CN111157156A - 一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法 - Google Patents
一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111157156A CN111157156A CN202010041569.8A CN202010041569A CN111157156A CN 111157156 A CN111157156 A CN 111157156A CN 202010041569 A CN202010041569 A CN 202010041569A CN 111157156 A CN111157156 A CN 111157156A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- giant magnetostrictive
- torque
- shaft
- rare earth
- magnetostrictive material
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L3/00—Measuring torque, work, mechanical power, or mechanical efficiency, in general
- G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
- G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
- G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
- G01L3/101—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means
- G01L3/102—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating involving magnetic or electromagnetic means involving magnetostrictive means
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Electromagnetism (AREA)
- Hall/Mr Elements (AREA)
- Measuring Magnetic Variables (AREA)
Abstract
本发明公开了一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法。先进行选型计算，确定测试装置的轴材料及其轴径，确定环形永磁铁的材料及其尺寸，确定隧道磁阻传感器与环形永磁铁的距离；再进行部件安装，形成扭矩测试装置；然后进行系统标定，取用质量m i 的砝码挂装在杠杆的一端，即施加扭矩T i ，得到的输出电压为U i ，重复实验不低于5次；对T i 和U i 进行拟合处理，得到灵敏度k；最后将完成灵敏度标定的装置通过联轴器接入被测系统，利用灵敏度k计算得到旋转件扭矩。
Description
技术领域
本发明涉及一种超磁致伸缩材料(GMM，Giant Magnetostrictive Material)和隧道磁阻(TMR，Tunnel magnetoresistance)复合全封闭非接触式旋转件扭矩测试方法，属于动力机械装置的旋转件扭矩测试领域。
背景技术
随着我国航空航天、船舶重工、汽车工业的崛起，工业自动化和智能化程度也越来越高，对大型复杂的动力机械传动系统安全可靠性提出了更高的要求。旋转部件是实施动力传动的关键部件，对其动态参数进行准确有效测量尤为关键。通过对各旋转部件动态参数的测量，有助于对整个动力机械传动系统的传动效能进行科学评估，从而发现问题，解决问题，使得动力机械传动系统安全可靠运行。
扭矩是表征车辆、舰船等动力机械装置的传动轴、连杆等旋转件功率的一个重要参数。扭矩测试按照传输方式分为接触法和非接触法，其中接触法主要是电阻应变片构建直流电桥，采用电刷式集流环供电，但是由于振动过大，使电刷接触不良而引起信号波动，造成测量误差大甚至测量不成功等问题；非接触法主要是利用基于磁弹性式、磁电式和光电式传感器，以及无线遥测的信号无线传输，由于某些旋转件的空间紧凑，油污、粉尘等恶劣环境，存在传感器安装和供电困难，以及传感器信号传输易受干扰等问题。
针对狭小紧凑空间和电磁干扰环境下旋转件扭矩的准确、可靠测试问题，，本发明提供了一种基于逆磁致伸缩效应的全封闭式旋转件扭矩测试装置。
发明内容
本发明旨在提供一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法。本发明采用微型化敏感单元与轴融合，轴上敏感单元不需要供电，信号从非旋转件输出；解决了狭小空间环境下旋转轴扭矩测试的传感器、测试电路及供电部件、信号传输部件安装困难的问题。
本发明与以往的测试方法不同：以往的测试方法都是在检测端绕制感应线圈来进行检测，但是随着隧道磁阻传感器的发展，以及非接触式测量的需求，检测端磁场的变化可通过隧道磁阻传感器进行检测。本发明具体为在稀土超磁致伸缩材料的检测端非接触式的安装隧道磁阻传感器，隧道磁阻传感器通过调理电路中的电桥电路将微小的磁场转换为电信号从而可实现对被测系统扭矩的非接触式测量。
本发明提供了一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法，该方法是通过一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试装置实现的，该装置由安装底座、屏蔽模块、传感模块、电路模块和信号传输模块组成；
安装底座包括支架，螺钉，左侧轴承卡扣，右侧轴承卡扣，轴，左侧固定轴承，右侧固定轴承，左侧转动轴承，右侧转动轴承；支架位于整个旋转件扭矩测试装置的最底部，左右两侧固定轴承放置于支架上两个半圆形凹槽中，通过轴承卡扣和螺钉固定在支架上，左右两侧固定轴承和左右两侧转动轴承都采用过盈配合的方式与轴固定；
屏蔽模块包括金属密闭壳体、双层圆形波导窗；全封闭式金属密闭壳体的圆柱侧面一侧安装有两层波导窗，金属密闭壳体沿轴线分为上、下两部分，金属密闭壳体上半部和下半部分均有用于连接的螺钉安装座，金属密闭壳体的上、下两部分通过螺钉安装座用螺钉固定，接缝处使用电磁密封衬垫填充(电磁密封衬垫是一种表面导电的弹性物质，将缝隙填充满，消除导电不连接点，可以减少电磁波的泄漏)。
金属密闭壳体圆柱面一侧有两条光纤，用于激光充电的光纤输入通道、用于数据传输的光纤输出通道，其中光纤输出通道连接高速数据采集设备便于监测。
传感模块包括壳体、环形永磁铁、稀土超磁致伸缩材料、非导磁材料安装座、隧道磁阻传感器；稀土超磁致伸缩材料通过电镀的方式固定在轴外侧，环形永磁铁采用过盈配合、粘贴的方式固定在壳体内侧上，安装在稀土超磁致伸缩材料的轴向中间部位，隧道磁阻传感器与环形永磁铁安装距离不小于2mm且不大于5mm(根据所选用的隧道磁阻传感器的线性范围，确定环形永磁铁在隧道磁阻传感器处产生的磁场强度，使其处于线性范围最大变换范围内)，且磁敏感面朝向稀土超磁致伸缩材料，隧道磁阻传感器与环形永磁铁之间用非导磁材料安装座隔开(隧道磁阻传感器与轴的距离不至于机械干涉)，壳体分为上半部和下半部，壳体两端套在左右两侧转动轴承上，通过扣在壳体外侧的两半金属密闭壳体(金属密闭壳体的上、下两部分通过螺钉安装座用螺钉固定，接缝处使用电磁密封衬垫填充)使得壳体上半部和下半部固定并紧密配合，
电路模块包括调理电路、光伏电池；调理电路安装于金属密闭壳体内侧表面，调理电路由差分放大模块、滤波模块、AD采集模块、数字存储模块顺序组成，在金属密闭壳体内进行传感器输出信号数字化处理，数字化处理后的信号可以本地存储或者光纤数据传输。光伏电池给隧道磁阻传感器、调理电路供电；
信号传输模块包括光纤输入通道、激光接收发射模块、光纤输出通道；光纤输入通道和光纤输出通道与金属密闭壳体的交汇处均有两层圆形波导窗；
调理电路、光伏电池、散热铝片以及激光接收发射模块安装在金属密闭壳体内侧表面，调理电路、激光接收发射模块安装在金属密闭壳体内侧上半部，光伏电池、散热铝片安装在金属密闭壳体下半部；
穿线孔位于壳体两端，用于隧道磁阻传感器、调理电路、光伏电池、激光接收发射模块之间的电连接；
联轴器套在轴上，通过联轴器本身自带的螺钉与轴固定，用于连接被测部件；
杠杆通过螺纹连接的方式与轴固定，与轴垂直，用于实验室标定灵敏度时挂装砝码；
稀土超磁致伸缩材料，为圆环形薄膜状材料，具体为Ni-Zn-Co稀土超磁致伸缩材料，由于磁致伸缩系数λ的提高而得到普遍应用。超磁致伸缩材料可以将机械能(或机械位移与信息)转换成电磁能，在室温下机械能和电能之间的转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单，而且磁致伸缩系数非常大。
环形永磁铁采用弱磁性材料，根据仿真计算需使其在隧道磁阻传感器处产生的磁感应强度处于隧道磁阻传感器的线性范围范围内，例如TMR2501隧道磁阻传感器的线性范围是不小于50Gs不大于150Gs。
本发明上述各部件的安装方式绝不仅仅只有上述结构，只要能将各部件固定安装于金属密闭壳体内部的安装方式都可使用，而且所使用的安装结构需为非导磁材料安装座。具体的，例如稀土超磁致伸缩材料可通过喷溅、真空蒸发镀膜、磁控溅射、真空电镀等工艺涂敷于轴外侧表面。
本发明中隧道磁阻传感器、调理电路的供电和信号传输采用光纤传输，其中光纤与金属密闭壳体的交汇接口处安装有两层波导窗，以实现全封闭式结构，即屏蔽部分电磁干扰。
本发明提供的GMM和TMR复合的全封闭非接触式旋转件扭矩测试装置，该装置是通过电磁全封闭式的金属密闭壳体来进行测试环境电磁场的屏蔽；通过在实验室挂装砝码进行系统级别标定；标定完成后，稀土超磁致伸缩材料会将机械能转化为电磁信号(即轴的转动使稀土超磁致伸缩材料发生形变，导致其相对磁导率发生变化稀土超磁致伸缩材料将轴的扭矩转换为磁场强度变化)，通过稀土超磁致伸缩材料、环形永磁铁、导磁材料-旋转轴之间构成闭合磁回路，将隧道磁阻传感器置于该磁回路中即可感应该回路中的磁场强度变化，而磁场强度变化与被测旋转件扭矩成正比，隧道磁阻传感器将磁场强度变化转换为电压信号输出，电压输出信号经过调理电路模块的差分放大、放大滤波，得到放大后的电压信号，通过外部的高速数据采集装置得到被测信号，从而读取到被测旋转件扭矩的变化。
本发明提供了上述旋转件扭矩测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)选型计算：a.根据被测旋转件扭矩和转速的量程范围，根据机械设计手册确定测试装置的轴材料及其轴径；b.根据Ansoft Maxwell对环形永磁铁的磁场及其隧道磁阻传感器的感应磁场进行仿真计算，确定环形永磁铁的材料及其尺寸，并确定隧道磁阻传感器与环形永磁铁的距离d，使环形永磁铁在隧道磁阻传感器处产生的磁感应强度处于隧道磁阻传感器的线性范围内；
(2)部件安装：a.先将支架平放，将固定轴承和转动轴承通过过盈配合的方式固定在轴上，再将固定轴承通过螺钉和轴承卡扣固定在支架上；b.将稀土超磁致伸缩材料通过电镀的方式涂敷在轴的外侧，将环形永磁铁通过过盈配合、粘贴的方式固定在壳体内侧，放置在稀土超磁致伸缩材料的中间位置，在环形永磁铁内侧通过粘贴方式安装厚度为d的非导磁材料安装座，在非导磁材料安装座和超磁致伸缩材料之间、在非导磁材料安装座的另一面通过粘贴方式安装隧道磁阻传感器；随后将壳体扣在转动轴承上同时从穿线孔中引出电连接所需的线；c.在壳体与金属密闭壳体之间安装好调理电路，在金属密闭壳体上分别安装好激光接收发射模块、散热铝片以及光伏电池，将金属密闭壳体扣在壳体上使用螺钉通过螺钉安装座连接金属壳体的上半部和下半部，在金属密闭壳体、壳体的接缝处均使用电磁密封衬垫填充；d.针对被测旋转件的轴径，选用相应规格的联轴器；
(3)系统标定：a.按照步骤(2)将装置的部件安装完成之后，在实验室利用标准砝码进行灵敏度标定，将砝码通过挂装的方式固定在杠杆的一端，砝码挂装后在轴上产生扭矩(根据砝码重量可计算出产生的扭矩T＝F×S，F为砝码产生的重力，S为砝码在杠杆上力的作用点到超磁致伸缩材料几何中心的距离)，稀土超磁致伸缩材料会将机械能转化为电磁信号(即轴的转动使稀土超磁致伸缩材料发生形变，导致其相对磁导率发生变化稀土超磁致伸缩材料将轴的扭矩转换为磁场强度变化)，通过稀土超磁致伸缩材料、环形永磁铁、导磁材料-旋转轴之间构成闭合磁回路，将隧道磁阻传感器置于该磁回路中即可感应该回路中的磁场强度变化，则可从调理电路得到输出电压U；b.不挂装砝码的空载时记扭矩T0为0，得到的输出电压为U0；c.取用质量mi的砝码挂装在杠杆的一端，即施加扭矩Ti，得到的输出电压为Ui，重复实验不低于5次；d.对Ti和Ui进行拟合处理，得到灵敏度k；
(4)测试信号：将完成灵敏度标定的装置通过联轴器接入被测系统，测试装置输出电压信号为UC，根据公式Tc＝k×(Uc-U0)计算即可得到扭矩信号TC。
注：a.最小轴径计算(此处只考虑轴的扭转切应力)：
轴的扭转强度为：
式中τT——轴的扭转切应力(MPa)；
T——轴所传递的扭矩(N.mm)；
WT——轴的抗扭截面系数(mm3)；
P——轴所传递的功率(kW)；
n——轴的转速(r/min)；
[τT]——轴的许用扭转切应力(MPa)。
轴的最小直径为
b.轴的材料选型依据机械设计手册，为本领域技术人员公知技术，不再赘述。
本发明的有益效果：
(1)本发明采用微型化敏感单元与轴融合，轴上敏感单元不需要供电，信号从非旋转件输出；解决了某些旋转件的空间紧凑，油污、粉尘等恶劣环境“测试难、测不准”的技术难题，实现了狭小紧凑空间的非接触式测量；
(2)本发明采用全封闭金属密闭壳体、光纤充电、光纤数据传输的设计提高了系统的抗电磁干扰性能；解决了旋转轴扭矩供电困难、信号输出容易干扰的问题；
(3)本发明采用系统标定，将测试装置的各个部件安装之后，在实验室环境下给测试装置的轴加负载(挂装砝码)，进行系统级标定，标定后通过联轴器接入被测系统进行测试实验(试验)，解决了传感器在计量室标定后、安装传感器引入新的误差的问题；
(4)该旋转件扭矩测试装置采用稀土超磁致伸缩材料，在室温下具有机械能－电能转换率高、能量密度大、响应速度高、可靠性好、驱动方式简单的优点；
(5)该旋转件扭矩测试装置采用隧道磁阻传感器，该传感器具有灵敏度高、体积小、功耗低等诸多优点。
附图说明
图1为该旋转件扭矩测试装置的三维立体图。
图2为该旋转件扭矩测试装置的剖视图。
图3为该旋转件扭矩测试装置的二维俯视图图。
图4为该旋转件扭矩测试装置的测试原理部分二维示意图。
图5为该旋转件扭矩测试装置的隧道磁阻传感器仿真示意图。
图6为该旋转件扭矩测试装置系统标定的Ti和Ui拟合示意图。
其中：1-支架，2-左侧轴承卡扣，3-螺钉，4-右侧轴承卡扣，5-联轴器，6-壳体，7-金属密闭壳体，8-环形永磁铁，9-稀土超磁致伸缩材料，10-隧道磁阻传感器，11-螺钉安装座，12-穿线孔，13-杠杆，14-轴，15a-左侧固定轴承，15b-右侧固定轴承，16a-左侧转动轴承，16b-右侧转动轴承，17-调理电路，18-激光接收发射模块，19-光伏电池，20-散热铝片，21-光纤输入通道，22-光纤输出通道，23-圆形波导窗，24-非导磁材料安装座。
具体实施方式
下面通过实施例来进一步说明本发明，但不局限于以下实施例。
实施例1：
本发明提供了一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法，该方法是通过一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试装置实现的，，该装置由安装底座、屏蔽模块、传感模块、电路模块和信号传输模块组成，如图1-6所示；
安装底座包括支架1，螺钉3，左侧轴承卡扣2，右侧轴承卡扣4，轴14，左侧固定轴承15a，右侧固定轴承15b，左侧转动轴承16a，右侧转动轴承16b；支架位于整个旋转件扭矩测试装置的最底部，左右两侧固定轴承放置于支架上两个半圆形凹槽中，通过轴承卡扣和螺钉固定在支架上，左右两侧固定轴承和左右两侧转动轴承都采用过盈配合的方式与轴固定；
屏蔽模块包括金属密闭壳体7、双层圆形波导窗23；全封闭式金属密闭壳体的圆柱侧面一侧安装有两层波导窗，金属密闭壳体沿轴线分为上、下两部分，金属密闭壳体上半部和下半部分均有用于连接的螺钉安装座11，金属密闭壳体的上、下两部分通过螺钉安装座11用螺钉固定，接缝处使用电磁密封衬垫填充(电磁密封衬垫是一种表面导电的弹性物质，将缝隙填充满，消除导电不连接点，可以减少电磁波的泄漏)。
金属密闭壳体圆柱面一侧有两条光纤，用于激光充电的光纤输入通道21、用于数据传输的光纤输出通道22，其中光纤输出通道连接高速数据采集设备便于监测。
传感模块包括壳体6、环形永磁铁8、稀土超磁致伸缩材料9、非导磁材料安装座24、隧道磁阻传感器10、轴14；稀土超磁致伸缩材料通过电镀的方式固定在轴外侧，环形永磁铁采用过盈配合、粘贴的方式固定在壳体内侧上，安装在稀土超磁致伸缩材料的轴向中间部位，隧道磁阻传感器与环形永磁铁安装距离不小于2mm且不大于5mm(根据所选用的隧道磁阻传感器的线性范围，确定环形永磁铁在隧道磁阻传感器处产生的磁场强度，使其处于线性范围最大变换范围内)，且磁敏感面朝向稀土超磁致伸缩材料，隧道磁阻传感器与环形永磁铁之间用非导磁材料安装座隔开(隧道磁阻传感器与轴的距离尽可能小但不至于干涉轴的正常转动)，壳体分为上半部和下半部，壳体两端套在左右两侧转动轴承上，通过扣在壳体外侧的两半金属密闭壳体(金属密闭壳体的上、下两部分，通过螺钉安装座用螺钉固定，接缝处使用电磁密封衬垫填充)使得壳体上半部和下半部固定并紧密配合；
电路模块包括调理电路17、光伏电池19；调理电路安装于金属密闭壳体内侧表面，调理电路由差分放大模块、滤波模块、AD采集模块、数字存储模块顺序组成，在金属密闭壳体内进行传感器输出信号数字化处理，数字化处理后的信号可以本地存储或者光纤数据传输。光伏电池给隧道磁阻传感器、调理电路供电；
信号传输模块包括光纤输入通道21、激光接收发射模块18、光纤输出通道22；光纤输入通道和光纤输出通道与金属密闭壳体的交汇处均有两层圆形波导窗；
调理电路17、光伏电池19、散热铝片20以及激光接收发射模块18安装在金属密闭壳体内侧表面，调理电路、激光接收发射模块安装在金属密闭壳体内侧上半部，光伏电池、散热铝片安装在金属密闭壳体下半部，
穿线孔12位于壳体6两端，用于隧道磁阻传感器10、调理电路17、光伏电池19、激光接收发射模块18等之间的电连接；
联轴器5套在轴14上，通过联轴器5本身自带的螺钉与轴14固定，用于连接被测部件；
杠杆13通过螺纹连接的方式与轴14固定，与轴14垂直，用于实验室标定灵敏度时挂装砝码；
稀土超磁致伸缩材料9为圆环形薄膜状材料，具体为Ni-Zn-Co稀土超磁致伸缩材料，由于磁致伸缩系数λ的提高而得到普遍应用。超磁致伸缩材料可以将机械能(或机械位移与信息)转换成电磁能，在室温下机械能和电能之间的转换率高、能量密度大、响应速度快、可靠性好、驱动方式简单，而且磁致伸缩系数非常大。
环形永磁铁8采用弱磁性材料，根据仿真计算需使其在隧道磁阻传感器10处产生的磁感应强度处于隧道磁阻传感器10的线性范围范围内，例如TMR2501隧道磁阻传感器的线性范围是不小于50Gs不大于150Gs。
本发明上述各部件的安装方式绝不仅仅只有上述结构，只要能将各部件固定安装于金属密闭壳体7内部的安装方式都可使用，而且所使用的安装结构需为非导磁材料安装座。具体的，例如稀土超磁致伸缩材料9可通过喷溅、真空蒸发镀膜、磁控溅射、真空电镀等工艺涂敷于轴14外侧表面。
本发明中隧道磁阻传感器10、调理电路17的供电和信号传输采用光纤传输，其中光纤与金属密闭壳体7的交汇接口处安装有两层波导窗，以实现全封闭式结构，即屏蔽部分电磁干扰。
本发明提供的GMM和TMR复合的全封闭非接触式旋转件扭矩测试装置，该装置是通过电磁全封闭式的金属密闭壳体来进行测试环境电磁场的屏蔽；通过在实验室挂装砝码进行系统级别标定；标定完成后，稀土超磁致伸缩材料会将机械能转化为电磁信号(即轴的转动使稀土超磁致伸缩材料发生形变，导致其相对磁导率发生变化稀土超磁致伸缩材料将轴的扭矩转换为磁场强度变化)，通过稀土超磁致伸缩材料、环形永磁铁、旋转轴之间构成闭合磁回路，将隧道磁阻传感器置于该磁回路中即可感应该回路中的磁场强度变化，而磁场强度变化与被测旋转件扭矩成正比，隧道磁阻传感器将磁场强度变化转换为电压信号输出，电压输出信号经过调理电路模块的差分放大、放大滤波，得到放大后的电压信号，通过外部的高速数据采集装置得到被测信号，从而读取到被测旋转件扭矩的变化。
本发明提供了上述旋转件扭矩测试装置的测试方法，包括以下步骤：
(1)选型计算：a.根据被测旋转件扭矩和转速的量程范围，根据机械设计手册确定测试装置的轴材料及其轴径；b.根据Ansoft Maxwell对环形永磁铁的磁场及其隧道磁阻传感器的感应磁场进行仿真计算，确定环形永磁铁的材料及其尺寸，并确定隧道磁阻传感器与环形永磁铁的距离d，使环形永磁铁在隧道磁阻传感器处产生的磁感应强度处于隧道磁阻传感器的线性范围内；
(2)部件安装：a.先将支架平放，将固定轴承和转动轴承通过过盈配合的方式固定在轴上，再将固定轴承通过螺钉和轴承卡扣固定在支架上；b.将稀土超磁致伸缩材料通过电镀的方式涂敷在轴的外侧，将环形永磁铁通过过盈配合、粘贴的方式固定在壳体内侧，放置在稀土超磁致伸缩材料的中间位置，在环形永磁铁内侧通过粘贴方式安装厚度为d的非导磁材料安装座，在非导磁材料安装座和超磁致伸缩材料之间、在非导磁材料安装座的另一面通过粘贴方式安装隧道磁阻传感器；随后将壳体扣在转动轴承上同时从穿线孔中引出电连接所需的线；c.在壳体与金属密闭壳体之间安装好调理电路，在金属密闭壳体上分别安装好激光接收发射模块、散热铝片以及光伏电池，将金属密闭壳体扣在壳体上使用螺钉通过螺钉安装座连接金属壳体的上半部和下半部，在金属密闭壳体、壳体的接缝处均使用电磁密封衬垫填充；d.针对被测旋转件的轴径，选用相应规格的联轴器；
(3)系统标定：a.按照步骤(2)将装置的部件安装完成之后，在实验室利用标准砝码进行灵敏度标定，将砝码通过挂装的方式固定在杠杆的一端，砝码挂装后在轴上产生扭矩(根据砝码重量可计算出产生的扭矩T＝F×S，F为砝码产生的重力，S为砝码在杠杆上力的作用点到超磁致伸缩材料几何中心的距离)，稀土超磁致伸缩材料会将机械能转化为电磁信号(即轴的转动使稀土超磁致伸缩材料发生形变，导致其相对磁导率发生变化稀土超磁致伸缩材料将轴的扭矩转换为磁场强度变化)，通过稀土超磁致伸缩材料、环形永磁铁、旋转轴之间构成闭合磁回路，将隧道磁阻传感器置于该磁回路中即可感应该回路中的磁场强度变化，则可从调理电路得到输出电压U；b.不挂装砝码的空载时记扭矩T0为0，得到的输出电压为U0；c.取用质量mi的砝码挂装在杠杆的一端，即施加扭矩Ti，得到的输出电压为Ui，重复实验不低于5次；d.对Ti和Ui进行拟合处理，得到灵敏度k；
(4)测试信号：将完成灵敏度标定的装置通过联轴器接入被测系统，测试装置输出电压信号为UC，根据公式Tc＝k×(Uc-U0)计算即可得到扭矩信号TC；
以往的测试方法都是在检测端绕制感应线圈来进行检测，但是随着隧道磁阻传感器的发展，以及非接触式测量的需求，检测端磁场的变化可通过隧道磁阻传感器进行检测。具体为在稀土超磁致伸缩材料的检测端非接触式的安装隧道磁阻传感器，隧道磁阻传感器通过调理电路中的电桥电路将微小的磁场转换为电信号从而可实现对被测系统扭矩的非接触式测量。
注：a.最小轴径计算(此处只考虑轴的扭转切应力)：
轴的扭转强度为：
式中τT——轴的扭转切应力(MPa)；
T——轴所传递的扭矩(N.mm)；
WT——轴的抗扭截面系数(mm3)；
P——轴所传递的功率(kW)；
n——轴的转速(r/min)；
[τT]——轴的许用扭转切应力(MPa)。
轴的最小直径为
b.轴的材料选型依据机械设计手册，为本领域技术人员公知技术，不再赘述。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。
Claims (5)
1.一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法，其特征在于：通过电磁全封闭式的金属密闭壳体来进行测试环境电磁场的屏蔽；通过在实验室挂装砝码进行系统级别标定；标定完成后，稀土超磁致伸缩材料会将机械能转化为电磁信号，即轴的转动使稀土超磁致伸缩材料发生形变，导致其相对磁导率发生变化稀土超磁致伸缩材料将轴的扭矩转换为磁场强度变化；通过稀土超磁致伸缩材料、环形永磁铁、旋转轴之间构成闭合磁回路，将隧道磁阻传感器置于该磁回路中用于感应该回路中的磁场强度变化，而磁场强度变化与被测旋转件扭矩成正比，隧道磁阻传感器将磁场强度变化转换为电压信号输出，电压输出信号经过调理电路模块的差分放大、放大滤波，得到放大后的电压信号，通过外部的高速数据采集装置得到被测信号，从而读取到被测旋转件扭矩的变化。
2.根据权利要求1所述的超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法，其特征在于：包括以下步骤：
（1）选型计算：a.根据被测旋转件扭矩和转速的量程范围，根据机械设计手册确定测试装置的轴材料及其轴径；b.根据Ansoft Maxwell对环形永磁铁的磁场及其隧道磁阻传感器的感应磁场进行仿真计算，确定环形永磁铁的材料及其尺寸，并确定隧道磁阻传感器与环形永磁铁的距离d，使环形永磁铁在隧道磁阻传感器处产生的磁感应强度处于隧道磁阻传感器的线性范围内；
（2）部件安装：a.先将支架平放，将固定轴承和转动轴承通过过盈配合的方式固定在轴上，再将固定轴承通过螺钉和轴承卡扣固定在支架上；b.将稀土超磁致伸缩材料、环形永磁铁固定，在环形永磁铁内侧通过粘贴方式安装厚度为d的非导磁材料安装座，在非导磁材料安装座和超磁致伸缩材料之间、在非导磁材料安装座的另一面通过粘贴方式安装隧道磁阻传感器；随后将壳体扣在转动轴承上同时从穿线孔中引出电连接所需的线；c.在壳体与金属密闭壳体之间安装好调理电路，在金属密闭壳体上分别安装好激光接收发射模块、散热铝片以及光伏电池，将金属密闭壳体扣在壳体上；d.针对被测旋转件的轴径，选用相应规格的联轴器；
（3）系统标定：
a.按照步骤（2）将装置的部件安装完成之后，在实验室利用标准砝码进行灵敏度标定，将砝码通过挂装的方式固定在杠杆的一端，砝码挂装后在轴上产生扭矩，稀土超磁致伸缩材料会将机械能转化为电磁信号，即轴的转动使稀土超磁致伸缩材料发生形变，导致其相对磁导率发生变化稀土超磁致伸缩材料将轴的扭矩转换为磁场强度变化，通过稀土超磁致伸缩材料、环形永磁铁、旋转轴之间构成闭合磁回路，将隧道磁阻传感器置于该磁回路中即感应该回路中的磁场强度变化，则从调理电路得到输出电压U；
b.不挂装砝码的空载时记扭矩T 0 为0，得到的输出电压为U 0 ；
c.取用质量mi的砝码挂装在杠杆的一端，即施加扭矩T i ，得到的输出电压为U i ，重复实验不低于5次；
d.对T i 和U i 进行拟合处理，得到灵敏度k；
（4）测试信号：将完成灵敏度标定的装置通过联轴器接入被测系统，测试装置输出电压信号为U C ，根据公式
计算即得到扭矩信号T C 。
3.根据权利要求2所述的超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法，其特征在于：所述步骤（2）中，稀土超磁致伸缩材料通过喷溅、真空蒸发镀膜、磁控溅射或真空电镀的工艺涂敷于轴外侧表面，环形永磁铁采用过盈配合或粘贴的方式固定在壳体内侧上，安装在稀土超磁致伸缩材料的轴向中间部位，隧道磁阻传感器与环形永磁铁安装距离不小于2mm且不大于5mm。
4.根据权利要求2所述的超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法，其特征在于：所述步骤（2）中，将金属密闭壳体扣在壳体上使用螺钉通过螺钉安装座连接金属壳体的上半部和下半部，在金属密闭壳体、壳体的接缝处均使用电磁密封衬垫填充。
5.根据权利要求2所述的超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法，其特征在于：根据砝码重量计算出产生的扭矩T=F×S，F为砝码产生的重力，S为砝码在杠杆上力的作用点到超磁致伸缩材料几何中心的距离。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010041569.8A CN111157156B (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202010041569.8A CN111157156B (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111157156A true CN111157156A (zh) | 2020-05-15 |
| CN111157156B CN111157156B (zh) | 2021-05-28 |
Family
ID=70562926
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202010041569.8A Active CN111157156B (zh) | 2020-01-15 | 2020-01-15 | 一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111157156B (zh) |
Citations (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080011104A1 (en) * | 2005-09-23 | 2008-01-17 | Cripe David W | Fabrication of a magnetoelastic torque sensor |
| EP2541554B1 (en) * | 2011-06-30 | 2015-12-30 | Hitachi, Ltd. | Magnetic functional device |
| CN107101757A (zh) * | 2015-12-03 | 2017-08-29 | 株式会社捷太格特 | 传感器组件以及传感器组件的制造方法 |
| CN206862534U (zh) * | 2017-04-14 | 2018-01-09 | 武汉理工大学 | 非接触式磁检测光纤光栅静扭矩传感器 |
| CN108562388A (zh) * | 2018-04-23 | 2018-09-21 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置 |
| DE102017121011A1 (de) * | 2017-09-12 | 2019-03-14 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Anordnung zur Messung eines Dreh- oder Torsionsmoments |
| CN109632164A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-04-16 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪及其扭矩测量方法 |
-
2020
- 2020-01-15 CN CN202010041569.8A patent/CN111157156B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20080011104A1 (en) * | 2005-09-23 | 2008-01-17 | Cripe David W | Fabrication of a magnetoelastic torque sensor |
| EP2541554B1 (en) * | 2011-06-30 | 2015-12-30 | Hitachi, Ltd. | Magnetic functional device |
| CN107101757A (zh) * | 2015-12-03 | 2017-08-29 | 株式会社捷太格特 | 传感器组件以及传感器组件的制造方法 |
| CN206862534U (zh) * | 2017-04-14 | 2018-01-09 | 武汉理工大学 | 非接触式磁检测光纤光栅静扭矩传感器 |
| DE102017121011A1 (de) * | 2017-09-12 | 2019-03-14 | Schaeffler Technologies AG & Co. KG | Anordnung zur Messung eines Dreh- oder Torsionsmoments |
| CN108562388A (zh) * | 2018-04-23 | 2018-09-21 | 哈尔滨工业大学 | 一种基于逆磁致伸缩效应的非接触式扭矩测量装置 |
| CN109632164A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-04-16 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 一种基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪及其扭矩测量方法 |
| CN109738100A (zh) * | 2018-12-11 | 2019-05-10 | 中国航空工业集团公司北京长城计量测试技术研究所 | 基于超磁致伸缩材料压磁效应的扭矩测量仪及其测量方法 |
Non-Patent Citations (4)
| Title |
|---|
| 徐开先 等: "《传感器实用技术》", 31 December 2016, 国防工业出版社 * |
| 杨大智: "《智能材料与智能系统》", 31 December 2000, 天津大学出版社 * |
| 谭学余: "《中国稀土》", 31 January 2015, 冶金工业出版社 * |
| 都有为 等: "南京大学磁性材料研究中的若干进展", 《第六届中国功能材料及其应用学术会议论文集（3）》 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN111157156B (zh) | 2021-05-28 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US8415947B2 (en) | Method for stress assessment that removes temperature effects and hysteresis on the material property measurements | |
| JP2005121656A5 (zh) | ||
| CN111198056B (zh) | Gmm和tmr复合全封闭非接触式旋转件扭矩测试装置 | |
| CN106771498B (zh) | 可无线、无源、非接触、多线测量直流电流的装置及方法 | |
| CN104006909B (zh) | 一种索力检测方法及使用该方法的索力传感器 | |
| CN103439034B (zh) | 一种多功能测力传感器 | |
| JP2003501617A (ja) | センサ、特に磁気歪みセンサあるいは磁気弾性センサ | |
| Borges et al. | New contactless torque sensor based on the Hall effect | |
| CN103344317A (zh) | 非接触式光纤光栅振动传感器和振动测量装置及方法 | |
| CN111157156B (zh) | 一种超磁致伸缩和隧道磁阻复合的旋转件扭矩测试方法 | |
| CN110455401B (zh) | 一种高灵敏度磁阻声波传感器及阵列装置 | |
| CN101609108B (zh) | 电压或电流信号的测量方法及实现该方法的传感器 | |
| Borole et al. | Design, development, and performance evaluation of GMR-based current sensor for industrial and aerospace applications | |
| GB2488139A (en) | Rotary torque sensor with optical signal output | |
| US11852550B2 (en) | Combined temperature and pressure sensing device with improved eletronics protection | |
| CN112629734B (zh) | 一种球形三维测力压磁式传感器及其三维力测量方法 | |
| CN114720038A (zh) | 一种燃气管道球形内检测系统 | |
| CN112179478B (zh) | 一种基于磁电阻效应的悬臂式振动传感器 | |
| CN214951907U (zh) | 一种压电式力觉感应装置 | |
| US20080134802A1 (en) | Torque sensor | |
| CN220366929U (zh) | 一种应力传感器 | |
| CN116952457B (zh) | 一种大量程压力传感器用检测设备 | |
| CN218481195U (zh) | 一种永磁体式电磁扭矩传感器 | |
| CN219039334U (zh) | 一种差分结构的磁电复合磁敏感器件 | |
| JP4061956B2 (ja) | 透磁率センサ、距離センサ、受圧力センサ |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |