CN101393060A - 非接触式传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种非接触式传感器，包括输入轴、输出轴、镶嵌件、屏蔽罩、电感检测线圈：输入轴套接在输出轴上，输出轴中空，内设有扭杆，扭杆的一端固定在输入轴上，另一端固定在输出轴上；镶嵌件固定在输入轴或输出轴的任一轴上，屏蔽罩固定在剩下的任一轴上，镶嵌件外部安装有屏蔽罩，屏蔽罩外部设置有固定在减速器端盖上的电感检测线圈；镶嵌件的外表面设有均布的若干个键齿，屏蔽罩上开设有与镶嵌件上的键齿相配合的窗口。本发明具有没有接触磨损、使用寿命长的优点。

Description

非接触式传感器

技术领域

本发明属于车辆转向系统，具体涉及电动助力转向系统中的一种力矩传感器。

技术背景

传感器是汽车电子控制系统中关键部件之一。在发动机、底盘和车身三部分的控制系统中都有广泛应用。一辆乘用车上目前约有十几到近百个传感器，所以未来汽车将成为传感器的最大应用市场。

汽车所使用的传感器不仅数量大而且品种多。为了更好的满足使用要求，目前还在不断地开发新型汽车用传感器。要求这些传感器能适合大批量生产、耐震、耐水、耐热、工作可靠稳定性良好、结构简单、尺寸小、质量轻、便于安装、除此之外传感器的测定范围、精度、灵敏度、分辨力应符合要求以及传感器的互换性、使用寿命和经济性都应达到较高水平。

力矩传感器分为非接触式和接触式两种。一种已经在汽车电动助力转向上得到应用的接触式力矩传感器，因存在有结构复杂、螺旋滚道加工困难和所需设备昂贵、而且因工作时有接触磨损使寿命缩短、磨损后还会导致传感器的灵敏度降低等原因将淡出市场。

发明内容

针对现有技术中存在的以上缺陷，本发明提供一种结构简单、制造容易、灵敏度高和工作时没有接触磨损、使用寿命长的非接触式力矩传感器结构。

本发明采用的技术方案如下：一种非接触式传感器，包括输入轴、输出轴、镶嵌件、屏蔽罩、电感检测线圈：输入轴套接在输出轴上，输出轴中空，内设有扭杆，扭杆的一端固定在输入轴上，另一端固定在输出轴上；镶嵌件固定在输入轴或输出轴的任一轴上，屏蔽罩固定在剩下的任一轴上，镶嵌件外部安装有屏蔽罩，屏蔽罩外部设置有固定在减速器端盖上的电感检测线圈；镶嵌件的外表面设有均布的若干个键齿，屏蔽罩上开设有与镶嵌件上的键齿相配合的窗口。

本发明的非接触式传感器，镶嵌件为两个，用镶嵌方式固定在轴上；各镶嵌件的结构尺寸相同，两个镶嵌件的键齿在周向相互对称错开。

本发明的非接触式传感器，电感检测线圈为两个，其中一个作为补偿线圈。

本发明的非接触式传感器，镶嵌件用导磁体材料制作。

本发明的非接触式传感器，镶嵌件上的键齿为矩形键齿。

本发明具有以下优点：

(1)由于镶嵌件采用导磁体材料制作，其灵敏度得到明显提高。

(2)使用本发明的传感器，各元器件几乎没有接触磨损，使用寿命长。

(3)本发明传感器采用镶嵌式结构，使与之相关的各结构件结构简单、工艺性良好、制造容易。

(4)本发明传感器的输出轴结构简单，不需要购置昂贵的加工设备。

附图说明：

图1为本发明实施例的结构装配图；

图2为本发明实施例的导磁体镶嵌件的构造图；

图3为本发明实施例的导磁体镶嵌件安装后的位置关系示意图；

图4为本发明实施例的屏蔽罩构造图；

图5为图1中的A—A剖面图；

图6为图1中的B—B剖面图；

图7为本发明实施例的转向盘在中间位置时的使用状态图；

图8为本发明实施例的转向盘向右转时的使用状态图；

图9为本发明实施例的转向盘向左转时的使用状态图；

图10为本发明实施例的电路原理图。

具体实施例：

如图1、2、3所示，本发明的非接触式力矩传感器装置包括输入轴1，屏蔽罩2、上电感检测线圈3、下电感检测线圈4、输出轴5、销钉6和销钉10、扭杆7以及上导磁体镶嵌件9和下导磁体镶嵌件8。

其中，输入轴1右端的内孔按直径大小不同分为三级，在最小也是最深的内孔中插入扭杆7并经销钉10使之相互固定成为一体。在输入轴1最大的内孔处装有输出轴5，输出轴5的芯部是通孔，内装扭杆7。扭杆7的右端通过销钉6与输出轴5固定为一体。

输出轴5左侧靠近输入轴1的地方，安装有上导磁体镶嵌件9和下导磁体镶嵌件8。导磁体镶嵌件8、9用镶嵌方式固定安装在输出轴5上。两导磁体镶嵌件8、9的外观结构如图2所示，它们的表面有8条均布的矩形键齿。装配到输出轴5上时两导磁体镶嵌件之间的矩形键齿在周向相互对称错开，见图3所示。导磁体镶嵌件的外部安装有屏蔽罩2，屏蔽罩2左侧的末端固定在输入轴1的环形槽内。实际使用时，只要使镶嵌件和屏蔽罩固定在不同的轴上即可。所以可以将导磁体镶嵌件9和下导磁体镶嵌件8安装在输入轴1上，对应的屏蔽罩2末端固定在输出轴5上。

屏蔽罩2上设有上、下两圈每圈有8个各自与导磁体镶嵌件8、9上的矩形键齿相配合的矩形窗口，上圈称为屏蔽罩上窗口11，下圈称为屏蔽罩下窗口12，如图4所示。图5为下导磁体镶嵌件的矩形键齿与屏蔽罩下窗口之间的安装位置关系，图6为上导磁体镶嵌件的矩形键齿与屏蔽罩上窗口之间的安装位置关系。屏蔽罩2外部的两圈窗口处，各安放一个电感检测线圈，即上、下电感检测线圈3和4。

图7为本发明实施例的转向盘在中间位置时导磁体镶嵌件的矩形键齿与屏蔽罩窗口之间的位置关系图。图中各窗口位于导磁体镶嵌件键齿的齿槽上部。

图8为本发明实施例的转向盘向右转时，屏蔽罩下圈各窗口位于导磁体镶嵌件键齿的齿顶上部，而上圈各窗口仍位于导磁体镶嵌件键齿的齿槽上部。

图9为本发明实施例的转向盘向左转时，屏蔽罩上圈各窗口位于导磁体镶嵌件键齿的齿顶上部，下圈各窗口仍位于导磁体镶嵌件键齿的齿槽上部。

图10为本发明实施例的电路原理图。图中13、14为电阻，3和4为电感检测线圈。

本发明工作原理如下：

只有在汽车转弯行驶时才需要助力，首先驾驶员要对转向盘施力，因本发明中的转向盘通过转向轴与本发明实施例的输入轴联接，故输入轴相对输出轴转动一个角度，即两轴间产生相对角位移。另一方面本发明的镶嵌件，采用的是导磁体材料和键齿形状结构。因导磁体镶嵌件固定在输出轴上，所以也要同输出轴一起转动，结果两电感检测线圈之一的齿部相对面积发生变化，这又导致磁路磁阻变化，电路的线圈阻抗也发生变化。而在齿部相对面积没有发生变化的电感检测线圈处，线圈的阻抗没有变化，见图7、8、9。

如图10所示，前置放大器借助于阻抗，各线圈加上振荡器信号，线圈阻抗发生变化，则线圈端电压Vs、Vr随之发生变化，但在这种情况下Vr不变。

Im∝K(Vs—Vr)+Cm             (1)

Is∝K(Vs—Vr)+Cs

回路中由于存在上述关系式，Vs的变化作为Im、Is的变化输出。

还有设计了Im、Is两个输出系统，为确保安全性相应电子回路也采用双回路设计。

还有本设计的两个线圈互为补偿线圈，其意义为：随着外界温度的变化，线圈阻抗发生改变，因这种变化在电感检测线圈和电感补偿线圈中同时产生，所以从(1)式中可以看出其变化相互抵消，即由于温度变化电压变化为

，则(1)式变为：

$\mathrm{Im}\∝K(\mathrm{Vs}+\mathrm{\ΔVs}-\mathrm{Vr}-\mathrm{\ΔVr})+\mathrm{Cm}---\left(12\right)$

若 $\mathrm{\ΔVs}=\mathrm{\ΔVr},$ 则(2)式等于(1)式，Im的变化体现不出来。

本发明工作过程可分为如下三个阶段：

(1)工作前准备阶段

本发明的输入轴与转向盘连接，输出轴经转向器和转向传动机构与转向轮连接。驾驶员转动转向盘之前屏蔽罩上、下两圈窗口相对于上、下导磁体镶嵌件上的键齿位置关系在如图7所示的中间位置处。此时汽车直线行驶，无转向助力需求。

(2)转向阶段

转向有顺时针转动和逆时针转动两种情况。在顺时针转动转向盘的瞬间，见图8，屏蔽罩和输入轴作同向、同步转动。而输出轴因转向轮受到较大的阻力作用不动，这表明已有助力需求。此刻扭杆两端相对扭转变形，故屏蔽罩相对导磁体镶嵌件顺时针转动，结果B—B剖面处的屏蔽罩上窗口与上导磁体镶嵌件之间的相对位置关系虽有改变，但没有发生本质变化，即磁路磁阻和上电感检测线圈阻抗没有变化。而A—A剖面处的屏蔽罩下窗口与下导磁体镶嵌件的相对关系，因屏蔽罩下窗口的转动使下导磁体镶嵌件的键齿露出，结果导致磁路磁阻发生变化，下电感检测线圈阻抗也发生变化。再经过信号调理电路处理将此信号输送至控制器，之后由控制器向电机发出助力指令。逆时针转动转向盘的情况，见图9，与顺时针转动转向盘的情况相似，只是屏蔽罩下窗口与下导磁体镶嵌件的相对关系没有本质变化，而上导磁体镶嵌件的键齿露出，其余结果与上述相似。

(3)回正阶段

停止转动转向盘以后，在转向轮自动回归到直线行驶位置的同时也带动本发明所述的输出轴转回到初始位置，并且转向盘也回转到中间位置，即本发明所述各组成件的相互位置关系又恢复到转向前状态，之后两检测线圈检测到的信号一样而且等值。

Claims (7)

1、一种非接触式传感器，其特征是：包括输入轴、输出轴、镶嵌件、屏蔽罩、电感检测线圈：输入轴套接在输出轴上，输出轴中空，内设有扭杆，扭杆的一端固定在输入轴上，另一端固定在输出轴上；镶嵌件固定在输入轴或输出轴的任一轴上，屏蔽罩固定在剩下的任一轴上，镶嵌件外部安装有屏蔽罩，屏蔽罩外部设置有电感检测线圈；镶嵌件的外表面设有均布的若干个键齿，屏蔽罩上开设有与镶嵌件上的键齿相配合的窗口。

2、如权利要求1所述的非接触式传感器，其特征在于：镶嵌件为两个，用镶嵌方式固定在轴上；各镶嵌件的结构尺寸相同，两个镶嵌件的键齿在周向相互对称错开。

3、如权利要求1或2所述的非接触式传感器，其特征在于：电感检测线圈为两个，其中一个作为补偿线圈。

4、如权利要求1或2所述的非接触式传感器，其特征在于：镶嵌件用导磁体材料制作。

5、如权利要求3所述的非接触式传感器，其特征在于：镶嵌件用导磁体材料制作。

6、如权利要求1或2所述的非接触式传感器，其特征在于：镶嵌件上的键齿为矩形键齿。

7、如权利要求5所述的非接触式传感器，其特征在于：镶嵌件上的键齿为矩形键齿。

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