非接触式磁检测光纤光栅静扭矩传感器的制作方法

本实用新型涉及扭矩非接触式在线测量，属于静扭矩测量技术领域。

背景技术：

扭矩测量在生产生活中的各个领域得到了广泛的应用，已成为各种机械产品设计研究中必不可少的内容。例如高精度仪器装配过程中螺钉拧紧力矩检测，扭力扳手制造与测试，变速器静载扭矩测定等。

在新型传感器中，光纤光栅的最大特点是采用波长编码，且不受光功率波动和光路弯曲引起损耗的影响，具有良好的抗干扰性和准分布式传感的性能，然而目前的光纤光栅扭矩传感器中，粘贴于轴表面的光纤光栅存在粘贴不稳定及难维护问题，45°的粘贴角度难以保证，可靠性差。

磁场中磁路的存在是一种构建非接触式测量的理想媒介，利用永磁体激发的磁场还可以实现无需提供激励能源的独特优势，将磁理论及光纤光栅技术相结合可应用于扭矩测量。

专利号为200710179471.3的“一种扭矩光纤传感器”发明专利中，利用永磁体来传递扭矩，但光纤光栅与轴为直接粘贴，粘贴角度对测量结果影响较大，可靠性差；专利号为201310578568.7的“非接触式扭矩传感器磁路结构”发明专利中，所构建的磁路中包含四处气隙，抗干扰能力差，且永磁体安装在轴上引起装配及维护困难。

技术实现要素：

本实用新型所要解决的技术问题是：提供一种非接触式磁检测光纤光栅静扭矩传感器，其采用永磁体激励磁场，无需提供激励能源；通过引入磁理论解决光纤光栅在测量扭矩时的粘贴不稳定及难维护问题，实现静扭矩信号非接触、高可靠性实时检测。

本实用新型解决其技术问题采用的技术方案是：包括中心轴、静引磁环、永磁体、动隔磁环以及光纤光栅磁检测部件，所述动隔磁环通过过盈配合实现与中心轴的紧固连接；磁检测部件粘贴于静引磁环；静引磁环通过法兰盘与机架实现可靠装配，并且中心轴的一端与机架固定；激发磁场的永磁体安置在静引磁环上。

所述的静引磁环、动隔磁环设有数量相同的凸齿结构，凸齿交错分布，中间设有气隙，构成非接触式形式；静引磁环齿根部位设置永磁体激励磁场，凸齿侧斜面部位设置光纤光栅磁检测部件。

所述的动隔磁环凸齿、静引磁环凸齿，其凸齿顶端设置成楔形，凸齿侧斜面是气隙中磁感线的主要穿越面，也是磁感应强度的主要检测面。

固定在中心轴上动隔磁环在一定角度(-5°～5°)范围内发生扭转；中心轴是传感器轴，通过刚性联轴器与待测传动轴连接，或者是待测传动轴。

所述的静引磁环、动隔磁环凸齿、静引磁环凸齿由导磁材料电工纯铁制成，所述的动隔磁环由非导磁材料铝合金制成。

所述的永磁体，其正对动隔磁环的面加工为扇面形，相邻永磁体间隔两个静引磁环凸齿。

所述的光纤光栅磁检测部件由超磁致伸缩元件及光纤布拉格光栅组成，两个磁检测部件分别粘贴于靠近永磁体的静引磁环凸齿的两个侧斜面上。

所述的超磁致伸缩元件是由能跟随磁场变化产生较大磁致伸缩应变的稀土材料制成，该材料型号为Terfenol-D；所述的光纤光栅为普通光纤布拉格光栅，在超磁致伸缩元件上粘贴光纤光栅。

本实用新型与现有技术相比具有以下的主要的优点：

(1)利用永磁体激励磁场并构建非接触形式，无需提供激励能源，磁路简单高效，采用成对的磁检测部件，结合气隙增大及对应的减小可以实现扭矩信号的差动检测，同时完成温度补偿。

(2)所有永磁体及磁检测部件皆安置在静引磁环上，动隔磁环与轴仅简单过盈装配，该结构方案便于装配及之后的调试维护工作。

(3)动隔磁环与静引磁环凸齿结构交错分布，中间设有气隙，可测量正反方向扭矩，布置永磁体及磁检测部件时可供选择的静引磁环凸齿数量多，可布置测点多。

(4)光纤光栅的粘贴过程中，由于测量的是平面上的磁致伸缩应变，不同于直接粘贴在轴的圆柱面上，降低了粘贴难度。

附图说明

图1是本实用新型传感器实例示意图。

图2是传感器安装在轴上示意图，其为图1的A-A剖视图。

图3是空载状态下传感器磁路结构示意图。

图4是承受扭矩后传感器磁路结构示意图。

图5是磁检测部件粘贴方式及结构示意图。

图6是永磁体布置方式及结构示意图。

图中：1.中心轴，2.静引磁环，3.永磁体，4.动隔磁环，5.磁感应强度检测面(静引磁环凸齿侧斜面)，6.动隔磁环凸齿，7.静引磁环凸齿，8.法兰盘，9.超磁致伸缩元件，10.光纤光栅，11.机架。

具体实施方式

下面结合举例结构及附图对本实用新型作进一步说明。

本实用新型提供的非接触式磁检测光纤光栅静扭矩传感器，如图1、2所示，包括：中心轴1、静引磁环2、动隔磁环4以及磁检测部件，其中：动隔磁环4通过过盈配合实现与中心轴1的紧固连接；磁检测部件粘贴于静引磁环2；静引磁环2通过法兰盘8与机架11实现可靠装配，并且中心轴1的一端与机架11固定。

所述的静引磁环2与机架11保持相对静止，所述的动隔磁环4随中心轴1发生扭转。

所述的静引磁环2、动隔磁环4设有数量相同的凸齿结构，如图1～4所示，动隔磁环凸齿6、静引磁环凸齿7相互错位，在中间设有气隙构成非接触式形式。本实例中设置8个动隔磁环凸齿，8个静引磁环凸齿。凸齿顶端设置成楔形，凸齿侧斜面是气隙中磁感线的主要穿越面，其作用是在气隙中构建出更集中且均匀的磁场环境。

所述的气隙是磁感线在静引磁环凸齿7侧斜面与动隔磁环凸齿6侧斜面的穿越过程中所经历的空气环境。

所述的磁感应强度检测面5是静引磁环凸齿侧斜面，是磁感线的主要穿越面，是布置磁检测部件的磁感应强度检测面。

所述的中心轴1为非旋转轴，动隔磁环随中心轴在一定角度(-5°～5°)范围内发生扭转。中心轴是传感器轴，通过联轴器与待测传动轴连接，或者是发生实际扭转的传动轴。

所述的静引磁环2、静引磁环凸齿7、法兰8可制成一体。

所述的静引磁环2、动隔磁环凸齿6、静引磁环凸齿7为导磁材料电工纯铁制成，为构建理想磁路，所述的动隔磁环4为非导磁材料铝合金。

所述的磁场由永磁体3建立，永磁体3安置于静引磁环，永磁体3正对动隔磁环的面可加工为扇面形，相邻永磁体3间隔两个静引磁环凸齿7。

所述的永磁体3采用轴向充磁，与动隔磁环凸齿6的正对面可为N极，或S极，不同永磁体在装配过程中与动隔磁环凸齿6正对面的极性可不同。

所述的磁检测部件由超磁致伸缩元件9及光纤光栅10组成，利用AB胶粘剂将它们粘贴于靠近永磁体3的静引磁环凸齿7的侧斜面5，检测侧斜面的表面磁感应强度。同时测量两个侧斜面磁感应强度可实现扭转角信号的差动检测，将输出信号相减以抵消因温度变化因素引起的测量误差。

所述的超磁致伸缩元件9是能跟随磁场变化产生较大磁致伸缩应变的稀土材料，为带状，本例中材料型号为Terfenol-D。所述的光纤光栅10为普通光纤布拉格光栅，利用AB胶粘剂在超磁致伸缩元件9上粘贴光纤光栅10(图5)。

所述的光纤光栅10沿着超磁致伸缩元件9边线方向粘贴，粘于超磁致伸缩元件9中间位置。

如图3所示，将静引磁环2和动隔磁环4按圆周展开并用带箭头虚线标注磁感线，其中虚线箭头方向表示磁场方向。

本实用新型提供的非接触式磁检测光纤光栅静扭矩传感器，其磁路结构设计为：永磁体3安置在静引磁环2上，与动隔磁环凸齿6顶面正对，假设N极正对。磁感线从N极出发，穿越固定距离的空气进入动隔磁环凸齿6内，动隔磁环凸齿6内磁感线分两路穿越动隔磁环凸齿侧斜面进入静引磁环凸齿侧斜面5，形成差动，最后经过静引磁环2回到永磁体3的S极，形成闭合磁路。

图4中，粗虚线表示磁感应强度增强，细虚线表示磁感应强度减弱。

本实用新型提供的非接触式磁检测光纤光栅静扭矩传感器，其工作过程如下：

空载状态下，中心轴1未产生扭角，动隔磁环凸齿处于相邻静引磁环凸齿正中间位置(图3)，动隔磁环凸齿内磁感线穿越回到两侧静引磁环凸齿内的气隙距离相同，两侧静引磁环凸齿侧斜面检测到的磁感应强度相同。当中心轴承受扭矩作用，并且动隔磁环随之产生了一个扭转角时，通过交错分布的凸齿结构将扭角信号转换为磁感应强度的变化。例如图4中，动隔磁环凸齿侧斜面与上侧静引磁环凸齿侧斜面气隙变小，相对应的与下侧静引磁环凸齿侧斜面气隙增大。气隙引起磁阻的变化，使得上侧静引磁环凸齿侧斜面上穿越的磁感线数量多于下侧，在正对面积不变的情况下，上侧静引磁环凸齿侧斜面的磁感应强度大于下侧，即产生了一个差值。两侧不同的磁感应强度引起超磁致伸缩材料发生不同量的变形，最终由粘贴在超磁致伸缩材料表面上的光纤光栅检测到应变，输出为波长信号。通过构建磁路将中心轴的扭矩信号输出为光纤光栅波长信号，实现静扭矩信号非接触式在线测量。