用于确定机械的表面应力和/或组织状态的传感器装置和方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种用于检测铁磁性的工件的表面应力和/或组织状态的传感器装置和一种用于确定机械的表面应力和/或组织状态的方法。
【背景技术】
[0002]确定表面应力状态和组织状态是在监控机械工件的应变时的重要的任务。对此存在不同的测量方法。最常应用的方法中的一种借助于应变仪来工作，所述应变仪为了该目的必须借助于耗费的方法施加在表面上的测量点处。在工件运动时附加地需要用于主动地馈给和传输测量值的遥测设施。此外也已知无接触地进行工作的光学方法。然而两者都是非常耗费的。
【发明内容】
[0003]因此本发明的第一目的是提出一种传感器装置，所述传感器装置解决在上文中所提到的问题。另一目的是提出一种用于确定铁磁性的工件的机械的表面应力和组织状态的方法。
[0004]根据本发明，第一目的借助于提出一种用于检测铁磁性的工件的表面应力和/或组织状态的传感器装置来实现，其中:
[0005]-设有至少一个第一基础线圈系统，所述第一基础线圈系统具有第一方向和第一方向敏感性，
[0006]-设有至少一个第二基础线圈系统，所述第二基础线圈系统具有第二方向和第二方向敏感性，
[0007]-设有至少一个第三基础线圈系统，所述第三基础线圈系统具有第三方向和第三方向敏感性，
[0008]-并且其中至少第一基础线圈系统和第二基础线圈系统构成第一角差并且第二基础线圈系统和第三基础线圈系统构成第二角差，
[0009]-并且其中第一基础线圈系统设置在第二方向敏感性和第三方向敏感性之外，第二基础线圈系统设置在第一方向敏感性和第三方向敏感性之外并且第三基础线圈系统设置在第一方向敏感性和第二方向敏感性之外，使得可至少部分地确定工件的机械的表面应力。
[0010]本发明基于专门设计和设置的由多个基础线圈系统构成的传感器装置的应用。下游的计算算法确定起作用的机械的表面应力的量值和方向。为了与方向相关地确定磁导率从而确定机械的应力状态，也需要工件表面的尽可能方向灵敏的磁通势。机械的应力的检测在此以无接触的方式进行，即传感器装置不直接与表面接触。只要关于传感器装置提供特定的粗糙度或平坦度，那么也不必将任何辅助机构施加到表面上并且不必进行对工件表面的处理。传感器装置能够在测量点中求得主应力状态。随后能够从主应力状态中计算拉应力或压应力的矢量分量和沿着任意的取向方向的剪切应力。传感器装置也能够有利地应用于运动的工件、即例如旋转的轴。本发明允许无接触的和自由应用的测量原理，通过所述测量原理能够在短时间内测量工件上的极其多的测量点，或者甚至能够进行表面绘图。显然，传感器装置也还能够包括其它基础线圈系统。通过使用多于三个的这种基础线圈系统能够产生附加的冗余，或者例如也执行可信度检验。
[0011]优选地，基础线圈系统包括至少一个励磁线圈和接收线圈。这是基础线圈系统的一个非常简单的实施方案。
[0012]在优选的设计方案中，励磁线圈还有接收线圈具有线圈芯，所述线圈芯具有线圈芯直径。方向敏感性此时通过这两个线圈芯的距离的比例和/或通过这两个线圈芯直径的比例给出。
[0013]从线圈芯的直径和距离的比例中得出所述装置的方向灵敏性。小的芯直径和大的芯距离得出极其方向灵敏的传感器装置。当然，在芯距离大的情况下观察到，在影响区域中能够产生不均匀的应力分布，所述应力分布随后通过线圈系统进行准积分、即以面积的形式取中间值。因此在确定线圈系统的尺寸时有利的是，在方向敏感性和空间分辨率之间进行折衷。
[0014]在优选的设计方案中，第一基础线圈系统和/或第二基础线圈系统和/或第三基础线圈系统包括励磁线圈和接收线圈，所述励磁线圈和接收线圈设置到U形铁氧体芯上。优选地，第一基础线圈系统和/或第二基础线圈系统和/或第三基础线圈系统包括励磁线圈和第一接收线圈以及第二接收线圈，所述励磁线圈和第一接收线圈以及第二接收线圈设置在U形铁氧体芯和/或EI形铁氧体芯上，其中励磁线圈设置在、尤其居中地设置在第一接收线圈和第二接收线圈之间。显然，其它设置方案也能够是可行的。
[0015]优选地，三个基础线圈系统的至少两个励磁线圈具有串联电路。除了平衡接收器线圈系统以外，在此还尤其要注意相同的励磁。通过励磁线圈的例如电串联电路，此时在第一基础线圈系统的和第二基础线圈系统的以及第三基础线圈系统的电布线中实现尽可能相同的灵敏性。其它的用于实现不同的基础线圈系统的尽可能相同的灵敏性的电的或者电子的措施也是可行的。
[0016]除了设置具有不同的铁氧体芯的独立的基础线圈系统以外，这些基础线圈系统还能够在铁氧体芯上、例如在复合线圈上组合。当然，为此需要将装置几何结构转换到铁氧体芯(或者通常线圈芯)的构造中。这意味着:之前在三个基础线圈系统中所实现的功能性、即表面区域的沿着至少三个不同方向的磁通势，此时借助于仅一个线圈载体或铁氧体芯实现。
[0017]优选地，至少三个基础线圈系统通过复合线圈系统提供，所述复合线圈系统包括:复合励磁线圈和第一复合接收线圈作为第一基础线圈系统;复合励磁线圈和第二复合接收线圈作为第二基础线圈系统;和复合励磁线圈和第三复合接收线圈以及另一第四复合接收线圈作为第三基础线圈系统，并且其中复合励磁线圈和四个复合接收线圈设置在共同的铁氧体芯上。优选地，此外四个接收线圈具有距复合励磁线圈的相同的距离，其中相邻的接收线圈彼此间分别以相同的距离设置。这除了对称的设置方式以外还具有简单的方程组的优点，所述方程组对于计算表面应力是有利的。此外，以这种方式补偿制造传感器装置中的不对称性。
[0018]优选地，至少三个基础线圈系统通过复合线圈系统提供，所述复合线圈系统包括:复合励磁线圈和第一复合接收线圈作为第一基础线圈系统;复合励磁线圈和第二复合接收线圈作为第二基础线圈系统；和复合励磁线圈和第三复合接收线圈作为第三基础线圈系统，并且其中三个复合接收线圈以及复合励磁线圈设置在共同的铁氧体芯上。在优选的设计方案中，三个复合接收线圈具有距复合励磁线圈相同的距离，其中相邻的接收线圈彼此间分别以相同的距离设置。在优选的设计方案中，至少三个基础线圈系统通过复合线圈系统提供，所述复合线圈系统包括:复合励磁线圈和第一复合接收线圈作为第一基础线圈系统;复合励磁线圈和第二复合接收线圈作为第二基础线圈系统;和复合励磁线圈以及第三复合接收线圈、第四复合接收线圈、第五复合接收线圈和第六复合接收线圈作为第三基础线圈系统，并且其中六个复合接收线圈以及复合励磁线圈设置在共同的铁氧体芯上。优选地，六个接收线圈具有距复合励磁线圈的相同的距离，其中相邻的接收线圈彼此间分别以相同的距离设置。这(如在上文中那样)除了对称的设置方式以外还具有简单的方程组的优点，所述方程组是对于计算表面应力有利的。此外，以这种方式补偿在传感器装置的制造中的不对称性。在此，所有复合线圈也设置在共同的铁氧体芯上。
[0019]这些复合系统的接收线圈在每个方向系统具有多个线圈的情况下优选在串联电路方式运行。
[0020]独立的基础线圈系统和/或在共同的铁氧体芯上的配属于取向方向的线圈系统彼此间以特定的角差取向设置。
[0021]优选地，第一角差与第二角差相同并且尤其为45度。替选地，第一角差和第二角差为60度。第一角差和第二角差也能够为120度。在此，除了对称的设置方式以外也能够列举用于随后确定工件的表面应力的简单的方程组的优点。此外，也以这种方式补偿在传感器装置的制造中的在此确定的不对称性。同样地，任意的角差是可行的。
[0022]线圈轴线通过如下方式限定:该线圈轴线在线圈的中部垂直地伸展穿过下述平面，所述平面由线圈的绕组形成。基础线圈系统和/或复合线圈系统关于工件的表面的设置方式在此被选择为，使得实现线圈轴线相对于工件表面的正交的定向，也就是说，线圈臂(Spulenschenkel)的敞开的横截面平行于工件表面。在此，传感器装置相对于铁磁性的工件的该表面具有额定距离，其中至少第一基础线圈系统和第二基础线圈系统以及第三基础线圈系统朝向彼此具有该额定距离的最大20%的距离。然而，如果传感器装置