CN103439034A - 一种多功能测力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种多功能测力传感器，包括十字弹性轴、输出输入集流环、导磁连杆、铁基纳米微晶合金附着层、激磁线圈、测量线圈、防磁干扰屏蔽罩；所述十字弹性轴的四臂长度相等，在其垂直方向两端安装测量拉力的拉力环，水平方向两端分别安装用于测量转矩的联轴器和用于测量压力的压头；在十字弹性轴承载表面附着铁基纳米微晶合金附着层，在铁基纳米微晶合金附着层表面缠绕测量线圈；导磁连杆连接在十字弹性轴端部并构成菱形导磁钢框；在导磁连杆上缠绕激磁线圈；整个传感器置于防磁干扰屏蔽罩内。该传感器既能测量拉力，又能测量压力和转矩，具有较高的精度和灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种测力传感器，特别是一种既能测量拉力，又能测量压力和转矩的高精度多功能传感器。
技术背景
目前国内应用最大的测力传感器是电阻应变式传感器，其原理是将电阻应变片粘贴在受被测载荷作用的弹性元件上，应变片将弹性元件的应变变化转换成电阻变化，利用测量电路将电阻变化转变为电压变化，并显示与记录，从而得出所受载荷的大小。但电阻应变片小，灵敏度一般，受温度变化影响较大，抗干扰能力差，不适合恶劣环境工作，应变片粘接质量以及长时间的应用所产生的蠕变对测量精度影响很大。另外，常用的测力传感器功能单一，当被测载荷形式经常变化时，就必须选择多种传感器。而多功能化，即利用单一传感器实现多项参数的测量，是当前传感器的发展趋势之一。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的是提供一种多功能测力传感器，该传感器利用铁基纳米微晶合金，具有较高测量精度、灵敏度、温度稳定性；结构简单，既能测量拉力，又能测量压力和转矩，是一种多功能测力传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一种多功能测力传感器，其特征在于：该传感器包括十字弹性轴、输出输入集流环、导磁连杆和防磁干扰屏蔽罩；十字弹性轴和导磁连杆均设置在防磁干扰屏蔽罩内；所述十字弹性轴的四臂长度相等，在其垂直方向两端安装测量拉力的拉力环，水平方向两端分别安装用于测量转矩的联轴器和用于测量压力的压头；在十字弹性轴承载表面附着铁基纳米微晶合金附着层，在铁基纳米微晶合金附着层表面缠绕测量线圈；导磁连杆连接在十字弹性轴端部并构成菱形导磁钢框；在导磁连杆上缠绕激磁线圈；用于测量动态转矩的输入输出信号集流环设置在十字弹性轴水平方向上。
本发明中，十字弹性轴4臂长度相等，材质为40Cr钢。可通过激光熔覆、或热喷涂、或粘贴等工艺方法在十字弹性轴承载表面附着一层厚度为30～50μm的铁基纳米微晶合金，然后在其表面缠绕匝数为N 2的测量线圈，共计4个。采用普通碳钢制成的导磁连杆和销轴，把十字弹性轴端部紧紧连接，构成一个菱形导磁钢框。分别在每个导磁连杆上缠绕匝数为N 1的激磁线圈，共计4个。在十字弹性轴水平方向安装集流环，用于测量动态转矩时，输入激磁电流和输出感应信号，集流环安装在与联轴器相对的另一端。为防止外部电磁干扰，将整个十字弹性轴及线圈置于铝制的屏蔽罩内。
本发明的优点如下：
1、采用特殊结构的受力敏感元件，即十字弹性轴，不仅实现了单一传感器既能测量拉压力，又能测量转矩。
2、导磁连杆不仅使传感器磁路封闭，而且使十字弹性轴垂直方向作用拉力时，水平方向受压；或者水平方向作用压力，垂直方向收拉。根据磁弹性效应，当测量拉力时，压力方向磁导率的变化增强了传感器的输出。同样，当测压力时，垂直方向产生的磁导率的变化也增强了传感器的输出。最终，使传感器的输出灵敏度得到提高。
3、充分利用了铁基纳米微晶合金的软磁特性，即利用其大幅高于普通铁磁材料的磁导率、磁致伸缩系数、机电耦合系数以及良好的温度稳定性，均匀的微观组织，从而明显提高了传感器的测量精度和灵敏度。
4、采用了交流全等臂测量电桥，实现了十字弹性轴水平与垂直两个方向测量线圈感应电压的相互增强，还能完全消除由于温度变化引起的线圈阻抗的改变。
5、本发明结构简单，制作容易，工作可靠，适应性强。
附图说明
图1是本发明的结构示意图。
图2是十字弹性轴的受力分析图。
图3a是传感器工作原理示意图中磁路示意图。
图3b是线圈N 2由于电磁感应产生感应电势E 2示意图。
图4是感应电压采用交流全等臂电桥输出示意图。
具体实施方式
一种多功能测力传感器，见图1，该传感器包括十字弹性轴1、输出输入集流环2、导磁连杆3、防磁干扰屏蔽罩4；十字弹性轴和导磁连杆均设置在防磁干扰屏蔽罩内；十字弹性轴的四臂长度相等，材质为40Cr钢。在其垂直方向两端安装测量拉力的拉力环11，水平方向两端分别安装用于测量转矩的联轴器12和用于测量压力的压头13；在十字弹性轴水平段和垂直段圆周承载表面附着铁基纳米微晶合金附着层14，可通过激光熔覆、热喷涂、粘贴等工艺方法在十字弹性轴承载表面附着一层厚度为30～50μm的铁基纳米微晶合金，然后在其表面缠绕匝数为N 2的测量线圈15，共计4个。导磁连杆通过销轴连接在十字弹性轴端部并构成菱形导磁钢框；分别在每个导磁连杆上缠绕匝数为N 1的激磁线圈31；在十字弹性轴水平方向上设有测量动态转矩时，用于输入输出信号的输出输入集流环2。输出输入集流环设置在十字弹性轴水平方向的左端压头侧。
本发明为防止外部电磁干扰，将整个十字弹性轴及线圈置于铝制的屏蔽罩内。
本发明基于铁磁材料的磁弹性效应以及电磁感应原理。对于受拉压应力的铁磁材料，所谓磁弹性效应是指，当材料处于弱磁场中的，在拉应变方向的磁导率增大，而在压应力方向的磁导率减小。对于受转矩作用的传动轴，磁弹性效应是指，在一根旋转的铁磁轴中若通入电流，则在轴中不仅有环形磁通，还有轴向磁通存在。
图2所示为传感器敏感元件十字弹性轴的受力状况。
根据力学知识，当传感器测量拉力F时，在垂直方向，作用于十字弹性轴的轴向力F N3为拉力，其值为：
由于导磁连杆的作用，F引起十字弹性轴水平方向的轴向力
为压力，其值为：
式中，E、A分别为导磁连杆的弹性模量和横截面积；E 3、A 3分别为十字弹性轴弹性模量和横截面积。α、β分别为导磁连杆与十字弹性轴垂直段和水平段的夹角。由于十字弹性轴垂直段和水平段长度相等，所以α=β。同理可以计算得，当传感器测量压力P时，其引起十字弹性轴水平方向的轴向力为压力，而垂直方向依然是拉力。
传感器工作时，线圈N 1上加一定的交流电势E 1时，形成如图3a所示磁路。又如图3b所示，在线圈N 2由于电磁感应产生感应电势E 2，其值为：
（4）
式中，L 12为线圈N 1和N 2之间的互感；I 1为线圈N 1中的激磁电流；l为封闭磁路长度；S为封闭磁路截面积；μ为封闭磁路中材料磁导率；ω为激磁电流圆频率。
显然，根据磁弹性效应，当传感器测力拉力F时，十字弹性轴垂直段承受拉应力，所以磁导率增大，磁阻减小，互感增大，感应电势减小；由于导磁连杆的作用，在传感器十字弹性轴水平段承受压应力，所以磁导率减小，磁阻减大，互感减小，感应电势增大。当将传感器旋转900，利用十字弹性轴水平段测量压力P时，也由于导磁连杆的作用，其垂直段依旧承受拉应力，所以结果相同。只不过，测量拉力时，十字轴垂直段拉应力更大，而测量压力时，十字弹性轴水平段压应力更大。
传感器测量线圈中的感应电压采用图4所示的交流全等臂电桥输出。
电桥的Z 1、Z 3臂为十字轴垂直段上的两个测量线圈的输出阻抗；Z 2、Z 4臂为十字轴水平段上的两个测量线圈的输出阻抗。根据阻抗定义：
式中，R s为线圈电阻，ω激磁电流的圆频率，L为电感。
当测量拉力F或压力P时，由于应力变化，磁导率增大μ，磁阻R m减小，电感L增大，即各测量线圈输出阻抗将产生增量。如对于拉应力增量Δσ L，Z 1和Z 3的输出阻抗产生+ΔZ L1和+ΔZ L3；对应压应力Δσ Y，产生-ΔZ Y2和-ΔZ Y4。除此之外，由于环境温度变化，使测量线圈电阻R s变化，对应每个线圈产生相等的阻抗变化ΔZ t。
根据全等臂电桥原理，Z 1= Z 2=Z 3= Z 4=Z。另外，ΔZ L1=ΔZ L3=ΔZ L，ΔZ Y2=ΔZ Y4=ΔZ Y。则传感器输出电压增量为：
由上式可见，当以十字轴垂直方向测拉力时，由于其水平方向测量线圈的存在，使传感器输出增大，灵敏度得以提高，并且完全消除了由于温度变化引起的输出变化。
根据磁弹性效应，当传感器测量转矩T时，由十字弹性轴水平段上的测量线圈输出的感应电势为：
（8）
式中，B m为磁场强度；ω激磁电流的圆频率；μ、B s 、λ s分别为十字弹性轴水平段表面铁基纳米微晶合金的磁导率、饱和磁感应强度以及饱和磁致伸缩量，l、R为十字弹性轴水平段的长度和半径，σ、T为作用于十字弹性轴上的应力和转矩。如果将传感器输出端所接测量仪器和电路视为负载，则传感器的输出电压为：
（9）
式中，R L为负载的有效电阻。
此时，传感器只有十字弹性轴水平方向的测量线圈有感应电压，并采用由电刷和滑环组成的集流环输出。
本发明不仅实现了单一传感器既能测量拉压力，又能测量转矩。传感器的测量精度和灵敏度高。
Claims (6)
1.一种多功能测力传感器，其特征在于：该传感器包括十字弹性轴（1）、输出输入集流环（2）、导磁连杆（3）和防磁干扰屏蔽罩（4）；十字弹性轴（1）和导磁连杆（3）均设置在防磁干扰屏蔽罩（4）内；所述十字弹性轴（1）的四臂长度相等，在其垂直方向两端安装测量拉力的拉力环（11），水平方向两端分别安装用于测量转矩的联轴器（12）和用于测量压力的压头（13）；在十字弹性轴（1）承载表面附着铁基纳米微晶合金附着层（14），在铁基纳米微晶合金附着层（14）表面缠绕测量线圈（15）；导磁连杆（3）连接在十字弹性轴（1）端部并构成菱形导磁钢框；在导磁连杆（3）上缠绕激磁线圈（31）；用于输入输出信号的输出输入集流环（2）设置在十字弹性轴（1）水平方向上。
2.根据权利要求1所述的多功能测力传感器，其特征在于：所述十字弹性轴（1）的材质为40Cr钢。
3.根据权利要求1所述的多功能测力传感器，其特征在于：所述铁基纳米微晶合金附着层（14）通过激光熔覆、或热喷涂、或粘贴工艺附着在十字弹性轴（1）的承载表面。
4.根据权利要求1所述的多功能测力传感器，其特征在于：所述铁基纳米微晶合金附着层（14）厚度为30～50μm。
5.根据权利要求1所述的多功能测力传感器，其特征在于：所述电刷和滑环设置在十字弹性轴（1）水平方向的压头（13）端。
6.根据权利要求1所述的多功能测力传感器，其特征在于：所述防磁干扰屏蔽罩（4）由铝制成。
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