WO2020039013A1 - Load-measuring device and load-measuring method - Google Patents

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WO2020039013A1
WO2020039013A1 PCT/EP2019/072415 EP2019072415W WO2020039013A1 WO 2020039013 A1 WO2020039013 A1 WO 2020039013A1 EP 2019072415 W EP2019072415 W EP 2019072415W WO 2020039013 A1 WO2020039013 A1 WO 2020039013A1
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coil
load
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PCT/EP2019/072415
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Christoph Schanz
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Trafag Ag
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Definitions

  • the invention relates to a load measuring device and a
  • Load measurement method for measuring a load in a test object For measuring a load in a test object.
  • the invention particularly relates to a method and a device for measuring a mechanical load on a test object.
  • Loads are understood to mean forces, torques or mechanical stresses on the test object.
  • Torque measuring arrangement with a torque sensor for a torque sensor for measuring a torque on a rotating test object, in particular in the form of a shaft, with the detection of
  • refinements of the invention relate to a measuring method for measuring a torque by detecting
  • Magnetic field changes due to the Villari effect, and more particularly designed for magnetoelastic ( inverse magnetorestrictive) detection of torques.
  • Torque sensors of this type which detect torques in test objects, in particular waves, due to magnetic field changes, and the scientific foundations for this are described in the following references:
  • a type of torque transducer as described in D4 (DE 30 31 997 A1), has proven to be particularly effective for the measurement of torques in shafts and other measuring points.
  • exemplary embodiments relate to a pressure sensor with a membrane as the test object and a tension detection device for detecting a mechanical tension in the membrane by active magnetization.
  • Measured variables torque, force and position can be determined on ferromagnetic objects.
  • Magnetoelastic (or also inverse magnetostrictive) sensors or eddy current or eddy current sensors are usually used.
  • the ferromagnetic materials used change their permeability under the influence of tensile or compressive stresses (also called the Villari effect). Differentiating the individual effects is usually difficult in practice, only the eddy current sensor is easier to distinguish from the other effects due to its frequency dependence.
  • the state of the magnetization of the object is often not known or is influenced by the processing and handling of the objects, so that wide industrial use is often difficult.
  • D7 EP 3'51'265 A1 it is known to compensate for this disadvantage by active magnetization by means of an alternating magnetic field in the kHz range.
  • generator and detector coils namely two first magnetic field detection coils A1, A2 and two second magnetic field detection coils B1, B2 and a central generator coil Lg in a cross arrangement (X arrangement) are used.
  • the difference between the coil pair AB (A1 + A2) - (B1 + B2) is determined in an analog signal processing scheme.
  • the object of the invention is to create a load measuring device and a load measuring method with which a load can be measured more reproducibly even under changing conditions.
  • the invention provides a load measuring device according to claim 1 and a load measuring method according to the subclaim.
  • the invention provides a first aspect thereof
  • a load measuring device for measuring a load in a test object comprising: a sensor head, a magnetic field generating device for generating a magnetic field in the test object, the magnetic field generating device at least one magnetic field generating coil in the sensor head and one
  • a first magnetic field detection device for detecting a first magnetic field parameter changing due to a load in the test object and for generating a first
  • Magnetic field parameter signal which is generated due to the periodic
  • the first magnetic field detection device has at least a first magnetic field detection coil in the sensor head, a second magnetic field detection device for detecting a second magnetic field parameter changing due to a load in the test object and for generating a second magnetic field parameter signal that changes periodically due to the periodically generated measuring field, being the second
  • Magnetic field detection device at least a second Magnetic field detection coil in the sensor head, and an evaluation device for generating a measurement signal from the first and the second magnetic field parameter signal, wherein the sensor head is designed without flux amplifier without magnetic flux amplifier for the coils arranged therein, and wherein the current source for supplying the magnetic field generating coil with a periodically with a frequency of greater 50 kHz alternating current is formed.
  • the power source to power the
  • Magnetic field generating coil is formed with current at a frequency of 80 kHz to 120 kHz.
  • Magnetic field detection coils are provided in a V arrangement or an X arrangement in the sensor head.
  • the coils of the sensor head are arranged in a coil component with an arrangement of planar coil packages in printed circuit board technology.
  • a coil arrangement of the sensor head has no ferrite and no magnetic yoke.
  • the coil component is neither equipped with a ferrite, nor with any other magnetic flux amplifier
  • Magnetic yoke provided.
  • the sensor head has a housing that surrounds the coils in the circumferential direction.
  • the housing is formed from or with a ferromagnetic material.
  • the housing is made of an electrically conductive material that prevents the penetration of high-frequency electrical fields. It is preferred that the housing is provided on the inside and / or outside with a shield for shielding high-frequency electrical fields.
  • the coils of the sensor head by means of an elastic connection in the sensor head and / or in the housing of the
  • the coils are held by means of a carrier which has a carrier fastening area for fastening the carrier in the sensor head, a coil fastening region to which the coils are fastened and a plurality of spring elements and / or elastic connecting bridges between the
  • Carrier mounting area and the coil mounting area are Carrier mounting area and the coil mounting area.
  • the carrier is designed as a printed circuit board on which at least one coil component with one, several or all of the coils is soldered.
  • the coil mounting area is a central area surrounded by the carrier mounting area.
  • the elastic connecting bridges be electrical
  • the invention relates to a load measurement method for measuring a load in a test object, with:
  • Magnetic field parameter signal which is generated due to the periodic
  • magnetic flux amplifiers are always provided in the generation coil and in the magnetic field detection coils.
  • a flux amplifier yoke which is V-shaped or X-shaped, a projection being provided on an intersection area on which the generating coil is seated, while the magnetic field detection coils are provided on projections on arms of the magnetic yoke.
  • the magnetic flux is increased in order to achieve a sufficient signal strength.
  • the flux amplifier consists of ferrite or corresponding flux-enhancing materials and thus of materials other than the coils or the other components of the corresponding sensor head.
  • Magnetic flux can be compensated for by a corresponding increase in the frequencies of the magnetic field generation current.
  • the invention thus relates to a load measuring method and a load measuring device using a sensor head without ferrite and without another flux conductor.
  • Generating a measurement signal is the signal / carrier ratio.
  • the sensor is also significantly less susceptible to
  • a total current consumption of the inductors is obtained which is comparable to a sensor which is operated at 10 kHz and is provided with a ferrite flux amplifier.
  • a further improvement of the measurement signal even under different mechanical loads is achieved if, as is provided in particularly preferred configurations, stress decoupling of a coil structure within the sensor head is carried out.
  • the coils are connected to a housing or the like via an elastic connection connected. This can be achieved, for example, with a stress decoupling PCB.
  • the at least one coil can be soldered onto the stress decoupling PCB and thus suspended in a housing.
  • Mechanical stress is preferably absorbed from the outside by means of at least one spring and thus cannot lead to an offset shift in the coil.
  • the coils are preferably designed as planar coils.
  • Load measuring device is in particular as a torque sensor or
  • planar coils for use with torque sensors and force sensors are inductors embedded in an FR4. So far the planar coils for use with torque sensors and force sensors are inductors embedded in an FR4. So far the
  • Inductors reinforced by the use of a ferrite reinforced by the use of a ferrite.
  • the planar coils are part of the entire sensor in the product and integrated in the structure and in the
  • planar coils are anchored in some form to the housing in order to be resistant to vibration, shock and other influences on the sensor.
  • This signal change can occur in an offset-reversible or non-reversible manner with the mechanical or thermal stress and thereby causes a certain error budget.
  • the planar coils can be integrated into a sensor in a stress-decoupled manner.
  • a suitable stress decoupling such as a carrier PCB designed as a spring
  • the planar coils can be integrated into a sensor in a stress-decoupled manner.
  • a carrier circuit board with four spring suspensions is provided. Tests have shown that a reduction to two spring suspensions significantly improves stress decoupling.
  • the stiffness of the carrier board can be adjusted via the width of the spring struts.
  • Figure 1 is an exploded perspective view of an embodiment of a load measuring device in the form of a torque sensor.
  • FIG. 2 is a perspective view of the load measuring device of FIG.
  • Figure 4 is a section on the line A-A of Figure 3;
  • Fig. 5 is a side view of the load measuring device.
  • Load measuring device 10 is shown for measuring a load on a test object, not shown.
  • the load measuring device 10 is
  • the load measuring device 10 could, for example, also be designed as a force sensor.
  • the load measuring device 10 is designed to measure a load on a ferromagnetic test object using magnetic measuring methods.
  • the load measuring device 10 is designed as a magnetoelastic or inverse magnetostrictive sensor.
  • the ferromagnetic materials of the test object change their permeability under the influence of tensile or
  • the load measuring device 10 is designed to be active
  • the load measuring device 10 has a sensor head 16 accommodated in a housing 14. Furthermore, the load measuring device 10 has a magnetic field generating device 18, a first one
  • Magnetic field detection device 20 and a second
  • Magnetic field detection device 22
  • the magnetic field generating device 18 is designed to generate a magnetic field in the test object.
  • the magnetic field generating device 18 has a magnetic field generating coil 24 - also called a generator coil - in the
  • Magnetic field generating coil 24 with a periodically changing current.
  • the current source 26 can be arranged in the torque sensor 12, in particular in the housing 14.
  • the current source 26 can be arranged as an electronic component on an electronics unit 28.
  • the current source 26 is provided externally, for example as an alternating current source.
  • the current source 26 is designed to
  • Magnetic field generating coil 24 with a frequency of greater than 50 kHz, more particularly with a frequency of 80 kHz-120 kHz.
  • the first magnetic field detection device 20 is for detecting a first one that changes due to a load in the test object
  • the first magnetic field detection device 20 has at least one first magnetic field detection coil 30.
  • the second magnetic field detection device 22 is also designed to detect a magnetic field parameter - second magnetic field parameter - which changes due to a load in the test object. Because of this, it generates a second magnetic field parameter signal, which also changes periodically due to the periodically generated measuring field.
  • the first and second magnetic field parameters can e.g. B. field strengths in different directions.
  • the different coils 24, 30, 32 are housed together as planar coils 34 in a coil component 36, which together
  • Magnetic field generating coil 24 and the magnetic field detection coil 30, 32 houses.
  • the arrangement of the coils 24, 30, 32 can be V-shaped, with an imaginary connecting line between the magnetic field generating coil 24 and the first magnetic field detection coil 30 coinciding with a second imaginary connecting line between the magnetic field generating coil 24 and the second
  • Magnetic field detection coil 32 crosses at an angle between 10 ° and 170 °, preferably between 60 ° and 120 °, more particularly between 80 ° and 100 ° and particularly preferably at an angle of 90 °.
  • Magnetic field detection coils 30 and two second magnetic field detection coils 32 are provided, which are provided in an X arrangement with the magnetic field generating coil 24 in the middle.
  • the coil component 36 has no magnetic flux amplifier.
  • the entire sensor head 16 is free of flux amplifiers, without ferrites or others soft magnetic materials for flux reinforcement for the coils 24, 30, 32, provided.
  • planar coils 34 are only in a suitable matrix material 38
  • the coil component is manufactured using printed circuit board technology.
  • the different coils 24, 30, 32 of the sensor head 16 are connected to the housing 14 via at least one elastic connection 40 and / or via a spring element 42 or via a spring.
  • a carrier 44 which has a carrier fastening region 46 for fastening the carrier 44 to the housing, a coil fastening region 48 for fastening one or more of the coils 24, 30, 32 and at least one elastic one
  • the coil fastening area 48 is connected to the carrier fastening area 46 via the at least one elastic connecting bridge 50.
  • the carrier 44 is in the form of a
  • Connection bridges 50 are guided to electrically connect the coils.
  • the carrier attachment area 46 lies in a ring or in regions around the centrally arranged coil attachment area 48.
  • the coil component 36 is preferably soldered to the coil mounting area 48.
  • the stiffness of the spring element 42 and the spring properties of the elastic connection 40 can be adjusted via the width of the connecting bridge 50 and / or its length.
  • bracket mounting area 46 There may be between the bracket mounting area 46 and the bracket mounting area 46 and the bracket mounting area 46 and the bracket mounting area 46 and the bracket mounting area 46
  • Coil attachment area 48 a plurality of elastic connecting bridges 50 be provided, for example two, three or four connecting bridges are provided.
  • the housing 14 has a base plate 54 with an opening for an electrical plug-in connection 56 and an annular housing region 58 and, in the embodiment shown, also a cover 60. Except for the cover 60, there are electrically and / or magnetically shielding materials for the housing 14
  • the cover 60 is designed to protect the sensor head 16 from environmental influences and is made of a material which allows magnetic fields to be conducted well to the test object. For example, a plastic material is provided for the cover 60.
  • the load measuring method described in more detail below can be carried out.
  • the load measuring device is arranged with the cover 60 towards the test object (not shown) and fixed to the test object.
  • the test object can be, for example, a rotating shaft made of ferromagnetic materials.
  • a magnetic field is generated in the range of 80-120 kHz by applying the current to the magnetic field generating coil and introduced into the test object.
  • Magnetic field detection device 22 changes the direction of the applied magnetic field due to loads in the test object.
  • the corresponding signals of the magnetic field detection device 20, 22 can for example consist of signals A1 and A2 from two first
  • Magnetic field detection coils 30 and signals B1 and B2 from two second magnetic field detection coils 32 exist.
  • a measurement signal indicating the load can thus be generated in an evaluation device 62, which can also be accommodated in the electronics unit 28.
  • An example of the corresponding generation is in the
  • Test objects are described in DE 10 2017 104 547.3.

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Abstract

The aim of the invention is to improve independence with respect to external influences. According to the invention, this is achieved by a load-measuring device (10) for measuring a load on a test object, comprising: a sensor head (16), a magnetic field generating device (18) for generating a magnetic field in the test object, said magnetic field generating device (18) having at least one magnetic field generating coil (24, 30, 32) in the sensor head (16) and a current source (26) for supplying the magnetic field generating coil (24, 30, 32) with a periodically changing current, a first magnetic field detecting device (18) for detecting a first magnetic field parameter which changes on the basis of a load on the test object and for generating a first magnetic field parameter signal which changes periodically on the basis of the periodically generated measurement field, wherein the first magnetic field detecting device (18) has at least one first magnetic field detecting coil (30) in the sensor head (16), a second magnetic field detecting device (22) for detecting a second magnetic field parameter which changes on the basis of a load on the test object and for generating a second magnetic field parameter signal which changes periodically on the basis of the periodically generated measurement field, said second magnetic field detecting device (22) having at least one second magnetic field detecting coil (32) in the sensor head (16), and an analysis device (62) for generating a measurement signal from the first and second magnetic field parameter signal. The sensor head (16) is designed without a magnetic flux amplification for the coils arranged therein so as to be flux amplification-free, and the current source (26) is designed to supply the magnetic field generating coil (24, 30, 32) with a current which changes periodically with a frequency of more than 50 kHz.

Description

Belastungsmessvorrichtung und Belastungsmessverfahren  Load measuring device and load measuring method
Die Erfindung betrifft eine Belastungsmessvorrichtung und ein The invention relates to a load measuring device and a
Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt. Load measurement method for measuring a load in a test object.
Die Erfindung betrifft insbesondere ein Verfahren und eine Vorrichtung zum Messen einer mechanischen Belastung an einem Testobjekt. Unter Belastungen werden dabei Kräfte, Drehmomente oder mechanische Spannungen an dem Testobjekt verstanden. The invention particularly relates to a method and a device for measuring a mechanical load on a test object. Loads are understood to mean forces, torques or mechanical stresses on the test object.
Einige Ausführungsbeispiele der Erfindung betreffen insbesondere eine Some embodiments of the invention relate in particular to one
Drehmomentmessanordnung mit einem Drehmomentmessgeber für einen Drehmomentsensor zum Messen eines Drehmoments an einem sich drehenden Testobjekt, insbesondere in Form einer Welle, unter Erfassung von Torque measuring arrangement with a torque sensor for a torque sensor for measuring a torque on a rotating test object, in particular in the form of a shaft, with the detection of
Magnetfeldänderungen. Außerdem betreffen Ausgestaltungen der Erfindung ein Messverfahren zum Messen eines Drehmoments durch Erfassung von Magnetic field changes. In addition, refinements of the invention relate to a measuring method for measuring a torque by detecting
Magnetfeldänderungen. Insbesondere sind der Drehmomentmessgeber, der Drehmomentsensor und das Messverfahren zur Erfassung von Magnetic field changes. In particular, the torque transducer, the torque sensor and the measuring method for the detection of
Magnetfeldänderungen aufgrund des Villari-Effektes, und mehr insbesondere zur magnetoelastischen (=invers magnetorestriktiven) Erfassung von Drehmomenten ausgebildet. Magnetic field changes due to the Villari effect, and more particularly designed for magnetoelastic (= inverse magnetorestrictive) detection of torques.
Derartige Drehmomentsensoren, die Drehmomente in Testobjekten wie insbesondere Wellen, aufgrund von Magnetfeldänderungen erfassen, sowie die wissenschaftlichen Grundlagen hierfür sind in den folgenden Literaturstellen beschrieben: Torque sensors of this type, which detect torques in test objects, in particular waves, due to magnetic field changes, and the scientific foundations for this are described in the following references:
D1 Gerhard Hinz und Heinz Voigt„Magnoelastic Sensors“ in„Sensors“, VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, Seiten 97-152 D2 US 3 311 818 D1 Gerhard Hinz and Heinz Voigt "Magnoelastic Sensors" in "Sensors", VCH Verlagsgesellschaft mbH, 1989, pages 97-152 D2 US 3 311 818
D3 EP 0 384 042 A2  D3 EP 0 384 042 A2
D4 DE 30 31 997 A  D4 DE 30 31 997 A
D5 US 3 011 340 A  D5 US 3,011,340 A.
D6 US 4 135 391 A  D6 US 4 135 391 A
Insbesondere eine Bauart von Drehmomentmessgebern, wie sie in der D4 (DE 30 31 997 A1 ) beschrieben ist, hat sich als besonders wirkungsvoll für die Messung von Drehmomenten in Wellen und anderen Messstellen herausgestellt. In particular, a type of torque transducer, as described in D4 (DE 30 31 997 A1), has proven to be particularly effective for the measurement of torques in shafts and other measuring points.
Andere Ausführungsbeispiele betreffen einen Drucksensor mit einer Membran als Testobjekt und einer Spannungserfassungseinrichtung zum Erfassen einer mechanischen Spannung in der Membran durch aktive Aufmagnetisierung. Other exemplary embodiments relate to a pressure sensor with a membrane as the test object and a tension detection device for detecting a mechanical tension in the membrane by active magnetization.
Es ist bekannt, dass mit magnetischen Messverfahren die physikalischen It is known that the magnetic
Messgrößen Drehmoment, Kraft und Position an ferromagnetischen Objekten ermittelt werden können. Zur Anwendung kommen dabei meist magnetoelastische (oder auch invers-magnetostriktive) Sensoren oder Wirbelstrom- oder Eddy- Current-Sensoren. Die benutzten ferromagnetischen Materialien ändern ihre Permeabilität unter dem Einfluss von Zug- oder Druckspannungen (auch Villari- Effekt genannt). Eine Abgrenzung der einzelnen Effekte ist in der Praxis meist schwierig, einzig der Wirbelstromsensor ist über seine Frequenzabhängigkeit leichter von den übrigen Effekten zu unterscheiden. Zudem ist der Zustand der Magnetisierung des Objektes oft nicht bekannt oder wird durch Verarbeitung und Handling der Objekte nachhaltig beeinflusst, so dass ein breiter industrieller Einsatz oft schwierig ist. Zudem ist eine Vorhersage der Lebensdauer der magnetisierten Objekte unter den oft recht harten Umgebungsbedingungen, in denen die Technologie Einsatz findet (beispielsweise aber nicht ausschließlich Elektromobilität, wie insbesondere E-Bikes, z.B. Pedelecs, Schwerindustrie, Getriebe, hydraulische Systeme in Baumaschine oder in der Landtechnik und vieles mehr) oft nicht möglich. Measured variables torque, force and position can be determined on ferromagnetic objects. Magnetoelastic (or also inverse magnetostrictive) sensors or eddy current or eddy current sensors are usually used. The ferromagnetic materials used change their permeability under the influence of tensile or compressive stresses (also called the Villari effect). Differentiating the individual effects is usually difficult in practice, only the eddy current sensor is easier to distinguish from the other effects due to its frequency dependence. In addition, the state of the magnetization of the object is often not known or is influenced by the processing and handling of the objects, so that wide industrial use is often difficult. In addition, a prediction of the lifespan of the magnetized objects is under the often very harsh environmental conditions in which the technology is used (for example, but not exclusively electromobility, such as e-bikes in particular, e.g. pedelecs, heavy industry, transmissions, hydraulic systems in construction machinery or in agricultural engineering and much more) often not possible.
Aus der From the
D7 EP 3Ό51‘265 A1 ist es bekannt, diesen Nachteil durch eine aktive Aufmagnetisierung mittels eines magnetischen Wechselfeldes im kHz Bereich zu kompensieren. Hierfür werden Generator- und Detektorspulen, nämlich zwei erste Magnetfelderfassungsspulen A1 , A2 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen B1 , B2 und eine mittige Generatorspule Lg in einer Kreuzanordnung (X-Anordnung) verwendet. Dabei wird die Differenz des Spulenpaares A-B = (A1 +A2) - (B1 +B2) in einem analogen Signalverarbeitungsschema ermittelt. D7 EP 3'51'265 A1 it is known to compensate for this disadvantage by active magnetization by means of an alternating magnetic field in the kHz range. For this purpose generator and detector coils, namely two first magnetic field detection coils A1, A2 and two second magnetic field detection coils B1, B2 and a central generator coil Lg in a cross arrangement (X arrangement) are used. The difference between the coil pair AB = (A1 + A2) - (B1 + B2) is determined in an analog signal processing scheme.
Die Erfindung hat sich zur Aufgabe gestellt, eine Belastungsmessvorrichtung und ein Belastungsmessverfahren zu schaffen, mit denen eine Belastung auch bei sich ändernden Bedingungen genauer reproduzierbar messbar ist. The object of the invention is to create a load measuring device and a load measuring method with which a load can be measured more reproducibly even under changing conditions.
Zum Lösen dieser Aufgabe schafft die Erfindung eine Belastungsmessvorrichtung nach Anspruch 1 sowie ein Belastungsmessverfahren nach dem Nebenanspruch. To achieve this object, the invention provides a load measuring device according to claim 1 and a load measuring method according to the subclaim.
Vorteilhafte Ausgestaltungen sind Gegenstand der Unteransprüche. Advantageous refinements are the subject of the dependent claims.
Die Erfindung schafft gemäß einem ersten Aspekt davon eine The invention provides a first aspect thereof
Belastungsmessvorrichtung zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, mit: einem Sensorkopf, einer Magnetfelderzeugungseinrichtung zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung wenigstens eine Magnetfelderzeugungsspule in dem Sensorkopf und eine A load measuring device for measuring a load in a test object, comprising: a sensor head, a magnetic field generating device for generating a magnetic field in the test object, the magnetic field generating device at least one magnetic field generating coil in the sensor head and one
Stromquelle zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist, einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden ersten Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines ersten Current source for supplying the magnetic field generating coil with a periodically changing current, a first magnetic field detection device for detecting a first magnetic field parameter changing due to a load in the test object and for generating a first
Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetic field parameter signal, which is generated due to the periodic
Messfelds periodisch ändert, wobei die erste Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine erste Magnetfelderfassungsspule in dem Sensorkopf aufweist, einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden zweiten Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines zweiten Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Messfelds periodisch ändert, wobei die zweite Measuring field changes periodically, wherein the first magnetic field detection device has at least a first magnetic field detection coil in the sensor head, a second magnetic field detection device for detecting a second magnetic field parameter changing due to a load in the test object and for generating a second magnetic field parameter signal that changes periodically due to the periodically generated measuring field, being the second
Magnetfelderfassungseinrichtung wenigstens eine zweite Magnetfelderfassungsspule in dem Sensorkopf aufweist, und einer Auswerteeinrichtung zum Erzeugen eines Messsignals aus dem ersten und dem zweiten Magnetfeldparametersignal, wobei der Sensorkopf flussverstärkerfrei ohne Magnetflussverstärker für die darin angeordneten Spulen ausgebildet ist und wobei die Stromquelle zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule mit einem periodisch mit einer Frequenz von größer 50 kHz wechselnden Strom ausgebildet ist. Magnetic field detection device at least a second Magnetic field detection coil in the sensor head, and an evaluation device for generating a measurement signal from the first and the second magnetic field parameter signal, wherein the sensor head is designed without flux amplifier without magnetic flux amplifier for the coils arranged therein, and wherein the current source for supplying the magnetic field generating coil with a periodically with a frequency of greater 50 kHz alternating current is formed.
Es ist bevorzugt, dass die Stromquelle zum Versorgen der It is preferred that the power source to power the
Magnetfelderzeugungsspule mit Strom bei einer Frequenz von 80kHz bis 120 kHz ausgebildet ist. Magnetic field generating coil is formed with current at a frequency of 80 kHz to 120 kHz.
Es ist bevorzugt, dass die Magnetfelderzeugungsspule und die It is preferable that the magnetic field generating coil and the
Magnetfelderfassungsspulen in einer V-Anordnung oder einer X-Anordnung in dem Sensorkopf vorgesehen sind. Magnetic field detection coils are provided in a V arrangement or an X arrangement in the sensor head.
Es ist bevorzugt, dass die Spulen des Sensorkopfes in einem Spulenbauelement mit einer Anordnung von Planarspulenpaketen in Leiterplattentechnik angeordnet sind. It is preferred that the coils of the sensor head are arranged in a coil component with an arrangement of planar coil packages in printed circuit board technology.
Es ist bevorzugt, dass eine Spulenanordnung des Sensorkopfes kein Ferrit und kein Magnetjoch aufweisen. Insbesondere ist das Spulenbauelement weder mit einem Ferrit, noch einem sonstigen Magnetflussverstärker noch einem It is preferred that a coil arrangement of the sensor head has no ferrite and no magnetic yoke. In particular, the coil component is neither equipped with a ferrite, nor with any other magnetic flux amplifier
Magnetjoch versehen. Magnetic yoke provided.
Es ist bevorzugt, dass der Sensorkopf ein Gehäuse aufweist, das die Spulen in Umfangsrichtung umgibt. It is preferred that the sensor head has a housing that surrounds the coils in the circumferential direction.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse aus oder mit einem ferromagnetischen Material gebildet ist. It is preferred that the housing is formed from or with a ferromagnetic material.
Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches eine Eindringen von hochfrequenten elektrischen Feldern verhindert. Es ist bevorzugt, dass das Gehäuse innen und/oder außen mit einer Schirmung zum Abschirmen hochfrequenter elektrischer Felder versehen ist. It is preferred that the housing is made of an electrically conductive material that prevents the penetration of high-frequency electrical fields. It is preferred that the housing is provided on the inside and / or outside with a shield for shielding high-frequency electrical fields.
Es ist bevorzugt, dass die Spulen des Sensorkopfes mittels einer elastischen Verbindung in dem Sensorkopf und/oder in dem Gehäuse der It is preferred that the coils of the sensor head by means of an elastic connection in the sensor head and / or in the housing of the
Belastungsmessvorrichtung gehalten sind. Load measuring device are held.
Es ist bevorzugt, dass die Spulen mittels eines Trägers gehalten sind, welcher einen Trägerbefestigungsbereich zum Befestigen des Trägers in dem Sensorkopf, einen Spulenbefestigungsbereich, an dem die Spulen befestigt sind und mehrere Federelemente und/oder elastische Verbindungsbrücken zwischen dem It is preferred that the coils are held by means of a carrier which has a carrier fastening area for fastening the carrier in the sensor head, a coil fastening region to which the coils are fastened and a plurality of spring elements and / or elastic connecting bridges between the
Trägerbefestigungsbereich und dem Spulenbefestigungsbereich aufweist. Carrier mounting area and the coil mounting area.
Es ist bevorzugt, dass der Träger als Leiterplatte ausgebildet ist, auf der wenigstens ein Spulenbauelement mit einer, mehreren oder allen der Spulen aufgelötet sind. It is preferred that the carrier is designed as a printed circuit board on which at least one coil component with one, several or all of the coils is soldered.
Es ist bevorzugt, dass der Spulenbefestigungsbereich ein zentraler Bereich ist, der von dem Trägerbefestigungsbereich umgeben ist. It is preferred that the coil mounting area is a central area surrounded by the carrier mounting area.
Es ist bevorzugt, dass die elastischen Verbindungsbrücken elektrische It is preferred that the elastic connecting bridges be electrical
Leitungspfade aufweisen. Have conduction paths.
Gemäß einem weiteren Aspekt betrifft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, mit: According to a further aspect, the invention relates to a load measurement method for measuring a load in a test object, with:
Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt durch Versorgen einer  Generate a magnetic field in the test object by supplying one
flussverstärkerfreien Magnetfelderzeugungsspule mit einem periodisch mit einer Frequenz von größer 50 kHz, vorzugsweise zwischen 80 kHz und 120 kHz, wechselnden Strom, flux amplifier-free magnetic field generating coil with a current that changes periodically at a frequency of greater than 50 kHz, preferably between 80 kHz and 120 kHz,
Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden ersten Magnetfeldparameters und Erzeugen eines ersten Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Messfelds periodisch ändert, mittels wenigstens einer ersten flussverstärkerfreien Magnetfelderfassungsspule, Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden zweiten Magnetfeldparameters und Erzeugen eines zweiten Detecting a first magnetic field parameter that changes due to a load in the test object and generating a first magnetic field parameter signal that changes periodically due to the periodically generated measuring field by means of at least one first magnetic field detection coil that is free of flux amplifiers, Detecting a second magnetic field parameter that changes due to a load in the test object and generating a second one
Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetic field parameter signal, which is generated due to the periodic
Messfelds periodisch ändert, mittels einer zweiten flussverstärkerfreien Measuring field changes periodically, using a second flux amplifier-free
Magnetfelderfassungsspule, und Magnetic field detection coil, and
Erzeugen eines Messsignals aus dem ersten und dem zweiten  Generating a measurement signal from the first and the second
Magnetfeldparametersignal. Magnetic parameter signal.
Bei bisherigen derartigen Belastungsmessvorrichtungen, die eine aktive With previous such load measuring devices that have an active
Aufmagnetisierung nutzen und Änderungen eines Magnetfeldparameters aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt mittels entsprechender Use magnetization and changes in a magnetic field parameter due to a load in the test object by means of appropriate
Magnetfelderfassungsspulen messen, sind stets Magnetflussverstärker in der Erzeugungsspule und in den Magnetfelderfassungsspulen vorgesehen. Measuring magnetic field detection coils, magnetic flux amplifiers are always provided in the generation coil and in the magnetic field detection coils.
Beispielswiese ist ein Flussverstärkerjoch vorgesehen, welches V-förmig oder X- förmig ausgebildet ist, wobei an einem Kreuzungsbereich ein Vorsprung vorgesehen ist, auf dem die Erzeugungsspule sitzt, während auf Vorsprüngen an Auslegern des Magnetjoches die Magnetfelderfassungsspulen vorgesehen sind. Durch die Nutzung entsprechender Ferrite werde der Magnetfluss verstärkt, um somit eine genügende Signalstärke zu erzielen. For example, a flux amplifier yoke is provided, which is V-shaped or X-shaped, a projection being provided on an intersection area on which the generating coil is seated, while the magnetic field detection coils are provided on projections on arms of the magnetic yoke. By using appropriate ferrites, the magnetic flux is increased in order to achieve a sufficient signal strength.
Der Flussverstärker besteht aus Ferrit oder entsprechenden flussverstärkenden Materialien und somit aus anderen Materialien als die Spulen oder die sonstigen Bauelemente des entsprechenden Sensorkopfes. The flux amplifier consists of ferrite or corresponding flux-enhancing materials and thus of materials other than the coils or the other components of the corresponding sensor head.
Eingehende Untersuchungen haben nun gezeigt, dass eine solche Ferrit oder ein entsprechendes anderes Magnetfeldverstärkungsmaterial ein Fremdkörper im System ist, der dazu führt, dass das Messsignal temperaturabhängig sowie abhängig von mechanischen Belastungen ist. Somit haben Versuche ergeben, dass das Weglassen eines entsprechenden Magnetflussverstärkers bei derartigen Belastungsmessvorrichtungen deutlich bessere Reproduzierbarkeiten des Detailed investigations have now shown that such a ferrite or a corresponding other magnetic field reinforcement material is a foreign body in the system, which leads to the fact that the measurement signal is temperature-dependent and also dependent on mechanical loads. Experiments have thus shown that the omission of a corresponding magnetic flux amplifier in the case of such load measuring devices has significantly better reproducibility of the
Messsignales bezüglich Temperatur und Stresseinkopplung erzeugt. Die durch das Weglassen des Magnetflussverstärkers bedingte Verringerung des Measurement signals regarding temperature and stress coupling generated. The reduction in the due to the omission of the magnetic flux amplifier
Magnetflusses kann durch eine entsprechende Erhöhung der Frequenzen des Magnetfelderzeugungsstromes kompensiert werden. Somit betrifft die Erfindung ein Belastungsmessverfahren sowie eine Belastungsmessvorrichtung unter Verwendung eines Sensorkopfes ohne Ferrit und ohne einen anderen Flussleiter. Magnetic flux can be compensated for by a corresponding increase in the frequencies of the magnetic field generation current. The invention thus relates to a load measuring method and a load measuring device using a sensor head without ferrite and without another flux conductor.
Versuche haben gezeigt, dass ein Belastungsmesssensor, wie insbesondere ein Drehmomentsensor unter Verwendung von aktiver Aufmagnetisierung auch ohne Flussverstärker oder Flusssammler funktioniert. Eine wichtige Größe zum Experiments have shown that a load measuring sensor, such as, in particular, a torque sensor using active magnetization, also works without a flux amplifier or flux collector. An important size for
Erzeugen eines Messsignals ist das Signal/Träger-Verhältnis. Durch das Generating a measurement signal is the signal / carrier ratio. By the
Weglassen des Ferrits verschlechtert sich dieses Verhältnis zwar um ca. Faktor 2 gegenüber vergleichbaren Sensoren mit Ferriten. Vergleichbare Sensoren mit Ferriten haben aber eine deutliche Drehwinkelabhängigkeit, welche zum Beispiel bei Wellen oder anderen sich drehenden Objekten durch Abstandsveränderungen oder durch Materialungleichheiten über den Umfang des Testobjektes gesehen, erzeugt werden. Wird an solchen Testobjekten eine Belastung mittels eines Sensorkopfes ohne Flussverstärker gemessen, wird das Magnetfeld„breiter“ eingesammelt und somit eine deutliche Verbesserung dieses RSN-Verhaltens erzielt. Auch ist der Temperaturgang des Gesamtsensors um Faktoren If the ferrite is omitted, this ratio deteriorates by a factor of about 2 compared to comparable sensors with ferrites. Comparable sensors with ferrites, however, have a clear dependence on the angle of rotation, which, for example in the case of shafts or other rotating objects, is generated by changes in distance or by material inequalities across the scope of the test object. If a load is measured on such test objects by means of a sensor head without flux amplifier, the magnetic field is collected “broader” and a significant improvement in this RSN behavior is achieved. The temperature response of the overall sensor is also factors
reproduzierbar. Der Sensor ist außerdem deutlich weniger anfällig auf reproducible. The sensor is also significantly less susceptible to
mechanischen Stress. Flat man einen Flussverstärker mit entsprechend genügend weich magnetischen Materialien in dem Sensorkopf, dann kann sich die Lage dieses Flussverstärkers innerhalb der Spule aufgrund von Belastungen, wie beispielsweise Erschütterungen usw. ändern, was Auswirkungen auf das mechanical stress. If a flow amplifier with correspondingly soft magnetic materials in the sensor head is flat, the position of this flow amplifier within the coil can change due to loads, such as vibrations, etc., which affects the
Messsignal hat. Has measurement signal.
Tendiert man nun zu höheren Frequenzen von größer als 50 kHz und If one now tends to higher frequencies of greater than 50 kHz and
insbesondere 80kHz-120kHz, erhält man eine Gesamtstromaufnahme der Induktivitäten, die vergleichbar ist mit einem Sensor, der mit 10 kHz betrieben wird und mit Ferrit-Flussverstärker versehen ist. in particular 80kHz-120kHz, a total current consumption of the inductors is obtained which is comparable to a sensor which is operated at 10 kHz and is provided with a ferrite flux amplifier.
Eine weitere Verbesserung des Messsignals auch unter unterschiedlichen mechanischen Belastungen wird dadurch erzielt, wenn man - wie bei besonders bevorzugten Ausgestaltungen vorgesehen ist - eine Stressentkopplung eines Spulenaufbaus innerhalb des Sensorkopfes vornimmt. Insbesondere sind die Spulen über eine elastische Verbindung mit einem Gehäuse oder dergleichen verbunden. Dies kann beispielsweise durch eine Stressentkopplungs - PCB erreicht werden. Insbesondere ist eine Leiterplatte mit elastischen A further improvement of the measurement signal even under different mechanical loads is achieved if, as is provided in particularly preferred configurations, stress decoupling of a coil structure within the sensor head is carried out. In particular, the coils are connected to a housing or the like via an elastic connection connected. This can be achieved, for example, with a stress decoupling PCB. In particular, a circuit board with elastic
Verbindungsbrücken zwischen einem Befestigungsbereich und einem Connecting bridges between a fastening area and a
Spulenbefestigungsbereich versehen. Die wenigstens eine Spule kann man so auf die Stressentkopplungs-PCB auflöten und damit in einem Gehäuse aufhängen. Provide coil mounting area. The at least one coil can be soldered onto the stress decoupling PCB and thus suspended in a housing.
Vorzugsweise wird mechanischer Stress von außen über wenigstens eine Feder abgefangen und kann so in der Spule nicht zu einer Offsetverschiebung führen. Mechanical stress is preferably absorbed from the outside by means of at least one spring and thus cannot lead to an offset shift in the coil.
Vorzugsweise sind die Spulen als Planarspulen ausgeführt. Die The coils are preferably designed as planar coils. The
Belastungsmessvorrichtung ist insbesondere als Drehmomentsensor oder Load measuring device is in particular as a torque sensor or
Kraftsensor ausgeführt. Force sensor executed.
Insbesondere sind die Planarspulen für den Einsatz bei Drehmomentsensoren und Kraftsensoren in ein FR4 eingelassene Induktivitäten. Bisher werden die In particular, the planar coils for use with torque sensors and force sensors are inductors embedded in an FR4. So far the
Induktivitäten durch den Einsatz eines Ferrits verstärkt. Die Planarspulen sind im Produkt Teil des gesamten Sensors und integriert in den Aufbau und in die Inductors reinforced by the use of a ferrite. The planar coils are part of the entire sensor in the product and integrated in the structure and in the
Verbindungstechnik. Hierzu sind die Planarspulen in irgendeiner Form mit dem Gehäuse verankert, um gegenüber Vibration, Schock und anderen Einflüssen auf den Sensor beständig zu sein. Connection technology. For this purpose, the planar coils are anchored in some form to the housing in order to be resistant to vibration, shock and other influences on the sensor.
Bisher bestand das Problem, dass durch mechanischen oder thermischen Stress auf das Planarspulenpaket oder die Lötstellen des Planarspulenpaketes sich die elektrischen Eigenschaften der Planarspulen verändern und damit eine So far, there has been the problem that mechanical or thermal stress on the planar coil package or the soldering points of the planar coil package changes the electrical properties of the planar coils and thus one
Signalveränderung eintritt. Signal change occurs.
Diese Signalveränderung kann Offset-reversibel oder nicht reversibel mit dem mechanischen oder thermischen Stress auftauchen und verursacht dadurch ein gewisses Fehlerbudget. This signal change can occur in an offset-reversible or non-reversible manner with the mechanical or thermal stress and thereby causes a certain error budget.
Durch eine geeignete Stressentkopplung wie zum Beispiel einen als Feder ausgestalteten Träger-PCB können die Planarspulen stressentkoppelt in einen Sensor integriert werden. Beispielsweise ist eine Trägerleiterplatte mit vier Federaufhängungen vorgesehen. Tests haben gezeigt, dass eine Reduktion auf zwei Federaufhängungen die Stressentkopplung deutlich verbessert. Über die Breite der Federbeine kann man die Steifigkeit der Trägerplatine einstellen. By means of a suitable stress decoupling such as a carrier PCB designed as a spring, the planar coils can be integrated into a sensor in a stress-decoupled manner. For example, a carrier circuit board with four spring suspensions is provided. Tests have shown that a reduction to two spring suspensions significantly improves stress decoupling. The stiffness of the carrier board can be adjusted via the width of the spring struts.
Ein Ausführungsbeispiel wird im Folgenden anhand der beigefügten Zeichnungen näher erläutert. Darin zeigt: An exemplary embodiment is explained in more detail below with reference to the accompanying drawings. It shows:
Fig. 1 eine perspektivische Explosionsdarstellung einer Ausführungsform einer Belastungsmessvorrichtung in Form eines Drehmomentsensors; Figure 1 is an exploded perspective view of an embodiment of a load measuring device in the form of a torque sensor.
Fig. 2 eine perspektivische Ansicht der Belastungsmessvorrichtung von Fig. 2 is a perspective view of the load measuring device of FIG.
2;  2;
Fig. 3 eine Draufsicht auf die Belastungsmessvorrichtung; 3 shows a plan view of the load measuring device;
Fig. 4 einen Schnitt entlang der Linie A-A von Fig. 3; Figure 4 is a section on the line A-A of Figure 3;
Fig. 5 eine Seitenansicht der Belastungsmessvorrichtung. Fig. 5 is a side view of the load measuring device.
In den beigefügten Figuren ist eine Ausführungsform einer In the accompanying figures one embodiment is one
Belastungsmessvorrichtung 10 zum Messen einer Belastung an einem nicht näher dargestellten Testobjekt gezeigt. Die Belastungsmessvorrichtung 10 ist Load measuring device 10 is shown for measuring a load on a test object, not shown. The load measuring device 10 is
beispielsweise als Drehmomentsensor 12 zum Messen eines Drehmoments an einem sich drehenden Testobjekt wie beispielsweise einer Welle ausgebildet. Die Belastungsmessvorrichtung 10 könnte zum Beispiel auch als Kraftsensor ausgebildet sein. For example, designed as a torque sensor 12 for measuring a torque on a rotating test object such as a shaft. The load measuring device 10 could, for example, also be designed as a force sensor.
Die Belastungsmessvorrichtung 10 ist zum Messen einer Belastung an einem ferromagnetischen Testobjekt mit magnetischen Messverfahren ausgebildet. The load measuring device 10 is designed to measure a load on a ferromagnetic test object using magnetic measuring methods.
Insbesondere ist die Belastungsmessvorrichtung 10 als magnetoelastischer oder Invers-magnetostriktiver Sensor ausgebildet. Die ferromagnetischen Materialien des Testobjektes ändern ihre Permeabilität unter Einfluss von Zug- oder In particular, the load measuring device 10 is designed as a magnetoelastic or inverse magnetostrictive sensor. The ferromagnetic materials of the test object change their permeability under the influence of tensile or
Druckspannungen - auch Villari-Effekt genannt. Hierzu ist die Belastungsmessvorrichtung 10 dazu ausgebildet, aktiv ein Compression stresses - also called the Villari effect. For this purpose, the load measuring device 10 is designed to be active
Magnetfeld an dem Testobjekt zu erzeugen und dann Veränderungen an dem Magnetfeld aufgrund einer Belastung zu messen. Generate a magnetic field on the test object and then measure changes in the magnetic field due to a load.
Hierzu weist die Belastungsmessvorrichtung 10 einen in einem Gehäuse 14 aufgenommenen Sensorkopf 16 auf. Weiter weist die Belastungsmessvorrichtung 10 eine Magnetfelderzeugungseinrichtung 18, eine erste For this purpose, the load measuring device 10 has a sensor head 16 accommodated in a housing 14. Furthermore, the load measuring device 10 has a magnetic field generating device 18, a first one
Magnetfelderfassungseinrichtung 20 und eine zweite Magnetic field detection device 20 and a second
Magnetfelderfassungseinrichtung 22 auf. Magnetic field detection device 22.
Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 ist zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt ausgebildet. Die Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 weist eine Magnetfelderzeugungsspule 24 - auch Generatorspule genannt - in dem The magnetic field generating device 18 is designed to generate a magnetic field in the test object. The magnetic field generating device 18 has a magnetic field generating coil 24 - also called a generator coil - in the
Sensorkopf 16 und einer Stromquelle 26 zum Beaufschlagen der Sensor head 16 and a power source 26 for loading the
Magnetfelderzeugungsspule 24 mit einem sich periodisch verändernden Strom auf. Magnetic field generating coil 24 with a periodically changing current.
Die Stromquelle 26 kann in dem Drehmomentsensor 12, insbesondere in dem Gehäuse 14 angeordnet sein. Insbesondere kann die Stromquelle 26 als elektronisches Bauteil auf einer Elektronikeinheit 28 angeordnet sein. Bei anderen Ausgestaltungen ist die Stromquelle 26 extern vorgesehen, zum Beispiel als Wechselstromquelle. Die Stromquelle 26 ist dazu ausgebildet, die The current source 26 can be arranged in the torque sensor 12, in particular in the housing 14. In particular, the current source 26 can be arranged as an electronic component on an electronics unit 28. In other configurations, the current source 26 is provided externally, for example as an alternating current source. The current source 26 is designed to
Magnetfelderzeugungsspule 24 mit einem sich bei einer Frequenz von größer 50 kHz, mehr insbesondere mit einer Frequenz von 80 kHz-120 kHz zu versorgen. Magnetic field generating coil 24 with a frequency of greater than 50 kHz, more particularly with a frequency of 80 kHz-120 kHz.
Die erste Magnetfelderfassungseinrichtung 20 ist zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden ersten The first magnetic field detection device 20 is for detecting a first one that changes due to a load in the test object
Magnetfeldparameters ausgebildet und kann ein erstes Magnetic field parameters formed and can be a first
Magnetfeldparametersignal erzeugen, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Messfelds periodisch ändert und das von der Spannung in dem Testobjekt abhängt. Die erste Magnetfelderfassungseinrichtung 20 weist wenigstens eine erste Magnetfelderfassungsspule 30 auf. Auch die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung 22 ist zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden Magnetfeldparameters - zweiter Magnetfeldparameter - ausgebildet. Es erzeugt aufgrund dessen ein zweites Magnetfeldparametersignal, welches sich ebenfalls aufgrund des periodisch erzeugten Messfelds periodisch ändert. Die zweite Generate magnetic field parameter signal that changes periodically due to the periodically generated measuring field and that depends on the voltage in the test object. The first magnetic field detection device 20 has at least one first magnetic field detection coil 30. The second magnetic field detection device 22 is also designed to detect a magnetic field parameter - second magnetic field parameter - which changes due to a load in the test object. Because of this, it generates a second magnetic field parameter signal, which also changes periodically due to the periodically generated measuring field. The second
Magnetfelderfassungseinrichtung weist wenigstens eine zweite Magnetic field detection device has at least a second
Magnetfelderfassungsspule 32 auf. Magnetic field detection coil 32.
Der erste und der zweite Magnetfeldparameter können z. B. Feldstärken in unterschiedlichen Richtungen sein. The first and second magnetic field parameters can e.g. B. field strengths in different directions.
Die unterschiedlichen Spulen 24, 30, 32 sind als Planarspulen 34 gemeinsam in einem Spulenbauelement 36 untergebracht, welches gemeinsam die The different coils 24, 30, 32 are housed together as planar coils 34 in a coil component 36, which together
Magnetfelderzeugungsspule 24 sowie die Magnetfelderfassungsspule 30, 32 beherbergt. Magnetic field generating coil 24 and the magnetic field detection coil 30, 32 houses.
Die Anordnung der Spulen 24, 30, 32 kann V-förmig sein, wobei eine gedachte Verbindungslinie zwischen der Magnetfelderzeugungsspule 24 und der ersten Magnetfelderfassungsspule 30 sich mit einer zweiten gedachten Verbindungslinie zwischen der Magnetfelderzeugungsspule 24 und der zweiten The arrangement of the coils 24, 30, 32 can be V-shaped, with an imaginary connecting line between the magnetic field generating coil 24 and the first magnetic field detection coil 30 coinciding with a second imaginary connecting line between the magnetic field generating coil 24 and the second
Magnetfelderfassungsspule 32 in einem Winkel zwischen 10° und 170°, vorzugsweise zwischen 60° und 120°, mehr insbesondere zwischen 80° und 100° und besonders bevorzugt mit einem Winkel von 90° kreuzt. Magnetic field detection coil 32 crosses at an angle between 10 ° and 170 °, preferably between 60 ° and 120 °, more particularly between 80 ° and 100 ° and particularly preferably at an angle of 90 °.
Bei der dargestellten Ausführungsform sind zwei erste In the illustrated embodiment, two are first
Magnetfelderfassungsspulen 30 und zwei zweite Magnetfelderfassungsspulen 32 vorgesehen, die eine X-Anordnung mit der Magnetfelderzeugungsspule 24 in der Mitte vorgesehen sind.  Magnetic field detection coils 30 and two second magnetic field detection coils 32 are provided, which are provided in an X arrangement with the magnetic field generating coil 24 in the middle.
Es wird für weitere Einzelheiten zu dieser Anordnung auf den eingangs erwähnten Stand der Technik zu den Dokumenten D1-D7 verwiesen. For further details on this arrangement, reference is made to the prior art mentioned at the beginning of documents D1-D7.
Das Spulenbauelement 36 weist keinen Magnetflussverstärker auf. Insbesondere ist der gesamte Sensorkopf 16 flussverstärkerfrei, ohne Ferrite oder sonstige weichmagnetischen Materialien zur Flussverstärkung für die Spulen 24, 30, 32, vorgesehen. The coil component 36 has no magnetic flux amplifier. In particular, the entire sensor head 16 is free of flux amplifiers, without ferrites or others soft magnetic materials for flux reinforcement for the coils 24, 30, 32, provided.
Die Planarspulen 34 sind lediglich in ein geeignetes Matrixmaterial 38 The planar coils 34 are only in a suitable matrix material 38
eingegossen und so zu dem Spulenbauelement 36 geformt. Die Herstellung des Spulenbauelements erfolgt in Leiterplattentechnik. poured and so formed into the coil component 36. The coil component is manufactured using printed circuit board technology.
Die unterschiedlichen Spulen 24, 30, 32 des Sensorkopfes 16 sind über wenigstens über eine elastische Verbindung 40 und/oder über ein Federelement 42 oder über eine Feder mit dem Gehäuse 14 verbunden. The different coils 24, 30, 32 of the sensor head 16 are connected to the housing 14 via at least one elastic connection 40 and / or via a spring element 42 or via a spring.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist ein Träger 44 vorgesehen, der einen Trägerbefestigungsbereich 46 zum Befestigen des Trägers 44 an dem Gehäuse, einen Spulenbefestigungsbereich 48 zum Befestigen einer oder mehrerer der Spulen 24, 30, 32 und wenigstens eine elastische In the exemplary embodiment shown, a carrier 44 is provided, which has a carrier fastening region 46 for fastening the carrier 44 to the housing, a coil fastening region 48 for fastening one or more of the coils 24, 30, 32 and at least one elastic one
Verbindungsbrücke 50 zum Bilden des Federelements 42 und der elastischen Verbindung aufweist. Der Spulenbefestigungsbereich 48 ist über die wenigstens eine elastische Verbindungsbrücke 50 mit dem Trägerbefestigungsbereich 46 verbunden. Connecting bridge 50 for forming the spring element 42 and the elastic connection. The coil fastening area 48 is connected to the carrier fastening area 46 via the at least one elastic connecting bridge 50.
In besonders bevorzugter Ausgestaltung ist der Träger 44 in Form einer In a particularly preferred embodiment, the carrier 44 is in the form of a
Leiterplatte 52 ausgebildet, wobei elektrische Verbindungspfade über die Printed circuit board 52, with electrical connection paths via the
Verbindungsbrücken 50 geführt sind, um die Spulen elektrisch anzuschließen. Connection bridges 50 are guided to electrically connect the coils.
Der Trägerbefestigungsbereich 46 liegt ringförmig oder bereichsweise um den zentral angeordneten Spulenbefestigungsbereich 48 herum. Vorzugsweise ist das Spulenbauelement 36 an dem Spulenbefestigungsbereich 48 angelötet. The carrier attachment area 46 lies in a ring or in regions around the centrally arranged coil attachment area 48. The coil component 36 is preferably soldered to the coil mounting area 48.
Die Steife des Federelements 42 und die Federeigenschaften der elastischen Verbindung 40 lassen sich über die Breite der Verbindungsbrücke 50 und/oder deren Länge einstellen. The stiffness of the spring element 42 and the spring properties of the elastic connection 40 can be adjusted via the width of the connecting bridge 50 and / or its length.
Es können zwischen dem Trägerbefestigungsbereich 46 und dem There may be between the bracket mounting area 46 and the
Spulenbefestigungsbereich 48 mehrere elastische Verbindungsbrücken 50 vorgesehen sein, beispielsweise sind zwei, drei oder vier Verbindungsbrücken vorgesehen. Coil attachment area 48 a plurality of elastic connecting bridges 50 be provided, for example two, three or four connecting bridges are provided.
Das Gehäuse 14 weist eine Grundplatte 54 mit einer Öffnung für eine elektrische Steckverbindung 56 und einen Ringgehäusebereich 58 und in der dargestellten Ausführungsform noch einen Deckel 60 auf. Bis auf den Deckel 60 sind für das Gehäuse 14 elektrisch und/oder magnetisch abschirmende Materialien The housing 14 has a base plate 54 with an opening for an electrical plug-in connection 56 and an annular housing region 58 and, in the embodiment shown, also a cover 60. Except for the cover 60, there are electrically and / or magnetically shielding materials for the housing 14
vorgesehen. So kann die Einstreuung von Magnetfeldern von außen vermieden werden, um Störeffekte zu vermeiden. Der Deckel 60 ist dazu ausgebildet, den Sensorkopf 16 vor Umwelteinflüssen zu schützen und besteht aus einem Material, welches Magnetfelder gut zu dem Testobjekt durchleiten lässt. Beispielsweise ist ein Kunststoffmaterial für den Deckel 60 vorgesehen. intended. In this way, the interference of magnetic fields from the outside can be avoided in order to avoid interference. The cover 60 is designed to protect the sensor head 16 from environmental influences and is made of a material which allows magnetic fields to be conducted well to the test object. For example, a plastic material is provided for the cover 60.
Mit der Belastungsmessvorrichtung 10 lässt sich das im Folgenden näher dargestellte Belastungsmessverfahren durchführen. With the load measuring device 10, the load measuring method described in more detail below can be carried out.
Die Belastungsmessvorrichtung wird mit dem Deckel 60 hin zu dem Testobjekt (nicht dargestellt) angeordnet und an dem Testobjekt fixiert. Wie oben erläutert, kann das Testobjekt beispielsweise eine drehende Welle aus ferromagnetischen Materialien sein. The load measuring device is arranged with the cover 60 towards the test object (not shown) and fixed to the test object. As explained above, the test object can be, for example, a rotating shaft made of ferromagnetic materials.
Mittels der Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 wird durch Beaufschlagung der Magnetfelderzeugungsspule mit dem Strom im Bereich von 80-120 kHz ein Magnetfeld erzeugt und in das Testobjekt eingeleitet. By means of the magnetic field generating device 18, a magnetic field is generated in the range of 80-120 kHz by applying the current to the magnetic field generating coil and introduced into the test object.
Mittels der ersten Magneterfassungseinrichtung 20 und der zweiten By means of the first magnetic detection device 20 and the second
Magnetfelderfassungseinrichtung 22 werden zum Beispiel Richtungsänderungen des auferlegten Magnetfeldes aufgrund von Belastungen in dem Testobjekt gemessen. Die entsprechenden Signale der Magnetfelderfassungseinrichtung 20, 22 können zum Beispiel aus Signalen A1 und A2 von zwei ersten Magnetic field detection device 22, for example, changes the direction of the applied magnetic field due to loads in the test object. The corresponding signals of the magnetic field detection device 20, 22 can for example consist of signals A1 and A2 from two first
Magnetfelderfassungsspulen 30 und Signalen B1 und B2 von zwei zweiten Magnetfelderfassungsspulen 32 bestehen. In einer Auswerteeinrichtung 62, die ebenfalls in der Elektronikeinheit 28 untergebracht sein kann, kann damit ein die Belastung anzeigendes Messsignal erzeugt werden. Ein Beispiel für die entsprechende Erzeugung ist in der Magnetic field detection coils 30 and signals B1 and B2 from two second magnetic field detection coils 32 exist. A measurement signal indicating the load can thus be generated in an evaluation device 62, which can also be accommodated in the electronics unit 28. An example of the corresponding generation is in the
Literaturstelle D7 sowie in der Internationalen Patentanmeldung Literature D7 and in the international patent application
PCT/EP2018/065405 und der deutschen Patentanmeldung DE 10 2017 112 913.8 beschrieben. Ein Beispiel für das Testobjekt ist in der DE 10 2018 115 008.3 beschrieben. Beispiele für Membrane eines Drucksensors ausgebildete PCT / EP2018 / 065405 and the German patent application DE 10 2017 112 913.8. An example of the test object is described in DE 10 2018 115 008.3. Examples of membrane of a pressure sensor trained
Testobjekte sind in der DE 10 2017 104 547.3 beschrieben. Test objects are described in DE 10 2017 104 547.3.
Bezugszeichenliste: LIST OF REFERENCE NUMBERS
10 Belastungsmessvorrichtung  10 load measuring device
12 Drehmomentsensor  12 torque sensor
14 Gehäuse  14 housing
16 Sensorkopf  16 sensor head
18 Magnetfelderzeugungseinrichtung 18 magnetic field generating device
20 erste Magnetfelderfassungseinrichtung20 first magnetic field detection device
22 zweite Magnetfelderfassungseinrichtung22 second magnetic field detection device
24 Magnetfelderzeugungsspule 24 magnetic field generating coil
26 Stromquelle  26 power source
28 Elektronikeinheit  28 electronics unit
30 erste Magnetfelderfassungsspule 30 first magnetic field detection coil
32 zweite Magnetfelderfassungsspule32 second magnetic field detection coil
34 Planarspule 34 planar coil
36 Spulenbauelement  36 coil component
38 Matrixmaterial  38 matrix material
40 elastische Verbindung  40 elastic connection
42 Federelement  42 spring element
44 Träger  44 carriers
46 Trägerbefestigungsbereich  46 Beam attachment area
48 Spulenbefestigungsbereich  48 Coil attachment area
50 elastische Verbindungsbrücke  50 elastic connecting bridge
52 Leiterplatte  52 printed circuit board
54 Grundplatte  54 base plate
56 elektrische Steckverbindung  56 electrical connector
58 Ringgehäusebereich  58 ring housing area
60 Deckel  60 lids
62 Auswerteeinrichtung  62 evaluation device

Claims

Ansprüche: Expectations:
1. Belastungsmessvorrichtung (10) zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, mit: 1. Load measuring device (10) for measuring a load in a test object, with:
einem Sensorkopf (16), a sensor head (16),
einer Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) zum Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt, wobei die Magnetfelderzeugungseinrichtung (18) wenigstens eine Magnetfelderzeugungsspule (24, 30, 32) in dem Sensorkopf (16) und eine a magnetic field generating device (18) for generating a magnetic field in the test object, the magnetic field generating device (18) at least one magnetic field generating coil (24, 30, 32) in the sensor head (16) and one
Stromquelle (26) zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule (24, 30, 32) mit einem periodisch wechselnden Strom aufweist, Current source (26) for supplying the magnetic field generating coil (24, 30, 32) with a periodically changing current,
einer ersten Magnetfelderfassungseinrichtung (18) zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden ersten a first magnetic field detection device (18) for detecting a first one that changes due to a load in the test object
Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines ersten Magnetic field parameters and to generate a first
Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetic field parameter signal, which is generated due to the periodic
Messfelds periodisch ändert, wobei die erste Magnetfelderfassungseinrichtung (18) wenigstens eine erste Magnetfelderfassungsspule (30) in dem Sensorkopf (16) aufweist, The measuring field changes periodically, the first magnetic field detection device (18) having at least one first magnetic field detection coil (30) in the sensor head (16),
einer zweiten Magnetfelderfassungseinrichtung (22) zum Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden zweiten a second magnetic field detection device (22) for detecting a second one that changes due to a load in the test object
Magnetfeldparameters und zum Erzeugen eines zweiten Magnetic field parameters and to generate a second
Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetic field parameter signal, which is generated due to the periodic
Messfelds periodisch ändert, wobei die zweite Magnetfelderfassungseinrichtung (22) wenigstens eine zweite Magnetfelderfassungsspule (32) in dem Sensorkopf (16) aufweist, und Measuring field changes periodically, wherein the second magnetic field detection device (22) has at least a second magnetic field detection coil (32) in the sensor head (16), and
einer Auswerteeinrichtung (62) zum Erzeugen eines Messsignals aus dem ersten und dem zweiten Magnetfeldparametersignal, an evaluation device (62) for generating a measurement signal from the first and the second magnetic field parameter signal,
wobei der Sensorkopf (16) flussverstärkerfrei ohne Magnetflussverstärker für die darin angeordneten Spulen ausgebildet ist und wobei die Stromquelle (26) zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule (24, 30, 32) mit einem periodisch mit einer Frequenz von größer 50 kHz wechselnden Strom ausgebildet ist. wherein the sensor head (16) is designed without a flux amplifier and without a magnetic flux amplifier for the coils arranged therein, and wherein the current source (26) is designed to supply the magnetic field generating coil (24, 30, 32) with a current which changes periodically at a frequency of greater than 50 kHz.
2. Belastungsmessvorrichtung (10) nach Anspruch 1 , 2. load measuring device (10) according to claim 1,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Stromquelle (26) zum Versorgen der Magnetfelderzeugungsspule (24,that the current source (26) for supplying the magnetic field generating coil (24,
30, 32) mit Strom bei einer Frequenz von 80kHz bis 120 kHz ausgebildet ist. 30, 32) with current at a frequency of 80 kHz to 120 kHz.
3. Belastungsmessvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden 3. Load measuring device (10) according to one of the preceding
Ansprüche, Expectations,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Magnetfelderzeugungsspule (24, 30, 32) und die that the magnetic field generating coil (24, 30, 32) and the
Magnetfelderfassungsspulen (24, 30, 32) in einer V-Anordnung oder einer X- Anordnung in dem Sensorkopf (16) vorgesehen sind. Magnetic field detection coils (24, 30, 32) are provided in a V arrangement or an X arrangement in the sensor head (16).
4. Belastungsmessvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden 4. Load measuring device (10) according to one of the preceding
Ansprüche, Expectations,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Spulen des Sensorkopfes (16) in einem Spulenbauelement (36) mit einer Anordnung von Planarspulenpaketen in Leiterplattentechnik angeordnet sind. that the coils of the sensor head (16) are arranged in a coil component (36) with an arrangement of planar coil packages in printed circuit board technology.
5. Belastungsmessvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden 5. Load measuring device (10) according to one of the preceding
Ansprüche, Expectations,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass eine Spulenanordnung des Sensorkopfes (16) kein Ferrit und kein that a coil arrangement of the sensor head (16) no ferrite and no
Magnetjoch aufweisen. Have magnetic yoke.
6. Belastungsmessvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden 6. Load measuring device (10) according to one of the preceding
Ansprüche, Expectations,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass der Sensorkopf (16) ein Gehäuse (14) aufweist, das die Spulen in that the sensor head (16) has a housing (14) which the coils in
Umfangsrichtung umgibt, wobei Surrounds circumferential direction, wherein
6.1 das Gehäuse (14) aus oder mit einem ferromagnetischen Material gebildet ist und/oder 6.1 the housing (14) is formed from or with a ferromagnetic material and / or
6.2 das Gehäuse (14) aus einem elektrisch leitfähigen Material, welches eine Eindringen von hochfrequenten elektrischen Feldern verhindert, und/oder  6.2 the housing (14) made of an electrically conductive material, which prevents the penetration of high-frequency electrical fields, and / or
6.3 das Gehäuse (14) innen und/oder außen mit einer Schirmung zum  6.3 the housing (14) inside and / or outside with a shield for
Abschirmen hochfrequenter elektrischer Felder versehen ist. Shielding high-frequency electrical fields is provided.
7. Belastungsmessvorrichtung (10) nach einem der voranstehenden 7. Load measuring device (10) according to one of the preceding
Ansprüche, Expectations,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Spulen des Sensorkopfes (16) mittels einer elastischen Verbindung in dem Sensorkopf (16) und/oder in einem Gehäuse (14) der that the coils of the sensor head (16) by means of an elastic connection in the sensor head (16) and / or in a housing (14)
Belastungsmessvorrichtung (10) gehalten sind. Load measuring device (10) are held.
8. Belastungsmessvorrichtung (10) nach Anspruch 7, 8. load measuring device (10) according to claim 7,
dadurch gekennzeichnet, characterized,
dass die Spulen mittels eines Trägers (44) gehalten sind, welcher einen that the coils are held by a carrier (44) which one
Trägerbefestigungsbereich (46) zum Befestigen des Trägers (44) in dem Carrier fastening area (46) for fastening the carrier (44) in the
Sensorkopf (16), einen Spulenbefestigungsbereich (48), an dem die Spulen befestigt sind und mehrere Federelemente (42) und/oder elastische Sensor head (16), a coil attachment area (48) to which the coils are attached and several spring elements (42) and / or elastic
Verbindungsbrücken (50) zwischen dem Trägerbefestigungsbereich (46) und dem Spulenbefestigungsbereich (48) aufweist. Has connecting bridges (50) between the carrier mounting area (46) and the coil mounting area (48).
9. Belastungsmessvorrichtung (10) nach Anspruch 8, 9. load measuring device (10) according to claim 8,
gekennzeichnet durch eines oder mehrere der Merkmale, characterized by one or more of the characteristics,
9.1 dass der Träger (44) als Leiterplatte (52) ausgebildet ist, auf der wenigstens ein Spulenbauelement (36) mit einer, mehreren oder allen der Spulen aufgelötet sind;  9.1 that the carrier (44) is designed as a printed circuit board (52) on which at least one coil component (36) is soldered to one, several or all of the coils;
9.2 dass der Spulenbefestigungsbereich (48) ein zentraler Bereich ist, der von dem Trägerbefestigungsbereich (46) umgeben ist;  9.2 that the coil mounting area (48) is a central area surrounded by the carrier mounting area (46);
9.3 dass die elastischen Verbindungsbrücken (50) elektrische Leitungspfade aufweisen. 9.3 that the elastic connecting bridges (50) have electrical conduction paths.
10. Belastungsmessverfahren (10) zum Messen einer Belastung in einem Testobjekt, mit: 10. Load measurement method (10) for measuring a load in a test object, with:
Erzeugen eines Magnetfelds in dem Testobjekt durch Versorgen einer  Generate a magnetic field in the test object by supplying one
flussverstärkerfreien Magnetfelderzeugungsspule (24, 30, 32) mit einem flux amplifier-free magnetic field generating coil (24, 30, 32) with a
periodisch mit einer Frequenz von größer 50 kHz wechselnden Strom, periodically changing current with a frequency greater than 50 kHz,
Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden ersten Magnetfeldparameters und Erzeugen eines ersten Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Messfelds periodisch ändert, mittels wenigstens einer ersten flussverstärkerfreien Magnetfelderfassungsspule (24, 30, 32),  Detecting a first magnetic field parameter that changes due to a load in the test object and generating a first magnetic field parameter signal that changes periodically due to the periodically generated measuring field by means of at least one first magnetic field detection coil (24, 30, 32) that is free of flux amplifiers,
Erfassen eines sich aufgrund einer Belastung in dem Testobjekt ändernden zweiten Magnetfeldparameters und Erzeugen eines zweiten  Detecting a second magnetic field parameter that changes due to a load in the test object and generating a second one
Magnetfeldparametersignals, das sich aufgrund des periodisch erzeugten Magnetic field parameter signal, which is generated due to the periodic
Messfelds periodisch ändert, mittels einer zweiten flussverstärkerfreien Measuring field changes periodically, using a second flux amplifier-free
Magnetfelderfassungsspule (24, 30, 32), und Magnetic field detection coil (24, 30, 32), and
Erzeugen eines Messsignals aus dem ersten und dem zweiten Generating a measurement signal from the first and the second
Magnetfeldparametersignal. Magnetic parameter signal.
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