JPH01503000A - 磁気弾性センサー作動用の回路装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 磁気弾性センサー作動用の回路装置 従来技術 本発明Ｆｉ請求の範囲第１項に示す一般的型式の磁気弾性センサー（ｍａｇｎｅ ｚｏｅｌａｓｚｉｃ　５ｅｎｓｏｒ　）を動作させる回路装置に関するものであ る。特にアモル７オス金属類または鉄・ニッケル合金のような、強磁性材料はそ れらに加えられた伸長または圧縮力の方向によってその導磁率を変化させる。磁 気弾性効果と呼ばれるこれは、力またはトルクを測定するために利用される。

測定対象物の導磁率の変化は、測定対象物に接近して設けられ、磁気結合を生じ させているセンサーコイルによって検出される。

よって知られている。交流電圧発生器は、交流電流のために前もって決められた 周波数において、抵抗器とセンサーコイルの直列回路を含む電圧駆動回路に給電 する。センサーコイル両端の電圧が検出され、そして分析される。測定されてい る対象の材料の導磁率の変化はセンサーコイル両端の電圧の変化となり、それに 測定されている対ａ！動物上憬孤的効果の６１１Ｊ定結果を表わすものである。

センサーコイルｒｌ＋１端の電圧は測定対象物の導磁率のみならず、磁気結合変 化をもたらすことから、センサーコイルと測定対象物間の距離にも依存している 。

このため、明確な力測定は、センサーコイルと測定対象物間の距離が一定である ことを前提としている。

磁気弾性センサーの設計においては、センサーコイルと測定対象物との間の距離 の変化を避けるか、または極めて小さな誤差に維持するために、相当の努力が払 われる。この問題にかなシの配慮をしたセンサー設計は、例えばドイツ特許出願 公開公報第３，４３６，６４３号から知ることができる。

本発明の利点 本発明による回路装置は、比較的に、センサーコイルと測定対象物との間の距離 の変化がセンサー信号にはとんど影響しないという利点ｔ−Ｗしている。

このセンサーコイルは、そのダンピングがダンピング抵抗によって決められるよ うな同調回路を形成するようにコンデンサーで補償されている。又流電圧発生器 がその同調回路にエネルイーを供給するように設けられる。

ダンピング抵抗の抵抗イ直、センサーコイルのインダクタンス、コンデンサーの 容量および５！泥電圧発生器の周波数は、測定対象物として与えられた材料に関 して、距離の変化がほとんどセンサー信号に何の影響も生じさせないように互い に振合されている。

主請求の範囲（メインクレーム）に明記式れた回路装置のさらに発展した利点は 従属の請求範囲（サブクレーム）に示された計測用機器によって可能となる。

この同調（共振）回路は、直列または並列同調（共振）回路として構成できる。

ダンピング抵抗が、コンデンサーとセンサーコイルからなる並列同調回路に直列 に接続されると、特に有利である。同調回路と変流電圧発生器との間に必要とな るかも知れない整合抵抗は、この変形の回路に関しては余分なものである。

センサーコイルに現われるセンサー信号は適切に整流され、引き続くフィルター 回路で直流電圧に変換されて、次の直流電圧増幅器において適当な値に増幅され る。

ローパスフィルター装置が直流電圧増幅器とフィルター回路との間に設けられれ ば有利である。

本発明による回路装ｆｌは、機械的に精密な部品が不振であるために、センサー 設計徊既においては多大な節約をもたらす。回転部品のトルクの検出も簡単な手 法で可能となる。従来、いくらかのセンサーはこの測定を実施するために必要と されてきた。

本発明による回ｗ１装置の、さらなる詳細や長所の展開は以下の！５！明におい てなされる。

図面類 ＆１図は、センサーコイルと測定されるべき対象物とを含む磁気外性センサー（ ｍａｇｎｅもｏｅｌａｓｚｔｃ　ｓｅｎｓｏｒ）を示し、第２図は、第１図の磁 気弾性センサーを動作させるための、本発明による回路装置を示し、そして第３ 図は、第２図に示した交流電圧発生器の周波数の関数としてのセンサーコイル両 端における測定電圧を示す。

図示された実施例の説明 第１図は、磁気弾性効果を生ずる材料を含む測定されるべき対象物１０を示して いる。

張力１２が測定されるべき対象物１０に加えられる。

センサーコイル１６は測定されるべき対象物１０から距離１４の位置に配置され ている。

第２図は、又流電圧発生器２２と内部抵抗２４からなる交流電圧エネルギー源２ ０を示している。

この交流電圧は２つの端子２６．２８において利用される。センサーコイル１６ とコンデンサー３０からなる並列回路はダンピング抵抗３２を介して２つの端子 ２６．２８に接続されている。

センサ７信号３４は、センサーコイル１６の両端で＠シ出すことができる。この センサー信号３４はダイオード３６を通して、フィルターコンデンサー４０とシ ャント抵抗４２からなるフィルター回ｗ１３８に供給される。

フィルターされた信号電圧４４は、抵抗器４８とローパスコンデンサー５０で形 成されるローパスフィルター装置４６を通過して増幅器ｆ［５２に違する。

増幅器路５２は、その利得係数が２つの抵抗器５６゜５８によって設定される反 転演算増幅回路５４として構成される。

第３図は、交流電圧発生器２２０周波数（ｆ）とセンサー信号３４　（ｕ）との 間の関数的関係を示している。

センサーコイル１６と測定されるべき対象物１０との間の距離１４の変化および 張力１２の変化がパラメーターとして与えられている。２つの曲線６０．６２は センサーコイル１６と測定されるべき対象物１０との間の距離１４の変化に基づ いたもので、どちらの鳩舎も測定されるべき対象物１０には張力１２Ｆｉ加えら れていない。

曲線６０は曲線６２よりも大きな距離１４に基づいたものである。この２つの曲 １Ｉｊ６０．６２Ｆｉ交点６４において変わっている。

２つの１愉６６．６８は張力１２が測定されるべき対象物１０に加えられる時に 得られる。

曲縁６６は曲線６８よシも大きな距離の１４に基づくものである。２つの曲−＆ ＆、６Ｂは交点７０で又わっている。交点６４．７０の２つの点は、座標の方向 においてほとんど互いに同じ細土にある。それらは又流電圧発生器２２の周波数 Ｆにおいて埃われる。

第２図による回路装置の効果は、変化する距離１４と糧々の張力１２ｔ−基にし た測定錫塩に圓して、第３図に示した曲軸を参照しなから許細に説明される。

交流電圧エネルギー源２０はセンサーコイル１６中に電流を生じさせる。電流が 通過するセンサーコイル１６０巻線によって発生する交流磁界は測定されるべき 対象物１０と相互に影響して、センサーコイル１６の電気的特性が測定されるべ き対象物１０によって左右される。

最初に、測定されるべき対象物１０の導磁率はセンサーコイル１６のインダクタ ンスを決定する。

強磁性材料の導磁率は伸長または圧縮負荷およびねじれ変形によって変化するの で、測定されるべき対象物１０の機械的ストレス状態は非接触の方法で測定する ことができる。

測定されるべき対象物１０は、例えば、完全に強磁性材料で作ることもできるが 、また非強磁性部分の表面に薄い強磁性材料の層を加えることも可能である。

センサーコイル１６のインダクタンスはまた、コイル１６と測定されるべき対象 物との間の距離の関数でもある。

短かい距離はより高いインダクタンスを得る。

センサーコイル１６の電気的特性は、第２の作用によって決められる。交流磁界 は測定されるべき対象物１０の金挑衣面に渦電流を生じさせ、それにインダクタ ンスを低下させる。渦電流の影響もｌた、センサーコイル１６と測定されるべき 対象物１θとの間の距離の関数である。

両方とも、距離１４が減少するに伴い、影響は増大する。

第３図に示された曲線６０は、センサーコイル１６と測定されるべき対象物１０ との間の距離１４が特定の値、例えば０．６１１である時に得られるものである 。

交流電圧センサー信号３４の振幅は、交流電圧発生器２２０周波数ｆの関数とし て我わされる。

初期的には、測定されるべき対象物１０１１無負荷であシ、そして何の張力１２ も作用していないと考えられる。

張力１２が加えられると、曲線６０は曲線６６に、距離１４は０．６ｓｏｉのま まで、変化する。

曲ｍ６０のピークに比べると、曲−６６のピークはより高い周波数ｆに相当する よう移動している。

示されている例においては、測定されるべき対象物１０に作用する張力１２は、 導磁率を低下させる。

材料によって、導磁率が増加することもあシ得る。

２つの曲−６２，６８によって示される結果を持つ２つの測定処ｍは、例えば０ ．２　ｍの、より短かい、コイル１６と測定さ１するべき対ａ！物１０との間の Ｔ＆離１４において靭られたものである。

より短かい距離１４は、渦電流の影Ｊ１１を増加させ、そして同時にセンシング コイル１６上の、測定されるべき対象物１０の導ａ１率の影響も増加させる。

結果として、曲−６２でにそのピークが、ａａｂ６θのそれに比べて、よシ低い 周波数ｆに向かって移動していると考えられる。２つの曲ＩＩｆＡ６０．６２は 特定の周波数Ｆにおいて交点６４を持つことになる。

張力１２の作用は、曲線６２から始まシ、結果として曲線６８で示される曲ｌｉ Ｍまで導く。

張力１２は、測定されるべき対象物１０の導磁率を低下させ、その結果として、 曲線６８のピークは曲線６２のｔ−りに比べてよシ高い周波数ｆに向かって移動 する。

曲線６８は、はとんど周波数Ｆである交点７０において曲線６６と交わる。

周波数ｆの関数である測定臼に６０．６２．６６　。

６８は、特定の周波数Ｆにおいては、センサー信号３４の振幅がほとんど測定さ れるべき対象物１０の機械的ストレス状態のみに依存し、センサーコイル１６と 測定されるべき対象物１０との間の距離１４には無関係となることを示している 。

２つの交点６４および１０は、正確にではないが近似的には特定の周波数Ｆ上に 存在する。

交点６４．７０の位置は測定されるべき対象物１０の材料の特性に依存するもの であり、それは永続的に、前もって決められるものである。距離に胸する測定結 果の依存度は、値Ｆとなるように測定局波数ｆ　ｋ　、センシングコイル１ｂの インダクタンスヲ、コンデンサー３０の容量を、そしてダンピング抵抗３２の抵 抗値を、適切に選択することによシ、大きく除去することができる。

実験的に見出された値は永続的にセットされ、測定されるべき対象物１０の特定 の材料に適用される。

特定の周波数Ｆを持つ交流電圧として現われるセンサー信号３４Ｆｉ、ダイオー ド３６によって整流される。

フィルター部（Ｘ子）３８は整流された、パルス状の又互電圧を平滑化する。フ ィルターコンデンサー４０は、並列に接続されるシャント抵抗４２によって補償 される。シャント抵抗４２がなければ、これは単にピーク値検出を可能とするに 過ぎない。信号中に残っているあらゆるリップルが、抵抗／コンデンサー４８゜ ５０の組合せで構成されるローパスフィルター４６によって除去される。ローパ スフィルターの後で現われる直流電圧は増幅器［５２中で望ましい信号レベルま で増幅され、そしてその信号電圧がセンサー電圧３４に関して比例しているか、 またにはとんど比例している値とみなされる。演算増幅器５４を含む反転増幅回 路が用いられており、その利得係数は２つの抵抗器５６および５８によって公知 方法でセットすることができる。

第２図に示すような、センシングコイル１６とコンダン？−３０からなる並列同 調回路の代わシに、直列同調回路を用いることも可能である。直列同調回路にお い℃も、センサー信号３４はセンシングコイル１６の両端から取シ出される。

第２図に示された並列同調（共振）回路においてはダンピング抵抗３２Ｆｉ、も し交流電圧エネルギー源２０が電流源として構成されているならば、センシング コイル１６と並列に接続することもできる。

第２図に示した回路の変形では、ダンピング抵抗３２Ｆｉ並列同調回路に直列に 接続され、交流電圧エネルギー源２０は、内部抵抗２４を持つ交流電圧発生器２ ２として構成できるという利点を発揮する。

この設計が、実際に存在する条件に多分に該当する。

国際調査報告 λＮＮＥＸ　Ｔｏ　：Ｈ二　！ＮＴＥ：＜’ＪＡＴｒＣＮＡＬ　５ＥＡＲＣＦ、 ＲＥ：’ＣＲＴ　ＯＮ！ＮＴＥＲＮＡＴ：０ＮＡＬ　ＡＰＰｒ＋ＺＣＡＴ工ＯＮ 　Ｎｏ、　？Ｃ”：／ＤＥ　ε７１００２３６　（ＳＡ　１７２６ａ）ＤＥ−Ａ −３４１７５１９コ　１８１０７／１３５　８ｏｎｅ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．センサーコイルが、測定さ九るべき対象物の導磁率の変化に応答する形の磁 気弾性センサを動作させるための回路装置であって、センサーコイルに給電する 交流電圧源とセンサーコイル両端から取出すことのできる信号を分析するための 装置とを備えたセンサーコイルに配置された抵抗器を有する回路装置において、 センサーコイル（１６）がコンデンサー（３０）に配属されており、またセンサ ーコイル（１６）に配属されている抵抗（２４，３２）の抵抗値、センサーコイ ル（１６）のインダクタンス、コンデンサー（３０）の容量、および交流電圧源 （２０）の周波数（ｆ）とが互いに、センサーコイル（１６）と測定されるべき 対象物（１０）との間の距離（１４）の変化がセンサー信号にほとんど何の影響 も与えないように整合されていることを特徴とする回路装置。 ２．センサーコイル（１６）に配属されている抵抗が、交流電圧源（２０）の内 部抵抗（２４）とダンピング抵抗（３２）から合成される抵抗であるような、請 求の範囲第１項記載の回路装置。 ３．ダンピング抵抗（３２）、コンデンサー（３０）およびセンシングコイル（ １６）が直列に接続された直列同調回路を備えているような、請求の範囲第１項 または第２項記載の回路装置。 ４．ダンピング抵抗（３２）、コンデンサー（３０）およびセンシングコイル（ １６）が並列に接続された並列同調回路を備えているような、請求の範囲第１項 または第２項記載の回路装置。 ５．ダンピング抵抗（３２）がコンデンサー（３０）とセンシングコイル（１６ ）の並列回路に直列に接続されているような、請求の範囲第１項および第２項記 載の回路装置。 ６．交流電圧源（２０）が電圧源（２２）と内部抵抗（２４）の直列回路である ような、請求の範囲第１項から第５項までの１つに記載の回路装置。 ７．交流電圧源（２０）が交流電流発生器（２２）と内部抵抗（２４）の並列回 路を有するような、請求の範囲第１項から第５項までの１つに記載の回路装置。 ８．センシングコイル（１６）両端に生じるセンサー信号（３４）がダイオード （３６）によつて整流され、そしてコンデンサー（４０）とシヤント抵抗（４２ ）の並列回路を持つ、引き続くフイルター回路（３８）において平滑されるよう な、請求の範囲第１項から第７項までの１つに記載の回路装置。 ９．増幅回路（５２）が、平滑されたセンサー電圧を増幅するために備えられて いるような、請求の範囲第１項から第８項までの１つに記載の回路装置。 １０．ローパスフィルター（４６）が増幅回路（５２）とフィルター回路（３８ ）との間に設けられているような、請求の範囲第９項記載の回路装置。