DE10119293A1

DE10119293A1 - Non-contact magnetoelastic sensors

Info

Publication number: DE10119293A1
Application number: DE2001119293
Authority: DE
Inventors: Eckhard Quandt; Markus Loehndorf; Michael Tewes; Alfred Ludwig
Original assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Current assignee: Stiftung Caesar Center of Advanced European Studies and Research
Priority date: 2001-04-19
Filing date: 2001-04-19
Publication date: 2002-11-21
Also published as: WO2002086435A1

Abstract

Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischer Größen bei einem im Einsatz befindlichen Fahrzeugstreifen, aufweisend einen im oder am Reifen befindlichen Probekörper (Sensorelement) aus magnetoelastischem Material, insbesondere Band oder Draht aus einer ferromagnetischen amorphen Legierung, mit einer außerhalb des Reifens befindlichen Sender-Empfängereinheit, die den Probekörper mit elektromagnetische Wellen bestrahlt und die das vom Probekörper erzeugte Echo aufnimmt und mit einer Auswerteeinheit, die der Sender-Empfängereinheit zugeordnet ist und die aus dem Unterschied der gesendeten und der empfangenen Signale den Dehnungszustand des Probekörpers als physikalische Größe ermittelt.Sensor system for measuring variable physical quantities in a vehicle strip in use, comprising a test specimen (sensor element) made of magnetoelastic material in or on the tire, in particular tape or wire made of a ferromagnetic amorphous alloy, with a transceiver unit located outside the tire, which Irradiated test specimen with electromagnetic waves and which receives the echo generated by the test specimen and with an evaluation unit which is assigned to the transmitter-receiver unit and which determines the elongation state of the test specimen as a physical variable from the difference between the transmitted and the received signals.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischen Größen bei einem im Einsatz befindlichen Fahrzeugreifen. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Systems.The present invention relates to a sensor system for measuring variable physical quantities of a vehicle tire in use. The The invention also relates to a method for operating the system.

Die aufgrund von Automatisierung und Prozessoptimierung wachsende Notwendigkeit, mechanische Größen wie Dehnungen und Spannungen präzise messen zu können, hat zu einer stark wachsenden Nachfrage an entsprechenden Sensorsystemen geführt. Von besonderem Interesse sind kontaktlos auslesbare Sensoren zur Messung mechanischer Größen an rotierenden oder schwer zugänglichen Objekten. Beispiele hierfür sind die Messung des Drehmoments an rotierenden Wellen, des Druckes in chemischen Reaktoren und des Kraftschlusses zwischen Reifen und Strasse.The growing due to automation and process optimization Need to measure mechanical sizes such as strains and stresses precisely being able to measure has led to a rapidly growing demand for corresponding Sensor systems led. Contactless readable ones are of particular interest Sensors for measuring mechanical quantities on rotating or heavy accessible objects. Examples of this are the measurement of the torque rotating waves, pressure in chemical reactors and Grip between tire and road.

Die bislang bekannten Systeme sind aufwendig und ungenau. Sie lassen sich in Serien-Kraftfahrzeugen nur bedingt einsetzen.The previously known systems are complex and inaccurate. You let yourself in Use series vehicles only to a limited extent.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges System zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen läßt und das genaue Meßergebnisse liefert. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb des Systems zu schaffen. The object of the present invention is to create a reliable system that can be implemented inexpensively with simple means and the exact Provides measurement results. It is also an object of the invention to provide a method for To create operation of the system.

Diese Aufgaben werden durch ein System nach Anspruch 1 und das Verfahren nach Anspruch 3 gelöst.These tasks are achieved by a system according to claim 1 and the method solved according to claim 3.

Die hier vorgeschlagene Möglichkeit zur Realisierung berührungsloser Messsysteme beruht auf der Verwendung magnetoelastischer Legierungen in Verbindung mit Radartechnik. Das physikalische Prinzip ist dabei einerseits der Villari-Effekt (inverser magnetostriktiver Effekt), wie er in Fig. 2 dargestellt ist. Dabei ruft die Änderung des mechanischen Spannungszustandes eines magnetoelastischen Materials eine Änderung seiner Permeabilität hervor. Die Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung des inversen magnetostriktiven Effekts: eine Spannungs- oder Dehnungsänderung führt zu einer Scherung der Magnetisierungskurve (links) bzw. zu einer Änderung der differentiellen Permeabilität (rechts).The option proposed here for implementing contactless measuring systems is based on the use of magnetoelastic alloys in conjunction with radar technology. The physical principle is the Villari effect (inverse magnetostrictive effect), as shown in Fig. 2. The change in the mechanical stress state of a magnetoelastic material causes a change in its permeability. Figs. 1 shows a schematic representation of the inverse magnetostrictive effect: a stress or strain change results in a shearing of the magnetization curve (left) or a change in the differential permeability (right).

Andererseits führt diese Permeabilitätsänderung zu einer Änderung der Radarreflektivität der Sensorelemente, die auf den sogenannten "giant-magneto- impedance" (GMI) Effekt zurückzuführen ist. Dabei ändert sich die Skineindringtiefe und damit der Ohmsche Widerstand bzw. die Impedanz des magnetischen Werkstoffes. Voraussetzung ist hierbei, dass die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes hinreichend gross ist, so dass die Skineindringtiefe kleiner als die Werkstoffdimensionen ist und damit der genannte Effekt eine Auswirkung auf den elektrischen Widerstand aufweist.On the other hand, this change in permeability leads to a change in Radar reflectivity of the sensor elements based on the so-called "giant magneto impedance "(GMI) effect. The Skin penetration depth and thus the ohmic resistance or the impedance of the magnetic material. The prerequisite here is that the frequency of the electromagnetic alternating field is sufficiently large so that the Skin penetration depth is smaller than the material dimensions and thus the mentioned Effect has an effect on the electrical resistance.

Ein Kernstück der Erfindung ist ein fernabfragbarer magnetoelastischer Sensor, der über die Dehnung im Reifen den Strassenzustand bestimmt. Das Sensorelement wird beispielsweise im Reifen einvulkanisiert, während sich die Sende-/Empfangseinheit im Radkasten befindet.A key element of the invention is a remotely interrogable magnetoelastic sensor, which determines the condition of the road via the stretch in the tire. The Sensor element is vulcanized into the tire, for example, while the Transmitter / receiver unit is located in the wheel arch.

Das Meßkonzept läßt sich folgendermaßen darstellen: Das magnetoelastische Element kann in einem ersten Ansatz gleichzeitig als Sensor und als Antenne dienen, wobei die Änderung der Permeabilität eine Änderung der Impedanz der Antenne verursacht (Fig. 2). Im zweiten Konzept bildet das magnetostriktive Material den magnetischen Kern eines LC-Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz sich in Folge der Permeabilitätsänderung über die Induktivität der Spule verschiebt. Im Folgenden wird der erste Ansatz näher untersucht. Das Messprinzip beruht auf einer Kombination des magnetoelastischen Effektes und einer damit verbundenen Änderung der Radarreflektivität. Das magnetoelastische Material wird direkt als Antenne betrieben. Als magnetoelastische Materialien können Bänder oder Drähte aus ferromagnetischen amorphen Legierungen oder Dünnschichtsysteme verwendet werden. Für integrierte LC Schwingkreise eignen sich vorzugsweise dünne Schichten.The measurement concept can be represented as follows: In a first approach, the magnetoelastic element can serve simultaneously as a sensor and as an antenna, the change in permeability causing a change in the impedance of the antenna ( FIG. 2). In the second concept, the magnetostrictive material forms the magnetic core of an LC resonant circuit, the resonance frequency of which shifts as a result of the change in permeability via the inductance of the coil. The first approach is examined in more detail below. The measuring principle is based on a combination of the magnetoelastic effect and a change in the radar reflectivity associated with it. The magnetoelastic material is operated directly as an antenna. Tapes or wires made of ferromagnetic amorphous alloys or thin-film systems can be used as magnetoelastic materials. Thin layers are particularly suitable for integrated LC resonant circuits.

Die zu verwendenden magnetoelastischen Werkstoffe müssen eine ferromagnetische Grenzfrequenz aufweisen, die deutlich über der Arbeitsfrequenz (z. B. 2,45 GHz) liegt. Weiterhin müssen sie bei dieser Arbeitsfrequenz einen hinreichend grossen inversen magnetostriktiven Effekt aufweisen. Im Bereich dünner Schichten lassen sich diese Anforderungen gut durch die Herstellung von Viellagenschichten erfüllen.The magnetoelastic materials to be used must be one have ferromagnetic cutoff frequency, which is significantly above the working frequency (e.g. 2.45 GHz). Furthermore, they must be one at this working frequency have a sufficiently large inverse magnetostrictive effect. In the area Thin layers can meet these requirements well by manufacturing Meet multilayer layers.

Das in Fig. 3 schematisch dargestellte Messsystem besteht aus einem magnetoelastischen Sensorelement, das Änderungen des mechanischen Spannungszustandes lokal detektiert, einer Sende/Empfangseinheit sowie einer Spule zur Erzeugung eines magnetischen Modulationsfeldes, um das Messsignal von Störsignalen, die von anderen reflektierenden Teilen herrühren, zu trennen. Die ist der typische Aufbau eines Messsystems zur fernauslesbaren Detektion des Dehnungszustandes in magnetoelastischen Sensorelementen. Die Auswertung des empfangenen Signals erfolgt entweder analog oder in einem PC bzw. Mikrocontroller.The measuring system shown schematically in Fig. 3 consists of a magnetoelastic sensor element that detects changes in the mechanical stress state locally, a transmitter / receiver unit and a coil for generating a magnetic modulation field in order to separate the measurement signal from interference signals originating from other reflecting parts , This is the typical structure of a measuring system for the remotely readable detection of the elongation state in magnetoelastic sensor elements. The received signal is evaluated either analogously or in a PC or microcontroller.

Bei der Auswahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz für das Sensorsystem sind die Materialeigenschaften, die resultierende Wellenlänge sowie die internationalen Vorschriften zur Nutzung der Frequenzbänder zu berücksichtigen. Eine obere Grenzfrequenz ergibt sich durch die verwendeten ferromagnetischen Materialien. Heute verfügbare, metallische magnetoelastische Werkstoffe weisen eine Resonanzfrequenz von maximal 7 GHz auf. Oberhalb dieses Resonanzbereiches ist es nicht möglich, den GMI-Effekt zu nutzen, da in diesem Fall die relative Permeabilität gleich Eins ist und daher durch mechanische Spannungen oder magnetische Felder nicht mehr moduliert werden kann. Eine Begrenzung zu niedrigen Frequenzen hin ergibt sich im Wesentlichen durch die für die Anwendung noch vertretbare Antennengröße.When choosing a suitable working frequency for the sensor system, the Material properties, the resulting wavelength as well as the international Regulations regarding the use of the frequency bands must be taken into account. An upper one The limit frequency results from the ferromagnetic materials used. Metallic magneto-elastic materials available today have one Resonance frequency of maximum 7 GHz. Above this resonance range it is not possible to use the GMI effect because in this case the relative Permeability is one and therefore by mechanical stress or magnetic fields can no longer be modulated. A limit too low frequencies essentially results from those for the Application still acceptable antenna size.

Für Applikationen bei denen sich der Sensor selbst oder andere reflektierende Bauteile in dessen Umfeld bewegen, kann es von Vorteil sein, eher niedrige Frequenzen zu nutzen, so dass die Amplituden der Bewegungen im Bereich einer viertel Wellenlänge liegen. Man vermeidet so starke Schwankungen in Amplitude und Phase des empfangenen HF-Signals aufgrund von variierenden Interferenzen zwischen Nutz- und Störsignalen. Aufgrund dieser Randbedingungen eignen sich besonders die ISM-Frequenzbänder (industrial scientific and medical applications) bei 433 MHz und 2,45 GHz zur Abfrage der Sensoren. Die erforderlichen Sendeleistungen liegen typischerweise im Bereich von 1 µW bis 10 mW, je nach Arbeitsabstand und geforderter Störfestigkeit.For applications in which the sensor itself or other reflective Moving components in its environment can be advantageous, rather low To use frequencies so that the amplitudes of the movements in the range quarter wavelength. This avoids strong fluctuations in amplitude and phase of the received RF signal due to varying interference between useful and interference signals. Because of these boundary conditions are suitable especially the ISM frequency bands (industrial scientific and medical applications) at 433 MHz and 2.45 GHz for querying the sensors. The necessary Transmitting powers are typically in the range of 1 µW to 10 mW, depending on Working distance and required immunity.

Wie in nachfolgend erläutert wird, ist das vom Sensor reflektierte Signal mit einer Frequenz im kHz Bereich moduliert. Der Empfänger hat die Aufgabe, dieses Signal zu verstärken und anschließend zu demodulieren. Abhängig von der jeweiligen messtechnischen Aufgabenstellung ist entweder eine Amplitudenmodulation ausreichend, oder es wird ein Quadraturdemodulator benötigt.As will be explained in the following, the signal reflected by the sensor is one Frequency modulated in the kHz range. The recipient has the job of doing this Amplify signal and then demodulate. Depends on the respective measurement task is either a Amplitude modulation is sufficient, or it becomes a quadrature demodulator needed.

Die Notwendigkeit zur Quadraturdemodulation kann sich in Systemen mit bewegten Komponenten ergeben. Im Allgemeinen werden das Nutzsignal vom Sensorelement und die Störsignale von den anderen Bauteilen nicht die gleiche Phasenlage haben, da sie in unterschiedlichen Entfernungen von der Antenne reflektiert werden. Bei einer Arbeitsfrequenz von 2,45 GHz führt bereits eine Abstandsänderung von 1,5 cm zwischen Antennen und Sensorelement zu einer Phasenverschiebung von 90°, die insbesondere dann, wenn das Störsignal wesentlich größer als das Nutzsignal ist, zu nicht interpretierbaren Signalen führt. Für Anwendungsfelder, bei denen keine definierte Phasenlage sichergestellt werden kann, ist daher ein Amplitudendemodulator ungeeignet.The need for quadrature demodulation can increase in systems with result in moving components. In general, the useful signal from Sensor element and the interference signals from the other components are not the same Have phase, as they are at different distances from the antenna be reflected. At an operating frequency of 2.45 GHz, one already performs Distance change of 1.5 cm between antennas and sensor element to one Phase shift of 90 °, especially when the interference signal is significantly larger than the useful signal, leads to signals that cannot be interpreted. For fields of application where no defined phase position is ensured an amplitude demodulator is therefore unsuitable.

Ein Problem bei dem vorgeschlagenen Messprinzip ergibt sich dadurch, dass nicht nur das Sensorelement selbst, sondern auch anderen Bauteile im Umfeld des Sensors einen Teil der vom Sender emittierten Leistung reflektieren. Trifft man keine Gegenmassnahmen, können bewegte Bauteile eine Änderung des Spannungszustandes vortäuschen. Um diese Probleme zu umgehen, erzeugt man um das Sensorelement ein niederfrequentes, magnetisches Wechselfeld, das gerade stark genug ist, das Sensorelement periodisch in die magnetische Sättigung zu treiben. Da die verwendeten Materialien magnetisch weich sind, genügen hierfür Amplituden von wenigen 100 µT. Das periodische Durchlaufen der magnetischen Hystereseschleife führt zu einer Modulation des reflektierten Signals mit der doppelten Frequenz des Modulationsfeldes, wie in Fig. 4 gezeigt ist. Das vom Empfänger detektierte reflektierte Signal des Sensorelementes ist mit dem Biasmagnetfeld (gestrichelte Linie) moduliert. Die Fouriertransformation des Signals zeigt, dass das Amplitudenspektrum für den gedehnten Sensor wesentlich schneller abklingt. Die Reflektionen der anderen, nicht weichmagnetischen Bauteile werden dagegen nicht moduliert. Dies ermöglicht es, die Störsignale nach dem Empfänger mittels eines Band- oder Hochpassfilters zu unterdrücken und damit nur die Signale des Sensorelements zu extrahieren.A problem with the proposed measuring principle arises from the fact that not only the sensor element itself, but also other components in the vicinity of the sensor reflect part of the power emitted by the transmitter. If no countermeasures are taken, moving components can simulate a change in the voltage state. To avoid these problems, a low-frequency, alternating magnetic field is generated around the sensor element, which is just strong enough to periodically drive the sensor element into magnetic saturation. Since the materials used are magnetically soft, amplitudes of a few 100 µT are sufficient for this. The periodic traversal of the magnetic hysteresis loop leads to a modulation of the reflected signal with twice the frequency of the modulation field, as shown in FIG. 4. The reflected signal of the sensor element detected by the receiver is modulated with the bias magnetic field (dashed line). The Fourier transformation of the signal shows that the amplitude spectrum for the stretched sensor decays much faster. In contrast, the reflections of the other, non-soft magnetic components are not modulated. This makes it possible to suppress the interference signals after the receiver by means of a band or high-pass filter and thus only to extract the signals from the sensor element.

Wie erwähnt, kann die Amplitude des empfangenen Signals unabhängig vom Spannungszustand des Sensors variieren. Verantwortlich hierfür sind z. B. Interferenzen durch bewegte Objekte oder die Dämpfung durch Umwelteinflüsse. Diese Einflüsse lassen sich jedoch durch eine geeignete Signalverarbeitung eliminieren. Durch das magnetische Modulationsfeld wird die in Fig. 1 dargestellte µ-H-Kennlinie der Permeabilität periodisch durchlaufen. Am Demodulator erhält man die in Fig. 4 links dargestellten Signalverläufe. Bei jedem Nulldurchgang des Modulationsfelds zeigt das Signal eine Spitze deren Breite abhängig vom Spannungszustand des Sensors ist.As mentioned, the amplitude of the received signal can vary regardless of the voltage state of the sensor. Responsible for this are e.g. B. interference from moving objects or damping due to environmental influences. However, these influences can be eliminated by suitable signal processing. By the magnetic modulating field illustrated in Fig. 1 μ-H characteristic of the permeability is run through periodically. The signal profiles shown on the left in FIG. 4 are obtained on the demodulator. At each zero crossing of the modulation field, the signal shows a peak whose width depends on the voltage state of the sensor.

Das Amplitudenspektrum der schmalen Spitzen klingt wesentlich langsamer ab als das der breiten (Fig. 4 rechts). Das Amplitudenverhältnis zweier geeigneter Obertöne ist somit ein Maß für die Dehnung des Sensors und unempfindlich gegen Schwankungen der Gesamtamplitude.The amplitude spectrum of the narrow peaks decays much more slowly than that of the broad ones ( Fig. 4 right). The amplitude ratio of two suitable overtones is therefore a measure of the expansion of the sensor and is insensitive to fluctuations in the overall amplitude.

Für eine einfache Auswertung genügt es, zwei Hochpassfilter mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen mit dem demodulierten Signals zu speisen (Fig. 5). Die Amplitude bzw. Leistung in den entsprechenden Frequenzbändern erhält man durch (quadratische) Gleichrichtung der Filterausgänge. Die Bildung des Quotienten und die Linearisierung der Kennlinie kann anschließend ohne hohen Rechenaufwand in einem Mikrocontroller erfolgen.For a simple evaluation, it is sufficient to feed two high-pass filters with different cut-off frequencies with the demodulated signal ( FIG. 5). The amplitude or power in the corresponding frequency bands is obtained by (quadratic) rectification of the filter outputs. The formation of the quotient and the linearization of the characteristic curve can then be carried out in a microcontroller without high computation effort.

In Fig. 5 ist eine Schaltung zur Signalauswertung dargestellt. Das vom Sensor reflektierte Signal wird zunächst verstärkt und anschließend demoduliert. Das demodulierte NF-Signal durchläuft zwei Hochpassfilter mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen, deren Kennlinien im oberen Teil der Grafik schematisch dargestellt sind. Durch Gleichrichtung des gefilterten Signals erhält man zwei Messgrößen: die Gesamtamplitude des NF-Signals (A_{<2 kHz}) und der relative Anteil der Frequenzkomponenten oberhalb von 4,5 kHz (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}).In Fig. 5 shows a circuit for signal evaluation. The signal reflected by the sensor is first amplified and then demodulated. The demodulated LF signal passes through two high-pass filters with different cut-off frequencies, the characteristics of which are shown schematically in the upper part of the graphic. By rectifying the filtered signal, two measurement variables are obtained: the total amplitude of the LF signal (A _{<2 kHz} ) and the relative proportion of the frequency components above 4.5 kHz (A _{<4.5 kHz} / A _{<2 kHz} ).

Im Folgenden werden Ergebnisse präsentiert, die bei der Integration von magnetoelastischen Sensoren in PKW-Reifen erzielt wurden. Dabei war es Ziel einen Sensor zu entwickeln, der während des Abrollens des Reifens kontinuierlich Daten über die im Kontaktbereich zur Fahrbahn auftretenden Kräfte übermittelt. Hierbei sind die Anforderungen an die absolute Genauigkeit der Messung relativ gering, wichtig ist, dass schnelle Veränderungen der Kräfte aufgelöst werden können. Diese schnellen, lokalen Kraftänderungen treten z. B. auf, wenn ein Stollen die Fahrbahn berührt oder wenn der Stollen einen Bereich des Reifenlatsches durchläuft, in dem ein Übergang von Haft- zu Gleitreibung stattfindet. Eine Auswertung dieser Daten kann wichtige Informationen über das Kraftschlusspotential liefern.In the following results are presented, which are with the integration of magnetoelastic sensors in car tires were achieved. It was the goal to develop a sensor that is continuous while the tire is rolling Data on the forces occurring in the contact area with the roadway are transmitted. The requirements for the absolute accuracy of the measurement are relative low, it is important that rapid changes in forces are resolved can. These rapid, local changes in force occur e.g. B. on if a Stud touches the road or if the stud touches an area of the Tire flap goes through in which a transition from static to sliding friction takes place. An evaluation of this data can provide important information about the Provide adhesion potential.

Alle hier vorgestellten Messungen wurden an einem Prüfstand durchgeführt, in dem zwei Reifen aufeinander abrollen, wobei der obere Reifen mittels einer PKW- Radaufhängung montiert ist. Die Achslast des oberen Reifens kann kontinuierlich von 0 bis 3000 N variiert werden. Die Sensoren bestehen aus 2 cm langen amorphen Fe-Co-Basis Drähten mit 27,5 µm Durchmesser und einem ca. 5 µm dicken Glasmantel. Sie sind in tangentialer Richtung zwischen den Stollen auf den Profilboden geklebt. Da der Stahlgürtel des Reifens die Radiowellen stark abschirmt, sind an beide Enden des Sensordrahts Kupferdrähte von 30 cm Länge gelötet, die durch das Profil zur Außenwand des Reifens geführt und dort in Form einer Dipolantenne befestigt sind.All of the measurements presented here were carried out on a test bench in roll the two tires on top of each other, the upper tire using a car Wheel suspension is mounted. The axle load of the upper tire can be continuous can be varied from 0 to 3000 N. The sensors consist of 2 cm long amorphous Fe-Co-based wires with a diameter of 27.5 µm and a diameter of approx. 5 µm thick glass coat. They are in the tangential direction between the studs on the Glued profile floor. Because the steel belt of the tire the radio waves strong shielded, copper wires of 30 cm length are on both ends of the sensor wire soldered, which led through the profile to the outer wall of the tire and there in shape a dipole antenna are attached.

Die Sende- und Empfangsantennen sowie die Spule für das magnetische Modulationsfeld befinden sich 5 cm seitlich neben dem Reifen und 12 cm über der gedachten Fahrbahn an der Radaufhängung. Die Modulationsspule besitzt einen 20 cm langen geschichteten Stahlkern mit 3 × 3 cm² Querschnitt. Für die Messungen wird die Spule so angesteuert, dass sie unter dem Reifen ein Modulationsfeld von 200 µT Amplitude mit einer Frequenz von 1,5 kHz erzeugt. Die Antennen bestehen aus kreisförmigen Drahtschleifen mit 8 cm Durchmesser, die nicht auf die Arbeitsfrequenz abgestimmt sind. Durch die Verwendung von Arbeitsfrequenzen von 433 MHz und niedriger befindet sich der Sensor im Nahfeld der Antennen. Aufgrund der vorher erörterten Zusammenhänge wird ein Amplitudendemodulator verwendet.The transmitting and receiving antennas and the coil for the magnetic modulation field are located 5 cm to the side of the tire and 12 cm above the imaginary road surface on the wheel suspension. The modulation coil has a 20 cm long layered steel core with a 3 × 3 cm ² cross section. For the measurements, the coil is controlled so that it generates a modulation field of 200 µT amplitude with a frequency of 1.5 kHz under the tire. The antennas consist of circular wire loops with a diameter of 8 cm, which are not tuned to the working frequency. By using working frequencies of 433 MHz and lower, the sensor is in the near field of the antennas. An amplitude demodulator is used based on the relationships previously discussed.

In Fig. 6 ist die Änderung des demodulierten Signals in Folge einer sich ändernden Belastung bei stehendem Reifen gezeigt. Gezeigt ist die Änderung des empfangenen Signals aufgrund einer statischen Last bei stehendem Reifen. Der Sensor befindet sich bei der Messung ca. 2 cm vor dem Kontaktbereich der Reifen. Deutlich ist zu erkennen, wie die Signalspitzen bei wachsender Dehnung abgerundet werden. Die weitere Verarbeitung des demodulierten Signals erfolgt auf einem Laptop mittels des Programmpaketes LabView. Hierzu wird das Signal zunächst mit 200 kHz Abtastfrequenz digitalisiert und anschließend, wie beschrieben, mittels zweier IIR (Infinite Impulse Response) Hochpässe zweiter Ordnung gefiltert. Die Grenzfrequenzen betrugen 2 kHz und 4,5 kHz.In Fig. 6 the variation of the demodulated signal as a result of a changing load at a standstill tire is shown. The change in the received signal due to a static load when the tire is stationary is shown. The sensor is located approx. 2 cm in front of the tire contact area. It can be clearly seen how the signal peaks are rounded off with increasing elongation. The demodulated signal is further processed on a laptop using the LabView program package. For this purpose, the signal is first digitized with a sampling frequency of 200 kHz and then, as described, filtered using two IIR (Infinite Impulse Response) high-pass filters of the second order. The cutoff frequencies were 2 kHz and 4.5 kHz.

In Fig. 7 ist die Ausgangsamplitude (quadratischer Mittelwert) des 2 kHz-Filters (A_{<2 kHz}) sowie das Verhältnis beider Amplituden (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}) als Funktion einer definierten Dehnung des Drahtes gezeigt. Zu sehen ist die Amplitude (A_{<2 kHz}) und Anteil der hochfrequenten Komponenten (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}) im demodulierten Signal als Funktion der Dehnung des Sensordrahtes. Man erkennt, dass die Gesamtamplitude des Signals bis zu einer Dehnung von 0,2% ansteigt. An diesem Punkt ist das Demodulatorsignal nahezu sinusförmig, das Modulationsfeld reicht nicht mehr aus, um den Draht magnetisch zu sättigen. Eine weitere Dehnung führt zu einem weiteren Abflachen der µ-H-Kennlinie, was zu einer Reduktion der Modulationstiefe führt. Aus demselben Grund nehmen die hochfrequenten Anteile (A_{<4,5 kHz}/A_{<2 kHz}) des Signals ebenfalls nur bis zu einer Dehnung von 0,2% ab. Durch das Abknicken der Kennlinie bei 0,2% Dehnung wird der nutzbare Arbeitsbereich des Sensors definiert.In Fig. 7, the output amplitude is (root mean square) of the 2 kHz filter (A _{<2 kHz),} and the ratio of the two amplitudes (A _{<4.5 kHz} / A _{<2 kHz)} as a function of a defined stretching of the wire. The amplitude (A _{<2 kHz} ) and the proportion of high-frequency components (A _{<4.5 kHz} / A _{<2 kHz} ) in the demodulated signal can be seen as a function of the elongation of the sensor wire. It can be seen that the overall amplitude of the signal increases up to an elongation of 0.2%. At this point the demodulator signal is almost sinusoidal, the modulation field is no longer sufficient to magnetically saturate the wire. A further stretch leads to a further flattening of the µ-H characteristic, which leads to a reduction in the modulation depth. For the same reason, the high-frequency components (A _{<4.5 kHz} / A _{<2 kHz} ) of the signal also only decrease up to an elongation of 0.2%. The usable working range of the sensor is defined by kinking the characteristic curve at 0.2% elongation.

Fig. 8 zeigt Messungen am rotierenden Reifen für unterschiedliche Achslasten. Die Kurvenverläufe oberhalb der durchgezogenen Linie entsprechen dabei einer Druck-, unterhalb der Linie einer Zugspannung. Gezeigt sind Daten, die an einem rotierenden Reifen mit unterschiedlichen Achslasten aufgenommen sind. Da der Sensordraht mit einer Vorspannung auf die Reifenoberfläche aufgebracht ist, ist es möglich, sowohl Dehnungen als auch Stauchungen im Reifen zu bestimmen. Die 0 N Kurve dient dabei als Referenz für den spannungsfreien Zustand. Sie ist in den Randbereichen nicht konstant, da dort auch die Amplitude des Modulationsfelds abfällt. Wie erwartet, nimmt die Breite der Kontaktzone mit steigender Achslast zu. In der Kontaktzone wird der Reifen abgeflacht, was zu einer Stauchung des Gummis im Profilboden führt. In den Bereichen vor und hinter der Kontaktzone wird das Gummi gedehnt, da die lokale Krümmung der Profiloberfläche grösser ist als im unbelasteten Fall. Bei Achslasten über 100 N wird der Gummi im Kontaktbereich so stark gestaucht, dass die Vorspannung des Sensordrahts vollständig abgebaut wird. In diesem Bereich erhält man keine verwertbaren Daten. Dieser Bereich ist in den 720 N und 1340 N Kurven als verrauschte Gerade in der Mitte des Plots zu erkennen. Fig. 8 shows measurements on the rotating tire for different axle loads. The curves above the solid line correspond to a compressive stress, below the line a tensile stress. Shown are data recorded on a rotating tire with different axle loads. Since the sensor wire is applied to the tire surface with a prestress, it is possible to determine both strains and compressions in the tire. The 0 N curve serves as a reference for the de-energized state. It is not constant in the edge areas, since the amplitude of the modulation field also drops there. As expected, the width of the contact zone increases with increasing axle load. The tire is flattened in the contact zone, which leads to compression of the rubber in the tread base. The rubber is stretched in the areas in front of and behind the contact zone, since the local curvature of the profile surface is greater than in the unloaded case. With axle loads over 100 N, the rubber in the contact area is compressed so much that the pretension of the sensor wire is completely eliminated. There is no usable data in this area. This area can be seen in the 720 N and 1340 N curves as a noisy straight line in the middle of the plot.

Die dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, dass sich fernabfragbare Sensoren für mechanische Grössen mittels magnetoelastischer Materialien und einer Hochfrequenz-Sende/Empfangseinheit realisieren lassen. Das bislang realisierte System erlaubt Messungen mit einer Bandbreite von 2 kHz, wobei diese Beschränkung durch das niederfrequente Magnetfeld vorgegeben ist und keine prinzipielle Grenze darstellt. Die verwendeten magnetoelastischen Drähte erlauben eine Messung im Dehnungsbereich bis 0,2%. Für die vorgestellte Anwendung als Reifensensor ist daher eine geeignete Vorspannung zu wählen, um sowohl Zug- als auch Druckspannungen messen zu können. Der messbare Dehnungsbereich hängt dabei vom verwendeten magnetoelastischen Material ab. Da die maximale Dehnung im Draht < 1% erreicht, kann hier durch gezielte Materialauswahl bzw. -entwicklung der Messbereich noch vergrössert werden. Eine wesentliche Störgrösse für derartige Sensoren stellen magnetische Störfelder, insbesondere Gleichfelder, dar. Nur solange die Amplitude des Wechselfeldes ausreicht, das magnetische Material, auch gegen die Störfelder, vom Nullfeld bis zur Sättigung zu modulieren, kann der Störfeldeinfluss vernachlässigt werden. Die prinzipielle Abhängigkeit des Sensorsignals vom Ort des Messobjekts (bei bewegten Objekten) aufgrund von Phasenschiebungen des Hochfrequenzfeldes oder der Inhomogenität des niederfrequenten Bias- Magnetfeldes wurden diskutiert. Sie sind in der praktischen Gestaltung des Messsystems zu berücksichtigen. Weitere geplante Untersuchungen betreffen die Verringerung von anderen Querempfindlichkeiten wie z. B. der Temperatur und die Übertragung des Messprinzips auf andere Applikationsfelder.The results show that remote sensors can be used for mechanical quantities using magnetoelastic materials and a Have the high-frequency transmitter / receiver unit implemented. The previously realized System allows measurements with a bandwidth of 2 kHz, this Restriction is given by the low-frequency magnetic field and none represents the fundamental limit. The magnetoelastic wires used allow measurement in the strain range up to 0.2%. For the featured For use as a tire sensor, a suitable preload must therefore be selected. to measure both tensile and compressive stresses. The measurable The stretch range depends on the magnetoelastic material used. Since the maximum elongation in the wire reaches <1%, you can use targeted Material selection or development of the measuring range can be enlarged. Magnetic sensors represent an important disturbance variable for such sensors Interference fields, in particular constant fields, only. As long as the amplitude of the Alternating field is sufficient, the magnetic material, also against the interference fields, Modulating from zero field to saturation can influence the interference field be ignored. The principle dependence of the sensor signal on the location of the measurement object (for moving objects) due to phase shifts of the High-frequency field or the inhomogeneity of the low-frequency bias Magnetic field were discussed. You are in the practical design of the Measuring system. Further planned investigations concern the Reduction of other cross-sensitivities such as B. the temperature and the Transfer of the measuring principle to other fields of application.

Claims

1. Sensor system for measuring variable physical quantities in a vehicle tire in use, characterized by
a test body (sensor element) made of magnetoelastic material, in particular tape or wire made of a ferromagnetic amorphous alloy, located in or on the tire,
a transceiver unit located outside the tire, which irradiates the test specimen with electromagnetic waves and which picks up the echo generated by the test specimen,
an evaluation unit which is assigned to the transmitter-receiver unit and which determines the elongation state of the test specimen as a physical variable from the difference between the transmitted and the received signals.

2. Sensor system according to claim 1, characterized by an outside of the tire located magnetic field transmitter, in particular in the form of a coil that of the test specimen with a variable magnetic Modulation field can be irradiated.

3. Method for operating a system according to one of claims 1 or 2, characterized in that
that the μ-H characteristic curve of the permeability of the sensor element is periodically run through with the magnetic modulation field,
that the signal reflected by the sensor element is recorded and
that the state of elongation of the sensor element is determined from the decay behavior of the amplitude spectrum.