基于納米晶軟磁合金的磁彈性扭矩傳感器的研究*

石延平 ，臧 勇，崔伯第

(1.淮海工學(xué)院機械學(xué)院，江蘇連云港 222005;2.中國礦業(yè)技術(shù)大學(xué)機械學(xué)院，江蘇徐州221116)

在種類繁多的扭矩傳感器中，磁彈性扭矩傳感器具有輸出功率大、抗干擾能力強、結(jié)構(gòu)簡單、使用便捷，能夠?qū)崿F(xiàn)不介入、非接觸在線測量等優(yōu)點［1－3］。但由于一般碳鋼材料機電耦合系數(shù)比較低，磁彈性效應(yīng)弱，材質(zhì)均勻性差，致使扭矩測量誤差大，靈敏度低［4－6］。所以這類傳感器一般只應(yīng)用于靜態(tài)重載扭矩的測量。本文研究的新型磁彈性扭矩傳感器，采用了半套環(huán)結(jié)構(gòu)，并利用鐵基納米晶軟磁合金良好的軟磁特性進行輔助測量，使傳感器的精度和靈敏度大幅提高。

納米晶合金是繼非晶態(tài)合金之后的又一種新型軟磁材料。這種材料具有高起始磁導(dǎo)率、低矯頑力、高飽和磁感應(yīng)強度、高頻下的低鐵磁損耗及高磁性能溫度穩(wěn)定性，是目前綜合磁性能最好的軟磁合金材料［7－9］。與鐵基非晶態(tài)合金相比，納米晶軟磁合金的飽和磁致伸縮系數(shù)和磁導(dǎo)率雖然比鐵基非晶態(tài)合金的小，但其飽和磁感應(yīng)強度也小。另外，處于穩(wěn)態(tài)的納米晶合金材料的磁性能溫度穩(wěn)定性優(yōu)于亞穩(wěn)態(tài)的非晶合金材料。且在制備非晶態(tài)合金材料時產(chǎn)生的應(yīng)力通過退火處理在很大程度上得到弛豫釋放，因此納米晶合金材料的磁性能對外加應(yīng)力十分敏感且能保持非常好的溫度穩(wěn)定性［10］。除此之外，鐵基非晶態(tài)合金薄帶比較脆，不利于現(xiàn)場裁剪與粘貼。

1 傳感器的結(jié)構(gòu)與原理

傳統(tǒng)的磁彈性扭矩傳感器大多采用附加式和全套環(huán)結(jié)構(gòu)［11］。前者由于傳感器在被測軸上的跨越角度太小，會使傳感器和軸表面之間的空隙大小發(fā)生變化，造成磁的不均勻性，從而給傳感器帶來測量誤差。后者雖然可以克服前者上述缺點，但適應(yīng)性較差，現(xiàn)場安裝也不方便。

圖1所示為本文設(shè)計的半套環(huán)差動式磁彈性扭矩傳感器的基本結(jié)構(gòu)。

圖1 傳感器基本結(jié)構(gòu)

傳感器的探頭座用螺釘固定在支承環(huán)上，而支承環(huán)又固定在支架上，并可根據(jù)待測軸徑大小，在水平方向和垂直方向調(diào)節(jié)。在支承環(huán)上，沿軸的周向均布若干組(圖中為3組)傳感器探頭，每組探頭由兩個相互垂直的“山”字型磁芯A和B構(gòu)成，每個磁芯上都纏繞激磁線圈和測量線圈。探頭用螺釘，沿+σ或－σ方向緊固在探頭座的卡槽中，并與轉(zhuǎn)軸上納米晶軟磁合金層表面保持固定的氣隙δ。所有探頭的激磁線圈并聯(lián)，而每組探頭鐵芯A和B上的測量線圈先反向串聯(lián)，形成差動，再正向串聯(lián)。為了防止干擾磁場，在傳感器探頭上安裝了磁屏蔽罩。

傳感器的工作原理如圖2所示。

圖2 傳感器的封閉磁路及交流電橋

當勵磁線圈N1接通具有一定頻率的交流電時，便在勵磁磁極上產(chǎn)生了交變磁通φ1。磁力線穿過與被測表面的間隙，滲入納米晶軟磁合金層(滲入深度與激磁電流的頻率有關(guān))，再通過測量磁極回到激磁磁極，形成封閉的磁回路。根據(jù)材料力學(xué)，當軸受扭矩作用時，在其表面沿+45°和－45°分別作用于最大拉應(yīng)力和最大壓應(yīng)力。當沒有扭矩作用時，軸表面各段磁阻相等，通過兩測量線圈的磁通相等;根據(jù)磁彈性效應(yīng)，當材料的磁致伸縮系數(shù)λ＞0，在拉應(yīng)力方向的磁彈性能最低，是易磁化方向，即磁導(dǎo)率增加，磁阻降低;而在壓應(yīng)力方向，磁導(dǎo)率減小，磁阻增大。因此，傳感器兩測量線圈分別感生增量電壓+ΔU和－ΔU。由于測量線圈反向串聯(lián)以及具有多組探頭，所以傳感器的總輸出信號通過疊加而增強。

利用軟磁材料進行應(yīng)力測量時，傳感器的靈敏度與軟磁材料的飽和磁致伸縮系數(shù)和磁導(dǎo)率成正比，而與其飽和磁感應(yīng)強度的平方成反比。本文選擇國內(nèi)安泰科技有限公司生產(chǎn)的RN1鐵基納米晶軟磁合金帶材，其厚度為0.033 mm，最大寬度為50 mm。主要技術(shù)參數(shù)為:飽和磁感應(yīng)強度Bs=1.25 T，居里溫度Tc=560℃，飽和磁致伸縮系數(shù) λs=2×10－6，電阻率ρ=130 μΩ·cm，最大導(dǎo)磁率 μ＞8×104。

在待測軸表面附著納米晶合金的工藝方法對測量的精度和靈敏度有很大的影響。目前可采用的工藝方法有:電鍍、噴涂、等離子法、濺射、粘貼等。粘貼工藝簡單易行，但納米晶合金薄帶也有一定脆性，不易裁剪的太寬。另外，所用粘結(jié)劑應(yīng)具有高粘結(jié)度、強度高、蠕變小、滯后和溫度系數(shù)小等特點［12］。本文采用了粘貼附著方法。粘貼前，先對試件上的粘貼區(qū)域用砂輪打磨，然后用溫度60°C，10%的硅酸鈉溶液清洗浸泡數(shù)分鐘，最后進行粘貼。

2 傳感器輸出特性

圖2中的探頭磁芯A、B上的測量線圈N2A、N2B和平衡臂電阻RA、RB構(gòu)成變壓器電橋，其輸出電動勢經(jīng)橋路后相減，如圖3所示。圖中，N2A=N2B=N2。

激磁線圈和測量線圈以及被測軸構(gòu)成一個變壓器，其感應(yīng)電動勢用下式計算:

圖3 傳感器的交流電橋

而 Φm=μ0S0H0=μmSmHm=μcScHc，式中，ω 為激磁電源的圓頻率;N2為每組測量線圈的匝數(shù);Φm為最大主磁通量;μ0、μc、μm分別為空氣、納米晶軟磁合金材料及探頭磁芯的絕對磁導(dǎo)率;S0、Sc、Sm分別為對應(yīng)上述各段不同磁路的截面積;H0、Hc、Hm分別為對應(yīng)各段不同磁路的磁場強度，在激磁電源的激磁電流、激磁頻率以及激磁線圈的匝數(shù)N1確定以后，各段磁路內(nèi)磁場強度可認為是恒定不變的。如果測量時保持探頭氣隙δ為常數(shù)，那么引起測量線圈上感應(yīng)電動勢變化的唯一原因就是:轉(zhuǎn)軸表面應(yīng)力σ導(dǎo)致μc的變化，則測量線圈上感應(yīng)電動勢為

由于兩組測量線圈的匝數(shù)相同，所以，

式中，k=2πfN2ScHc為常量。

兩組測量線圈上的感應(yīng)電動勢分別為:

式中，μcA、μcB分別為探頭磁芯A和B下轉(zhuǎn)軸表面上納米晶合金材料的磁導(dǎo)率。

當傳動軸未承受扭矩時，μcA=μcB，E2A=E2B，輸出電壓經(jīng)橋路相減后有ΔE2=0，即輸出信號為零;當轉(zhuǎn)動軸承受扭矩時，在軸表面沿軸線成±45°方向上產(chǎn)生最大主應(yīng)變ε1和ε2二者絕對值相等。根據(jù)磁彈性效應(yīng)，ε1導(dǎo)致 μcA增加;ε2導(dǎo)致 μcB減小，并且|ΔμcA|=|ΔμcB|=Δμc，兩組測量線圈中的感應(yīng)電動勢分別為

采用圖3所示的測量橋路，橋路的輸入電壓為

則傳感器橋路的輸出電壓U0為

設(shè)RA=RB，則

根據(jù)磁彈性效應(yīng)，ΔμC=Kμσ，Kμ為納米晶軟磁合金材料的磁彈性靈敏度，通過試驗測定。故

式中，M為軸所受扭矩;Wp為軸的抗扭截面系數(shù)。當傳感器靈敏度Kμ在傳感器量程范圍內(nèi)為常數(shù)，則傳感器輸出電壓與扭矩成單值函數(shù)關(guān)系。

3 測量試驗

試驗內(nèi)容包括兩部分［13］:一是傳感器最佳激磁條件確定，如激磁電流強度和頻率，激磁線圈和測量線圈的匝數(shù)比;二是測量動態(tài)轉(zhuǎn)矩時，不同探頭氣隙時，傳感器的線性度、重復(fù)度和靈敏度等主要靜態(tài)特性以及不同轉(zhuǎn)速對傳出的影響。限于篇幅，本文只介紹試驗的第2部分內(nèi)容。

圖4所示為試驗裝置及原理框圖。

圖4 試驗裝置及原理框圖

試驗系統(tǒng)動力為兩臺交流異步電動機，額定功率分別為45 kW和30 kW;額定轉(zhuǎn)速分別為2 940 r/min和1 470 r/min。動力分別通過皮帶增速和聯(lián)軸器輸入。加載裝置為CZ－100磁粉制動器，其額定扭矩為1 000 N·m;監(jiān)控扭矩傳感器為北京中瑞能儀表技術(shù)有限公司制造的ZRN503應(yīng)變式動態(tài)扭矩傳感器，量程為0～±1000 N·m;轉(zhuǎn)速表為SZG－20B手持數(shù)字轉(zhuǎn)速表;虛擬扭矩儀核心為美國NI公司的CompactDAQ數(shù)據(jù)采集裝置。

根據(jù)試驗確定的最佳的激磁條件為:線圈匝數(shù)比N1∶N2=40 ∶100，激磁電流I1=50 mA，激磁頻率f=30 kHz。試驗在室溫下進行。試樣尺寸為φ50×500，材質(zhì)為45#鋼。通過調(diào)節(jié)磁粉制動器的激磁電流來改變加載扭矩值。

為了證明利用納米晶軟磁合金輔助測量的效果，在相同條件下(傳感器探頭氣隙為0.5 mm)，分別對粘貼非晶納米合金帶材和不粘貼納米晶合金帶材的試件進行了加載測量試驗，試驗數(shù)據(jù)分別如表1和表2所示。并由此分析傳感器得非線性誤差、不重復(fù)誤差以及靈敏度［14］。

根據(jù)表1表和表2所示數(shù)據(jù)可求出兩種情況下傳感器的靜態(tài)特性。

未粘貼納米晶合金帶材時，最大非線性誤差、不重復(fù)誤差和未放大的靈敏度分別為:2.16%F·S、1.93%F·S和0.59;粘貼納米晶合金帶材時，最大非線性誤差、不重復(fù)誤差和未放大靈敏度分別為:0.91%F·S、1.29%F·S 和1.39。顯然，采用納米晶軟磁合金輔助測量時最大非線性誤差和不重復(fù)誤差分別降低58%和33%，測量靈敏度提高了1.36倍。

表1 未粘貼納米晶帶材的測量數(shù)據(jù)

表2 粘貼納米晶帶材的測量數(shù)據(jù)

為了研究傳感器輸出電壓U0大小隨探頭氣隙δ變化的規(guī)律，固定加載扭矩為100 N·m，然后由小到大調(diào)節(jié)δ，記錄不同δ時傳感器的輸出電壓值，并由此得到U0－δ曲線，如圖5所示。

圖5 U0－δ曲線

從圖5可以看出，當扭矩不變時，U0－δ曲線基本為一次函數(shù)的倒數(shù)，即傳感器的輸出電壓U0隨氣隙δ的增大而減小。根據(jù)文獻［13］，傳感器的輸出電壓與氣隙δ為:

式中α、β、γ為與待測表面有關(guān)的磁路以及空氣磁導(dǎo)率有關(guān)的常數(shù);r2和X2分別測量線圈的有效阻抗和無效阻抗;I1為激磁電流強度。當氣隙δ小于0.8 mm時，輸出信號強;當氣隙δ大于1.6 mm時，傳感器輸出電壓接近為零。圖5所示曲線與式(10)基本相符。

圖6 三種轉(zhuǎn)速時傳感器的輸出曲線

圖6所示為傳動軸分別以5 600 r/min、2 920 r/min和1 250 r/min旋轉(zhuǎn)時，傳感器的輸出電壓的動態(tài)曲線。通過曲線可以看出，當傳動軸轉(zhuǎn)速5 600 r/min時，傳感器輸出電壓波動比較大，其波動范圍為±25 mV左右，這主要是由于采用皮帶增速傳動時，引起傳動軸較大的振擺，使傳感器探頭氣隙δ變化所致［15］。隨著傳動軸轉(zhuǎn)速降低，傳感器輸出電壓的波動性也有所減小。

減少扭矩測量中探頭氣隙的變化對提高扭矩測量的精度是很重要的。通常可以采用的措施主要是合理設(shè)計和安裝傳感器的支承裝置，或?qū)鞲衅骱椭С醒b置與傳動軸固定，信號輸出以及激磁電源的輸入均采用無線傳輸。

4 結(jié)論

根據(jù)上述理論和試驗分析，可以得出如下結(jié)論:

(1)與附加式結(jié)構(gòu)相比，半套環(huán)結(jié)構(gòu)增加了探頭的數(shù)量和跨越軸的角度，提高了輸出信號的強度;有利于減少軸偏心或振擺引起的測量誤差;

(2)與全套環(huán)式結(jié)構(gòu)相比，半套環(huán)結(jié)構(gòu)使用方便，便于不介入測量，對軸徑變化適應(yīng)性強;

(3)測量線圈采用了差動聯(lián)接，消除了傳感器的零漂，提高了測量靈敏度;

(4)采用被測軸表面附著納米晶軟磁合金層，增強了磁彈性效應(yīng)，消除了由于母材不均勻而造成的測量誤差，使測量精度和靈敏度明顯提高。

［1］文西芹，張永忠.逆磁致伸縮效應(yīng)扭矩傳感器的歷史、現(xiàn)狀、趨勢［J］.傳感器世界，2002(2):1－3.

［2］楊清風(fēng).非接觸壓磁式扭矩傳感器［J］.國外傳感技術(shù)，2004，14(5):168.

［3］李紀明.切削過程監(jiān)測用磁彈性扭矩傳感器試驗研究［J］.機床與液壓，2008，36(6):101－103.

［4］陳娟.磁橋式應(yīng)力傳感器的設(shè)計［J］.傳感器技術(shù)，1997，16(1):30－35.

［5］楊從晶，曲國陽.套式磁彈性扭矩傳感器及測量儀的研究［J］.振動測試與診斷，2001，21(4):267－270.

［6］王雁，郭華.磁彈性扭矩傳感器原理與誤差［J］.機械工程師，1998(3):11－13.

［7］BertottiG， ， ，et al.Magnetic Properties of Rapidly Quenched Soft Magnetic Materrials［J］.Materials Science and Engineering，A226－228，1997:603－613.

［8］Shen L P，Uchiyama T，Mohri K，et al.Sensitive Stress-Impedence Micro Sensor Using Amorphous Magnetostrictive Wire［J］.IEEE Transactions on Magnetics，2007，335，33(5):3355－3357.

［9］Rysuke Hasegwaa.Applications of Amoprhous Magnetiealloys［J］.Materials Science and Engineering，2004，375－377:91－95.

［10］鮑丙豪，彭以舟.納米晶合金單磁芯力傳感器［J］.傳感器世界.2001(11):15－16.

［11］易大斌.磁彈性扭矩傳感器［J］.工業(yè)儀表與自動化裝置.1987(1):7－12.

［12］Dyusuke H.Design and Fabrication of New Soft Magnetic Materials［J］.J.Non-Crystalline Solids，2003，329(1):45－49.

［13］石延平.壓磁式測力傳感器［M］.徐州:中國礦業(yè)大學(xué)出版社，2005:67－90.

［14］施勇潮，梁福平，牛春暉.傳感器檢測技術(shù)［M］.北京:國防工業(yè)出版社，2007:305－307.

［15］文西芹，劉成文，杜玉玲等.磁頭型磁彈性扭矩傳感器補償問題研究［J］.傳感技術(shù)學(xué)報，2004，17(3):508－511.