環形差動壓磁式非接觸動態扭矩傳感器的研究與設計

石延平 周慶貴 臧 勇

淮海工學院，連云港，222005

0 引言

如何高精度、不介入、非接觸地在線測量傳動軸扭矩，一直是扭矩傳感器領域的研究重點和難點。基于鐵磁材料壓磁效應的扭矩傳感器，因具有輸出功率大、抗干擾能力強、過載性能好、結構簡單、使用便捷，并能在惡劣環境下工作以及實現非接觸在線測量等優點而受到長期關注[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，這類傳感器雖然結構簡單，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生變化，從而引起磁的分布不均勻，造成測量誤差。另外，普通鐵磁材料機電耦合系數比較小（通常為0.15～0.30），壓磁效應弱，致使傳感器測量精度及靈敏度較低（特別是當載荷較小時）[2]。

本文研究的扭矩傳感器利用非晶態合金的良好軟磁特性和較高的機電耦合系數（可達0.75），并采用多探頭和差動結構，能夠提高測量精度和靈敏度。

1 傳感器的結構與原理

圖1所示為環形差動壓磁式扭矩傳感器的基本結構。支承環套在待測轉軸上，并固定于機架上。在支承環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個相互垂直的∏形或E形磁芯構成，磁芯上纏繞激磁線圈和測量線圈。每組探頭由螺釘沿＋σ或－σ方向緊固在支承環的卡槽中，并與轉軸表面保持固定的氣隙δ。

圖1 環形差動壓磁式扭矩傳感器結構

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

為了提高轉矩測量的精度和靈敏度以及減少傳感器因不同材質的磁彈性標定的工作量，在軸表面附著一層Fe基非晶態合金。Fe基非晶態合金大多具有很高的機電耦合系數，經過適當的退火處理，其機電耦合系數可進一步提高。而機電耦合系數越高，傳感器的靈敏度就越高[3]。

圖2 環形差動壓磁式扭矩傳感器工作原理

采用∏形或E形磁芯的環形差動壓磁式扭矩傳感器的工作原理如圖2所示。當激磁線圈接通具有一定頻率的交流電時，便在激磁磁極上產生交變磁通Φ。磁力線穿過被測表面的氣隙δ，滲入被測材料內部（滲入深度與激磁電流的頻率有關），再通過測量磁極回到激磁磁極，形成封閉的磁回路。根據材料力學，當軸受扭矩作用時，在其表面沿＋45°或－45°方向分別產生最大拉應力或最大壓應力。當沒有扭矩作用時，軸表面非晶態合金各段磁阻相等，通過兩測量線圈的磁通相等，由于線圈反向串接，所以磁通相互抵消，傳感器輸出為零；當軸上作用扭矩時，在其表面＋45°或－45°方向產生等值的拉應力或壓應力。根據壓磁效應，當材料的磁致伸縮系數λ＞0時，則在拉應力方向的磁彈性能最低，是易磁化方向，即磁導率增大，磁阻減小；而在壓應力方向，磁導率減小，磁阻增大。因此，傳感器兩測量線圈分別感生增量電壓＋ΔU和－ΔU。由于測量線圈反向串聯以及具有多組探頭，所以傳感器的總輸出信號通過疊加而增強。如果采用圖2b所示的E形磁芯結構，則有利于增加測量線圈的匝數，提高傳感器的輸出電壓。

根據鐵磁學理論，不同的鐵磁材料，由于磁致伸縮系數λ不同，其磁導率隨應變的變化規律不同[4]。也就是說，對不同材料的軸，在利用壓磁效應測量轉矩之前，都需要先對相同材料的試樣進行標定，以建立應力（應變）與磁特性間的數學關系，然后再根據此關系進行測量。但當利用某一種非晶態合金進行間接測量轉矩時，只需標定一次就可以將其附著于多種不同材質的軸表面進行轉矩測量。顯然，測量輔助工作量大大減小。

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

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

本文選擇國內安泰科技有限公司生產的Fe80B20鐵基輥剪帶材，其厚度為0.03mm，主要技術參數為：飽和磁感應強度Bs＝1.50T，居里溫度Tc＝410℃，飽和磁致伸縮系數λs＝2.7×10－5，電阻率ρ＝130μΩ·cm，最大磁導率μ＞2.5×105H／m，抗拉強度σs＝1500MPa。此種材料經微晶化退火處理后，可獲得更大的Δμ／μ值和機電耦合系數。

將非晶態合金附著于被測材料表面的工藝方法有：電鍍、噴涂、濺射、粘貼等。粘貼工藝簡單易行，但所用粘結劑應具有粘結度高、強度高、蠕變小、滯后和溫度系數小等特點[7]。作為初步研究，本文采用了粘貼附著方法。粘貼前，先對試件上的粘貼區域用砂輪打磨，然后用60℃、質量分數10%的硅酸鈉溶液清洗浸泡數分鐘后進行粘貼。實際應用中，為了防止非晶態合金薄帶因長期承受應力作用而產生蠕變，應在工作一定時間后，更換附著在軸表面的非晶態合金薄帶，或者采用電鍍、噴涂等方法，使非晶態合金層與被測軸牢固地剛化為一體。

2 傳感器輸出特性

根據磁路定律，圖2a所示磁路中的瞬時磁通為

式中，e0為磁動勢；r為磁極下的氣隙磁阻；Rab為封閉磁路中激磁磁極至測量磁極的磁阻；Rcd為軸表面非晶態合金段磁阻。

當采用交流激磁時，式（1）變為

式中，δ為磁極下的氣隙厚度；μ0、μf、μc分別為空氣、轉軸表面非晶態合金材料以及探頭鐵芯的絕對磁導率；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量磁極的通流截面積；Sf為磁力線在非晶態合金材料轉軸表面中的通流截面積；lc、lf分別為磁力線通過磁芯和轉軸表面非晶態合金材料中的路徑長度；N1為激磁線圈匝數；I1和f分別為激磁線圈中的電流有效值和頻率。

由法拉第電磁感應定律知

式中，e2為測量線圈中的感應電動勢；N2為測量線圈匝數；Km為系數。

根據壓磁效應，μf是應力的函數；考慮到軸的振擺、轉速不均勻以及支承環的安裝誤差等因素，δ為變量。傳感器的測量線圈輸出端接有測量儀器和電路，可將其視為傳感器測量線圈的有效負載，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力或最大壓應力；RL為負載的有效電阻；r2和X2分別為測量線圈的有效阻抗和無效阻抗。

當作用轉矩為靜態且探頭氣隙也不變化時，傳感器測量線圈輸出電壓的增量為

式中，k為非晶態合金材料的磁彈性靈敏度系數，通過試驗標定。

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

3 測量試驗

試驗內容包括：傳感器最佳激磁參數（如激磁電流強度和頻率、激磁線圈和測量線圈的匝數比、最大氣隙）的確定；軸表面附著和不附著非晶態合金層兩種情況下，傳感器的線性度、重復度以及靈敏度等主要靜態特性的比較。本文重點分析傳感器探頭氣隙變化與感應電壓輸出的關系以及進行兩種情況下傳感器主要靜態特性的比較。

圖3所示為試驗系統的組成。動力源為YCT225電磁異步調速電動機，標稱功率為15kW，轉速范圍為1250～125r／min；加載裝置為CZ－100磁粉制動器，其額定扭矩為1000N·m；監控扭矩傳感器為北京中瑞能儀表技術有限公司制造的ZRN503應變式動態扭矩傳感器，量程為0～±1000N·m；虛擬扭矩儀為美國NI公司的CompactDAQ數據采集裝置。

圖3 測量系統原理框圖

根據試驗確定最佳的激磁條件為：線圈匝數比N1∶N2＝40∶100，激磁電流I1＝50mA，激磁頻率f＝30kHz。試驗在室溫下進行。試樣尺寸為φ50×500mm，材質為45鋼。通過調節磁粉制動器的激磁電流來改變加載扭矩值。

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

圖4 U－δ曲線

由圖4可以看出，當扭矩不變時，U－δ曲線基本為一次函數的倒數，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，采用非晶態合金附著層的輸出電壓明顯較高。當δ小于0.8mm時，輸出信號較強；當氣隙大于1.6mm時，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，記錄每種情況對應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數據

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

圖5 M－U曲線

根據表1數據可求出兩種情況下傳感器的最大非線性誤差、不重復誤差和靈敏度[8]，如表2所示。

表2 兩種情況下的測量精度和靈敏度比較

4 結論

（1）與附加式結構相比，采用環形結構增加了探頭的數量和跨越軸的角度，提高了輸出信號的強度；另外，對稱布置探頭也有利于減小軸偏心或振擺引起的測量誤差。

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

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

（4）針對所附著的非晶態合金層而標定的輸出模型適用于任何材質的被測軸，提高了測量的便捷性。

實際使用時，為防止電磁干擾引起的磁場變化，可在傳感器的支承環上安裝金屬屏蔽罩，通常采用外側銅內側鐵的雙層材料屏蔽結構，使傳感器得到屏蔽保護。

本文設計的環形差動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測扭矩的重載低速傳動軸。

[1]文西芹，張永忠.扭矩傳感器的現狀與發展趨勢[J].儀表技術與傳感器，2001（12）：1-3.

[2]傅俊杰.磁致伸縮效應非接觸式扭矩傳感器的研究[D].徐州：中國礦業大學，1995.

[3]Shen L P，Uchiyama T，Mohri K，et al.Sensitive Stress－impedence Micro Sensor Using Amorphous Magnetostrictive Wire[J].IEEE Transactions on Magnetics，1997，33（5）：3355-3357.

[4]宛德福，馬興龍.磁性物理學[M].北京：機械工業出版社，1999.

[5]解源，趙英俊.非晶態合金材料磁敏特性及應用的研究[J].傳感技術學報，2000，13（4）：322-325.

[6]石延平.利用非晶態合金進行平面應力磁測法的研究[J].機械強度，2004，26（2）：154-158.

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[8]郭振芹.非電量電測量[M].北京：計量工業出版社，1984.