DE102006051161A1 - Kraftsensor und Verfahren zu seiner Anwendung - Google Patents

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Kraftsensor 1 sowie ein Verfahren zum Erfassen von Zug- und/oder Druckkräften. Der induktive Kraftsensor 1 besteht aus einem ringförmigen Spulenkern 10 mit einem Luftspalt 20. Die an dem Spulenkern 10 in den Befestigungspunkten 12 angreifenden Zug- oder Druckkräfte verändern die Breite des Luftspalts 20, so dass aus einer sich daraus ergebenden Induktivitätsänderung des Kraftsensors 1 die angreifenden Kräfte bestimmbar sind.

Description

• Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere einen induktiven Kraftsensor, und ein Verfahren zu seiner Anwendung.
• Moderne Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit elektrischen Feststellbremsen ausgestattet. Diese weisen anstelle eines Handbremsgriffs herkömmlicher Feststellbremsen einen elektrischen Aktor auf, der die Feststellbremse anzieht und wieder löst. Kommt beispielsweise in der elektrischen Feststellbremse ein elektrisch betätigtes Seilzugsystem zum Einsatz, ist je nach Kundenanforderung ein Kraftsensor nötig, der die Seilkraft oder eine andere für die Bremskraft repräsentative Größe misst. Diese Kraftmessung stellt einerseits sicher, dass die Feststellbremse ausreichend fest angezogen ist, und andererseits, dass es während des Anziehens der Feststellbremse nicht zu mechanischen Überlastungen des Seilzugsystems kommt.
• Auch an anderen Stellen im Kraftfahrzeug, beispielsweise für das Fahrwerk oder die Betriebsbremse, ist eine Kraftmessung zur Überwachung der ausgetauschten mechanischen Lasten wünschenswert. Eine Alternative zur Kraftmessung stellt eine übliche Kraftmessdose dar, die jedoch auf Grund ihres hohen Preises nur selten zur Anwendung kommt. Eine weitere Alternative zur Kraftmessung nutzt eine Feder, die beispielsweise zwischen einem Bowdenzugseil und einer Antriebseinheit für das Bowdenzugseil angeordnet ist. Eine Längenänderung der Feder ist proportional zur auf das Bowdenzugseil aufgebrachten Kraft und wird beispielsweise mittels Magnet und Hall-Sensor (ASIC) gemessen. Alternativ kann ebenfalls die Kraft auf die Bowdenzughülle als Widerlagerkraft gemessen werden. Auch in diesem Fall bietet sich eine Hall-basierte Wegmessung an. Gemäß weiterer Möglichkeiten ist die subjektive Wegmessung an einer Feder beispielsweise mittels Differentialtrafo LVDT oder Wirbelstrom Eddy-current möglich.
• Die oben beschriebenen Prinzipien haben den Nachteil, dass sie die Montage von Messelementen zur Wegmessung an einer Feder erfordern, bei der Montagetoleranzen präzise einzuhalten sind. Des Weiteren erfordern übliche Sensoren zur Wegmessung eine eigene Elektronik, die meist nahe am Messelement angeordnet sein muss, um das Messelement geeignet auslesen und kalibrieren zu können. Damit ist sowohl das Messelement als auch die entsprechende Elektronik den Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die am Ort der Kraftmessung wirken. Diese stellen häufig eine starke Belastung dar, die den Betrieb von Messelement und Elektronik einschränken können.
• Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftsensor und ein Verfahren zu seiner Anwendung bereitzustellen, der im Vergleich zum Stand der Technik eine einfache Konstruktion aufweist und unempfindlich gegenüber Umgebungseinflüssen ist.
• Das obige Problem wird durch einen Kraftsensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterentwicklungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und den anhängenden Patentansprüchen hervor.
• Der Kraftsensor zum Erfassen einer Zug- und/oder Druckkraft, insbesondere ein induktiver Kraftsensor, weist die folgenden Merkmale auf: einen ringförmigen Spulenkern mit einer Luftspalte, die aus einem elastischen und magnetisierbaren Material besteht, eine Spule mit einer Mehrzahl von Wicklungen, die nahe dem Luftspalt des Spulenkerns angeordnet ist, und mindestens zwei Befestigungspunkte am ringförmigen Spulenkern, an denen Druck- oder Zugelemente befestigbar sind, so dass eine Spaltbreite des Luftspalts durch das Druck- oder Zugelement veränderbar ist.
• Der erfindungsgemäße Kraftsensor setzt sich aus kostengünstigen Bestandteilen zusammen, die mit geringem Aufwand zu einem Kraftsensor zusammengebaut werden können. Es fällt ebenfalls auf, dass die einzelnen Komponenten und somit der gesamte Kraftsensor keine temperaturkritischen Bauteile enthält, so dass er eine durch Umgebungseinflüsse belastbare Konstruktion darstellt. Neben der Temperatur ist der Kraftsensor ebenfalls unempfindlich gegenüber mechanischen Lasten und Verschmutzung. Dies wird des Weiteren dadurch unterstützt, dass eine Mess- und Auswerteelektronik nicht direkt am induktiven Kraftsensor installiert sein muss. Der induktive Kraftsensor stellt eine über wirkende Druck- und/oder Zugkräfte veränderbare Induktivität dar. Dies wird mit Hilfe einer Spule erzielt, die über einen Eisenkern mit einem Luftspalt veränderbarer Breite diese Induktivität generiert.
• Gemäß einer Ausführungsform besteht der Spulenkern aus linearelastischem Material. Dies hat zur Folge, dass bei angreifenden Druck- oder Zugkräften der Luftspalt in seiner Breite verändert wird und der Spulenkern in seine Ausgangsposition wieder zurückkehrt, sobald die Druck-/Zugkräfte nicht mehr wirken. Auf dieser Grundlage ist ein Zusammenhang zwischen den die Spaltbreite bestimmenden Kräften und der über die Spaltbreite erzeugten Induktivität herstellbar. Dies eröffnet die Möglichkeit, aus der Induktivitätsänderung, die beispielsweise mit Hilfe eines Schwingkreises messbar ist, die an dem Kraftsensor wirkenden Kräfte zu bestimmen.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Spule des Kraftsensors über den Luftspalt des Spulenkerns. Es ist weiterhin bevorzugt, die Befestigungspunkte des Spulenkerns als Ösen auszubilden. Zur Auswertung des Signals des Kraftsensors ist gemäß einer Ausführungsform ein Schwingkreis mit dem Kraftsensor verbunden, so dass eine Änderung der Spalt breite des Luftspaltes über eine Induktivitätsänderung der Spule und eine damit verbundene Resonanzänderung des Schwingkreises messbar ist. Auf dieser Grundlage ist der Kraftsensor mit Schwingkreis derart kalibrierbar, dass man aus einer Verschiebung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises die am Kraftsensor wirkende Kraft ablesen kann.
• Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Druck- oder Zugkraft mit Hilfe des oben beschriebenen Kraftsensors, das die folgenden Schritte aufweist: Versorgen der Spule mit einer Wechselspannung, Verändern der Spaltbreite des Luftspalts durch Einleiten der Druck- oder Zugkraft, wodurch sich die Induktivität des Kraftsensors ändert, Erfassen der Induktivitätsänderung über eine Resonanzverschiebung in einem Schwingkreis oder über einen Spannungsabfall an der Spule und einem Referenzwiderstand und Bestimmen einer Änderung der Breite des Luftspalts aus der Induktivitätsänderung, so dass die Stärke der Druck- oder Zugkraft aus den elastischen Eigenschaften des Spulenkerns ableitbar ist.
• Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
• 1 eine Ausführungsform des ringförmigen Spulenkerns des Kraftsensors,
• 2 eine Ausführungsform des Kraftsensors unter der Wirkung schematisch angedeuteter Zugkräfte,
• 3 eine Ausführungsform einer elektrischen Auswerteschaltung für den Kraftsensor und
• 4 ein schematisches Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens.
• 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1. Dieser umfasst einen ringförmigen Spulenkern 10 mit einem Luftspalt 20. Der Spulenkern 10 besteht aus einem elastischen und magnetisierbaren Material. Somit bildet der Spulenkern 10 aus magnetischer Sicht einen Ring mit Luftspalt 20, während er gleichzeitig im Kraftsensor 1 als kraftbeaufschlagtes Strukturbauteil wirkt. Der Spulenkern 10 ist daher bevorzugt so konstruiert, dass sich eine Änderung einer Spaltbreite s des Luftspalts 20 in Abhängigkeit von einer wirkenden Zugkraft F oder einer entsprechenden Druckkraft ergibt. Als kraftbeaufschlagtes Strukturbauteil eignet sich der in 1 dargestellte viereckige Spulenkern 10. Neben der viereckigen Form des Spulenkerns 10 ist ebenfalls eine runde, dreieckige oder ovale Form bevorzugt, die jeweils einen Luftspalt 20 aufweist. Als Spulenkern sind daher alle Formen mit Luftspalt geeignet, in die sich mechanische Kräfte derart einleiten lassen, dass sich der Luftspalt 20 kraftabhängig in seiner Breite verändert (vgl. 1A, B, C).
• Der Spulenkern 10 umfasst zwei Befestigungspunkte 12, die vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform sind die Befestigungspunkte 12 als Ösen ausgebildet (vgl. 1A, B, C). Diese können ein Gewinde aufweisen, um eine Komponente zur Kraftübertragung daran zu befestigen. Weitere Befestigungsalternativen sind ein Bolzen oder ein Niet oder eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen Befestigungspunkt 12 und Kraft übertragender Komponente.
• Gemäß einer Ausführungsform besteht der ringförmige Spulenkern 10 aus linearelastischem Stahl, so dass sich die Spaltbreite s proportional zur wirkenden Druck- oder Zugkraft ändert. Wendet man den Kraftsensor 1 zur Bestimmung von Druckkräften an, dient der Spalt 20 ebenfalls als mechanischer Anschlag, so dass eine mechanische Beschädigung des Kraftsensors 1 bei Überbelastung durch die angreifenden Druckkräfte ausgeschlossen ist. Ein bevorzugtes Material für den Spulenkern 10 ist Stahl, vorzugsweise 17-4PH bzw. Böhler N700 bzw. 1,4542 bzw. AlSl 630 bzw. JIS SUS 630 bzw. X5CrNiCuNb 17-4-4. Der Stahl ist ein ausscheidungshärtbarer Martensitstahl, der hochfest mit einer Dehngrenze von ca. 1300 MPa ist. Zudem ist er hart und trotzdem zäh (Rockwell C45, Bruchdehnung über 5 %). Zudem ist dieser Stahl linear elastisch und weist eine vernachlässigbare mechanische Hysterese auf. In Bezug auf seine magnetischen Eigenschaften ist er ferromagnetisch. Der oben genannte Luftspalt 20 lässt sich kostengünstig beispielsweise mittels Drahterosion herstellen.
• Zudem umfasst der induktive Kraftsensor 1 eine Spule 30 mit einer Mehrzahl von Wicklungen N, die nahe dem Luftspalt 20 des Spulenkerns 10 angeordnet ist. Die Spule 30 ist bevorzugt aus Kupferlackdraht gewickelt. In Abhängigkeit von der zu erzeugenden Induktivität L aus Spulenkern 10 und Spule 30 wird die Anzahl der Wicklungen N eingestellt. Die Wicklungen N variieren beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 30, während auch höhere Wicklungszahlen denkbar sind.
• Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Spule 30 derart gewickelt, dass sie sich über den Luftspalt 20 erstreckt. Basierend auf dieser Anordnung ergibt sich eine starke Variation der Induktivität L des Kraftsensors 1 bei Veränderung der Spaltbreite s des Luftspalts 20 im Vergleich zu einer nicht über den Luftspalt 20 gewickelten Spule 30. Der Spulenkern 10 mit Luftspalt 20 und Spule 30 ist daher ähnlich einer Ringkerndrossel aufgebaut.
• Über die freien Enden 32 der Spule 30 wird die Spule 30 mit einer Wechselspannung U₁ versorgt (vgl. 3). Zudem ist der Kraftsensor 1 über diese Enden 32 an eine Auswerteelektronik angeschlossen, wie beispielsweise einen LC-Schwingkreis oder eine Induktivitätsmessung mittels eines Impedanz-/Widerstandsverhältnis (s. unten). Die Länge der freien Enden 32 ist beliebig einstellbar, so dass eine Auswerteelektronik nicht den Umgebungsbedingungen unmittelbar am Kraftsensor 1 ausgesetzt ist. Dies schließt beispielsweise eine hohe mecha nische oder Temperaturbelastung der Auswerteelektronik aus. In gleicher Weise besteht der oben beschriebene Kraftsensor 1 nicht aus temperaturkritischen Bauteilen, wie beispielsweise Halbleitern. Daher ist sein Betrieb auch bei erhöhter Umgebungstemperatur von zum Beispiel 180 bis 250° C denkbar, wo Halbleitersensoren bereits nicht mehr eingesetzt werden könnten. Der Kraftsensor 1 ist somit robust gegenüber äußeren Umgebungseinflüssen und lässt sich auch unter unwirtlichen Bedingungen betreiben.
• Wie oben bereits erwähnt worden ist, umfasst die Auswerteelektronik in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen LC-Schwingkreis, so dass der Kraftsensor 1 eine veränderbare Induktivität L in diesem Schwingkreis bildet. Durch die am Kraftsensor 1 angreifenden Zug- oder Druckkräfte wird die Spaltbreite des Luftspalts 20 und somit auch die Induktivität des Kraftsensors 1 verändert. Diese Induktivitätsänderung ist als Resonanzänderung in dem LC-Schwingkreis, beispielsweise mit einem Collpits-Oszillator messbar. Alternativ ist eine Messung der Induktivitätsänderung über einen Stromanstieg nach Anlegen einer Spannung bestimmbar. Mit Hilfe des Kraftsensors 1 ist somit ein Verfahren zur Kraftmessung realisierbar, in dem die spaltweiten- und somit kraftabhängige Induktivität L der Spule 30 gemessen und in eine Kraft umgerechnet wird. Die Induktivität L nimmt mit einer größeren Spaltbreite s zu, was die Messung von Druckkräften gestattet. In gleicher Weise nimmt die Induktivität L mit zunehmender Spaltbreite s ab, wodurch die Messung von Zugkräften gewährleistet ist.
• Eine weitere Alternative zum Messen der Induktivitätsänderung L des Kraftsensors 1 erfolgt mit Hilfe einer LC-Messbrücke.
• Die Induktivität L des Kraftsensors 1 wird durch die Permeabilität μ_e des Spulenkerns 10 mit Luftspalt 20 beschrieben. Die Veränderung der Permeabilität μ_e bei Veränderungen der Spaltbreite s des Luftspalts 20 lässt sich durch folgende Gleichung abschätzen:

  
• Diese Gleichung gilt für Spaltbreiten s, die viel kleiner sind als ein effektiver magnetischer Pfad l_e im Spulenkern 10. Der Spulenkern 10 ist in 1 dargestellt. 1 zeigt ebenfalls den magnetischen Pfad l_e mit Hilfe einer gestrichelten Linie. Die Größe μ_i bezeichnet in Gleichung (1) die Permeabilität des Materials des Spulenkerns 10. Wie sich aus den weiteren Darstellungen ergeben wird, ist die Induktivität L ebenfalls vom Querschnitt A des Spulenkerns 10 abhängig. Der Querschnitt A ist ebenfalls in 1 dargestellt. Es ist zu beachten, dass durch Wirbelstromverluste im Spulenkern 10 und durch magnetische Streufelder der Einfluss des Luftspalts 20 geringer ausfällt als berechnet. Dies muss bei der Auswertung der Messwerte des Kraftsensors 1, beispielsweise durch Kalibrieren des Kraftsensors 1, berücksichtigt werden.
• Die Induktivität L ist über folgende Gleichung (2) mit dem Induktivitätsfaktor bzw. Leitwert A_L verbunden.
• 
• In Gleichung (2) bezeichnet N die Anzahl der Wicklungen, μ₀ die Permeabilität im Vakuum, μ_e die Permeabilität des Spulenkerns 10 mit Luftspalt 20 (s. oben), l einen Abschnitt des magnetischen Pfads l_e mit dem dazugehörigen Querschnitt A des Spulenkerns, während die Summe der Abschnitte l die magnetische Pfadlänge l_e ergibt.
• Setzt man Gleichung (1) in Gleichung (2) ein, erkennt man, dass die Induktivität L des Kraftsensors 1 bzw. des bewickel ten Spulenkerns 10 mit Luftspalt 20 im Idealfall nur noch von der Spaltbreite s des Luftspalts 20 abhängig ist. Da die Spaltbreite s des Luftspalts 20 vorzugsweise proportional zur angreifenden Zug- oder Druckkraft ist, lässt sich dadurch der Kraftsensor 1 realisieren. Die Induktivität L wird mit einer geeigneten Auswerteelektronik gemessen, während die nichtlineare Kalibrierung des Kraftsensors 1 mit obigen Gleichungen durchgeführt wird.
• 3 zeigt einen bevorzugten Schaltplan für eine Auswerteelektronik des Kraftsensors 1. Der Kraftsensor 1 bildet die Induktivität L, die mit einem Widerstand R in Reihe geschaltet ist und mit einer Wechselspannung U₁ versorgt wird. Über den Kraftsensor 1 bzw. die Induktivität L fällt die Spannung U_L und über den Widerstand R die Spannung U_R ab, während der Widerstand R vom Strom I = U_R/R durchflossen wird. Der Widerstand Z für die Reihenschaltung Kraftsensor 1 und Widerstand R berechnet sich als Summe aus dem komplexen induktiven Widerstand X_L = j·ω·L und dem Widerstand R gemäß Gleichung (3) Z = R + j·ω·L (3)
• In Gleichung (3) bezeichnet j eine komplexe Zahl, ω die Frequenz der Wechselspannung U₁, L die Induktivität des Kraftsensors und R den bereits oben genannten Widerstand.
• Für den Widerstand Z gilt weiterhin
• 
• Die Effektivwerte U₁, U_R der Spannungen aus der Schaltung in 3 berechnen sich aus den Wechselspannungen U ^₁, U ^_R gemäß Gleichung (5)

  
• Daraus ergibt sich für den Effektivwert des Widerstands Z
• 
• Durch mathematisches Umformen ergibt sich aus Gleichung (6) folgender Zusammenhang

  

  Setzt man Gleichung (7) in den bereits oben genannten Zusammenhang X_L = ω·L ein, lässt sich die Induktivität L wie folgt berechnen

  
• Die Spannungen U₁ und U_R lassen sich beispielsweise mit Analog-Digital-Wandlern ADC messen. Es ist des Weiteren denkbar, das Spannungssignal von U_R mit Hilfe einer Verstärkerschaltung gemäß 3B zu erfassen. Die Verstärkerschaltung gemäß 3B wird über die Kontaktpunkte 2 und 3 in 3A in die Schaltung zur Messung der Induktivität L integriert. Eine weitere Alternative besteht darin, die Spitzenwerte der gemessenen Spannung U_R mit Hilfe eines Spitzenwertspeichers s zu erfassen. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise die Schaltung aus 3C an die Verstärkerschaltung aus 3B über den Kontaktpunkt 5 angeschlossen.
• Mit Hilfe der oben beschriebenen Alternative für eine Auswerteelektronik des Kraftsensors 1 ist somit eine Bestimmung einer Zug- oder Druckkraft mit Hilfe des Kraftsensors 1 realisierbar. Zu diesem Zweck wird somit allgemein die Spule 30 mit einer Wechselspannung versorgt und nachfolgend die Spaltbreite s des Luftspalts 20 durch Einleiten der Druck- oder Zugkraft verändert. Die sich daraus ergebende Induktivitäts änderung des Kraftsensors 1 wird über die Resonanzverschiebung im LC-Schwingkreis oder über einen Spannungsabfall an der Spule 30 und einen Referenzwiderstand R erfasst. Bestimmt man die Änderung der Breite s des Luftspalts 20 aus der Induktivitätsänderung, ist auf diese Weise eine Stärke der Druck- oder Zugkraft aus den elastischen Eigenschaften des Spulenkerns 10 ableitbar.
• Der Ablauf der Verfahrensschritte ist schematisch in 4 dargestellt.

1

Kraftsensor

10

Spulenkern

12

Befestigungspunkt, Öse

20

Luftspalt

30

Spule

32

freie Enden des Spulendrahts

A

Versorgen der Spule

B

Verändern der Spaltbreite

C

Erfassen der Induktivitätsänderung

D

Bestimmen einer Änderung der Spaltbreite

Claims (6)

1. Kraftsensor (1) zum Erfassen einer Zug- und/oder Druckkraft, insbesondere ein induktiver Kraftsensor, der die folgenden Merkmale aufweist: a. einen ringförmigen Spulenkern (10) mit einem Luftspalt (20), der aus einem elastischen und magnetisierbaren Material besteht, b. eine Spule (30) mit einer Mehrzahl von Wicklungen, die nahe dem Luftspalt (20) des Spulenkerns (10) angeordnet ist, und c. mindestens zwei Befestigungspunkte (12) am ringförmigen Spulenkern, an denen Druck- oder Zugelemente befestigbar sind, so dass eine Spaltbreite des Luftspalts (20) durch die Druck- oder Zugelemente veränderbar ist.
2. Kraftsensor (1) gemäß Anspruch 1, dessen Spulenkern (10) aus linearelastischem Material besteht.
3. Kraftsensor (1) gemäß Anspruch 1, dessen Spule (30) sich über den Luftspalt (20) des Spulenkerns (10) erstreckt.
4. Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Befestigungspunkte (12) als Ösen ausgebildet sind.
5. Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einem Schwingkreis verbunden ist, so dass eine Änderung der Spaltbreite des Luftspalts (20) über eine Induktivitätsänderung der Spule (30) und eine damit verbundene Resonanzänderung des Schwingkreises messbar ist.
6. Verfahren zur Bestimmung einer Druck- oder Zugkraft mit einem Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das die folgenden Schritte aufweist: a. Versorgen (A) der Spule (30) mit einer Wechselspannung b. Verändern (B) der Spaltbreite des Luftspalts (20) durch Einleiten der Druck- oder Zugkraft, wodurch sich die Induktivität des Kraftsensors (1) ändert, c. Erfassen (C) der Induktivitätsänderung über eine Resonanzverschiebung in einem Schwingkreis oder über einen Spannungsabfall an der Spule (30) und einem Referenzwiderstand und d. Bestimmen (D) einer Änderung der Breite des Luftspalts (20) aus der Induktivitätsänderung, so dass die Stärke der Druck- oder Zugkraft aus den elastischen Eigenschaften des Spulenkerns (10) ableitbar ist.