幾種典型的電磁式扭矩傳感器

隨著傳感器技術(shù)的迅速發(fā)展，扭矩傳感器成為其中一個(gè)重要的研究方向。扭矩測量作為各種反映機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)和檢測的主要參數(shù)，對扭矩的檢測關(guān)系到整個(gè)轉(zhuǎn)動(dòng)系統(tǒng)性能，表現(xiàn)在其所輸出的功率、能耗、使用壽命、安全性和穩(wěn)定性等方面。

扭矩測量已經(jīng)在石油、汽車、船舶、航空航天、工程機(jī)械、交通運(yùn)輸、口腔醫(yī)學(xué)、醫(yī)療器械、電機(jī)、機(jī)器人及仿生機(jī)械等各個(gè)領(lǐng)域應(yīng)用。隨著全球資源的減少和國家戰(zhàn)略的需求，原有的接觸式扭矩測量易磨損，易受環(huán)境因素影響的弊端被日益放大，為了提高扭矩傳感器的測量精度，降低使用成本和提高抗干擾能力，非接觸式的電磁式扭矩應(yīng)運(yùn)而生。

(扭矩傳感器)

自從80年代起開始，美國、日本等發(fā)達(dá)國家研制出了電磁式扭矩傳感器后，科技界對其進(jìn)行了深入的研究。各式各樣的新型電磁式扭矩傳感器接踵而至。其中主要的幾款傳感器如下，他們分別從結(jié)構(gòu)，制作工藝和測量方式上進(jìn)行了創(chuàng)新和改進(jìn)，對該領(lǐng)域貢獻(xiàn)較大。

1. 立式電磁扭矩傳感器

該型傳感器主級用于測量，從級用于校對。通過 Maxwell 軟件對輸出電壓、激勵(lì)線圈匝數(shù)、轉(zhuǎn)子的厚度等參數(shù)進(jìn)行電磁仿真，將上述多組參數(shù)的數(shù)據(jù)利用線性減慣性權(quán)重粒子群算法與有限元方法相結(jié)合的方法優(yōu)化設(shè)計(jì)傳感器的結(jié)構(gòu)參數(shù)，除去電壓波動(dòng)較大及結(jié)構(gòu)參數(shù)差的組別，找到一組傳感器設(shè)計(jì)參數(shù)能使傳感器的非線性度產(chǎn)生誤差，用以指導(dǎo)傳感器的加工，為立式結(jié)構(gòu)電磁扭矩 。

2. 霍爾式扭矩傳感器

該傳感器使用成本較低的永磁體(N35 釹鐵硼) 作為激勵(lì)來產(chǎn)生磁場，將其外形設(shè)計(jì)成片狀，排列方式為相鄰兩片的 N、S 極，極性相反排列在轉(zhuǎn)動(dòng)軸的徑向上，從而形成繞軸一圈的磁環(huán)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，由軸兩端的磁環(huán)產(chǎn)生周期性的交變磁場，在該磁場中霍爾元件將在其內(nèi)部產(chǎn)生的霍爾電壓，由于旋轉(zhuǎn)軸兩端存在著相位差，因此通過計(jì)算兩路電壓信號之間的相位差可得到軸兩端相對扭轉(zhuǎn)角大小。

3. 差動(dòng)式電磁感應(yīng)轉(zhuǎn)矩傳感器

傳感器軸的輸出鐵芯一端與轉(zhuǎn)動(dòng)軸同心固定在轉(zhuǎn)動(dòng)軸上，另一端使用軸承將其傳感器軸相連且可以轉(zhuǎn)動(dòng)，將輸出繞組布置在輸出鐵芯槽內(nèi)。勵(lì)磁鐵心固定在勵(lì)磁套管上，勵(lì)磁繞組安裝在勵(lì)磁鐵心上。該傳感器的工作原理是將扭矩的轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)化成傳感器的閉合磁路磁通，其中磁通是由勵(lì)磁鐵芯，氣隙和輸出鐵芯所形成的磁路產(chǎn)生。由于負(fù)載扭矩的原因，此時(shí)輸出繞組的兩路磁通不再相同，產(chǎn)生的電動(dòng)勢也不再相等，經(jīng)過差動(dòng)輸出后的輸出繞組將產(chǎn)生與該轉(zhuǎn)角成線性關(guān)系的電動(dòng)勢，再經(jīng)過電磁耦合得到電動(dòng)勢與負(fù)載扭矩 T 成正比的關(guān)系。在結(jié)構(gòu)上取得創(chuàng)新的同時(shí)，同時(shí)實(shí)現(xiàn)了對測量動(dòng)態(tài)及靜態(tài)扭矩的測量。

4. 環(huán)型球柵式電磁扭矩傳感

通過將光柵扭矩傳感器的測量原理和電磁式進(jìn)行了結(jié)合，研究出來一個(gè)新型電磁式扭矩傳感，命名為環(huán)型球柵扭矩傳感。其原理還是應(yīng)用的電磁感應(yīng)現(xiàn)象，填補(bǔ)了光柵和電磁式結(jié)合的領(lǐng)域空白。

傳感器是由環(huán)型空間的磁性鋼球和電磁式探測器陣列組成，主要是對上述的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了創(chuàng)新，將環(huán)型球柵引入其中，同時(shí)保留有電磁式測量頭，由此將二者完美的結(jié)合。由于傳感器的球柵圓環(huán)是固定的，因此當(dāng)傳動(dòng)軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過環(huán)型球珊內(nèi)的金屬小球，小球和空氣的磁阻不同，由于磁阻得變化，就可以轉(zhuǎn)化為讀數(shù)頭和球柵之間相對位移，測得扭矩。該傳感器具有物理性質(zhì)穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)可靠的優(yōu)點(diǎn)。

在工業(yè)中，電磁扭矩傳感器已經(jīng)應(yīng)用在傳統(tǒng)汽車的助力轉(zhuǎn)向、變速器與傳動(dòng)軸之間、船舶及飛機(jī)的發(fā)動(dòng)機(jī)、試驗(yàn)臺(tái)和電機(jī)等傳動(dòng)系中需要進(jìn)行扭矩測量和功率計(jì)算的場合。

在進(jìn)入 21 世紀(jì)以來，隨著科技進(jìn)步和材料的發(fā)展，此類型的傳感器已經(jīng)突破了傳統(tǒng)行業(yè)應(yīng)用的局限，已經(jīng)開始在機(jī)器人、生物醫(yī)學(xué)中嶄露頭角。

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審核編輯 黃宇