用于測(cè)量在機(jī)器元件上的力或力矩的裝置和方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種用于利用逆磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量在沿軸線延伸的機(jī)器元件上的力和/或力矩的裝置。此外，本發(fā)明涉及一種用于測(cè)量力和/或力矩的方法，其中力或力矩作用到沿軸線延伸的機(jī)器元件上。
【背景技術(shù)】
[0002]DE 698 38 904 T2示出在承受扭矩的軸上的磁彈性的有效的區(qū)域中具有圓形的磁化部的扭矩傳感器。借助于霍爾效應(yīng)傳感器，在磁彈性的有效的區(qū)域的近處測(cè)量磁場(chǎng)。
[0003]由DE 600 08 543 T2中已知一種變換元件，所述變換元件設(shè)為用于使用在扭矩傳感器或力傳感器中。變換元件一件式地位于由能磁化的材料構(gòu)成的軸中并且具有沿軸向方向定向的磁化部。
[0004]DE 600 07 641 T2示出一種變換元件，所述變換元件設(shè)置為用于扭矩或力傳感器變換器。在所述變換元件中，磁化部在徑向內(nèi)側(cè)的部分中和在徑向外側(cè)的部分中構(gòu)成。
[0005]從DE 603 09 678 T2中已知一種用于檢測(cè)在軸中的扭矩的方法，其中產(chǎn)生具有交變的極性的磁場(chǎng)，借助于傳感器裝置測(cè)量所述磁場(chǎng)。
[0006]DE 601 05 794 T2示出一種具有由磁性材料構(gòu)成的體部的對(duì)力敏感的變換元件，其中在體部中構(gòu)成至少兩個(gè)磁化的區(qū)域，所述區(qū)域相對(duì)于力傳遞方向成角度地延伸并且具有相反的磁化極性。
[0007]DE 699 36 138 T2示出一種磁性力傳感器，其中磁化的材料承受彎矩，其中能夠借助于傳感器裝置確定磁化的材料的外部磁場(chǎng)。
[0008]W0 2011/085400 A1示出一種磁彈性的力傳感器，借助于所述力傳感器能夠測(cè)量元件的機(jī)械負(fù)荷。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009]以現(xiàn)有技術(shù)為基礎(chǔ)，本發(fā)明的目的在于，擴(kuò)展用于通過(guò)利用逆磁致伸縮效應(yīng)測(cè)量力和力矩的可能性。
[0010]所述目的通過(guò)根據(jù)所附的權(quán)利要求1的裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)。所述目的還通過(guò)根據(jù)所附的并列的權(quán)利要求5的裝置以及通過(guò)根據(jù)所附的并列的權(quán)利要求9和10的方法實(shí)現(xiàn)。
[0011]用于測(cè)量沿軸線延伸的機(jī)器元件上的力和/或力矩的裝置是本發(fā)明的第一個(gè)主題。力或力矩作用到機(jī)器元件上，由此造成機(jī)械應(yīng)力并且機(jī)器元件通常略微變形。機(jī)器元件具有永久磁化部。永久磁化部沿軸線定向，由此機(jī)器元件和永久磁化部彼此同軸地設(shè)置。永久磁化部的相反的磁極能夠通過(guò)平行于軸線的直線連接。所述裝置還包括至少一個(gè)磁場(chǎng)傳感器，所述磁場(chǎng)傳感器與機(jī)器元件相對(duì)地設(shè)置。磁場(chǎng)傳感器用于確定磁場(chǎng)并且用于測(cè)量來(lái)自機(jī)器元件的磁場(chǎng)的至少一個(gè)矢量分量，所述磁場(chǎng)一方面通過(guò)永久磁化部并且另一方面通過(guò)力和/或力矩引起。在優(yōu)選的實(shí)施方式的第一類型中，所述矢量分量不是通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)力和/或通過(guò)力矩引起的磁場(chǎng)的沿機(jī)器元件的和永久磁化部的軸線或平行于所述軸線定向的分量。在優(yōu)選的實(shí)施方式的第二類型中，所述矢量分量是通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)力和/或通過(guò)力矩引起的磁場(chǎng)的沿機(jī)器元件的和永久磁化部的軸線或平行于所述軸線定向的分量。借助于磁場(chǎng)傳感器能夠測(cè)量由于逆磁致伸縮效應(yīng)基于永久磁化部并且由于作用到機(jī)器元件上的力或作用到機(jī)器元件上的力矩而產(chǎn)生的磁場(chǎng)。根據(jù)由磁場(chǎng)傳感器測(cè)量出的來(lái)自機(jī)器元件的、通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)力和/或通過(guò)力矩引起的磁場(chǎng)的矢量分量和根據(jù)磁場(chǎng)傳感器與機(jī)器元件對(duì)置的設(shè)置方式能夠測(cè)量沿特定的方向的力和/或力矩。
[0012]在最簡(jiǎn)單的情況下，永久磁化部的磁極直接沿軸線放置。在最簡(jiǎn)單的情況下，也僅構(gòu)成兩個(gè)磁極，即永久磁化部的北極和南極。然而優(yōu)選地，永久磁化部以環(huán)周的部段構(gòu)成。所述部段沿著圍繞軸線的環(huán)周構(gòu)成。優(yōu)選地，變換永久磁化部在部段之間的極性，使得永久磁化部的北極和南極沿著圍繞軸線的環(huán)周彼此交替。單個(gè)環(huán)周的部段的永久磁化部能夠視作單磁化部，其中所有的單磁化部也分別沿軸線定向。在圍繞軸線的環(huán)周上，在永久磁化部的環(huán)周的部段之間也能夠分別存在未被磁化的環(huán)周的部段。環(huán)周的交替地構(gòu)成的永久磁化部允許磁場(chǎng)變化的準(zhǔn)確的測(cè)量，其中由于磁致伸縮效應(yīng)通過(guò)在機(jī)器元件上的力和/或力矩引起磁場(chǎng)變化。
[0013]永久磁化部的環(huán)周的部段優(yōu)選具有關(guān)于軸線的相同的中心角。永久磁化部的環(huán)周的部段也具有相同的軸向長(zhǎng)度并且沿軸線彼此齊平地設(shè)置。由此，永久磁化部的環(huán)周的部段優(yōu)選具有相同的大小。此外，永久磁化部的環(huán)周的部段優(yōu)選沿著圍繞軸線的環(huán)周均勻地分布ο
[0014]優(yōu)選地，構(gòu)成永久磁化部的兩個(gè)至十個(gè)環(huán)周的部段。特別優(yōu)選地，構(gòu)成永久磁化部的四個(gè)環(huán)周的部段。
[0015]在根據(jù)本發(fā)明的第一主題的裝置的優(yōu)選的實(shí)施方式中，永久磁化部?jī)H沿軸線定向。因此，永久磁化部不具有不沿軸線或不平行于軸線的方向分量。由此排除，永久磁化部例如相對(duì)于軸線傾斜地設(shè)置。
[0016]在根據(jù)本發(fā)明的第一主題的裝置的第一組優(yōu)選的實(shí)施方式中，一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器構(gòu)成為，用于測(cè)量通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)力和/或通過(guò)力矩引起的磁場(chǎng)的沿切向于軸線的方向定向的分量。因此，一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)力和/或通過(guò)力矩引起的磁場(chǎng)的圍繞軸線環(huán)周地延伸的分量。在此，一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器優(yōu)選構(gòu)成為用于僅測(cè)量通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)力和/或通過(guò)力矩引起的磁場(chǎng)的沿切向于軸線的方向定向的分量。在此情況下，不能通過(guò)一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量所述磁場(chǎng)的其他分量。
[0017]機(jī)器元件優(yōu)選能夠被沿軸線定向的扭矩加載并且必要時(shí)也是可變形的，其中通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)扭矩引起的磁場(chǎng)的沿切向于軸線的方向定向的分量是通過(guò)扭矩引起的機(jī)械應(yīng)力的尺度。因此，借助于用于測(cè)量通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)扭矩引起的磁場(chǎng)的沿切向于軸線定向的分量的一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器，扭矩的測(cè)量是可能的。沿軸線定向的扭矩具有旋轉(zhuǎn)軸線，所述旋轉(zhuǎn)軸線與機(jī)器元件的軸線重疊或至少平行于所述軸線。所述扭矩尤其造成機(jī)器元件的扭轉(zhuǎn)。機(jī)器元件優(yōu)選能夠通過(guò)沿軸線定向的扭矩彈性變形。
[0018]在根據(jù)本發(fā)明的第一主題的裝置的提到的第一組優(yōu)選的實(shí)施方式中，優(yōu)選存在四個(gè)磁場(chǎng)傳感器，所述磁場(chǎng)傳感器以距軸線相同的間距圍繞軸線均勻分布地設(shè)置。因此，四個(gè)磁場(chǎng)傳感器成對(duì)地關(guān)于軸線具有彼此間90°的中心角。在此，磁場(chǎng)傳感器優(yōu)選共同地位于垂直于軸線定向的平面中。以相同的方式構(gòu)成永久磁化部的四個(gè)環(huán)周的部段，所述部段圍繞軸線均勻地分布。因此，永久磁化部的四個(gè)環(huán)周的部段和四個(gè)磁場(chǎng)傳感器相對(duì)置。在此，四個(gè)磁場(chǎng)傳感器中的相對(duì)置的兩個(gè)磁場(chǎng)傳感器優(yōu)選在信號(hào)方面相加地連接在一起，由此在通過(guò)磁場(chǎng)傳感器測(cè)量時(shí)消除在機(jī)器元件上的其他扭矩和力的、尤其橫向力的影響和由此得到的磁場(chǎng)的影響。由此，限制沿軸線定向的扭矩的測(cè)量。
[0019]在根據(jù)本發(fā)明的第一主題的裝置的第一組優(yōu)選的實(shí)施方式中的實(shí)施方式中，機(jī)器元件替選地優(yōu)選能夠被垂直于軸線定向的橫向力加載并且必要時(shí)是可變形的，其中通過(guò)永久磁化部以及通過(guò)橫向力引起的磁場(chǎng)的沿切向于軸線的方向定向的分量是通過(guò)橫向力引起的機(jī)械應(yīng)力的尺度。因此借助于一個(gè)或多個(gè)磁場(chǎng)傳感器能夠通過(guò)確定磁場(chǎng)的沿切向于軸線的方向定向的分量來(lái)