專利名稱：磁彈性扭矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本實(shí)用新型為一種磁彈性扭矩傳感器，涉及一種利用軟磁材料磁致伸縮效應(yīng)，以非接觸方式測(cè)量扭矩的傳感器，屬于扭矩測(cè)量技術(shù)領(lǐng)域。本實(shí)用新型可廣泛應(yīng)用于測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩。
目前的磁彈性扭矩傳感器，利用軟磁材料的磁致伸縮作用來測(cè)定扭矩，它主要由激磁線圈、檢測(cè)線圈和扭矩傳動(dòng)軸組成這類傳感器能實(shí)現(xiàn)非接觸方式測(cè)量，對(duì)原動(dòng)力傳遞無不利影響。如日本專利昭61-42180中所提出的一種磁彈性扭矩傳感器即屬此類，但它存在兩個(gè)問題，(1)它在傳動(dòng)軸上只粘貼一組作為應(yīng)力敏感元件的軟磁合金薄帶，檢測(cè)線圈也只有一組，當(dāng)扭矩為零時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)不為零。零位特性差，系統(tǒng)誤差大，二次儀表較復(fù)雜；(2)為了避免軸體材料本身的磁性對(duì)于測(cè)量的影響，它在軟磁合金薄帶與軸體之間粘貼了一層鋁片，起磁屏蔽作用，但粘貼工藝較復(fù)雜，難以保證粘貼質(zhì)量及系統(tǒng)的同心度，影響了測(cè)量精度。另外，在中國專利CN2033899U中，針對(duì)日本專利存在的問題作出了一些改進(jìn)，如在傳動(dòng)軸上粘貼有兩條軟磁合金薄帶，相應(yīng)地設(shè)置了兩組檢測(cè)線圈并反向串接，當(dāng)扭矩為零時(shí)，傳感器的輸出信號(hào)為零，改善了零位輸出特性；還改用在軸表面焊接一層銅以屏蔽軸材本身磁性的影響，簡(jiǎn)化了制作工藝，保證了制作質(zhì)量，傳感器的性能有了較大的改善，但仍然沒有完全解決軸體本身磁性及外界電磁場(chǎng)干擾對(duì)精度的影響等問題。
為此，本實(shí)用新型提供了一種新型的磁彈性扭矩傳感器。該傳感器的扭矩傳動(dòng)軸用無磁高強(qiáng)度合金材料制作，并在傳動(dòng)軸上粘貼有四組軟磁合金薄帶，其中除兩組用于扭矩測(cè)量之外，增加了兩組用于誤差補(bǔ)償，對(duì)應(yīng)地設(shè)置有四組激磁線圈、兩組檢測(cè)線圈及兩組補(bǔ)償線圈。同時(shí)，在線圈的外層設(shè)置由高導(dǎo)磁材料制成的兩層U型屏蔽罩。該傳感器的結(jié)構(gòu)能有效地消除溫度的影響及外界電磁場(chǎng)干擾等因素所造成的測(cè)量誤差，并具有良好的屏蔽效果，能提高其抗干擾能力。
本實(shí)用新型的磁彈性扭矩傳感器是以如下方式完成的本傳感器的傳動(dòng)軸由無磁高強(qiáng)度合金材料制成，完全避免了由于軸體本身磁性所引起的干擾。在傳動(dòng)軸上粘貼有四組軟磁合金薄帶，中間兩組薄帶用于扭矩檢測(cè)，它由數(shù)目相同的單個(gè)棱形薄片間隔均勻地沿與軸垂直平面對(duì)稱且分別與之呈±45°角的方向粘貼，外邊兩組軟磁合金薄帶用于誤差補(bǔ)償，它由兩條整體薄片沿圓周環(huán)形粘貼。在粘貼上述軟磁合金薄帶的傳動(dòng)軸外圍同心地設(shè)置有四組激磁線圈、兩組檢測(cè)線圈及兩組補(bǔ)償線圈，線圈與傳動(dòng)軸之間留有間隙、四組激磁線圈分別對(duì)應(yīng)各組薄帶且正向串接，在激勵(lì)源的作用下，在扭矩傳動(dòng)軸的表面區(qū)域內(nèi)建立恒定的交變磁場(chǎng)。兩組檢測(cè)線圈與中間兩組檢測(cè)薄帶相對(duì)應(yīng)并反向串接，當(dāng)扭矩傳動(dòng)軸所受的扭矩為零時(shí)，檢測(cè)線圈的輸出為零，當(dāng)傳動(dòng)軸承受扭矩時(shí)，兩組檢測(cè)薄帶分別承受拉、壓應(yīng)力，其導(dǎo)磁率增加或減小，兩組檢測(cè)線圈感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)不相等，差動(dòng)輸出一個(gè)正比于扭矩的檢測(cè)信號(hào)。兩組補(bǔ)償線圈與外邊兩組補(bǔ)償薄帶相對(duì)應(yīng)，也反向串接，由于薄帶沿圓周方向粘貼時(shí)，在扭矩作用下，其磁導(dǎo)率的變化很小，線圈輸出信號(hào)的靈敏度很低，但在溫度和外界電磁場(chǎng)干擾等因素作用下呈現(xiàn)出與薄帶人字型對(duì)稱粘貼時(shí)相同的特性，所以它輸出一個(gè)主要與溫度、外界電磁場(chǎng)干擾有關(guān)的補(bǔ)償信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)和補(bǔ)償信號(hào)分別送入測(cè)量?jī)x表，經(jīng)過整流、濾波，變成直流信號(hào)，再經(jīng)過差分放大，進(jìn)行二次差動(dòng)，補(bǔ)償信號(hào)能抵消檢測(cè)信號(hào)中因溫度的影響、外界電磁場(chǎng)干擾等因素所引起的誤差部分，從而祈禱補(bǔ)償作用，提高測(cè)量精度。另外，在線圈骨架的外圍設(shè)置有兩層U型屏蔽罩，屏蔽罩由軟磁材料構(gòu)成，具有良好的屏蔽效果，提高了抗干擾能力，它與粘貼在軸上的軟磁合金薄帶一起，構(gòu)成導(dǎo)磁回路，減少了傳感器內(nèi)部磁通的對(duì)外泄漏，改善了傳感器的測(cè)量精度。
以下結(jié)合附圖，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步的描述。


圖1是本實(shí)用新型的原理示意圖。
圖2是本實(shí)用新型信號(hào)處理的原理框圖。
圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例的一種結(jié)構(gòu)圖。
參照?qǐng)D1、圖2，本實(shí)用新型為了避免扭矩傳動(dòng)軸軸體本身磁性所引起的干擾，以無磁高強(qiáng)度合金材料制作扭矩傳動(dòng)軸1，在傳動(dòng)軸1上粘貼有四組軟磁合金薄帶2、2、3、3′，中間兩組薄帶2、2′用于扭矩測(cè)量，它用數(shù)目相同的單個(gè)棱形薄片間隔均勻地沿與軸垂直平面對(duì)稱且分別與其呈±45°角的方向粘貼，外邊兩組薄帶3、3′用于誤差補(bǔ)償，它用兩條整體薄片沿圓周環(huán)形粘貼。在扭矩傳動(dòng)軸粘貼有軟磁合金薄帶的外圍，同心地設(shè)置有四組激磁線圈5，兩組檢測(cè)線圈6、6′以及兩組補(bǔ)償線圈7、7′，線圈與傳動(dòng)軸之間留有間隙。四組激磁線圈5分別與四組軟磁合金薄帶相對(duì)應(yīng)，并正向串接，在激勵(lì)源8的作用下，在扭矩傳動(dòng)軸1的表面區(qū)域內(nèi)建立穩(wěn)定的較變磁場(chǎng)，保證傳感器的正常工作。檢測(cè)線圈6、6′與中間兩條薄帶2、2′相對(duì)應(yīng)，并反向串接，通過檢測(cè)薄帶2、2′導(dǎo)磁率的變化，輸出一個(gè)正比于扭矩的檢測(cè)信號(hào)。當(dāng)傳動(dòng)軸1所承受的扭矩為零時(shí)，薄帶2、2′的導(dǎo)磁率相等，檢測(cè)線圈6、6′中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，反向串接后輸出為零，保證了零位輸出特性。當(dāng)傳動(dòng)軸承受圖1所示的扭矩M時(shí)，薄帶2在長度方向上承受拉應(yīng)力。薄帶2′在長度方向上承受壓應(yīng)力。軟磁合金薄帶在沿±45°角粘貼的長度方向上具有預(yù)感生磁各向異性，磁導(dǎo)率在承受拉應(yīng)力的方向上增加，在承受壓應(yīng)力的方向上減少。相應(yīng)地，與薄帶2對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線圈6和激磁線圈之間的互感量增加，線圈6中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加，與薄帶2′對(duì)應(yīng)的檢測(cè)線圈6′和激磁線圈之間的互感量減小，線圈6′中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，所以、線圈6與6′反向串接后，差動(dòng)輸出一個(gè)正比于扭矩的檢測(cè)信號(hào)。補(bǔ)償線圈7、7′與外邊兩條薄帶3、3′相對(duì)應(yīng)，也反向串接，薄帶沿圓周方向粘貼時(shí)，其長度方向的預(yù)感生磁各向異性很小，在扭矩作用下線圈靈敏度很低，但在溫度及外界電磁場(chǎng)干擾等因素作用下呈現(xiàn)出與人字型對(duì)稱粘貼時(shí)相同的特性，所以在實(shí)際測(cè)量過程中，它輸出一個(gè)主要和溫度的影響及外界電磁場(chǎng)的干擾等因素有關(guān)的補(bǔ)償信號(hào)。因此，從傳感器輸出的信號(hào)包括兩組，一組是從檢測(cè)線圈6、6′輸出的檢測(cè)信號(hào)，另一組是從補(bǔ)償線圈7、7′輸出的補(bǔ)償信號(hào)。從圖2可以看出，這兩組信號(hào)首先分別經(jīng)過整流、低通濾波，變成直流信號(hào)，然后再經(jīng)過差分放大器，進(jìn)行差動(dòng)輸出，補(bǔ)償信號(hào)能抵消檢測(cè)信號(hào)中因溫度的影響、外界電磁場(chǎng)的干擾等因素所引起的誤差部分，提高了傳感器的測(cè)量精度及抗干擾能力。
參照?qǐng)D3。在以無磁高強(qiáng)度合金材料制成的扭矩傳動(dòng)軸1上，粘貼有四組軟磁合金薄帶2、2′、3、3′，其中，薄帶2、2′用于扭矩測(cè)量，薄帶3、3′用于誤差補(bǔ)償，薄帶的粘貼方式均如前所述，各組薄帶之間間隔1至3mm，軟磁合金為由Co-Si-B系構(gòu)成的非晶態(tài)合金，在粘貼有上述軟磁合金薄帶的傳動(dòng)軸外圍，同心地設(shè)置有一線圈骨架4，其中開有四個(gè)槽，分別對(duì)應(yīng)于各組薄帶，在每個(gè)槽上先繞制激磁線圈5，四組激磁線圈5正向串接激勵(lì)源8的作用下，在傳動(dòng)軸的表面建立穩(wěn)定的交變磁場(chǎng)。然后，在與薄帶2、2′相對(duì)應(yīng)的中間兩個(gè)槽內(nèi)繞制檢測(cè)線圈6、6′，檢測(cè)線圈6、6′反向串接，它輸出一個(gè)正比于扭矩的檢測(cè)信號(hào)。在與薄帶3、3′相對(duì)應(yīng)的外邊兩個(gè)槽內(nèi)繞制補(bǔ)償線圈7、7′，也反向串接，它輸出一個(gè)主要由溫度的影響，外界電磁場(chǎng)干擾等因素所引起的補(bǔ)償信號(hào)。檢測(cè)信號(hào)和補(bǔ)償信號(hào)分別送入測(cè)量?jī)x表，先經(jīng)過整流，濾波變成直流信號(hào)，然后再差分放大，經(jīng)過二次差動(dòng)，補(bǔ)償信號(hào)抵消了檢測(cè)信號(hào)中因溫度的影響、外界電磁場(chǎng)干擾等因素所引起的誤差部分，提高了傳感器的測(cè)量精度及抗干擾能力。線圈與傳動(dòng)軸之間留有0.5-1mm的間隙。
在線圈骨架4的外圍還設(shè)置了兩層U型屏蔽罩9、10，將線圈圍在中間。屏蔽罩均由軟磁材料構(gòu)成，兩層屏蔽之間以非金屬材料11分割，屏蔽層具有雙層屏蔽作用，具有良好的屏蔽效果，提高了傳感器的抗干擾能力。屏蔽罩9、10和粘貼在軸上的薄帶2、2′3、3′一起構(gòu)成導(dǎo)磁回路，減少了傳感器內(nèi)部的磁通泄漏，改善了傳感器的測(cè)量精度。
本實(shí)用新型的優(yōu)點(diǎn)在于，
以無磁高強(qiáng)度合金材料制作扭矩傳動(dòng)軸，完全克服軸體材料本身磁性的干擾。除有用于扭矩檢測(cè)的兩組軟磁合金薄帶及檢測(cè)線圈以外，還增設(shè)了用于誤差補(bǔ)償?shù)膬山M軟磁合金薄帶及補(bǔ)償線圈，補(bǔ)償線圈能有效地抵消檢測(cè)線圈中因溫度的影響及外界電磁場(chǎng)干擾所引起的誤差部分，提高傳感器的測(cè)量精度及抗干擾能力。另外，在線圈骨架的外圍設(shè)置了由軟磁材料制成的雙層U型屏蔽罩，具有良好的屏蔽效果，提高了傳感器的抗干擾能力，減少了傳感器內(nèi)部磁通的對(duì)外泄漏，改善了傳感器的測(cè)量精度。與CN2033899專利中的傳感器相比精度可提高4-5倍，前者測(cè)量精度為1％左右，而本實(shí)用新型可達(dá)到0.2％。
本實(shí)用新型的磁彈性扭矩傳感器能廣泛地應(yīng)用于測(cè)量?jī)?nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)等各種動(dòng)力機(jī)的輸出扭矩，以及各種動(dòng)力傳遞系統(tǒng)所承受的扭矩。
權(quán)利要求1.一個(gè)含有扭矩傳動(dòng)軸、軟磁合金薄帶、激磁線圈、檢測(cè)線圈的磁彈性扭矩傳感器，其特征在于在扭矩傳動(dòng)軸1上粘貼有四組軟磁合進(jìn)薄帶(2)、(2′)、(3)、(3′)，其中，薄帶(2)、(2′)位于中間，用于扭矩測(cè)量，它由數(shù)目相同的單個(gè)棱形薄片間隔均勻地沿與軸垂直平面對(duì)稱并分別與之呈±45°角的方向粘貼；薄帶(3)、(3′)位于兩側(cè)，它由整體薄片沿圓周方向環(huán)形粘貼。在粘貼有上述軟磁合金薄帶的傳動(dòng)軸外圍，同心地安置有四組激磁線圈(5)，二組檢測(cè)線圈(6)、(6′)，二組補(bǔ)償線圈(7)、(7′)，線圈和傳動(dòng)軸之間留有間隙。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征在于，扭矩傳動(dòng)軸(1)由無磁高強(qiáng)度合金材料制成。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征在于，在線圈骨架(4)的外圍安置有雙層由軟磁材料制成的U型屏蔽罩(9)、(10)，雙層之間以非金屬材料(11)分隔。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征在于，所采用的軟磁合金薄帶為Co-Si-B系構(gòu)成的非晶態(tài)合金薄帶。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征在于，所采用的軟磁合金薄帶為Co-Si-B系構(gòu)成的非晶態(tài)合金薄帶。
專利摘要本實(shí)用新型公開了一種新型磁彈性扭矩傳感器。本實(shí)用新型所采用的扭矩傳動(dòng)軸以無磁高強(qiáng)度合金材料制成。在傳動(dòng)軸上粘貼有四組軟磁合金薄帶，其中兩組用于扭矩檢測(cè)，兩組用于誤差補(bǔ)償，對(duì)應(yīng)地設(shè)置有四組激磁線圈，二組檢測(cè)線圈及二組補(bǔ)償線圈，補(bǔ)償線圈能抵消測(cè)量線圈中因溫度的影響、外界電磁場(chǎng)干擾所引起的測(cè)量誤差，提高傳感器的測(cè)量精度和抗干擾能力，在線圈骨架的外圍設(shè)置了由高導(dǎo)磁材料制成的雙層U型屏蔽罩，具有良好的屏蔽效果，提高了傳感器的抗干擾能力，改善了傳感器的性能。
文檔編號(hào)G01L3/02GK2058485SQ8921726
公開日1990年6月20日 申請(qǐng)日期1989年9月28日 優(yōu)先權(quán)日1989年9月28日
發(fā)明者阮利民, 鄭波, 郭岱巍, 包偉倫 申請(qǐng)人:冶金部第一地質(zhì)勘探公司探礦技術(shù)研究所