基于霍爾效應(yīng)的扭矩測(cè)量系統(tǒng)開(kāi)發(fā)

嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江嘉興 314001

一、引言

隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，扭矩測(cè)量充分引起人們的關(guān)注，已經(jīng)成為測(cè)試技術(shù)的一個(gè)重要部分。扭矩作為機(jī)械測(cè)量的一個(gè)重要參數(shù)[1]，近年來(lái)已成為各工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家探討的一個(gè)新技術(shù)。隨著許多專(zhuān)家在扭矩測(cè)量方面進(jìn)行了大量的研究,同時(shí)設(shè)計(jì)了多種新型扭矩傳感器,包括基于螺管形差動(dòng)變壓器的非接觸式扭矩傳感器[2]、壓電式扭矩傳感器[3]、環(huán)形球柵式扭矩傳感器[4]、基于 FPGA 的高精度扭矩傳感系統(tǒng)[5]和一種基于納米晶軟磁合金的磁彈性扭矩傳感器[6]等等。

本文設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)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，通激磁套筒和輸出套筒相對(duì)位置的變化，使得傳感器中的霍爾元件在電磁感應(yīng)的作用下向外輸出感應(yīng)電壓，并經(jīng)過(guò)微機(jī)計(jì)算機(jī)采集。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)。

二、傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)及原理

如圖1所示為扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖，包括傳感器扭軸、引線進(jìn)出口、前后端蓋、輸出套筒、霍爾元件、輸出鐵心、永磁磁鋼、激磁鐵心、激磁套筒、氣隙。

測(cè)量扭矩時(shí)，將霍爾元件的正負(fù)電源引線以及輸出電壓先通過(guò)輸出套筒的過(guò)孔，并經(jīng)過(guò)兩端蓋的小孔穿出，向穿出的正負(fù)兩線的霍爾元件中通入直流電流，使霍爾-元件處于工作狀態(tài)。嵌放在激磁鐵芯中的永磁磁鋼產(chǎn)生恒定磁場(chǎng)，經(jīng)由激磁鐵心、空氣隙和輸出鐵心形成一個(gè)穩(wěn)定的閉合回路。

傳感器扭軸伸出的一端與端蓋緊固，另一端用來(lái)施加負(fù)載扭矩。當(dāng)負(fù)載扭矩為零時(shí)，傳感器扭軸在無(wú)外力的作用下并不發(fā)生形變，而此時(shí)在傳感器扭軸上固定的激磁套筒與輸出套筒的初始位置保持不變。固定在激磁套筒的永磁磁鋼和固定于輸出鐵套筒的霍爾元件，其初始位置在空間上互差45°機(jī)械角，永磁磁鋼形成的激磁磁場(chǎng)方向與通入霍爾元件中的電流方向平行，因此各霍爾元件的輸出電壓為零。當(dāng)負(fù)載扭矩不為零時(shí)，如圖2所示。傳感器的扭軸在扭矩的作用下發(fā)生形變，然后固定在激磁套筒上的永磁磁鋼在扭矩的作用下和霍爾元件的初始相對(duì)位置發(fā)生改變，導(dǎo)致激磁磁場(chǎng)的方向與各霍爾元件中的電流方向形成一個(gè)夾角，在磁場(chǎng)的作用之下，霍爾元件向外輸出電壓。

三、傳感器的工作原理

1、扭矩的角度轉(zhuǎn)換

當(dāng)彈性軸受到扭矩作用時(shí)，彈性軸兩端的截面會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，在軸的彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角與負(fù)載扭矩存在如下關(guān)系式[7]：

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(Pa)。

2、霍爾效應(yīng)

設(shè)電子以相同的速度v按圖3所示的方向運(yùn)動(dòng)，在磁感應(yīng)強(qiáng)度B的磁場(chǎng)作用下，設(shè)其正電荷所受的洛倫茲力方向?yàn)檎?，則電子所受的洛侖茲力[8]fL方向?yàn)樨?fù)。與此同時(shí)，電子還受到電場(chǎng)力fE的作用，當(dāng)兩個(gè)力最終達(dá)到平衡時(shí)，霍爾元件兩端的霍爾電勢(shì)為：

式中，KH—霍爾系數(shù)，其大小反映出霍爾元件效應(yīng)的強(qiáng)弱。

四、系統(tǒng)采集及顯示

本系統(tǒng)主要由3模塊組成，其中包括基于霍爾效應(yīng)的扭矩傳感器、MSP430G2553[9]微控制器、LCD液晶[10]顯示模塊。

在本數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)中為了提高系統(tǒng)智能化、可靠性和實(shí)用性，采用單片MCU和上位機(jī)傳輸?shù)姆椒?，即MCU運(yùn)行在數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的遠(yuǎn)端，完成數(shù)據(jù)的采集、處理、發(fā)送和顯示，上位機(jī)則完成數(shù)據(jù)的接收、校驗(yàn)及顯示，同時(shí)上位機(jī)可對(duì)遠(yuǎn)端MCU進(jìn)行控制，使其采集方式可選。

MCU選用TI公司的低功耗MSP430G2553，該單片機(jī)比80C51功能要強(qiáng)大許多，內(nèi)部不僅有8路12位ADC，而且還帶LCD的驅(qū)動(dòng)電路，節(jié)省了不少外圍電路。本系統(tǒng)采用信號(hào)發(fā)生器產(chǎn)生正弦波，然后由LM358芯片實(shí)現(xiàn)對(duì)電壓的放大，之間還需對(duì)信號(hào)進(jìn)行調(diào)理以符合系統(tǒng)要求。

霍爾效應(yīng)扭矩傳感器，在受到外力扭矩的作用之下，使激磁套筒的相對(duì)位置與輸入套筒位置發(fā)生偏移，造成磁隙磁路的改變，從而改變了磁場(chǎng)強(qiáng)度垂直穿過(guò)霍爾元件的量，造成霍爾元件輸出的電壓值發(fā)生改變。改變的電壓經(jīng)MSP430G2553微處理器輸入端口進(jìn)行采樣處理，將采集到的電壓模擬信號(hào)轉(zhuǎn)換成數(shù)字信號(hào)。轉(zhuǎn)換的數(shù)字信號(hào)在單片機(jī)內(nèi)部通過(guò)一系列函數(shù)變化處理，得到一個(gè)穩(wěn)定基本的實(shí)際值，再傳送到LCD液晶顯示模塊上，顯示出所受到的力矩值。系統(tǒng)工作流程如圖4所示。

五、傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)與分析

采用扭力扳手對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，扭矩機(jī)的量程是30 N·m，對(duì)應(yīng)的精度分別為0.2 N·m。 設(shè)計(jì)的扭矩傳感器軸直徑為10 mm，長(zhǎng)度為20mm，激磁套筒和輸出套筒之間的空氣隙約為2mm。為了使傳感器軸工作在彈性范圍內(nèi)，傳感器軸所受的最大剪應(yīng)力必須小于材料所允許的剪切比例極限。負(fù)載扭矩加載到20N·m后開(kāi)始卸載，重復(fù)3次實(shí)驗(yàn)得到如表1所示的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

1、靈敏度

傳感器的靈敏度系數(shù)定義為輸出電壓變化與輸入扭矩變化的比值的平均值，即：

將表1數(shù)據(jù)帶入公式（3），可得傳感器的靈敏度系數(shù)約為0.91mV/Nm。

2、線性度

傳感器的線性度定義為校準(zhǔn)曲線與擬合直線的最大偏差與滿量程輸出值的百分比，即：

根據(jù)式（3）得到的靈敏度系數(shù)可以得到擬合直線為f(x)=0.91x，然后將各個(gè)輸入扭矩值帶入擬合直線公式，得到理論擬合輸出電壓值，將各個(gè)輸出電壓理論值與實(shí)際值進(jìn)行比較，得到最大偏差為0.82V，最后帶入公式（4），即可得到傳感器的線性誤差約為4.6%。

3、重復(fù)性

傳感器的重復(fù)性誤差定義為多次校準(zhǔn)曲線的最大偏差與滿量程輸出值的百分比，即：

根據(jù)表1，先得到正、反行程輸出電壓的最大差值YRmax為0.4V，然后帶入公式（5），即可得到傳感器的重復(fù)性誤差約為2.2%。

4、遲滯

傳感器的遲滯誤差定義為同一次校準(zhǔn)過(guò)程中，同一輸入量對(duì)應(yīng)的正、反行程的輸出值的最大偏差，與滿量程輸出值的百分比，即：

根據(jù)表1，得到同一輸入量對(duì)應(yīng)的正、反行程的輸出值的最大偏差Hmax為0.38V，然后帶入公式（6），即可得到傳感器的重復(fù)性誤差約為2.1%。

傳感器激磁繞組實(shí)際工作時(shí)，存在較小的電阻和漏抗，會(huì)對(duì)輸出特性線性度造成影響；遲滯誤差產(chǎn)生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(wú)法恢復(fù)到變形前的位置，使得激磁套組和輸出套組的相對(duì)空間位置無(wú)法復(fù)原，最終導(dǎo)致了遲滯誤差的存在。

表1 扭矩傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

六、結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型扭矩傳感器，闡述了其機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，同時(shí)也結(jié)合使用了微機(jī)計(jì)算機(jī)系統(tǒng)控制，使用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(chē)、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(lái)一定的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。