[发明专利]一种基于磁致伸缩效应的扭矩传感器及扭矩测量方法

说明书

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加。磁弹性能的密度表达式为                                                ，式中λ_s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σ_i或内应力与磁化强度的夹角θ发生变化，则E_σ将发生变化。在退磁状态下，根据能量极小原理，E_σ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E_σ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，式中，A₁为交换积分常数，K₁为磁晶各向异性常数。若内应力σ_i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γ最小的位置上，加上外磁场后，畴壁发生移动，离开了γ最小的位置，走到γ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87104724.1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：