CN110088583A - 双频带磁致弹性扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

提供一种扭矩传感器。所述扭矩传感器包括轴，所述轴被配置为接收被施加的扭矩。所述轴包括第一区域和第二区域，这两个区域都是磁致弹性的。所述第一区域和所述第二区域响应于所述被施加的扭矩来产生第一磁场和第二磁场。所述轴还包括第三区域，所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间。所述第三区域响应于所述被施加的扭矩而产生基本上可忽略的磁场。所述扭矩传感器还包括：第一传感器，所述第一传感器设置为与所述第一区域相邻；第二传感器，所述第二传感器设置为与所述第二区域相邻；和第三传感器，所述第三传感器设置为与所述第三区域相邻。所述第一传感器感测所述第一磁场，所述第二传感器感测所述第二磁场，且所述第三传感器感测环境磁场。

Description

双频带磁致弹性扭矩传感器
相关申请的交叉引用
本主题申请要求2016年12月16日提交的美国临时专利申请第62/433,073号的权益，该申请的整体通过引用结合于此。
技术领域
本公开内容总体上涉及使用磁致弹性技术测量被施加的扭矩的系统、传感器及方法。
背景技术
存在许多用于使用磁致弹性扭矩传感器来测量被施加的扭矩的系统和方法。所述磁致弹性扭矩传感器包括轴，所述轴接收被施加的扭矩。所述轴包括多个磁性区域，所述多个磁性区域的磁特性响应于被施加的扭矩而变化。多个传感器设置为沿着轴在磁性区域附近，并且多个传感器测量磁性区域所产生的磁场。以该方式，扭矩传感器能够经由测得的磁场来检测被施加的扭矩的变化。
虽然这些扭矩传感器通常为了他们预期的目的而工作，但可能留有某些缺点。例如，本领域中仍需要这些扭矩传感器更为紧凑而不牺牲准确感测磁场的能力或者排除不想要的环境磁场的能力。
如此，存在至少解决前述问题的机会。
发明内容
提供了扭矩传感器的一个实施例。所述扭矩传感器包括轴，所述轴被配置为接收被施加的扭矩。所述轴包括第一区域和第二区域，这两个区域都是磁致弹性的。所述第一区域和所述第二区域被配置为响应于所述被施加的扭矩而产生第一磁场和第二磁场。所述轴还包括第三区域，所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间。所述第三区域被配置为响应于所述被施加的扭矩而产生基本上可忽略的磁场。所述扭矩传感器还包括：第一传感器，所述第一传感器设置为与所述第一区域相邻；第二传感器，所述第二传感器设置为与所述第二区域相邻；和第三传感器，所述第三传感器设置为与所述第三区域相邻。所述第一传感器被配置为感测所述第一磁场，所述第二传感器被配置为感测所述第二磁场，并且所述第三传感器被配置为感测环境磁场。
提供了使用扭矩传感器来感测被施加的扭矩的方法的一个实施例。所述扭矩传感器包括轴，所述轴包括第一区域和第二区域，这两个区域都是磁致弹性的。所述轴的所述第一区域和所述第二区域被配置为响应于所述被施加的扭矩而产生第一磁场和第二磁场。所述轴还包括第三区域，所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间。所述第三区域被配置为响应于所述被施加的扭矩而产生基本上可忽略的磁场。所述方法包括以下步骤：用所述扭矩传感器的所述轴来接收所述被施加的扭矩；和感测所述第一磁场、所述第二磁场、和所述环境磁场。
提供了用于确定被施加的扭矩的大小的车辆部件的一个实施例。所述车辆部件包括：机构，所述机构用于施加所述被施加的扭矩；和扭矩传感器。所述扭矩传感器包括轴，所述轴被配置为接收所述被施加的扭矩，所述轴包括第一区域和第二区域，这两个区域都是磁致弹性的。所述轴的所述第一区域和所述第二区域被配置为响应于所述被施加的扭矩而产生第一磁场和第二磁场。所述轴还包括第三区域，所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间。所述第三区域被配置为响应于所述被施加的扭矩而产生基本上可忽略的磁场。所述车辆部件还包括：第一传感器，所述第一传感器设置为与所述第一区域相邻；第二传感器，所述第二传感器设置为与所述第二区域相邻；和第三传感器，所述第三传感器设置为与所述第三区域相邻。所述第一传感器被配置为感测所述第一磁场，所述第二传感器被配置为感测所述第二磁场，并且所述第三传感器被配置为感测环境磁场。车辆部件还包括控制器，所述控制器耦合到所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器。所述控制器被配置为基于所述第一磁场、所述第二磁场和所述环境磁场来确定所述被施加的扭矩的所述大小。
所述第一磁致弹性区域、所述第二磁致弹性区域和所述零磁化区域的布置允许所述扭矩传感器更为紧凑，同时维持准确地感测所述磁场并且排除所述环境磁场以及来自所述环境磁场的噪声的能力。所述扭矩传感器、系统和方法可以展现处本文所述的优点以外的其他优点。通过参考以下详细描述，当结合附图考虑时，将容易领会并更好地理解扭矩传感器、方法和车辆部件的其他的特征和优点。
附图说明
通过参考以下详细描述，当结合附图考虑时，将容易领会并更好地理解本公开文本的其他的优点，在附图中：
图1提供了双频带扭矩传感器的透视图。
图2提供了双频带扭矩传感器的图解视图。
图3提供了叠加有第一环境磁场的双频带扭矩传感器的图解视图。
图4提供了确定被施加的扭矩的大小的方法。
图5提供了叠加有第二环境磁场的双频带扭矩传感器的图解视图。
图6提供了三频带扭矩传感器的图解视图。
图7a和图7b提供了相对于沿着每个扭矩传感器的距离的双频带扭矩传感器所产生的磁场强度和三频带扭矩传感器所产生的磁场强度的曲线图。
图8提供了其中叠加图7a和图7b中所示的磁场强度的曲线图。
图9提供了其中将被压缩的双频带扭矩传感器的磁场强度和三频带扭矩传感器的磁场相叠加的曲线图。
具体实施方式
I.扭矩传感器概览
图1示出用于测量被施加的扭矩34的大小的扭矩传感器10的一个实施例。扭矩传感器10可以用于合适的应用中，并且用于其中被施加的扭矩34被测量的任何合适的部件或系统。例如，扭矩传感器10可以用于但不限于车辆系统，诸如电动转向系统。
参考图1的实施例，具有大小τ的被施加的扭矩34被施加到扭矩传感器10的轴12的第一端13。然而，被施加的扭矩34可以被施加到扭矩传感器10的任何部分。例如，被施加的扭矩34可以被施加到扭矩传感器10的第二端15或被施加于扭矩传感器10的端13、15之间的任何点处。此外，被施加的扭矩34可以被施加到扭矩传感器10的多于一个部分。另外，当查看扭矩传感器10的第一端13时，被施加的扭矩34可以被以顺时针或逆时针的方向施加。取决于利用扭矩传感器10的系统，被施加的扭矩34可以被施加在任一方向或两个方向上。
尽管图1中所示的轴12具有圆柱形配置，但是轴12可以具有限定用于使扭矩传感器10正常运行的任何合适的截面积(例如，正方形、三角形、椭圆形、八边形等)的任何合适的形状。另外，在其他的实施例中，轴12可以是中空的或实心的。此外，在一些实施例中，轴12可以是静止的并在端13、15处固定到更大的系统，这使被施加的扭矩34的施加能够使得轴12变形。在其他的实施例中，轴12可以在施加被施加的扭矩34时旋转。
如图1中所示，轴12可以包括：第一区域14，第一区域14可以是磁致弹性的；以及第二区域16，第二区域16也可以是磁致弹性的。如果区域响应于机械力而产生磁场，那么该区域就可以是磁致弹性的。例如，在图1的实施例中，第一区域14和第二区域16可以被磁化以响应于将被施加的扭矩34施加到轴12而产生磁场。在一些实施例中，第一区域14和第二区域16可以被周向磁化并且可以被磁化以携带正极性或负极性。在图1中，将第一区域14和第二区域16磁化以具有正极性，如由向上指向的箭头所示的那样。第一区域14和第二区域16在下文中可以分别被称作“第一磁致弹性区域14”以及“第二磁致弹性区域16”。
还如图1中所示，轴12可以包括：第三区域18，第三区域18设置在第一磁致弹性区域14与第二磁致弹性区域16之间。第三区域18可以被配置为响应于被施加的扭矩34而产生基本上可忽略的磁场。换言之，第三区域18所产生的磁场当与第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16相比来说可能是最小的，和/或在确定被施加的扭矩34时第三区域18所产生的磁场扭矩可以被视为可忽略。如所示，第三区域18可以设置在第一磁致弹性区域14与第二磁致弹性区域16之间。如此，第三区域18可以携带可忽略的磁极化并且可以使用零符号()在图1中示出。第三区域在下文中可以被称为“零磁化区域18”。
因为扭矩传感器10的轴12包括两个磁致弹性区域14、16，所以扭矩传感器10在本文可以被称为“双频带”扭矩传感器10。为了方便起见，扭矩传感器10将在本文中被称为“扭矩传感器10”，但是在将扭矩传感器10与其他扭矩传感器(诸如“三频带”扭矩传感器)进行比较时将扭矩传感器10称为“双频带扭矩传感器10”。
图2示出扭矩传感器10的另一个视图，其中标记出沿着轴12的相关长度和相关点。如图2中所示，第一磁致弹性区域14可以由第一端26和第二端28约束。第二磁致弹性区域16可以由第一端30和第二端32约束。零磁化区域18可以由第一端35和第二端36约束，其中零磁化区域18的第一端35与第一磁致弹性区域14的第二端28相接触，并且零磁化区域18的第二端36与第二磁致弹性区域16的第一端30相接触。理解到，区域的端可以通过磁化并且在没有如图2中所示的划分的情况下无缝整合到轴12中。此外，图2注释每个区域14、16、18的长度。具体地，L1代表第一磁致弹性区域14的长度，L2代表第二磁致弹性区域16的长度，且L0代表零磁化区域18的长度。
图3示出扭矩传感器10的又另一个视图，其中示出由第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16产生的磁场。如图3中所示，第一磁致弹性区域14可以产生第一磁场140，该第一磁场140可以由轴向磁场分量141和径向磁场分量142组成。类似地，第二磁致弹性区域16可以产生第二磁场160，该第二磁场160可以由轴向磁场分量161和径向磁场分量162组成。当被施加的扭矩34被施加到轴12时，被施加的扭矩34可以与被施加的扭矩的大小成比例地改变磁场的轴向分量和径向分量的大小。此外，与第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16不同，零磁化区域18不产生磁场。零磁化区域18的品质可以是制造品质、设计品质或内在品质。
在一个实施例中，第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16可以在长度上是基本上相等的，并可以产生基本上相等的磁场。具体来说，在这样的实施例中，L1可以基本上等于L2，；第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16具有基本上相等的磁极性；且第一磁场140和第二磁场160在方向和大小上基本上相等。然而，应注意到，在其他实施例中，第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16可以在长度上是不同的，并可以产生不相等的磁场。此外，当第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16具有图1中的正极性，则第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16可以具有负极性。
参考回到图1，扭矩传感器10还可以包括分别相对于区域14、16、18设置的传感器20、22、24。具体地，第一传感器20可以设置为与第一磁致弹性区域14相邻。类似地，第二传感器22可以设置为与第二磁致弹性区域16相邻。第三传感器24可以设置为与零磁化区域18相邻。此外，应当注意到，传感器20、22、24可以设置为与区域14、16、18相邻，并且不需要直接与轴12连接。例如，在一个实施例中，传感器20、22、24可以设置在可以与轴12相邻但与轴12间隔开的壳体中。如此，传感器20、22、24和壳体不通过摩擦影响被施加的扭矩34。
参考图3，第一传感器20可以被配置为感测由第一磁致弹性区域14产生的第一磁场140，且第二传感器22可以被配置为感测由第二磁致弹性区域16产生的第二磁场160。如所示，第一传感器20可以被配置为感测第一磁场140的轴向磁场分量141的大小。类似地，第二传感器22可以被配置为感测第二磁场160的轴向磁场分量161的大小。应当注意到，在其他实施例中，第一传感器20可以被配置为感测第一磁场140的径向分量142或第一磁场140的轴向和径向分量141、142的大小。同样地，第二传感器22可以被配置为感测第二磁场160的径向磁场分量162或第二磁场160的轴向和径向分量161、162的大小。如此，第一传感器20可以被配置为产生第一磁场140的读数，且第二传感器22可以被配置为产生第二磁场160的读数。
还如图3中所示，第一传感器20和第二传感器22以及第三传感器24可以被配置为感测环境磁场的大小，环境磁场190使用多条点虚线来表示并且标记为Bx。根据定义，环境磁场190可以是扭矩传感器10外部的源所产生的磁场，使得被施加的扭矩34对环境磁场具有最小影响。例如，在扭矩传感器10可以由电动转向单元利用的实施例中，环境磁场190可以是不包括扭矩传感器10的电动转向单元的部件所产生的磁场。参考图3的实施例，第三传感器24可以被配置为感测环境磁场190的大小，并且第三传感器24可以被配置为产生环境磁场的读数。类似地，第一传感器20和第二传感器22可以被配置为除了分别感测第一磁场140和第二磁场160的大小以外还感测环境磁场190的大小。如此，第一传感器20和第二传感器22可以被配置为除了分别产生第一磁场140和第二磁场160的读数以外还感产生环境磁场190的读数。
此外，应注意到，第一传感器20可以包括用于感测第一磁场140和环境磁场190的多于一个传感器。例如，在一个实施例中，传感器20可以包括多个传感器，该多个传感器与第一磁致弹性区域14相邻并被配置为感测第一磁场140。在这样的实施例中，多个传感器可以通过对多个传感器中的每个传感器所产生的读数求平均而产生第一磁场140和环境磁场190的读数。同样，第二传感器22可以包括用于感测和产生第二磁场160和环境磁场190的读数的多个传感器。第三传感器24也可以包括用于感测和产生环境磁场190的读数的多个传感器。
还应当注意到，传感器20、22、24可以是适用于感测磁场的任何传感器。例如，传感器20、22、24可以包括以下项中的至少一项：霍尔(Hell)效应传感器、巨大磁阻磁强计、AMR磁强计、磁光传感器、搜索线圈磁场传感器、磁二极管、磁通量门磁强计、或者适合用于感测磁场的任何其他传感器。
如图1中所示，传感器20、22、24可以耦合到控制器38，控制器38可以被配置为基于之前描述的由传感器20、22、24产生的读数而确定被施加的扭矩34的大小。在一些实施例中，控制器38和扭矩传感器10可以是用于确定被施加的扭矩34的大小的车辆子系统的部件。在一个这样的实施例中，车辆子系统可以是车辆的电动转向单元。在这样的实施例中，电动转向单元的控制器38可以接收第一磁场140的读数、第二磁场160的读数以及环境磁场的读数。控制器38接着可以基于传感器20、22、24所产生的读数来确定被施加的扭矩34的大小。此外，应当注意的是，控制器38可以包括任何适当的逻辑、信号处理装置、或部件以用于实现所述功能的执行。另外，应当注意，在其他实施例中，传感器20、22可以是类似地被配置以测量被施加到轴12的其他力，诸如应力和张力，并且控制器38可以被配置为确定这样的其他力的大小。
有利地，由于扭矩传感器10的上述特征，扭矩传感器10可以是更紧凑的，这允许扭矩传感器10对环境磁场噪声有更高的免疫力。以这种方法，扭矩传感器10可以降低生产成本，可以适配更小的组件，并且产生对被施加的扭矩34的大小更加准确的确定。
II.确定被施加的扭矩的大小的方法
图4说明了确定被施加的扭矩的大小的方法的一个实施例。该方法包括：步骤201，提供扭矩传感器10；步骤202，用扭矩传感器10的轴12接收被施加的扭矩34；步骤203，利用扭矩传感器10的第一传感器20感测并产生第一磁场140和环境磁场190的读数；步骤204，利用扭矩传感器10的第二传感器22感测并产生第二磁场160和环境磁场190的读数；步骤205，利用扭矩传感器10的第三传感器24感测并产生环境磁场190的读数；以及步骤206，基于第一磁场140、第二磁场160和环境磁场190的读数利用控制器38确定被施加的扭矩34的大小。如图4中所示，步骤206可以包括排除环境磁场190的步骤207。
为了在步骤206期间确定被施加的扭矩34的大小，可以针对传感器20、22、24所产生的读数来定义方程组。例如，方程组可以依据与被施加的扭矩(τx)成比例的磁场的轴向分量的大小、环境磁场190的轴向分量(Bx)的大小、以及环境磁场190的一阶空间导数(δx)的大小来表达传感器20、22、24所产生的读数(由S1、S2和S3来表示)。在方程组中，与被施加的扭矩34成比例的磁场的轴向分量的大小对应于被施加的扭矩34的大小，被施加的扭矩34的大小在步骤206中被解出。此外，环境磁场190的轴向分量(Bx)的大小和环境磁场190的一阶空间导数(δx)的大小相组合近似于环境磁场190对由传感器20、22、24产生的读数的影响。在其中几乎没有来自环境磁场190的变化的实施例中，诸如图3的实施例，这种近似在计算被施加的扭矩34的大小时导致最小的误差，因为来自环境磁场190的噪声很小。可以将方程组定义如下：
应当注意到，当传感器20、22、24可以被配置为感测磁场的径向分量的大小时，以上方程组中的传感器20、22、24被配置为感测磁场的轴向分量的大小。此外，可以假定第一磁场140和第二磁场160是基本上相等的磁场时，第一磁场140和第二磁场160的轴向分量的大小与和被施加的扭矩34(τx)成比例的磁场的轴向分量的大小相等。另外，可以假定扭矩传感器10可以放置在坐标平面上，该坐标平面的原点位于非磁性区域18的精确中心处，并且两个外部区域14、16具有相同的长度。
在以上定义的方程组中，可以假定传感器20、22、24与区域14、16、18相邻，并且由此传感器20、22、24所产生的读数可以使用区域14、16、18的性质来表达。例如，第一传感器20可以设置为与第一磁致弹性区域14相邻。如此，由第一传感器20产生的读数(S1)可表示为与被施加的扭矩34(τx)成比例的磁场、环境磁场190(Bx)、以及环境磁场190的一阶空间导数(δx)之和。类似地，第二传感器22可以设置为与第二磁致弹性区域16相邻。另外，第二传感器22可位于坐标平面的与第一传感器20相反的一侧上。如此，由第二传感器22产生的读数(S2)可包括与被施加的扭矩34(τx)成比例的磁场和环境磁场190(Bx)以及一阶空间导数(δx)的颠倒(reversal)。第三传感器24可以设置为与零磁化区域18相邻，其中坐标平面的原点位于零磁化区域18的精确中心处。由此，第三传感器24(S3)所产生的读数包括环境磁场190(Bx)。
使用以上方程组，可以解出τx并确定与被施加的扭矩34(τx)成比例的磁场的轴向分量的大小。例如，使用以上方程组，可以如下方式来表达τx：
由此，在控制器38接收由传感器20、22、24产生的读数(S1、S2和S3)之后，控制器38可以确定与被施加的扭矩34(τx)成比例的磁场的轴向分量的大小。因为τx可与被施加的扭矩34成比例，所以一旦确定了τx，控制器38就可以确定被施加的扭矩34的大小。
如之前所述，确定被施加的扭矩34的大小的步骤206可以包括步骤207，该步骤是排除环境磁场190。参考上文的τx的表达式，应当注意通过将S1和S2相加并减去2*S3，可以有效将环境磁场190(Bx)从τx的表达式排除。除非另有记载，环境磁场190(Bx)的大小不影响对τx的确定，并因而不影响对被施加的扭矩34的大小的确定。
应当注意，在该方法的其他实施例中，步骤201-206可以以任何合适的方式来排序。例如，在一些实施例中，步骤203、204和205可以以任何合适顺序发生且可以同时发生。此外，该方法的一些步骤可以连续发生。例如，被施加的扭矩34可以由轴12接收，同时步骤203、204和205发生。在另一个实施例中，步骤203、204、205和206可以连续发生，以使得传感器20、22、24可以连续产生读数且控制器38可以连续确定被施加的扭矩34的大小。
III.双频带扭矩传感器的紧凑性质
如之前所述，扭矩传感器10的上述特征允许扭矩传感器10更加紧凑。为了帮助解释扭矩传感器10的紧凑性质，图6示出用于对比的扭矩传感器10’。应当注意，本文中所讨论的扭矩传感器10’是为了进一步说明双频带扭矩传感器10的特征和优点。此外，应当理解，扭矩传感器10’是与扭矩传感器10不相同的且独立于扭矩传感器10。
如图6中所示，扭矩传感器10’包括三个磁致弹性区域14’、16’、18’并在本文中可以被称为“三频带”扭矩传感器10’(回忆到扭矩传感器10可以被称为双频带扭矩传感器10)。如所示，第一磁致弹性区域14’和第二磁致弹性区域16’具有基本上相等的磁极性。与双频带扭矩传感器10相反，三频带扭矩传感器10’包括第三磁致弹性区域18’，第三磁致弹性区域18’具有与第一磁致弹性区域14’和第二磁致弹性区域16’相反的磁极性。三频带扭矩传感器10’还包括传感器20’、22’、24’以用于感测磁致弹性区域14’、16’、18’响应于被施加的扭矩34’所产生的磁场。
与三频带扭矩传感器10’相比较，图1中示出的双频带扭矩传感器10可以更紧凑而不损害信号品质。这可以由双频带扭矩传感器10通过利用零磁化区域18及其相对于第一磁致弹性区域14和第二磁致弹性区域16的位置来实现。
图7a提供了相对于沿着双频带扭矩传感器10的距离(x)的双频带扭矩传感器10的磁场强度(B)的曲线图。作为对比，图7b提供了三频带扭矩传感器10’相对于沿着三频带扭矩传感器10’的距离(x)的磁场强度(B)的曲线图。如所示，沿着扭矩传感器10、10’的距离分别参考图2和图6中标记出相关长度。此外，在图7a和图7b中，将扭矩传感器10、10’放置在坐标平面上，使得零磁化区域18和第三磁致弹性区域18’的精确中心与坐标平面的原点重合。
图8提供了将图7a和图7b中所示的磁场强度相叠加的曲线图。应当理解，通过叠加图7a和图7b中所示的磁场强度，图8假定双频带扭矩传感器10的第一磁致弹性区域14的第一端26与三频带扭矩传感器10’的第一磁致弹性区域14’的第一端26’匹配，假定双频带扭矩传感器10的零磁化区域18的第一端35与三频带扭矩传感器10’的第三磁弹性区域18’的第一端35’匹配，假定双频带扭矩传感器10的第二磁弹性区域16的第一端30与三频带扭矩传感器10’的第二磁弹性区域16’的第一端30’匹配，且假定双频带扭矩传感器10的第二磁电弹性区域16的第二端32与三频带扭矩传感器10’的第二磁弹性区域16’的第二端32’匹配。此外，图8假定双频带扭矩传感器10的第一磁致弹性区域14和三频带扭矩传感器10’的第一磁致弹性区域14’拥有基本上相等的磁极性。同样地，图8假定双频带扭矩传感器10的第二磁致弹性区域16和三频带扭矩传感器10’的第二磁致弹性区域16’拥有基本上相等的磁极性。另外，为了比较的目的，施加到扭矩传感器10、10’的被施加的扭矩34、34’被假定成基本上相等，并且被施加的扭矩34、34’在下文都被称为“被施加的扭矩34”。
此外，应当理解，图8的曲线图假定传感器20’、22’、24’放置在与传感器20、22、24相同的位置。如此，传感器20、22、24、20’、22’、24’放置为使得传感器20、22、24、20’、22’、24’感测双频带扭矩传感器10或三频带扭矩传感器10’的磁场在磁场强度临界点(峰值和谷值)处的最大量值。这是因为磁场在临界点处的最大量值与被施加的扭矩34成比例。然而，在一些实施例中，传感器20、22、24、20’、22’、24’不仅仅感测磁场在临界点处的最大量值，还感测磁场在与临界点相邻的点处的量值。在这样的实施例中，可以说传感器20、22、24、20’、22’、24’感测与临界点相邻的位置处的轴向位置噪声。另外，可以说传感器20、22、24、20’、22’、24’感测临界点处的最小轴向位置噪声。该现象可以使用扭矩传感器的位移容差来量化。
扭矩传感器的位移容差可以被定义为磁场传感器在扭矩传感器内的位移与接收到的对应的轴向位置噪声之间的比率。例如，参考图8，扭矩传感器10、10’的位移容差可以容易注意到。重申一下，传感器20、22、24、20’、22’、24’被放置为感测双频带扭矩传感器10或三频带扭矩传感器10’的磁场在磁场强度临界点(峰值和谷值)处的最大量值。在图8的实施例中，这发生于x＝0mm、5mm和10mm处(假定扭矩传感器10、10’具有等于的长度)。因此，通过对x＝0mm和x＝1mm处的双频带扭矩传感器的磁场强度进行比较，1mm的位移引起大约10％的信号损失。类似地，对于三频带扭矩传感器10’来说，1mm的位移引起大约20％的信号损失。如此，对于扭矩传感器10、10’的位移容差(以下方程中的DT)可以计算如下：
如此，基于针对扭矩传感器10、10’的位移容差，相比于三频带扭矩传感器10’对其传感器20’、22’、24’的位移误差的敏感性，双频带扭矩传感器10对其传感器20、22、24的位移误差不太敏感。换句话说，双频带扭矩传感器10具有相比于三频带扭矩传感器10’更高的位移容差。
双频带扭矩传感器10拥有比三频带扭矩传感器10’更高的位移容差，因为三频带扭矩传感器10’包括第三磁致弹性区域18’，而双频带扭矩传感器10包括零磁化区域18。参考图8，三频带扭矩传感10’的传感器20’、22’、24’感测到的磁场强度在与双频带扭矩传感器10的传感器20、22、24感测到的磁场强度相同的值(图8中)处开始。这是因为第一磁致弹性区域14、14’具有基本上相等的磁极性。类似地，两个磁场的强度都结束于相同的值(图8中)处，这是因为第二磁致弹性区域16、16’具有基本上相同的磁极性。然而，因为第三磁致弹性区域18’的三频带扭矩传感器10’可以拥有负磁极性，且双频带扭矩传感器10的零磁化区域18不具有磁极性，所以三频带扭矩传感器10’感测到的磁场强度达到图8中的负值。
如图8中所示，三频带扭矩传感器10’的磁场强度下降得更快以达到负值。因此，与双频转矩传感器10的磁场强度的临界点相比，三频带扭矩传感器10’的磁场强度的临界点要尖锐得多，如图8所示。由此，对于三频带扭矩传感器10’的磁场而言，在与临界点相邻的位置处的磁场在大小上可能低得多。如此，因为三频带扭矩传感器10’的磁场在与临界点相邻的位置处的磁场的大小可能低于双频带扭矩传感器10的磁场在与临界点相邻的位置处的磁场的大小，所以双频带扭矩传感器10具有比三频带扭矩传感器10’更高的位移容差。
然而，虽然双频带扭矩传感器10具有比三频带扭矩传感器10’更高的位移容差，但三频带扭矩传感器10’的位移容差可以在允许扭矩传感器10’准确地确定被施加的扭矩34的大小的可接受范围内。因此，双频带扭矩传感器10可以被压缩，并且仍然准确确定被施加的扭矩34的大小。该压缩可以通过压缩双频带扭矩传感器10的区域14、16、18的轴向长度来实现。
为了确保被压缩的双频带扭矩传感器10仍然准确地确定被施加的扭矩34，但磁场强度的曲线图的临界点可以被压缩以匹配三频带扭矩传感器10’的磁场强度的曲线图的临界点。如此，双频带扭矩传感器10可以通过压缩双频带扭矩传感器10的磁场强度的曲线图来压缩。
为了确定压缩因子(双频带扭矩传感器10可通过该压缩因子来压缩区域14、16、18)，双频带扭矩传感器10的磁场强度(B双)和三频带扭矩传感器10’的磁场强度(B三)可以使用一对方程来建模。给定磁场的强度的正弦性质，可以将B双和B三表达如下：
B三＝cos(2πx)。
此外，为了确定压缩因子(双频带扭矩传感器10的区域14、16、18可通过该压缩因子被压缩)，可以使用B双和B三来表达压缩因子(α)：
B三＝cos(2πx)。
如此，可以将压缩因子(α)调整以调整B双(α)。以该方法，当α＞1时，B双(α)的临界点可以被压缩并且双频带扭矩传感器10也可被压缩。
此外，为了确定压缩因子(双频带扭矩传感器10的区域14、16、18可通过该压缩因子被压缩)，可以相对于压缩对双频带扭矩传感器10的位移容差的影响来考虑压缩。如之前所述，虽然双频带扭矩传感器10具有比三频带扭矩传感器10’更高的位移容差，但三频带扭矩传感器10’的位移容差可以在允许扭矩传感器10’准确地确定被施加的扭矩34的大小的可接受范围内。如此，为了确保双频带扭矩传感器10的位移容差也在可接受范围内，双频带扭矩传感器10的位移容差可以被设定为等于三频带扭矩传感器10’的位移容差。为了实现此，传感器20、22、24感测到的轴向位置噪声和传感器20’、22’、24’感测到的轴向位置噪声都可使用λ来表示。假定经归一化的磁场强度，λ相应地可以被表达为：
1-λ＝cos(2πx)。
由此，为了考虑压缩对传感器20、22、24感测到的轴向位置噪声的影响，可以依据λ相应地表达压缩因子(α)：
使用以上等式，当由传感器20、22、24感测到的轴向位置噪声(λ)最小化时的α的值可以通过将λ设定为等于0来确定。通过将α的极限取为λ→0，我们获得等于的α的值或压缩因子。
图9提供了示出在区域14、16、18已被的因子压缩之后三频带扭矩传感器10’的磁场强度和双频带扭矩传感器10的磁场强度的曲线图。如所示，双频带扭矩传感器10的磁场强度的曲线图的临界点已被压缩以匹配三频带扭矩传感器10’的曲线图的临界点。因此，双频带扭矩传感器10的区域14、16、18的压缩允许双频带扭矩传感器10更紧凑地确定被施加的扭矩34的大小，同时维持可接受的位移容差。如此，双频带扭矩传感器能够可接受地排除由于来自传感器20、22、24的位移误差而造成的轴向位置噪声，并且能够准确确定被施加的扭矩34的大小。
应当注意到，双频带扭矩传感器10可以以各种方式被压缩。双频带扭矩传感器10可以以任何合适的方式被压缩，使得双频带扭矩传感器10的位移容差在可接受范围内，并且双频带扭矩传感器10可以准确确定被施加的扭矩34的大小。例如，在一些实施例中，第一磁致弹性区域14以及第二磁致弹性区域16可以被压缩。在其他实施例中，非磁性区域18可以被压缩。在又其他实施例中，区域14、16、18可以被压缩。
IV.增加的对环境磁场噪声的免疫力
如之前所述，双频带扭矩传感器10可以是更紧凑的，这允许双频带扭矩传感器10更加对环境磁场噪声免疫。如部分II中所讨论，双频带扭矩传感器10可以排除环境磁场190以确定被施加的扭矩34的大小。在本部分中，部分IV，讨论双频带扭矩传感器对来自环境磁场190的噪声的免疫力并将其与之前描述的三频带扭矩传感器10’对来自环境磁场190的噪声的免疫力进行比较。
为了比较扭矩传感器10、10’对来自环境磁场190的噪声的免疫力，来自部分II的方程组经修改以应用到双频带扭矩传感器10和三频带扭矩传感器10’两者。回忆到来自部分II的方程组依据与被施加的扭矩(τx)成比例的磁场的轴向分量的大小、环境磁场190的轴向分量(Bx)的大小、以及环境磁场190的一阶空间导数(δx)的大小来表达传感器20、22、24的读数。如下文所示，方程组可以经修改以还表达传感器20’、22’、24’(三频带扭矩传感器10’的传感器)的读数。方程组可定义如下，其中针对双频带扭矩传感器10，k＝0，且针对三频带扭矩传感器10’，k＝-1。
因此，使用以上方程组，可以将与对于双频带扭矩传感器10和三频带扭矩传感器10’被施加的扭矩34成比例的磁场的轴向分量的大小表达如下：
如果且
如果
以上定义的方程组假定了三频带扭矩传感器10’可以放置在其中原点位于三频带扭矩传感器10’的第三磁致弹性区域18’的精确中心的坐标平面上。此外，方程组假定双频带扭矩传感器10和三频带扭矩传感器10’的的第一磁致弹性区域14、14’和第二磁致弹性区域16、16’拥有基本上相等的长度并各自产生轴向大小等于τx的磁场。另外，方程组假定第三磁致弹性区域18’和非磁性区域18拥有基本上相等的长度。然而，方程组还假定第三磁致弹性区域18’生成轴向大小等于τx的磁场，但带有负极性，而非磁性区域18不产生磁场。
应当注意，在被双频带扭矩传感器10和三频带扭矩传感器10’使用以计算被施加的扭矩34的以上的方程组中，环境磁场190的轴向分量(Bx)的大小和环境磁场190的一阶空间导数(δx)的大小近似于环境磁场190对由传感器20、22、24产生的读数的影响。还如之前所述，在来自环境磁场190的变化很小的实施例(诸如图3的实施例)中，这种近似在计算被施加的扭矩34的大小时导致最小的误差，因为来自环境磁场190的噪声很小。然而，在其中来自环境磁场190的变化较多的实施例(诸如图5的实施例)中，这种近似在计算被施加的扭矩34的大小时导致较多的误差，因为来自环境磁场190的噪声较多。如此，比较双频带扭矩传感器10对来自环境磁场190的噪声的免疫力与三频带扭矩传感器10’对来自环境磁场190的噪声的免疫力。
为了确定扭矩传感器10、10’对来自环境磁场190的噪声的免疫力，可以利用表示了环境磁场190的幂级数来替代环境磁场190的轴向分量(Bx)的大小以及环境磁场190的一阶空间导数(δx)的大小。环境磁场190(被表示为B(x))可以展开为以先前建立的坐标平面原点为中心的幂级数，其中x可距原点有一段距离：
B(x)＝B0+B1x+B2x2+…+Bnxn+…
如下：
B(0)＝B0，
B(x)＝B0+B1x+B2x2+…+Bnxn+…，和
B(-x)＝B0-B1x+B2x2+…-B2n-1x2n-1+B2nx2n+…。
我们可以将针对环境磁场190的该方程(B(x))应用到上述方程组，
对τx进行求解，我们得到：
如果以及，
如果
其中∈＝(B2x2+B4x4…+B2nx2n)。
可以容易地注意到，对于双频带扭矩传感器10和三频带扭矩传感器10’两者，τx值可以被定义为之前解出的τx值以及来自表示环境磁场190的幂级数的偶多项式的环境噪声(∈)之和。此外，将针对双频带扭矩传感器10和三频带扭矩传感器10’的τx值进行对比，可以容易地注意到三频带扭矩传感器10’的传感器20′、22′、24’感测到的噪声是双频带扭矩传感器10的一半。
然而，如之前在部分III中所述，可以通过来压缩双频带扭矩传感器10的区域14、16、18。从而，x双可以被表达为：
如下，针对双频带扭矩传感器10的非均匀环境磁场噪声(∈双)和针对三频带扭矩传感器10’的非均匀环境磁场噪声(∈三)可被表达为：
以及
因此，因为双频带扭矩传感器10的紧凑性质，从而双频带扭矩传感器10的环境磁场噪声(∈双)低于三频带扭矩传感器10’的环境磁场噪声(∈三)。如此，双频带扭矩传感器10与三频带扭矩传感器10’相比具有更高的对环境磁场噪声的免疫力。
因此，双频带扭矩传感器10可以是更紧凑的，且可以对环境磁场噪声更为免疫。以这种方法，扭矩传感器10可以降低生产成本、配合到更小的组件中、并且可以产生对被施加的扭矩34的大小更加准确的确定。
在前述的描述中已经讨论了若干实施例。然而，本文中所讨论的实施例并非旨在穷尽或将本发明限制于任何特定形式。已经使用的术语旨在具有描述性词语的性质而非限制性。鉴于上述教导，许多修改和变化是可能的，并且可以按照不同于所具体描述的来实践本发明。

Claims (34)

1.一种扭矩传感器，包括：
轴，所述轴被配置成接收被施加的扭矩，并且所述轴包括：第一区域，所述第一区域是磁致弹性的且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生第一磁场；第二区域，所述第二区域是磁致弹性的且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生第二磁场；和第三区域，所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生基本上能忽略的磁场；
第一传感器，所述第一传感器设置为与所述第一区域相邻且被配置成感测所述第一磁场；
第二传感器，所述第二传感器设置为与所述第二区域相邻且被配置成感测所述第二磁场；和
第三传感器，所述第三传感器设置为与所述第三区域相邻且被配置成感测环境磁场。
2.如任何前述权利要求所述的扭矩传感器，其中所述轴包括第一端和相对的第二端以及轴线，所述轴线限定在所述第一端与所述第二端之间。
3.如权利要求2所述的扭矩传感器，其中所述被施加的扭矩围绕所述轴线被施加到所述扭矩传感器的所述轴。
4.如任何前述权利要求所述的扭矩传感器，其中所述第一区域、所述第二区域和所述第三区域各自包括第一端和相对的第二端，所述第一端和所述第二端限定沿所述轴线的长度。
5.如权利要求4所述的扭矩传感器，其中所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间，使得所述第三区域的所述第一端与所述第一区域的所述第二端接触，并且所述第三区域的所述第二端与所述第二区域的所述第一端接触。
6.如权利要求4所述的扭矩传感器，其中所述第一区域的所述长度基本上等于所述第二区域的所述长度。
7.如权利要求6所述的扭矩传感器，其中所述第三区域的所述长度基本上等于所述第一区域的所述长度和所述第二区域的所述长度。
8.如任何前述权利要求所述的扭矩传感器，其中所述被施加的扭矩的大小能基于所感测到的第一磁场、所感测到的第二磁场和所感测到的环境磁场来确定。
9.如权利要求8所述的扭矩传感器，其中所述被施加的扭矩的所述大小能通过排除由所述第三传感器感测到的所述环境磁场来确定。
10.如权利要求8所述的扭矩传感器，其中所述第一传感器和所述第二传感器进一步被配置成感测所述环境磁场，并且其中所述被施加的扭矩的所述大小能基于由所述第一传感器感测到的所述环境磁场和由所述第二传感器感测到的所述环境磁场来确定。
11.如权利要求10所述的扭矩传感器，其中所述被施加的扭矩的所述大小能通过排除由所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器感测到的所述环境磁场来确定。
12.如任何前述权利要求所述的扭矩传感器，其中：
所述第一传感器被配置成通过感测所述第一磁场的轴向分量或径向分量的大小来感测所述第一磁场；和
所述第二传感器被配置成通过感测所述第二磁场的轴向分量或径向分量的大小来感测所述第二磁场。
13.如任何前述权利要求所述的扭矩传感器，其中所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器设置在壳体上，所述壳体与所述轴间隔开并且与所述轴相邻。
14.如任何前述权利要求所述的扭矩传感器，其中所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器中的每一个包括以下项中的至少一项：霍尔(Hell)效应传感器、巨磁阻磁强计、AMR磁强计、磁光传感器、搜索线圈磁场传感器、磁二极管、和磁通量门磁强计。
15.如任何前述权利要求所述的扭矩传感器，其中所述第一磁场和所述第二磁场具有基本上相等的方向和大小。
16.一种使用扭矩传感器感测被施加的扭矩的方法，所述扭矩传感器包括轴，所述轴包括：第一区域，所述第一区域是磁致弹性的且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生第一磁场；第二区域，所述第二区域是磁致弹性的且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生第二磁场；和第三区域，所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生基本上能忽略的磁场，所述方法包括以下步骤：
用所述扭矩传感器的所述轴来接收所述被施加的扭矩；和
感测所述第一磁场、所述第二磁场和所述环境磁场。
17.如权利要求16所述的方法，进一步包括以下步骤：基于所述第一磁场、所述第二磁场和所述环境磁场来确定所述被施加的扭矩的所述大小。
18.如权利要求17所述的扭矩传感器，其中确定所述被施加的扭矩的所述大小的步骤包括以下步骤：排除所述环境磁场。
19.一种用于确定被施加的扭矩的大小的车辆部件，所述车辆部件包括：
机构，所述机构用于施加所述被施加的扭矩；
扭矩传感器，包括：
轴，所述轴被配置成接收所述被施加的扭矩，并且所述轴包括：第一区域，所述第一区域是磁致弹性的且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生第一磁场；第二区域，所述第二区域是磁致弹性的且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生第二磁场；和第三区域，所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间且被配置成响应于所述被施加的扭矩而产生基本上能忽略的磁场；
第一传感器，所述第一传感器设置为与所述第一区域相邻且被配置成感测所述第一磁场；
第二传感器，所述第二传感器设置为与所述第二区域相邻且被配置成感测所述第二磁场；和
第三传感器，所述第三传感器设置为与所述第三区域相邻且被配置成感测所述第三磁场；和
控制器，所述控制器耦合到所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器，并且所述控制器被配置成基于所述第一磁场、所述第二磁场和所述环境磁场来确定所述被施加的扭矩的所述大小。
20.如权利要求19所述的车辆部件，其中用于施加所述被施加的扭矩的所述机构是车辆的电动转向单元的机构、车辆的发动机或车辆的传输单元。
21.如权利要求19和20所述的车辆部件，其中所述扭矩传感器的轴包括第一端和相对的第二端以及轴线，所述轴线限定在所述第一端与所述第二端之间。
22.如权利要求21所述的车辆部件，其中所述被施加的扭矩围绕所述轴线被施加到所述扭矩传感器的所述轴。
23.如权利要求19至22所述的扭矩传感器，其中所述扭矩传感器的所述轴的第一区域、所述扭矩传感器的所述轴的第二区域以及所述扭矩传感器的所述轴的所述第三区域各自包括第一端和相对的第二端，所述第一端和所述第二端限定沿所述轴线的长度。
24.如权利要求23所述的车辆部件，其中所述第三区域设置在所述第一区域与所述第二区域之间，使得所述第三区域的所述第一端与所述第一区域的所述第二端接触，并且所述第三区域的所述第二端与所述第二区域的所述第一端接触。
25.如权利要求23所述的车辆部件，其中所述第一区域的所述长度基本上等于所述第二区域的所述长度。
26.如权利要求25所述的车辆部件，其中所述第三区域的所述长度基本上等于所述第一区域的所述长度和所述第二区域的所述长度。
27.如权利要求19至26所述的扭矩传感器，其中所述被施加的扭矩的大小能基于所感测到的第一磁场、所感测到的第二磁场和所感测到的环境磁场来确定。
28.如权利要求27所述的车辆部件，其中所述被施加的扭矩的所述大小能通过排除由所述第三传感器感测到的所述环境磁场来确定。
29.如权利要求27所述的车辆部件，其中所述扭矩传感器的所述第一传感器和所述扭矩传感器的所述第二传感器进一步被配置成感测所述环境磁场，并且其中所述被施加的扭矩的所述大小能基于由所述第一传感器感测到的所述环境磁场和由所述第二传感器感测到的所述环境磁场来确定。
30.如权利要求29所述的车辆部件，其中所述被施加的扭矩的所述大小能通过排除由所述第一传感器、所述第二传感器和所述第三传感器感测到的所述环境磁场来确定。
31.如权利要求19至30所述的车辆部件，其中：
所述扭矩传感器的所述第一传感器被配置成通过感测所述第一磁场的轴向分量或径向分量的大小来感测所述第一磁场；和
所述扭矩传感器的所述第二传感器被配置成通过感测所述第二磁场的轴向分量或径向分量的大小来感测所述第二磁场。
32.如权利要求19至31所述的车辆部件，其中所述扭矩传感器的所述第一传感器、所述扭矩传感器的所述第二传感器和所述扭矩传感器的所述第三传感器设置在壳体上，所述壳体与所述轴间隔开且与所述轴相邻。
33.如权利要求19至32所述的车辆部件，其中所述扭矩传感器的所述第一传感器、所述扭矩传感器的所述第二传感器以及所述扭矩传感器的所述第三传感器中的每一个包括以下项中的至少一项：霍尔(Hell)效应传感器、巨磁阻磁强计、AMR磁强计、磁光传感器、搜索线圈磁场传感器、磁二极管、和磁通量门磁强计。
34.如权利要求19至33所述的车辆部件，其中所述第一磁场和所述第二磁场具有基本上相等的方向和大小。
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