CN218481195U - 一种永磁体式电磁扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种永磁体式电磁扭矩传感器，属于扭矩传感器技术领域。它解决了现有扭矩传感器的应变片容易老化、温度漂移，导致使用寿命短、准确性低等技术问题。本永磁体式电磁扭矩传感器包括第一支撑板和第二支撑板，第一支撑板上安装有至少两个扇形的接收线圈和信号处理单元，第二支撑板上安装有与接收线圈数量相同的扇形永磁体，接收线圈和扇形永磁体均呈环形阵列设置。本实用新型，通过电磁感应原理在接收线圈内产生感应电动势，避免了电阻应变片的老化与温度漂移的问题，提高了使用寿命，并能使测量结果更加准确。

Description

一种永磁体式电磁扭矩传感器

技术领域

本实用新型属于扭矩传感器技术领域，特指一种永磁体式电磁扭矩传感器。

背景技术

扭矩是反应旋转机械设备运行状况的关键参数之一，也是旋转动力机械的重要性能指标。扭矩的测量原理可分为扭转角测量和应变测量。当扭转轴受扭矩作用时，其扭转角、最大剪切应力与扭矩成线性关系，通过测量轴的扭转角或最大剪切应力，就可求得扭矩大小与方向。

目前，应变测量原理被广泛应用于扭矩传感器中，该类传感器通过检测扭转轴上粘贴的电阻应变片电桥的输出电压，从而得到扭矩信息。如申请号为201210390390.9的发明公开了一种扭矩传感器，由支承座、应力板、套筒、薄壁板和电阻应变片组成；在应力板内侧面和外侧面贴有电阻应变片，且一侧应力板上的电阻应变片相对于应力板中心对称分布；在套筒内安装角接触球轴承，传动轴穿过套筒和角接触球轴承连接，当传动轴输出扭矩时，扭矩通过角接触球轴承传递到套筒上，套筒与扭矩成正比的剪切变形被传递到左右两端的应力板上使应力板发生相应形变，在应力板上的电阻应变片可以测得套筒上的扭矩信号。

由于应变片的老化、温度漂移等问题，上述扭矩传感器易损坏、环境适应性差，且因采用直流电源作为输入输出信号，故分辨率较低，仅能检测静态扭矩，限制较大。

因此，如何提供一种寿命更长、环境适应性强、精度高、准确性高的扭矩传感器成为亟需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的不足，本实用新型的目的在于提供一种寿命更长、准确性更高的扭矩传感器。

本实用新型的目的可通过下列技术方案来实现：

一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：包括套设固定于测量轴上的第一支撑板和第二支撑板，所述第一支撑板面向第二支撑板的侧面上安装有至少两个扇形的接收线圈和信号处理单元，所述接收线圈以测量轴的中轴线为中心呈环形阵列设置，所述第二支撑板面向第一支撑板的侧面上安装有与接收线圈数量相同的扇形永磁体，所述扇形永磁体以测量轴的中轴线为中心呈环形阵列设置。

本扭矩传感器放弃了电阻应变片，采用扇形永磁体提供激励磁场，通过电磁感应原理在接收线圈内产生感应电动势，避免了电阻应变片的老化与温度漂移的问题，提高了扭矩传感器的分辨率，使测量结果更加准确；同时，本扭矩传感器无需额外引线为感应电动势供电，并且扇形永磁体和接收线圈分别固定于第一支撑板和第二支撑板上，扇形永磁体和接收线圈两者与测量轴之间不存在磨损和老化的问题，有利于提高本扭矩传感器的使用寿命；将接收线圈和永磁体都设计为扇形，从而使切割磁场线的导线长度即为接收线圈在径向上的长度，无需重新进行计算，有利于简化计算过程，提高测量精度和准确性。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，包括第一套筒和第二套筒，所述第一支撑板的内端与第一套筒固定连接，所述第二支撑板的内端与第二套筒固定连接，所述第一套筒和第二套筒均套设于测量轴上并与测量轴过盈配合。

上述第一套筒和第二套筒的设计能够更好的实现第一支撑板和第二支撑板的周向定位，增加第一支撑板和第二支撑板与测量轴连接的稳定性，避免打滑，从而确保本电磁扭矩传感器具有较高的分辨率，提高其测量的准确性。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，包括印制电路板，所述接收线圈和信号处理单元均设于印制电路板上，所述印制电路板安装于第一支撑板上。

本电磁扭矩传感器将接收线圈和信号处理单元直接印刷于印制电路板上，可实现低成本、可重复、可预测、高精度的批量化生产，生产效率更高，生产成本更低，接收线圈的精度更高。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，所述信号处理单元包括供电模块、差分滤波放大模块、直流电压测量模块和单片机，所述差分滤波放大模块的输入端与接收线圈相连，所述差分滤波放大模块的输出端与直流电压测量模块电连接，所述直流电压测量模块与单片机电连接，所述单片机能够检测感应电动势的占空比并计算扭转角。

上述供电模块为直流电压测量模块和单片机供电，差分滤波放大模块与接收线圈相连，将接收线圈发出的信号进行滤波和放大后输送给直流电压测量模块，直流电压测量模块根据接收到的信号对接收线圈的感应电动势进行测量，然后将测量得到的感应电动势的信号输送给单片机，单片机根据接收到的感应电动势信号分析其占空比，并根据预设的参数以及测量得到的感应电动势以及占空比计算出扭转角，具体计算公式见工作原理，上述单片机为STM32系列的单片机，具体的，可以是STM32F030F4、STM32F030C6、STM32F030C8、STM32F070CB等型号。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，所述接收线圈安装于印制电路板面向第二支撑板的一侧，所述信号处理单元安装于印制电路板面向第一支撑板的一侧。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，所述第一支撑板、第二支撑板和印制电路板均呈圆环状，所述接收线圈和扇形永磁体的数量均为9个，所述接收线圈和扇形永磁体的弧度角均为20°，所述接收线圈和扇形永磁体在圆周方向上具有10°的角度差。

多个接收线圈和扇形永磁体的设计能够使本电磁扭矩传感器的误差更小，有利于提高测量的准确性，优选的，上述接收线圈和扇形永磁体的数量为9，弧度角和角度差都是为了实现本电磁扭矩传感器做的适应性设计。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，包括固定连接的底座与罩壳，所述底座套设于测量轴上并与测量轴固定连接，所述罩壳与底座合围形成容置腔，所述第一支撑板和第二支撑板安装于容置腔内。

上述底座和罩壳的设计能够很好的保护其容置腔内的接收线圈和扇形永磁体，具有较好的防水防尘效果，有利于提高本电磁扭矩传感器的环境适用性。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，所述罩壳上设有供测量轴穿过的通孔。

当罩壳上设有通孔时，罩壳能够直接套设在测量轴上，该设计可以适应本电磁扭矩传感器直接安装于被测轴的工况，使本电磁扭矩传感器具有更好的环境适用性。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，所述底座和罩壳均由磁屏蔽材料制成，或者底座和罩壳的外表面具有磁屏蔽层。

上述底座和罩壳由磁屏蔽材料制成或者设置有磁屏蔽层，能够隔绝外界磁场对本电磁扭矩传感器的影响，有利于提高测量的稳定性和准确性。上述磁屏蔽材料或者用于制造磁屏蔽层的材料为铁或铍莫合金等高磁导率的材料。

在上述的一种永磁体式电磁扭矩传感器中，所述测量轴为被测轴，或者所述测量轴通过联轴器与被测轴固定连接。

本电磁扭矩传感器的工作原理如下：当测量轴无扭转时，传感器输出信号为0；当测量轴逆时针旋转时，接收线圈切割磁感线，产生感应电动势，感应电动势为正，通过信号处理单元检测感应电动势E和信号跳变期间的电压的信号占空比t，然后信号处理单元内的单片机对检测到的电动势信号和占空比信号进行处理，单片机根据建立的上述电动势信号、占空比信号与扭转角Δθ的线性关系，计算出扭转角Δθ；当测量轴顺时针旋转时，接收线圈切割磁感线，产生感应电动势，感应电动势为负，通过信号处理单元检测感应电动势E和信号跳变期间的电压的信号占空比t，然后信号处理单元内的单片机对检测到的电动势信号和占空比信号输进行处理，单片机根据建立的上述电动势信号、占空比信号与扭转角θ的线性关系，计算出扭转角θ；根据材料力学公式，通过扭转角θ即可计算测量轴所受扭矩的大小。

具体的，公式①为：V＝ω·r，其中V为角速度，r为接收线圈的半径，为已知量；

公式②为：

其中，θ为扭转角，t为信号占空比，t由信号处理单元检测得到，为已知量；

由E＝BLV，代入公式①、②可得：

其中，E为感应电动势，单位为伏特(V)，可以由信号处理单元检测得到，为已知量；B为磁感应强度，由扇形永磁体确定，为已知量；L为切割磁场线的导线长度，由接收线圈确定，为已知量；

因此，当E、B、L、t、r均为已知量时，可以求出扭转角θ的大小，然后根据材料力学公式，通过扭转角θ即可计算测量轴所受扭矩的大小。

与现有技术相比，本实用新型的技术效果为：

本扭矩传感器放弃了电阻应变片，采用扇形永磁体提供激励磁场，通过电磁感应原理在接收线圈内产生感应电动势，避免了电阻应变片的老化与温度漂移的问题，提高了扭矩传感器的分辨率，使测量结果更加准确；同时，本扭矩传感器无需额外引线为感应电动势供电，并且扇形永磁体和接收线圈分别固定于第一支撑板和第二支撑板上，扇形永磁体和接收线圈两者与测量轴之间不存在磨损和老化的问题，有利于提高本扭矩传感器的使用寿命；将接收线圈和永磁体都设计为扇形，从而使切割磁场线的导线长度即为接收线圈在径向上的长度，无需重新进行计算，有利于简化计算过程，提高测量精度和准确性。

附图说明

图1是本实用新型的爆炸结构示意图。

图2是本实用新型的整体剖视图。

图3是本实用新型的内部结构示意图。

图4是本实用新型的印制电路板的结构示意图一。

图5是本实用新型的印制电路板的结构示意图二。

图6是本实用新型的信号处理单元的结构示意图。

图7是本实用新型的罩壳的局部剖视图。

图中，1、测量轴；2、第一支撑板；21、第一套筒；3、第二支撑板；31、第二套筒；4、印制电路板；41、接收线圈；42、信号处理单元；421、供电模块；422、差分滤波放大模块；423、直流电压测量模块；424、单片机；5、扇形永磁体；6、底座；7、罩壳；71、通孔；81、容置腔；82、磁屏蔽层。

具体实施方式

以下是本实用新型的具体实施例并结合附图，对本实用新型的技术方案作进一步的描述，但本实用新型并不限于这些实施例。

本永磁体式电磁扭矩传感器包括套设固定于测量轴1上的第一支撑板2和第二支撑板3，第一支撑板2面向第二支撑板3的侧面上安装有至少两个扇形的接收线圈41和信号处理单元42，接收线圈41以测量轴1的中轴线为中心呈环形阵列设置，第二支撑板3面向第一支撑板2的侧面上安装有与接收线圈41数量相同的扇形永磁体5，扇形永磁体5以测量轴1的中轴线为中心呈环形阵列设置。本扭矩传感器放弃了电阻应变片，采用扇形永磁体5提供激励磁场，通过电磁感应原理在接收线圈41内产生感应电动势，避免了电阻应变片的老化与温度漂移的问题，提高了扭矩传感器的分辨率，使测量结果更加准确；同时，本扭矩传感器无需额外引线为感应电动势供电，并且扇形永磁体5和接收线圈41分别固定于第一支撑板2和第二支撑板3上，扇形永磁体5和接收线圈41两者与测量轴1之间不存在磨损和老化的问题，有利于提高本扭矩传感器的使用寿命；将接收线圈41和永磁体都设计为扇形，从而使切割磁场线的导线长度即为接收线圈41在径向上的长度，无需重新进行计算，有利于简化计算过程，提高测量精度和准确性。

上述永磁体式电磁扭矩传感器中包括第一套筒21和第二套筒31，第一支撑板2的内端与第一套筒21固定连接，第二支撑板3的内端与第二套筒31固定连接，第一套筒21和第二套筒31均套设于测量轴1上并与测量轴1过盈配合。上述第一套筒21和第二套筒31的设计能够更好的实现第一支撑板2和第二支撑板3的周向定位，增加第一支撑板2和第二支撑板3与测量轴1连接的稳定性，避免打滑，从而确保本电磁扭矩传感器具有较高的分辨率，提高其测量的准确性。

如图4-6所示，本电磁扭矩传感器包括印制电路板4，接收线圈41和信号处理单元42均设于印制电路板4上，印制电路板4安装于第一支撑板2上；信号处理单元42包括供电模块421、差分滤波放大模块422、直流电压测量模块423和单片机424，差分滤波放大模块422的输入端与接收线圈41相连，差分滤波放大模块422的输出端与直流电压测量模块423电连接，直流电压测量模块423与单片机424电连接，单片机424能够检测感应电动势的占空比并计算扭转角；接收线圈41安装于印制电路板4面向第二支撑板3的一侧，信号处理单元42安装于印制电路板4面向第一支撑板2的一侧。。本电磁扭矩传感器将接收线圈41和信号处理单元42直接印刷于印制电路板4上，可实现低成本、可重复、可预测、高精度的批量化生产，生产效率更高，生产成本更低，接收线圈41的精度更高；上述供电模块421为直流电压测量模块423和单片机424供电，差分滤波放大模块422与接收线圈41相连，将接收线圈41发出的信号进行滤波和放大后输送给直流电压测量模块423，直流电压测量模块423根据接收到的信号对接收线圈41的感应电动势进行测量，然后将测量得到的感应电动势的信号输送给单片机424，单片机424根据接收到的感应电动势信号分析其占空比，并根据预设的参数以及测量得到的感应电动势以及占空比计算出扭转角，上述单片机424可以根据预设的参数和信号处理单元42检测得到的感应电动势以及占空比计算出扭转角，具体计算公式见工作原理，上述单片机424为STM32系列的单片机424，具体的，可以是STM32F030F4、STM32F030C6、STM32F030C8、STM32F070CB等型号。

进一步的，第一支撑板2、第二支撑板3和印制电路板4均呈圆环状，接收线圈41和扇形永磁体5的数量均为9个，接收线圈41和扇形永磁体5的弧度角均为20°，接收线圈41和扇形永磁体5在圆周方向上具有10°的角度差。多个接收线圈41和扇形永磁体5的设计能够使本电磁扭矩传感器的误差更小，有利于提高测量的准确性，优选的，上述接收线圈41和扇形永磁体5的数量为9，弧度角和角度差都是为了实现本电磁扭矩传感器做的适应性设计。

如图1和图2所示，包括固定连接的底座6与罩壳7，底座6套设于测量轴1上并与测量轴1固定连接，罩壳7与底座6合围形成容置腔81，第一支撑板2和第二支撑板3安装于容置腔81内；罩壳7上设有供测量轴1穿过的通孔71。上述底座6和罩壳7的设计能够很好的保护其容置腔81内的接收线圈41和扇形永磁体5，具有较好的防水防尘效果，有利于提高本电磁扭矩传感器的环境适用性。当罩壳7上设有通孔71时，罩壳7能够直接套设在测量轴1上，该设计可以适应本电磁扭矩传感器直接安装于被测轴的工况，使本电磁扭矩传感器具有更好的环境适用性。

进一步的，如图7所示，底座6和罩壳7均由磁屏蔽材料制成，或者底座6和罩壳7的外表面具有磁屏蔽层82；测量轴1为被测轴，或者测量轴1通过联轴器与被测轴固定连接。上述底座6和罩壳7由磁屏蔽材料制成或者设置有磁屏蔽层82，能够隔绝外界磁场对本电磁扭矩传感器的影响，有利于提高测量的稳定性和准确性。上述磁屏蔽材料或者用于制造磁屏蔽层82的材料为铁或铍莫合金等高磁导率的材料。

本电磁扭矩传感器的工作原理如下：当测量轴1无扭转时，传感器输出信号为0；当测量轴1逆时针旋转时，接收线圈41切割磁感线，产生感应电动势，感应电动势为正，通过信号处理单元42检测感应电动势E和信号跳变期间的电压的信号占空比t，然后信号处理单元42内的单片机424对检测到的电动势信号和占空比信号进行处理，单片机424根据建立的上述电动势信号、占空比信号与扭转角θ的线性关系，计算出扭转角θ；当测量轴1顺时针旋转时，接收线圈41切割磁感线，产生感应电动势，感应电动势为负，通过信号处理单元42检测感应电动势E和信号跳变期间的电压的信号占空比t，然后信号处理单元42内的单片机424对检测到的电动势信号和占空比信号进行处理，单片机424根据建立的上述电动势信号、占空比信号与扭转角θ的线性关系，计算出扭转角θ；根据材料力学公式，通过扭转角θ即可计算测量轴1所受扭矩的大小。

具体的，公式①为：V＝ω·r，其中V为角速度，r为接收线圈41的半径，为已知量；

公式②为：

其中，θ为扭转角，t为信号占空比，t由信号处理单元42检测得到，为已知量；

由E＝BLV，代入公式①、②可得：

其中，E为感应电动势，单位为伏特(V)，可以由信号处理单元42检测得到，为已知量；B为磁感应强度，由扇形永磁体5确定，为已知量；L为切割磁场线的导线长度，由接收线圈41确定，为已知量；

因此，当E、B、L、t、r均为已知量时，可以求出扭转角θ的大小，然后根据材料力学公式，通过扭转角θ即可计算测量轴1所受扭矩的大小。

当架在扭矩时，已知测量轴的剪切模量G、直径d、扭转变形长度L，传感器测得转子相对扭转角θ，根据以下公式即可得到扭矩T的大小：

本实用新型中接收线圈41和扇形永磁体5所指的扇形并不是几何意义上的扇形，而是由几何上的扇形截去一个直径更小的同心的扇形构成，类似扇子的形状，如图3和图4所示。

上述实施例仅为本实用新型的较佳实施例，并非依此限制本实用新型的保护范围，故：凡依本实用新型的结构、形状、原理所做的等效变化，均应涵盖于本实用新型权利要求所定义的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：包括套设固定于测量轴(1)上的第一支撑板(2)和第二支撑板(3)，所述第一支撑板(2)面向第二支撑板(3)的侧面上安装有至少两个扇形的接收线圈(41)和信号处理单元(42)，所述接收线圈(41)以测量轴(1)的中轴线为中心呈环形阵列设置，所述第二支撑板(3)面向第一支撑板(2)的侧面上安装有与接收线圈(41)数量相同的扇形永磁体(5)，所述扇形永磁体(5)以测量轴(1)的中轴线为中心呈环形阵列设置。

2.根据权利要求1所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：包括第一套筒(21)和第二套筒(31)，所述第一支撑板(2)的内端与第一套筒(21)固定连接，所述第二支撑板(3)的内端与第二套筒(31)固定连接，所述第一套筒(21)和第二套筒(31)均套设于测量轴(1)上并与测量轴(1)过盈配合。

3.根据权利要求1所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：包括印制电路板(4)，所述接收线圈(41)和信号处理单元(42)均设于印制电路板(4)上，所述印制电路板(4)安装于第一支撑板(2)上。

4.根据权利要求3所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：所述信号处理单元(42)包括供电模块(421)、差分滤波放大模块(422)、直流电压测量模块(423)和单片机(424)，所述差分滤波放大模块(422)的输入端与接收线圈(41)相连，所述差分滤波放大模块(422)的输出端与直流电压测量模块(423)电连接，所述直流电压测量模块(423)与单片机(424)电连接，所述单片机(424)能够检测感应电动势的占空比并计算扭转角。

5.根据权利要求3所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：所述接收线圈(41)安装于印制电路板(4)面向第二支撑板(3)的一侧，所述信号处理单元(42)安装于印制电路板(4)面向第一支撑板(2)的一侧。

6.根据权利要求3所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：所述第一支撑板(2)、第二支撑板(3)和印制电路板(4)均呈圆环状，所述接收线圈(41)和扇形永磁体(5)的数量均为9个，所述接收线圈(41)和扇形永磁体(5)的弧度角均为20°，所述接收线圈(41)和扇形永磁体(5)在圆周方向上具有10°的角度差。

7.根据权利要求1-6任意一项所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：包括固定连接的底座(6)与罩壳(7)，所述底座(6)套设于测量轴(1)上并与测量轴(1)固定连接，所述罩壳(7)与底座(6)合围形成容置腔(81)，所述第一支撑板(2)和第二支撑板(3)安装于容置腔(81)内。

8.根据权利要求7所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：所述罩壳(7)上设有供测量轴(1)穿过的通孔(71)。

9.根据权利要求7所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：所述底座(6)和罩壳(7)均由磁屏蔽材料制成，或者底座(6)和罩壳(7)的外表面具有磁屏蔽层(82)。

10.根据权利要求1-6任意一项所述的一种永磁体式电磁扭矩传感器，其特征在于：所述测量轴(1)为被测轴，或者所述测量轴(1)通过联轴器与被测轴固定连接。

Images