專利名稱：磁彈性扭矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及了一種利用軟磁材料磁致伸縮效應(yīng)，以非接觸方式，測(cè)量扭矩或轉(zhuǎn)矩的傳感器。特別是一種輸出電平高、線性好、抗干擾能力強(qiáng)的磁彈性扭矩傳感器。本磁彈性扭矩傳感器可廣泛地應(yīng)用于測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩。
現(xiàn)有的扭矩傳感器分為三類第一類為應(yīng)變片式的扭矩傳感器，它使用一組應(yīng)變片作為敏感元件。應(yīng)變片以橋式回路的形式粘貼在扭矩傳遞軸上，這種傳感器存在下列問題應(yīng)變片用于回轉(zhuǎn)系統(tǒng)時(shí)，需要遙測(cè)儀表或用于聯(lián)接應(yīng)變片的集流環(huán)裝置，集流環(huán)屬于磨損件，因而壽命短，同時(shí)維修十分困難。第二類是扭轉(zhuǎn)角式的扭矩傳感器，它使用安裝在傳動(dòng)軸上兩個(gè)不同部位的磁性元件或反射元件作為敏感元件，通過對(duì)兩個(gè)部位的相位差測(cè)定來測(cè)量扭矩。這類傳感器體積很大，安裝不方便，同時(shí)低速的性能較差。第三類為磁彈性扭矩傳感器，它利用磁性材料的磁致伸縮效應(yīng)原理來檢測(cè)扭矩。它由激磁線圈、測(cè)量線圈和彈性軸所組成，這類傳感器能實(shí)現(xiàn)非接觸方式的扭矩測(cè)量，對(duì)原測(cè)量系統(tǒng)無不利影響。如日本專利(昭和61-42180)所提出的一種磁彈性傳感器。但它存在著兩個(gè)不可避免的問題①它在傳動(dòng)軸上垂直粘貼了一層作為應(yīng)力敏感元件的軟磁合金薄帶，并且測(cè)量線圈只有一組，當(dāng)軸矩為零時(shí)，輸出信號(hào)不為零，使二次儀表復(fù)雜化，增加了系統(tǒng)誤差。另外②為了避免軸體材料本身磁性對(duì)于測(cè)量的影響，它在薄帶與軸體材料之間粘貼了一層鋁片，起屏蔽作用，但粘貼工藝較復(fù)雜，很難以保證外表面與軸的同心度，而且有內(nèi)應(yīng)力存在，直接影響測(cè)定的準(zhǔn)確性。
本發(fā)明的任務(wù)是要提供一種新型的磁彈性扭矩傳感器。它能不受軸體表面內(nèi)應(yīng)力及軸體本身磁性不均勻的影響，達(dá)到輸出信號(hào)穩(wěn)定、靈敏度高、線性度好及抗干擾能力強(qiáng)的測(cè)量效果。
本發(fā)明的任務(wù)是以如下方式完成的在磁彈性扭矩傳感器的扭矩傳動(dòng)軸1上，粘貼軟磁合金薄帶的部位先鍍有一層銅2，起磁屏蔽作用，避免軸體材料磁性的干擾。在該銅鍍層上分別粘貼兩組完全對(duì)稱、具有均勻間隔的軟磁合金薄帶3、3′，兩組軟磁合金薄帶的數(shù)目相同，且互相對(duì)稱成人字型，與扭矩傳動(dòng)軸的軸心線成±45°角粘貼。本發(fā)明中的兩組軟磁合金薄帶采用Fe-Si-B構(gòu)成的非晶態(tài)合金。在上述的軟磁合金薄帶的外圍分別設(shè)置兩組由激磁線圈6、7和檢測(cè)線圈8、9組成的園筒形線圈，激磁線圈位于檢測(cè)線圈的里面。兩組線圈分別與兩組軟磁合金薄帶相對(duì)應(yīng)。兩個(gè)激磁線圈串聯(lián)，用交流電源11在扭矩傳動(dòng)軸11的表面區(qū)域內(nèi)建立恒定的交變磁場(chǎng)。兩個(gè)檢測(cè)線圈差動(dòng)聯(lián)接。這樣，當(dāng)扭矩傳動(dòng)軸所承受的扭矩為零時(shí)，檢測(cè)線圈的輸出為零;當(dāng)扭矩傳動(dòng)軸承受扭矩或轉(zhuǎn)矩時(shí)，兩組軟磁合金薄帶在其粘貼的方向上分別承受拉、壓應(yīng)力，其磁致伸縮作用分別增加或減小，這樣在差動(dòng)檢測(cè)線圈中就有一個(gè)正比于扭矩的電壓信號(hào)輸出，這個(gè)信號(hào)在傳感器上經(jīng)過信號(hào)予處理后直接送入顯示。另外，在線圈的外面罩有E字型磁性外罩10，該外罩由高導(dǎo)磁性、低鐵損耗、低矯頑力的軟磁材料構(gòu)成，它與粘貼在扭矩傳動(dòng)軸上的軟磁合金薄帶3、3′一起，構(gòu)成閉環(huán)磁路，有效地提高了靈敏度、線性度及抗干擾能力。本發(fā)明制作工藝簡(jiǎn)單，它能不受軸體本身磁性不均勻的影響，達(dá)到輸出信號(hào)穩(wěn)定，測(cè)量準(zhǔn)確的效果。另外該傳感器本體中還附加安裝一組由霍爾元件及磁鋼齒輪組成的轉(zhuǎn)速傳感器，可以同時(shí)測(cè)量傳動(dòng)軸的轉(zhuǎn)速。本發(fā)明廣泛地應(yīng)用于測(cè)量a、內(nèi)燃機(jī)、電動(dòng)機(jī)、柴油機(jī)等各種動(dòng)力機(jī)的輸出扭矩。
b、壓縮機(jī)、水泵等各種工作機(jī)工作時(shí)所需扭矩。
c、各種機(jī)床在操作過程中所需扭矩。
d、各種動(dòng)力傳遞系統(tǒng)所傳遞的扭矩及其傳遞效率等……以下將結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)地描述

圖1為本發(fā)明原理示意圖。
圖2為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖。
圖3為本發(fā)明激磁線圈的電源供給線路和檢測(cè)線圈輸出信號(hào)的信號(hào)予處理線路圖。
參照?qǐng)D1、圖2，本發(fā)明為了避免磁通量在扭矩傳動(dòng)軸體1上泄漏，在扭矩傳遞軸1的粘貼軟磁材料的扭矩測(cè)量部分均勻地鍍上一層銅2，起磁屏蔽作用。在銅層的外表的兩個(gè)平行的園環(huán)區(qū)域內(nèi)，分別以與軸中心線成+45°和-45°的方向粘貼兩組完全對(duì)稱，具有均勻間隔的軟磁合金薄帶3、3′。兩組軟磁合金薄帶的數(shù)目相同，且互相對(duì)稱成人字型。軟磁合金薄帶采用以Fe-Si-B構(gòu)成非晶態(tài)合金。在扭矩傳動(dòng)軸粘貼軟磁薄帶的外圍，分別同心地安置一個(gè)線圈骨架4、5，每個(gè)線圈骨架上先繞有激磁線圈6、7，然后再繞有檢測(cè)線圈8、9，激磁線圈6、7串聯(lián)，利用交流電源11起激磁作用，在扭矩傳動(dòng)軸表面建立穩(wěn)定的交變磁場(chǎng)。檢測(cè)線圈8、9差動(dòng)聯(lián)接，分別檢測(cè)兩條薄帶中磁通量的變化，輸出一個(gè)正比于扭矩的電壓信號(hào)，在線圈骨架的外層還包圍著E型磁罩10，磁罩10是由導(dǎo)磁材料組成，它和粘貼在扭矩傳動(dòng)軸1上的非晶質(zhì)合金薄帶3、3′一起構(gòu)成閉環(huán)磁路，可減少磁通損失，改善了傳感器的靈敏度、線性度及抗干擾性。當(dāng)扭矩傳動(dòng)軸所承受的扭矩為零時(shí)，兩條薄帶的導(dǎo)磁率相等，兩個(gè)檢測(cè)線圈8、9的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)相等，差動(dòng)聯(lián)接后輸出為零，保證了零位輸出特性。當(dāng)傳動(dòng)軸承受如圖所示的扭矩時(shí)，依據(jù)材料力學(xué)分析，左邊的薄帶3在長(zhǎng)度方向上承受壓應(yīng)力，右邊的薄帶3′在長(zhǎng)度方向上承受拉應(yīng)力。由于非晶態(tài)合金薄帶具有正磁致伸縮系數(shù)，承受拉應(yīng)力的方向上導(dǎo)磁率增高，承受壓應(yīng)力的方向上的導(dǎo)磁率降低，磁通的分布失去了原有的平衡，由激磁線圈所產(chǎn)生的分布在右邊薄帶3′上的磁通量增加，而左邊薄帶3的磁通量減小。相應(yīng)地檢測(cè)線圈8中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)增加，而檢測(cè)線圈9中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)減小，差動(dòng)聯(lián)接以后就有一個(gè)電壓信號(hào)輸出。檢測(cè)線圈8中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的增加量和檢測(cè)線圈9中感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)的減小量相等，所以差動(dòng)輸出信號(hào)為單組線圈輸出信號(hào)的兩倍，增加了靈敏度。
參照?qǐng)D3在扭矩傳感器本體上附加了一個(gè)信號(hào)予處理電路。將兩組測(cè)量線圈的輸出端分別接在兩組信號(hào)予處理電路的輸入端。該信號(hào)予處理電路的功能是分別將測(cè)量線圈中產(chǎn)生的交變感應(yīng)電壓予先進(jìn)行解調(diào)、濾波，然后再進(jìn)行差動(dòng)聯(lián)接，為此有效地避免了由于兩組交變感應(yīng)電壓之間存在的相移所引起的(差值)零位電壓不為零的缺點(diǎn)(直流電壓無相移，只要數(shù)值相等，其差值必然為零)。并且解決了傳感器不需任何附加條件就能直接測(cè)試順時(shí)針和反時(shí)針兩種方向的扭矩。當(dāng)激磁線圈6、7在接通交流電源后便引起激磁作用，在扭矩傳動(dòng)軸1的表面區(qū)域內(nèi)建立穩(wěn)定的交變磁場(chǎng)，從而由檢測(cè)線圈8、9輸出的電位信號(hào)則分別經(jīng)過信號(hào)予處理線路的解調(diào)、濾波，然后再進(jìn)行差動(dòng)比較，直接送入測(cè)量?jī)x表顯示。由于輸出電平較高無需放大即可直接送入顯示，簡(jiǎn)化了二次儀表的結(jié)構(gòu)，所以大大地減小了儀器的系統(tǒng)誤差。
權(quán)利要求
1.一個(gè)由扭矩傳動(dòng)軸1，軟磁合金薄帶3、3′，激磁線圈6、7，檢測(cè)線圈8、9，磁性外罩10所組成的磁彈性扭矩傳感器，其特征在于扭矩傳動(dòng)軸上粘貼軟磁薄帶部位事先鍍有銅覆蓋層2，在銅層2的外表的兩個(gè)平行的園環(huán)區(qū)域內(nèi)，分別粘貼兩組完全對(duì)稱，具有均勻間隔的軟磁合金薄帶3、3′，兩組軟磁合金薄帶的數(shù)目相同，且相互對(duì)稱成人字型；在扭矩傳動(dòng)軸粘貼軟磁薄帶的外圍，同心地對(duì)應(yīng)安裝了兩組激磁線圈6、7和檢測(cè)線圈8、9，在兩組檢測(cè)線圈的外圍安裝了E字型磁性外罩10。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征還在于軟磁合金薄帶3、3′分別與扭矩傳動(dòng)軸中心線成±45°方向粘貼。
3.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征還在于所說的軟磁合金薄帶為Fe-Si-B系構(gòu)成的非晶態(tài)合金。
4.根據(jù)權(quán)利要求1、2所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征還在于所述的檢測(cè)線圈與一個(gè)能輸出直流信號(hào)的直接解調(diào)的信號(hào)予處理裝置相聯(lián)接。
5.根據(jù)權(quán)利要求3所述的磁彈性扭矩傳感器，其特征還在于所說的檢測(cè)線圈與一個(gè)能輸出直流信號(hào)的直接解調(diào)的信號(hào)予處理裝置相聯(lián)接。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種利用磁致伸縮效應(yīng)，采用非接觸方式檢測(cè)的新型磁彈性扭矩傳感器。它廣泛地應(yīng)用于測(cè)量靜態(tài)和動(dòng)態(tài)扭矩。本發(fā)明通過在扭矩傳動(dòng)軸粘貼軟磁合金薄帶的部位均勻鍍一層銅，在該銅鍍層上分別粘貼兩組完全對(duì)稱，與扭矩傳動(dòng)軸成±45°角的軟磁合金薄帶，并在扭矩傳動(dòng)軸外圍對(duì)應(yīng)安裝兩組激磁線圈、檢測(cè)線圈，在線圈外層安裝一個(gè)磁性外罩，從而有效地提高了靈敏度和抗干擾能力。檢測(cè)線圈經(jīng)過信號(hào)預(yù)處理電路直接輸出直流信號(hào)，改善了零位輸出性能，簡(jiǎn)化了二次儀表結(jié)構(gòu)，減小了系統(tǒng)誤差。
文檔編號(hào)H01L41/20GK1030642SQ8710472
公開日1989年1月25日 申請(qǐng)日期1987年7月15日 優(yōu)先權(quán)日1987年7月15日
發(fā)明者李國林, 阮利民 申請(qǐng)人:冶金工業(yè)部第一冶金地質(zhì)勘探公司探礦技術(shù)研究所