KR20140116862A - 자기 탄성식 힘센서 및 상기 유형의 센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법 - Google Patents

자기 탄성식 힘센서 및 상기 유형의 센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 자계를 발생시키는 송신 코일(9) 및 송신 코일(9)의 자계를 통해 측정 대상(13) 내에 발생하는 자속을 측정하기 위한 하나 이상의 자계 센서(11)를 포함하는 센서 헤드(1)를 갖는 자기 탄성식 힘센서에 관한 것이다. 또한, 센서 헤드(1)는, 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 전기적 변수를 기록하기 위한 기록 장치(14)를 포함한다. 이러한 자기 탄성식 힘센서로 인해, 기록된 전기적 변수으로부터 측정 대상(13)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1)의 거리가 산출되고, 산출된 거리에 의해 측정 신호 내의 거리 종속성이 보상됨으로써, 측정 신호 내의 거리 종속성의 보상이 가능해진다.

Description

자기 탄성식 힘센서 및 상기 유형의 센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법{MAGNETO-ELASTIC FORCE SENSOR AND METHOD FOR COMPENSATING DISTANCE DEPENDENCY IN A MEASUREMENT SIGNAL OF SUCH A SENSOR}
본 발명은 특히 자기 탄성식 비틀림 센서 또는 토크 센서에서 사용될 수 있는 자기 탄성식 힘센서에 관한 것이다. 이와 더불어, 본 발명은 특히 자기 탄성식 힘센서에 의해 비틀림 또는 토크를 산출하기 위한 방법의 범주에서 사용될 수 있는, 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법에 관한 것이다.
강자성 재료의 투과율은 기계적 응력에 영향을 받는다. 자기 탄성 효과로 알려진 이러한 물리적 효과는 대상물에 영향을 미치고, 이러한 대상물 내의 응력을 야기하는 힘의 측정을 위해 사용될 수 있다. 이를 위해, 대상물 자체가 강자성 재료로 구성되어 있지 않거나 강자성 층을 포함하지 않는 경우에는 대상물에 강자성 층이 제공된다. 이때, 자기 탄성식 힘센서는 자기 탄성 효과에 의해, 작용하는 힘을 통해 야기되는 응력을 측정할 수 있으며, 측정 결과로부터, 응력을 야기하는 힘이 산출될 수 있다. 자기 탄성 효과에 기초하는 자기 탄성식 힘센서는 특히 회전하는 대상 내의 토크를 측정하기 위해 사용될 수 있는데, 이는 토크가 회전하는 대상 내 응력을 발생시키기 때문이다.
예를 들어 축들의 토크를 접촉 없이 기록하기 위해 자기 탄성 효과를 이용하는 일련의 여러 가지 센서들이 공지되어 있다. 자기 탄성식 센서는 높은 정확도를 특징으로 하며, 참조 기호의 접근과 같이 후보정의 필요성이 마찬가지로 적다.
구동축의 토크를 측정하기 위해 사용되는 자기 탄성식 토크 센서가 예를 들어 DE 10 2009 008 074 A1호에 공지되어 있다. 이러한 공보에는 축의 토크를 기록하기 위한 측정 장치가 설명되며, 이러한 측정 장치는 축의 표면에 대해 사전에 결정된 간극 거리를 갖도록 위치 설정된 토크 센서를 포함한다.
기계의 힘을 전달하는 축에서의 토크 측정을 위해, 축의 표면에 대해 짧은 거리를 갖고 접촉 없이 전자기 코일이 배치되며, 이러한 전자기 코일은 신호 변화와 함께 축 상의 강자성 층 또는 자체가 강자성을 갖는 축 내의 투과율의 변화에 반응한다. 이를 위해, 이러한 축은 비틀림 응력에 노출되어야 하며, 즉 자기 탄성식 토크 센서는 구동 토크와 이러한 구동 토크에 반대로 작용하는 반작용 토크 사이에 축을 따라 배치되어야 한다. 이로 인해, 강자성 재료로 형성된 축은 측정 장치의 일부이다.
측정 중 축의 위치 변화가 발생하는 경우, 센서와 축 사이의 거리에 매우 민감하게 반응하는 측정 결과는 위치 변화에 영향을 받는다. 이미, 축의 회전축에 대해 수직인 수밀리미터 이하의 이동이 토크 센서의 측정 결과에 큰 영향을 미친다. 특히 큰 치수로 설계된 축이 힘의 전달을 위해 사용되는 기술 적용시에, 이러한 축의 위치 변화는 경제적으로 합당한 기술적 비용으로 제거될 수 없다. 따라서, DE 10 2009 008 074 A1호에는 축을 둘러싸는 링에 의해 이러한 축에 접하도록 토크 센서를 위치 설정하는 것이 제시된다. 또한, 이러한 링은 축과 함께 회전하지 않도록 보호하기 위한 하우징 섹션과 연결된다. 이 경우, 링은 선회축을 중심으로 선회 가능하고 축의 반경 방향으로 변위 가능하도록 하우징 섹션에 고정되므로, 링은 축의 이동을 함께 실행할 수 있다. 이 경우, 축에서의 링의 지지는 베어링 부시, 슬라이딩 셸, 또는 볼 베어링을 통해 실행된다.
상술한 선행 기술을 고려할 때, 본 발명의 제1 과제는 바람직한 자기 탄성식 힘센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 제2 과제는 바람직한 토크 센서를 제공하는 것이다. 본 발명의 추가의 양상에 따라, 제3 과제는 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법을 제공하는 것이다. 이와 더불어, 본 발명의 제4 과제는 자기 탄성식 힘센서에 의해 토크를 산출하기 위한 바람직한 방법을 제공하는 것이다.
상기 제1 과제는 청구범위 제1항에 따른 자기 탄성식 힘센서에 의해 해결되고, 상기 제2 과제는 청구범위 제6항에 따른 토크 센서에 의해 해결된다. 상기 제3 과제는 청구범위 제7항에 따른 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법에 의해 해결되고, 상기 제4 과제는 청구범위 제10항에 따른 토크를 산출하기 위한 방법에 의해 해결된다. 종속 청구항들은 본 발명의 바람직한 실시예들을 포함한다.
본 발명에 따른 자기 탄성식 힘센서는 자계를 발생시키는 송신 코일 및 송신 코일의 자계를 통해 측정 대상 내에 발생하는 자속을 측정하기 위한 하나 이상의 자계 센서를 갖는 센서 헤드를 포함한다. 이와 더불어, 자기 탄성식 힘센서는 송신 코일의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 전기적 변수, 예를 들어 코일 전압의 진폭을 기록하기 위한 기록 장치를 포함한다. 이 경우, 기록 장치는 아날로그 또는 디지털로 구성될 수 있다.
본 발명에 따른 자기 탄성식 힘센서에서는 기록 장치에 의해 송신 코일의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 전기적 변수가 기록됨으로써, 추가의 거리 센서가 제공될 필요없이 측정 대상에 대한 송신 코일의 거리(그리고 이에 따라 센서 헤드의 거리)의 산출이 가능해진다. 바꿔 말해, 자기 탄성식 힘센서의 본 발명에 따른 구성에 의해, 자기 탄성식 힘센서 자체를 거리 센서로도 사용할 수 있게 된다. 힘센서의 거리 센서와의 일치를 통해, 추가 거리 센서의 설치 시에 발생할 수 있는 에러원, 예를 들어 2개 센서들의 불균일한 조정을 통해 발생할 수 있는 각도 에러가 방지된다.
기록된 전기적 변수를 송출하고 외부에서, 예를 들어 접속된 컴퓨터에서 거리가 결정되도록 하는 것이 기본적으로 가능함에도 불구하고, 자기 탄성식 힘센서가 전기적 변수로부터 측정 대상에 대한 이러한 센서 헤드의 거리를 결정하기 위한 장치도 포함하는 경우가 바람직하다. 이때 자기 탄성식 힘센서는 순수 거리 센서로도 사용될 수 있다. 이 경우, 측정 대상에 대한 이러한 센서 헤드의 거리를 결정하기 위한 장치는 특히 송신 코일의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 송신 코일의 전기적 변수의 값이 측정 대상에 대한 송신 코일 또는 센서 헤드의 거리의 값과 관계를 맺도록 하는 관계식이 저장된 메모리를 포함할 수 있다. 이를 위해, 메모리는 예를 들어 상기 관계식을 나타내는 참조표(look-up table) 또는 방정식 형태를 갖는 함수 관계를 포함할 수 있다. 또한, 측정 대상에 대한 이러한 센서 헤드의 거리를 결정하기 위한 장치는 본 실시예에서, 기록 장치뿐만 아니라 메모리와도 직접 또는 간접적으로 연결되어 있는 할당 유닛을 포함한다. 할당 유닛은 저장된 관계식에 의해 기록된 전기적 변수에 측정 대상에 대한 송신 코일 또는 센서 헤드의 거리를 할당하고, 할당된 거리를 나타내는 거리 변수를 생성한다.
또한, 본 발명에 따른 자기 탄성식 힘센서의 바람직한 일 개선예에서, 이러한 센서는, 직접 또는 간접적으로 하나 이상의 자계 센서와 연결되고 거리 변수를 수신하기 위해 할당 유닛과 연결되는 수정 유닛을 포함한다. 수신된 거리 변수에 의해, 수정 유닛은 송신 코일의 자계를 통해 측정 대상 내에 발생하는 자속 측정시의 하나 이상의 자계 센서의 측정 결과를 수정한다. 이러한 실시예로 인해, 힘 측정시 센서 헤드의 거리 변동의 보상이, 이를 위해 추가 거리 센서의 신호가 요구되지 않으면서도 가능해진다.
본 발명에 따른 토크 센서에는 본 발명에 따른 하나 이상의 자기 탄성식 힘센서가 장착된다. 도입부에 설명된 회전축에 수직으로 변위가 발생하는 축들에서의 토크 측정시 문제점들은 본 발명에 따른 토크 센서에 의해, 토크 센서의 측정 신호 내의 거리에 좌우되는 변동들의 보상이 실행됨으로써 극복될 수 있다. 따라서, 회전하는 축의 위치 변화를 제거하는 것도 필요하지 않으며, 축 이동과 함께 토크 센서가 함께 이동하는 것도 필요하지 않게 된다. 이로 인해, 축에서의 토크 측정을 위한 장치의 구조가 훨씬 간단해진다.
본 발명의 추가의 일 양상에 따라, 자계를 발생시키는 송신 코일 및 송신 코일의 자계를 통해 측정 대상 내에 발생하는 자속을 측정하기 위한 하나 이상의 자계 센서를 구비한 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법이 제공된다. 이 경우, 측정 신호는 측정 대상 내에 발생하는 자속을 나타낸다. 본 발명에 따른 방법의 범주에서, 송신 코일의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 송신 코일의 전기적 변수가 기록된다. 이 경우, 이러한 기록은 예를 들어 아날로그 또는 디지털로 실행될 수 있다. 이때, 기록된 전기적 변수로부터는 측정 대상에 대한 송신 코일 또는 송신 코일을 보유하는 센서 헤드의 거리가 산출된다. 이때, 산출된 거리에 의해, 측정 신호 내의 거리 종속성이 보상된다.
본 발명에 따른 방법에 의해, 센서 헤드와 측정 대상 사이의 거리가 변동할 때도 신뢰 가능한 힘 측정이, 이를 위해 추가 거리 센서가 요구되지 않으면서도 실행될 수 있다. 또한, 이러한 추가 거리 센서는 힘 센서와 거리 센서의 서로에 대한 정확한 조정을 필요로 할 것이며, 조정 에러는 힘 센서의 측정 결과에 부정적인 영향을 미칠 것이다. 힘의 측정과 거리의 측정을 위한 동일한 측정 헤드가 사용되는 본 발명에 따른 방법의 범주에서, 이러한 조정 에러는 발생할 수 없다. 따라서 본 발명에 따른 방법에 의해, 측정시 자기 탄성식 힘센서의 견고성이 향상된다.
측정 대상에 대한 송신 코일 또는 센서 헤드의 거리는 기록된 전기적 변수로부터, 특히 한편으로 송신 코일의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 송신 코일의 전기적 변수의 값들과 다른 한편으로 측정 대상에 대한 송신 코일 또는 센서 헤드의 거리에 대한 값들 사이의 사전 설정된 관계식에 의해 산출될 수 있으며, 사전 설정된 관계식은 예를 들어 참조표 또는 대수 방정식의 형태로 제공될 수 있다.
송신 코일의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 송신 코일의 전기적 변수의 값들과 측정 대상에 대한 송신 코일 또는 센서 헤드의 거리에 대한 값들 사이의 사전 설정된 관계식은 예를 들어 보정 측정을 통해 산출될 수 있다. 보정 측정의 실행을 통해, 사전 설정된 관계식에는 사전 설정된 관계식 내 측정 위치의 국부적인 특징들(local features)도 고려될 수 있다.
자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 본 발명에 따른 방법은 특히 자기 탄성식 힘센서에 의해 토크를 산출하기 위한 방법의 일부일 수 있다. 이와 연관된 장점들은 본 발명에 따른 자기 탄성식 토크 센서와 관련하여 설명되어 있다. 따라서, 이와 관련한 실시예들이 참조된다.
본 발명의 추가의 특징들, 특성들, 및 장점들은 개별적으로 또는 서로 조합되어 바람직하게 구현될 수 있으며, 첨부 도면들을 참조한 실시예들의 하기 설명부로부터 제시된다.
도 1은 U자형 센서 헤드를 갖는 본 발명에 따른 자기 탄성식 힘센서에 대한 일 실시예를 도시한 도면이다.
도 2는 4개의 자계 센서를 포함하는 센서 헤드를 갖는 본 발명에 따른 자기 탄성식 힘센서에 대한 일 실시예를 도시한 측면도이다.
도 3은 도 2의 자기 탄성식 힘센서를 도시한 평면도이다.
자기 탄성식 센서는 역자기변형 효과, 즉 기계적 응력이 발생하면 강자성 재료가 투자율의 변화를 겪는 효과에 기초한다. 기계적 응력이 인장력 및 가압력을 통해 유도되고 비틀림을 통해 유도되므로, 역자기변형 효과는 힘 측정 및 토크 측정을 위해 사용될 수 있고, 이에 따라 다용도로 사용 가능하다.
역자기변형 효과를 측정하기 위한 센서 헤드는 강자성 층 내에 교번 자계를 유도하는 송신 코일 또는 여자기 코일을 포함한다. 이 경우, 이러한 층 내에는 응답 신호가 발생하고, 이러한 응답 신호의 자속 밀도는 층의 투과율에 좌우된다. 이는 또한 층 내에 형성된 기계적 응력에 의해 결정된다. 응답 신호의 자속 밀도는 예를 들어 수신 코일일 수 있는 자계 센서에 의해 측정된다. 이때, 응답 신호의 자속 밀도는 수신 코일 내에서 이를 통과하는 자속 밀도에 의해 유도되는 전류의 전류 세기를 결정한다. 이때, 전류 세기로부터는 강자성 층 내의 기계적 응력이 산출될 수 있고, 이러한 기계적 응력으로부터는 재차 응력을 유도하는 힘이 산출될 수 있다. 수신 코일 외에, 자계 센서로서 예를 들어 홀 효과에 기초하는 자계 센서, GMR(Giant Magneto Resistance: 거대 자기 저항) 효과에 기초한 자계 센서, 또는 AMR(Anisotropic Magneto Resistance: 이방성 자기 저항) 효과에 기초한 자계 센서도 고려된다.
본 발명에 따른 힘센서에 대한 제1 실시예가 도 1에 도시되어 있다. 힘센서는 서로 평행하게 배향된 2개의 분기부(5 및 7)를 포함하는 U자형 페라이트 코어(ferrite core)(3)를 구비한 센서 헤드(1)를 포함한다. 제1 분기부(5)에는 자계를 발생시킬 수 있는 송신 코일 또는 여자기 코일(9)이 제공된다. 제2 분기부(7)에는 본 실시예에서 홀 센서로 형성되어 있지만 상술한 자계 센서들 중 다른 하나일 수도 있는 자계 센서(11)가 배치된다.
센서의 측정 과정을 위해, 송신 코일(9)에 의해 자계가 생성되고, 이러한 자계의 자속 밀도가 도 1에 자력선(B)을 통해 도시되어 있다. 이러한 자력선은 측정 대상의 강자성 층(13)을 통해 연장되고, 페라이트 코어(3)를 통해 차단된다. 이러한 층(13)은 측정할 대상 상에 제공되거나 이러한 대상 내에 삽입될 수 있다. 그러나, 대안적으로 이러한 측정 대상 자체가 강자성 재료로 구성될 수도 있다.
자계 센서(11)에 의해 자계의 자속 밀도가 측정될 수 있다. 이 경우, 측정값은 강자성 층(13) 내의 투자율에 좌우되고, 이러한 투자율은 재차 강자성 층 내에 형성된 응력의 영향을 받는다. 따라서, 자계 센서(11)에 의해 얻어진 자속 밀도에 대한 측정 결과로부터, 강자성 층(13) 내에 형성된 응력이 연산될 수 있다. 강자성 층(13)이 대상 자체를 나타내거나, 대상과 연결되어 있으므로, 강자성 층(13) 내에 형성된 응력은 측정 대상 내에 형성된 응력도 나타낸다.
그러나, 자계 센서(11)에 의해 측정된 측정값은 측정 대상에 대한 센서 헤드의 거리에 좌우되거나, 측정 대상 자체가 강자성을 갖지 않는다면 강자성 층에 대한 센서 헤드의 거리에 좌우될 수도 있다. 이러한 이유로, 자기 탄성식 힘센서는 송신 펄스 전압의 진폭을 기록하기 위한 유닛(14)을 포함한다. 이러한 유닛(14)은 아날로그 또는 디지털로 구성될 수 있으며, 아날로그 또는 디지털 구성은 특히 기록된 신호 처리의 이후 유형에 좌우될 수 있다.
송신 펄스 전압의 진폭에 대한 본 실시예에서와 같은 경우 대신에, 본 발명의 범주에서는 여자기 코일의 인덕턴스를 나타내기에 적합한 다른 전기적 변수가 기록될 수 있다. 기록된 전기적 변수, 즉 본 실시예에서는 기록된 송신 펄스 전압 진폭으로부터, 강자성 층(13), 즉 측정 대상에 대한 송신 코일(9)의 거리가 산출될 수 있다. 즉, 측정 대상(13)과 센서 헤드(1) 사이의 에어 갭이 변화하면, 측정 대상 내의 기계적 응력의 영향없이 송신 코일(9)의 인덕턴스가 변화한다. 따라서, 예를 들어 송신 펄스 전압의 진폭과 같이 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내는 전기적 변수는 측정 대상에 대한 송신 코일(9)의 거리를 산출하기 위해 사용될 수 있다. 따라서, 센서 헤드에 송신 코일(9)이 공간 배치되는 것으로부터, 측정 대상에 대한 센서 헤드의 각각의 임의의 점들의 거리가 산출되고, 특히 측정 대상(13)에 대한 자계 센서(11)의 거리도 산출된다.
측정 대상(13)에 대한 센서 헤드(1)의 거리를 산출하기 위해 기록 장치(14)에 의해 기록된 전기적 변수가 자기 탄성식 힘센서로부터 송출되어, 외부에서 처리될 수 있기는 하지만, 본 실시예에서 이는 자기 탄성식 힘센서 자체 내에서 이루어진다. 이를 위해, 힘센서는 기록된 전기적 변수으로부터 측정 대상(13)에 대한 센서 헤드(1)의 거리를 결정하기 위한 장치(15)를 포함한다. 이러한 장치(15)는 본 실시예에서는 메모리(16)와, 기록 장치(14) 및 메모리(16)와 연결되어 있는 할당 유닛(17)을 포함한다. 메모리(16) 내에는 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 이와 명백하게 연관된 전기적 변수(본 실시예에서는 송신 펄스 전압의 진폭)의 값이 측정 대상(13)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1)의 거리의 값과 관계를 맺도록 하는 관계식이 저장된다. 이를 위해, 본 실시예에서는 메모리(16) 내에 참조표가 저장되며, 이러한 참조표는 측정 대상(13)과 센서 헤드(1) 사이의 거리의 값에 대한 송신 펄스 전압의 진폭(또는 다른 적합한 전기적 변수)의 값의 명백한 할당을 포함한다. 이러한 표는 예를 들어 측정 대상(13)에 대한 센서 헤드(1)의 거리에 송신 펄스 전압의 진폭을 보정함으로써 만들어질 수 있다. 이는 측정 대상(13)에 대한 센서 헤드의 복수의 거리들에 대해 송신 펄스 전압의 진폭의 각각의 값들이 기록되고, 각각의 거리와 함께 저장됨으로써 실행될 수 있다. 이러한 보정은 이상적으로는 측정 대상(13) 내에 응력이 존재하지 않을 때 실행된다.
할당 유닛(17)은 기록 장치(14)로부터 송신 펄스 전압의 기록된 진폭을 수신하고[또는 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내는 다른 전기적 변수가 선택될 때는 이러한 변수의 기록된 값을 수신하고], 메모리(16) 내에 저장된 참조표를 사용하여 기록 진폭값에 거리를 할당함으로써 측정 대상(13)에 대한 센서 헤드(1)의 거리를 산출한다. 이때, 할당된 거리는 할당 유닛(17)에 의해, 거리를 나타내는 적합한 거리 변수의 형태로 송출된다. 이러한 변수는 출력부를 통해 외부를 향해 송출될 수 있으므로, 자기 탄성식 힘센서는 순수 거리 센서로도 불려질 수 있다.
본 실시예에서 거리 변수는 수정 유닛(18)으로도 송출된다. 이는 거리 변수와 더불어 측정 변수도 수신하며, 이러한 측정 변수는 자계 센서(11)와 연결된 평가 유닛(19)에 의해 자계 센서(11)의 측정 신호에 기초하여 산출된다. 이때, 수정 유닛(18)은 거리 신호를 사용하여 측정 변수를 수정하고, 수정된 측정 변수를 자기 탄성식 힘센서의 측정 결과로서 송출한다. 이때, 수정된 측정 변수 내에서 최초 측정 변수의 거리 종속성이 보상된다. 따라서, 자기 탄성식 힘센서는 센서 헤드(1)와 측정 대상(13) 사이의 거리의 변동에 대해 민감하지 않다.
본 발명에 따른 센서 헤드(21)와, 이에 따라 형성되는 자기 탄성식 비틀림 센서 또는 토크 센서의 제2 실시예는 도 2 및 도 3에 도시되어 있다. 제1 실시예의 부재들에 상응하는 부재들은 도 1에서와 같은 도면 부호로 도시되어 있고, 반복을 피하기 위해 재차 설명되지는 않는다. 따라서, 제2 실시예의 설명은 제1 실시예와의 차이점으로 제한된다.
이 경우, 도 2에는 도 3의 라인(Ⅱ-Ⅱ)에 따른 센서 헤드(21)의 측면도가 도시되어 있다. 도 3에는 센서 헤드(21)에서 강자성 재료를 향한 측의 평면도가 도시되어 있다.
제2 실시예의 센서 헤드(21)는 중심 분기부(25)와 중심 분기부(25)를 둘러싸는 4개의 외부 분기부(27)를 구비한 페라이트 코어(23)를 포함한다. 중심 분기부(25) 상에는 송신 코일(9)이 배치된다. 자계 센서(11)는 외부 분기부(27) 상에 위치한다. 본 실시예에서 페라이트 코어(23)의 기하 구조는 각각 2개의 분기부들이 중심 분기부(25)의 서로 반대되는 측면들에 대해 위치하는 2개의 분기부 쌍을 형성하도록 선택된다. 2개의 분기부 쌍은 서로 90°로 회전되는 배열 방향을 가지므로, 중심 분기부(25)에 대한 외부 분기부(27)의 배치에 있어 점대칭이 얻어진다. 센서 헤드(21)의 이러한 구성은 예를 들어 축(33) 내의 비틀림 또는 축의 토크를 측정하기에 유리한, 힘의 2차원 기록을 가능하게 한다. 이 경우, 축(33)은 강자성 재료로 구성되거나, 이러한 강자성 재료로 코팅될 수 있다.
축(33)에서의 비틀림을 결정하기 위해, 센서 헤드는 분기부 쌍의 서로 대향 배치된 외부 분기부들(27) 사이의 연결선에 의해, 서로 수직으로 연장되는 비틀림시 발생하는 주요 힘들을 따라 배향된다. 비틀림 시에 한 방향으로 인장력이 형성되고, 이에 수직인 방향으로 가압력이 형성된다. 이는 축(33)의 강자성 재료의 투자율이 한 방향으로는 더 커지고 다른 방향으로는 더 작아짐을 의미한다. 도 2 및 도 3에 도시된 센서 헤드(21)의 기하 구조에 의해, 이러한 2개 방향의 투과율은 서로 분리되어 기록될 수 있으므로, 예를 들어 차형성을 통해, 기록된 투과율 및 이로부터 산출될 인장 응력 또는 가압 응력으로부터 축의 비틀림이 산출된다. 축이 회전할 때는 구동 토크 및 이에 반대로 작용하는 반작용 토크에 의해, 토크에 좌우되는 크기를 갖는 비틀림이 발생하기 때문에, 기록된 비틀림으로부터 비틀림을 야기하는 토크가 산출될 수 있다.
도 2 및 도 3에 도시된 센서 헤드(21)는 도 1에 도시된 제1 실시예의 전자기식 힘센서와 마찬가지로 기록 장치, 측정 대상에 대한 센서 헤드의 거리를 결정하기 위한 장치, 및 수정 유닛을 포함하는 자기 탄성식 비틀림 센서 또는 토크 센서의 일부이다. 이러한 기록 장치, 측정 대상에 대한 센서 헤드의 거리를 결정하기 위한 장치, 및 수정 유닛의 구성 및 배치는 도 1에서의 구성 및 배치에 상응하고, 따라서 명확성을 위해 도 2 및 도 3에는 도시되어 있지 않다.
본 발명은 도시를 목적으로 한 예시적인 실시예들에 의해 설명된다. 그러나 실시예들은 본 발명을 제한하지 않으므로, 첨부된 청구항들에 의해서만 보호 범위가 제한될 것이다. 특히 설명한 실시예들에 대한 변형이 가능하다.
이와 같이, 송신 코일의 인덕턴스를 나타내는 전기적 변수를 위한 측정값을 각각의 거리값들에 할당하기 위해 예를 들어 본 실시예들에 사용된 참조표 대신에 대수 방정식이 사용될 수 있다.
설명한 실시예들의 추가의 변형예로서, 송신 코일을 보유하는 분기부에도 자계 센서를 배치하는 것이 가능하다.
제2 실시예와 관련하여 설명한 대칭 형상은 바람직하지만, 무조건 필요한 것은 아닌데, 비대칭 배치에서 발생하는 측정 신호의 영향이 기본적으로 측정 신호의 처리시에 고려될 수 있기 때문이다. 또한 4개의 분기부들이 제공되는 것도 필수는 아니다. 특히 송신 코일을 보유하는 분기부에도 자계 센서가 장착되는 경우에는, 2개의 분기분들로 충분하다. 그러나 대칭 배치된 4개의 분기부들이 장착된 센서 헤드의 신호들의 평가는, 특히 이러한 센서 헤드가 도 2 및 도 3에 도시된 기하 구조를 가질 때 더욱 간단하다.

Claims (10)

  1. - 자계를 발생시키는 송신 코일(9) 및 송신 코일(9)의 자계를 통해 측정 대상(13, 33) 내에 발생하는 자속을 측정하기 위한 하나 이상의 자계 센서(11)를 포함하는 센서 헤드(1, 21)와,
    - 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 인덕턴스와 명백하게 연관된 전기적 변수를 기록하기 위한 기록 장치(14)를 구비한, 자기 탄성식 힘센서.
  2. 제1항에 있어서, 전기적 변수로부터 측정 대상(13, 33)에 대한 센서 헤드(1, 21)의 거리를 결정하기 위한 장치(15)를 추가로 포함하는, 자기 탄성식 힘센서.
  3. 제2항에 있어서, 측정 대상(13, 33)에 대한 센서 헤드(1, 21)의 거리를 결정하기 위한 장치(15)는
    - 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 인덕턴스와 명백하게 연관된 송신 코일(9)의 전기적 변수의 값이 측정 대상(13, 33)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1, 21)의 거리의 값과 관계를 맺도록 하는 관계식이 저장된 메모리(16)와,
    - 기록 장치(14) 및 메모리(16)와 연결되어 있는 할당 유닛(17)을 포함하며, 이때 할당 유닛은 저장된 관계식에 의해 기록된 전기적 변수에 측정 대상(13, 33)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1, 21)의 거리를 할당하고, 할당된 거리를 나타내는 거리 변수를 생성하는, 자기 탄성식 힘센서.
  4. 제3항에 있어서, 상기 자기 탄성식 힘센서는, 하나 이상의 자계 센서(11)와 연결되고 거리 변수를 수신하기 위해 할당 유닛과 연결되는 수정 유닛(18)을 추가로 포함하며, 수정 유닛은 수신된 거리 변수에 의해, 송신 코일(9)의 자계를 통해 측정 대상(13, 33) 내에 발생하는 자속 측정시의 하나 이상의 자계 센서(11)의 측정 결과를 수정하는, 자기 탄성식 힘센서.
  5. 제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서, 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 인덕턴스와 명백하게 연관된 송신 코일(9)의 전기적 변수는 코일 전압의 진폭인, 자기 탄성식 힘센서.
  6. 제1항 내지 제5항 중 어느 한 항에 따른 하나 이상의 자기 탄성식 힘센서를 구비한 비틀림 센서 또는 토크 센서.
  7. 자계를 발생시키는 송신 코일(9) 및 송신 코일(9)의 자계를 통해 측정 대상(13, 33) 내에 발생하는 자속을 측정하기 위한 하나 이상의 자계 센서(11)를 구비한 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법이며, 이때, 측정 신호는 측정 대상(13, 33) 내에 발생하는 자속을 나타내고,
    - 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 인덕턴스와 명백하게 연관된 송신 코일(9)의 전기적 변수가 기록되고,
    - 기록된 전기적 변수로부터는 측정 대상(13, 33)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1, 21)의 거리가 산출되고,
    - 산출된 거리에 의해, 측정 신호 내의 거리 종속성이 보상되는, 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법.
  8. 제7항에 있어서, 측정 대상(13, 33)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1, 21)의 거리는 기록된 전기적 변수로부터, 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 인덕턴스와 명백하게 연관된 송신 코일(9)의 전기적 변수의 값들과 측정 대상(13, 33)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1, 21)의 거리에 대한 값들 사이의 사전 설정된 관계식에 의해 산출되는, 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법.
  9. 제8항에 있어서, 송신 코일(9)의 인덕턴스를 나타내거나 인덕턴스와 명백하게 연관된 송신 코일(9)의 전기적 변수의 값들과 측정 대상(13, 33)에 대한 송신 코일(9) 또는 센서 헤드(1, 21)의 거리에 대한 값들 사이의 사전 설정된 관계식은 보정 측정을 통해 산출되는, 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법.
  10. 제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 따른 자기 탄성식 힘센서의 측정 신호 내의 거리 종속성을 보상하기 위한 방법을 포함하는, 자기 탄성식 힘센서에 의해 비틀림 또는 토크를 산출하기 위한 방법.
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