的。机器元件的环周处的温度极值之间的温度差于是例如为120K。该温度差引起机器元件与温度分布相关的不均匀的热膨胀。不均匀的膨胀在机器元件中引起材料应力，逆磁致伸缩效应对于所述材料应力是敏感的，使得产生干扰磁场。该干扰磁场优选通过单独地处理磁场传感器的测量信号来识别和补偿。优选地，补充地测量磁场传感器处的温度，以便补偿磁场传感器的温度过程，使得在与室温不同的温度下也能够以高的精度测量磁场。此外，所述温度信息优选用作为机器元件中的温度梯度的指示器。如果机器元件中的温度分布是已知的，那么能够补偿其影响。温度测量优选以与测量磁场相同的测量频率进行。
根据本发明的装置的测量信号处理单元优选配置用于执行所描述的方法步骤。
附图说明
本发明的其他的细节、优点和改进参考附图从本发明的优选的实施方式的下面的描述中得出。其示出：
图1示出根据本发明的装置的第一优选的实施方式的两个视图；
图2示出根据本发明的装置的第二优选的实施方式的横截面图；
图3示出根据本发明的装置的第三优选的实施方式的横截面图；
图4示出根据本发明的装置的第四优选的实施方式的横截面图；
图5示出根据本发明的装置的第五优选的实施方式的横截面图；
图6示出根据本发明的装置的第六优选的实施方式的横截面图；
图7示出根据本发明的装置的第七优选的实施方式的横截面图；
图8示出根据本发明的装置的第八优选的实施方式的纵截面图；
图9示出根据本发明的装置的第九优选的实施方式的纵截面图；
图10示出根据本发明的装置的第十优选的实施方式的纵截面图；
图11示出根据本发明的装置的第十一优选的实施方式的纵截面图；和
图12示出根据本发明的装置的第十二优选的实施方式的两个视图。
具体实施方式
图1示出根据本发明的装置的第一优选的实施方式的横截面图和纵截面图。该装置包括由钢构成的呈空心法兰01形式的机器元件，所述机器元件固定在基本体02上并且沿轴线03延伸。扭矩Mt作用于空心法兰01，所述扭矩能够借助根据本发明的装置测量。
空心法兰01具有呈环绕轨迹形式的两个磁化区域04。这两个磁化区域04是永久磁化的并且相反极化。这两个磁化区域04形成用于利用逆磁致伸缩效应测量扭矩Mt的主传感器。
该装置还包括二十个磁场传感器06，所述磁场传感器位于空心法兰01的内部中。二十个磁场传感器06具有距轴线03相同的间距。二十个磁场传感器06以五个组的形式设置。五个组中的每个组包括四个磁场传感器06，所述四个磁场传感器以相对于轴线03为90°的角间距设置且共同地设置在垂直于轴线03设置的平面中。五个组相对于轴线03等间距地设置。磁场传感器06的五个组中的仅两个组分别设置在轴向位置处，在所述轴向位置处也设置有两个磁化区域04中的一个。二十个磁场传感器06的设置替选地也能够通过如下方式描述：所述磁场传感器以四个组的形式设置。四个组中的每个组包括五个磁场传感器06，所述磁场传感器共同地位于平行于轴线03设置的直线上并且等间距地设置。二十个磁场传感器06的设置替选地也能够通过如下方式来描述：其以两个组的形式设置。两个组中的每个组包括十个磁场传感器06，所述磁场传感器共同地以矩阵状的方式设置在包含该轴线03的平面中，其中两个平面彼此间有90°的角度。
所描述的二十个磁场传感器06的布置还产生磁场传感器06的沿轴向方向定向的组07、磁场传感器06的沿对角线方向定向的组08和磁场传感器06的沿切向方向定向的组09。
二十个磁场传感器06以符号方式各通过一个圆来示出。
二十个磁场传感器06分别允许对由于逆磁致伸缩效应出现的磁场11的以及可能的干扰磁场的一个或多个方向分量进行测量。
二十个磁场传感器06中的每个单独地与用作为测量信号处理单元的微控制器(未示出)电连接，使得微控制器能够单独地或以可变化的组来处理和评估二十个磁场传感器06的测量信号。
微控制器控制二十个磁场传感器06的询问并且将其测量值与存储在微控制器中的数据库比较，所述数据库以绝对方式和相对方式计算测量值并且相互比较。
只要二十个磁场传感器06分别构成用于测量由于逆磁致伸缩效应而出现的磁场11的全部三个方向分量，那么测量具有要测量的与负载相关的磁场11的值和方向的空间矢量。通过具有三个方向分量Bx、By和Bz的磁通密度表示的空间矢量由磁场传感器06的测量值形成。
由于逆磁致伸缩效应而形成的磁场11与扭矩Mt相关。尽管可能仅二十个磁场传感器06中的一些能够检测所述磁场11，但所述磁场传感器06能够由微控制器选择和分组。
在空心法兰01的纯扭转负荷变化的情况下并且在干扰场极小的情况下，在磁场传感器06的每个位置处仅磁通密度的矢量的值变化，即每个磁场传感器06经受矢量值变化，但是不经受矢量方向变化。因此，每个矢量分量Bx、By和Bz的磁通密度的值相同地提高，使得矢量方向保持不变。
与负载相关的磁场11的磁通密度对于三个矢量分量Bx、By和Bz中的每个而言与扭矩Mt线性相关，其中线性斜率与相应的磁场传感器06在轴向方向上的位置正相关或负相关。同样能够考虑：对于三个矢量分量中的一个或两个，斜率为零。
根据磁通密度Bx、By和Bz的矢量测量的与负载相关的磁场11在扭转负荷保持不变的情况下在各个磁场传感器06的位置处不同。在干扰磁场小得不可觉察的前提下，在具有相同轴向位置的磁场传感器06处的矢量的方向和值相同。相应地，磁场传感器06在轴向方向内的位置之间的矢量的值和方向不同。该关联提供如下可行性：将各个磁场传感器06的测量信号组合成组并且相应地评估。
图2示出根据本发明的装置的第二优选的实施方式的横截面图。该实施方式首先等同于图1中示出的实施方式。与图1中示出的实施方式不同，磁场传感器06共同地设置在包含轴线03的平面中。磁场传感器06设置成两个组。这两个组中的每个组包括多个磁场传感器06，所述磁场传感器共同地位于平行于轴线03设置的直线上并且等间距地设置。磁场传感器06具有距轴线03相同的间距。
图3示出根据本发明的装置的第三优选的实施方式的横截面图。该实施方式首先等同于图2中示出的实施方式。与图2中示出的实施方式不同，磁场传感器06设置在围绕轴线03的不同的位置中并且也设置在轴线03中。磁场传感器06设置成四个组。四个组中的每个组包括多个磁场传感器06，所述磁场传感器共同地位于平行于轴线03设置的或设置在轴线03中的直线上并且等间距地设置。不设置在轴线03中的磁场传感器06具有距轴线03相同的间距。
图4示出根据本发明的装置的第四优选的实施方式的横截面图。该实施方式首先等同于图2中示出的实施方式。与图2中示出的实施方式不同，磁场传感器06设置在包含轴线03的两个平面中。这两个平面彼此间具有45°的角度。
图5示出根据本发明的装置的第五优选的实施方式的横截面图。该实施方式首先等同于图3中示出的实施方式。与图3中示出的实施方式不同，磁场传感器06设置成七个组。七个组中的每个组包括多个磁场传感器06，所述磁场传感器共同地位于平行于轴线03设置的或设置在轴线03中的直线上并且等间距地设置。
图6示出根据本发明的装置的第六优选的实施方式的横截面图。该实施方式首先等同于图2中示出的实施方式。与图2中示出的实施方式不同，磁场传感器06设置成八个组。八个组中的每个组包括多个磁场传感器06，所述磁场传感器共同地位于平行于轴线03设置的直线上并且等间距地设置。八个组中的各四个组的直线具有相对于轴线03为90°的角间距。八个组中的各四个组的磁场传感器06具有距轴线03相同的间距。
图7示出根据本发明的装置的第七优选的实施方式的横截面图。该实施方式首先等同于图6中示出的实施方式。与图6中示出的实施方式不同，磁场传感器06设置成十二个组。磁场传感器06的十二个组中的八个组设置在八条直线上，所述直线具有相对于轴线03为45°的角间距且具有距轴线03相同的间距。磁场传感器06的十二个组中的其余四个组设置在四条直线上，所述直线具有相对于轴线03为90°的角间距且具有距轴线03相同的间距。
图8示出根据本发明的装置的第八优选的实施方式的纵截面图。该实施方式首先等同于图1中示出的实施方式。与图1中示出的实施方式不同，缺少四个磁场传感器06，即缺少在磁场传感器06的设置在直线上的四个组中的两个组中的磁场传感器。分别缺少那些具有与磁化区域04相同的轴向位置的磁场传感器06。
图9示出根据本发明的装置的第九优选的实施方式的纵截面图。该实施方式首先等同于图8中示出的实施方式。与图8中示出的实施方式不同，还缺少十二个磁场传感器06，即缺少那些不具有与磁化区域04相同的轴向位置的磁场传感器。
图10示出根据本发明的装置的第十优选的实施方式的纵截面图。该实施方式首先等同于图8中示出的实施方式。与图8中示出的实施方式不同，在磁场传感器06的设置在直线上的四个组中的两个组中，分别缺少那些不具有与磁化区域04相同的轴向位置磁场传感器06。代替于此，在磁化区域04的轴向位置处分别设置有具有距轴线03较小间距的另外的磁场传感器06。
图11示出根据本发明的装置的第十一优选的实施方式的纵截面图。该实施方式首先等同于图8中示出的实施方式。与图8中示出的实施方式不同，缺少那些具有与磁化区域04相同的轴向位置的磁场传感器06。
图2至11中示出的实施方式的磁场传感器06的布置能够沿轴向方向组合。例如图2中示出的布置能够与图9中的示出的布置组合。
磁场传感器06的图2至11中示出的布置实现检测与负载相关的磁场，也实现检测可能的干扰磁场。尤其也可行的是：确定干扰磁场的强度和/或方向。借助磁场传感器06的测量信号的具体的计算类型和借助在微控制器中相应存储的数据库，可以解释测量并进而识别不同的干扰情况和事件。
图12示出根据本发明的装置的第十二优选的实施方式的横截面图和纵截面图。该实施方式首先等同于图1中示出的实施方式。与图1中示出的实施方式不同，全部磁场传感器06设置在包含轴线03的平面中。磁场传感器06以矩阵的形式沿方向x和方向y设置，其中轴线03位于x方向上。矩阵包括行1、2、3、4、5和列a、b、c、d、e。全部矩阵元素(1a)至(5e)除了矩阵元素(2b)、(2d)、(3a)、(3c)、(3e)、(4b)和(4d)之外分别用一个磁场传感器06占据。
行1和5距空心法兰01的内壁最近地设置。行1和5之间的间距为D。因此，行1的y坐标为D/2。行5的y坐标为-D/2。行2的y坐标为D/6。行4的y坐标为-D/6。行3的y坐标为零。行1和5中的磁场传感器06主要用于测量Mt，而行2至4中的磁场传感器06主要用于测量干扰磁场。
与负载相关的磁场11与扭矩Mt成比例。所述扭矩能够冗余地如下计算为Mt_a、Mt_b、Mt_c、Mt_d和Mt_e：
Mt_a＝[Y1a-3Y2a+3Y4a-Y5a]·K1
Mt_c＝[-Y1c+3Y2c-3Y4c+Y5c]·K2
Mt_e＝[Y1e-3Y2e+3Y4e-Y5e]·K3
Mt_b＝[-X1b+2X3b-X5b]·K4
Mt_d＝[X1d-2X3d+X5d]·K5
在所述式中，X和Y分别代表借助在x和y方向上用分别以角标表示的磁场传感器06所测量的磁场分量。常数K1至K5通过标定来确定。可预期的是：形成关系K1≈K3≈K2/2并且K4≈K5。
项Mt_a至Mt_e根据不同的磁场空间分量计算列a至e中的磁场11。根据空心法兰01处的轴向位置，得到两个不同的项结构。同时，为了测量扭转Mt，实现借助所述项尽可能完全地补偿干扰。
通过比较Mt_a、Mt_b、Mt_c、Mt_d和Mt_e执行似然性检验。如果值Mt_a、Mt_b、Mt_c、Mt_d和Mt_e在考虑允许的公差的情况下是相同的，那么似然性检查成功，并且测量值能够作为Mt的值继续处理。变量能够在允许的公差范围中移动。公差范围的允许的大小事先限定并且存储在算法中。
项Mt_a、Mt_b、Mt_c、Mt_d和Mt_e包含远场的补偿。同样地，进行在通过磁场传感器06展开的平面中线性变化的近场沿所测量的场方向的补偿。在非线性的近场中，补偿近场的线性份额。线性份额越大，干扰的补偿就越好。此外，所述项包含可能的横向力沿y方向或z方向的补偿。此外，所述项包含可能的横向力的补偿，所述横向力通过在z方向上或y方向上的可能的弯曲力矩产生。所提出的补偿近似与测量同时地进行。
近场的非线性份额能够根据计算方案来处理。对此，近场的非线性份额根据可用的测量值连同单独的磁场传感器06的方向分量来确定。此外，根据近场的非线性的份额推断出在磁场传感器06处由此产生的测量误差连同方向分量或推断出磁场传感器06的组的测量误差。基于此，校正磁场传感器06的组的测量值并进而提高可借助根据本发明的方法执行的测量的精度。
附图标记列表
01 呈空心法兰形式的机器元件
02 基本体
03 轴线
04 磁化区域
05 -
06 磁场传感器
07 轴向方向上的组
08 对角线方向上的组
09 切向方向上的组
10 -
11 磁场
Claims (10)
1.一种用于测量机器元件(01)上的力和/或力矩的装置，所述机器元件具有至少一个用于磁化的磁化区域(04)，其中所述装置包括至少两个间隔开的磁场传感器(06)，所述磁场传感器用于测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场(11)；并且其中所述装置还包括测量信号处理单元，所述测量信号处理单元构成用于对各个所述磁场传感器(06)的测量信号进行信号处理。
2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，每个所述磁场传感器(06)具有电连接或逻辑连接，所述电连接或逻辑连接单独地引导至所述测量信号处理单元。
3.根据权利要求1或2所述的装置，其特征在于，所述磁场传感器(06)至少分组等间距或等角度地设置。
4.根据权利要求1至3中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场传感器(06)矩阵状地设置。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场传感器(06)至少分组地各设置在一个平面中。
6.根据权利要求1至5中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场传感器(06)设置在等角度的半径上。
7.根据权利要求1至6中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场传感器(06)分别构成用于单独地测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场(11)的三个方向分量。
8.根据权利要求1至7中任一项所述的装置，其特征在于，所述磁场传感器(11)中的至少一个磁场传感器还构成用于测量干扰磁场。
9.根据权利要求1至8中任一项所述的装置，其特征在于，所述测量信号处理单元构成用于：评估所述磁场传感器(06)的组的测量信号，其中能够改变所述磁场传感器(06)的分组。
10.一种用于测量机器元件(01)上的力和/或力矩的方法，所述机器元件具有至少一个用于磁化的磁化区域(04)；其中将至少两个间隔开的磁场传感器(06)用于测量通过磁化以及通过力和/或通过力矩引起的磁场(11)，其特征在于，单独地处理所述磁场传感器(06)的测量信号。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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