CN112857626B - 双十字轴对称式力传感器 - Google Patents

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徐继康
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刘畅
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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/12—Measuring force or stress, in general by measuring variations in the magnetic properties of materials resulting from the application of stress
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Abstract

本发明提供了一种双十字轴对称式力传感器，包括承力筒，所述承力筒内安装有两个励磁磁芯，每个励磁磁芯包括两个垂直交叉分布的第一励磁磁极和第二励磁磁极，所述第一励磁磁极和第二励磁磁极上均缠绕有励磁线圈；所述两个励磁磁芯之间安装有四个感应磁芯，每个感应磁芯上缠绕有感应线圈，所述感应线圈共同连接差动输出回路。

Description

双十字轴对称式力传感器
技术领域
本发明属于力传感器领域，具体涉及一种双十字轴对称式力传感器。
背景技术
本部分的陈述仅仅是提供了与本发明相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。
在大马力拖拉机的电液提升控制过程中，土壤阻力是主要的控制信号之一。作为电液提升控制的主要信号接收装置，力传感器在其中具有不可替代的作用，是电液提升器的核心部件之一。力传感器性能的好坏直接影响到悬挂农业的作业质量，力传感器的工作环境，要求其不但应当具有较大的重载和承受能力，还要求其能在微小应变的前提下具有良好的线性输出，即具有较高的灵敏度，目前还没有相关技术能很好的解决上述问题。
同时，虽然有很多应用在大马力拖拉机上的传感器，但是这些现有的传感器仍然不能满足大马力拖拉机工作时所承受的载荷，同时传感器的灵敏度也越来越不能满足大马力拖拉机工作的需求。
发明内容
本发明为了解决上述问题，提出了一种双十字轴对称式力传感器及大马力拖拉机，能够同时检测多个剪切面且可承受重载荷，该传感器灵敏度高，线性度好。
根据一些实施例，本发明采用如下技术方案：
本发明提供了一种双十字轴对称式力传感器。
双十字轴对称式力传感器，包括承力筒，所述承力筒内安装有两个励磁磁芯，每个励磁磁芯包括两个垂直交叉分布的第一励磁磁极和第二励磁磁极，所述第一励磁磁极和第二励磁磁极上均缠绕有励磁线圈；所述两个励磁磁芯之间安装有四个感应磁芯，每个感应磁芯上缠绕有感应线圈，所述感应线圈共同连接差动输出回路。
工作原理：
在承力筒不受到任何载荷时，两对所述励磁磁芯上的四个励磁线圈产生对称的磁场，在四个感应线圈上产生的磁通量为零。
当承力筒受载荷时，载荷可分解为沿第一励磁磁极和第二励磁磁极方向的力，每个分力使对应的第一励磁磁极和/或第二励磁磁极发生形变，使得第一励磁磁极和/或第二励磁磁极的磁阻发生变化，四个励磁线圈产生的磁场均发生偏置，通过所述四个感应线圈的磁通量发生变化，四个感应线圈内产生感应电压，并且两个方向的四个磁场偏置的叠加使得通过四个感应线圈的磁通量变化增大，产生的感应电压变化幅度也随之增大，且由于两个励磁磁芯的存在，该传感器同时可检测多个剪切面，使得灵敏度得以提高。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
由于采用了上述技术方案，双十字轴对称式力传感器可承受较大的外界载荷，相对已有的单十字轴式力传感器和柱状力传感器，一方面，在承受外界载荷时，两个励磁磁芯可分别承受两个剪切面上的应力，解决了传统力传感器在剪切面上的限制，并且由于两个励磁磁芯的存在，在励磁磁芯受力产生形变时，对应产生四个磁场，四个磁场相互叠加，使得磁场强度大大增加，磁场偏置程度增大，在感应磁芯的感应线圈中产生的感应电压输出幅度增大，传感器灵敏度得以提高。另一方面，相对传统的力传感器，双十字轴对称式力传感器的励磁磁芯和感应磁芯的相对位置得以优化，具体来说，其励磁磁芯不再位于中部，而是位于端部，感应磁芯位于中部，这种设计方案大大缩短了四个感应磁芯之间的相对距离，使得相互间磁路缩短，相应的磁阻也随之减小，减小了磁通量的外界损耗，进一步提高了传感器的灵敏度。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
图1是本发明励磁磁芯和感应磁芯整体的立体结构示意图；
图2是本发明承力筒立体结构示意图；
图3是本发明的安装示意图；
图4是本发明实施例中三种传感器的外界作用力与输出电压关系对比表；
图5是本发明实施例中三种传感器的输出特性曲线图；
图6是本发明实施例中三种传感器的拟合后的输出特性曲线图；
其中，1、5-第一励磁磁极，3、7-第二励磁磁极，2、4、6、8-励磁线圈，9、10、11、12-感应磁芯，13、14、15、16-感应线圈，17-励磁磁芯A，18-励磁磁芯B，19-承力筒，20-剪切环槽，21-插槽。
具体实施方式：
下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。
在本发明中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本发明各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本发明中任一部件或元件，不能理解为对本发明的限制。
本发明中，术语如“固接”、“相连”、“连接”等应做广义理解，表示可以是固定连接，也可以是一体地连接或可拆卸连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的相关科研或技术人员，可以根据具体情况确定上述术语在本发明中的具体含义，不能理解为对本发明的限制。
实施例一
本实施例提供了一种双十字轴对称式力传感器。
如图1-3所示，双十字轴对称式力传感器，包括承力筒，所述承力筒19内安装有励磁磁芯A17和励磁磁芯B18，励磁磁芯A17包括一对第一励磁磁极1和第二励磁磁极3，励磁磁芯B18包括一对第一励磁磁极5和第二励磁磁极7，每对第一励磁磁极和第二励磁磁极径向对称设置呈十字状，第一励磁磁极1、5与第二励磁磁极3、7在承力筒19的同一横截面上垂直交叉设置。第一励磁磁极1上缠绕安装有励磁线圈2，第二励磁磁极3上缠绕安装有励磁线圈4，第一励磁磁极5上缠绕安装有励磁线圈6，第二励磁磁极7上缠绕安装有励磁线圈8。
每对第一励磁磁极和第二励磁磁极对应的励磁线圈在通电后产生的磁场方向一致。励磁线圈的匝数和连接方式可根据需要进行设定，这是本领域技术人员所熟知的，在此不再累赘。
励磁磁芯A17与励磁磁芯B18之间安装有四个感应磁芯9、10、11、12，四个感应磁芯9、10、11、12在承力筒19同一纵截面上呈矩形布置。
四个感应磁芯9、10、11、12的安装方向与第一励磁磁极1、5平行，与第二励磁磁极3、7垂直。
四个感应磁芯9、10、11、12上缠绕安装有感应线圈13、14、15、16，感应线圈共同连接差动输出回路。所述差动回路中产生感应电动势，感应线圈13、14、15、16内产生感应电压，从而经过公式计算得到外界载荷大小；所述差动输出回路为本领域技术人员熟知的，在此不再累赘且在图中未示出。
本实施例中，承力筒19的外圆周面上对应所述励磁磁芯A17、励磁磁芯B18处设有剪切环槽20，承力筒19在承受外界载荷时，剪切环槽20更容易将剪切变形传递给励磁磁芯A17和励磁磁芯B18。
本实施例中，承力筒19可以为圆管加工而成，也可以在销轴上钻孔而成，在外圆周面上可增加台阶或者插槽结构21用以定位安装。
本实施例的工作原理是：在所述承力筒19不受到任何载荷时，励磁磁芯A17和励磁磁芯B18上的励磁线圈2、4、6、8产生对称的磁场，在感应线圈13、14、15、16上产生的磁通量为零。
当所述承力筒19受载荷时，载荷可分解为沿第一励磁磁极1、5和第二励磁磁极3、7方向上的力，每个分力使对应的第一励磁磁极1、5和/或第二励磁磁极3、7发生形变，使得第一励磁磁极1、5和第二励磁磁极3、7的磁阻发生变化，励磁线圈2、4、6、8产生的磁场均发生偏置，通过感应线圈13、14、15、16的磁通量发生变化，感应线圈内产生感应电压，并且两个方向的四个磁场偏置的叠加使得通过所述感应线圈的磁通量变化增大，产生的感应电压变化幅度也随之增大，且由于两个励磁磁芯的存在，该传感器同时可检测多个剪切面，使得灵敏度得以提高。
本实施例适用于大马力拖拉机电液提升控制中的力传感器的复杂使用工况，并通过四个磁场的偏置叠加使得本实施例灵敏度得以提高，本实施例也可用于其他类似环境下的重载荷测量。
下面在仿真软件中分别建立柱状力传感器、单十字轴式力传感器和双十字轴对称式力传感器模型；分析本发明所述的双十字轴对称式力传感器，相对于现有技术的差别。
分别对上述三个力传感器模型施加相同外界作用力，得到了对应的感应线圈输出电压，三种传感器的外界作用力与输出电压关系如图4所示。
图5是本发明实施例中三种传感器的输出特性曲线图，如图5所示。将各传感器在不同外界作用力作用下的输出特性曲线进行线性拟合，得出三个传感器的拟合后的输出特性曲线，如图6所示。
拟合后的柱状力传感器输出特性曲线方程为：
y＝0.0931x-0.0514
拟合后的单十字轴式力传感器输出特性曲线方程为：
y＝0.2098x-0.1014
拟合后的双十字轴对称式力传感器输出特性曲线方程为：
y＝0.3133x+0.0077
根据拟合后的输出特性曲线方程，可以得到三个传感器的灵敏度，柱状力传感器的灵敏度为0.0931mV/kN，单十字轴式力传感器的灵敏度为0.2098mV/kN，双十字轴对称式力传感器的灵敏度为0.3133mV/kN，双十字轴对称式力传感器的灵敏度相对于柱状力传感器和单十字轴式有大幅提高，提高量分别为236.5％和49.3％。同时，可以得到三个传感器的线性度分别为0.0127、0.0120和0.006，改进后的双十字轴对称式力传感器的线性度相对于柱状力传感器和单十字轴式分别降低了47.2％和50％。因此，双十字轴对称式力传感器的灵敏度和线性度都有大幅改善。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (8)

1.双十字轴对称式力传感器，包括承力筒，其特征在于，所述承力筒内安装有两个励磁磁芯，每个励磁磁芯包括两个垂直交叉分布的第一励磁磁极和第二励磁磁极，所述第一励磁磁极和第二励磁磁极上均缠绕有励磁线圈；所述两个励磁磁芯之间安装有四个感应磁芯，每个感应磁芯上缠绕有感应线圈，所述感应线圈共同连接差动输出回路；四个感应磁芯在所述承力筒同一纵截面上呈矩形布置。
2.根据权利要求1所述的双十字轴对称式力传感器，其特征在于，所述四个感应磁芯的安装方向与第一励磁磁极平行，与第二励磁磁极垂直。
3.根据权利要求1所述的双十字轴对称式力传感器，其特征在于，两个励磁磁芯在所述承力筒同一横截面上垂直设置。
4.根据权利要求1所述的双十字轴对称式力传感器，其特征在于，所述承力筒外周面上对应所述励磁磁芯处设有受剪环槽。
5.根据权利要求1所述的双十字轴对称式力传感器，其特征在于，所述双十字轴对称式力传感器整体呈对称式结构。
6.根据权利要求1所述的双十字轴对称式力传感器，其特征在于，所述承力筒为圆管加工而成。
7.根据权利要求1所述的双十字轴对称式力传感器，其特征在于，所述承力筒在销轴上钻孔而成。
8.根据权利要求1所述的双十字轴对称式力传感器，其特征在于，所述承力筒的外圆周面上设有台阶或插槽结构，用以定位安装。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5850440A (ja) * 1981-09-22 1983-03-24 Toshiba Corp 流体圧検出装置
CN108645555A (zh) * 2018-08-12 2018-10-12 西南大学 一种利用磁感应实现拖拉机剪应力传感的方法
CN109269686A (zh) * 2018-11-26 2019-01-25 日照海卓液压有限公司 硅钢片叠加型力传感器
CN109341904A (zh) * 2018-11-26 2019-02-15 日照海卓液压有限公司 新型牵引力传感器
CN209027700U (zh) * 2018-11-26 2019-06-25 日照海卓液压有限公司 双维度力传感器

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5850440A (ja) * 1981-09-22 1983-03-24 Toshiba Corp 流体圧検出装置
CN108645555A (zh) * 2018-08-12 2018-10-12 西南大学 一种利用磁感应实现拖拉机剪应力传感的方法
CN109269686A (zh) * 2018-11-26 2019-01-25 日照海卓液压有限公司 硅钢片叠加型力传感器
CN109341904A (zh) * 2018-11-26 2019-02-15 日照海卓液压有限公司 新型牵引力传感器
CN209027700U (zh) * 2018-11-26 2019-06-25 日照海卓液压有限公司 双维度力传感器

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