環(huán)形差動(dòng)壓磁式非接觸動(dòng)態(tài)扭矩傳感器的研究與設(shè)計(jì)

石延平 周慶貴 臧 勇

淮海工學(xué)院，連云港，222005

0 引言

如何高精度、不介入、非接觸地在線測(cè)量傳動(dòng)軸扭矩，一直是扭矩傳感器領(lǐng)域的研究重點(diǎn)和難點(diǎn)?；阼F磁材料壓磁效應(yīng)的扭矩傳感器，因具有輸出功率大、抗干擾能力強(qiáng)、過(guò)載性能好、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、使用便捷，并能在惡劣環(huán)境下工作以及實(shí)現(xiàn)非接觸在線測(cè)量等優(yōu)點(diǎn)而受到長(zhǎng)期關(guān)注[1]。目前，研究比較多的是交叉鐵芯附加式（又稱磁橋式）扭矩傳感器，這類傳感器雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但由于存在軸的振擺，使傳感器探頭和軸表面之間的氣隙大小發(fā)生變化，從而引起磁的分布不均勻，造成測(cè)量誤差。另外，普通鐵磁材料機(jī)電耦合系數(shù)比較?。ㄍǔ?.15～0.30），壓磁效應(yīng)弱，致使傳感器測(cè)量精度及靈敏度較低（特別是當(dāng)載荷較小時(shí)）[2]。

本文研究的扭矩傳感器利用非晶態(tài)合金的良好軟磁特性和較高的機(jī)電耦合系數(shù)（可達(dá)0.75），并采用多探頭和差動(dòng)結(jié)構(gòu)，能夠提高測(cè)量精度和靈敏度。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

圖1所示為環(huán)形差動(dòng)壓磁式扭矩傳感器的基本結(jié)構(gòu)。支承環(huán)套在待測(cè)轉(zhuǎn)軸上，并固定于機(jī)架上。在支承環(huán)上沿周向均布若干組（圖1中為4組）傳感器探頭，每組探頭由2個(gè)相互垂直的∏形或E形磁芯構(gòu)成，磁芯上纏繞激磁線圈和測(cè)量線圈。每組探頭由螺釘沿＋σ或－σ方向緊固在支承環(huán)的卡槽中，并與轉(zhuǎn)軸表面保持固定的氣隙δ。

圖1 環(huán)形差動(dòng)壓磁式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)

所有探頭的激磁線圈并聯(lián)，而測(cè)量線圈每組探頭先兩兩反向串聯(lián)形成差動(dòng)，再正向串聯(lián)。

為了提高轉(zhuǎn)矩測(cè)量的精度和靈敏度以及減少傳感器因不同材質(zhì)的磁彈性標(biāo)定的工作量，在軸表面附著一層Fe基非晶態(tài)合金。Fe基非晶態(tài)合金大多具有很高的機(jī)電耦合系數(shù)，經(jīng)過(guò)適當(dāng)?shù)耐嘶鹛幚恚錂C(jī)電耦合系數(shù)可進(jìn)一步提高。而機(jī)電耦合系數(shù)越高，傳感器的靈敏度就越高[3]。

圖2 環(huán)形差動(dòng)壓磁式扭矩傳感器工作原理

采用∏形或E形磁芯的環(huán)形差動(dòng)壓磁式扭矩傳感器的工作原理如圖2所示。當(dāng)激磁線圈接通具有一定頻率的交流電時(shí)，便在激磁磁極上產(chǎn)生交變磁通Φ。磁力線穿過(guò)被測(cè)表面的氣隙δ，滲入被測(cè)材料內(nèi)部（滲入深度與激磁電流的頻率有關(guān)），再通過(guò)測(cè)量磁極回到激磁磁極，形成封閉的磁回路。根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)軸受扭矩作用時(shí)，在其表面沿＋45°或－45°方向分別產(chǎn)生最大拉應(yīng)力或最大壓應(yīng)力。當(dāng)沒(méi)有扭矩作用時(shí)，軸表面非晶態(tài)合金各段磁阻相等，通過(guò)兩測(cè)量線圈的磁通相等，由于線圈反向串接，所以磁通相互抵消，傳感器輸出為零；當(dāng)軸上作用扭矩時(shí)，在其表面＋45°或－45°方向產(chǎn)生等值的拉應(yīng)力或壓應(yīng)力。根據(jù)壓磁效應(yīng)，當(dāng)材料的磁致伸縮系數(shù)λ＞0時(shí)，則在拉應(yīng)力方向的磁彈性能最低，是易磁化方向，即磁導(dǎo)率增大，磁阻減??；而在壓應(yīng)力方向，磁導(dǎo)率減小，磁阻增大。因此，傳感器兩測(cè)量線圈分別感生增量電壓＋ΔU和－ΔU。由于測(cè)量線圈反向串聯(lián)以及具有多組探頭，所以傳感器的總輸出信號(hào)通過(guò)疊加而增強(qiáng)。如果采用圖2b所示的E形磁芯結(jié)構(gòu)，則有利于增加測(cè)量線圈的匝數(shù)，提高傳感器的輸出電壓。

根據(jù)鐵磁學(xué)理論，不同的鐵磁材料，由于磁致伸縮系數(shù)λ不同，其磁導(dǎo)率隨應(yīng)變的變化規(guī)律不同[4]。也就是說(shuō)，對(duì)不同材料的軸，在利用壓磁效應(yīng)測(cè)量轉(zhuǎn)矩之前，都需要先對(duì)相同材料的試樣進(jìn)行標(biāo)定，以建立應(yīng)力（應(yīng)變）與磁特性間的數(shù)學(xué)關(guān)系，然后再根據(jù)此關(guān)系進(jìn)行測(cè)量。但當(dāng)利用某一種非晶態(tài)合金進(jìn)行間接測(cè)量轉(zhuǎn)矩時(shí)，只需標(biāo)定一次就可以將其附著于多種不同材質(zhì)的軸表面進(jìn)行轉(zhuǎn)矩測(cè)量。顯然，測(cè)量輔助工作量大大減小。

非晶態(tài)合金的選型、處理以及在軸表面的附著工藝對(duì)測(cè)量的精度和靈敏度有很大的影響。目前在傳感器技術(shù)方面應(yīng)用較多的非晶態(tài)合金是Fe基TM－M型（過(guò)渡金屬－類金屬）合金。這類合金在室溫下具有良好的鐵磁性，是優(yōu)良的軟磁材料，其應(yīng)用磁性主要表現(xiàn)為高磁致伸縮系數(shù)和高磁導(dǎo)率[5]。

非晶態(tài)合金在轉(zhuǎn)軸表面的附著形式通常有兩種[6]：第一種是將非晶態(tài)合金薄帶裁剪成長(zhǎng)方形窄條，事先對(duì)其進(jìn)行單軸退火磁化處理，使之感生出所需的單軸各向異性，以提高機(jī)電轉(zhuǎn)換效率，然后將其沿軸表面±45°方向進(jìn)行間隔附著；第二種是在傳感器探頭下方，整個(gè)軸表面附著一定寬度的非晶態(tài)合金層。

本文選擇國(guó)內(nèi)安泰科技有限公司生產(chǎn)的Fe80B20鐵基輥剪帶材，其厚度為0.03mm，主要技術(shù)參數(shù)為：飽和磁感應(yīng)強(qiáng)度Bs＝1.50T，居里溫度Tc＝410℃，飽和磁致伸縮系數(shù)λs＝2.7×10－5，電阻率ρ＝130μΩ·cm，最大磁導(dǎo)率μ＞2.5×105H／m，抗拉強(qiáng)度σs＝1500MPa。此種材料經(jīng)微晶化退火處理后，可獲得更大的Δμ／μ值和機(jī)電耦合系數(shù)。

將非晶態(tài)合金附著于被測(cè)材料表面的工藝方法有：電鍍、噴涂、濺射、粘貼等。粘貼工藝簡(jiǎn)單易行，但所用粘結(jié)劑應(yīng)具有粘結(jié)度高、強(qiáng)度高、蠕變小、滯后和溫度系數(shù)小等特點(diǎn)[7]。作為初步研究，本文采用了粘貼附著方法。粘貼前，先對(duì)試件上的粘貼區(qū)域用砂輪打磨，然后用60℃、質(zhì)量分?jǐn)?shù)10%的硅酸鈉溶液清洗浸泡數(shù)分鐘后進(jìn)行粘貼。實(shí)際應(yīng)用中，為了防止非晶態(tài)合金薄帶因長(zhǎng)期承受應(yīng)力作用而產(chǎn)生蠕變，應(yīng)在工作一定時(shí)間后，更換附著在軸表面的非晶態(tài)合金薄帶，或者采用電鍍、噴涂等方法，使非晶態(tài)合金層與被測(cè)軸牢固地剛化為一體。

2 傳感器輸出特性

根據(jù)磁路定律，圖2a所示磁路中的瞬時(shí)磁通為

式中，e0為磁動(dòng)勢(shì)；r為磁極下的氣隙磁阻；Rab為封閉磁路中激磁磁極至測(cè)量磁極的磁阻；Rcd為軸表面非晶態(tài)合金段磁阻。

當(dāng)采用交流激磁時(shí)，式（1）變?yōu)?/p>

式中，δ為磁極下的氣隙厚度；μ0、μf、μc分別為空氣、轉(zhuǎn)軸表面非晶態(tài)合金材料以及探頭鐵芯的絕對(duì)磁導(dǎo)率；Sm為探頭端面投影面積；Sc為磁力線在磁芯中從激磁磁極到測(cè)量磁極的通流截面積；Sf為磁力線在非晶態(tài)合金材料轉(zhuǎn)軸表面中的通流截面積；lc、lf分別為磁力線通過(guò)磁芯和轉(zhuǎn)軸表面非晶態(tài)合金材料中的路徑長(zhǎng)度；N1為激磁線圈匝數(shù)；I1和f分別為激磁線圈中的電流有效值和頻率。

由法拉第電磁感應(yīng)定律知

式中，e2為測(cè)量線圈中的感應(yīng)電動(dòng)勢(shì)；N2為測(cè)量線圈匝數(shù)；Km為系數(shù)。

根據(jù)壓磁效應(yīng)，μf是應(yīng)力的函數(shù)；考慮到軸的振擺、轉(zhuǎn)速不均勻以及支承環(huán)的安裝誤差等因素，δ為變量。傳感器的測(cè)量線圈輸出端接有測(cè)量?jī)x器和電路，可將其視為傳感器測(cè)量線圈的有效負(fù)載，則其輸出接線端子上的交流電壓為

式中，σ為軸表面的最大拉應(yīng)力或最大壓應(yīng)力；RL為負(fù)載的有效電阻；r2和X2分別為測(cè)量線圈的有效阻抗和無(wú)效阻抗。

當(dāng)作用轉(zhuǎn)矩為靜態(tài)且探頭氣隙也不變化時(shí)，傳感器測(cè)量線圈輸出電壓的增量為

式中，k為非晶態(tài)合金材料的磁彈性靈敏度系數(shù)，通過(guò)試驗(yàn)標(biāo)定。

由式（5）和式（6）可以看出，增大激磁線圈和測(cè)量線圈的匝數(shù)、激磁電流的強(qiáng)度和頻率都能提高傳感器的輸出感應(yīng)電壓。另外，雖然Fe基非晶態(tài)合金的磁導(dǎo)率μf遠(yuǎn)大于普通的鐵磁材料的磁導(dǎo)率，但與空氣磁導(dǎo)率μ0相比依然很小。所以測(cè)量時(shí)，盡可能減小氣隙δ并使其保持不變，是提高測(cè)量精度和靈敏度的關(guān)鍵。

3 測(cè)量試驗(yàn)

試驗(yàn)內(nèi)容包括：傳感器最佳激磁參數(shù)（如激磁電流強(qiáng)度和頻率、激磁線圈和測(cè)量線圈的匝數(shù)比、最大氣隙）的確定；軸表面附著和不附著非晶態(tài)合金層兩種情況下，傳感器的線性度、重復(fù)度以及靈敏度等主要靜態(tài)特性的比較。本文重點(diǎn)分析傳感器探頭氣隙變化與感應(yīng)電壓輸出的關(guān)系以及進(jìn)行兩種情況下傳感器主要靜態(tài)特性的比較。

圖3所示為試驗(yàn)系統(tǒng)的組成。動(dòng)力源為YCT225電磁異步調(diào)速電動(dòng)機(jī)，標(biāo)稱功率為15kW，轉(zhuǎn)速范圍為1250～125r／min；加載裝置為CZ－100磁粉制動(dòng)器，其額定扭矩為1000N·m；監(jiān)控扭矩傳感器為北京中瑞能儀表技術(shù)有限公司制造的ZRN503應(yīng)變式動(dòng)態(tài)扭矩傳感器，量程為0～±1000N·m；虛擬扭矩儀為美國(guó)NI公司的CompactDAQ數(shù)據(jù)采集裝置。

圖3 測(cè)量系統(tǒng)原理框圖

根據(jù)試驗(yàn)確定最佳的激磁條件為：線圈匝數(shù)比N1∶N2＝40∶100，激磁電流I1＝50mA，激磁頻率f＝30kHz。試驗(yàn)在室溫下進(jìn)行。試樣尺寸為φ50×500mm，材質(zhì)為45鋼。通過(guò)調(diào)節(jié)磁粉制動(dòng)器的激磁電流來(lái)改變加載扭矩值。

為了研究傳感器探頭氣隙變化與感應(yīng)電壓輸出的關(guān)系，加載扭矩150N·m，然后由小到大改變探頭氣隙，并記錄每一氣隙時(shí)傳感器的輸出電源，得到圖4所示的氣隙變化與感應(yīng)電壓輸出的關(guān)系曲線，即U－δ曲線。

圖4 U－δ曲線

由圖4可以看出，當(dāng)扭矩不變時(shí)，U－δ曲線基本為一次函數(shù)的倒數(shù)，即傳感器的輸出電壓U隨氣隙δ的增大而減小，這與式（6）相符。相同氣隙時(shí)，采用非晶態(tài)合金附著層的輸出電壓明顯較高。當(dāng)δ小于0.8mm時(shí)，輸出信號(hào)較強(qiáng)；當(dāng)氣隙大于1.6mm時(shí)，傳感器輸出電壓接近于零。

分別在試樣表面附著和未附著非晶態(tài)合金層兩種情況下，固定探頭氣隙為0.5mm，然后逐漸加大扭矩，記錄每種情況對(duì)應(yīng)載荷下傳感器的輸出電壓值，如表1所示。

表1 兩種情況下的加載試驗(yàn)數(shù)據(jù)

圖5所示為試樣表面附著和未附著非晶態(tài)合金層兩種情況下，所加載扭矩M與傳感器輸出電壓U的關(guān)系曲線。

圖5 M－U曲線

根據(jù)表1數(shù)據(jù)可求出兩種情況下傳感器的最大非線性誤差、不重復(fù)誤差和靈敏度[8]，如表2所示。

表2 兩種情況下的測(cè)量精度和靈敏度比較

4 結(jié)論

（1）與附加式結(jié)構(gòu)相比，采用環(huán)形結(jié)構(gòu)增加了探頭的數(shù)量和跨越軸的角度，提高了輸出信號(hào)的強(qiáng)度；另外，對(duì)稱布置探頭也有利于減小軸偏心或振擺引起的測(cè)量誤差。

（2）傳感器測(cè)量線圈采用差動(dòng)連接，消除或減小了初始信號(hào)輸出，有利于測(cè)量靈敏度的提高。

（3）采用被測(cè)軸表面附著Fe基非晶態(tài)合金層，增強(qiáng)了壓磁效應(yīng)，減小了由于母材不均勻而造成的測(cè)量誤差，使測(cè)量精度和靈敏度明顯提高。

（4）針對(duì)所附著的非晶態(tài)合金層而標(biāo)定的輸出模型適用于任何材質(zhì)的被測(cè)軸，提高了測(cè)量的便捷性。

實(shí)際使用時(shí)，為防止電磁干擾引起的磁場(chǎng)變化，可在傳感器的支承環(huán)上安裝金屬屏蔽罩，通常采用外側(cè)銅內(nèi)側(cè)鐵的雙層材料屏蔽結(jié)構(gòu)，使傳感器得到屏蔽保護(hù)。

本文設(shè)計(jì)的環(huán)形差動(dòng)壓磁式扭矩傳感器是可行的，尤其適合于一些需要固定非接觸監(jiān)測(cè)扭矩的重載低速傳動(dòng)軸。

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