CN1045178A - 磁致伸缩转矩传感器 - Google Patents

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Abstract

一种磁致伸缩转矩传感器，用以在使轴表面上产生磁导率变化的基础上以电的量值无接触检测加在旋转轴上的转矩。设法在旋转轴表面上形成很小凹痕所造成剩余压应力的保持区。根据这种处置，在旋转轴上加上激磁磁场和转矩所产生的磁化过程包含有由磁畴壁的位移所造成的低磁化，但主要是可逆磁旋，因而减小了磁化过程中的磁滞。较小的磁滞导致转矩检测中的低磁滞和高灵敏度，从而取得转矩检测的高精度。

Description

本发明涉及无接触检测加在旋转轴上的转矩传感器，这种检测是基于旋转轴表面上磁导率的变化。
为无接触检测施加在电动机、工具机和汽车等所用旋转驱动系统中旋转轴上的转矩，广泛地采用着磁致伸缩转矩传感器，在这种传感器中将一交变磁场加在轴的表面上，以便在旋转轴上加上转矩时以电的量值测出轴表面上所产生的磁导率变化。
一种已知的磁致伸缩传感器是由一磁头系统构成的，其中将具有开端磁路型铁蕊（如U形铁蕊）的绕组（磁头）靠近旋转轴用作激磁和检测工具，从而测出轴表面上由加在轴上的转矩所引起主应力方向上磁导率的变化，此主应力方向相对于轴的轴线成±45°角（《科学仪器评论》第25卷第6期，1954年6月出版，“旋转轴内转矩的磁测法”）。另一种已知的螺线管系统可使旋转轴的表面具有单轴磁性异向性，也就是易磁化轴线的方向相对于旋转轴的轴线方向成一倾斜角，而且使具有磁性异向性的轴段附近也具有这种性能，因此，可将一激磁螺旋管（激磁线圈）和一用以检测磁导率变化的螺线管（检测线圈）置于轴的周围，从而可以测出由所加转矩引起的磁导率轴向变化（《电气与电子工程师协会会报》磁学部分，MAG-18，No、6，1769，1982“采用应力敏感非晶体带材的新型转矩换能器”）。
在这种螺线管系统的转矩传感器中用以使旋转轴表面具有磁性导向性的方法在日本所公开的专利No    63-252487中已有简述，例如，用激光淬火在轴的表面上沿相对于轴的轴线方面成一角度的方向造成相互平行的带状硬化区以产生剩余应力，由于应力的作用，就可使轴表面具有磁性异向性。在其它的已知方法中，如日本专利No、16932所述，用滚轧或其他方法在轴表面上造成许多相互平行的螺旋形凹槽，由于凹槽的构形效应，可使轴表面具有成形的磁性异向性。
由作用在旋转轴上的外加磁场和（或）应力所引起的铁磁材料自然磁化的变化包含着由于磁畴壁移动所引起的磁化过程和伴随磁畴壁移动的旋转磁化所引起的磁化过程。由于旋转磁化所引起的磁化过程主要是可逆的。由于磁畴壁移动所引起的磁化过程包含着可逆磁化过程和不可逆磁化过程。除非外加磁场和（或）外加应力极小或很大，由于磁畴壁移动所引起的磁化过程是不可逆的。这是由于磁畴壁移动受到铁磁材料中同时存在的徽细外来物质（杂质）、晶界、晶格缺陷等的阻碍。与可逆磁化过程不同，包含有明显不可逆的磁畴壁移动的磁化过程就包含着磁滞现象。
在实际的转矩传感器中，加在旋转轴表面上的磁场通常都是很徽弱的（一般不超过10Oe），因此，在由高强度软磁性材料（矫顽磁力HC：约10～20Oe）所制普通旋转的表面上进行的磁化过程主要是电磁畴壁移动所引起的不可逆磁化。因此，磁滞在磁化过程中是不可避免的，在磁化过程中产生的磁滞现象在转矩传感器的检测特性曲线中也会作为磁滞现象反应出来，因此不利于转矩检测的精度。
在旋转轴的表面上还是存在着不少缺陷的，如在加工和成形加工凹槽阶段中产生的凸纹和发裂，尽管这些缺陷还是比较小的。这些细徽的缺陷就会引起转矩检测特性曲线中的磁滞现象或引起灵敏度的下降。由于重复地加上转矩所产生的旋转轴材料的疲劳现象和由于加上较大转矩所产生的晶间滑移也会增大转矩检测中的磁滞和降低检测的灵敏度。
本发明的目的是将旋转轴表面上的磁化过程转变为磁滞倾向小，且主要为旋转磁化的磁化过程，并消除轴表面上的一些细小缺陷和提高轴表层内晶间滑移的阻力，从而减小转矩检测特性曲线中可能出现的磁滞，并取得较高的检测灵敏度。
为达到上述目的，本发明提供一种磁致伸缩转矩传感器，在这种传感器中将激磁磁场加在旋转轴预定区表面上形成的磁性异向区上，以便用磁性检测仪以电的量值无接触检测加在旋转轴上的转矩在磁性异向区内所产生的磁导率变化，其特征为：在旋转轴表面上包括磁性异向区在内的整个预定区内形成在整个区域内大体上均匀分布的许多细小凹痕和由细小凹痕造成的剩余压应力保持区。
旋转轴表面上的细小凹痕是通过喷丸处理形成的，即采用细粒硬质生铁丸和铸钢丸，用压缩空气或离心力使其向轴表面喷射，或用滚压或压花方法，即：用表面上具有很多细小突起的滚压成形工具向轴表面进行滚压（在必要的部分作反复滚压）。
在铁磁材料表面上的细小凹痕对围绕凹痕平行于剩余拉应力的磁畴起有稳定作用，在形成凹痕时所产生的剩余应力会围绕凹痕形成磁畴稳定区。已知在外加磁场或应力作用在轴上的情况下，在自然磁化的变化过程中在凹痕周边区域内不易产生磁畴壁移动，且这一区域的磁化主要是可逆旋转磁化过程（日本朝仓（AsaKura）出版公司1975年出版《磁性材料手册》第895页）。
因此，在转轴表面上密布有细小凹痕的区域，通过外加激磁磁场和转矩所产生的磁化过程不同于无细小凹痕时的情况，也就是这种磁化过程基本上无由磁畴壁引起的磁化，而主要是可逆的旋转磁化，其结果是在磁化过程中的磁滞减小。由于细小凹痕减小了磁滞，将上述区域作为激磁检测区域的转矩检测在其检测特性曲线上所显示的磁滞是很小的。
经过机械加工和凹槽成形加工，在旋转轴的表层散布有很多细小缺陷，为在机械加工和凹槽成形加工过程中造成的凸纹和发裂等，上述这些缺陷可能是造成磁滞增大和检测灵敏度降低的原因。但是，由于在轴表面上所形成的细小凹痕减少或消除了上述细小缺陷，就使转矩检测显示出较小的磁滞和较高的灵敏度。在采用喷丸处理时这种效果特别明显。在采用滚压工具进行滚压和压花并反复进行时可取得很好的结果。
在旋转轴表面上散布有许多细小凹痕的区域内具有因形成凹痕而压实的金属结构。在凹痕的形成过程中所产生的冷作硬化，使轴的表层相当坚硬，表层的压实和硬化也有利于加强抗疲劳性和表层的抗晶间滑移性，从而减小转矩检测特性曲线中的磁滞。
对旋转轴表面预定区内细小凹痕的加工可在对旋转轴进行所需热处理，为渗碳和回火后进行，或者，在使旋转轴表面具有单轴磁性异向性的场合下，可在磁性异向处理之后进行凹痕的加工，在用滚压或压花法在轴表面上加工螺旋槽的场合下，可用表面上具有很多突起的滚压工具（模具）进行加工，这样，可同时形成螺旋槽和细小凹痕。
轴表面上的细小凹痕可不必严格地作有规则的分布;对这些细小凹痕只需作大体上均匀的分布。各凹痕的直径一般可在0.1至1mm左右。凹痕在表面面积上的复盖率（凹痕所占面积相对于预定区域表面面积的百分率）以不小于70%为宜，最好不小于90%。细小凹痕的深度以不大于0.1mm为宜;没有必要采用更大的深度。考虑到将具有常用激磁电流的频率（约10KHz至50KHz）加在轴表面上时磁力线所需轴内通路的深度（表层深度）大致在0.1mm以下，因此，作为磁路完全可以采用具有上述细小凹痕所具效果的轴表层而使细小凹痕的深度大致在0.1mm以下。
本发明旋转轴的材料没有什么特别的限制。因此，可采用各种不同的材料，如碳钢、铬合金钢、镍铬合金钢、铬钼合金钢、镍铬钼合金钢和马氏体时效钢。
对旋转轴表面进行激磁和对磁导率变化进行检测的系统可以是沿旋转轴外圆同心绕制的螺线管系统，或是将绕组置于U形铁蕊上的磁头系统。为进行激磁和检测可采用任何构造的电路。在下面所简述的实施例中，在螺线管系统的转矩传感器中，将螺旋槽设于旋转轴表面以形成单轴磁性异向性，并使螺旋槽的倾斜方向构成一个易磁化轴线，当然，还可通过任何其他适当的方法来形成这种单轴磁性异向性。例如：可在轴的圆周上以一定间距通过激光淬火形成许多与轴线方向成角度倾斜的带状硬化段，或在圆周上以一定间距形成与轴线方向成角度倾斜的带状渗碳段，以便通过这种倾斜的带状硬化段或带状渗碳段取得单轴磁性异向性。另外，在下面将予阐述的实施例中转矩传感器具有差示结构，其中，在旋转轴表面上设有两个相邻的具有不同单轴磁性异向性的区域，即具有大小相同但方向相反的相对于轴线方向的倾斜角度，因此，在相应区域内磁导率的变化也是异向的。但是，这种结构不是经常必要的。当然，也可制造一种基于仅在一个单轴磁性异向性区域内检测磁导率变化的激磁和检测电路，这种电路可检测出加在旋转轴上的转矩量值和所加转矩的方向，即正向或负向（正向或反向）。
以上所述处置方法是在旋转轴本身的表面上形成细小凹痕的。但，如旋转轴是由具有较小或无磁致伸缩效应的材料制成的，则可将具有较大磁致伸缩效应的铁磁材料制成的套筒用焊接、粘接、冷缩配合、冷压配合或其他方法固定在旋转轴的有关表面部分，使加在旋转轴上的转矩所产生的应力传递到套筒上，从而对套筒磁导率的变化进行检测。在这种情况下通过在套筒表面上所形成的细小凹痕就可如上所述取得较低的磁滞和较高的灵敏度。因此，所谓在旋转轴的表面上形成细小的凹痕，就表面而论，不仅意味着轴本身的表面，也意味着作为磁致伸缩构件与轴固定配合的套筒的表面。
按本发明，在对旋转轴上转矩的检测中，磁滞较小，检测的灵敏度较高。在取得磁滞和灵敏度方面的良好性能后，就可高度准确地检测转矩，从而可在旋转驱动系统的控制中提高检测转矩的可靠性。
本发明的原理，即在铁磁构件的表面上所形成的细小凹痕可改变构件的磁性能，这不仅可用于对旋转轴上转矩的检测，还可用于通过磁致伸缩现象对各种构件的维护和对材料性能随时日变化情况的控制。例如，在对建筑物、桥梁等的负荷测量和维护、工厂设备和高压罐的维护和初步测试，以及焊接结构中剩余应力分布进行测量时，通过在所需测量的部位形成细小凹痕的方法，可取得更高的测量精度和可靠性。
图1为旋转轴的透视图，根据本发明在轴上预定区域的表面上具有很多细小凹痕。
图2为旋转轴的透视图，根据本发明轴上设有很多螺旋槽，在预定区域内具有很多细小凹痕。
图3为本发明磁致伸缩转矩传感器中旋转轴的剖面简图，围绕旋转轴设有激磁和检测螺线管。
图4为本发明磁致伸缩转矩传感器中激磁检测电路的简图。
图5为本发明磁致伸缩转矩传感器实施例的转矩检测特性曲线图。
图6为磁致伸缩转矩传感器比较实例的转矩检测特性曲线图。
图7为本发明实施例与磁致伸缩转矩传感器比较时磁滞和灵敏度的曲线图。
图8为磁致伸缩转矩传感器的透视图，在该传感器中采用图1所示旋转轴以及与此轴配接的激磁和检测头。
图1所示为一实施例，在此实例中，在旋转轴1预定区域A的表面上分布有很多细小凹痕2。图2所示为另一实施例，在此实施例中在旋转轴上围绕圆周表面分布有许多彼此隔开且相互平行的螺旋槽，在螺旋槽分布的区域及与其邻近的区域上散布有很多细小凹痕2。
现对采用图2所示旋转轴的实施例进行详细阐述如下：
制备好以下（a）至（d）四个旋转轴（其直径均为30mm），使各轴在其相应表面上均具有如图2所示同样的螺旋槽和细小凹痕。将图3所示螺线管型激磁检测电路与各旋转轴配接以形成转矩传感器。对各传感器进行了转矩检测试验。
1.旋转轴
旋转轴“a”
（1）旋转轴材料：含4.3%Ni的镍铬钼钢。
（2）热处理：一次淬火（930℃，油淬）→二次淬火（850℃，油淬）→回火（175℃，4小时，空气冷却）。
（3）抗拉强度：110 kgf/mm2，硬度（HRc）：40。
（4）磁致伸缩常数（λs）：21×10-6。
旋转轴“b”
（1）旋转轴材料：含14%Ni的马氏体时效钢。
（2）热处理：固溶热处理（900℃，1小时，空气冷却）→时效（480℃，3小时，空气冷却）。
（3）抗拉强度：170kgf/mm2，硬度（HRc）：49。
（4）磁致伸缩常数（λs）：22×10-6。
旋转轴“c”
（1）旋转轴材料：含8.5%Ni的镍铬钼钢。
（2）热处理：淬火（830℃，空气冷却）→回火（560℃，空气冷却）。
（3）抗拉强度：140kgf/mm2，硬度（HRc）：43。
（4）磁致伸缩常数（λs）：27×10-6。
旋转轴“d”
（1）旋转轴材料：含8.5%Ni的马氏体时效钢。
（2）热处理：固溶热处理（830℃，1小时，空气冷却）→时效（515℃，3小时，空气冷却）。
（3）抗拉强度：120kgf/mm2，硬度（HRc）：35。
（4）磁致伸缩常数（λs）：21.5×10-6。
2.螺旋槽和细小凹痕在轴表面上的形成。
（1）槽的形成：用辊轧成形法在轴表面两块相邻面积（A）、（A）上形成一系列螺旋槽，这些螺旋槽与旋转轴的轴线方向成45°角，并具有相反的方向。如图3所示在旋转轴1的两块面积（A）、（A）上所形成的带状斜槽示为螺旋槽3，3。
槽深约1mm，槽间间隙约2mm，槽长约10mm。
（2）细小凹痕的形成：用直径为0.1至0.6mm的钢珠进行喷丸处理。喷丸喷射速度为62m/sec。如图3所示，分布在面积（A）、（A）上的班点为由喷丸喷射造成的细小凹痕。每个凹痕深度约在0.1mm以下。喷射复盖率（面积百分率）为95%至98%。
3.转矩传感器的结构
将激磁和检测电路分别装在旋转轴（a）至（d）上，从而形成转矩传感器（a）至（d）。图3所示为激磁检测电路相对于相应旋转轴1的设置情况。图4所示为激磁检测电路的设置情况。在以下的阐述中，轴表面上具有螺旋槽3、3和细小凹痕2的两块面积（A）、（A）都称作“磁致伸缩段”。
图3中，数字6表示向“磁致伸缩段”（A）、（A）施加激磁磁场的螺线管（激磁线圈），而8、8则表示用以检测“磁致伸缩段”（A）、（A）磁导率变化的螺线管，当将转矩T加在旋转轴1上时即发生这种磁导率的变化。图3所示激磁线圈6和检测线圈8、8同心设置在壳体5内，位于旋转轴1的附近。如图4所示，激磁线圈6接在高频激磁电源7上。检测线圈8、8作反极性连接，用以检测两相应磁致伸缩段（A）、（A）上磁导率变化的差值，其两端接在同步整流器9上。由于在检测线圈8、8和激磁线圈6之间的互感作用，在线圈8、8中产生有感应电压，感应电压之间的差值成直流电压从同步整流器9输出。
在旋转轴上不施加转矩时，转矩传感器中两个磁致伸缩段（A）、（A）的磁导率相同;因此，在一个检测线圈8中产生的感应电压和在另一个检测线圈8中产生的感应电压彼此抵消，因而没有输出。当在旋转轴1上加上转矩T时，在两个磁致伸缩段（A）、（A）中，一个主要受张力，而另一个主要受压力。结果，一个磁致伸缩段的磁导率增大，而另一个磁致伸缩段的磁导率减小。由于磁导率的这种向变化，一个检测线圈8中的感应电压增大，另一个检测线圈8中的感应电压减小。这一差值成直流电压从同步整流器9输出，所加转矩T的量值可从输出电压的量值中测出，所加转矩的方向可从输出电压的正、负号中测出。
作为比较实例，除在带有螺旋槽区域的表面上不再用喷丸加工出细小凹痕外，对旋转轴a′至d′采用与前述旋转轴a至d同样的方法进行准备。在a′至d′各旋转轴上都如前所述设有激磁检测电路。于是形成了转矩传感器a′至d′。
4.转矩检测试验及其结果
在对转矩传感器a至d和a′至d′进行的转矩检测试验中都在用高频电源（激磁电流：40mA有效值，频率：10KH2）对磁致伸缩段加上磁场的条件下加上规定的转矩。
图5所示为使用转矩传感器a时得到的转矩检测特性曲线，图6所示为使用转矩传感器a′时得到的转矩检测特性曲线。对此两传感器可以在转矩为零与转矩最大时输出值两者比值（（a1-a2）/（A1-A2）×100）（%）的基础上，就磁滞值进行比较。在灵敏度方面可以在检测输出值增值（△mV）与所加转矩增值（△kgf·m）两者比值（△mV/△kgf·m）的基础上对此两转矩传感器进行比较。
图5所示转矩传感器a的磁滞为0.7%，检测灵敏度为37（mV/kgf·m），而图6所示转矩传感器a′的磁滞为3.5%，检测灵敏度为18（mV/kgf·m）。换言之，与传感器a′相比较（转矩传感器a′除没有细小凹痕2外，其结构与转矩传感器a相同），转矩传感器a（在轴表面上磁致伸缩段A内具有细小凹痕2）在磁滞和灵敏度方面都有较大的改进，即磁滞约低至1/5，灵敏度高达两倍。
图7所示为用转矩传感器a和a′所得试验结果和用其它转矩传感器b至d和b′至d′在磁滞（%）和检测负灵敏度（mV/kgf·m）方面所得试验结果。在图7上，参考字母a至d和a′至d′表示用于检测的各转矩传感器。从O指向O的箭头表示对同种旋转轴来说由于细小凹痕的存在所引起转矩检测磁滞和灵敏度变化的方向。各点所表示的磁滞值（%）为：b-1.2%（b′-21%）;c-1.8%（c′-9.2%）;d-2%（d′-10.8%）。对各转矩传感器来说由于细小凹痕的存在磁滞显着地下降了（对传感器a、c和d来说下降至约1/5或更低，对传感器b来说下降至1/20）;对传感器a、b、c、d来说磁滞值为2%或更低。检测灵敏度的变化方向随旋转轴的材料而不同，但在所有情况下，由于细小凹痕2的存在都有改善。
在图1所示旋转轴的情况下当转矩加在旋转轴1上时，受有转矩所产生应力的预定区A具有“应力所产生的磁性异向性”，而在施加转矩之前旋转轴1具有磁性无向性。在施加转矩之后，由转矩产生的主要为拉应力的方向，即相对于旋转轴1轴线作45°角倾斜的方向成为易磁化的轴线方向。反之，垂直于易磁化轴线的方向，即主要为压应力的方向成为难磁化轴线方向。因此，在拉应力作用下磁化集中在易磁化轴线方向上，而在难磁化轴线方向上几乎没有磁化，因而显示磁性异向性。
在此情况下，如图8所示，激磁和磁导率变化的检测是用具有激磁线圈12的激磁磁头和具有检测线圈14的检测磁头进行的，激磁线圈12绕在开式磁路型铁蕊11上，检测线圈14绕在开式磁路型铁蕊13上。在图8中，数字15表示高频激磁电源，数字16表示同步整流器。

Claims (11)

1、一种磁致伸缩转矩传感器，其中，将一激磁磁场加在一旋转轴预定区表面上的磁性异向区上，从而以电的量值无接触检测出由加在旋转轴上的转矩所产生的磁性异向区内磁导率的变化。其特征为：
设法在旋转轴表面上具有磁性异向区的预定区域内形成细小凹痕所产生的剩余压应力保持区，并使其基本上均匀地分布在这一区域内。
2、权利要求1所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：磁性异向区由许多沿圆周形成彼此隔开且相互平行的螺旋槽构成。
3、权利要求1所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：在一固定地套装在旋转轴外面的套筒周围形成一磁性异向区。
4、权利要求1所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：磁性异向区就是由作用在旋转轴上的应力所形成的具有磁性异向性的旋转轴表面本身。
5、权利要求1～4所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：通过喷丸处理形成细小凹痕。
6、权利要求1～4所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：采用压花工具通过滚压方法形成细小凹痕，在压花工具表面上具有许多细小突起，用以压向旋转轴表面。
7、权利要求1～4所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：各细小凹痕的直径约为0.1～1mm。
8、权利要求1～4所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：细小凹痕在旋转轴表面预定区培内所占面积以不少于此区域面积的70%为宜，最好不少于90%。
9、权利要求1～4所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：各细小凹痕的深度不大于0.1mm。
10、权利要求1～4所述磁致伸缩转矩传感器，其特征为：在通过滚压方法在旋转轴表面上形成细小凹痕的同时，在旋转轴的表面上形成一层冷作硬化层。
11、一种以电的量值无接触检测磁导率变化的仪器，在将应力加在测量体上时引起测量体上磁导率的变化，其特征为：
设法在测量体的表面上形成细小凹痕和由细小凹痕产生的剩余压应力保持区，并使其大体上均匀地分布在这一区域内。
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