一種用于檢測轉角、轉速和轉矩的新型多功能非接觸式傳感器*

石延平，范書華，臧 勇

(淮海工學院機械，江蘇 連云港 222005)

目前，能夠用于檢測轉角、轉速和轉矩的傳感器種類繁多，但大多都只有單一功能。隨著現代機電設備自動化程度的提高，要求檢測的控制量越來越多，而設備的結構越來越緊湊，能夠安裝傳感器的空間也越來越小。因此，要求用一個傳感器就能夠實現多個參數的檢測。如:在現代汽車車身電子穩定系統中要有監測方向盤轉向角度和方向的轉角傳感器；在電動助力轉向系統中要有監測方向盤上操舵力矩的轉矩傳感器［1］，而這兩類傳感器都直接安裝在方向盤轉向軸管上。顯然，在有限的空間內同時安裝兩種傳感器不僅使系統變得復雜，而且增加了成本。目前，多功能性已經成為了傳感器發展的趨勢之一［2－5］。

本文提出了一種利用納米晶合金，能夠同時檢測轉角、轉速和轉矩的多功能非接觸傳感器。納米晶合金是繼非晶態合金之后的又一種新型的軟磁材料。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，很適合作為傳感器的敏感材料［6－9］。

1 傳感器的結構

傳感器基本結構如圖1所示:傳感器探頭為“E”型結構，在中間的磁極上纏繞激磁線圈N1，兩端磁極上分別纏繞轉速(轉角)測量線圈N2B和轉矩測量線圈N2A。探頭安裝在支撐環上，并能調節與轉軸氣隙大小。在轉軸表面沿45°方向和135°方向粘貼納米晶合金薄帶。線圈N2B對應的薄帶為間隔條狀，而線圈N2A對應的薄帶為無間隔片狀。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［10］。

圖1 傳感器基本結構

實際應用時可以在支撐環上對稱安裝2組探頭，分別沿45°方向和135°方向布置，每一組有4個探頭，如圖2所示。

圖2 傳感器探頭分布

2 傳感器的工作原理

傳感器以變磁阻電磁感應原理為基礎。如圖3所示，當轉軸轉速、轉角或轉矩變化時，引起封閉磁路中磁阻改變，從而使測量線圈電感改變。利用電橋電路，將測量線圈電感量的變化轉變為感應電壓輸出。

圖3 傳感器的工作原理

根據電感定義，測量線圈N2的電感為

式中:N1為激磁線圈匝數；N2為測量線圈匝數；Rm為封閉磁路中的磁阻，其值為:

式中li，Si，μi分別為鐵芯中磁通路上第i段的長度(m)、截面積(mm2)及磁導率(H/m)；lf，Sf，μf分別為軸表面附著的納米晶薄帶的長度、截面積及磁導率；δ，S0，μ0分別為空氣隙的長度、等效面積及磁導率(μ0=4π×10－7H/m)。但通常鐵芯中的磁阻遠比氣隙磁阻小，故可以忽略。

對如圖3(a)所示的轉矩測量，式(2)中的第一項和第三項不變，而第二項中的μf隨作用于軸上轉矩的變化而改變，即所謂的磁彈性效應。根據磁彈性效應，對于磁致伸縮系數λ＞0的鐵磁材料(大多數鐵碳材料)，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［11］。因此，傳感器沿45°和135°方向安裝的磁路中，最大拉應力σ1和最大壓應力σ2將使μf產生變化，即μf=f(σ)。式(2)中第一項略去，第三項為常數，僅第二項隨μf而變化。則有轉矩作用時，測量線圈N2A的電感為:

若定義Kf傳感器的轉矩測量靈敏度，即Kf為

當略去磁滯和渦流損耗時，并視測量線圈N2A為導線電阻R與電感L的串聯電路。則N2A的輸出感應電壓為

式中，i為激磁電流強度，ω為電源角頻率，j為復數單位。

為提高傳感器輸出信號的強度，可將沿45°和135°方向探頭上的兩組轉矩測量線圈連接成全等臂電橋，則傳感器輸出的轉矩感應總電壓增量為:

對如圖3(b)所示的轉速與轉角測量，式(2)中的第一項可忽略。第二項因轉矩引起μf變化而改變，第三項因氣隙長度δ變化而改變。即當轉軸在轉矩作用下轉動時，其轉速與轉角測量線圈N2B的感抗增量為:

式中，Δδ為氣隙長度δ的變化量，Δδ=h，h為納米晶薄帶厚度。則N2B的輸出感應電壓為

若定義Kr為傳感器的轉角與轉速測量靈敏度，即Kr為

根據式(10)，提高Kr可采取的措施是增大km、μf、Δδ或減小δ。通過在軸表面附著納米晶合金薄帶使km和μf獲得提高，增加納米晶合金薄帶的厚度或層數能夠提高Δδ。但為使傳感器有好的線性性，通常Δδ/δ小于0.1。顯然，降低非線性誤差和提高靈敏度是矛盾的。

轉速與轉角測量線圈N2B的輸出信號是脈沖電壓信號，信號的幅值是由壓磁效應和探頭氣隙變化引起電感變化的疊加；信號的頻率f為

式中，n為被測軸的轉速；Z為軸表面附著的納米晶合金薄帶條的數目。測定了感應電壓的頻率，就能夠算得軸的轉速。為此將獲得的感應電壓放大并整形，然后通過相應數字電路進行計數，并計算出轉角。

3 測量試驗

圖4所示為試驗裝置及原理框圖。通過試驗，研究有關最優激磁參數的選擇；靜態特性以及溫度誤差等。試樣尺寸為φ50×500，材質為45#鋼。

圖4 試驗裝置及測量電路組成

決定傳感器測量精度和靈敏度的參數有很多，主要有:激磁線圈和測量線圈的匝數比、線圈導線類型與直徑、激磁電流的強度和頻率、磁場強度以及傳感器探頭與被測面之間的氣隙等。上述參數的最佳取值都應通過試驗確定。

鑒于篇幅所限，本文僅討論有關激磁磁場強度的確定。激磁磁場強度對傳感器的靈敏度和線性度有很大影響，過大和過小的激勵都會出現嚴重的非線性和降低靈敏度。從理論上講，最佳磁場強度是外加作用力所產生的磁能與外磁場及磁疇磁能之和接近相等，而且工作在磁化曲線(B－H曲線)的線性段，這樣使非晶態合金薄帶的磁導率成為應變的單值函數。通常最佳磁場強度取在使磁導率為最大值的附近，但此值只能通過試驗求的。根據坡莫合金、硅鋼片等軟磁合金材料的最佳磁場強度試驗值［12］，選擇5種磁場強度激磁(通過改變激磁電流)，記錄不同加載扭矩值時傳感器的輸出電壓，如表1所示。

表1 不同磁場強度時傳感器的輸出電壓

根據此表數據擬合出不同磁場強度時傳感器的扭矩電壓曲線(M－U2)如圖5所示。

圖5 不同磁場強度時傳感器的M－U2曲線

由圖5可知，當磁場強度比較小時，傳感器輸出靈敏度高，但線性度差；當磁場強度比較大時，情況正好相反。對于納米晶軟磁合金，最佳磁場強度取為200 A/m。當線圈匝數比N1∶N2確定后，根據最佳磁場強度計算出激磁電流I1，并考慮到集膚效應，根據納米晶軟磁合金薄帶厚度，計算出合理的激磁頻率f。在室溫(25℃)下進行扭矩加載試驗，試驗數據如表2所示。

表2 25℃時傳感器扭矩加載試驗數據

根據表2數據求出傳感器的靜態特性為:最大線性誤差為 0.819%F.S；最大重復性誤差為0.509%F.S；最大遲滯誤差為 0.530%F.S；最大靈敏度為0.632 mV/(N·m)。根據上述指標，可以認為傳感器的精度等級基本達到了1.0%級。與傳統的磁彈性扭矩傳感器相比，其靈敏度和測量精度有較大提高［13－14］。根據表2數據擬合出傳感器的輸出特性曲線，如圖6所示。

圖6 傳感器的扭矩測量靜態特性曲線

常規磁彈性扭矩傳感器的最大誤差是遲滯誤差和位置誤差(線性誤差)。靜態測量時的最大遲滯誤差可達3%以上，其主要來源于被測軸材料的彈性遲滯、彈性后效及磁遲滯。當采用納米晶薄帶附著于被測軸表面后，由于納米晶軟磁合金的磁滯回線比較窄，結構均勻，所以，使測量遲滯誤差大幅降低。位置誤差主要是由于軸轉動時，軸表面與探頭間氣隙的變化引起。而本文方案采用了多探頭對稱布置，增強了“測量平均效應”使該項誤差得以降低。

溫度變化對磁彈性探頭式扭矩傳感器的測量精度有很大影響，主要有三方面:一是溫度升高或降低使傳感探頭材料熱脹冷縮；二是溫度變化導致傳感器線圈幾何尺寸和電參數發生變化；三是被測材料磁特性隨溫度的變化，其值可達2%/10℃。這三方面的影響都使傳感器輸出特性發生變化，產生較大測量誤差。由于本文設計的傳感器采用了差動連接方式，另外納米晶軟磁合金有更好的溫度穩定性，所以溫度變化對該傳感器的輸出特性影響很小。如表3所示，在25℃ ～100℃范圍，傳感器的輸出變化為0.29 mV，其熱零點溫漂系數(25℃)為0.002%F.S/℃，靈敏度基本不變。

表3 25℃～100℃溫度范圍傳感器的輸出電壓

表4所示為恒定負載下不同轉速時，傳感器測量的轉速以及與轉速表所測量轉速的相對誤差。

表4 傳感器的轉速測量數據及誤差

表4顯示當轉速增加時，轉速相對誤差變大。但在500 r/min～3 523 r/min范圍內小于1%，這一精度能夠滿足對一般工程的轉軸轉速測量的要求。

表5所示為不同轉矩和轉速耦合時同時測量轉矩和轉速的試驗。

表5 同時測量轉矩和轉速試驗數據

表中不同轉矩和轉速下的相對誤差根據式(12)計算。測量轉速的基準傳感器為數字式轉速表。

表5所示數據顯示在高轉速小轉矩狀態下，轉矩相對誤差和轉速相對誤差均比較小；當轉矩增大而轉速變化不大時，轉矩相對誤差和轉速相對誤差都增大，其原因是兩個參量的乘積，即轉軸傳遞功率增大時，轉軸扭振加劇所致。該誤差由于具有明顯的單向性，所以可以通過算法進行補償。

4 結論

根據上述理論和試驗分析，可以總結出本文設計的多功能傳感器具有如下特點:①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；②采用了多探頭套環式結構，在保證較高安裝同心的條件下，能夠利用“平均效應”降低傳感器的測量誤差，提高其輸出信號功率；③測量線圈采用了差動聯接，有利于消除傳感器的溫度漂移，提高了測量靈敏度；④如果傳感器采用對開式套環結構，能夠實現在不斷開傳動軸系的情況下，實現非接觸，無介入動態測量；⑤可通過預先對納米晶軟磁合金薄帶進行感生磁各向異性，從而能進一步提高傳感器的測量靈敏度和精度。

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