WO2015132123A1 - Method for detecting the direction of mechanical tensions in a ferromagnetic work piece and sensor arrangement - Google Patents

Method for detecting the direction of mechanical tensions in a ferromagnetic work piece and sensor arrangement Download PDF

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WO2015132123A1
WO2015132123A1 PCT/EP2015/054032 EP2015054032W WO2015132123A1 WO 2015132123 A1 WO2015132123 A1 WO 2015132123A1 EP 2015054032 W EP2015054032 W EP 2015054032W WO 2015132123 A1 WO2015132123 A1 WO 2015132123A1
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mechanical stresses
ferromagnetic workpiece
magnetoelastic
sensors
ferromagnetic
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Carl Udo Maier
Jochen Ostermaier
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Siemens Aktiengesellschaft
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    • G01L1/12Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
    • G01L1/125Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress by using magnetostrictive means
    • GPHYSICS
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    • G01LMEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L3/00Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
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    • G01L3/04Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
    • G01L3/101Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
    • G01L3/102Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
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    • G01L5/00Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes
    • G01L5/16Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force
    • G01L5/169Apparatus for, or methods of, measuring force, work, mechanical power, or torque, specially adapted for specific purposes for measuring several components of force using magnetic means

Definitions

  • the invention relates to a method for operating a sensor arrangement with sensors according to the magnetoelastic principle and to a sensor arrangement for measuring mechanical stresses on ferromagnetic workpieces.
  • a magnetoelastic sensor is based on the inverse
  • Sensors for measuring the inverse magnetostrictive effect comprise a transmitting or exciting coil with which a magnetic field is induced in a ferromagnetic region of a workpiece.
  • a response signal is generated in the region or in a layer whose magnetic flux density depends on the permeability of the material. This in turn is determined by the mechanical stresses prevailing in the region or in the layer.
  • the magnetic flux density of the response signal determines the current strength of the current induced in a receiving coil due to the magnetic flux density passing through it. From the current intensity, the mechanical stresses in the ferromagnetic region or in the ferromagnetic layer can then be calculated.
  • the receiving coils Due to manufacturing tolerances, the receiving coils have a limited reproducibility in the production and a limited accuracy in the measurement.
  • a magnetic field is introduced through a coil into a ferromagnetic layer or a ferromagnetic workpiece.
  • sensor coils are arranged around an exciter coil. With a predetermined orientation of the outer sensor coils relative to the exciter coil, the alignment of the mechanical stresses in the ferromagnetic material is detected.
  • eight receiver coils are evenly distributed on a circle around an exciter coil.
  • An increase in the number of coils has the advantage that an increased resolution of the data is possible.
  • An arrangement according to the invention for at least four magnetoelastic sensors comprises at least one ferrite core, to which at least one exciter coil generating a magnetic field, equivalent to a transmitter coil, is applied, and at least four receiver coils, so that at least four magneto-elastic sensors are formed.
  • four or more magnetoelastic sensors are provided and arranged in a measurement surface. This arrangement of magnetoelastic sensors has described characteristics and advantages. Further features, characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the enclosed, non-limiting figures.
  • FIG. 1 shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four receiver coils 2,
  • FIG. 2 shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four generally rotatable receiver coils 2,
  • FIG. 3A shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four receiver coils 2 in a starting position
  • FIG. 3B shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four receiver coils 2 as in FIG. 1, but rotated by 45 °
  • FIG. 4 shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and eight receiver coils 2,
  • FIG. 5 shows a magnetic circuit with field lines B, corresponding to one with exciting coil 1 and receiving coil 2 in side view
  • Figure 6 shows a ferrite core 3 having a central excitation coil 1 and mutual receiving coils 2 corresponding to two magnetoelastic sensors 7.
  • an array of excitation coil 1 and receiving coils 2 is rotated during a measurement taking data at each setting become.
  • a quarter turn corresponding to 45 ° with respect to a starting position corresponding to FIG. 1 suffices. If an object needs to be scanned, the rotary motion of the magnetoelastic sensors comprising exciter coil 1 and receiver coils 2 comes to the actual scanning movements or the measuring surfaces added; see FIG. 2.
  • Another way to reliably determine the direction of the mechanical stresses is to use two arrays of magnetoelastic sensors positioned adjacent to each other and rotated 45 ° from each other, as shown in Figure 3A, and for example to test an object both Sensor arrangements guided over the surface of a workpiece. With suitable evaluation Tealgorithmen one receives the direction of the mechanical tension.
  • additional magnetic field sensors 7 are arranged in the arrangement, in particular on a measuring surface 5, then the directions of the mechanical stresses can be detected by a single arrangement and without additional rotational movement, as shown in FIG. 4 with eight magnetoelastic sensors 7.
  • the number of magnetoelastic sensors 7 can be set to four.
  • Exciting coil 1 and the receiving coils 2 and their active surface are arranged.
  • a double execution can be used, so that the arrangement is made double, is positioned next to each other and rotated by 45 ° to each other.
  • an eightfold embodiment of the receiver coils 2 or in combination with an exciter coil 1, the magnetoelastic sensors 7 are arranged, so that no rotation 6 and no duplicate design are necessary.
  • a magnetic circuit is formed when a magnetoelastic sensor 7 is positioned on a ferromagnetic surface.
  • the layer can be applied to the object to be measured.
  • the object to be measured itself may consist of a ferromagnetic material.
  • a magnetic field flows through the magnetoelastic sensor 7.
  • a ferromagnetic layer disposed on an object or a ferromagnetic workpiece 4 closes the magnetic
  • a magnetic field is generated by means of the excitation coil 1, the magnetic flux density of which is represented by the field lines B in FIG.
  • the field lines B pass through the ferromagnetic layer and are closed via the ferrite core 3.
  • the receiving coil 2 for example a Hall sensor
  • the magnetic flux density of the magnetic field can be measured.
  • the measured value depends on the magnetic permeability in the ferromagnetic layer, which in turn is influenced by the stresses prevailing in the ferromagnetic layer. Therefore, the voltages prevailing in the ferromagnetic layer can be measured or calculated from the measurement result for the magnetic flux density obtained with the respective receiver coil 2. Since the ferromagnetic layer either represents the object itself or is connected to the object, those in the ferromagnetic represent
  • FIG. 6 An exemplary embodiment of an arrangement according to the invention and a magnetoelastic sensor 7 are shown in FIG.
  • the exciter coil 1 according to FIG. 6 is arranged on the middle limb of the ferrite core 3.
  • the receiving coils 2 On the two outer legs of the ferrite core 3 are the receiving coils 2, which may be formed as Hall sensors.
  • the magnetic flux density of the magnetic field generated by the excitation coil 1 is measured in this embodiment at two points which lie opposite one another with respect to the exciter coil 1 mirror-symmetrically.
  • the arrangement of a further embodiment comprises a ferrite core 3 with a central leg and four surrounding the middle leg outer legs.
  • the exciter coil 1 is arranged on the middle leg of a ferrite core 3, and the receiver coils 2 can be designed as GMR sensors or AMR sensors in the present exemplary embodiment.
  • the arrangement of the pairs of legs on the measuring surface 5 has an orientation or angle rotated by 45 ° relative to each other and there is a point symmetry in the arrangement of the outer legs with respect to the middle leg.
  • This embodiment enables a two-dimensional detection of forces, as is advantageous, for example, for measuring torsions in a shaft or for measuring torques of a shaft.
  • the shaft can either consist of a ferromagnetic material or be coated with such a ferromagnetic material.
  • a tensile force prevails in one direction and a compressive force in the direction perpendicular thereto.
  • the magnetic permeability of the ferromagnetic material of the shaft becomes larger in one direction and smaller in the other direction.
  • the Permeabilities in both directions can be detected separately, so that the torsion of the wave can be determined from the recorded permeabilities and the calculated tensile or compressive stresses.
  • a ferrite core 3 may have a central leg and at least two outer legs surrounding and connected to the middle leg, with the ends of the ferrite core being on the legs.
  • the excitation coil 1 is arranged in this embodiment on the middle leg of the ferrite core, the magnetic field sensors / receiving coils 2 on the outer legs of the ferrite core. It is particularly advantageous if the outer legs surround the middle leg in each case the same distance, which means the same distance between the excitation coil 1 and magnetic field sensor 2. In this case, the signals received by the receiving coils 2 can not be influenced by different distances of the respective legs of the exciting coil.
  • two outer legs of the ferrite core may in particular have an E-shape. As a result, the distance can be increased by the ferromagnetic material to be measured compared to the U-shape, resulting in an improved sensitivity of the arrangement results.
  • the receiving coils 2 are in relation to each other
  • Excitation coil 1 preferably mirror-symmetrically opposite to influences on the measurement, which are based exclusively on the different distances to the excitation coil 1 exclude.
  • the receiving coils 2 can be arranged in particular point-symmetrically or rotationally symmetrically around the ferrite core 3 around.
  • the receiving coils 2 can be arranged in particular point-symmetrically or rotationally symmetrically around the ferrite core 3 around.
  • the receiving coils 2 can be arranged in particular point-symmetrically or rotationally symmetrically around the ferrite core 3 around.
  • in the presence of four outer legs can thus be well detected voltages that extend in mutually perpendicular directions in the ferromagnetic layer.
  • Such an arrangement can be particularly advantageous. liable to be used for measuring torsion and torques, for example on shafts.

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Abstract

The invention relates to a method for detecting the direction of mechanical tensions in a ferromagnetic work piece (4) by means of at least four magnetoelastic sensors (7), wherein a magnetic field is introduced into a ferromagnetic work piece by each of the at least four magnetoelastic sensors (7), and the direction of mechanical tensions in a ferromagnetic work piece (4) is determined or calculated by measurement of the magnetic flux through each of the at least four magnetoelastic sensors (7) on the surface of a ferromagnetic work piece (4).

Description

Beschreibung description
Verfahren zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück und Sensoranordnung Method for detecting the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece and sensor arrangement
Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Betrieb einer Sensoranordnung mit Sensoren nach dem magnetoelastischen Prinzip sowie eine Sensoranordnung zur Messung von mechanischen Spannungen an ferromagnetischen Werkstücken. The invention relates to a method for operating a sensor arrangement with sensors according to the magnetoelastic principle and to a sensor arrangement for measuring mechanical stresses on ferromagnetic workpieces.
Ein magnetoelastischer Sensor beruht auf dem inversen A magnetoelastic sensor is based on the inverse
magnetostriktiven Effekt, also dem Effekt, dass ferromagneti- sche Materialien eine Änderung in der magnetischen Permeabilität erfahren, wenn mechanische Spannungen auftreten. Da me- chanische Spannungen durch Zug- und Druckkräfte sowie durch Torsion induziert werden, kann der inverse magnetostriktive Effekt zur Kraft- und zur Drehmomentmessung herangezogen werden und ist daher vielseitig einsetzbar. Sensoren zur Messung des inversen magnetostriktiven Effekts umfassen eine Sende- oder Erregerspule, mit der in einem fer- romagnetischen Bereich eines Werkstücks ein Magnetfeld induziert wird. Dabei wird in dem Bereich oder in einer Schicht ein Antwortsignal generiert, dessen magnetische Flussdichte von der Permeabilität des Materials abhängt. Diese wird wiederum von den in dem Bereich oder in der Schicht herrschenden mechanischen Spannungen bestimmt. Die magnetische Flussdichte des Antwortsignals bestimmt die Stromstärke des in einer Empfangsspule auf Grund der sie durchsetzenden magnetischen Flussdichte induzierten Stroms. Aus der Stromstärke können dann die mechanischen Spannungen in dem ferromagnetischen Bereich oder in der ferromagnetischen Schicht errechnet werden. magnetostrictive effect, ie the effect that ferromagnetic materials experience a change in magnetic permeability when mechanical stresses occur. Since mechanical stresses are induced by tensile and compressive forces as well as by torsion, the inverse magnetostrictive effect can be used for force and torque measurement and is therefore very versatile. Sensors for measuring the inverse magnetostrictive effect comprise a transmitting or exciting coil with which a magnetic field is induced in a ferromagnetic region of a workpiece. In this case, a response signal is generated in the region or in a layer whose magnetic flux density depends on the permeability of the material. This in turn is determined by the mechanical stresses prevailing in the region or in the layer. The magnetic flux density of the response signal determines the current strength of the current induced in a receiving coil due to the magnetic flux density passing through it. From the current intensity, the mechanical stresses in the ferromagnetic region or in the ferromagnetic layer can then be calculated.
Bei der Bearbeitung und Belastung von Stahl oder anderen fer- romagnetischen Werkstücken, wie beispielsweise bei einer Umformung oder eine Wärmebehandlung, entstehen unerwünschte mechanische Spannungen im Werkstück. Diese mechanischen Spannungen können die Lebensdauer von Werkstücken negativ beein- flussen. Die Erkennung dieser mechanischen Spannungen sollte daher frühzeitig angesetzt werden, so dass unter Umständen Prozessparameter oder Konstruktionsmerkmale angepasst werden können. Weiterhin kann die Lebensdauer von älteren Bauteilen variabel bestimmt werden, so dass diese erst bei Bedarf ausgewechselt werden. During the machining and loading of steel or other ferromagnetic workpieces, such as during a forming or a heat treatment, undesired mechanical stresses arise in the workpiece. These mechanical stresses can adversely affect the service life of workpieces. influence. The detection of these mechanical stresses should therefore be considered early, so that under some circumstances process parameters or design features can be adapted. Furthermore, the life of older components can be determined variably, so that they are replaced only when needed.
Es besteht bisher die Notwendigkeit einen Sensor anfänglich entsprechend diesen mechanischen Spannungen grob zu orientie- ren. So far, there has been a need to roughly orient a sensor initially according to these mechanical stresses.
Aufgrund von Fertigungstoleranzen haben die Empfangsspulen eine begrenzte Reproduzierbarkeit in der Herstellung sowie eine begrenzte Genauigkeit in der Messung. Due to manufacturing tolerances, the receiving coils have a limited reproducibility in the production and a limited accuracy in the measurement.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein Verfahren und eine Anordnung für einen oder mehrere magnetoelastische Sensoren zur Verfügung zu stellen, zur genauen Messung der Richtung von mechanischen Spannungen an einem ferromagne- tischen Werkstück, wobei die Reproduzierbarkeit von Sensoren bzw. von Messungen optimiert ist. It is therefore an object of the present invention to provide a method and an arrangement for one or more magnetoelastic sensors for accurately measuring the direction of mechanical stresses on a ferromagnetic workpiece, wherein the reproducibility of sensors or of measurements is optimized ,
Die Aufgabe wird gelöst durch die jeweilige Merkmalskombina- tion unabhängig formulierter Ansprüche. Die abhängigen An- Sprüche enthalten jeweils vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung . The task is solved by the respective feature combination of independently formulated claims. The dependent claims each contain advantageous embodiments of the invention.
Falls Sensoren zur Erkennung von mechanischen Spannungen nach dem magnetoelastischen Effekt arbeiten, wird ein magnetisches Feld durch eine Spule in eine ferromagnetische Schicht oder ein ferromagnetisches Werkstück eingebracht. Zur Detektion von mechanischen Spannungen werden Sensorspulen um eine Erregerspule herum angeordnet. Mit einer vorgegebenen Orientierung der äußeren Sensorspulen relativ zur Erregerspule wird die Ausrichtung der mechanischen Spannungen im ferromagneti - sehen Material detektiert. Idealerweise werden entsprechend Figur 4 acht Empfangsspulen auf einem Kreis um eine Erregerspule herum gleichmäßig verteilt. Es ist jedoch auch eine andere Anzahl an Spulen sowie eine modifizierte Anordnung derselben denkbar. Eine Erhöhung der Spulenanzahl hat dabei den Vorteil, dass eine erhöhte Auflösung der Daten möglich ist. If sensors for detecting mechanical stresses work according to the magnetoelastic effect, a magnetic field is introduced through a coil into a ferromagnetic layer or a ferromagnetic workpiece. For the detection of mechanical stresses, sensor coils are arranged around an exciter coil. With a predetermined orientation of the outer sensor coils relative to the exciter coil, the alignment of the mechanical stresses in the ferromagnetic material is detected. Ideally, according to FIG. 4, eight receiver coils are evenly distributed on a circle around an exciter coil. However, it is also a different number of coils and a modified arrangement thereof conceivable. An increase in the number of coils has the advantage that an increased resolution of the data is possible.
Eine erfindungsgemäße Anordnung für mindestens vier magnetoelastische Sensoren umfasst mindestens einen Ferritkern, auf den mindestens eine ein Magnetfeld erzeugende Erregerspule, gleichbedeutend mit Sendespule, aufgebracht ist, und mindestens vier Empfangsspulen, so dass mindestens vier magneto elastische Sensoren gebildet werden. Gemäß eines Aspekts der Erfindung werden vier oder mehr magnetoelastische Sensoren zur Verfügung gestellt und in einer Messfläche angeordnet. Diese Anordnung von magnetoelastischen Sensoren weist beschriebene Eigenschaften und Vorteile auf. Weitere Merkmale, Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung von Ausführungsbeispielen unter Bezugnahme auf die beiliegenden, die Erfindung nicht einschränkenden Figuren. An arrangement according to the invention for at least four magnetoelastic sensors comprises at least one ferrite core, to which at least one exciter coil generating a magnetic field, equivalent to a transmitter coil, is applied, and at least four receiver coils, so that at least four magneto-elastic sensors are formed. According to one aspect of the invention, four or more magnetoelastic sensors are provided and arranged in a measurement surface. This arrangement of magnetoelastic sensors has described characteristics and advantages. Further features, characteristics and advantages of the present invention will become apparent from the following description of exemplary embodiments with reference to the enclosed, non-limiting figures.
Figur 1 zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier Empfangsspulen 2, FIG. 1 shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four receiver coils 2,
Figur 2 zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier insgesamt drehbare Empfangsspulen 2, FIG. 2 shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four generally rotatable receiver coils 2,
Figur 3A zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier Empfangsspulen 2 in einer Ausgangsstellung, Figur 3B zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und vier Empfangsspulen 2 wie in Figur 1, jedoch um 45° gedreht, FIG. 3A shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four receiver coils 2 in a starting position, FIG. 3B shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and four receiver coils 2 as in FIG. 1, but rotated by 45 °,
Figur 4 zeigt eine Anordnung magnetoelastischer Sensoren mit einer zentralen Erregerspule 1 und acht Empfangsspulen 2, FIG. 4 shows an arrangement of magnetoelastic sensors with a central exciter coil 1 and eight receiver coils 2,
Figur 5 zeigt einen Magnetkreis mit Feldlinien B, entsprechend einem mit Erregerspule 1 und Empfangsspule 2 in der Seitenansicht, FIG. 5 shows a magnetic circuit with field lines B, corresponding to one with exciting coil 1 and receiving coil 2 in side view,
Figur 6 zeigt einen Ferritkern 3 mit einer mittigen Erregerspule 1 und beiderseitigen Empfangsspulen 2, entsprechend zweier magnetoelastischer Sensoren 7. Um die Richtung einer mechanischen Spannung festzustellen, wird eine Anordnung von Erregerspule 1 und Empfangsspulen 2 während einer Messung gedreht, wobei Daten bei jeder Einstellung aufgenommen werden. Mit einer Vierfach-Anordnung mit lediglich vier Magnetfeldsensoren reicht dazu eine Viertel- Umdrehung entsprechend 45°, bezogen auf eine Ausgangsstellung entsprechend Figur 1. Muss ein Objekt gescannt werden, so kommt zu den eigentlichen Scanbewegungen die Drehbewegung der magnetoelastischen Sensoren aus Erregerspule 1 und Empfangsspulen 2 bzw. der Messflächen hinzu; siehe Figur 2. Figure 6 shows a ferrite core 3 having a central excitation coil 1 and mutual receiving coils 2 corresponding to two magnetoelastic sensors 7. In order to detect the direction of a mechanical stress, an array of excitation coil 1 and receiving coils 2 is rotated during a measurement taking data at each setting become. With a quadruple arrangement with only four magnetic field sensors, a quarter turn corresponding to 45 ° with respect to a starting position corresponding to FIG. 1 suffices. If an object needs to be scanned, the rotary motion of the magnetoelastic sensors comprising exciter coil 1 and receiver coils 2 comes to the actual scanning movements or the measuring surfaces added; see FIG. 2.
Eine weitere Möglichkeit, die Richtung der mechanischen Spannungen zuverlässig festzustellen, besteht darin, dass zwei Anordnungen von magnetoelastischen Sensoren benutzt werden, die benachbart zueinander positioniert sind und gegeneinander um 45° verdreht sind, entsprechend Figur 3A und z.B. um ein Objekt zu prüfen, werden beide Sensoranordnungen über die Oberfläche eines Werkstückes geführt. Mit geeigneten Auswer- tealgorithmen erhält man die Richtung der mechanischen Spannungen . Another way to reliably determine the direction of the mechanical stresses is to use two arrays of magnetoelastic sensors positioned adjacent to each other and rotated 45 ° from each other, as shown in Figure 3A, and for example to test an object both Sensor arrangements guided over the surface of a workpiece. With suitable evaluation Tealgorithmen one receives the direction of the mechanical tension.
Werden in der Anordnung zusätzliche Magnetfeldsensoren 7 an- geordnet, insbesondere an einer Messfläche 5, so können die Richtungen der mechanischen Spannungen durch eine einzige Anordnung und ohne zusätzliche Drehbewegung detektiert werden, wie in Figur 4 mit acht magnetoelastischen Sensoren 7 dargestellt ist. If additional magnetic field sensors 7 are arranged in the arrangement, in particular on a measuring surface 5, then the directions of the mechanical stresses can be detected by a single arrangement and without additional rotational movement, as shown in FIG. 4 with eight magnetoelastic sensors 7.
Andere Geometrien für die Anordnung von magnetoelastischen Sensoren 7 sind denkbar. Beispiele für geometrische Orte zur Positionierung der äußeren Empfangsspulen 2 um die Erregerspule 1 herum sind beispielsweise ein Kreis, Quadrat, Doppel - ring, Dreifachring oder ähnliches. Other geometries for the arrangement of magnetoelastic sensors 7 are conceivable. Examples of geometric locations for positioning the outer receiving coils 2 around the excitation coil 1 are, for example, a circle, square, double ring, triple ring or the like.
Es ist wesentlich, dass die Richtungen der mechanischen Spannungen festgestellt werden. Dabei ist es entsprechend der Erfindung nicht notwendig, vorher die ungefähre Richtung der Spannungen zu kennen, um eine anfängliche Ausrichtung der Anordnung von magnetoelastischen Sensoren vorzunehmen. Insgesamt wird ein System zur Messung von mechanischen Spannungen mit einer Anordnung von Sensoren nach dem magnetoelastischen Prinzip wesentlich optimiert. It is essential that the directions of the mechanical stresses are detected. It is according to the invention not necessary to know beforehand the approximate direction of the voltages to make an initial alignment of the arrangement of magnetoelastic sensors. Overall, a system for measuring mechanical stresses with an array of sensors according to the magnetoelastic principle is substantially optimized.
Es kann nach Figur 1 die Anzahl der magnetoelastischen Sensoren 7 auf vier festgelegt werden. According to FIG. 1, the number of magnetoelastic sensors 7 can be set to four.
Eine weitere Möglichkeit zur Erhöhung der Messwertsicherheit besteht in der Drehung 6 einer Messfläche 5, in welcher dieAnother possibility for increasing the measured value security is the rotation 6 of a measuring surface 5, in which the
Erregerspule 1 und die Empfangsspulen 2 bzw. deren Wirkfläche angeordnet sind. Exciting coil 1 and the receiving coils 2 and their active surface are arranged.
Um eine Drehung der Anordnung zu vermeiden, kann eine doppel- te Ausführung verwendet werden, so dass die Anordnung doppelt ausgeführt ist, nebeneinander positioniert wird und zueinander um 45° verdreht wird. Entsprechend Figur 4 wird eine achtfache Ausführung der Empfangsspulen 2 bzw. in Kombination mit einer Erregerspule 1, der magnetoelastischen Sensoren 7 angeordnet, so dass keine Drehung 6 und keine doppelte Ausführung notwendig sind. In order to avoid a rotation of the arrangement, a double execution can be used, so that the arrangement is made double, is positioned next to each other and rotated by 45 ° to each other. According to FIG. 4, an eightfold embodiment of the receiver coils 2 or in combination with an exciter coil 1, the magnetoelastic sensors 7 are arranged, so that no rotation 6 and no duplicate design are necessary.
Gemessen wird an einer ferromagnetischen Schicht oder einem ferromagnetischen Werkstück 4, wobei Spannungen nach Betrag und Richtung gemessen werden. Dabei bildet sich ein Magnetkreis aus, wenn ein magnetoelastischer Sensor 7 auf eine fer- romagnetische Oberfläche positioniert wird. Die Schicht kann dabei auf dem zu messenden Objekt aufgebracht sein. Alternativ kann das zu messende Objekt selbst aus einem ferromagnetischen Material bestehen. In diesem Fall fließt ein Magnetfeld durch den magnetoelastischen Sensor 7. Eine ferromagne- tische Schicht, die auf einem Objekt angeordnet ist oder ein ferromagnetisches Werkstück 4 schließt den magnetischen It is measured on a ferromagnetic layer or a ferromagnetic workpiece 4, wherein voltages are measured in magnitude and direction. In this case, a magnetic circuit is formed when a magnetoelastic sensor 7 is positioned on a ferromagnetic surface. The layer can be applied to the object to be measured. Alternatively, the object to be measured itself may consist of a ferromagnetic material. In this case, a magnetic field flows through the magnetoelastic sensor 7. A ferromagnetic layer disposed on an object or a ferromagnetic workpiece 4 closes the magnetic
Kreis . Circle.
Für den Messvorgang mit entsprechenden Sensoren wird mittels der Erregerspule 1 ein Magnetfeld erzeugt, dessen magnetische Flussdichte in Figur 5 durch die Feldlinien B dargestellt ist. Die Feldlinien B verlaufen durch die ferromagnetische Schicht und werden über den Ferritkern 3 geschlossen. Mittels der Empfangsspule 2, beispielsweise ein Hall-Sensor, kann die magnetische Flussdichte des Magnetfeldes gemessen werden. Der Messwert hängt dabei von der magnetischen Permeabilität in der ferromagnetischen Schicht ab, die wiederum von den in der ferromagnetischen Schicht herrschenden Spannungen beeinflusst wird. Aus dem mit der jeweiligen Empfangsspule 2 gewonnenen Messergebnis für die magnetische Flussdichte können daher die in der ferromagnetischen Schicht herrschenden Spannungen gemessen bzw. berechnet werden. Da die ferromagnetische Schicht entweder das Objekt selber darstellt oder mit dem Objekt verbunden ist, repräsentieren die in der ferromagnetischen For the measurement process with corresponding sensors, a magnetic field is generated by means of the excitation coil 1, the magnetic flux density of which is represented by the field lines B in FIG. The field lines B pass through the ferromagnetic layer and are closed via the ferrite core 3. By means of the receiving coil 2, for example a Hall sensor, the magnetic flux density of the magnetic field can be measured. The measured value depends on the magnetic permeability in the ferromagnetic layer, which in turn is influenced by the stresses prevailing in the ferromagnetic layer. Therefore, the voltages prevailing in the ferromagnetic layer can be measured or calculated from the measurement result for the magnetic flux density obtained with the respective receiver coil 2. Since the ferromagnetic layer either represents the object itself or is connected to the object, those in the ferromagnetic represent
Schicht herrschenden Spannungen auch die im Messobjekt herrschenden Spannungen. Ein Ausführungsbeispiel für eine erfindungsgemäße Anordnung und einen magnetoelastischen Sensor 7 ist in Figur 1 dargestellt . Die Erregerspule 1 entsprechend Figur 6 ist auf dem mittleren Schenkel des Ferritkerns 3 angeordnet. Auf den beiden äußeren Schenkeln des Ferritkerns 3 befinden sich die Empfangsspulen 2, die als Hall -Sensoren ausgebildet sein können. Die magnetische Flussdichte des von der Erregerspule 1 generierten Magnetfeldes wird in dieser Ausführungsvariante an zwei Stellen gemessen, die bezogen auf die Erregerspule 1 einander spiegelsymmetrisch gegenüberliegen . Layer prevailing voltages and the prevailing in the test object voltages. An exemplary embodiment of an arrangement according to the invention and a magnetoelastic sensor 7 are shown in FIG. The exciter coil 1 according to FIG. 6 is arranged on the middle limb of the ferrite core 3. On the two outer legs of the ferrite core 3 are the receiving coils 2, which may be formed as Hall sensors. The magnetic flux density of the magnetic field generated by the excitation coil 1 is measured in this embodiment at two points which lie opposite one another with respect to the exciter coil 1 mirror-symmetrically.
Die Anordnung eines weiteren Ausführungsbeispiels weist einen Ferritkern 3 mit einem mittleren Schenkel und vier den mittleren Schenkel umgebenden äußeren Schenkeln auf . The arrangement of a further embodiment comprises a ferrite core 3 with a central leg and four surrounding the middle leg outer legs.
Entsprechend den Figuren 3A und 3B ist auf dem mittleren Schenkel eines Ferritkerns 3 die Erregerspule 1 angeordnet, und die Empfangsspulen 2 können im vorliegenden Ausführungsbeispiel als GMR-Sensoren oder AMR-Sensoren ausgebildet sein. Die Anordnung der Schenkelpaare auf der Messfläche 5 weist eine um 45° gegeneinander verdrehte Orientierung bzw. Winkel - läge auf und es liegt eine PunktSymmetrie in der Anordnung der äußeren Schenkel in Bezug auf den mittleren Schenkel vor. Diese Ausgestaltung ermöglicht eine zweidimensionale Erfassung von Kräften, wie dies beispielsweise zum Messen von Torsionen in einer Welle oder zum Messen von Drehmomenten einer Welle vorteilhaft ist. Die Welle kann dabei entweder aus ei- nem ferromagnetischen Material bestehen oder mit einem solchen beschichtet sein. According to FIGS. 3A and 3B, the exciter coil 1 is arranged on the middle leg of a ferrite core 3, and the receiver coils 2 can be designed as GMR sensors or AMR sensors in the present exemplary embodiment. The arrangement of the pairs of legs on the measuring surface 5 has an orientation or angle rotated by 45 ° relative to each other and there is a point symmetry in the arrangement of the outer legs with respect to the middle leg. This embodiment enables a two-dimensional detection of forces, as is advantageous, for example, for measuring torsions in a shaft or for measuring torques of a shaft. The shaft can either consist of a ferromagnetic material or be coated with such a ferromagnetic material.
Bei einer Torsion herrschen in einer Richtung eine Zugkraft und in die dazu senkrechte Richtung eine Druckkraft vor. Dies bedeutet, dass die magnetische Permeabilität des ferromagnetischen Materials der Welle in die eine Richtung größer und in die andere Richtung kleiner wird. Bei bestimmten Anordnungen der magnetoelastischen Sensoren können die Permeabilitäten in beiden Richtungen getrennt voneinander er- fasst werden, so dass sich die Torsion der Welle aus den er- fassten Permeabilitäten und den daraus errechneten Zug- bzw. Druck-Spannungen ermitteln lässt. In a torsion, a tensile force prevails in one direction and a compressive force in the direction perpendicular thereto. This means that the magnetic permeability of the ferromagnetic material of the shaft becomes larger in one direction and smaller in the other direction. In certain arrangements of magnetoelastic sensors, the Permeabilities in both directions can be detected separately, so that the torsion of the wave can be determined from the recorded permeabilities and the calculated tensile or compressive stresses.
Ein Ferritkern 3 kann einen mittleren Schenkel und wenigstens zwei den mittleren Schenkel umgebende und mit diesem verbundene äußere Schenkel aufweisen, wobei sich die Enden des Ferritkerns an den Schenkeln befinden. Die Erregerspule 1 ist in dieser Ausgestaltung auf dem mittleren Schenkel des Ferritkerns angeordnet, die Magnetfeldsensoren/Empfangsspulen 2 auf den äußeren Schenkeln des Ferritkerns. Hierbei ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die äußeren Schenkel den mittleren Schenkel in jeweils gleichem Abstand umgeben, was gleichen Abstand zwischen Erregerspule 1 und Magnetfeldsensor 2 bedeutet. In diesem Fall können die von den Empfangsspulen 2 empfangenen Signale nicht durch unterschiedliche Abstände der jeweiligen Schenkel von der Erregerspule beeinflusst werden. Im Falle von zwei äußeren Schenkeln kann der Ferritkern insbesondere eine E-Form aufweisen. Dadurch kann die Strecke durch das zu messende ferromagnetische Material im Vergleich zur U-Form vergrößert werden, woraus eine verbesserte Empfindlichkeit der Anordnung resultiert. In dieser Ausgestal- tung liegen die Empfangsspulen 2 einander in Bezug auf dieA ferrite core 3 may have a central leg and at least two outer legs surrounding and connected to the middle leg, with the ends of the ferrite core being on the legs. The excitation coil 1 is arranged in this embodiment on the middle leg of the ferrite core, the magnetic field sensors / receiving coils 2 on the outer legs of the ferrite core. It is particularly advantageous if the outer legs surround the middle leg in each case the same distance, which means the same distance between the excitation coil 1 and magnetic field sensor 2. In this case, the signals received by the receiving coils 2 can not be influenced by different distances of the respective legs of the exciting coil. In the case of two outer legs of the ferrite core may in particular have an E-shape. As a result, the distance can be increased by the ferromagnetic material to be measured compared to the U-shape, resulting in an improved sensitivity of the arrangement results. In this configuration, the receiving coils 2 are in relation to each other
Erregerspule 1 vorzugsweise spiegelsymmetrisch gegenüber, um Einflüsse auf die Messung, die ausschließlich auf den unterschiedlichen Abständen zur Erregerspule 1 beruhen, auszuschließen . Excitation coil 1 preferably mirror-symmetrically opposite to influences on the measurement, which are based exclusively on the different distances to the excitation coil 1 exclude.
Wenn der Ferritkern 3 mehr als zwei äußere Schenkel aufweist, können die Empfangsspulen 2 insbesondere punktsymmetrisch oder rotationssymmetrisch um den Ferritkern 3 herum angeordnet sein. Insbesondere beim Vorhandensein von vier äußeren Schenkeln können so Spannungen, die in zueinander senkrechten Richtungen in der ferromagnetischen Schicht verlaufen, gut erfasst werden. Eine solche Anordnung kann besonders vorteil- haft zum Messen von Torsionen und Drehmomenten, beispielsweise an Wellen, zum Einsatz kommen. If the ferrite core 3 has more than two outer legs, the receiving coils 2 can be arranged in particular point-symmetrically or rotationally symmetrically around the ferrite core 3 around. In particular, in the presence of four outer legs can thus be well detected voltages that extend in mutually perpendicular directions in the ferromagnetic layer. Such an arrangement can be particularly advantageous. liable to be used for measuring torsion and torques, for example on shafts.

Claims

Patentansprüche claims
1. Verfahren zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) mittels mindes- tens vier magnetoelastischer Sensoren (7) , 1. A method for detecting the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece (4) by means of at least four magnetoelastic sensors (7),
wobei in which
- ein magnetisches Feld durch jeden der mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) in ein ferromagnetisches Werkstück (4) eingebracht wird, und  - A magnetic field is introduced through each of the at least four magnetoelastic sensors (7) in a ferromagnetic workpiece (4), and
- die Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagneti - sehen Werkstück (4) durch Messung des Magnetflusses durch jeden der mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) an der Oberfläche eines ferromagnetischen Werkstücks (4) ermittelt bzw. berechnet wird. the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece (4) is determined or calculated by measuring the magnetic flux through each of the at least four magnetoelastic sensors (7) on the surface of a ferromagnetic workpiece (4).
2. Verfahren nach Anspruch 1, wobei 2. The method of claim 1, wherein
das ferromagnetische Werkstück (4) an der Oberfläche durch mindestens vier magnetoelastische Sensoren (7) abgetastet wird, welche jeweils durch eine Kombination mindestens einer zentralen Erregerspule (1) mit einer der mindestens vier Empfangsspulen (2) am Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) dargestellt werden, wobei Empfangsspulen (2) gleichmäßig relativ zum Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt werden und einen Abstand zu dieser aufweisen. the ferromagnetic workpiece (4) is scanned on the surface by at least four magnetoelastic sensors (7) which are each connected to one of the at least four receiving coils (2) at the periphery of the at least one exciter coil (1) by a combination of at least one central exciter coil (1). wherein receiving coils (2) are uniformly distributed relative to the circumference of the at least one exciting coil (1) and have a distance therefrom.
3. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 oder 2, wobei 3. The method according to any one of claims 1 or 2, wherein
zur Ermittlung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4), dessen Oberfläche mittels mindestens vier auf einer Messfläche (5) angeordneter magne- toelastischer Sensoren abgetastet wird, wobei die Messfläche (5), zum Messen in unterschiedlichen Winkellagen, drehbar gelagert ist und während einer Messung angepasst wird. for determining the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece (4) whose surface is scanned by means of at least four magnetoelastic sensors arranged on a measuring surface (5), the measuring surface (5) being rotatably mounted for measuring in different angular positions, and adjusted during a measurement.
4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, wobei 4. The method according to any one of claims 1 to 3, wherein
zur Ermittlung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) mindestens zwei Messflächen (5) mit jeweils mindestens vier magnetoelastischen Sensoren (7) benachbart positioniert werden und zum oberflächlichen Abtasten gemeinsam bewegt werden. for determining the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece (4) at least two measuring surfaces (5) each having at least four magnetoelastic sensors (7) are positioned adjacent and moved together for superficial scanning.
5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, wobei 5. The method according to any one of claims 1 to 4, wherein
zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferro- magnetischen Werkstück (4) mindestens acht Empfangsspulen (2) , entsprechend acht magnetoelastischen Sensoren (7) , eingesetzt werden, welche gleichmäßig relativ zum Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt sind und zu dieser mit Abstand positioniert werden. at least eight receiving coils (2) corresponding to eight magnetoelastic sensors (7) are used to detect the direction of mechanical stresses in the ferromagnetic workpiece (4), which are evenly distributed relative to the circumference of the at least one exciter coil (1) and to this Distance to be positioned.
6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, wobei 6. The method according to any one of claims 1 to 5, wherein
zur Ermittlung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagnetischen Werkstück (4) dessen Oberfläche scannend abgetastet wird. for determining the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece (4) whose surface is scanned scanning.
7. Anordnung von magnetoelastischen Sensoren, zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen in einem ferromagneti - sehen Werkstück (4) , umfassend: 7. Arrangement of magnetoelastic sensors for detecting the direction of mechanical stresses in a ferromagnetic workpiece (4), comprising:
- mindestens eine zentrale Erregerspule (1) zur Erzeugung eines Magnetfeldes , at least one central exciter coil (1) for generating a magnetic field,
- mindestens vier Empfangsspulen (2), die mit der mindestens einen Erregerspule (1) über einen Ferritkern (3) magnetisch gekoppelt sind und jeweils einen magnetoelastischen Sensor (7) darstellen, wobei  - At least four receiving coils (2) which are magnetically coupled to the at least one exciter coil (1) via a ferrite core (3) and each represent a magnetoelastic sensor (7), wherein
-die mindestens eine zentrale Erregerspule (1) in der Anordnung zentral positioniert ist und die mindestens vier Empfangsspulen (2) gleichmäßig am Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt sind und einen Abstand zu dieser aufweisen.  the at least one central excitation coil (1) is centrally positioned in the arrangement and the at least four receiving coils (2) are uniformly distributed on the circumference of the at least one excitation coil (1) and have a spacing therefrom.
8. Anordnung nach Anspruch 7, wobei 8. Arrangement according to claim 7, wherein
zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferro- magnetischen Werkstück (4) die mindestens vier magnetoelasti- sehen Sensoren (7) um eine annähernd senkrecht zur Werkstückoberfläche ausgerichtete Achse der mindestens einen Erregerspule (1) drehbar sind. for detecting the direction of mechanical stresses in the ferromagnetic workpiece (4), the at least four magnetoelastic sensors (7) are rotatable about an axis of the at least one exciter coil (1) oriented approximately perpendicular to the workpiece surface.
9. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 oder 8, wobei 9. Arrangement according to one of claims 7 or 8, wherein
zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferro- magnetischen Werkstück (4) mindestens zwei Messflächen (5) mit magnetoelastischen Sensoren nebeneinander positioniert sind und um 45° gegeneinander gedreht sind. for detecting the direction of mechanical stresses in the ferromagnetic workpiece (4) at least two measuring surfaces (5) are positioned next to each other with magnetoelastic sensors and are rotated by 45 ° from each other.
10. Anordnung nach einem der Ansprüche 7 bis 9, welche zur Erfassung der Richtung mechanischer Spannungen im ferro- magnetischen Werkstück (4) mindestens acht Empfangsspulen (2 ) aufweisen, welche gleichmäßig am Umfang der mindestens einen Erregerspule (1) verteilt sind. 10. Arrangement according to one of claims 7 to 9, which for detecting the direction of mechanical stresses in the ferromagnetic workpiece (4) at least eight receiving coils (2), which are distributed uniformly on the circumference of the at least one exciting coil (1).
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