CN114705328A - 一种基于磁弹效应的力矩传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于磁弹效应的力矩传感器，包括阶梯轴，所述阶梯轴包括弹性轴和固定圆盘，所述弹性轴的侧表面设置有非晶态合金检测片，所述弹性轴的周围均匀分布有多个线圈支架，所述线圈支架固定在所述固定圆盘上，所述线圈支架上设置有励磁线圈；所述线圈支架的上方设置有电路板；本发明基于逆磁致伸缩效应检测扭转力的大小，其具有其他测量方法不可比拟的优点，其安装维修简单、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，特别是适合于力矩的在线监测，另外采用磁弹式非接触力矩测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差。
Description
技术领域
本发明涉及一种力矩传感器，具体是指一种基于磁弹效应的力矩传感器。
背景技术
力矩传感器是一种能感受力矩并按照一定的规律转换成可用信号的器件和装置，通常由敏感元件和弹性元件组成。力矩传感器在机器人技术领域应用广泛，一般安装在机器人各个关节内部，能够全面地感知机器人与外部环境相互作用时所承受的力矩的大小，为机器人的柔顺控制提供力感信息。
目前力矩测量的几种主要方法包括应变式、光电式、电容式、电磁式与磁弹式等，各个方法都有其特有的优势，也存在着各自的缺点，适合应用的领域也往往不同。
应变片传感器力矩测量是通过在弹性轴上粘贴应变片组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。其优点在于精度灵敏度高，成本低廉；缺点为在旋转轴中附加了结构，高转速存在动平衡问题。
光电式力矩传感器将开孔数完全相同的两片圆盘形光栅固定在转轴上，并将光电元件和固定光源分别固定在光栅两侧，转轴无扭矩作用时两片光栅的明暗条纹错开，完全遮挡光路。有扭矩作用时两个圆盘形光栅的截面产生相对转角，明暗条纹部分重合，部分光线透过光栅照到光敏元件上，输出电信号。通过测量输出的电信号能够测得外加扭矩的大小。其优点在于可以实时监测，响应迅速；缺点是结构复杂、静标困难、可靠性较差、抗干扰能力差。
磁电式力矩传感器是在弹性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近磁强传感器。当弹性轴旋转时，这两组传感器就可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。其优点是精度高、成本较低、性能可靠；缺点是响应时间较长，对被测轴改动较大，影响系统。
发明内容
为了解决上述问题，本发明提供一种基于磁弹效应的力矩传感器，以解决上述现有技术存在的问题，能够有效的降低成本，提高灵敏度、响应速度，并增加其结构强度。
为了实现上述目的，本发明提供的技术方案是：所述阶梯轴包括弹性轴和固定圆盘，所述弹性轴的侧表面设置有非晶态合金检测片，所述弹性轴的周围均匀分布有多个线圈支架，所述线圈支架固定在所述固定圆盘上，所述线圈支架上设置有励磁线圈；所述线圈支架的上方设置有电路板。
作为优选的一种技术方案，所述阶梯轴还包括输入圆盘，所述输入圆盘、固定圆盘以及弹性轴一体成型。
作为优选的一种技术方案，所述输入圆盘外有一圈固定法兰。
作为优选的一种技术方案，所述固定法兰设置多个沿圆周方向的螺纹孔。
作为优选的一种技术方案，所述输入圆盘设置多个沿圆周方向的螺纹孔，用于连接外部输入力矩传递装置。
作为优选的一种技术方案，所述输入圆盘外圈法兰螺纹孔的数量为4个，所述输入圆盘上螺纹孔的数量为10个。
作为优选的一种技术方案，所述电路板通过铜柱与螺钉固定在线圈支架上。
作为优选的一种技术方案，所述线圈支架的数量为2-6个。
作为优选的一种技术方案，所述非晶态合金检测片通过胶粘固定在弹性轴上。
作为优选的一种技术方案，所述励磁线圈通过螺钉固定在线圈支架侧边。
本发明相对于现有技术的有益效果是：本发明基于逆磁致伸缩效应检测扭转力的大小，其具有其他测量方法不可比拟的优点，其安装维修简单、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，特别是适合于力矩的在线监测，另外采用磁弹式非接触力矩测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差。
附图说明
图1是本发明的一种基于磁弹效应的力矩传感器的立体外观示意图；
图2是本发明的一种基于磁弹效应的力矩传感器的立体内部无外壳结构图；
图3是本发明的一种基于磁弹效应的力矩传感器的爆炸结构示意图；
图中标记示意为：1-阶梯轴；11-弹性轴；12-固定圆盘；13-输入圆盘；2-外壳；3-电路板；4- 线圈支架；5-励磁线圈。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
除非另外具体说明，否则在这些实施例中阐述的部件和步骤的相对布置、数字表达式和数值不限制本申请的范围。同时，应当明白，为了便于描述，附图中所示出的各个部分的尺寸并不是按照实际的比例关系绘制的。对于相关领域普通技术人员已知的技术、方法和设备可能不作详细讨论，但在适当情况下，所述技术、方法和设备应当被视为授权说明书的一部分。在这里示出和讨论的所有示例中，任何具体值应被解释为仅仅是示例性的，而不是作为限制。因此，示例性实施例的其它示例可以具有不同的值。应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步讨论。
参照图1-3，本实施提供一种基于磁弹效应的力矩传感器，包括阶梯轴1，阶梯轴1包括弹性轴11、固定圆盘12和输入圆盘13，弹性轴11为的弹性体，其侧表面通过胶粘工艺粘贴有非晶态合金检测片。
在弹性轴1的周围均匀分布有多个线圈支架4，线圈支架4固定在固定圆盘12上，线圈支架4上设置有励磁线圈5；线圈支架4的上方设置有电路板3。
在本实施例中，弹性轴11、固定圆盘12和输入圆盘13三部分在技术实现上为一个阶梯轴1一体加工成型。
进一步的，所述阶梯轴1底部为固定圆盘12，在其圆周方向上有多个螺纹孔，内圈10 个螺纹孔是与外界固定的孔。外圈为12个固定线圈支架2的螺纹孔，线圈支架4与阶梯轴1 通过支架固定螺钉连接。
进一步的，阶梯轴1顶部为输入圆盘13，在输入圆盘13圆周方向同样有多个螺纹孔。内圈有10个螺纹孔，用来连接外部输入力矩传递装置；外圈有4个螺纹孔，通过固定螺钉与外壳2进行连接。
进一步的，线圈支架4下端与固定圆盘12表面接触，下端一共有3个螺纹孔，靠近侧壁的两个螺纹孔是与阶梯轴1固定的孔，靠近外侧的螺纹孔是用来安装支撑电路板2的电路固定铜柱。线圈支架4侧壁外侧安装励磁线圈5，侧壁有4个螺纹孔来通过线圈固定螺钉固定励磁线圈5。
在本实施例中，线圈支架4与励磁线圈5组成的系统在阶梯轴1固定圆盘圆周方向上均布安装，根据需求安装2-6组。
在本实施例中，电路板3内部有4个安装孔，通过电路固定螺钉以及电路固定铜柱安装在线圈支架4上。通过电路固定铜柱的支撑，将电路板3抬高一定空间，给电路板3上的芯片等元器件留出余量，方便安装。
进一步的，外壳2为传感器保护结构，外壳2上端圆盘处与阶梯轴1输入圆盘13外圈顶部接触，通过固定螺钉固定。外壳2侧边嵌入到阶梯轴1固定圆盘13的凹陷处。
工作原理：
本发明的一种基于磁弹效应的力矩传感器在使用时，扭矩回导致阶梯轴1中中部弹性轴 11发生应力应变，引起非晶态合金检测片产生应力，从而在励磁线圈5产生的交变磁场中改变其磁通，检测线圈检测到磁通的变化继而转化成电学信号来表示所受力矩的变化。
当一种基于磁弹效应的力矩传感器受到扭转力的时候，力矩会通过螺钉传递到阶梯轴1 中部的弹性轴11上，此时弹性轴11会发生扭转变形，会产生应力和应变。
当弹性轴11上产生应力时，粘贴在弹性轴11表面的非晶态合金检测片会引起逆磁致伸缩效应(维拉里效应)。非晶态合金检测片本质是一种磁致伸缩材料，其特征是在受到应力时，会引起磁场的变化。
磁弹效应是铁磁材料所具有的独特的物理性质，其表明了在外部作用力的影响下，其内部的参数磁导率会改变。由铁磁材料制作而成的弹性轴在稳定的外部激励场的作用下，与此同时，它又受到外部作用力的影响时，弹性轴11材料磁化状态的改变可以看作是磁导率改变的结果。磁性材料在扭矩或应力的作用下，其内部磁畴结构的改变是影响材料内部磁化状态改变的原因。所以说，利用铁磁材料的磁弹效应可以通过测量对其加载扭矩时其磁化强度的改变来表征其应力状态变化，从而将测量扭矩的问题转化为测量材料的磁化强度的问题。除此之外，磁致伸缩系数这一物理量的正负也会影响磁畴的转动方向。本文从磁导率的改变和磁感应强度的改变来探讨弹性轴材料的磁化状态改变。实际上，磁化强度的改变就是磁感应强度的改变,所以我们可以从宏观的磁感应强度的改变来分析施加的外部扭矩。
线圈支架4上的励磁线圈5中的励磁线圈会持续的给非晶态合金检测片附件一个稳定的交变磁场，当弹性轴有应力变化时，其表面磁致伸缩材料会导致其磁场变化，线圈支架4上的励磁线圈5中的检测线圈就会识别其变化并将变化转化为电信号传递给电路板3上的单元进行处理。
本发明基于逆磁致伸缩效应检测扭转力的大小，其具有其他测量方法不可比拟的优点，其安装维修简单、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，特别是适合于力矩的在线监测，另外采用磁弹式非接触力矩测量，可以有效地减小由于系统刚度下降而导致的控制误差。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (10)
1.一种基于磁弹效应的力矩传感器，其特征在于，包括阶梯轴，所述阶梯轴包括弹性轴和固定圆盘，所述弹性轴的侧表面设置有非晶态合金检测片，所述弹性轴的周围均匀分布有多个线圈支架，所述线圈支架固定在所述固定圆盘上，所述线圈支架上设置有励磁线圈；所述线圈支架的上方设置有电路板。
2.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：所述阶梯轴还包括输入圆盘，所述输入圆盘、固定圆盘以及弹性轴一体成型。
3.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于：所述输入圆盘外有一圈固定法兰。
4.根据权利要求3所述的力矩传感器，其特征在于：所述固定法兰设置多个沿圆周方向的螺纹孔。
5.根据权利要求2所述的力矩传感器，其特征在于：所述输入圆盘设置多个沿圆周方向的螺纹孔，用于连接外部输入力矩传递装置。
6.根据权利要求5所述的力矩传感器，其特征在于：所述输入圆盘外圈法兰螺纹孔的数量为4个，所述输入圆盘上螺纹孔的数量为10个。
7.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：所述电路板通过铜柱与螺钉固定在线圈支架上。
8.根据权利要求1或7所述的力矩传感器，其特征在于：所述线圈支架的数量为2-6个。
9.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：所述非晶态合金检测片通过胶粘固定在弹性轴上。
10.根据权利要求1所述的力矩传感器，其特征在于：所述励磁线圈通过螺钉固定在线圈支架侧边。
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