CN104034463B - 一种高线性度分段激磁式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

一种高线性度分段激磁式扭矩传感器，主要包括传感器轴、内环铁心、第一段激磁绕组、补偿绕组、外环铁心、输出绕组和第二段激磁绕组，第一段激磁绕组和补偿绕组固定在内环铁心中，两相绕组在空间上正交，第二段激磁绕组和输出绕组固定在外环铁心中，两相绕组在空间上也正交，传感器工作时，两段激磁绕组串接，通入正弦交变电压，传感器轴受到负载扭矩作用时，第二段激磁绕组和输出绕组在空间上的位置，相对于初始无负载扭矩作用时发生改变，经过电磁耦合，输出绕组产生与负载扭矩对应的感应电动势，通过合理调节两段激磁绕组的匝数与输出绕组的匝数，可以使得输出绕组产生的感应电动势与负载扭矩呈高度的线性对应关系。

Description

一种高线性度分段激磁式扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种新型扭矩传感器，更具体的是涉及一种基于磁电感应原理的高线性度分段激磁式扭矩传感器。

背景技术

随着科学技术的不断进步和生产发展的各种需要，扭矩测量技术在工业、航空航天、农业、军事等多个领域获得了广泛的应用。例如在塑壳式低压断路器智能测控***中，采用扭矩传感器对电机轴输出扭矩进行实时检测，当螺丝刀对螺母锁紧到一定程度时，扭矩瞬时增大，磁电式扭矩传感器检测到该阶跃信号，控制电机停转。

目前在扭矩测量中，传递类扭矩传感器应用十分广泛，传递类扭矩传感器按扭矩信号的产生方式可分为光学式、光电式、磁电式、应变式、电容式等等，其中市场上较成熟的扭矩传感器主要是磁电式和应变式。磁电式扭矩传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，对信号进行组合处理后得到扭矩信息，它是非接触式传感器，无磨损、无摩擦，可用于长期测量，不足之处是体积大，不易安装，德国HBM公司、日本小野测器和中国湘西仪表厂均有生产；应变式转矩传感器以电阻应变片为敏感元件，如德国HBM公司的T1，T2，T4系列转矩传感器、北京三晶集团的JN338系列传感器等，它们在转轴或与转轴串接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并连接成惠思顿电桥，扭矩使轴的微小变形引起应变阻值发生变化，电桥输出的信号与扭矩成比例，传感器可以测量静态和动态转矩、高频冲击和振动信息，具有体积小重量轻等优点，不足之处是信号的传输易受干扰且损耗较大，导致测量精度不是很高。

发明内容

本发明提供了一种新结构高线性度分段激磁式扭矩传感器，主要包括传感器轴、内环铁心、第一段激磁绕组、补偿绕组、外环铁心、第二段激磁绕组和输出绕组。第一段激磁绕组和补偿绕组固定在内环铁心中，两相绕组在空间上正交，第二段激磁绕组和输出绕组固定在外环铁心中，两相绕组在空间上也正交。

传感器工作时，两段激磁绕组串接，通入正弦交变电压，无负载扭矩作用时，第一段激磁绕组的轴线与第二段激磁绕组的轴线在空间上的位置相同，补偿绕组的轴线与输出绕组的轴线在空间上的位置也相同，激磁绕组产生的脉振磁通与输出绕组无匝链，输出绕组的感应电动势为零；传感器轴受到负载扭矩作用时，第二段激磁绕组与输出绕组同时扭转过一定的空间角度，相对无负载扭矩作用时的初始位置发生了改变，此时激磁绕组产生的脉振磁通与输出绕组匝链，经过电磁耦合，输出绕组产生与负载扭矩对应的感应电动势，通过合理调节两段激磁绕组的匝数与输出绕组的匝数，可以使得输出绕组产生的感应电动势与负载扭矩呈高度的线性关系。

本发明的目的采取下述技术方案实现：

一种高线性度分段激磁式扭矩传感器，主要包括传感器轴、内环铁心、第一段激磁绕组、补偿绕组、外环铁心、输出绕组和第二段激磁绕组；

内环铁心的左端与传感器轴固定，内环铁心的右端通过轴承与传感器轴接触且可以相对传感器轴转动；

外环铁心的右端与传感器轴固定，外环铁心的左端通过轴承与内环铁心接触且可以相对内环铁心转动；

内环铁心设有绕组槽，第一段激磁绕组和补偿绕组嵌放在内环铁心绕组槽中，且第一段激磁绕组的轴线与补偿绕组的轴线在空间上互相垂直；

外环铁心设有绕组槽，第二段激磁绕组和输出绕组嵌放在外环铁心绕组槽中，且第二段激磁绕组的轴线与输出绕组的轴线在空间上互相垂直；

无负载扭矩作用时，第一段激磁绕组的轴线与第二段激磁绕组的轴线在空间上位置相同，补偿绕组的轴线与输出绕组的轴线在空间上位置相同。

嵌放在内环铁心中的第一段激磁绕组和嵌放在外环铁心中的第二段激磁绕组为串联方式连接，工作时通入正弦交流电压：

嵌放在内环铁心中的补偿绕组的两端引出线直接短接；

第二段激磁绕组的匝数与输出绕组的匝数相同。

第一段激磁绕组的匝数与输出绕组的匝数之间的比值为0.56-0.59之间。

如上述的结构，本发明的新型高线性度分段激磁式扭矩传感器，其工作原理为：

第一段激磁绕组和第二段激磁绕组串接后通入正弦交流电压，进而产生磁势幅值随时间变化的脉振磁场，经由外环铁心、空气隙和内环铁心形成闭合回路。传感器轴一端固定，另一端加载扭矩，当负载扭矩为零时，传感器轴不发生形变，分别与传感器轴两端固定的内环铁心和外环铁心的初始位置保持不变，固定于内环铁心的第一段激磁绕组和固定于外环铁心的输出绕组，其初始位置在空间上互差90°，固定于外环铁心的第二段激磁绕组和输出绕组，其初始位置在空间上互差90°，第一段激磁绕组的轴线与第二段激磁绕组的轴线在空间上的位置相同，补偿绕组的轴线与输出绕组的轴线在空间上的位置也相同，此时激磁磁场为直轴磁场，与输出绕组无交链，输出绕组产生的感应电动势为零；当负载扭矩不为零时，传感器轴发生形变，第二段激磁绕组和输出绕组同时扭转过一定的空间角度，相对初始位置发生改变，激磁绕组产生的激磁磁场与输出绕组交链，输出绕组产生相应的感应电动势，该感应电动势与传感器轴加载的负载扭矩相对应。

此时第二段激磁绕组相对于初始位置转过一定的空间角度，第二段激磁绕组产生的脉振磁通存在交轴分量，由于补偿绕组直接短接，且补偿绕组的阻抗很小，根据楞次定律，补偿绕组产生与该交轴磁场对抗的磁场，保证传感器工作时的磁场基本只有直轴磁场。

为了使传感器输出绕组产生的感应电动势与负载扭矩成高度的线性关系，第二段激磁绕组的匝数与输出绕组的匝数相同，且第一段激磁绕组的匝数和输出绕组的匝数比值应在0.56-0.59之间。

如上述的结构，本发明利用电磁感应原理构成的新型高线性度分段激磁式转矩传感器，传感器轴一端固定，一端与负载同轴安装，能够把负载扭矩转换成电信号输出，且输出绕组产生的电信号与负载扭矩呈高度对应的线性关系。

附图说明

图1为本发明的高线性度分段激磁式扭矩传感器的结构示意图；

图2为图1的A-A面的剖视图；

图3为本发明的扭矩传感器实施扭矩测量的工作原理图；

图4为图2中补偿绕组的工作原理图。

具体实施方式

以下结合附图进一步描述本发明扭矩传感器的结构特征。

图1为本发明扭矩传感器的结构示意图，包括传感器轴1、轴承2、内环铁心3、第一段激磁绕组绕组4、补偿绕组5、外环铁心6、第二段激磁绕组7、输出绕组8和轴承9。

内环铁心3的左端与传感器轴1固定，内环铁心3的右端通过轴承2与传感器轴1接触且可以相对传感器轴1转动。

外环铁心6的右端与传感器轴1固定，外环铁心6的左端通过轴承9与内环铁心3接触且可以相对内环铁心3转动。

内环铁心3设有绕组槽，第一段激磁绕组4和补偿绕组5嵌放在内环铁心3绕组槽中。

外环铁心6设有绕组槽，第二段激磁绕组7和输出绕组8嵌放在外环铁心6的绕组槽中。

嵌放在内环铁心3中的第一段激磁绕组4和嵌放在外环铁心6中的第二段激磁绕组7为串联方式连接，工作时通入正弦交流电压。

嵌放在内环铁心3中的补偿绕组5的两端引出线直接短接。

嵌放在外环铁心6中第二段激磁绕组7的匝数与嵌放在外环铁心6中的输出绕组8的匝数相同。

嵌放在内环铁心3中的第一段激磁绕组4的匝数与嵌放在外环铁心6中的输出绕组8的匝数之间的比值为0.56-0.59之间。

传感器轴1的材料为碳钢或合金钢等材料；内环铁心3和外环铁心6由高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成；第一段激磁绕组4、补偿绕组5、第二段激磁绕组7和输出绕组8均为直焊性聚氨酯漆包圆铜线。

图2为图1的A-A面的剖视图，包括传感器轴1、内环铁心3、第一段激磁绕组绕组4、补偿绕组5、外环铁心6、第二段激磁绕组7和输出绕组8。

内环铁心3设有绕组槽，第一段激磁绕组4和补偿绕组5嵌放在内环铁心3绕组槽中，第一段激磁绕组4的轴线与补偿绕组5的轴线在空间上互相垂直。

外环铁心6设有绕组槽，第二段激磁绕组7和输出绕组8嵌放在外环铁心6的绕组槽中，第二段激磁绕组7的轴线与输出绕组8的轴线在空间上互相垂直。

无负载扭矩作用时，第一段激磁绕组4的轴线与第二段激磁绕组7的轴线在空间上位置相同，补偿绕组5的轴线与输出绕组8的轴线在空间上位置相同。

本发明的高线性度分段激磁式扭矩传感器实施扭矩测量的工作原理如图3所示：第一段激磁绕组4的两端分别为L₁和L₂，第一段激磁绕组4用L₁-L₂来表示，补偿绕组5的两端分别为C₁和C₂，补偿绕组5用C₁-C₂来表示，第二段激磁绕组7的的两端分别为L₃和L₄，，第二段激磁绕组7用L₁-L₂来表示，输出绕组8的的两端分别为R₁和R₂，输出绕组8用R₁-R₂来表示。

第一段激磁绕组L₁-L₂和第二段激磁绕组L₃-L₄通入交流电U_f后，分别产生脉振磁通Φ₁和脉振磁通Φ₂，经由内环铁心3、空气隙和外环铁心6形成闭合磁路。当传感器轴未受负载扭矩作用时，传感器的剖面图和对应的电路接线图如图3(a)所示，脉振磁通Φ₁和脉振磁通Φ₂都与输出绕组R₁-R₂、补偿绕组C₁-C₂无匝链，输出绕组R₁-R₂产生的感应电动势e_o＝0，补偿绕组C₁-C₂产生的感应电动势e_c＝0，图3(a)中的磁通Φ为脉振磁通Φ₁和脉振磁通Φ₂的合成磁通。

当传感器轴受到负载扭矩作用时，传感器的剖面图和对应的电路接线图如图3(b)所示，输出绕组R₁-R₂相对图3(a)中的初始位置逆时针产生对应角位移θ，该角位移θ与所加负载扭矩存在一一对应关系，输出绕组R₁-R₂轴线与第一段激磁绕组L₁-L₂轴线的夹角为90-θ，则输出绕组R₁-R₂产生的感应电动势e_o≠0。此外，第二段激磁绕组L₃-L₄同样逆时针转过θ角度，则第二段激磁绕组L₃-L₄产生的脉振磁通Φ₂存在交轴分量，由于补偿绕组C₁-C₂直接短接，且补偿绕组C₁-C₂的阻抗很小，根据楞次定律，补偿绕组C₁-C₂感应电流产生的磁通基本上能够将第二段激磁绕组L₃-L₄产生的脉振磁通Φ₂的交轴分量抵消，因此，传感器工作时的磁通可以近似认为只有直轴磁通Φ。

根据电磁感应定律，直轴脉振磁通Φ在第一段激磁绕组L₁-L₂中产生的感应电动势的有效值E_L为：

E_L＝4.44fW_fΦ(1)

式中f为交流电压U_f的频率，W_f为第一段激磁绕组L₁-L₂匝数。

同理，直轴脉振磁通Φ在第二段激磁绕组L₃-L₄中产生感应电动势的有效值E_m为：

E_m＝4.44fW_mΦcosθ＝kE_Lcosθ(2)

式中W_m为第二段激磁绕组L₃-L₄匝数，k＝W_f/W_m为第一段激磁绕组L₁-L₂的匝数与第二段激磁绕组L₃-L₄的匝数的比值。

设输出绕组的匝数同为W_m，直轴脉振磁通Φ在输出绕组R₁-R₂中产生感应电动势的有效值E_o为：

E_o＝4.44fW_mΦcos(90-θ)＝kE_Lsinθ(3)

由于第一段激磁绕组L₁-L₂和第二段激磁绕组L₃-L₄串联，如果忽略两段激磁绕组的阻抗，根据基尔霍夫电压定律有：

U_f＝E_L+E_m＝E_L(1+kcosθ)(4)

联立式(3)和式(4)可得：

$E_o=\frac{k\sin }{1+k\cos \mathrm{\θ}}{U}_f---\left(5\right)$

由式(5)可知，输出绕组R₁-R₂产生的感应电动势的有效值E_o和负载扭矩产生的角位移θ存在一定的对应关系，即E_o和负载扭矩存在一定的对应关系。

传感器的输出特性最好是线性，即理想输出特性为：

$E_o=\frac{k\sin }{1+k\cos \mathrm{\θ}}{U}_f={\mathrm{KU}}_f\mathrm{\θ}---\left(6\right)$

负载扭矩产生的角位移θ要在传感器轴的弹性范围内，度数较小，且此时负载扭矩与产生的角位移θ为线性关系。要为了达到式(6)的要求，经过数学公式推导，第一段激磁绕组L₁-L₂的匝数与输出绕组R₁-R₂的匝数之间的比值k＝W_f/W_m为0.56-0.59之间，当k＝W_f/W_m＝0.57时，扭矩传感器标定得到的最大非线性误差约为0.26％，可以满足实际工程中扭矩测量的要求。

本发明的扭矩传感器图2中补偿绕组5C₁-C₂的工作原理如图4所示：传感器轴1受到负载扭矩作用时，第二段激磁绕组L₃-L₄和输出绕组R₁-R₂同时相对于初始位置转过角度θ，假设第一段激磁绕组L₁-L₂和第二段激磁绕组L₃-L₄某瞬间激磁电流如图4所示，电流为左端流进，右端流出，则第二段激磁绕组L₃-L₄产生的脉振磁通Φ₂存在交轴分量Φ_sq，根据楞次定律，补偿绕组C₁-C₂中会产生如图4所示感应电流，此感应电流产生磁通Φ_c，用于抵消第二段激磁绕组L₃-L₄产生的脉振磁通Φ₂的交轴分量Φ_sq，从而保证传感器工作时的磁通基本只有直轴磁通Φ。

Claims (7)

1.一种高线性度分段激磁式扭矩传感器，主要包括传感器轴、内环铁心、第一段激磁绕组、补偿绕组、外环铁心、输出绕组和第二段激磁绕组，其特征在于：

嵌放在内环铁心中的第一段激磁绕组和嵌放在外环铁心中的第二段激磁绕组为串联方式连接，工作时通入正弦交流电压；

嵌放在外环铁心中的第二段激磁绕组的匝数与输出绕组的匝数相同；

嵌放在内环铁心中的第一段激磁绕组的匝数与嵌放在外环铁心中的输出绕组的匝数之间的比值为0.56-0.59之间。

2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于：内环铁心左端与传感器转轴固定，右端通过轴承与传感器轴接触且可以相对传感器轴转动。

3.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于：外环铁心右端与传感器轴固定，左端通过轴承与内环铁心接触且可以相对内环铁心转动。

4.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于：内环铁心设有绕组槽，第一段激磁绕组和补偿绕组嵌放在内环铁心绕组槽中，且第一段激磁绕组的轴线与补偿绕组的轴线在空间上互相垂直。

5.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于：外环铁心设有绕组槽，第二段激磁绕组和输出绕组嵌放在外环铁心绕组槽中，且第二段激磁绕组的轴线与输出绕组的轴线在空间上互相垂直。

6.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于：无负载扭矩作用时，第一段激磁绕组的轴线与第二段激磁绕组的轴线在空间上位置相同，补偿绕组的轴线与输出绕组的轴线在空间上位置相同。

7.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于：嵌放在内环铁心中的补偿绕组的两端引出线直接短接。