DE202021101325U1 - Zugdrahtsensor - Google Patents

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Abstract

Zugdrahtsensor zum Messen linearer Abstände, umfassend:
eine Rolle, Welle oder Achse (2),
einen Draht (1), der auf die Rolle, Welle oder Achse (2) gewickelt ist, und
einen Drehsensor (3), der mit der Rolle, Welle oder Achse (2) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Drehwinkel des Sensors in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wobei der Drehsensor auf dem Tunnel-Magneto-Widerstandseffekt basiert.

Description

  • Die vorliegende Offenbarung betrifft vorwiegend Zugdrahtsensoren. Zugdrahtsensoren werden typischerweise zum Messen linearer Abstände verwendet, hauptsächlich, um die lineare Bewegung von Objekten nachverfolgen zu können. Ein Zugdrahtsensor umfasst typischerweise einen Draht oder Messdraht, der auf eine Rolle, eine Welle oder eine Achse gewickelt ist oder dafür ausgelegt ist, auf eine solche gewickelt zu werden. Ein Ausziehen des Zugdrahts entspricht dann einer Drehung der Rolle, Welle oder Achse. Im Stand der Technik ist die Rolle oder Achse normalerweise mit einem Potentiometer gekoppelt, das eine Messung elektrischer Signale ermöglicht, die einen Drehwinkel des Potentiometers und das Ausziehen des Drahtes angeben. Zugdrahtsensoren werden üblicherweise in industriellen Umgebungen oder in Umgebungen angewendet, die eine hohe Präzision und Zuverlässigkeit erfordern.
  • Jedoch sind elektrische Potentiometer typischerweise teuer und können schwierig herzustellen sein. Häufig nehmen ihre Messpräzision und Zuverlässigkeit im Lauf der Zeit ab. Insbesondere werden für Anwendungen in Geländefahrzeugen und Maschinenanlagen und in anderen rauen Umgebungen weniger teure, aber zuverlässigere Lösungen gesucht.
  • Daher ist ein Ziel der hier vorgeschlagenen Innovation die Gestaltung eines Zugdrahtsensors mit verbesserter Zuverlässigkeit und Robustheit, der vorzugsweise weniger teuer ist als herkömmliche Sensoren.
  • Das Ziel wird durch einen Zugdrahtsensor zum Messen linearer Abstände gelöst, der die Merkmale von Anspruch 1 aufweist. Spezielle Ausführungsformen sind in den abhängigen Ansprüchen beschrieben.
  • Der hier vorgeschlagene Zugdrahtsensor zum Messen linearer Abstände umfasst:
    • eine Rolle, Welle oder Achse,
    • einen Draht oder Messdraht, der auf die Rolle, Welle oder Achse gewickelt ist oder dafür ausgelegt ist, auf diese gewickelt zu werden, und
    • einen Drehsensor, der mit der Rolle, Welle oder Achse gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Drehwinkel des Sensors in ein elektrisches Signal zu transformieren, oder, anders ausgedrückt, der dafür ausgelegt ist, ein elektrisches Signal zu erzeugen, das einen Drehwinkel des Drehsensors angibt, wobei der Drehsensor auf dem Tunnel-Magneto-Widerstandseffekt basiert oder dafür ausgelegt ist, auf Basis desselben zu wirken.
  • Magneto-Widerstandssensoren, die auf dem Tunnel-Magneto-Widerstandseffekt (TMR-Effekt) basieren oder dafür ausgelegt sind, auf Basis desselben zu wirken, werden immer beliebter und sind für eine Reihe von Zwecken verfügbar. Da sie eine hohe Signalamplitude bereitstellen, können sie ohne zusätzliche Schaltkreise mit Mikrocontrollern kombiniert werden, und in vielen Fällen sind keine Vorverstärker nötig. Üblicherweise können diese Sensoren ohne Weiteres mit hoher Impedanz verwirklicht werden und dabei nur sehr wenig Raum beanspruchen. Daher eignen sich TMR-Sensoren typischerweise für batteriebetriebene Anwendungen. Sie stellen normalerweise eine lange Stabilität und Reproduzierbarkeit von Messungen bereit. Sie bieten üblicherweise auch einen hohen Grad an absoluter Genauigkeit. Drehsensoren auf der Basis des Tunnel-Magneto-Widerstandseffekts mit einem analogen Ausgang für elektrische Signale können durch ein Tunnel-Magneto-Widerstandselement und einen Magneten verwirklicht werden, wobei eines von diesen zwei Elementen dafür ausgelegt ist, sich relativ zu dem anderen zu drehen, und der elektrische Widerstand des Magnetowiderstandselements gemessen wird.
  • Der Drehsensor kann einen stationären Teil oder stationären Abschnitt, der ein Tunnel-Magnetowiderstandselement aufweist, und einen drehenden Teil oder drehenden Abschnitt, der einen Magneten aufweist, umfassen.
  • Der stationäre Teil kann eine magnetische Bezugsschicht mit einer festen Magnetisierungsrichtung und eine magnetische Messschicht umfassen. Die Magnetisierung der Messchicht folgt üblicherweise dem externen Feld, das von einem externen, drehbaren Magneten hervorgerufen werden kann, der einen Teil des drehenden Teils des Sensors bilden kann. Eine dünne isolierende Barriere zwischen der Bezugs- und der Messschicht weist typischerweise ein Metalloxid wie MgO auf und kann dünn genug sein, damit Elektronen durch Tunnelung durch die isolierende Barriere hindurch gelangen können. Normalerweise hängt der elektrische Widerstand eines solchen Tunnelübergangs stark von dem Winkel zwischen den Magnetisierungsrichtungen der Bezugsschicht und der Messschicht ab. Daher entspricht der elektrische Widerstand dem Drehwinkel des äußeren drehbaren Magneten in Bezug auf den stationären Teil des Sensors oder gibt diesen an.
  • Die Dicke und die Fläche der isolierenden Barriere können je nach der spezifischen Anwendung gewählt werden. Zum Beispiel kann der elektrische Widerstand der isolierenden Barriere im Bereich von einem oder einigen Ohm bis hin zu einem oder mehreren Mega-Ohm liegen. Somit können Sensoren mit geringem Leistungsverbrauch verwirklicht werden. Die Größe der Magneto-Widerstandselemente liegt üblicherweise in der Größenordnung von Mikrometern. Infolgedessen können solche Sensoren platzsparend sein. Ein Verschleiß während längerer Betriebszeiten ist üblicherweise zu vernachlässigen, da im Gegensatz zu herkömmlichen Potentiometern typischerweise keine Reibung oder fast keine Reibung zwischen den Teilen besteht, die sich in Bezug aufeinander bewegen. Ferner ist die Temperaturempfindlichkeit typischerweise gering, was ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Potentiometern sein kann.
  • Der sich drehende Teil des Drehsensors kann mittels eines Getriebes mit der Rolle, Welle oder Achse gekoppelt sein. Auf diese Weise kann sichergestellt werden, dass der volle messbare Auszug, das heißt der maximale Abstand, für dessen Messung der Sensor ausgelegt ist, einem gewünschten oder vorgegebenen Bruchteil einer vollen Drehung, d.h. einer Drehung um 360 Grad, entspricht. Außerdem kann durch Auswahl der geeigneten Translation oder Übersetzung, die von dem Getriebe bereitgestellt wird, die gewünschte Auflösung der Messung verwirklicht werden.
  • Zum Beispiel können der gesamte messbare Abstand und ein Auszug des Drahtes, der dem gesamten messbaren Abstand entspricht, einer Drehung des sich drehenden Teils des Drehsensors um 360 Grad oder weniger entsprechen. In speziellen Fällen kann der gesamte messbare Abstand auch einer Drehung um weniger als 360 Grad, beispielsweise um weniger als 270 Grad oder um weniger als 180 Grad, entsprechen.
  • Der Drehsensor kann eine Feder umfassen, die dafür ausgelegt ist, die Spannung des Drahtes aufrechtzuerhalten. Zu diesem Zweck kann der Zugdrahtsensor eine Feder, wie etwa eine Spiralfeder, umfassen, die mit dem drehbaren Teil des Sensors gekoppelt ist und die Rolle, Welle oder Achse so vorspannt, dass diese sich in einer Richtung dreht, in der sie den Zugdraht aufwickelt. Auf diese Weise kann die Spannung des Zugdrahts konstant beibehalten werden.
  • Der stationäre Teil des Drehsensors kann auf eine Leiterplatte montiert sein. Typischerweise ist der Drehsensor elektrisch mit einer oder an eine Messeinheit gekoppelt, um den elektrischen Widerstand des Magneto-Widerstandselements zu messen. Zum Beispiel kann der stationäre Teil des Sensors direkt mit der oder an die Messeinheit gekoppelt sein.
  • Infolgedessen kann die Messeinheit zum Messen des elektrischen Widerstands des Magneto-Widerstandselements typischerweise leicht über Leiter auf der Leiterplatte mit dem Magneto-Widerstandselement gekoppelt werden, und alle elektrischen Verbindungen können als gedruckte oder geätzte Leiter auf einer Leiterplatte verwirklicht werden. Auf diese Weise sind alle elektrischen Kontakte, die an der Messung des Widerstands beteiligt sind, üblicherweise besonders zuverlässig und stabil. Die Leiterplatte (PCB) kann alle elektrischen Schaltkreise aufweisen, die für eine empfindliche Widerstandsmessung erforderlich sind.
  • Ferner kann die Messeinheit in manchen Fällen eine Messbrücke, beispielsweise eine Wheatstone-Brücke, umfassen. Durch die Verwendung dieser Messtechnologie kann eine differentielle Widerstandsmessung mit hoher Genauigkeit und Reproduzierbarkeit ausgeführt werden. Die Funktionsweise einer Wheatstone-Brücke ist bekannt und wird daher nicht ausführlicher erläutert.
  • Der Zugdrahtsensor kann ferner eine elektrische Stromquelle zum Antreiben des Drehsensors umfassen. Die elektrische Stromquelle kann beispielsweise eine Batterie einschließen.
  • Da das Magneto-Widerstandselement und insbesondere seine isolierende Metalloxidbarriere mit einem hohen elektrischen Widerstand im Bereich von vielen Kilo-Ohm oder Mega-Ohm verwirklicht werden kann, ist der Verbrauch von elektrischem Strom für kontinuierliche Messungen des elektrischen Widerstands typischerweise gering und die Messeinheit kann durch eine kleine Batterie angetrieben werden, oder zumindest kann leicht eine Notstromversorgung durch eine Batterie bereitgestellt werden.
  • Es ist vorstellbar, dass der hier vorgeschlagene Zugdrahtsensor einen weiteren TMR-Drehsensor des oben beschriebenen Typs umfasst. In diesem Fall können die beiden TMR-Drehsensoren mit der Rolle, Welle oder Achse parallel gekoppelt sein, um ein redundantes Messsystem zu erzeugen.
  • Die hier vorgeschlagene Innovation ist nicht auf einen Zugdrahtsensor beschränkt wie oben beschrieben, sondern kann auch auf eine mobile Maschine, insbesondere ein Fahrzeug oder einen Kran mit einem Zugdrahtsensor wie oben beschrieben gerichtet sein. Maschinenanlagen, die auch in rauen, Offroad-Anwendungen zuverlässig arbeiten müssen, können von der Nutzung von Zugdrahtsensoren profitieren, die auf der Basis von Tunnel-Magneto-Widerstandssensoren arbeiten.
  • Ausführungsformen des hier vorgeschlagenen Zugdrahtsensors und der hier vorgeschlagenen mobilen Maschine werden in der folgenden ausführlichen Beschreibung beschrieben und sind in den Figuren abgebildet. Die Figuren:
    • 1 zeigt schematisch einen Magneto-Widerstandssensor und sein Wirkprinzip,
    • 2 zeigt schematisch eine 3D-Ansicht eines Magneto-Widerstandssensors, der mit einer Spule gekoppelt ist, auf die der Zugdraht gewickelt ist,
    • 3 zeigt schematisch ein Gehäuse mit einem Sensor auf einer Leiterplatte (PCB),
    • 4 zeigt schematisch ein Fahrzeug mit einer möglichen Anwendung für einen Zugdrahtsensor, und
    • 5 zeigt schematisch eine andere Ansicht des Fahrzeugs mit einer möglichen Anwendung für einen Zugdrahtsensor.
  • 1 zeigt schematisch die Struktur eines Magneto-Widerstandssensors 3. Der Sensor 3 umfasst einen stationären Teil oder stationären Abschnitt 3a. Hier ist der stationäre Teil 3a an einer Leiterplatte (PCB) 6 fixiert. Der stationäre Teil 3a umfasst ein Magneto-Widerstandselement 3b, das ein Bezugselement 9a, ein Messelement 9b und eine zwischen dem Bezugselement 9a und dem Messelement 9b angeordnete isolierende Barriere 9c aufweist. Der elektrische Widerstand der isolierenden Barriere 9c hängt stark von der gemeinsamen Ausrichtung von Magnetfeldrichtungen des Bezugselements 9a und des Messelements 9b ab. Die Magnetfeldrichtung des Messelements 9b wird von der Magnetfeldrichtung eines externen drehbaren Magneten 3d beeinflusst. Somit reflektiert der elektrische Widerstand des Sensors 3 einen Drehwinkel des drehbaren Magneten 3d oder gibt diesen an. Somit kann der Drehwinkel des drehbaren Magneten 3d durch Messen des elektrischen Widerstands des Sensors 3 gemessen werden.
  • Wie in 2 zu sehen ist, ist der drehbare Magnet 3d an einer Welle 10 fixiert, die mit einer Rolle, Welle oder Achse 2 gekoppelt ist. Hier und nachfolgend sind wiederkehrende Merkmale, die in unterschiedlichen Figuren gezeigt sind, mit den gleichen Bezugszeichen bezeichnet. Ein Zugdraht 1 wird auf die Welle/Achse 2 gewickelt, und jegliches Ausziehen des Zugdrahts 1 kann durch eine Änderung des elektrischen Widerstands des Magneto-Widerstandssensors 3 gemessen werden. Die Welle 2 ist mittels eines Getriebes 4, das in 2 nur symbolisch dargestellt und nicht detailliert gezeigt ist, mechanisch mit der Welle 10 gekoppelt. Das Getriebe 4 kann beispielsweise eine Mehrzahl von Getrieberädern umfassen.
  • Man beachte, dass in alternativen Ausführungsformen, die hier nicht abgebildet sind, ein Abschnitt des Drehsensors 3 direkt an der Welle oder Achse 2 montiert oder fixiert sein kann. Zum Beispiel kann in einer solchen alternativen Ausführungsform entweder der Magnet 3d oder das Magneto-Widerstandselement 3b an der Welle oder Achse 2 montiert oder fixiert sein.
  • Betrachtet man erneut die Ausführungsform, die in den Figuren dargestellt ist, so ist eine Spiralfeder 5 bereitgestellt, die ein Drehmoment an der Welle 2 aufrechterhält. Auf diese Weise hält die Spiralfeder 5 eine Längsspannung an dem Zugdraht 1 aufrecht. In 2 ist der drehbare Magnet 3d in einer ersten Position fett und in einer zweiten Position gestrichelt gezeigt, wobei die zweite Position um wenige Grad in Bezug auf die erste Position um die Drehachse der Welle 10 gedreht ist. Die Pfeile 11 zeigen die Richtungen der Bewegung des Zugdrahts 1 in dem Fall, dass der Zugdraht 1 ausgezogen oder von der Spiralfeder 5 zurückgezogen ist.
  • 3 zeigt ein Gehäuse 12 eines Zugdrahtsensors mit einer Leiterplatte 6, einer Welle 2, auf die der Zugdraht 1 gewickelt ist oder gewickelt werden kann, und einer Welle 10, die einen Teil des sich drehenden Teils 3c des Sensors bildet. Der sich drehende Teil oder sich drehende Abschnitt 3c des Sensors ist in 3 unterhalb der Leiterplatte positioniert. Der stationäre Teil 3a, eine Messeinheit 7 (siehe 1) und möglicherweise weitere Schaltkreise, die dafür ausgelegt sind, die Widerstandsmessung auszuführen, sind auf der Leiterplatte 6 positioniert.
  • Optional kann der Zugdrahtsensor einen zweiten TMR-Sensor (nicht gezeigt) aufweisen, der mechanisch mit der Welle 2 gekoppelt ist oder gekoppelt werden kann, um ein redundantes Messsystem zu erzeugen.
  • 4 zeigt einen Lastwagen 15 mit einem ausfahrbaren Ausleger 13. Der bidirektionale Pfeil 14 zeigt die Richtungen, in denen ein Zugdrahtsensor lineare Bewegungen messen kann, während der Ausleger aus- oder eingefahren wird.
  • 5 zeigt den Lastwagen 15 in einer Draufsicht mit ausfahrbaren Tragarmen 16, 17, 18, 19 zur Stabilisierung des Lastwagens, beispielsweise während eines stationären Betriebs des Lastwagens 15. Die einzelnen Tragarme sind in den von Doppelpfeilen 20, 21, 22, 23 angegebenen Richtungen über einen gewissen Abstand ausfahrbar, der für einen Zugdrahtsensor des hier vorgeschlagenen Typs messbar ist.

Claims (10)

  1. Zugdrahtsensor zum Messen linearer Abstände, umfassend: eine Rolle, Welle oder Achse (2), einen Draht (1), der auf die Rolle, Welle oder Achse (2) gewickelt ist, und einen Drehsensor (3), der mit der Rolle, Welle oder Achse (2) gekoppelt ist und dafür ausgelegt ist, einen Drehwinkel des Sensors in ein elektrisches Signal umzuwandeln, wobei der Drehsensor auf dem Tunnel-Magneto-Widerstandseffekt basiert.
  2. Zugdrahtsensor nach Anspruch 1, wobei der Zugdrahtsensor (3) einen stationären Teil (3a) mit einem Tunnel-Magnetowiderstandselement (3b) und einen sich drehenden Teil (3c) mit einem Magneten (3d) umfasst.
  3. Zugdrahtsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein drehender Teil (3c) des Drehsensors (3) mittels eines Getriebes (4) mit der Rolle, Welle oder Achse (2) gekoppelt ist.
  4. Zugdrahtsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei ein gesamter messbarer Abstand und ein Auszug des Drahtes (1), der dem gesamten messbaren Abstand entspricht, einer Drehung des sich drehenden Teils (3a) des Drehsensors (3) um 360 Grad oder weniger entspricht.
  5. Zugdrahtsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche, wobei der Drehsensor (3) eine Feder (5) umfasst, die dafür ausgelegt ist, eine Spannung des Drahtes (1) aufrechtzuerhalten.
  6. Zugdrahtsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 5, wobei der stationäre Teil (3a) des Drehsensors auf einer Leiterplatte (6) montiert ist.
  7. Zugdrahtsensor nach einem der Ansprüche 2 bis 4, wobei der Drehsensor elektrisch mit einer Messeinheit (7) zum Messen des elektrischen Widerstands des Magneto-Widerstandselements (3b) gekoppelt ist.
  8. Zugdrahtsensor nach Anspruch 7, wobei die Messeinheit (7) eine Messbrücke, insbesondere eine Wheatstone-Brücke, umfasst.
  9. Zugdrahtsensor nach einem der Ansprüche 1 bis 8, ferner eine elektrische Stromversorgung umfassend, die eine Batterie (8) einschließt, die elektrisch mit dem Drehsensor (3) verbunden oder elektrisch verbindbar ist.
  10. Mobile Maschine (9), insbesondere ein Fahrzeug oder ein Kran, die den Zugdrahtsensor nach einem der vorangehenden Ansprüche aufweist.
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