環(huán)型空間陣列扭矩傳感測(cè)量系統(tǒng)研究*

王遠(yuǎn)干，喻洪麟，巴 軍

(1.重慶大學(xué)光電技術(shù)及系統(tǒng)教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，重慶400044;2.欽州學(xué)院，廣西 欽州535000)

0 引言

扭矩是最能反映機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)性能的典型機(jī)械量之一。通過(guò)對(duì)扭矩的分析，可提取有效反映機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)動(dòng)態(tài)特性的轉(zhuǎn)角、振角、角加速度等主要特征參量［1］。因此，扭矩測(cè)量對(duì)傳動(dòng)軸載荷的確定和控制，對(duì)傳動(dòng)系統(tǒng)各工作部件的強(qiáng)度設(shè)計(jì)和原動(dòng)機(jī)容量的選擇都有著重要的指導(dǎo)意義，是目前國(guó)內(nèi)外學(xué)者關(guān)注的研究熱點(diǎn)之一［2］。

針對(duì)目前國(guó)內(nèi)外對(duì)強(qiáng)沖擊、高溫、腐蝕、強(qiáng)振動(dòng)等極端惡劣環(huán)境下機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的扭矩測(cè)量仍無(wú)有效檢測(cè)方法的現(xiàn)狀，提出一種基于球?qū)ΨQ(chēng)特性和交流電磁感應(yīng)原理的扭矩測(cè)量方法，采用環(huán)型空間陣列和磁電式檢測(cè)器組成新型的非接觸式扭矩傳感器［3］，并利用虛擬儀器軟件LabVIEW建立同頻正弦信號(hào)相位差測(cè)量系統(tǒng)，以實(shí)現(xiàn)極端環(huán)境下機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)扭矩的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量。

1 系統(tǒng)設(shè)計(jì)

基于環(huán)型空間陣列扭矩傳感器的測(cè)量系統(tǒng)是根據(jù)傳遞測(cè)量方法，通過(guò)測(cè)量機(jī)械轉(zhuǎn)軸兩端環(huán)型空間陣列扭矩傳感器輸出信號(hào)的相位差來(lái)獲得轉(zhuǎn)軸在扭矩作用下［4］，由于扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的非接觸式動(dòng)態(tài)測(cè)量，系統(tǒng)設(shè)計(jì)框圖如圖1所示。

在扭矩測(cè)量系統(tǒng)中，環(huán)型空間陣列扭矩傳感器主要由環(huán)型空間陣列和磁電式檢測(cè)器組成，其結(jié)構(gòu)如圖2。環(huán)型空間陣列由一個(gè)環(huán)形非磁性套管構(gòu)成，管內(nèi)塞滿尺寸和磁特性完全相同的小球，這些小球在套管內(nèi)緊密排列，形成一個(gè)環(huán)型空間陣列。磁性小球的具體數(shù)量和尺寸根據(jù)具體要求和不同測(cè)量對(duì)象而定。磁電式檢測(cè)器由鋁制外殼封裝而成，嵌套在環(huán)型空間陣列外部，內(nèi)部有一個(gè)纏繞著特定線圈組的塑料骨架和相應(yīng)的信號(hào)處理電路。

系統(tǒng)工作時(shí)，環(huán)型空間陣列隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)，位置固定的磁電式檢測(cè)器沿環(huán)型空間陣列滑動(dòng)，轉(zhuǎn)軸兩端加載的環(huán)型空間陣列扭矩傳感器輸出的電壓信號(hào)頻率相同但相位不同，其差值反映了轉(zhuǎn)軸在扭矩作用下由于扭轉(zhuǎn)變形而產(chǎn)生的與扭矩呈線性關(guān)系的扭轉(zhuǎn)角。因此，可通過(guò)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，將環(huán)型空間陣列扭矩傳感器輸出的模擬信號(hào)轉(zhuǎn)變成數(shù)字信號(hào)［5］，利用計(jì)算機(jī)比較轉(zhuǎn)軸兩端傳感器輸出信號(hào)的相位，得到轉(zhuǎn)軸在扭矩作用下產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角，然后，根據(jù)扭矩和扭轉(zhuǎn)角的函數(shù)關(guān)系計(jì)算得到扭矩的測(cè)量值，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量。

2 扭矩測(cè)量原理

2.1 交流電磁感應(yīng)原理

由傳感器結(jié)構(gòu)可知，環(huán)型空間陣列扭矩傳感器主要是基于交流電磁感應(yīng)原理，實(shí)現(xiàn)機(jī)械傳動(dòng)系統(tǒng)的位移信息向電信號(hào)的轉(zhuǎn)換［6］。圖3給出了線圈的互感原理圖。

假設(shè)在磁芯上繞有2個(gè)線圈N1和N2，當(dāng)匝數(shù)為N1的初級(jí)線圈通入激勵(lì)電流i1時(shí)，初級(jí)線圈中產(chǎn)生自感應(yīng)磁通Φ11，其中將有一部分磁通Φ21穿過(guò)匝數(shù)為N2的次級(jí)線圈，從而在次級(jí)線圈中產(chǎn)生互感電動(dòng)勢(shì)u21，其表達(dá)式為

式中 ψ21為穿過(guò)N2的磁鏈，ψ21=N2Φ21=M0i1;M0為兩線圈的互感系數(shù)。

當(dāng)激勵(lì)電流為正弦穩(wěn)態(tài)形式且其角頻率為ω時(shí)，可用向量表示其伏安關(guān)系為

圖3 互感原理圖Fig 3 Principle diagram of mutual inductance

從環(huán)型空間陣列扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)可以看出:當(dāng)機(jī)械轉(zhuǎn)軸在扭矩的作用下轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，磁電式檢測(cè)器將相對(duì)于環(huán)型空間陣列運(yùn)動(dòng)［7］。隨著線圈之間磁介質(zhì)的變化互感系數(shù)也會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的變化，那么，輸出電壓的幅值也會(huì)發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)形位移信息到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。

2.2 球?qū)ΨQ(chēng)特性分析

根據(jù)2.1所述，磁電式檢測(cè)器中采集線圈感應(yīng)電壓的幅值正比于激勵(lì)線圈和采集線圈之間的互感系數(shù)，而互感系數(shù)一般與磁路性質(zhì)有關(guān)。在該傳感器的設(shè)計(jì)中則與磁性小球切割磁力線的截面積有關(guān)。在一個(gè)球距內(nèi)，由于不同位置的磁性小球切割磁力線的截面積呈周期性變化，因而，磁導(dǎo)率會(huì)呈周期性變化。線圈采集到的感應(yīng)電壓，亦隨之變化。由磁電式檢測(cè)器內(nèi)部線圈的排列規(guī)律可知，在一個(gè)球距內(nèi)，同組的繞向相同的4個(gè)采集線圈采集到的感應(yīng)信號(hào)將滿足一定的位置關(guān)系。例如:當(dāng)一個(gè)感應(yīng)信號(hào)在波峰位置時(shí)，對(duì)應(yīng)的另一個(gè)感應(yīng)信號(hào)應(yīng)在波谷位置。相鄰2個(gè)采集線圈的感應(yīng)信號(hào)幅值的變化曲線相位差90°。

利用ANSYS有限元分析軟件對(duì)環(huán)形空間陣列扭矩傳感器進(jìn)行二維建模和電磁分析［8］，其平面模型如圖4所示。

圖4 環(huán)形空間陣列平面模型Fig 4 Plane model of ring-space array

在圖4中，A1區(qū)域?yàn)榧?lì)線圈;A2，A3，A6區(qū)域?yàn)榇判凿撉?A7區(qū)域?yàn)榉谴判圆讳P鋼管;A4，A5，A8區(qū)域?yàn)楣軆?nèi)外空氣。對(duì)不同區(qū)域賦予不同的材料特性，再施加磁力線平行邊界條件和5 V，1 kHz的交流電壓作為載荷，然后進(jìn)行仿真計(jì)算，圖5給出了磁場(chǎng)分布情況。

圖5 磁場(chǎng)分布Fig 5 Magnetic field distribution

從圖5中可以看出，當(dāng)激勵(lì)線圈固定不動(dòng)時(shí)，磁性鋼球中的磁感應(yīng)強(qiáng)度幾乎相等，只有不同位置的磁通量不同，并在一個(gè)球距內(nèi)呈周期性變化。根據(jù)公式ψ=Mi，相應(yīng)的互感系數(shù)M在空間上也將呈周期性變化。因此，當(dāng)磁電式檢測(cè)器相對(duì)于環(huán)形空間陣列運(yùn)動(dòng)時(shí)，輸出信號(hào)的相位將隨其在0°～360°之間變化。

2.3 傳感器數(shù)學(xué)模型

由2.2節(jié)分析可知，如果轉(zhuǎn)軸在受到扭矩的作用時(shí)檢測(cè)器相對(duì)于環(huán)型空間陣列產(chǎn)生了x的環(huán)型位移，那么，M0可表達(dá)為

當(dāng)u1=U1msinωt時(shí)，4個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)電壓的有效值分別為

其中，k為比例系數(shù)，A為互感系數(shù)產(chǎn)生的直流分量。由此說(shuō)明，4個(gè)次級(jí)線圈感應(yīng)信號(hào)的幅值均受環(huán)型位移x的調(diào)制，且各有90°的相位差。圖6給出了四路信號(hào)的處理簡(jiǎn)圖。

從圖6可以看出:四路調(diào)幅信號(hào)經(jīng)過(guò)兩兩相減、移相再相加，便可轉(zhuǎn)換成相對(duì)于激勵(lì)信號(hào)正比于環(huán)型位移量x的調(diào)相信號(hào)

由式(9)可以看出:機(jī)械轉(zhuǎn)軸受到扭矩的作用時(shí)，轉(zhuǎn)軸兩端加載的環(huán)型空間陣列扭矩傳感器輸出的電壓信號(hào)頻率相同但相位不同［9］，其差值正是轉(zhuǎn)軸的與扭矩呈線性關(guān)系的扭轉(zhuǎn)角φ。因此，可通過(guò)比較轉(zhuǎn)軸兩端傳感器輸出信號(hào)的相位，得到轉(zhuǎn)軸在受到扭矩作用時(shí)產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角φ。然后，根據(jù)扭矩和轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)角的關(guān)系計(jì)算得到扭矩的動(dòng)態(tài)測(cè)量值。

圖6 信號(hào)處理簡(jiǎn)圖Fig 6 Diagram of signal processing

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

在機(jī)械傳動(dòng)實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，對(duì)環(huán)型空間陣列扭矩傳感器測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行了相應(yīng)的扭矩測(cè)量實(shí)驗(yàn)。將2個(gè)球直徑均為12.7 mm的環(huán)型空間陣列安裝在跨距為1 m的轉(zhuǎn)軸的兩端。激勵(lì)信號(hào)為5 V，1 kHz的電壓信號(hào)，用5.08 MHz的時(shí)鐘脈沖填入到1 kHz標(biāo)準(zhǔn)方波與調(diào)相信號(hào)方波的相移空間內(nèi)，經(jīng)計(jì)數(shù)器獲得5080倍細(xì)分值，由計(jì)算機(jī)采集處理，利用Lab-VIEW構(gòu)建相位差測(cè)量系統(tǒng)，系統(tǒng)可測(cè)量最小扭轉(zhuǎn)角≤±0.01°。

表1是用該扭矩傳感器對(duì)一組具有標(biāo)準(zhǔn)扭矩值載荷進(jìn)行測(cè)量得到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。由表可得，該扭矩測(cè)量方法具有較高的精度，測(cè)量相對(duì)誤差≤0.5%。

表1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab 1 Experimental data

4 結(jié)論

本文提出一種基于球?qū)ΨQ(chēng)特性和交流電磁感應(yīng)原理的非接觸扭矩測(cè)量方法，采用環(huán)型空間陣列和磁電式檢測(cè)器組成新型的非接觸式扭矩傳感器，并對(duì)該測(cè)量系統(tǒng)的測(cè)量原理和設(shè)計(jì)框架進(jìn)行了分析，通過(guò)電磁仿真分析與實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，該測(cè)量方法切實(shí)可行，所設(shè)計(jì)的扭矩傳感器具有較好的線性度，測(cè)量相對(duì)誤差≤0.5%，可滿足惡劣環(huán)境下機(jī)械轉(zhuǎn)軸扭矩的在線動(dòng)態(tài)測(cè)量。

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