基于納米晶軟磁合金的磁彈性扭矩傳感器的研究*

石延平 ，臧 勇，崔伯第

(1.淮海工學院機械學院，江蘇連云港 222005;2.中國礦業技術大學機械學院，江蘇徐州221116)

在種類繁多的扭矩傳感器中，磁彈性扭矩傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、結構簡單、使用便捷，能夠實現不介入、非接觸在線測量等優點［1－3］。但由于一般碳鋼材料機電耦合系數比較低，磁彈性效應弱，材質均勻性差，致使扭矩測量誤差大，靈敏度低［4－6］。所以這類傳感器一般只應用于靜態重載扭矩的測量。本文研究的新型磁彈性扭矩傳感器，采用了半套環結構，并利用鐵基納米晶軟磁合金良好的軟磁特性進行輔助測量，使傳感器的精度和靈敏度大幅提高。

納米晶合金是繼非晶態合金之后的又一種新型軟磁材料。這種材料具有高起始磁導率、低矯頑力、高飽和磁感應強度、高頻下的低鐵磁損耗及高磁性能溫度穩定性，是目前綜合磁性能最好的軟磁合金材料［7－9］。與鐵基非晶態合金相比，納米晶軟磁合金的飽和磁致伸縮系數和磁導率雖然比鐵基非晶態合金的小，但其飽和磁感應強度也小。另外，處于穩態的納米晶合金材料的磁性能溫度穩定性優于亞穩態的非晶合金材料。且在制備非晶態合金材料時產生的應力通過退火處理在很大程度上得到弛豫釋放，因此納米晶合金材料的磁性能對外加應力十分敏感且能保持非常好的溫度穩定性［10］。除此之外，鐵基非晶態合金薄帶比較脆，不利于現場裁剪與粘貼。

1 傳感器的結構與原理

傳統的磁彈性扭矩傳感器大多采用附加式和全套環結構［11］。前者由于傳感器在被測軸上的跨越角度太小，會使傳感器和軸表面之間的空隙大小發生變化，造成磁的不均勻性，從而給傳感器帶來測量誤差。后者雖然可以克服前者上述缺點，但適應性較差，現場安裝也不方便。

圖1所示為本文設計的半套環差動式磁彈性扭矩傳感器的基本結構。

圖1 傳感器基本結構

傳感器的探頭座用螺釘固定在支承環上，而支承環又固定在支架上，并可根據待測軸徑大小，在水平方向和垂直方向調節。在支承環上，沿軸的周向均布若干組(圖中為3組)傳感器探頭，每組探頭由兩個相互垂直的“山”字型磁芯A和B構成，每個磁芯上都纏繞激磁線圈和測量線圈。探頭用螺釘，沿+σ或－σ方向緊固在探頭座的卡槽中，并與轉軸上納米晶軟磁合金層表面保持固定的氣隙δ。所有探頭的激磁線圈并聯，而每組探頭鐵芯A和B上的測量線圈先反向串聯，形成差動，再正向串聯。為了防止干擾磁場，在傳感器探頭上安裝了磁屏蔽罩。

傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 傳感器的封閉磁路及交流電橋

當勵磁線圈N1接通具有一定頻率的交流電時，便在勵磁磁極上產生了交變磁通φ1。磁力線穿過與被測表面的間隙，滲入納米晶軟磁合金層(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°和－45°分別作用于最大拉應力和最大壓應力。當沒有扭矩作用時，軸表面各段磁阻相等，通過兩測量線圈的磁通相等;根據磁彈性效應，當材料的磁致伸縮系數λ＞0，在拉應力方向的磁彈性能最低，是易磁化方向，即磁導率增加，磁阻降低;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。

利用軟磁材料進行應力測量時，傳感器的靈敏度與軟磁材料的飽和磁致伸縮系數和磁導率成正比，而與其飽和磁感應強度的平方成反比。本文選擇國內安泰科技有限公司生產的RN1鐵基納米晶軟磁合金帶材，其厚度為0.033 mm，最大寬度為50 mm。主要技術參數為:飽和磁感應強度Bs=1.25 T，居里溫度Tc=560℃，飽和磁致伸縮系數 λs=2×10－6，電阻率ρ=130 μΩ·cm，最大導磁率 μ＞8×104。

在待測軸表面附著納米晶合金的工藝方法對測量的精度和靈敏度有很大的影響。目前可采用的工藝方法有:電鍍、噴涂、等離子法、濺射、粘貼等。粘貼工藝簡單易行，但納米晶合金薄帶也有一定脆性，不易裁剪的太寬。另外，所用粘結劑應具有高粘結度、強度高、蠕變小、滯后和溫度系數小等特點［12］。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，然后用溫度60°C，10%的硅酸鈉溶液清洗浸泡數分鐘，最后進行粘貼。

2 傳感器輸出特性

圖2中的探頭磁芯A、B上的測量線圈N2A、N2B和平衡臂電阻RA、RB構成變壓器電橋，其輸出電動勢經橋路后相減，如圖3所示。圖中，N2A=N2B=N2。

激磁線圈和測量線圈以及被測軸構成一個變壓器，其感應電動勢用下式計算:

圖3 傳感器的交流電橋

而 Φm=μ0S0H0=μmSmHm=μcScHc，式中，ω 為激磁電源的圓頻率;N2為每組測量線圈的匝數;Φm為最大主磁通量;μ0、μc、μm分別為空氣、納米晶軟磁合金材料及探頭磁芯的絕對磁導率;S0、Sc、Sm分別為對應上述各段不同磁路的截面積;H0、Hc、Hm分別為對應各段不同磁路的磁場強度，在激磁電源的激磁電流、激磁頻率以及激磁線圈的匝數N1確定以后，各段磁路內磁場強度可認為是恒定不變的。如果測量時保持探頭氣隙δ為常數，那么引起測量線圈上感應電動勢變化的唯一原因就是:轉軸表面應力σ導致μc的變化，則測量線圈上感應電動勢為

由于兩組測量線圈的匝數相同，所以，

式中，k=2πfN2ScHc為常量。

兩組測量線圈上的感應電動勢分別為:

式中，μcA、μcB分別為探頭磁芯A和B下轉軸表面上納米晶合金材料的磁導率。

當傳動軸未承受扭矩時，μcA=μcB，E2A=E2B，輸出電壓經橋路相減后有ΔE2=0，即輸出信號為零;當轉動軸承受扭矩時，在軸表面沿軸線成±45°方向上產生最大主應變ε1和ε2二者絕對值相等。根據磁彈性效應，ε1導致 μcA增加;ε2導致 μcB減小，并且|ΔμcA|=|ΔμcB|=Δμc，兩組測量線圈中的感應電動勢分別為

采用圖3所示的測量橋路，橋路的輸入電壓為

則傳感器橋路的輸出電壓U0為

設RA=RB，則

根據磁彈性效應，ΔμC=Kμσ，Kμ為納米晶軟磁合金材料的磁彈性靈敏度，通過試驗測定。故

式中，M為軸所受扭矩;Wp為軸的抗扭截面系數。當傳感器靈敏度Kμ在傳感器量程范圍內為常數，則傳感器輸出電壓與扭矩成單值函數關系。

3 測量試驗

試驗內容包括兩部分［13］:一是傳感器最佳激磁條件確定，如激磁電流強度和頻率，激磁線圈和測量線圈的匝數比;二是測量動態轉矩時，不同探頭氣隙時，傳感器的線性度、重復度和靈敏度等主要靜態特性以及不同轉速對傳出的影響。限于篇幅，本文只介紹試驗的第2部分內容。

圖4所示為試驗裝置及原理框圖。

圖4 試驗裝置及原理框圖

試驗系統動力為兩臺交流異步電動機，額定功率分別為45 kW和30 kW;額定轉速分別為2 940 r/min和1 470 r/min。動力分別通過皮帶增速和聯軸器輸入。加載裝置為CZ－100磁粉制動器，其額定扭矩為1 000 N·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～±1000 N·m;轉速表為SZG－20B手持數字轉速表;虛擬扭矩儀核心為美國NI公司的CompactDAQ數據采集裝置。

根據試驗確定的最佳的激磁條件為:線圈匝數比N1∶N2=40 ∶100，激磁電流I1=50 mA，激磁頻率f=30 kHz。試驗在室溫下進行。試樣尺寸為φ50×500，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。

為了證明利用納米晶軟磁合金輔助測量的效果，在相同條件下(傳感器探頭氣隙為0.5 mm)，分別對粘貼非晶納米合金帶材和不粘貼納米晶合金帶材的試件進行了加載測量試驗，試驗數據分別如表1和表2所示。并由此分析傳感器得非線性誤差、不重復誤差以及靈敏度［14］。

根據表1表和表2所示數據可求出兩種情況下傳感器的靜態特性。

未粘貼納米晶合金帶材時，最大非線性誤差、不重復誤差和未放大的靈敏度分別為:2.16%F·S、1.93%F·S和0.59;粘貼納米晶合金帶材時，最大非線性誤差、不重復誤差和未放大靈敏度分別為:0.91%F·S、1.29%F·S 和1.39。顯然，采用納米晶軟磁合金輔助測量時最大非線性誤差和不重復誤差分別降低58%和33%，測量靈敏度提高了1.36倍。

表1 未粘貼納米晶帶材的測量數據

表2 粘貼納米晶帶材的測量數據

為了研究傳感器輸出電壓U0大小隨探頭氣隙δ變化的規律，固定加載扭矩為100 N·m，然后由小到大調節δ，記錄不同δ時傳感器的輸出電壓值，并由此得到U0－δ曲線，如圖5所示。

圖5 U0－δ曲線

從圖5可以看出，當扭矩不變時，U0－δ曲線基本為一次函數的倒數，即傳感器的輸出電壓U0隨氣隙δ的增大而減小。根據文獻［13］，傳感器的輸出電壓與氣隙δ為:

式中α、β、γ為與待測表面有關的磁路以及空氣磁導率有關的常數;r2和X2分別測量線圈的有效阻抗和無效阻抗;I1為激磁電流強度。當氣隙δ小于0.8 mm時，輸出信號強;當氣隙δ大于1.6 mm時，傳感器輸出電壓接近為零。圖5所示曲線與式(10)基本相符。

圖6 三種轉速時傳感器的輸出曲線

圖6所示為傳動軸分別以5 600 r/min、2 920 r/min和1 250 r/min旋轉時，傳感器的輸出電壓的動態曲線。通過曲線可以看出，當傳動軸轉速5 600 r/min時，傳感器輸出電壓波動比較大，其波動范圍為±25 mV左右，這主要是由于采用皮帶增速傳動時，引起傳動軸較大的振擺，使傳感器探頭氣隙δ變化所致［15］。隨著傳動軸轉速降低，傳感器輸出電壓的波動性也有所減小。

減少扭矩測量中探頭氣隙的變化對提高扭矩測量的精度是很重要的。通常可以采用的措施主要是合理設計和安裝傳感器的支承裝置，或將傳感器和支承裝置與傳動軸固定，信號輸出以及激磁電源的輸入均采用無線傳輸。

4 結論

根據上述理論和試驗分析，可以得出如下結論:

(1)與附加式結構相比，半套環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;有利于減少軸偏心或振擺引起的測量誤差;

(2)與全套環式結構相比，半套環結構使用方便，便于不介入測量，對軸徑變化適應性強;

(3)測量線圈采用了差動聯接，消除了傳感器的零漂，提高了測量靈敏度;

(4)采用被測軸表面附著納米晶軟磁合金層，增強了磁彈性效應，消除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。

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