DE102008032329B4 - Force measuring system and method for measuring a force - Google Patents
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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.
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).
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
Die
Die
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.
-
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
Oberhalb der Öffnung und diese in der Darstellung in
Somit ist die Öffnung
Dies ist in
Der Halter
Auf dem Halter
Das Messsystem
Die Pfeile
Dabei ist der Hallsensor
Die Messeinheit
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)
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2008
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