WO2008052955A2 - Kraftsensor und verfahren zu seiner anwendung - Google Patents

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WO2008052955A2
WO2008052955A2 PCT/EP2007/061588 EP2007061588W WO2008052955A2 WO 2008052955 A2 WO2008052955 A2 WO 2008052955A2 EP 2007061588 W EP2007061588 W EP 2007061588W WO 2008052955 A2 WO2008052955 A2 WO 2008052955A2
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force sensor
air gap
coil
force
inductance
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Inventor
Johannes Ante
Stephan Heinrich
Torsten Reitmeier
Willibald Reitmeier
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Continental Automotive Gmbh
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    • 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
    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L5/00—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/04—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands
    • G01L5/10—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands using electrical means
    • G01L5/101—Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring tension in flexible members, e.g. ropes, cables, wires, threads, belts or bands using electrical means using sensors inserted into the flexible member

Definitions

  • the present invention relates to a force sensor, in particular an inductive force sensor, and a method for its application.
  • Handbrake handle conventional parking brakes on an electric actuator, which attracts the parking brake and releases again. If, for example, an electrically actuated cable pull system is used in the electric parking brake, a force sensor is necessary depending on the customer's requirements
  • Cable strength or another representative of the braking force size measures. On the one hand, this force measurement ensures that the parking brake is sufficiently firmly tightened and, on the other hand, that mechanical overloading of the cable system does not occur during the tightening of the parking brake.
  • a force measurement for monitoring the exchanged mechanical loads is desirable.
  • An alternative to force measurement is a conventional load cell, but due to its high price is rarely used.
  • Another alternative for force measurement uses a spring, which is arranged for example between a Bowden cable and a drive unit for the Bowden cable. A change in length of the spring is proportional to the force applied to the Bowden cable and force is measured for example by means of magnet and Hall sensor (ASIC).
  • ASIC magnet and Hall sensor
  • the force on the bowden cable casing can also be measured as an abutment force.
  • a Hall-based path measurement is appropriate.
  • the subjective distance measurement is on a spring for example by means of differential transformer LVDT or eddy current eddy current possible.
  • the force sensor for detecting a tensile and / or compressive force has the following features: an annular coil core with an air gap, which consists of an elastic and magnetizable material, a coil with a plurality of windings close to Air gap of the spool core is arranged, and at least two attachment points on the annular spool core to which pressure or tension elements are fastened, so a gap width of the air gap can be changed by the pressure or tension element.
  • the force sensor according to the invention is composed of inexpensive components which can be assembled with little effort into a force sensor. It is also noticeable that the individual components and thus the entire force sensor does not contain any temperature-critical components, so that it represents a construction that can be loaded by environmental influences. In addition to the temperature, the force sensor is also insensitive to mechanical loads and contamination. This is further supported by the fact that a measuring and evaluation must not be installed directly on the inductive force sensor.
  • the inductive force sensor represents an inductance which can be varied by means of acting compressive and / or tensile forces. This is achieved by means of a coil which generates this inductance via an iron core with an air gap of variable width.
  • the spool core consists of linearly elastic material. This has the consequence that when attacking compressive or tensile forces of the air gap is changed in width and the coil core returns to its original position as soon as the pressure / tensile forces no longer work. On this basis, a relationship between the gap width-determining forces and the inductance generated across the gap width can be produced. This opens up the possibility of determining the forces acting on the force sensor from the change in inductance which can be measured, for example, by means of a resonant circuit.
  • the coil of the force sensor extends over the air gap of the spool core. It is further preferred to form the attachment points of the spool core as eyelets.
  • a resonant circuit is connected to the force sensor, so that a change in the gap width of the air gap via an inductance change of the coil and an associated resonance change of the resonant circuit is measurable.
  • the force sensor with a resonant circuit can be calibrated in such a way that the force acting on the force sensor can be read from a displacement of the resonant frequency of the resonant circuit.
  • the present invention further comprises a method for determining a compressive or tensile force by means of the above-described force sensor, comprising the steps of: supplying the coil with an alternating voltage, changing the gap width of the air gap by introducing the compressive or tensile force, thereby the inductance of the force sensor changes, detecting the change in inductance via a resonance shift in a resonant circuit or a voltage drop across the coil and a reference resistor and determining a change in the width of the air gap from the inductance change, so that the strength of the compressive or tensile force from the elastic Properties of the coil core is derivable.
  • Fig. 2 shows an embodiment of the force sensor under the
  • Fig. 3 shows an embodiment of an electrical evaluation circuit for the force sensor
  • FIG. 4 is a schematic flow diagram of a preferred embodiment of the present method.
  • 2 shows an embodiment of the force sensor 1 according to the invention.
  • This comprises an annular coil core 10 with an air gap 20.
  • the coil core 10 consists of an elastic and magnetizable material.
  • the coil core 10 forms a ring with an air gap 20 from a magnetic point of view, while at the same time acting as a force-loaded structural component in the force sensor 1.
  • the spool core 10 is therefore preferably designed such that a change in a gap width s of the air gap 20 results depending on an acting tensile force F or a corresponding compressive force.
  • the quadrangular coil core 10 shown in FIG. 1 is suitable.
  • a round, triangular or oval shape is also preferred, each having an air gap 20.
  • all forms with air gap are suitable, in which mechanical forces can be initiated in such a way that the air gap 20 varies in its width depending on the force (compare FIGS. 1A, B, C).
  • the spool core 10 comprises two attachment points 12, which are preferably arranged opposite one another.
  • the attachment points 12 are formed as eyelets (see Fig. 1 A, B, C). These may be threaded to secure a power transmission component thereto.
  • Other attachment alternatives are a bolt or rivet, or a weld or solder joint between attachment point 12 and force transmitting component.
  • the annular coil core 10 consists of linearly elastic steel, so that the gap width s changes proportionally to the acting pressure or tensile force. If the force sensor 1 is used to determine compressive forces, the gap 20 also serves as a mechanical stop, so that mechanical damage to the force sensor 1 in the event of overloading by the applied pressure forces is ruled out.
  • a preferred material for the spool core 10 is steel, preferably 17-4PH or Böhler N700 or 1.4542 or AlSl 630 or JIS SUS 630 or X5CrNiCuNb 17-4-4.
  • the steel is a precipitation hardenable martensite steel which is high strength with a yield strength of about 1300 MPa.
  • this steel is hard and tough (Rockwell C45, elongation at break over 5%).
  • this steel is linear elastic and has a negligible mechanical hysteresis. In terms of its magnetic properties, it is ferromagnetic.
  • the above-mentioned air gap 20 can be produced inexpensively, for example by means of wire erosion.
  • the inductive force sensor 1 comprises a coil 30 with a plurality of windings N, which is arranged near the air gap 20 of the spool core 10.
  • the coil 30 is preferably wound from enameled copper wire.
  • the number of windings N is set.
  • the windings N vary, for example, in a range of 10 to 30, while higher numbers of turns are conceivable.
  • the coil 30 is wound to extend across the air gap 20. Based on this arrangement results in a large variation of the inductance L of the force sensor 1 when changing the gap width s of the air gap 20 compared to a non-wound over the air gap 20 coil 30.
  • the coil core 10 with air gap 20 and coil 30 is therefore similar to a toroidal core choke built up.
  • the coil 30 is supplied with an AC voltage Ui (see Fig .. 3).
  • the force sensor 1 is connected via these ends 32 to evaluation electronics, such as an LC resonant circuit or an inductance measurement by means of an impedance / resistance ratio (see below).
  • evaluation electronics such as an LC resonant circuit or an inductance measurement by means of an impedance / resistance ratio (see below).
  • the length of the free ends 32 is arbitrarily adjustable, so that a transmitter is not exposed to the ambient conditions directly on the force sensor 1. This includes, for example, a high mecha- nische or temperature load of the transmitter.
  • the force sensor 1 described above does not consist of temperature-critical components, such as semiconductors. Therefore, its operation is conceivable even at elevated ambient temperature of, for example, 180 to 250 ° C, where semiconductor sensors could no longer be used.
  • the force sensor 1 is thus robust against external environmental influences and can also be operated under inhospitable conditions.
  • the evaluation electronics in one embodiment of the present invention comprises an LC resonant circuit, so that the force sensor 1 forms a variable inductance L in this resonant circuit.
  • the force sensor 1 By acting on the force sensor 1 tensile or compressive forces, the gap width of the air gap 20 and thus also the inductance of the force sensor 1 is changed.
  • This inductance change can be measured as a resonance change in the LC resonant circuit, for example with a collpit oscillator.
  • a measurement of the inductance change is via a
  • Another alternative for measuring the inductance change L of the force sensor 1 is carried out with the aid of an LC measuring bridge.
  • the inductance L of the force sensor 1 is described by the permeability ⁇ e of the coil core 10 with air gap 20.
  • the change in permeability ⁇ e with changes in the Slit width s of the air gap 20 can be estimated by the following equation:
  • This equation applies to gap widths s which are much smaller than an effective magnetic path l e in the coil core 10.
  • the coil core 10 is shown in FIG. 1.
  • Fig. 1 also shows the magnetic path l e by means of a dashed line.
  • the size ⁇ x is in equation (1) the permeability of the material of the coil core 10.
  • the inductance L is also the cross section A of the spool core 10 is dependent.
  • the cross section A is also shown in Fig. 1. It should be noted that due to eddy current losses in the coil core 10 and by magnetic stray fields, the influence of the air gap 20 is lower than calculated. This must be taken into account in the evaluation of the measured values of the force sensor 1, for example by calibrating the force sensor 1.
  • the inductance L is connected to the inductance factor or conductance A L via the following equation (2).
  • N denotes the number of windings, ⁇ 0 the permeability in vacuum, ⁇ e the permeability of the coil core 10 with air gap 20 (see above), 1 a section of the magnetic path l e with the associated cross section A of the coil core while the sum of the sections 1 gives the magnetic path length l e .
  • equation (1) the inductance L of the force sensor 1 or the wound th coil core 10 with air gap 20 in the ideal case only of the gap width s of the air gap 20 is dependent. Since the gap width s of the air gap 20 is preferably proportional to the applied tensile or compressive force, thereby the force sensor 1 can be realized.
  • the inductance L is measured with a suitable evaluation, while the non-linear calibration of the force sensor 1 is performed with the above equations.
  • Equation (3) j denotes a complex number, ⁇ the frequency of the alternating voltage Ui, L the inductance of the force sensor and R the resistance already mentioned above.
  • the RMS values Ui, U R of the voltages from the circuit in FIG. 3 are calculated from the AC voltages U 1 , U R according to FIG.
  • the voltages Ui and U R can be measured, for example, with analog-to-digital converters ADC. It is also conceivable to detect the voltage signal of U R with the aid of an amplifier circuit according to FIG. 3B.
  • the amplifier circuit according to FIG. 3B is integrated into the circuit for measuring the inductance L via the contact points 2 and 3 in FIG. 3A.
  • Another alternative is to detect the peak values of the measured voltage U R by means of a peak value memory s.
  • the circuit from FIG. 3C is preferably connected to the amplifier circuit from FIG. 3B via the contact point 5.
  • the coil 30 is thus generally supplied with an alternating voltage and subsequently the gap width s of the air gap 20 is changed by introducing the compressive or tensile force.
  • the resulting inductance Change of the force sensor 1 is detected via the resonance shift in the LC resonant circuit or via a voltage drop across the coil 30 and a reference resistor R. If one determines the change in the width s of the air gap 20 from the inductance change, a strength of the compressive or tensile force can be derived from the elastic properties of the coil core 10 in this way.

Abstract

Die vorliegende Erfindung offenbart einen Kraftsensor (1) sowie ein Verfahren zum Erfassen von Zug- und/oder Druckkräften. Der induktive Kraftsensor (1) besteht aus einem ringförmigen Spulenkern (10) mit einem Luftspalt (20). Die an dem Spulenkern (10) in dem Befestigungspunkten (12) angreifenden Zug- oder Druckkräfte verändern die Breite des Luftspalts (20), so dass aus einer sich daraus ergebenden Induktivitätsänderung des Kraftsensors (1) die angreifenden Kräfte bestimmbar sind.

Description

Beschreibung
Kraftsensor und Verfahren zu seiner Anwendung
Die vorliegende Erfindung betrifft einen Kraftsensor, insbesondere einen induktiven Kraftsensor, und ein Verfahren zu seiner Anwendung.
Moderne Kraftfahrzeuge werden zunehmend mit elektrischen Feststellbremsen ausgestattet. Diese weisen anstelle eines
Handbremsgriffs herkömmlicher Feststellbremsen einen elektrischen Aktor auf, der die Feststellbremse anzieht und wieder löst. Kommt beispielsweise in der elektrischen Feststellbremse ein elektrisch betätigtes Seilzugsystem zum Einsatz, ist je nach Kundenanforderung ein Kraftsensor nötig, der die
Seilkraft oder eine andere für die Bremskraft repräsentative Größe misst. Diese Kraftmessung stellt einerseits sicher, dass die Feststellbremse ausreichend fest angezogen ist, und andererseits, dass es während des Anziehens der Feststell- bremse nicht zu mechanischen Überlastungen des Seilzugsystems kommt .
Auch an anderen Stellen im Kraftfahrzeug, beispielsweise für das Fahrwerk oder die Betriebsbremse, ist eine Kraftmessung zur Überwachung der ausgetauschten mechanischen Lasten wünschenswert. Eine Alternative zur Kraftmessung stellt eine übliche Kraftmessdose dar, die jedoch auf Grund ihres hohen Preises nur selten zur Anwendung kommt. Eine weitere Alternative zur Kraftmessung nutzt eine Feder, die beispielsweise zwischen einem Bowdenzugseil und einer Antriebseinheit für das Bowdenzugseil angeordnet ist. Eine Längenänderung der Feder ist proportional zur auf das Bowdenzugseil aufgebrachten Kraft und wird beispielsweise mittels Magnet und Hall-Sensor (ASIC) gemessen. Alternativ kann ebenfalls die Kraft auf die Bowdenzughülle als Widerlagerkraft gemessen werden. Auch in diesem Fall bietet sich eine Hall-basierte Wegmessung an. Gemäß weiterer Möglichkeiten ist die subjektive Wegmessung an einer Feder beispielsweise mittels Differentialtrafo LVDT oder Wirbelstrom Eddy-current möglich.
Die oben beschriebenen Prinzipien haben den Nachteil, dass sie die Montage von Messelementen zur Wegmessung an einer Feder erfordern, bei der Montagetoleranzen präzise einzuhalten sind. Des Weiteren erfordern übliche Sensoren zur Wegmessung eine eigene Elektronik, die meist nahe am Messelement angeordnet sein muss, um das Messelement geeignet auslesen und kalibrieren zu können. Damit ist sowohl das Messelement als auch die entsprechende Elektronik den Umgebungsbedingungen ausgesetzt, die am Ort der Kraftmessung wirken. Diese stellen häufig eine starke Belastung dar, die den Betrieb von Messelement und Elektronik einschränken können.
Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, einen Kraftsensor und ein Verfahren zu seiner Anwendung bereitzustellen, der im Vergleich zum Stand der Technik eine einfache Konstruktion aufweist und unempfindlich gegenüber Umgebungs- einflüssen ist.
Das obige Problem wird durch einen Kraftsensor gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 1 und durch ein Verfahren gemäß dem unabhängigen Patentanspruch 6 gelöst. Vorteilhafte Weiterent- Wicklungen und Modifikationen der vorliegenden Erfindung gehen aus der folgenden Beschreibung, den begleitenden Zeichnungen und den anhängenden Patentansprüchen hervor.
Der Kraftsensor zum Erfassen einer Zug- und/oder Druckkraft, insbesondere ein induktiver Kraftsensor, weist die folgenden Merkmale auf: einen ringförmigen Spulenkern mit einer Luftspalte, die aus einem elastischen und magnetisierbaren Material besteht, eine Spule mit einer Mehrzahl von Wicklungen, die nahe dem Luftspalt des Spulenkerns angeordnet ist, und mindestens zwei Befestigungspunkte am ringförmigen Spulenkern, an denen Druck- oder Zugelemente befestigbar sind, so dass eine Spaltbreite des Luftspalts durch das Druck- oder Zugelement veränderbar ist.
Der erfindungsgemäße Kraftsensor setzt sich aus kostengünsti- gen Bestandteilen zusammen, die mit geringem Aufwand zu einem Kraftsensor zusammengebaut werden können. Es fällt ebenfalls auf, dass die einzelnen Komponenten und somit der gesamte Kraftsensor keine temperaturkritischen Bauteile enthält, so dass er eine durch Umgebungseinflüsse belastbare Konstruktion darstellt. Neben der Temperatur ist der Kraftsensor ebenfalls unempfindlich gegenüber mechanischen Lasten und Verschmutzung. Dies wird des Weiteren dadurch unterstützt, dass eine Mess- und Auswerteelektronik nicht direkt am induktiven Kraftsensor installiert sein muss. Der induktive Kraftsensor stellt eine über wirkende Druck- und/oder Zugkräfte veränderbare Induktivität dar. Dies wird mit Hilfe einer Spule erzielt, die über einen Eisenkern mit einem Luftspalt veränderbarer Breite diese Induktivität generiert.
Gemäß einer Ausführungsform besteht der Spulenkern aus linearelastischem Material. Dies hat zur Folge, dass bei angreifenden Druck- oder Zugkräften der Luftspalt in seiner Breite verändert wird und der Spulenkern in seine Ausgangsposition wieder zurückkehrt, sobald die Druck-/Zugkräfte nicht mehr wirken. Auf dieser Grundlage ist ein Zusammenhang zwischen den die Spaltbreite bestimmenden Kräften und der über die Spaltbreite erzeugten Induktivität herstellbar. Dies eröffnet die Möglichkeit, aus der Induktivitätsänderung, die beispielsweise mit Hilfe eines Schwingkreises messbar ist, die an dem Kraftsensor wirkenden Kräfte zu bestimmen.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform erstreckt sich die Spule des Kraftsensors über den Luftspalt des Spulenkerns. Es ist weiterhin bevorzugt, die Befestigungspunkte des Spulenkerns als Ösen auszubilden. Zur Auswertung des Signals des Kraftsensors ist gemäß einer Ausführungsform ein Schwingkreis mit dem Kraftsensor verbunden, so dass eine Änderung der Spalt- breite des Luftspaltes über eine Induktivitätsänderung der Spule und eine damit verbundene Resonanzänderung des Schwingkreises messbar ist. Auf dieser Grundlage ist der Kraftsensor mit Schwingkreis derart kalibrierbar, dass man aus einer Ver- Schiebung der Resonanzfrequenz des Schwingkreises die am Kraftsensor wirkende Kraft ablesen kann.
Die vorliegende Erfindung umfasst weiterhin ein Verfahren zur Bestimmung einer Druck- oder Zugkraft mit Hilfe des oben be- schriebenen Kraftsensors, das die folgenden Schritte aufweist: Versorgen der Spule mit einer Wechselspannung, Verändern der Spaltbreite des Luftspalts durch Einleiten der Druck- oder Zugkraft, wodurch sich die Induktivität des Kraftsensors ändert, Erfassen der Induktivitätsänderung über eine Resonanzverschiebung in einem Schwingkreis oder über einen Spannungsabfall an der Spule und einem Referenzwiderstand und Bestimmen einer Änderung der Breite des Luftspalts aus der Induktivitätsänderung, so dass die Stärke der Druck- oder Zugkraft aus den elastischen Eigenschaften des Spulenkerns ableitbar ist.
Die vorliegende Erfindung wird unter Bezugnahme auf die begleitende Zeichnung näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1 eine Ausführungsform des ringförmigen Spulenkerns des Kraftsensors,
Fig. 2 eine Ausführungsform des Kraftsensors unter der
Wirkung schematisch angedeuteter Zugkräfte,
Fig. 3 eine Ausführungsform einer elektrischen Auswerteschaltung für den Kraftsensor und
Fig. 4 ein schematisches Flussdiagramm einer bevorzugten Ausführungsform des vorliegenden Verfahrens. Fig. 2 zeigt eine Ausführungsform des erfindungsgemäßen Kraftsensors 1. Dieser umfasst einen ringförmigen Spulenkern 10 mit einem Luftspalt 20. Der Spulenkern 10 besteht aus einem elastischen und magnetisierbaren Material. Somit bildet der Spulenkern 10 aus magnetischer Sicht einen Ring mit Luftspalt 20, während er gleichzeitig im Kraftsensor 1 als kraftbeaufschlagtes Strukturbauteil wirkt. Der Spulenkern 10 ist daher bevorzugt so konstruiert, dass sich eine Änderung einer Spaltbreite s des Luftspalts 20 in Abhängigkeit von einer wirkenden Zugkraft F oder einer entsprechenden Druckkraft ergibt. Als kraftbeaufschlagtes Strukturbauteil eignet sich der in Fig. 1 dargestellte viereckige Spulenkern 10. Neben der viereckigen Form des Spulenkerns 10 ist ebenfalls eine runde, dreieckige oder ovale Form bevorzugt, die jeweils einen Luft- spalt 20 aufweist. Als Spulenkern sind daher alle Formen mit Luftspalt geeignet, in die sich mechanische Kräfte derart einleiten lassen, dass sich der Luftspalt 20 kraftabhängig in seiner Breite verändert (vgl. Fig. IA, B, C) .
Der Spulenkern 10 umfasst zwei Befestigungspunkte 12, die vorzugsweise einander gegenüberliegend angeordnet sind. Gemäß einer Ausführungsform sind die Befestigungspunkte 12 als Ösen ausgebildet (vgl. Fig. 1 A, B, C) . Diese können ein Gewinde aufweisen, um eine Komponente zur Kraftübertragung daran zu befestigen. Weitere Befestigungsalternativen sind ein Bolzen oder ein Niet oder eine Schweiß- oder Lötverbindung zwischen Befestigungspunkt 12 und Kraft übertragender Komponente.
Gemäß einer Ausführungsform besteht der ringförmige Spulen- kern 10 aus linearelastischem Stahl, so dass sich die Spaltbreite s proportional zur wirkenden Druck- oder Zugkraft ändert. Wendet man den Kraftsensor 1 zur Bestimmung von Druckkräften an, dient der Spalt 20 ebenfalls als mechanischer Anschlag, so dass eine mechanische Beschädigung des Kraftsen- sors 1 bei Überbelastung durch die angreifenden Druckkräfte ausgeschlossen ist. Ein bevorzugtes Material für den Spulenkern 10 ist Stahl, vorzugsweise 17-4PH bzw. Böhler N700 bzw. 1,4542 bzw. AlSl 630 bzw. JIS SUS 630 bzw. X5CrNiCuNb 17-4-4. Der Stahl ist ein ausscheidungshärtbarer Martensitstahl, der hochfest mit einer Dehngrenze von ca. 1300 MPa ist. Zudem ist er hart und trotzdem zäh (Rockwell C45, Bruchdehnung über 5 %) . Zudem ist dieser Stahl linear elastisch und weist eine vernachlässigbare mechanische Hysterese auf. In Bezug auf seine magnetischen Eigenschaften ist er ferromagnetisch. Der oben genannte Luftspalt 20 lässt sich kostengünstig beispielsweise mittels Drahterosion herstellen.
Zudem umfasst der induktive Kraftsensor 1 eine Spule 30 mit einer Mehrzahl von Wicklungen N, die nahe dem Luftspalt 20 des Spulenkerns 10 angeordnet ist. Die Spule 30 ist bevorzugt aus Kupferlackdraht gewickelt. In Abhängigkeit von der zu er- zeugenden Induktivität L aus Spulenkern 10 und Spule 30 wird die Anzahl der Wicklungen N eingestellt. Die Wicklungen N variieren beispielsweise in einem Bereich von 10 bis 30, während auch höhere Wicklungszahlen denkbar sind.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform ist die Spule 30 derart gewickelt, dass sie sich über den Luftspalt 20 erstreckt. Basierend auf dieser Anordnung ergibt sich eine starke Variation der Induktivität L des Kraftsensors 1 bei Veränderung der Spaltbreite s des Luftspalts 20 im Vergleich zu einer nicht über den Luftspalt 20 gewickelten Spule 30. Der Spulenkern 10 mit Luftspalt 20 und Spule 30 ist daher ähnlich einer Ringkerndrossel aufgebaut.
Über die freien Enden 32 der Spule 30 wird die Spule 30 mit einer Wechselspannung Ui versorgt (vgl. Fig. 3) . Zudem ist der Kraftsensor 1 über diese Enden 32 an eine Auswerteelektronik angeschlossen, wie beispielsweise einen LC-Schwingkreis oder eine Induktivitätsmessung mittels eines Impedanz- /Widerstandsverhältnis (s. unten). Die Länge der freien Enden 32 ist beliebig einstellbar, so dass eine Auswerteelektronik nicht den Umgebungsbedingungen unmittelbar am Kraftsensor 1 ausgesetzt ist. Dies schließt beispielsweise eine hohe mecha- nische oder Temperaturbelastung der Auswerteelektronik aus. In gleicher Weise besteht der oben beschriebene Kraftsensor 1 nicht aus temperaturkritischen Bauteilen, wie beispielsweise Halbleitern. Daher ist sein Betrieb auch bei erhöhter Umge- bungstemperatur von zum Beispiel 180 bis 250° C denkbar, wo Halbleitersensoren bereits nicht mehr eingesetzt werden könnten. Der Kraftsensor 1 ist somit robust gegenüber äußeren Umgebungseinflüssen und lässt sich auch unter unwirtlichen Bedingungen betreiben.
Wie oben bereits erwähnt worden ist, umfasst die Auswerteelektronik in einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung einen LC-Schwingkreis, so dass der Kraftsensor 1 eine veränderbare Induktivität L in diesem Schwingkreis bildet. Durch die am Kraftsensor 1 angreifenden Zug- oder Druckkräfte wird die Spaltbreite des Luftspalts 20 und somit auch die Induktivität des Kraftsensors 1 verändert. Diese Induktivitätsänderung ist als Resonanzänderung in dem LC-Schwingkreis, beispielsweise mit einem Collpits-Oszillator messbar. Alter- nativ ist eine Messung der Induktivitätsänderung über einen
Stromanstieg nach Anlegen einer Spannung bestimmbar. Mit Hilfe des Kraftsensors 1 ist somit ein Verfahren zur Kraftmessung realisierbar, in dem die spaltweiten- und somit kraftabhängige Induktivität L der Spule 30 gemessen und in eine Kraft umgerechnet wird. Die Induktivität L nimmt mit einer größeren Spaltbreite s zu, was die Messung von Druckkräften gestattet. In gleicher Weise nimmt die Induktivität L mit zunehmender Spaltbreite s ab, wodurch die Messung von Zugkräften gewährleistet ist.
Eine weitere Alternative zum Messen der Induktivitätsänderung L des Kraftsensors 1 erfolgt mit Hilfe einer LC-Messbrücke .
Die Induktivität L des Kraftsensors 1 wird durch die Permea- bilität μe des Spulenkerns 10 mit Luftspalt 20 beschrieben. Die Veränderung der Permeabilität μe bei Veränderungen der Spaltbreite s des Luftspalts 20 lässt sich durch folgende Gleichung abschätzen:
μ, μe (i:
1 + r ■ μ-
Diese Gleichung gilt für Spaltbreiten s, die viel kleiner sind als ein effektiver magnetischer Pfad le im Spulenkern 10. Der Spulenkern 10 ist in Fig. 1 dargestellt. Fig. 1 zeigt ebenfalls den magnetischen Pfad le mit Hilfe einer gestri- chelten Linie. Die Größe μx bezeichnet in Gleichung (1) die Permeabilität des Materials des Spulenkerns 10. Wie sich aus den weiteren Darstellungen ergeben wird, ist die Induktivität L ebenfalls vom Querschnitt A des Spulenkerns 10 abhängig. Der Querschnitt A ist ebenfalls in Fig. 1 dargestellt. Es ist zu beachten, dass durch Wirbelstromverluste im Spulenkern 10 und durch magnetische Streufelder der Einfluss des Luftspalts 20 geringer ausfällt als berechnet. Dies muss bei der Auswertung der Messwerte des Kraftsensors 1, beispielsweise durch Kalibrieren des Kraftsensors 1, berücksichtigt werden.
Die Induktivität L ist über folgende Gleichung (2) mit dem Induktivitätsfaktor bzw. Leitwert AL verbunden.
A - -L - ^. • ^ (2)
** - * - ∑ i <2)
A
In Gleichung (2) bezeichnet N die Anzahl der Wicklungen, μ0 die Permeabilität im Vakuum, μe die Permeabilität des Spulenkerns 10 mit Luftspalt 20 (s. oben), 1 einen Abschnitt des magnetischen Pfads le mit dem dazugehörigen Querschnitt A des Spulenkerns, während die Summe der Abschnitte 1 die magnetische Pfadlänge le ergibt.
Setzt man Gleichung (1) in Gleichung (2) ein, erkennt man, dass die Induktivität L des Kraftsensors 1 bzw. des bewickel- ten Spulenkerns 10 mit Luftspalt 20 im Idealfall nur noch von der Spaltbreite s des Luftspalts 20 abhängig ist. Da die Spaltbreite s des Luftspalts 20 vorzugsweise proportional zur angreifenden Zug- oder Druckkraft ist, lässt sich dadurch der Kraftsensor 1 realisieren. Die Induktivität L wird mit einer geeigneten Auswerteelektronik gemessen, während die nichtlineare Kalibrierung des Kraftsensors 1 mit obigen Gleichungen durchgeführt wird.
Fig. 3 zeigt einen bevorzugten Schaltplan für eine Auswerteelektronik des Kraftsensors 1. Der Kraftsensor 1 bildet die Induktivität L, die mit einem Widerstand R in Reihe geschaltet ist und mit einer Wechselspannung Ui versorgt wird. Über den Kraftsensor 1 bzw. die Induktivität L fällt die Spannung UL und über den Widerstand R die Spannung UR ab, während der Widerstand R vom Strom I=UR/R durchflössen wird. Der Widerstand Z für die Reihenschaltung Kraftsensor 1 und Widerstand R berechnet sich als Summe aus dem komplexen induktiven Widerstand XL=j-ω-L und dem Widerstand R gemäß Gleichung (3)
Z = R + j • ω • L (3)
In Gleichung (3) bezeichnet j eine komplexe Zahl, ω die Frequenz der Wechselspannung Ui, L die Induktivität des Kraft- sensors und R den bereits oben genannten Widerstand.
Für den Widerstand Z gilt weiterhin
Figure imgf000011_0001
Die Effektivwerte Ui, UR der Spannungen aus der Schaltung in Fig. 3 berechnen sich aus den Wechselspannungen U1, UR gemäß
Gleichung (5)
U1 = i U, = i (5, Daraus ergibt sich für den Effektivwert des Widerstands Z
Z = - U^1 • R = JxL + R" (6:
Durch mathematisches Umformen ergibt sich aus Gleichung (6] folgender Zusammenhang
Figure imgf000012_0001
Setzt man Gleichung (7) in den bereits oben genannten Zusammenhang XL=ω • L ein, lässt sich die Induktivität L wie folgt berechnen
Figure imgf000012_0002
Die Spannungen Ui und UR lassen sich beispielsweise mit Ana- log-Digital-Wandlern ADC messen. Es ist des Weiteren denkbar, das Spannungssignal von UR mit Hilfe einer Verstärkerschaltung gemäß Fig. 3B zu erfassen. Die Verstärkerschaltung gemäß Fig. 3B wird über die Kontaktpunkte 2 und 3 in Fig. 3A in die Schaltung zur Messung der Induktivität L integriert. Eine weitere Alternative besteht darin, die Spitzenwerte der gemessenen Spannung UR mit Hilfe eines Spitzenwertspeichers s zu erfassen. Zu diesem Zweck wird vorzugsweise die Schaltung aus Fig. 3C an die Verstärkerschaltung aus Fig. 3B über den Kontaktpunkt 5 angeschlossen.
Mit Hilfe der oben beschriebenen Alternative für eine Auswerteelektronik des Kraftsensors 1 ist somit eine Bestimmung ei- ner Zug- oder Druckkraft mit Hilfe des Kraftsensors 1 realisierbar. Zu diesem Zweck wird somit allgemein die Spule 30 mit einer Wechselspannung versorgt und nachfolgend die Spaltbreite s des Luftspalts 20 durch Einleiten der Druck- oder Zugkraft verändert. Die sich daraus ergebende Induktivitäts- änderung des Kraftsensors 1 wird über die Resonanzverschiebung im LC-Schwingkreis oder über einen Spannungsabfall an der Spule 30 und einen Referenzwiderstand R erfasst. Bestimmt man die Änderung der Breite s des Luftspalts 20 aus der In- duktivitätsänderung, ist auf diese Weise eine Stärke der Druck- oder Zugkraft aus den elastischen Eigenschaften des Spulenkerns 10 ableitbar.
Der Ablauf der Verfahrensschritte ist schematisch in Fig. 4 dargestellt.

Claims

Patentansprüche
1. Kraftsensor (1) zum Erfassen einer Zug- und/oder Druckkraft, insbesondere ein induktiver Kraftsensor, der die folgenden Merkmale aufweist:
a. einen ringförmigen Spulenkern (10) mit einem Luftspalt (20), der aus einem elastischen und magneti- sierbaren Material besteht,
b. eine Spule (30) mit einer Mehrzahl von Wicklungen, die nahe dem Luftspalt (20) des Spulenkerns (10) angeordnet ist, und
c. mindestens zwei Befestigungspunkte (12) am ringförmigen Spulenkern, an denen Druck- oder Zugelemente befestigbar sind, so dass eine Spaltbreite des Luftspalts (20) durch die Druck- oder Zugelemente veränderbar ist.
2. Kraftsensor (1) gemäß Anspruch 1, dessen Spulenkern (10) aus linearelastischem Material besteht.
3. Kraftsensor (1) gemäß Anspruch 1, dessen Spule (30) sich über den Luftspalt (20) des Spulenkerns (10) erstreckt.
4. Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dessen Befestigungspunkte (12) als Ösen ausgebildet sind.
5. Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, der mit einem Schwingkreis verbunden ist, so dass eine Änderung der Spaltbreite des Luftspalts (20) über eine Induktivitätsänderung der Spule (30) und eine damit verbundene Resonanzänderung des Schwingkreises messbar ist .
6. Verfahren zur Bestimmung einer Druck- oder Zugkraft mit einem Kraftsensor (1) gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, das die folgenden Schritte aufweist:
a. Versorgen (A) der Spule (30) mit einer Wechselspannung
b. Verändern (B) der Spaltbreite des Luftspalts (20) durch Einleiten der Druck- oder Zugkraft, wodurch sich die Induktivität des Kraftsensors (1) ändert,
c. Erfassen (C) der Induktivitätsänderung über eine Resonanzverschiebung in einem Schwingkreis oder über einen Spannungsabfall an der Spule (30) und einem Referenzwiderstand und
d. Bestimmen (D) einer Änderung der Breite des Luftspalts (20) aus der Induktivitätsänderung, so dass die Stärke der Druck- oder Zugkraft aus den elasti- sehen Eigenschaften des Spulenkerns (10) ableitbar ist .
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