具有自我补偿功能的磁致弹性扭矩传感器的制造方法
【专利说明】具有自我补偿功能的磁致弹性扭矩传感器 所属技术领域
[0001] 本发明设及一种应用磁场传感器来对施加到可旋转轴的扭矩进行测量的方法。更 具体地说，本发明设及到有关把磁场传感器安置在相对轴的特定位置来测量施加到轴上的 扭矩，而且在一个较大的溫度范围内不受外部干扰磁场的影响。
【背景技术】
[0002] 磁致弹性扭矩传感器有很多类型。很多出版物和专利说明书提出并描述了各种类 型的磁致弹性扭矩传感器。有两种利用磁致弹性现象作为非接触式扭矩传感器的感应机 审IJ。一种是基于磁导率，另一种是基于极带型。
[0003] 在磁导率型的磁致弹性扭矩传感器中，由扭矩所产生的应力而引起磁各向异性改 变了轴表面的磁导率，从而影响磁源和感应线圈的磁通路径。运种传感器所传感的是轴的 磁导率的变化.输出信号取自于磁通密度B，而磁通密度B又取决于激励磁场Η和磁导率 μ，因为Β=μΗ，当由扭矩所产生的应力改变磁导率μ时，环绕着两个传感区的感应线圈 产生了不同的电压，通过测量运种电压差就可得到施加到轴上的扭矩。运种类型的传感器 由轴，激励线圈和测量线圈组成。与两组线圈同屯、的磁各向异性测量区可用不同方法建立 在轴上，例如：在轴上加一个磁性材料套筒，套筒有两个平行的环形区域，该区域中有与表 面成±45°角的具有一定间距狭缝（美国专利第4506554号，布洛姆奎斯特等人）。或在 轴的表面锻上锻层，如铜带。（美国专利号5646356,林等人。）另一种方法是在轴上形成一 个与轴线有适当的角度的平行槽/或突出部。（美国专利号4823620,易都等人。）。或带 有磁致伸缩薄膜的轴（美国专利出版号2007/0245833Α1，米田等人。）或粘结到轴上的一 对非晶磁带。（美国专利号4907462,奥己马等人。）
[0004]一个生产磁导率型的磁致弹性扭矩传感器的公司是位于瑞典韦斯特罗斯的ABB公司。
[0005]另一种磁致弹性扭矩传感器，即极带型磁致弹性扭矩传感器，其原理基于扭应力 对轴圆周磁化后剩余磁矩的转向效应。施加到轴上的扭矩产生了正负向的主应力并由之 产生磁能量，该磁能量使磁矩远离其最近的负主应力方向，而向最近的正主应力的方向旋 转。其转向的结果是使原来在圆周方向磁化所形成的磁矩产生轴向磁通量。运些磁通量集 中在两极带边缘，形成是一个很容易被一个或多个磁场传感器测到的磁场。运种传感器可 由一个具有磁致弹性的薄套筒硬性连接到轴上来组成（美国专利号5351555,加尔舍利斯 Garshelis)，或使用具有磁致弹性的材料来制成实屯、或空屯、轴（美国专利号6047605,加尔 舍利斯Garshe1iS，和美国专利号658148B1，梅等人）。该磁致弹性区除了可圆周向磁化外， 也可轴向磁化。
[0006]-个生产极带型磁致弹性扭矩传感器磁力矩传感器的公司是位于美国芝加哥的 梅索德电子公司。
[0007] 现有的磁致弹性扭矩传感器的基本弱点是，它们不能辨别所传感的磁通量B到底 是由扭应力所产生的，还是来自外部干扰磁场，或是由溫度变化所引起的，因此其测量到的 磁通量B的变化并不能明确无误地表明扭矩的变化。
[0008] 大多数现有磁致弹性扭矩传感器采用了共模抑制的结构来过滤掉均匀的外界磁 场，即远磁场，如地球磁场。通过提供两个不同的依赖于磁通量B的信号，其对同一扭矩产 生具有大小相等方向相反的信号，与合并两个信号差异的方法。运就要求很大的努力来匹 配不同的磁传感器的灵敏度，使之完全相同。运种配置不能消除非均匀外界磁场，如附近的 电机产生的磁场，或附近的移动铁磁性物体。
[0009] 另一种试图避免外部干扰磁场的方法是用磁屏蔽装置来保护传感器免受外部磁 场的干扰，详见美国专利号5083359 (阿密德尔Aminder等人）和美国专利号5889215 (基 尔马下Kilmartin等人）。
[0010] 还有另一种方法采用激励线圈来补偿外界干扰磁场，详见美国专利 6826969B1 (梅）。
[0011] 但是，为传感器提供屏蔽和补偿线圈需要一定的空间，给空间狭小的地方带来很 大的应用问题，而且，运种昂贵的屏蔽很难用在要求成本低廉的应用上，例如在汽车上的应 用。并且，采用上述方法增加了传感器的复杂性和成本，同时也减少其普遍适应性，可维护 性和可靠性。运些方法也没有补偿溫度漂移和因旋转而偏移的输出。
【发明内容】
[0012] 本发明的目的是提供一个可W克服上述问题的磁致弹性扭矩传感器，并提供一个 具有高度可靠性的磁致弹性扭矩传感器。
[0013] 本发明的另一个目的是提供一个能自己过滤掉外届干扰磁场影响的磁致弹性扭 矩传感器。
[0014] 该项发明的进一步目标是提供一个可补偿溫度漂移的磁致弹性扭矩传感器。
[0015] 本发明的另一目的是提供一个可补偿因旋转偏移输出的而磁致弹性扭矩传感器。
[0016] 该项发明的进一步目标是提供一个可补偿溫度灵敏度漂移的磁致弹性扭矩传感 器。
[0017] 本发明的另一个目的是提供一个需要较少的轴向空间的磁致弹性扭矩传感器，并 对轴向安装误差有更大的容忍。
[0018] 本发明另一个的目的是提供一个能匹配磁场传感器的灵敏度的磁致弹性扭矩传 感器，使之能实现完全的共模抑制。
[0019] 运些目标可通过提供如下磁致弹性扭矩传感器来实现：该磁致弹性扭矩传感器包 括至少一个磁致弹性区，至少一个磁场传感器来测量磁致弹性区因扭矩而产生的磁场（主 磁场传感器），并至少有一个磁场传感器放置于因扭矩而产生的磁场影响之外的地方（辅 助磁场传感器），使运一传感器不能感应因扭矩而产生的磁场。主磁场传感器和辅助磁场传 感器的输出信号独立处理，如果当靠近磁致弹性区的主磁场传感器检测到磁场有变化时， 辅助磁场传感器测不到磁场变化，运意味着主磁场传感器所检测到的磁场的变化全部由施 加的扭矩所造成。当主磁场传感器和辅助磁场传感器都检测到磁场变化时，则表明有外来 磁场，即不由扭矩所产生的磁场，无论其是因溫度变化而造成的，因轴的旋转而产生的，或 是来自一个外部干扰磁场，例如电机。
[0020] 另外，可把辅助磁场传感器放在靠近磁致弹性区的位置，但其所能感应的磁场强 度比主要磁场传感器低，w部分补偿因轴旋转和溫度变化而产生的灵敏度漂移。
[0021] 要使两个磁场传感器的灵敏度完全一致需要很大的努力，运在现实中是很难实 现，没有灵敏度完全一致的一对磁场传感器，就不能完全实现共模抑制。当传感器放置在均 匀磁场时，主磁场传感器和辅助磁场传感器的输出信号是相互独立的，可对其灵敏度进行 调整，使其完全一致，W实现完全的共模抑制。
[0022] 与W前的磁致弹性传感器技术相比，采用本发明可降低磁致弹性传感器的生产成 本，简单易用，并能在大多数恶劣的环境工作。
【附图说明】
[0023] 图1显示了本发明的Ξ维图形。
[0024] 图2显示了本发明的二维图形。
[00巧]图3显示了轴向磁致弹性区上的磁场强度。
[0026] 图4显示了由于制造公差，磁场传感器安装位置的误差。
[0027] 图5a到5c显示，应用本发明的磁致弹性传感器中磁场传感器的不同的安置方法。
【具体实施方式】
[002引图。1和图。2分别显示了一个体现本发明的极带型磁致弹性扭矩传感器的Ξ维 和二维图。在运个例子中，扭矩T施加在带有轴线10的轴12上，轴12上有一个磁致弹性 区14,至少有一个主磁场传感器18放置磁致弹性区14附近，W检测因扭矩而产生的磁场 24,并且至少有一个辅助磁场传感器，19或20,放置主要磁场传感器18的任何一侧，辅助磁 场传感器19和20放置在离磁致弹性区14足够远的地方，W避免W检测到因扭矩而产生的 磁场24。
[0029] 图。3显示因扭矩T而产生的磁场沿磁致弹性区14轴向的强度，在磁致弹性区14 的中屯、磁场强度最高，越靠近磁致弹性区14的边缘则磁场强度越弱。磁致弹性区14越长， 磁场强度高峰曲线就越平坦。因此，较长的磁致弹性区14可W用来减少轴的轴向运动对传 感器灵敏度的影响。
[0030] 主磁场传感器18和辅助磁场传感器19和20的输出信号由电线22引出，一种过 滤干扰磁场的方法是使用下列公式来处理运些磁场传感器输出信号：
[0031]
[00础其中
[0033] 输出=扭矩传感器的输出信号
[0034] Sa=主要磁场传感器18的输出信号
[0035]Spig=辅助磁场传感器19的输出信号
[0036]Sp2〇 =辅助磁场传感器20的输出信号
[0037] 当没有施加扭矩，也不存在外界干扰磁场时，S。与Spie和SP2。相等，因此扭矩传感 器输出为0。如果扭矩T施加到轴12上，只有主磁场传感器18能检测到因扭矩T而产生的 磁场24,根据于扭矩T方向，S。将增加或减少，因此，主磁场传感器18的输出信号是Sa+St， 其中St是因扭矩Τ而发生的信号变化，在没有外部干扰磁场的情况下，Spie和SP2。仍维持不 变，主磁场传感器18所感应到的磁场变化全部由扭矩T造成，其输出信号可用下列公式来 表不：
[0038]
[0039] 当辅助磁场传感器19或20检测到的磁场26有所变化时，运表明存在着因扭矩T 而产生的磁通量W外的干扰磁场。干扰磁场有几种类型。根据干扰磁场离扭矩传感器的距 离远近，可把干扰磁场分为远磁场和近磁场两类。当干扰磁场如地球磁场离扭矩传感器足 够远时，外部干扰磁场与主磁场传感器18和辅助磁场传感器19和20的之间的距离可认为 是相同的，即它们都感应到相同的干扰磁场强度，因此，信号处理公式为：
[0040]
[0041]其中：
[0042] 8。。=主磁场传感器18因外部磁场26而产生的输出信号
[0043] Sppw=辅