CN113310605B - 双米字轴式力传感器及其方法 - Google Patents

Abstract

本公开提出了双米字轴式力传感器及其方法，包括承力筒，所述承力筒内安装有两个励磁磁芯，所述励磁磁芯由交叉分布的励磁磁极组成，所述励磁磁极上分别缠绕有励磁线圈，两个励磁磁芯两侧及之间分别安装有感应磁芯，每个感应磁芯是由两对交叉分布的感应磁极组成，所述感应磁极上分别缠绕有感应线圈。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。

Description

双米字轴式力传感器及其方法

技术领域

本公开属于力传感器技术领域，尤其涉及双米字轴式力传感器及其方法。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开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。现有技术仅测量单一方向的牵引力，灵敏度较低。

发明内容

为克服上述现有技术的不足，本公开提供了一种双米字轴式力传感器，重载荷承受能力好且灵敏度较高。

为实现上述目的，本公开的一个或多个实施例提供了如下技术方案：

第一方面，公开了双米字轴式力传感器，包括承力筒，所述承力筒内安装有两个励磁磁芯，所述励磁磁芯由交叉分布的励磁磁极组成，所述励磁磁极上分别缠绕有励磁线圈，两个励磁磁芯两侧及之间分别安装有感应磁芯，每个感应磁芯是由两对交叉分布的感应磁极组成，所述感应磁极上分别缠绕有感应线圈。

作为优选的技术方案，两个所述励磁磁芯在所述承力筒同一横截面上呈“米”字型设置。

作为优选的技术方案，所述承力筒外周面上对应所述励磁磁芯处设有受剪环槽。

作为优选的技术方案，所述感应线圈采用差动连接形成输出回路，整体呈对称式结构

作为优选的技术方案，所述承力筒采用圆管加工而成，或在销轴上钻孔而成，

作为优选的技术方案，在所述承力筒外圆周面上增加台阶或者插槽结构用以定位安装。

作为优选的技术方案，每对所述励磁磁极对应的所述励磁线圈在通电后产生的磁场方向一致。

作为优选的技术方案，所述励磁线圈的匝数和连接方式根据需要进行设定。

作为优选的技术方案，各所述感应磁极与所述励磁磁极平行设置。

第二方面，公开了双米字轴式力传感器的工作方法，同时检测多个剪切面，包括：

差动回路中产生感应电动势，所述感应线圈内产生感应电压，从而经过公式计算得到外界载荷大小。

以上一个或多个技术方案存在以下有益效果：

本公开技术方案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。

本公开技术方案两个励磁磁芯可以同时检测两个将切面上的力，更加贴合实际工况；米字结构可以在同一剪切面上检测来自三个不同方向上的力。本公开技术方案中米字型励磁磁芯的三个励磁磁极均匀分布，各呈120。

本技术方案适应于大马力拖拉机悬挂系统下拉杆中的力传感器的复杂使用工况，作用为：拖拉机耕种作业时检测悬挂农具所受的土壤阻力，用于拖拉机电液提升控制。

正行驶时检测悬挂农具对拖拉机车身的压力，尤其是在不平坦的路面上行驶时对车身造成的压力冲击，用于拖拉机的减震控制。

本发明附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1为本公开实施例阀芯结构图；

图2为本公开实施例承力筒结构示意图；

图3为本公开实施例安装示意图。

图4为本公开实施例仿真对比示意图；

图中，1第一感应磁极、4第二感应磁极、8第三感应磁极、12第五感应磁极、13第六感应磁极；2第一感应线圈、3第二感应线圈、7第三感应线圈、11第四感应线圈、14第五感应线圈；6第一励磁磁极、10第二励磁磁极；5第一励磁线圈、9第二励磁线圈；16第一励磁磁芯、18第二励磁磁芯；15第一感应磁芯、17第二感应磁芯、19第三感应磁芯；20承力筒；21剪切环槽；22插槽。

具体实施方式

应该指出，以下详细说明都是示例性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开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公开的示例性实施方式。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。

在不冲突的情况下，本公开中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

实施例一

参见附图1-3所示，新型双米字轴式力传感器，包括承力筒20，本实施例所述承力筒20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22用以定位安装。

具体的，承力筒20内安装有第一励磁磁芯16和第二励磁磁芯18，两励磁磁芯分别包括第一励磁磁极6、第二励磁磁极10，励磁磁极径向对称设置呈“米”字状，励磁磁极在所述承力筒20同一横截面上交叉设置，各第一励磁磁极6、第二励磁磁极10上分别缠绕安装有第一励磁线圈5、第二励磁线圈9，每对所述励磁磁极对应的所述励磁线圈在通电后产生的磁场方向一致。所述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。

第一励磁磁芯16、第二励磁磁芯18两侧安装有三个感应磁芯即第一感应磁芯15、第二感应磁芯17、第三感应磁芯19，感应磁极在所述承力筒20同一截面上呈米字布置，各感应磁极即第二感应磁极4、第三感应磁极8、第五感应磁极12与第一励磁磁极6、第二励磁磁极10平行设置。

第一感应磁极1、第二感应磁极4、第三感应磁极8、第五感应磁极12、第六感应磁极13上缠绕安装有第一感应线圈2、第二感应线圈3、第三感应线圈7、第四感应线圈11、第五感应线圈14，感应线圈共同连接差动输出回路。差动回路中产生感应电动势，第一感应线圈2、第二感应线圈3、第三感应线圈7、第四感应线圈11、第五感应线圈14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。

本实施例所述承力筒20的外圆周面上对应第一励磁磁极6、第二励磁磁极10处设有剪切环槽21，所述承力筒20在承受外界载荷时，所述剪切环槽21更容易将剪切变形传递给第一励磁磁极6、第二励磁磁极10。

本实施例的工作原理是：在所述承力筒20不受到任何载荷时，两对第一励磁磁极6、第二励磁磁极10上的第一励磁线圈5、第二励磁线圈9产生对称的磁场，在第一感应线圈2、第二感应线圈3、第三感应线圈7、第四感应线圈11、第五感应线圈14上产生的磁通量为零；当所述承力筒20受载荷时，载荷可分解为沿第一励磁磁极6、第二励磁磁极10方向的力，每个分力使对应的所述励磁磁极发生形变，使得励磁磁极的磁阻发生变化，第一励磁线圈5、第二励磁线圈9产生的磁场均发生偏置，通过第一感应线圈2、第二感应线圈3、第三感应线圈7、第四感应线圈11、第五感应线圈14的磁通量发生变化，所述感应线圈内产生感应电压，并且由于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，所述传感器同时可检测多个剪切面，使得灵敏度得以提高。

由于采用了上述技术方案，新型双米字轴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，对应产生多个磁场，多个磁场相互叠加，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，新型双米字轴式力传感器设置有三个感应磁芯，对于励磁磁芯磁通量的变化感知更加灵敏，减小了磁通量的损耗，进一步提高了传感器的灵敏度。

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。

在仿真软件中分别建立柱状磁芯型力传感器、双米字轴式力传感器模型，分别施加相同外界作用力，得到了对应的感应线圈输出电压，两种传感器的外界作用力与输出电压关系如表1所示：

表1

如图4所示，将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，得出传感器的拟合后的特性曲线方程。

拟合后的柱状磁芯型力传感器输出特性曲线方程为：

y＝0.0938x-0.0362

拟合后的双米字轴式力传感器感器输出特性曲线方程为：

y＝0.2215x+0.1019

根据拟合后的输出特性曲线方程，可以得到两个个传感器的灵敏度，柱状磁芯型力传感器的灵敏度为0.0938mV/kN，双米字轴式力传感器的灵敏度为0.2215mV/kN，本申请传感器的灵敏度相对于柱状磁芯型力传感器有大幅提高，提高量为236.1％。同时，可以得到两个传感器的线性度分别为1.85％和0.08％，改进后的双米字轴式力传感器的线性度相对于柱状磁芯型力传感器明显降低。双米字轴式力传感器的灵敏度和线性度都有大幅改善。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开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公开的保护范围以内。

Claims (9)

1.双米字轴式力传感器，其特征是，包括承力筒，所述承力筒内安装有两个励磁磁芯，所述励磁磁芯由交叉分布的励磁磁极组成，所述励磁磁极上分别缠绕有励磁线圈，两个励磁磁芯两侧及之间分别安装有感应磁芯，每个感应磁芯是由两对交叉分布的感应磁极组成，所述感应磁极上分别缠绕有感应线圈；两个励磁磁芯分别包括第一励磁磁极和第二励磁磁极；承力筒的外圆周面上对应第一励磁磁极、第二励磁磁极处设有剪切环槽；

两个所述励磁磁芯在所述承力筒同一横截面上呈“米”字型设置；

米字型励磁磁芯的三个励磁磁极均匀分布，各呈120。

2.如权利要求1所述的双米字轴式力传感器，其特征是，所述承力筒外周面上对应所述励磁磁芯处设有受剪环槽。

3.如权利要求1所述的双米字轴式力传感器，其特征是，所述感应线圈采用差动连接形成输出回路，整体呈对称式结构。

4.如权利要求1所述的双米字轴式力传感器，其特征是，所述承力筒采用圆管加工而成，或在销轴上钻孔而成。

5.如权利要求1所述的双米字轴式力传感器，其特征是，在所述承力筒外圆周面上增加台阶或者插槽结构用以定位安装。

6.如权利要求1所述的双米字轴式力传感器，其特征是，每对所述励磁磁极对应的所述励磁线圈在通电后产生的磁场方向一致。

7.如权利要求1所述的双米字轴式力传感器，其特征是，所述励磁线圈的匝数和连接方式根据需要进行设定。

8.如权利要求1所述的双米字轴式力传感器，其特征是，各所述感应磁极与所述励磁磁极平行设置。

9.如权利要求1-8任一项所述的双米字轴式力传感器的工作方法，其特征是，同时检测多个剪切面，包括：

差动回路中产生感应电动势，所述感应线圈内产生感应电压，从而经过公式计算得到外界载荷大小。

Images