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扭矩力测量已成为传感器技术发展的研究方向

时间:2021-12-22 点击次数:

扭矩传感器已成为传感器技术快速发展的重要研究方向。扭矩测量作为反映机械旋转系统运行状态和检测的主要参数,体现在输出功率、能耗、使用寿命、安全性和稳定性等方面。扭矩测量已广泛应用于石油、汽车、船舶、航空航天、工程机械、运输、军事、口腔医学、医疗器械、电机、机器人和仿生机械等领域。随着全球资源的减少和国家战略的需要,原有的接触扭矩测量容易磨损,受环境因素影响的缺点日益扩大。非接触式电磁扭矩应运而生,以提高扭矩传感器的测量精度,降低使用成本,提高抗干扰能力。

各种扭矩传感器的主要代表如下:

1.立式电磁扭矩传感器。

尽管结构简单,抗外界干扰能力强,但Li等对平面电磁扭矩传感器进行了深入研究。但也有明显的缺点,因为这种传感器是平面的,占用了太多的横向空间,限制了其应用范围。同时,为了解决国内外垄断问题,避免海拉传感器专利,通过立体柱面电磁耦合和内外嵌套曲面涡流耦合结构,提出了立体电磁扭矩传感器。

在减小传感器体积的同时,为了提高测量精度和非线性误差,建议将传感器结构设计成两个垂直结构,即两个转子和两个接收线圈的主从级结构,如图1所示。通过Maxwell软件电磁模拟输出电压、激励线圈匝数、转子厚度等参数,优化传感器结构参数,去除电压波动大、结构参数差的组,最终找到一组传感器的设计参数,使传感器的非线性度产生最小误差,指导传感器的加工,为垂直结构电磁扭矩角度传感器的设计提供新的理论基础和发展方向。

2.霍尔扭矩传感器。

中北大学设计了一种基于霍尔效应的扭矩传感器,以解决现有扭矩传感器结构复杂、制造成本高的问题。该传感器采用低成本的永磁体(N35钕铁硼)作为激励产生磁场,并将其形状设计成片状。相邻两片的N、S极排列,极性排列在旋转轴径向上,形成绕轴的磁环。旋转轴旋转时,轴两端的磁环产生周期性交变磁场。霍尔元件在这个磁场中会在其内部产生霍尔电压。由于旋转轴两端的相位差,通过计算两个电压信号之间的相位差,可以得到轴两端的相对扭转角。

3.差动电磁感应扭矩传感器。

基于电磁感应原理的差动扭矩传感器。传感器轴输出铁芯的一端与转轴同心固定在转轴上,另一端用轴承连接旋转传感器轴,输出绕组布置在输出铁芯槽中。励磁铁芯固定在励磁套管上,励磁绕组安装在励磁铁芯上。传感器的工作原理是将扭矩角信号转换为传感器的闭合磁路磁通,由励磁铁芯、气隙和输出铁芯形成。由于负载扭矩,输出绕组的两个磁通不再相同,电势不再相等。差动输出后,输出绕组产生与角线性关系的电动势,最终通过电磁耦合获得与负载扭矩T成正比的电动势。测量动态和静态扭矩,同时进行结构创新。

4.环形球栅式电磁扭矩传感。

在原有电磁扭矩传感器的基础上,结合光栅扭矩传感器的测量原理和电磁传感器,开发了一种新型的电磁扭矩传感器。其原理是电磁感应现象的应用,填补了光栅与电磁结合的空白。

该传感器由磁性钢球和电磁探测器阵列组成,主要创新上述结构,引入环球栅,保留电磁测量头,完美结合。由于传感器的球栅环是固定的,当传动轴旋转时,球和空气的磁阻通过环形球珊中的金属球不同。由于磁阻的变化,它可以转化为读数头和球栅之间的相对位移,最终测量扭矩。该传感器具有物理性能稳定、结构可靠的优点。

在工业上,扭矩传感器已应用于传统汽车动力转向、变速器与传动轴、船舶与飞机发动机、试验台、电机等传动系统的扭矩测量和功率计算。

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