具有自我補償功能的磁致彈性扭矩傳感器的制造方法
【專利說明】具有自我補償功能的磁致彈性扭矩傳感器 所屬技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種應(yīng)用磁場傳感器來對施加到可旋轉(zhuǎn)軸的扭矩進行測量的方法。更 具體地說，本發(fā)明設(shè)及到有關(guān)把磁場傳感器安置在相對軸的特定位置來測量施加到軸上的 扭矩，而且在一個較大的溫度范圍內(nèi)不受外部干擾磁場的影響。
【背景技術(shù)】
[0002] 磁致彈性扭矩傳感器有很多類型。很多出版物和專利說明書提出并描述了各種類 型的磁致彈性扭矩傳感器。有兩種利用磁致彈性現(xiàn)象作為非接觸式扭矩傳感器的感應(yīng)機 審IJ。一種是基于磁導率，另一種是基于極帶型。
[0003] 在磁導率型的磁致彈性扭矩傳感器中，由扭矩所產(chǎn)生的應(yīng)力而引起磁各向異性改 變了軸表面的磁導率，從而影響磁源和感應(yīng)線圈的磁通路徑。運種傳感器所傳感的是軸的 磁導率的變化.輸出信號取自于磁通密度B，而磁通密度B又取決于激勵磁場Η和磁導率 μ，因為Β=μΗ，當由扭矩所產(chǎn)生的應(yīng)力改變磁導率μ時，環(huán)繞著兩個傳感區(qū)的感應(yīng)線圈 產(chǎn)生了不同的電壓，通過測量運種電壓差就可得到施加到軸上的扭矩。運種類型的傳感器 由軸，激勵線圈和測量線圈組成。與兩組線圈同屯、的磁各向異性測量區(qū)可用不同方法建立 在軸上，例如：在軸上加一個磁性材料套筒，套筒有兩個平行的環(huán)形區(qū)域，該區(qū)域中有與表 面成±45°角的具有一定間距狹縫（美國專利第4506554號，布洛姆奎斯特等人）。或在 軸的表面鍛上鍛層，如銅帶。（美國專利號5646356,林等人。）另一種方法是在軸上形成一 個與軸線有適當?shù)慕嵌鹊钠叫胁?或突出部。（美國專利號4823620,易都等人。）?；驇?有磁致伸縮薄膜的軸（美國專利出版號2007/0245833Α1，米田等人。）或粘結(jié)到軸上的一 對非晶磁帶。（美國專利號4907462,奧己馬等人。）
[0004]一個生產(chǎn)磁導率型的磁致彈性扭矩傳感器的公司是位于瑞典韋斯特羅斯的ABB公司。
[0005]另一種磁致彈性扭矩傳感器，即極帶型磁致彈性扭矩傳感器，其原理基于扭應(yīng)力 對軸圓周磁化后剩余磁矩的轉(zhuǎn)向效應(yīng)。施加到軸上的扭矩產(chǎn)生了正負向的主應(yīng)力并由之 產(chǎn)生磁能量，該磁能量使磁矩遠離其最近的負主應(yīng)力方向，而向最近的正主應(yīng)力的方向旋 轉(zhuǎn)。其轉(zhuǎn)向的結(jié)果是使原來在圓周方向磁化所形成的磁矩產(chǎn)生軸向磁通量。運些磁通量集 中在兩極帶邊緣，形成是一個很容易被一個或多個磁場傳感器測到的磁場。運種傳感器可 由一個具有磁致彈性的薄套筒硬性連接到軸上來組成（美國專利號5351555,加爾舍利斯 Garshelis)，或使用具有磁致彈性的材料來制成實屯、或空屯、軸（美國專利號6047605,加爾 舍利斯Garshe1iS，和美國專利號658148B1，梅等人）。該磁致彈性區(qū)除了可圓周向磁化外， 也可軸向磁化。
[0006]-個生產(chǎn)極帶型磁致彈性扭矩傳感器磁力矩傳感器的公司是位于美國芝加哥的 梅索德電子公司。
[0007] 現(xiàn)有的磁致彈性扭矩傳感器的基本弱點是，它們不能辨別所傳感的磁通量B到底 是由扭應(yīng)力所產(chǎn)生的，還是來自外部干擾磁場，或是由溫度變化所引起的，因此其測量到的 磁通量B的變化并不能明確無誤地表明扭矩的變化。
[0008] 大多數(shù)現(xiàn)有磁致彈性扭矩傳感器采用了共模抑制的結(jié)構(gòu)來過濾掉均勻的外界磁 場，即遠磁場，如地球磁場。通過提供兩個不同的依賴于磁通量B的信號，其對同一扭矩產(chǎn) 生具有大小相等方向相反的信號，與合并兩個信號差異的方法。運就要求很大的努力來匹 配不同的磁傳感器的靈敏度，使之完全相同。運種配置不能消除非均勻外界磁場，如附近的 電機產(chǎn)生的磁場，或附近的移動鐵磁性物體。
[0009] 另一種試圖避免外部干擾磁場的方法是用磁屏蔽裝置來保護傳感器免受外部磁 場的干擾，詳見美國專利號5083359 (阿密德爾Aminder等人）和美國專利號5889215 (基 爾馬下Kilmartin等人）。
[0010] 還有另一種方法采用激勵線圈來補償外界干擾磁場，詳見美國專利 6826969B1 (梅）。
[0011] 但是，為傳感器提供屏蔽和補償線圈需要一定的空間，給空間狹小的地方帶來很 大的應(yīng)用問題，而且，運種昂貴的屏蔽很難用在要求成本低廉的應(yīng)用上，例如在汽車上的應(yīng) 用。并且，采用上述方法增加了傳感器的復(fù)雜性和成本，同時也減少其普遍適應(yīng)性，可維護 性和可靠性。運些方法也沒有補償溫度漂移和因旋轉(zhuǎn)而偏移的輸出。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0012] 本發(fā)明的目的是提供一個可W克服上述問題的磁致彈性扭矩傳感器，并提供一個 具有高度可靠性的磁致彈性扭矩傳感器。
[0013] 本發(fā)明的另一個目的是提供一個能自己過濾掉外屆干擾磁場影響的磁致彈性扭 矩傳感器。
[0014] 該項發(fā)明的進一步目標是提供一個可補償溫度漂移的磁致彈性扭矩傳感器。
[0015] 本發(fā)明的另一目的是提供一個可補償因旋轉(zhuǎn)偏移輸出的而磁致彈性扭矩傳感器。
[0016] 該項發(fā)明的進一步目標是提供一個可補償溫度靈敏度漂移的磁致彈性扭矩傳感 器。
[0017] 本發(fā)明的另一個目的是提供一個需要較少的軸向空間的磁致彈性扭矩傳感器，并 對軸向安裝誤差有更大的容忍。
[0018] 本發(fā)明另一個的目的是提供一個能匹配磁場傳感器的靈敏度的磁致彈性扭矩傳 感器，使之能實現(xiàn)完全的共模抑制。
[0019] 運些目標可通過提供如下磁致彈性扭矩傳感器來實現(xiàn)：該磁致彈性扭矩傳感器包 括至少一個磁致彈性區(qū)，至少一個磁場傳感器來測量磁致彈性區(qū)因扭矩而產(chǎn)生的磁場（主 磁場傳感器），并至少有一個磁場傳感器放置于因扭矩而產(chǎn)生的磁場影響之外的地方（輔 助磁場傳感器），使運一傳感器不能感應(yīng)因扭矩而產(chǎn)生的磁場。主磁場傳感器和輔助磁場傳 感器的輸出信號獨立處理，如果當靠近磁致彈性區(qū)的主磁場傳感器檢測到磁場有變化時， 輔助磁場傳感器測不到磁場變化，運意味著主磁場傳感器所檢測到的磁場的變化全部由施 加的扭矩所造成。當主磁場傳感器和輔助磁場傳感器都檢測到磁場變化時，則表明有外來 磁場，即不由扭矩所產(chǎn)生的磁場，無論其是因溫度變化而造成的，因軸的旋轉(zhuǎn)而產(chǎn)生的，或 是來自一個外部干擾磁場，例如電機。
[0020] 另外，可把輔助磁場傳感器放在靠近磁致彈性區(qū)的位置，但其所能感應(yīng)的磁場強 度比主要磁場傳感器低，w部分補償因軸旋轉(zhuǎn)和溫度變化而產(chǎn)生的靈敏度漂移。
[0021] 要使兩個磁場傳感器的靈敏度完全一致需要很大的努力，運在現(xiàn)實中是很難實 現(xiàn)，沒有靈敏度完全一致的一對磁場傳感器，就不能完全實現(xiàn)共模抑制。當傳感器放置在均 勻磁場時，主磁場傳感器和輔助磁場傳感器的輸出信號是相互獨立的，可對其靈敏度進行 調(diào)整，使其完全一致，W實現(xiàn)完全的共模抑制。
[0022] 與W前的磁致彈性傳感器技術(shù)相比，采用本發(fā)明可降低磁致彈性傳感器的生產(chǎn)成 本，簡單易用，并能在大多數(shù)惡劣的環(huán)境工作。
【附圖說明】
[0023] 圖1顯示了本發(fā)明的Ξ維圖形。
[0024] 圖2顯示了本發(fā)明的二維圖形。
[00巧]圖3顯示了軸向磁致彈性區(qū)上的磁場強度。
[0026] 圖4顯示了由于制造公差，磁場傳感器安裝位置的誤差。
[0027] 圖5a到5c顯示，應(yīng)用本發(fā)明的磁致彈性傳感器中磁場傳感器的不同的安置方法。
【具體實施方式】
[002引圖。1和圖。2分別顯示了一個體現(xiàn)本發(fā)明的極帶型磁致彈性扭矩傳感器的Ξ維 和二維圖。在運個例子中，扭矩T施加在帶有軸線10的軸12上，軸12上有一個磁致彈性 區(qū)14,至少有一個主磁場傳感器18放置磁致彈性區(qū)14附近，W檢測因扭矩而產(chǎn)生的磁場 24,并且至少有一個輔助磁場傳感器，19或20,放置主要磁場傳感器18的任何一側(cè)，輔助磁 場傳感器19和20放置在離磁致彈性區(qū)14足夠遠的地方，W避免W檢測到因扭矩而產(chǎn)生的 磁場24。
[0029] 圖。3顯示因扭矩T而產(chǎn)生的磁場沿磁致彈性區(qū)14軸向的強度，在磁致彈性區(qū)14 的中屯、磁場強度最高，越靠近磁致彈性區(qū)14的邊緣則磁場強度越弱。磁致彈性區(qū)14越長， 磁場強度高峰曲線就越平坦。因此，較長的磁致彈性區(qū)14可W用來減少軸的軸向運動對傳 感器靈敏度的影響。
[0030] 主磁場傳感器18和輔助磁場傳感器19和20的輸出信號由電線22引出，一種過 濾干擾磁場的方法是使用下列公式來處理運些磁場傳感器輸出信號：
[0031]
[00礎(chǔ)其中
[0033] 輸出=扭矩傳感器的輸出信號
[0034] Sa=主要磁場傳感器18的輸出信號
[0035]Spig=輔助磁場傳感器19的輸出信號
[0036]Sp2〇 =輔助磁場傳感器20的輸出信號
[0037] 當沒有施加扭矩，也不存在外界干擾磁場時，S。與Spie和SP2。相等，因此扭矩傳感 器輸出為0。如果扭矩T施加到軸12上，只有主磁場傳感器18能檢測到因扭矩T而產(chǎn)生的 磁場24,根據(jù)于扭矩T方向，S。將增加或減少，因此，主磁場傳感器18的輸出信號是Sa+St， 其中St是因扭矩Τ而發(fā)生的信號變化，在沒有外部干擾磁場的情況下，Spie和SP2。仍維持不 變，主磁場傳感器18所感應(yīng)到的磁場變化全部由扭矩T造成，其輸出信號可用下列公式來 表不：
[0038]
[0039] 當輔助磁場傳感器19或20檢測到的磁場26有所變化時，運表明存在著因扭矩T 而產(chǎn)生的磁通量W外的干擾磁場。干擾磁場有幾種類型。根據(jù)干擾磁場離扭矩傳感器的距 離遠近，可把干擾磁場分為遠磁場和近磁場兩類。當干擾磁場如地球磁場離扭矩傳感器足 夠遠時，外部干擾磁場與主磁場傳感器18和輔助磁場傳感器19和20的之間的距離可認為 是相同的，即它們都感應(yīng)到相同的干擾磁場強度，因此，信號處理公式為：
[0040]
[0041]其中：
[0042] 8。。=主磁場傳感器18因外部磁場26而產(chǎn)生的輸出信號
[0043] Sppw=輔