DE1297890B

DE1297890B - Anordnung zum Messen mechanischer Druck- und Zugspannungen

Info

Publication number: DE1297890B
Application number: DE1966S0104599
Authority: DE
Inventors: Walter; Dipl-Ing Karl-Heinz
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1966-07-04
Filing date: 1966-07-04
Publication date: 1969-06-19

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft eine Anordnung zum Messen mechanischer Druck- und Zugspannungen, bei der ein magnetostriktiver Körper der zu messenden Kraft ausgesetzt ist.
Für viele Zwecke ist es wünschenswert, daß die Meßgröße zur Weiterverarbeitung oder, z. B. in Sicherheitsschaltungen, bei denen bei aber oder Unterschreiten eines Sollwertes ein Schalterorgan betätigt werden soll, als elektrischer Analogwert zur Verfügung steht.
Zur Lösung dieser Aufgabe wird bei einer Anordnung der eingangs erwähnten Art gemäß der Erfindung vorgeschlagen, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines impulsgetasteten magnetischen Stellfeldes zur Messung der durch die mechanische Verspannung erzeugten Minderung der magnetischen Anisotropiegrößen, insbesondere der Anisotropierichtung, vorgesehen sind. Als magnetostriktiver Körper dient dabei vorzugsweise ein auf ein nichtmagnetisches Substrat aufgebrachtes Dünnschichtelement. Zur Messung mechanischer Spannungen wurde bereits die Verwendung magnetischer Dünnschichtelemente mit einer magnetischen Vorzugsrichtung vorgeschlagen, wobei jedoch als Anzeigegröße die Anderung des elektrischen Widerstandes diente. Magnetische anisotrope Schichten ergeben nämlich bekanntlich bei geeigneter Orientierung bereits bei kleinen Längenverformungen relativ große Widerstandsänderungen.
Eine mechanische Spannung erzeugt in isotropen oder magnetisch anisotropen Schichten bei nicht verschwindener Magnetostriktionskonstanten Ä eine magnetische Anisotropie. Die magnetische Anisotropie ist durch Betrag und Richtung gekennzeichnet, so daß durch die Messung von Betrag und/oder Richtung die sie verursachende mechanische Spannung ermittelt werden kann. Da im Falle des Aufbaues einer Kraftmeßdose die Richtung der Spannung vorgebbar ist, genügt eine der genannten Anisotropiengrößen zu ihrer Messung völlig aus.
Zunächst soll die Messung einer mechanischen Spannung gegebener Richtung durch Messung der Anisotropierichtungsänderung beschrieben werden: Greift eine Spannung b, die über die elastischen Eigenschaften des magnetostriktiven Körpers (eventuell auch der einer etwaigen Unterlage bei einer magnetostriktiven Schicht) eindeutig mit einer angreifenden Kraft verknüpft ist, unter einem Winkel di gegen eine bereits vorhandene Anisotropierichtung an, so dreht sich die Anisotropie um den Winkel α.
K#sin2## tan 2α# 1 + K#cos2## K= 3/2-i-b wobei K die Anisotropiekonstante bedeutet.
Beträgt # = 45°, so vereinfacht sich die Gleichung zu: tan2 ; α = a=K.
Mit der neuen Anisotropierichtung ist damit auch die Spannung b festgestellt.
Bei der Messung einer Spannung gegebener Richtung durch Messung von EI*, also des Betrages der Anisotropie, greift die Spannung b unter dem Winkel 0 = 0° bzw. ç = 900 gegen eine bereits vorhandene Anisotropierichtung an. Die Anisotropierichtung wird in diesem Fall nicht gedreht, dagegen ändert sich der Betrag Hk. Allgemein für beliebiges 0, bei dem sich auch die Richtung ändert, gilt: ~~~ 12.Kcos2tK2.
Hk, Hk ist die neue Anisotropiefeldstärke, Hk0 die Anisotropiefeldstärke vor Anlegen der Spannung, im speziellen Fall 0 = 00, 900 entsteht daraus Hk = 2 1 K.
Hk0 Durch Messungen von Hk (Hk0 bekannt) kann somit wiederum die Spannung b festgestellt werden.
Die einfachere und genauere Messung erfolgt über die Messung der Anisotropierichtung, so daß als bevorzugtes Ausführungsbeispiel einer Meßanordnung nach dem erfindungsgemäßen Verfahren eine Anordnung beschrieben wird, die die änderung der Anisotropierichtung bei mechanischer Verspannung ausnutzt (Fig.3). Hierzu ist in Weiterbildung der Erfindung vorgesehen, daß die zu messende äußere Kraft Ka unter einem Winkel 00< s < 900, vorzugsweise ç = 450, gegen die ursprünglicheVorzugsrichtung der magnetostriktiven Schicht S angreift, die von Windungen einer Induktionsspule IS umgeben ist, deren Achse parallel zur magnetischen Vorzugsachse verläuft, daß gleichfalls parallel zur Vorzugsachse, aber außerhalb der Spule ein Bandleiter L über der magnetostriktiven Schicht vorgesehen ist und daß schließlich die ganze Anordnung im Feld zweier Helmholtzspulenpaare 1 und 2 angeordnet ist, deren Achsen in der durch Vorzugsrichtung und Kraftrichtung aufgespannten Ebene liegen und die derart mit elektrischen Impulsen beaufschlagt werden, daß sie ein seiner Größe nach vorzugsweise konstantes in seiner Richtung stufenweise gedrehtes magnetisches Stellfeld erzeugen, dessen Auswirkung auf die magnetische Schicht durchImpulse konstanter Größe ermittelt wird, die jeweils in den Impulspausen des Stellfeldes an den Bandleiter L angelegt werden.
Magnetische Impulsfelder (»Stellfeld«) von den Helmholtzspulen steuern die magnetostriktive Schicht in harter Richtung aus. Da diese Richtung gesucht ist, werden diese Felder schrittweise in die vermutete Richtung gedreht. Die Drehung kann durch Variation der Stromkomponentenl, und ly in den beiden gekreuzten Spulenpaaren (Fig. 1) oder durch mechanisches Drehen eines einzigen Spulenpaares erfolgen.
Spulenpaar 1 (Ix erzeugt Hx, Spulenpaar 2 (Iy) das Teilfeld Hy. Ein weiteres (richtungsfestes) Impulsfeld Hy', das durch elektrische Impulse I,' auf dem Bandleiter in den Impulspausen des Stellfeldes erzeugt wird, dient als Detektorfeld (F i g. 2). Das Signal, das die Schicht auf dieses ebenfalls in (naher) harter Richtung wirkende Feld in der Induktionsspule bzw.
Schleife induziert, dient als Indikator für die neue Anisotropierichtung.
Solange das Stellfeld nicht exakt in schwerer Richtung der Schicht liegt, wird das Detektorfeld die Schicht nahezu homogen magnetisiert vorfinden, da die Magnetisierung in den Stellfeldpausen in die näher gelegene Vorzugsrichtung zurückdreht. Es entsteht daher stets ein positives oder negatives Signal in der Induktionsspule. Zeigt das Stellfeld dagegen exakt in die harte Richtung der Schicht, so daß beim folgenden Abschalten die Magnetisierung aufspaltet, wobei sie in der einen Hälfte der Schicht in der einen Lage, in der anderen Hälfte in der um 1800 versetzten Lage der Vorzugsrichtung liegt, so liefert das Detektorfeld kein Signal in der Induktionsspule. Die Beiträge der verschieden orientierten Bereiche heben sich auf. Aus den Komponenten der beiden Richtungen des Stellfeldes in diesem Fall (also z. B. der Größe der Ströme lx und Iy) läßt sich die Richtung der Anisotropie ermitteln. Diese Methode zur Anisotropierichtungsmessung wird als sogenannte Nullmethode bezeichnet. Ein Blockdiagramm für die automatische Anisotropierichtungsanzeige mit einer solchen Anordnung zeigt F i g. 4. Der Programmgeber P steuert die Generatoren G gemäß den in Fig. 1 und 2 gezeigten Impulsprogrammen. Der Zähler zählt die Impulse innerhalb einer Meßperiode. Der Bewerter B gibt bei Signal Null von der Induktionsspule ein Freizeichen an das Anzeigegerät A, das die Anzahl, u der aufgelaufenen Impulse bzw. deren geeichtes Richtungs- oder Kraftäquivalent anzeigt, da die Anzahl u einer definierten Anisotropierichtung in der Schicht S und damit auch einer definierten Kraftgröße entspricht.
Die Vorzüge einer solchen Anordnung zur Kraftmessung sind unter anderem folgende: 1. Die Anordnung ist besonders geeignet für die in der automatisierten Meßtechnik gebräuchliche digitale Auswertung.
2. Das Impulsmeßverfahren schließt jegliche Gleichspannungsverstärkereinheiten (wie z. B. bei Dehnungsmeßstreifen) aus. Ungestörte, unproblematische Signalfortleitung von der Meßstelle bis zu den datenverarbeitenden Geräten.
3. Wahl der Magnetostriktionskonstanten der Schicht in weiten Grenzen und damit Anpassung an die auftretenden Probleme möglich.
4. Wahl des Meßbereiches durch geeignete, einstelbare mechanische Vorspannung der Schicht.
5. Durch Wahl der nichtmagnetischen Unterlage, z. B. als dünnes Band oder stabile Stange, kann, bei gleichbleibender Empfindlichkeit, das Ver- fahren sowohl zur Messung kleinster Kräfte als auch tonnenschwerer Lasten dienen.
Patentansprüche: 1. Anordnung zum Messen mechanischer Druck- und Zugspannungen, bei der ein magnetostriktiver Körper der zu messenden Kraft ausgesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, daß Einrichtungen zur Erzeugung eines impulsgetasteten magnetischen Stellfeldes zur Messung der durch die mechanische Verspannung erzeugten Änderung der magnetischen Anisotropiegrößen, insbesondere der Anisotropierichtung, vorgesehen sind.

Claims

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der magnetostriktive Körper ein auf ein nichtmagnetisches Substrat aufgebrachtes Dünnschichtelement ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die zu messende äußere Kraft (Ka) unter einem Winkel 0° < 0 <900 vorzugsweise ç = 450, gegen die ursprüngliche Vorzugsrichtung der magnetostriktiven Schicht (5) angreift, die von Windungen einer Induktionsspule (15) umgeben ist, deren Achse parallel zur magnetischen Vorzugsachse verläuft, daß gleichfalls parallel zur Vorzugsachse, aber außerhalb der Spule ein Bandleiter (L) über der magnetostriktiven Schicht vorgesehen ist und daß schließlich die ganze Anordnung im Feld zweier Helmholtzspulenpaare (1 und 2) angeordnet ist, deren Achsen in der durch Vorzugsrichtung und Kraftrichtung aufgespannten Ebene liegen und die derart mit elektrischen Impulsen beaufschlagt werden, daß sie ein seiner Größe nach vorzugsweise konstantes, in seiner Richtung stufenweise gedrehtes, magnetisches Stellfeld erzeugen, dessen Auswirkung auf die magnetische Schicht durch Impulse konstanter Größe ermittelt wird, die jeweils in den Impulspausen des Stellfeldes an den Bandleiter (L) angelegt werden.