DE4136128A1 - Verfahren zur hochaufloesenden weg-, kraft-, druck- und dehnungsmessung - Google Patents

Verfahren zur hochaufloesenden weg-, kraft-, druck- und dehnungsmessung

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    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
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    • G01L1/005—Measuring force or stress, in general by electrical means and not provided for in G01L1/06 - G01L1/22
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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Description

Anwendungsgebiet der Erfindung
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Erfassung von Weg-, Kraft-, Druck- und Dehnungskomponenten mit hohem Auflösungsvermögen für Anwendungen auf den Gebieten der Messung kleinster Wege bzw. Transistatoren, der Kraftsensorik und der Druckmeßtechnik.
Charakteristik des bekannten Standes der Technik
Die Messung kleiner Wege sowie die Messung von Kräften, Drücken, Dehnung oder anderen Materialbeanspruchungen erfolgt nach dem Stand der Technik entweder mit Hilfe von auf Biegekörper applizierten Dehnungsmeßstreifen oder aber durch Erfassung der translatorischen Auslenkung eines Biegekörperteiles infolge dessen mechanischer Beanspruchung. Diese Auslenkung wird nach dem Stand der Technik entweder mit Hilfe mechanisch veränderbarer Widerstände (Potentiometer), induktiver oder kapazitiver Wegsensoren, über optische Abbilder oder mit interferometrischen Anordnungen gemessen.
Die erstgenannte Gruppe ist weit verbreitet, erfordert aber bei der konstruktiven Auslegung der Gesamtanordnung die Rücksichtnahme vor allem auf die Applikationsmöglichkeit der Dehnmeßstreifen sowie auf die Ausbreitungsbedingungen der Materialspannungen im Biegekörper (Saint- Vernant-Prinzip).
Bei der zweitgenannten Gruppe erfordern die optischen Wegabgriffe komplizierte konstruktive Lösungen und sind darüber hinaus gegen Umwelteinflüsse (Schwingungen, Staub, Feuchte) sehr anfällig, während induktive und kapazitive Wegabgriffe eine gewisse Querempfindlichkeit gegen äußere magnetische oder elektrische Felder aufweisen.
Ziel der Erfindung
Das Ziel der Erfindung besteht darin, eine hochauflösende und systemintegrationsfähige Sensortechnik zur querempfindlichkeitsfreien Erfassung von kleinsten Wegen (Translationen) und darauf abgebildeten Kraft-, Druck- und Dehnungskomponenten zu schaffen.
Darlegung des Wesens der Erfindung
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Verfahren zur hochauflösenden Weg-, Kraft-, Druck- und Dehnungsmessung mittels wellenleiter- oder freiraumfeldgekoppelter gyrotroper Festkörperresonatoren zu schaffen.
Das Verfahren ist erfindungsgemäß im wesentlichen dadurch gekennzeichnet, daß beliebige Weg- sowie Kraft-, Druck- oder Dehnungskomponenten über eine ausschließlich translatorische Koordinatenänderung frequenzbestimmender Elemente eines magnetostatisch schwingenden Festkörperresonatorsystems der Eigenschaft, durch eine anregungsfeldabhängige skalare Permeabilität beschreibbar zu sein, abgebildet werden.
Die translatorische Bewegung, die selbst eine Meßgröße oder aber ein Abbildungssignal für eine kraft-, druck- oder dehnungsabhängige Auslenkung sein kann, wird ihrerseits über die Wirkungsparameter der Schwingungsbedingung eines gyromagnetischen Resonatorsystems erfaßt. Dabei wird über die Translation eine Änderung der Quellbedingungen der statischen Vormagnetisierung am Ort eines oder mehrerer gekoppelter und magnetostatisch schwingende Resonatoren hervorgerufen, wobei die Quellbedingungen der statischen Vormagnetisierung am Ort des oder der gyrotropen Resonatoren vorzugsweise durch mechanische Bewegung der statischen Magnetisierungsquellen relativ zu einem ortsfestgekoppelten gyrotropen Resonator oder durch Ortskoordinatenänderung eines oder mehrerer gekoppelter gyrotroper Resonatoren gegenüber den Magnetisierungsquellen eines geschlossenen oder auch offenen magnetischen Kreises festgelegt werden. Die Abbildung der Quellbedingungen des gekoppelten und magnetostatisch schwingenden Resonatorsystems erfolgt über das Amplituden- und Phasenspektrum der komplexen Streuparameter des gyromagnetischen Übertragungssystems.
Innerhalb des definierbaren Schwingungsspektralbereiches werden die quellabhängigen Amplituden- und/oder Phasencharakteristik des Streuverhaltens der ein- oder auch zweitorigen elektromagnetischen schwingungsfähigen Systeme an den spektralen Orten einer oder mehrerer diskreter Festfrequenzen bewertet.
Die Abbildung der translationsabhängigen Quellbedingungen des magnetostatisch erregten Systems über ausschließlich spektrale Eigenwerte erfolgt mittels der spektralen Bewertung sowohl amplituden- als auch phasendiskreter und phasenkonstanter Streuparameterwerte der entweder als Reflexions- oder Transmissionssysteme ausgelegten Resonatorkreise, oder mittels der spektralen Verfolgung merkmalsbezogener bzw. merkmalsdefinierter Amplituden- und/oder Phasenwerte der Streuparametercharakteristik.
Die Systemeigenschaften sind hierbei wesentlich durch die Resonatorkopplungsbedingung sowie die Resonatoreigengüte festgelegt. Über die Bemessung der Resonatorkopplungsbedingung sowie der Resonatoreigengüte besteht die Möglichkeit der Steuerung des Systemauflösungsvermögens.
Ausführungsbeispiel
Das erfindungsgemäße Verfahren soll an einem Beispiel näher erläutert werden.
Die Konfiguration des Resonatorsystems erfolgt über einen im X-Frequenzband erregten Yttrium-Eisen-Granat-Resonator, wobei die hochfrequente Erregung über die zirkularpolarisierten Drehfeldkomponenten des magnetischen Wechselfeldes einer mit dem Reflexionsfaktor r′=-1 abgeschlossenen Microstripanordnung erzielt wird. Die statische Vormagnetisierung erfolgt bis zur Kittel'schen Resonanz mittels eines orthogonal zur Ausbreitungsrichtung der hin- und rücklaufenden Wellen des hochfrequenten Anregungsfeldes sowie parallel zur Flächennormalen der planaren Anregungsstruktur gerichteten statischen magnetischen Feldes.
Sowohl die statische als auch die hochfrequente Anregungsbedingung sowie die Feldkopplungsbedingung erzeugen die Schwingungsmode der gleichförmigen Präzession. Die Translationsabbildung erfolgt über die Bewegung der magnetischen Pole des Vormagnetisierungssystems. Die eindimensionale Polbewegung wird über die Auswertung des Amplitudenspektrums der Mode der gleichförmigen Präzession (110) erfaßt.

Claims (6)

1. Verfahren zur hochauflösenden Weg-, Kraft-, Druck- und Dehnungsmessung mittels wellenleiter- oder freiraum-feldgekoppelter gyromagnetischer Festkörperresonatoren, dadurch gekennzeichnet, daß
  • - eine Weg-, Kraft-, Druck- oder Dehnungskomponente über eine ausschließlich translatorische Koordinatenänderung frequenzbestimmender Elemente eines magnetostatisch angeregten und schwingungsfähigen Festkörperresonatorsystems der Eigenschaft, durch eine anregungsfeldabhängige skalare Permeabilität beschreibbar zu sein, abgebildet wird;
  • - über die Translation eine Änderung der Quellbedingungen der statischen Vormagnetisierung am Ort des gyrotropen Resonators hervorgerufen wird;
  • - die Änderung der Quellbedingungen der statischen Vormagnetisierung am Ort des gyrotropen Resonators entweder durch mechanische Bewegung der statischen Magnetisierungsquellen relativ gegenüber einem ortsfest gekoppelten gyrotropen Resonator oder durch die Ortsveränderung eines gyrotropen Resonators gegenüber den Magnetisierungsquellen eines geschlossenen oder auch offenen magnetischen Kreises erfolgt;
  • - die Quellbedingungen des Resonatorsystems über das magnetisierungsquellenbedingte Amplitudenspektrum und/oder Phasenspektrum eines gyrotrop gekoppelten Transmissionssystems abgebildet werden.
2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die translatorische Koordinatenänderung der frequenzbestimmenden Elemente des gyrotrop schwingenden Resonatorsystems über die Erfassung der Streuparameter des gyromagnetischen Transmissionssystems bei einer oder mehreren diskreten Festfrequenzen innerhalb des Schwingungsspektralbereiches erfolgt.
3. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die translatorische Koordinatenänderung der frequenzbestimmenden Elemente des gyrotrop erregten Resonatorssystems über die Bewertung der Spektralabhängigkeit merkmalsbezogener bzw. merkmalsdefinierter Eigenwerte erfaßt wird.
4. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Abbildung der translationsabhängigen Quellbedingungen des magnetostatisch schwingenden Resonatorsystems über die ausschließlich spektrale Bewertung eines oder mehrerer amplituden- und/oder phasendefinierter bzw. phasenkonstanter Streuparameterwerte erfolgt.
5. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die translationsabhängigen Quellbedingungen des gekoppelten Schwingungssystems für den Fall eines Übertragungssystems über die Spektralabhängigkeit des Transmissionsmaximus bzw. für den Fall eines Reflexionssystems oder Resonatoreintores über die Spektralabhängigkeit des Reflexionsminimums abgebildet werden.
6. Verfahren nach Anspruch 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß über die Resonatorkopplungsbedingung sowie die Resonatoreigengüte eine Steuerung des Systemauflösungsvermögens erfolgt.
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Cited By (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO1998037378A1 (de) * 1997-02-19 1998-08-27 Pates Technology Patentverwertungsgesellschaft Für Satelliten Und Moderne Kommunikationstechnologien Mbh Sensor zur erfassung translatorischer bewegungen
RU2796388C1 (ru) * 2022-08-12 2023-05-22 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт проблем управления им. В.А. Трапезникова Российской академии наук Способ определения длины металлической трубы

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DE1423467C (de) * 1958-06-05 1973-08-09 Varian Associates, PaIo Alto, Calif. (V.St.A.) Meßkopf für gyromagnetische Messungen
DE2351671C3 (de) * 1972-10-26 1979-10-04 Varian Associates Inc., Palo Alto, Calif. (V.St.A.) Verfahren zur Messung des gyromagnetischen Resonanzspektrums und Spektrometer zu dessen Durchführung
EP0320442A2 (de) * 1987-11-27 1989-06-14 Karl-Heinz Schmall Verwendung eines dielektrischen Mikrowellen-Resonators und Sensorschaltung

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