[发明专利]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

说明书

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场，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A、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不再是均匀的，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常好的，但对于制造厂商来说，其制造工艺非常复杂，大概要经过片形剪裁、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场，不宜推广。

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，而受力面积小，只适应制造小吨位量程或特殊用途的传感器。

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小，使信号不稳、零漂大、卸载后零点不归零，量程范围变小，而单一两孔位水平线圈的测量回路难以克服这些缺陷。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W_1.2、垂直孔位、垂直线圈W_3.4、差动整流输出回路、励磁变压器和低频励磁电源；