CN108519180A - 一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法 - Google Patents

一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法 Download PDF

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赵美蓉
张晓梅
黄银国
郑叶龙
孙国铭
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    • G01—MEASURING; TESTING
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Abstract

一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，是在基于光纤光栅的扭矩测量系统上实现，包括：首先在弾性轴上沿轴的圆周向电镀两列镍层；在具有镀镍槽列的弾性轴上缠绕线圈；采用所述的基于光纤光栅的扭矩测量系统中的检测电路检测由缠绕在弾性轴上的第二线圈层与第三线圈层构成的自感应线圈的自感系数，通过自感系数得到镍层的磁导率变化，进而得到弾性轴的扭矩的变化。本发明解决了现有扭矩传感器中粘贴合金薄带时所带来的粘贴不稳定性以及施加扭矩时所产生的应变不能很好的传递等问题。本发明不仅能够用于实验室、台架等环境下测量扭矩，还能够实现恶劣环境下的在线测量，比如船舶、钢铁、石油转机等环境。

Description

一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法
技术领域
本发明涉及一种扭矩测量方法。特别是涉及一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法。
背景技术
随着技术的发展，扭矩测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科，其应用领域十分广泛，能够渗透到工业、农业、交通运输、航空航天、国防、能源、化工等各个领域，在各个领域都发挥着重要的作用。
磁弹式扭矩传感器于上个世纪90年代开始兴起，这种扭矩传感器是利用铁磁材料的磁致伸缩特性，其测量精度高、灵敏度高、稳定性好、响应速度快。现有的磁弹式扭矩传感器主要是在弹性轴上粘贴合金薄带以检测施加扭矩时磁导率的变化量。但是这种粘贴合金薄带的扭矩传感器具有以下缺点：
从工艺方面来说：1、粘合剂的选用：不同的粘合剂对于粘贴合金薄带所产生的的影响不同，不确定因素影响很大；2、合金薄带的粘贴角度：在粘贴合金薄带时，每一次粘贴都会有不同的变化，比如粘贴角度的变化，这将影响合金薄带的磁导率变化；3、应变的传递：利用粘合剂在轴上粘贴合金薄带时，其不能准确无误的将扭矩所引起的应变传递到合金薄带上。
从稳定性方面来说：1、采用粘合剂将合金薄带粘贴在弾性轴上，其耐疲劳性能不好、不具有长期稳定性、并且在高温高湿的环境下容易发生脱落现象；2、大扭矩会使得合金薄带脱落，限制了加载扭矩的量程；3、高温情况下会使合金薄带产生热胀冷缩效应，这就使得传感器在测量合金薄带磁导率时的输出特性发生变化，产生较大的测量误差。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种通过电镀镍层获得磁导率变化的基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，是在基于光纤光栅的扭矩测量系统上实现，包括如下步骤：
1)首先在弾性轴上沿轴的圆周向电镀两列镍层；
2)在具有镀镍槽列的弾性轴上缠绕线圈；
3)采用所述的基于光纤光栅的扭矩测量系统中的检测电路检测由缠绕在弾性轴上的第二线圈层与第三线圈层构成的自感应线圈的自感系数，通过自感系数得到镍层的磁导率变化，进而得到弾性轴的扭矩的变化。
步骤1)包括：
(1)在弾性轴上沿轴的圆周向切割出两列镀镍槽列，两列所述的镀镍槽列相隔设定的间距且对称设置，每列镀镍槽列都是由10个以上的凹槽构成，两列镀镍槽列中每对相对应的两个凹槽相互成人字形，且与轴线成±45°夹角；
(2)在弾性轴上电镀镍层；
(3)通过机械加工去掉弾性轴表面上的镍层，保留凹槽内的镍层。
步骤2)包括：
(1)在弾性轴上位于两列镀镍槽列处沿圆周向缠绕第一线圈层；
(2)在第一线圈层的外侧缠绕一层绝缘胶带；
(3)在绝缘胶带的外侧，对应一列镀镍槽列缠绕第层线圈二，对应另一列镀镍槽列缠绕第三线圈层，所述的第二线圈层与第三线圈层为差动连接。
本发明的一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，通过电镀镍层获得磁导率变化，从而获得扭矩的变化。本发明解决现有扭矩传感器中粘贴合金薄带时所带来的粘贴不稳定性以及施加扭矩时所产生的应变不能很好的传递等问题。本发明不仅能够用于实验室、台架等环境下测量扭矩，还能够实现恶劣环境下的在线测量，比如船舶、钢铁、石油转机等环境。
附图说明
图1是本发明中镀有镍层的弾性轴结构示意图；
图2是扭矩测量过程示意图；
图3是扭矩测量系统中检测电路的构成框图。
图中
1：弾性轴 2：镀镍槽列
3：凹槽 4：第一线圈层
5：绝缘胶带 6：第二线圈层
7：第三线圈层
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法做出详细说明。
本发明的一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，是在《纳米技术与精密工程》第15卷第2期中公开的基于光纤光栅的扭矩测量系统中实现的。
本发明的一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，包括如下步骤：
1)首先在弾性轴1上沿轴的圆周向电镀两列镍层；如图1所示，包括：
(1)在弾性轴上沿轴的圆周向切割出两列镀镍槽列2，两列所述的镀镍槽列2相隔设定的间距且对称设置，每列镀镍槽列2都是由10个以上的凹槽3构成，两列镀镍槽列2中每对相对应的两个凹槽3相互成人字形，且与轴线成±45°夹角；
(2)在弾性轴上电镀镍层；
(3)通过机械加工去掉弾性轴表面上的镍层，保留凹槽3内的镍层。
2)在具有镀镍槽列2的弾性轴上缠绕线圈；如图1所示，包括：
(1)在弾性轴上1位于两列镀镍槽列2处沿圆周向缠绕第一线圈层4，即使第一线圈层4整体覆盖住两列镀镍槽列2；
(2)在第一线圈层4的外侧缠绕一层绝缘胶带5；
(3)在绝缘胶带5的外侧，对应一列镀镍槽列2缠绕第层线圈二6，对应另一列镀镍槽列2缠绕第三线圈层7，所述的第二线圈层6与第三线圈层7为差动连接。
3)采用扭矩测量系统中如图3所示的检测电路检测由缠绕在弾性轴上的第二线圈层6与第三线圈层7构成的自感应线圈的自感系数，通过自感系数得到镍层的磁导率变化，进而得到弾性轴的扭矩T的变化。
下面给出具体实例：
图2为本发明的扭矩测量系统整体测量方案框图，其主要包括三部分：扭矩加载机构为实验提供所需要的扭矩；自感检测模块通过电感数字转换器检测线圈自感系数的变化并以此表征扭矩的变化；信号接收与处理模块将数据送到微处理器进行处理，最后利用上位机分析电感差分信号ΔL。
如图1所示，为了解决粘贴合金薄带所引起的不稳定问题，在弾性轴中摒弃了以前粘贴合金薄带的方案，而采用电镀镍层的方式。首先对弹性轴进行镀前处理，然后对轴电镀镍层；再利用机械加工切掉弾性轴表面中除镍层以外的其他位置处的镍层，所保留的镍层，如图1中所示的3的形状，其角度与弹性轴轴线成±45°。这样的加工方式使得在施加扭矩时镍层的磁导率变化能够达到最大。在弾性轴的外围放置线圈，线圈分为两层，第一层为励磁线圈，第二层分别为两个检测线圈，励磁线圈与两个检测线圈之间有一层绝缘层。两个检测线圈采用差动连接的方式。

Claims (3)

1.一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，其特征在于，是在基于光纤光栅的扭矩测量系统上实现，包括如下步骤：
1)首先在弾性轴(1)上沿轴的圆周向电镀两列镍层；
2)在具有镀镍槽列(2)的弾性轴上缠绕线圈；
3)采用所述的基于光纤光栅的扭矩测量系统中的检测电路检测由缠绕在弾性轴上的第二线圈层(6)与第三线圈层(7)构成的自感应线圈的自感系数，通过自感系数得到镍层的磁导率变化，进而得到弾性轴的扭矩(T)的变化。
2.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，其特征在于，步骤1)包括：
(1)在弾性轴上沿轴的圆周向切割出两列镀镍槽列(2)，两列所述的镀镍槽列(2)相隔设定的间距且对称设置，每列镀镍槽列(2)都是由10个以上的凹槽(3)构成，两列镀镍槽列(2)中每对相对应的两个凹槽(3)相互成人字形，且与轴线成±45°夹角；
(2)在弾性轴上电镀镍层；
(3)通过机械加工去掉弾性轴表面上的镍层，保留凹槽(3)内的镍层。
3.根据权利要求1所述的一种基于电镀镍弾性轴的扭矩测量方法，其特征在于，步骤2)包括：
(1)在弾性轴上(1)位于两列镀镍槽列(2)处沿圆周向缠绕第一线圈层(4)；
(2)在第一线圈层(4)的外侧缠绕一层绝缘胶带(5)；
(3)在绝缘胶带(5)的外侧，对应一列镀镍槽列(2)缠绕第层线圈二(6)，对应另一列镀镍槽列(2)缠绕第三线圈层(7)，所述的第二线圈层(6)与第三线圈层(7)为差动连接。
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