DE102021117612A1

DE102021117612A1 - Lineares magnetostriktives Positionserfassungssystem mit einer mechanischen Longitudinal- oder Torsionswelle sowie Verfahren zu seinem Betrieb

Info

Publication number: DE102021117612A1
Application number: DE102021117612.3A
Authority: DE
Inventors: Achim Zern; Detlef Brinker
Original assignee: Balluff GmbH
Current assignee: Balluff GmbH
Priority date: 2021-07-07
Filing date: 2021-07-07
Publication date: 2023-01-12
Anticipated expiration: 2041-07-08
Also published as: DE102021117612B4

Abstract

Bei dem vorliegenden Verfahren zum Betreiben eines linearen, magnetostriktiven Positionserfassungssystems sowie dem entsprechenden Positionserfassungssystem, bei dem mittels eines durch einen Strompuls (200) hervorgerufenen zirkularen Magnetfeldes (205) sowie seiner Interaktion mit dem Magnetfeld eines als Positionsgeber fungierenden Magneten in einem Wellenleiter (215) eine mechanische Longitudinal- oder Torsionswelle (210) erzeugt wird, die in dem Wellenleiter (215, 300) fortschreitet, wobei wenigstens das eine Ende des Wellenleiters (300) sich in einer Spule (320) eines Wandlersystems befindet und wobei die Positionserfassung durch Laufzeitmessung mittels der in dem Wellenleiter (215, 300) fortschreitenden Welle (210) erfolgt, ist insbesondere vorgesehen, dass eine in dem Wellenleiter (215, 300) fortschreitende Welle (210) anhand der mit der Welle (210) verbundenen, kurzzeitigen Änderung der relativen Permeabilität des Materials des Wellenleiters (215, 300) erfasst wird.

Description

Die Erfindung betrifft ein auf der Grundlage einer mechanischen Welle magnetostriktiv messendes, lineares Positionserfassungs- bzw. Wegmesssystem, sowie ein Verfahren zu seinem Betrieb, gemäß den jeweiligen unabhängigen Ansprüchen.
Stand der Technik
Bei im Stand der Technik bekannten, einschlägigen Positionserfassungs- bzw. Wegmesssystemen erfolgt die Positionserfassung durch Laufzeitmessung mittels einer in einem linien- bzw. rundstab- oder rohrförmigen Wellenleiter fortschreitenden Torsionswelle.
So geht ein entsprechendes, magnetostriktives Positionserfassungssystem aus der EP 1 306 650 A1 sowie der DE 10 2010 008 495 A1 hervor. Die dort beschriebenen Systeme umfassen einen fest angeordneten Wellenleiter, einen gegenüber dem Wellenleiter beweglich angeordneten Positionsgeber („Positionsspule“) sowie ein durch eine Aufnehmerspule („Pick-Up-Spule“) gebildetes, an dem Wellenleiter fest angeordnetes Detektionselement, welches mechanische Torsionsschwingungen des Wellenleiters in ein elektrisches Signal umsetzt. Der Wellenleiter, z.B. ein Röhrchen aus einer magnetostriktiven Eisen-Nickel-Legierung, umfasst eine dort eingefädelte, stromführende Leitung, z.B. einen Kupferdraht. Der als Positionsgeber dienende Positionsmagnet umfasst eine Anzahl von z.B. vier Permanentmagneten.
Es ist dabei anzumerken, dass das genannte Röhrchen aus einer magnetostriktiven Eisen-Nickel-Legierung heutzutage auch in Form eines sogenannten Wellenleiterdrahtes realisierbar ist.
Mittels eines von einer Steuerelektronik erzeugten und an die genannte stromführende Leitung angelegten Stromimpulses entsteht um den Wellenleiter herum ein zirkular gerichtetes und in dem Wellenleitermaterial wirksames Magnetfeld, welches auf ein von dem Positionsgeber erzeugtes, axial gerichtetes statisches Magnetfeld trifft. Durch Überlagerung der beiden Magnetfelder entsteht mittels Magnetostriktion des Wellenleiters ein Torsionsimpuls und dadurch eine sich nach beiden Seiten des Wellenleiters ausbreitende, mechanische Torsionswelle. Die zum Ende des Wellenleiters hinlaufende Welle wird dort mittels einer Dämpfungsstrecke weggedämpft, wohingegen die zur Aufnehmerspule hinlaufende Welle dort durch Umkehrung des magnetostriktiven Effektes ein elektrisches Signal induziert. Die zwischen der Bildung des Torsionsimpulses und der Induzierung des elektrischen Signals benötigte Zeit ist ein Maß für die Weglänge zwischen dem Positionsgeber und der Aufnehmerspule.
Bei den genannten magnetostriktiven Positionserfassungssystemen wird aus der Laufzeit einer genannten Torsionswelle auf die Position des Positionsgebers geschlossen. Die Welle entsteht durch Überlagerung eines Magnetfeldes aus dem Stromimpuls mit dem Magnetfeld des Positionsgebers. Die Signaldetektion hat hierbei einen ganz entscheidenden Einfluss auf die Messgenauigkeit. Bei aus dem Stand der Technik bekannten Signalwandlern wird hierzu eine Spule benutzt, in der die mechanische Welle zweimal eine Spannung induziert. Die mechanische Welle wird nach dem Durchlaufen der Spule reflektiert und erzeugt dann zum zweiten Mal eine Spannung. Durch eine geeignete geometrische Anordnung der Komponenten, d.h. der Spule und des Reflexionsendes des Wellenleiters, lassen sich die beiden Signale so addieren, dass ein optimales Nutzsignal, insbesondere ein etwa doppelt so großes Nutzsignal, entsteht. Dabei wird im Stand der Technik eine charakteristische Größe des Signals, beispielsweise ein Nulldurchgang, ausgewertet. Ein solcher Nulldurchgang kann heute bei Berücksichtigung des Rauschens im Nanosekundenbereich ausgewertet werden, was einer Messgenauigkeit von einigen Mikrometer entspricht.
Bei einem entsprechenden magnetostriktiven Positionssensor der Fa. MTS Sensor Technologie erfolgt nun eine Umwandlung eines genannten Torsionspulses auf ein senkrecht an dem Wellenleiter angeordnetes Bändchen sowie durch entsprechende elektromagnetische Induktion mittels einer dort angeordneten Aufnehmerspule (bzw. Pick-Up-Spule) in ein entsprechendes Messsignal. Das Bändchen wandelt die Torsionswelle in eine longitudinale Welle um. Die Detektion dieser mechanischen Longitudinalwelle wird bekanntermaßen als „Villari-Effekt“ bezeichnet und daher wird das Bändchen auch als „Villari-Bändchen“ bezeichnet. Dies entspricht somit dem inversen magnetostriktiven Effekt für Longitudinalwellen. Im Gegensatz dazu gibt es eine Detektion von mechanischen Torsionswellen mittels des sogenannten „Matteucci-Effekts“.
Eine entsprechende lineare Abstandsmessvorrichtung ist in der US 3,898,555 A offenbart. Mit dieser Vorrichtung wird die Zeit, die ein Torsionsimpuls benötigt, um einen Schallwellenleiter von einem beweglichen Magneten zu einem auf ein den Torsionsimpuls ansprechenden Element zu durchlaufen, ermittelt, um daraus den Abstand von dem beweglichen Magneten zu dem auf den Torsionsimpuls ansprechenden Element zu berechnen. Die Position des Magneten, welcher durch ein externes Mittel wie ein Werkzeugmaschinenelement bewegt wird, kann somit genau bestimmt werden. Auch hierbei erfolgt die Detektion einer solchen Torsionswelle ebenfalls mittels einer Pick-Up-Spule, und zwar dadurch, dass eine ankommende Torsionswelle einen kurzen Induktionspuls erzeugt (entsprechend dem genannten „Matteucci-Effekt“).
Um ein ausreichend starkes Messsignal zu erhalten, sind Spulen mit einer hohen Windungszahl und entsprechend einem damit verbundenen hohen elektrischen Widerstand notwendig.
Offenbarung der Erfindung
Die Erfindung schlägt ein magnetostriktives Positionserfassungssystem vor, bei dem sich der an sich bekannte inverse magnetostriktive Effekt, der vorgenannte „Villari-Effekt“ oder der vorgenannte „Matteucci-Effekt“, zunutze gemacht wird.
Es ist hierbei hervorzuheben, dass die vorliegende Erfindung bevorzugt den „Matteucci Effekt“ betrifft, d.h. durch Torsionswellen verursachte Schubspannungen an einem hier betroffenen mechanischen Wellenleiter. So können zukünftig auch in dem Wellenleiter sich ausbreitende Longitudinalwellen gemäß dem „Villari-Effekt“ erzeugt und detektiert werden. Dies kann z.B. durch Veränderung des Erzeugungsmechanismus' der mechanischen Welle am Ort des Positionsgebers geschehen. Dabei wäre eine eingangs beschriebene Modenkonversion mittels eines „Villari-Bändchens“ (Fa. MTS) dann auch nicht erforderlich. Zudem wäre eine Longitudinalwelle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von ca. 4500 m/s deutlich schneller als eine Torsionswelle mit einer Ausbreitungsgeschwindigkeit von ca. 3000 m/s. Daher würde die Erzeugung und Detektion von Longitudinalwellen auch einen schnelleren Messprozess ermöglichen.
Die Magnetostriktion betrifft bekanntermaßen die Formänderung eines ferromagnetischen Materials, z.B. eines hier betroffenen Wellenleiters während einer Änderung des Magnetisierungszustandes, während der inverse magnetostriktive Effekt die Änderung der Magnetisierung bei einer gegebenen Magnetisierungsfeldstärke betrifft, wenn mechanische Spannungen auf den Wellenleiter ausgeübt werden.
Es ist hierbei anzumerken, dass jede Veränderung der Magnetisierung des Wellenleiters bereits eine Veränderung der Geometrie des Wellenleiters und somit eine mechanische Welle hervorrufen kann. Es ist ferner anzumerken, dass umgekehrt bei einer Veränderung des mechanischen Spannungszustandes des Wellenleiters eine Änderung des Magnetisierungszustandes des Wellenleiters" eintritt. Dies führt zu einer Veränderung des außen auftretenden Magnetfeldes (B-Feldes) und damit zu einer Flussänderung in einer Messspule des Positionsgebers, was letztendlich eine dort entsprechend induzierte elektrische Spannung bewirkt.
Der Erfindung liegt dabei die Erkenntnis bzw. das technische Prinzip zugrunde, dass die Position einer in dem Wellenleiter durchlaufenden mechanischen Welle, z.B. einer Torsionswelle oder Longitudinalwelle, anhand einer aufgrund der mechanischen Welle hervorgerufenen mechanischen Veränderung des Wellenleiters, d.h. auf der Grundlage einer entsprechenden Veränderung der magnetischen Suszeptibilität des jeweiligen Werkstoffs des mechanischen Wellenleiters (Villari-Effekt, d.h. letztlich auf der Grundlage einer entsprechenden Veränderung der magnetischen Permeabilität µ_r dieses Materials), sehr präzise erfassbar ist.
Im Gegensatz zum eingangs genannten Stand der Technik erfolgt die Detektion einer ankommenden mechanischen Welle gemäß der Erfindung somit anhand der mit der mechanischen Welle verbundenen, kurzzeitigen Änderung der relativen Permeabilität µ_r.
Die entsprechende Detektion einer solchen mechanischen Welle erfolgt bevorzugt mittels eines Hochfrequenz(HF)-Schwingkreises. Dabei umschließt den Wellenleiter ein an einem Ende des Wellenleiters angeordneter, spulenförmiger Signalwandler, der mit einem Kondensator zur Bildung bevorzugt eines LC-Oszillators, z.B. eines sogenannten „Colpitts“-Oszillators, mit einer geeigneten Auswerteschaltung elektronisch bzw. signaltechnisch verbunden ist.
Es ist hierbei anzumerken, dass als ein solcher Signalwandler jeder spulenförmige Signalwandler, der mit einem Kondensator oder mit einem anderen kapazitiven elektronischen Element, z. B. mit einer Kapazitätsdiode, zur Bildung eines Schwingkreises ausgebildet ist. Ein solcher Schwingkreis ist wiederum mit einer geeigneten Auswerteschaltung elektronisch bzw. signaltechnisch verbunden, welche zur Detektion einer hier betroffenen mechanischen Welle geeignet ist.
Das technische Prinzip der Detektion mittels eines genannten Schwingkreises beruht darauf, dass durch die magnetoelastische Wirkung einer hier betroffenen mechanischen Welle in dem magnetischen Material/Werkstoff des Wellenleiters lokal auch dessen magnetische Permeabilität verändert wird. Wird dieses Material z.B. als Eisenkern in einer Spule verwendet, dann verändert sich dadurch auch die Induktivität der Spule.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird Permeabilitätsänderung durch mechanische Beanspruchung bzw. Veränderung des Wellenleiters, d.h. aufgrund einer entsprechenden magnetoelastischen Wirkung in dessen magnetischen Material. Denn durch den inversen magnetostriktiven Effekt („Villari“-Effekt und „Matteucci“-Effekt) verändert sich die magnetische Suszeptibilität eines Materials, wenn es einer mechanischen Veränderung ausgesetzt wird. Dadurch verändert sich auch die magnetische Permeabilität. Wird dieses Material z. B. als Eisenkern in einer Spule verwendet, dann verändert sich dadurch auch die Induktivität der Spule.
Gemäß dem erfindungsgemäßen Verfahren wird insbesondere eine magnetische Hysterese-Messung z.B. an einem standardmäßigen Wellenleiterdraht durchgeführt. Bei dem genannten magnetostriktiven Effekt kann unter einer gegebenen einachsigen mechanischen Beanspruchung die Flussdichte für eine gegebene Magnetisierungsfeldstärke zunehmen oder abnehmen. Denn wie ein Material auf mechanische Spannungen reagiert, hängt bekanntermaßen von seiner Sättigungsmagnetostriktion ab. Die Magnetostriktion zeigt dabei ein Hystereseverhalten gegenüber der Stärke des jeweiligen Magnetisierungsfeldes.
Dabei macht man sich insbesondere den weiteren technischen Effekt zunutze, dass die Steigungswerte entsprechend erfasster Hysteresekurven mit zunehmender Verdrehung des Wellenleiters systematisch abnehmen.
Gemäß einer vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens wird eine entsprechend kurzzeitige, durch den Matteucci-Effekt (bei einer einlaufenden Torsionswelle) verursachte Änderung der Permeabilität µ_r dadurch erfasst, dass damit auch proportional die Induktivität der genannten Spule erfasst wird. Diese Induktivitätsänderung kann z.B. auf der Grundlage einer Verstimmung eines Schwingkreises bei gegebener Anregungsfrequenz und Auswertung einer Spannungsänderung bei Anregung über einen Vorwiderstand; auf der Grundlage einer Veränderung eines frequenzbestimmenden Schwingkreises in einem Oszillator und Erfassung der Frequenzänderung oder auf der Grundlage der Änderung des Blindwiderstandes der Induktivität zuverlässig und präzise erfasst bzw. ermittelt werden.
Gemäß einer weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens ist ein Bias oder ein Bias-Magnet vorgesehen bzw. im Bereich des Wellenleiters angeordnet, um die magnetische Permeabilität und/oder Suszeptibilität des Wellenleitermaterials auch bei einem Wert von H_ext ungleich dem Wert 0 auswerten zu können.
Gemäß einer noch weiteren, vorteilhaften Ausgestaltung des Verfahrens erfolgt die Erfassung der Induktivitätsänderung bei einer möglichst hohen Frequenz. Denn die genannte Induktivitätsänderung ist relativ gering, wodurch man kleinere Induktivitäten einsetzen kann, d.h. eine Spule mit gegenüber dem Stand der Technik weniger Windungen benötigt. Die Spule kann dadurch gegenüber dem Stand der Technik in ihren Abmessungen kleiner sein, was eine schärfere Abbildung einer hier betroffenen mechanischen Welle ermöglicht.
Bevorzugt kann eine kleinere Spule mit dickeren Windungen verwendet werden, wodurch sich ein geringerer elektrischer Widerstand sowie ein geringeres thermisches Rauschen ergibt. Die Spulenabmessungen liegen wiederum bevorzugt deutlich unterhalb der Ausdehnung des mechanischen Wellenleiters. Zudem kann sich dadurch vorteilhaft zunutze gemacht werden, dass zur Messung der Induktivitätsänderung entsprechend höhere Frequenzen einsetzbar sind, welche im Ergebnis eine bessere elektrische Abschirmung sowie eine entsprechend höhere Messauflösung ermöglichen.
Das erfindungsgemäße Positionserfassungssystem umfasst somit einen genannten Hochfrequenz-(HF-)Oszillator, insbesondere einen genannten „Colpitts-Oszillator“, zur Durchführung der Messungen einer genannten Frequenzänderung des an einem Ende des Wellenleiters angeordneten, spulenförmigen Signalwandlers aufgrund des Matteucci-Effekts.
Es ist hierzu anzumerken, dass alternativ zu einem Colpitts-Oszillator ein anderer Typ von HF-Oszillator eingesetzt werden kann oder eine geeignete „phase-locked loop“ (PLL) basierte Schaltungsanordnung, in welcher der HF-Oszillator gleichspannungsmäßig so beschaffen sein kann, dass eine externe Kapazitätsdiode angeschlossen werden kann.
Gemäß einer Ausgestaltung wird der Oszillator in Basisschaltung zusammen mit einem Kondensator als frequenzbestimmendes Bauelement verwendet. Passiert eine hier betroffene mechanische Welle den spulenförmigen Signalwandler, dann führt die Änderung der Induktivität zu einer Änderung der Frequenz des Colpitts-Oszillators.
Eine Änderung der Frequenz des Oszillators kann mit einer an sich bekannten Auswerte- bzw. Demodulatorschaltung, ähnlich wie bei einem FM-Radioempfänger, ausgewertet werden.
Hierbei ist anzumerken, dass eine höhere Frequenz im Gigahertzbereich für eine möglichst hohe Positionsauflösung vorteilhaft ist, da beim Durchlaufen einer Torsionswelle mehr Schwingungen ,gestört` werden. Denn die mechanische Welle läuft mit 3000 m/s durch den Wellenleiter, was bei einer Strecke von 5 mm einer Störungszeit von ca. 2 µs entspricht. Bei einer Veränderung der Permeabilität sollte mindestens eine HF-Schwingung gestört werden, was wiederum einer Frequenz von mindestens einigen Megahertz bis einigen hundert Megahertz entspricht. So wird infolge des Energieaustausches zwischen der Spule und dem Kondensator eine kurzzeitige Induktivitätsänderung mit etwa einer Schwingung einschwingen. Somit kann für die Auflösung (zeitlich) die Zeit $T_{2} = \sqrt{L * C}$
herangezogen werden.
Eine erfindungsgemäß ausgestaltete Demodulatorschaltung kann mit einer Versorgungsspannung von z.B. 9 V betrieben werden, wobei die Verstärkung eines entsprechenden Messsignals mittels eines in Basisschaltung betriebenen Transistors erfolgt. Bevorzugt wird dabei nur der Oszillator verstimmt, so dass sich immer ein im Wesentlichen gleich großer Sinuswert ergibt und die Amplitude somit nicht ausgewertet werden muss, bezüglich der sich besonders gerne EMV-Störungen ergeben. Am Ausgang der Demodulatorschaltung liegt dann ein entsprechend demoduliertes Signal als Ausgangsspannung an.
Anhand von Messreihen konnte herausgefunden werden, dass mit einer solchen Demodulatorschaltung bei einer Oszillatorfrequenz im Bereich von etwa 20 bis 100 MHz durch Verdrehung z.B. 200 bis 600 mm langen Wellenleiters um 80 bis 100° die Oszillatorfrequenz um ca. 130 bis 180 kHz geändert werden kann. Damit ist eine solche Frequenzabweichung sehr zuverlässig auswertbar.
Das vorgeschlagene Positionserfassungssystem sowie das vorgeschlagene Verfahren zu seinem Betrieb sind besonders robust gegenüber elektromagnetischen und mechanischen Störungen. Darüber hinaus wird eine vorteilhafte räumliche Trennung der jeweiligen Messtrecke von dem jeweiligen Messkopf ermöglicht, da das Messsignal räumlich gut übertragbar ist.
Die weiteren Vorteile dieses Ansatzes sind:

- Größere Störunempfindlichkeit (externe/interne EMV);
- geringere Positionsschwankungen („position jitter“);
- kleinere und kürzere Pick-Up-Spule, ggf. mit integrierter Messschaltung;
- geringer Widerstand der Spule und somit weniger thermisches Rauschen;
- die Spule muss nicht gewickelt werden und kann auch mittels eines an sich bekannten „3D-MID“-Verfahrens gedruckt bzw. hergestellt werden;
- die Möglichkeit zur drahtlosen Anbindung der Messstrecke, z.B. über eine Funkverbindung.

Die Erfindung ermöglicht zudem erhebliche Kosteneinsparungen bei der Herstellung eines entsprechenden Positionserfassungssystems.
Figurenliste
Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in den Zeichnungen dargestellt und werden in der nachfolgenden Beschreibung näher erläutert.

1 zeigt schematisch einen hier betroffenen, linearen stab- bzw. rohrförmigen und als Torsionswellenleiter ausgebildeten mechanischen Wellenleiter, gemäß dem Stand der Technik;
2 zeigt ein hier betroffenes Positionserfassungssystem mit einem in 1 dargestellten Torsionswellenleiter gemäß dem Stand der Technik, und zwar in einer schematischen, isometrischen Darstellung;
3 zeigt ein hier betroffenes Positionserfassungssystem mit einem in 1 dargestellten Torsionswellenleiter gemäß der Erfindung, und zwar wiederum in einer schematischen, isometrischen Darstellung;
4a - 4c zeigen typische, an einem Wellenleiter eines in 3 dargestellten Positionserfassungssystems gewonnene Messkurven;
5 zeigt eine beispielhafte Schaltungsanordnung zur Detektion einer an einem Torsionswellenleiter durchlaufenden Torsionswelle; und
6 zeigt eine gemessene, typische Frequenzverschiebung bei einer 360°-Torsion eines 500 mm langen Torsionswellenleiters.

Ausführungsbeispiele der Erfindung
Die 1 zeigt einen für ein hier betroffenes lineares, magnetostriktives Positionserfassungssystem geeigneten, an sich bekannten aus einem magnetostriktiven Material bzw. Werkstoff gebildeten Torsionswellenleiter 10. Der Torsionswellenleiter 10 ist vorliegend durch einen Rundstab mit dem Radius r gebildet. In der 1 ist schematisch eine sich entlang des Torsionswellenleiters 10 ausbreitende Torsionswelle 12 mit einem die lokale Torsionsauslenkungsrichtung angebenden Vektor b eingezeichnet.
Die 2 zeigt ein Positionserfassungssystem mit einem in 1 dargestellten Torsionswellenleiter gemäß dem Stand der Technik.
Mittels eines durch einen kurzzeitigen Strompuls 200 hervorgerufenen zirkularen Magnetfeldes 205 sowie der Interaktion mit dem Magnetfeld eines als Positionsgeber fungierenden Magneten entsteht auf der Messstrecke eine Torsionswelle 210, die den Wellenleiter 215 entlangläuft. Das eine Ende des Wellenleiters 215 befindet sich in einer Spule 220 eines entsprechenden Torsionsimpuls-Wandlersystems 225. Die in die Spule 220 einlaufende Torsionswelle 210 bewegt das Material und damit auch die Elementarmagnete des Wellenleiters 215. Durch die Bewegung der Elementarmagnete wird in der Spule 220 eine Flussänderung verursacht und damit eine Spannung induziert.
Die so induzierte Spannung wird verstärkt und mittels Komparatoren in an sich bekannter Weise ausgewertet. Dabei wird insbesondere die Zeitdifferenz zwischen dem erzeugten Strompuls und der in der Spule induzierten Spannung gemessen und daraus die Position des gezeigten Positionsgebers 230 ermittelt. Der Positionsgeber 230 ist durch einen entlang des Wellenleiters 215 verfahrbaren Permanentmagneten gebildet, welcher an dem Wellenleiter 215 ein Magnetfeld 235 erzeugt.
Das durch die Torsionswelle 210 in der Spule 220 induzierte Signal liegt im Niederfrequenzbereich und hat eine Grundfrequenz im Bereich von etwa 150 kHz. Die Charakteristik der Pick-Up-Spule 220 und einer nachgeschalteten Verstärkerschaltung hat eine große Bandbreite. Dadurch ist diese Schaltungsanordnung empfindlich gegenüber Störeinstrahlung.
Bei einem hier betroffenen Wellenleiter 215 lässt sich die durch eine Torsionswelle 210 verursachte maximale Auslenkung an der Oberfläche des Wellenleiters 215 mittels der Sättigungsmagnetostriktion λ_S von 7*10^-6 abschätzen. Die Oberfläche bewegt sich um 7 ppm in einem Winkel von 45°, da sich die Torsionswelle 210 sowohl in Rotationsrichtung als auch in Vorwärtsrichtung fortbewegt.
Die absolute Fortbewegung kann mittels des Umfangs (siehe 1) des Wellenleiters 215 wie folgt ermittelt werden: $b = 2 π \cdot r \cdot λ_{s} = 2 π \cdot 0,2 mm \cdot 7 \cdot 10^{- 6} = 8,79 nm$
Die Fortbewegung verläuft im Winkel von 45°, da sie nicht nur in tangentialer Richtung läuft, sondern sich auch dem Wellenleiter 215 entlang fortpflanzt. Für die Detektion ist nur der radiale Anteil von Bedeutung, und zwar wie folgt: $b_{r} = \frac{b}{\sqrt{2}} = \frac{8,79}{\sqrt{2}} = 6,21 nm$
Damit kann man den Auslenkungswinkel der Oberfläche durch die Torsionswelle 210 bestimmen: $\propto = arcsin (\frac{b_{r}}{r}) = arcsin (\frac{6,21 nm}{0,2 mm}) = 1,78 \cdot 10^{- 3 °}$
Theoretisch entspricht dies etwa einer Umdrehung des Wellenleiters 215 pro Millimeter. In der Praxis zeigt sich allerdings, dass schon eine halbe Umdrehung pro 100 mm zu einer unerwünschten, dauerhaften Verformung des Wellenleiters 215 führt.
Die 3 zeigt schematisch ein erfindungsgemäßes Positionserfassungssystem mit einem hier betroffenen Torsionswellenleiter 300. In den Wellenleiter 300 ist ein eingangs beschriebener, stromführender Leitungsdraht 305, z.B. einen Kupferdraht, eingefasst. Der als Positionsgeber dienende Positionsmagnet 310 umfasst in diesem Ausführungsbeispiel eine Anzahl von zwei Permanentmagneten. Der Positionsmagnet 310 erzeugt ein statisches um den Wellenleiter 300 herum zirkular angeordnete Magnetfelder 315. Dabei bewirkt ein Strompuls einen kurzzeitigen Stromfluss in dem Leitungsdraht 305, welcher ein solches zirkulares Magnetfeld zur Folge hat. Durch die Überlagerung des statischen Magnetfeldes des Positionsgebers mit dem durch den Strompuls erzeugten, kurzzeitigen zirkularen Magnetfeld entsteht aus der Superposition dieser beiden Magnetfelder eine hier betroffene mechanische Torsionswelle. Diese breitet sich dann entlang des Wellenleiters aus.
Den Wellenleiter 300 umschließt ein an einem Ende des Wellenleiters 300 angeordneter, spulenförmiger Signalwandler 320, der mit einem in 5 gezeigten Kondensator zur Bildung eines Oszillators sowie mit einer dort gezeigten Auswerteschaltung 520 elektronisch bzw. signaltechnisch verbunden ist.
Es ergibt sich eine Permeabilitätsänderung durch mechanische Beanspruchung bzw. Veränderung des Wellenleiters, d.h. aufgrund einer entsprechenden magnetoelastischen Wirkung in dessen magnetischen Material. Denn durch den inversen magnetostriktiven Effekt („Villari“-Effekt) verändert sich die magnetische Suszeptibilität eines Materials, wenn es einer mechanischen Veränderung ausgesetzt wird. Dadurch verändert sich auch die magnetische Permeabilität. Wird dieses Material z. B. als Eisenkern in einer Spule verwendet, dann verändert sich dadurch auch die Induktivität der Spule.
Die Magnetostriktion charakterisiert die Formänderung des ferromagnetischen Materials z.B. eines hier betroffenen Wellenleiters während der Magnetisierung, während der inverse magnetostriktive Effekt die Änderung der Magnetisierung bei einer gegebenen Magnetisierungsfeldstärke betrifft, wenn mechanische Spannungen auf den Wellenleiter ausgeübt werden.
Beim magnetostriktiven Effekt kann unter einer gegebenen einachsigen mechanischen Beanspruchung die Flussdichte für eine gegebene Magnetisierungsfeldstärke zunehmen oder abnehmen. Wie ein Material auf mechanische Spannungen reagiert, hängt unter anderem von seiner Sättigungsmagnetostriktion ab. In Folge der Magnetostriktion stellen sich bekanntermaßen bei einer von außen angelegten mechanischen Spannung auch unterschiedliche Magnetisierungszustände im Inneren des Materials ein. Die Magnetostriktion zeigt dabei ein Hystereseverhalten gegenüber der Stärke des jeweiligen Magnetisierungsfeldes.
So zeigt die 4a eine solche, gemessene Hysteresekurve 400, 405 sowie die entsprechende Steigung 410 der oberen Kurve 400 bei einem externen Magnetfeld der Stärke H_ext = 0 und ohne eine Verdrehung des Wellenleiters. Da in der Spule des in 5 gezeigten HF-Schwingkreises wegen des fehlenden Bias kein DC-Feld existiert, wird die Steigung bei H_ext = 0 (sogenannter „Arbeitspunkt“) zur Bestimmung von µ_r genommen.
Daraufhin verändert sich das Magnetfeld im HF-Schwingkreis, durch den im Schwingkreis fließenden Wechselstrom hervorgerufen, und zwar um den Wert H_ext = 0 herum. Würde die Hysteresekurve in diesem Punkt horizontal verlaufen, so wäre kein Effekt des Spulenkerns auf die Induktivität zu beobachten. Das Material würde dann in diesem Fall keine Reaktion auf das AC-Magnetfeld des Schwingkreisstromes haben. Die magnetische Suszeptibilität X wäre dann Null, und da µ = χ + 1 gilt (wegen der noch dazu zu addierenden Vakuumpermeabilität µ₀), wäre µ_r = 1. Je höher die Steigung χ = dM/dH der Hysteresekurve am Arbeitspunkt jedoch ist, umso größer wird χ und damit auch µ_r, und damit schließlich auch umso größer die Induktivität L. Der Wert χ bzw. µ_r ist somit ein Maß dafür, wie leicht sich ein Material am genannten Arbeitspunkt aufmagnetisieren, bzw. magnetisch verändern lässt.
Es wäre auch denkbar, z.B. durch Anordnung eines kleinen Dauermagneten in Spulennähe den genannten Arbeitspunkt an eine höhere Steigung der Hysteresekurve zu verschieben, um damit beispielsweise eine höhere Empfindlichkeit der Messanordnung zu erzielen.
Die 4b zeigt dagegen eine entsprechend gemessene Hysteresekurve 415, 420 sowie Steigung 425 bei H_ext = 0 sowie bei einer Verdrehung des Wellenleiters von 45° auf einer Länge von 250 mm des Wellenleiters. Schließlich zeigt die 4c eine gemessene Hysteresekurve 430, 435 und Steigung 440 bei H_ext = 0 bei einer Verdrehung des Wellenleiters von 90° auf einer Länge von 250 mm.
Wie durch einen Vergleich der drei Steigungswerte 410, 425, 440 der drei Hysteresekurven 400 und 405, 415 und 420 sowie 430 und 435 zu ersehen ist, nimmt die Steigung mit zunehmender Verdrehung des Wellenleiters systematisch ab.
Es ist anzumerken, dass die in 4A gezeigte Hystereseschleife aufgrund der dort fehlenden Torsionsspannung eine eher rundliche Form besitzt, wohingegen die in der 4c gezeigte Hystereseschleife mit einer großen Torsionsspannung eine eher rechteckige Form besitzt. Bei dieser rechteckigen Form finden die Ummagnetisierungsprozesse fast vollständig bei den beiden Koerzitivfeldstärken von +/- 0,2 mT statt und erfolgen auch relativ kurzzeitig. Folglich ergibt sich bei dem dazwischenliegenden Wert H_ext = 0 nur ein geringes „Potential“ zur Erhöhung der Steigung der Kurve. Daher fällt auch der Wert der relativen Permeabilität µr dort eher klein aus.
Bei der in 4a gezeigten rundlichen Form findet bei den Koerzitivfeldstärken von +/- 0,2 mT keine schlagartige und damit nennenswerte Ummagnetisierung statt, d.h. der Ummagnetisierungsprozess verteilt sich auf einen größeren Bereich und findet eher stetig statt. Folglich liegt auch hier bei dem Wert H_ext = 0 nur ein geringes „Potential“ zur Erhöhung der Kurvensteigung vor, ähnlich wie in der 4c.
Es ist hierzu ferner anzumerken, dass es gemäß der Lehre des Magnetismus' zwei Grundtypen von Ummagnetisierungsprozessen gibt, und zwar schlagartige Ummagnetisierungen, welche Blochwandverschiebungen zuzuschreiben sind, sowie eher rotative Ummagnetisierungsprozesse gemäß den gezeigten rundlichen Hystereseschleifen. Die Ursache für das jeweilige Hin- und Herschalten sind die mechanischen Torsionsspannungen im magnetostriktiven Material.
Die folgende Tabelle enthält Werte der relativen Permeabilität µ_r* in Abhängigkeit von dem Verdrehwinkel des Wellenleiters bei einer Länge von 200 mm. Dabei wurden die Werte von µ_r, wegen der vorliegend willkürlichen Einheiten (a.u.) des magnetischen Moments „M“, zu etwas realistischeren Werten hin korrigiert, und zwar mit einem Korrekturfaktor 50000.

Winkel (°) ΔM (a.u.) ΔH (Alm) µ_r = ΔM/ΔH µ_r*

0 6,6 796 0,0083 415

45 5,1 796 0,0064 320

90 4,1 796 0,0052 285
Im Folgenden wird die Detektion der Permeabilitätsänderung beschrieben. Wird der Wellenleiter durch eine Spule geführt, wie es bei der in der nachfolgend beschriebenen 5 gezeigten Pick-Up-Spule 510 der Fall ist, dann wirkt der Wellenleiter als Eisenkern und beeinflusst die Induktivität der Spule: $L = \frac{μ_{0} μ_{r} N^{2} A}{I}$
Durch den Villari-Effekt oder den Matteucci-Effekt wird die Permeabilität µ_r durch die einlaufende Welle kurzzeitig verändert und damit auch proportional die Induktivität.
Die Induktivitätsänderung kann durch verschiedene Methoden ausgewertet werden, z.B. durch

- Änderung des Blindwiderstandes der Induktivität.
- Verstimmung eines Schwingkreises bei gegebener Anregungsfrequenz und Auswertung einer Spannungsänderung bei Anregung z. B. über einen Vorwiderstand;
- Veränderung eines frequenzbestimmenden Schwingkreises in einem Oszillator und Erfassung der Frequenzänderung;
- Verstimmung einer Messbrücke

Da die Induktivitätsänderung relativ gering ist, empfiehlt es sich, eine Erfassung bei möglichst hohen Frequenzen zu machen. Dadurch kann man kleinere Induktivitäten einsetzen, was bedeutet, dass die Spule weniger Windungen braucht und in ihren Abmessungen kleiner wird, was eine schärfere Abbildung der Torsionswelle ermöglichen sollte. Auch entfernt man sich damit von den im unteren Frequenzbereich generell deutlich stärkeren inneren und äußeren EMV-Störungen (EMV = Elektromagnetische Verträglichkeit).
Im Folgenden wird das Prinzip der Auswertung einer an einem hier betroffenen Wellenleiter 500 durch eine Torsionswelle 505 hervorgerufenen Permeabilitätsänderung an einem Ausführungsbeispiel beschrieben. Dabei zeigt die 5 das Prinzip der Detektion mittels eines Oszillators.
In dem gezeigten Ausführungsbeispiel wird eine Pick-Up-Spule 510 in einer an sich bekannten Oszillatorschaltung 520, vorliegend in einem sogenannten „Colpitts“-Oszillator, und zwar in Basisschaltung zusammen mit einem Kondensator 515 als frequenzbestimmendes Bauelement, verwendet. Passiert die schematisch gezeigte Torsionswelle 505 die Spule 510, dann führt die Änderung der Induktivität zu einer Änderung der Frequenz des Oszillators. Diese kann z. B. durch eine nachgeschaltete, an sich bekannte Detektorschaltung, ähnlich wie bei einem FM-Radioempfänger, ausgewertet werden.
Die in der 5 abgebildeten Bauteile der Oszillatorschaltung 520 dienen dazu, dass der Oszillator schwingen kann. Eine genannte Detektorschaltung muss hier noch nachgeschaltet werden, um die Frequenzabweichung von UA auszuwerten.
Der Colpitts-Oszillator dient zur Erzeugung einer periodischen Wechselspannung, wobei die Oszillationsfrequenz im Wesentlichen durch die Werte der Schwingkreis-Bauteile bestimmt wird. Die Colpitts-Schaltung ist an sich eine kapazitive Dreipunktschaltung, in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einem Transistor 530 in einer Basisschaltung.
Der Schwingkreis in der gezeigten Colpitts-Oszillatorschaltung besteht aus den beiden Kondensatoren 515 und 550 und der Induktivität 510. Der Transistor 530 ist in Basisschaltung betrieben. Er dreht die Phase zwischen Eingang und Ausgang nicht, also um den Wert 0°. Die am Kollektor anliegende Hochfrequenzspannung wird durch den kapazitiven Spannungsteiler aus den beiden Kondensatoren 550, 515 geteilt und an den Emitter rückgekoppelt.
Mittels des Widerstands R_E 545 und der beiden Widerstände R₁ 555 und R₂ 560 wird der Arbeitspunkt und damit auch die Impedanz am Emitter des Transistors 530 eingestellt. Bei der Basisschaltung ist die Stromverstärkung immer ca. 1. Die Spannungsverstärkung ergibt sich aus dem Verhältnis von Kollektor und Emitterimpedanz. Am Kollektor liegt der Schwingkreis an.
Der Spannungsteiler aus den beiden Widerständen R₁ 555 und R₂ 560 dient zur Einstellung der Basisspannung am Transistor 530. Mit dem Kondensator 540 wird das Ausgangssignal des Oszillators ausgekoppelt. Die Kapazität 565 legt dabei die Basis wechselstrommäßig auf Gnd (d.h. Basisschaltung).
Die Detektorschaltung 520 wird in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel mit einer Versorgungsspannung Us 525 von 9V betrieben. Am Ausgang der Detektorschaltung 520 liegt eine Sinus-Spannung von ca. 100 MHz an, deren Frequenzabweichung proportional zum Messsignal ist.
Mittels der in 5 gezeigten Schaltungsanordnung kann bei einer Oszillatorfrequenz von 100 MHz durch Verdrehung des in dem vorliegenden Ausführungsbeispiel 500 mm langen Wellenleiters um 360° die Frequenz um 674 kHz (siehe 6) geändert werden. Damit ist die Frequenzabweichung im Bereich der üblichen heutigen Frequenzmodulationen und damit technisch zuverlässig auswertbar.
Bei der in 5 gezeigten Schaltungsanordnung wird die in dem Wellenleiter fortschreitende Torsionswelle 505 berührungslos detektiert. Dadurch und durch den in der 5 gezeigten, relativ einfachen Messaufbau ist es möglich, die Schaltungsanordnung mit 100 MHz zu betreiben. Die dort gezeigte Messstrecke der Länge 500 mm ergibt zudem einen relativ praxisnahen Wert, den man leicht auf die Länge 1 m umrechnen kann (entsprechend zwei vollständigen 360°-Umdrehungen). Auch bei diesen Werten ergibt sich eine genannten Induktivitätsänderung von 1 %.
In der 6 sind entsprechende experimentelle Ergebnisse einer Frequenzverschiebung 600 bei einer 360° Torsion eines 500 mm langen Wellenleiters gezeigt. Dabei liegt die Resonanzfrequenz 605 der in 5 gezeigten Oszillatorschaltung bei 100 MHz. Die sich dabei ergebende Frequenzverschiebung der Resonanzfrequenz 605 auf den Wert 610 beträgt in dem Beispiel 674 kHz bei 360°.
Es ist hierbei anzumerken, dass bei der Darstellung des Spektrums in der 6 die höhere Frequenz (links) der „Ruhefrequenz“ entspricht, wobei die Frequenz bei einer Torsion des Wellenleiters geringer wird, da durch die Torsion des Wellenleiters die Induktivität ansteigt.
Über die Schwingkreisformel $L = \frac{μ_{0} μ_{r} N^{2} A}{I}$
mit C = 40 pF kann man die Induktivitäten in beiden Fällen mit L₁(99,326 MHz) = 64,19 nH und L₂(100 MHz) = 63,32 nH bestimmen. Das Verhältnis der Induktivitäten entspricht dem Verhältnis der Permeabilitätszahlen wie folgt: $\frac{μ_{r1}}{μ_{r2}} = \frac{L_{1}}{L_{2}} = \frac{64,19 nH}{63,32 nH} = 1,014$
Das bedeutet, dass sich die Permeabilität um rund ein Prozent (1%) ändert. Der erreichbare Messeffekt beträgt somit zuverlässig erfassbare 1%.
ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur

EP 1306650 A1 [0003]
DE 102010008495 A1 [0003]
US 3898555 A [0008]

Claims

Verfahren zum Betreiben eines linearen, magnetostriktiven Positionserfassungssystems, bei dem mittels eines durch einen Strompuls (200) hervorgerufenen zirkularen Magnetfeldes (205) sowie seiner Interaktion mit dem Magnetfeld eines als Positionsgeber fungierenden Magneten (230) in einem Wellenleiter (215) eine mechanische Welle (210) erzeugt wird, die in dem Wellenleiter (215) fortschreitet, wobei wenigstens das eine Ende des Wellenleiters (215) sich in einer Spule (220) eines Wandlersystems (225) befindet und wobei die Positionserfassung durch Laufzeitmessung mittels einer in dem Wellenleiter (215) fortschreitenden mechanischen Welle (210) erfolgt, dadurch gekennzeichnet, dass eine in dem Wellenleiter (215) fortschreitende mechanische Welle (210) anhand der mit der mechanischen Welle (210) verbundenen Änderung der relativen Permeabilität des Materials des Wellenleiters (215) erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass sich der inverse magnetostriktive Effekt zunutze gemacht wird, aufgrund dessen sich die magnetische Permeabilität und/oder Suszeptibilität des Wellenleitermaterials verändert, wenn es einer mechanischen Veränderung ausgesetzt wird.
Verfahren nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass das Wellenleitermaterial als Eisenkern einer Spule verwendet wird, wobei sich die Induktivität der Spule bei einer in dem Wellenleiter im Bereich der Spule fortschreitenden Longitudinalwelle oder Torsionswelle verändert.
Verfahren nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die durch eine an der Spule einlaufende Longitudinal-/Torsionswelle verursachte Änderung der Induktivität der Spule erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, dass ein magnetisches Hystereseverhalten gemessen wird, wobei sich die Flussdichte bei einer entsprechenden einachsigen mechanischen Beanspruchung bei einer gegebenen Magnetisierungsfeldstärke verändert.
Verfahren nach einem der Ansprüche 3 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Induktivität der Spule mittels Verstimmung eines hochfrequenten Schwingkreises bei gegebener Anregungsfrequenz erfasst wird.
Verfahren nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass ein Bias bzw. ein Bias-Magnet vorgesehen ist, um die magnetische Permeabilität und/oder Suszeptibilität des Wellenleitermaterials bei einem Wert von H_ext ungleich 0 auszuwerten.
Verfahren nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Induktivität der Spule bei einer möglichst hohen Frequenz des Schwingkreises erfasst wird.
Lineares, magnetostriktives Positionserfassungssystem, mit einem Wellenleiter (215, 300) sowie einem in dem Wellenleiter (215) angeordneten elektrischen Leiter (305) zur Erzeugung eines zirkulären Magnetfeldes (205, 315) mittels eines in dem elektrischen Leiter (305) eingeleiteten Strompulses (200), mit einem als Positionsgeber dienenden Positionsmagneten (230, 310), wobei durch Interaktion des zirkulären Magnetfeldes (205, 315) mit dem Magnetfeld des Positionsmagneten (230, 310) in dem Wellenleiter (215, 300) eine mechanische Torsionswelle (210) erzeugt wird, die in dem Wellenleiter (215, 300) fortschreitet, und mit einer Spule (220) eines Wandlersystems (225, 320), welche an wenigstens einem Ende des Wellenleiters (215, 300) den Wellenleiter (215, 300) umschließt, wobei die Positionserfassung durch Laufzeitmessung mittels der in dem Wellenleiter (215, 300) fortschreitenden Torsionswelle (210) erfolgt, welches nach dem Verfahren nach einem der vorhergehenden Ansprüche betreibbar ist.
Positionserfassungssystem nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, dass das Wandlersystem (225, 320) einen Hochfrequenz-Schwingkreis (510, 515) aufweist, welcher mit einem an dem wenigstens einen Ende des Wellenleiters (215, 300) angeordneten, spulenförmigen Signalwandler (320, 510) und einem Kondensator (515) als Hochfrequenz-Oszillator zur Messung eines Villari-Effektes oder eines Matteucci-Effektes eingerichtet ist.
Positionserfassungssystem nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der spulenförmige Signalwandler (320, 510) mit weniger als zehn Windungen, insbesondere mit sechs oder weniger Windungen, ausgebildet ist.
Positionserfassungssystem nach Anspruch 10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, dass der Hochfrequenz-Oszillator in Basisschaltung zusammen mit dem Kondensator (515) als frequenzbestimmendes Bauelement eingerichtet wird.
Positionserfassungssystem nach einem der Ansprüche 10 bis 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Änderung der Frequenz des Colpitts-Oszillators (520) mittels einer Auswerteschaltung für Frequenzmodulation ausgewertet wird.