DE102008032329B4 - Force measuring system and method for measuring a force - Google Patents

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    • G01L1/12Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
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Abstract

Kraftmesssystem, das folgendes umfasst:
- einen plattenförmigen Kraftwandler (2) aus einem magnetoelastischen Material;
- eine Messeinheit (13), die zumindest einen Permanentmagneten (8) und zumindest einen Magnetfeldsensor (5) aufweist;
wobei die Messeinheit (13) derart zu dem Kraftwandler (2) anordenbar ist, dass der Permanentmagnet (8) mit dem Kraftwandler (2) einen magnetischen Kreis bildet,
wobei der Permanentmagnet (8) zumindest teilweise in eine Öffnung (7) in dem magnetoelastischen Material des Kraftwandlers (2) ragt.

Figure DE102008032329B4_0000
Force measuring system comprising:
- A plate-shaped force transducer (2) made of a magnetoelastic material;
- A measuring unit (13) having at least one permanent magnet (8) and at least one magnetic field sensor (5);
wherein the measuring unit (13) can be arranged to the force transducer (2) in such a way that the permanent magnet (8) forms a magnetic circuit with the force transducer (2),
wherein the permanent magnet (8) projects at least partially into an opening (7) in the magnetoelastic material of the force transducer (2).
Figure DE102008032329B4_0000

Description

Die Erfindung betrifft ein Kraftmesssystem mit einem Kraftwandler aus einem magnetoelastischen Material. Sie betrifft weiter ein Verfahren zur Messung einer Kraft.The invention relates to a force measuring system with a force transducer made of a magnetoelastic material. It further relates to a method for measuring a force.

Aus der DE 30 04 592 A1 ist eine elektrohydraulische Steuereinrichtung bekannt, bei der ein Kraftmessbolzen die Wirkung einer Kraft auf ein magnetoelastisches Material zur Kraftmessung mittels einer Differenzmessmethode nutzt. Der Kraftmessbolzen ist jedoch verhältnismäßig kompliziert aufgebaut.From the DE 30 04 592 A1 An electrohydraulic control device is known, in which a force measuring pin utilizes the effect of a force on a magnetoelastic material for force measurement by means of a differential measuring method. The force pin is constructed relatively complicated.

Die DE 10 2006 007 385 A1 offenbart einen Kraftsensor, der eine Kraftmessung mit Hilfe eines Dehnmesswandlers erlaubt. Der Einsatz von Dehnmesswandlern zur Kraftmessung ist allgemein bekannt, jedoch oftmals mit einem hohen technischen und damit auch wirtschaftlichen Aufwand verbunden.The DE 10 2006 007 385 A1 discloses a force sensor that allows force measurement by means of a strain gauge transducer. The use of strain gauges for force measurement is well known, but often associated with a high level of technical and therefore economic effort.

Die US 5,195,377 A zeigt einen magnetoelastischen Kraftübertrager, bei welchem ein Magnet neben dem Kraftübertrager angeordnet ist. Die DE 37 19 322 A1 zeigt ein Messsystem mit einem bolzenartigen, rohrförmigen Bauelement.The US 5,195,377 A shows a magnetoelastic force transmitter, in which a magnet is arranged adjacent to the power transformer. The DE 37 19 322 A1 shows a measuring system with a bolt-like, tubular component.

Aufgabe der Erfindung ist es daher, ein Messsystem zur Kraftmessung bereitzustellen, das besonders einfach aufgebaut und preiswert herstellbar, gleichzeitig aber auch robust und zur Messung größerer Kräfte im kN-Bereich geeignet ist.The object of the invention is therefore to provide a measuring system for force measurement, which is particularly simple and inexpensive to produce, but at the same time robust and suitable for measuring larger forces in the kN range.

Darüber hinaus ist es eine weitere Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein einfaches und kostengünstiges Verfahren zur Messung einer Kraft anzugeben.Moreover, it is a further object of the present invention to provide a simple and inexpensive method for measuring a force.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe mit dem Gegenstand der unabhängigen Patentansprüche gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind Gegenstand der abhängigen Patentansprüche.According to the invention, this object is achieved with the subject matter of the independent patent claims. Advantageous developments of the invention are the subject of the dependent claims.

Ein erfindungsgemäßes Kraftmesssystem umfasst einen Kraftwandler aus einem magnetoelastischen Material. Es umfasst weiter eine Messeinheit, die zumindest einen Permanentmagneten und zumindest einen Magnetfeldsensor aufweist. Dabei ist die Messeinheit derart zu dem Kraftwandler anordenbar, dass der Permanentmagnet mit dem Kraftwandler einen magnetischen Kreis bildet.A force measuring system according to the invention comprises a force transducer made of a magnetoelastic material. It further comprises a measuring unit which has at least one permanent magnet and at least one magnetic field sensor. In this case, the measuring unit can be arranged in such a way to the force transducer, that the permanent magnet forms a magnetic circuit with the force transducer.

Unter den Begriff „derart anordenbar“ werden hier auch Konstellationen von Messeinheit und Kraftwandler gefasst, bei denen diese bereits in der geforderten Weise zueinander angeordnet sind und einen magnetischen Kreis bilden. Dies ist beispielsweise der Fall, wenn die Messeinheit und der Magnet fest miteinander verbunden sind, so dass ihre Anordnung zueinander bereits in der geeigneten Weise festgelegt ist.The term "can be arranged in this way" also constellations of measuring unit and force transducer are taken here, in which they are already arranged in the required manner to each other and form a magnetic circuit. This is the case, for example, when the measuring unit and the magnet are firmly connected to each other, so that their arrangement with each other is already determined in the appropriate manner.

Nach einem der Erfindung zugrundeliegenden Gedanken werden durch die Einwirkung einer Kraft auf ein magnetoelastisches Material die Magnetfelder eines magnetischen Kreises, der dieses magnetoelastische Material umfasst, verzerrt. Diese Verzerrung kann durch einen Magnetfeldsensor, beispielsweise einen Hallsensor, gemessen werden. Wird der Magnetfeldsensor entsprechend angeordnet, so ist es möglich, eine der Verzerrung direkt proportionale Ausgangsgröße des Sensors als Messgröße zu erhalten. Die Messung kann dabei berührungslos und somit verschleißfrei erfolgen.According to a concept underlying the invention, the action of a force on a magnetoelastic material distorts the magnetic fields of a magnetic circuit comprising this magnetoelastic material. This distortion can be measured by a magnetic field sensor, for example a Hall sensor. If the magnetic field sensor is arranged accordingly, it is possible to obtain a directly proportional output variable of the sensor as a measured variable. The measurement can be carried out contactless and thus wear-free.

Vorzugsweise beruht das Messprinzip auf einer Drehung des Streufeldes oberhalb des Magneten. Dazu ist zwischen dem Magneten und dem magnetoelastischen Material ein Luftspalt - beispielsweise aus einem nicht magnetischen Material eines Magnethalters - angeordnet.The measuring principle is preferably based on a rotation of the stray field above the magnet. For this purpose, an air gap - for example, a non-magnetic material of a magnet holder - is arranged between the magnet and the magnetoelastic material.

Die Ausbildung des Magnetfeldsensors als Hallsensor weist unter anderem den Vorteil auf, dass Hallsensoren in Standard-Halbleiterprozessen sehr einfach herstellbar sind.The design of the magnetic field sensor as a Hall sensor has, inter alia, the advantage that Hall sensors in standard semiconductor processes are very easy to produce.

Auf diese Weise wird ein besonders einfaches und robustes Messsystem bereitgestellt, das somit beispielsweise auch für den Einsatz in der Landwirtschaft geeignet ist. Die Verwendung eines Permanentmagneten ist vorteilhaft, weil durch sie gegenüber Messsystemen gemäß dem Stand der Technik verschiedene Komponenten eingespart werden können und eine Stromversorgung des Magneten entfällt.In this way, a particularly simple and robust measuring system is provided, which is thus suitable, for example, for use in agriculture. The use of a permanent magnet is advantageous because it allows different components to be saved compared to prior art measuring systems and eliminates power supply to the magnet.

In einer Ausführungsform ist der Magnetfeldsensor derart ausgerichtet, dass er in einem unbelasteten Zustand des Kraftwandlers ein Nullsignal detektiert und in einem belasteten Zustand des Kraftwandlers ein vom Nullsignal abweichendes Belastungssignal. Bei der Ausrichtung des Magnetfeldsensors werden sowohl Materialeigenschaften des Kraftwandlers als auch die Magnetisierung des Magneten mit einbezogen. Die Ausrichtung und Eichung des Magnetfeldsensors kann beispielsweise derart erfolgen, dass als Nullsignal gar kein Signal detektiert wird und als Belastungssignal ein Signal, das mit steigender Belastung des Kraftwandlers ebenfalls zunimmt.In one embodiment, the magnetic field sensor is aligned such that it detects a zero signal in an unloaded state of the force transducer and a load signal deviating from the zero signal in a loaded state of the force transducer. When aligning the magnetic field sensor, both material properties of the force transducer and the magnetization of the magnet are included. The alignment and calibration of the magnetic field sensor can for example be such that no signal is detected as a zero signal and as a load signal, a signal which also increases with increasing load of the force transducer.

Der Permanentmagnet kann beispielsweise als oberflächenmagnetisierter Körper oder als diametral durchmagnetisierter Körper ausgebildet sein. Es können auch mehrere Permanentmagneten vorgesehen sein, beispielsweise, falls eine bestimmte Geometrie des Magnetfelds gewünscht wird.The permanent magnet may be formed, for example, as a surface-magnetized body or as a diametrically magnetized body. It can also be provided a plurality of permanent magnets, for example, if a certain geometry of the magnetic field is desired.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist der Kraftwandler eine Öffnung auf, in die der Permanentmagnet zumindest teilweise einbringbar ist. Dabei werden unter den Begriff „einbringbar“ auch Anordnungen gefasst, bei denen der Permanentmagnet bereits fest oder lösbar in der Öffnung angeordnet ist. In one embodiment of the invention, the force transducer has an opening into which the permanent magnet is at least partially insertable. In this case, the term "einbringbar" also arrangements are taken in which the permanent magnet is already fixed or releasably disposed in the opening.

Mit dieser Anordnung wird bei einer entsprechenden Ausrichtung des Magneten erreicht, dass die magnetische Flussdichte in dem magnetoelastischen Material möglichst groß ist, weil ein großer Teil der Feldlinien innerhalb des magnetoelastischen Materials verläuft. Es wird somit eine optimale Nutzung des Magnetfelds des Permanentmagneten erreicht.With this arrangement is achieved with a corresponding orientation of the magnet, that the magnetic flux density in the magnetoelastic material is as large as possible, because a large part of the field lines extends within the magnetoelastic material. It is thus achieved optimal use of the magnetic field of the permanent magnet.

Mit der erfindungsgemäßen Anordnung ist es möglich, auch sehr geringe Kräfte anhand der durch sie verursachten Drehung des Streufeldes zu messen.With the arrangement according to the invention, it is possible to measure even very small forces on the basis of the rotation of the stray field caused by them.

In einer Ausführungsform der Erfindung weist die Messeinheit ferner einen Halter für den Permanentmagneten und eine Elektronikeinheit auf. Der Halter hat dabei die Aufgabe, den Permanentmagneten an seinen Platz innerhalb der Öffnung des Kraftwandlers zu bringen und dort zu halten. Er bildet ferner den Luftspalt zwischen dem Magneten und dem Träger aus. Die Elektronikeinheit kann zumindest Teile der Mess- und Auswerteelektronik umfassen. Beispielsweise kann sie eine Platine aufweisen, auf der auch der Magnetfeldsensor angeordnet ist.In one embodiment of the invention, the measuring unit further comprises a holder for the permanent magnet and an electronic unit. The holder has the task to bring the permanent magnet into place within the opening of the force transducer and to hold there. It also forms the air gap between the magnet and the carrier. The electronics unit may comprise at least parts of the measuring and evaluation electronics. For example, it can have a circuit board on which the magnetic field sensor is also arranged.

In einer Ausführungsform ist die Messeinheit derart zu dem Kraftwandler anordenbar, dass eine durch die Einwirkung einer Kraft auf den Kraftwandler induzierte Permeabilitätsänderung in dem magnetoelastischen Material eine Drehung der magnetischen Feldlinien des durch den Magnetfeldsensor gemessenen Magnetfelds um einen Winkel a bewirkt.In one embodiment, the measuring unit is locatable to the force transducer such that a permeability change in the magnetoelastic material induced by the application of a force to the force transducer causes the magnetic field lines of the magnetic field measured by the magnetic field sensor to rotate through an angle α.

Unter den Begriff „derart anordenbar“ werden auch hier Konstellationen von Messeinheit und Kraftwandler gefasst, bei denen diese bereits in der geforderten Weise zueinander angeordnet sind, beispielsweise, weil die Messeinheit mit dem Kraftwandler fest verbunden ist.The term "can be arranged in this way" constellations of measuring unit and force transducer are taken here, where they are already arranged in the required manner to each other, for example, because the measuring unit is firmly connected to the force transducer.

In einer Ausführungsform der Erfindung sind mindestens zwei Magnetfeldsensoren vorgesehen, die in Bezug auf das Magnetfeld des Permanentmagneten unterschiedlich ausgerichtet sind.In one embodiment of the invention, at least two magnetic field sensors are provided, which are aligned differently with respect to the magnetic field of the permanent magnet.

Nach der vorliegenden Erfindung wirkt bei einem Verfahren zur Messung einer Kraft die zu bestimmende Kraft auf einen Kraftwandler aus einem magnetoelastischen Material. Dabei ist der Kraftwandler Teil eines magnetischen Kreises, der einen Permanentmagneten umfasst. Die Art der Krafteinleitung bewirkt im Bereich einer Messzone eine Schubspannungsverteilung, die wiederum die magnetische Permeabilität im magnetoelastischen Material in einer Messzone verändert. Das durch einen Sensor gemessene magnetische Streufeld wird dadurch verzerrt und insbesondere gedreht. Es wird auf diese Weise eine durch das Einwirken der zu bestimmenden Kraft auf das magnetoelastische Material bewirkte Änderung des Magnetfelds des Permanentmagneten gemessen.According to the present invention, in a method for measuring a force, the force to be determined acts on a force transducer made of a magnetoelastic material. In this case, the force transducer is part of a magnetic circuit comprising a permanent magnet. The type of force introduction causes a shear stress distribution in the region of a measuring zone, which in turn alters the magnetic permeability in the magnetoelastic material in a measuring zone. The magnetic stray field measured by a sensor is thereby distorted and in particular rotated. It is measured in this way by the action of the force to be determined on the magnetoelastic material caused change in the magnetic field of the permanent magnet.

In einer Ausführungsform der Erfindung spannt der Vektor der zu messenden Kraft mit einer Hauptkomponente des Magnetfelds des Permanentmagneten eine Ebene auf und die Kraft in dem magnetoelastischen Material des Kraftwandlers bewirkt eine Permeabilitätsänderung, die eine Drehung der Hauptkomponente des Magnetfelds um einen Winkel a in der durch den Vektor der zu messenden Kraft und die Hauptkomponente des Magnetfelds aufgespannten Ebene bewirkt.In one embodiment of the invention, the vector of the force to be measured with a major component of the magnetic field of the permanent magnet biases a plane and the force in the magnetoelastic material of the force transducer causes a permeability change, the rotation of the main component of the magnetic field by an angle a in the Vector of the force to be measured and the main component of the magnetic field spanned plane causes.

Dabei besteht die zu messende Änderung des Magnetfelds des Permanentmagneten im Wesentlichen in der Änderung des Winkels des Magnetfelds relativ zu dem Magnetfeldsensor. Die Winkelmessung weist den Vorteil auf, dass sie sehr robust gegenüber Temperaturschwankungen ist.In this case, the change of the magnetic field of the permanent magnet to be measured substantially consists in the change of the angle of the magnetic field relative to the magnetic field sensor. The angle measurement has the advantage that it is very robust against temperature fluctuations.

In einer Ausführungsform der Erfindung wird zunächst der Kraftwandler in den Wirkungsbereich der zu messenden Kraft eingebracht und anschließend wird eine den Permanentmagneten und den Magnetfeldsensor umfassende Messeinheit derart an den Kraftwandler angebracht, dass der Permanentmagnet zumindest teilweise in eine Öffnung des Kraftwandlers eintaucht. Messeinheit und Kraftwandler können somit bei Bedarf separat voneinander appliziert werden.In one embodiment of the invention, the force transducer is first introduced into the effective range of the force to be measured, and then a measuring unit comprising the permanent magnet and the magnetic field sensor is attached to the force transducer such that the permanent magnet at least partially dips into an opening in the force transducer. Measuring unit and force transducer can thus be applied separately if necessary.

Ausführungsbeispiele der Erfindung werden im folgenden anhand der beigefügten Figuren näher erläutert.

  • 1 zeigt schematisch eine perspektivische Ansicht eines Messsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 2 zeigt ebenfalls schematisch eine perspektivische Ansicht eines Messsystems gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 3 zeigt schematisch einen Querschnitt durch das Messsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung;
  • 4 zeigt schematisch das Messsystem in einem unbelasteten Zustand;
  • 5 zeigt schematisch das Messsystem unter der Einwirkung einer zu messenden Kraft und
  • 6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch eine Messeinheit des Messsystem gemäß einer Ausführungsform der Erfindung.
Embodiments of the invention are explained below with reference to the accompanying figures.
  • 1 shows schematically a perspective view of a measuring system according to an embodiment of the invention;
  • 2 also schematically shows a perspective view of a measuring system according to an embodiment of the invention;
  • 3 schematically shows a cross section through the measuring system according to an embodiment of the invention;
  • 4 schematically shows the measuring system in an unloaded state;
  • 5 schematically shows the measuring system under the action of a force to be measured and
  • 6 schematically shows a cross section through a measuring unit of the measuring system according to an embodiment of the invention.

Gleiche Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen. The same parts are provided in all figures with the same reference numerals.

Das Messsystem 1 gemäß 1 umfasst einen Kraftwandler 2, der ein magnetoelastisches Material aufweist und der in der gezeigten Ausführungsform plattenförmig ausgebildet ist. Der Kraftwandler 2 weist eine Öffnung in Form einer Bohrung auf, die in der 1 nicht sichtbar ist. Auf seiner Oberseite 6 ist ein Halter 3 mit einem in dieser Ansicht ebenfalls nicht sichtbaren Permanentmagneten angeordnet, wobei der Permanentmagnet in der Öffnung angeordnet ist.The measuring system 1 according to 1 includes a force transducer 2 which has a magnetoelastic material and which is plate-shaped in the embodiment shown. The force converter 2 has an opening in the form of a bore, which in the 1 is not visible. On his top 6 is a holder 3 arranged with a permanent magnet also not visible in this view, wherein the permanent magnet is arranged in the opening.

Oberhalb der Öffnung und diese in der Darstellung in 1 verdeckend ist eine Elektronikeinheit 4 mit einem Hallsensor 5 angeordnet. Die Elektronikeinheit 4 umfasst beispielsweise eine Platine mit darauf angeordneten elektronischen Bauteilen zur Messung und Auswertung.Above the opening and this in the illustration in 1 concealing is an electronics unit 4 with a Hall sensor 5 arranged. The electronics unit 4 includes, for example, a circuit board with electronic components arranged thereon for measurement and evaluation.

2 zeigt das Messsystem 1 gemäß 1, wobei in dieser Darstellung die Elektronikeinheit 4 mit dem Hallsensor 5 weggelassen wurde. 2 shows the measuring system 1 according to 1 , wherein in this illustration the electronics unit 4 with the Hall sensor 5 was omitted.

Somit ist die Öffnung 7 in dem Kraftwandler 2 erkennbar, die den plattenförmigen Kraftwandler 2 in dieser Ausführungsform als Bohrung vollständig durchdringt. Ein Halter 3 trägt einen Permanentmagneten 8 und lässt ihn in die Öffnung 7 hineinragen.Thus, the opening 7 in the force transducer 2 recognizable, the plate-shaped force transducer 2 completely penetrated as a bore in this embodiment. A holder 3 carries a permanent magnet 8th and let him in the opening 7 protrude.

Dies ist in 3 im Querschnitt besonders gut erkennbar. Der Halter 3 weist eine Haltevorrichtung 9, beispielsweise eine Klemmring oder ein Plateau, auf das der Permanentmagnet 8 geklebt wird, auf. Der Halter 3 besteht in der gezeigten Ausführungsform aus Kunststoff und somit aus einem nicht ferromagnetischen Material. Der Halter 3 ist zwischen dem Permanentmagneten 8 und dem Kraftwandler angeordnet und bildet dadurch einen Luftspalt aus. Er ist somit nicht Teil des magnetischen Kreises.This is in 3 particularly clearly visible in cross section. The holder 3 has a holding device 9 , For example, a clamping ring or a plateau on which the permanent magnet 8th is glued on. The holder 3 consists in the embodiment shown of plastic and thus of a non-ferromagnetic material. The holder 3 is between the permanent magnet 8th and the force transducer and thereby forms an air gap. He is therefore not part of the magnetic circuit.

Der Halter 3 lässt den an ihm gehalterten Permanentmagneten 8 in die Öffnung 7 des Kraftwandlers 2 mit der Tiefe t ragen oder eintauchen, so dass der Permanentmagnet 8 seitlich vollständig von dem magnetoelastischen Material des Kraftwandlers 2 umgeben ist. Dabei wird die Ausrichtung des Permanentmagneten 8 und des Kraftwandlers 2 vorteilhaft so gewählt, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten 8 möglichst viel Material des Kraftwandlers 2 durchdringt.The holder 3 leaves the permanent magnet held on it 8th in the opening 7 the force transducer 2 with the depth t protrude or dip, leaving the permanent magnet 8th laterally completely from the magnetoelastic material of the force transducer 2 is surrounded. In this case, the orientation of the permanent magnet 8th and the force transducer 2 advantageously chosen so that the magnetic flux of the permanent magnet 8th as much material as possible from the force transducer 2 penetrates.

Auf dem Halter 3 ist die Elektronikeinheit 4 mit dem Sensor 5 angeordnet.On the holder 3 is the electronics unit 4 with the sensor 5 arranged.

Das Messsystem 1 kann beispielsweise in einen Messbolzen eingesetzt sein, wie er in der DE 10 2006 007 385 beschrieben ist. Eine solche Anordnung ist günstig, weil der Messbolzen selbst nicht aus einem speziellen, magnetoelastischen Material hergestellt sein muss, sondern aus einem nahezu beliebigen Material bestehen kann. In einer alternativen Ausführungsform ist jedoch der Halter mit dem Magneten direkt in die Bohrung des Messbolzens eingesetzt, so dass dieser die Rolle des Trägers übernimmt.The measuring system 1 can be used for example in a measuring pin, as in the DE 10 2006 007 385 is described. Such an arrangement is favorable, because the measuring bolt itself need not be made of a special, magnetoelastic material, but may consist of almost any material. In an alternative embodiment, however, the holder is inserted with the magnet directly into the bore of the measuring bolt, so that this takes over the role of the carrier.

4 zeigt einen Ausschnitt aus dem Kraftwandler 2 im unbelasteten Zustand, wobei auch hier die Elektronikeinheit 4 mit dem Sensor 5 nicht dargestellt wurde. 4 shows a section of the force transducer 2 in the unloaded condition, whereby here also the electronic unit 4 with the sensor 5 not shown.

Die Pfeile 10 kennzeichnen die Feldlinien des Magnetfelds des Permanentmagneten 8. Dabei sind die Feldlinien in dieser Darstellung idealisiert parallel und im gleichen Abstand zueinander dargestellt. In Wirklichkeit weist der Permanentmagnet 8 kein derartig homogenes Magnetfeld auf.The arrows 10 indicate the field lines of the magnetic field of the permanent magnet 8th , The field lines in this illustration are idealized parallel and at the same distance from each other. In reality, the permanent magnet 8th no such homogeneous magnetic field.

5 zeigt den Ausschnitt aus dem Kraftwandler 2 im belasteten Zustand, wobei eine Kraft in der Richtung der Pfeile 12 auf den Kraftwandler 2 wirkt und eine Schubspannung in dessen Material induziert. Im dargestellten Fall bewirkt die lokale Änderung der Permeabilität des magnetoelastischen Materials eine Drehung der durch die Pfeile 11 gekennzeichneten Feldlinien um den Winkel a. 5 shows the excerpt from the force transducer 2 in the loaded condition, with a force in the direction of the arrows 12 on the force transducer 2 acts and induces a shear stress in its material. In the case shown, the local change in the permeability of the magnetoelastic material causes a rotation of the arrows 11 marked field lines by the angle a.

Dabei ist der Hallsensor 5 in den Figuren lediglich symbolisch dargestellt. In einer vorteilhaften Ausführungsform umfasst das System eine Anordnung aus beispielsweise zwei senkrecht zueinander angeordneten einzelnen Hallsensoren, die die beiden Komponenten des Magnetfelds in der Ebene des Kraftwandlers 2 messen. Aus der Änderung beider Komponenten kann dann der Winkel a bestimmt werden, um den sich das Magnetfeld bei der Belastung des Kraftwandlers 2 gedreht hat.Here is the Hall sensor 5 only symbolically represented in the figures. In an advantageous embodiment, the system comprises an arrangement of, for example, two mutually perpendicularly arranged individual Hall sensors, which are the two components of the magnetic field in the plane of the force transducer 2 measure up. From the change of both components, the angle a can then be determined by which the magnetic field under the load of the force transducer 2 has turned.

6 zeigt schematisch einen Querschnitt durch die Messeinheit 13 des Messsystems 1, die den Halter 3, die Elektronikeinheit 5 mit dem Sensor 5 und den Permanentmagneten 9 umfasst. 6 schematically shows a cross section through the measuring unit 13 of the measuring system 1 holding the holder 3 , the electronics unit 5 with the sensor 5 and the permanent magnet 9 includes.

Die Messeinheit 13 ist in dieser Ausführungsform separat von dem Kraftwandler 2 ausgebildet und wird für die Kraftmessung mit diesem verbunden. Dazu wird der Halter 3 derart auf die Oberseite des Kraftwandlers 2 aufgesetzt, dass eine Unterseite 14 des Halters 3 an der Oberseite 6 anliegt und der Permanentmagnet 8 in die Öffnung 7 des Kraftwandlers 2 ragt. Die Haltevorrichtung 9 weist zusammen mit dem Permanentmagneten 8 eine Dicke d auf, die höchstens so groß ist wie die Tiefe t der Öffnung 7, so dass ein möglichst großer Bereich des Magnetfelds das magnetoelastische Material des Kraftwandlers 2 durchdringt.The measuring unit 13 is separate from the force transducer in this embodiment 2 trained and is connected to the force measurement with this. This is the holder 3 so on the top of the force transducer 2 put on that a bottom 14 of the owner 3 at the top 6 abuts and the permanent magnet 8th in the opening 7 the force transducer 2 protrudes. The holding device 9 points together with the permanent magnet 8th a thickness d which is at most as big as the depth t the opening 7 such that the largest possible area of the magnetic field is the magnetoelastic material of the force transducer 2 penetrates.

BezugszeichenlisteLIST OF REFERENCE NUMBERS

11
Messsystemmeasuring system
22
Kraftwandlerpower converter
33
Halterholder
44
Elektronikeinheitelectronics unit
55
HallsensorHall sensor
66
Oberseite des KraftwandlersTop of the force transducer
77
Öffnungopening
88th
Magnetmagnet
99
Haltevorrichtungholder
1010
Pfeilarrow
1111
Pfeilarrow
1212
Pfeilarrow
1313
Messeinheitmeasuring unit
1414
Unterseite des Halters Bottom of the holder
dd
Dickethickness
tt
Tiefedepth

Claims (14)

Kraftmesssystem, das folgendes umfasst: - einen plattenförmigen Kraftwandler (2) aus einem magnetoelastischen Material; - eine Messeinheit (13), die zumindest einen Permanentmagneten (8) und zumindest einen Magnetfeldsensor (5) aufweist; wobei die Messeinheit (13) derart zu dem Kraftwandler (2) anordenbar ist, dass der Permanentmagnet (8) mit dem Kraftwandler (2) einen magnetischen Kreis bildet, wobei der Permanentmagnet (8) zumindest teilweise in eine Öffnung (7) in dem magnetoelastischen Material des Kraftwandlers (2) ragt.Force measuring system comprising: - A plate-shaped force transducer (2) made of a magnetoelastic material; - A measuring unit (13) having at least one permanent magnet (8) and at least one magnetic field sensor (5); wherein the measuring unit (13) can be arranged to the force transducer (2) in such a way that the permanent magnet (8) forms a magnetic circuit with the force transducer (2), wherein the permanent magnet (8) projects at least partially into an opening (7) in the magnetoelastic material of the force transducer (2). Kraftmesssystem nach Anspruch 1, wobei der Magnetfeldsensor derart ausgerichtet ist, dass er in einem unbelasteten Zustand des Kraftwandlers (2) ein Nullsignal detektiert und in einem belasteten Zustand des Kraftwandlers (2) ein vom Nullsignal abweichendes Belastungssignal.Force measuring system after Claim 1 , wherein the magnetic field sensor is aligned such that it detects a zero signal in an unloaded state of the force transducer (2) and in a loaded state of the force transducer (2) a deviating from the zero signal load signal. Kraftmesssystem nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Permanentmagnet (8) derart in die Öffnung (7) eingebracht ist, dass der magnetische Fluss des Permanentmagneten (8) in einem unbelasteten Zustand des Kraftwandlers (2) in Richtung der mit dem Kraftmesssystem zu bestimmenden Kraft zu dem Kraftwandler (2) ausgerichtet ist,.Force measuring system after Claim 1 or 2 in which the permanent magnet (8) is introduced into the opening (7) such that the magnetic flux of the permanent magnet (8) in an unloaded state of the force transducer (2) in the direction of the force to be determined by the force measuring system to the force transducer (2) is aligned ,. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Permanentmagnet (8) als oberflächenmagnetisierter Körper ausgebildet ist.Force measuring system according to one of Claims 1 to 3 , wherein the permanent magnet (8) is formed as a surface-magnetized body. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei der Permanentmagnet (8) als diametral magnetisierter Körper ausgebildet ist.Force measuring system according to one of Claims 1 to 3 , wherein the permanent magnet (8) is formed as a diametrically magnetized body. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei die Öffnung (7) derart ausgestaltet ist, dass der Permanentmagnet (8) derart in die Öffnung (7) einbringbar ist, dass der Permanentmagnet (8) seitlich vollständig von dem magnetoelastischen Material des Kraftwandlers (2) umgeben ist,.Force measuring system according to one of Claims 1 to 5 wherein the opening (7) is configured such that the permanent magnet (8) can be introduced into the opening (7) such that the permanent magnet (8) is laterally completely surrounded by the magnetoelastic material of the force transducer (2). Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei die Messeinheit (13) ferner einen Halter (3) für den Permanentmagneten (8) und eine Elektronikeinheit (4) umfasst, wobei der Halter (3) zwischen dem Permanentmagneten (8) und dem Kraftwandler (2) angeordnet ist und dadurch einen Luftspalt zwischen dem Permanentmagneten (8) und dem Kraftwandler (2) ausbildet.Force measuring system according to one of Claims 1 to 6 wherein the measuring unit (13) further comprises a holder (3) for the permanent magnet (8) and an electronic unit (4), wherein the holder (3) between the permanent magnet (8) and the force transducer (2) is arranged and thereby a Air gap between the permanent magnet (8) and the force transducer (2) is formed. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei die Messeinheit (13) derart zu dem Kraftwandler (2) anordenbar ist, dass eine durch die Einwirkung einer Kraft auf den Kraftwandler (2) induzierte Permeabilitätsänderung in dem magnetoelastischen Material eine Drehung der magnetischen Feldlinien des durch den Magnetfeldsensor (5) gemessenen Magnetfelds um einen Winkel α bewirkt.Force measuring system according to one of Claims 1 to 7 in that the measuring unit (13) can be arranged to the force transducer (2) in such a way that a permeability change in the magnetoelastic material induced by the action of a force on the force transducer (2) causes a rotation of the magnetic field lines of the magnetic field measured by the magnetic field sensor (5) by an angle α causes. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 8, wobei die Messeinheit (13) mit dem Kraftwandler (2) fest verbunden ist.Force measuring system according to one of Claims 1 to 8th , wherein the measuring unit (13) with the force transducer (2) is firmly connected. Kraftmesssystem nach einem der Ansprüche 1 bis 9, wobei mindestens zwei Magnetfeldsensoren (5) vorgesehen sind, die in Bezug auf das Magnetfeld des Permanentmagneten (8) unterschiedlich ausgerichtet sind.Force measuring system according to one of Claims 1 to 9 wherein at least two magnetic field sensors (5) are provided, which are aligned differently with respect to the magnetic field of the permanent magnet (8). Verfahren zur Messung einer Kraft, bei dem die zu bestimmende Kraft auf einen plattenförmigen Kraftwandler (2) aus einem magnetoelastischen Material wirkt, wobei der Kraftwandler (2) Teil eines magnetischen Kreises ist, der einen Permanentmagneten (8) umfasst, der zumindest teilweise in eine Öffnung (7) in dem magnetoelastischen Material des Kraftwandlers (2) ragt. und wobei eine durch das Einwirken der zu bestimmenden Kraft auf das magnetoelastische Material bewirkte Änderung des Magnetfelds des Permanentmagneten (8) gemessen wird.Method for measuring a force, in which the force to be determined acts on a plate-shaped force converter (2) made of a magnetoelastic material, wherein the force transducer (2) is part of a magnetic circuit comprising a permanent magnet (8) which at least partially in one Opening (7) in the magnetoelastic material of the force transducer (2) protrudes. and wherein a change in the magnetic field of the permanent magnet (8) caused by the action of the force to be determined on the magnetoelastic material is measured. Verfahren nach Anspruch 11, wobei die Änderung des Magnetfelds des Permanentmagneten (8) durch einen Hallsensor (5) gemessen wird.Method according to Claim 11 , wherein the change of the magnetic field of the permanent magnet (8) by a Hall sensor (5) is measured. Verfahren nach Anspruch 11 oder 12, wobei der Vektor der zu bestimmenden Kraft mit einer Hauptkomponente des Magnetfelds des Permanentmagneten (8) eine Ebene aufspannt und die Kraft in dem magnetoelastischen Material des Kraftwandlers (2) eine Permeabilitätsänderung bewirkt, die eine Drehung der Hauptkomponente des Magnetfelds um einen Winkel α in der durch den Vektor der zu bestimmenden Kraft und die Hauptkomponente des Magnetfelds aufgespannten Ebene bewirkt.Method according to Claim 11 or 12 , wherein the vector of the force to be determined with a major component of the magnetic field of the permanent magnet (8) spans a plane and the force in the magnetoelastic material of the Force transducer (2) causes a permeability change, which causes a rotation of the main component of the magnetic field by an angle α in the plane defined by the vector of the force to be determined and the main component of the magnetic field. Verfahren nach einem der Ansprüche 11 bis 13, wobei zunächst der Kraftwandler (2) in den Wirkungsbereich der zu bestimmenden Kraft eingebracht wird und anschließend eine den Permanentmagneten (8) und den Magnetfeldsensor (5) umfassende Messeinheit (13) derart an den Kraftwandler (2) angebracht wird, dass der Permanentmagnet (8) zumindest teilweise in die Öffnung (7) des Kraftwandlers (2) eintaucht.Method according to one of Claims 11 to 13 in which first the force transducer (2) is introduced into the effective range of the force to be determined and then a measuring unit (13) comprising the permanent magnet (8) and the magnetic field sensor (5) is attached to the force transducer (2) such that the permanent magnet ( 8) at least partially into the opening (7) of the force transducer (2) is immersed.
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