CN101750182B - 具有磁弹性变形元件的传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种传感器装置，其具有用于测量由流体引起的压力的至少部分地磁弹性的变形元件、通过磁通反馈装置构成的磁路、传感器单元和分析单元。传感器单元定位在变形元件上，分析单元借助分析线圈在构造上分离地、电感地与传感器单元耦合。传感器单元具有定位在变形元件上的传感器线圈，分析单元具有与传感器线圈电感耦合的分析线圈。传感器线圈与自身寄生电容或附加电容构成振荡回路，通过分析线圈以自由谐振借助强的或弱的电感耦合通过包围两个线圈的磁路激励振荡回路。替代地，传感器单元和分析单元借助磁通反馈装置通过磁路耦合，分析线圈绕固定或可安装的磁通反馈装置缠绕，其中可确定由变形元件的压力加载引起的导磁率变化及分析线圈的电感变化。

Description

具有磁弹性变形元件的传感器装置

技术领域

本发明涉及一种传感器装置，所述传感器装置具有磁弹性的变形元件，尤其用于测量液压力或其它由流体引起的压力，磁弹性的变形元件借助这些压力进行加载。

背景技术

普遍公知的是，在由铁磁材料，例如镍铁合金构成的变形元件中，可如下分析磁弹性效应，即铁磁材料的导磁率取决于作用在变形元件上的机械应力。因此，如果牵引力或压力起到变形力的作用，则被施加负载的材料的磁特性发生变化。

此外常见的是，为了测量机动车中的液压压力，例如液压制动装置中的液压压力，可以以信号波形尽可能精确地实施压力检测，其能够在电子控制单元，例如防抱死系统的电子控制单元中进行再处理。

由EP0615118B1公开了一种压力传感器，所述压力传感器充分利用了例如由材料Fe-Si-B-Cr构成的非结晶磁性合金的磁致伸缩效应，其中在此也设置了以压力进行加载的变形体。此外还设置了没有压力加载的参考腔并且设置了用于测量磁致伸缩层或弹性层的导磁率变化的两个探测线圈以及一个磁反馈装置。在此，真正的传感器元件本身仅仅由无源的组件构成并且借助电缆与一个分析-驱动电路连接。

由JP-2005241567A公开了一种这样的装置，其中磁致伸缩元件位于以压力进行加载的流体介质或气状介质中，并且其中借助一个线圈从外部穿透压力体的壁地测量导磁率变化。

此外由WO2006/117293A1公开了一种装置，其中同样设置了压力体，其中所述压力体或者自身由磁弹性材料构成或者设置有磁弹性层或者在压力体中设置了磁弹性变形体。在此也借助线圈或替代地借助霍尔传感器结合磁场产生元件探测导磁率变化。

此外，由最后提到的现有技术公开了线圈和磁通引导装置可在变形体上移动，从而实现了传感器装置的两部分式或多部分式结构。因此，从中还已知，液压单元和电子单元可以分开而不需要提供用于电接触的接插/接触系统。

但就此而言，这种公知的液压单元和电子单元的分离形式是有缺陷的，因为线圈和磁通引导装置必须插在变形体上，因此在磁通引导装置到变形体的过渡区域（磁路）中必然产生间隙。在运行中经常不可避免的间隙宽度变化导致有效导磁率的相对强烈的变化，所述变化可能进入到测量信号中。

发明内容

本发明涉及一种传感器装置，所述传感器装置具有用于测量由流体引起的压力的至少部分磁弹性的变形元件，磁弹性的变形元件以所述压力加载，所述传感器装置具有由磁通引导装置形成的磁路并且具有传感器单元和分析单元。根据本发明，传感器单元被定位在变形元件上并且接收或分析单元借助分析线圈与传感器单元电感地耦合。

在迄今已知的传感器装置中，按照几何形状和材料特性必须在磁路中制造间隙，所述间隙必须是10μm或更小。对于作为分析单元的电子单元而言，所要求的制造精度无论在制造成本上还是在组装操作上都是不可接受的，使得液压单元或传感器单元与电子单元之间的这种分离往往是不可实现的。

因此，借助本发明解决了以下任务，即描述了电子装置与液压单元或传感器单元的可简单实现的分离，包括可能的空气路径/间隙和可能的分析方法。本发明能够在非常精确的测量方法中实现上述单元的分离，其避免了传感器线圈和/或分析线圈以及尤其是引导装置相对磁弹性元件的几何公差导致显著的信号变化，所述信号变化可能被错误地解释为压力。

在此特别有利的是，传感器单元具有被固定地定位在变形元件上的传感器线圈，接收单元具有与传感器线圈电感耦合的分析线圈。传感器线圈在此可以与自身的寄生电容或者与附加的电容构成振荡回路，可以通过分析线圈以自由谐振的方式借助强电感耦合通过包围着两个线圈的磁路激励所述振荡回路，其中可在分析单元中确定谐振频率。

例如以简单的方式借助分析线圈的阻抗的相位过零来求得谐振频率，所述谐振频率在此受由于压力而发生变形的变形元件的磁性能影响，由此可导出变形元件中的压力的测量值。

根据替代方案，传感器线圈在此也与自身的寄生电容或者与附加的电容构成振荡回路，但可通过分析线圈以自由谐振的方式借助弱电感耦合通过包围传感器线圈的磁路激励所述振荡回路，所述磁路通过空气间隙与分析线圈弱地耦合，其中在此也可通过分析单元确定谐振频率。在此例如也可以根据以可变化的频率激励的振荡回路的阻抗的相位和/或振幅确定谐振频率。

本发明的特别优点在于，分析单元的电子装置可以在结构上远离传感器单元，其中几何公差通过所述方案被有意地保持得较大。关键的元件，即传感器线圈和磁通引导装置与液压单元或传感器单元固定地连接。由此仅仅通过设计和制造就可实现元件的高几何精度，而与各单元的组装过程无关。然后，测量信号被传输到第二线圈上，所述第二线圈可被称为接收线圈或分析线圈，所述第二线圈与分析单元连接。

如上所述，对于线圈到线圈的传输，两种方案是可行的。其一，根据以上建议强的耦合，其中分析线圈被定位在磁通引导装置以内。其二，根据以上建议弱的耦合，其中分析线圈被有意地定位在磁路以外并且仅仅利用磁通引导装置的敞开的间隙上的较少的漏磁场部分进行耦合。在这两种情况下，使用与各耦合相匹配的分析方案，所述分析方案关于耦合强度的变化具有较小的敏感度。所述间隙总是被选择得如此大，使得间隙几何形状中的公差不对测量信号产生影响。

根据本发明的其它实施方式，传感器单元和接收单元同样借助磁通反馈装置通过磁路耦合，其中分析线圈绕磁通反馈装置缠绕并且其中由变形体的压力加载引起的导磁率变化可被确定并且因此分析线圈的电感的变化可被确定。

一方面，具有已缠绕的分析线圈的磁通反馈装置在此可被机械地插入到磁路中，并且磁通反馈装置的插入和形成闭合磁路的连接可通过相应的楔形或棒-孔状连接实现；另一方面，磁通反馈装置也可以与磁路固定地连接并且分析线圈之后再绕磁通反馈装置缠绕。

因此借助所述实施方式也能够以有利的方式实现电子或分析单元与液压或传感器单元的结构分离，这样选择所述结构分离，使得出现的间隙可实现足够的磁通引导。

以上所述两个单元的接合在最后描述的实施方式中以有利的方式通过磁路的闭合进行，所述磁路由液压或传感器单元中的磁弹性的变形元件和具有已安装的作为电子或分析单元的组成部分的分析线圈的核心材料上的磁通反馈装置构成。替代地，如以上所述，将作为电子单元的组成部分的分析线圈缠绕在液压或传感器单元中的已被实现为封闭的、导磁的芯上。

附图说明

以下借助附图详细地描述本发明的实施例。附图示出：

图1：传感器装置的示意性剖面图，其具有用于压力测量的磁弹性变形元件以及强电感耦合的传感器单元与分析单元，

图2：传感器装置的示意性剖面图，其具有用于压力测量的磁弹性变形元件以及弱电感耦合的传感器单元及分析单元，

图3：传感器装置的示意性剖面图，其具有用于压力测量的磁弹性变形元件以及与可被安装的磁通反馈装置连接的分析单元，

图4：在安装时根据图3的磁通反馈装置的部件的连接的两个实施例，

图5：传感器装置的示意性剖面图，其具有用于压力测量的磁弹性的变形元件以及与磁通反馈装置连接的分析单元，所述磁通反馈装置承载之后缠绕的分析线圈。

具体实施方式

图1示出具有磁弹性的变形元件1和传感器单元的传感器装置，所述磁弹性的变形元件1作为用于压力测量的压力体，所述传感器单元在此基本由缠绕在变形元件1上的传感器线圈2构成。分析单元基本由分析线圈3构成，所述分析线圈与电路板4上的电子电路连接。通过磁通反馈装置5实现强的电感耦合，其中变形元件1和磁通反馈装置5在此构成磁路。

所述磁路被例如约1mm或更大的、已定义的间隙6中断，从而可以通过所述间隙6将分析线圈3推入到磁路中并且因此在两个线圈2和3之间产生强的耦合。被固定地定位的传感器线圈2在此与自身的寄生电容或与附加的电容构成振荡回路。可以通过分析线圈3以自由谐振的方式自调节地激励所述振荡回路，其中随后可以通过分析线圈3读取谐振频率，如在说明书引言中所描述的那样，例如根据可在分析单元中的接收侧上测量的阻抗的相位过零来读取谐振频率。由于强的耦合，谐振频率基本由振荡回路确定。因此，分析线圈3的位置不重要。振荡回路的谐振频率取决于所使用的电容和传感器线圈2的电感。传感器线圈2的电感又取决于磁路中的、磁弹性的、通过压力p加压的元件。

可使用磁弹性的压力体、磁弹性涂装的压力体或位于介质中的磁弹性体作为变形元件1。在此，整个磁路中的磁弹性部分应尽可能大，使得所述元件的取决于压力的变化导致谐振频率的尽可能大的变化。为了使信号最优化，在此可使变形元件1的壁厚度最优化并且通过选择合适的材料使磁弹性材料的导磁率最优化。

磁通反馈装置5可由与变形元件1相同的材料构成，但在使用合适的接合技术的情况下磁通反馈装置5也可以由对于最佳磁路而言可能更适合的其它磁性材料制造。合适的接合技术在此指的是，在接合时产生的间隙6在运行期间和使用寿命期间必须保持不变。

在图2中示出了在传感器线圈2和分析线圈3之间具有弱的电感耦合的实施例，其中起相同作用的部件标有相同的参考标号。与根据图1的实施例不同的是，在此分析线圈3被设置在磁路外面，因为只存在包围传感器线圈2的磁通反馈装置7。

尽管按照图2磁路没有完全闭合，但在两个线圈2和3之间产生足够的相互作用。被固定地定位的传感器线圈2在此也与寄生电容或附加的电容构成振荡回路。现在例如可以以可变的频率激励所述振荡回路并且可以以本身已知的方式在相位和/或振幅方面对所产生的阻抗进行分析。然后，可由所分析的阻抗的频率特性确定谐振频率。分析线圈3的位置同样不重要，因为所确定的谐振频率仅仅不重要地依赖于分析线圈3的位置。在磁路的材料选择方面，与根据图1的、具有强的电感耦合的方案情况相同。

图3也示出一个传感器装置，所述传感器装置具有用于压力测量的磁弹性的变形元件1以及形式为分析线圈10的分析单元，所述分析线圈10与可被安装的、封闭的磁通反馈装置11连接。在此，作为用于测量例如液压单元的侧面上的压力p的储压器的磁弹性的变形元件1也由具有磁弹性效应并且在压力加载时具有导磁率变化的材料构成。在此，磁通反馈装置11在构造方面位于具有相应的、在此未示出的电子装置的分析单元的侧面上并且与变形元件1完全分离地构造。

为了分析由于压力变化而导致的变形元件1的导磁率变化，分析线圈10绕磁通反馈装置11缠绕，并且为了能够使传感器装置运行，通过安装磁通反馈装置11使磁路闭合，如借助箭头12所示的那样。由此可测量变形元件1范围内的导磁率变化作为整个闭合的磁路的导磁率变化。对于分析元件10而言，线圈电感随着变形元件1的范围内的导磁率变化而变化，所述线圈电感由在后连接的电子分析单元分析。

在根据本发明的传感器装置的实现中，决定性的特征是传感器或液压单元和分析单元之间的接触面13的区域中的磁通反馈装置11的质量。在如图3中所示接触面13实现为平坦的平面的情况下，在出现公差时会产生间隙，所述间隙可能对磁通反馈装置11的品质产生负面的影响。

在根据图4的细节剖面图中示出了接触面13的可能的、更有利的实现方式。两个实施方式基于：选择尽可能大的接触面积并且接触面13不应仅仅朝向一个空间方向，这允许在不同方向上的位置公差。在图4的左侧示出接触面13的楔形构造并且在右侧示出接触面13的棒形构造。在图4右侧的棒形构造中，竖直的壁（Wand）在所示出的、尚未完全插入的位置中是封闭的。

按照图5的根据本发明的传感器装置的另一实施例的基础是，与按照图3的实施例不同，分析线圈10绕已被封闭制造的磁通反馈装置15缠绕。在按照图3和4的实施方式中所述的确保足够好的磁通反馈装置的问题在此不再是决定性的。在此分析线圈10仅须绕磁通反馈装置15缠绕。在此，作为储压器的变形元件1和磁通反馈装置15被制造为一体并且分析线圈10绕已封闭的磁通反馈装置5的缠绕导致传感器单元和分析单元的耦合。

Claims (10)

1.传感器装置，所述传感器装置具有一至少部分地磁弹性的变形元件，所述变形元件用于测量由一流体引起的压力，磁弹性的变形元件可被借助所述压力加载，所述传感器装置具有一通过一磁通反馈装置形成的磁路并且具有一传感器单元和一分析单元，其特征在于，所述传感器单元定位在所述变形元件（1）上并且所述分析单元借助一分析线圈（3）在构造上分离地、但电感地与所述传感器单元耦合。

2.根据权利要求1所述的传感器装置，其特征在于，所述传感器单元具有一被定位在所述变形元件（1）上的传感器线圈（2）并且所述分析单元具有与所述传感器线圈（2）电感地耦合的分析线圈（3）。

3.传感器装置，所述传感器装置具有一至少部分地磁弹性的变形元件，所述变形元件用于测量由一流体引起的压力，磁弹性的变形元件可被借助所述压力加载，所述传感器装置具有一通过一磁通反馈装置形成的磁路并且具有一传感器单元和一分析单元，其中，所述传感器单元定位在所述变形元件（1）上并且所述分析单元借助一分析线圈（3）在构造上分离地、但电感地与所述传感器单元耦合，所述传感器单元具有一被定位在所述变形元件（1）上的传感器线圈（2）并且所述分析单元具有与所述传感器线圈（2）电感地耦合的分析线圈（3），其中，所述传感器线圈（2）与自身的寄生电容或者与一附加的电容形成一振荡回路，所述振荡回路可通过所述分析线圈（3）以自由谐振的方式借助强的电感耦合通过一包围这两个线圈（2、3）的磁路被激励，其中谐振频率可在所述分析单元中被确定。

4.根据权利要求3所述的传感器装置，其特征在于，所述谐振频率可根据所述分析线圈（3）的阻抗的相位过零被确定。

5.传感器装置，所述传感器装置具有一至少部分地磁弹性的变形元件，所述变形元件用于测量由一流体引起的压力，磁弹性的变形元件可被借助所述压力加载，所述传感器装置具有一通过一磁通反馈装置形成的磁路并且具有一传感器单元和一分析单元，其中，所述传感器单元定位在所述变形元件（1）上并且所述分析单元借助一分析线圈（3）在构造上分离地、但电感地与所述传感器单元耦合，所述传感器单元具有一被定位在所述变形元件（1）上的传感器线圈（2）并且所述分析单元具有与所述传感器线圈（2）电感地耦合的分析线圈（3），其中，所述传感器线圈（2）与自身的寄生电容或者与一附加的电容构成一振荡回路，所述振荡回路可通过所述分析线圈（3）以自由谐振的方式借助电感耦合通过一仅仅包围所述传感器线圈（2）的磁路被激励，所述磁路通过一空气间隙与所述分析线圈（3）弱地耦合，其中谐振频率可在所述分析单元中被确定。

6.根据权利要求5所述的传感器装置，其特征在于，所述谐振频率可根据以一可变化的频率被激励的所述振荡回路的阻抗的相位和/或振幅被确定。

7.传感器装置，所述传感器装置具有一至少部分地磁弹性的变形元件，所述变形元件用于测量由一流体引起的压力，磁弹性的变形元件可被借助所述压力加载，所述传感器装置具有一通过一磁通反馈装置形成的磁路并且具有一传感器单元和一分析单元，其中，所述传感器单元定位在所述变形元件（1）上并且所述分析单元借助一分析线圈（3）在构造上分离地、但电感地与所述传感器单元耦合，其中，所述传感器单元和所述分析单元借助一磁通反馈装置（11；15）通过一磁路耦合，并且所述分析线圈（10）绕所述磁通反馈装置（11；15）缠绕，其中一由所述变形元件（1）的压力加载引起的导磁率变化可被确定，并且因此所述分析线圈（10）的电感的变化可被确定。

8.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述磁通反馈装置（11）可被机械地插入到所述磁路中，所述磁通反馈装置（11）带有一已缠绕上的分析线圈（10）。

9.根据权利要求8所述的传感器装置，其特征在于，所述磁通反馈装置（11）的插入可通过在接触面（13）上的一相对应的楔形或棒-孔状的连接实现。

10.根据权利要求7所述的传感器装置，其特征在于，所述磁通反馈装置（15）固定地与所述磁路连接，并且所述分析线圈（10）之后再绕所述磁通反馈装置（15）缠绕。