DE1961281B2

DE1961281B2 - Magnetoelastischer geber zum messen mechanischer kraefte

Info

Publication number: DE1961281B2
Application number: DE19691961281
Authority: DE
Inventors: Orvar Västeraas Dahle (Schweden)
Original assignee: Allmänna Svenska Elektriska AB, Västeraas (Schweden)
Priority date: 1968-12-09
Filing date: 1969-12-06
Publication date: 1972-03-02
Also published as: FR2025647A1; BE742107A; SU674693A3; CH512735A; GB1238611A; DE1961281A1; SE326843B; NL6917941A; AT290886B; US3782187A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf einen magnetoelastischen Geber zum Messen mechanischer Kräfte, der aus einem laminierten Kern aus magnetostriktivem Blech mit rohrförmigen Kanälen besteht, in denen Magnetisierungs- und Meßwicklungen angeordnet sind.

Ein bekannter magnetoelastischer Kraftgeber besteht aus einem kraftaufnehmenden Magnetkern, aus magnetostriktiven Blechen und aus Magnetisierungsund Meßwicklungen, die in r< hrförmigen Kanälen des Kerns verlegt sind (deutsche Patentschrift 955 272). Das magnetostriktive B.-chmaterial besteht gewöhnlich aus warm- oder kaltgewalztem Elektroblech, das weich geglüht wurde, um bestmögliche magnetische Eigenschaften zu erzielen. Bei aus solchem Material hergestellten magnetoelastischen Kraftgebern erhält man immer einen mehr oder weniger nichtlinearen Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Kraft, was für eine Kraftrichtung eine einfach oder doppelt gekrümmte Kurve sein kann, abhängig von Magnetisierungsstrom und sekundärer Belastungsimpedanz. Um einen Kraftgeber mit annehmbarer Linearität zwischen den genannten Größen zu erhalten, muß der Meßbereich stark begrenzt werden. Das hat den Nachteil, daß die Oberfläche des Gebers um ein Vielfaches größer gemacht werden muß, als es aus Dauerfestigkeitsgesichtspunkten erforderlich ist, und daß trotzdem die erreichbare Linearität innerhalb des reduzierten Meßbereiches nur eine angenäherte ist.

Die Aufgabe der Erfindung ist, den eingangs beschriebenen und bekannten Geber so auszubilden, daß er einen großen Meßbereich und ein lineares Verhältnis zwischen Kraft und Ausgangssignal erhält, und zwar auf Grund einer praktisch angeordneten Zusammenlagerung von Elementarteilen mit verschiedener mechanischer Vorspannung.

Gemäß der Erfindung ist der beschriebene Geber so ausgebildet, daß das magnetostriktive Blech durch an sich bekannte Vorbehandlung bleibende mechanische Eigenspannungen aufweist und der Durchschnittswert der Absolutwerte der Eigenspannungen in der magnetoelastisch wirksamen Zone des Gebers mindestens die Größe der in dieser Zone von der Nennlast verursachten Beanspruchung aufweist.

Die Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung erläutert, in dieser zeigt

Fig. I ein Prinzipbild eines magnetoelastischen K/ibers und

F i g. 2, 3 und 4 für einige verschiedene Anwendungsbeispiele die Ausgangsspannung U des Gebers als Funktion der auf den Geber wirkenden Kraft F.

Der Geber gemäß Fi g. 1 besteht aus einem Kern I aus magnetostriktivem Blechmaterial. Der Kern hut vier Löcher 2, 3, 4 und 5. Die Löcher 2 und 3 nehmen eine Wicklung 6 auf, die an einer Wechselspannungsquelle 8 angeschlossen ist. Der Strom in der Wicklung 6 erzeugt in dem Kern einen magnetischen Fluß um die Löcher. Eine zweite Wicklung 7 in den Löchern 4 und 5 ist an einem Meßgerät 9 angeschlossen. Wenn der Kern 1 von mechanischen Kräften unbeeinflußt ist, ist der Fluß in dem Gebiet um und zwischen den Löchern symmetrisch, so daß keine Spannung in der Wicklung 7 induziert wird. Wenn der Kern einer mechanischen Kraftbeanspruchung ausgesetzt wird, wird der Fluß verzerrt und eine Spannung in der Wicklung 7 induziert, so daß das Meßgerät 9 ausschlägt. Das Gebiet um die Löcher herum und zwischen den Löchern ist die sogenannte Meßzone.

F i g. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Ausgangsspannung und Kraft bei einem solchen Geber, es ist eine für jede Kraftrichtung einfach gekrümmte Kurve 10. Fig. 3 zeigt eine aus geraden Linien zusammengesetzte Kurve II, die eine Annäherung an die Kurve 10 ist. Fig. 4 zeigt ein Kurvenbündel, in dem die einzelnen Kurven dieselbe Form haben wie in Fi g. 3, bei denen aber die Nullpunkte gleichmäßic zwischen -F₁ und -rt\ verteilt sind. Physikalisch entspricht dies z. B. einem Geber, dessen einzelne Bleche verschiedene Zug- und Druckvorspannungen haben. Die zusammengesetzte Kurve 12 für einen solchen Geber, die man durch einfaches Summieren der Teilkurven erhält, ist in F i g. 4 mit einer kräftig gezeichneten Kurve wiedergegeben. Das völlig lineare Gebiet ist in diesem Fall beinahe doppelt so groß wie das einer Elementarkurve und hat eine Empfindlichkeit, die zwischen den Empfindlichkeiten der steilen und flachen Teile der Elementarkurve liegt. Obwohl man hier die Elementarkurve zu einer Kurve mit scharfen Knickpunkten vereinfacht hat. bekommt die Summenkurve sehr weiche Übergänge zwischen dem völlig linearen Gebiet in der Mitte und den linearen Außenteilen mit derselben Empfindlichkeit wie die flachen Teile der Elementarkurve.

Herstellungsmäßig wäre es allzu kompliziert, die verschiedenen Blechelemente bei demZusammensetzen des Blechpaketes zu einem Geber mit statistisch verteilten Zug- und Druckspannungen zu versehen. Gemäß der Erfindung erreicht man dieselbe Linearität der Kurve innerhalb jedes Blechelementes, indem man dem Blech mittels geeigneter Behandlung Eigenspannungen gibt, die bezüglich Größe, Vorzeichen und Richtung statistisch über das Volumen des Bleches oder jedenfalls über die für die Messung aus magnetoelastischen Gesichtspunkten interessanten Teil des Bleches variieren, d. h. über die Teile des Bleches, in denen die magnetische Flußdichte groß ist.

Die Eigenspannungen werden gewöhnlich in drei verschiedene Gruppen eingeteilt:

1. Eigenspannungen 1. Art, die über gewisse, relativ große Bereiche eines Körpers ziemlich einheitlich sein können, aber ganz verschieden in verschiedenen Teilen eines Körpers. Solche Spannungsunterschiede kommen z. B. bei einem

plastisch gebogenen Blech in QuerschniUsrich- von I '!'^^^^^^η^ΤΐΖ tung vor und in ^¥1 " ~~ .-»«-.«

walztem Blech.

den S^ ^ _{KallverfQrmuri}g ist p

2. Eigenspannungen 2. Art, die hauptsächlich zwi- ₅ p_e|_inung des Materials gemeint, ausgedruckt ai» sehen verschiedenen Kristalliten vorhanden sind relative Verlängerung, die die Kaltbearbeitung hei und z. B. bei Kaltbearbeitung auftreten, da die einem weichgeglühten Material verursacht. Zugfestigkeit in den verschiedenen Kristall- _Die Kaltbearbeitung des weichgeglühten Materials richtungen und infolgedessen in benachbarten j._ann durch Walzen, wiederholtes Biegen in einem Kristalliten verschieden ist. Derartige Span- _J0 Rj_cntWerk oder durch Ziehen erfolgen. Die letztnungsverteilungen kann man z. B. beim Härten Benannte Methode kann entweder allein oder zuvon Stahl im Zusammenhang mit der Martensit- sammen mit Walzen oder Richten angewandt werden, bildung erhalten. Andere mögliche Kaltbearbeitungsmethoden sind

3. Eigenspannungen 3.An sind solche von Santon^h^

submikroskopischer Größe wie z.B. Fehler- *5 hurihmg ^^",^, "dessen magnetoelastische stellen im Gitter, besonders Versetzungen, sowie scnranKt werucu ω ,

Spannungen, die durch sehr feindispergierte ^etunsXfi^-ng der Geberkurve Entmischungen verursacht werdei,. J^ ^_TÜndung _durch Einführung von statistisch

Alle diese Arten von Eigenspannungen können so verteilten Innenspannungen von g^netei^ Große ausgenutzt werden, um den oben beschriebenen kann auch durch Martensitbildung beun Harten _%on statistischen Ausgleich und die Linearisierung der Stahl oder durch die beim Entraischungsharten ent-Geberkurve zu erreichen stehenden Innenspannungen erreicht werden.

SuS KaHbeaTbeitung verschiedener Art ent- Auch die Fehlerstellen ^Kristallgitter d. man

stehen gewöhnlich alle drei Eigenspannungsarten; 25 bei Bestrahlung mit Elementarparükeln ert«t _erdieser Weg ist auch der wirksamste, die Lineari- geben Innenspannungen mit lineansierender Wirkung sierung zu erreichen. Um einen optimalen Kalt- auf die Geberkurve. r^wi^™

bearbeitungsgrad zu erhalten, kann man im Prinzip Bezüglich der Wahl des Bleches fur den Geberkern

zwei Wege gehen, entweder wählt man ein weich- gibt es viele mögliche Legierungen mit einem der geglühtes Material und unterwirft es einer gewissen 30 drei ferromagnetischen Stoffe fcisen, wicKei una Kaltverformung oder man geht von einem harten, Kobalt als Gmndkomponente. Außer Legierungen kaltbearbeiteten Material aus und führt eine Wärme- dieser Stoffe kommen Zusätze von Silizium bis zu behandlung bei Temperaturen durch, die zu keiner etwa 5·/., Aluminium bis zu ^ 16·/. ^u^^d ^unvollständigen Entspannung führen. Temperatur und dem geringere Mengen Mangan, ^Ku£^e^oly°gan Zeit we.den so gewählt, daß das Material nach der 35 und Vanadin vor, abgesehen von den in solchen Wärmebehandlung bleibende Eigenspannungen ge- Legierungen ^ηο™^3ΐε^⁶¹⁵%^ν°^_η ^Ο^^ηα4^η _ΐιεΓ ^η'^ς'}¹; wünschter Größe hat. metallischen Stoffen wie Kohlenstoff, Sauerstoff.

Versuche haben ergeben, daß eine Kaltverformung Stickstoff, Schwefel und Phosphor.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentanspruch:

Magnetoelastischer Geber zum Messen mechanischer Kräfte, der aus einem laminierten Kern aus magnetostriktivem Blech mit rohrförmigen Kanälen besteht, in denen Magnetisierungs- und Meßwicklungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktive Blech durch an sich bekannte Vorbehandlung bleibende mechanische Eigenspannungen aufweist und der Durchschnittswert der Absolutwerte der Eigenspannungen in der magnetoelastisch wirksamen Zone des Gebers mindestens die Größe der in dieser Zone von der Nennlast verursachten Beanspruchung aufweist.