CN108562388A - 一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，属于传感测量技术，其技术要点是：被测转轴上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条，超磁致伸缩材料涂层条分为正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条，正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在被测转轴上；被测转轴的左右两端分别嵌套于左轴承和右轴承的内孔中，左轴承和右轴承分别嵌套于轴套的左右两端，轴套的内壁上装配有激励线圈，激励线圈的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈和右测量线圈。本发明在不接触传动轴、不改变传动轴受力状况及旋转和动态工作条件下对扭矩进行高准确度、高精度的实时动态测量。

Description

一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置

技术领域：

本发明属于传感测量技术，具体涉及一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置。

背景技术：

扭矩是各种负载传动轴的基本载荷形式，是旋转机械传动系统中最重要的参数。扭矩测量是产品检验的重要手段，能间接反映机械功率和效率，是分析了解机械设备的机械性能、安全性及寿命等的重要参考。

随着汽车工业、船舶重工、航空航天、冶金化工及机械制造等行业的飞速发展，各行业在生产过程中，为了增加系统的安全保障，提高系统和设备的运行效率，对扭矩的测量提出了很高的要求，研制出一种在既不接触传动轴、不改变传动轴受力状况，又能在旋转和动态工作条件下实现高准确度、高精度的实时动态扭矩测量系统对机械、汽车及航天等涉及扭矩测量的领域具有非常重要的意义，目前世界各国都在对此开展广泛深入的研究。

目前国内外常用的扭矩测量方法主要有两类，分别是电阻应变式扭矩传感器和磁电相位差类扭矩传感器。

公开号为CN106644196A的专利文献公开了中国航天空气动力技术研究院申请的一种带转速测量的动态扭矩测量传感器，该测量装置包括整体式导电滑环、弹性体轴、轴承、壳体和紧固螺钉，电阻应变片与整体式导电滑环通过导线相连，电阻应变片感应转轴表面应力的变化，使应变片阻值发生改变，阻值的变化与扭矩值成比例关系，并通过整体式导电滑环进行传感器动、静部件间电压及电信号的传递，输出的电压也应该与扭矩成比例关系，从而实现扭矩测量。该测量装置的优点在于：拓宽了动扭传感器的工作速度范围，延长了其使用寿命，同时还附加有转速测量的功能；该测量装置存在的问题在于：导电滑环与被测转轴存在机械接触，容易产生机械磨损，随着使用会使传感器精度降低，使用寿命也会缩短，需要经常维护和更换，增加成本，且传感器中导线较多，影响稳定性。

公开号为CN101907501A的专利文献公开了同济大学申请的一种非接触相位差式扭矩传感器，该装置通过弹性轴和两个霍尔传感器，把被测扭矩转换成磁场信号的相位差，进而转换成输出的电压信号的相位差，相位差的变化与被测扭矩成正比，从而实现扭矩测量。该装置的优点在于：对磁场敏感、结构简单、体积小、频率响应宽、输出电压变化大和使用寿命长等；该装置存在的问题在于：转轴的长度是影响磁电相位差类扭矩测量的一个重要因素，只有转轴的长度达到一定程度后，它的扭转角度才更明显，所以此种方法更适合转轴较长的测量场合，无法测量静止条件下的扭矩，必须在旋转条件下，甚至在高速旋转的条件下测量原理才能成立。

此外，公开号为为CN202329888的专利文献公开了中国船舶重工集团公司第704研究所申请的一种基于光线的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，该测量系统在旋转轴上刻出条纹色标，采用传统瞬时角速度积分计算实时扭转角的方案，实现了动态扭矩的在线测量。该测量系统存在的问题在于：在持续测量中累积误差会不断增加，同时采用多个传感器测量，结构复杂，无法有效抑制光强变化、轴径向跳动及条纹反射率等造成的误差。

发明内容：

针对上述现有技术存在的不足，本发明提供了一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，以实现在不接触传动轴、不改变传动轴受力状况以及旋转和动态工作条件下对扭矩进行高准确度、高精度的实时动态测量的目的。

本发明的基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，为实现上述目的所采用的技术方案在于：扭矩的被测转轴上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条，所述超磁致伸缩材料涂层条分为正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条，所述正超磁致伸缩材料涂层条和负超磁致伸缩材料涂层条等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在被测转轴上；所述被测转轴的左右两端分别嵌套于左轴承和右轴承的内孔中，所述左轴承和右轴承分别嵌套于轴套的左右两端，所述轴套的内壁上装配有激励线圈，所述激励线圈的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈和右测量线圈；

测量过程为：

步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈，用于提供正弦交变磁场，使两个规格相同的左测量线圈和右测量线圈在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；

步骤b、将两个规格相同的左测量线圈和右测量线圈反向串联，用于传感测量的调零；

步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条的被测转轴在外界扭矩的作用下发生应变，导致超磁致伸缩材料涂层条内部磁化状态改变，两个规格相同的左测量线圈和右测量线圈中的磁场也随之发生变化，并输出差动感应电压U_o，所述差动感应电压U_o计算方式为：

式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λ_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N₂表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，B_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，W_p表示被测转轴的抗截面系数；

步骤d、根据差动感应电压与扭矩成正比例关系，获得扭矩值。

作为本发明的进一步改进，所述正超磁致伸缩材料涂层条沿轴向倾斜﹢45°涂敷在被测转轴上，所述负超磁致伸缩材料涂层条沿轴向倾斜﹣45°涂敷在被测转轴上。如此设置，±45°可便于超磁致伸缩材料涂层条的内部磁化状态发生改变，进而便于两个规格相同的左测量线圈5a和右测量线圈5b中的磁场发生变化。

作为本发明的进一步改进，所述左测量线圈和右测量线圈沿轴线的长度均为1/2激励线圈沿轴线的长度。如此设置，以作为后续测量时反向串联调零的基础。

作为本发明的进一步改进，所述超磁致伸缩材料涂层采用的材料是铽镝铁。如此设置，使超磁致伸缩材料涂层具有对应变敏感、响应速度快等突出特点，保证了装置的测量精度和响应速度。

作为本发明的进一步改进，所述超磁致伸缩材料涂层条采用磁控溅射、真空蒸发、脉冲激光溅射或喷涂中的任意一种工艺制备而成。

本发明的基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置的测量方法，采用的技术方案在于，包括以下步骤：

步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈5，用于提供正弦交变磁场，使两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；

步骤b、将两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b反向串联，用于传感测量的调零；

步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条2的被测转轴1在外界扭矩的作用下发生应变，导致超磁致伸缩材料涂层条2内部磁化状态改变，两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b中的磁场也随之发生变化，并输出差动感应电压U_o，所述差动感应电压U_o计算方式为：

式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λ_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N₂表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，B_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，W_p表示被测转轴的抗截面系数；

步骤d、根据差动感应电压与扭矩成正比例关系，获得扭矩值。

本发明的有益效果是：本发明的测量装置，主要是将超磁致伸缩材料涂层条分别呈±45°方向等间隔均匀涂敷在被测转轴的表面上，以作为传感的核心材料；并将被测转轴的左右两端分别嵌套于左轴承和右轴承的内孔中，激励线圈装配于轴套的内壁上，两个规格相同的左测量线圈和右测量线圈分别装配于激励线圈内壁的左半部分上和右半部分上，左轴承和右轴承分别嵌套于轴套左右两端，用于提供传感测量的非接触环境。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

(1)本发明的测量原理主要是基于在输出轴上涂敷超磁致伸缩材料涂层条而产生逆磁致伸缩效应，再将扭矩信号转换为电压信号进行输出，其输出信号与被测扭矩成正比，从而测量出关节的扭矩，其测量原理简单；

(2)、本发明的扭矩测量装置主要由涂敷在输出轴上的超磁致伸缩材料涂层条、固定被测转轴的左轴承和右轴承，固定左轴承和右轴承的轴套，装配于轴套的内壁上的激励线圈，沿轴向并排装配在激励线圈内壁上的左测量线圈和右测量线圈6个部件，使本发明达到在不接触传动轴、不改变传动轴受力状况以及旋转和动态工作条件下对扭矩进行高准确度、高精度的实时动态测量，且相比传统扭矩测量装置，结构更为简单，其中被测转轴与轴承，轴承与轴套之间均为过盈配合，使结构紧凑稳定，可靠性强；

(3)、本发明采用铽镝铁作为传感材料制作超磁致伸缩材料涂层条，使其具有对应变敏感、响应速度快等突出特点，保证了测量装置的测量精度和响应速度。

此外，本发明还具有体积小、测量准确性更高，动态响应速度和实时监测性更快及测量分析的可靠性更强的优势。

另外，本发明与同日申报的“基于基于逆磁致伸缩效应的非接触式机器人关节扭矩测量装置”这一专利申请的区别在于：本装置主要针对普通情况下的扭矩测量，并没有针对某个单独的领域的专门扭矩测量，被测转轴与轴承和套筒配合，为扭矩测量提供了非接触测量环境，而且方便对被测转轴两端进行力的施加及各种操作，方便灵活，适用范围更广。

附图说明：

图1是超磁致伸缩材料涂层条涂敷在被测转轴上的结构示意图；

图2是为测量装置安装在被测转轴上的结构示意图

图3是扭矩传感测量的信号传递框图；

图中所示：1为被测转轴、2为超磁致伸缩材料涂层条，2a为正超磁致伸缩材料涂层区，2b为负超磁致伸缩材料涂层区，3a为左轴承，3b为右轴承，4为轴套，5为激励线圈，6a为左测量线圈，6b为右测量线圈。

具体实施方式：

实施例一

参照图1和图2，本实施例中的基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，扭矩的被测转轴1上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条2，所述超磁致伸缩材料涂层条2分为正超磁致伸缩材料涂层条2a和负超磁致伸缩材料涂层条2b，所述正超磁致伸缩材料涂层条2a和负超磁致伸缩材料涂层条2b等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在被测转轴1上；所述被测转轴1的左右两端分别嵌套于左轴承3a和右轴承3b的内孔中，所述左轴承3a和右轴承3b分别嵌套于轴套4的左右两端，所述轴套4的内壁上装配有激励线圈5，所述激励线圈5的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈6a和右测量线圈6b；

参照图3，测量过程为：

步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈5，用于提供正弦交变磁场，使两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；

步骤b、将两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b反向串联，用于传感测量的调零；

步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条2的被测转轴1在外界扭矩的作用下发生应变，导致超磁致伸缩材料涂层条2内部磁化状态改变，两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b中的磁场也随之发生变化，并输出差动感应电压U_o，所述差动感应电压U_o计算方式为：

式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λ_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N₂表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，B_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，W_p表示被测转轴的抗截面系数；

步骤d、根据差动感应电压与扭矩成正比例关系，获得扭矩值。

实施例二

参照图1，本实施例在实施例一的基础上，将所述正超磁致伸缩材料涂层条2a沿轴向倾斜﹢45°涂敷在被测转轴1上，将所述负超磁致伸缩材料涂层条2b沿轴向倾斜﹣45°涂敷在被测转轴1上。

实施例三

参照图2，本实施例在实施例一的基础上，将左测量线圈6a和右测量线圈6b沿轴线的长度均设置成等于1/2激励线圈5沿轴线的长度。

实施例四

本实施例在实施例一的基础上，将超磁致伸缩材料涂层2采用铽镝铁制作而成。

实施例五

本实施例在上述各实施例的基础上，将超磁致伸缩材料涂层条2采用磁控溅射、真空蒸发、脉冲激光溅射或喷涂中的任意一种工艺制备而成。

参照图3，本发明的基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置的测量方法，包括以下步骤：

步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈5，用于提供正弦交变磁场，使两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；

步骤b、将两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b反向串联，用于传感测量的调零；

步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条2的被测转轴1在外界扭矩的作用下发生应变，导致超磁致伸缩材料涂层条2内部磁化状态改变，两个规格相同的左测量线圈6a和右测量线圈6b中的磁场也随之发生变化，并输出差动感应电压U_o，所述差动感应电压U_o计算方式为：

式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λ_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N₂表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，B_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，W_p表示被测转轴的抗截面系数；

步骤d、由差动感应电压U_o公式可知，差动感应电压与扭矩成正比例关系，进而得到相应的扭矩，实现机器人扭矩的测量。

Claims (6)

1.一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，其特征在于：扭矩的被测转轴(1)上涂敷有超磁致伸缩材料涂层条(2)，所述超磁致伸缩材料涂层条(2)分为正超磁致伸缩材料涂层条(2a)和负超磁致伸缩材料涂层条(2b)，所述正超磁致伸缩材料涂层条(2a)和负超磁致伸缩材料涂层条(2b)等间隔沿轴向左右对称倾斜涂敷在被测转轴(1)上；所述被测转轴(1)的左右两端分别嵌套于左轴承(3a)和右轴承(3b)的内孔中，所述左轴承(3a)和右轴承(3b)分别嵌套于轴套(4)的左右两端，所述轴套(4)的内壁上装配有激励线圈(5)，所述激励线圈(5)的内壁上沿轴向并排装配有相同规格的左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)；

测量过程为：

步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈(5)，用于提供正弦交变磁场，使两个规格相同的左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；

步骤b、将两个规格相同的左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)反向串联，用于传感测量的调零；

步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条(2)的被测转轴(1)在外界扭矩的作用下发生应变，导致超磁致伸缩材料涂层条(2)内部磁化状态改变，两个规格相同的左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)中的磁场也随之发生变化，并输出差动感应电压U_o，所述差动感应电压U_o计算方式为：

式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λ_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N₂表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，B_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，W_p表示被测转轴的抗截面系数；

步骤d、根据差动感应电压与扭矩成正比例关系，获得扭矩值。

2.如权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，其特征在于：所述正超磁致伸缩材料涂层条(2a)沿轴向倾斜﹢45°涂敷在被测转轴(1)上，所述负超磁致伸缩材料涂层条(2b)沿轴向倾斜﹣45°涂敷在被测转轴(1)上。

3.如权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，其特征在于：所述左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)沿轴线的长度均为1/2激励线圈(5)沿轴线的长度。

4.如权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，其特征在于：所述超磁致伸缩材料涂层(2)采用的材料是铽镝铁。

5.如权利要求1所述的一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置，其特征在于：所述超磁致伸缩材料涂层条(2)采用磁控溅射、真空蒸发、脉冲激光溅射或喷涂中的任意一种工艺制备而成。

6.一种如权利要求1-5的任意一项所述的基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤a、将正弦激励信号通入激励线圈(5)，用于提供正弦交变磁场，使两个规格相同的左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)在正弦交变磁场的作用下，产生大小相同的感应电动势；

步骤b、将两个规格相同的左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)反向串联，用于传感测量的调零；

步骤c、涂敷有超磁致伸缩材料涂层条(2)的被测转轴(1)在外界扭矩的作用下发生应变，导致超磁致伸缩材料涂层条(2)内部磁化状态改变，两个规格相同的左测量线圈(6a)和右测量线圈(6b)中的磁场也随之发生变化，并输出差动感应电压U_o，所述差动感应电压U_o计算方式为：

式中：μ表示超磁致伸缩材料的磁导率，λ_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁致伸缩系数，f表示激励信号的频率，N₂表示测量线圈的匝数，H表示磁场强度，S表示超磁致伸缩材料涂层条的截面积，B_s表示超磁致伸缩材料的饱和磁感应强度，W_p表示被测转轴的抗截面系数；

步骤d、根据差动感应电压与扭矩成正比例关系，获得扭矩值。