CN1039483A

CN1039483A - 磁致伸缩转矩传感器

Info

Publication number: CN1039483A
Application number: CN89104920.7A
Authority: CN
Inventors: 罗伯特·D·克罗伯; 埃里克·B·维克莫斯塔德
Original assignee: Sensortech LP
Current assignee: Sensortech LP
Priority date: 1988-07-21
Filing date: 1989-07-20
Publication date: 1990-02-07
Also published as: US4939937A; WO1990001152A1; JPH04500118A; EP0352187A1; AU4035589A; AU620135B2; EP0430977A1; BR8907571A

Abstract

一种基于磁致伸缩原理的敏感转矩的方法。在一个轴中感应主磁通并获得一个是次磁通函数的与转矩有关的次信号：它通过象辅助铁心/线圈这样的装置获得一个辅助信号并利用这一信号和合适的电路来消除在次信号中的非转矩引起的变化。第一实施例的装置利用辅助信号以保持主磁通的幅度实际不变。第二实施例装置把次信号除以辅助信号。第三实施例的装置利用绕轴(20)合理配置多个传感器以消除由于弯曲应力和不同轴引起的寄生信号。

Description

本发明与一个基于磁致伸缩原理的转矩传感器有关，更具体地说，当一个改进的磁致伸缩传感器有关，它较当今技术水平的传感器更简单，更精确、更经济并更适于批量生产和应用。

工程师和科学家们探索一种简单的、可靠的、准确的测量旋转轴的转矩的方法经历了一个多世纪。这种转矩测量装置的应用包括对大量的不同型式的诸如汽车、船只和飞机的引擎的旋转驱动机械，各种型式的电动机和发电机、钻油井机、旋转加工工具，电力驱动、机器人等的诊断、预测和负载水准的监示。

而且，由引擎（或发电机）所产生的功率的测量在轴的转矩和旋转速度都不知道的情况下不能进行。所以至目前为止还没有现成的简单地、精确地、可靠地确定旋转驱动器件的在线功率的装置。在许多当代技术领域这已证明是一个悬而未决的问题。然而，在力图发展提高燃料效率并使引擎性能最佳化的近代汽车引擎控制系统方面这是一个特别困难的问题。

到目前为止，已发展了几种方法来测量旋转轴转矩（见下面），但设有一种是理想的，就是说，没有一种现在所了解的简单的方法能提供下列的所要求的全部特性：

1.无接触（无集流环）

2.可靠（低失效率）

3.准确

4.小而不引人注目（几乎不需要轴/引擎的修改）

5.花费少

6.可用于高速和低速情况。

7.瞬时转矩测量（即不是在几个旋转周期上的平均转矩）

8.适合于批量生产（不仅限于特殊的测试装置）。

目前有四种不同的方法直接在旋转轴上测量转矩：

1.轴的扭转角测量

2.应变仪传感器

3.反作用力测量

4.磁致伸缩传感器

扭转角方法包括测量轴的扭转角。并利用轴的材料特性和尺寸的大小把该角同转矩联系起来。它需要复杂、笨重的机械，效率低、校准困难，并且需要沿着轴的不同位置。它总是要求彻底的引擎修改，一个花费昂贵的试尝。

应变仪方法需要把应变仪接合到轴表面上并把应变测量转换成转矩。它仅限于低速情况，不适于批生产，寿命短，并需要象汇流环和电刷之类的装置把信号从轴上取下。

反作用力测量把牛顿第二定律用于旋转运动的给出引擎支架的力和运动同轴转矩之间的关系。该方法必须利用一个大的结构，灵敏度低，对生产操作不方便，并且测量的是驱动线的转矩而不是引擎的转矩。

磁致伸缩传感器利用了铁磁材料磁致伸缩特性的优点，拉应力使一给定的该材料所载的磁感应场（即“B”场）增加（压应力使其减小）。绕在铁心上圈数的合适的线圈安置在靠近轴附近，通过该导线的电流在旋转轴中感应出磁场。在如美国专利2，912，642和4，589，290中所描述的磁致伸缩传感器的设计中，绕在第二个铁心上的适宜圈数的第二个线圈也设置在靠近该轴并用于测量的加转矩产生的表面应力的增加引起的感应（“B”场）的变化。

磁致伸缩方法较其他三种方法有几个优点：

1.非接触：无汇流环

2.不限于低速度

3.直接测量引擎转矩

4.高的灵敏度

5.经济

6.结构简单，不需应变仪，无须大设备

7.仅需轴上任何地方一个位置，不需多少引擎的修改。

8.经久可靠：没有运动部件引起机械损坏，抗引擎环境的高压和高温

9.易于小型化：可以做得不引入注目

然而，到目前为止，磁致伸缩转矩传感器还存在几个主要问题使它没能成为该领域中的标准器具，它们是：

1.即使在固定转矩的情况下，信号的输出也随RPM（每分钟的转数）而变化。

2.输出信号随温度而变化

3.寄生信号在一个机械周（轴转一周）内的变化使不可能精确瞬时的测量转矩，测量几周内的平均值是可能的。

4.用于解决上述1至3问题的在美国专利4，589，2904，697，459和SAE（美国汽车工程师学会）的文章＃870472中所描述的校正方法还没能把这些不精确性降低到可以接受的水平。

5.到此为止所研究的全部校正方法都含有复杂而昂贵的电子线路和/或附加的对于温度和RPM（每分钟转数）的传感器。

6.另外，所有这些校正方法都受各自轴的材料和特性的细微变化的影响，如剩余应力、轴中磁特性的少许各向异性、轴的公差/不同轴、轴的弯曲应力等。所以，这些方法对每个特定的轴都要做具体的修正因而不适于批生产。

7.还有，这种校正方法在该轴整个服用期间要反复校正，因为剩余应力值、公差、不同轴性、弯曲应力、甚至磁性性的合向异性特性都是随时间变化的（特别是在象汽车引擎这样的高温环境中）反复校正象汽车引擎这样的机械是这样地困难以致使这种校正方法很不实际。

在磁致伸缩转矩传感器发明的几个总的目标和较先前技术的几个优点是相当大地改善了精度，达到了可以接受的水平之内，设计简单降低了成本，适合于批生产以及连续使用的可行性。

这几个总的目标和优点是由下列几个具体的目标和优点达到的：

1）消除信号对轴转速的依赖关系

2）消除信号对温度的依赖关系

3）消除由于轴磁特性的各向异性和剩余应力引起的在轴转动的单个周内的信号变化。

4）消除由于弯曲应力、不同轴、和公差变化引起的信号变化

5）由前述优点3）和4）得到的转矩的瞬时测量

6）消除信号对各个轴的特性的依赖关系因而适于批生产

7）消除在轴的服用期内反复校准传感器件的需要

8）简单的、有效的信号处理电路和传感器定位保证了上述1至7的优点。

本发明的更一些目标和优点从本发明的附图和随后的说明中会愈加清楚。

本磁致伸缩转矩传感器发明本质上解决了与先前技术有关的全部问题，它通过到目前为止未意识到的对作为以前实验结果的基础的基本电机原理的深刻的理解并由此提出的出色的技术解决方案。

在先前技术中流过电流的导线线圈在靠近该线圈的铁磁体轴中产生一个主（primary）磁感应场（B场）。如果轴不运动，导线中的恒幅交流电流会在轴中产生一恒幅磁通量，磁通量的幅度当轴材料的导磁率有关。当转矩加到轴上时，该轴经受扭转应力。由于磁致伸缩现象，在与主磁场方向成一个角度的方向上产生次（secondary）磁感应场，其幅度与加到轴上的转矩大小有关。次磁通量可由靠近该轴设置并对准磁场方向的线圈通过法拉弟定律得到，即测量次线圈两端的电压。所以，次线圈两端的电压是转矩的直接提示。如果主场磁通能够保持不变，该方法是准确的。

然而，如果轴在旋转，并沿其周长方向导磁率有局部变化（实际上全部轴都是这样），这样轴的磁通量幅度不是常数，而是随轴的旋转而变化。

不同导磁率的不同的轴也产生不同的主磁通量，使在次线圈两端的电压也不同，所以妨碍了这种传感器在批生产中的应用。

在本发明中，这个问题解决了，它利用一辅助线圈（即第三个线圈），根据法拉弟定律测量主磁通。从辅助线圈来的信号这样地反馈到主线圈的电源，而使得保持辅助线圈电压幅度变为常数，这样也就保持了主磁通量的幅度为常数，而不管使用单几轴或使用不同的轴由于其旋转产生的轴的导磁率的变化。因此，表示第二个电压输出信号的转矩将与轴的转速和轴的材料构成无关。

本发明的第二个具体实现装置把次线圈电压除以随助线圈电压以得到一个具有类似的完整性的信号。次线圈电压是随RPM（每周转数）、轴材料和转矩而变化，而辅助线圈电压随RPM和轴材料而变化，但不随转矩而变化。所以，经过相除以后的所得信号中消除了寄生信号分量，并且该结果信号是转矩的精确的指示。

第三个具体实现装置是利用第一至第四具体实现装置的任何一个的两个或更多的磁致伸缩传感器，把这些传感器极策略地绕轴配置，这样以致组合由各传感器所得的信号产生的合成信号免除了由于轴的弯曲或不同轴引起的误差信号分量。

本发明以其不同的具体实现方法和装置、优良地、完全令人满意地解决了在“先前技术说明”那节所讨论的与先前技术有关联的每一问题。

图1A和1B表示在经受所加转矩的轴内感应磁场B的特性。图1A表示所加转矩为零时的情况，图1B表示为所加转矩不为零的情况。

图2A和图2B表示磁致伸缩转矩传感器先前技术的结构。图1A表示主、次线圈/缺心的物理配置，图2B表示信号处理电路方块图。

图3是由SAE论文＃870472复制的，表明在一个机械周内当转矩为常数时输出信号中的信号变化，这是典型的先前技术的图形。

图4也是从SAE论文＃870472中复制的，它表示输出信号随转速的变化，这也是在先前技术中出现的。

表示本发明的图

图5A是信号处理器方块图，它表示本发明的第一种具体实现装置的一种变化。图5B表示第一种具体实现装置的第二种变化。

图6A是信号处理器方块图，它表示本发明的第二种具体实现的一种变化。图5B表示第二种具体实现装置的第二种变化。

图7是本发明的第三种具体实现装置，它由多个合理配置的磁致伸缩传感器组成，使每个传感器所产生的电压的和信号消除了由于不同轴和弯曲应力产生信号。

图中数字代号含义

20旋转轴

30主铁心

32主线圈

34次（拾取）铁心

36次（拾取）线圈

38测量次线圈输出的电压表

40振荡器

42功率放大器

44电流表

46低通滤波器

48辅助线圈（在主铁心上）

50辅助线圈电压表

52第二种具体实现装置的辅助线圈（在主铁心上）

54第二种具体实现装置的辅助线圈电压表

56信号相除

66A磁致伸缩传感器A

66B磁致伸缩传感器B，在轴的相对的一侧

68A传感器A（代号66A）和轴（代号20）之间的空气间隙

68B传感器B（代号68B）和轴（代号20）之间的空气间隙

70C弯曲压缩应力

70t弯曲拉应力

图1A和图1B表示当转矩加到轴20时对感应磁场（也称为磁感应）B的影响。图1A是加到轴20上的转矩为零的情况，这时磁感应B的方向指向绕其园周。磁感应B也可以用两个与园周方向完成45°角的分量B_x和B_y表示。

图1B表示当转矩加上时磁感应B的变化。转矩在磁感应分量B_x方向产生拉应力δt，在磁感应分量B_y的方向产生压应力。据磁致伸缩原理，磁感应分量B_x幅度上增加到B_x′;磁感应分量BB_y幅度减小到B_y′。然后两个磁感应分量矢量相加得到在加转矩B′时的磁感应B′。磁感应B′与原来磁感应B之间构成一夹角δ，并可用另两个分量B′_circ和B′_axial表示，B′_circ为沿园周方向的分量，B_axial为沿轴向的分量，所以

B′_circ＝B′cosδ

B′_axial＝B′Sinδ

角δ实际上是相当小的，所以

B′_circ≈B′≈B

B′_axial≈B′δ≈Bδ

B′_axial的幅度随所加的转矩的增加而增加，当转矩为零时，它也为零。

图2A和2B绘出产生磁感应B和测出轴向磁感应B′_axial的构成图。图2A表示通过典型交流电流的主线圈32，它绕在U型主铁磁心30上，其上线圈在园周方向与轴20对准，铁心的两端的形状和配置保证使铁心30和轴20之间的存在一固定的空气间隙。主线圈32中的电流引起磁通经过主铁心30跨过空气间隙以类似于图1A和1B的方式经过轴20的表面。

次线圈36是典型的开路电路，绕在U形次铁心上，该铁心与轴20的轴向对准，其两端的形状及安置使在第二铁心34和轴20之间有一固定宽度的空气间隙。当电流通过主线圈32时，转矩加到轴上使轴向磁感应B′_axial产生并使磁通通过次铁心34。这样，据法拉弟定律在线圈36上产生电压并由电压表38测出。所以转矩为零，该电压也为零，随着转矩的增加，该电压也增加，所以该电压是所加转矩的直接度量。

理想化方法的局限性

图3是从SAE文章＃870427的复制品，它表明了轴20的每单个转期（机械周期）之内由电压表38测得的寄生输出信号的变化。

这一现象是由于导磁率和围绕轴的周长方向剩余应力的局部变化。轴的材料在无论是磁特性方向还是在剩余应力的程度和分布上都不完全是各向同性的。当轴旋转时，这些非均匀性借助于传感器进行传递并改变通过传感器线圈的磁道量，其结果是输出电压中有一个和转矩无关的变化。

这种寄生的略带周期的信号的变化的第二个原因是传感器和轴之间空气间隙厚度的变化，这是由于：ⅰ）轴线不重合和/或ⅱ）轴的弯曲应力。因为磁通也和该间隙厚度有关，如果该间隙厚度变化那么输出电压也变化。

对这问题的标准的解决办法是用一个低通滤波器消除频率高于轴的转期（一个机械周）的频率的全部信号变化。不幸的是，这就给该装置带入一时间常数，它把测量带宽限制到约为机械频率的 1/2 ，使不能测量较在几个机械周期之内发生变化更快的转矩变化。结果的信号是一个平均的而不是瞬时的转矩测量，所以只限于稳态和慢过渡的运行。

图4也是一从SAE文章＃870472摘的复制曲线，它表明了在先前技术中遇到的第二个问题，一输出信号随RPM的变化。当转矩保持为常数而增加轴20的转动速度时，输出信号增加。这是不希望的，因为理想的信号应该只反映转矩的变化。到目前所用的一般解决方法是监示RPM并把电压表38所测信号输出根据轴速进行校准，这也是不完全成功的，只消除了某些但不是全部误差。再者，由于引入了附加测量和装置，它使该设备复杂。

在先前技术中第三个问题是对温度的依赖关系。当轴的温度变化时（这是在汽车和许多其他引擎中的共有现象），甚至为其它全部常数保持不变时输出信号也变。不必怀疑，这大部分是由于：ⅰ）温度引起轴/传感器材料的导磁率变化，ⅱ）伴生的公差变化影响传感器和轴之间空气间隙尺寸，和ⅲ）在传感器中所用的导线10电阻率的变化，对比先前技术的典型解决方法是从热电偶引入一反馈来进一步校准输出信号。正如在SAE文章＃870472中所讲述的这也只是获得某些而不是全部的成功。这可能是由于在引擎内不同的渐变温度场对传感器和轴有不同影响，虽然在某一给定的点的温度可能相同（即热电偶安装点）。

信号的不稳定性或随时间漂移是另一个问题。在测试中，SEA的文章＃870472的研究者发现，每天必须重新给零转矩输出信号“定零”（null out”）总之，先前技术中磁致伸缩转矩传感器的几个缺点是：

a）在一个机械周期中信号变化使不能进行精确的瞬时转矩测量。

必须用几个周期的平均值，其原因是：

ⅰ＞磁性材料特性的局部随机变化

ⅱ＞空气间隙的正弦变化，这是由于：

-轴的不同心

-轴内弯曲应力

b）信号漂移逐日不同

c）输出随RPM变化

d）输出随温度变化

先前技术局限的分析

法拉弟电磁定律为：

V＝-N (dφ)/(dt) ＝-NA (dB)/(dt) （Ⅰ）

其中φ是磁通量，A是线圈横截面积。

利用线圈/铁心的电感定义：

Nφ＝Li （Ⅱ）

其中N为绕组圈数，i为线圈中电流。

所以，法拉弟定律可以改写为：

V＝- (d（Li）)/(dt) ＝-L (di)/(dt) -i (dl)/(dt) （Ⅲ）

在实际的全部电路的应用中，L是常数，在（Ⅲ）式中的右端最后第二项没出现。然而在当前情况下，不能消除这第二项，如下所述这第二项正是图4所示的输出信号与PRM有关这一现象的原因。

电感L取决于轴的导磁率μ_Fe，而导磁率在周长方向不同位置稍有变化。这种变化既可能是由于ⅰ＞材料颗粒结构，构成等的自然变化，又可能由于ⅱ＞由于加工、成形等引起的轴表面上的残存应力。（它通过磁致伸缩改变μ_Fe）。所以，当轴旋转时，传感器“看到”了一个变化着的其磁通必须通过的电感。所以，L的时间导数不为零，上面式（Ⅲ）中右端最后一项变得重要了，也即它为输出做了贡献。而且，因为时间导数反映了L的变化率，RPM增加时该时间导致大小也增大。所以，（Ⅲ）式中右端第二项的RMS（均匀根值）值也随轴的转速而增加，而第一项的RMS值不变。

正是第二项造成了到目前尚未被解释的信号输出随轴的RPM变化。另外，如前所述，第二项也部分地造成了如图3所示的轴转一周之内信号的不规则变化。

另外，也正是第二项使得每个轴对RPM有不同的依赖关系，因为每个轴的残应力和导磁率的局部变化是不同的，所以诸如到目前为止所用的力图想用当前反馈信号校准来校正输出信号的方法是不适合于批生产的。而且，随着残应力的消失，随着温度和应力的变化改变了局部导磁率的变化，对每个轴所要求的校准也随时间而变化。所以到目前所使用的校准方法随时间增加不准确性而且需要不断地重新校正。这在许多应用中是不实际的，特别是对于汽车和其运载器械的引擎。

结论：导磁率的残应力的局部变化会导致：

a）在一个轴转期内信号的不规则性，必在几个周期内平均

b）输出信号随RPM增加而增加。

目前所用的校准方法对批生产是不适用的而且其不精确性随时间不断增加。

本发明的详细说明

先前技术在机电学中保持了多年的习惯，那就是，它利用了电反馈环路使对主线圈32的输入电流维持在一个固定的均方根值上。这样做的目的是在于维持主线圈30的磁通φ_p在固定的均方根值上（参看（Ⅱ）），所做的假设是L，即电感维持不变。然而，在磁致伸缩传感器的场合电感L不能保持不变，所以既使i_p是不变的磁通量φ_p也是变化的，这就导致了前节所讨论的寄生电压输出信号。本发明在几个不同的具体实现装置中包括有不同的方法来解决这些和另外一些与先前技术有关联的问题。

具体装置1：反矩维持φ_p均方根值不变

图5A给出的用作图2A磁致伸缩转矩传感装置的电路以代替图2B的信号处理器，电压表50测量任意圈数的一辅助线圈48的电压，该线圈是附加到线罢32上并也绕到主铁心30上。由法拉弟定律（Ⅰ）可知，电压表50可以用来测量与铁心30的磁通φ_p、主线圈32的磁通φ_p可以被监示并用作功率放大器42的反馈，该功率放大器不断地调整输入电压V_in使得φ_p而不是i_p保持在一不变的均方根值上。保持电压表50的电压幅度不变（变化V_in）就保持了主磁通量φ_p的幅度不变。这样，在轴周长方向电感的局部变化就不会引起主磁通量φ_p的变化。这结果是一个与表面各向异性引起的不规则性无关的周长方向磁感应B_circ和轴向磁感应BB_axial。所示，输出信号（电压表38的）实质上与RPM无关并较现有装置远为精确。电压表38的输出信号在一个机械周内也是相对不变的（在一个机械周内转矩不变时）因而适合于有效地瞬时地检测转矩的变化。

在某情况下，在具体实现装置可以变为更为简单，如图5B所示对电路参数的某些值，不必做从电压表38的信号的反馈。由（Ⅰ）可知，主铁心上的时变艘通意味着主线圈32上的压降。主线圈32上也有内阻，所以，驱动电压V_in必须等于主线圈32的时变磁通产生的感应电压-V_coil加上主线圈电路内阻上的压降的总和。即是：

V_in=-V_coil+R_pip=N_p(dφ_p)/(dt) +R_pip（Ⅳ）

当主线圈上的电阻R_p可以忽略时（当利用超导材料或主线圈32上没多少绕阻时），式（Ⅳ）的右侧第二项可以假定为零。这时输入电压（V_in）等于与激荡主磁通φ_p有关的主线圈电压的负数-V_coil。所以保持输入电压V_in（而不是输入电流i_p）在固定的幅度上就能保持主磁通幅度不变，而不必考虑轴的磁特性的任何不均匀性。

必须注意在任何一种具体实现装置中主铁心/线圈30/32可以轴向对准而不是周长方向对准，对次铁心/线圈34/36可以周长方向对准而不是轴向对准。而且，尽管当次、主铁心/线圈34/36和30/32互相成成直角并当一个线圈/铁心轴向对准时该装置性能最佳，实际上可以彼此成任何角度，与轴线成任何角度。

图上所绘辅助线圈48是绕在主铁心32上并同主线圈32同心但是对第一种具体实现装置的正常工作至关重要的是轴20的主磁通通路的磁通量要经过辅助线圈48。所以辅助线圈48可以绕在内部同主线圈一起绕、绕在主铁上其他地方，而不是放在尽量靠近主线圈的地方;或只要能从线圈48获取信号的任何地方;或即信号的功能可以被用来控制轴20的主磁通等。

第一种具体实现装置包括许多具体技术要求，但第一种装置不限于在这些具体要求范围。第一种具体实现装置主要是指保持主磁通实际上不变的一种方法，由此消除了由于材料的各向异性、温度、轴速而引起的寄生信号分量。这可以利用在此叙述的辅助线圈来确定主磁通的方法来实现，或用其他任何合适的方法如霍尔效应敏感方法（但不限于此）来完成。另外，主磁通量可以由无源控制方法控制，包括（但不限于）在服从于保持主磁通实际不变的主线路中把诸如电容、电阻附加电路器件组合在一起的方法。所以第一种具体实现装置含有保持主磁通实际不变并用确定次磁通监示转矩的任何方法。

具体装置2：用输出电压除以输出信号

图6A和6B给出了本发明第二种具体实现的不同变化。在第二种具体实现中，先前技术的标准方法用于主电路，其中主电流i_p的幅度保持不变。当主电流i_p的幅度保持不变时，导磁率μ_Fe的局部变化反映在B_circ和B_axial场中，由次线圈36来的输出电压取决于B_axial的时间导数（参看式（Ⅰ））。

在图6A中，绕在主铁心上的辅助线圈52产生一个依赖于主磁场B_p的时间导数（即依赖于φ_p）的电压信号（由电压表54测得得）。两个信号都体现有局部各向异性，但只有次输出中含有由于转矩感应应力引起的变化。利用信号除法器56把由第二线圈36产生的瞬时第三电压除以由电压表54测得的瞬时辅助线圈电压得到由电压表38测得的信号，它实质上不随各向异性产生的变化而变化。由电压表38测得的信号仍然直接依赖于轴内所加的应力并且是瞬时转矩的一个好的度量。

在实际应用中，不时能证明必须在电压表54和信号除法器56之间加一个线路，它能把瞬时零信号值（由电压表54测得）转换成一个小的有限值以避免信号除法器56中的除以零。

在第一种具体实现中，在主线圈32中的电阻忽略时导致了第二种具体实现的简化，如图6B所示。忽略主线圈32的电阻R_p，主线圈32的电压本身可以用来除第二线圈36来的电压，因而消除了在主铁心上的辅助线圈52的需要。

在第一种具体实现中，主铁心/线圈可以轴向对准而不是周向，第二铁心/线圈34/36可以周向对准而不是轴向。而且尽管与次主铁心/线圈34/36和30/32互相成直角并与一个铁心/线圈轴向对准时该装置性能最佳，但事实上他们可以互相成任何角度，当轴成任何角度。

画出的辅助线圈是绕在主铁心30上并与主线圈同心，但是对第二种具体装置正常工作至关重要的是轴20的主磁通通路的上的磁通的主要部分通过辅助线圈52。所以，辅助线圈52可以绕在主线圈内部、外部、一起绕或安在铁心30的另外地方，而不是靠近主线圈32;或放在只要能从辅助线圈52上取下信号的什么地方或那个信号的功能可以用作信号除法器56的有意义的流入。

虽然图6A和图6B和上述讨论涉及的是把由次线圈36得的信号除以或是由辅助线圈52产生的信号或除以主线圈32产生的信号的问题，但第二种具体实施装置同样地涉及由辅助线圈52或主线圈32产生的信号除以由次线圈36产生的信号的问题。而且，被用于相除的信号可以是瞬时值、均方根值、幅度或信号强度的其他指示。

第二种具体实现装置包括许多技术要求，但是第二种具体实现装置并不限于这些技术要求的范围。第二种具体实现主要是消除由于材料的各向异性、温度和轴速引起的寄生信号的方法，用的是两个信号相除的方法，其中每个信号中都含有类似的寄生信号分量，但其中只有一个含有与转矩有关的分量。这些信号可以如所述的方法获得：利用一个以上的线圈测量测通量大小，但本方法不仅限于应用这样的线圈。确定磁通的方法，如霍尔效应传感（但不限于此）也可以应用。所以第二种具体实现装置包括如在所述的完成两信号相除的任何方法，不管是否用线圈获得信号。

伴随解决RPM、温度变化和漂移问题。

线圈36的输出电压信号中的、材料不均匀引起的寄生效率分量直接与轴转速有关。通过第一种或第二种具体实现装置，寄生频率分量从由电压表38测量的输出信号从消去并且电压表38的输出信号对轴速的依赖也最小。降低到无足轻重的程度。

两种具体实现装置中对温度的依赖也到达最小。在第一种具体实现中，由于同温度有关前导磁率和机械公差的变化用保持主磁通φ_p幅度不变的方法而自动地被补偿了。另外，导线电阻率的热变化也不会引起由电压表38测得次电压的不同，因为次电路是开路的。

在第二种具体实现中，两进入信号相除器56的电压同样地受温度和公差变化的影响，所以，当信号相除时，由温度和公差引起的变化在由电压表38测得的结果信号中被对消掉。

虽然由于在测量以前信号漂移总可以被校零消除，它不是一个严重的问题，但是可以注意到这种漂移特别是在第二种具体实现中也被降低了。漂移以同样的方式影响进入除法器的两个信号，所以当它们相除时，漂移的影响达到最小。

第三种具体实现装置：多与传感器解决不同轴、弯曲应力问题

图7给出了消除轴弯曲应力和/或不同轴引起寄生输出信号的一种改进，而且可以用到任何一个具体实现装置中。

电感L是与空气间隙的尺寸有关的。对由于不同轴或轴弯曲引起的偏离中心线的轴的位移，电感L会改变，所以输出信号会变化（甚至对前述几个具体实现装置也是这样）另外，弯曲应力会影响导磁率（以及磁致伸缩）进而改变输出。这两个效应都把引起误差的分量提供给输出信号，它们是正弦的，其周期等于轴转一周的时间。

这个问题可以用两种方法改善：

1）把传感器放置在在一端或主轴承上，这里不存在弯曲应力而且不同轴达最小。（注意，虽然不特别声明这里所述的是本发明的一部分但是本发明和这里所述的任何一种它的具体实现可以用在轴上的任何位置，包括端部和主轴承。读者理解，特殊的位置不能要求做为专利权。）

2）在轴的相对两边使用两个传感器66A和66B，如图7所示，并把两个（瞬时）电压信号V_A和V_B相加。虽然这种方法可以用在有任何大小转矩的情形，但为了简单图7所示的是加零转矩的情况。

因为两不同轴和弯曲应力信号畸变相位差180°，当它们相加时互相抵消了，所以方法2是管用的。该方法还有把有效信号强度增加二倍的优点（也即增加了灵敏度）

当两传感器处在轴的相对两侧时方法2的功能最佳。然而，两个传感器可以相互有任何角度关系只要对一个或两个信号进行合适的相位校准以校正两传感器180°的角间距变化。而且，第三种具体实现与任何一种使两传感器角间隔尽量接近180°传感器的配置有关。这样以致于传感器信号能不要移相直接相加以获得足够精确的信号。

虽然第三种具体实现装置涉及简单的一对传感器，但可以利用任何对传感器、换句话说，可以用多于两个一组传感器，其中从各个传感器室的全部信号相加以得到不受不同轴和弯曲应力引起的分量影响的合成信号。例如，由三个以120间距分开的或非常接近120°的传感器的信号可以直接相加。间距不是120°时，在相加以前必须做信号移相。

解决批生产和重复校准问题

读者会注意到，本发明用较先前技术的装置更简单、更精巧、更有效的方法解决了RPM依赖、温度依赖和非瞬时转矩测量的问题。同时，本发明要解决对批生产的不实用性和在轴的服用期间需要周期性重复校准这两难于对付的问题。它所以做到这点是由于不同于先前技术，本发明的校准方法与每个特定轴的特性（磁的、剩余应力、公差和不同轴度）无关。例如，在第一种具体实现装置中，主磁感应B和次线圈电压（由图5A和5B中电压表38测得的）都和轴特性无关，而不管这些特性可能是什么）用户也自己不必关心对每个特定的轴确定RPM校正并使用它去校正输出信号。当轴的特性随时间变化时也不必做重复标准，这是因为第一种具体实现装置自动地把这些变化考虑进去了，即它自动地消除了寄生信号分量而不管这些寄生信的性质和程度如何。

第二种具体实现装置具有与第一种相同的优点。进入信号除法器56的两信号都以同样的方式受轴的特性的特性的影响，而不管在任一给定的轴中这些特性可能是什么。所以，电压表38读出的信号与轴与轴之间的变化或轴的特性随时间变化无关。

第三种具体实现装置也适合于批生产，这是因为它以与各个轴的弯曲或不同轴没关系的方法解决了不同轴和弯曲应力的问题。不同轴和弯曲应力的变化也自动地考虑了。

较先前技术的优点

现在可以认为，本发明实际上用较先前任何技术完善得多、精确得多、简单得多、更经济、直接的方法解决了在“先前技术说明”那节中叙述的当前与确定旋转着的轴中的转矩的全部问题。

虽然上述包括许多技术条件，但读者不应把这些作为本发明范围的限制，而应看作是所推荐的具体实现装置的范例。训练有素者将会看到属于本范围的许多其他的可能性。例如，任何具体实现装置可以为任何部件使用任何材料，包括超导材料，可以有任何尺寸和形状。空气间隙可以具有任何尺寸，甚至可以是非常数的或非均匀的间隙宽度。轴20可以是转动的或静止的，可以由任何合适的材料、尺寸和形状构成。轴甚至不是园柱形并可以有几个材料附在其上的条带，这就增强了本发明的作用。这些条带可以具有包括薄膜在内的任何合适材料。而且轴或任何加在其上的附加可以处理成使随机各向异性效应最小。这些处理包括（不限于）振动、表面所刻、滚花、研磨、机械或激光划线、喷射硬化、喷沙、热处理、扭转或轴向过载、截动、化学处理和机电处理。同时转矩也不一定通过轴传送，任何转矩传送元件都可以使用。

虽在几个具体实现装置中用用线圈来获取与磁通量有关的信号，但是任何一种测量磁通的方法和装置，例如霍尔效应传感器（但不限于此），也可以用在任何一种具体实现装置中，在利用一个或多个线圈的任何一具体实现装置中，对任何一线圈可以应用任何数目的线圈绕组，线圈可以有任意合适的形状和尺寸并可利用任何的合适的材料。磁心不一定的磁磁的，如果在某些情况下导线是超导的，则磁心可以由空气、任何间隙、任何其他材料、或者甚至由真空构成。另外，凡是指出一个线圈的地方（例如主线圈，但不仅限于此），可以利用多个线圈。如果另外的器件，如霍尔传感器（但不限于此）被用来代替线圈拾取器，那么多个这种传感器也可以利用。同时，虽然交流正弦电流下概对本发明是最合适的，但也可以利用任何种波形的电流/电压，甚是直流或恰当地积分/微分的脉冲。凡是涉及到固定幅度信号的地方，任何接近固定幅度的可对转矩做满意测量的信号就足够了。而邦，任何信号都不必直接使用，而可放大或以任何方法进行变换，最后被放大的或被变换过的信号可以用作与原来信号相同的或类似的用途。同时，任何信号（例如电压）都不必直接测量，而可通过测量与该信号有关的参数（如测量环路里的另外的电压，当阻抗已知时测量电流等）间接地决定。当然，电压表一端接地测量电路非接地端电压的所有电路可以等效地布置或同样的电压表测哪一端也不接地的电路的两端的电压。反之亦然。虽然使用电压表这个术语，但任何测量或确定电压的装置都可以使用，虽然用了诸如振荡器、功率放大器这些术语，但是用与它们有同样的或相似用途的器件或其他的系统分机也可以利用。还有，传感器可以任何数目装在沿着轴的轴向、径向或其端部，甚至可以随如美国专利4，697，460中所说的转矩盘或轴的其他配件一起使用。同时，任何一具体实现装置可以单独使用或以任何程度与其他具体实现装置联合使用。最后，本发明的任何一种具体实现装置可以被用做测量应力和形变的装置，如美国专利2，912，642所述，甚至可以用来测量加到给定的一个物体或多个物体上的力。因此，本发明的范围不应当仅由所给出的具体实现装置所决定，而应由后面的权利要求和它的合法的等效物决定。

Claims

1、一种用于敏感性转矩的磁致伸缩方法，在转矩传递元件(20)中感应出一个主磁感应场通量并获得了与在所说的转矩传递元件(20)中的次磁感应通量有关的次信号，当转矩被转矩传递元件(20)传递时元件(20)中的次磁场的方向当与磁场的方向的夹角由于磁致伸缩而不为零，所说的次信号是所传递的力矩加上诸如转矩传递元件(20)的导磁率的各向异性这样的非转矩引起的一些原因的函数，

对上述方法的改进(图5至7)其特征在于：

获得一个与主磁感应场通量有关并且是在所说的转矩传递元件中的非转矩引起的导磁率变化的函数的辅助信号，和

利用辅助信号去调整次信号，使得由这种调整得到的结果信号与转矩有关而且还受非转矩引起的导磁率的变化的影响最小，因此，所得到的信号能用于测量所传送的力矩。

2、在权利要求1的敏感转矩的方法，其中利用辅助信号调整次信号（图5A和5B）方法其特征在于：

保持辅助信号的幅度实际上不变以保持主磁感应场通量的大小实际上不变。

因而次电流被调整使得它们与转矩有关并与非转矩引起的导磁率的变化的关系最小。

3、权利要求2的敏感转矩的方法，其中主磁感应场通量是由至少一个任何圈数的主线圈（32）产生的，主磁感应场通量的大小实际上保持不变，其特征在于（图5A）：

利用有关的电路控制主磁感应场通量使用任何一种磁通敏感方法所得的辅助方号的幅度实际上保持不变，该磁通敏感方法可以是（但不只是）检测有效的主磁感应场通量的至少一个辅助线圈;获得与次磁感应场通量有关的次信号的方法其特征在于：

利用任何一种磁通量敏感方法：例如（但不限于此）至少一个次级线圈（36）它检测有效的次磁感应场通量并产生次信号，该信号是次级磁感应通量有效量的函数，

由所说的次信号是用来决定所传递的力矩。

4、权利要求2中的敏感转矩的方法（图5B），其中主磁感应通量是由主电路和至少一个任何圈数的其电阻极低的圈数32产生的，该线圈的电阻低到使决定诸如至少一个主线圈两端的主电压（但不限于此）这样的主电路参数的任何方法都可以是决定辅助电路参数的任何方法的足够精确的近似和代替，该辅助电路的参数可以是（但不只是）主磁感应场通量的有效部分从其通过的至少一个辅助线圈两端的电压。这样使主电路参数得以被控制，从而使主磁感应场通量被保持在足够精确近似常数的幅度上。

5、权利要求2中的敏感转矩的方法，其中保持主磁感应场通量在一个有效的固定的幅度上，其特征在于：

利用辅助电路用于对主磁感应通量的无源控制以致于主磁感应场通量保持在实际上固定的幅度上。

6、权利要求1的敏感转矩的方法，其中利用辅助信号去调整次信号（图6A和6B）的特征是：

一个所说的信号除以另一个所说的信号（56），

从而由所说的除法器所产生的结果信号受转矩传递元件（20）中的非转矩引起的变化的影响最小，因而结果信号被用来确定所传递的转矩。

7、权利要求6的敏感转矩的方法，其中主磁感应场通量至少由一个任何圈数的主线圈（32）产生（图6A），获得与主磁感应场通量强度有关的辅助信号的方法的特征是：

利用任何一种磁通敏感方法，例如用至少一个辅助线圈（但不限于此）以检测主磁通的有效分量，并且

获得次级信号的方法的特点是：

利用任何一种磁通敏感方法，例如至少利用一个次线圈（36）（但不限于此），该线圈检测次感应场的有效分量并产生次信号，该信号是次磁感应场通量的有效分量的函数

从而一个所说的信号除以另一个所说的信号产生结果信号，该信号被用来确定所传递的转矩。

8、权利要求6的敏感转矩的方法，其中主磁感应通量是由一主电路和一任何圈数的、电阻很小的主线圈（32）产生，该线圈的电阻是这样小以致于任何确定主电路参数（例如主线圈（32）两端的电压，但不限于此）的装置都是对确定辅助电路参数的足够精确的近似和代替，上述辅助电路的参数可以是（但不只是）主磁场通量的有效部分通过的轴辅助线圈两端的电压，以致于主电路参数被用于产生一个足够精确近似主信号，该信号用作为次信号相除的辅助信号来产生最终信号。

9、权利要求1的敏感力矩的方法，其中转矩传递元件20可用任何一种能使随机各向异性最小的方法（如振动，但不限于此）来改善，这样使所得的最终信号受磁各向异性影响最小。

10、多个转矩敏感方法（图7），其中每个都如同权利要求1的方法（66A，66B），其特征在于敏感转矩的轴对不准信号校正方法，其中各个转矩敏感方法（66A，66B）用在围绕转矩传递单元（20）上的不同位置，如果这些位置的角间距实际上是相等的多个转矩敏感方法中的每一个的单个的转矩敏感输出信号相加以获得合成信号，如果所说的这些位置的角间距不等，各个转矩敏感输出信号先移相，然后再相加以获得最终信号。

从而，所说的最终信号用于确定转矩，并且所说的合成信号受弯曲应力和转矩传递元件（20）的不同轴的影响最小。