用于非接触式检测转矩、扭转固有频率和/或扭转振动的装置和方法制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种用于非接触式检测轴(10)的转矩和/或扭转固有频率和/或扭转振动的装置(14)和方法。所述轴(10)包含铁磁材料。朝向轴壁(12)的测量头(16)包括将磁场耦合到所述轴(10)中的激励线圈(22)。测量头(16)还包括多个测量线圈(24、26、28、30)，其测量从轴(10)中出来的磁场。

Device and method for non-contact detection of torque, torsional natural frequency and / or torsional vibration

The present invention relates to a device (14) and a method for non-contact detection of torque and/or torsional natural frequencies and/or torsional vibration of a shaft (10). The shaft (10) comprises an ferromagnetic material. The measuring head (16) facing the shaft wall (12) includes an excitation coil (22) coupling the magnetic field to the shaft (10). The measuring head (16) also includes a plurality of measuring coils (24, 26, 28, 30), which measure the magnetic field coming out of the shaft (10).

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】用于非接触式检测转矩、扭转固有频率和/或扭转振动的装置和方法本专利技术涉及一种感应传感器，其适用于非接触式测量转矩、扭转固有频率和扭转振动。本专利技术还涉及一种用于非接触式检测轴——无论是空心轴还是实心材料轴——上的转矩、扭转固有频率和扭转振动的方法，所述轴由铁磁材料制成或包含具有铁磁特性的材料。对于非接触式转矩检测，特别是在铁磁材料的情况下，可以使用各向异性磁致伸缩效应。在这种情况下，利用以下事实：在这些材料中，磁导率在拉伸和压缩方向上不同——例如在扭转载荷的情况下。通过非接触式传感器，可以测量这些差异，这些差异在宽的测量范围内与表面应力或对轴施加应力的转矩成正比地变化。本专利技术的目的是提供一种装置，利用该装置可以检测施加到轴上并且所述轴可因此而受到机械应力的转矩，所述轴例如在混合器、搅拌器、桨式干燥器等中。根据本专利技术，提供了一种用于非接触式检测轴上的转矩、扭转固有频率和扭转振动的装置，所述轴由具有铁磁特性的材料制成或包含这种材料。朝向该轴的轴壁的测量头包括将磁场耦合到轴中的激励线圈，所述测量头还包括多个测量线圈，其测量通过轴壁而从轴中出来的磁场。除了非接触式测量的优点之外，本专利技术的解决方案还提供其他优点，即通过这样的装置获得测量信号，所述测量信号与轴材料的表面应力以及轴的转矩在相对较宽的测量范围内成正比。选择磁场的频率和强度，使得获得的测量信号在大的频率范围内线性变化，并且实际上大多数已知的铁磁材料未达到磁饱和。频率为约80kHz至120kHz，例如100kHz。有利地，本专利技术提供的装置包括测量头，所述测量头包括多个测量线圈。在一个特别优选的实施方案中，测量头包括四个测量线圈，它们分别相对于彼此对称地布置。优选地，所述多个测量线圈可以相对于彼此以与轴的主轴线成45°的角度定位。其上设置有所述激励线圈和所述多个测量线圈的测量头布置在距轴的轴壁一定距离处。该距离——其称为气隙——位于0.5mm和1mm之间，优选为约0.75mm。所述距离相对于优选值0.75mm和+/-0.25mm的偏离仅不显著地影响测量。在本专利技术提供的装置的有利的可能实施方案中，测量头由PEEK制成。本专利技术提供的装置的测量头中的激励线圈以50kHz至150kHz、优选75kHz至125kHz、特别优选约100kHz的激励频率工作。这使得可以独立于轴的旋转频率检测转矩的快速动态变化。特别有利的是装置在由轴的纵轴线和装置的旋转对称配置的壳体的纵轴线跨越的平面中的水平安装位置。以这样的安装位置，可以实现最佳的测量结果。为了将传感器精确地固定在相对于轴的轴壁的所述距离处，无论所述轴配置为空心轴还是如果其为实心材料轴，装置的壳体可以被第一传感器支架包围。第一传感器支架特别是由分开配置的半壳形成并且包围传感器的壳体。此外，还可以例如通过配置为角板的第二传感器支架将传感器固定在壳体上或测量头的根部上，并且确保测量头和其中所含的线圈与轴的轴壁之间的距离在进行非接触式检测时保持不变。为了获得尽可能最佳的测量结果，包含在测量头中的所有线圈相对于轴的轴壁的距离是相等的。包含在测量头中的线圈产生电压，其下限对应于约10牛顿/mm2的轴的最小扭转载荷所产生的电压。关于在测量头中央处包含的激励线圈，布置在圆柱形配置的测量头中的所有测量线圈相对于激励线圈处于相同的径向距离处。测量头本身相对于要测量扭转应力的轴的轴壁位于约几毫米的较短距离处，优选在0.75mm的距离处。优选地，布置在测量头的圆周上的激励线圈和测量线圈都嵌入塑料材料，例如PEEK中。测量头具有圆柱形外观和约20mm的直径。本专利技术还涉及一种利用本专利技术的装置非接触式检测轴的转矩和/或扭转固有频率和/或扭转振动的方法，该装置的激励线圈将磁场耦合到轴中，多个测量线圈测量从轴中出来的磁场，并且测量在测量线圈处的所有电压之和。检测到的转矩的方向可以根据多个测量线圈的各个测量线圈之间的电压差的符号来确定。通过本专利技术提供的方法，在轴的轴壁中测量与作用在轴上的转矩成正比的表面应力。在这种情况下，可以对优选具有至少35mm的直径的轴进行转矩检测。根据本专利技术提供的方法，特别地，将包含80kHz至100kHz的频率范围(例如100kHz)的磁场耦合到轴中，在所述频率范围内，就频率和磁场强度而言可以产生线性测量信号。作为输出信号，本专利技术提供的装置输送大约4mA至20mA的电流，将该电流转换成转矩值。用于非接触式检测转矩、扭转固有频率和扭转振动的装置的激励线圈的供电电压优选为24V。为了校准装置，通过本专利技术提供的装置进行转矩的非接触式检测。为此，对于每个轴，单独对该装置以及相关软件进行校准，为此目的在两个已知载荷点处进行定点测量。校准质量显著影响所获得的测量质量。本专利技术提供的装置可以用于确定扭转固有频率和所述扭转振动而不进行这种校准。利用本专利技术提供的装置，测量铁磁驱动轴——作为举例——的表面应力，其与单个转矩成正比。所得到的装置的测量信号受所使用的轴材料的磁特性以及磁致伸缩或现有材料不均匀性的数量级的影响。即使在材料不均匀性较大的情况下，对于导致表面应力大于10牛顿/mm2的载荷，通过仔细校准仍可以获得良好的测量结果。下面将借助附图更详细地描述本专利技术，其中：图1示出了装置的定位，图2示出了线圈在测量头上的定位，图3示出了装置的电连接，图4示出了装置和调节元件的后侧，图5至7示出了装置的校准，图8和9示出了第一传感器支架，以及图10示出了第二传感器支架的可能实施方案。图1的图示揭示本专利技术提供的装置的定位，特别是在传感器的配置中。轴10——其制造为实心材料轴或空心轴——具有轴壁12。在水平方向18上与轴壁相对地存在本专利技术提供的装置14，其优选配置为传感器。关于其纵轴线，传感器14位于由传感器14的壳体17的纵轴线和轴10的垂直于附图的平面的纵轴线所跨越的平面内。传感器14的优选安装位置20在图1的图示中示出。在传感器14的壳体17上，在前端处，具有测量头16，测量头16定位在距轴10的轴壁12一定距离处——其将在下文更详细讨论。图2示出了线圈在根据图1的示意图的传感器的测量头上的位置。图2揭示在测量头16上具有激励线圈22，其大约在测量头的中心处。激励线圈22以50kHz至150kHz、优选75kHz至125kHz、特别优选大约100kHz的激励频率进行激励。这使得可以独立于轴10的旋转频率而检测转矩的快速动态变化。选择通过激励线圈22耦合到轴10中的磁场，使得测量信号在大的频率范围为线性的，并且大多数已知的具有铁磁特性的材料没有达到磁饱和；特别地，频率范围在80kHz和120kHz之间，例如可以选择100kHz的频率。根据图2中的图示，将大约为24V的输入电压32Uin施加到激励线圈。围绕测量头16——其优选由诸如PEEK的材料制成——的圆周，具有多个测量线圈24、26、28、30。测量线圈24、26、28、30输送输出电压34Uout(参照图3的图示)。从图2的图示可以看出，测量线圈——在该示例性实施方案中有四个——相对于彼此对称地布置。在图2中，测量线圈24、26、28、30分别相对于轴10的主轴线相对于彼此以45°的角取向36定位。优选地，根据图1的图示的测量头16和位于其上的线圈，即激励线圈22和多个测量线圈24、2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于非接触式检测轴(10)的转矩和/或扭转固有频率和/或扭转振动的装置(14)，所述轴(10)包含铁磁材料，其中朝向所述轴(10)的轴壁(12)的测量头(16)包括将磁场耦合到所述轴(10)中的激励线圈(22)，并且所述测量头(16)包括多个测量线圈(24、26、28、30)，其测量从轴(10)中出来的磁场。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.03 EP 15192697.91.一种用于非接触式检测轴(10)的转矩和/或扭转固有频率和/或扭转振动的装置(14)，所述轴(10)包含铁磁材料，其中朝向所述轴(10)的轴壁(12)的测量头(16)包括将磁场耦合到所述轴(10)中的激励线圈(22)，并且所述测量头(16)包括多个测量线圈(24、26、28、30)，其测量从轴(10)中出来的磁场。2.根据权利要求1所述的装置(14)，其中所述测量线圈(24、26、28、30)相对于彼此对称地布置。3.根据权利要求2所述的装置(14)，其中所述测量线圈(24、26、28、30)相对于轴(10)的主轴线以45°的角度布置。4.根据权利要求1所述的装置(14)，其中测量头(16)布置在距轴壁(12)一定距离(68)处。5.根据权利要求4所述的装置(14)，其中所述距离(68)位于0.5mm和1mm之间，优选为0.75mm。6.根据前述权利要求中任一项所述的装置(14)，其中所述测量头(16)由PEEK制成。7.根据前述权利要求中任一项所述的装置(14)，其中激励线圈(22)的激励频率在50kHz和150kHz之间，优选在75kHz和125kHz之间，特别优选为约100kHz。8.根据前述权利要求中任一项所述的装置(14)，其中所述装置(14)的安装位置(20)位于由所述轴(10)的纵轴线和所述装置(10)的壳体(17)的纵轴线跨越的平面中。9.根据前述权利要求中任一项所述的装置(14)，其中所述装置(14)的壳体(...

【专利技术属性】
技术研发人员：O·斯蒂芬，R·舒曼，T·卡特南，
申请(专利权)人：巴斯夫欧洲公司，
类型：发明
国别省市：德国,DE