CN100570302C - 环型空间阵列非接触式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明针对目前国内外对强冲击、高温、腐蚀、振动大等极端环境下机械转轴扭矩的测量仍无有效检测方法的现状，提出了一种基于球对称特性和交流电磁感应原理，采用环型空间阵列和磁电式检测器组成新型的非接触式扭矩传感器。其中环型空间阵列由一个环型非磁性不锈钢管构成，管内塞满尺寸和磁特性完全相同的磁性钢球，这些钢球在钢管内紧密排列，形成一个环型阵列。磁电式检测器由铝制外壳封装而成，内部有一个缠绕着特定线圈组的塑料骨架及相应的信号处理电路。本发明根据交流电磁感应原理，从而实现扭矩信息到电信号的转化。本发明的扭矩传感器具有抗电磁干扰、抗冲击、耐振动、防油、防尘等特点，可满足极端环境下机械传动系统的动态特性测量。

Description

环型空间阵列非接触式扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种基于环形空间阵列的扭矩传感器的组成结构和测量原理。具体涉及环型空间阵列中磁性钢球的尺寸和排列方式以及扭矩信号的耦合方法及信号处理方式。

背景技术

在各类机械主轴传动系统中，扭矩是最能反映系统动态性能的典型机械量之一。通过扭矩分析，可以获得整个传动系统的性能参数。为此，国内外许多学者都致力于扭矩测量技术的研究。从物理学和材料力学出发，扭矩测量方法可以分为传递法、平衡力法和能量转换法三大类。在这三种扭矩测量方法中，传递法测量原理简单，仪器轻便，不必对被测机器做大的改动，因此目前较多地被采用，即根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化(变形、应力或应变)来测量其扭矩。

国外具有代表性的扭矩测量方法主要有如下几种：如70年代末日本提出一种基于栅降遥测技术的扭矩测量原理。将扭矩变化转变为电容的变化，以电信号形式输出。这种电容式传感器受漏磁通的影响，灵敏度差且性能和精度受扭矩传动轴的制约，未能推广。80年代末西德提出一种扭矩测量方法，在被测轴上安装两个120齿的齿轮，传感器采用差动板式霍耳试探电极，在齿顶触发。通过测量轴的扭转角，从而测出附加在一个现成传动线路的扭矩。测量的最小扭转角为±0.4°，这种方法存在的问题是检测两个齿轮位相差的方法和精度较困难，不能满足高灵敏度的扭矩测量的要求。90年代末日本又提出了一种动力传递轴的实时扭转光学监测系统，其原理是在被测轴上安装两个与轴有相同曲率的曲面镜，采用一对激光器，当激光打在随轴一起转动的镜面上时，接收器会同时接收到两个脉冲信号。当两镜面位于轴上同一轴线上时，两个脉冲信号不存在时间差，但如果有扭转产生，则会产生时间差，从而测量出扭转角。该测量方法建立在激光反射的基础之上，最大的优点是测量装置简单，测量系统分辨率高，扭转角分辨率高。但因测量时受到被测轴上下抖动、前后抖动、镜面反射角变化及轴向抖动等因素的严重影响，导致测量结果不准确。近几年，有学者依据载流导体在磁场中受电磁力作用的原理，研制了一种磁致伸缩位移动态扭矩传感器，如TDK股份有限公司在2005年申请的中国专利(CN1673700)、日立电线株式会社在2006年申请的中国专利(CN1813177)等。也有学者采用多普勒光学外差测量法，由高相干激光器发出激光投射到转轴2个平行截面4个点上，根据多普勒效应测量两个截面的相对速度，经过积分得到两截面相对转角，最终实现扭矩的测量。但实现时要用两套或多套解调电路，导致延迟时间不同而带来误差，影响了扭矩测量精度。

国内学者对扭矩的测量也做了大量的研究。如清华大学研制的无线无源声表面波(SAW)扭矩传感器；同济大学设计的针对航天微型扭杆的应变式扭矩测量传感器；燕山大学提出了非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器(CN1793807)；重庆大学提出的一种光栅式非接触扭矩测量传感器，核心部件采用玻璃计量圆光栅，具有精度高，分辨率高、全光性、抗辐射能力强、抗电磁干扰等特点，可用于高精度机械传动主轴的扭矩，但面对强冲击、高温、腐蚀、振动大等恶劣条件下主轴传动系统扭矩测量显得无能为力。

国内外相关专利如下：

CN1673700，2005年，TDK股份有限公司；

CN1813177，2006年，日立电线株式会社；

CN1793807，2006年，燕山大学

发明内容

本发明针对目前国内外对强冲击、高温、腐蚀、振动大等极端环境下机械转轴扭矩的测量仍无有效检测方法的现状，提出了一种基于球对称特性和交流电磁感应原理，采用环型空间阵列和磁电式检测器组成新型的非接触式扭矩传感器，可以实现对机械转轴扭矩的在线动态测量。由于传感器所有器件及电路元件均密封于机壳内，因此它具有抗电磁干扰、抗冲击、耐振动、防油、防尘等特点，可满足极端环境下机械传动系统的动态特性测量。

本发明的技术方案如下：

一种非接触式扭矩传感器，该传感器由环型空间阵列和磁电式检测器组成，基于球对称特性和交流电磁感应原理实现对机械转轴扭矩的在线动态测量；所述环型空间阵列由一根环型的非磁性不锈钢管和一定数目的磁性钢球组成；所述磁性钢球的尺寸及磁特性相同，所述磁性钢球单排紧密排列在所述非磁性不锈钢管内，从而形成一个环型空间阵列；所述磁电式检测器由铝制外壳封装而成，其内部有：线圈组、塑料骨架和信号处理电路；所述塑料骨架安装在铝制外壳的内壁上，所述线圈组由一个主线圈和四个次级线圈组成，主线圈和四个次级线圈按照设定间隔依次缠绕在所述塑料骨架上并环绕所述空间阵列；所述信号处理电路的输入分别与所述四个次级线圈的输出相连；根据交流电磁感应原理，在主线圈上加上设定频率和振幅的正弦信号，当受测机械转轴在扭矩的作用下产生动态扭转角时，所述磁电式检测器相对于环型空间阵列产生相应的环型位移；根据环型空间阵列内部磁性钢球的排列方式，所述主线圈与各次级线圈之间的互感系数产生相应的变化，所述信号处理电路采集所述四个次级线圈上产生相对于激励信号的感应电压信号，通过信号处理电路对所采集的感应电压信号的处理和计算，得到受测机械转轴的扭矩值，从而实现受测机械转轴扭矩的测量。

本发明提出的环形空间阵列扭矩传感器具有以下几个优点：

可利用本发明进行动态扭矩测量，即可进行随时间而变化的扭矩量的实时测量；其最突出的优点是不再和光栅一样使用玻璃材料而容易损坏和划伤，它采用非接触式测量，将所有的电路元件密封于内部，因此可以使得测量不受外部环境的制约；高达IP67的使用环境防护标准；不需要空气净化器；防尘、防水、防油；抗振动和冲击能力强；抗电磁干扰能力强；长时间工作的稳定性和可靠性好从而降低日常维护费用；安装操作方便；因为传感器材料和机械转轴的热膨胀系数差几乎为零，所以可以避免高温环境引起的热膨胀误差，提高测量精度；另外，由于本发明可以动态实时测量环型位移，若配以适当的计算机软硬件，便可以测量机械转轴的转速和角加速度；

附图说明

图1：本发明中传感器的结构平面图；

图2：本发明中传感器的俯视图；

图3：本发明中线圈组和磁性钢球相对位置关系示意图；

图4：本发明中的信号处理框图。

具体实施方式

本发明是一种基于环型空间阵列的非接触式扭矩测量方法以及传感器的组成结构，下面结合附图说明该方法和结构的具体实施方式。

传感器主要由环型空间阵列和磁电式检测器组成。图1给出了其结构平面示意图，其中环型空间阵列1由一个环型非磁性不锈钢管构成，管内塞满尺寸和磁特性完全相同的磁性钢球2，这些钢球在钢管内紧密排列，形成一个环型空间阵列。磁性钢球的具体数量和尺寸根据具体要求和不同测量对象而定。在环型空间阵列的两端有两个通孔3，用于通过螺钉等固定环型空间阵列。磁电式检测器4由铝制外壳封装而成，嵌套在环形空间阵列外部，用于屏蔽外部环境的电磁干扰，内部有一个缠绕着特定线圈组的塑料骨架和相应的信号处理电路。其中线圈组由一个主线圈和四个次级线圈组成，均采用绝缘剂贴以铜箔，然后利用照相腐蚀的办法做成印刷绕组。图3给出了线圈组和磁性钢球相对位置关系示意图，主线圈7和次级线圈8、9、10、11的宽度以及相互之间的间隔均为磁性钢球直径的1/4。主线圈用于加载激励信号，次线圈用于产生含有扭矩信息的感应信号。图2为传感器的俯视图，通孔5用于通过螺钉等固定磁电式检测器，通孔6用于传感器信号的输出。主次线圈之间的互感原理为：

假设在磁芯上绕有两个线圈N₁和N₂，当匝数为N₁的初级线圈通入激励电流i₁时，初级线圈中产生自感应磁通φ₁₁，其中将有一部分磁通φ₂₁穿过匝数为N₂的次级线圈，从而在次级线圈中产生互感电动势u₂₁，其表达式为

$u_{21}=\frac{d{\mathrm{\ψ}}_{21}}{\mathrm{dt}}=M_0\frac{{\mathrm{di}}_1}{\mathrm{dt}}$

式中，ψ₂₁为穿过N₂的磁链，ψ₂₁＝N₂φ₂₁；M₀为两线圈的互感系数。

当激励电流为正弦稳态形式且其角频率为ω时，可用相量表示其伏安关系

${\stackrel{\·}{U}}_{21}=\mathrm{j\ω}{M}_0{\stackrel{\·}{I}}_1$

因为 ${\stackrel{\·}{I}}_1={\stackrel{\·}{U}}_1/(r_1+\mathrm{j\ω}{L}_1),$ 其中为激励电压对应的相量，r₁为初级线圈的有效电阻，L₁为初级线圈电感，则次级线圈开路输出电压

为

${\stackrel{\·}{U}}_{21}=\mathrm{j\ω}{M}_0{\stackrel{\·}{U}}_1/(r_1+\mathrm{j\ω}{L}_1)$

有效值即相量的模为 $U_{21}=\mathrm{\ω}{M}_0{U}_1/{(r_1^2+{\mathrm{\ω}}^2{L}_1^2)}^{1/2}=k_1{U}_1{M}_0$ (k₁为常数)。由此可知，输出电压信号的幅值正比于主次线圈的互感系数。

由于输出电压信号的幅值正比于主次线圈的互感系数，即U₂₁∝M₀，而互感系数与磁介质的性质有关，在该扭矩传感器的设计中则与线圈套住的磁性钢球的有效体积有关。为了利用鉴相的方式测量线圈的环型位移，设计了四组次级线圈(N₂₁，N₂₂，N₂₃，N₂₄)，每组宽度为D/4(D为磁性钢球的直径)，间隔也为D/4。这样当磁电式检测器相对于环型空间阵列运动时，每组线圈套住的磁性钢球的有效体积近似呈正弦变化，从而导致主线圈与每组次级线圈的互感系数M₀也呈正弦变化，且相位差90°。

如果被测机械转轴在受到扭矩的作用时磁电式检测器相对于环型空间阵列产生了x的环型位移，那么互感系数M₀可表达为

M₀＝k₂(sin(2πx/D)+A)

当u₁＝U_1msin ωt时，四组次级线圈感应电压的有效值分别为

U₂₁₁＝k₁U₁k₂(sin(2πx/D)+A)＝kU₁(sin(2πx/D)+A)

U₂₂₁＝k₁U₁k₂(sin(2πx/D+π/2)+A)＝kU₁(sin(2πx/D+π/2)+A)

U₂₃₁＝k₁U₁k₂(sin(2πx/D+π)+A)＝kU₁(sin(2πx/D+π)+A)

U₂₄₁＝k₁U₁k₂(sin(2πx/D+3π/2)+A)＝kU₁(sin(2πx/D+3π/2)+A)

其中，k为比例系数，A为互感系数产生的直流分量。由此说明，四组次级线圈感应信号的幅值均受环型位移x的调制，且各有90°的相位差。图4给出了四组次级线圈感应信号的处理框图，其中方框12实现第一、三组次级线圈感应信号的相减再移相，从而得到

方框13实现第二、四组次级线圈感应信号的相减再移相，从而得到

方框14功能主要是对以上两路输出信号相加后输出，便可得到相对于激励信号正比于环型位移量x的调相信号

u_out＝Ksin(2πx/D+ωt-45°)

根据材料力学，当扭矩M作用在直径为d、长度为l的弹性轴上时，转轴将在材料的弹性极限内产生与扭矩成线性关系的扭转角

有

式中，G为切变模量；I_P为极惯性矩，对直径为d的圆轴，I_P＝πd⁴/32。按转轴变形测量时，有

因此，可根据扭矩和转轴扭转角的关系得到传感器的数学模型

其中r为磁电式检测器的固定点到环型空间阵列轴线的垂直距离。由上式可以看出，扭矩传感器输出的电压信号和激励信号同频率但相位不同，其差值正是被测扭矩的表达式。故通过比较输出信号和激励信号的相位，便可求出被测扭矩的量值。

以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并且因此使得本领域的技术人员能够做出和使用本发明。但这仅仅是一个较佳的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims (7)

1、一种环形空间阵列非接触式扭矩传感器，该传感器由环型空间阵列和磁电式检测器组成，基于球对称特性和交流电磁感应原理实现对机械转轴扭矩的在线动态测量；其特征在于：

所述环型空间阵列由一根环型的非磁性不锈钢管和一定数目的磁性钢球组成；

所述磁性钢球的尺寸及磁特性相同，并单排紧密排列在所述非磁性不锈钢管内，从而形成一个环型空间阵列；

所述磁电式检测器由铝制外壳封装而成，其内部有：线圈组、塑料骨架和信号处理电路；所述塑料骨架安装在铝制外壳的内壁上，所述线圈组由一个主线圈和四个次级线圈组成，主线圈和四个次级线圈按照设定间隔依次缠绕在所述塑料骨架上并环绕所述环型空间阵列；所述信号处理电路的输入分别与所述四个次级线圈的输出相连；

根据交流电磁感应原理，在主线圈上加上设定频率和振幅的正弦信号，当受测机械转轴在扭矩的作用下产生动态扭转角时，所述磁电式检测器相对于环型空间阵列产生相应的环型位移；根据环型空间阵列内部磁性钢球的排列方式，所述主线圈与各次级线圈之间的互感系数产生相应的变化，所述信号处理电路采集所述四个次级线圈上产生的相对于激励信号的感应电压信号，通过信号处理电路对所采集的感应电压信号的处理和计算，得到受测机械转轴的扭矩值，从而实现受测机械转轴扭矩的测量。

2、根据权利要求1所述的环形空间阵列非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述环型空间阵列的非磁性不锈钢管采用冷拔或冷轧无缝钢管生产工艺技术；所述磁性钢球采用标准钢球生产工艺及纵向低电压交流磁化工艺。

3、根据权利要求1所述的环形空间阵列非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述磁电式检测器中的线圈组均采用绝缘剂贴以铜箔，然后利用照相腐蚀的办法做成印刷绕组；所述信号处理电路采用硅平面工艺为基础的单片集成电路。

4、根据权利要求1或2所述的环形空间阵列非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述环型空间阵列的磁性钢球的具体尺寸、磁化率根据测量对象的大小而定。

5、根据权利要求1或3所述的环形空间阵列非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述线圈的宽度均为磁性钢球直径的1/4，每个线圈之间的间隔距离为磁性钢球直径的1/4。

6、根据权利要求1、2或3所述的环形空间阵列非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述的环型空间阵列和磁电式检测器通过紧密加工工艺实现。

7、根据权利要求1、2或3所述的环形空间阵列非接触式扭矩传感器，其特征在于：所述的信号处理电路将所述次级线圈中的第一和第三次级线圈感应电压信号相减再移相，从而得到第一路电压信号：

其中，U_S1为输出电压信号；k为待定常数；U₁为主线圈的激励电压；x为磁电式检测器相对于环形空间阵列产生的环形位移；D为磁性钢球的直径；ω为主线圈激励电压的频率；

所述的信号处理电路将所述次级线圈中的第二和第四次级线圈感应电压信号相减并移相，得到第二路电压信号：

其中，U_S2为输出电压信号；k为待定常数；U₁为主线圈的激励电压；x为磁电式检测器相对于环形空间阵列产生的环形位移；D为磁性钢球的直径；ω为主线圈激励电压的频率；

所述信号处理电路将以上两路输出信号相加，得到相对于激励信号正比于环型位移量x的调相信号：

u_out＝Ksin(2πx/D+ωt-45°)    (3)

根据材料力学原理：

其中，M为作用在直径为d、长度为l的弹性轴上时产生的扭矩值，

为弹性轴将在材料的弹性极限内产生与扭矩成线性关系的扭转角；

由(3)式和(4)式可得受测扭矩M和所述调相信号之间的函数关系：

式中，G为切变模量；I_P为极惯性矩；

根据(5)所示的受测扭矩M和所述调相信号之间的函数关系，实现对受测机械转轴扭矩的测量。

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