DE19753975A1

DE19753975A1 - Force sensor for e.g. vehicle braking forces

Info

Publication number: DE19753975A1
Application number: DE1997153975
Authority: DE
Inventors: Erich Dr Zabler; Guenter Gerlach
Original assignee: Robert Bosch GmbH
Current assignee: Robert Bosch GmbH
Priority date: 1997-12-05
Filing date: 1997-12-05
Publication date: 1999-06-17
Anticipated expiration: 2017-12-06
Also published as: DE19753975C2

Abstract

The sensor has a primary winding to which an alternating voltage is applied. A secondary winding is arranged orthogonal to the primary winding. A secondary voltage is induced in the secondary winding in dependence on the force acting on the force sensor. Part of the primary winding is arranged as a compensation winding (30) for compensation of an offset error, parallel to the secondary winding (5) and orthogonal to the primary winding (4).

Description

Die Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbeson dere einen magnetoelastischen Kraftsensor mit den im Oberbegriff des Patentanspruchs 1 genannten Merkma len.The invention relates to a force sensor, in particular a magnetoelastic force sensor with the im Preamble of claim 1 mentioned Merkma len.

State of the art

Magnetoelastische Kraftsensoren nach dem Kreuzduktor- Prinzip sind bekannt und zur Messung sehr hoher Kräf te über einen weiten Betriebstemperaturenbereich, beispielsweise bei Kraftfahrzeugbremsen, geeignet. Üblicherweise weisen magnetoelastische Kraftsensoren eine zylindrische Form auf, bestehen aus schwach fer romagnetischem Material, sind mit einer Primärwick lung und einer zu der Primärwicklung senkrecht ange ordneten Sekundärwicklung versehen. Die Funktions weise basiert darauf, daß eine in die Primärwicklung eingespeiste Wechselspannung nur dann in der zu die ser senkrecht angeordneten Sekundärwicklung eine Spannung induziert, wenn eine Meßkraft auf den Kraft sensor wirkt. Unter der Wirkung der Kraft wird dann das im Ruhezustand magnetisch isotrope und magneto elastische Material anisotrop. Hierdurch entsteht zusätzlich eine zur Primärwicklung spulenparallele Feldkomponente, welche jedoch keine Sekundärspannung induziert sowie eine zu dieser Feldkomponente ortho gonale Feldkomponente, die eine annähernd zur Kraft proportionale Spannung induziert. Eine Umkehr der Kraftrichtung, das heißt eine aufgebrachte Druck anstelle einer Zugspannung, hat hierbei unter idealen Randbedingungen eine gegenphasige induzierte Spannung zur Folge, so daß die Richtung der Kraft beispiels weise mit Hilfe eines phasenselektiven Gleichrichters feststellbar ist. Bei dieser Meßmethode ist der Null punkt der Kraft-Spannungskennlinie, das heißt die Abhängigkeit der induzierten Spannung von der aufge brachten Kraft, nahezu unabhängig von der Temperatur ausdehnung des für den Kraftsensor verwendeten Mate rials, beziehungsweise dessen magnetoelastischen Materialkonstanten.Magnetoelastic force sensors after the crossductor Principle are known and for measuring very high forces te over a wide operating temperature range, for example in motor vehicle brakes. Magnetoelastic force sensors usually have a cylindrical shape, consist of weak fer Romagnetic material, are with a primary wick tion and one perpendicular to the primary winding provided secondary winding. The functional wise is based on one in the primary winding AC voltage fed in only then in the ser vertically arranged secondary winding Voltage induces when a measuring force is applied to the force sensor works. Then under the action of the force that is magnetically isotropic and magneto at rest elastic material anisotropic. This creates additionally a coil parallel to the primary winding Field component, but no secondary voltage induced as well as an ortho to this field component gonal field component that approximates to force proportional voltage induced. A reversal of the Direction of force, i.e. an applied pressure instead of a tension, here under ideal Boundary conditions an antiphase induced voltage result, so that the direction of the force, for example wise with the help of a phase selective rectifier is noticeable. With this method of measurement is zero point of the force-voltage characteristic curve, i.e. the Dependence of the induced voltage on the brought power, almost regardless of temperature expansion of the mate used for the force sensor rials, or its magnetoelastic Material constants.

Nachteilig in der Praxis ist jedoch die auftretende Asymmetrie des Eisenkreises, wodurch bereits ohne Einwirkung einer äußeren Kraft eine orthogonale Feld komponente auftritt, welche einen nicht unerheblichen Offset, das heißt eine Nullpunktsabweichung, bewirkt. Dieser Offset hängt zudem zwangsläufig vom Tempera turausdehnungskoeffizienten des verwendeten Materials ab und reduziert damit die Genauigkeit des Sensors in unerwünscht er Weise.In practice, however, the one that occurs is disadvantageous Asymmetry of the iron circle, which already without Exposure to an external force on an orthogonal field component occurs, which a not inconsiderable Offset, that is, a zero point deviation. This offset also depends on the tempera expansion coefficient of the material used and thus reduces the accuracy of the sensor in undesirable he way.

Es ist bekannt, den Offset auf elektronischem Wege zu kompensieren, indem von der induzierten Spannung eine entsprechende Spannung subtrahiert wird. Hierdurch läßt sich jedoch nicht die erwünschte Nullpunktsta bilität erzielen.It is known to electronically offset compensate by a of the induced voltage corresponding voltage is subtracted. Hereby However, the desired zero point sta achieve balance.

Eine weitere Möglichkeit zur Offsetkompensation ist, die Primär- und die Sekundärspule nicht exakt in einem rechten Winkel zueinander anzuordnen, sondern einen davon abweichenden Winkel zu wählen, welcher die magnetische Asymmetrie des Eisenkreises geome trisch ausgleicht. Nachteilig hierbei ist jedoch, daß bei einer möglichen Materialänderung jeweils auch die Konstruktion des Kraftsensors geändert werden muß, womit deutliche Mehrkosten verbunden sind.Another option for offset compensation is the primary and secondary coils are not exactly in to be arranged at a right angle to each other, but choose a different angle, which one the magnetic asymmetry of the iron circle geome balances trically. The disadvantage here, however, is that in the event of a possible material change, the Design of the force sensor must be changed, which is associated with significant additional costs.

Aufgabe der Erfindung ist es, einen Kraftsensor zu schaffen, bei dem eine Offsetkompensation in ein facher Weise zur exakten statischen Kraftmessung erfolgt.The object of the invention is to provide a force sensor create an offset compensation in one simple way for exact static force measurement he follows.

Advantages of the invention

Der erfindungsgemäße Kraftsensor mit den im Patent anspruch 1 genannten Merkmalen bietet den Vorteil, daß auf einfache konstruktive Weise eine Nullpunkts einstellung beziehungsweise Offsetkompensation des Kraftsensors ermöglicht wird, ohne daß aufwendige elektronische Korrekturmaßnahmen erforderlich sind. Der Kraftsensor ermöglicht einen vor allem von Mate rialparametern des Kraftsensors unabhängigen stabilen Nullpunkt der Sensorkennlinie. Daraus resultiert eine sehr hohe Genauigkeit der Kraftmessung, die bei her kömmlichen Sensorschaltungen nur mit hohem konstruk tiven oder elektronischen Aufwand erreichbar wäre. The force sensor according to the invention with the in the patent Claim 1 features offers the advantage that in a simple constructive way a zero adjustment or offset compensation of the Force sensor is made possible without complex electronic corrective action is required. The force sensor enables one from Mate in particular rial parameters of the force sensor independent stable Zero point of the sensor characteristic. This results in one very high accuracy of the force measurement, which from conventional sensor circuits only with a high construct tive or electronic effort would be achievable.

Zudem erfordert die erfindungsgemäße Offsetkompen sation keinen konstruktiven Eingriff in das Sensor design und kann bevorzugt lediglich durch Hinzufügen weniger zusätzlicher Windungen der Primärwicklung parallel zur Sekundärwicklung durchgeführt werden. Entsprechend einfach und kostengünstig gestaltet sich auch die Anpassung dieser Kompensation, wenn das Sen sordesign oder -material, beispielsweise aus Gründen der Meßbereichserweiterung, einmal modifiziert werden muß.In addition, the offset compensation according to the invention requires no constructive intervention in the sensor design and can preferably only be added fewer additional turns of the primary winding be carried out parallel to the secondary winding. It is correspondingly simple and inexpensive also the adjustment of this compensation if the Sen sordesign or material, for example for reasons the range extension, be modified once got to.

Eine dem Sensor nachgeschaltete Elektronik hätte ohne die erfindungsgemäße Kompensation ein in Relation zur gemessenen Größe relativ großes Signal zu verarbei ten, wodurch die in der Elektronik begründeten Abwei chungen aufgrund von Temperaturdrifts und Schwankun gen der Bauteileigenschaften, verhältnismäßig groß werden. Dies ist jedoch bei der erfindungsgemäßen Schaltung nicht der Fall, da das Ausgangssignal von einem großen Offset bereits befreit ist.Electronics downstream of the sensor would have no the compensation according to the invention in relation to Measured size to process relatively large signal ten, whereby the deviations based on electronics due to temperature drifts and fluctuations against the component properties, relatively large become. However, this is the case with the invention Circuit not the case because the output signal from a large offset is already exempt.

Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den übrigen, in den Unteransprüchen genannten Merkmalen.Further advantageous embodiments of the invention result from the rest, in the subclaims mentioned features.

drawings

Die Erfindung wird nachfolgend in einem Ausführungs beispiel anhand der zugehörigen Zeichnungen näher er läutert. Es zeigen: The invention is in one embodiment example with reference to the accompanying drawings purifies. Show it:

Fig. 1a eine Prinzipdarstellung eines magneto elastischen Kraftsensors mit Primär- und Senkundärwicklung in einer Seiten ansicht; Figure 1a shows a schematic diagram of a magneto-elastic force sensor with primary and secondary winding in a side view.

Fig. 1b eine Draufsicht auf den Kraftsensor aus Fig. 1a FIG. 1b shows a top view of the force sensor of FIG. 1a

Fig. 2 eine Schaltungsanordnung zur Verarbeitung der von der Sekundärwicklung induzierten Spannung; Figure 2 shows a circuit arrangement for processing the induced voltage from the secondary winding.

Fig. 3a eine Prinzipdarstellung der Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen ohne Kompensationswicklung; Figure 3a is a schematic diagram of the arrangement of the primary and secondary windings without compensation winding.

Fig. 3b eine Prinzipdarstellung der Anordnung der Primär- und Sekundärwicklungen mit einer zusätzlichen Kompensationswicklung und Fig. 3b is a schematic diagram of the arrangement of the primary and secondary windings with an additional compensation winding and

Fig. 4 eine Prinzipdarstellung eines magneto elastischen Kraftsensors mit Primär-, Senkundär- und Kompensationswicklung in einer Seitenansicht. Fig. 4 is a schematic diagram of a magneto-elastic force sensor with primary, secondary and compensation winding in a side view.

Description of the embodiment

Fig. 1a zeigt in einer Seitenansicht eine Prinzip darstellung eines magnetoelastischen Kraftsensors 1, auf den diagonal eine als Speisewicklung fungierende Primärwicklung 4 und eine zu dieser senkrecht ange ordnete Sekundärwicklung 5 aufgebracht sind. Zur exakten Festlegung der beiden Wicklungen sind jeweils Nuten an der Mantelfläche des Kraftsensors 1 vorgese hen. Die Primärwicklung 4 ist in eine Nut 11 und die Sekundärwicklung 5 in eine Nut 10 aufgewickelt. Die Primärwicklung 4 kann mit einer Wechselspannung U₁ aus einer Spannungsquelle 8 beaufschlagt werden, die dann eine entsprechende Sekundärspannung U₂ in der als Meßwicklung fungierenden Sekundärwicklung 5 indu ziert. Je nach axialer Beaufschlagung des Kraftsen sors 1 mit einer Kraft 2 ändert sich auch die Sekun därspannung U₂. Ein bereits im Ruhezustand auftre tender Offset wird durch ein nicht spulenparalleles Feld B₀ angedeutet, das aus einer spulenparallelen Feldkomponente B_p und einer zu dieser Feldkomponente B_p orthogonalen Feldkomponente B_sresultiert (Asymmetrie des Eisenkreises). Fig. 1b zeigt eine Draufsicht auf den Sensorkern 1 aus Fig. 1a, wobei der rechteckige, vorzugsweise quadratische Quer schnitt des Sensorkerns 1 erkennbar ist. Die Nuten 10, 11, in denen die Primärwicklung 4 und die Sekun därwicklung 5 aufgewickelt sind, weisen an ihren Kanten zweckmäßigerweise jeweils eine leichte Abrun dung auf, um die Wicklungen nicht zu stark abzuknik ken. Fig. 1a shows a side view of a principle representation of a magnetoelastic force sensor 1 , to which a primary winding 4 acting as a feed winding and a secondary winding 5 arranged perpendicularly thereto are applied diagonally. For exact definition of the two windings, grooves are hen on the lateral surface of the force sensor 1 . The primary winding 4 is wound into a slot 11 and the secondary winding 5 into a slot 10 . The primary winding 4 can be supplied with an alternating voltage U ₁ from a voltage source 8 , which then induces a corresponding secondary voltage U ₂ in the secondary winding 5 functioning as a measuring winding. Depending on the axial application of the force sensor 1 with a force 2 , the secondary voltage U _{2 also changes} . An offset that already occurs in the idle state is indicated by a field B ₀ which is not parallel to the coil and which results from a field component B _p parallel to the coil and a field component B _s orthogonal to this field component B _p (asymmetry of the iron circle). Fig. 1b shows a plan view of the sensor core 1 from Fig. 1a, the rectangular, preferably square cross section of the sensor core 1 can be seen. The grooves 10 , 11 , in which the primary winding 4 and the secondary winding 5 are wound, expediently each have a slight rounding at their edges, in order not to kink the windings too strongly.

Fig. 2 zeigt eine Prinzipschaltung zur Weiterver arbeitung der in der Sekundärspule induzierten Sekun därspannung U₂. Ein phasenselektiver Gleichrichter 24 bestimmt die Wirkrichtung der Kraft 2, die entspre chend die Phase der Sekundärspannung U₂ beeinflußt. Dem Gleichrichter 24 ist ein Tiefpaß 26 zur Heraus filterung unerwünschter höherfrequenter Anteile der Sekundärspannung U₂ nachgeschaltet, so daß man eine Ausgangsspannung U_a, die eine exakte kraftproportio nale Spannung darstellt, erhält. Fig. 2 shows a schematic circuit for further proces- sing the voltage induced in the secondary coil seconding därspannung U _2. A phase-selective rectifier 24 determines the effective direction of the force 2 , which accordingly affects the phase of the secondary voltage U ₂ . The rectifier 24 is connected to a low-pass filter 26 for filtering out undesirable higher-frequency components of the secondary voltage U ₂ , so that an output voltage U _a , which represents an exact force-proportional voltage, is obtained.

Die Fig. 3a und 3b zeigen jeweils Prinzipdarstel lungen der Anordnung von Primär- und Sekundärwicklun gen ohne (Fig. 3a) und mit (Fig. 3b) einer zusätz lichen Kompensationswicklung. Zur Kompensation der unerwünschten Feldkomponente B_s, welche die Offset spannung bewirkt, ist, wie in Fig. 3b dargestellt, ein Teil der Primärwicklung 4 in der Orientierungs richtung der Sekundärwicklung 5, das heißt parallel zu dieser und orthogonal zur Primärwicklung 4 aufge bracht. Der Wicklungssinn der Sekundärwicklung 5 und der Kompensationswicklung 30 ist zweckmäßigerweise so zu wählen, daß die störende Feldkomponente B_s annä hernd zu Null kompensiert wird. Diese Kompensations wicklung 30 ist in Fig. 3b dargestellt. Hierdurch wird eine zusätzliche Feldkomponente ΔB erzeugt, wel che die Feldkomponente B_s kompensiert. Da normaler weise die Windungszahl der Kompensationswicklung 30 nur sehr gering ist und diese Windungszahlen im all gemeinen nur ganzzahlig aufgebracht werden können, kann die oben beschriebene Offsetkompensation nicht beliebig exakt wirken. Ein geringer verbleibender Restoffset kann jedoch beispielsweise auf elektroni schem Wege kompensiert werden. Da sowohl die Primär wicklung 4 wie auch die Sekundärwicklung 5 direkt auf den Kraftsensor 1 gewickelt sind, sind für die Kom pensationswicklung 30 keine weiteren Spulenanschlüsse erforderlich. Die Kompensationswicklung 30 kann in einfacher Weise direkt im Anschluß an die Primärwick lung 4, das heißt mit dieser in Reihe geschaltet, in die für die Sekundärwicklung 5 vorgesehene Nut 10 gewickelt werden. Die Kompensationswicklung 30 kann dabei entweder in die noch unbelegte Nut 10 vor dem Aufwickeln der Sekundärwicklung 5 eingebracht werden oder auch auf die Sekundärwicklung 5 aufgewickelt werden. Die für eine möglichst effektive Offsetkom pensation erforderliche Anzahl von Windungen der Kom pensationswicklung 30 sowie deren erforderlicher Wicklungssinn kann sowohl mit der Konstruktion des Kraftsensors 1 als auch mit dessen magnetoelastischem Material differieren und wird zweckmäßigerweise durch vorhergehende Berechnungen und/oder durch Versuche ermittelt. FIGS. 3a and 3b each show Prinzipdarstel lungs of the arrangement of primary and Sekundärwicklun gene without (Fig. 3a) and with (Fig. 3b) of a union zusätz compensation winding. To compensate for the undesired field component B _s , which causes the offset voltage, is, as shown in Fig. 3b, part of the primary winding 4 in the orientation direction of the secondary winding 5 , that is parallel to this and orthogonal to the primary winding 4 brought up. The sense of winding of the secondary winding 5 and the compensation winding 30 is expediently to be chosen so that the interfering field component B _{s is} approximately compensated to zero. This compensation winding 30 is shown in Fig. 3b. This creates an additional field component ΔB, which compensates for the field component B _s . Since the number of turns of the compensation winding 30 is normally only very small and these number of turns can generally only be applied as an integer, the offset compensation described above cannot have an arbitrarily exact effect. A small remaining offset can, for example, be compensated for electronically. Since both the primary winding 4 and the secondary winding 5 are wound directly onto the force sensor 1 , no further coil connections are required for the compensation winding 30 . The compensation winding 30 can be connected in a simple manner directly to the primary winding 4 , that is, connected in series with it, into the slot 10 provided for the secondary winding 5 . The compensation winding 30 can either be introduced into the still unfilled groove 10 before the winding of the secondary winding 5 or be wound onto the secondary winding. 5 The number of turns of the compensation winding 30 required for the most effective offset compensation and their required winding sense can differ both with the design of the force sensor 1 and with its magnetoelastic material and is expediently determined by previous calculations and / or by tests.

Fig. 4 zeigt schließlich in einer Seitenansicht eine Prinzipdarstellung des magnetoelastischen Kraftsen sors 1 entsprechend Fig. 1a, auf den diagonal die als Speisewicklung fungierende Primärwicklung 4 und die zu dieser senkrecht angeordnete Sekundärwicklung 5 aufgebracht sind. In die Nut 10 der Sekundärwick lung ist hierbei zusätzlich die Kompensationswicklung 30 aufgebracht. Die unerwünschte Feldkomponente B_s, welche die Offsetspannung bewirkt, wird durch die zu ihr parallele zusätzliche Feldkomponente ΔB kompen siert, wodurch die beiden zu B_s und ΔB orthogonalen Feldkomponenten B₀ und B_p annähernd parallel werden. Fig. 4 finally shows a side view of a schematic representation of the magnetoelastic force sensor 1 corresponding to Fig. 1a, to which the primary winding 4 acting as the feed winding and the secondary winding 5 arranged perpendicularly thereto are applied diagonally. In the groove 10 of the secondary winding development, the compensation winding 30 is additionally applied here. The undesired field component B _s , which causes the offset voltage, is compensated by the additional field component ΔB parallel to it, as a result of which the two field components B ₀ and B _p orthogonal to B _s and ΔB become approximately parallel.

Claims

1. Force sensor, in particular a transformer-like magnetoelastic force sensor with a primary winding which can be acted upon by alternating voltage and a secondary winding arranged orthogonally to the primary winding, a secondary voltage being induced in the secondary winding as a function of a force acting on the force sensor, characterized in that part of the Primary winding ( 4 ) is applied as a compensation winding ( 30 ) to compensate for an offset error parallel to the secondary winding ( 5 ) and thus orthogonal to the primary winding ( 4 ).

2. Force sensor according to claim 1, characterized in that the number of turns of the compensation winding ( 30 ) and their required winding sense required for the offset compensation depending on the construction and / or the magnetoelastic material of the force sensor ( 1 ) can be determined.

3. Force sensor according to one of the preceding Ansprü surface, characterized in that the primary winding ( 4 ) and the compensation winding ( 30 ) are wound directly one after the other and are connected in series.

4. Force sensor according to one of the preceding claims che, characterized in that one by a whole number of turns remaining residual offset by a downstream electronic offset compensation is correctable.

5. Force sensor according to one of the preceding Ansprü surface, characterized in that the compensation winding ( 30 ) on the secondary winding ( 5 ) in the same groove ( 10 ) as this is wound.

6. Force sensor according to claim 5, characterized in that the winding sense of the compensation winding ( 30 ) and the secondary winding ( 5 ) is directed so that an interfering field component (B _s ) is compensated.