新型高线性度分段激磁式扭矩传感器的研究*

赵 浩

(嘉兴学院南湖学院,浙江 嘉兴 314001)



新型高线性度分段激磁式扭矩传感器的研究*

赵 浩*

(嘉兴学院南湖学院,浙江 嘉兴 314001)

扭矩的准确测量对实现机械设备的自动控制有着重要的作用,为此,设计了一种新型分段激磁的高线性度扭矩传感器。传感器的激磁绕组为分段式,传感器转轴受到扭矩作用时,输出绕组经过电磁耦合输出与负载扭矩呈正比关系的感应电势,并找到了传感器输出特性呈较高度线性时,激磁线圈与输出线圈的匝数比的范围约为0.56～0.59。推导了传感器的输出特性,构建了传感器的数学模型。最后采用扭转试验机对传感器进行了标定,实验结果表明传感器的灵敏度约为1.05 mV/(N·m),重复性误差约为±0.38%,非线性误差约为±0.26%,迟滞误差约为±0.37%。

扭矩传感器;分段激磁;传递函数;标定

随着科学技术的不断进步和生产发展的各种需要,扭矩测量技术在工业、航空航天、农业、军事等多个领域获得了广泛的应用[1-2]。例如在塑壳式低压断路器智能测控系统中,采用扭矩传感器对电机轴输出扭矩进行实时检测,当螺丝刀对螺母锁紧到一定程度时,控制电机停转[3];扭矩作为装载机传动轴的基本载荷形式,是装载机动力输出的重要评价指标,同时传动轴的扭矩测试还是装载机开发研究等工作不可或缺的内容[4]。

近年来许多专家在扭矩测量方面进行了大量的研究,设计了多种新型扭矩传感器,包括压电式扭矩传感器[5]、基于螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器[6]、一种激光多普勒扭矩传感器[7]、环形球栅式扭矩传感器[8]、基于FPGA的高精度扭矩传感系统[9]、一种机器人谐波减速器内嵌扭矩传感器[10]、基于空气轴承支撑技术的扭矩标准机[11]和一种基于纳米晶软磁合金的磁弹性扭矩传感器[12]等等。

本文设计了一种具有较高线性度的新型扭矩传感器,阐述了传感器的机械结构和工作原理,通过两段激磁绕组和补偿绕组的作用,使得传感器输出绕组产生于负载扭矩呈高度线性的感应电势。为了更加深入的揭示传感器的特性,构建了传感器的数学模型。最后采用扭转试验机对传感器进行了标定,得到了传感器的各项静态性能指标。

1 传感器机械结构

设计的扭矩传感器剖面如图1所示,传感器轴同心外设内环铁心,内环铁心一端与传感器转轴固定,另一端通过轴承与传感器转轴固定且可以相对传感器转轴转动;传感器轴、内环铁心同心外设外环铁心,外环铁心一端与传感器轴固定,另一端通过轴承与内环铁心固定且可以相对内环铁心转动。

图1 传感器剖面图

内环铁心设有绕组槽,输出绕组R1-R2和第2段激磁绕组L3-L4置于槽内,两相绕组的轴线正交;外环铁心设有绕组槽,第1段激磁绕组L1-L2和补偿绕组C1-C2固定在外环铁心上,两相绕组的轴线正交;第1段激磁绕组L1-L2和第2段激磁绕组L3-L4采用串联方式连接。

2 传感器工作原理及特性

当弹性轴受到负载扭矩作用时,弹性轴两端的截面会产生扭转角,在转轴弹性范围内,扭转角与负载扭矩存在如下关系式[13]:

(1)

式中θ:轴的扭转角(rad);T:负载扭矩(N·m);L:轴的工作长度(m);D:轴的直径(m);G:轴材料的剪切模量(N/m2)。

传感器的工作原理如图2所示,激磁绕组L1-L2和L3-L4通入交流电Uf后产生脉振磁通Uf,经由外环铁心、空气隙和内环铁心形成闭合磁路,当传感器轴未受负载扭矩作用时,如图2(a)所示,脉振磁通Uf与输出绕组R1-R2和补偿绕组C1-C2无匝链,对应产生的感应电势eo=0,ec=0;当传感器轴受到负载扭矩作用时,如图2(b)所示,输出绕组相对初始位置逆时针产生角位移θ,此时输出绕组R1-R2轴线与激磁绕组轴线的夹角为90°-θ,输出绕组的感应电势eo≠0。此外,第2段激磁绕组L3-L4逆时针转过θ角度,其产生的磁通存在交轴分量,由于补偿绕组直接短接,且补偿绕组的阻抗很小,根据楞次定律,补偿绕组感应电流产生的磁通基本上能够将激磁绕组L3-L4产生的交轴磁通分量抵消,因此,传感器工作时可以近似认为只有直轴磁通Uf。

图2 传感器工作原理图

根据电磁感应定律,Uf在激磁绕组L1-L2中产生感应电势EL为:

EL=4.44fWfΦ1

(2)

式中f为激磁电压的频率,Wf为线圈L1-L2匝数。

同理,Uf在激磁绕组L3-L4中产生感应电势为Em:

Em=4.44fWmΦ1cosθ=kELcosθ

(3)

式中Wm为线圈L3-L4匝数,k=Wf/Wm为两组线圈的匝数比。

设输出绕组的线圈匝数为Wm,Uf在输出绕组R1-R2中产生感应电势为Eo:

Eo=4.44fWmΦ1cos(90°-θ)=kELsinθ

(4)

由于激磁绕组L1-L2和L3-L4串联,如果忽略线圈的阻抗,根据基尔霍夫电压定律有:

Uf=EL+Em=EL(1+kcosθ)

(5)

联立式(4)和式(5)可得:

(6)

由此可知,输出绕组感应电势的有效值Eo和负载扭矩存在一定的对应关系。传感器的输出特性最好是线性,即理想输出特性为:

(7)

负载扭矩产生的扭角Δθ要在传感器轴的弹性范围内,一般度数较小,为了达到式(7)的要求,需:

(8)

选择θ1=±5°和θ2=±10°,代入式(8),解得:k=0.57,代入多组角度值进行解算,得k=0.56～0.59。

3 传感器数学模型

(9)

(10)

传感器工作时接负载ZL,输出绕组存在电阻R和漏感Loσ,输出绕组电流为io,输出绕组电压平衡方程为:

(11)

(12)

4 传感器标定实验与分析

表1对应的传感器标定结果如图3所示,可知传感器的输出特性具有较好的线性和重复性,传感器的灵敏度约为1.05 mV/(N·m);重复性误差约为±0.38%;非线性误差约为±0.26%;迟滞误差约为±0.37%。

表1 标定实验数据

传感器的激磁绕组实际工作时存在较小的电阻和漏抗,会对输出特性的线性度造成影响;迟滞误差产生的原因是传感器轴在承受扭转变形后,轴的内部会产生残余变形,无法恢复到变形前的位置,使得激磁绕组和输出绕组的相对空间位置无法复原,最终导致了迟滞误差的存在。

图3 传感器的标定结果

5 结束语

本文设计了一种新型分段激磁式扭矩传感器,阐述了其机械结构和工作原理,构建了其动态数学模型,同时通过对绕组匝数的合理匹配,传感器的输出特性曲线可以保证较好的线性度,最后对传感器进行了标定,得到了相应的静态各项性能指标。本文设计的扭矩传感器具有重复性好、线性度优良等特点,后续研究的重点是将研制的扭矩传感器进行实用化推广,应用到汽车、工业、农业等需要进行扭矩测量的领域中,使其能带来一定的经济效益和社会效益。

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[5]Li Y J,Wang G C,Zhao D. Research on a Novel Parallel Spoke Piezoelectric 6-DOF Heavy Force/Torque Sensor[J]. Mechanical System and Signal Processing,2013,36(1):152-167.

[6]余成波,张莲,陈学军,等. 基于螺管形差动变压器的非接触式扭矩传感器研究[J]. 传感技术学报,2006,19(3):713-715.

[7]刘彬,吕宏诗. 一种激光多普勒扭矩传感器的设计原理研究[J]. 传感技术学报,2004(2):252-254.

[8]吴永烽,喻洪麟,何安国. 环形球栅扭矩测量原理研究[J]. 仪器仪表学报,2010,31(11):2580-2585.

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[13]张有硕. 转矩测量技术[M]. 北京:计量出版社,1986.

赵浩(1983-),男,讲师,主要研究方向为新结构传感器的设计、旋转机械振动特性分析及抑制方法研究。主持浙江省自然科学基金、浙江省教育厅科研项目和嘉兴市科技计划项目等多项课题,在Sensors、J VIBROENG和传感技术学报、计量学报等期刊上发表20多篇论文,zhaohao204@163.com。

StudyofANewHighLinearityTorqueSensorwithSectionalExcitation*

ZHAOHao*

(Nanhu College of Jiaxing University,Jiaxing Zhejiang 314001,China)

It is important to measure the mechanical equipment torque accurately for its auto-controlling,a new structure sectional excitation torque sensor with high linearity is designed in this paper. The sensor excitation winding are sectional,the output winding produce induction potential which is proportional to the load torque through electromagnetic coupling,and the output characteristic of the sensor is highly linearity when the turns ratio range of excitation coil number and the output winding number is about 0.56～0.59. The output characteristic of sensor is deduced,and its mathematical model is constructed. The sensor is calibrated by torsion testing machine,the experimental data indicated the sensitivity of the sensor is about 1.05 mV/(N·m),the repeatability error is about ±0.38%,the non-linear error is about ±0.26%,and the hysteresis error is about ±0.37%.

torque sensor;piece-wise excitation;transfer function;calibration

项目来源:浙江省自然科学基金项目(LQ14E050007);嘉兴市科技计划项目(2012AY1021);嘉兴学院南湖学院科研重点课题项目(N41472001-4)

2014-07-28修改日期:2014-10-31

TP212

:A

:1004-1699(2014)12-1672-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.016