專(zhuān)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)明與一個(gè)基于磁致伸縮原理的轉(zhuǎn)矩傳感器有關(guān)，更具體地說(shuō)，當(dāng)一個(gè)改進(jìn)的磁致伸縮傳感器有關(guān)，它較當(dāng)今技術(shù)水平的傳感器更簡(jiǎn)單，更精確、更經(jīng)濟(jì)并更適于批量生產(chǎn)和應(yīng)用。
工程師和科學(xué)家們探索一種簡(jiǎn)單的、可靠的、準(zhǔn)確的測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)矩的方法經(jīng)歷了一個(gè)多世紀(jì)。這種轉(zhuǎn)矩測(cè)量裝置的應(yīng)用包括對(duì)大量的不同型式的諸如汽車(chē)、船只和飛機(jī)的引擎的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)機(jī)械，各種型式的電動(dòng)機(jī)和發(fā)電機(jī)、鉆油井機(jī)、旋轉(zhuǎn)加工工具，電力驅(qū)動(dòng)、機(jī)器人等的診斷、預(yù)測(cè)和負(fù)載水準(zhǔn)的監(jiān)示。
而且，由引擎(或發(fā)電機(jī))所產(chǎn)生的功率的測(cè)量在軸的轉(zhuǎn)矩和旋轉(zhuǎn)速度都不知道的情況下不能進(jìn)行。所以至目前為止還沒(méi)有現(xiàn)成的簡(jiǎn)單地、精確地、可靠地確定旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)器件的在線功率的裝置。在許多當(dāng)代技術(shù)領(lǐng)域這已證明是一個(gè)懸而未決的問(wèn)題。然而，在力圖發(fā)展提高燃料效率并使引擎性能最佳化的近代汽車(chē)引擎控制系統(tǒng)方面這是一個(gè)特別困難的問(wèn)題。
到目前為止，已發(fā)展了幾種方法來(lái)測(cè)量旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)矩(見(jiàn)下面)，但設(shè)有一種是理想的，就是說(shuō)，沒(méi)有一種現(xiàn)在所了解的簡(jiǎn)單的方法能提供下列的所要求的全部特性1.無(wú)接觸(無(wú)集流環(huán))2.可靠(低失效率)
3.準(zhǔn)確4.小而不引人注目(幾乎不需要軸/引擎的修改)5.花費(fèi)少6.可用于高速和低速情況。
7.瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩測(cè)量(即不是在幾個(gè)旋轉(zhuǎn)周期上的平均轉(zhuǎn)矩)8.適合于批量生產(chǎn)(不僅限于特殊的測(cè)試裝置)。
目前有四種不同的方法直接在旋轉(zhuǎn)軸上測(cè)量轉(zhuǎn)矩1.軸的扭轉(zhuǎn)角測(cè)量2.應(yīng)變儀傳感器3.反作用力測(cè)量4.磁致伸縮傳感器扭轉(zhuǎn)角方法包括測(cè)量軸的扭轉(zhuǎn)角。并利用軸的材料特性和尺寸的大小把該角同轉(zhuǎn)矩聯(lián)系起來(lái)。它需要復(fù)雜、笨重的機(jī)械，效率低、校準(zhǔn)困難，并且需要沿著軸的不同位置。它總是要求徹底的引擎修改，一個(gè)花費(fèi)昂貴的試嘗。
應(yīng)變儀方法需要把應(yīng)變儀接合到軸表面上并把應(yīng)變測(cè)量轉(zhuǎn)換成轉(zhuǎn)矩。它僅限于低速情況，不適于批生產(chǎn)，壽命短，并需要象匯流環(huán)和電刷之類(lèi)的裝置把信號(hào)從軸上取下。
反作用力測(cè)量把牛頓第二定律用于旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的給出引擎支架的力和運(yùn)動(dòng)同軸轉(zhuǎn)矩之間的關(guān)系。該方法必須利用一個(gè)大的結(jié)構(gòu)，靈敏度低，對(duì)生產(chǎn)操作不方便，并且測(cè)量的是驅(qū)動(dòng)線的轉(zhuǎn)矩而不是引擎的轉(zhuǎn)矩。
磁致伸縮傳感器利用了鐵磁材料磁致伸縮特性的優(yōu)點(diǎn)，拉應(yīng)力使一給定的該材料所載的磁感應(yīng)場(chǎng)(即“B”場(chǎng))增加(壓應(yīng)力使其減小)。繞在鐵心上圈數(shù)的合適的線圈安置在靠近軸附近，通過(guò)該導(dǎo)線的電流在旋轉(zhuǎn)軸中感應(yīng)出磁場(chǎng)。在如美國(guó)專(zhuān)利2，912，642和4，589，290中所描述的磁致伸縮傳感器的設(shè)計(jì)中，繞在第二個(gè)鐵心上的適宜圈數(shù)的第二個(gè)線圈也設(shè)置在靠近該軸并用于測(cè)量的加轉(zhuǎn)矩產(chǎn)生的表面應(yīng)力的增加引起的感應(yīng)(“B”場(chǎng))的變化。
磁致伸縮方法較其他三種方法有幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)1.非接觸無(wú)匯流環(huán)2.不限于低速度3.直接測(cè)量引擎轉(zhuǎn)矩4.高的靈敏度5.經(jīng)濟(jì)6.結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，不需應(yīng)變儀，無(wú)須大設(shè)備7.僅需軸上任何地方一個(gè)位置，不需多少引擎的修改。
8.經(jīng)久可靠沒(méi)有運(yùn)動(dòng)部件引起機(jī)械損壞，抗引擎環(huán)境的高壓和高溫9.易于小型化可以做得不引入注目然而，到目前為止，磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器還存在幾個(gè)主要問(wèn)題使它沒(méi)能成為該領(lǐng)域中的標(biāo)準(zhǔn)器具，它們是1.即使在固定轉(zhuǎn)矩的情況下，信號(hào)的輸出也隨RPM(每分鐘的轉(zhuǎn)數(shù))而變化。
2.輸出信號(hào)隨溫度而變化3.寄生信號(hào)在一個(gè)機(jī)械周(軸轉(zhuǎn)一周)內(nèi)的變化使不可能精確瞬時(shí)的測(cè)量轉(zhuǎn)矩，測(cè)量幾周內(nèi)的平均值是可能的。
4.用于解決上述1至3問(wèn)題的在美國(guó)專(zhuān)利4，589，2904，697，459和SAE(美國(guó)汽車(chē)工程師學(xué)會(huì))的文章＃870472中所描述的校正方法還沒(méi)能把這些不精確性降低到可以接受的水平。
5.到此為止所研究的全部校正方法都含有復(fù)雜而昂貴的電子線路和/或附加的對(duì)于溫度和RPM(每分鐘轉(zhuǎn)數(shù))的傳感器。
6.另外，所有這些校正方法都受各自軸的材料和特性的細(xì)微變化的影響，如剩余應(yīng)力、軸中磁特性的少許各向異性、軸的公差/不同軸、軸的彎曲應(yīng)力等。所以，這些方法對(duì)每個(gè)特定的軸都要做具體的修正因而不適于批生產(chǎn)。
7.還有，這種校正方法在該軸整個(gè)服用期間要反復(fù)校正，因?yàn)槭Ｓ鄳?yīng)力值、公差、不同軸性、彎曲應(yīng)力、甚至磁性性的合向異性特性都是隨時(shí)間變化的(特別是在象汽車(chē)引擎這樣的高溫環(huán)境中)反復(fù)校正象汽車(chē)引擎這樣的機(jī)械是這樣地困難以致使這種校正方法很不實(shí)際。
在磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器發(fā)明的幾個(gè)總的目標(biāo)和較先前技術(shù)的幾個(gè)優(yōu)點(diǎn)是相當(dāng)大地改善了精度，達(dá)到了可以接受的水平之內(nèi)，設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單降低了成本，適合于批生產(chǎn)以及連續(xù)使用的可行性。
這幾個(gè)總的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)是由下列幾個(gè)具體的目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)達(dá)到的1)消除信號(hào)對(duì)軸轉(zhuǎn)速的依賴關(guān)系2)消除信號(hào)對(duì)溫度的依賴關(guān)系3)消除由于軸磁特性的各向異性和剩余應(yīng)力引起的在軸轉(zhuǎn)動(dòng)的單個(gè)周內(nèi)的信號(hào)變化。
4)消除由于彎曲應(yīng)力、不同軸、和公差變化引起的信號(hào)變化5)由前述優(yōu)點(diǎn)3)和4)得到的轉(zhuǎn)矩的瞬時(shí)測(cè)量
6)消除信號(hào)對(duì)各個(gè)軸的特性的依賴關(guān)系因而適于批生產(chǎn)7)消除在軸的服用期內(nèi)反復(fù)校準(zhǔn)傳感器件的需要8)簡(jiǎn)單的、有效的信號(hào)處理電路和傳感器定位保證了上述1至7的優(yōu)點(diǎn)。
本發(fā)明的更一些目標(biāo)和優(yōu)點(diǎn)從本發(fā)明的附圖和隨后的說(shuō)明中會(huì)愈加清楚。
本磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器發(fā)明本質(zhì)上解決了與先前技術(shù)有關(guān)的全部問(wèn)題，它通過(guò)到目前為止未意識(shí)到的對(duì)作為以前實(shí)驗(yàn)結(jié)果的基礎(chǔ)的基本電機(jī)原理的深刻的理解并由此提出的出色的技術(shù)解決方案。
在先前技術(shù)中流過(guò)電流的導(dǎo)線線圈在靠近該線圈的鐵磁體軸中產(chǎn)生一個(gè)主(primary)磁感應(yīng)場(chǎng)(B場(chǎng))。如果軸不運(yùn)動(dòng)，導(dǎo)線中的恒幅交流電流會(huì)在軸中產(chǎn)生一恒幅磁通量，磁通量的幅度當(dāng)軸材料的導(dǎo)磁率有關(guān)。當(dāng)轉(zhuǎn)矩加到軸上時(shí)，該軸經(jīng)受扭轉(zhuǎn)應(yīng)力。由于磁致伸縮現(xiàn)象，在與主磁場(chǎng)方向成一個(gè)角度的方向上產(chǎn)生次(secondary)磁感應(yīng)場(chǎng)，其幅度與加到軸上的轉(zhuǎn)矩大小有關(guān)。次磁通量可由靠近該軸設(shè)置并對(duì)準(zhǔn)磁場(chǎng)方向的線圈通過(guò)法拉弟定律得到，即測(cè)量次線圈兩端的電壓。所以，次線圈兩端的電壓是轉(zhuǎn)矩的直接提示。如果主場(chǎng)磁通能夠保持不變，該方法是準(zhǔn)確的。
然而，如果軸在旋轉(zhuǎn)，并沿其周長(zhǎng)方向?qū)Т怕视芯植孔兓?實(shí)際上全部軸都是這樣)，這樣軸的磁通量幅度不是常數(shù)，而是隨軸的旋轉(zhuǎn)而變化。
不同導(dǎo)磁率的不同的軸也產(chǎn)生不同的主磁通量，使在次線圈兩端的電壓也不同，所以妨礙了這種傳感器在批生產(chǎn)中的應(yīng)用。
在本發(fā)明中，這個(gè)問(wèn)題解決了，它利用一輔助線圈(即第三個(gè)線圈)，根據(jù)法拉弟定律測(cè)量主磁通。從輔助線圈來(lái)的信號(hào)這樣地反饋到主線圈的電源，而使得保持輔助線圈電壓幅度變?yōu)槌?shù)，這樣也就保持了主磁通量的幅度為常數(shù)，而不管使用單幾軸或使用不同的軸由于其旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的軸的導(dǎo)磁率的變化。因此，表示第二個(gè)電壓輸出信號(hào)的轉(zhuǎn)矩將與軸的轉(zhuǎn)速和軸的材料構(gòu)成無(wú)關(guān)。
本發(fā)明的第二個(gè)具體實(shí)現(xiàn)裝置把次線圈電壓除以隨助線圈電壓以得到一個(gè)具有類(lèi)似的完整性的信號(hào)。次線圈電壓是隨RPM(每周轉(zhuǎn)數(shù))、軸材料和轉(zhuǎn)矩而變化，而輔助線圈電壓隨RPM和軸材料而變化，但不隨轉(zhuǎn)矩而變化。所以，經(jīng)過(guò)相除以后的所得信號(hào)中消除了寄生信號(hào)分量，并且該結(jié)果信號(hào)是轉(zhuǎn)矩的精確的指示。
第三個(gè)具體實(shí)現(xiàn)裝置是利用第一至第四具體實(shí)現(xiàn)裝置的任何一個(gè)的兩個(gè)或更多的磁致伸縮傳感器，把這些傳感器極策略地繞軸配置，這樣以致組合由各傳感器所得的信號(hào)產(chǎn)生的合成信號(hào)免除了由于軸的彎曲或不同軸引起的誤差信號(hào)分量。
本發(fā)明以其不同的具體實(shí)現(xiàn)方法和裝置、優(yōu)良地、完全令人滿意地解決了在“先前技術(shù)說(shuō)明”那節(jié)所討論的與先前技術(shù)有關(guān)聯(lián)的每一問(wèn)題。


圖1A和1B表示在經(jīng)受所加轉(zhuǎn)矩的軸內(nèi)感應(yīng)磁場(chǎng)B的特性。圖1A表示所加轉(zhuǎn)矩為零時(shí)的情況，圖1B表示為所加轉(zhuǎn)矩不為零的情況。
圖2A和圖2B表示磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器先前技術(shù)的結(jié)構(gòu)。圖1A表示主、次線圈/缺心的物理配置，圖2B表示信號(hào)處理電路方塊圖。
圖3是由SAE論文＃870472復(fù)制的，表明在一個(gè)機(jī)械周內(nèi)當(dāng)轉(zhuǎn)矩為常數(shù)時(shí)輸出信號(hào)中的信號(hào)變化，這是典型的先前技術(shù)的圖形。
圖4也是從SAE論文＃870472中復(fù)制的，它表示輸出信號(hào)隨轉(zhuǎn)速的變化，這也是在先前技術(shù)中出現(xiàn)的。
表示本發(fā)明的5A是信號(hào)處理器方塊圖，它表示本發(fā)明的第一種具體實(shí)現(xiàn)裝置的一種變化。圖5B表示第一種具體實(shí)現(xiàn)裝置的第二種變化。
圖6A是信號(hào)處理器方塊圖，它表示本發(fā)明的第二種具體實(shí)現(xiàn)的一種變化。圖5B表示第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置的第二種變化。
圖7是本發(fā)明的第三種具體實(shí)現(xiàn)裝置，它由多個(gè)合理配置的磁致伸縮傳感器組成，使每個(gè)傳感器所產(chǎn)生的電壓的和信號(hào)消除了由于不同軸和彎曲應(yīng)力產(chǎn)生信號(hào)。
圖中數(shù)字代號(hào)含義20旋轉(zhuǎn)軸30主鐵心32主線圈34次(拾取)鐵心36次(拾取)線圈38測(cè)量次線圈輸出的電壓表40振蕩器42功率放大器44電流表46低通濾波器
48輔助線圈(在主鐵心上)50輔助線圈電壓表52第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置的輔助線圈(在主鐵心上)54第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置的輔助線圈電壓表56信號(hào)相除66A磁致伸縮傳感器A66B磁致伸縮傳感器B，在軸的相對(duì)的一側(cè)68A傳感器A(代號(hào)66A)和軸(代號(hào)20)之間的空氣間隙68B傳感器B(代號(hào)68B)和軸(代號(hào)20)之間的空氣間隙70C彎曲壓縮應(yīng)力70t彎曲拉應(yīng)力圖1A和圖1B表示當(dāng)轉(zhuǎn)矩加到軸20時(shí)對(duì)感應(yīng)磁場(chǎng)(也稱為磁感應(yīng))B的影響。圖1A是加到軸20上的轉(zhuǎn)矩為零的情況，這時(shí)磁感應(yīng)B的方向指向繞其園周。磁感應(yīng)B也可以用兩個(gè)與園周方向完成45°角的分量Bx和By表示。
圖1B表示當(dāng)轉(zhuǎn)矩加上時(shí)磁感應(yīng)B的變化。轉(zhuǎn)矩在磁感應(yīng)分量Bx方向產(chǎn)生拉應(yīng)力δt，在磁感應(yīng)分量By的方向產(chǎn)生壓應(yīng)力。據(jù)磁致伸縮原理，磁感應(yīng)分量Bx幅度上增加到Bx′;磁感應(yīng)分量BBy幅度減小到By′。然后兩個(gè)磁感應(yīng)分量矢量相加得到在加轉(zhuǎn)矩B′時(shí)的磁感應(yīng)B′。磁感應(yīng)B′與原來(lái)磁感應(yīng)B之間構(gòu)成一夾角δ，并可用另兩個(gè)分量B′circ和B′axial表示，B′circ為沿園周方向的分量，Baxial為沿軸向的分量，所以B′circ＝B′cosδB′axial＝B′Sinδ角δ實(shí)際上是相當(dāng)小的，所以B′circ≈B′≈BB′axial≈B′δ≈BδB′axial的幅度隨所加的轉(zhuǎn)矩的增加而增加，當(dāng)轉(zhuǎn)矩為零時(shí)，它也為零。
圖2A和2B繪出產(chǎn)生磁感應(yīng)B和測(cè)出軸向磁感應(yīng)B′axial的構(gòu)成圖。圖2A表示通過(guò)典型交流電流的主線圈32，它繞在U型主鐵磁心30上，其上線圈在園周方向與軸20對(duì)準(zhǔn)，鐵心的兩端的形狀和配置保證使鐵心30和軸20之間的存在一固定的空氣間隙。主線圈32中的電流引起磁通經(jīng)過(guò)主鐵心30跨過(guò)空氣間隙以類(lèi)似于圖1A和1B的方式經(jīng)過(guò)軸20的表面。
次線圈36是典型的開(kāi)路電路，繞在U形次鐵心上，該鐵心與軸20的軸向?qū)?zhǔn)，其兩端的形狀及安置使在第二鐵心34和軸20之間有一固定寬度的空氣間隙。當(dāng)電流通過(guò)主線圈32時(shí)，轉(zhuǎn)矩加到軸上使軸向磁感應(yīng)B′axial產(chǎn)生并使磁通通過(guò)次鐵心34。這樣，據(jù)法拉弟定律在線圈36上產(chǎn)生電壓并由電壓表38測(cè)出。所以轉(zhuǎn)矩為零，該電壓也為零，隨著轉(zhuǎn)矩的增加，該電壓也增加，所以該電壓是所加轉(zhuǎn)矩的直接度量。
理想化方法的局限性圖3是從SAE文章＃870427的復(fù)制品，它表明了軸20的每單個(gè)轉(zhuǎn)期(機(jī)械周期)之內(nèi)由電壓表38測(cè)得的寄生輸出信號(hào)的變化。
這一現(xiàn)象是由于導(dǎo)磁率和圍繞軸的周長(zhǎng)方向剩余應(yīng)力的局部變化。軸的材料在無(wú)論是磁特性方向還是在剩余應(yīng)力的程度和分布上都不完全是各向同性的。當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，這些非均勻性借助于傳感器進(jìn)行傳遞并改變通過(guò)傳感器線圈的磁道量，其結(jié)果是輸出電壓中有一個(gè)和轉(zhuǎn)矩?zé)o關(guān)的變化。
這種寄生的略帶周期的信號(hào)的變化的第二個(gè)原因是傳感器和軸之間空氣間隙厚度的變化，這是由于ⅰ)軸線不重合和/或ⅱ)軸的彎曲應(yīng)力。因?yàn)榇磐ㄒ埠驮撻g隙厚度有關(guān)，如果該間隙厚度變化那么輸出電壓也變化。
對(duì)這問(wèn)題的標(biāo)準(zhǔn)的解決辦法是用一個(gè)低通濾波器消除頻率高于軸的轉(zhuǎn)期(一個(gè)機(jī)械周)的頻率的全部信號(hào)變化。不幸的是，這就給該裝置帶入一時(shí)間常數(shù)，它把測(cè)量帶寬限制到約為機(jī)械頻率的 1/2 ，使不能測(cè)量較在幾個(gè)機(jī)械周期之內(nèi)發(fā)生變化更快的轉(zhuǎn)矩變化。結(jié)果的信號(hào)是一個(gè)平均的而不是瞬時(shí)的轉(zhuǎn)矩測(cè)量，所以只限于穩(wěn)態(tài)和慢過(guò)渡的運(yùn)行。
圖4也是一從SAE文章＃870472摘的復(fù)制曲線，它表明了在先前技術(shù)中遇到的第二個(gè)問(wèn)題，一輸出信號(hào)隨RPM的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩保持為常數(shù)而增加軸20的轉(zhuǎn)動(dòng)速度時(shí)，輸出信號(hào)增加。這是不希望的，因?yàn)槔硐氲男盘?hào)應(yīng)該只反映轉(zhuǎn)矩的變化。到目前所用的一般解決方法是監(jiān)示RPM并把電壓表38所測(cè)信號(hào)輸出根據(jù)軸速進(jìn)行校準(zhǔn)，這也是不完全成功的，只消除了某些但不是全部誤差。再者，由于引入了附加測(cè)量和裝置，它使該設(shè)備復(fù)雜。
在先前技術(shù)中第三個(gè)問(wèn)題是對(duì)溫度的依賴關(guān)系。當(dāng)軸的溫度變化時(shí)(這是在汽車(chē)和許多其他引擎中的共有現(xiàn)象)，甚至為其它全部常數(shù)保持不變時(shí)輸出信號(hào)也變。不必懷疑，這大部分是由于ⅰ)溫度引起軸/傳感器材料的導(dǎo)磁率變化，ⅱ)伴生的公差變化影響傳感器和軸之間空氣間隙尺寸，和ⅲ)在傳感器中所用的導(dǎo)線10電阻率的變化，對(duì)比先前技術(shù)的典型解決方法是從熱電偶引入一反饋來(lái)進(jìn)一步校準(zhǔn)輸出信號(hào)。正如在SAE文章＃870472中所講述的這也只是獲得某些而不是全部的成功。這可能是由于在引擎內(nèi)不同的漸變溫度場(chǎng)對(duì)傳感器和軸有不同影響，雖然在某一給定的點(diǎn)的溫度可能相同(即熱電偶安裝點(diǎn))。
信號(hào)的不穩(wěn)定性或隨時(shí)間漂移是另一個(gè)問(wèn)題。在測(cè)試中，SEA的文章＃870472的研究者發(fā)現(xiàn)，每天必須重新給零轉(zhuǎn)矩輸出信號(hào)“定零”(nullout”)總之，先前技術(shù)中磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感器的幾個(gè)缺點(diǎn)是a)在一個(gè)機(jī)械周期中信號(hào)變化使不能進(jìn)行精確的瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩測(cè)量。
必須用幾個(gè)周期的平均值，其原因是?。敬判圆牧咸匦缘木植侩S機(jī)變化ⅱ＞空氣間隙的正弦變化，這是由于-軸的不同心-軸內(nèi)彎曲應(yīng)力b)信號(hào)漂移逐日不同c)輸出隨RPM變化d)輸出隨溫度變化先前技術(shù)局限的分析法拉弟電磁定律為V＝-N (dφ)/(dt) ＝-NA (dB)/(dt) (Ⅰ)其中φ是磁通量，A是線圈橫截面積。
利用線圈/鐵心的電感定義Nφ＝Li(Ⅱ)其中N為繞組圈數(shù)，i為線圈中電流。
所以，法拉弟定律可以改寫(xiě)為V＝- (d(Li))/(dt) ＝-L (di)/(dt) -i (dl)/(dt) (Ⅲ)在實(shí)際的全部電路的應(yīng)用中，L是常數(shù)，在(Ⅲ)式中的右端最后第二項(xiàng)沒(méi)出現(xiàn)。然而在當(dāng)前情況下，不能消除這第二項(xiàng)，如下所述這第二項(xiàng)正是圖4所示的輸出信號(hào)與PRM有關(guān)這一現(xiàn)象的原因。
電感L取決于軸的導(dǎo)磁率μFe，而導(dǎo)磁率在周長(zhǎng)方向不同位置稍有變化。這種變化既可能是由于?。静牧项w粒結(jié)構(gòu)，構(gòu)成等的自然變化，又可能由于ⅱ＞由于加工、成形等引起的軸表面上的殘存應(yīng)力。(它通過(guò)磁致伸縮改變?chǔ)蘁e)。所以，當(dāng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，傳感器“看到”了一個(gè)變化著的其磁通必須通過(guò)的電感。所以，L的時(shí)間導(dǎo)數(shù)不為零，上面式(Ⅲ)中右端最后一項(xiàng)變得重要了，也即它為輸出做了貢獻(xiàn)。而且，因?yàn)闀r(shí)間導(dǎo)數(shù)反映了L的變化率，RPM增加時(shí)該時(shí)間導(dǎo)致大小也增大。所以，(Ⅲ)式中右端第二項(xiàng)的RMS(均勻根值)值也隨軸的轉(zhuǎn)速而增加，而第一項(xiàng)的RMS值不變。
正是第二項(xiàng)造成了到目前尚未被解釋的信號(hào)輸出隨軸的RPM變化。另外，如前所述，第二項(xiàng)也部分地造成了如圖3所示的軸轉(zhuǎn)一周之內(nèi)信號(hào)的不規(guī)則變化。
另外，也正是第二項(xiàng)使得每個(gè)軸對(duì)RPM有不同的依賴關(guān)系，因?yàn)槊總€(gè)軸的殘應(yīng)力和導(dǎo)磁率的局部變化是不同的，所以諸如到目前為止所用的力圖想用當(dāng)前反饋信號(hào)校準(zhǔn)來(lái)校正輸出信號(hào)的方法是不適合于批生產(chǎn)的。而且，隨著殘應(yīng)力的消失，隨著溫度和應(yīng)力的變化改變了局部導(dǎo)磁率的變化，對(duì)每個(gè)軸所要求的校準(zhǔn)也隨時(shí)間而變化。所以到目前所使用的校準(zhǔn)方法隨時(shí)間增加不準(zhǔn)確性而且需要不斷地重新校正。這在許多應(yīng)用中是不實(shí)際的，特別是對(duì)于汽車(chē)和其運(yùn)載器械的引擎。
結(jié)論導(dǎo)磁率的殘應(yīng)力的局部變化會(huì)導(dǎo)致a)在一個(gè)軸轉(zhuǎn)期內(nèi)信號(hào)的不規(guī)則性，必在幾個(gè)周期內(nèi)平均b)輸出信號(hào)隨RPM增加而增加。
目前所用的校準(zhǔn)方法對(duì)批生產(chǎn)是不適用的而且其不精確性隨時(shí)間不斷增加。
本發(fā)明的詳細(xì)說(shuō)明先前技術(shù)在機(jī)電學(xué)中保持了多年的習(xí)慣，那就是，它利用了電反饋環(huán)路使對(duì)主線圈32的輸入電流維持在一個(gè)固定的均方根值上。這樣做的目的是在于維持主線圈30的磁通φp在固定的均方根值上(參看(Ⅱ))，所做的假設(shè)是L，即電感維持不變。然而，在磁致伸縮傳感器的場(chǎng)合電感L不能保持不變，所以既使ip是不變的磁通量φp也是變化的，這就導(dǎo)致了前節(jié)所討論的寄生電壓輸出信號(hào)。本發(fā)明在幾個(gè)不同的具體實(shí)現(xiàn)裝置中包括有不同的方法來(lái)解決這些和另外一些與先前技術(shù)有關(guān)聯(lián)的問(wèn)題。
具體裝置1反矩維持φp均方根值不變圖5A給出的用作圖2A磁致伸縮轉(zhuǎn)矩傳感裝置的電路以代替圖2B的信號(hào)處理器，電壓表50測(cè)量任意圈數(shù)的一輔助線圈48的電壓，該線圈是附加到線罷32上并也繞到主鐵心30上。由法拉弟定律(Ⅰ)可知，電壓表50可以用來(lái)測(cè)量與鐵心30的磁通φp、主線圈32的磁通φp可以被監(jiān)示并用作功率放大器42的反饋，該功率放大器不斷地調(diào)整輸入電壓Vin使得φp而不是ip保持在一不變的均方根值上。保持電壓表50的電壓幅度不變(變化Vin)就保持了主磁通量φp的幅度不變。這樣，在軸周長(zhǎng)方向電感的局部變化就不會(huì)引起主磁通量φp的變化。這結(jié)果是一個(gè)與表面各向異性引起的不規(guī)則性無(wú)關(guān)的周長(zhǎng)方向磁感應(yīng)Bcirc和軸向磁感應(yīng)BBaxial。所示，輸出信號(hào)(電壓表38的)實(shí)質(zhì)上與RPM無(wú)關(guān)并較現(xiàn)有裝置遠(yuǎn)為精確。電壓表38的輸出信號(hào)在一個(gè)機(jī)械周內(nèi)也是相對(duì)不變的(在一個(gè)機(jī)械周內(nèi)轉(zhuǎn)矩不變時(shí))因而適合于有效地瞬時(shí)地檢測(cè)轉(zhuǎn)矩的變化。
在某情況下，在具體實(shí)現(xiàn)裝置可以變?yōu)楦鼮楹?jiǎn)單，如圖5B所示對(duì)電路參數(shù)的某些值，不必做從電壓表38的信號(hào)的反饋。由(Ⅰ)可知，主鐵心上的時(shí)變艘通意味著主線圈32上的壓降。主線圈32上也有內(nèi)阻，所以，驅(qū)動(dòng)電壓Vin必須等于主線圈32的時(shí)變磁通產(chǎn)生的感應(yīng)電壓-Vcoil加上主線圈電路內(nèi)阻上的壓降的總和。即是
Vin=-Vcoil+Rpip=Np(dφp)/(dt) +Rpip(Ⅳ)當(dāng)主線圈上的電阻Rp可以忽略時(shí)(當(dāng)利用超導(dǎo)材料或主線圈32上沒(méi)多少繞阻時(shí))，式(Ⅳ)的右側(cè)第二項(xiàng)可以假定為零。這時(shí)輸入電壓(Vin)等于與激蕩主磁通φp有關(guān)的主線圈電壓的負(fù)數(shù)-Vcoil。所以保持輸入電壓Vin(而不是輸入電流ip)在固定的幅度上就能保持主磁通幅度不變，而不必考慮軸的磁特性的任何不均勻性。
必須注意在任何一種具體實(shí)現(xiàn)裝置中主鐵心/線圈30/32可以軸向?qū)?zhǔn)而不是周長(zhǎng)方向?qū)?zhǔn)，對(duì)次鐵心/線圈34/36可以周長(zhǎng)方向?qū)?zhǔn)而不是軸向?qū)?zhǔn)。而且，盡管當(dāng)次、主鐵心/線圈34/36和30/32互相成成直角并當(dāng)一個(gè)線圈/鐵心軸向?qū)?zhǔn)時(shí)該裝置性能最佳，實(shí)際上可以彼此成任何角度，與軸線成任何角度。
圖上所繪輔助線圈48是繞在主鐵心32上并同主線圈32同心但是對(duì)第一種具體實(shí)現(xiàn)裝置的正常工作至關(guān)重要的是軸20的主磁通通路的磁通量要經(jīng)過(guò)輔助線圈48。所以輔助線圈48可以繞在內(nèi)部同主線圈一起繞、繞在主鐵上其他地方，而不是放在盡量靠近主線圈的地方;或只要能從線圈48獲取信號(hào)的任何地方;或即信號(hào)的功能可以被用來(lái)控制軸20的主磁通等。
第一種具體實(shí)現(xiàn)裝置包括許多具體技術(shù)要求，但第一種裝置不限于在這些具體要求范圍。第一種具體實(shí)現(xiàn)裝置主要是指保持主磁通實(shí)際上不變的一種方法，由此消除了由于材料的各向異性、溫度、軸速而引起的寄生信號(hào)分量。這可以利用在此敘述的輔助線圈來(lái)確定主磁通的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)，或用其他任何合適的方法如霍爾效應(yīng)敏感方法(但不限于此)來(lái)完成。另外，主磁通量可以由無(wú)源控制方法控制，包括(但不限于)在服從于保持主磁通實(shí)際不變的主線路中把諸如電容、電阻附加電路器件組合在一起的方法。所以第一種具體實(shí)現(xiàn)裝置含有保持主磁通實(shí)際不變并用確定次磁通監(jiān)示轉(zhuǎn)矩的任何方法。
具體裝置2用輸出電壓除以輸出信號(hào)圖6A和6B給出了本發(fā)明第二種具體實(shí)現(xiàn)的不同變化。在第二種具體實(shí)現(xiàn)中，先前技術(shù)的標(biāo)準(zhǔn)方法用于主電路，其中主電流ip的幅度保持不變。當(dāng)主電流ip的幅度保持不變時(shí)，導(dǎo)磁率μFe的局部變化反映在Bcirc和Baxial場(chǎng)中，由次線圈36來(lái)的輸出電壓取決于Baxial的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(參看式(Ⅰ))。
在圖6A中，繞在主鐵心上的輔助線圈52產(chǎn)生一個(gè)依賴于主磁場(chǎng)Bp的時(shí)間導(dǎo)數(shù)(即依賴于φp)的電壓信號(hào)(由電壓表54測(cè)得得)。兩個(gè)信號(hào)都體現(xiàn)有局部各向異性，但只有次輸出中含有由于轉(zhuǎn)矩感應(yīng)應(yīng)力引起的變化。利用信號(hào)除法器56把由第二線圈36產(chǎn)生的瞬時(shí)第三電壓除以由電壓表54測(cè)得的瞬時(shí)輔助線圈電壓得到由電壓表38測(cè)得的信號(hào)，它實(shí)質(zhì)上不隨各向異性產(chǎn)生的變化而變化。由電壓表38測(cè)得的信號(hào)仍然直接依賴于軸內(nèi)所加的應(yīng)力并且是瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩的一個(gè)好的度量。
在實(shí)際應(yīng)用中，不時(shí)能證明必須在電壓表54和信號(hào)除法器56之間加一個(gè)線路，它能把瞬時(shí)零信號(hào)值(由電壓表54測(cè)得)轉(zhuǎn)換成一個(gè)小的有限值以避免信號(hào)除法器56中的除以零。
在第一種具體實(shí)現(xiàn)中，在主線圈32中的電阻忽略時(shí)導(dǎo)致了第二種具體實(shí)現(xiàn)的簡(jiǎn)化，如圖6B所示。忽略主線圈32的電阻Rp，主線圈32的電壓本身可以用來(lái)除第二線圈36來(lái)的電壓，因而消除了在主鐵心上的輔助線圈52的需要。
在第一種具體實(shí)現(xiàn)中，主鐵心/線圈可以軸向?qū)?zhǔn)而不是周向，第二鐵心/線圈34/36可以周向?qū)?zhǔn)而不是軸向。而且盡管與次主鐵心/線圈34/36和30/32互相成直角并與一個(gè)鐵心/線圈軸向?qū)?zhǔn)時(shí)該裝置性能最佳，但事實(shí)上他們可以互相成任何角度，當(dāng)軸成任何角度。
畫(huà)出的輔助線圈是繞在主鐵心30上并與主線圈同心，但是對(duì)第二種具體裝置正常工作至關(guān)重要的是軸20的主磁通通路的上的磁通的主要部分通過(guò)輔助線圈52。所以，輔助線圈52可以繞在主線圈內(nèi)部、外部、一起繞或安在鐵心30的另外地方，而不是靠近主線圈32;或放在只要能從輔助線圈52上取下信號(hào)的什么地方或那個(gè)信號(hào)的功能可以用作信號(hào)除法器56的有意義的流入。
雖然圖6A和圖6B和上述討論涉及的是把由次線圈36得的信號(hào)除以或是由輔助線圈52產(chǎn)生的信號(hào)或除以主線圈32產(chǎn)生的信號(hào)的問(wèn)題，但第二種具體實(shí)施裝置同樣地涉及由輔助線圈52或主線圈32產(chǎn)生的信號(hào)除以由次線圈36產(chǎn)生的信號(hào)的問(wèn)題。而且，被用于相除的信號(hào)可以是瞬時(shí)值、均方根值、幅度或信號(hào)強(qiáng)度的其他指示。
第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置包括許多技術(shù)要求，但是第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置并不限于這些技術(shù)要求的范圍。第二種具體實(shí)現(xiàn)主要是消除由于材料的各向異性、溫度和軸速引起的寄生信號(hào)的方法，用的是兩個(gè)信號(hào)相除的方法，其中每個(gè)信號(hào)中都含有類(lèi)似的寄生信號(hào)分量，但其中只有一個(gè)含有與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的分量。這些信號(hào)可以如所述的方法獲得利用一個(gè)以上的線圈測(cè)量測(cè)通量大小，但本方法不僅限于應(yīng)用這樣的線圈。確定磁通的方法，如霍爾效應(yīng)傳感(但不限于此)也可以應(yīng)用。所以第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置包括如在所述的完成兩信號(hào)相除的任何方法，不管是否用線圈獲得信號(hào)。
伴隨解決RPM、溫度變化和漂移問(wèn)題。
線圈36的輸出電壓信號(hào)中的、材料不均勻引起的寄生效率分量直接與軸轉(zhuǎn)速有關(guān)。通過(guò)第一種或第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置，寄生頻率分量從由電壓表38測(cè)量的輸出信號(hào)從消去并且電壓表38的輸出信號(hào)對(duì)軸速的依賴也最小。降低到無(wú)足輕重的程度。
兩種具體實(shí)現(xiàn)裝置中對(duì)溫度的依賴也到達(dá)最小。在第一種具體實(shí)現(xiàn)中，由于同溫度有關(guān)前導(dǎo)磁率和機(jī)械公差的變化用保持主磁通φp幅度不變的方法而自動(dòng)地被補(bǔ)償了。另外，導(dǎo)線電阻率的熱變化也不會(huì)引起由電壓表38測(cè)得次電壓的不同，因?yàn)榇坞娐肥情_(kāi)路的。
在第二種具體實(shí)現(xiàn)中，兩進(jìn)入信號(hào)相除器56的電壓同樣地受溫度和公差變化的影響，所以，當(dāng)信號(hào)相除時(shí)，由溫度和公差引起的變化在由電壓表38測(cè)得的結(jié)果信號(hào)中被對(duì)消掉。
雖然由于在測(cè)量以前信號(hào)漂移總可以被校零消除，它不是一個(gè)嚴(yán)重的問(wèn)題，但是可以注意到這種漂移特別是在第二種具體實(shí)現(xiàn)中也被降低了。漂移以同樣的方式影響進(jìn)入除法器的兩個(gè)信號(hào)，所以當(dāng)它們相除時(shí)，漂移的影響達(dá)到最小。
第三種具體實(shí)現(xiàn)裝置多與傳感器解決不同軸、彎曲應(yīng)力問(wèn)題圖7給出了消除軸彎曲應(yīng)力和/或不同軸引起寄生輸出信號(hào)的一種改進(jìn)，而且可以用到任何一個(gè)具體實(shí)現(xiàn)裝置中。
電感L是與空氣間隙的尺寸有關(guān)的。對(duì)由于不同軸或軸彎曲引起的偏離中心線的軸的位移，電感L會(huì)改變，所以輸出信號(hào)會(huì)變化(甚至對(duì)前述幾個(gè)具體實(shí)現(xiàn)裝置也是這樣)另外，彎曲應(yīng)力會(huì)影響導(dǎo)磁率(以及磁致伸縮)進(jìn)而改變輸出。這兩個(gè)效應(yīng)都把引起誤差的分量提供給輸出信號(hào)，它們是正弦的，其周期等于軸轉(zhuǎn)一周的時(shí)間。
這個(gè)問(wèn)題可以用兩種方法改善1)把傳感器放置在在一端或主軸承上，這里不存在彎曲應(yīng)力而且不同軸達(dá)最小。(注意，雖然不特別聲明這里所述的是本發(fā)明的一部分但是本發(fā)明和這里所述的任何一種它的具體實(shí)現(xiàn)可以用在軸上的任何位置，包括端部和主軸承。讀者理解，特殊的位置不能要求做為專(zhuān)利權(quán)。)2)在軸的相對(duì)兩邊使用兩個(gè)傳感器66A和66B，如圖7所示，并把兩個(gè)(瞬時(shí))電壓信號(hào)VA和VB相加。雖然這種方法可以用在有任何大小轉(zhuǎn)矩的情形，但為了簡(jiǎn)單圖7所示的是加零轉(zhuǎn)矩的情況。
因?yàn)閮刹煌S和彎曲應(yīng)力信號(hào)畸變相位差180°，當(dāng)它們相加時(shí)互相抵消了，所以方法2是管用的。該方法還有把有效信號(hào)強(qiáng)度增加二倍的優(yōu)點(diǎn)(也即增加了靈敏度)當(dāng)兩傳感器處在軸的相對(duì)兩側(cè)時(shí)方法2的功能最佳。然而，兩個(gè)傳感器可以相互有任何角度關(guān)系只要對(duì)一個(gè)或兩個(gè)信號(hào)進(jìn)行合適的相位校準(zhǔn)以校正兩傳感器180°的角間距變化。而且，第三種具體實(shí)現(xiàn)與任何一種使兩傳感器角間隔盡量接近180°傳感器的配置有關(guān)。這樣以致于傳感器信號(hào)能不要移相直接相加以獲得足夠精確的信號(hào)。
雖然第三種具體實(shí)現(xiàn)裝置涉及簡(jiǎn)單的一對(duì)傳感器，但可以利用任何對(duì)傳感器、換句話說(shuō)，可以用多于兩個(gè)一組傳感器，其中從各個(gè)傳感器室的全部信號(hào)相加以得到不受不同軸和彎曲應(yīng)力引起的分量影響的合成信號(hào)。例如，由三個(gè)以120間距分開(kāi)的或非常接近120°的傳感器的信號(hào)可以直接相加。間距不是120°時(shí)，在相加以前必須做信號(hào)移相。
解決批生產(chǎn)和重復(fù)校準(zhǔn)問(wèn)題讀者會(huì)注意到，本發(fā)明用較先前技術(shù)的裝置更簡(jiǎn)單、更精巧、更有效的方法解決了RPM依賴、溫度依賴和非瞬時(shí)轉(zhuǎn)矩測(cè)量的問(wèn)題。同時(shí)，本發(fā)明要解決對(duì)批生產(chǎn)的不實(shí)用性和在軸的服用期間需要周期性重復(fù)校準(zhǔn)這兩難于對(duì)付的問(wèn)題。它所以做到這點(diǎn)是由于不同于先前技術(shù)，本發(fā)明的校準(zhǔn)方法與每個(gè)特定軸的特性(磁的、剩余應(yīng)力、公差和不同軸度)無(wú)關(guān)。例如，在第一種具體實(shí)現(xiàn)裝置中，主磁感應(yīng)B和次線圈電壓(由圖5A和5B中電壓表38測(cè)得的)都和軸特性無(wú)關(guān)，而不管這些特性可能是什么)用戶也自己不必關(guān)心對(duì)每個(gè)特定的軸確定RPM校正并使用它去校正輸出信號(hào)。當(dāng)軸的特性隨時(shí)間變化時(shí)也不必做重復(fù)標(biāo)準(zhǔn)，這是因?yàn)榈谝环N具體實(shí)現(xiàn)裝置自動(dòng)地把這些變化考慮進(jìn)去了，即它自動(dòng)地消除了寄生信號(hào)分量而不管這些寄生信的性質(zhì)和程度如何。
第二種具體實(shí)現(xiàn)裝置具有與第一種相同的優(yōu)點(diǎn)。進(jìn)入信號(hào)除法器56的兩信號(hào)都以同樣的方式受軸的特性的特性的影響，而不管在任一給定的軸中這些特性可能是什么。所以，電壓表38讀出的信號(hào)與軸與軸之間的變化或軸的特性隨時(shí)間變化無(wú)關(guān)。
第三種具體實(shí)現(xiàn)裝置也適合于批生產(chǎn)，這是因?yàn)樗耘c各個(gè)軸的彎曲或不同軸沒(méi)關(guān)系的方法解決了不同軸和彎曲應(yīng)力的問(wèn)題。不同軸和彎曲應(yīng)力的變化也自動(dòng)地考慮了。
較先前技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)現(xiàn)在可以認(rèn)為，本發(fā)明實(shí)際上用較先前任何技術(shù)完善得多、精確得多、簡(jiǎn)單得多、更經(jīng)濟(jì)、直接的方法解決了在“先前技術(shù)說(shuō)明”那節(jié)中敘述的當(dāng)前與確定旋轉(zhuǎn)著的軸中的轉(zhuǎn)矩的全部問(wèn)題。
雖然上述包括許多技術(shù)條件，但讀者不應(yīng)把這些作為本發(fā)明范圍的限制，而應(yīng)看作是所推薦的具體實(shí)現(xiàn)裝置的范例。訓(xùn)練有素者將會(huì)看到屬于本范圍的許多其他的可能性。例如，任何具體實(shí)現(xiàn)裝置可以為任何部件使用任何材料，包括超導(dǎo)材料，可以有任何尺寸和形狀?？諝忾g隙可以具有任何尺寸，甚至可以是非常數(shù)的或非均勻的間隙寬度。軸20可以是轉(zhuǎn)動(dòng)的或靜止的，可以由任何合適的材料、尺寸和形狀構(gòu)成。軸甚至不是園柱形并可以有幾個(gè)材料附在其上的條帶，這就增強(qiáng)了本發(fā)明的作用。這些條帶可以具有包括薄膜在內(nèi)的任何合適材料。而且軸或任何加在其上的附加可以處理成使隨機(jī)各向異性效應(yīng)最小。這些處理包括(不限于)振動(dòng)、表面所刻、滾花、研磨、機(jī)械或激光劃線、噴射硬化、噴沙、熱處理、扭轉(zhuǎn)或軸向過(guò)載、截動(dòng)、化學(xué)處理和機(jī)電處理。同時(shí)轉(zhuǎn)矩也不一定通過(guò)軸傳送，任何轉(zhuǎn)矩傳送元件都可以使用。
雖在幾個(gè)具體實(shí)現(xiàn)裝置中用用線圈來(lái)獲取與磁通量有關(guān)的信號(hào)，但是任何一種測(cè)量磁通的方法和裝置，例如霍爾效應(yīng)傳感器(但不限于此)，也可以用在任何一種具體實(shí)現(xiàn)裝置中，在利用一個(gè)或多個(gè)線圈的任何一具體實(shí)現(xiàn)裝置中，對(duì)任何一線圈可以應(yīng)用任何數(shù)目的線圈繞組，線圈可以有任意合適的形狀和尺寸并可利用任何的合適的材料。磁心不一定的磁磁的，如果在某些情況下導(dǎo)線是超導(dǎo)的，則磁心可以由空氣、任何間隙、任何其他材料、或者甚至由真空構(gòu)成。另外，凡是指出一個(gè)線圈的地方(例如主線圈，但不僅限于此)，可以利用多個(gè)線圈。如果另外的器件，如霍爾傳感器(但不限于此)被用來(lái)代替線圈拾取器，那么多個(gè)這種傳感器也可以利用。同時(shí)，雖然交流正弦電流下概對(duì)本發(fā)明是最合適的，但也可以利用任何種波形的電流/電壓，甚是直流或恰當(dāng)?shù)胤e分/微分的脈沖。凡是涉及到固定幅度信號(hào)的地方，任何接近固定幅度的可對(duì)轉(zhuǎn)矩做滿意測(cè)量的信號(hào)就足夠了。而邦，任何信號(hào)都不必直接使用，而可放大或以任何方法進(jìn)行變換，最后被放大的或被變換過(guò)的信號(hào)可以用作與原來(lái)信號(hào)相同的或類(lèi)似的用途。同時(shí)，任何信號(hào)(例如電壓)都不必直接測(cè)量，而可通過(guò)測(cè)量與該信號(hào)有關(guān)的參數(shù)(如測(cè)量環(huán)路里的另外的電壓，當(dāng)阻抗已知時(shí)測(cè)量電流等)間接地決定。當(dāng)然，電壓表一端接地測(cè)量電路非接地端電壓的所有電路可以等效地布置或同樣的電壓表測(cè)哪一端也不接地的電路的兩端的電壓。反之亦然。雖然使用電壓表這個(gè)術(shù)語(yǔ)，但任何測(cè)量或確定電壓的裝置都可以使用，雖然用了諸如振蕩器、功率放大器這些術(shù)語(yǔ)，但是用與它們有同樣的或相似用途的器件或其他的系統(tǒng)分機(jī)也可以利用。還有，傳感器可以任何數(shù)目裝在沿著軸的軸向、徑向或其端部，甚至可以隨如美國(guó)專(zhuān)利4，697，460中所說(shuō)的轉(zhuǎn)矩盤(pán)或軸的其他配件一起使用。同時(shí)，任何一具體實(shí)現(xiàn)裝置可以單獨(dú)使用或以任何程度與其他具體實(shí)現(xiàn)裝置聯(lián)合使用。最后，本發(fā)明的任何一種具體實(shí)現(xiàn)裝置可以被用做測(cè)量應(yīng)力和形變的裝置，如美國(guó)專(zhuān)利2，912，642所述，甚至可以用來(lái)測(cè)量加到給定的一個(gè)物體或多個(gè)物體上的力。因此，本發(fā)明的范圍不應(yīng)當(dāng)僅由所給出的具體實(shí)現(xiàn)裝置所決定，而應(yīng)由后面的權(quán)利要求和它的合法的等效物決定。
權(quán)利要求
1.一種用于敏感性轉(zhuǎn)矩的磁致伸縮方法，在轉(zhuǎn)矩傳遞元件(20)中感應(yīng)出一個(gè)主磁感應(yīng)場(chǎng)通量并獲得了與在所說(shuō)的轉(zhuǎn)矩傳遞元件(20)中的次磁感應(yīng)通量有關(guān)的次信號(hào)，當(dāng)轉(zhuǎn)矩被轉(zhuǎn)矩傳遞元件(20)傳遞時(shí)元件(20)中的次磁場(chǎng)的方向當(dāng)與磁場(chǎng)的方向的夾角由于磁致伸縮而不為零，所說(shuō)的次信號(hào)是所傳遞的力矩加上諸如轉(zhuǎn)矩傳遞元件(20)的導(dǎo)磁率的各向異性這樣的非轉(zhuǎn)矩引起的一些原因的函數(shù)，對(duì)上述方法的改進(jìn)(圖5至7)其特征在于獲得一個(gè)與主磁感應(yīng)場(chǎng)通量有關(guān)并且是在所說(shuō)的轉(zhuǎn)矩傳遞元件中的非轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)磁率變化的函數(shù)的輔助信號(hào)，和利用輔助信號(hào)去調(diào)整次信號(hào)，使得由這種調(diào)整得到的結(jié)果信號(hào)與轉(zhuǎn)矩有關(guān)而且還受非轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)磁率的變化的影響最小，因此，所得到的信號(hào)能用于測(cè)量所傳送的力矩。
2.在權(quán)利要求1的敏感轉(zhuǎn)矩的方法，其中利用輔助信號(hào)調(diào)整次信號(hào)(圖5A和5B)方法其特征在于保持輔助信號(hào)的幅度實(shí)際上不變以保持主磁感應(yīng)場(chǎng)通量的大小實(shí)際上不變。因而次電流被調(diào)整使得它們與轉(zhuǎn)矩有關(guān)并與非轉(zhuǎn)矩引起的導(dǎo)磁率的變化的關(guān)系最小。
3.權(quán)利要求2的敏感轉(zhuǎn)矩的方法，其中主磁感應(yīng)場(chǎng)通量是由至少一個(gè)任何圈數(shù)的主線圈(32)產(chǎn)生的，主磁感應(yīng)場(chǎng)通量的大小實(shí)際上保持不變，其特征在于(圖5A)利用有關(guān)的電路控制主磁感應(yīng)場(chǎng)通量使用任何一種磁通敏感方法所得的輔助方號(hào)的幅度實(shí)際上保持不變，該磁通敏感方法可以是(但不只是)檢測(cè)有效的主磁感應(yīng)場(chǎng)通量的至少一個(gè)輔助線圈;獲得與次磁感應(yīng)場(chǎng)通量有關(guān)的次信號(hào)的方法其特征在于利用任何一種磁通量敏感方法例如(但不限于此)至少一個(gè)次級(jí)線圈(36)它檢測(cè)有效的次磁感應(yīng)場(chǎng)通量并產(chǎn)生次信號(hào)，該信號(hào)是次級(jí)磁感應(yīng)通量有效量的函數(shù)，由所說(shuō)的次信號(hào)是用來(lái)決定所傳遞的力矩。
4.權(quán)利要求2中的敏感轉(zhuǎn)矩的方法(圖5B)，其中主磁感應(yīng)通量是由主電路和至少一個(gè)任何圈數(shù)的其電阻極低的圈數(shù)32產(chǎn)生的，該線圈的電阻低到使決定諸如至少一個(gè)主線圈兩端的主電壓(但不限于此)這樣的主電路參數(shù)的任何方法都可以是決定輔助電路參數(shù)的任何方法的足夠精確的近似和代替，該輔助電路的參數(shù)可以是(但不只是)主磁感應(yīng)場(chǎng)通量的有效部分從其通過(guò)的至少一個(gè)輔助線圈兩端的電壓。這樣使主電路參數(shù)得以被控制，從而使主磁感應(yīng)場(chǎng)通量被保持在足夠精確近似常數(shù)的幅度上。
5.權(quán)利要求2中的敏感轉(zhuǎn)矩的方法，其中保持主磁感應(yīng)場(chǎng)通量在一個(gè)有效的固定的幅度上，其特征在于利用輔助電路用于對(duì)主磁感應(yīng)通量的無(wú)源控制以致于主磁感應(yīng)場(chǎng)通量保持在實(shí)際上固定的幅度上。
6.權(quán)利要求1的敏感轉(zhuǎn)矩的方法，其中利用輔助信號(hào)去調(diào)整次信號(hào)(圖6A和6B)的特征是一個(gè)所說(shuō)的信號(hào)除以另一個(gè)所說(shuō)的信號(hào)(56)，從而由所說(shuō)的除法器所產(chǎn)生的結(jié)果信號(hào)受轉(zhuǎn)矩傳遞元件(20)中的非轉(zhuǎn)矩引起的變化的影響最小，因而結(jié)果信號(hào)被用來(lái)確定所傳遞的轉(zhuǎn)矩。
7.權(quán)利要求6的敏感轉(zhuǎn)矩的方法，其中主磁感應(yīng)場(chǎng)通量至少由一個(gè)任何圈數(shù)的主線圈(32)產(chǎn)生(圖6A)，獲得與主磁感應(yīng)場(chǎng)通量強(qiáng)度有關(guān)的輔助信號(hào)的方法的特征是利用任何一種磁通敏感方法，例如用至少一個(gè)輔助線圈(但不限于此)以檢測(cè)主磁通的有效分量，并且獲得次級(jí)信號(hào)的方法的特點(diǎn)是利用任何一種磁通敏感方法，例如至少利用一個(gè)次線圈(36)(但不限于此)，該線圈檢測(cè)次感應(yīng)場(chǎng)的有效分量并產(chǎn)生次信號(hào)，該信號(hào)是次磁感應(yīng)場(chǎng)通量的有效分量的函數(shù)從而一個(gè)所說(shuō)的信號(hào)除以另一個(gè)所說(shuō)的信號(hào)產(chǎn)生結(jié)果信號(hào)，該信號(hào)被用來(lái)確定所傳遞的轉(zhuǎn)矩。
8.權(quán)利要求6的敏感轉(zhuǎn)矩的方法，其中主磁感應(yīng)通量是由一主電路和一任何圈數(shù)的、電阻很小的主線圈(32)產(chǎn)生，該線圈的電阻是這樣小以致于任何確定主電路參數(shù)(例如主線圈(32)兩端的電壓，但不限于此)的裝置都是對(duì)確定輔助電路參數(shù)的足夠精確的近似和代替，上述輔助電路的參數(shù)可以是(但不只是)主磁場(chǎng)通量的有效部分通過(guò)的軸輔助線圈兩端的電壓，以致于主電路參數(shù)被用于產(chǎn)生一個(gè)足夠精確近似主信號(hào)，該信號(hào)用作為次信號(hào)相除的輔助信號(hào)來(lái)產(chǎn)生最終信號(hào)。
9.權(quán)利要求1的敏感力矩的方法，其中轉(zhuǎn)矩傳遞元件20可用任何一種能使隨機(jī)各向異性最小的方法(如振動(dòng)，但不限于此)來(lái)改善，這樣使所得的最終信號(hào)受磁各向異性影響最小。
10.多個(gè)轉(zhuǎn)矩敏感方法(圖7)，其中每個(gè)都如同權(quán)利要求1的方法(66A，66B)，其特征在于敏感轉(zhuǎn)矩的軸對(duì)不準(zhǔn)信號(hào)校正方法，其中各個(gè)轉(zhuǎn)矩敏感方法(66A，66B)用在圍繞轉(zhuǎn)矩傳遞單元(20)上的不同位置，如果這些位置的角間距實(shí)際上是相等的多個(gè)轉(zhuǎn)矩敏感方法中的每一個(gè)的單個(gè)的轉(zhuǎn)矩敏感輸出信號(hào)相加以獲得合成信號(hào)，如果所說(shuō)的這些位置的角間距不等，各個(gè)轉(zhuǎn)矩敏感輸出信號(hào)先移相，然后再相加以獲得最終信號(hào)。從而，所說(shuō)的最終信號(hào)用于確定轉(zhuǎn)矩，并且所說(shuō)的合成信號(hào)受彎曲應(yīng)力和轉(zhuǎn)矩傳遞元件(20)的不同軸的影響最小。
全文摘要
一種基于磁致伸縮原理的敏感轉(zhuǎn)矩的方法。在一個(gè)軸中感應(yīng)主磁通并獲得一個(gè)是次磁通函數(shù)的與轉(zhuǎn)矩有關(guān)的次信號(hào)它通過(guò)象輔助鐵心/線圈這樣的裝置獲得一個(gè)輔助信號(hào)并利用這一信號(hào)和合適的電路來(lái)消除在次信號(hào)中的非轉(zhuǎn)矩引起的變化。第一實(shí)施例的裝置利用輔助信號(hào)以保持主磁通的幅度實(shí)際不變。第二實(shí)施例裝置把次信號(hào)除以輔助信號(hào)。第三實(shí)施例的裝置利用繞軸(20)合理配置多個(gè)傳感器以消除由于彎曲應(yīng)力和不同軸引起的寄生信號(hào)。
文檔編號(hào)G01L3/10GK1039483SQ89104920
公開(kāi)日1990年2月7日 申請(qǐng)日期1989年7月20日 優(yōu)先權(quán)日1988年7月21日
發(fā)明者羅伯特·D·克羅伯, 埃里克·B·維克莫斯塔德 申請(qǐng)人:傳感器技術(shù)兩合公司