CN101871827A - 一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头，包括读数头壳体和马蹄形衔铁芯。所述读数头壳体由完全对称的两部分连接而成，并形成一个放置马蹄形衔铁芯的腔体和一个环型空间阵列钢管通过的通道；所述马蹄形衔铁芯上缠绕有两组线圈，其中一组为激励线圈，输入为激励电流；另一组为感应线圈，输出则为所感应的电压信号。本发明根据交流电磁感应原理，实现扭矩信息到电信号的转化。本发明所述读数头通过沿着机械转轴有整周的相对位移，实现对机械转轴扭矩信息的在线动态测量。由于读数头处于密封状态，使得检测条件不受外部环境的制约，能适用于水轮机、地质勘探等极端环境下的机械转轴扭矩检测。

Description

一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头

技术领域

本发明属于传感与测量控制领域，具体涉及一种环型空间阵列非接触式扭矩传感器的读数头。

背景技术

重庆大学所设计的一种环型空间阵列扭矩传感器(ZL200810069912.9)，由环型空间阵列和磁电式检测器组成。环型空间阵列由一根环型的非磁性不锈钢管和一定数目的磁性钢球组成，磁性钢球在管内单排紧密排列，从而形成一个环型空间阵列；磁电式检测器由铝制外壳封装而成，内部有：线圈组、塑料骨架和信号处理电路。其中，塑料骨架安装在铝制外壳的内壁上，线圈组由一个主线圈和四个次级线圈组成，主线圈和四个次级线圈按照设定间隔依次缠绕在塑料骨架上并环绕所述空间阵列。

所述环型空间阵列通过螺钉等固定在传动轴上，并且磁电式检测器嵌套在环型空间阵列外部，造成磁电式检测器不能围绕所述环型空间阵列进行整周运动，检测器仅能对部分的环型位移量进行检测。所述扭矩传感器也仅能测量一端固定，另一端扭动情况下的扭矩检测，不能测量旋转机械轴产生的动态扭矩。

发明内容

本发明针对目前对强冲击、高温、腐蚀、振动大等极端环境下机械转轴动态扭矩的测量仍无有效检测方法的现状，提出一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头，利用球对称特性和交流电磁感应原理，通过沿着机械轴有整周的相对位移，实现对机械转轴扭矩的在线动态测量。所述环型空间阵列，由一根闭合的环型非磁性不锈钢管和一定数目的磁性钢球组成，磁性钢球在管内单排紧密排列；所述闭合的环型非磁性不锈钢管的大小，根据受测机械转轴的直径而定。安装时，所述闭合的环型非磁性不锈钢管嵌套在受测机械转轴上，并通过钢管上均匀分布的四个通孔，用螺钉等固定环型空间阵列，使环型空间阵列和机械转轴一起转动。

本发明提出的一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头，包括读数头壳体和马蹄形衔铁芯，所述读数头壳体由完全对称的两部分连接而成，并形成腔体和圆弧通道；所述马蹄形衔铁芯置于腔体中，所述通道用于嵌套在环型空间阵列外部；所述马蹄形衔铁芯上缠绕有两组线圈，一组为激励线圈，输入为激励电流；一组为感应线圈，输出为相应的感应电压信号；所述读数头壳体的顶部通过上盖进行密封。

根据交流电磁感应原理，在激励线圈上加上一定频率和振幅的正弦信号，当机械转轴在扭矩的作用下产生动态扭转角时，读数头将相对于环型空间阵列产生相应的环型位移。根据环型空间阵列内部磁性钢球的排列方式，线圈之间的互感系数也会产生相应的变化，感应线圈上便会产生相对于激励信号的感应调幅信号，其幅值的大小与线圈之间的互感系数有关，也即与线圈套住磁性钢球的有效体积有关，从而实现扭矩信息到电信号的转化。

本发明提供一种极端环境下机械转轴动态扭矩测量传感器的读数头，所述读数头通过沿着机械转轴有整周的相对位移，实现对机械转轴扭矩的在线动态测量。同时，由于读数头处于密封状态，使得检测条件不受外部环境的制约，具有防尘、防水、防油、抗振动、抗高低温等优点，能适用于水轮机、地质勘探等极端环境下的机械轴扭矩检测。另外，由于本发明可以动态实时测量环型位移，若配以适当的计算机软硬件，便可以测量机械转轴的转速和角加速度。

附图说明

图1本发明读数头壳体结构的正面示意图；

图2本发明读数头壳体结构的A-A剖面图；

图3本发明读数头壳体结构的B-B剖面图；

图4本发明马蹄形衔铁芯的正面示意图；

图5本发明读数头整体结构示意图。

图中：1-读数头壳体；2-读数头壳体上盖；3-外壳；4-凹型内壳；5-腔体；6-圆弧通道；7-连接读数头两对称部分的销孔；8-固定读数头壳体上盖的销孔；9-凹型内壳侧壁上的梯形斜槽；10-马蹄形衔铁芯；11-衔铁芯线圈；12-衔铁芯端部。

具体实施方式

下面结合附图，进一步说明本发明的具体实施方式：

本发明包括读数头壳体1和马蹄形衔铁芯10。如图1-图3所示，读数头壳体1由对称的两部分在销孔7处通过螺钉等连接而成；每一对称部分可分为外壳3和凹型内壳4，内壳4侧壁上有梯形斜槽9，内、外壳由硬铝合金一次性整体加工成型。两对称部分的内壳4组成圆弧通道6，所述通道6用于嵌套在环型空间阵列外部，使得读数头壳体能够沿着环型空间阵列做完整的圆周运动；两对称部分外壳3组成腔体5。

所述腔体5内放置马蹄形衔铁芯10，衔铁芯端部12比较薄，其厚度为1mm，主要是为了读数头在和环型空间阵列有相对移动时，能对磁性钢球起到扫描的作用。衔铁芯端部12可放入内壳侧壁上的梯形斜槽11内，以实现读数头壳体1和马蹄形衔铁芯10的紧密结合，提高读数头的密封性。

如图4所示，马蹄形衔铁芯10上缠绕有两组线圈11，其中一组为激励线圈，输入为激励电流；另一组为感应线圈，输出为相应的感应电压信号。所述线圈组均采用绝缘剂贴以铜箔，然后利用照相腐蚀的办法做成印刷绕组。

如图5所示，马蹄形衔铁芯10置于读数头壳体1的腔体5中，读数头壳体1的顶部通过上盖2，在销孔8处通过螺钉等进行密封固定。整个读数头用塑胶进行密封。使用时，将所述读数头的圆弧通道6嵌套在环型空间阵列外部，并通过支架将读数头固定，以确保圆弧通道6与环型空间阵列表面的间隙为0.2mm。激励线圈和感应线圈之间的互感原理为：

当激励电流为正弦稳态形式且其角频率为w时，可用相量表示感应线圈的互感电压为：

${\stackrel{\·}{U}}_{21}=\mathrm{jw}{M}_0{\stackrel{\·}{I}}_1---\left(1\right)$

式中，M₀表示两线圈的互感系数，表示感应线圈的互感电流。

当激励电压对应的相量为

激励线圈的等效电阻为r₁，等效电感分别为L₁，则

${\stackrel{\·}{I}}_1={\stackrel{\·}{U}}_1/(r_1+\mathrm{jw}{L}_1)---\left(2\right)$

${\stackrel{\·}{U}}_{21}=\mathrm{jw}{M}_0{\stackrel{\·}{U}}_1/(r_1+\mathrm{jw}{L}_1)---\left(3\right)$

则感应线圈的互感电压的有效值为：

$U_{21}=w{M}_0{U}_1/{(r_1^2+w^2{L}_1^2)}^{1/2}=k_1{M}_0{U}_1---\left(4\right)$

式中为常数。因此，感应线圈输出电压的幅值正比于两线圈之间的互感系数M₀，而互感系数M₀与磁介质的性质有关。在本发明中，互感系数M₀与线圈所围的磁性钢球的有效体积有关。由于该有效体积是周期性变化的，因此互感系数也应呈周期变化。

当线圈相对于环型空间阵列的位移为x，并设某一磁性钢球的球心为0点，此时所对应的互感系数M₀最大，可表达为：

M₀＝k₂[cos(2πx/D)+A]                            (5)

式中D为磁性钢球的直径，k₂为常量，A为互感系数产生的直流分量，k₂A代表线圈之间的固有互感系数。

当对激励线圈所加的电压u₁为：

u₁＝Usin(wt)                                (6)

则感应线圈所感应的电压u₂为：

u₂＝k₁k₂U[cos(2πx/D)+A]sin(wt+θ)＝kU[cos(2πx/D)+A]sin(wt+θ)            (7)

其中，k＝k₁k₂为比例系数，θ是感应电压和激励电压之间的固有相差。由此可知，感应电压的幅值受到环型位移x的调制，对感应电压信号进行解调，即可得到环型位移的变化量，从而实现扭矩信息到电信号的转化。

以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并且因此使得本领域的技术人员能够做出和使用本发明。但这仅仅是一个较佳的实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。

Claims (4)

1.一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头，包括读数头壳体(1)和马蹄形衔铁芯(10)，所述读数头壳体(1)由完全对称的两部分连接而成，其特征在于：所述读数头壳体(1)的两个对称部分连接形成腔体(5)和圆弧通道(6)；所述马蹄形衔铁芯(10)置于腔体(5)中，所述通道(6)用于嵌套在环型空间阵列外部；所述马蹄形衔铁芯(10)上缠绕有两组线圈(11)，一组为激励线圈，一组为感应线圈；所述读数头壳体(1)的顶部通过上盖(2)进行密封。

2.根据权利要求1所述一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头，其特征在于：所述马蹄形衔铁芯(10)的衔铁芯端部(12)厚度为1mm。

3.根据权利要求1所述一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头，其特征在于：所述读数头壳体(1)的内壳(4)侧壁上有梯形斜槽(11)。

4.根据权利要求1-3所述一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头，其特征在于：整个读数头用塑胶进行密封。

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