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Die
vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere einen
induktiven Kraftsensor, und ein Verfahren zu seiner Anwendung.
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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.
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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.
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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.
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Aus
der
US 2002/0160667
A1 ist eine Zelle zur Messung einer statischen oder sich
nur langsam ändernden
Last auf der Basis der Änderung
des magnetischen Widerstandes bekannt. Die Zelle zur Messung der
Last ist in einem Halterohr angeordnet, wobei im Halterohr ein Sensor
aus gegenüberliegenden
C- und I-förmigen
magnetischen Kernen gebildet ist. Der so geformte magnetische Kreis
hat eine Induktivität,
die von dem Spalt zwischen den magnetischen Kernen abhängig ist.
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Die
US 3,426,588 offenbart ein
Sensorelement, mit einem gewöhnlichen
Teil zweier magnetischer Kreise, wobei jeder magnetische Kreis einen
Luftspalt aufweist. Eine Auslenkung des Sensorelementes vergrößert den
Luftspalt in einem magnetischen Kreis und verkleinert den Luftspalt
in dem anderen magnetischen Kreis, wobei der magnetische Widerstand
der Kreise proportional zueinander verändert wird.
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Die
JP 2003194639 A offenbart
einen Kraftsensor mit einem Eisenkern. Ein magnetoresistives Element
ist in dem Eisenkern angeordnet. Zwei gegenüberliegende Flächen sind
an den Innenseiten des Eisenkerns ausgebildet und weisen einen variablen magnetischen
Widerstand auf, der proportional zu dem am Kraftsensor anliegenden
Druck ist.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Die
vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitende
Zeichnung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine Ausführungsform des ringförmigen Spulenkerns
des Kraftsensors,
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2 eine
Ausführungsform
des Kraftsensors unter der Wirkung schematisch angedeuteter Zugkräfte,
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3 eine Ausführungsform einer elektrischen
Auswerteschaltung für
den Kraftsensor und
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4 ein
schematisches Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform
des vorliegenden Verfahrens.
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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).
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Eine
weitere Alternative zum Messen der Induktivitätsänderung L des Kraftsensors 1 erfolgt
mit Hilfe einer LC-Messbrücke.
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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:
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Diese
Gleichung gilt für
Spaltbreiten s, die viel kleiner sind als ein effektiver magnetischer
Pfad le im Spulenkern 10. Der Spulenkern 10 ist
in 1 dargestellt. 1 zeigt
ebenfalls den magnetischen Pfad le mit Hilfe
einer gestrichelten Linie. Die Größe μi 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.
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Die
Induktivität
L ist über
folgende Gleichung (2) mit dem Induktivitätsfaktor bzw. Leitwert AL verbunden.
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In
Gleichung (2) bezeichnet N die Anzahl der Wicklungen, μ0 die
Permeabilität
im Vakuum, μe die Permeabilität des Spulenkerns 10 mit
Luftspalt 20 (s. oben), l einen Abschnitt des magnetischen
Pfads le mit dem dazugehörigen Querschnitt A des Spulenkerns,
während
die Summe der Abschnitte l die magnetische Pfadlänge le ergibt.
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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.
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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 UL und über den Widerstand
R die Spannung UR ab, während der Widerstand R vom
Strom I = UR/R durchflossen wird. Der Widerstand
Z für die
Reihenschaltung Kraftsensor 1 und Widerstand R berechnet
sich als Summe aus dem komplexen induktiven Widerstand XL = j·ω·L und
dem Widerstand R gemäß Gleichung
(3) Z = R + j·ω·L (3)
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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.
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Für den Widerstand
Z gilt weiterhin
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Die
Effektivwerte U
1, U
R der
Spannungen aus der Schaltung in
3 berechnen
sich aus den Wechselspannungen Û
1, Û
R gemäß Gleichung
(5)
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Daraus
ergibt sich für
den Effektivwert des Widerstands Z
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Durch
mathematisches Umformen ergibt sich aus Gleichung (6) folgender
Zusammenhang
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Setzt
man Gleichung (7) in den bereits oben genannten Zusammenhang X
L = ω·L ein,
lässt sich
die Induktivität
L wie folgt berechnen
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Die
Spannungen U1 und UR lassen
sich beispielsweise mit Analog-Digital-Wandlern ADC messen. Es ist
des Weiteren denkbar, das Spannungssignal von UR 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
UR 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.
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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.
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Der
Ablauf der Verfahrensschritte ist schematisch in 4 dargestellt.
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- 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
