CN110799819B - 用于测量在机械元件处的弯矩的装置和方法 - Google Patents

用于测量在机械元件处的弯矩的装置和方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于利用逆磁致伸缩效应来测量在沿轴线(03)延伸的机械元件(01)处的弯矩(Mb)的装置。机械元件(01)具有空腔(07)和至少一个在环周上围绕轴线(03)延伸的、用于磁化的磁化区域(04)。所述装置还包括至少一个设置在空腔(07)中的磁场传感器(08)，所述磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩(Mb)引起的磁场的至少一个单个方向分量(09)。根据本发明，磁场传感器(08)与垂直相交于轴线(03)的且平行于方向分量(09)定向的直线间隔开地设置。磁场传感器(08)也同垂直相交于轴线(03)且垂直于方向分量(09)定向的直线间隔开地设置。本发明还涉及一种用于借助于根据本发明的装置来测量弯矩(Mb)的方法。

Description

用于测量在机械元件处的弯矩的装置和方法
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在沿轴线延伸的机械元件处的弯矩的装置。机械元件具有至少一个在环周上围绕轴线延伸的、用于磁化的磁化区域。本发明还涉及一种用于借助于根据本发明的装置来测量弯矩的方法。
背景技术
WO 2011/085400 A1示出磁致弹性的力传感器，借助于所述力传感器可测量元件的机械负荷。元件具有切向环绕的磁化并且加载有弯矩。在中间平面上存在磁场传感器。根据WO 2011/085400A1的图1(b)中的示图，磁场传感器可以位于元件中。
DE 10 2015 202 240 B3示出用于利用逆磁致伸缩效应来测量在沿轴线延伸的机械元件处的力和/或力矩的装置。所述装置包括至少三个磁场传感器，所述磁场传感器也可以位于机械元件的空腔之内。
DE 699 36 138 T2示出磁性的力传感器，其中磁化材料承受弯矩，其中借助于传感器装置可确定磁化材料的外部磁场。
DE 10 2014 219 336 B3教导用于利用逆磁致伸缩效应来测量在沿轴线延伸的机械元件处的力和/或力矩的装置和方法。所述装置的一些实施方式能够实现同时测量弯矩和扭矩以及横向力。所述装置包括至少两个磁场传感器，所述磁场传感器也可以位于机械元件的空腔之内。
DE 10 2015 202 239 A1示出用于利用逆磁致伸缩效应来测量在机械元件处的力或力矩的装置。所述机械元件具有空腔，在所述空腔中存在至少两个磁场传感器。
US 2014/0360282 A1教导具有沿纵向方向延伸的波形元件的磁致弹性的传感器。波形元件承受机械负荷并且具有磁致弹性的有源区域，机械负荷传递到所述有源区域中，使得所述有源区域螺旋形地成形。磁场传感器装置靠近磁致弹性的区域设置并且构成用于确定剪切应力和/或拉应力或压应力。尤其，传感器装置包括至少一个方向灵敏的磁场传感器，所述磁场传感器相对于波形元件以预定的空间定向设置。磁场传感器位于波形元件的空腔中。
发明内容
基于现有技术，本发明的目的在于，降低对作用到机械元件上的弯矩进行基于逆磁致伸缩效应的测量的耗费。
根据本发明的装置用于测量在沿轴线的方向延伸的机械元件处的弯矩。弯矩作用于机械元件，由此出现机械应力并且机械元件通常略微变形。轴线优选形成机械元件的旋转轴线。通过轴线限定径向方向、切向方向或环周方向和轴向方向，其彼此垂直地定向。
弯矩具有弯矩轴线，所述弯矩轴线为弯矩的旋转轴线。弯矩轴线优选垂直于机械元件的轴线设置。弯矩轴线优选与机械元件的轴线相交。
机械元件具有空腔，使得其是空心的。空腔优选同样沿轴线的方向延伸。轴线优选至少部段地设置在空腔中。
机械元件具有至少一个在环周上围绕轴线延伸的、用于在机械元件中构成的磁化的磁化区域。因此，这涉及围绕轴线环绕的磁化区域，也就是说涉及圆周形的磁化区域，其中轴线本身优选不形成磁化区域的一部分。磁化区域具有关于机械元件的围绕轴线延伸的表面的切向定向。磁化区域优选仅具有关于机械元件的围绕轴线延伸的表面的切向定向。磁化区域优选沿着围绕轴线的闭合的路径延伸，其中磁化区域允许具有短的空隙。磁化区域优选在机械元件的轴向部段中构成。磁化区域形成用于确定弯矩的初级传感器。
所述装置还包括至少一个磁场传感器，所述磁场传感器形成用于确定弯矩的次级传感器。初级传感器，也就是说至少一个磁化区域用于将待测量的弯矩转换为相应的磁场，而次级传感器能够实现将所述磁场转换为电信号。
至少一个磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的至少一个单个的方向分量。提到的磁场由于逆磁致伸缩效应而产生。由此，借助根据本发明的装置实现的测量基于逆磁致伸缩效应。
至少一个磁场传感器设置在机械元件的空腔中。由此，至少一个磁场传感器与机械元件的内部中的内表面相对地设置。
根据本发明，磁场传感器设置为，使得其与同轴线垂直相交且沿径向方向定向的如下直线间隔开，所述直线平行于通过磁化和通过弯矩引起的磁场的可借助磁场传感器测量的方向分量定向。此外，磁场传感器设置为，使得其与同轴线垂直相交且沿径向方向定向的如下直线间隔开，所述直线垂直于通过磁化和通过弯矩引起的磁场的可借助磁场传感器测量的方向分量定向。至少一个磁场传感器优选与轴线间隔开地设置在空腔中。因为根据本发明至少一个磁场传感器可以设置在空腔中的任意位置处，所以所述磁场传感器优选设置在其安装可低耗费地实现的位置处。这例如可以是靠近机械元件的内表面的、明显与轴线间隔开的位置。
根据本发明的装置的一个特别的优点在于，至少一个磁场传感器可以设置在机械元件的空腔中的任意位置处，并且能够实现弯矩的测量。
至少一个磁场传感器优选设置在轴向位置处，在所述轴向位置中也构成有磁化区域。至少一个磁场传感器优选轴向地设置在磁化区域的中间的轴向位置处。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，至少一个磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的至少一个单个的方向分量，其中所述至少一个方向分量位于垂直于轴线的平面中。由此，所述方向分量至少平行于沿径向方向定向的直线，也就是说至少平行于从轴线开始的半径。
在根据本发明的装置的优选的实施方式中，至少一个磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的至少一个单个的方向分量，其中所述至少一个方向分量平行于弯矩的弯矩轴线定向。
在根据本发明的装置的特别优选的实施方式中，至少一个磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的至少一个单个的方向分量，其中所述至少一个方向分量位于垂直于轴线的平面中，并且其中所述至少一个方向分量平行于弯矩的弯矩轴线定向。
在第一优选的实施方式中，所述装置包括刚好一个磁场传感器，所述磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的刚好一个单个的方向分量。所述方向分量位于垂直于轴线的平面中并且平行于弯矩的弯矩轴线定向。磁场传感器与轴线间隔开地设置在空腔中。
在第二优选的实施方式中，所述装置包括刚好一个磁场传感器，所述磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的刚好两个单个的方向分量，其中这两个方向分量彼此垂直地定向。所述方向分量位于垂直于轴线的平面中，其中优选地，两个方向分量中的一个平行于弯矩的弯矩轴线定向。磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线平行于两个方向分量中的第一方向分量定向。磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线平行于两个方向分量中的第二方向分量定向。磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线垂直于两个方向分量中的第一方向分量定向。磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线垂直于两个方向分量中的第二方向分量定向。磁场传感器与轴线间隔开地设置在空腔中。
在第三优选的实施方式中，所述装置包括磁场传感器中的两个，所述磁场传感器分别构成用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的单个的方向分量，其中可借助两个磁场传感器中的第一磁场传感器测量的方向分量和可借助两个磁场传感器中的第二磁场传感器测量的方向分量彼此垂直地定向。这两个方向分量位于垂直于轴线的平面中，其中优选两个方向分量中的一个平行于弯矩的弯矩轴线定向。两个磁场传感器中的第一磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线平行于可借助第一磁场传感器测量的方向分量定向。第一磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线垂直于可借助第一磁场传感器测量的方向分量定向。两个磁场传感器中的第二磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线平行于可借助第二磁场传感器测量的方向分量定向。第二磁场传感器与同轴线垂直相交的如下直线间隔开地设置，所述直线垂直于可借助第二磁场传感器测量的方向分量定向。磁场传感器与轴线间隔开地设置在空腔中。这两个磁场传感器优选具有相同的轴向位置。
在根据本发明的装置的另外的优选的实施方式中，机械元件具有至少两个在环周上围绕轴线延伸的、分别用于磁化的磁化区域。至少两个围绕轴线延伸的磁化区域的磁化优选具有交替的极性，也就是说所述极性具有彼此相反的旋转方向。磁化区域除了其极性以外优选相同地构成。机械元件还优选具有至少一个磁中性的部段，所述磁中性的部段轴向地设置在磁化区域中的两个相邻的磁化区域之间。
至少一个磁化区域可以永久地或暂时地磁化。在根据本发明的装置的优选的实施方式中，至少一个磁化区域永久地磁化，使得通过永久磁化形成磁化。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至少一个磁化区域的磁化的磁体，使得磁化区域的磁化原则上是暂时的。至少一个磁体可以通过至少一个永久磁体或优选通过电磁体形成。
至少一个永久地或暂时地磁化的磁化区域在机械元件不受力或力矩负荷的状态中朝向磁化区域之外优选是磁中性的，使得在磁化区域之外没有技术上重要的磁场可测量。
至少一个永久地或暂时地磁化的磁化区域优选在机械元件的磁致弹性地构成的部段中构成。在机械元件的磁致弹性地构成的部段中，机械元件优选由磁致伸缩的材料构成。至少一个磁化区域优选具有高的磁致伸缩率。优选地，并非仅部段，而是机械元件本身磁致弹性地构成。在此情况下，机械元件由磁致伸缩的材料构成，尤其由磁致伸缩的钢构成。
至少一个磁化区域是机械元件的体积的一部分。磁化区域优选环形地构成，其中机械元件的轴线也形成环形的中轴线。特别优选地，磁化区域具有与机械元件的轴线同轴的空心柱的形状。
机械元件优选具有空心棱柱或空心柱的形状，其中空心棱柱或空心柱与轴线同轴地设置。空心棱柱或空心柱优选是直的。特别优选地，机械元件具有直空心圆柱的形状，所述直空心圆柱与轴线同轴地设置。在特殊的实施方式中，空心棱柱或空心柱锥形地构成。
机械元件优选通过空心轴，通过空心换挡拨叉，通过套筒或通过空心法兰形成。空心轴、空心换挡拨叉、套筒或空心法兰可以设计用于通过不同的力和力矩负荷，并且例如是传感器踏板支承件的、摇摆稳定器的或施肥机的部件。原则上，机械元件也可以通过完全不同类型的空心的机械元件类型形成。
至少一个磁场传感器优选通过半导体传感器形成。至少一个磁场传感器替选地优选通过霍尔传感器、通过线圈、通过福斯特探测器或通过磁通门磁力计形成。原则上，也可以使用其他传感器类型，只要所述传感器类型适合于单个地测量通过逆磁致伸缩效应引起的磁场的方向分量。
根据本发明的方法用于测量作用到根据本发明的装置的机械元件上的弯矩。在方法的一个步骤中，接收至少一个磁场传感器的测量信号。在另一步骤中根据测量信号来确定要测量的弯矩。所述相关性例如可以通过测量顺序事先确定。
根据本发明的方法优选用于测量作用到根据本发明的装置的所描述的优选的实施方式之一的机械元件上的弯矩。此外，根据本发明的方法优选也具有结合根据本发明的装置提出的特征。
根据本发明的方法优选用于测量作用到根据本发明的装置的上述第二优选的实施方式的机械元件上的弯矩。在一个步骤中，接收用于测量通过磁化和通过弯矩引起的磁场的两个方向分量的磁场传感器的第一测量信号和第二测量信号。此外，根据第一测量信号来确定弯矩的第一方向分量。此外，根据第二测量信号来确定弯矩的第二方向分量。弯矩的两个方向分量彼此垂直。由此，例如可以确定弯矩的角位置。
根据本发明的方法优选用于测量作用到根据本发明的装置的上述第三优选的实施方式的机械元件上的弯矩。在一个步骤中，接收两个磁场传感器中的第一磁场传感器的第一测量信号。在另一步骤中，接收两个磁场传感器中的第二磁场传感器的第二测量信号。此外，根据第一测量信号来确定弯矩的第一方向分量。此外，根据第二测量信号来确定弯矩的第二方向分量。弯矩的这两个方向分量彼此垂直。由此，例如可以确定弯矩的角位置。
附图说明
本发明的其他细节、优点和改进方案从下面参照附图对本发明的优选的实施方式的描述中得出。附图示出：
图1示出用于单轴地测量弯矩的根据本发明的装置的第一优选的实施方式；
图2示出用于双轴地测量弯矩的根据本发明的装置的第二优选的实施方式；
图3示出用于双轴地测量弯矩的根据本发明的装置的第三优选的实施方式。
具体实施方式
图1至图3分别以两个视图示出根据本发明的装置。附图的左部分别包括根据本发明的装置的横截面图，而附图的右部分别包括根据本发明的装置的俯视图。
图1示出根据本发明的装置的第一优选的实施方式，所述装置用于单轴地测量弯矩Mb。所述装置首先包括呈空心法兰01的形式的机械元件，所述空心法兰固定在基本体02处。空心法兰01具有空心圆柱的形状。空心法兰01沿轴线03延伸，所述轴线也形成空心法兰01的空心柱形的中轴线。空心法兰01尤其承受通过弯矩Mb引起的弯曲。空心法兰01由磁致弹性的材料构成，所述磁致弹性的材料具有逆磁致伸缩效应。
在空心法兰01的轴向部段中构成有永久磁化区域04，所述永久磁化区域围绕轴线03环绕地延伸；也就是说为具有通过箭头说明的方向06的圆周形的永久磁化部。轴向地在永久磁化区域04的两侧上，空心法兰01不磁化。
因为空心法兰01是空心的，所以所述空心法兰具有空腔07。空腔07具有柱形的形状，所述柱形与轴线03同轴地设置。在空腔07中存在磁场传感器08，所述磁场传感器具有与永久磁化区域04相同的轴向位置。磁场传感器08与轴线03间隔开地设置，因为所述磁场传感器根据本发明可以设置在空腔07中的任意位置处。磁场传感器08构成用于单个地测量由于逆磁致伸缩效应通过永久磁化区域04的永久磁化和通过弯矩Mb引起的磁场的通过箭头说明的方向分量09。所述方向分量09位于垂直于轴线03定向的平面中。
所述方向分量09还平行于弯矩Mb的矢量定向。
图2示出根据本发明的装置的第二优选的实施方式，所述实施方式首先与在图1中示出的实施方式等同。与在图1中示出的实施方式不同的是，磁场传感器08构成用于分别单个地测量两个分别通过箭头说明的方向分量09，所述方向分量彼此垂直地定向。由此，可以单个地确定弯矩Mb的方向分量Mbx和弯矩Mb的方向分量Mby。
图3示出根据本发明的装置的第三优选的实施方式，所述实施方式首先与在图1中示出的实施方式等同。与在图1中示出的实施方式不同的是，在图3中示出的实施方式包括两个磁场传感器08，其中由于逆磁致伸缩效应通过永久磁化区域04的永久磁化和通过弯矩Mb引起的磁场的、通过两个磁场传感器08可分别单个地测量的方向分量09彼此垂直地定向。由此，如在图2中示出的实施方式中那样，可以单个地确定弯矩Mb的方向分量Mbx和弯矩Mb的方向分量Mby。
附图标记列表
01 空心法兰
02 基本体
03 轴线
04 永久磁化区域
05 -
06 方向
07 空腔
08 磁场传感器
09 方向分量

Claims (10)

1.一种用于测量在沿轴线(03)延伸的机械元件(01)处的弯矩(Mb)的装置；其中所述机械元件(01)具有空腔(07)和至少一个在环周上围绕所述轴线(03)延伸的、用于磁化的磁化区域(04)；并且其中所述装置还包括至少一个设置在所述空腔(07)中的磁场传感器(08)，所述磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩(Mb)引起的磁场的至少一个单个的方向分量(09)，其中所述磁场传感器(08)与垂直相交于所述轴线(03)的如下直线间隔开地设置，该直线平行于通过磁化和通过弯矩(Mb)引起的磁场的借助所述磁场传感器(08)可测量的方向分量(09)定向，并且所述磁场传感器(08)与垂直相交于所述轴线(03)的如下直线间隔开地设置，该直线垂直于通过磁化和通过弯矩(Mb)引起的磁场的借助所述磁场传感器(08)可测量的方向分量(09)定向。
2.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
至少一个所述磁场传感器(08)与所述轴线(03)间隔开地设置在所述空腔(07)中。
3.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
至少一个所述磁场传感器(08)设置在如下轴向位置处，在所述轴向位置中构成有所述磁化区域(04)。
4.根据权利要求1所述的装置，
其特征在于，
至少一个所述方向分量(09)位于垂直于所述轴线(03)的平面中。
5.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述装置包括刚好一个磁场传感器(08)，所述磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩(Mb)引起的磁场的刚好一个方向分量(09)。
6.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述装置包括刚好一个磁场传感器(08)，所述磁场传感器构成用于测量通过磁化和通过弯矩(Mb)引起的磁场的刚好两个方向分量(09)，其中这两个方向分量彼此垂直地定向。
7.根据权利要求1至4中任一项所述的装置，
其特征在于，
所述装置包括两个磁场传感器(08)，所述磁场传感器分别构成用于测量通过磁化和通过弯矩(Mb)引起的磁场的单个的方向分量(09)，其中借助这两个磁场传感器(08)中的一个磁场传感器可测量的方向分量(09)与借助这两个磁场传感器(08)中的另一个磁场传感器可测量的方向分量(09)彼此垂直地定向。
8.一种用于借助根据权利要求1至7中任一项所述的装置来测量弯矩(Mb)的方法，所述方法包括如下步骤：
-接收至少一个磁场传感器的至少一个测量信号；并且
-根据所述测量信号来确定所述弯矩(Mb)。
9.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
所述方法构成用于借助根据权利要求6所述的装置来测量弯矩(Mb)并且包括如下步骤：
-接收用于测量两个方向分量(09)的磁场传感器(08)的第一测量信号和第二测量信号；
-根据所述第一测量信号来确定所述弯矩(Mb)的第一方向分量(Mbx)；并且
-根据所述第二测量信号来确定所述弯矩(Mb)的第二方向分量(Mby)。
10.根据权利要求8所述的方法，
其特征在于，
所述方法构成用于借助根据权利要求7所述的装置来测量弯矩(Mb)并且包括如下步骤：
-接收两个磁场传感器(08)中的第一磁场传感器的第一测量信号；
-接收两个磁场传感器(08)中的第二磁场传感器的第二测量信号；
-根据所述第一测量信号来确定所述弯矩(Mb)的第一方向分量(Mbx)；并且
-根据所述第二测量信号来确定所述弯矩(Mb)的第二方向分量(Mby)。
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