石延平 周慶貴 臧 勇
淮海工學(xué)院,連云港,222005
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。
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。
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。
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
(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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