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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Messzelle zum Messen von Kräften, insbesondere
von bei einem Aufprall von Kraftfahrzeugen in Crashanlagen auftretenden
Kräften.
Die Erfindung betrifft außerdem
eine Messeinrichtung mit einer Vielzahl derartiger Messzellen.
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Insbesondere
bei der Untersuchung von Kraftfahrzeugen mittels Crashtests ist
man bestrebt, möglichst
viele und möglichst
genaue Informationen über
die auf das Fahrzeug einwirkenden Kräfte zu erhalten. Dabei sind
vor allem auch die räumliche
Verteilung der Kräfte über die
betreffende Fahrzeugseite und das zeitliche Verhalten der Crashkräfte von
Interesse.
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Aufgabe
der Erfindung ist es, eine Möglichkeit
zu schaffen, über
Kräfte,
wie sie insbesondere in Kraftfahrzeug-Crashanlagen auftreten, mit
möglichst großer Genauigkeit
auch hinsichtlich der räumlichen Verteilung
und des zeitlichen Verhaltens Aussagen zu erhalten, wobei insbesondere
auch die Messung sehr großer
Kräfte
möglich
sein soll, wie sie in Crashversuchen mit Fahrzeugen auftreten.
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Die
Lösung
dieser Aufgabe erfolgt durch eine Messzelle mit den Merkmalen des
Anspruchs 1 und durch eine Messeinrichtung mit den Merkmalen des Anspruchs
18.
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Die
erfindungsgemäße Messzelle
umfasst einen Messstempel und eine Sensoranordnung, die über eine
Messseite des Messstempels mit den zu messenden Kräften beaufschlagbar
ist, wobei die Sensoranordnung zur Messung von Kräften nach dem
Prinzip der Magnetostriktion ausgelegt ist.
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Erfindungsgemäß wird somit
das Prinzip der Magnetostriktion zur Messung von Kräften verwendet.
Bei der Magnetostriktion handelt es sich um einen bekannten physikalischen
Effekt, wonach die Magnetisierung eines insbesondere ferromagnetischen
Materials eine Deformation des Materials bzw. eine Spannung im Material
hervorruft und – umgekehrt – eine solche
Materialdeformation bzw. -spannung das Magnetisierungsverhalten
des Materials beeinflusst.
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Die
Erfindung macht sich den zuletzt genannten umgekehrten Fall zunutze,
indem Deformationen bzw. Spannungen in einem Körper, die durch von außen auf
den Körper
einwirkende Kräfte
entstehen, unter Verwendung des magnetostriktiven Prinzips ausgewertet
werden, um die einwirkenden Kräfte
zu messen.
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Bevorzugt
ist die Messzelle zum Messen von kurzfristig wirksamen Stoßkräften ausgelegt,
wie sie insbesondere in Fahrzeug-Crashanlagen auftreten.
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Ein
Vorteil der Erfindung besteht darin, dass diese Auswertung berührungslos
erfolgen kann, da die durch die Deformationen bzw. Spannungen hervorgerufenen Änderungen
der Magnetisierung bzw. des magnetfelds mittels geeigneter, berührungslos arbeitender
Sensoren nachgewiesen werden können.
Dies führt
zu einer erheblichen Vereinfachung des Aufbaus der Messeinrichtung
ohne Einbußen
bei der Genauigkeit und insbesondere Schnelligkeit der Messung.
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Vorzugsweise
umfasst die Sensoranordnung einen ein Magnetfeld erzeugenden Primärsensor
und einen Sekundärsensor,
der zum Messen von Änderungen
des Magnetfeldes aufgrund von mechanischen Einwirkungen auf den
Primärsensor
ausgebildet ist.
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Bevorzugt
ist der Primärsensor
mit einer permanenten Magnetisierung versehen. Man spricht in diesem
Zusammenhang auch von einer magnetischen Codierung des Primärsensors.
Es kann eine mehrdimensionale Codierung bzw. Magnetisierung vorgesehen
sein, insbesondere entsprechend einem kartesischen Koordinatensystem
in drei aufeinander senkrecht stehenden Richtungen, um Aussagen auch über die
Richtung der einwirkenden Kraft zusätzlich zu deren Betrag zu erhalten.
Die Richtungsabhängigkeit
der Magnetostriktion wird auf diese Weise ausgenutzt.
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Der
Primärsensor
kann als ein separates Bauteil vorgesehen sein, das indirekt über die
Messseite des Messstempels beaufschlagbar ist. Beispielsweise kann
der Primärsensor
in Form eines Ringes vorgesehen sein, der im Inneren des Messstempels
angeordnet ist.
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Alternativ
kann der Messstempel selbst bzw. ein Teil davon als Primärsensor
vorgesehen sein. Dies setzt voraus, dass der Messstempel bzw. der betreffende
Teil des Messstempels magnetisch bzw. magnetisierbar ist.
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Der
Sekundärsensor
ist vorzugsweise bezüglich
des Primärsensors
berührungslos
angeordnet. Der Sekundärsensor
kann eine Mehrzahl einzelner Magnetfeldsensoren umfassen. Insbesondere kann
der Sekundärsensor
in Form einer Spule vorgesehen sein, die entweder ebenfalls im Inneren
des Messstempels angeordnet ist oder außerhalb des Messstempels positioniert
sein kann.
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In
einem weiteren praktischen Ausführungsbeispiel
weist der Messstempel einen insbesondere zylinderförmigen Aufnahmeraum
zur Aufnahme wenigstens eines Teils der Sensoranordnung auf. Dieser
Aufnahmeraum kann fluiddicht gegenüber der Umgebung abgedichtet
sein. Hierdurch wird ein Schutz gegenüber äußeren Einflüssen wie insbesondere Feuchtigkeit,
Staub und Schmutz erzielt.
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Der
Messstempel kann eine zylinderförmige Grundform
oder einen zylinderförmigen
Körperabschnitt
aufweisen. In einem bevorzugten Ausführungsbeispiel ist der Messstempel
hantelförmig
ausgebildet, wobei vorzugsweise die beiden radial erweiterten Endabschnitte
durch einen zylinderförmigen Körperabschnitt
miteinander verbunden sind. Als Messseite ist eine der Stirnseiten
der radial erweiterten Endabschnitte vorgesehen.
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Des
Weiteren ist es bevorzugt, wenn die Messseite eben, insbesondere
rechteckig und vorzugsweise quadratisch ausgeführt ist. Vorzugsweise verläuft die
Messseite senkrecht zu einer Längsachse
des Messstempels.
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Die
Messseite kann an einem separaten Kopfstück ausgebildet sein, das mit
dem Messstempel verbunden ist. Bevorzugt ist das Kopfstück quaderförmig ausgebildet.
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Die
erfindungsgemäße Messeinrichtung
zum Messen von Kräften,
insbesondere von bei einem Aufprall von Kraftfahrzeugen in Crashanlagen
auftretenden Kräften,
umfasst eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Messzellen, wie sie vorstehend
beschrieben wurden, wobei die Messseiten der Messzellen eine zusammenhängende,
mit den zu messenden Kräften
beaufschlagbare Messfläche
bilden.
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Vorzugsweise
ist die Messeinrichtung als eine Kraftmesswand mit einer im Wesentlichen
ebenen, von den Messseiten der Messzellen gebildeten Messfläche ausgebildet.
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Hierdurch
wird eine aufgrund der Vielzahl von einzelnen Messzellen segmentierte
Kraftmesswand geschaffen, mit der im Falle des Einsatzes in Kraftfahrzeug-Crashanlagen
eine zweidimensionale Verteilung der Crashkräfte ermittelt werden kann.
Da die Zuordnung der einzelnen Messwerte zu den Messzellen sowie
die Positionen der Messzellen innerhalb der Kraftmesswand bekannt
sind, kann aus der Gesamtheit der Messdaten gewissermaßen ein "Fingerabdruckprofil" des Kraftverlaufes
bei einem Crashtest generiert werden. Dies ermöglicht direkte qualitative
Vergleiche unterschiedlicher Fahrzeuge. Des Weiteren kann mittels
der erfindungsgemäßen Kraftmesswand
geprüft
werden, ob ein Fahrzeug bestimmte, z.B. gesetzliche Vorgaben für die Kraftverteilung
beispielsweise über
dessen Frontfläche
erfüllt.
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Mit
jeder Messzelle wird bevorzugt auch die Richtung des auf die betreffende
Messseite einwirkenden Kraftvektors bestimmt, um auf diese Weise auch
eine vektorielle Verteilung der auf die Messwand einwirkenden Kräfte zu erhalten.
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Wie
eingangs bereits erwähnt,
betrifft ein Aspekt der Erfindung allgemein die Verwendung des Prinzips
der Magnetostriktion zur Messung von Kräften, insbesondere von bei
einem Aufprall von Kraftfahrzeugen in Crashanlagen auftretenden
Kräften.
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Ein
weiterer Aspekt der Erfindung betrifft die Verwendung einer Vielzahl
von erfindungsgemäßen Messzellen,
wie sie vorstehend erläutert
wurden, zur Messung von bei einem Aufprall von Kraftfahrzeugen in
Crashanlagen auftretenden Kräften,
insbesondere mittels einer von den Messzellen gebildeten Kraftmesswand.
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Weitere
bevorzugte Ausführungsformen
der Erfindung sind den abhängigen
Ansprüchen,
der Beschreibung sowie der Zeichnung zu entnehmen.
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Die
Erfindung wird im Folgenden beispielhaft unter Bezugnahme auf die
Zeichnung beschrieben. Es zeigen:
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1 mehrere
Ansichten eines Messstempels einer Messzelle gemäß einer Ausführungsform der
Erfindung,
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2 eine
perspektivische Ansicht eines erfindungsgemäßen Messstempels,
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3 und 4 verschiedene
Ansichten eines Kopfstückes
eines erfindungsgemäßen Messstempels,
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5 eine
perspektivische Ansicht einer anderen Ausführungsform eines erfindungsgemäßen Messstempels,
und
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6 eine
erfindungsgemäße Kraftmesswand,
die eine Vielzahl von erfindungsgemäßen Messzellen umfasst.
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Der
in 1 und 2 dargestellte erfindungsgemäße Messstempel
ist hantelförmig
ausgebildet und umfasst einen im Wesentlichen zylinderförmigen Körperabschnitt 31 mit
zwei zylindrischen Endabschnitten 23, 25 größeren Durchmessers.
Der die beiden Endabschnitte 23, 25 miteinander
verbindende Zylinderkörper 31 kann
hohl oder massiv ausgeführt
sein.
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Der
Messstempel 11 ist bevorzugt Bestandteil einer Kraftmesswand,
auf die nachstehend in Verbindung mit 6 näher eingegangen
wird und die in Kraftfahrzeug-Crashversuchen eingesetzt wird, um die
Verteilung der Crashkräfte
zu bestimmen.
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Im
Hinblick auf die bei Crashversuchen einwirkenden Kräfte ist
der Messstempel 11 ausreichend stabil ausgeführt, wobei
das Material für
den Messstempel 11 grundsätzlich beliebig gewählt werden
kann. Der Durchmesser des Zylinderkörpers 31 liegt beispielsweise
im Bereich von 40 mm, wohingegen die Endabschnitte 23, 25 einen
Durchmesser von etwa 80 mm aufweisen. Die axiale Gesamtlänge des
Messstempels beträgt
etwa 120 mm. Bei diesen Abmessungen handelt es sich lediglich um
eine Beispielsdimensionierung, die für Kraftmesswände besonders
geeignet ist. Erfindungsgemäß sind grundsätzlich beliebige
Abmessungen des Messstempels möglich.
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Der
Messstempel 11 ist mit einer Sensoranordnung 13 versehen,
die einen Primärsensor 17 und einen
Sekundärsensor 19 umfasst.
Bei dem Primärsensor 17 kann
es sich um ein separates Bauteil handeln. Alternativ kann auch der
Messstempel 11 selbst bzw. ein Abschnitt des Messstempels 11 als
Primärsensor 17 dienen.
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Über ein
Kopfstück
(vgl. nachstehende Beschreibung in Verbindung mit 3 und 4)
auf den Messstempel 11 in 1 von links
einwirkende Kräfte
bewirken eine Deformation des Messstempels 11. Handelt
es sich bei dem erwähnten
Primärsensor 17 um
ein separates Bauteil, dann ist dieses derart mechanisch mit dem
Messstempel 11 verbunden, dass es indirekt über den
Messstempel 11 ebenfalls eine Deformation erfährt. Es
kann sich bei dem Primärsensor 17 z.B.
um einen ringförmigen
Körper handeln,
der in einem Aufnahmeraum des Messstempels 11 angeordnet ist.
Hierzu kann der Zylinderkörper 31 zumindest
bereichsweise hohl ausgeführt sein.
Der separate Primärsensor 17 ist
derart magnetisiert, dass ein Magnetfeld erzeugt wird, dessen deformationsbedingten
Veränderungen
mittels geeigneter Detektoren/Sensoren nachweisbar sind.
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Bildet
der Messstempel 11 selbst den Primärsensor 17, so wird
der Messstempel 11 zumindest bereichsweise magnetisiert.
Man spricht in diesem Zusammenhang auch von einer magnetischen Codierung
des Messstempels 11. In 1 ist rein schematisch
durch eine schraffierte Fläche
eine solche Magnetisierung 21 des Messstempels 11 angedeutet.
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Grundsätzlich kommt
als Material für
den als Primärsensor
dienenden Abschnitt oder Bereich des Messstempels 11 bzw.
für das
den Primärsensor
bildende separate Bauteil jedes ferromagnetische Material in Frage.
Beispiele für
ein solches Material sind 14CrNi14 und 50NiCr13.
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Wird
der magnetisierte Bereich 21 des Messstempel 11 bzw.
das magnetisierte, den Primärsensor 17 bildende
separate Bauteil aufgrund einer auf den Messstempel 11 einwirkenden
Kraft deformiert, so verändert
sich das vom Primärsensor 17 erzeugte Magnetfeld
aufgrund des magnetostriktiven Effekts. Da sich nicht nur der Betrag
und die Richtung der einwirkenden Kraft, sondern auch deren zeitliches
Verhalten in der Deformation des Primärsensors 17 und damit
in dem vom Primärsensor 17 erzeugten
Magnetfeld entsprechend widerspiegelt, können durch Messen des Magnetfeldes
des Primärsensors 17 bzw.
durch Messen der kraftbedingten Magnetfeldänderungen alle interessierenden
Informationen über die
einwirkende Kraft erhalten werden.
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Die
Messung des Magnetfeldes erfolgt durch einen Sekundärsensor 19.
Es ist nicht erforderlich, dass sich der Sekundärsensor 19 in Kontakt
mit dem Primärsensor 17 befindet.
Vielmehr ist eine berührungslose
Messung des Magnetfeldes möglich.
Bei dem Sekundärsensor 19 kann
es sich beispielsweise um einen oder mehrere Magnetfeldsensoren
handeln, die möglichst
nahe am Primärsensor 17 angeordnet
sind, der auch als Sensor-Host
(SH) bezeichnet wird.
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Die
Magnetfeldsensoren sind derart ausgelegt, dass Änderungen des magnetischen
Feldes, dem sie ausgesetzt sind, in entsprechende elektrische Signale
umgewandelt werden, die mit einer nachgeschalteten Elektronik (nicht
dargestellt) ausgelesen und ausgewertet werden können.
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In
einem bevorzugten Ausführungsbeispiel werden
so genannte passive Magnetfeldsensoren verwendet. Diese können beispielsweise
in Öl gelagert
sein, um einen möglichst
hohen Temperaturbereich abdecken zu können.
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Der
Sekundärsensor 19 kann
auch eine oder mehrere Messspule umfassen.
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Der
Sekundärsensor 19 kann
sowohl außerhalb
des Messstempels 11 als auch innen liegend angeordnet sein,
beispielsweise in einem Hohlraum des Zylinderkörpers 31 des Messstempels 11.
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Bevorzugt
ist der Sekundärsensor 19 derart ausgelegt
und angeordnet, dass Magnetfeldänderungen
in mehreren Koordinatenachsen oder -richtungen und insbesondere
in den drei unabhängigen Richtungen
eines kartesischen Koordinatensystems detektiert werden können, um
auf diese Weise auch Richtungsinformationen über die einwirkende Kraft zu
erhalten.
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Die
insbesondere in den beiden Stirnansichten der 1 sowie
der perspektivischen Darstellung der 2 dargestellten
Stirnbohrungen 39 in den Endabschnitten 23, 25 des
Messstempels 11 dienen zur Befestigung eines auch als Kopfplatte
bezeichneten Kopfstücks 29 (3 und 4)
bzw. zur Befestigung des Messtempels 11 an einem Trägermodul
einer Kraftmesswand. Hierauf wird an anderer Stelle näher eingegangen.
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In
einer zentralen Bohrung 41 größeren Durchmessers kann eine
Magnetfeldspulen und dazugehörige
Verstärker
umfassende Messelektronik untergebracht werden, mit der das sich
verändernde Magnetfeld
des Primärsensors 17 gemessen
wird.
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Das
in 3 und 4 gezeigte, quaderförmige Kopfstück 29 wird
stirnseitig mit dem Messstempel 11 verschraubt. Die im
verbundenen Zustand äußere, senkrecht
zur Längsachse 27 (1) des
Messstempels 11 verlaufende ebene Seite des Kopfstücks 29 bildet
die so genannte Messseite 15 der Messzelle, über welche
die zu messenden Kräfte auf
die Messzelle unmittelbar einwirken. In einer Anlage zur Kraftmessung
bei Kraftfahrzeug-Crashversuchen
ist es somit die Messseite 15, die unmittelbar von dem
zu untersuchenden Kraftfahrzeug beaufschlagt wird.
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Die
Schnittdarstellung der 4 zeigt insbesondere eine zylindrische
Aussparung 43 des Kopfstücks 29, in welche
der messseitige Endabschnitt 23 des Messstempels 11 im
zusammengesetzten Zustand aufgenommen ist.
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5 zeigt
ein weiteres Ausführungsbeispiel einer
erfindungsgemäßen Messzelle,
bei der kein separates Kopfstück
vorgesehen ist, sondern das Kopfstück gewissermaßen in den
Messstempel integriert ist. Die Messseite 15 zur Einleitung
der zu messenden Kräfte
in den Messstempel 11 ist somit am Messstempel 11 selbst
ausgebildet.
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6 zeigt
eine erfindungsgemäße Kraftmesswand 35 mit
einer Vielzahl von in einem regelmäßigen Array angeordneten erfindungsgemäßen Messzellen 10.
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Die
Messseiten 15 der Messzellen 10 bilden eine zusammenhängende ebene
Messfläche 33 der Kraftmesswand 35.
Mit ihrem gegenüberliegenden Endabschnitt
sind die Messzellen 10 jeweils an einem Trägermodul 37 befestigt,
an dem auch Teile der Auslese- und Auswerteelektronik angebracht
sind. Die Messseiten 15 bzw. die Kopfstücke 29 der Messzellen 10 können magnetisch
bzw. magnetisiert sein, um eine Abschirmung der Sensoranordnung
zu erzielen.
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Wenn
Gegenstände
wie beispielsweise Kraftfahrzeuge in Crashversuchen, die größer sind als
die Messseite 15 einer einzelnen Messzelle 10, die
Kraftmesswand 35 beaufschlagen und damit gleichzeitig auf
eine Mehrzahl von Messzellen 10 einwirken, dann kann die
räumliche
Verteilung der Messgröße – hier der
einwirkenden Kraft – in
der Ebene der Messfläche 33 gemessen
werden, sozusagen wie bei der Messung von Helligkeitsverteilungen
mit einem CCD-Sensor einer Videokamera. Die räumliche Auflösung der
Kraftmessung, die mit der Kraftmesswand 35 erzielt werden
kann, ist von der Anzahl und der Größe der Messseiten 15 der
einzelnen Messzellen 10 abhängig.
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Da
die auf die Messzellen 10 einwirkende Kraft zeitlich variiert
und sich dieses zeitliche Verhalten in den Magnetfeldern der Primärsensoren 17 widerspiegelt,
kann durch eine ausreichend schnelle Ausleseelektronik auch das
zeitliche Verhalten der einwirkenden Kräfte untersucht werden.
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Der
von der Erfindung genutzte Effekt der Magnetostriktion ist richtungsabhängig insofern,
als die Änderung
des Magnetfeldes von der Relativorientierung zwischen der Magnetisierung
bzw. dem erzeugten Magnetfeld einerseits und der Richtung der durch
die einwirkende Kraft hervorgerufenen Deformation andererseits abhängig ist.
Die den das Magnetfeld erzeugenden Primärsensor 17 und den
Veränderungen
des Magnetfeldes registrierenden Sekundärsensor 19 umfassende
Sensoranordnung 13 der erfindungsgemäßen Messzelle wird folglich
in Abhängigkeit
von der Richtung, aus welcher die zu untersuchenden Kräfte zumindest
hauptsächlich
einwirken, derart ausgelegt, dass sich aufgrund der Krafteinwirkung
ergebende Änderungen
des Magnetfeldes zuverlässig
detektieren lassen.
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Wie
vorstehend bereits erwähnt,
wird vorzugsweise die Richtungsabhängigkeit des magnetostriktiven
Effekts ausgenutzt, um auch vektorielle Informationen zu erhalten,
indem an den einzelnen Messzellen jeweils auch die Richtung der
einwirkenden Kraft ermittelt wird, wobei durch die Möglichkeit zur
Zeitauflösung
auch zeitliche Richtungsänderungen
nachgewiesen werden. Die Sensoranordnung kann z.B. derart ausgelegt
werden, dass wahlweise eine, zwei oder drei Richtungskomponenten
auslesbar sind, d.h. es kann uni-, bi- oder triaxial gemessen werden.
Es bleibt hierbei dem Anwender überlassen, welche
der zur Verfügung
gestellten Kanäle
ausgewertet werden.
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Durch
diese Möglichkeit
zur Messung auch der vektoriellen Kraftverteilung kann insbesondere berücksichtigt
werden, dass der Aufprall eines im Crashversuch befindlichen Kraftfahrzeugs
auf die Kraftmesswand zumindest in vielen Fällen nicht exakt gerade, d.h.
senkrecht zur Messfläche,
erfolgen kann oder soll. Hierbei ist auch zu beachten, dass gesetzliche
Bestimmungen zu Crashtest auch Aufprallversuche unter einem von
90° abweichenden
Winkel fordern können.
Des Weiteren ist es z.B. erforder lich oder zumindest wünschenswert,
die Art und Weise des Abtauchens eines auf eine Wand aufprallenden Kraftfahrzeuges
zu untersuchen, was durch die erfindungsgemäße Ausnutzung der Richtungsabhängigkeit
der Magnetostriktion durch Messen der Magnetfeldänderungen in mehreren Dimensionen
problemlos möglich
ist.
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- 10
- Messzelle
- 11
- Messstempel
- 13
- Sensoranordnung
- 15
- Messseite
- 17
- Primärsensor
- 19
- Sekundärsensor
- 21
- Magnetisierung
- 23
- Endabschnitt
- 25
- Endabschnitt
- 27
- Längsachse
- 29
- Kopfstück
- 31
- Körperabschnitt
- 33
- Messfläche
- 35
- Kraftmesswand
- 37
- Trägermodul
- 39
- Stirnbohrung
- 41
- Zentralbohrung
- 43
- Aussparung