专利名称：一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器的制作方法
一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器技术领域
本发明属于机械、电子、电磁、力学一体化传感器的力值测量技术领域，确切的说， 是一种涉及应用压磁效应原理的四孔位线圈的整体式测力传感器。
背景技术：
压磁效应原理自上个世纪60年代被应用以来已有半个多世纪，以瑞典ABB公司为代表的压磁式测力传感器应用最为广泛，其各项技术性能指标至今尚未有人超越。
ABB测力传感器的材料为软磁合金不锈钢硅钢片，结构为叠片粘接或卷绕粘接形式，测量区域的线圈孔位为四孔对称结构，两个绕组为正交绕制，其原理为正交耦合(偏耦合方式、磁歪式耦合)，如图1(a)所示。图中，每片硅钢片上加工有四个对称孔型，即孔1、 孔2和孔3、孔4，并由多片硅钢片粘贴成铁心体。孔1、孔2间绕有励磁绕组W12，孔3、孔4 间绕有测量绕组W34，当励磁绕组W12通过交变电流时铁芯体中就会产生一定大小的磁�。� 如果把测量区域的孔位间分成A、B、C、D四个区域，在不受外力的情况下，A、B、C、D四个区域的磁导率u是相同的，并呈轴对称分布，合成磁场强度H平行于测量绕组W34的平面，磁场(磁力线)不与测量绕组W34耦合，故测量绕组W34不会产生感应电势，如图1(b)所示。 在受到外力F的情况下，传感器铁心体内部将受到应力σ的作用，这时平行于外力F的Α、 B区域的磁导率u对应力σ非常敏感，并使这一区域的磁导率u下降，磁阻增加，线圈电感量变小。而垂直于外力F的C、D区域的磁导率u对应力σ不敏感，磁导率u不变，此时，A、 B、C、D四个区域的磁导率u不再是均勻的，励磁绕组W12所产生的磁场(磁力线)将按照各区域磁导率u的不同而重新分布，如图1(c)所示，这时合成磁场强度H不再平行于测量绕组W34的平面，其中一部分磁场(磁力线)与测量绕组W34耦合而产生感应电势E，力值越大，耦合的磁通越多，而产生感应电势E也就越大。感应电势E经阻抗变换后就可得到电信号输出，这个电信号可以用电流I或电压U来表示，并与被测力值F的大小成比例。
以瑞典ABB为代表的四孔结构叠片粘接的压磁式测力传感器，尽管在抗载能力、 使用寿命、和性能指标等方面其品质是非�：玫模杂谥圃斐汤此担渲圃旃ひ辗浅８丛樱蟾乓渭舨�、冲孔、去毛刺、热处理、清洗、烘干、叠片粘接(圆环形为卷绕粘接)、组装、时效、磨平、穿绕线圈等工序。由于是叠片粘接的结构，因此在偏载较大的外力情况下，容易压散。其原理上，正交耦合励磁功率大(650VA)，不符合现代节能的要求，其输出电路的阻抗匹配复杂，尤其温补更需要做精细烦琐的调整。另外对于用户来说价格昂贵，在一些精度要求不高的工业现�。灰送乒�。
其它一些公知孔型结构的叠片粘接的压磁测力传感器还有如中字形、田字形。这两种片形粘贴成的传感器，外形体积大，而受力面积�。皇视χ圃煨《治涣砍袒蛱厥庥猛镜拇衅�。
现有的整体结构压磁测力传感器线圈孔位为两孔水平结构，如图2所示其原理为电感式或变压器式，采用工频励磁。由于是整体结构、工频励磁，线圈被励磁后，在不受外力F作用的情况下，测量区域就会产生较大涡流温升使磁损增加，使磁性的初始磁导率u不规则漂移，而长期频繁加载卸载(弹性极限范围内)，经过一定时间就会引起测量区域的磁导率u呈下降趋势，磁性不能恢复到原状态，造成输出测量值在同等载荷的情况下就会渐进变�。剐藕挪晃�、零漂大、卸载后零点不归零，量程范围变�。ヒ涣娇孜凰较呷Φ牟饬炕芈纺岩钥朔庑┤毕�。概念上整体结构压磁测力传感器不会压散，但磁导率u降低， 使其测量值已不能反映真值，实际上传感器已不能使用。发明内容
本发明的目的是为了解决两孔位水平线圈的整体结构压磁测力传感器存在的磁导率渐进变小，温漂大、信号不归零、重复性差等缺陷，提供了一种测量区域的四孔位整体结构的压磁测力传感器，可应用于各种轧机轧制力的测量，也可应用于各种大吨位的称重场合。
一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，包括传感器压磁本体、水平孔位、水平线圈Wu、垂直孔位、垂直线圈w3.4、差动整流输出回路、励磁变压器和低频励磁电源；
所述传感器压磁本体上设有多组测量区域，每组测量区域上设有水平孔位和垂直孔位，水平孔位包括孔A1和孔A2,孔A1和孔A2水平设置，孔A1和孔A2之间穿绕水平线圈 Wl2 ；每组测量区域上还设有垂直孔位，垂直孔位包括孔A3和孔A4,孔A3和孔A4垂直设置， 孔A3和孔A4之间穿绕垂直线圈W3.4 ；所述的孔A1、孔A2、孔A3和孔A4直径相同，孔A1与孔 A2的孔间距与孔A3和孔A4的孔间距相同；所述孔A1和孔A2的孔中心位置必须在压磁本体厚度中心线上，所述孔A3和孔A4孔间距的中心必须在压磁本体厚度中心线上。所述的水平线圈Wu与垂直线圈W3.4的匝数相等；差动整流输出回路是由四只高温二极管Dp D2、D3、D4 组成整流桥，整流桥阳极和阴极分别与输出回路的负载阻抗Rf两端连接，并做为力值信号输出端；多组测量区域的水平线圈Wu串联后组成水平绕组，设有连接点W'，多组测量区域的垂直线圈W3.4串联后组成垂直绕组，设有连接点Z'，将水平绕组和垂直绕组串接，其连接点设为Y'；整流桥的二极管DpD4W连接点J'与水平绕组和垂直绕组的连接点Y' 连接，整流桥的二极管D2、D3的连接点J与励磁变压器次级绕组的两个线圈的连接点Y点连接；所述励磁变压器次级绕组W点通过差动整流输出回路H和H'点与水平线圈Wu的W' 连接，而励磁变压器次级绕组Z点通过差动整流输出回路K和K'点与垂直线圈W3.4的Z' 点连接；励磁变压器初级绕组连接低频励磁电源，低频励磁电源提供交流电源。
本发明的优点在于
(1)本发明的压磁本体材料为铁镍系或铁铝系高磁导率软磁合金，可在弱磁场条件下工作，大大减小励磁功率(ABB650VA，本发明15 30VA)，符合节能要求；
(2)本发明把测量区域的水平孔位测量线圈与垂直孔位补偿线圈完全分开，利用压磁本体材料的固有特性，即平行于外力F的纵向方向磁导率对应力非常敏感，而垂直于外力F的横向磁导率对应力不敏感，从电气原理上把测量回路设计为电感式四壁平衡电桥，电桥输出采用电流整流，电阻降压的形式，从而实现了三线励磁、差动补偿、直流输出的一体式优化组合测量回路；
(3)采用低频励磁，可以克服涡流温升磁损增加引起的初始磁导率u的不规则漂移而造成的温漂、零漂、量程变化等缺陷；
(4)采用平衡电桥，可进一步补偿涡流温升磁损增加引起的初始磁导率u的不规则漂移，进一步提高传感器输出信号的稳定度、灵敏度、重复性、线性度、回差等技术性能指标和量程范围；
(5)采用电流整流差动补偿的输出回路，对励磁电流直接整流，可完全克服对一般交流小信号不易整流的缺陷，直流大信号更便于远距离传输及后续电路的信号处理，可进一步提高抗干扰能力；
(6)本发明输出阻抗低(15欧姆 M欧姆)，直流信号，输出信号大(0 500mV)。
图1是背景技术中的ABB测力传感器结构示意图2是背景技术中的整体结构压磁测力传感器线圈孔位结构示意图3是本发明的结构示意图。
图中
1-压磁本体；2-水平孔位；3-水平线圈Wu ；4-垂直孔位；5-垂直线圈W3.4 ；6-差动整流输出回路；7-励磁变压器；8-低频励磁电源。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。
本发明是一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，如图3 所示，包括传感器压磁本体1、水平孔位2、水平线圈Wu 3、垂直孔位4、垂直线圈W3.4 5、差动整流输出回路6、励磁变压器7和低频励磁电源8。
如图3a和图北所示，所述传感器压磁本体1的材料采用磁各同性的铁硅系无取向软磁合金，经钢锭锻造、加工成型(圆形、圆环形或者矩形)、真空热处理(消除内应力恢复磁性能)、受力面磨平得到。
传感器压磁本体1上设有多组测量区域，每组测量区域上设有水平孔位2和垂直孔位4，水平孔位2包括孔A1和孔A2,孔A1和孔A2水平设置，孔A1和孔A2之间穿绕水平线圈Wu 3。每组测量区域上还设有垂直孔位4，垂直孔位4包括孔A3和孔A4，孔A3和孔A4垂直设置，孔A3和孔A4之间穿绕垂直线圈W3.4 5。
所述的孔A1、孔A2、孔A3和孔A4直径相同，孔A1与孔A2孔间距与孔A3和孔A4间距相同，所述孔A1和孔A2孔间距的中心到孔A3和孔A4的孔中心连线的距离大于等于一个孔间距的三倍。所述孔A1与孔A2孔间距的截平面必须与外力F垂直、孔A3和孔A4孔间距的截平面必须与外力F平行。所述孔A1和孔A2的孔中心位置必须在压磁本体厚度中心线上，所述孔A3和孔A4孔间距的中心必须在压磁本体厚度中心线上。
所述的水平线圈W" 3与垂直线圈W3.4 5的匝数完全相等，线圈导线可使用多股耐高温并带有高度绝缘外皮的航空导线或高强度漆包线。
所述的孔A1、孔A2、孔A3、孔A4将测量区域分成A、B、C、D四个区域。
差动整流输出回路6是由四只高温二极管DpD2、D3、D4组成整流桥，整流桥阳极和阴极分别与输出回路的负载阻抗Rf两端连接，并做为力值信号输出端。
多组测量区域的水平线圈Wu串联后组成水平绕组，设有连接点r，多组测量区域的垂直线圈w3.4 5串联后组成垂直绕组，设有连接点Z'，将水平绕组和垂直绕组串接， 其连接点设为Y'。
整流桥的二极管DpD4W连接点J'与水平绕组和垂直绕组的连接点Y'连接，整流桥的二极管D2、D3的连接点J与励磁变压器7次级绕组的两个线圈的连接点Y点连接。 所述励磁变压器7次级绕组W点通过差动整流输出回路H和H'点与水平线圈Wu 3的W' 连接，而励磁变压器7次级绕组Z点通过差动整流输出回路K和K'点与垂直线圈W3.4 5的 Z'点连接。
所述差动整流输出回路的二极管DpDyDyD4及负载阻抗Rf焊接在一个小线路板上，经过绝缘处理后植入在传感器内部。
励磁变压器7初级绕组连接低频励磁电源8，低频励磁电源8提供交流电源。
本发明提供的四孔位整体结构压磁测力传感器，是把传感器的多组水平线圈^2 3串联后组成水平绕组，把多组垂直线圈W3.4 5串联后组成垂直绕组，这两个绕组连接后其中点通过差动整流输出回路6与励磁变压器7次级绕组的两个线圈连接构成一个四壁电感式平衡电桥，励磁变压器7次级绕组的两个线圈做为电桥的两个平衡壁，水平线圈W" 3做为电桥的测量壁，垂直线圈W3.4 5做为电桥的补偿壁。当对励磁变压器7初级绕组通以正玄交流电压E后，励磁变压器7次级绕组的两个线圈分别输出E/2电压值，通过差动整流输出回路对水平绕组Wu 3和垂直绕组W3.4 5进行励磁。如果把每个测量区域划分为纵向和横向，如图3a所示，纵向规定为A、B方向，横向规定为C、D方向，在不受外力F的情况下压磁本体内部磁性为磁各同性，整个测量区域的磁导率u是相同的，又由于水平绕组W" 3与垂直绕组W3.4 5圈数完全相等，此时在水平绕组Wu 3与垂直绕组W3.4 5内产生的励磁电流也完全相等，即il = i2。励磁电流il经二极管D1和&通过负载阻抗Rf回到励磁变压器 7次级绕组两个线圈的中点Y，而i2经二极管D3和D4通过负载阻抗Rf也回到励磁变压器 7次级绕组两个线圈的中点Y，这两个电流信号的幅值相等，方向相反，因此负载阻抗Rf的两端电压信号的幅值等于零，即有电流信号i0 = 1- 2 = OmA,电压信号U = OmA X Rf = OmV。在传感器受到环境温变、涡流温升、励磁电压波动而造成传感器测量区域磁场发生了变化，此时电桥仍处于平衡状态即输出电信号U = OmV。当传感器在受到外力F作用时如图北所示，压磁本体内部磁各同性的平衡状态被破坏，平行于外力F的纵向A、B方向的磁导率 u对应力σ非常敏感，应力σ使这一方向的磁导率u下降，磁阻增加，线圈电感量变�。缌鱥l增加，在负载阻抗Rf的两端电压信号Ul的幅值增加。而垂直于外力F的横向C、D方向的磁导率u对应力σ不敏感，磁导率u不变，电流i2不变。既有Ail= ( 1+Δ 1)- 2, 而Ail在负载阻抗Rf的两端产生的电压信号U= AUl = AilXRf。外力F值越大，Ail 电流变化量越大，在负载阻抗Rf的两端产生的电压信号U也就越大，输出的电压信号U值与被测力值F的大小成比列。
本发明的传感器压磁本体的材料可采用铁硅系、铁铝系和铁镍系软磁合金。外形结构可加工成圆形、圆环形、矩形的整体结构，其厚度为50mm 74mm。
所述低频励磁电源的频率为IOHZ 25HZ，功耗为IOW 30W，本发明采用低频 (10HZ 25HZ)低功耗(10W 30W)进行励磁。
本发明从电气原理上设计为电感式四壁平衡电桥，从而实现了三线励磁、差动补偿、直流输出的一体式优化组合测量回路，可完全克服现有的两孔位水平线圈的整体结构的压磁测力传感器(在测量区域的涡流温升和环境温变以及电源波动带来的零点漂移及卸载不归零，载荷信号渐进变小)存在的缺陷，进一步提高了传感器力值信号的稳定度、灵敏度、重复性、线性度、量程范围等技术指标。
本发明与叠片式四孔位正交结构及现有的整体式两孔位结构完全不同，而是把整个测量区域分为两个绕组，即水平绕组和垂直绕组，水平绕组做为测量绕组，垂直绕组做为补偿绕组，两组线圈匝数完全相同，两绕组线圈串接。励磁变压器二次绕组的两个线圈串接，其中点通过差动整流输出回路与水平绕组和垂直绕组中点连接组成平衡电桥。如图3a 所示，为了降低涡流损耗使磁损减�。３执判阅懿槐洌缜攀褂玫推道�。输出回路采用差动式电流整流电阻降压，信号呈直流差动输出。本发明使用元件少，输出阻抗底，电路简单，易于调整，从电气原理上实现了三线励磁、差动补偿、直流输出的一体式优化组合，可完全克服测量区域的涡流温升和环境温变以及电源波动带来的不利影响。
权利要求
1.一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，包括传感器压磁体、水平孔位、水平线圈Wu、垂直孔位、垂直线圈w3.4、差动整流输出回路、励磁变压器和低频励磁电源；所述传感器压磁体上设有多组测量区域，每组测量区域上设有水平孔位和垂直孔位， 水平孔位包括孔A1和孔A2,孔A1和孔A2水平设置，孔A1和孔A2之间穿绕水平线圈Wu ；每组测量区域上还设有垂直孔位，垂直孔位包括孔A3和孔A4,孔A3和孔A4垂直设置，孔A3和孔A4之间穿绕垂直线圈W3.4 5 ；所述的孔A1、孔A2、孔A3和孔A4直径相同，孔A1与孔A2的孔间距与孔A3和孔A4的孔间距相同，所述孔~和孔A2的孔中心位置必须在压磁本体厚度中心线上，所述孔A3和孔A4孔间距的中心必须在压磁本体厚度中心线上。所述的水平线圈 Wl2与垂直线圈W3.4的匝数相等；差动整流输出回路是由四只高温二极管Dp D2, D3、D4组成整流桥，整流桥阳极和阴极分别与输出回路的负载阻抗Rf两端连接，并做为力值信号输出端；多组测量区域的水平线圈Wu串联后组成水平绕组，设有连接点W'，多组测量区域的垂直线圈W3.4串联后组成垂直绕组，设有连接点Z'，将水平绕组和垂直绕组串接，其连接点设为Y'；整流桥的二极管DpD4W连接点J'与水平绕组和垂直绕组的连接点Y'连接， 整流桥的二极管1)2、1)3的连接点J与励磁变压器次级绕组的两个线圈的连接点Y点连接；所述励磁变压器次级绕组W点通过差动整流输出回路H和H'点与水平线圈Wu的W'连接， 而励磁变压器次级绕组Z点通过差动整流输出回路K和K'点与垂直线圈W3.4的Z'点连接；励磁变压器初级绕组连接低频励磁电源，低频励磁电源提供交流电源。
2.根据权利要求1所述的一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，所述传感器压磁体经钢锭锻造、加工成型、真空热处理、受力面磨平得到。
3.根据权利要求1所述的一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，所述传感器压磁体采用铁硅系、铁铝系或铁镍系软磁合金。
4.根据权利要求1所述的一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，所述传感器压磁体整体结构的外形为圆形、圆环形或者矩形。
5.根据权利要求1、2、3或者4所述的一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，所述传感器压磁体厚度为50mm 74mm。
6.根据权利要求1所述的一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，所述孔A1和孔A2孔间距的中心到孔A3和孔A4的孔中心连线的距离大于等于一个孔间距的三倍。
7.根据权利要求1所述的一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，所述孔A1与孔A2孔间距的截平面必须与外力F垂直、孔A3和孔A4孔间距的截平面必须与外力F平行。
8.根据权利要求1所述的一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，其特征在于，所述差动整流输出回路的二极管DpD2、D3、D4及负载阻抗Rf焊接一个线路板上，经过绝缘处理后植入在传感器内部。
全文摘要
本发明公开了一种基于压磁效应原理的新型四孔位线圈整体结构测力传感器，包括传感器压磁体、水平孔位、水平线圈W1.2、垂直孔位、垂直线圈W3.4、差动整流输出回路、励磁变压器和低频励磁电源；本发明把测量区域的水平孔位测量线圈与垂直孔位补偿线圈完全分开，利用压磁体材料的固有特性，即平行于外力F的纵向方向磁导率对应力非常敏感，而垂直于外力F的横向磁导率对应力不敏感，从电气原理上把测量回路设计为电感式四壁平衡电桥，电桥输出采用电流整流，电阻降压的形式，从而实现了三线励磁、差动补偿、直流输出的一体式优化组合测量回路。
文档编号G01L1/12GK102519632SQ201110341029
公开日2012年6月27日 申请日期2011年11月2日 优先权日2011年11月2日
发明者张思聪, 由菁菁, 邹凤欣, 高增雪 申请人:北京金自天正智能控制股份有限公司
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