WO2006042356A1 - Sensor device comprising a magnetostrictive sensor element and use of said device - Google Patents

Sensor device comprising a magnetostrictive sensor element and use of said device Download PDF

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WO2006042356A1
WO2006042356A1 PCT/AT2005/000420 AT2005000420W WO2006042356A1 WO 2006042356 A1 WO2006042356 A1 WO 2006042356A1 AT 2005000420 W AT2005000420 W AT 2005000420W WO 2006042356 A1 WO2006042356 A1 WO 2006042356A1
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WO
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sensor device
sensor element
magnetostrictive
sensor
holding elements
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PCT/AT2005/000420
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German (de)
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Inventor
Evangelos Hristoforou
Hans Hauser
Original Assignee
Technische Universität Wien
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01P—MEASURING LINEAR OR ANGULAR SPEED, ACCELERATION, DECELERATION, OR SHOCK; INDICATING PRESENCE, ABSENCE, OR DIRECTION, OF MOVEMENT
    • G01P15/00—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration
    • G01P15/02—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses
    • G01P15/08—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values
    • G01P15/0885—Measuring acceleration; Measuring deceleration; Measuring shock, i.e. sudden change of acceleration by making use of inertia forces using solid seismic masses with conversion into electric or magnetic values by magnetostrictive pick-up
    • 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
    • G01L1/125—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
    • G—PHYSICS
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    • 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
    • G01L1/127—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using inductive means

Definitions

  • the invention relates to a sensor device with a long magnetostrictive sensor element, which is provided on the one hand with a field winding and on the other hand with a measuring winding, and which is held with its two ends of holding elements and mechanically set with the help of these holding elements under bias or set, and further advantageous uses of such a sensor device.
  • Sensor devices in particular in a small construction and in a micro-construction, are becoming increasingly important in various fields, such as in motor vehicle technology, but also in medical technology and in many other fields, cf. e.g. US Pat. No. 6,484,592 B, US Pat. No. 5,905,210 A, but also US Pat. No. 5,821,430 A, EP 1 048 932 A, RU 2 143 705 C or US Pat. No. 2004/0095137 A.
  • a sensor device of the initially cited type is also known from EP 793 102 A known;
  • This sensor device is intended for seismological measurements, with magnetic field changes, which are induced in a measuring coil as a result of the movements of a mass and of a resulting magnetostriction effect, serving as the basis for the measurements.
  • Magnetic effects and magnetic materials are thus of very general importance in the construction of such sensor devices, and they are used for the realization of sensors with high accuracy, for example for sensors for detecting positions, tensile or compressive loads, of electromagnetic fields and the like.
  • a problem with such sensor devices is the dependence on the environment, namely on ambient fields, on the ambient temperature, but also on the dependence on mechanical loads, when they are used for detecting field strengths or similar parameters. Accordingly, there is a need for an intel ⁇ ligenten sensor device which avoids such a mutual Be ⁇ impairment of physical measures by a distinction between different physical quantities is made possible.
  • a sensor device as defined in claim 1 is proposed.
  • Advantageous embodiments of this sensor device are specified in the subclaims, as well as particularly advantageous uses of such a sensor device.
  • the sensor element is a "linear" magnetostrictive (ferromagnetic) element, in particular in the form of an elongated cylinder or wire or a strip with a shape anisotropy, wherein the Consnerstre ⁇ ckung, the measure of length, is substantially greater than In particular, the ratio of length dimension to transverse dimension is at least 1000.
  • the magnetostrictive, elongated, linear sensor element is pretensioned and it is electrically connected with the aid of the holding elements Furthermore, the magnetostrictive sensor element is pre-magnetized eg by means of a permanent magnet, in particular a permanent magnet rod, or a coil Windings or coils are applied to the two ends of the linear sensor element.
  • a Wick ⁇ ment at one end, serves as a field winding for generating a magnetic field along the sensor element when it is traversed by an electric current, whereas the winding or coil at the other end of the sensor element as a test or sampling or measuring coil serves.
  • the magnetostrictive sensor element used is both mechanically biased and magnetized.
  • the sensor device can then be operated in three different operating modes, namely as a magnetostrictive delay line or line (MDL - magnetostrictive delay line), as a magneto-inductive element (MI element) and as a spontaneous flux reversal unit (RE magnetization unit) (REF - re-ent rant flux reversal).
  • a pulsed current is passed through the exciting coil.
  • This causes a pulsed magnetic field along the magnetostrictive sensor element which generates pulsed micro-deformations in the region of the sensor element within the excitation coil as a result of the magnetostriction effect.
  • pulse-shaped micro-deformations then propagate in the longitudinal direction of the thin cylindrical or band-shaped sensor element, comparable to longitudinal acoustic pulse signals.
  • the permanent magnet or coil orients the magnetic dipoles in the sensor element in a predetermined orientation, so that the generation and detection of the pulsed micro-deformation in a repeatable form is possible. In this way, a non-zero signal response is enabled. As a result of the magnetization effect of the permanent magnet, any possible contribution of ambient fields in the generation and detection of the "acoustic" pulses becomes negligible.
  • the magnetostrictive sensor element is set under pretension, which is to be understood as tensile, compressive or even torque application (ie the sensor element is twisted with the aid of the holding elements) biased, ie twisted), this leads either to a reduction in the pulse-shaped output voltage if the sensor element has a positive magnetostriction constant, or to an output signal increase if the sensor element has a negative magnetostriction constant.
  • the MI (magneto-inductive) operating mode is based on the transmission of a sinusoidal current with a correspondingly stabilized amplitude and frequency via the preferably electrically conductive holding elements, in particular copper substrates.
  • a sinusoidal current with a correspondingly stabilized amplitude and frequency via the preferably electrically conductive holding elements, in particular copper substrates.
  • GMI effect also called GMI effect, GMI - giant magneto-impedance
  • the use of low frequencies for example in the range of 10 to 100 kHz, in view of a more repeatable sensor mode is preferred in the present sensor device, but the utilization of the above-mentioned GMI effect should not be excluded, ie
  • the use of a high frequency is quite possible and expedient.
  • the transmitted sinusoidal signal results in the generation of a signal passing around the sensor element, ie around the axis of the propagation of the sine signal " ⁇ O • -
  • Magnetic field Due to the so-called skin effect and the generated eddy current, this magnetic field can only influence the surface of the magnetostrictive sensor element. Since the sensor element is mechanically biased and biased, it is apparent that the magnetic dipoles of the sensor element are polarized relative to the amplitude and direction of the magnetic field. Therefore, there follows a continuous change in the surface magnetization of the magnetostrictive sensor element due to a shift of the domain walls (at low operating frequencies) or according to a rotation of the magnetization vector within the domains (at high operating frequencies).
  • Such a change in the surface magnetization corresponds to a flux change along the magnetostrictive sensor element and is therefore detected via the measuring winding as a pulsed output voltage with a low frequency or as a pseudo-sinusoidal signal at high frequencies.
  • the additional application of a tensile stress or a torque on the torque sensor element results in a parallel or recht ⁇ angular alignment of the dipoles, as in the case of MDL mode.
  • Such additional dipole alignment results in a decrease or increase in the induced output voltage.
  • An additional magnetic field along the sensor element enhances the dipole alignment and reduces the induced output voltage.
  • the dependence on mechanical loads and fields is monotonic even in the MI mode, as will be explained in more detail below.
  • the temperature may exert a similar influence in both modes, in the MDL and MI modes, but in the present sensor device, due to the substantially "linear" design of the sensor element, preferably as an amorphous ribbon or as an amorphous wire, with appropriate heat treatment, the temperature effect negligible, ie effects of temperature fluctuations are within given error limits.
  • the REF operating mode in particular the application of the bias voltage to the ferromagnetic sensor element (in the sense of a Sixtus - and - Tonk experiment), this bias leads to alignment of the magnetic dipoles in one direction.
  • the use of an amorphous wire or strip as a sensor element proves to be advantageous here, with a single magnetic domain being present along the sensor element axis, in particular after a heat treatment in the magnetic field and after axial prestressing.
  • a sinusoidal current is passed through the exciter coil, the resulting sinusoidal field along the axis of the sensor element and at the end of the sensor element results in domain wall nucleation and propagation.
  • the domain propagates along the sensor element and the orientation changes, the flux density changes along the sensor element and in particular also in the region within the measuring coil. Therefore, this change can be detected as a pulse-shaped output voltage at the measuring coil, in accordance with the induced magnetization change as a result of the change in the domain orientation.
  • the dependence of the measurement result of bias voltage and field is significant in this REF operating mode per se at low voltage amplitudes and field strengths, but the present sensor device will be biased according to the magnetization of the sensor element (above a threshold value) and the application of a mechanical bias voltage Insensitive to mechanical stresses and ambient fields.
  • the sensitivity to temperature changes remains as the temperature affects the domain structure.
  • a temperature increase results in a splitting of the aforementioned single domain into multiple parallel / antiparallel domains, which in turn results in a monotonic decrease in the REF output voltage as the temperature of the environment increases.
  • the holding elements provide an electrical connection for the magnetostrictive sensor element, wherein the holding elements Preferably even form the connecting parts, such as if they are made of copper, and it is also advantageous if the holding elements are formed by substrates, which at the same time form the electrical An ⁇ closing parts.
  • At least one of the retaining elements is adapted to apply the mechanical prestressing in the sense of a force in the axial direction of the sensor element or else in the sense of a Verdre ⁇ Hung of the sensor element, either by a fixed, biasing effecting storage or a movable mounting of the retaining element itself or in an associated base part, or by incorporation of a corresponding bewegli ⁇ Chen part within the rest of the holding element.
  • a permanent magnet is provided, which is preferably formed by a rod which extends parallel to the linear magnetostrictive sensor element between the holding elements.
  • Advantageous results have been obtained in practice when the permanent magnet is a Nd-Fe-B magnet.
  • a current coil may also be provided, e.g. is arranged around the sensor element.
  • the elongated, "linear" magnetostrictive sensor element is preferably formed thin-cylindrical or band-shaped, and in particular the ratio of its longitudinal dimension to its transverse dimension (diameter or width) as mentioned is at least 1000.
  • the sensor element consists of an amorphous material according to a particularly preferred embodiment , in particular from a heat-treated material which is favorable with regard to the magnetic effect, is of particular advantage if the magnetostrictive sensor element is formed from a Fe 7B Se 7 Bi 5 material.
  • the two windings or coils may consist of an enameled copper wire, wherein the copper wire, for example, has a diameter of about 0.1 mm. With regard to a high sensitivity of the sensor device, it is also advantageous if the measuring winding has a larger coil length than the excitation winding; It is also favorable here if the measuring winding has a higher number of turns than the exciter winding.
  • a pulse-shaped current is applied to the exciter coil.
  • a sinusoidal current is transmitted through the sensor element; and in the case of the REF mode, a sinusoidal current is supplied to the exciting coil.
  • a combination sensor device is obtained by the invention, which allows the detection of mechanical loads, magnetic fields and temperatures based on three different magnetic effects or operating modes in the same design.
  • the magnetic effects are, as mentioned, magnetostriction, magneto-impedance and spontaneous flux reversal. If the sensor device is operated separately and sequentially in these three different operating modes, a signal corresponding to the three different physical variables mentioned, namely mechanical load, field strength and temperature, can be obtained. In tests, it has also been found that, within one range, the total output signal of the sensor device in each of the three different operating modes is equal to the product of the three corresponding functions for the physical quantities; therefore, the three parameters or quantities (mechanical load, temperature and magnetic field) can be determined based on the solution of a 3 x 3 matrix equation.
  • FIG. 2 shows a diagram which shows the dependence of the output voltage or measuring voltage on an applied mechanical voltage
  • Fig. 3 is a graph showing the dependence of the output voltage on a magnetic field strength in the MDL mode
  • Fig. 4 is a graph showing the dependence of the output voltage on a magnetic field in the MI mode
  • Fig. 5 is a graph illustrating the dependence of the output voltage on a magnetic field in the REF mode.
  • Fig. 6 is a graph showing the dependence of the output voltage of the temperature 2 in the REF mode.
  • FIG. 1 schematically illustrates a sensor device 1 which, as an essential element, is a magnetostrictive, i. ferromagnetic sensor element 2 has.
  • This sensor element is long and thin, thus a "linear" sensor element 2, wherein the longitudinal dimension is preferably at least 100 times greater than the transverse dimension of the sensor element 2.
  • the sensor element may be cylindrical (with a round or elliptical cross-section) or band-shaped, and it preferably consists of an amorphous, heat-treated, ferromagnetic alloy.
  • an amorphous wire of Fe7 8 Si 7 B 15 was used material which has a more or less negligible temperature coefficient up to a Tempera ⁇ ture of 350 0 C for the sensor element. 2
  • the diameter of this wire was 125 ⁇ m, and the length of the wire was 5 cm.
  • the sensor element 2 is held in position by two holding elements 3, 4, these preferably being holding elements 3, 4 made of copper, in particular copper substrates.
  • the electrical and mechanical connection of the sensor element 2, so the wire, with the two copper Garelemten 3, 4 can - as in the practical embodiment - be accomplished by laser welding.
  • Both coils 5.6 can, for example, with a copper wire, such as an enameled copper wire with a Diameter of about 0.1 mm, to be produced.
  • the exciter coil 5 had 30 turns, and its coil length was about 0.4 mm.
  • a rod-shaped permanent magnet 7 to provide a bias of the magnetostrictive sensor element 2.
  • This permanent magnet 7 may for example consist of Nd-Fe-B magnetic material.
  • the field strength of the permanent magnet rod 7 at the surface was 20 kA / m.
  • a current-carrying coil 7 ' can also be used for the biasing, as is schematically indicated in FIG. 1 by dashed lines.
  • the coil 7 ' is preferably arranged around the sensor element 2, to be precise outside the exciter coil 5 and the measuring coil 6.
  • the coil 7' could of course also be arranged next to the sensor element 2, similar to the permanent magnet 7 is arranged in the vicinity of the sensor element 2.
  • the holding elements 3, 4 serving as electrical connection parts are connected to an electric current source 8, in order to supply a sinusoidal current to the sensor element 2 in particular.
  • the amplitude and the frequency of this sinusoidal current can be used with conventional lent funds are set and stabilized, which is not illustrated in detail in the drawing.
  • the excitation coil 5 a sinusoidal current can be supplied, and for this purpose, the excitation coil 5 is connected to a corresponding power generator circuit 9 ange ⁇ .
  • test coil 6 is further connected to a corresponding measuring circuit 10, e.g. with signal shaping, Signalver ⁇ processing and display, as conventional, connected.
  • a corresponding measuring circuit 10 e.g. with signal shaping, Signalver ⁇ processing and display, as conventional, connected.
  • FIG. 1 also shows a base 11 for the holding elements 3, 4, wherein it is also illustrated diagrammatically at 12 that with the aid of a part of this base 11 one of the holding elements, e.g. 4, slidably and / or rotatably angeord ⁇ net, so as to apply the desired mechanical bias, namely an axial tensile stress and / or a torsional stress on the sensor element 2.
  • the desired mechanical bias namely an axial tensile stress and / or a torsional stress on the sensor element 2.
  • conventional means 13 are indicated per se in order to apply a mechanical load to be measured (tension or pressure).
  • a mechanical load to be measured tension or pressure
  • a bending stress see force F in FIG. 1
  • the sensor device 1 was operated in the MDL mode, wherein the dependence of the output signal V (in mV) on the applied mechanical load ⁇ (force) in N or determined by the applied field strength H (in A / m) was, cf. 2 and 3. More specifically, according to FIG. 2, the dependence of the output signal V on the mechanical load ⁇ has been determined in the case of statio nary conditions with regard to field strength and temperature. The dependence of the output signal V on the mechanical load ⁇ has an exponential profile and can be written on as follows:
  • V ( ⁇ ) V 0 -e- " iCr . (1)
  • O L is a material-dependent coefficient greater than 0.
  • V (H) V 0 -He ' " 2 ". (2)
  • OC 2 is a coefficient greater than 0, and V 0 is again the maximum voltage signal in MDL mode.
  • the signal voltage V due to the magnetic field H can be given by the following relationship:
  • V ⁇ H) V ' 0 -e ⁇ " iH (3)
  • V 0 is the new maximum of the output voltage V at the now given dependence on the field strength H in the MDL mode.
  • V ⁇ , H) ke- ⁇ a * H + a> ⁇ ) .
  • V ( ⁇ ) k- ⁇ + b. (5)
  • the output signal depends on the field strength H in the manner of a Gaussian function (see Fig. 4), and the following relationship can be written about:
  • V (H) k'-e ⁇ (ß ⁇ ] • (6)
  • ⁇ 2 is again a positive coefficient.
  • V (H) k'-e ⁇ ⁇ ßH) • (7)
  • V ⁇ , H) ⁇ k- ⁇ + b) -k'-e- ( ⁇ H) . (8th)
  • the load dependency can be assumed to be constant with an error of 1-2%.
  • the field dependence is illustrated in FIG. If a corresponding biasing of the sensor element 2 is pre-exposed, as can be seen from the curves in FIG. 5, the output signal V can be assumed to be almost constant.
  • Equation (9) can be used independently to determine the ambient temperature, whereas equations (4) and (8) are used in combination for the numerical determination of the magnitude of mechanical load and field strength in MDL mode or MI mode can.
  • load ⁇ , temperature T and field strength H can be found by solving a 3 x 3 matrix equation, since the sensor output voltage V in a range of Product of the three functions for the above physical quantities ⁇ , T, H corresponds.

Abstract

The invention relates to a sensor device (1) for MDL, MI or REF operating modes, comprising an elongated magnetostrictive sensor element (2), which is provided at one end with an excitation coil (5) and at the other end with a measuring coil (6), which is held by fixing elements (3, 4) at both ends and which can be or is subjected to a mechanical pre-stress with the aid of said fixing elements (3, 4). According to the invention, the magnetostrictive sensor element (2) is pre-magnetised and the fixing elements (3, 4) provide an electrical connection for the magnetostrictive sensor element (2).

Description

_ i _ _ i _
Sensoreinrichtunα mit einem maqnetostriktiven Sensorelement und Verwendung dieser SensoreinrichtunqSensoreinrichtunα with a maqnetostriktiven sensor element and use of this Sensoreinrichtunq
Die Erfindung betrifft eine Sensoreinrichtung mit einem längli¬ chen magnetostriktiven Sensorelement, das einerseits mit einer Erregerwicklung und andererseits mit einer Messwicklung versehen ist, und das mit seinen beiden Enden von Halteelementen gehalten und mit Hilfe dieser Halteelemente mechanisch unter Vorspannung setzbar bzw. gesetzt ist, sowie weiters vorteilhafte Verwendungen einer solchen Sensoreinrichtung.The invention relates to a sensor device with a long magnetostrictive sensor element, which is provided on the one hand with a field winding and on the other hand with a measuring winding, and which is held with its two ends of holding elements and mechanically set with the help of these holding elements under bias or set, and further advantageous uses of such a sensor device.
Sensoreinrichtungen, insbesondere in kleiner Bauweise und in Kleinst-Bauweise, gewinnen auf verschiedensten Gebieten, wie in der Kraftfahrzeugtechnik, aber auch in der Medizintechnik und in vielen anderen Gebieten, immer mehr an Bedeutung, vgl. z.B. US 6 484 592 B, US 5 905 210 A, aber auch US 5 821 430 A, EP 1 048 932 A, RU 2 143 705 C oder aber US 2004/0095137 A. Eine Sensoreinrichtung der eingangs angeführten Art ist ferner aus der EP 793 102 A bekannt; diese Sensoreinrichtung ist für seis- mologische Messungen vorgesehen, wobei Magnetfeldänderungen, die zufolge der Bewegungen einer Masse und eines sich dabei ergebenden Magnetostriktionseffekts in einer Messspule induziert werden, als Basis für die Messungen dienen. Beim Bau von der¬ artigen Sensoreinrichtungen sind somit ganz allgemein magne¬ tische Effekte und magnetische Materialien von Bedeutung, und sie werden für die Realisierung von Sensoren mit hoher Genauig¬ keit eingesetzt, etwa für Sensoren zum Erfassen von Positionen, von Zug- oder Druckbelastungen, von elektromagnetischen Feldern und dgl. physikalischen Größen. Ein Problem bei derartigen Sen¬ soreinrichtungen liegt jedoch in der Abhängigkeit von der Umge¬ bung, nämlich von Umgebungsfeldern, von der Umgebungstemperatur, aber auch in der Abhängigkeit von mechanischen Belastungen, wenn sie zum Erfassen von Feldstärken oder ähnlichen Parametern verwendet werden. Es besteht demgemäß ein Bedarf an einer intel¬ ligenten Sensoreinrichtung, die eine derartige gegenseitige Be¬ einträchtigung von physikalischen Messgrößen vermeidet, indem eine Unterscheidung zwischen unterschiedlichen physikalischen Größen ermöglicht wird.Sensor devices, in particular in a small construction and in a micro-construction, are becoming increasingly important in various fields, such as in motor vehicle technology, but also in medical technology and in many other fields, cf. e.g. US Pat. No. 6,484,592 B, US Pat. No. 5,905,210 A, but also US Pat. No. 5,821,430 A, EP 1 048 932 A, RU 2 143 705 C or US Pat. No. 2004/0095137 A. A sensor device of the initially cited type is also known from EP 793 102 A known; This sensor device is intended for seismological measurements, with magnetic field changes, which are induced in a measuring coil as a result of the movements of a mass and of a resulting magnetostriction effect, serving as the basis for the measurements. Magnetic effects and magnetic materials are thus of very general importance in the construction of such sensor devices, and they are used for the realization of sensors with high accuracy, for example for sensors for detecting positions, tensile or compressive loads, of electromagnetic fields and the like. Physical quantities. A problem with such sensor devices, however, is the dependence on the environment, namely on ambient fields, on the ambient temperature, but also on the dependence on mechanical loads, when they are used for detecting field strengths or similar parameters. Accordingly, there is a need for an intel¬ ligenten sensor device which avoids such a mutual Be¬ impairment of physical measures by a distinction between different physical quantities is made possible.
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Sensoreinrichtung vorzusehen, bei der die genannten gegenseitigen Abhängigkeiten beherrscht werden und insbesondere gegenüber Temperatur¬ änderungen unempfindliche Messergebnisse erhalten werden können. Weiters wird angestrebt, eine „gleichzeitige" Erfassung von me¬ chanischen Belastungen, Feldstärken und Temperatur mit ein und derselben Sensoreinrichtung zu ermöglichen.It is therefore an object of the invention to provide a sensor device be provided, in which said interdependencies are controlled and in particular insensitive to temperature changes insensitive measurement results can be obtained. Furthermore, the aim is to enable a "simultaneous" detection of me¬ chanic loads, field strengths and temperature with one and the same sensor device.
Zur Lösung der erfindungsgemäß gestellten Aufgabe wird eine Sen¬ soreinrichtung wie in Anspruch 1 definiert vorgeschlagen. Vor¬ teilhafte Ausführungsformen dieser Sensoreinrichtung sind in den Unteransprüchen angegeben, ebenso wie besonders vorteilhafte Verwendungen einer solchen Sensoreinrichtung.To solve the problem set according to the invention, a sensor device as defined in claim 1 is proposed. Advantageous embodiments of this sensor device are specified in the subclaims, as well as particularly advantageous uses of such a sensor device.
Bei der vorliegenden Sensoreinrichtung ist das Sensorelement ein „lineares" magnetostriktives (ferromagnetisches) Element, ins¬ besondere in Form eines länglichen Zylinders bzw. Drahts oder eines Bandes mit einer Form-Anisotropie, wobei die Längenerstre¬ ckung, das Längenmaß, wesentlich größer ist als die Quererstre¬ ckung, also eine Breite bzw. Dicke oder ein Durchmesser; insbesondere beträgt das Verhältnis von Längenabmessung zu Quer¬ abmessung mindestens 1000. Das magnetostriktive längliche, lineare Sensorelement wird vorgespannt, und es wird mit Hilfe der Halteelemente selbst elektrisch angeschlossen. Die Halte¬ elemente können elektrische Anschlussleitungen enthalten, sind aber bevorzugt Kupfersubstrate. Weiters wird das magnetostrik¬ tive Sensorelement z.B. mit Hilfe eines Permanentmagneten, ins¬ besondere eines Permanentmagnetstabes, oder einer Spule vormagnetisiert. An den beiden Enden des linearen Sensorelements sind Wicklungen bzw. Spulen aufgebracht, wobei die eine Wick¬ lung, am einen Ende, als Erregerwicklung zum Generieren eines Magnetfeldes entlang des Sensorelementes dient, wenn sie von einem elektrischen Strom durchflössen wird, wogegen die Wicklung oder Spule am anderen Ende des Sensorelements als Prüf- bzw. Abtast- bzw. Messspule dient. Das eingesetzte magnetostriktive Sensorelement ist sowohl mechanisch vorgespannt als auch vor¬ magnetisiert. Die Sensoreinrichtung kann dann in drei verschie¬ den Betriebsarten betrieben werden, nämlich als magnetostriktive Verzögerungsstrecke oder -leitung (MDL - magnetostrictive delay line) , als magneto-induktives Element (MI-Element) und als Spon- tan-Flussumkehreinheit (Ummagnetisierungseinheit) (REF - re-ent- rant flux reversal) .In the present sensor device, the sensor element is a "linear" magnetostrictive (ferromagnetic) element, in particular in the form of an elongated cylinder or wire or a strip with a shape anisotropy, wherein the Längenerstre¬ ckung, the measure of length, is substantially greater than In particular, the ratio of length dimension to transverse dimension is at least 1000. The magnetostrictive, elongated, linear sensor element is pretensioned and it is electrically connected with the aid of the holding elements Furthermore, the magnetostrictive sensor element is pre-magnetized eg by means of a permanent magnet, in particular a permanent magnet rod, or a coil Windings or coils are applied to the two ends of the linear sensor element. in which a Wick¬ ment, at one end, serves as a field winding for generating a magnetic field along the sensor element when it is traversed by an electric current, whereas the winding or coil at the other end of the sensor element as a test or sampling or measuring coil serves. The magnetostrictive sensor element used is both mechanically biased and magnetized. The sensor device can then be operated in three different operating modes, namely as a magnetostrictive delay line or line (MDL - magnetostrictive delay line), as a magneto-inductive element (MI element) and as a spontaneous flux reversal unit (RE magnetization unit) (REF - re-ent rant flux reversal).
Es sei hier erwähnt, dass an sich die MDL-Technik ebenso wie der MI-Effekt bereits bekannt sind, vgl. etwa die Dokumente E. Hristoforou, „Magnetostricive delay linesΛλ Engineering Theory and Sensing Applications, Review Article, Meas. Sei. & Technol., 14, S. R15-R47, 2003; bzw. K. Mohri, K. Bushida, M. Noda, H. Yoshida, L.V. Pania, T. Uchiyama, „Magneto-impedance element", IEEE Transactions on Magnetics, 31, S. 2455-2460, 1995. Ebenso ist der Effekt der spontanen Flussumkehrung bekannt, vgl. bei¬ spielsweise das Dokument E. Hristoforou and D. Niarchos, „Me- chanical Sensors Based on Re-Entrant Flux Reversal", IEEE Trans. Mag., Vol. 28, S. 2190-2192, 1992.It should be mentioned here that the MDL technique as well as the MI effect are already known per se, cf. for example, E. Hristoforou, "Magnetostrictive Delays Lines Λλ Engineering Theory and Sensing Applications, Review Article, Meas. Be. & Technol., 14, pp. R15-R47, 2003; and K. Mohri, K. Bushida, M. Noda, H. Yoshida, LV Pania, T. Uchiyama, "Magneto-impedance element", IEEE Transactions on Magnetics, 31, pp. 2455-2460, 1995 See, for example, the document E. Hristoforou and D. Niarchos, "Mechanical Sensors Based on Re-Entrant Flux Reversal", IEEE Trans. Mag., Vol. 28, pp. 2190-2192 , 1992.
Wenn die vorliegende Sensoreinrichtung in der Betriebsart einer magnetostriktiven Verzögerungsleitung (MDL-Betrieb) betrieben wird, wird ein gepulster Strom durch die Erregerspule geführt. Dadurch wird ein pulsförmiges Magnetfeld längs des magnetostrik¬ tiven Sensorelements bewirkt, welches gepulste Mikroverformungen im Bereich des Sensorelements innerhalb der Erregerspule zufolge des Magnetostriktions-Effektes erzeugt. Diese pulsförmigen Mi¬ kroverformungen pflanzen sich dann in Längsrichtung des dünnen zylindrischen oder bandförmigen Sensorelements fort, vergleich¬ bar longitudinalen akustischen Pulssignalen. Wenn eine derartige pulsförmige Mikroverformung im Bereich der Messspule ankommt, wird sie als Flussänderung erfasst, und es wird ein pulsförmiges Ausgangs-Spannungssignal erhalten, welches zufolge des inversen Magnetostriktions-Effekts proportial zur ersten Ableitung des propagierenden Mikroverformungs-Pulses ist.When the present sensor device is operated in the mode of a magnetostrictive delay line (MDL operation), a pulsed current is passed through the exciting coil. This causes a pulsed magnetic field along the magnetostrictive sensor element which generates pulsed micro-deformations in the region of the sensor element within the excitation coil as a result of the magnetostriction effect. These pulse-shaped micro-deformations then propagate in the longitudinal direction of the thin cylindrical or band-shaped sensor element, comparable to longitudinal acoustic pulse signals. When such a pulse-shaped micro-deformation arrives in the region of the measuring coil, it is detected as a flux change, and a pulse-shaped output voltage signal is obtained, which is in proportion to the first derivative of the propagating micro-deformation pulse due to the inverse magnetostriction effect.
Der Permanentmagnet oder die Spule orientiert die magnetischen Dipole im Sensorelement in einer vorgegebenen Ausrichtung, so dass die Erzeugung und Detektion der gepulsten Mikroverformung in wiederholbarer Form möglich ist. Auf diese Weise wird eine von Null abweichende Signalantwort ermöglicht. Durch die Vor¬ magnetisierungswirkung des Permanentmagneten wird auch ein et¬ waiger Beitrag von Umgebungsfeldern bei der Erzeugung und Detektion der „akustischen" Impulse vernachlässigbar.The permanent magnet or coil orients the magnetic dipoles in the sensor element in a predetermined orientation, so that the generation and detection of the pulsed micro-deformation in a repeatable form is possible. In this way, a non-zero signal response is enabled. As a result of the magnetization effect of the permanent magnet, any possible contribution of ambient fields in the generation and detection of the "acoustic" pulses becomes negligible.
Mit der vorliegenden Sensoreinrichtung ist eine Optimierung im MDL-Betrieb möglich, da alle reflektierten Signale an den Enden des ferromagnetischen Sensorelements zum Hauptimpuls hinzu addiert werden. Wenn mit Hilfe der Halteelemente, insbesondere Kupfersubstrate, das magnetostriktive Sensorelement unter Vor¬ spannung gesetzt wird, wobei darunter eine Zug-, Druck- oder aber auch eine Drehmoment-Aufbringung zu verstehen ist (d.h. das Sensorelement wird mit Hilfe der Halteelemente in Verwindungs- richtung vorgespannt, d.h. verdreht) , so führt dies entweder zu einer Verringerung der pulsförmigen AusgangsSpannung, wenn das Sensorelement eine positive Magnetostriktionskonstante hat, oder aber zu einer Ausgangssignal-Erhöhung, wenn das Sensorelement eine negative Magnetostriktionskonstante hat. Dies ist entweder auf die parallele oder aber auf die rechtwinkelige Ausrichtung der magnetischen Dipole relativ zur Achse des Sensorelements, entsprechend der Art des magnetostriktiven Materials (positiv bzw. negativ) im Hinblick auf die aufgebrachte Vorspannung zu¬ rückzuführen. Ein zusätzliches magnetisches Feld führt zu einer Abnahme der Ausgangsspannung, wenn das Magnetfeld versucht, die magnetischen Dipole längs der Achse auszurichten. Im Hinblick darauf, dass das magnetostriktive Element vorgespannt ist, er¬ gibt sich eine monotone Abhängigkeit von einer mechanischen Last und von Magnetfeldern, wobei ein exponentieller Verlauf fest¬ stellbar ist, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird.With the present sensor device is an optimization in MDL operation possible because all reflected signals at the ends of the ferromagnetic sensor element are added to the main pulse. If, with the aid of the holding elements, in particular copper substrates, the magnetostrictive sensor element is set under pretension, which is to be understood as tensile, compressive or even torque application (ie the sensor element is twisted with the aid of the holding elements) biased, ie twisted), this leads either to a reduction in the pulse-shaped output voltage if the sensor element has a positive magnetostriction constant, or to an output signal increase if the sensor element has a negative magnetostriction constant. This is attributable either to the parallel or to the rectangular orientation of the magnetic dipoles relative to the axis of the sensor element, corresponding to the type of magnetostrictive material (positive or negative) with respect to the applied bias voltage zu¬. An additional magnetic field results in a decrease in the output voltage as the magnetic field attempts to align the magnetic dipoles along the axis. In view of the fact that the magnetostrictive element is biased, there is a monotone dependence on a mechanical load and on magnetic fields, wherein an exponential curve can be determined, as will be explained in more detail below.
Die MI-(Magneto-induktive)Betriebsart basiert auf der Über¬ tragung eines sinusförmigen Stroms mit entsprechend stabilisierter Amplitude und Frequenz über die bevorzugt als solche elektrisch leitend ausgebildeten Halteelemente, insbeson¬ dere Kupfer-Substrate. Auch wenn an sich die Anwendung von hohen Frequenzen, z.B. bei etwa 500 MHz, (im Hinblick auf einen so ge¬ nannten „Riesen-Magneto-Impedanz-Effekt", auch GMI-Effekt ge¬ nannt; GMI - giant magneto-impedance) denkbar ist, wird bei der vorliegenden Sensoreinrichtung doch die Verwendung von niedrigen Frequenzen, z.B. im Bereich von 10 bis 100 kHz, im Hinblick auf eine besser wiederholbare Sensorbetriebsweise bevorzugt; die Ausnützung des vorgenannten GMI-Effekts soll aber nicht ausge¬ schlossen werden, d.h. die Verwendung einer hohen Frequenz ist durchaus möglich und sinnvoll. Das übertragene sinusförmige Si¬ gnal führt zur Erzeugung eines um das Sensorelement herum, d.h. um die Achse der Propagation des Sinussignals, verlaufenden "~ O •—The MI (magneto-inductive) operating mode is based on the transmission of a sinusoidal current with a correspondingly stabilized amplitude and frequency via the preferably electrically conductive holding elements, in particular copper substrates. Even if the use of high frequencies, for example at about 500 MHz (in terms of a so-called "giant magneto-impedance effect", also called GMI effect, GMI - giant magneto-impedance) is conceivable, the use of low frequencies, for example in the range of 10 to 100 kHz, in view of a more repeatable sensor mode is preferred in the present sensor device, but the utilization of the above-mentioned GMI effect should not be excluded, ie The use of a high frequency is quite possible and expedient.The transmitted sinusoidal signal results in the generation of a signal passing around the sensor element, ie around the axis of the propagation of the sine signal "~ O • -
Magnetfeldes. Aufgrund des so genannten Skin-Effekts und des erzeugten Wirbelstroms kann dieses Magnetfeld nur die Oberfläche des magnetostriktiven Sensorelements beeinflussen. Da das Senso¬ relement mechanisch vorgespannt sowie vormagnetisiert ist, er¬ gibt sich, dass die magnetischen Dipole des Sensorelements bezüglich der Amplitude und Richtung des Magnetfeldes pola¬ risiert sind. Es folgt daher eine kontinuierliche Änderung der Oberflächen-Magnetisierung des magnetostriktiven Sensorelements zufolge einer Verschiebung der Domänenwände (bei niedrigen Be¬ triebsfrequenzen) oder zufolge einer Drehung des Magne¬ tisierungsvektors innerhalb der Domänen (bei hohen Betriebsfrequenzen) . Eine derartige Änderung der Oberflächen¬ magnetisierung entspricht einer Flussänderung längs des magneto¬ striktiven Sensorelements und wird daher über die Messwicklung als gepulste AusgangsSpannung mit niedriger Frequenz oder als pseudo-sinusförmiges Signal bei hohen Frequenzen erfasst. Durch die zusätzliche Aufbringung einer Zugspannung oder eines Dreh¬ moments am Sensorelement ergibt sich eine parallele oder recht¬ winkelige Ausrichtung der Dipole, wie im Fall der MDL- Betriebsart. Eine derartige zusätzliche Dipol-Ausrichtung führt wiederum zu einer Abnahme oder zu einer Erhöhung der induzierten Ausgangsspannung. Ein zusätzliches Magnetfeld längs des Sensor¬ elements verstärkt die Dipol-Ausrichtung und reduziert die indu¬ zierte Ausgangsspannung. Wie bei der MDL-Betriebsart ist die Abhängigkeit von mechanischen Lasten und von Feldern auch in der MI-Betriebsart monoton, wie ebenfalls noch näher erläutert werden wird.Magnetic field. Due to the so-called skin effect and the generated eddy current, this magnetic field can only influence the surface of the magnetostrictive sensor element. Since the sensor element is mechanically biased and biased, it is apparent that the magnetic dipoles of the sensor element are polarized relative to the amplitude and direction of the magnetic field. Therefore, there follows a continuous change in the surface magnetization of the magnetostrictive sensor element due to a shift of the domain walls (at low operating frequencies) or according to a rotation of the magnetization vector within the domains (at high operating frequencies). Such a change in the surface magnetization corresponds to a flux change along the magnetostrictive sensor element and is therefore detected via the measuring winding as a pulsed output voltage with a low frequency or as a pseudo-sinusoidal signal at high frequencies. The additional application of a tensile stress or a torque on the torque sensor element results in a parallel or recht¬ angular alignment of the dipoles, as in the case of MDL mode. Such additional dipole alignment, in turn, results in a decrease or increase in the induced output voltage. An additional magnetic field along the sensor element enhances the dipole alignment and reduces the induced output voltage. As with the MDL mode, the dependence on mechanical loads and fields is monotonic even in the MI mode, as will be explained in more detail below.
Die Temperatur kann bei beiden Betriebsarten, bei der MDL- und bei der MI-Betriebsart, in ähnlicher Weise Einflüsse ausüben, jedoch ist bei der vorliegenden Sensoreinrichtung, zufolge der praktisch „linearen" Ausbildung des Sensorelements, bevorzugt als amorphes Band oder als amorpher Draht, mit entsprechender Wärmebehandlung, der Temperatureffekt vernachlässigbar, d.h. Auswirkungen von Temperaturschwankungen liegen innerhalb von an sich gegebenen Fehlergrenzen.The temperature may exert a similar influence in both modes, in the MDL and MI modes, but in the present sensor device, due to the substantially "linear" design of the sensor element, preferably as an amorphous ribbon or as an amorphous wire, with appropriate heat treatment, the temperature effect negligible, ie effects of temperature fluctuations are within given error limits.
Für ein Arbeiten in der dritten Betriebsart, der REF-Betriebs- art, ist insbesondere die Aufbringung der Vorspannung auf das ferromagnetische Sensorelement (im Sinne eines Sixtus - und - Tonk-Experiments) von Bedeutung, wobei diese Vorspannung zur Ausrichtung der magnetischen Dipole in einer Richtung führt. Weiters erweist sich hier die Verwendung eines amorphen Drahtes oder Bandes als Sensorelement von Vorteil, wobei eine einzige magnetische Domäne längs der Sensorelement-Achse, insbesondere nach einer Wärmebehandlung im Magnetfeld und nach axialem Vor¬ spannen, vorliegt. Wenn ein sinusförmiger Strom durch die Er¬ regerspule geschickt wird, führt das resultierende sinusförmige Feld längs der Achse des Sensorelements und am Ende des Sensor¬ elements zu einer Domänenwand-Kernbildung und Ausbreitung. Wenn sich die Domäne längs des Sensorelements ausbreitet und die Aus¬ richtung ändert, ändert sich die Flussdichte längs des Sensor¬ elements und insbesondere auch im Bereich innerhalb der Messspule. Daher kann diese Änderung als pulsförmige Ausgangs¬ spannung an der Messspule, in Entsprechung zur induzierten Magnetisierungsänderung zufolge der Änderung der Domänen-Aus¬ richtung, erfasst werden. Die Abhängigkeit des Messergebnisses von Vorspannung und Feld ist in dieser REF-Betriebsart an sich bei niedrigen Spannungsamplituden und Feldstärken bedeutsam, je¬ doch wird die vorliegende Sensoreinrichtung zufolge der Vor¬ magnetisierung des Sensorelements (oberhalb eines Schwellenwerts) sowie des Aufbringens einer mechanischen Vor¬ spannung gegenüber mechanischen Beanspruchungen und Umgebungs¬ feldern unempfindlich. Die Empfindlichkeit gegenüber Temperaturänderungen bleibt jedoch, da sich die Temperatur auf die Domänenstruktur auswirkt. Eine Temperaturerhöhung führt zu einem Aufsplitten der vorerwähnten einzelnen Domäne in mehrere parallele/antiparallele Domänen, was wiederum zu einer monotonen Abnahme der REF-ÄusgangsSpannung führt, wenn die Temperatur der Umgebung ansteigt.For working in the third operating mode, the REF operating mode, in particular the application of the bias voltage to the ferromagnetic sensor element (in the sense of a Sixtus - and - Tonk experiment), this bias leads to alignment of the magnetic dipoles in one direction. Furthermore, the use of an amorphous wire or strip as a sensor element proves to be advantageous here, with a single magnetic domain being present along the sensor element axis, in particular after a heat treatment in the magnetic field and after axial prestressing. When a sinusoidal current is passed through the exciter coil, the resulting sinusoidal field along the axis of the sensor element and at the end of the sensor element results in domain wall nucleation and propagation. If the domain propagates along the sensor element and the orientation changes, the flux density changes along the sensor element and in particular also in the region within the measuring coil. Therefore, this change can be detected as a pulse-shaped output voltage at the measuring coil, in accordance with the induced magnetization change as a result of the change in the domain orientation. The dependence of the measurement result of bias voltage and field is significant in this REF operating mode per se at low voltage amplitudes and field strengths, but the present sensor device will be biased according to the magnetization of the sensor element (above a threshold value) and the application of a mechanical bias voltage Insensitive to mechanical stresses and ambient fields. The sensitivity to temperature changes, however, remains as the temperature affects the domain structure. A temperature increase results in a splitting of the aforementioned single domain into multiple parallel / antiparallel domains, which in turn results in a monotonic decrease in the REF output voltage as the temperature of the environment increases.
Wenn die drei vorstehend erläuterten Betriebsarten unter Anwendung der mechanischen Vorspannung und des magnetischen Felds längs der Achse des Sensorelements sowie bei Änderungen bei Umgebungstemperatur aufeinanderfolgend angewandt werden, kann dies zu einer gleichzeitigen Messung von mechanischen Lasten (Kraft/Druck/Biegung) , von Feldstärken und von Temperatur genützt werden, wobei für die Ermittlung von Vorteil ist, wenn die Messung in der MDL- und MI-Betriebsart gegenüber Tempera¬ turschwankungen unempfindlich ist. Dies ist tatsächlich der Fall, wie nachfolgend noch näher erläutert werden wird.By successively applying the three modes of operation described above using the mechanical bias and the magnetic field along the axis of the sensor element as well as changes in ambient temperature, this can result in simultaneous measurement of mechanical loads (force / pressure / deflection), field strengths and Are used for the determination of advantage, if the measurement in the MDL and MI mode is insensitive to Tempera¬ turschwankungen. This is actually the Case, as will be explained in more detail below.
Aus den vorstehenden Ausführungen ergibt sich somit, dass bei der erfindungsgemäßen Sensoreinrichtung über die Vormagne¬ tisierung und über die mechanische Vorspannung des ferromagne- tischen Sensorelements hinaus von Vorteil ist, dass die Halteelemente einen elektrischen Anschluss für das magneto- striktive Sensorelement vorsehen, wobei die Halteelemente bevor¬ zugt selbst die Anschlussteile bilden, etwa wenn sie aus Kupfer bestehen, und wobei es auch günstig ist, wenn die Halteelemente durch Substrate gebildet sind, die zugleich die elektrischen An¬ schlussteile bilden. Zumindest eines der Halteelemente ist zum Aufbringen der mechanischen Vorspannung im Sinne einer Kraft in Achsrichtung des Sensorelements oder aber im Sinne einer Verdre¬ hung des Sensorelements eingerichtet, entweder durch eine feste, ein Vorspannen bewirkende Lagerung oder aber eine bewegliche Lagerung des Halteelements selbst an bzw. in einem zugehörigen Basisteil, oder durch einen Einbau eines entsprechend bewegli¬ chen Teils innerhalb des übrigen Halteelements.From the above explanations it thus follows that in the case of the sensor device according to the invention via the preheating and via the mechanical prestressing of the ferromagnetic sensor element it is advantageous that the holding elements provide an electrical connection for the magnetostrictive sensor element, wherein the holding elements Preferably even form the connecting parts, such as if they are made of copper, and it is also advantageous if the holding elements are formed by substrates, which at the same time form the electrical An¬ closing parts. At least one of the retaining elements is adapted to apply the mechanical prestressing in the sense of a force in the axial direction of the sensor element or else in the sense of a Verdre¬ Hung of the sensor element, either by a fixed, biasing effecting storage or a movable mounting of the retaining element itself or in an associated base part, or by incorporation of a corresponding bewegli¬ Chen part within the rest of the holding element.
Zur Vormagnetisierung ist insbesondere ein Permanentmagnet vorgesehen, der bevorzugt durch einen Stab gebildet ist, der sich parallel zum linearen magnetostriktiven Sensorelement zwi¬ schen den Halteelementen erstreckt. Vorteilhafte Ergebnisse konnten in der Praxis erzielt werden, wenn der Permanentmagnet ein Nd-Fe-B-Magnet ist. Andererseits kann zur Vormagnetisierung auch eine Stromspule vorgesehen sein, die z.B. um das Sensor¬ element herum angeordnet ist.For biasing in particular a permanent magnet is provided, which is preferably formed by a rod which extends parallel to the linear magnetostrictive sensor element between the holding elements. Advantageous results have been obtained in practice when the permanent magnet is a Nd-Fe-B magnet. On the other hand, for premagnetization, a current coil may also be provided, e.g. is arranged around the sensor element.
Das längliche, „lineare" magnetostriktive Sensorelement ist vorzugsweise dünn-zylindrisch oder bandförmig ausgebildet, und insbesondere beträgt das Verhältnis von seiner Längsabmessung zu seiner Querabmessung (Durchmesser oder Breite) wie erwähnt mindestens 1000. Das Sensorelement besteht gemäß einer besonders bevorzugten Ausführungsform aus einem amorphen Material, ins¬ besondere aus einem hinsichtlich der magnetischen Wirkung güns¬ tigen wärmebehandelten Material. Von besonderen Vorteil ist es, wenn das magnetostriktive Sensorelement aus einem Fe7BSe7Bi5~Mate- rial gebildet ist. Die beiden Wicklungen oder Spulen können aus einem emaillierten Kupferdraht bestehen, wobei der Kupferdraht beispielsweise einen Durchmesser von ca. 0,1 mm hat. Im Hinblick auf eine hohe Emp¬ findlichkeit der Sensoreinrichtung ist es auch von Vorteil, wenn die Messwicklung eine größere Spulenlänge aufweist als die Er¬ regerwicklung; auch ist es hier günstig, wenn die Messwicklung eine höhere Wicklungszahl aufweist als die Erregerwicklung.The elongated, "linear" magnetostrictive sensor element is preferably formed thin-cylindrical or band-shaped, and in particular the ratio of its longitudinal dimension to its transverse dimension (diameter or width) as mentioned is at least 1000. The sensor element consists of an amorphous material according to a particularly preferred embodiment , in particular from a heat-treated material which is favorable with regard to the magnetic effect, is of particular advantage if the magnetostrictive sensor element is formed from a Fe 7B Se 7 Bi 5 material. The two windings or coils may consist of an enameled copper wire, wherein the copper wire, for example, has a diameter of about 0.1 mm. With regard to a high sensitivity of the sensor device, it is also advantageous if the measuring winding has a larger coil length than the excitation winding; It is also favorable here if the measuring winding has a higher number of turns than the exciter winding.
Wie dargelegt wird bei der Verwendung der Sensoreinrichtung als magnetostriktive Verzögerungsleitung (MDL-Betriebsart) ein impulsförmiger Strom an die Erregerspule angelegt. Im Fall der MI-Betriebsart wird durch das Sensorelement ein sinusförmiger Strom übertragen; und im Fall der REF-Betriebsart wird ein si¬ nusförmiger Strom der Erregerspule zugeführt.As stated, when using the sensor device as a magnetostrictive delay line (MDL mode), a pulse-shaped current is applied to the exciter coil. In the case of the MI mode, a sinusoidal current is transmitted through the sensor element; and in the case of the REF mode, a sinusoidal current is supplied to the exciting coil.
Insgesamt wird durch die Erfindung eine Kombinations-Sensor- einrichtung erhalten, die basierend auf drei verschiedenen magnetischen Effekten oder Betriebsarten bei der selben Bauform die Erfassung von mechanischen Lasten, Magnetfeldern und Tempe¬ raturen ermöglicht. Die magnetischen Effekte sind wie erwähnt Magnetostriktion, Magneto-Impedanz und spontane Flussumkehr. Wenn die Sensoreinrichtung in diesen drei verschiedenen Be¬ triebsarten gesondert und aufeinanderfolgend betrieben wird, kann ein Signal entsprechend den drei genannten verschiedenen physikalischen Größen, nämlich mechanische Last, Feldstärke und Temperatur, erhalten werden. Bei Tests hat sich dabei auch ergeben, dass innerhalb eines Bereichs das Gesamtausgangssignal der Sensoreinrichtung in jeder der drei verschiedenen Betriebs¬ arten gleich dem Produkt der drei entsprechenden Funktionen für die physikalischen Größen ist; daher können die drei Parameter oder Größen (mechanische Last, Temperatur und Magnetfeld) auf der Basis der Lösung einer 3 x 3-Matrix-Gleichung ermittelt werden.Overall, a combination sensor device is obtained by the invention, which allows the detection of mechanical loads, magnetic fields and temperatures based on three different magnetic effects or operating modes in the same design. The magnetic effects are, as mentioned, magnetostriction, magneto-impedance and spontaneous flux reversal. If the sensor device is operated separately and sequentially in these three different operating modes, a signal corresponding to the three different physical variables mentioned, namely mechanical load, field strength and temperature, can be obtained. In tests, it has also been found that, within one range, the total output signal of the sensor device in each of the three different operating modes is equal to the product of the three corresponding functions for the physical quantities; therefore, the three parameters or quantities (mechanical load, temperature and magnetic field) can be determined based on the solution of a 3 x 3 matrix equation.
Die Erfindung wird nachstehend anhand von bevorzugten Ausfüh¬ rungsbeispielen, auf die sie jedoch nicht beschränkt sein soll, und unter Bezugnahme auf die Zeichnung noch weiter erläutert. Es zeigen:The invention will be explained below with reference to preferred Ausfüh¬ approximately, to which it should not be limited, and with reference to the drawings. Show it:
Fig. 1 schematisch eine Darstellung einer erfindungsgemäßen Sen- soreinrichtung;1 is a schematic representation of an inventive Sen- soreinrichtung;
Fig. 2 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung bzw. Messspannung von einer aufgebrachten mechanischen Spannung zeigt;FIG. 2 shows a diagram which shows the dependence of the output voltage or measuring voltage on an applied mechanical voltage; FIG.
Fig. 3 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einer magnetischen Feldstärke in der MDL-Betriebsart zeigt;Fig. 3 is a graph showing the dependence of the output voltage on a magnetic field strength in the MDL mode;
Fig. 4 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einem Magnetfeld in der MI-Betriebsart zeigt;Fig. 4 is a graph showing the dependence of the output voltage on a magnetic field in the MI mode;
Fig. 5 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von einem Magnetfeld in der REF-Betriebsart veranschaulicht; undFig. 5 is a graph illustrating the dependence of the output voltage on a magnetic field in the REF mode; and
Fig. 6 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Ausgangsspannung von der Temperatur 2 in der REF-Betriebsart zeigt.Fig. 6 is a graph showing the dependence of the output voltage of the temperature 2 in the REF mode.
In Fig. 1 ist schematisch eine Sensoreinrichtung 1 veranschau¬ licht, die als wesentliches Element ein magnetostriktives, d.h. ferromagnetisches Sensorelement 2 aufweist. Dieses Sensorelement ist lang und dünn, somit ein „lineares" Sensorelement 2, wobei die Längsabmessung bevorzugt zumindest lOOOmal größer ist als die Querabmessung des Sensorelements 2. Das Sensorelement kann zylindrisch (mit rundem oder elliptischem Querschnitt) oder bandförmig sein, und es besteht bevorzugt aus einer amorphen, wärmebehandelten, ferromagnetischen Legierung.FIG. 1 schematically illustrates a sensor device 1 which, as an essential element, is a magnetostrictive, i. ferromagnetic sensor element 2 has. This sensor element is long and thin, thus a "linear" sensor element 2, wherein the longitudinal dimension is preferably at least 100 times greater than the transverse dimension of the sensor element 2. The sensor element may be cylindrical (with a round or elliptical cross-section) or band-shaped, and it preferably consists of an amorphous, heat-treated, ferromagnetic alloy.
In einem für Testzwecke aufgebauten konkreten Ausführungsbei¬ spiel wurde für das Sensorelement 2 ein amorpher Draht aus Fe78Si7B15-Material verwendet, welches einen mehr oder weniger vernachlässigbaren Temperaturkoeffizienten bis zu einer Tempera¬ tur von 3500C aufweist. Der Durchmesser dieses Drahtes betrug 125 μm, und die Länge des Drahts betrug 5 cm.In a game constructed for testing specific exemplary embodiment, an amorphous wire of Fe7 8 Si 7 B 15 was used material which has a more or less negligible temperature coefficient up to a Tempera¬ ture of 350 0 C for the sensor element. 2 The diameter of this wire was 125 μm, and the length of the wire was 5 cm.
Das Sensorelement 2 wird von zwei Halteelementen 3, 4 in Positi¬ on gehalten, wobei es sich hierbei bevorzugt um Halteelemente 3,4 aus Kupfer, insbesondere Kupfersubstrate handelt. Die elektrische und mechanische Verbindung des Sensorelements 2, also des Drahtes, mit den beiden Kupfer-Halteelemten 3, 4 kann - wie im praktischen Ausführungsbeispiel - durch Laserschweißen bewerkstelligt werden.The sensor element 2 is held in position by two holding elements 3, 4, these preferably being holding elements 3, 4 made of copper, in particular copper substrates. The electrical and mechanical connection of the sensor element 2, so the wire, with the two copper Halteelemten 3, 4 can - as in the practical embodiment - be accomplished by laser welding.
Auf dem Sensorelement 2 sitzen endseitig zwei Spulen oder Wick¬ lungen, nämlich einerseits eine Erregerspule oder -wicklung 5 und andererseits eine Mess- oder Prüfspule oder -wicklung 6. Beide Spulen 5,6 können beispielsweise mit einem Kupferdraht, etwa einem emaillierten Kupferdraht mit einem Durchmesser von ca. 0,1 mm, hergestellt werden. Im genannten praktischen Ausfüh¬ rungsbeispiel hatte die Erregerspule 5 30 Windungen, und ihre Spulenlänge betrug ca. 0,4 mm. Die Messspule 6 hatte dagegen 300 Windungen, und die Spulenlänge betrug 1 mm.On the sensor element 2 sit two coils or Wick¬ lungs, namely on the one hand an excitation coil or winding 5 and on the other hand, a measuring or test coil or winding 6. Both coils 5.6 can, for example, with a copper wire, such as an enameled copper wire with a Diameter of about 0.1 mm, to be produced. In the mentioned practical embodiment, the exciter coil 5 had 30 turns, and its coil length was about 0.4 mm. The measuring coil 6, however, had 300 turns, and the coil length was 1 mm.
Parallel zum linearen Sensorelement 2 erstreckt sich zwischen den Halteelementen 3, 4 ein stabförmiger Permanentmagnet 7, um eine Vormagnetisierung des magnetostriktiven Sensorelements 2 vorzusehen. Dieser Permanentmagnet 7 kann beispielsweise aus Nd-Fe-B-Magnetmaterial bestehen. Im vorgenannten konkreten Aus¬ führungsbeispiel betrug die Feldstärke des Permanentmagneten- Stabes 7 an der Oberfläche 20 kA/m.Parallel to the linear sensor element 2 extends between the holding elements 3, 4, a rod-shaped permanent magnet 7 to provide a bias of the magnetostrictive sensor element 2. This permanent magnet 7 may for example consist of Nd-Fe-B magnetic material. In the aforementioned concrete exemplary embodiment, the field strength of the permanent magnet rod 7 at the surface was 20 kA / m.
Für die Vormagnetisierung kann aber anstatt eines Permanent¬ magneten 7, wie gezeigt, auch eine stromdurchflossene Spule 7' verwendet werden, wie dies in Fig. 1 schematisch mit strich- lierten Linien angedeutet ist. Die Spule 7' wird dabei wie dargestellt bevorzugt um das Sensorelement 2 herum angeordnet, und zwar außerhalb der Erregerspule 5 sowie der Messspule 6. An sich könnte die Spule 7' aber selbstverständlich auch neben dem Sensorelement 2 angeordnet werden, ähnlich wie der Permanent¬ magnet 7 in der Nähe des Sensorelements 2 angeordnet ist. Über¬ dies wäre es auch denkbar, zur Vormagnetisierung des Sensorelements 2 dem Sensorelement 2 einen Gleichstrom zuzufüh¬ ren, der bei seinem Durchfluss durch das Sensorelement 2 ein entsprechendes Vormagnetisierungs-Magnetfeld bewirkt.However, instead of a permanent magnet 7, as shown, a current-carrying coil 7 'can also be used for the biasing, as is schematically indicated in FIG. 1 by dashed lines. As shown, the coil 7 'is preferably arranged around the sensor element 2, to be precise outside the exciter coil 5 and the measuring coil 6. The coil 7' could of course also be arranged next to the sensor element 2, similar to the permanent magnet 7 is arranged in the vicinity of the sensor element 2. In addition, it would also be conceivable to supply a direct current to the sensor element 2 for the purpose of biasing the sensor element 2, causing a corresponding bias magnetic field as it flows through the sensor element 2.
Aus Fig. 1 ist weiters ersichtlich, dass die als elektrische An¬ schlussteile dienenden Halteelemente 3, 4 mit einer elektrischen Stromquelle 8 verbunden sind, um dem Sensorelement 2 insbesonde¬ re einen sinusförmigen Strom zuzuführen. Die Amplitude und die Frequenz dieses sinusförmigen Stroms können mit an sich herkömm- liehen Mitteln eingestellt und stabilisiert werden, was in der Zeichnung nicht näher veranschaulicht ist.It is further apparent from FIG. 1 that the holding elements 3, 4 serving as electrical connection parts are connected to an electric current source 8, in order to supply a sinusoidal current to the sensor element 2 in particular. The amplitude and the frequency of this sinusoidal current can be used with conventional lent funds are set and stabilized, which is not illustrated in detail in the drawing.
In ähnlicher Weise kann der Erregerspule 5 ein sinusförmiger Strom zugeführt werden, und zu diesem Zweck ist die Erregerspule 5 an einen entsprechenden Stromgeneratorschaltkreis 9 ange¬ schlossen.Similarly, the excitation coil 5, a sinusoidal current can be supplied, and for this purpose, the excitation coil 5 is connected to a corresponding power generator circuit 9 ange¬.
Die Prüf- bzw. Messspule 6 ist ferner mit einer entsprechenden Messkreisschaltung 10, z.B. mit Signalformung, Signalver¬ arbeitung und Anzeige, wie an sich herkömmlich, verbunden.The test coil 6 is further connected to a corresponding measuring circuit 10, e.g. with signal shaping, Signalver¬ processing and display, as conventional, connected.
Schließlich ist in Fig. 1 noch eine Basis 11 für die Halte¬ elemente 3, 4 gezeigt, wobei auch schematisch bei 12 veranschau¬ licht ist, dass mit Hilfe eines Teiles dieser Basis 11 eines der Halteelemente, z.B. 4, verschiebbar und/oder verdrehbar angeord¬ net ist, um so die gewünschte mechanische Vorspannung, nämlich eine axiale Zugspannung und/oder eine Torsionsbeanspruchung, auf das Sensorelement 2 aufzubringen.Finally, FIG. 1 also shows a base 11 for the holding elements 3, 4, wherein it is also illustrated diagrammatically at 12 that with the aid of a part of this base 11 one of the holding elements, e.g. 4, slidably and / or rotatably angeord¬ net, so as to apply the desired mechanical bias, namely an axial tensile stress and / or a torsional stress on the sensor element 2.
Weiters sind an sich herkömmliche Mittel 13 angedeutet, um eine zu messende mechanische Last (Zug oder Druck) aufzubringen. Für den Fall einer Druck-Last ist es auch denkbar, das lineare Sen¬ sorelement 2 in einem Rohr 14 anzuordnen, das ein Ausknicken des Sensorelements 2 verhindert. Ferner ist es möglich, eine Biege¬ beanspruchung (s. Kraft F in Fig. 1) auf das Sensorelement 2 auszuüben und zu messen.Furthermore, conventional means 13 are indicated per se in order to apply a mechanical load to be measured (tension or pressure). In the case of a pressure load, it is also conceivable to arrange the linear sensor element 2 in a tube 14, which prevents buckling of the sensor element 2. Furthermore, it is possible to exert a bending stress (see force F in FIG. 1) on the sensor element 2 and measure it.
Eine wie schematisch in Fig. 1 gezeigt ausgebildete Äusführungs- form der vorliegenden Sensoreinrichtung 1, mit den vorstehend bereits angegebenen Dimensionierungen und Materialien, wurde praktisch getestet, und entsprechende Messergebnisse, die die angegebenen Abhängigkeiten der Messsignale V von mechanischer Last σ, Magnetfeld H und Temperatur T bestätigen, werden nach¬ folgend in Verbindung mit den Fig. 2 bis 6 noch näher erläutert.An embodiment of the present sensor device 1, as shown schematically in FIG. 1, with the dimensions and materials already given above has been practically tested, and corresponding measurement results showing the indicated dependencies of the measurement signals V on mechanical load σ, magnetic field H and temperature T will be explained in more detail nach¬ following in conjunction with FIGS. 2 to 6.
Im Einzelnen wurde die Sensoreinrichtung 1 in der MDL-Betriebs- art betrieben, wobei die Abhängigkeit des Ausgangssignals V (in mV) von der aufgebrachten mechanischen Last σ (Kraft) in N bzw. von der angelegten Feldstärke H (in A/m) ermittelt wurde, vgl. Fig. 2 und 3. Im Einzelnen wurde gemäß Fig. 2 die Abhängigkeit des Ausgangssignals V von der mechanischen Last σ, bei statio¬ nären Bedingungen hinsichtlich Feldstärke und Temperatur er¬ mittelt. Die Abhängigkeit des Ausgangssignals V von der mechanischen Last σ hat einen exponentiellen Verlauf und kann wie folgt angeschrieben werden:In detail, the sensor device 1 was operated in the MDL mode, wherein the dependence of the output signal V (in mV) on the applied mechanical load σ (force) in N or determined by the applied field strength H (in A / m) was, cf. 2 and 3. More specifically, according to FIG. 2, the dependence of the output signal V on the mechanical load σ has been determined in the case of statio nary conditions with regard to field strength and temperature. The dependence of the output signal V on the mechanical load σ has an exponential profile and can be written on as follows:
V(σ)=V0-e-"iCr . (1)V (σ) = V 0 -e- " iCr . (1)
Darin ist V0 das maximale Signal, wenn keine Last vorliegt(σ=0) , und OL ist ein materialabhängiger Koeffizient größer 0. Durch Vorspannen des Sensorelements 2 im Betrieb kann auf Basis der Beziehung (1) die aufgebrachte, zu messende mechanische Last er¬ mittelt werden.Here, V 0 is the maximum signal when there is no load (σ = 0), and O L is a material-dependent coefficient greater than 0. By biasing the sensor element 2 in operation, based on the relationship (1), the applied mechanical load to be measured be determined.
Die Abhängigkeit der Ausgangsspannung V von der Feldstärke H in der MDL-Betriebsart, siehe Fig. 3, folgt einer Rayleigh-Funkti- on, die gemäß folgender Beziehung angeschrieben werden kann:The dependence of the output voltage V on the field strength H in the MDL mode, see FIG. 3, follows a Rayleigh function which can be written according to the following relationship:
V(H)=V0-H-e'"2" . (2)V (H) = V 0 -He ' " 2 ". (2)
Darin ist OC2 wiederum ein Koeffizient größer 0, und V0 ist wiederum das maximale Spannungssignal in der MDL-Betriebsart.Again, OC 2 is a coefficient greater than 0, and V 0 is again the maximum voltage signal in MDL mode.
Wenn beispielsweise das Sensorelement 2 durch den Permanent¬ magneten 7 mit einem Feldstärkewert > 80 A/m vormagnetisiert wird, kann die Signalspannung V aufgrund des Magnetfeldes H durch folgende Beziehung angegeben werden:If, for example, the sensor element 2 is premagnetized by the permanent magnet 7 with a field strength value> 80 A / m, the signal voltage V due to the magnetic field H can be given by the following relationship:
V{H)=V'0-e~"iH . (3)V {H) = V ' 0 -e ~ " iH (3)
Darin ist V0 das neue Maximum der Ausgangsspannung V bei der nunmehr gegebenen Abhängigkeit von der Feldstärke H in der MDL- Betriebsart.Here, V 0 is the new maximum of the output voltage V at the now given dependence on the field strength H in the MDL mode.
Wenn nun berücksichtigt wird, dass die Temperaturabhängigkeit in der MDL-Betriebsart - wie sich gezeigt hat - mit einer Schwankung von 1% praktisch stetig und vernachlässigbar ist, und im Hinblick darauf, dass die Vorspannung als ein effektives Feld ausgedrückt werden kann, kann gefolgert werden, dass das MDL- Ausgangssignal für beliebige mechanische Lasten und für Feld¬ stärken, die größer sind als jene beim Spitzenwert gemäß Fig. 3Considering now that the temperature dependence in the MDL mode has been shown to be practically steady and negligible with a 1% variation, and in view of the fact that the bias voltage can be expressed as an effective field, it can be concluded that the MDL output signal for any mechanical loads and field strengths which are greater than those at the peak value according to FIG
(also bei ca. 80 A/m), als Produkt der vorstehenden Gleichungen(ie at about 80 A / m) as a product of the above equations
(1) und (3) wie folgt angeschrieben werden kann:(1) and (3) can be written as follows:
V{σ,H)=k-e-{a*H+a>σ) . (4)V {σ, H) = ke- {a * H + a> σ) . (4)
Wenn in entsprechender Weise für die MI-Betriebsart vorgegangen wird, kann festgestellt werden, dass die Signalantwort V eine lineare, abnehmende und monotone Funktion der aufgebrachten me¬ chanischen Last σ ist, wobei dies mit der folgenden Gleichung angeschrieben werden kann:If the MI mode of operation is used in a corresponding manner, it can be stated that the signal response V is a linear, decreasing and monotonous function of the applied mechanical load σ, which can be described by the following equation:
V(σ)=k-σ+b . (5)V (σ) = k-σ + b. (5)
Darin sind k und b Polynom-Koeffizienten.Where k and b are polynomial coefficients.
Andererseits hängt das Ausgangssignal in der MI-Betriebsart der Sensoreinrichtung 1 von der Feldstärke H in der Art einer Gauss'sehen Funktion (vgl. Fig. 4) ab, wobei hierfür etwa folgende Beziehung angeschrieben werden kann:On the other hand, in the MI mode of the sensor device 1, the output signal depends on the field strength H in the manner of a Gaussian function (see Fig. 4), and the following relationship can be written about:
V(H)=k'-e~(ß^] • (6)V (H) = k'-e ~ (ß ^ ] • (6)
Darin ist ß2 wieder ein positiver Koeffizient.In this case, β 2 is again a positive coefficient.
Diese Gleichung (6) kann unter Berücksichtigung dessen, dass ein Vormagnetisierungs-Permanentmagnet 7 vorhanden ist, näherungs¬ weise ersetzt werden durch folgende Gleichung:This equation (6), taking into account that a premagnetizing permanent magnet 7 is present, can be replaced approximately by the following equation:
V(H)=k'-e~{ßH) • (7)V (H) = k'-e ~ {ßH) • (7)
Es gilt somit, dass der Anfangsbereich der Kurve gemäß Fig. 4 nicht weiter von Bedeutung ist. Wenn ferner berücksichtigt wird, dass in der MI-Betriebsart die Temperatur-Abhängigkeit ebenfalls mit einer Schwankung von 2% als stetig angenommen werden kann, wie sich gezeigt hat, und dass die Belastung als effektive Feldstärke ausgedrückt werden kann, ergibt sich, dass die Abhängigkeit der AusgangsSpannung V von mechanischer Last σ und Feldstärke H in der MI-Betriebsart als Produkt der Gleichungen (1) und (7) wie folgt angeschrieben werden kann:It is thus true that the initial region of the curve according to FIG. 4 is not significant. Further, taking into consideration that in the MI mode, the temperature dependency can also be assumed to be steady with a fluctuation of 2%, as has been found, and that the stress can be expressed as an effective field strength, it follows that the dependency the output voltage V of mechanical load σ and field strength H in MI mode can be written as the product of equations (1) and (7) as follows:
V{σ,H)={k-σ+b)-k'-e-(ßH) . (8)V {σ, H) = {k-σ + b) -k'-e- (βH) . (8th)
Es handelt sich hierbei um die Kombination einer Rayleigh- Funktion und einer exponentiellen Funktion.This is the combination of a Rayleigh function and an exponential function.
Für die REF-Betriebsart hat sich gezeigt, dass die Last-Abhän¬ gigkeit mit einem Fehler von 1-2% als konstant angenommen werden kann. Die Feldabhängigkeit ist in Fig. 5 veranschaulicht. Wenn eine entsprechende Vormagnetisierung des Sensorelements 2 vor¬ ausgesetzt wird, kann, wie sich aus den Kurven in Fig. 5 ergibt, das Ausgangssignal V als nahezu konstant angenommen werden.For the REF operating mode it has been shown that the load dependency can be assumed to be constant with an error of 1-2%. The field dependence is illustrated in FIG. If a corresponding biasing of the sensor element 2 is pre-exposed, as can be seen from the curves in FIG. 5, the output signal V can be assumed to be almost constant.
Schließlich zeigte sich überraschend, dass in der REF-Betriebs¬ art die Abhängigkeit der Ausgangsspannung V von der Temperatur T eine lineare Funktion ist, vgl. die nachfolgende Gleichung:Finally, it was surprisingly found that in the REF operating mode the dependence of the output voltage V on the temperature T is a linear function, cf. the following equation:
V(T)=Jc2-T+b2 (mit k2, b2 = Polynom-Parameter) (9)V (T) = Jc 2 -T + b 2 (with k 2 , b 2 = polynomial parameters) (9)
Nach Beschreibung des Formalismus für die vorerwähnten unbekann¬ ten Parameter: Last, Temperatur und Feldstärke auf der Basis von experimentellen Daten können deren Größen unter Verwendung von numerischen Analysetechniken bestimmt werden. Die Gleichung (9) kann unabhängig zur Bestimmung der Umgebungstemperatur benützt werden, wogegen die Gleichungen (4) und (8) in Kombination zur numerischen Bestimmung der Größe von mechanischer Last und Feld¬ stärke in der MDL-Betriebsart bzw. MI-Betriebsart herangezogen werden können.After describing the formalism for the aforementioned unknown parameters: load, temperature and field strength on the basis of experimental data, their magnitudes can be determined using numerical analysis techniques. Equation (9) can be used independently to determine the ambient temperature, whereas equations (4) and (8) are used in combination for the numerical determination of the magnitude of mechanical load and field strength in MDL mode or MI mode can.
Aber auch wenn die Temperaturabhängigkeit in der MDL- und MI-Be- triebsart, sowie die Feld- und Lastabhängigkeit in der REF-Be- triebsart berücksichtigt werden, können Last σ, Temperatur T und Feldstärke H durch Lösen einer 3 x 3-Matrix-Gleichung gefunden werden, da die Sensor-Ausgangsspannung V in einem Bereich dem Produkt der drei Funktionen für die obigen physikalischen Größen σ, T, H entspricht. But even if the temperature dependence in the MDL and MI mode of operation, as well as the field and load dependency in the REF mode are taken into account, load σ, temperature T and field strength H can be found by solving a 3 x 3 matrix equation, since the sensor output voltage V in a range of Product of the three functions for the above physical quantities σ, T, H corresponds.

Claims

Patentansprüche claims
1. Sensoreinrichtung (1) mit einem länglichen magnetostriktiven Senso¬ relement (2) , das einerseits mit einer Erregerwicklung (5) und andererseits mit einer Messwicklung (6) versehen ist, und das mit sei¬ nen beiden Enden von Halteelementen (3, 4) gehalten und mit Hilfe dieser Halteelemente (3, 4) mechanisch unter Vorspannung setzbar bzw. gesetzt ist, dadurch gekennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensor¬ element (2) vormagnetisiert ist, und dass die Halteelemente (3, 4) einen elektrischen Anschluss für das magnetostriktive Sensorelement (2) vorsehen.1. sensor device (1) with an elongated magnetostrictive Senso¬ relement (2), which is provided on the one hand with a field winding (5) and on the other hand with a measuring winding (6), and that with sei¬ nen both ends of holding elements (3, 4th ) and mechanically prestressed by means of these holding elements (3, 4), characterized in that the magnetostrictive sensor element (2) is premagnetized, and in that the holding elements (3, 4) provide an electrical connection for the Provide magnetostrictive sensor element (2).
2. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3, 4) aus Kupfer bestehen.2. Sensor device according to claim 1, characterized in that the holding elements (3, 4) consist of copper.
3. Sensoreinrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Halteelemente (3, 4) durch Substrate gebildet sind, die zu¬ gleich elektrische Anschlussteile bilden.3. Sensor device according to claim 1 or 2, characterized in that the holding elements (3, 4) are formed by substrates which form zu¬ equal electrical connection parts.
4. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) mittels eines Permanentmagneten (7) vormagnetisiert ist.4. Sensor device according to one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the magnetostrictive sensor element (2) by means of a permanent magnet (7) is biased.
5. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (7) stabförmig ausgebildet ist und sich parallel zum magnetostriktiven Sensorelement (2) zwischen den Halteelementen (3, 4) erstreckt.5. Sensor device according to claim 4, characterized in that the permanent magnet (7) is rod-shaped and extends parallel to the magnetostrictive sensor element (2) between the holding elements (3, 4).
6. Sensoreinrichtung nach Anspruch 4 oder 5, dadurch gekennzeichnet, dass der Permanentmagnet (7) ein Nd-Fe-B-Magnet ist.6. Sensor device according to claim 4 or 5, characterized in that the permanent magnet (7) is a Nd-Fe-B magnet.
7. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) mittels einer Spule (71) vormagnetisiert ist.7. Sensor device according to one of claims 1 to 3, characterized gekenn¬ characterized in that the magnetostrictive sensor element (2) by means of a coil (7 1 ) is biased.
8. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn¬ zeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) zylindrisch aus¬ gebildet ist.8. Sensor device according to one of claims 1 to 7, characterized gekenn¬ characterized in that the magnetostrictive sensor element (2) is cylindrical aus¬ formed.
9. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekenn- zeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) bandförmig aus¬ gebildet ist.9. Sensor device according to one of claims 1 to 7, characterized shows that the magnetostrictive sensor element (2) is formed belt-shaped.
10. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das längliche magnetostriktive Sensorelement (2) ein Verhältnis von Längsabmessung zu Querabmessung von mindestens 1000 hat.10. Sensor device according to one of claims 1 to 9, characterized ge indicates that the elongated magnetostrictive sensor element (2) has a ratio of longitudinal dimension to transverse dimension of at least 1000.
11. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) aus einem amorphen Material besteht.11. Sensor device according to one of claims 1 to 10, characterized ge indicates that the magnetostrictive sensor element (2) consists of an amorphous material.
12. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) aus einem wärmebehandelten Material besteht.12. Sensor device according to one of claims 1 to 11, characterized ge indicates that the magnetostrictive sensor element (2) consists of a heat-treated material.
13. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 12, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass das magnetostriktive Sensorelement (2) aus einem Fe78Se7B15-Material gebildet ist.13. Sensor device according to one of claims 1 to 12, characterized ge indicates that the magnetostrictive sensor element (2) is formed from a Fe 78 Se 7 B 15 material.
14. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 13, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die beiden Wicklungen (5, 6) aus einem emaillierten Kupferdraht, z.B. mit einem Durchmesser von ca. 0,1 mm, bestehen.14. Sensor device according to one of claims 1 to 13, characterized ge indicates that the two windings (5, 6) made of an enameled copper wire, e.g. with a diameter of approx. 0.1 mm.
15. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 14, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Messwicklung (6) eine größere Spulenlänge auf¬ weist als die Erregerwicklung (5) .15. Sensor device according to one of claims 1 to 14, characterized ge indicates that the measuring winding (6) has a larger coil length auf¬ has than the exciter winding (5).
16. Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 15, dadurch ge¬ kennzeichnet, dass die Messwicklung (6) eine höhere Windungszahl auf¬ weist als die Erregerwicklung (5) .16. Sensor device according to one of claims 1 to 15, characterized ge indicates that the measuring winding (6) auf¬ a higher number of turns than the exciter winding (5).
17. Verwendung der Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als magnetostriktive Verzögerungsstrecke.17. Use of the sensor device according to one of claims 1 to 16 as a magnetostrictive delay path.
18. Verwendung der Sensoreinrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als magneto-induktive Einheit.18. Use of the sensor device according to one of claims 1 to 16 as a magneto-inductive unit.
19. Verwendung der Sensoreinheit nach einem der Ansprüche 1 bis 16 als Wiedereintritts-Flussumkehreinheit. 19. Use of the sensor unit according to one of claims 1 to 16 as a re-entry flow reversing unit.
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