专利名称：一种基于磁致伸缩效应的扭矩传感器及扭矩测量方法
技术领域：
本发明涉及一种扭矩传感器，特别是一种基于磁致伸缩效应的非接触式扭矩传感器及扭矩测量方法。
背景技术：
由铁磁学可知，铁磁材料在外磁场作用下产生机械变形的现象称为磁致伸缩效应。反之，在外力作用下，引起铁磁材料内部发生应变，产生应力，应力使铁磁材料磁化强度变化的现象，称为压磁效应。二者总称为磁弹性效应。当对扭转部分一个扭矩，引起扭转部分软磁体内应力σ i的出现，由此将通过三种方式引起能量的增加。第一种是磁弹性能的增力卩。磁弹性能的密度表达式为
Εσ = 二；I,Cri Sini <9,式中λs为各项同性材料的饱和磁致伸缩系数，Θ为磁化强度与应
力间的角度。由此可见，若内应力Oi或内应力与磁化强度的夹角θ发生变化，则Ε。将发生变化。在退磁状态下，根据能量极小原理，E0总是取极小值的，若此时加上外磁场，畴壁发生位移便会引起Ε。的增大，因此磁弹性能将阻碍畴壁的移动(特别表现在阻碍90°壁的运动)。第二种是畴壁能的增加。由畴壁能的公式可知，能存在内应力时，单位面积畴壁能的表达式为γ 4、/4尤有效=4^4 +I^cri),式中，、为交换积分常数，K1为磁
晶各向异性常数。若内应力Oi是随材料内部的位置不同而不同，则单位面积的畴壁能γ 也是位置的函数，当处于退磁状态时，畴壁总是停在υ最小的位置上，加上外磁场后，畴壁发生移动，离开了、最小的位置，走到、较大的位置上去了。这种畴壁能的增加亦将阻碍畴壁的运动。第三种是退磁能的增加。内应力阻碍畴壁运动的第三种方式是使自发磁化强度的方向偏离其平均方向，从而在内应力所在区域的边缘上产生磁荷。退磁状态时畴壁停在退磁能(内部磁荷引起的)最小的位置上；加上外磁场后，磁畴发生移动，磁荷密度增加，退磁能增大。因此，这种退磁能的增加将阻碍畴壁的运动。传统的磁弹性扭矩传感器，具有输出功率大、抗干扰能力强、过载性能好、结构与电路简单、使用便捷，并能在恶劣环境下工作以及实现扭矩在线检测等优点，不足之处是测量精度及灵敏度较低，特别是当载荷比较小时。专利号871047 . 1公开了一种利用磁致伸缩效应，采用非接触方式检测的新型磁弹性扭矩传感器。该磁弹性扭矩传感器输出电平高、 线性好、抗干扰能力强。金属电阻应变片检测技术是比较成熟的检测扭矩方法。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，当弹性轴受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量。在金属电阻应变片的扭矩传感器中，需要解决的技术关键是(1)弹性轴的工作区域不应该大于弹性区域的 1/3，且取初始段。为了将迟滞误差减低到最底，按照超载能力指数选取最大的轴径。(2)采用LM型硅扩散力敏全桥应变片，较好的敏感性，很小的非线形度。(3)采用高精度的稳压电源。专利号200980110867. X公开了一种用于转向系统的非接触式扭矩传感器。该传感器虽然可靠性高、寿命长，但是该传感器结构复杂。目前，扭矩传感器的发展趋势是要求更高的精度、可靠性、响应速度和更低的成本。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的是提供一种结构简单、成本低、精度高且适应不同情况下的要求的基于磁致伸缩效应的扭矩传感器及扭矩测量方法。本发明的技术方案是一种基于磁致伸缩效应的非接触式扭矩传感器，该扭矩传感器包括扭转部分、励磁线圈、感应线圈和信号发生处理部分；其中，所述信号发生处理部分由电源、信号放大电路、数模转换电路、单片机和信号激发驱动电路组成；
所述励磁线圈和感应线圈缠绕在所述扭转部分上，所述励磁线圈通过所述信号激发驱动电路与所述单片机连接；所述感应线圈通过所述信号放大电路和数模转换电路与所述单片机连接。进一步，所述信号发生处理部分还包括通讯接口，所述通讯接口与所述单片机连接。进一步，所述扭转部分材料为丝或棒状软磁体。本发明的另一目的是提供上述基于磁致伸缩效应的扭矩传感器的扭矩测量方法， 包括以下步骤
1)在未有扭矩作用于扭转部分时，单片机通过信号激发驱动电路提供给缠绕扭转部分上的励磁线圈一个稳定的交变信号，由于电磁感应，缠绕扭转部分上的感应线圈同时感应到一个稳定的交变信号，交变信号被信号放大电路放大，通过数模转换电路转换为数字信号发送给单片机，单片机接收并记录信号值为Vtl ；
2)在扭转部分上作用扭矩F，信号发生处理部分所提供的交变信号不变，由于对扭转部分施加了扭矩，引起扭转部分磁导率发生变化，感应线圈接收到的变化后的信号，信号被信号放大电路放大，通过数模转换电路转换为数字信号发送给单片机，单片机接收并记录信号值为Vk。3)计算加载扭矩单片机根据信号峰值变化Δ V1= I Vk-V0 I与预先输入信号发生处理部分的扭矩和Δ V的对应关系，实时计算扭矩F的值。本发明的有益效果是本发明可以先估计要测量的扭矩的大�。鹘谛藕糯聿糠址糯蟮缏返姆糯蟊妒佣岣卟饬苛槊舳龋豢筛菔导市枰谋渑ぷ糠值某ざ龋だ槐湫藕诺那慷�、频率大小，以适应不同情况下的要求，同样可以提高灵敏度。
图1为本发明扭矩传感器的结构原理图。图2为本发明扭矩传感器信号发生处理部分结构图。图3为根据本发明的实施例1的示例性加载扭矩前后感应线圈感应信号波形幅度-时间曲线图。图中
1-扭转部分，2-励磁线圈，3-感应线圈，4-信号发生处理部分；5-电源、 6-信号放大电路、7-数模转换电路、8-单片机、9-信号激发驱动电路、10-通讯接口、 11-励磁线圈施加正弦信号，未加扭矩时，感应线圈感应波形，12-在励磁线圈施加信号不变，施加扭矩后，感应线圈感应波形。
具体实施例方式下面结合具体示例性实施例对本发明做进一步的阐明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明型的范围。实施例1
参见图1-3所示，本发明一种扭矩传感器，包括扭转部分1、激励线圈2、感应线圈3、信号发生处理部分4和通讯接口 10。其中，信号发生处理部分4由电源5、信号放大电路6、数模转换电路7、单片机8、 信号激发驱动电路9和通讯接口 10组成。励磁线圈2和感应线圈3缠绕在丝或棒状软磁体1上，励磁线圈2通过信号激发驱动电路9与单片机8连接；感应线圈3通过信号放大电路6和数模转换电路7与单片机 8连接，通讯接口 10与单片机8连接。所述扭转部分在本实施例里选择工业纯铁做的圆棒。使用本装置测量包括以下步骤
获取不加载时信号，通过信号发生处理部分4给励磁线圈2施加一个稳定的正弦交变信号，感应线圈3相应感应到一个交变信号11 (如图3所示)，该信号传输到信号发生处理部分4的信号放大电路放大、通过数模转换电路7，单片机并记录，记信号峰值为Vtl ；
获取加载时信号，对扭转部分1棒施加一个扭矩，由于扭矩的施加，扭转部分1内部磁导率发生变化，此时感应线圈3感应到一个对应的交变信号12 (如图3所示)，通过信号处理部分记录该信号峰值为Vk。计算加载扭矩。信号发生处理部分4通过计算感应线圈3感应到的信号峰值变化 AV= I Vk-V0 I与预先输入信号发生处理部分4的扭矩和Δ V的对应关系，实时计算出被测扭矩。确定扭矩和Δ V的对应关系在激励交变信号一定的情况下，通过对扭转部分1施加线性增加的扭矩，并实时记录Δ V，来确定扭矩与Δ V的对应关系，将此关系输入信号发生处理部分。实施例2
扭转部分在本实施例里选择狗-·合金丝，Ni含量4(T50wt%。使用本装置测量包括以下步骤
获取不加载时信号，通过信号发生处理部分4给励磁线圈2施加一个稳定的正弦交变信号，感应线圈3相应感应到一个交变信号，该信号传输到信号发生处理部分4并记录，记信号峰值为Vtl ；
对扭转部分1棒施加一个微小扭矩，由于扭矩的施加，扭转部分1内部磁导率发生变化，此时感应线圈3感应到一个对应的交变信号，此时信号很弱，通过信号发生处理部分的放大电路放大，检测此时信号值为\。计算加载扭矩。信号发生处理部分4通过计算感应线圈3感应到的加载信号峰值 Vk与预先输入信号发生处理部分4的扭矩和Δ V的对应关系，实时计算出被测扭矩。确定扭矩和Δ V的对应关系在激励交变信号一定的情况下，通过对扭转部分(1) 施加线性增加的扭矩，并实时记录Δ V，来确定扭矩与Δ V的对应关系，将此关系输入信号发生处理部分。尽管参照本发明的上述示例性实施例对本发明的具体实施方式
进行了详细的描述，但是应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性的劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
权利要求
1.一种基于磁致伸缩效应的非接触式扭矩传感器，其特征在于，该扭矩传感器包括扭转部分(1)、励磁线圈(2)、感应线圈(3)和信号发生处理部分(4);其中，所述信号发生处理部分(4)由电源(5)、信号放大电路(6)、数模转换电路(7)、单片机(8)和信号激发驱动电路 (9)组成；所述励磁线圈(2 )和感应线圈(3 )缠绕在所述扭转部分(1)上，所述励磁线圈(2 )通过所述信号激发驱动电路(9 )与所述单片机(8 )连接；所述感应线圈(3 )通过所述信号放大电路(6)和数模转换电路(7)与所述单片机(8)连接。
2.根据权利要求1所述的基于磁致伸缩效应的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述信号发生处理部分(4)还包括通讯接口(10)，所述通讯接口(10)与所述单片机(8)连接。
3.根据权利要求1或2所述的基于磁致伸缩效应的非接触式扭矩传感器，其特征在于， 所述扭转部分(1)材料为丝或棒状软磁体。
4.根据权利要求1-3所述的基于磁致伸缩效应的非接触式扭矩传感器的扭矩测量方法，其特征在于包括以下步骤1)在未有扭矩作用于扭转部分(1)时，单片机(8)通过信号激发驱动电路(9)提供给缠绕扭转部分(1)上的励磁线圈(2)—个稳定的交变信号，由于电磁感应，缠绕扭转部分 (1)上的感应线圈(3)同时感应到一个稳定的交变信号，交变信号被信号放大电路(6)放大，通过数模转换电路(7)转换为数字信号发送给单片机(8)，单片机(8)接收并记录信号值为V052)在扭转部分(1)上作用扭矩F，信号发生处理部分(4)所提供的交变信号不变，由于对扭转部分(1)施加了扭矩，引起扭转部分(1)磁导率发生变化，感应线圈(3)接收到的变化后的信号，信号被信号放大电路(6)放大，通过数模转换电路(7)转换为数字信号发送给单片机(8)，单片机(8)接收并记录信号值为Vk ；3)计算加载扭矩单片机(8)根据信号峰值变化ΔV1= I Vk-V0 I与预先输入信号发生处理部分(4)的扭矩和Δ V的对应关系，实时计算出扭矩F的值。
全文摘要
本发明属于扭矩测量技术领域，提供一种基于磁致伸缩效应的扭矩传感器及扭矩测量方法，该扭矩传感器包括扭转部分、励磁线圈、感应线圈、信号发生处理部分。其中信号发生处理部分由电源、信号放大电路、数模转换电路、单片机、信号激发驱动电路、和通讯接口组成。本发明扭矩测量方法为通过信号发生处理部分提供给励磁线圈一个稳定的交变信号，通过感应线圈在扭转部分加载前后感应到信号的强度峰值之差得到被测扭矩。本发明扭矩传感器结构简单，可根据应用环境不同，选择不同激励信号、扭转部分尺寸和信号放大电路放大倍数，从而提高了精度，降低了成本。
文档编号G01L3/00GK102401708SQ201110379448
公开日2012年4月4日 申请日期2011年11月24日 优先权日2011年11月24日
发明者包小倩, 李明明, 李纪恒, 牟星, 高学绪 申请人:北京科技大学
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