趙 浩

(嘉興學(xué)院南湖學(xué)院,浙江 嘉興 314001)

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新型高線性度分段激磁式扭矩傳感器的研究*

趙 浩*

(嘉興學(xué)院南湖學(xué)院,浙江 嘉興 314001)

扭矩的準(zhǔn)確測(cè)量對(duì)實(shí)現(xiàn)機(jī)械設(shè)備的自動(dòng)控制有著重要的作用,為此,設(shè)計(jì)了一種新型分段激磁的高線性度扭矩傳感器。傳感器的激磁繞組為分段式,傳感器轉(zhuǎn)軸受到扭矩作用時(shí),輸出繞組經(jīng)過電磁耦合輸出與負(fù)載扭矩呈正比關(guān)系的感應(yīng)電勢(shì),并找到了傳感器輸出特性呈較高度線性時(shí),激磁線圈與輸出線圈的匝數(shù)比的范圍約為0.56～0.59。推導(dǎo)了傳感器的輸出特性,構(gòu)建了傳感器的數(shù)學(xué)模型。最后采用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定,實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明傳感器的靈敏度約為1.05 mV/(N·m),重復(fù)性誤差約為±0.38%,非線性誤差約為±0.26%,遲滯誤差約為±0.37%。

扭矩傳感器;分段激磁;傳遞函數(shù);標(biāo)定

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步和生產(chǎn)發(fā)展的各種需要,扭矩測(cè)量技術(shù)在工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用[1-2]。例如在塑殼式低壓斷路器智能測(cè)控系統(tǒng)中,采用扭矩傳感器對(duì)電機(jī)軸輸出扭矩進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè),當(dāng)螺絲刀對(duì)螺母鎖緊到一定程度時(shí),控制電機(jī)停轉(zhuǎn)[3];扭矩作為裝載機(jī)傳動(dòng)軸的基本載荷形式,是裝載機(jī)動(dòng)力輸出的重要評(píng)價(jià)指標(biāo),同時(shí)傳動(dòng)軸的扭矩測(cè)試還是裝載機(jī)開發(fā)研究等工作不可或缺的內(nèi)容[4]。

近年來許多專家在扭矩測(cè)量方面進(jìn)行了大量的研究,設(shè)計(jì)了多種新型扭矩傳感器,包括壓電式扭矩傳感器[5]、基于螺管形差動(dòng)變壓器的非接觸式扭矩傳感器[6]、一種激光多普勒扭矩傳感器[7]、環(huán)形球柵式扭矩傳感器[8]、基于FPGA的高精度扭矩傳感系統(tǒng)[9]、一種機(jī)器人諧波減速器內(nèi)嵌扭矩傳感器[10]、基于空氣軸承支撐技術(shù)的扭矩標(biāo)準(zhǔn)機(jī)[11]和一種基于納米晶軟磁合金的磁彈性扭矩傳感器[12]等等。

本文設(shè)計(jì)了一種具有較高線性度的新型扭矩傳感器,闡述了傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理,通過兩段激磁繞組和補(bǔ)償繞組的作用,使得傳感器輸出繞組產(chǎn)生于負(fù)載扭矩呈高度線性的感應(yīng)電勢(shì)。為了更加深入的揭示傳感器的特性,構(gòu)建了傳感器的數(shù)學(xué)模型。最后采用扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)機(jī)對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定,得到了傳感器的各項(xiàng)靜態(tài)性能指標(biāo)。

1 傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)的扭矩傳感器剖面如圖1所示,傳感器軸同心外設(shè)內(nèi)環(huán)鐵心,內(nèi)環(huán)鐵心一端與傳感器轉(zhuǎn)軸固定,另一端通過軸承與傳感器轉(zhuǎn)軸固定且可以相對(duì)傳感器轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng);傳感器軸、內(nèi)環(huán)鐵心同心外設(shè)外環(huán)鐵心,外環(huán)鐵心一端與傳感器軸固定,另一端通過軸承與內(nèi)環(huán)鐵心固定且可以相對(duì)內(nèi)環(huán)鐵心轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 傳感器剖面圖

內(nèi)環(huán)鐵心設(shè)有繞組槽,輸出繞組R1-R2和第2段激磁繞組L3-L4置于槽內(nèi),兩相繞組的軸線正交;外環(huán)鐵心設(shè)有繞組槽,第1段激磁繞組L1-L2和補(bǔ)償繞組C1-C2固定在外環(huán)鐵心上,兩相繞組的軸線正交;第1段激磁繞組L1-L2和第2段激磁繞組L3-L4采用串聯(lián)方式連接。

2 傳感器工作原理及特性

當(dāng)彈性軸受到負(fù)載扭矩作用時(shí),彈性軸兩端的截面會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角,在轉(zhuǎn)軸彈性范圍內(nèi),扭轉(zhuǎn)角與負(fù)載扭矩存在如下關(guān)系式[13]:

(1)

式中θ:軸的扭轉(zhuǎn)角(rad);T:負(fù)載扭矩(N·m);L:軸的工作長(zhǎng)度(m);D:軸的直徑(m);G:軸材料的剪切模量(N/m2)。

傳感器的工作原理如圖2所示,激磁繞組L1-L2和L3-L4通入交流電Uf后產(chǎn)生脈振磁通Uf,經(jīng)由外環(huán)鐵心、空氣隙和內(nèi)環(huán)鐵心形成閉合磁路,當(dāng)傳感器軸未受負(fù)載扭矩作用時(shí),如圖2(a)所示,脈振磁通Uf與輸出繞組R1-R2和補(bǔ)償繞組C1-C2無匝鏈,對(duì)應(yīng)產(chǎn)生的感應(yīng)電勢(shì)eo=0,ec=0;當(dāng)傳感器軸受到負(fù)載扭矩作用時(shí),如圖2(b)所示,輸出繞組相對(duì)初始位置逆時(shí)針產(chǎn)生角位移θ,此時(shí)輸出繞組R1-R2軸線與激磁繞組軸線的夾角為90°-θ,輸出繞組的感應(yīng)電勢(shì)eo≠0。此外,第2段激磁繞組L3-L4逆時(shí)針轉(zhuǎn)過θ角度,其產(chǎn)生的磁通存在交軸分量,由于補(bǔ)償繞組直接短接,且補(bǔ)償繞組的阻抗很小,根據(jù)楞次定律,補(bǔ)償繞組感應(yīng)電流產(chǎn)生的磁通基本上能夠?qū)⒓ご爬@組L3-L4產(chǎn)生的交軸磁通分量抵消,因此,傳感器工作時(shí)可以近似認(rèn)為只有直軸磁通Uf。

圖2 傳感器工作原理圖

根據(jù)電磁感應(yīng)定律,Uf在激磁繞組L1-L2中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)EL為:

EL=4.44fWfΦ1

(2)

式中f為激磁電壓的頻率,Wf為線圈L1-L2匝數(shù)。

同理,Uf在激磁繞組L3-L4中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為Em:

Em=4.44fWmΦ1cosθ=kELcosθ

(3)

式中Wm為線圈L3-L4匝數(shù),k=Wf/Wm為兩組線圈的匝數(shù)比。

設(shè)輸出繞組的線圈匝數(shù)為Wm,Uf在輸出繞組R1-R2中產(chǎn)生感應(yīng)電勢(shì)為Eo:

Eo=4.44fWmΦ1cos(90°-θ)=kELsinθ

(4)

由于激磁繞組L1-L2和L3-L4串聯(lián),如果忽略線圈的阻抗,根據(jù)基爾霍夫電壓定律有:

Uf=EL+Em=EL(1+kcosθ)

(5)

聯(lián)立式(4)和式(5)可得:

(6)

由此可知,輸出繞組感應(yīng)電勢(shì)的有效值Eo和負(fù)載扭矩存在一定的對(duì)應(yīng)關(guān)系。傳感器的輸出特性最好是線性,即理想輸出特性為:

(7)

負(fù)載扭矩產(chǎn)生的扭角Δθ要在傳感器軸的彈性范圍內(nèi),一般度數(shù)較小,為了達(dá)到式(7)的要求,需:

(8)

選擇θ1=±5°和θ2=±10°,代入式(8),解得:k=0.57,代入多組角度值進(jìn)行解算,得k=0.56～0.59。

3 傳感器數(shù)學(xué)模型

(9)

(10)

傳感器工作時(shí)接負(fù)載ZL,輸出繞組存在電阻R和漏感Loσ,輸出繞組電流為io,輸出繞組電壓平衡方程為:

(11)

(12)

4 傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與分析

表1對(duì)應(yīng)的傳感器標(biāo)定結(jié)果如圖3所示,可知傳感器的輸出特性具有較好的線性和重復(fù)性,傳感器的靈敏度約為1.05 mV/(N·m);重復(fù)性誤差約為±0.38%;非線性誤差約為±0.26%;遲滯誤差約為±0.37%。

表1 標(biāo)定實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

傳感器的激磁繞組實(shí)際工作時(shí)存在較小的電阻和漏抗,會(huì)對(duì)輸出特性的線性度造成影響;遲滯誤差產(chǎn)生的原因是傳感器軸在承受扭轉(zhuǎn)變形后,軸的內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生殘余變形,無法恢復(fù)到變形前的位置,使得激磁繞組和輸出繞組的相對(duì)空間位置無法復(fù)原,最終導(dǎo)致了遲滯誤差的存在。

圖3 傳感器的標(biāo)定結(jié)果

5 結(jié)束語

本文設(shè)計(jì)了一種新型分段激磁式扭矩傳感器,闡述了其機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理,構(gòu)建了其動(dòng)態(tài)數(shù)學(xué)模型,同時(shí)通過對(duì)繞組匝數(shù)的合理匹配,傳感器的輸出特性曲線可以保證較好的線性度,最后對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定,得到了相應(yīng)的靜態(tài)各項(xiàng)性能指標(biāo)。本文設(shè)計(jì)的扭矩傳感器具有重復(fù)性好、線性度優(yōu)良等特點(diǎn),后續(xù)研究的重點(diǎn)是將研制的扭矩傳感器進(jìn)行實(shí)用化推廣,應(yīng)用到汽車、工業(yè)、農(nóng)業(yè)等需要進(jìn)行扭矩測(cè)量的領(lǐng)域中,使其能帶來一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。

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趙浩(1983-),男,講師,主要研究方向?yàn)樾陆Y(jié)構(gòu)傳感器的設(shè)計(jì)、旋轉(zhuǎn)機(jī)械振動(dòng)特性分析及抑制方法研究。主持浙江省自然科學(xué)基金、浙江省教育廳科研項(xiàng)目和嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目等多項(xiàng)課題,在Sensors、J VIBROENG和傳感技術(shù)學(xué)報(bào)、計(jì)量學(xué)報(bào)等期刊上發(fā)表20多篇論文,zhaohao204@163.com。

StudyofANewHighLinearityTorqueSensorwithSectionalExcitation*

ZHAOHao*

(Nanhu College of Jiaxing University,Jiaxing Zhejiang 314001,China)

It is important to measure the mechanical equipment torque accurately for its auto-controlling,a new structure sectional excitation torque sensor with high linearity is designed in this paper. The sensor excitation winding are sectional,the output winding produce induction potential which is proportional to the load torque through electromagnetic coupling,and the output characteristic of the sensor is highly linearity when the turns ratio range of excitation coil number and the output winding number is about 0.56～0.59. The output characteristic of sensor is deduced,and its mathematical model is constructed. The sensor is calibrated by torsion testing machine,the experimental data indicated the sensitivity of the sensor is about 1.05 mV/(N·m),the repeatability error is about ±0.38%,the non-linear error is about ±0.26%,and the hysteresis error is about ±0.37%.

torque sensor;piece-wise excitation;transfer function;calibration

項(xiàng)目來源:浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目(LQ14E050007);嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目(2012AY1021);嘉興學(xué)院南湖學(xué)院科研重點(diǎn)課題項(xiàng)目(N41472001-4)

2014-07-28修改日期:2014-10-31

TP212

:A

:1004-1699(2014)12-1672-04

10.3969/j.issn.1004-1699.2014.12.016