DE3620412A1 - Schaltungsanordnung zum betreiben eines magnetoelastischen sensors - Google Patents
Schaltungsanordnung zum betreiben eines magnetoelastischen sensorsInfo
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Description
Die Erfindung geht aus von einer Schaltungsanordnung zum Betreiben
eines magnetoelastischen Sensors nach der Gattung des Hauptan
spruches. Ferromagnetische Materialien, insbesondere amorphe Metalle
oder Nickeleisen-Legierungen, ändern ihre Permeabilität in der Rich
tung, in der Zug- oder Druckkräfte auf sie einwirken. Dieser soge
nannte magnetoelastische Effekt wird zum Messen von Kräften und
Drehmomenten genutzt. Die Permeabilitätsänderung des Meßobjekts wird
von einer Sensorspule erfaßt, die so nahe am Meßobjekt angebracht
ist, daß eine magnetische Kopplung stattfindet.
Aus der Patentanmeldung DE-P 35 34 460.1 ist eine Schaltungsan
ordnung zum Betreiben eines solchen magnetoelastischen Sensors be
kannt. Ein Wechselspannungsgenerator speist eine Spannungs
teilerschaltung, die aus der Reihenschaltung von einem Widerstand
und der Sensorspule besteht, mit einem Wechselstrom vorgegebener
Frequenz. Die Spannung an der Sensorspule wird erfaßt und aus
gewertet. Eine Permeabilitätsänderung des Materials des Meßobjektes
hat eine Spannungsänderung an der Sensorspule zur Folge, die ein Maß
für die mechanische Einwirkung auf das Meßobjekt darstellt. Die
Spannung an der Sensorspule hängt nicht nur von der Permeabilität
des Meßobjektes sondern auch vom Abstand zwischen der Sensorspule
und dem Meßobjekt ab, da sich die magnetische Kopplung ändert. Eine
eindeutige Kraftmessung setzt somit einen konstanten Abstand
zwischen Sensorspule und Meßobjekt voraus. Bei der Konstruktion
eines magnetoelastischen Sensors muß ein erheblicher Aufwand
getrieben werden, um eine Abstandsänderung zwischen Sensorspule und
Meßobjekt zu vermeiden oder sehr enge Toleranzen einzuhalten. Eine
Sensorkonstruktion, die diesen Gesichtspunkt weitgehend
berücksichtigt, ist beispielsweise aus der DE-OS 34 36 643 bekannt.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung hat demgegenüber den Vor
teil, daß eine Abstandsänderung zwischen der Sensorspule und dem
Meßobjekt nahezu keinen Einfluß mehr auf das Sensorsignal hat. Die
Sensorspule ist mit einem Kondensator zu einem Schwingkreis ergänzt,
dessen Dämpfung von einem Dämpfungswiderstand festgelegt ist. Ein
Wechselspannungsgenerator ist zur Energieversorgung des Schwing
kreises vorgesehen. Der Widerstandswert des Dämpfungswiderstandes,
die Induktivität der Sensorspule, die Kapazität des Kondensators so
wie die Frequenz des Wechselspannungsgenerators sind derart aufein
ander abgestimmt, daß eine Abstandsänderung bei gegebenen Meßob
jektmaterial nahezu keinen Einfluß mehr auf das Sensorsignal hat.
Durch die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen sind vor
teilhafte Weiterbildungen der im Hauptanspruch angegebenen Schal
tungsanordnung möglich.
Der Schwingkreis kann als Serien- oder Parallelschwingkreis aus
gebildet sein. Besonders vorteilhaft ist es, wenn der Dämpfungs
widerstand in Reihe zu einem Parallel-Schwingkreis, bestehend aus
Kondensator und Sensorspule, geschaltet ist. Mit dieser Schaltungs
variante wird ein gegebenenfalls erforderlicher Anpaßwiderstand zwi
schen dem Schwingkreis und dem Wechselspannungsgenerator überflüs
sig.
Zweckmäßigerweise wird das an der Sensorspule anliegende Sensor
signal gleichgerichtet und in einer nachfolgenden Siebschaltung in
eine Gleichspannung umgewandelt, die in einem nachfolgenden Gleich
spannungsverstärker auf passende Werte verstärkt wird.
Günstig ist es, wenn zwischen dem Gleichspannungsverstärker und der
Siebschaltung eine Tiefpaßanordnung vorgesehen ist.
Die erfindungsgemäße Schaltungsanordnung bringt eine große Ersparnis
bei der Sensorkonstruktion, da präzisionsmechanische Teile entfal
len. Auf einfache Weise wird die Drehmomenterfassung an rotierenden
Teilen möglich. Bislang waren mehrere Sensoren zur Durchführung die
ser Messung erforderlich.
Weitere Einzelheiten und vorteilhafte Weiterbildungen der erfin
dungsgemäßen Schaltungsanordnung ergeben sich aus der folgenden Be
schreibung.
Fig. 1 zeigt einen magnetoelastischen Sensor, bestehend aus einer
Sensorspule und einem Meßobjekt,
Fig. 2 zeigt eine erfindungsgemäße
Schaltungsanordnung zum Betreiben des magnetoelastischen Sensors ge
mäß Fig. 1, und
Fig. 3 zeigt Meßspannungen an der Sensorspule als
Funktion der Frequenz eines in Fig. 2 gezeigten Wechselspannungs
generators.
Fig. 1 zeigt ein Meßobjekt 10, das aus einem Material besteht, wel
ches den magnetoelastischen Effekt zeigt. Auf das Meßobjekt 10 wird
eine Zugkraft 12 ausgeübt. In einem Abstand 14 zu dem Meßobjekt 10
ist eine Sensorspule 16 angeordnet.
Fig. 2 zeigt eine Wechselspannungs-Energiequelle 20, die aus einem
Wechselspannungsgenerator 22 und einem Innenwiderstand 24 besteht.
Die Wechselspannung steht an den beiden Anschlüssen 26, 28 zur Ver
fügung. Eine Parallelschaltung, bestehend aus der Sensorspule 16 und
einem Kondensator 30 ist über einen Dämpfungswiderstand 32 an die
beiden Klemmen 26, 28 geschaltet. An der Sensorspule 16 ist ein Sen
sorsignal 34 abnehmbar. Das Sensorsignal 34 wird über eine Diode 36
einer Siebschaltung 38, bestehend aus einem Siebkondensator 40 und
einem Ableitwiderstand 42, zugeführt. Die gesiebte Signalspannung 44
gelangt über eine Tiefpaßanordnung 46, die aus einem Widerstand 48
und einem Tiefpaßkondensator 50 gebildet wird, an eine Verstärker
anordnung 52. Die Verstärkeranordnung 52 ist als invertierende Ope
rationsverstärker-Schaltung 54 ausgebildet, deren Verstärkungsfaktor
mit den beiden Widerständen 56, 58 einstellbar ist.
Fig. 3 zeigt einen funktionalen Zusammenhang zwischen der Frequenz
(f) des Wechselspannungsgenerators 22 und des Sensorsignals 34 (U).
Als Parameter sind ein unterschiedlicher Abstand 14 zwischen der
Sensorspule 16 und dem Meßobjekt 10 sowie eine unterschiedliche Zug
kraft 12 vorgesehen. Den beiden Kurven 60, 62 liegt ein unterschied
licher Abstand 14 der Meßspule 16 von dem Meßobjekt 10 zugrunde, wo
bei auf das Meßobjekt 10 jeweils keine Zugkraft 12 ausgeübt wird.
Der Kurve 60 liegt ein größerer Abstand 14 zugrunde als der Kurve
62. Die beiden Kurven 60, 62 schneiden sich in einem Schnittpunkt
64. Die beiden Kurven 66, 68 werden erhalten, wenn auf das Meßobjekt
10 eine Zugkraft 12 ausgeübt wird. Der Kurve 66 liegt ein größerer
Abstand 14 als der Kurve 68 zugrunde. Die beiden Kurven 66, 68
schneiden sich in einem Schnittpunkt 70. Die beiden Schnittpunkte
64, 70 liegen in Ordinatenrichtung nahezu übereinander. Sie liegen
bei einer Frequenz F des Wechselspannungsgenerators 22.
Anhand von Meßvorgängen, denen unterschiedliche Abstände 14 und ver
schiedene Zugkräfte 12 zugrundeliegen, wird die Wirkung der Schal
tungsanordnung nach Fig. 2 anhand der in Fig. 3 gezeigten Kurven
näher erläutert:.
Die Wechselspannungs-Energiequelle 20 erzeugt in der Sensorspule 16
einen Stromfluß. Das von der stromdurchflossenen Wicklung der Sen
sorspule 16 erzeugte magnetische Wechselfeld erfaßt das Meßobjekt
10, so daß die elektrischen Eigenschaften der Sensorspule 16 von dem
Meßobjekt 10 beeinflußt werden. Zunächst bestimmt die Permeabilität
des Meßobjektes 10 die Induktivität der Meßspule 16. Da sich die
Permeabilität ferromagnetischer Stoffe unter Zug- oder Druckbe
lastung sowie bei Torsionsbeanspruchung ändert, kann berührungsfrei
der mechanische Spannungszustand des Meßobjektes 10 gemessen werden.
Dabei kann das Meßobjekt 10 beispielsweise vollständig aus ferromag
netischem Material hergestellt sein, es ist jedoch auch möglich, auf
die Oberfläche eines nichtferromagnetischen Teiles eine dünne
Schicht aus ferromagnetischem Material aufzubringen. Die Indukti
vität der Sensorspule 16 ist weiterhin auch eine Funktion des Ab
standes der Spule 16 von dem Meßobjekt 10. Ein geringerer Abstand
hat eine höhere Induktivität zur Folge.
Die elektrischen Eigenschaften der Meßspule 16 werden von einem
zweiten Effekt bestimmt. Das magnetische Wechselfeld induziert in
die metallene Oberfläche des Meßobjektes 10 Wirbelströme, die ein
Absinken der Induktivität bewirken. Auch der Einfluß der Wirbel
ströme ist eine Funktion von dem Abstand der Sensorspule 16 von dem
Meßobjekt 10. Beide Effekte vergrößern sich mit kleiner werdendem
Abstand 14.
Die in Fig. 3 gezeigte Kurve 60 ist einem bestimmten Abstand 14
zwischen der Sensorspule 16 und dem Meßobjekt 10 von beispielsweise
0,6 mm zugeordnet. Dargestellt ist die Amplitude des Wechselspan
nungs-Sensorsignals 34 als Funktion der Frequenz f des Wechselspan
nungsgenerators 22. Das Meßobjekt 10 sei zunächst entlastet, es wir
ke keine Zugkraft 12. Beim Auftreten einer Zugkraft 12 geht die Kur
ve 60 in die Kurve 66 über, wobei der Abstand 14 weiterhin 0,6 mm
beträgt. Das Maximum der Kurve 66 ist gegenüber dem Maximum der Kur
ve 60 zu einer höheren Frequenz f hin verschoben. Eine auf das Meß
objekt 10 wirkende Zugkraft 12 bewirkt im gezeigten Beispiel eine
Permeabilitätsabsenkung. Je nach Material kann sich auch eine Perme
abilitätserhöhung ergeben.
Die beiden folgenden Meßvorgänge, deren Ergebnisse die beiden Kurven
62, 68 zeigen, werden bei einem kleineren Abstand 14 von beispiels
weise 0,2 mm zwischen Spule 16 und Meßobjekt 10 durchgeführt. Der
geringere Abstand 14 erhöht den Einfluß der Wirbelströme und erhöht
gleichzeitig den Einfluß der Permeabilität des Meßobjektes 10 auf
die Meßspule 16. Als Resultat ergebe sich die Kurve 62, deren Maxi
mum gegenüber dem der Kurve 60 zu einer niedrigeren Frequenz f hin
verschoben ist. Die beiden Kurven 60, 62 weisen bei einer bestimmten
Frequenz F einen Schnittpunkt 64 auf. Die Einwirkung einer Zugkraft
12 führt, ausgehend von der Kurve 62, zu einem Resultat, das die
Kurve 68 zeigt. Die Zugkraft 12 verringert die Permeabilität des
Meßobjekts 10, wodurch sich das Maximum der Kurve 68 gegenüber dem
Maximum der Kurve 62 zu einer höheren Frequenz f hin verschiebt. Die
Kurve 68 schneidet die Kurve 66 in dem Schnittpunkt 70, der nahezu
bei der Frequenz F liegt.
Die Meßkurven 60, 62, 66, 68, die eine Funktion der Frequenz f sind,
zeigen, daß bei einer bestimmten Frequenz F die Höhe des Sensor
signals 34 nahezu nur vom mechanischen Spannungszustand des Meß
objekts 10, nicht jedoch vom Abstand 14 zwischen der Sensorspule 16
und dem Meßobjekt 10 abhängt. Die beiden Schnittpunkte 64 und 70
liegen nicht exakt sondern nur näherungsweise bei der bestimmten
Frequenz F.
Die Positionen der Schnittpunkte 64, 70 hängen von den Material
eigenschaften des Meßobjektes 10 ab, die fest vorgegeben sind. Die
geeignete Wahl der Meßfrequenz f, die zum Wert F wird, der Induk
tivität der Meßspule 16, der Kapazität des Kondensators 30 sowie des
Widerstandswertes des Dämpfungswiderstandes 32 eliminiert die Ab
standsabhängigkeit des Meßergebnisses weitgehend. Die experimentell
gefundenen Werte werden fest eingestellt und gelten für ein bestimm
tes Material des Meßobjekts 10.
Das Sensorsignal 34, das als Wechselspannung mit der bestimmten
Frequenz F vorliegt, wird mit der Diode 36 gleichgerichtet. Das
Siebglied 38 glättet die gleichgerichtete, pulsierende Wechsel
spannung. Der Siebkondensator 40 ist ergänzt durch den parallel ge
schalteten Ableitwiderstand 42. Ohne Ableitwiderstand 42 wäre nur
eine Spitzenwerterfassung möglich. Eine noch verbleibende Welligkeit
des Signals beseitigt der Tiefpaß 46, der aus einer Widerstands-
Kondensator-Kombination 48, 50 besteht. Die nach dem Tiefpaß auf
tretende Gleichspannung wird in einer Verstärkeranordnung 52 auf
einen gewünschten Signalpegel verstärkt, so daß die Signalspannung
einen proportionalen oder nahezu proportionalen Wert zur Sensor
spannung 34 annimmt. Verwendet wird eine invertierende Verstärker
schaltung mit einem Operationsverstärker 54, deren Verstärkungs
faktor in bekannter Weise mit den beiden Widerständen 56 und 58 ein
gestellt wird.
Anstelle des in Fig. 2 gezeigten Parallelschwingkreises, bestehend
aus der Meßspule 16 und dem Kondensator 30, ist es auch möglich,
einen Serienschwingkreis zu verwenden. Auch bei einem Serien
schwingkreis wird das Sensorsignal 34 an der Meßspule 16 abgegriffen.
Der Dämpfungswiderstand 32 kann bei dem in Fig. 2 gezeigten Paral
lelschwingkreis auch parallel zur Meßspule 16 geschaltet werden,
wenn die Wechselspannungs-Energiequelle 20 als Stromquelle aus
gebildet ist. Die in Fig. 2 gezeigte Schaltungsvariante, bei der
der Dämpfungswiderstand 32 in Serie zum Parallelschwingkreis ge
schaltet ist, weist den Vorteil auf, daß die Wechselspannungs-
Energiequelle 20 als Wechselspannungsgenerator 32 mit einem Innen
widerstand 24 ausgebildet sein kann. Diese Ausführung entspricht
weitgehend den praktischen Gegebenheiten.
Claims (10)
1. Schaltungsanordnung zum Betreiben eines magnetoelastischen Sen
sors, bei dem eine Sensorspule auf eine Permeabilitätsänderung eines
Meßobjekts reagiert, mit einem der Sensorspule zugeordneten Wider
stand, mit einer Wechselspannungsquelle, die die Sensorspule speist,
und mit Mitteln zur Auswertung des an der Sensorspule abnehmbaren
Signals, dadurch gekennzeichnet, daß der Sensorspule (16) ein Kon
densator (30) zugeordnet ist und daß der Widerstandswert des der
Sensorspule (16) zugeordneten Widerstands (24, 32), die Induktivität
der Sensorspule (16), die Kapazität des Kondensators (30) sowie die
Frequenz (f) der Wechselspannungsquelle (20) derart aufeinander ab
gestimmt sind, daß eine Abstandsänderung (16) zwischen Sensorspule
(14) und Meßobjekt (10) nahezu keinen Einfluß auf das Sensorsignal
hat.
2. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß
der der Sensorspule (16) zugeordnete Widerstand zusammengesetzt ist
aus einem Innenwiderstand (24) der Wechselspannungsquelle (20) und
einem Dämpfungswiderstand (32).
3. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Serienschwingkreis vorgesehen ist, bei dem der
Dämpfungswiderstand (32), der Kondensator (30) und die Meßspule (16)
in Serie geschaltet sind.
4. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß ein Parallelschwingkreis vorgesehen ist, bei dem der
Dämpfungswiderstand (32), der Kondensator (30) und die Meßspule (16)
parallel geschaltet sind.
5. Schaltungsanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekenn
zeichnet, daß der Dämpfungswiderstand (32) in Serie geschaltet ist
zu einer Parallelschaltung aus Kondensator (30) und Meßspule (16).
6. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (20) eine Reihenschal
tung einer Spannungsquelle (22) und eines Innenwiderstandes (24) ist.
7. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch ge
kennzeichnet, daß die Wechselspannungsquelle (20) besteht aus einer
Parallelschaltung eines Wechselstromgenerators (22) und eines Innen
widerstands (24).
8. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge
kennzeichnet, daß das an der Meßspule (16) auftretende Sensorsignal
(34) mit einer Diode (36) gleichgerichtet und in einer nachfolgenden
Siebschaltung (38), mit der Parallelschaltung eines Kondensators
(40) und eines Ableitwiderstands (42), geglättet wird.
9. Schaltungsanordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch ge
kennzeichnet, daß eine Verstärkeranordnung (52) zum Verstärken der
geglätteten Sensorspannung vorgesehen ist.
10. Schaltungsanordnung nach Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet, daß
zwischen der Verstärkeranordnung (52) und der Siebschaltung (38) ein
Tiefpaß (46) vorgesehen ist.
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