环形差动压磁式非接触动态扭矩传感器的研究与设计

石延平 周庆贵 臧 勇

淮海工学院，连云港，222005

0 引言

如何高精度、不介入、非接触地在线测量传动轴扭矩，一直是扭矩传感器领域的研究重点和难点。基于铁磁材料压磁效应的扭矩传感器，因具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构简单、使用便捷，并能在恶劣环境下工作以及实现非接触在线测量等优点而受到长期关注[1]。目前，研究比较多的是交叉铁芯附加式（又称磁桥式）扭矩传感器，这类传感器虽然结构简单，但由于存在轴的振摆，使传感器探头和轴表面之间的气隙大小发生变化，从而引起磁的分布不均匀，造成测量误差。另外，普通铁磁材料机电耦合系数比较小（通常为0.15～0.30），压磁效应弱，致使传感器测量精度及灵敏度较低（特别是当载荷较小时）[2]。

本文研究的扭矩传感器利用非晶态合金的良好软磁特性和较高的机电耦合系数（可达0.75），并采用多探头和差动结构，能够提高测量精度和灵敏度。

1 传感器的结构与原理

图1所示为环形差动压磁式扭矩传感器的基本结构。支承环套在待测转轴上，并固定于机架上。在支承环上沿周向均布若干组（图1中为4组）传感器探头，每组探头由2个相互垂直的∏形或E形磁芯构成，磁芯上缠绕激磁线圈和测量线圈。每组探头由螺钉沿＋σ或－σ方向紧固在支承环的卡槽中，并与转轴表面保持固定的气隙δ。

图1 环形差动压磁式扭矩传感器结构

所有探头的激磁线圈并联，而测量线圈每组探头先两两反向串联形成差动，再正向串联。

为了提高转矩测量的精度和灵敏度以及减少传感器因不同材质的磁弹性标定的工作量，在轴表面附着一层Fe基非晶态合金。Fe基非晶态合金大多具有很高的机电耦合系数，经过适当的退火处理，其机电耦合系数可进一步提高。而机电耦合系数越高，传感器的灵敏度就越高[3]。

图2 环形差动压磁式扭矩传感器工作原理

采用∏形或E形磁芯的环形差动压磁式扭矩传感器的工作原理如图2所示。当激磁线圈接通具有一定频率的交流电时，便在激磁磁极上产生交变磁通Φ。磁力线穿过被测表面的气隙δ，渗入被测材料内部（渗入深度与激磁电流的频率有关），再通过测量磁极回到激磁磁极，形成封闭的磁回路。根据材料力学，当轴受扭矩作用时，在其表面沿＋45°或－45°方向分别产生最大拉应力或最大压应力。当没有扭矩作用时，轴表面非晶态合金各段磁阻相等，通过两测量线圈的磁通相等，由于线圈反向串接，所以磁通相互抵消，传感器输出为零；当轴上作用扭矩时，在其表面＋45°或－45°方向产生等值的拉应力或压应力。根据压磁效应，当材料的磁致伸缩系数λ＞0时，则在拉应力方向的磁弹性能最低，是易磁化方向，即磁导率增大，磁阻减小；而在压应力方向，磁导率减小，磁阻增大。因此，传感器两测量线圈分别感生增量电压＋ΔU和－ΔU。由于测量线圈反向串联以及具有多组探头，所以传感器的总输出信号通过叠加而增强。如果采用图2b所示的E形磁芯结构，则有利于增加测量线圈的匝数，提高传感器的输出电压。

根据铁磁学理论，不同的铁磁材料，由于磁致伸缩系数λ不同，其磁导率随应变的变化规律不同[4]。也就是说，对不同材料的轴，在利用压磁效应测量转矩之前，都需要先对相同材料的试样进行标定，以建立应力（应变）与磁特性间的数学关系，然后再根据此关系进行测量。但当利用某一种非晶态合金进行间接测量转矩时，只需标定一次就可以将其附着于多种不同材质的轴表面进行转矩测量。显然，测量辅助工作量大大减小。

非晶态合金的选型、处理以及在轴表面的附着工艺对测量的精度和灵敏度有很大的影响。目前在传感器技术方面应用较多的非晶态合金是Fe基TM－M型（过渡金属－类金属）合金。这类合金在室温下具有良好的铁磁性，是优良的软磁材料，其应用磁性主要表现为高磁致伸缩系数和高磁导率[5]。

非晶态合金在转轴表面的附着形式通常有两种[6]：第一种是将非晶态合金薄带裁剪成长方形窄条，事先对其进行单轴退火磁化处理，使之感生出所需的单轴各向异性，以提高机电转换效率，然后将其沿轴表面±45°方向进行间隔附着；第二种是在传感器探头下方，整个轴表面附着一定宽度的非晶态合金层。

本文选择国内安泰科技有限公司生产的Fe80B20铁基辊剪带材，其厚度为0.03mm，主要技术参数为：饱和磁感应强度Bs＝1.50T，居里温度Tc＝410℃，饱和磁致伸缩系数λs＝2.7×10－5，电阻率ρ＝130μΩ·cm，最大磁导率μ＞2.5×105H／m，抗拉强度σs＝1500MPa。此种材料经微晶化退火处理后，可获得更大的Δμ／μ值和机电耦合系数。

将非晶态合金附着于被测材料表面的工艺方法有：电镀、喷涂、溅射、粘贴等。粘贴工艺简单易行，但所用粘结剂应具有粘结度高、强度高、蠕变小、滞后和温度系数小等特点[7]。作为初步研究，本文采用了粘贴附着方法。粘贴前，先对试件上的粘贴区域用砂轮打磨，然后用60℃、质量分数10%的硅酸钠溶液清洗浸泡数分钟后进行粘贴。实际应用中，为了防止非晶态合金薄带因长期承受应力作用而产生蠕变，应在工作一定时间后，更换附着在轴表面的非晶态合金薄带，或者采用电镀、喷涂等方法，使非晶态合金层与被测轴牢固地刚化为一体。

2 传感器输出特性

根据磁路定律，图2a所示磁路中的瞬时磁通为

式中，e0为磁动势；r为磁极下的气隙磁阻；Rab为封闭磁路中激磁磁极至测量磁极的磁阻；Rcd为轴表面非晶态合金段磁阻。

当采用交流激磁时，式（1）变为

式中，δ为磁极下的气隙厚度；μ0、μf、μc分别为空气、转轴表面非晶态合金材料以及探头铁芯的绝对磁导率；Sm为探头端面投影面积；Sc为磁力线在磁芯中从激磁磁极到测量磁极的通流截面积；Sf为磁力线在非晶态合金材料转轴表面中的通流截面积；lc、lf分别为磁力线通过磁芯和转轴表面非晶态合金材料中的路径长度；N1为激磁线圈匝数；I1和f分别为激磁线圈中的电流有效值和频率。

由法拉第电磁感应定律知

式中，e2为测量线圈中的感应电动势；N2为测量线圈匝数；Km为系数。

根据压磁效应，μf是应力的函数；考虑到轴的振摆、转速不均匀以及支承环的安装误差等因素，δ为变量。传感器的测量线圈输出端接有测量仪器和电路，可将其视为传感器测量线圈的有效负载，则其输出接线端子上的交流电压为

式中，σ为轴表面的最大拉应力或最大压应力；RL为负载的有效电阻；r2和X2分别为测量线圈的有效阻抗和无效阻抗。

当作用转矩为静态且探头气隙也不变化时，传感器测量线圈输出电压的增量为

式中，k为非晶态合金材料的磁弹性灵敏度系数，通过试验标定。

由式（5）和式（6）可以看出，增大激磁线圈和测量线圈的匝数、激磁电流的强度和频率都能提高传感器的输出感应电压。另外，虽然Fe基非晶态合金的磁导率μf远大于普通的铁磁材料的磁导率，但与空气磁导率μ0相比依然很小。所以测量时，尽可能减小气隙δ并使其保持不变，是提高测量精度和灵敏度的关键。

3 测量试验

试验内容包括：传感器最佳激磁参数（如激磁电流强度和频率、激磁线圈和测量线圈的匝数比、最大气隙）的确定；轴表面附着和不附着非晶态合金层两种情况下，传感器的线性度、重复度以及灵敏度等主要静态特性的比较。本文重点分析传感器探头气隙变化与感应电压输出的关系以及进行两种情况下传感器主要静态特性的比较。

图3所示为试验系统的组成。动力源为YCT225电磁异步调速电动机，标称功率为15kW，转速范围为1250～125r／min；加载装置为CZ－100磁粉制动器，其额定扭矩为1000N·m；监控扭矩传感器为北京中瑞能仪表技术有限公司制造的ZRN503应变式动态扭矩传感器，量程为0～±1000N·m；虚拟扭矩仪为美国NI公司的CompactDAQ数据采集装置。

图3 测量系统原理框图

根据试验确定最佳的激磁条件为：线圈匝数比N1∶N2＝40∶100，激磁电流I1＝50mA，激磁频率f＝30kHz。试验在室温下进行。试样尺寸为φ50×500mm，材质为45钢。通过调节磁粉制动器的激磁电流来改变加载扭矩值。

为了研究传感器探头气隙变化与感应电压输出的关系，加载扭矩150N·m，然后由小到大改变探头气隙，并记录每一气隙时传感器的输出电源，得到图4所示的气隙变化与感应电压输出的关系曲线，即U－δ曲线。

图4 U－δ曲线

由图4可以看出，当扭矩不变时，U－δ曲线基本为一次函数的倒数，即传感器的输出电压U随气隙δ的增大而减小，这与式（6）相符。相同气隙时，采用非晶态合金附着层的输出电压明显较高。当δ小于0.8mm时，输出信号较强；当气隙大于1.6mm时，传感器输出电压接近于零。

分别在试样表面附着和未附着非晶态合金层两种情况下，固定探头气隙为0.5mm，然后逐渐加大扭矩，记录每种情况对应载荷下传感器的输出电压值，如表1所示。

表1 两种情况下的加载试验数据

图5所示为试样表面附着和未附着非晶态合金层两种情况下，所加载扭矩M与传感器输出电压U的关系曲线。

图5 M－U曲线

根据表1数据可求出两种情况下传感器的最大非线性误差、不重复误差和灵敏度[8]，如表2所示。

表2 两种情况下的测量精度和灵敏度比较

4 结论

（1）与附加式结构相比，采用环形结构增加了探头的数量和跨越轴的角度，提高了输出信号的强度；另外，对称布置探头也有利于减小轴偏心或振摆引起的测量误差。

（2）传感器测量线圈采用差动连接，消除或减小了初始信号输出，有利于测量灵敏度的提高。

（3）采用被测轴表面附着Fe基非晶态合金层，增强了压磁效应，减小了由于母材不均匀而造成的测量误差，使测量精度和灵敏度明显提高。

（4）针对所附着的非晶态合金层而标定的输出模型适用于任何材质的被测轴，提高了测量的便捷性。

实际使用时，为防止电磁干扰引起的磁场变化，可在传感器的支承环上安装金属屏蔽罩，通常采用外侧铜内侧铁的双层材料屏蔽结构，使传感器得到屏蔽保护。

本文设计的环形差动压磁式扭矩传感器是可行的，尤其适合于一些需要固定非接触监测扭矩的重载低速传动轴。

[1]文西芹，张永忠.扭矩传感器的现状与发展趋势[J].仪表技术与传感器，2001（12）：1-3.

[2]傅俊杰.磁致伸缩效应非接触式扭矩传感器的研究[D].徐州：中国矿业大学，1995.

[3]Shen L P，Uchiyama T，Mohri K，et al.Sensitive Stress－impedence Micro Sensor Using Amorphous Magnetostrictive Wire[J].IEEE Transactions on Magnetics，1997，33（5）：3355-3357.

[4]宛德福，马兴龙.磁性物理学[M].北京：机械工业出版社，1999.

[5]解源，赵英俊.非晶态合金材料磁敏特性及应用的研究[J].传感技术学报，2000，13（4）：322-325.

[6]石延平.利用非晶态合金进行平面应力磁测法的研究[J].机械强度，2004，26（2）：154-158.

[7]Dyusuke H.Design and Fabrication of New Soft Magnetic Materials[J].J.Non－Crystalline Solids，2003，329（1）：45-49.

[8]郭振芹.非电量电测量[M].北京：计量工业出版社，1984.