CN109632164A - 一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪及其扭矩测量方法 - Google Patents

一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪及其扭矩测量方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪及其扭矩测量方法。本发明的扭矩测量仪包括超磁致伸缩材料薄带、偏置磁铁、L型导磁材料、线性型霍尔元件、高度调节装置以及安装台。本发明的扭矩测量方法为将超磁致伸缩材料薄带贴附于被测表面，使用标准电源为霍尔元件供电，使用数字万用表等测量设备测量加载扭矩时霍尔元件的微弱电压输出，基于超磁致伸缩材料的压磁效应，通过测量感应磁场引起的霍尔元件输出电压大小得到被测扭矩大小。本发明具有以下优点：体积小、结构简单；非接触测量，不改变被测物体自身结构；易于检测；响应快、灵敏度高，可靠性强。本发明可广泛用于狭窄空间、复杂工况的扭矩测量、监测和故障诊断方面。

Description

一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪及其扭矩测 量方法
技术领域
本发明涉及一种扭矩测量装置，特别是一种基于超磁致伸缩材料的压磁效应的非接触式扭矩测量仪及其扭矩测量方法。
背景技术
扭矩测试是各种机械产品的开发研究、质量检验、安全和优化控制等工作中必不可少的内容，也是检验飞机、坦克、装甲、车辆等轴类零件设计是否满足设计要求、了解和掌握动力传动设备的运行工况、分析和改进现服役装备、提高可靠性以及装备的定型设计的重要内容。
目前，扭矩传感器分为磁弹性式、振弦式、光电式、磁电式、电容式、光纤式、无线无源声表面波式、磁敏式、激光多普勒式、软测量式、激光衍射式等多种扭矩测量方法。传统接触式测量方法存在需要改变轴系本身结构、体积庞大、磁弹性式对轴材料有要求、信号微弱、不易安装等问题。北科大提出了一种基于磁致伸缩效应的扭矩传感器及扭矩测量方法，但信号发生处理部分复杂，不易实现。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述扭矩传感器存在的问题，提供一种结构简单、易于实现的，可应用于狭窄空间、复杂工况的，基于超磁致伸缩材料压磁效应的非接触式扭矩测量仪及其扭矩测量方法，能有效的解决各种机械产品，尤其是空间狭小、工况复杂的特种装备的扭矩测量的问题。
本发明的技术方案是：一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的非接触式扭矩测量仪，包括超磁致伸缩材料薄带、偏置磁铁、L型导磁材料、线性型霍尔元件、高度调节装置以及安装台；其中，所述超磁致伸缩材料薄带贴附于被测表面；所述霍尔元件固定在所述L型导磁材料的突出端，所述偏置磁铁固定在所述L型导磁材料的另一端；所述L型导磁材料固定在所述高度调节装置上；所述高度调节装置固定在所述安装台上。
进一步，所述偏置磁铁、L型导磁材料、霍尔元件置于所述超磁致伸缩材料薄带的上方；所述偏置磁铁和霍尔元件与所述超磁致伸缩材料薄带之间有约0.5mm左右微小间隙。
进一步，所述偏置磁铁、L型导磁材料、超磁致伸缩材料薄带之间形成闭合磁回路，所述霍尔元件置于该闭合回路中。
本发明的另一目的是提供上述基于超磁致伸缩材料压磁效应的非接触式扭矩测量仪的扭矩测量方法，其步骤包括：
将所述超磁致伸缩薄带贴附于被测表面，使用标准电源为所述霍尔元件供电，使用数字万用表等测量设备测量加载扭矩时所述霍尔元件的微弱电压输出。当加载扭矩时，由于超磁致伸缩材料的压磁效应，感应磁场发生变化引起所述霍尔元件输出电压发生变化，通过测量所述霍尔元件的输出电压大小可以得到加载扭矩的大小。
使用前需要对所述霍尔元件输出电压和对应加载扭矩之间的关系进行标定，当未加载扭矩时，所述霍尔元件的初始电压输出对应的扭矩为0，根据对所述霍尔元件输出电压与对应加载扭矩之间关系的标定结果得到所述霍尔元件输出电压对应的扭矩大小。
本发明的有益效果是：提供了一种结构简单、体积小、成本低、响应快、可靠性强、灵敏度高的非接触式扭矩测量仪及其测量方法，可广泛用于扭矩的测试、监测和故障诊断方面，特别是在检验空间狭窄、工况复杂的特种装备传动轴是否满足设计要求、掌握传动轴的工况、分析改进现服役装备、提高可靠性及装备的定型设计等方面，具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明的组成部分及连接方式示意图；
图2是本发明中扭矩测量仪的原理示意图；
图3是本发明中L型导磁材料、高度调节装置、安装台的连接示意图；
图4是本发明中测量方法的原理示意图；
图5是使用本发明测量扭矩的实例图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做以下详细描述。
实施例1
如图1所示，非接触式扭矩测量仪8包括超磁致伸缩材料薄带1、偏置磁铁2、L型导磁材料3、线性型霍尔元件4、高度调节装置5以及安装台6。其中所述超磁致伸缩材料薄带1使用胶水贴附于被测物体7表面，本具体实施案例中被测物体7为扭矩测量最常见的被测对象——圆轴，所述超磁致伸缩材料薄带1沿被测表面圆周方向贴附一周，但本发明的扭矩测量仪不限制被测对象的具体形式，被测物体7也可为方轴或其他受扭物体，所述超磁致伸缩材料薄带1沿被测物体7表面粘贴；所述霍尔元件4用胶水或胶带固定在所述L型导磁材料3的突出端，管脚朝向外侧，以便于接线；所述偏置磁铁2吸附于所述L型导磁材料3的另一端，可用胶水或胶带加固，磁场大小的选择需要满足所述霍尔元件4的工作范围，同时最好位于所述超磁致伸缩材料1B-H特征曲线的线性工作段；所述L型导磁材料3固定在所述高度调节装置5上；所述高度调节装置5固定在所述安装台6上。
如图2所示，所述偏置磁铁2、L型导磁材料3、霍尔元件4置于所述超磁致伸缩材料薄带1的上方；所述偏置磁铁2和霍尔元件4与所述超磁致伸缩材料薄带1之间有0.5mm左右微小间隙。
所述偏置磁铁2、L型导磁材料3、超磁致伸缩材料薄带1之间形成闭合磁回路，所述霍尔元件4置于该闭合回路中。
如图3所示，所述高度调节装置5伸出臂与所述L型导磁材料3连接处开槽，所述L型导磁材料3嵌于槽内并使用螺钉顶紧，可使用胶水或胶带加固；所述高度调节装置5与所述安装台6之间采用螺纹连接。
使用本装置测量扭矩包括以下步骤：如图4所示，使用标准电源9为所述扭矩测量仪8中的霍尔元件4供电，使用数字万用表10测量加载扭矩时所述扭矩测量仪8中的霍尔元件4的微弱电压输出。当加载扭矩时，由于超磁致伸缩材料1的压磁效应，感应磁场发生变化引起所述霍尔元件4的输出电压发生变化，通过测量所述霍尔元件4的输出电压大小得到加载扭矩的大小。
图5是在圆轴一端通过加载质量块加载扭矩，加载力臂L＝0.5m时，使用本发明的扭矩测量仪进行测量的实例图，其中横坐标为加载质量m，单位kg，纵坐标为霍尔元件4的输出电压U，单位为V，取重力加速度g＝9.80665m/s2，根据扭矩计算公式M＝mg·L，可得到加载扭矩的大小。
如图5所示，使用前需要对所述扭矩测量仪8中霍尔元件4的输出电压和对应加载扭矩之间的关系进行标定，当未加载扭矩时，所述霍尔元件4的初始电压输出对应的扭矩为0，根据对所述霍尔元件4输出电压与对应加载扭矩之间关系的标定结果的拟合曲线方程得出所述霍尔元件4输出电压对应的扭矩大小。

Claims (5)

1.一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪，其特征是，该扭矩测量仪包括超磁致伸缩材料薄带、偏置磁铁、L型导磁材料、线性型霍尔元件、高度调节装置以及安装台；其中，所述超磁致伸缩材料薄带贴附于被测表面；所述霍尔元件固定在所述L型导磁材料的突出端，所述偏置磁铁固定在所述L型导磁材料的另一端；所述L型导磁材料固定在所述高度调节装置上；所述高度调节装置固定在所述安装台上。
2.根据权利要求1所述的扭矩测量仪，其特征是，所述偏置磁铁、L型导磁材料、霍尔元件置于所述超磁致伸缩材料薄带的上方；所述偏置磁铁和霍尔元件与所述超磁致伸缩材料薄带之间有约0.5mm左右微小间隙。
3.根据权利要求1所述的扭矩测量仪，其特征是，所述偏置磁铁、L型导磁材料、超磁致伸缩材料薄带之间形成闭合磁回路，所述霍尔元件置于该闭合回路中。
4.根据权利要求1-3所述的基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪的扭矩测量方法，其特征是，使用标准电源为所述霍尔元件供电，使用数字万用表等测量设备测量加载扭矩时所述霍尔元件的微弱电压输出，当加载扭矩时，由于超磁致伸缩材料的压磁效应，感应磁场发生变化引起所述霍尔元件输出电压发生变化，通过测量所述霍尔元件的输出电压大小得到加载扭矩的大小。
5.根据权利要求1-3所述的基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪的扭矩测量方法，其特征是，使用前需要对所述霍尔元件输出电压和对应加载扭矩之间的关系进行标定，当未加载扭矩时，所述霍尔元件的初始电压输出对应的扭矩为0，根据对所述霍尔元件输出电压与对应加载扭矩之间关系的标定结果得到所述霍尔元件输出电压对应的扭矩大小。
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