CN1030642A

CN1030642A - 磁弹性扭矩传感器

Info

Publication number: CN1030642A
Application number: CN 87104724
Authority: CN
Inventors: 李国林; 阮利民
Original assignee: Prospecting Technique Inst First Metallurgy And Geologic Exploration Corp Min
Current assignee: Prospecting Technique Inst First Metallurgy And Geologic Exploration Corp Min
Priority date: 1987-07-15
Filing date: 1987-07-15
Publication date: 1989-01-25

Abstract

本发明公开了一种利用磁致伸缩效应，采用非接触方式检测的新型磁弹性扭矩传感器。它广泛地应用于测量静态和动态扭矩。本发明通过在扭矩传动轴粘贴软磁合金薄带的部位均匀镀一层铜，在该铜镀层上分别粘贴两组完全对称，与扭矩传动轴成 ±45°角的软磁合金薄带，并在扭矩传动轴外围对应安装两组激磁线圈、检测线圈，在线圈外层安装一个磁性外罩，从而有效地提高了灵敏度和抗干扰能力。检测线圈经过信号预处理电路直接输出直流信号，改善了零位输出性能，简化了二次仪表结构，减小了系统误差。

Description

本发明涉及了一种利用软磁材料磁致伸缩效应，以非接触方式，测量扭矩或转矩的传感器。特别是一种输出电平高、线性好、抗干扰能力强的磁弹性扭矩传感器。本磁弹性扭矩传感器可广泛地应用于测量静态和动态扭矩。

现有的扭矩传感器分为三类：第一类为应变片式的扭矩传感器，它使用一组应变片作为敏感元件。应变片以桥式回路的形式粘贴在扭矩传递轴上，这种传感器存在下列问题：应变片用于回转系统时，需要遥测仪表或用于联接应变片的集流环装置，集流环属于磨损件，因而寿命短，同时维修十分困难。第二类是扭转角式的扭矩传感器，它使用安装在传动轴上两个不同部位的磁性元件或反射元件作为敏感元件，通过对两个部位的相位差测定来测量扭矩。这类传感器体积很大，安装不方便，同时低速的性能较差。第三类为磁弹性扭矩传感器，它利用磁性材料的磁致伸缩效应原理来检测扭矩。它由激磁线圈、测量线圈和弹性轴所组成，这类传感器能实现非接触方式的扭矩测量，对原测量系统无不利影响。如日本专利（昭和61-42180）所提出的一种磁弹性传感器。但它存在着两个不可避免的问题：①它在传动轴上垂直粘贴了一层作为应力敏感元件的软磁合金薄带，并且测量线圈只有一组，当轴矩为零时，输出信号不为零，使二次仪表复杂化，增加了系统误差。另外②为了避免轴体材料本身磁性对于测量的影响，它在薄带与轴体材料之间粘贴了一层铝片，起屏蔽作用，但粘贴工艺较复杂，很难以保证外表面与轴的同心度，而且有内应力存在，直接影响测定的准确性。

本发明的任务是要提供一种新型的磁弹性扭矩传感器。它能不受轴体表面内应力及轴体本身磁性不均匀的影响，达到输出信号稳定、灵敏度高、线性度好及抗干扰能力强的测量效果。

本发明的任务是以如下方式完成的：

在磁弹性扭矩传感器的扭矩传动轴1上，粘贴软磁合金薄带的部位先镀有一层铜2，起磁屏蔽作用，避免轴体材料磁性的干扰。在该铜镀层上分别粘贴两组完全对称、具有均匀间隔的软磁合金薄带3、3′，两组软磁合金薄带的数目相同，且互相对称成人字型，与扭矩传动轴的轴心线成±45°角粘贴。本发明中的两组软磁合金薄带采用Fe-Si-B构成的非晶态合金。在上述的软磁合金薄带的外围分别设置两组由激磁线圈6、7和检测线圈8、9组成的园筒形线圈，激磁线圈位于检测线圈的里面。两组线圈分别与两组软磁合金薄带相对应。两个激磁线圈串联，用交流电源11在扭矩传动轴11的表面区域内建立恒定的交变磁场。两个检测线圈差动联接。这样，当扭矩传动轴所承受的扭矩为零时，检测线圈的输出为零;当扭矩传动轴承受扭矩或转矩时，两组软磁合金薄带在其粘贴的方向上分别承受拉、压应力，其磁致伸缩作用分别增加或减小，这样在差动检测线圈中就有一个正比于扭矩的电压信号输出，这个信号在传感器上经过信号予处理后直接送入显示。另外，在线圈的外面罩有E字型磁性外罩10，该外罩由高导磁性、低铁损耗、低矫顽力的软磁材料构成，它与粘贴在扭矩传动轴上的软磁合金薄带3、3′一起，构成闭环磁路，有效地提高了灵敏度、线性度及抗干扰能力。本发明制作工艺简单，它能不受轴体本身磁性不均匀的影响，达到输出信号稳定，测量准确的效果。另外该传感器本体中还附加安装一组由霍尔元件及磁钢齿轮组成的转速传感器，可以同时测量传动轴的转速。本发明广泛地应用于测量：

a、内燃机、电动机、柴油机等各种动力机的输出扭矩。

b、压缩机、水泵等各种工作机工作时所需扭矩。

c、各种机床在操作过程中所需扭矩。

d、各种动力传递系统所传递的扭矩及其传递效率等……

以下将结合附图对本发明作进一步详细地描述：

图1为本发明原理示意图。

图2为本发明结构示意图。

图3为本发明激磁线圈的电源供给线路和检测线圈输出信号的信号予处理线路图。

参照图1、图2，本发明为了避免磁通量在扭矩传动轴体1上泄漏，在扭矩传递轴1的粘贴软磁材料的扭矩测量部分均匀地镀上一层铜2，起磁屏蔽作用。在铜层的外表的两个平行的园环区域内，分别以与轴中心线成+45°和-45°的方向粘贴两组完全对称，具有均匀间隔的软磁合金薄带3、3′。两组软磁合金薄带的数目相同，且互相对称成人字型。软磁合金薄带采用以Fe-Si-B构成非晶态合金。在扭矩传动轴粘贴软磁薄带的外围，分别同心地安置一个线圈骨架4、5，每个线圈骨架上先绕有激磁线圈6、7，然后再绕有检测线圈8、9，激磁线圈6、7串联，利用交流电源11起激磁作用，在扭矩传动轴表面建立稳定的交变磁场。检测线圈8、9差动联接，分别检测两条薄带中磁通量的变化，输出一个正比于扭矩的电压信号，在线圈骨架的外层还包围着E型磁罩10，磁罩10是由导磁材料组成，它和粘贴在扭矩传动轴1上的非晶质合金薄带3、3′一起构成闭环磁路，可减少磁通损失，改善了传感器的灵敏度、线性度及抗干扰性。当扭矩传动轴所承受的扭矩为零时，两条薄带的导磁率相等，两个检测线圈8、9的感应电动势相等，差动联接后输出为零，保证了零位输出特性。当传动轴承受如图所示的扭矩时，依据材料力学分析，左边的薄带3在长度方向上承受压应力，右边的薄带3′在长度方向上承受拉应力。由于非晶态合金薄带具有正磁致伸缩系数，承受拉应力的方向上导磁率增高，承受压应力的方向上的导磁率降低，磁通的分布失去了原有的平衡，由激磁线圈所产生的分布在右边薄带3′上的磁通量增加，而左边薄带3的磁通量减小。相应地检测线圈8中的感应电动势增加，而检测线圈9中感应电动势减小，差动联接以后就有一个电压信号输出。检测线圈8中感应电动势的增加量和检测线圈9中感应电动势的减小量相等，所以差动输出信号为单组线圈输出信号的两倍，增加了灵敏度。

参照图3：在扭矩传感器本体上附加了一个信号予处理电路。将两组测量线圈的输出端分别接在两组信号予处理电路的输入端。该信号予处理电路的功能是分别将测量线圈中产生的交变感应电压予先进行解调、滤波，然后再进行差动联接，为此有效地避免了由于两组交变感应电压之间存在的相移所引起的（差值）零位电压不为零的缺点（直流电压无相移，只要数值相等，其差值必然为零）。并且解决了传感器不需任何附加条件就能直接测试顺时针和反时针两种方向的扭矩。当激磁线圈6、7在接通交流电源后便引起激磁作用，在扭矩传动轴1的表面区域内建立稳定的交变磁场，从而由检测线圈8、9输出的电位信号则分别经过信号予处理线路的解调、滤波，然后再进行差动比较，直接送入测量仪表显示。由于输出电平较高无需放大即可直接送入显示，简化了二次仪表的结构，所以大大地减小了仪器的系统误差。

Claims

1、一个由扭矩传动轴1，软磁合金薄带3、3′，激磁线圈6、7，检测线圈8、9，磁性外罩10所组成的磁弹性扭矩传感器，其特征在于扭矩传动轴上粘贴软磁薄带部位事先镀有铜覆盖层2，在铜层2的外表的两个平行的园环区域内，分别粘贴两组完全对称，具有均匀间隔的软磁合金薄带3、3′，两组软磁合金薄带的数目相同，且相互对称成人字型；在扭矩传动轴粘贴软磁薄带的外围，同心地对应安装了两组激磁线圈6、7和检测线圈8、9，在两组检测线圈的外围安装了E字型磁性外罩10。

2、根据权利要求1所述的磁弹性扭矩传感器，其特征还在于：软磁合金薄带3、3′分别与扭矩传动轴中心线成±45°方向粘贴。

3、根据权利要求1、2所述的磁弹性扭矩传感器，其特征还在于：所说的软磁合金薄带为Fe-Si-B系构成的非晶态合金。

4、根据权利要求1、2所述的磁弹性扭矩传感器，其特征还在于：所述的检测线圈与一个能输出直流信号的直接解调的信号予处理装置相联接。

5、根据权利要求3所述的磁弹性扭矩传感器，其特征还在于：所说的检测线圈与一个能输出直流信号的直接解调的信号予处理装置相联接。