石延平，范书华，臧 勇

(淮海工学院机械，江苏 连云港 222005)

目前，能够用于检测转角、转速和转矩的传感器种类繁多，但大多都只有单一功能。随着现代机电设备自动化程度的提高，要求检测的控制量越来越多，而设备的结构越来越紧凑，能够安装传感器的空间也越来越小。因此，要求用一个传感器就能够实现多个参数的检测。如:在现代汽车车身电子稳定系统中要有监测方向盘转向角度和方向的转角传感器；在电动助力转向系统中要有监测方向盘上操舵力矩的转矩传感器［1］，而这两类传感器都直接安装在方向盘转向轴管上。显然，在有限的空间内同时安装两种传感器不仅使系统变得复杂，而且增加了成本。目前，多功能性已经成为了传感器发展的趋势之一［2－5］。

本文提出了一种利用纳米晶合金，能够同时检测转角、转速和转矩的多功能非接触传感器。纳米晶合金是继非晶态合金之后的又一种新型的软磁材料。这种材料具有高起始磁导率、低矫顽力、高饱和磁感应强度、高频下的低铁磁损耗及高磁性能温度稳定性，是目前综合磁性能最好的软磁合金材料，很适合作为传感器的敏感材料［6－9］。

1 传感器的结构

传感器基本结构如图1所示:传感器探头为“E”型结构，在中间的磁极上缠绕激磁线圈N1，两端磁极上分别缠绕转速(转角)测量线圈N2B和转矩测量线圈N2A。探头安装在支撑环上，并能调节与转轴气隙大小。在转轴表面沿45°方向和135°方向粘贴纳米晶合金薄带。线圈N2B对应的薄带为间隔条状，而线圈N2A对应的薄带为无间隔片状。本文选择国内安泰科技有限公司生产的RN1铁基纳米晶软磁合金带材，其厚度为0.033 mm，最大宽度为50 mm。主要技术参数为:饱和磁感应强度Bs=1.25 T，居里温度Tc=560 ℃，饱和磁致伸缩系数 λs=2×10－6，电阻率 ρ=130 μΩ·cm，最大导磁率 μ＞8×104［10］。

图1 传感器基本结构

实际应用时可以在支撑环上对称安装2组探头，分别沿45°方向和135°方向布置，每一组有4个探头，如图2所示。

图2 传感器探头分布

2 传感器的工作原理

传感器以变磁阻电磁感应原理为基础。如图3所示，当转轴转速、转角或转矩变化时，引起封闭磁路中磁阻改变，从而使测量线圈电感改变。利用电桥电路，将测量线圈电感量的变化转变为感应电压输出。

图3 传感器的工作原理

根据电感定义，测量线圈N2的电感为

式中:N1为激磁线圈匝数；N2为测量线圈匝数；Rm为封闭磁路中的磁阻，其值为:

式中li，Si，μi分别为铁芯中磁通路上第i段的长度(m)、截面积(mm2)及磁导率(H/m)；lf，Sf，μf分别为轴表面附着的纳米晶薄带的长度、截面积及磁导率；δ，S0，μ0分别为空气隙的长度、等效面积及磁导率(μ0=4π×10－7H/m)。但通常铁芯中的磁阻远比气隙磁阻小，故可以忽略。

对如图3(a)所示的转矩测量，式(2)中的第一项和第三项不变，而第二项中的μf随作用于轴上转矩的变化而改变，即所谓的磁弹性效应。根据磁弹性效应，对于磁致伸缩系数λ＞0的铁磁材料(大多数铁碳材料)，在拉应力方向的磁弹性能最低，是易磁化方向，即磁导率增加，磁阻降低；而在压应力方向，磁导率减小，磁阻增大［11］。因此，传感器沿45°和135°方向安装的磁路中，最大拉应力σ1和最大压应力σ2将使μf产生变化，即μf=f(σ)。式(2)中第一项略去，第三项为常数，仅第二项随μf而变化。则有转矩作用时，测量线圈N2A的电感为:

若定义Kf传感器的转矩测量灵敏度，即Kf为

当略去磁滞和涡流损耗时，并视测量线圈N2A为导线电阻R与电感L的串联电路。则N2A的输出感应电压为

式中，i为激磁电流强度，ω为电源角频率，j为复数单位。

为提高传感器输出信号的强度，可将沿45°和135°方向探头上的两组转矩测量线圈连接成全等臂电桥，则传感器输出的转矩感应总电压增量为:

对如图3(b)所示的转速与转角测量，式(2)中的第一项可忽略。第二项因转矩引起μf变化而改变，第三项因气隙长度δ变化而改变。即当转轴在转矩作用下转动时，其转速与转角测量线圈N2B的感抗增量为:

式中，Δδ为气隙长度δ的变化量，Δδ=h，h为纳米晶薄带厚度。则N2B的输出感应电压为

若定义Kr为传感器的转角与转速测量灵敏度，即Kr为

根据式(10)，提高Kr可采取的措施是增大km、μf、Δδ或减小δ。通过在轴表面附着纳米晶合金薄带使km和μf获得提高，增加纳米晶合金薄带的厚度或层数能够提高Δδ。但为使传感器有好的线性性，通常Δδ/δ小于0.1。显然，降低非线性误差和提高灵敏度是矛盾的。

转速与转角测量线圈N2B的输出信号是脉冲电压信号，信号的幅值是由压磁效应和探头气隙变化引起电感变化的叠加；信号的频率f为

式中，n为被测轴的转速；Z为轴表面附着的纳米晶合金薄带条的数目。测定了感应电压的频率，就能够算得轴的转速。为此将获得的感应电压放大并整形，然后通过相应数字电路进行计数，并计算出转角。

3 测量试验

图4所示为试验装置及原理框图。通过试验，研究有关最优激磁参数的选择；静态特性以及温度误差等。试样尺寸为φ50×500，材质为45#钢。

图4 试验装置及测量电路组成

决定传感器测量精度和灵敏度的参数有很多，主要有:激磁线圈和测量线圈的匝数比、线圈导线类型与直径、激磁电流的强度和频率、磁场强度以及传感器探头与被测面之间的气隙等。上述参数的最佳取值都应通过试验确定。

鉴于篇幅所限，本文仅讨论有关激磁磁场强度的确定。激磁磁场强度对传感器的灵敏度和线性度有很大影响，过大和过小的激励都会出现严重的非线性和降低灵敏度。从理论上讲，最佳磁场强度是外加作用力所产生的磁能与外磁场及磁畴磁能之和接近相等，而且工作在磁化曲线(B－H曲线)的线性段，这样使非晶态合金薄带的磁导率成为应变的单值函数。通常最佳磁场强度取在使磁导率为最大值的附近，但此值只能通过试验求的。根据坡莫合金、硅钢片等软磁合金材料的最佳磁场强度试验值［12］，选择5种磁场强度激磁(通过改变激磁电流)，记录不同加载扭矩值时传感器的输出电压，如表1所示。

表1 不同磁场强度时传感器的输出电压

根据此表数据拟合出不同磁场强度时传感器的扭矩电压曲线(M－U2)如图5所示。

图5 不同磁场强度时传感器的M－U2曲线

由图5可知，当磁场强度比较小时，传感器输出灵敏度高，但线性度差；当磁场强度比较大时，情况正好相反。对于纳米晶软磁合金，最佳磁场强度取为200 A/m。当线圈匝数比N1∶N2确定后，根据最佳磁场强度计算出激磁电流I1，并考虑到集肤效应，根据纳米晶软磁合金薄带厚度，计算出合理的激磁频率f。在室温(25℃)下进行扭矩加载试验，试验数据如表2所示。

表2 25℃时传感器扭矩加载试验数据

根据表2数据求出传感器的静态特性为:最大线性误差为 0.819%F.S；最大重复性误差为0.509%F.S；最大迟滞误差为 0.530%F.S；最大灵敏度为0.632 mV/(N·m)。根据上述指标，可以认为传感器的精度等级基本达到了1.0%级。与传统的磁弹性扭矩传感器相比，其灵敏度和测量精度有较大提高［13－14］。根据表2数据拟合出传感器的输出特性曲线，如图6所示。

图6 传感器的扭矩测量静态特性曲线

常规磁弹性扭矩传感器的最大误差是迟滞误差和位置误差(线性误差)。静态测量时的最大迟滞误差可达3%以上，其主要来源于被测轴材料的弹性迟滞、弹性后效及磁迟滞。当采用纳米晶薄带附着于被测轴表面后，由于纳米晶软磁合金的磁滞回线比较窄，结构均匀，所以，使测量迟滞误差大幅降低。位置误差主要是由于轴转动时，轴表面与探头间气隙的变化引起。而本文方案采用了多探头对称布置，增强了“测量平均效应”使该项误差得以降低。

温度变化对磁弹性探头式扭矩传感器的测量精度有很大影响，主要有三方面:一是温度升高或降低使传感探头材料热胀冷缩；二是温度变化导致传感器线圈几何尺寸和电参数发生变化；三是被测材料磁特性随温度的变化，其值可达2%/10℃。这三方面的影响都使传感器输出特性发生变化，产生较大测量误差。由于本文设计的传感器采用了差动连接方式，另外纳米晶软磁合金有更好的温度稳定性，所以温度变化对该传感器的输出特性影响很小。如表3所示，在25℃ ～100℃范围，传感器的输出变化为0.29 mV，其热零点温漂系数(25℃)为0.002%F.S/℃，灵敏度基本不变。

表3 25℃～100℃温度范围传感器的输出电压

表4所示为恒定负载下不同转速时，传感器测量的转速以及与转速表所测量转速的相对误差。

表4 传感器的转速测量数据及误差

表4显示当转速增加时，转速相对误差变大。但在500 r/min～3 523 r/min范围内小于1%，这一精度能够满足对一般工程的转轴转速测量的要求。

表5所示为不同转矩和转速耦合时同时测量转矩和转速的试验。

表5 同时测量转矩和转速试验数据

表中不同转矩和转速下的相对误差根据式(12)计算。测量转速的基准传感器为数字式转速表。

表5所示数据显示在高转速小转矩状态下，转矩相对误差和转速相对误差均比较小；当转矩增大而转速变化不大时，转矩相对误差和转速相对误差都增大，其原因是两个参量的乘积，即转轴传递功率增大时，转轴扭振加剧所致。该误差由于具有明显的单向性，所以可以通过算法进行补偿。

4 结论

根据上述理论和试验分析，可以总结出本文设计的多功能传感器具有如下特点:①采用被测轴表面附着纳米晶软磁合金层，增强了磁弹性效应，消除了由于母材不均匀而造成的测量误差，使测量精度和灵敏度明显提高；②采用了多探头套环式结构，在保证较高安装同心的条件下，能够利用“平均效应”降低传感器的测量误差，提高其输出信号功率；③测量线圈采用了差动联接，有利于消除传感器的温度漂移，提高了测量灵敏度；④如果传感器采用对开式套环结构，能够实现在不断开传动轴系的情况下，实现非接触，无介入动态测量；⑤可通过预先对纳米晶软磁合金薄带进行感生磁各向异性，从而能进一步提高传感器的测量灵敏度和精度。

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