專利名稱：磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及無接觸檢測(cè)加在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩傳感器，這種檢測(cè)是基于旋轉(zhuǎn)軸表面上磁導(dǎo)率的變化。
為無接觸檢測(cè)施加在電動(dòng)機(jī)、工具機(jī)和汽車等所用旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)中旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩，廣泛地采用著磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，在這種傳感器中將一交變磁場(chǎng)加在軸的表面上，以便在旋轉(zhuǎn)軸上加上轉(zhuǎn)矩時(shí)以電的量值測(cè)出軸表面上所產(chǎn)生的磁導(dǎo)率變化。
一種已知的磁致伸縮傳感器是由一磁頭系統(tǒng)構(gòu)成的，其中將具有開端磁路型鐵蕊(如U形鐵蕊)的繞組(磁頭)靠近旋轉(zhuǎn)軸用作激磁和檢測(cè)工具，從而測(cè)出軸表面上由加在軸上的轉(zhuǎn)矩所引起主應(yīng)力方向上磁導(dǎo)率的變化，此主應(yīng)力方向相對(duì)于軸的軸線成±45°角(《科學(xué)儀器評(píng)論》第25卷第6期，1954年6月出版，“旋轉(zhuǎn)軸內(nèi)轉(zhuǎn)矩的磁測(cè)法”)。另一種已知的螺線管系統(tǒng)可使旋轉(zhuǎn)軸的表面具有單軸磁性異向性，也就是易磁化軸線的方向相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向成一傾斜角，而且使具有磁性異向性的軸段附近也具有這種性能，因此，可將一激磁螺旋管(激磁線圈)和一用以檢測(cè)磁導(dǎo)率變化的螺線管(檢測(cè)線圈)置于軸的周圍，從而可以測(cè)出由所加轉(zhuǎn)矩引起的磁導(dǎo)率軸向變化(《電氣與電子工程師協(xié)會(huì)會(huì)報(bào)》磁學(xué)部分，MAG-18，No、6，1769，1982“采用應(yīng)力敏感非晶體帶材的新型轉(zhuǎn)矩?fù)Q能器”)。
在這種螺線管系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器中用以使旋轉(zhuǎn)軸表面具有磁性導(dǎo)向性的方法在日本所公開的專利No63-252487中已有簡(jiǎn)述，例如，用激光淬火在軸的表面上沿相對(duì)于軸的軸線方面成一角度的方向造成相互平行的帶狀硬化區(qū)以產(chǎn)生剩余應(yīng)力，由于應(yīng)力的作用，就可使軸表面具有磁性異向性。在其它的已知方法中，如日本專利No、16932所述，用滾軋或其他方法在軸表面上造成許多相互平行的螺旋形凹槽，由于凹槽的構(gòu)形效應(yīng)，可使軸表面具有成形的磁性異向性。
由作用在旋轉(zhuǎn)軸上的外加磁場(chǎng)和(或)應(yīng)力所引起的鐵磁材料自然磁化的變化包含著由于磁疇壁移動(dòng)所引起的磁化過程和伴隨磁疇壁移動(dòng)的旋轉(zhuǎn)磁化所引起的磁化過程。由于旋轉(zhuǎn)磁化所引起的磁化過程主要是可逆的。由于磁疇壁移動(dòng)所引起的磁化過程包含著可逆磁化過程和不可逆磁化過程。除非外加磁場(chǎng)和(或)外加應(yīng)力極小或很大，由于磁疇壁移動(dòng)所引起的磁化過程是不可逆的。這是由于磁疇壁移動(dòng)受到鐵磁材料中同時(shí)存在的徽細(xì)外來物質(zhì)(雜質(zhì))、晶界、晶格缺陷等的阻礙。與可逆磁化過程不同，包含有明顯不可逆的磁疇壁移動(dòng)的磁化過程就包含著磁滯現(xiàn)象。
在實(shí)際的轉(zhuǎn)矩傳感器中，加在旋轉(zhuǎn)軸表面上的磁場(chǎng)通常都是很徽弱的(一般不超過10Oe)，因此，在由高強(qiáng)度軟磁性材料(矯頑磁力HC約10～20Oe)所制普通旋轉(zhuǎn)的表面上進(jìn)行的磁化過程主要是電磁疇壁移動(dòng)所引起的不可逆磁化。因此，磁滯在磁化過程中是不可避免的，在磁化過程中產(chǎn)生的磁滯現(xiàn)象在轉(zhuǎn)矩傳感器的檢測(cè)特性曲線中也會(huì)作為磁滯現(xiàn)象反應(yīng)出來，因此不利于轉(zhuǎn)矩檢測(cè)的精度。
在旋轉(zhuǎn)軸的表面上還是存在著不少缺陷的，如在加工和成形加工凹槽階段中產(chǎn)生的凸紋和發(fā)裂，盡管這些缺陷還是比較小的。這些細(xì)徽的缺陷就會(huì)引起轉(zhuǎn)矩檢測(cè)特性曲線中的磁滯現(xiàn)象或引起靈敏度的下降。由于重復(fù)地加上轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)軸材料的疲勞現(xiàn)象和由于加上較大轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的晶間滑移也會(huì)增大轉(zhuǎn)矩檢測(cè)中的磁滯和降低檢測(cè)的靈敏度。
本發(fā)明的目的是將旋轉(zhuǎn)軸表面上的磁化過程轉(zhuǎn)變?yōu)榇艤A向小，且主要為旋轉(zhuǎn)磁化的磁化過程，并消除軸表面上的一些細(xì)小缺陷和提高軸表層內(nèi)晶間滑移的阻力，從而減小轉(zhuǎn)矩檢測(cè)特性曲線中可能出現(xiàn)的磁滯，并取得較高的檢測(cè)靈敏度。
為達(dá)到上述目的，本發(fā)明提供一種磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，在這種傳感器中將激磁磁場(chǎng)加在旋轉(zhuǎn)軸預(yù)定區(qū)表面上形成的磁性異向區(qū)上，以便用磁性檢測(cè)儀以電的量值無接觸檢測(cè)加在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩在磁性異向區(qū)內(nèi)所產(chǎn)生的磁導(dǎo)率變化，其特征為在旋轉(zhuǎn)軸表面上包括磁性異向區(qū)在內(nèi)的整個(gè)預(yù)定區(qū)內(nèi)形成在整個(gè)區(qū)域內(nèi)大體上均勻分布的許多細(xì)小凹痕和由細(xì)小凹痕造成的剩余壓應(yīng)力保持區(qū)。
旋轉(zhuǎn)軸表面上的細(xì)小凹痕是通過噴丸處理形成的，即采用細(xì)粒硬質(zhì)生鐵丸和鑄鋼丸，用壓縮空氣或離心力使其向軸表面噴射，或用滾壓或壓花方法，即用表面上具有很多細(xì)小突起的滾壓成形工具向軸表面進(jìn)行滾壓(在必要的部分作反復(fù)滾壓)。
在鐵磁材料表面上的細(xì)小凹痕對(duì)圍繞凹痕平行于剩余拉應(yīng)力的磁疇起有穩(wěn)定作用，在形成凹痕時(shí)所產(chǎn)生的剩余應(yīng)力會(huì)圍繞凹痕形成磁疇穩(wěn)定區(qū)。已知在外加磁場(chǎng)或應(yīng)力作用在軸上的情況下，在自然磁化的變化過程中在凹痕周邊區(qū)域內(nèi)不易產(chǎn)生磁疇壁移動(dòng)，且這一區(qū)域的磁化主要是可逆旋轉(zhuǎn)磁化過程(日本朝倉(cāng)(AsaKura)出版公司1975年出版《磁性材料手冊(cè)》第895頁)。
因此，在轉(zhuǎn)軸表面上密布有細(xì)小凹痕的區(qū)域，通過外加激磁磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的磁化過程不同于無細(xì)小凹痕時(shí)的情況，也就是這種磁化過程基本上無由磁疇壁引起的磁化，而主要是可逆的旋轉(zhuǎn)磁化，其結(jié)果是在磁化過程中的磁滯減小。由于細(xì)小凹痕減小了磁滯，將上述區(qū)域作為激磁檢測(cè)區(qū)域的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)在其檢測(cè)特性曲線上所顯示的磁滯是很小的。
經(jīng)過機(jī)械加工和凹槽成形加工，在旋轉(zhuǎn)軸的表層散布有很多細(xì)小缺陷，為在機(jī)械加工和凹槽成形加工過程中造成的凸紋和發(fā)裂等，上述這些缺陷可能是造成磁滯增大和檢測(cè)靈敏度降低的原因。但是，由于在軸表面上所形成的細(xì)小凹痕減少或消除了上述細(xì)小缺陷，就使轉(zhuǎn)矩檢測(cè)顯示出較小的磁滯和較高的靈敏度。在采用噴丸處理時(shí)這種效果特別明顯。在采用滾壓工具進(jìn)行滾壓和壓花并反復(fù)進(jìn)行時(shí)可取得很好的結(jié)果。
在旋轉(zhuǎn)軸表面上散布有許多細(xì)小凹痕的區(qū)域內(nèi)具有因形成凹痕而壓實(shí)的金屬結(jié)構(gòu)。在凹痕的形成過程中所產(chǎn)生的冷作硬化，使軸的表層相當(dāng)堅(jiān)硬，表層的壓實(shí)和硬化也有利于加強(qiáng)抗疲勞性和表層的抗晶間滑移性，從而減小轉(zhuǎn)矩檢測(cè)特性曲線中的磁滯。
對(duì)旋轉(zhuǎn)軸表面預(yù)定區(qū)內(nèi)細(xì)小凹痕的加工可在對(duì)旋轉(zhuǎn)軸進(jìn)行所需熱處理，為滲碳和回火后進(jìn)行，或者，在使旋轉(zhuǎn)軸表面具有單軸磁性異向性的場(chǎng)合下，可在磁性異向處理之后進(jìn)行凹痕的加工，在用滾壓或壓花法在軸表面上加工螺旋槽的場(chǎng)合下，可用表面上具有很多突起的滾壓工具(模具)進(jìn)行加工，這樣，可同時(shí)形成螺旋槽和細(xì)小凹痕。
軸表面上的細(xì)小凹痕可不必嚴(yán)格地作有規(guī)則的分布;對(duì)這些細(xì)小凹痕只需作大體上均勻的分布。各凹痕的直徑一般可在0.1至1mm左右。凹痕在表面面積上的復(fù)蓋率(凹痕所占面積相對(duì)于預(yù)定區(qū)域表面面積的百分率)以不小于70%為宜，最好不小于90%。細(xì)小凹痕的深度以不大于0.1mm為宜;沒有必要采用更大的深度?？紤]到將具有常用激磁電流的頻率(約10KHz至50KHz)加在軸表面上時(shí)磁力線所需軸內(nèi)通路的深度(表層深度)大致在0.1mm以下，因此，作為磁路完全可以采用具有上述細(xì)小凹痕所具效果的軸表層而使細(xì)小凹痕的深度大致在0.1mm以下。
本發(fā)明旋轉(zhuǎn)軸的材料沒有什么特別的限制。因此，可采用各種不同的材料，如碳鋼、鉻合金鋼、鎳鉻合金鋼、鉻鉬合金鋼、鎳鉻鉬合金鋼和馬氏體時(shí)效鋼。
對(duì)旋轉(zhuǎn)軸表面進(jìn)行激磁和對(duì)磁導(dǎo)率變化進(jìn)行檢測(cè)的系統(tǒng)可以是沿旋轉(zhuǎn)軸外圓同心繞制的螺線管系統(tǒng)，或是將繞組置于U形鐵蕊上的磁頭系統(tǒng)。為進(jìn)行激磁和檢測(cè)可采用任何構(gòu)造的電路。在下面所簡(jiǎn)述的實(shí)施例中，在螺線管系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩傳感器中，將螺旋槽設(shè)于旋轉(zhuǎn)軸表面以形成單軸磁性異向性，并使螺旋槽的傾斜方向構(gòu)成一個(gè)易磁化軸線，當(dāng)然，還可通過任何其他適當(dāng)?shù)姆椒▉硇纬蛇@種單軸磁性異向性。例如可在軸的圓周上以一定間距通過激光淬火形成許多與軸線方向成角度傾斜的帶狀硬化段，或在圓周上以一定間距形成與軸線方向成角度傾斜的帶狀滲碳段，以便通過這種傾斜的帶狀硬化段或帶狀滲碳段取得單軸磁性異向性。另外，在下面將予闡述的實(shí)施例中轉(zhuǎn)矩傳感器具有差示結(jié)構(gòu)，其中，在旋轉(zhuǎn)軸表面上設(shè)有兩個(gè)相鄰的具有不同單軸磁性異向性的區(qū)域，即具有大小相同但方向相反的相對(duì)于軸線方向的傾斜角度，因此，在相應(yīng)區(qū)域內(nèi)磁導(dǎo)率的變化也是異向的。但是，這種結(jié)構(gòu)不是經(jīng)常必要的。當(dāng)然，也可制造一種基于僅在一個(gè)單軸磁性異向性區(qū)域內(nèi)檢測(cè)磁導(dǎo)率變化的激磁和檢測(cè)電路，這種電路可檢測(cè)出加在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩量值和所加轉(zhuǎn)矩的方向，即正向或負(fù)向(正向或反向)。
以上所述處置方法是在旋轉(zhuǎn)軸本身的表面上形成細(xì)小凹痕的。但，如旋轉(zhuǎn)軸是由具有較小或無磁致伸縮效應(yīng)的材料制成的，則可將具有較大磁致伸縮效應(yīng)的鐵磁材料制成的套筒用焊接、粘接、冷縮配合、冷壓配合或其他方法固定在旋轉(zhuǎn)軸的有關(guān)表面部分，使加在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的應(yīng)力傳遞到套筒上，從而對(duì)套筒磁導(dǎo)率的變化進(jìn)行檢測(cè)。在這種情況下通過在套筒表面上所形成的細(xì)小凹痕就可如上所述取得較低的磁滯和較高的靈敏度。因此，所謂在旋轉(zhuǎn)軸的表面上形成細(xì)小的凹痕，就表面而論，不僅意味著軸本身的表面，也意味著作為磁致伸縮構(gòu)件與軸固定配合的套筒的表面。
按本發(fā)明，在對(duì)旋轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)中，磁滯較小，檢測(cè)的靈敏度較高。在取得磁滯和靈敏度方面的良好性能后，就可高度準(zhǔn)確地檢測(cè)轉(zhuǎn)矩，從而可在旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)的控制中提高檢測(cè)轉(zhuǎn)矩的可靠性。
本發(fā)明的原理，即在鐵磁構(gòu)件的表面上所形成的細(xì)小凹痕可改變構(gòu)件的磁性能，這不僅可用于對(duì)旋轉(zhuǎn)軸上轉(zhuǎn)矩的檢測(cè)，還可用于通過磁致伸縮現(xiàn)象對(duì)各種構(gòu)件的維護(hù)和對(duì)材料性能隨時(shí)日變化情況的控制。例如，在對(duì)建筑物、橋梁等的負(fù)荷測(cè)量和維護(hù)、工廠設(shè)備和高壓罐的維護(hù)和初步測(cè)試，以及焊接結(jié)構(gòu)中剩余應(yīng)力分布進(jìn)行測(cè)量時(shí)，通過在所需測(cè)量的部位形成細(xì)小凹痕的方法，可取得更高的測(cè)量精度和可靠性。
圖1為旋轉(zhuǎn)軸的透視圖，根據(jù)本發(fā)明在軸上預(yù)定區(qū)域的表面上具有很多細(xì)小凹痕。
圖2為旋轉(zhuǎn)軸的透視圖，根據(jù)本發(fā)明軸上設(shè)有很多螺旋槽，在預(yù)定區(qū)域內(nèi)具有很多細(xì)小凹痕。
圖3為本發(fā)明磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器中旋轉(zhuǎn)軸的剖面簡(jiǎn)圖，圍繞旋轉(zhuǎn)軸設(shè)有激磁和檢測(cè)螺線管。
圖4為本發(fā)明磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器中激磁檢測(cè)電路的簡(jiǎn)圖。
圖5為本發(fā)明磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器實(shí)施例的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)特性曲線圖。
圖6為磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器比較實(shí)例的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)特性曲線圖。
圖7為本發(fā)明實(shí)施例與磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器比較時(shí)磁滯和靈敏度的曲線圖。
圖8為磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器的透視圖，在該傳感器中采用圖1所示旋轉(zhuǎn)軸以及與此軸配接的激磁和檢測(cè)頭。
圖1所示為一實(shí)施例，在此實(shí)例中，在旋轉(zhuǎn)軸1預(yù)定區(qū)域A的表面上分布有很多細(xì)小凹痕2。圖2所示為另一實(shí)施例，在此實(shí)施例中在旋轉(zhuǎn)軸上圍繞圓周表面分布有許多彼此隔開且相互平行的螺旋槽，在螺旋槽分布的區(qū)域及與其鄰近的區(qū)域上散布有很多細(xì)小凹痕2。
現(xiàn)對(duì)采用圖2所示旋轉(zhuǎn)軸的實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)闡述如下制備好以下(a)至(d)四個(gè)旋轉(zhuǎn)軸(其直徑均為30mm)，使各軸在其相應(yīng)表面上均具有如圖2所示同樣的螺旋槽和細(xì)小凹痕。將圖3所示螺線管型激磁檢測(cè)電路與各旋轉(zhuǎn)軸配接以形成轉(zhuǎn)矩傳感器。對(duì)各傳感器進(jìn)行了轉(zhuǎn)矩檢測(cè)試驗(yàn)。
1.旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)軸“a”(1)旋轉(zhuǎn)軸材料含4.3%Ni的鎳鉻鉬鋼。
(2)熱處理一次淬火(930℃，油淬)→二次淬火(850℃，油淬)→回火(175℃，4小時(shí)，空氣冷卻)。
(3)抗拉強(qiáng)度110 kgf/mm2，硬度(HRc)40。
(4)磁致伸縮常數(shù)(λs)21×10-6。
旋轉(zhuǎn)軸“b”(1)旋轉(zhuǎn)軸材料含14%Ni的馬氏體時(shí)效鋼。
(2)熱處理固溶熱處理(900℃，1小時(shí)，空氣冷卻)→時(shí)效(480℃，3小時(shí)，空氣冷卻)。
(3)抗拉強(qiáng)度170kgf/mm2，硬度(HRc)49。
(4)磁致伸縮常數(shù)(λs)22×10-6。
旋轉(zhuǎn)軸“c”(1)旋轉(zhuǎn)軸材料含8.5%Ni的鎳鉻鉬鋼。
(2)熱處理淬火(830℃，空氣冷卻)→回火(560℃，空氣冷卻)。
(3)抗拉強(qiáng)度140kgf/mm2，硬度(HRc)43。
(4)磁致伸縮常數(shù)(λs)27×10-6。
旋轉(zhuǎn)軸“d”(1)旋轉(zhuǎn)軸材料含8.5%Ni的馬氏體時(shí)效鋼。
(2)熱處理固溶熱處理(830℃，1小時(shí)，空氣冷卻)→時(shí)效(515℃，3小時(shí)，空氣冷卻)。
(3)抗拉強(qiáng)度120kgf/mm2，硬度(HRc)35。
(4)磁致伸縮常數(shù)(λs)21.5×10-6。
2.螺旋槽和細(xì)小凹痕在軸表面上的形成。
(1)槽的形成用輥軋成形法在軸表面兩塊相鄰面積(A)、(A)上形成一系列螺旋槽，這些螺旋槽與旋轉(zhuǎn)軸的軸線方向成45°角，并具有相反的方向。如圖3所示在旋轉(zhuǎn)軸1的兩塊面積(A)、(A)上所形成的帶狀斜槽示為螺旋槽3，3。
槽深約1mm，槽間間隙約2mm，槽長(zhǎng)約10mm。
(2)細(xì)小凹痕的形成用直徑為0.1至0.6mm的鋼珠進(jìn)行噴丸處理。噴丸噴射速度為62m/sec。如圖3所示，分布在面積(A)、(A)上的班點(diǎn)為由噴丸噴射造成的細(xì)小凹痕。每個(gè)凹痕深度約在0.1mm以下。噴射復(fù)蓋率(面積百分率)為95%至98%。
3.轉(zhuǎn)矩傳感器的結(jié)構(gòu)將激磁和檢測(cè)電路分別裝在旋轉(zhuǎn)軸(a)至(d)上，從而形成轉(zhuǎn)矩傳感器(a)至(d)。圖3所示為激磁檢測(cè)電路相對(duì)于相應(yīng)旋轉(zhuǎn)軸1的設(shè)置情況。圖4所示為激磁檢測(cè)電路的設(shè)置情況。在以下的闡述中，軸表面上具有螺旋槽3、3和細(xì)小凹痕2的兩塊面積(A)、(A)都稱作“磁致伸縮段”。
圖3中，數(shù)字6表示向“磁致伸縮段”(A)、(A)施加激磁磁場(chǎng)的螺線管(激磁線圈)，而8、8則表示用以檢測(cè)“磁致伸縮段”(A)、(A)磁導(dǎo)率變化的螺線管，當(dāng)將轉(zhuǎn)矩T加在旋轉(zhuǎn)軸1上時(shí)即發(fā)生這種磁導(dǎo)率的變化。圖3所示激磁線圈6和檢測(cè)線圈8、8同心設(shè)置在殼體5內(nèi)，位于旋轉(zhuǎn)軸1的附近。如圖4所示，激磁線圈6接在高頻激磁電源7上。檢測(cè)線圈8、8作反極性連接，用以檢測(cè)兩相應(yīng)磁致伸縮段(A)、(A)上磁導(dǎo)率變化的差值，其兩端接在同步整流器9上。由于在檢測(cè)線圈8、8和激磁線圈6之間的互感作用，在線圈8、8中產(chǎn)生有感應(yīng)電壓，感應(yīng)電壓之間的差值成直流電壓從同步整流器9輸出。
在旋轉(zhuǎn)軸上不施加轉(zhuǎn)矩時(shí)，轉(zhuǎn)矩傳感器中兩個(gè)磁致伸縮段(A)、(A)的磁導(dǎo)率相同;因此，在一個(gè)檢測(cè)線圈8中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓和在另一個(gè)檢測(cè)線圈8中產(chǎn)生的感應(yīng)電壓彼此抵消，因而沒有輸出。當(dāng)在旋轉(zhuǎn)軸1上加上轉(zhuǎn)矩T時(shí)，在兩個(gè)磁致伸縮段(A)、(A)中，一個(gè)主要受張力，而另一個(gè)主要受壓力。結(jié)果，一個(gè)磁致伸縮段的磁導(dǎo)率增大，而另一個(gè)磁致伸縮段的磁導(dǎo)率減小。由于磁導(dǎo)率的這種向變化，一個(gè)檢測(cè)線圈8中的感應(yīng)電壓增大，另一個(gè)檢測(cè)線圈8中的感應(yīng)電壓減小。這一差值成直流電壓從同步整流器9輸出，所加轉(zhuǎn)矩T的量值可從輸出電壓的量值中測(cè)出，所加轉(zhuǎn)矩的方向可從輸出電壓的正、負(fù)號(hào)中測(cè)出。
作為比較實(shí)例，除在帶有螺旋槽區(qū)域的表面上不再用噴丸加工出細(xì)小凹痕外，對(duì)旋轉(zhuǎn)軸a′至d′采用與前述旋轉(zhuǎn)軸a至d同樣的方法進(jìn)行準(zhǔn)備。在a′至d′各旋轉(zhuǎn)軸上都如前所述設(shè)有激磁檢測(cè)電路。于是形成了轉(zhuǎn)矩傳感器a′至d′。
4.轉(zhuǎn)矩檢測(cè)試驗(yàn)及其結(jié)果在對(duì)轉(zhuǎn)矩傳感器a至d和a′至d′進(jìn)行的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)試驗(yàn)中都在用高頻電源(激磁電流40mA有效值，頻率10KH2)對(duì)磁致伸縮段加上磁場(chǎng)的條件下加上規(guī)定的轉(zhuǎn)矩。
圖5所示為使用轉(zhuǎn)矩傳感器a時(shí)得到的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)特性曲線，圖6所示為使用轉(zhuǎn)矩傳感器a′時(shí)得到的轉(zhuǎn)矩檢測(cè)特性曲線。對(duì)此兩傳感器可以在轉(zhuǎn)矩為零與轉(zhuǎn)矩最大時(shí)輸出值兩者比值((a1-a2)/(A1-A2)×100)(%)的基礎(chǔ)上，就磁滯值進(jìn)行比較。在靈敏度方面可以在檢測(cè)輸出值增值(△mV)與所加轉(zhuǎn)矩增值(△kgf·m)兩者比值(△mV/△kgf·m)的基礎(chǔ)上對(duì)此兩轉(zhuǎn)矩傳感器進(jìn)行比較。
圖5所示轉(zhuǎn)矩傳感器a的磁滯為0.7%，檢測(cè)靈敏度為37(mV/kgf·m)，而圖6所示轉(zhuǎn)矩傳感器a′的磁滯為3.5%，檢測(cè)靈敏度為18(mV/kgf·m)。換言之，與傳感器a′相比較(轉(zhuǎn)矩傳感器a′除沒有細(xì)小凹痕2外，其結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)矩傳感器a相同)，轉(zhuǎn)矩傳感器a(在軸表面上磁致伸縮段A內(nèi)具有細(xì)小凹痕2)在磁滯和靈敏度方面都有較大的改進(jìn)，即磁滯約低至1/5，靈敏度高達(dá)兩倍。
圖7所示為用轉(zhuǎn)矩傳感器a和a′所得試驗(yàn)結(jié)果和用其它轉(zhuǎn)矩傳感器b至d和b′至d′在磁滯(%)和檢測(cè)負(fù)靈敏度(mV/kgf·m)方面所得試驗(yàn)結(jié)果。在圖7上，參考字母a至d和a′至d′表示用于檢測(cè)的各轉(zhuǎn)矩傳感器。從O指向O的箭頭表示對(duì)同種旋轉(zhuǎn)軸來說由于細(xì)小凹痕的存在所引起轉(zhuǎn)矩檢測(cè)磁滯和靈敏度變化的方向。各點(diǎn)所表示的磁滯值(%)為b-1.2%(b′-21%);c-1.8%(c′-9.2%);d-2%(d′-10.8%)。對(duì)各轉(zhuǎn)矩傳感器來說由于細(xì)小凹痕的存在磁滯顯著地下降了(對(duì)傳感器a、c和d來說下降至約1/5或更低，對(duì)傳感器b來說下降至1/20);對(duì)傳感器a、b、c、d來說磁滯值為2%或更低。檢測(cè)靈敏度的變化方向隨旋轉(zhuǎn)軸的材料而不同，但在所有情況下，由于細(xì)小凹痕2的存在都有改善。
在圖1所示旋轉(zhuǎn)軸的情況下當(dāng)轉(zhuǎn)矩加在旋轉(zhuǎn)軸1上時(shí)，受有轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生應(yīng)力的預(yù)定區(qū)A具有“應(yīng)力所產(chǎn)生的磁性異向性”，而在施加轉(zhuǎn)矩之前旋轉(zhuǎn)軸1具有磁性無向性。在施加轉(zhuǎn)矩之后，由轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的主要為拉應(yīng)力的方向，即相對(duì)于旋轉(zhuǎn)軸1軸線作45°角傾斜的方向成為易磁化的軸線方向。反之，垂直于易磁化軸線的方向，即主要為壓應(yīng)力的方向成為難磁化軸線方向。因此，在拉應(yīng)力作用下磁化集中在易磁化軸線方向上，而在難磁化軸線方向上幾乎沒有磁化，因而顯示磁性異向性。
在此情況下，如圖8所示，激磁和磁導(dǎo)率變化的檢測(cè)是用具有激磁線圈12的激磁磁頭和具有檢測(cè)線圈14的檢測(cè)磁頭進(jìn)行的，激磁線圈12繞在開式磁路型鐵蕊11上，檢測(cè)線圈14繞在開式磁路型鐵蕊13上。在圖8中，數(shù)字15表示高頻激磁電源，數(shù)字16表示同步整流器。
權(quán)利要求
1.一種磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其中，將一激磁磁場(chǎng)加在一旋轉(zhuǎn)軸預(yù)定區(qū)表面上的磁性異向區(qū)上，從而以電的量值無接觸檢測(cè)出由加在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的磁性異向區(qū)內(nèi)磁導(dǎo)率的變化。其特征為設(shè)法在旋轉(zhuǎn)軸表面上具有磁性異向區(qū)的預(yù)定區(qū)域內(nèi)形成細(xì)小凹痕所產(chǎn)生的剩余壓應(yīng)力保持區(qū)，并使其基本上均勻地分布在這一區(qū)域內(nèi)。
2.權(quán)利要求1所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為磁性異向區(qū)由許多沿圓周形成彼此隔開且相互平行的螺旋槽構(gòu)成。
3.權(quán)利要求1所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為在一固定地套裝在旋轉(zhuǎn)軸外面的套筒周圍形成一磁性異向區(qū)。
4.權(quán)利要求1所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為磁性異向區(qū)就是由作用在旋轉(zhuǎn)軸上的應(yīng)力所形成的具有磁性異向性的旋轉(zhuǎn)軸表面本身。
5.權(quán)利要求1～4所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為通過噴丸處理形成細(xì)小凹痕。
6.權(quán)利要求1～4所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為采用壓花工具通過滾壓方法形成細(xì)小凹痕，在壓花工具表面上具有許多細(xì)小突起，用以壓向旋轉(zhuǎn)軸表面。
7.權(quán)利要求1～4所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為各細(xì)小凹痕的直徑約為0.1～1mm。
8.權(quán)利要求1～4所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為細(xì)小凹痕在旋轉(zhuǎn)軸表面預(yù)定區(qū)培內(nèi)所占面積以不少于此區(qū)域面積的70%為宜，最好不少于90%。
9.權(quán)利要求1～4所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為各細(xì)小凹痕的深度不大于0.1mm。
10.權(quán)利要求1～4所述磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征為在通過滾壓方法在旋轉(zhuǎn)軸表面上形成細(xì)小凹痕的同時(shí)，在旋轉(zhuǎn)軸的表面上形成一層冷作硬化層。
11.一種以電的量值無接觸檢測(cè)磁導(dǎo)率變化的儀器，在將應(yīng)力加在測(cè)量體上時(shí)引起測(cè)量體上磁導(dǎo)率的變化，其特征為設(shè)法在測(cè)量體的表面上形成細(xì)小凹痕和由細(xì)小凹痕產(chǎn)生的剩余壓應(yīng)力保持區(qū)，并使其大體上均勻地分布在這一區(qū)域內(nèi)。
全文摘要
一種磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器，用以在使軸表面上產(chǎn)生磁導(dǎo)率變化的基礎(chǔ)上以電的量值無接觸檢測(cè)加在旋轉(zhuǎn)軸上的轉(zhuǎn)矩。設(shè)法在旋轉(zhuǎn)軸表面上形成很小凹痕所造成剩余壓應(yīng)力的保持區(qū)。根據(jù)這種處置，在旋轉(zhuǎn)軸上加上激磁磁場(chǎng)和轉(zhuǎn)矩所產(chǎn)生的磁化過程包含有由磁疇壁的位移所造成的低磁化，但主要是可逆磁旋，因而減小了磁化過程中的磁滯。較小的磁滯導(dǎo)致轉(zhuǎn)矩檢測(cè)中的低磁滯和高靈敏度，從而取得轉(zhuǎn)矩檢測(cè)的高精度。
文檔編號(hào)G01R33/12GK1045178SQ8910424
公開日1990年9月5日 申請(qǐng)日期1989年6月21日 優(yōu)先權(quán)日1989年2月22日
發(fā)明者石野連信郎, 吉村茂夫, 柴田良雄 申請(qǐng)人:久保田鐵工株式會(huì)社