逆磁致伸缩扭矩传感器制造技术

一种逆磁致伸缩扭矩传感器，包括轴通式和附装式两种型式。它使用非晶态软磁合金薄带作为敏感元件粘贴在轴表面，其外侧装有插指型测量头，其上套有激磁和测量两对线圈，利用敏感元件的逆磁致伸缩效应检测扭矩的大小和方向，克服了现有传感器尺寸大、零位输出高、磁场闭合程度差等缺点，可用于静止或旋转状态的扭矩检测，并可一机多用，外接计算机可以提供扭矩、转速、转向功率、瞬时值、平均值和极大值等参数。（*该技术在1999年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本技术属于一种逆磁致伸缩扭矩传感器，可应用于静止或旋转状态的扭矩检测。本技术提供了两种结构型式轴通式和附装式。前者与被测量轴串联进行扭矩检测；后者以非接触的方式安装在被测轴外侧进行测试。现有的实用化的轴通式扭矩传感器从信号传递形式上分为两大类，一类是接触测量，二类是非接触测量。接触测量是利用应变片检测出被测轴的应变电信号，通过滑动导电环引出信号，其主要缺点是在测旋转轴扭矩时，导电环的磨损，限制了这类传感器的应用。第二类非接触测量方式扭矩传感器，又可分为扭转角测量和逆磁致伸缩测量两种。其中扭转角测量传感器通常把传感器的轴做得比较长，比较细以提高灵敏度，缺点是体积大，重量大，使用安全系数低。近几年发展起来的逆磁致伸缩扭矩传感器，是利用逆磁致伸缩效应进行检测的，但一般铁磁性轴磁致伸缩系数λS小，λS＝10－6频率特性低，所以传感器的灵敏度低，体积和重量较大。例如一般测量扭矩范围为20Kgm的扭矩传感器重量在(10＋n)～n×10Kg(1＜n＜10)。最近有件公告号CN2033899U的专利，公开了一种新型逆磁致伸缩扭矩传感器，如附图说明图1所示，它利用非晶态软磁合金片(5)(λS＝10～100×10－6)作为敏感材料粘贴在测量轴(6)上。线圈是套在测量轴上的，内径很大，图中(4)表示激磁线圈，(1)、(2)表示测量线圈的两支路，(3)是公共端。磁通沿轴向分布，由于轴的截面积远大于合金片的截平面，大部分磁通无法闭合，造成零位输出高而灵敏度低，通常达到零位输出比有用信号高2个数量级，造成信号检出困难，由于磁路长，易受到干扰造成读数不稳定。此外不同直径的轴就有不同直径的线圈和不同大小的磁性罩，敏感材料在轴上的“人”字型粘法工艺复杂，提高了整机成本。在有些场合，例如轧钢机、船舶螺旋桨主轴、大型工程机械等设备的扭矩监测，不适于通常的轴通式扭矩传感器。而附装式扭矩传感器国内尚无定型产品，国外产品可参看《计测技术》87增刊号。这种传感器是利用被测传动轴受扭后，轴表面各方向导磁率发生改变来检测扭矩，即利用逆磁致伸缩效应。由于一般轴用铁磁性材料的磁致伸缩系数λS很小一般在λS＝10－6左右，而且由于轴材的热处理及成份偏析，导致轴表面λS不均匀。传动轴在运转时，杂散磁场易被测量头拾取，造成输出干扰，轴的材料对测量也有较大影响。另外其测量头采用双门型磁芯，磁场闭合程度差，致使磁场分布复杂，外漏磁场大，经常出现电气零位与机械零位不一致，若成批生产，产品性能一致性差，它的零位输出(无扭矩时的信号输出)较大，通常超过信号1～2个数量级，不利信号检出。为避免干扰，必须采用非铁磁性外壳。本技术的目的是要提供一种克服了现有扭矩传感器缺陷的磁路较短，抗干扰能力较强，外漏磁场很少，传感器性能不受轴材影响，体积小，重量轻，过载能力较强的并可一机多用的逆磁伸缩扭矩传感器。为克服现有扭矩传感器的缺点，本技术采用的技术方案是用一条非晶态软磁合金薄带粘贴在轴通式扭矩传感器传动轴的外圆上或附装式扭矩传感器的被测轴外圆上，合金薄带与轴线垂直，在合金薄带外侧安装一个插指型测量头，其底部为闭合型，一对激磁磁极和一对测量磁极正对合金薄带并对称分布，磁极上套有线圈，通过加在线圈中的电流建立磁场，如图2所示，A、B为激磁线圈，C、D为测量线圈，RAC、RAD、RBD、RBC表示磁阻，由于对称，磁桥路平衡，四个等效磁阻相等，测量线圈C、D上电势相等，差值为零，当传动轴施有扭矩时，引起合金带上拉压应力，从而导致在磁桥路中相对的两组磁阻中，一组增加，一组减少，使测量线圈C、D上电势产生差值、其大小体现所加扭矩的大小，其方向指示了扭矩的方向。本技术采用的方案，磁路短，抗干扰能力强，轴中的磁场大为减小，传感器性能不受轴材影响。另外插指形铁氧体测量头底部为闭合型，有利于磁桥平衡，从而使测量头具有较小的零位输出(零位输出值仅为扭矩信号值的数倍)有利于信号检出。再者外漏磁场很少，外壳可由多种材料制造，不必考虑磁屏蔽。采用这种结构，便于制造，对材料无特殊要求，体积小，重量轻(测量扭矩100Kgm以下的传感器重量都在10Kg以下)过载能力强(200％)，一机多用，外接计算机可以提供扭矩、转速、转向、功率等参数以及瞬时值和平均值、极大值等。附图1是已有的扭矩传感器结构原理图；附图2是本技术的工作原理图；附图3是本技术实施例－－轴通式逆磁致伸缩扭矩传感器结构图；附图4是本技术实施例－－附装式逆磁致伸缩扭矩传感器结构图。下面结合两个实施例对本技术作进一步说明一、轴通式逆磁致伸缩扭矩传感器如图3所示，在扭矩传感器的传动轴(1)上，垂直于轴线，沿圆周粘贴一条非晶态软磁合金薄带(2)，其材料是Co－Si－B系，在合金薄带外侧装有一只或多只插指型测量头(5)，其底部为碗式的闭合磁路，也可采用环状和片状。测量头的材料是铁氧体。正对合金薄带对称分布一对激磁磁极(3)和一对测量磁极(4)，磁极上套有线圈，测量头固定在外壳(6)内壁，外壳与传动轴(1)通过轴承(7)支承保证了测量头与合金带的间隙均匀。在测量头相邻磁极间加装调节磁芯(8)，对磁路平衡起微调作用，以补偿制造误差。外壳上固定有光电开关(9)，轴上装有挡光板(10)可作为转速传感器和扭矩定角度取样时的选通信号。为了进一步改善角度均匀性，可在外壳内设置多只测量头，进行适当联接，可提高信号输出幅度而不必改变总输出线头数。二、附装式逆磁致伸缩扭矩传感器如图4所示，在被测轴(1)的表面与轴向成90度粘贴一段或一周非晶态软磁合金薄带(2)作为敏感元件，其外侧设置一插指型测量头(3)，由铁氧体制成，有四个磁极，均正对合金带，并保持均匀间隙，磁极上套有线圈(4)、(5)，在激磁极的一对线圈(5)中加激磁信号，建立磁场，其外磁路是主要在合金带中形成，包括四个等效磁阻RAD、RBC、RAC、RBD(见图2)，当被测轴不受扭矩时，四个磁阻相等，磁桥路平衡，测量极间的磁势差为零，测量线圈的感应电势相等，当轴受扭矩作用时，轴表面产生扭转形变，反映在合金薄带上不同方向上产生压缩应力和拉伸应力(图2)，引起导磁率改变，改变四个等效磁阻值，进而使测量线圈电势一个增加，一个减少，当扭矩方向改变时，电势增减趋势相反。通过电势差值的大小反映了扭矩的大小，差值的方向反映了扭矩的方向。本技术使用的Co－Si－B系非晶态合金的磁致伸缩系数为λS＝10～100×10－6，比通常轴用铁磁性材料的λS＝10－6大2～3个数量级。同时合金带的磁导率也远大于普通铁磁性材料，不受轴材的磁特性影响从而扩大了适用范围。这种非晶态合金可以工作在5～50KHZ，使传感器的体积做得很小，现已制成了几十克重的传感器。另外测量头底部为闭合磁体，磁阻小，漏磁场小，成批生产性能一致性好。由于磁路对称性好，不加扭矩的零位输出很低，与扭矩信号在一个数量极内，有利于信号检出。其外壳(6)也可由多种材料制造(铁磁及非铁磁均可)，为了补偿尺寸偏差造成的磁路少量不平衡在相邻线圈间设置调节螺纹磁芯(7)，对磁场分布进行少量调节。使机械零位与电气零位完全重合。当用于超粗轴时，还可采用沿轴外圆不同角度安装数只传感器，对信号进行综合处理，既可提高取样频率，又可以提高可靠性，均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种逆磁致伸缩扭矩传感器，包括轴通式和附装式两种型式，使用非晶态软磁合金作为敏感元件，用两组线圈分别进行激磁和检测，其特征在于，它的非晶态软磁合金敏感元件是做成薄带形，并粘贴在：ａ、轴通式逆磁致伸缩扭矩传感器的传动轴上，ｂ、附装式逆 磁致伸缩扭矩传感器的被侧轴上；在所说的非晶态软磁合金薄带外侧装有插指型测量头，一对激磁磁极和一对测量磁极，磁极上套有线圈，并正对着合金薄带呈对称分布，在相邻线圈之间装有补偿磁路平衡的微调螺纹磁芯。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：王荣，蔡德源，
申请(专利权)人：中科东方工程师事务所，
类型：实用新型
国别省市：11[中国|北京]