WO2002086435A1 - Berührungslose magnetoelastische sensoren - Google Patents

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WO2002086435A1
WO2002086435A1 PCT/EP2002/004295 EP0204295W WO02086435A1 WO 2002086435 A1 WO2002086435 A1 WO 2002086435A1 EP 0204295 W EP0204295 W EP 0204295W WO 02086435 A1 WO02086435 A1 WO 02086435A1
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sensor
sensor element
frequency
transmitter
receiver
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PCT/EP2002/004295
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Eckhard Quandt
Markus Löhndorf
Michael Tewes
Alfred Ludwig
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Stiftung Caesar
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    • G01B—MEASURING LENGTH, THICKNESS OR SIMILAR LINEAR DIMENSIONS; MEASURING ANGLES; MEASURING AREAS; MEASURING IRREGULARITIES OF SURFACES OR CONTOURS
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    • G01B7/16—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge
    • G01B7/24—Measuring arrangements characterised by the use of electric or magnetic techniques for measuring the deformation in a solid, e.g. by resistance strain gauge using change in magnetic properties
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
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    • G—PHYSICS
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    • G01L9/16—Measuring steady of quasi-steady pressure of fluid or fluent solid material by electric or magnetic pressure-sensitive elements; Transmitting or indicating the displacement of mechanical pressure-sensitive elements, used to measure the steady or quasi-steady pressure of a fluid or fluent solid material, by electric or magnetic means by making use of variations in the magnetic properties of material resulting from the application of stress
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    • G01N19/00—Investigating materials by mechanical methods
    • G01N19/02—Measuring coefficient of friction between materials

Definitions

  • the present invention relates to a sensor system for measuring variable physical quantities in the case of a moving object, in particular a vehicle tire in use.
  • the invention also relates to a method for operating the system.
  • the object of the present invention is to provide a reliable and robust system of the type mentioned, which can be implemented inexpensively with simple means and which delivers precise measurement results. It is also an object of the invention to provide a method for operating the system. These objects are achieved by a system according to claim 1 and by the method according to claim 8. Advantageous embodiments are mentioned in the subclaims.
  • the basic idea of the invention of the contactless measuring system is based on the use of a sensor having a magnetoelastic alloy and a transceiver unit for applying electromagnetic radiation to the sensor, as is known, for example, from radar technology.
  • a test specimen sensor element
  • magnetoelastic material in particular a tape or wire made of a ferromagnetic amorphous alloy
  • the test specimen is irradiated with electromagnetic waves via the transmitter-receiver unit located outside the object and the echo generated by the test specimen is recorded.
  • an evaluation unit is used, which is assigned to the transmitter-receiver unit and which determines the elongation state of the test specimen as a physical variable from the difference between the transmitted and the received signals.
  • a key element of the invention is the remotely interrogable magnetoelastic sensor, which provides information about its changing elongation on the object, in particular — determines the road condition — attached to the tire.
  • the sensor element can be vulcanized into the tire, for example, while the transmitting and receiving unit is located in the wheel arch.
  • the results shown below make it clear that sensors for mechanical quantities that can be remotely interrogated can be easily realized with magnetoelastic materials and a high-frequency transmitter / receiver unit.
  • the system described allows measurements with a bandwidth of 2 kHz, this limitation being predetermined by the low-frequency magnetic field and in principle not constituting a limit.
  • the magnetoelastic materials used (in particular wires) allow a measurement in the stretch range up to 0.2%.
  • the application presented here as a tire sensor is advantageously a suitable preload to be able to measure both tensile and compressive stresses.
  • the measurable strain range depends on the magnetoelastic material used. Since the maximum elongation in the wire reaches more than 1%, the measuring range can be increased by targeted material selection or material development.
  • Magnetic interference fields in particular constant fields, represent an important disturbance variable for such sensors.
  • the amplitude of the alternating field is sufficient to modulate the magnetic material against the interference fields from zero field to saturation, the influence of the interference field can be neglected.
  • the principle dependency of the sensor signal on the location of the measurement object in the case of moving objects such as tires due to phase shifts in the high-frequency field or the inhomogeneity of the low-frequency bias magnetic field is advantageously taken into account when designing the measurement system. It is also conceivable to use other cross-sensitivities such as to decrease the temperature. It is also possible to transfer the measuring principle to other fields of application.
  • FIG. 2 shows a diagram of the system
  • FIG. 3 shows an embodiment of the system
  • FIG. 4 shows a signal sequence with a Fourier spectrum
  • FIG. 5 shows a diagram of the signal amplification
  • FIG. 6 measurement data
  • Figure 7 is a graph (dependence of the signal on the elongation)
  • Figure 8 is a graph (dependence of the signal on the roll path).
  • Figure 1 shows a schematic representation of the inverse magnetostrictive effect.
  • a change in stress or strain leads to a shear in the magnetization curve (left), the strongly drawn curve representing a high stress and the broken curve representing a lower stress.
  • This leads to a change in the differential permeability ⁇ d dM / dH (right), the line widths corresponding to the left figure.
  • the magnetostrictive effect (Villari effect) means that a change in the mechanical stress state ⁇ of the magnetoelastic material 1 causes a change in its permeability ⁇ .
  • the magnetoelastic element 1 (wire or layer) can serve simultaneously as a sensor and as an antenna, the change in permeability causing a change in the impedance Z of the antenna (FIG. 2).
  • the element 1 modulates the signal 5 emitted by a transmitter 2, a receiver 3 receiving the modulated signal 4.
  • a mechanical tension ⁇ via the magnetoelastic effect leads to a change in the permeability ⁇ , which influences the impedance Z and thus the resistance R via the skin effect and the GMI effect.
  • the magnetostrictive material forms the magnetic core of an LC resonant circuit, the resonance frequency of which shifts as a result of the change in permeability via the inductance of the coil.
  • the first approach is examined in more detail.
  • the measuring principle is based on a combination of the magnetoelastic effect and an associated change in the radar reflectivity.
  • the magneto-elastic material is operated directly as an antenna.
  • magneto-elastic Materials can be used to use ribbons or wires made of ferromagnetic amorphous alloys or thin-film systems. Thin layers are particularly suitable for integrated LC resonant circuits.
  • the magnetoelastic materials to be used advantageously have a ferromagnetic cutoff frequency which is significantly above the working frequency (for example 2.45 GHz). Furthermore, they advantageously have a sufficiently large inverse magnetostrictive effect at this operating frequency. In the area of thin layers, these requirements can be met well by the production of multi-layer layers.
  • the measuring system shown schematically in FIG. 3 consists of a magnetoelastic sensor element 6, which has a magnetic layer 7 and which detects changes in the mechanical stress state locally.
  • a sensor element 6 can be located in or on the tire, for example.
  • the system has a transmitter / receiver unit 8 and a coil 9 for generating a magnetic modulation field (bias field) in order to separate the measurement signal from interference signals originating from other reflecting parts.
  • the modulation field is generated by means of an LF oscillator 10 and an amplifier 11.
  • the transmitting / receiving unit 8 has an antenna 12 and a module 14 for processing the signals.
  • a wave 13 generated by the transmitting / receiving unit 8 is reflected on the sensor element 6 and returned as a reflection wave 15.
  • This measuring system is suitable for the remotely readable detection of the elongation state in magnetoelastic sensor elements.
  • the received signal is evaluated either analogously or in a PC or microcontroller.
  • the ISM frequency bands (industrial scientific and medical applications) at 433 MHz and 2.45 GHz are particularly suitable for querying the sensors.
  • the required transmission powers are typically in the range of 1 ⁇ W to 10 mW, depending on the working distance and the required immunity to interference.
  • the signal reflected by the sensor is modulated with a frequency in the kHz range.
  • the receiver has the task of amplifying this signal and then demodulating it. Depending on the particular measuring task, either amplitude modulation is sufficient or a quadrature demodulator is required.
  • the need for quadrature demodulation can arise in systems with moving components.
  • the useful signal from the sensor element and the interference signals from the other components will not have the same phase position, since they are reflected by the antenna at different distances.
  • a change in distance of 1.5 cm between the antenna and the sensor element leads to a phase shift of 90 °, which leads to signals that cannot be interpreted, in particular if the interference signal is significantly larger than the useful signal.
  • An amplitude demodulator is therefore unsuitable for fields of application in which no defined phase position can be ensured.
  • a problem with the proposed measuring principle arises in that not only the sensor element itself, but also other components in the vicinity of the sensor reflect part of the power emitted by the transmitter.
  • the amplitude of the received signal can vary regardless of the voltage state of the sensor. Interference from moving objects or damping from environmental influences are responsible for this. However, these influences can be eliminated by suitable signal processing.
  • the ⁇ -H characteristic curve of permeability shown in FIG. 1 is periodically traversed by the magnetic modulation field.
  • the demodulator generates the signal curves shown on the left in FIG. At each zero crossing of the modulation field, the signal shows a peak whose width depends on the voltage state of the sensor.
  • the amplitude spectrum of the narrow tips decays much more slowly than that of the broad ones ( Figure 4, right).
  • the amplitude ratio of two suitable overtones is therefore a measure of the expansion of the sensor and is insensitive to fluctuations in the overall amplitude.
  • FIG. 5 shows such filters 16 a and 16 b, to which the signal received by the antenna 17 is applied, the signal being processed by a preamplifier 18 and a demodulator 19.
  • the amplitude and thus the power in the corresponding frequency bands is generated by (quadratic) rectification with rectifiers 20 of the filter outputs.
  • the formation of the quotient and the linearization of the characteristic curve can then be carried out in a microcontroller without great computation effort.
  • the circuit for signal evaluation shown in FIG. 5 initially amplifies the signal reflected by the sensor, which is then demodulated.
  • the demodulated LF signal passes through two high-pass filters with different cut-off frequencies.
  • the characteristics of the filters 16a and 16b are shown schematically in FIG. 5a, the characteristics being superimposed on the Fourier spectra from FIG.
  • two measured variables are generated, namely the total amplitude of the LF signal (A > 2K H Z ) and the relative proportion of the frequency components above 4.5 kHz
  • FIG. 6 shows results that were achieved when magnetoelastic sensors were integrated into car tires.
  • a sensor was developed that continuously transmits data relating to the forces occurring in the contact area with the road while the tire is rolling. The requirements for the absolute accuracy of the measurement are relatively low.
  • rapid changes in forces can be resolved. These rapid local changes in force occur e.g. when a stud touches the road or when the stud traverses an area of the tire flap in which a transition from static to sliding friction takes place. An evaluation of this data provides important information about the adhesion potential.
  • the measurements presented here were carried out on a test bench in which two tires roll on each other, the upper tire being mounted by means of a car wheel suspension.
  • the axle load of the upper tire can be continuous can be varied from 0 to 3000 N.
  • the sensors consist of 2 cm long amorphous Fe-Co-based wires with a diameter of 27.5 ⁇ m and an approx. 5 m thick glass jacket. They are glued to the profile floor in the tangential direction between the studs. Since the steel belt of the tire strongly shields the radio waves, copper wires 30 cm long are soldered to both ends of the sensor wire, which lead through the profile to the outer wall of the tire and are fastened there in the form of a dipole antenna.
  • the transmitting and receiving antennas and the coil for the magnetic modulation field are located 5 cm to the side of the tire and 12 cm above the imaginary road surface on the wheel suspension.
  • the modulation coil has a 20 cm long layered steel core with a 3x3 cm 2 cross section.
  • the coil is driven in such a way that it generates a modulation field of 200 ⁇ T amplitude with a frequency of 1.5 kHz under the tire.
  • the antennas consist of circular wire loops with a diameter of 8 cm, which are not tuned to the working frequency. By using working frequencies of 433 MHz and lower, the sensor is in the near field of the antennas.
  • An amplitude demodulator is used based on the relationships previously discussed.
  • FIG. 6 shows the change in the demodulated signal as a result of a changing load (20N and 1200N) when the tire is stationary.
  • the change in the received signal due to a static load when the tire is stationary is shown.
  • the sensor is located approx. 2 cm in front of the tire contact area. It can be clearly seen how the signal peaks are rounded off with increasing elongation.
  • the further processing of the demodulated signal takes place on a computer.
  • the signal is first digitized with a sampling frequency of 200 kHz and then, as described, filtered using two IIR (Infinite Impulse Response) high-pass filters of the second order.
  • the cutoff frequencies were 2 kHz and 4.5 kHz.
  • FIG. 7 shows the output amplitude (root mean square) of the 2 kHz filter ( > 2 kHz) and the ratio of the two amplitudes (A > 4] 5 kHz Z / A > 2 Hz ) as a function of a defined elongation of the wire.
  • a further stretch leads to a further flattening of the ⁇ -H characteristic, which leads to a reduction in the modulation depth.
  • the high-frequency components (> 4l 5 Hz / A > 2kHz) of the signal also only decrease up to an elongation of 0.2%.
  • the usable working range of the sensor is defined by kinking the characteristic curve at 0.2% elongation.
  • Figure 8 shows measurements on the rotating tire for different axle loads.
  • the curves above the solid line correspond to a compressive stress, below the line a tensile stress. Shown are data recorded on a rotating tire with different axle loads. Since the sensor wire is applied to the tire surface with a prestress, it is possible to determine both strains and compressions in the tire.
  • the 0 N curve serves as a reference for the de-energized state. It is not constant in the edge areas, since the amplitude of the modulation field drops there. As expected, the width of the contact zone increases with increasing axle load. The tire is flattened in the contact zone, which leads to compression of the rubber in the tread base.
  • the rubber is stretched in the areas in front of and behind the contact zone, since the local curvature of the profile surface is greater than in the unloaded case. With axle loads over 100 N, the rubber in the contact area is compressed so much that the pretension of the sensor wire is completely eliminated. There is no usable data in this area. This area can be seen in the 720 N and 1340 N curves as a noisy straight line in the middle of the plot.

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Abstract

Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischen Größen an einem bewegten Objekt, aufweisend: einen im oder am Objekt befindlichen Probekörper (Sensorelement) aufweisend magnetoelastisches Material, insbesondere ein Band oder Draht aus einer ferromagnetischen amorphen Legierung; einen außerhalb des Objektes befindlichen Sender, der den Probekörper mit elektromagnetischen Wellen einer Arbeitsfrequenz bestrahlt; einen außerhalb des Objektes befindlichen Empfänger, der das vom Probekörper erzeugte Echo aufnimmt; und eine dem Sender und/oder Empfänger zugeordnete Auswerteeinheit, die aus dem Unterschied der gesendeten und der empfangenen Signale den Dehnungszustand des Probekörpers als physikalische Größe ermittelt.

Description

Berührungslose magnetoelastische Sensoren
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischer Größen bei einem bewegten Objekt, insbesondere einem im Einsatz befindlichen Fahrzeugreifen. Die Erfindung betrifft zudem ein Verfahren zum Betreiben des Systems.
Die bei Automatisierung und Prozeßoptimierung wachsende Notwendigkeit, mechanische Größen wie Dehnungen und Spannungen präzise messen zu können, hat zu einer stark wachsenden Nachfrage nach entsprechenden Sensorsystemen geführt. Von besonderem Interesse sind kontaktlos auslesbare Sensoren zur Messung mechanischer Größen an rotierenden oder an schwer zugänglichen Objekten. Beispiele dafür sind die Messung des Drehmoments an rotierenden Wellen, die Messung des Drucks in chemischen Reaktoren oder die Messung des Kraftschlusses zwischen einem Reifen und der Straße. Die bislang bekannten Systeme sind jedoch zu aufwendig und ungenau und lassen sich in Serienprodukten wie in Kraftfahrzeugen nur bedingt einsetzen.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, ein zuverlässiges und robustes System der genannten Gattung zu schaffen, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen läßt und das genaue Meßergebnisse liefert. Ebenso ist es Aufgabe der Erfindung, ein Verfahren zum Betrieb des Systems zu schaffen. Diese Aufgaben werden durch ein System nach Anspruch 1 und durch das Verfahren nach Anspruch 8 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen sind in den Unteransprüchen genannt.
Der grundlegende Gedanke der Erfindung des berührungslosen Meßsystems beruht auf der Verwendung eines Sensors aufweisend eine magnetoelastische Legierung sowie einer Sende-Empfangseinheit zur Beaufschlagung des Sensors mit elektromagnetischer Strahlung, wie es beispielsweise aus der Radartechnik bekannt ist. Dabei wird in oder an dem bewegten Objekt beispielsweise am Reifen ein Probekörper (Sensorelement) aufweisend magnetoelasisches Material, insbesondere ein Band oder Draht aus einer ferromagnetischen amorphen Legierung, angebracht. Über die außerhalb des Objektes befindliche Sender- Empfängereinheit wird der Probekörper mit elektromagnetische Wellen bestrahlt und das vom Probekörper erzeugte Echo aufgenommen. Zur Auswertung der aufgenommenen Signale wird eine Auswerteeinheit eingesetzt, die der Sender- Empfängereinheit zugeordnet ist und die aus dem Unterschied der gesendeten und der empfangenen Signale den Dehnungszustand des Probekörpers als physikalische Größe ermittelt.
Ein Kernstück der Erfindung ist dabei der fernabfragbare magnetoelastische Sensor, der über seine sich verändernde Dehnung am Objekt Informationen liefert, insbesondere -im Reifen angebracht- den Straßenzustand bestimmt. Das Sensorelement kann beispielsweise im Reifen einvulkanisiert werden, während sich die Sende- und Empfangseinheit im Radkasten befindet. Mit der Erfindung wird ein System geschaffen, das sich mit einfachen Mitteln kostengünstig umsetzen läßt und das bei hoher Zuverlässigkeit genaue Meßergebnisse liefert.
Die nachfolgend dargestellten Ergebnisse verdeutlichen, daß sich mit magnetoelastischen Materialien und einer Hochfrequenz-Sende/Empfangseinheit fernabfragbare Sensoren für mechanische Größen einfach realisieren lassen. Das beschriebene System erlaubt Messungen mit einer Bandbreite von 2 kHz, wobei diese Beschränkung durch das niederfrequente Magnetfeld vorgegeben ist und prinzipiell keine Grenze darstellt. Die verwendeten magnetoelastischen Materialien (insbesondere Drähte) erlauben eine Messung im Dehnungsbereich bis 0, 2%. Für die hier vorgestellte Anwendung als Reifensensor ist vorteilhafter Weise eine geeignete Vorspannung zu wählen, gm sowohl Zug- als auch Druckspannungen messen zu können. Der meßbare Dehnungsbereich hängt dabei von dem verwendeten magnetoelastischen Material ab. Da die maximale Dehnung im Draht mehr als 1 % erreicht, kann der Meßbereich durch gezielte Materialauswahl bzw. Materialentwicklung noch vergrößert werden.
Eine wesentliche Störgröße für derartige Sensoren stellen magnetische Störfelder, insbesondere Gleichfelder, dar. Solange jedoch die Amplitude des Wechselfeldes ausreicht, das magnetische Material gegen die Störfelder vom Nullfeld bis zur Sättigung zu modulieren, kann der Störfeldeinfluss vernachlässigt werden. Die prinzipielle Abhängigkeit des Sensorsignals vom Ort des Meßobjekts bei bewegten Objekten wie Reifen aufgrund von Phasenschiebungen des Hochfrequenzfeldes oder der Inhomogenität des niederfrequenten Bias- Magnetfeldes, werden vorteilhafter Weise bei der Gestaltung des Meßsystems berücksichtigt. Weiterhin ist es denkbar, andere Querempfindlichkeiten wie z.B. die Temperatur zu verringern. Zudem ist es möglich, das Meßprinzip auf andere Applikationsfelder zu übertragen.
Die Erfindung wird nachfolgend anhand der Figuren 1 bis 8 näher beschrieben. Es zeigen:
Figur 1 den inversen magnetostriktiven Effekt,
Figur 2 ein Schema des Systems,
Figur 3 ein Ausführungsform des Systems,
Figur 4 eine Sgnalfolge mit Fourierspektrum,
Figur 5 ein Schema der Signalverstärkung,
Figur 6 Meßdaten,
Figur 7 ein Schaubild (Abhängigkeit des Signales von der Dehnung) und
Figur 8 ein Schaubild (Abhängigkeit des Signales vom Abrollweg). Die Figur 1 zeigt eine schematische Darstellung des inversen magnetostriktiven Effekts. Dabei führt eine Spannungs- oder Dehnungsänderung zu einer Scherung der Magnetisierungskurve (links), wobei die stark gezeichnete Kurve eine hohe Spannung und die unterbrochen gezeichnete Kurve eine geringere Spannung repräsentiert. Dies führt zu einer Änderung der differentiellen Permeabilität μd = dM/dH (rechts), wobei die Strichstärken mit der linken Figur korrespondieren. Der magnetostriktive Effekt (Villari-Effekt) besagt, daß eine Änderung des mechanischen Spannungszustandes σ des magnetoelastischen Materials 1 eine Änderung seiner Permeabilität μ hervorruft. Diese Permeabilitätsänderung führt zu einer Änderung der Radarreflektivität des Sensorelements, die auf den sogenannten 'giant-magneto-impedance' (GMI) Effekt zurückzuführen ist. Dabei ändert sich die Skineindringtiefe und damit der Ohmsche Widerstand R respektive die Impedanz Z des magnetischen Werkstoffes. Voraussetzung ist, daß die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes hinreichend groß und so die Skineindringtiefe kleiner als die Werkstoffdimension ist. Damit hat der genannte Effekt eine Auswirkung auf den elektrischen Widerstand.
Das Meßkonzept läßt sich folgendermaßen darstellen: Das magnetoelastische Element 1 (Draht oder Schicht) kann in einem ersten Ansatz gleichzeitig als Sensor und als Antenne dienen, wobei die Änderung der Permeabilität eine Änderung der Impedanz Z der Antenne verursacht (Figur 2). Das Element 1 moduliert das von einem Sender 2 ausgesandte Signal 5, wobei ein Empfänger 3 das modulierte Signal 4 aufnimmt. So führt eine mechanische Spannung σ über den magnetoelasischen Effekt zu einer Änderung der Permeabilität μ, die über den Skineffekt und den GMI -Effekt die Impedanz Z und damit den Widerstand R beeinflußt. In einem anderen Konzept bildet das magnetostriktive Material den magnetischen Kern eines LC-Schwingkreises, dessen Resonanzfrequenz sich in Folge der Permeabilitätsänderung über die Induktivität der Spule verschiebt. Im Folgenden wird der erst genannte Ansatz näher untersucht.
Das Meßprinzip beruht auf einer Kombination des magnetoelastischen Effektes und einer damit verbundenen Änderung der Radarreflektivität. Das magneto- -elastische Material wird direkt als Antenne betrieben. Als magnetoelastische Materialien können Bänder oder Drähte aus ferromagnetischen amorphen Legierungen oder Dünnschichtsysteme verwendet werden. Für integrierte LC Schwingkreise eignen sich vorzugsweise dünne Schichten. Die zu verwendenden magnetoelastischen Werkstoffe weisen vorteilhafter Weise eine ferromagnetische Grenzfrequen∑ auf, die deutlich über der Arbeitsfrequenz (z.B. 2,45 GHz) liegt. Weiterhin weisen sie vorteilhaft bei dieser Arbeitsfrequenz einen hinreichend großen inversen magnetostriktiven Effekt auf. Im Bereich dünner Schichten lassen sich diese Anforderungen gut durch die Herstellung von Viellagenschichten erfüllen.
Das in Figur 3 schematisch dargestellte Meßsystem besteht aus einem magnetoelastischen Sensorelement 6, das eine magnetische Schicht 7 aufweist und das Änderungen des mechanischen Spannungszustandes lokal detektiert. Ein solches Sensorelement 6 kann beispielsweise sich im oder am Reifen befinden. Das System weist eine Sende/Empfangseinheit 8 und eine Spule 9 zur Erzeugung eines magnetischen Modulationsfeldes (Biasfeld) auf, um das Meßsignal von Störsignalen, die von anderen reflektierenden Teilen herrühren, zu trennen. Das Modulationsfeld wird vermittels eines NF-Oszillators 10 und eines Verstärkers 1 1 erzeugt. Die Sende/Empfangseinheit 8 weist eine Antenne 12 und ein Modul 14 zur Verarbeitung der Signale auf. Eine von der Sende/Empfangseinheit 8 erzeugte Welle 13 wird am Sensorelement 6 reflektiert und als Reflexionswelle 15 zurückgesandt. Dieses Meßsystem eignet sich zur fernauslesbaren Detektion des Dehnungszustandes in magnetoelastischen Sensorelementen. Die Auswertung des empfangenen Signals erfolgt entweder analog oder in einem PC bzw, Mikrocontroller.
Bei der Auswahl einer geeigneten Arbeitsfrequenz für das Sensorsystem sind die Materialeigenschaften, die resultierende Wellenlänge sowie die internationalen Vorschriften zur Nutzung der Frequenzbänder zu berücksichtigen. Eine obere Grenzfrequenz ergibt sich durch die verwendeten ferromagnetischen Materialien. Heute verfügbare metallische magnetoelastische Werkstoffe weisen eine Resonanzfrequenz von maximal 7 GHz auf. Oberhalb dieses Resonanzbe reiches ist eine Nutzung des GMI-Effektes kaum möglich, da in diesem Fall die relative Permeabilität gleich „Eins" ist und daher durch mechanische Spannungen oder magnetische Felder nicht mehr moduliert werden kann. Eine Begrenzung zu niedrigen Frequenzen hin ergibt sich im Wesentlichen durch die für die Anwendung noch vertretbare Antennengröße.
Für Applikationen bei denen sich der Sensor selbst oder andere reflektierende Bauteile in dessen Umfeld bewegen, kann es von Vorteil sein, eher niedrige Frequenzen zu nutzen, so daß die Amplituden der Bewegungen im Bereich einer viertel Wellenlänge liegen. So werden starke Schwankungen in Amplitude und Phase des empfangenen HF-Signals vermieden, die aufgrund von variierenden Interferenzen zwischen Nutz- und Störsignalen entstehen. Aufgrund dieser Randbedingungen eignen sich besonders die ISM-Frequenzbänder (industrial scientific and medical applications) bei 433 MHz und 2,45 GHz zur Abfrage der Sensoren. Die erforderlichen Sendeleistungen liegen typischerweise im Bereich von 1 μW bis 10 mW, je nach Arbeitsabstand und geforderter Störfestigkeit.
Wie nachfolgend erläutert wird, ist das vom Sensor reflektierte Signal mit einer Frequenz im kHz Bereich moduliert. Der Empfänger hat die Aufgabe, dieses Signal zu verstärken und anschließend zu demodulieren. Abhängig von der jeweiligen meßtechnischen Aufgabenstellung ist entweder eine Amplitudenmodulation ausreichend, oder es wird ein Quadraturdemodulator benötigt.
Die Notwendigkeit zur Quadraturdemodulation kann sich in Systemen mit bewegten Komponenten ergeben. Im Allgemeinen werden das Nutzsignal vom Sensorelement und die Störsignale von den anderen Bauteilen nicht die gleiche Phasenlage haben, da sie in unterschiedlichen Entfernungen von der Antenne reflektiert werden. Bei einer Arbeitsfrequenz von 2,45 GHz führt bereits eine Abstandsänderung von 1 ,5 cm zwischen Antennen und Sensorelement zu einer Phasenverschiebung von 90°, die insbesondere dann, wenn das Störsignal wesentlich größer als das Nutzsignal ist, zu nicht interpretierbaren Signalen führt. Für Anwendungsfelder, bei denen keine definierte Phasenlage sichergestellt werden kann, ist daher ein Ampiitudendemodulator ungeeignet. Ein Problem bei dem vorgeschlagenen Meßprinzip ergibt sich dadurch, daß nicht nur das Sensorelement selbst, sondern auch anderen Bauteile im Umfeld des Sensors einen Teil der vom Sender emittierten Leistung reflektieren. Werden keine Gegenmaßnahmen getroffen, können bewegte Bauteile eine Änderung des Spannungs∑ustandes vortäuschen. Um diese Probleme zu umgehen, wird um das Sensorelement ein niederfrequentes magnetisches Wechselfeld erzeugt, das stark genug ist, das Sensorelement periodisch in die magnetische Sättigung zu treiben. Da die verwendeten Materialien magnetisch weich sind, genügen hierfür Amplituden von wenigen 100 μT. Das periodische Durchlaufen der magnetischen Hystereseschleife führt zu einer Modulation des reflektierten Signals mit der doppelten Frequenz des Modulationsfeldes (Figur 4). Das vom Empfänger detektierte reflektierte Signal des Sensorelementes ist mit dem Biasmagnetfeld (gestrichelte Linie) moduliert. Die Fouriertransformation (Figur 4, rechts) des Signals zeigt, daß das Amplitudenspektrum für den gedehnten Sensor wesentlich schneller abklingt. Die Reflektionen der anderen, nicht weichmagnetischen Bauteile werden dagegen nicht moduliert. Dies ermöglicht es, die Störsignale nach dem Empfänger mittels eines Band- oder Hochpaßfilters zu unterdrücken und damit nur die Signale des Sensorelements zu extrahieren.
Wie erwähnt, kann die Amplitude des empfangenen Signals unabhängig vom Spannungszustand des Sensors variieren. Verantwortlich hierfür sind z.B. Interferenzen durch bewegte Objekte oder die Dämpfung durch Umwelteinflüsse. Diese Einflüsse lassen sich jedoch durch eine geeignete Signalverarbeitung eliminieren. Durch das magnetische Modulationsfeld wird die in Figur 1 dargestellte μ-H-Kennlinie der Permeabilität periodisch durchlaufen. Der Demodulator erzeugt die in Figur 4 links dargestellten Signalverläufe. Bei jedem Nulldurchgang des Modulationsfelds zeigt das Signal eine Spitze deren Breite abhängig vom Spannungszustand des Sensors ist. Das Amplitudenspektrum der schmalen Spitzen klingt wesentlich langsamer ab, als das der breiten (Figur 4 rechts). Das Amplitudenverhältnis zweier geeigneter Obertöne ist somit ein Maß für die Dehnung des Sensors und unempfindlich gegen Schwankungen der Gesamtamplitude. Für eine einfache Auswertung genügt es, zwei Hochpaßfilter unterschiedlicher Grenzfrequenzen mit dem demodulierten Signals zu speisen. Figur 5 zeigt solche Filter 16 a und 16b, die mit dem von der Antenne 17 empfangenen Signal beaufschlagt werden, wobei das Signal durch einen Vorverstärker 18 und einen Demodulator 19 aufbereitet ist. Die Amplitude und damit die Leistung in den entsprechenden Frequenzbändern wird durch (quadratische) Gleichrichtung mit Gleichrichtern 20 der Filterausgänge erzeugt. Die Bildung des Quotienten und die Linearisierung der Kennlinie kann anschließend ohne hohen Rechenaufwand in einem Mikrocontroller erfolgen.
Die in Figur 5 dargestellte Schaltung zur Signalauswertung verstärkt zunächst das vom Sensor reflektierte Signal, das anschließend demoduliert wird. Das demodulierte NF-Signal durchläuft zwei Hochpassfilter mit unterschiedlichen Grenzfrequenzen. Die Kennlinien der Filter 16a und 16b sind in Figur 5a schematisch dargestellt, wobei die Kennlinien über die Fourierspektren aus Figur 4 gelegt sind. Durch Gleichrichtung des gefilterten Signals werden zwei Meßgrößen erzeugt, nämlich die Gesamtamplitude des NF-Signals (A>2KHZ) und der relative Anteil der Frequenzkomponenten oberhalb von 4,5 kHz
Figure imgf000010_0001
Figur 6 zeigt Ergebnisse, die bei der Integration von magnetoelastischen Sensoren in PKW-Reifen erzielt wurden. Dabei wurde ein Sensor entwickelt, der während des Abrollens des Reifens kontinuierlich Daten bezüglich der im Kontaktbereich zur Fahrbahn auftretenden Kräfte übermittelt. Dabei sind die Anforderungen an die absolute Genauigkeit der Messung relativ gering. Hingegen können schnelle Veränderungen der Kräfte aufgelöst werden. Diese schnellen lokalen Kraftänderungen treten z.B. auf, wenn ein Stollen die Fahrbahn berührt oder wenn der Stollen einen Bereich des Reifenlatsches durchläuft, in dem ein Übergang von Haft- zu Gleitreibung stattfindet. Eine Auswertung dieser Daten liefert wichtige Informationen über das Kraftschlusspotential.
Die hier vorgestellten Messungen wurden an einem Prüfstand durchgeführt, in dem zwei Reifen aufeinander abrollen, wobei der obere Reifen mittels einer PKW- Radaufhängung montiert ist. Die Achslast des oberen Reifens kann kontinuierlich von 0 bis 3000 N variiert werden. Die Sensoren bestehen aus 2 cm langen amorphen Fe-Co-Basis Drähten mit 27,5 μm Durchmesser und einem ca. 5 m dicken Glasmantel. Sie sind in tangentialer Richtung zwischen den Stollen auf den Profilboden geklebt. Da der Stahlgürtel des Reifens die Radiowellen stark abschirmt, sind an beide Enden des Sensordrahts Kupferdrähte von 30 cm Länge gelötet, die durch das Profil zur Außenwand des Reifens geführt und dort in Form einer Dipolantenne befestigt sind.
Die Sende- und Empfangsantennen sowie die Spule für das magnetische Modulationsfeld befinden sich 5 cm seitlich neben dem Reifen und 12 cm über der gedachten Fahrbahn an der Radaufhängung. Die Modulationsspule besitzt einen 20 cm langen geschichteten Stahlkern mit 3x3 cm2 Querschnitt. Für die Messungen wird die Spule so angesteuert, daß sie unter dem Reifen ein Modulationsfeld von 200 μT Amplitude mit einer Frequenz von 1 ,5 kHz erzeugt. Die Antennen bestehen aus kreisförmigen Drahtschleifen mit 8 cm Durchmesser, die nicht auf die Arbeitsfrequenz abgestimmt sind. Durch die Verwendung von Arbeitsfrequenzen von 433 MHz und niedriger befindet sich der Sensor im Nahfeld der Antennen. Aufgrund der vorher erörterten Zusammenhänge wird ein Amplitudendemodulator verwendet.
In Figur 6 ist die Änderung des demodulierten Signals in Folge einer sich ändernden Belastung (20N und 1200N) bei stehendem Reifen gezeigt. Gezeigt ist die Änderung des empfangenen Signals aufgrund einer statischen Last bei stehendem Reifen. Der Sensor befindet sich bei der Messung ca. 2 cm vor dem Kontaktbereich der Reifen. Deutlich ist zu erkennen, wie die Signalspitzen bei wachsender Dehnung abgerundet werden. Die weitere Verarbeitung des demodulierten Signals erfolgt auf einem Computer. Hierzu wird das Signal zunächst mit 200 kHz Abtastfrequenz digitalisiert und anschließend, wie beschrieben, mittels zweier IIR (Infinite Impulse Response) Hochpässe zweiter Ordnung gefiltert. Die Grenzfrequenzen betrugen 2 kHz und 4,5 kHz.
In Figur 7 ist die Ausgangsamplitude (quadratischer Mittelwert) des 2 kHz-Filters ( >2kHz) sowie das Verhältnis beider Amplituden (A>4]5kHz /A>2 Hz) als Funktion einer definierten Dehnung des Drahtes gezeigt. Zu sehen ist die Amplitude und Anteil der hochfrequenten Komponenten (A>4,5kHz /A>2kHz) im demodulierten Signal als Funktion der Dehnung des Sensordrahtes. Man erkennt, daß die Gesamtamplitude des Signals bis zu einer Dehnung von 0,2% ansteigt. An diesem Punkt ist das Demodulatorsignal nahezu sinusförmig, das Modulationsfeld reicht nicht mehr aus, um den Draht magnetisch zu sättigen. Eine weitere Dehnung führt zu einem weiteren Abflachen der μ-H-Kennlinie, was zu einer Reduktion der Modulationstiefe führt. Aus demselben Grund nehmen die hochfrequenten Anteile ( >4l5 Hz /A>2kHz) des Signals ebenfalls nur bis zu einer Dehnung von 0,2% ab. Durch das Abknicken der Kennlinie bei 0,2% Dehnung wird der nutzbare Arbeitsbereich des Sensors definiert.
Figur 8 zeigt Messungen am rotierenden Reifen für unterschiedliche Achslasten. Die Kurvenverläufe oberhalb der durchgezogenen Linie entsprechen dabei einer Druck-, unterhalb der Linie einer Zugspannung. Gezeigt sind Daten, die an einem rotierenden Reifen mit unterschiedlichen Achslasten aufgenommen sind. Da der Sensordraht mit einer Vorspannung auf die Reifenoberfläche aufgebracht ist, ist es möglich, sowohl Dehnungen als auch Stauchungen im Reifen zu bestimmen. Die 0 N Kurve dient dabei als Referenz für den spannungsfreien Zustand. Sie ist in den Randbereichen nicht konstant, da dort die Amplitude des Modulationsfelds abfällt. Wie erwartet, nimmt die Breite der Kontaktzone mit steigender Achslast zu. In der Kontaktzone wird der Reifen abgeflacht, was zu einer Stauchung des Gummis im Profilboden führt. In den Bereichen vor und hinter der Kontaktzone wird das Gummi gedehnt, da die lokale Krümmung der Profiloberfläche größer ist als im unbelasteten Fall. Bei Achslasten über 100 N wird der Gummi im Kontaktbereich so stark gestaucht, daß die Vorspannung des Sensordrahts vollständig abgebaut wird. In diesem Bereich erhält man keine verwertbaren Daten. Dieser Bereich ist in den 720 N und 1340 N Kurven als verrauschte Gerade in der Mitte des Plots zu erkennen.

Claims

Ansprüche
1. Sensorsystem zur Messung veränderlicher physikalischen Größen an einem bewegten Objekt, gekennzeic net durch,
- einen im oder am Objekt befindlichen Probekörper (Sensorelement) aufweisend magnetoelasisches Material, insbesondere ein Band oder Draht aus einer ferromagnetischen amorphen Legierung,
- einen außerhalb des Objektes befindlichen Sender, der den Probekörper mit elektromagnetische Wellen einer Arbeitsfrequenz bestrahlt,
- einen außerhalb des Objektes befindlichen Empfänger, der das vom Probekörper erzeugte Echo aufnimmt, und
- eine dem Sender und/oder Empfänger zugeordneten Auswerteeinheit, die aus dem Unterschied der gesendeten und der empfangenen Signale den Dehnungszustand des Probekörpers als physikalische Größe ermittelt.
2. Sensorsystem nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, daß Sender und Empfänger in einer gemeinsamen Sender und Empfängereinheit zusammengefaßt sind.
3. Sensorsystem nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Objekt ein im Einsatz befindlicher Fahrzeugreifeπ ist.
4, Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, gekennzeichnet durch einen außerhalb des Objektes befindlichen Magnetfeldsender, insbesondere in Form einer Spule, über den der Probekörper mit einem veränderlichen magnetischen Modulationsfeld bestrahlbar ist.
5. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die magnetoelastischen Werkstoffe eine ferromagnetische Grenzfrequenz aufweisen, die deutlich über der Arbeitsfrequen∑ liegt.
6. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetoelasische Material zur Messung von Zug- und Druckspannungen vorgespannt ist.
7. Sensorsystem nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement magnetoelasisches Material in einem Viellagenschichtsystem aufweist.
8. Verfahren zum Betreiben des Systems nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch ge ennzeichnet, daß das Sensorelement mit elektromagnetischer Strahlung beaufschlagt wird, daß das vom Sensorelement reflektierte Signal aufgenommen wird und daß der Dehnungszustand des Sensorelementes aus dem aufgenommenen Signal ermittelt wird.
9. Verfahren nach Anspruch 8 , dadurch gekennzeichnet, daß das Sensorelement einem magnetischen Modulationsfeld (Biasfeld) ausgessetzt wird, mit dem die μ- H-Kennlinie der Permeabilität des Sensorelementes periodisch durchlaufen wird. Abkiingverhalten des Amplitudenspekrums
10. Verfahren nach Anspruch 9 , dadurch gekennzeichnet, daß der Dehnungszustand des Sensorelementes aus dem Abklingverhalten des Amplitudenspekrums ermittelt wird.
11. Verfahren nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetische Wechselfeld niederfrequent und stark genug ist, das Sensorelement periodisch in die magnetische Sättigung zu treiben.
12. Verfahren nach einem der Ansprüche 8 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, daß die Frequenz des elektromagnetischen Wechselfeldes hinreichend groß gewählt wird, so daß die Skineindringtiefe kleiner als die Werkstoffdimension ist.
13. Verfahren nach einem der Anspruch 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß zur Abfrage des Sensors ISM-Frequenzbänder (industrial scientific and medical applications) bei 433 MHz und 2,45 GHz gewählt werden
14. Verfahren nach einem der Anspruch 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß zur Demodulation das Verfahren der Quadraturdemodulation gewählt wird.
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