DE1961281C - Magnetoelastischer Geber zum Messen mechanischer Kräfte - Google Patents

Description

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

Ein bekannter ma_;ietoelastischer Kraftgeber besteht aus einem kraftaufnehmenden Magnetkern, aus magnetostriktion Blechen und aus Magnetisierungsund Meßwicklungen, die in ruhiförnvgen Kanälen des Kerns verlegt sind (deutsche Patentschrift 955 272). Das magnetostriktiv e Blechmaterial 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 Magticlisiciungsstrom und sekundärer Belastungsimpedanz. Um einen Kraftgeber mit annehmbarer Linearität zwischen den genannten Größen zu erhalten, muß der Meßbereich stirk begrenzt werden. Das hat den Nachteil, daß die Oberfläche des Gebers um ein Vielfaches größer gemacht werden muß, als es aus Dauerfestigkeitsgcskhtspunkten 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 /war auf Grund einer praktisch angeordneten Zusammen lagerung von Elementarteilen mit verschiedener mechanischer Vorspannung.

Gemäß der Erfindung ist der beschriebene Geber so ausgebildet, daß das magnetostriktivc 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 magnetociastischen Cii'bers und

Fig.I₁ 3 und 4 für einige verschiedene Anwendungsbeispieie die Ausgangsspanmmg V des Gebers als Funktion der auf den Geber wirkenden Kraft F. Der Geber gemäß Fig. I besteht aus einem Kern 1 aus magnetostriktivem Blechmaterial. Der Kern hat vier Löcher 2,3,4 und 5. Die Löcher 2 und 3 nenmen eine Wicklung 6 auf, die an einer Wechselspannungsquelle 8 angeschlossen ist. Der Strom in der Wicklung 6 erzeugt in dem Kern einen magnetischen Fluß

xo um die Löcher. Eine zweite Wicklung 7 in den Löchern 4 und 5 ist an einem Meßgerät 9 angeschlossen. Wenn der Kem 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? induziert wird Wenn der Kern einer mechanischen Kraftbean-.spruchung ausgesetzt wird, wird der Fluß verzerrt und eine Spannung in der Wicklung 7 induziert, so daß das Meßgerät 9 ausschlägt. Das Gebiet um die

so Löcher herum und zwischen den Löchern ist die sogenannte Meß'one.

F i g. 2 zeigt den Zusammenhang zwischen Aus gangsspannung und Kraft bei einem solchen Geber, es ist eine für jede Kraftrichtung einfach gekrümmte

as Kurve 10. F i g. 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 Fig. 3, bei denen aber die Nullpunkte gleichmäßig

zwischen t\ und · h\ verteilt sind. Physikal-sch 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 Hegt. 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.

Herstellungsmäß'g wäre es allzu kompliziert, die verschiedenenBlecheiementebeidemZusammensetzen des Btechpaketes 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 I. 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 Sn Querschmttsrich- von I «Vo in den meisten fällen zo "°^e[

ssÄ"⁸^"^{Umtan8auchM8e} ":ks

2. Eigenspannungen 2. Art, die hauptsächlich zwischen verschiedenen Kristalliten vorhanden sind urd z. B. bei Kaltbearbeitung auftreten, da die Zugfestigkeit in den verschiedenen Kristallrichtungen und infolgedessen in benachbarten Kristallin verschieden ist Derartige Spannungsverteilungan kann man z. B. beim Härten von Stahl im Zusammenhang mit der Martensitbildung erhalten.

3. Eigenspannungen 3. Art sind solche von submikroskopischer Größe, wie z. B. Fehler- ¹S stellen im Gitter, besonders Versetzungen, sowie Spannungen, die durch sehr feindispergiertc Entmischungen verursacht werden.

Alle diese Arten von Eigenspannengen können ausgenutzt werden, um den oben beschriebenen statistischen Ausgleich und die Linearisierung der Geberkurve zu erreichen.

Durch Kaltbearbeitung verschiedener Art entstehen gewöhnlich alle drei Eigenspannungsarten; as dieser Weg ist auch der wirksamste, die Linearisierung zu erreichen. Um einen optimalen KaItbea^rbeitungsgrad zu erhalten, kann man im Piinzip zwei Wege gehen, entweder wählt man ein weichgeglühtes Material und unterwirft es einer gewissen Kaltverformung oder man geht von einem harten, kaltbearbeiteten Material au, und führt eine Wärmebehandlung bei Temperaturen durch, die zu keiner vollständigen Entspannung führen. Temperatur und Zeit wurden so gewählt, daß das Material nach der Wärmebehandlung bleibende Eigenspannungen ge-• ■ " ""!hat.

ι ergeben, daß eine Kaltverformung Dehnung des Materials gemeint, ausgedrucKi ms.

_re<ative Verlängerung, die die Kaltbearbeitung oei , _{emem we}ichgeglühten Material verursacht

_Die Kaltbearbeitung des weichgeglühten Materials

_kann durch Walzen, wiederholtes Biegen in ^emem _R}_chtwerk oder durch Ziehen erfolgen. Die letz-

genannte Methode kann entweder allein oder zu-

fammen mit Waizen oder Richten angewandt werden.

_Andere möglicne Kaltbearbeitungsmethoden sind

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Ά der Geberkurve Einiührung von statistisch

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Stickstoff. Schwefel und Phosphor.

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nicht-Sauerstoff,

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (1)

1. Patentanspruch:

   Magnetoelastischer Geber zum Messen mechanischer Kräfte, der aus einem laminierten Kern aus magnetostriktivem Blech mit rohrförmigen Kanälen besteht, in denen Magnetisierung;;- und Meßwicklungen angeordnet sind, dadurch gekennzeichnet, daß das magnetostriktiv.-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.