本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量技術(shù)，具體是一種磁電式轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置。

背景技術(shù)：

轉(zhuǎn)動(dòng)是機(jī)械運(yùn)動(dòng)的一種基本形式，廣泛存在于和國(guó)家安全、國(guó)民生產(chǎn)建設(shè)緊密聯(lián)系的各類(lèi)應(yīng)用中，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中的速度、位置等參數(shù)與各類(lèi)安全高效的正常運(yùn)行息息相關(guān)。為了實(shí)時(shí)監(jiān)控速度、位置等參數(shù)的變化，相關(guān)的傳感器被大量使用。目前被廣泛應(yīng)用的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)傳感器有光柵、感應(yīng)同步器、磁柵等，這些傳感器的原理均是基于空間精密刻劃技術(shù)，其優(yōu)點(diǎn)是精度高，缺點(diǎn)是成本高，且不適合在惡劣環(huán)境中使用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種磁電式轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高，其能夠解決現(xiàn)有傳感器成本高、不適應(yīng)惡劣環(huán)境的問(wèn)題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種磁電式轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，其包括同軸設(shè)置的定子和轉(zhuǎn)子，所述轉(zhuǎn)子除包括轉(zhuǎn)軸外還包括相對(duì)于所述轉(zhuǎn)軸固定且與轉(zhuǎn)軸同軸的多極磁環(huán)，所述多極磁環(huán)在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中在周?chē)a(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)；所述定子包括磁路和磁電換能器，所述磁路匯聚所述多極磁環(huán)產(chǎn)生的周期變化磁場(chǎng)并將其傳遞給所述磁電換能器，所述磁電換能器通過(guò)感應(yīng)變化磁場(chǎng)，形成與磁場(chǎng)強(qiáng)度變化一致的電信號(hào)。

進(jìn)一步的，所述磁路包括扼磁環(huán)和多個(gè)磁場(chǎng)匯聚塊，多極磁環(huán)的極對(duì)數(shù)與磁場(chǎng)匯聚塊的對(duì)數(shù)一致，在扼磁環(huán)和與每個(gè)磁場(chǎng)匯聚塊之間都安裝一個(gè)磁電換能器；所述扼磁環(huán)通過(guò)將磁場(chǎng)束縛在其內(nèi)部從而與所述磁電換能器、磁場(chǎng)匯聚塊、多極磁環(huán)構(gòu)成閉合磁路。

進(jìn)一步的，所述磁場(chǎng)匯聚塊環(huán)繞分布于多極磁環(huán)外側(cè)，所述磁場(chǎng)匯聚塊的寬度可根據(jù)所述磁電換能器的輸出要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。

進(jìn)一步的，所述磁電換能器包括磁致伸縮層和壓電層，其長(zhǎng)度方向在所述定子的徑向上。

進(jìn)一步的，所述磁場(chǎng)匯聚塊、扼磁環(huán)分別設(shè)有U形槽，所述磁電換能器的一端安裝在磁場(chǎng)匯聚塊的U形槽中，磁電換能器的另一端安裝在扼磁環(huán)的U形槽中，所述U形槽用于對(duì)磁電換能器施加預(yù)應(yīng)力以提高磁電換能器輸出信號(hào)的性能。

進(jìn)一步的，所述多極磁環(huán)的磁極對(duì)數(shù)至少為兩對(duì)。

進(jìn)一步的，還包括相對(duì)于定子固定的殼體，所述定子和轉(zhuǎn)子封裝于殼體內(nèi)，所述轉(zhuǎn)軸通過(guò)軸承支撐連接在殼體內(nèi)。

本發(fā)明中，多極磁環(huán)隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)經(jīng)磁路傳遞，被磁電換能器感應(yīng)到，磁電換能器感應(yīng)到磁場(chǎng)變化時(shí)導(dǎo)出電信號(hào)，該電信號(hào)隨磁場(chǎng)的變化而變化。而磁場(chǎng)的變化與轉(zhuǎn)子相對(duì)于定子的空間位置對(duì)應(yīng)，也即是轉(zhuǎn)過(guò)的角度對(duì)應(yīng)，因而電信號(hào)的相位與定、轉(zhuǎn)子的相對(duì)位置具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，電信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)電信號(hào)的相位即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)電信號(hào)的頻率即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的測(cè)量。本裝置避免采用現(xiàn)有技術(shù)中的磁柵、霍爾元件等一類(lèi)感應(yīng)元件，而采用磁電換能器來(lái)感應(yīng)磁場(chǎng)，通過(guò)磁電換能器輸出的電荷變化實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量，其成本較低，受環(huán)境因素限制較少，能夠適應(yīng)惡劣環(huán)境。

本方案還通過(guò)軛磁環(huán)和磁場(chǎng)匯聚塊作用于磁場(chǎng)，多極磁環(huán)與磁場(chǎng)匯聚塊、軛磁環(huán)及磁電換能器形成閉合磁路，使磁場(chǎng)在磁路內(nèi)避免外散；將磁場(chǎng)集中到磁電換能器中，加大磁電換能器感應(yīng)到的磁場(chǎng)強(qiáng)度，從而提高磁電換能器的電信號(hào)質(zhì)量。還通過(guò)對(duì)磁場(chǎng)匯聚塊的具體布置，使轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)一周，磁電換能器導(dǎo)出的電信號(hào)正好經(jīng)過(guò)整數(shù)個(gè)周期，使每個(gè)磁電換電器上導(dǎo)出的電信號(hào)相位一致，從而可以將各個(gè)電信號(hào)直接相加，增大輸出信號(hào)，提出本裝置測(cè)量的靈敏度。

所述磁電換能器采用磁致伸縮層和壓電層構(gòu)成，在外磁場(chǎng)的變化作用下，磁致伸縮層產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，此機(jī)械運(yùn)動(dòng)傳遞到壓電層，由于壓電效應(yīng)，在壓電層的上下表面堆積電荷，將電荷引出來(lái)就形成了電信號(hào)，電信號(hào)的幅值大小與磁場(chǎng)的大小相關(guān)。磁電換能器的長(zhǎng)度方向設(shè)置在定子的徑向上，感應(yīng)到的磁場(chǎng)變化明顯，磁致伸縮層產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變也較大，從而使壓電層導(dǎo)出的電荷量較多，產(chǎn)生的電信號(hào)明顯，利于測(cè)量分析。

此外，磁場(chǎng)匯聚塊、軛磁環(huán)的U形槽除了起到固定安裝磁電換能器的作用，還能夠?qū)Υ胖律炜s層和壓電層施加一定的預(yù)應(yīng)力，進(jìn)而提高電信號(hào)的輸出性能。殼體對(duì)轉(zhuǎn)子和定子起固定和封裝作用，保護(hù)轉(zhuǎn)子和定子運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)不受干擾，軸承控制轉(zhuǎn)軸在軸向、徑向的移動(dòng)，保證導(dǎo)出的電信號(hào)穩(wěn)定有效。

本方案是基于多極磁環(huán)換能結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，其具有體積小、靈敏度高、加工制作方便、抗惡劣環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)，具有顯著的經(jīng)濟(jì)、實(shí)用價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明的結(jié)構(gòu)爆炸圖；

圖2為本發(fā)明的磁場(chǎng)匯聚塊和軛磁環(huán)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為本發(fā)明的定子的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖4為本發(fā)明的磁電換能器的一種實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖5為本發(fā)明的磁電換能器在磁場(chǎng)最強(qiáng)時(shí)的示意圖；

圖6為本發(fā)明的磁電換能器在磁場(chǎng)最弱時(shí)的示意圖。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明通過(guò)磁電換能器將由于多極磁環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)而產(chǎn)生的空間磁場(chǎng)的變化轉(zhuǎn)換為與相應(yīng)的電信號(hào)的變化，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)的測(cè)量。下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

一種磁電式轉(zhuǎn)動(dòng)參數(shù)測(cè)量裝置，如圖1所示，其包括同軸設(shè)置的定子2和轉(zhuǎn)子1，運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，定子2不動(dòng)，轉(zhuǎn)子1轉(zhuǎn)動(dòng)，所述轉(zhuǎn)子1除包括轉(zhuǎn)軸12外還包括相對(duì)于所述轉(zhuǎn)軸12固定且與轉(zhuǎn)軸12同軸的多極磁環(huán)11，所述多極磁環(huán)11在轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中在周?chē)a(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)。所述定子2包括磁路和磁電換能器23，所述磁路匯聚所述多極磁環(huán)11產(chǎn)生的周期變化磁場(chǎng)并將其傳遞給所述磁電換能器23，所述磁電換能器23通過(guò)感應(yīng)變化磁場(chǎng)，形成與磁場(chǎng)強(qiáng)度變化一致的電信號(hào)。

所述多極磁環(huán)11隨轉(zhuǎn)軸12轉(zhuǎn)動(dòng)產(chǎn)生周期性變化的磁場(chǎng)，磁場(chǎng)經(jīng)磁路被磁電換能器23感應(yīng)到，磁電換能器23感應(yīng)到磁場(chǎng)變化時(shí)導(dǎo)出電信號(hào)，該電信號(hào)隨磁場(chǎng)的變化而變化。而磁場(chǎng)的變化與轉(zhuǎn)子1相對(duì)于定子2的空間位置對(duì)應(yīng)，也即是轉(zhuǎn)過(guò)的角度對(duì)應(yīng)，因而電信號(hào)的相位與定、轉(zhuǎn)子1的相對(duì)位置具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，電信號(hào)的頻率與轉(zhuǎn)子1的轉(zhuǎn)速具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。通過(guò)檢測(cè)電信號(hào)的相位即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)位置的測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)電信號(hào)的頻率即可實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)速度的測(cè)量。

所述磁路采用軛磁環(huán)21和多個(gè)磁場(chǎng)匯聚塊22組建，如圖2、3所示，多極磁環(huán)11的極對(duì)數(shù)與磁場(chǎng)匯聚塊22的對(duì)數(shù)一致，在扼磁環(huán)和與每個(gè)磁場(chǎng)匯聚塊22之間都安裝一個(gè)磁電換能器23，使磁電換能器23處于磁場(chǎng)匯聚塊22與軛磁環(huán)21之間磁場(chǎng)最強(qiáng)的位置。所述扼磁環(huán)通過(guò)將磁場(chǎng)束縛在其內(nèi)部從而與所述磁電換能器23、磁場(chǎng)匯聚塊22、多極磁環(huán)11構(gòu)成閉合磁路。

多極磁環(huán)11采用徑向磁極的磁環(huán)，其產(chǎn)生形狀相同的分磁場(chǎng)數(shù)量與其極對(duì)數(shù)n相關(guān)。所述磁場(chǎng)匯聚塊22呈弧形條狀，其環(huán)繞分布于多極磁環(huán)11外側(cè)，所述磁場(chǎng)匯聚塊22的寬度可根據(jù)所述磁電換能器23的輸出要求進(jìn)行調(diào)節(jié)。當(dāng)轉(zhuǎn)子1相對(duì)于定子2轉(zhuǎn)過(guò)2π/n角度后，磁電換能器23導(dǎo)出的信號(hào)正好經(jīng)過(guò)一個(gè)周期，此信號(hào)的相位和空間位移具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，此信號(hào)的頻率和轉(zhuǎn)速具有一一對(duì)應(yīng)關(guān)系。每個(gè)磁電換電器上導(dǎo)出的信號(hào)相位一致，從而在信號(hào)處理時(shí)可以將各個(gè)電信號(hào)直接相加處理。

實(shí)施例中可采用PMP型磁電換能器23，如圖4所示，由中間的磁致伸縮層231和上下兩壓電層232組成，其長(zhǎng)度方向在所述定子2的徑向上。磁電換能器23在外磁場(chǎng)的作用下，磁致伸縮層231產(chǎn)生應(yīng)力或應(yīng)變，此機(jī)械運(yùn)動(dòng)通過(guò)粘結(jié)磁致伸縮層231和壓電層232的粘結(jié)層傳遞到壓電層232，由于壓電效應(yīng)，在壓電層232的上下表面堆積電荷，將電荷引出來(lái)就形成了電信號(hào)，此電信號(hào)的幅值大小與外磁場(chǎng)的大小有關(guān)。磁致伸縮層231感受環(huán)境中的磁場(chǎng)，因磁場(chǎng)的強(qiáng)弱不同，伸縮層的伸縮尺寸不同，這種伸縮尺寸的不同在壓電層232上會(huì)產(chǎn)生不同的應(yīng)力或應(yīng)變，從而在壓電層232上產(chǎn)生的電信號(hào)的幅值也不一樣。

本例采用的PMP型結(jié)構(gòu)形式不應(yīng)當(dāng)作為本發(fā)明技術(shù)方案的限制或限定，它也可以是壓電層232在中間，兩邊是磁致伸縮層231的MPM型三層結(jié)構(gòu)，也可以是MP型的兩層結(jié)構(gòu)或其它多層結(jié)構(gòu)形式。

所述磁場(chǎng)匯聚塊22、軛磁環(huán)21分別設(shè)有U形槽24，所述磁電換能器23的一端安裝在磁場(chǎng)匯聚塊22的U形槽24中，磁電換能器23的另一端安裝在軛磁環(huán)21的U形槽24中，該U形槽24與磁電換能器23構(gòu)成牙形磁路，磁場(chǎng)從多極磁環(huán)11產(chǎn)生后，經(jīng)磁場(chǎng)匯聚塊22、磁電換能器23進(jìn)入軛磁環(huán)21，再?gòu)能棿怒h(huán)21流到相鄰的磁電換能器23、磁場(chǎng)匯聚塊22后回到多極磁環(huán)11。牙形磁路能夠減少漏磁使磁場(chǎng)最大限度的通過(guò)磁電換能器23。U形槽24還可以對(duì)磁電換能器23施加預(yù)應(yīng)力以提高磁電換能器23輸出信號(hào)的性能。

以圖5、6中兩對(duì)極的多極磁環(huán)11為例，當(dāng)測(cè)量裝置的定、轉(zhuǎn)子1處于如圖5所示位置時(shí)，在多極磁環(huán)11、磁場(chǎng)匯聚塊22、磁電換能器23、軛磁環(huán)21中形成的磁場(chǎng)如圖5所示，此時(shí)，在磁電換能器23上產(chǎn)生的磁場(chǎng)最強(qiáng)，從磁電換能器23的壓電層232上導(dǎo)出的電壓也越大，在多極磁環(huán)11順時(shí)針旋轉(zhuǎn)過(guò)程中，磁場(chǎng)匯聚塊22匯聚的磁場(chǎng)會(huì)逐步減弱，當(dāng)轉(zhuǎn)到如圖6所示位置時(shí)，磁場(chǎng)匯聚塊22匯聚的磁場(chǎng)達(dá)到最小，磁致伸縮層231感受到的磁場(chǎng)也就越弱，從而在壓電層232上導(dǎo)出的電壓也就越小，多極磁環(huán)11繼續(xù)旋轉(zhuǎn)，磁致伸縮層231感受到的磁場(chǎng)會(huì)逐漸變強(qiáng)，從壓電層232上導(dǎo)出的電壓也會(huì)隨之變大，如此往復(fù)。因磁致伸縮層231只感受磁場(chǎng)大小，所以當(dāng)多極磁環(huán)11轉(zhuǎn)過(guò)一個(gè)對(duì)極，通過(guò)磁致伸縮層231的磁場(chǎng)強(qiáng)度則經(jīng)過(guò)了兩個(gè)周期，即是當(dāng)磁環(huán)轉(zhuǎn)過(guò)360度，通過(guò)磁致伸縮層231的磁場(chǎng)強(qiáng)度隨著位置的變化將產(chǎn)生四個(gè)周期的變化，在壓電層232上導(dǎo)出的電壓則相應(yīng)的為四周期信號(hào)。通過(guò)檢測(cè)磁電換能器23導(dǎo)電層上導(dǎo)出的電壓信號(hào)的相位值，就可以知道多極磁環(huán)11和轉(zhuǎn)子1相對(duì)于定子2轉(zhuǎn)過(guò)了多少角度，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度的測(cè)量，通過(guò)檢測(cè)導(dǎo)出電壓信號(hào)的頻率就可知道轉(zhuǎn)動(dòng)速度，從而實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)角度和轉(zhuǎn)動(dòng)速度的同時(shí)測(cè)量。

本裝置在實(shí)際運(yùn)用中，會(huì)采用外殼來(lái)封裝轉(zhuǎn)子1和定子2，如圖1中的殼體5、6相對(duì)于定子2都是固定的，轉(zhuǎn)子1則安裝在殼體5、6內(nèi)，殼體5、6起固定和封裝的作用。所述轉(zhuǎn)軸12的一端連接軸承3，右邊的軸承4是和定子2聯(lián)接在一起的，軸承3、4起支撐旋轉(zhuǎn)軸12的作用，使轉(zhuǎn)軸12實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)動(dòng)，控制轉(zhuǎn)軸12在軸向、徑向的移動(dòng)。