CN108692840A - 基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法 - Google Patents

Abstract

一种基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，是在基于光纤光栅的扭矩测量系统上实现，包括：对励磁线圈骨架上的励磁线圈通入电流，对弹性轴进行轴向磁化，使得弹性轴的轴体内部的磁矩朝着轴向转动；通过扭矩测量系统中的扭矩加载装置对弹性轴施加扭矩；将霍尔检测电路固定在弹性轴的表面，检测弹性轴的磁化强度矢量方向改变量，将所述的磁化强度矢量方向改变量换成电压的变化量，从而得到弹性轴的扭矩与磁化强度矢量方向改变量数学模型。本发明通过建立磁化强度矢量方向变化与扭矩之间的数学模型，最终获得扭矩的测量值。本发明能够突破现有的扭矩测量技术局限性，并且其能够在恶劣环境下进行测量，适用于船舶、航空航天等领域。

Description

基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法

技术领域

本发明涉及一种信号检测方法。特别是涉及一种基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已充分引起人们的重视，成为测试技术的一个新分支。扭矩是一个可以综合反映机械特征的机械量，是机械工程中的重要参数，也是传动轴的基本载荷形式之一。现有的扭矩测量方法主要包括应变式、压电式、力磁式与光弹式等，各个方法都有其特有的优势，但也存在各自的缺点，适合的应用领域也各有不同。因此，研究一种适合在恶劣环境下使用且精度高的测量方法是十分有必要的。

基于磁弹式的扭矩传感装置作为工业生产现场的扭矩测量装置，其输出功率大、安装维修简单、抗干扰能力强、耐用性好、能够实现非接触测量，容易向小型化发展、特别适合于扭矩的在线检测。因而比较适合应用于船舶、钢铁、石油钻机数控等领域。此前，所采用磁弹式测量扭矩的方法都是线圈检测铁磁材料磁导率的方法，具有以下缺点：1、线圈检测磁导率的方法需要在弾性轴外围安装检测线圈且其检测的是±45°方向上的磁导率变化，不具有对称性；2、利用线圈检测磁导率的方法，其线圈的互感现象，影响测量效果。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现恶劣环境下的扭矩测量的基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法。

本发明所采用的技术方案是：一种基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，是在扭矩测量系统上实现，包括如下步骤：

1)对励磁线圈骨架上的励磁线圈通入电流，对弹性轴进行轴向磁化，使得弹性轴的轴体内部的磁矩朝着轴向转动；

2)通过扭矩测量系统中的扭矩加载装置对弹性轴施加扭矩；

3)将霍尔检测电路固定在弹性轴的表面，检测弹性轴的磁化强度矢量方向改变量，将所述的磁化强度矢量方向改变量换成电压的变化量，从而得到弹性轴的扭矩与磁化强度矢量方向改变量数学模型：

M＝1.46527T+1071.9379

式中，M为磁化强度矢量方向改变量，T为扭矩。

步骤1)所述的利用励磁线圈骨架包括有：用于装入弹性轴的弹性轴套筒、分别对称的一体连接在所述弹性轴套筒两侧的线圈骨架，两个所述的线圈骨架上形成有与所述的弹性轴套筒相连通的通孔，所述弹性轴套筒上缠绕有励磁线圈。

步骤3)所述的霍尔检测电路包括有：电压源、第一稳压芯片、霍尔器件、第二稳压芯片、放大器和滤波电路，其中，所述的电压源分别连接所述第一稳压芯片和第二稳压芯片的电源输入端，所述第一稳压芯片的信号输出端连接所述霍尔器件，所述霍尔器件和第二稳压芯片的信号输出端分别连接所述放大器的信号输入端，所述放大器的信号输出端连接所述滤波电路的信号输入端，所述滤波电路的信号输出端构成整体输出端。

本发明的扭矩测量的基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，以对轴施加扭矩为研究对象，研究扭矩作用下，轴体材料的畴壁断裂以及移动引起磁化强度矢量方向改变，通过建立磁化强度矢量方向变化与扭矩之间的数学模型，最终获得扭矩的测量值。本发明能够突破现有的扭矩测量技术局限性，并且其能够在恶劣环境下进行测量，适用于船舶、航空航天等领域。

附图说明

图1是本发明中励磁线圈骨架示意图；

图2是本发明中弾性轴受扭矩时磁化强度矢量方向改变示意图；

图3是本发明中霍尔检测电路构成框图。

图中

1：线圈骨架 2：弹性轴套筒

3：励磁线圈 4：通孔

5：弹性轴 6：电压源

7：第一稳压芯片 8：霍尔器件

9：第二稳压芯片 10：放大器

11：滤波电路

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法做出详细说明。

本发明的基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，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。

本发明的基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，通过检测施加扭矩时所引起的磁化强度矢量方向改变来表征扭矩，即通过霍尔芯片检测扭矩所引起的磁化强度矢量方向变化，从而建立起扭矩与磁化强度矢量方向变化范围之间的数学模型。具体包括如下步骤：

1)对励磁线圈骨架上的励磁线圈3通入电流，对弹性轴5进行轴向磁化，使得弹性轴5的轴体内部的磁矩朝着轴向转动，这样沿着轴向方向的内部磁畴磁矩矢量和增大，即轴向方向上的磁化强度增大；

如图1所示，所述的利用励磁线圈骨架包括有：用于装入弹性轴5的弹性轴套筒2、分别对称的一体连接在所述弹性轴套筒2两侧的线圈骨架1，两个所述的线圈骨架1上形成有与所述的弹性轴套筒2相连通的通孔4，所述弹性轴套筒2上缠绕有励磁线圈3。

2)通过扭矩测量系统中的扭矩加载装置对弹性轴5施加扭矩，扭矩产生的剪切应力等效为与轴线成±45°方向上的拉压应力，并且施加的扭矩也会引起磁化强度的矢量方向改变；

3)将霍尔检测电路固定在弹性轴5的表面，检测弹性轴5的磁化强度矢量方向改变量，将所述的磁化强度矢量方向改变量换成电压的变化量，从而得到弹性轴5的扭矩与磁化强度矢量方向改变量数学模型：

M＝1.46527T+1071.9379

式中，M为磁化强度矢量方向改变量，T为扭矩。

如图3所示，所述的霍尔检测电路包括有：电压源6、第一稳压芯片7、霍尔器件8、第二稳压芯片9、放大器10和滤波电路11，其中，所述的电压源6分别连接所述第一稳压芯片7和第二稳压芯片9的电源输入端，所述第一稳压芯片7的信号输出端连接所述霍尔器件8，所述霍尔器件8和第二稳压芯片9的信号输出端分别连接所述放大器10的信号输入端，所述放大器10的信号输出端连接所述滤波电路11的信号输入端，所述滤波电路11的信号输出端构成整体输出端。其中，

第一稳压芯片和第二稳压芯片采用型号为LM4040或LM1717的芯片；霍尔器件采用型号为EQ430L或AH49E的芯片；放大器10采用型号为AD8221或AD820的芯片。

下面给出具体实例：

本发明制作弹性轴所采用的材料为铁磁材料，对弹性轴施加外部磁场进行磁化时，其内部磁畴磁矩能够沿着外部磁场方向转动，使得这类磁畴获得成长，沿着外部磁场方向的磁场强度增大。为此本发明采用线圈励磁的方式对弾性轴进行轴向励磁。

图1为本发明的线圈骨架图。线圈骨架套在弾性轴上，以避免线圈直接缠绕在弾性轴上造成线圈破损，且线圈直接缠绕在轴上不便于安装和拆卸。线圈由绝缘骨架、励磁线圈组成。骨架采用绝缘的树脂材料，在其两侧设计两个螺栓连接孔，用于支撑和固定线圈。线圈选择线径较小的铜质漆包线，其目的是将线圈的匝数增多。

将线圈缠绕在骨架上，并将线圈骨架套在弾性轴上，利用信号发生器通入交流电流以产生轴向磁场对轴进行轴向磁化。

如图2所示，当对弹性轴施加扭矩T时，扭矩T所产生的剪切应力等效为与轴线成±45°方向上的拉应力+σ，压应力-σ，并且施加的扭矩T改变磁化强度矢量的方向，其改变量为M与M'之间的夹角θ。施加的扭矩T越大，磁化强度矢量方向与拉应力方向+σ之间的角度越小，与压应力方向-σ之间的角度越大。

如图3所示为霍尔检测电路，其中霍尔器件是线性器件，用于检测磁化强度角度的改变，并将其变化转变为线性电压变化；由于磁化强度矢量方向变化范围很小，所以电压变化比较小，为此利用放大器放大电压的变化量，放大器的放大倍数可以通过外接电阻进行调整；然后再利用滤波电路减小直流电压中的交流成分，使其尽可能平滑；最后输出信号由信号接收器接收，并对其进行处理。

对励磁线圈通入直流电流用于产生外部磁场以对轴进行轴向磁化，此时轴的磁化强度为M；扭矩测量系统中的扭矩加载装置对弹性轴施加扭矩，使得磁化强度与施加扭矩等效的±45°方向上的拉压应力之间的角度发生变化。并利用霍尔线性器件检测测磁化强度角度改变，并通过后续的放大电路和稳压电路对信号进行处理，最后在信号接收器显示。其中，霍尔线性器件和稳压电路通过直流电源驱动。最终得出输出信号与扭矩之间的实验数学模型。综合霍尔检测电路输出信号与角度之间的关系和输出信号与施加的扭矩之间的关系，可以建立扭矩与磁化强度矢量方向改变的实验数学模型。

Claims (3)

1.一种基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，是在扭矩测量系统上实现，其特征在于，包括如下步骤：

1)对励磁线圈骨架上的励磁线圈(3)通入电流，对弹性轴(5)进行轴向磁化，使得弹性轴(5)的轴体内部的磁矩朝着轴向转动；

2)通过扭矩测量系统中的扭矩加载装置对弹性轴(5)施加扭矩；

3)将霍尔检测电路固定在弹性轴(5)的表面，检测弹性轴(5)的磁化强度矢量方向改变量，将所述的磁化强度矢量方向改变量换成电压的变化量，从而得到弹性轴(5)的扭矩与磁化强度矢量方向改变量数学模型：

M＝1.46527T+1071.9379

式中，M为磁化强度矢量方向改变量，T为扭矩。

2.根据权利要求1所述的基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，其特征在于，步骤1)所述的利用励磁线圈骨架包括有：用于装入弹性轴(5)的弹性轴套筒(2)、分别对称的一体连接在所述弹性轴套筒(2)两侧的线圈骨架(1)，两个所述的线圈骨架(1)上形成有与所述的弹性轴套筒(2)相连通的通孔(4)，所述弹性轴套筒(2)上缠绕有励磁线圈(3)。

3.根据权利要求1所述的基于磁力效应扭矩传感器的信号检测方法，其特征在于，步骤3)所述的霍尔检测电路包括有：电压源(6)、第一稳压芯片(7)、霍尔器件(8)、第二稳压芯片(9)、放大器(10)和滤波电路(11)，其中，所述的电压源(6)分别连接所述第一稳压芯片(7)和第二稳压芯片(9)的电源输入端，所述第一稳压芯片(7)的信号输出端连接所述霍尔器件(8)，所述霍尔器件(8)和第二稳压芯片(9)的信号输出端分别连接所述放大器(10)的信号输入端，所述放大器(10)的信号输出端连接所述滤波电路(11)的信号输入端，所述滤波电路(11)的信号输出端构成整体输出端。