专利名称：一种非接触式转角转矩传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于磁、机电一体化数字式传感器领域，具体涉及一种非接触式磁阻转矩转角传感器。
背景技术：
转向扭矩、角度及方向是汽车行驶中的重要参数，特别是对于装备有电动助力转向系统的汽车而言。扭矩传感器是电动助力转向系统是关键的部件之一。而将转向扭矩、 角度及方向三者的测量集成到单一的传感器上进行是汽车发展必然的选择，同时非接触式扭矩传感器也必将代替接触式扭矩传感器。扭矩传感器成本的降低及测量更加易于实现也将成为电动助力转向快速发展的一个重要因素。因此为电动助力转向提出一种符合条件的结构并做出研究是非常必要的。传统的转角传感器，有的采用在旋转轴上安装加工有栅槽的齿盘，通过发光晶体管产生光源，光敏电阻元件接受光信号，输出脉冲电信号，信号频率对应一定的转速数据， 实现转速的测量。转速传感器的测量精度主要受栅槽齿的间距、光敏元件信号的分辨率和电路性能限制。传统的扭矩传感器也由转速传感器和受扭矩的弹性元件等组成。弹性元件上贴有应变片，弹性元件受扭矩后应力发生变化，应变片输出电信号，通过集流环将信号引出， 信号大小对应一定的扭矩数据。为了克服传统的转角传感器测量精度受到栅槽齿的间距和光敏元件信号分辨率的限制等不足以及转矩信号测量精度不足，本文系统地探讨和建立了一种基于磁阻效应的，可以同时测量转向扭矩、角度及转向方向的转向传感器。该传感器精度很高，能够满足电动助力转向系统的要求。目前，这种非接触式转矩转角传感器适用于例如汽车的电动助力转向技术方面作为电动助力转向中主要参数转矩和转角来检测因驾驶员的转向操作而旋转的转向轴的转角和转矩。一般在检测转角所用的方法为一边与转向轴的转向联动而是主动齿轮一体旋转，一边根据与该主动齿轮啮合的多个从动齿轮之间产生的旋转的相位差，通过在ARM中的数据处理运算出绝对转角。在检测转矩中所用的方法是通过一个扭杆将两个轴连接在一起，在这两个轴上面装上旋转角度的检测装置，当转矩作用于两轴之间并产生轴间的扭曲时，通过比较旋转轴的旋转角度可以检测出转矩。这样不管是对转角还是转矩的测量都转化为对转角的测量。
发明内容
为了克服上述各种转角测量存在的不足，本发明提供了一种基于磁阻效应来检测绝对转角的转角测量装置，来分别测量方向盘转过的转角和以及驾驶员所施加的转矩。本发明解决测量方向盘转角的技术问题所采用的技术方案是采用了一种大范围高精度绝对转角测量装置，具有与旋转体相连的主动齿轮9和与主齿轮啮合的第一从动齿轮10和第二从动齿轮12 ；在第一从动齿轮10和第二从动齿轮12中内嵌有产生磁场的磁铁11，在第一从动齿轮10和第二从动齿轮12的上方分别设置有测量转角芯片组合17a和测量转角芯片组合17b。所述第一从动齿轮10和第二从动齿轮12的齿数不同主动齿轮9 与第一从动齿轮10的齿数比为3，与第二从动齿轮12的齿数比为2。所述磁阻芯片13距离磁铁11距离不超过3mm。基于此装置设计的方向盘转角传感器可以满足汽车方向盘5圈角度测量范围要求，输出角度分辨率可以达到0.1度，满足车辆电子助力转向(EPS )系统的使用要求。此装置输出的为绝对转角，方向盘零点位置为机械记忆，传感器掉电后下次上电仍可以记忆， 无需辅助系统计算或存储零点位置。本发明借助基于磁阻效应(MR)的角度探测芯片测量单圈角度。该芯片将四个磁电阻(MR)构成惠更斯电桥结构，该结构可以减少外界环境对传感器输出稳定性的影响，增加传感器灵敏度。本发明解决测量转矩的技术问题所采用的技术方案是将信号盘3与输入轴部件 1通过过盈配合相固接，将测量输入轴部件1与输出轴部件6相对转角的磁阻传感器组件5 与输出轴部件6相固接，这样当输入轴部件1与输出轴部件6因转矩作用发生相对转动的时候，二者之间会产生一个相对转角。在外加磁场的作用下测量转角芯片组合17可以检测通过后处理芯片15得到这个角度，再通过后处理芯片15可以把所施加的转矩计算出来。本发明的目的在于提供一种可以没有误差、高精度且高分辨率地检测出转向轴等旋转轴的旋转角度及转矩的旋转角度检测装置。本发明所提供的旋转角度检测装置包括具有扭杆的轴部；检测上述轴部的旋转角度的旋转角度检测部；检测上述扭杆弹簧8的扭转角度的转矩检测部，其中，上述旋转角度检测部及上述转矩检测部通过利用彼此的检测结果来提高自身的检测精度。在上述的旋转角度检测装置中，旋转角度检测装置在检测轴部的旋转角度时利用转矩检测部的检测结果。另一方面，转矩检测部在检测轴部的转矩时利用旋转角度检测部的检测结果。因此，与以往单独地进行各种检测的情况相比，可以高精度且高分辨率地检测出轴部的旋转角度及转矩。本发明有益效果是实现非接触式测量转角和转矩，与以前的相关发明相比还具有结构简单，精度高，灵敏度高，寿命长等特点。
图1是本发明传感器整体的结构图。图2是本发明转角测量部件的机械部分的结构图。图3是图2的转角信号测试的原理图。图4是磁阻芯片测量转角信号电路图。图5是KMZ41磁阻芯片13输出信号图。图6表示了转角信号处理流程图。图7表示了转矩信号测量示意图。图8表示了转矩信号测量原理图。标记说明1输入轴部件，2转角测量部件，3信号盘，4台架盘，5磁阻传感器组件，6输出轴部件，7销，8扭杆弹簧，9主动齿轮，10第一从动齿轮，11磁铁，12第二从动齿轮，13 KMZ41磁阻芯片，14 UZZ9001微处理芯片，15后处理芯片，17测量转角芯片组合，17a 第一测量转角芯片组合，17b第二测量转角芯片组合。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。如图1所示的本发明的整体结构图。从外观看输入轴部件1和输出轴部件6并没有直接连接在一起，但内部却通过扭杆弹簧8相连接。输入轴部件1与扭杆弹簧是通过销连接固定在一起的，输出轴部件6与扭杆弹簧8之间是通过另一个销连接固定。转角测量部件2和输入轴部件1连接固定在一起，可以测量输入轴部件的绝对转角。转角测量部件2主要包括主动齿轮9，第一从动齿轮10，第二从动齿轮12，磁铁11，测量转角芯片组合 17 (包括KMZ41磁阻芯片13以及UZZ9001微处理芯片14)等。其中如图3所示第一从动齿轮10上面的磁铁11对应着第一测量转角芯片组合17a，第二从动齿轮12上面的磁铁11 对应着第二测量转角芯片组合17b，通过测量转角芯片组合17可以分别测得第一从动齿轮 10和第二从动齿轮12转过的转角，再把测得的角度值发送给后处理芯片15经过计算以后得到测量输入轴部件1所转过的角度值。因此转角测量部件2主要作用是测量输入轴部件 1所转过的角度，实现传感器测量转角的功能。信号盘3是用硅钢加工成的齿轮形装置，再外加磁场的激励下会产生较强的磁场，通过过盈配合与输入轴部件1连接在一起，当输入轴部件1旋转一定角度时会带动信号盘3转动相同的角度，引起测量转角芯片组合17周围的磁场变化。磁阻传感器组件5主要包括矩形磁铁11和测量转角芯片组合17，测量转角芯片组合17贴在矩形磁铁11上面。 磁阻传感器组件5可以测得在测量转矩时输入轴部件1和输出轴部件6之间的相对转角。 磁阻传感器组件5固定在信号盘3上面，信号盘3和输出轴部件6通过过盈配合连接在一起。当输出轴部件6转动一定角度时会带动信号盘3转动从而带动磁阻传感器组件5转动同样的角度。当传感器在测量转矩时，输入轴部件1被加载扭矩，信号盘3跟随输入轴部件 1 一起转动，磁阻传感器组件5跟随输出轴部件6 —起转动，这样信号盘3和磁阻传感器组件5之间就会产生相对转动，通过磁阻传感器组件5可以测得相对转角，利用测得的相对转角值可以在后处理芯片15中计算出转矩值。该传感器就实现了转角和转矩同时测量。图2所示的一种大范围高精度绝对转角测量部件2的机械部分主要包括主动齿轮9，第一从动齿轮10和第二从动齿轮12。其中主动齿轮9第一从动齿轮10和第二从动齿轮12与主动齿轮9啮合；当输入轴部件1转动一定角度时，主动齿轮9也转动同样的角度，主动齿轮9通过齿轮啮合带动第一从动齿轮10和第二从动齿轮12分别转动不同的角度(因为所述第一从动齿轮10和第二从动齿轮12的齿数不同)。在第一从动齿轮10和第二从动齿轮12中内嵌有产生磁场的磁铁11，在第一从动齿轮10和第二从动齿轮12的上方分别设置有第一测量转角芯片组合17a和第二测量转角芯片组合17b。其中第一测量转角芯片组合17a、第二测量转角芯片组合17b和测量转角芯片组合17 (包括KMZ41磁阻芯片13以及UZZ9001微处理芯片14)是一样的。其中KMZ41磁阻芯片13用于探测磁场方向变化，KMZ41磁阻芯片13将侧的信号发送给UZZ9001微处理芯片14，经过处理得到一个转角数值以后再发送给后处理芯片15 ；这样后处理芯片15将两个转角值经过算法处理以后就得到输入轴部件1所转过的角度值，实现传感器测量转角功能。KMZ41磁阻芯片13距离磁铁11距离不超过3mm。所述第一从动齿轮10和第二从动齿轮12的齿数不同主动齿轮9与第一从动齿轮10的齿数比为3 5，与第二从动齿轮12的齿数比为2 3。图3表示了测量转角芯片组合17测量转角信号的原理，当主动齿轮9旋转运动， 转过 ff度时候，从第一从动齿轮10 转过0度和第二从动齿轮12转过W度。由于第一从动齿轮10和第二从动齿轮12齿数不同，所以β*-。第一从动齿轮10和第二从动齿轮12旋转运动分别带动了与其镶嵌磁铁11 旋转，因而引起了磁场的变化。在第一从动齿轮10和第二从动齿轮12中内嵌有产生磁场的磁铁11，在第一从动齿轮10和第二从动齿轮12的上方分别设置有第一测量转角芯片组合17a和第二测量转角芯片组合17b。其中第一测量转角芯片组合17a、第二测量转角芯片组合17b和测量转角芯片组合17(包括KMZ41磁阻芯片13以及UZZ9001微处理芯片14)是一样的。其中KMZ41磁阻芯片13用于探测磁场方向变化，KMZ41磁阻芯片13将侧的信号发送给UZZ9001微处理芯片14，经过处理得到一个转角数值以后再发送给后处理芯片15 ； 这样后处理芯片15将两个转角值经过算法处理以后就得到主动齿轮9转过的绝对转角1P。 由于输入轴部件1和主动齿轮9通过过盈配合连接在一起，因此主动齿轮9转过的绝对转角-就是输入轴部件1所转过的角度值，实现传感器测量转角的功能。图4表示了转角信号测量的部分电路图。通过图中可以知道测量转角芯片组合17包括KMZ41磁阻芯片13和UZZ9001微处理芯片14。当第一从动齿轮10和第二从动齿轮12中间镶嵌的磁铁旋转一定角度时，KMZ41磁阻芯片13可以检测到磁场的变化，将测得转角信号转换为正弦信号，KMZ41磁阻芯片13的两组输出信号可以表示为 JT(O^T) 二 Jfn ⑴赵
权利要求
1.一种非接触式转角转矩传感器，包括输入轴部件、输出轴部件、扭杆弹簧、转角测量部件、磁阻传感器组件、信号盘、台架盘；其特征在于输入轴部件和输出轴部件通过扭杆弹簧相连接；转角测量部件和输入轴部件连接固定在一起，可以测量输入轴部件的绝对转角；信号盘和输入轴部件连接在一起，台架盘和输出轴部件连接在一起，磁阻传感器组件安装在台架盘上；当在输入轴部件被加载扭矩，信号盘跟随输入轴部件一起转动，将转矩信号转换成角度信号，信号盘和磁阻传感器组件之间有相对转动，可以测得相对转角，利用相对转角进而可以测出转矩；实现同时测量转角和转矩。
2.根据权利要求1所述的一种非接触式转角转矩传感器，其特征在于输入轴部件与扭杆弹簧通过销机械连接，输出轴部件与扭杆弹簧通过销机械连接。
3.根据权利要求1所述的一种非接触式转角转矩传感器，其特征在于信号盘是用硅钢加工成的齿轮型部件，信号盘和输入轴部件通过过盈配合机械连接在一起，台架盘和输出轴部件通过过盈配合机械连接在一起，磁阻传感器组件通过螺钉机械固定在台架盘上。
4.根据权利要求1所述的一种非接触式转角转矩传感器，其特征在于转角测量部件包括主动齿轮、第一从动齿轮、第二从动齿轮，主动齿轮和输入轴部件机械连接；第一从动齿轮和第二从动齿轮和主动齿轮啮合；第一从动齿轮和第二从动齿轮中均嵌有产生磁场的磁铁；第一从动齿轮的上方设置有磁阻芯片，该磁阻芯片和第一从动齿轮中的磁铁的距离不超过3mm;第二从动齿轮的上方也设置有磁阻芯片，该磁阻芯片和第二从动齿轮中的磁铁的距离不超过3mm;磁阻芯片用于探测磁场方向的变化；上述两个磁阻芯片分别安装在第一测量转角芯片组合和第二测量转角芯片组合中。
5.根据权利要求1所述的一种非接触式转角转矩传感器，其特征在于将信号盘与输入轴部件通过过盈配合相固接，将测量输入轴部件与输出轴部件相对转角的磁阻传感器组件与输出轴部件相固接，当输入轴部件与输出轴部件因转矩作用发生相对转动的时候，二者之间会产生一个相对转角；在外加磁场的作用下磁阻传感器组件中的磁阻芯片可以检测到这个角度，再通过后处理芯片可以把所施加的转矩计算出来。
6.根据权利要求1所述的一种非接触式转角转矩传感器，其特征在于第一从动齿轮和第二从动齿轮的齿数不同主动齿轮与第一从动齿轮的齿数比为3 5，与第二从动齿轮的齿数比为2 3。
7.根据权利要求1所述的一种非接触式转角转矩传感器，其特征在于磁阻传感器组件与信号盘的距离不超过2 mm。
8.根据权利要求1所述的一种非接触式转角转矩传感器，其特征在于主动齿轮和从动齿轮旋转时，安装在第一从动齿轮上方的第一测量转角芯片组合中的磁阻芯片和安装在第二从动齿轮上方的第二测量转角芯片组合中得磁阻芯片检测随第一从动齿轮和第二从动齿轮中磁铁的旋转而发生的磁场变化。
全文摘要
本发明涉及一种的基于磁阻效应的用于检测精密机构高精度转角和转矩的传感器，包括输入轴部件、输出轴部件、信号盘、托盘、扭杆弹簧、转角测量部件、磁阻传感器组件。转角测量部件固定在输入轴部件上面用于测量绝对转角值；信号盘固定在输入轴部件上面加上固定在台架盘上面的磁阻传感器组件来测量转矩值。在测量转角和转矩都采用了KMZ41磁阻芯片，因而不与测量的部件直接接触。本发明其结构紧凑、结构强度高，精度高、寿命长，可方便获得转角转矩值。
文档编号G01B7/30GK102506698SQ20111034354
公开日2012年6月20日 申请日期2011年11月4日 优先权日2011年11月4日
发明者周磊磊, 姜武华, 毕玲峰, 王金波, 赵林峰, 陈无畏 申请人:合肥工业大学