CN112880882A - 变压器式力传感器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了变压器式力传感器，包括承力筒，所述承力筒内安装有励磁磁芯，所述励磁磁芯包括一个励磁磁极，所述励磁磁极外周缠绕安装有励磁线圈，所述承力筒内位于励磁磁芯轴向两侧对称安装有两个感应磁芯，所述感应磁芯是两块尺寸相同但材料不同的铁磁体，分别为正磁致伸缩材料铁磁体与负磁致伸缩材料铁磁体。

Description

变压器式力传感器

技术领域

本公开属于力传感器技术领域，具体涉及一种变压器式力传感器。

背景技术

本部分的陈述仅仅是提供了与本公开相关的背景技术信息，不必然构成在先技术。

在大马力拖拉机的电液提升控制过程中，土壤阻力是主要的控制信号之一。作为电液提升控制的主要信号接收装置，力传感器在其中具有不可替代的作用，是电液提升器的核心部件之一。

力传感器性能的好坏将直接影响到悬挂农具的作业质量，力传感器的工作环境，要求其不但应具有较大的重载荷承受能力，而且要求其能在微小应变的前提下具有良好的线性输出，即具有较高的灵敏度，申请号“201821961305.9”名称为“双维度传感器”的中国专利，公开了“励磁磁芯包括两对励磁磁极，每对励磁磁极径向对称设置，两对励磁磁极交叉设置，励磁磁极的端面共同构成励磁安装面，各励磁磁芯上分别缠绕安装约励磁线圈，励磁磁芯轴向两侧对称安装有两感应磁芯，各感应磁芯包括两感应磁极，感应磁极上缠绕感应线圈”的技术方案，当承力筒不受到任何载荷时，两对励磁磁极上的励磁线圈分别产生对称的磁场，这样通过感应线圈的磁通量为零；当承力筒受载荷时，载荷可分解为沿两对励磁磁极方向的分力，每个分力使对应的励磁磁极发生形变，引起励磁磁极的磁阻发生变化，原先的两个对称磁场均发生偏置，通过感应线圈的磁通量发生变化，感应线圈内产生感应电流，并且两个方向的磁场偏置的叠加使得通过感应线圈的磁通量变化增大,产生的感应电流变化幅度也就增大，以此提高灵敏度。

申请号“201821960972.5”名称为“硅钢片叠加型力传感器”的中国专利，公开了“由硅钢片叠加而成的励磁磁芯,励磁磁芯四个臂上形成四个励磁磁极，励磁磁极外周安装有励磁线圈；承力筒内安装有由硅钢片叠加而成的感应磁芯，感应磁芯四个翼端上形成四个感应磁极，感应磁极外周安装有感应线圈，励磁磁芯垂直安装在感应磁芯中间，四个励磁磁极形成两对径向对称设置的励磁磁极”的技术方案，在承力筒不受到任何载荷时，两对励磁磁极上的励磁线圈分别产生对称的磁场，这样通过感应线圈的磁通量为零；当承力筒受载荷时，载荷可分解为沿两对励磁磁极方向的分力，每个分力使对应的励磁磁极发生形变，引起励磁磁极的磁阻发生变化，原先的两个对称磁场均发生偏置，通过感应线圈的磁通量发生变化，感应线圈内产生感应电流，由于励磁磁芯和感应磁芯均是由硅钢片叠加而成，大大提高了本实施例的自感系数，并且在本实施例中起到导磁作用，能够瞬间产生很高的自感电动势，另外两个方向的磁场偏置的叠加使得通过感应线圈的磁通量变化增大,产生的感应电流变化幅度也就增大，以此提高灵敏度。

申请号为201821960972.5的专利中，受力件励磁磁芯为柱状结构，其在剪切应力作用下发生剪切变形，进而导致沿磁芯内部不同方向上的磁导率产生变化，继而引发磁场偏置，通过感应线圈的磁通量发生变化，感应线圈内产生感应电流，励磁磁芯和感应磁芯均是由硅钢片叠加而成，提高了自感系数，并且起到导磁作用，能够瞬间产生很高的自感电动势，另外两个方向的磁场偏置的叠加使得通过感应线圈的磁通量变化增大,产生的感应电流变化幅度也就增大，以此提高了灵敏度。其中，引发磁芯磁导率变化的受力只是一个方向上的剪切应力，为了进一步增加信号灵敏度，在相同受力情况下增大磁场的变形程度，申请号为201821961305.9的专利通过改变励磁磁芯的结构，在竖直方向作用力作用下，使其在竖直方向发生剪切变形的基础上，增加了一个水平方向结构上的扭转变形，从而将单一的受力变形转变成两种受力变形，当励磁磁芯竖直部分发生剪切变形，水平部分发生扭转变形时，其磁场的变化程度将大于申请号为201821960972.5的专利中磁场的变化程度，从而增加了传感器的灵敏度。

现有技术虽然能够提高传感器的灵敏度，但是不能完全满足大马力拖拉机的电液控制要求，为了进一步的提高传感器的灵敏度，满足电液控制的要求，亟需一种灵敏度更高的变压器式力传感器。

发明内容

本公开为了解决上述问题，提出了一种变压器式力传感器，本公开通过改变感应磁芯材料，使得两个感应磁芯受力后磁导率均发生变化，进而感应线圈内产生的感应电流输出幅度变大,提高了灵敏度。

根据一些实施例，本公开采用如下技术方案：

本公开提供了一种变压器式力传感器；

一种变压器式力传感器，包括承力筒，所述承力筒内安装有励磁磁芯，所述励磁磁芯包括一个励磁磁极，所述励磁磁极外周缠绕安装有励磁线圈，所述承力筒内位于励磁磁芯轴向两侧对称安装有两个感应磁芯，所述感应磁芯是两块尺寸相同但材料不同的铁磁体，分别为正磁致伸缩材料铁磁体与负磁致伸缩材料铁磁体；每个感应磁芯包括一个感应磁极，所述感应磁极外周缠绕安装有感应线圈，两个感应线圈输出差动连接。

与现有技术相比，本公开的有益效果为：

本公开在承力筒不受到任何载荷时，励磁磁极上的励磁线圈产生对称的磁场，这样通过感应线圈的磁通量为零。当承力筒受载荷时，有效作用力为两端支座对力传感器的支座反力，分别作用在两感应磁芯上，使两个感应磁极均发生形变，由于感应磁芯是两块尺寸相同但材料不同的铁磁体，分别为正磁致伸缩材料与负磁致伸缩材料，因此正磁致伸缩材料磁导率减小，负磁致伸缩材料的磁导率增加。两感应线圈输出差动连接。由于两个感应磁芯磁导率均发生变化，进而引起较大的磁通变化，使得感应线圈内产生的感应电流输出幅度变大,以此提高变压器式力传感器的灵敏度。。

附图说明

构成本公开的一部分的说明书附图用来提供对本公开的进一步理解，本公开的示意性实施例及其说明用于解释本公开，并不构成对本公开的不当限定。

图1是本实施例的结构原理图；

图2是本实施例的结构示意图；

图3是本实施例的省略承力筒后的结构示意图；

其中，1-承力筒、11-定位结构、2-励磁磁芯、21-励磁磁极、22-励磁线圈、23-励磁安装面、3-感应磁芯、31-感应磁极、32-感应线圈。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本公开作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本公开提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本公开所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本公开的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

在本公开中，术语如“上”、“下”、“左”、“右”、“前”、“后”、“竖直”、“水平”、“侧”、“顶”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，只是为了便于叙述本公开各部件或元件结构关系而确定的关系词，并非特指本公开中任一部件或元件，不能理解为对本公开的限制。

实施例一

本实施例公开了变压器式力传感器；

变压器式力传感器，包括承力筒1，所述承力筒1内安装有励磁磁芯2，所述励磁磁芯2包括一个励磁磁极21，所述励磁磁极21外周缠绕安装有励磁线圈22。所述励磁线圈22的匝数和连接方式可根据实际需要进行设定，此为本领域技术人员所公知技术，在此不再赘述。

所述承力筒1内位于励磁磁芯2轴向两侧对称安装有两个感应磁芯3，所述感应磁芯3是两块尺寸相同但材料不同的铁磁体，分别为正磁致伸缩材料铁磁体与负磁致伸缩材料铁磁体。每个感应磁芯3包括一个感应磁极31，所述感应磁极31外周缠绕安装有感应线圈32，两个感应线圈32输出差动连接。所述差动输出回路用以输出所述感应线圈32内感应电流大小，从而判断载荷大小，,差动输出回路为本领域技术人员所熟知的，在此不再赘述且在图中未示出。

所述励磁磁芯2的外端面设置有与所述承力筒1内周面配合的弧形励磁安装面23,励磁安装面23与所述承力筒1的内周面过盈配合。感应磁芯3是两块尺寸相同但材料不同的铁磁体，分别为正磁致伸缩材料与负磁致伸缩材料。

其中，磁芯材料可以影响磁场的磁感应强度，选择材料时要求导磁率高、损耗小、磁化曲线线性段较宽、磁性能稳定的材料。常用磁芯材料坡莫合金1J85和硅钢片B30P110参数对比可知，相比硅钢片B30P110，坡莫合金1J85具有极低的矫顽力和较高的初始磁导率及最大磁导率，对微弱信号反应灵敏，饱和磁感应强度低，因此选择坡莫合金1J85作为磁芯材料。

基于磁致伸缩原理设计的变压器式力传感器，采用坡莫合金1J85作为磁芯材料，外壳选用45调质钢与45Cr调质钢两种材料。传感器励磁电路为直流脉动激励。对传感器仿真，结果显示，传感器具有良好的力-电压转换特性。对传感器进行加载试验结果表明:45调质钢外壳静态特性曲线线性度决定系数为0.989，最高输出电压为0.53V；40Cr调质钢外壳静态特性曲线线性度决定系数为0.9784，最高输出电压为0.38V。

在相同外力作用下，变压器式力传感器输出幅度明显高于对比文件输出幅度，其灵敏度大大提高，线性度有了明显的改善，由于两个感应磁芯磁导率均发生变化，使得在小位移形变作用下使得***具有更大的线性信号输出幅度，提高了灵敏度。

当承力筒1受到重载荷作用时，有效作用力为两端支座对力传感器的支座反力，分别作用在两感应磁芯3上，两个感应磁极31均发生形变，正磁致伸缩材料磁导率减小，负磁致伸缩材料的磁导率增加。两感应线圈32输出差动连接。由于两个感应磁芯3磁导率均发生变化，使得感应线圈32内产生的感应电流输出幅度变大,提高了灵敏度。

实施例二

本实施例中，励磁安装面23位于励磁磁芯2、感应磁芯3的两侧，励磁安装面23有两个，每个励磁安装面23一体成型。励磁安装面23的顶面与承力筒1相接触，所述励磁磁芯2对应的励磁安装面23的顶面高度低于感应磁芯3对应的励磁安装面23的顶面高度。所述励磁磁芯2与两个感应磁芯3之间镂空设计。

实施例三

所述承力筒1为圆管加工而成，当然所述承力筒1也可以是通过在销轴上钻孔而成，其外周面上可增加台阶或者插槽结构11用以定位安装。

承力筒1的外周面上设置有定位结构11，定位结构11为台阶或者插槽用以定位安装的结构。

承力筒1只是用来承载并传递外部作用力，其本身并不作为磁路的组成部分存在，通过套筒的磁通均可归置于漏磁范围内，因此，套筒应采用磁导率较小的材料制作，或者在套筒与磁芯接触区域增加隔磁部分，以降低漏磁影响。

实施例四

本实施例中的变压器式力传感器应用在大马力拖拉机上。

以上所述仅为本公开的优选实施例而已，并不用于限制本公开，对于本领域的技术人员来说，本公开可以有各种更改和变化。凡在本公开的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本公开的具体实施方式进行了描述，但并非对本公开保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本公开的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本公开的保护范围以内。

Claims (10)

1.变压器式力传感器，其特征在于，包括承力筒，所述承力筒内安装有励磁磁芯，所述励磁磁芯包括一个励磁磁极，所述励磁磁极外周缠绕安装有励磁线圈，所述承力筒内位于励磁磁芯轴向两侧对称安装有两个感应磁芯，所述感应磁芯是两块尺寸相同但材料不同的铁磁体，分别为正磁致伸缩材料铁磁体与负磁致伸缩材料铁磁体。

2.根据权利要求1所述的变压器式力传感器，其特征在于，每个感应磁芯包括一个感应磁极，所述感应磁极外周缠绕安装有感应线圈，两个感应线圈输出差动连接。

3.根据权利要求1所述的变压器式力传感器，其特征在于，所述励磁磁芯的外端面设置有与所述承力筒内周面配合的弧形励磁安装面,励磁安装面与所述承力筒的内周面过盈配合。

4.根据权利要求3所述的变压器式力传感器，其特征在于，所述励磁安装面位于励磁磁芯、感应磁芯的两侧。

5.根据权利要求3所述的变压器式力传感器，其特征在于，所述励磁安装面有两个，每个励磁安装面一体成型。

6.根据权利要求3所述的变压器式力传感器，其特征在于，励磁安装面的顶面与承力筒相接触，所述励磁磁芯对应的励磁安装面的顶面高度低于感应磁芯对应的励磁安装面的顶面高度。

7.根据权利要求3所述的变压器式力传感器，其特征在于，所述励磁磁芯与两个感应磁芯之间镂空设计。

8.根据权利要求1所述的变压器式力传感器，其特征在于，所述承力筒的外周面上增加台阶或者插槽结构，用以定位安装。

9.根据权利要求1所述的变压器式力传感器，其特征在于，所述承力筒采用磁导率较小的材料制作。

10.根据权利要求1所述的变压器式力传感器，其特征在于，所述变压器式力传感器应用在大马力拖拉机上。

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