一种用于检测转角_转速和转矩的新型多功能非接触式传感器

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图2
传感器探头分布
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传感器的工作原理
k m 为纳米晶合金材料的磁弹性灵敏度系数， 式中， dμ f km = ， 通 过 试 验 测 定。 若 转 轴 上 的 转 矩 有 变 化 dσ 时， 导致 其 表 面 沿 45 ° 和 135 ° 方 向 应 力 变 化 量 为 Δσ， 则电感 L2A 的增量为 （ 5） lf 2δ + k m ΔσS f μ0 S0 当略去磁滞和涡流损耗时， 并视测量线圈 N2A ΔL2A = 为导线电阻 R 与电感 L 的串联电路。则 N2A 的输出 感应电压为 R2 +（ jωΔL2A ） 2 （ 6） Δ U2 A = i 槡 i 为激磁电流强度， j 为复数 式中， ω 为电源角频率， N1 N2 A
－6 560 ℃ ， 饱和磁致伸缩系数 λ s = 2 ×10 ， 电阻率 ρ = 130 4 ［ 10 ］ · cm， 。 μΩ 最大导磁率 μ ＞8 ×10
（ 2）
Si ， 式中 l i ， μ i 分别为铁芯中磁通路上第 i 段的长度
2 （ m） 、 Sf ， 截面积（ mm ） 及磁导率 （ H / m ） ； l f ， μ f 分别 为轴表面附着的纳米晶薄带的长度、 截面积及磁导
［11 ］
图1
传感器基本结构
实际应用时可以在支撑环上对称安装 2 组探 分别沿 45° 方向和 135° 方向布置， 每一组有 4 个 头， 探头， 如图 2 所示。
若定义 K f 传感器的转矩测量灵敏度， 即 Kf 为 Kf = d L2 A k m μ2 f S f N1 N2 A = 2 dμ f l 2δ lf f + μ f S f μ0 S0
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上分别缠绕转速（ 转角） 测量线圈 N2B 和转矩测量线 圈 N2A 。探头安装在支撑环上， 并能调节与转轴气隙 大小。在转轴表面沿 45° 方向和 135° 方向粘贴纳米 晶合金薄带。线圈 N2B 对应的薄带为间隔条状， 而线 圈 N2A 对应的薄带为无间隔片状。本文选择国内安 泰科技有限公司生产的 RN1 铁基纳米晶软磁合金带 材， 其厚度为 0． 033 mm， 最大宽度为 50 mm。主要技 术参数为： 饱和磁感应强度 B s = 1． 25 T， 居里温度 Tc =
一种用于检测转角 、 转速和转矩的新型多功能非接触式传感器
* 石延平 ， 范书华， 臧
*
勇
（ 淮海工学院机械， 江苏 连云港 222005 ）
摘
要： 对一种基于纳米晶软磁合金的非接触式， 用于测量转角、 转速和转矩的多功能传感器进行了研究 。 介绍了传感器的
结构和原理， 推导出传感器的输出方程和灵敏度表达式 。 通过试验， 分析了传感器激磁磁场强度对转矩测量精度的影响， 并 得出了最佳激磁磁场强度； 在 25 ℃ ～ 100 ℃ 范围研究了温度变化对传感器输出的影响， 其零点温度漂移（ 25 ℃ ） 为 0． 002% F． S / ℃ ； 在 0 ～ 450 N · m 范围进行转矩加载， 得到了较高的测量灵敏度以及较低的线性度误差 、 重复度误差及迟滞静态误差； 在 500 r / min ～ 3 523 r / min 范围内， 转速最大相对误差为 0． 60% 。试验数据显示， 该传感器的精度能够达到 1． 0% ， 对于一般 工程应用是可行的。
关键词： 传感器； 纳米晶软磁合金； 多功能； 磁弹性效应 中图分类号： TP212 文献标识码： A 目前， 能够用于检测转角、 转速和转矩的传感器 种类繁多， 但大多都只有单一功能。 随着现代机电 要求检测的控制量越来越 设备自动化程度的提高， 多， 而设备的结构越来越紧凑， 能够安装传感器的空 间也越来越小。因此， 要求用一个传感器就能够实 现多个参数的检测。 如： 在现代汽车车身电子稳定 系统中要有监测方向盘转向角度和方向的转角传感 器； 在电动助力转向系统中要有监测方向盘上操舵 ［1 ］ 力矩的转矩传感器 ， 而这两类传感器都直接安装 在方向盘转向轴管上。 显然， 在有限的空间内同时 安装两种传感器不仅使系统变得复杂， 而且增加了 成本。目前， 多功能性已经成为了传感器发展的趋
文章编号： 1004 －1699 （ 2012 ） 03 －0378 －05 。 势之一 本文提出了一种利用纳米晶合金， 能够同时检 测转角、 转速和转矩的多功能非接触传感器。 纳米 晶合金是继非晶态合金之后的又一种新型的软磁材 低矫顽力、 高饱和 料。这种材料具有高起始磁导率、 磁感应强度、 高频下的低铁磁损耗及高磁性能温度 稳定性， 是目前综合磁性能最好的软磁合金材料 ， 很 ［6－9 ］ 。 适合作为传感器的敏感材料
Байду номын сангаас
S0 ， 率； δ ， μ0 分别为空气隙的长度、 等效面积及磁导
－7 率（ μ0 = 4 π ×10 H / m） 。但通常铁芯中的磁阻远比 故可以忽略。 气隙磁阻小，
对如图 3 （ a） 所示的转矩测量， 式 （ 2 ） 中的第一 项和第三项不变， 而第二项中的 μ f 随作用于轴上转 矩的变化而改变， 即所谓的磁弹性效应。 根据磁弹 对于磁致伸缩系数 λ ＞0 的铁磁材料 （ 大多 性效应， 数铁碳材料） ， 在拉应力方向的磁弹性能最低， 是易 磁化方向， 即磁导率增加， 磁阻降低； 而在压应力方 磁导率减小， 磁阻增大 。 因此， 传感器沿 45 ° 向， 135 ° ， 和 方向安装的磁路中 最大拉应力 σ1 和最大 压应力 σ2 将使 μ f 产生变化， 即 μ f = f （ σ） 。式（ 2 ） 中 第三项为常数， 仅第二项随 μ f 而变化。 第一项略去， 则有转矩作用时， 测量线圈 N2A 的电感为： L2A = N1 N2 A lf 2 + δ S μ f f μ0 S0 （ 3）
决定传感器测量精度和灵敏度的参数有很多， 主要有： 激磁线圈和测量线圈的匝数比、 线圈导线类 激磁电流的强度和频率、 磁场强度以及传 型与直径、 。 感器探头与被测面之间的气隙等 上述参数的最佳 取值都应通过试验确定。 鉴于篇幅所限， 本文仅讨论有关激磁磁场强度 的确定。激磁磁场强度对传感器的灵敏度和线性度 有很大影响， 过大和过小的激励都会出现严重的非 线性和降低灵敏度。 从理论上讲， 最佳磁场强度是 外加作用力所产生的磁能与外磁场及磁畴磁能之和 而且工作在磁化曲线（ B － H 曲线 ） 的线性 接近相等， 段， 这样使非晶态合金薄带的磁导率成为应变的单 值函数。通常最佳磁场强度取在使磁导率为最大值 的附近， 但此值只能通过试验求的。根据坡莫合金、 ［12 ］ 硅钢片等软磁合金材料的最佳磁场强度试验值 ， 选择 5 种磁场强度激磁 （ 通过改变激磁电流 ） ， 记录 ， 1 不同加载扭矩值时传感器的输出电压 如表 所示。
［2－5 ］
1
传感器的结构
“E ” 传感器基本结构如图 1 所示： 传感器探头为 型结构， 在中间的磁极上缠绕激磁线圈 N1 ， 两端磁极
项目来源： 江苏省海洋资源开发研究院科技开放基金项目（ JSIMR09B07 ） 收稿日期： 2011－10－02 修改日期： 2011－11－22
第3 期
石延平， 范书华等： 一种用于检测转角、 转速和转矩的新型多功能非接触式传感器 为封闭磁路中的磁阻， 其值为： n li l 2 + f + δ Rm = ∑ S S μ μ μ i=1 i i f f 0 S0
第 25 卷 第 3 期 2012 年 3 月
传 感 技 术 学 报
CHINESE JOURNAL OF SENSORS AND ACTUATORS
Vol． 25 No． 3 Mar． 2012
A New Multifunction Non-Contact Sensor to Measure Angle， Rotational Speed and Torque *
传感器以变磁阻电磁感应原理为基础。如图 3 所示， 当转轴转速、 转角或转矩变化时， 引起封闭磁路 中磁阻改变， 从而使测量线圈电感改变。利用电桥电 路， 将测量线圈电感量的变化转变为感应电压输出。
图3
传感器的工作原理
单位。 为提高传感器输出信号的强度， 可将沿 45 ° 和 135 ° 方向探头上的两组转矩测量线圈连接成全等臂 电桥， 则传感器输出的转矩感应总电压增量为 ： （ 7） ΔU ∑2A = 2 ΔU2A
根据电感定义， 测量线圈 N2 的电感为 N1 N2 L2 = （ 1） Rm 式中： N1 为激磁线圈匝数； N2 为测量线圈匝数； R m
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第 25 卷
对如图 3 （ b） 所示的转速与转角测量， 式（ 2 ） 中 的第一项可忽略。 第二项因转矩引起 μ f 变化而改 变， 第三项因气隙长度 δ 变化而改变。 即当转轴在 转矩作用下转动时， 其转速与转角测量线圈 N2B 的 感抗增量为： ΔL2B = N1 N2 B lf 2 + Δδ k m ΔσS f μ0 S0 （ 8）
SHI Yanping * ， FAN Shuhua， ZANG Yong
（ School of Mechanical Engineering， Huaihai Institute of Technology， Lianyungang Jiangsu 222005 ， China）
Abstract ： A new multifunction noncontact sensor based on nanocrystalline soft magnetic alloy was discussed， it can be used for measuring angle， rotational speed and torque． The principle and structure of the sensor were presented， and its output characteristic equation and sensitivity formula were derived． By making a measuring experiment， the and its optimum value was got． At 25 ℃ effect of the exciting field intensity on measurement accuracy was analyzed， ～ 100 ℃ ， the effect of shift in temperature on sensor output also was studied， and its temperature drift noloading · m， more sensitivity and more low error in was 0． 002% F． S / ℃ ； When making a loading torsion test in 0 ～ 450 N linearity ， repeatability and hysteresis were achieved． At 500 r / min ～ 3 523 r / min， maximum rotational speed relative error was 0． 60% ． The experimental result shows the sensor’ s measurement precision is 1． 0% ， and it can be used for general engineering applications． Key words： sensor； nanocrystalline soft magnetic alloy； multifunction； magnetoelastic effect EEACC： 3120W； 7320Z doi： 10． 3969 / j． issn． 1004 －1699． 2012． 03． 020