一种销式压磁传感器及包括该传感器的控制系统

1.本发明涉及一种通过改善内部磁路结构提高灵敏度的磁致伸缩传感器及包括该传感器的控制系统，属于力测量技术领域。


背景技术：

2.力是工程应用过程中常见的重要参数之一，力的测量在实际工作中极为重要，它直接关系到工作的安全和效率等因素，工业中常用在力的作用下产生某种物理效应，例如压磁效应、压电效应等，将力转化成与力的大小成比例的电信号的方法来测量力。
3.磁致伸缩传感器由磁致伸缩材料作为压磁元件，利用磁致逆伸缩效应制成，其工作原理是将外力的变化转化为磁场的变化，检测其感应电动势的大小以反映力的大小。该方法在工业控制系统中应用广泛，具有承载能力强、适应恶劣工作环境、输出功率大等优点。磁致伸缩传感器的灵敏度是衡量性能的关键指标，性能主要由其结构决定。因此，通过改变传感器的结构，改善力与输出电压之间的关系以提高灵敏度变得尤为重要。
4.发明人发现现有的柱状磁芯型力传感器在工作时，励磁磁芯只能在一个方向上受外力的影响发生剪切变形，造成传感器力—磁—电转换效率过低。


技术实现要素：

5.本发明针对现有的柱状磁芯型力传感器在工作时，励磁磁芯只能在一个方向上受外力的影响发生剪切变形，造成传感器力—磁—电转换效率过低的问题，提出一种能在正交方向上同时受力的十字压磁元件及包括该元件的销式压磁传感器及控制系统。
6.为了实上述目的，本发明采用的技术方案如下：
7.第一方面，本发明公开了一种销式压磁传感器，包括传感器本体，在传感器本体包括一个壳体和一个压磁元件；在所述的壳体上设有输入端口和输出端口；在所述的壳体内固定有压磁元件，所述压磁元件包括中心承力筒、支架、十字励磁磁芯及其绕组、感应磁芯及其绕组和中间磁路；中心承力筒的中心位置固定所述的十字励磁磁芯，在所述的十字励磁磁芯上设有x向励磁绕组n
x
和y向励磁绕组n
y
；在中心承力筒的两端各设有一个支架，在每个支架上安装有感应磁芯，在所述的感应磁芯上设有感应绕组。
8.作为进一步的技术方案，所述的十字励磁磁芯为一个前后左右对称结构，励磁磁芯采用磁致伸缩材料，其饱和磁致伸缩系数λ＞0。
9.作为进一步的技术方案，所述的感应绕组相对于中心承力筒的中心对称设置。
10.作为进一步的技术方案，所述的压磁元件通过上限位件和下限位件固定在所述的外壳内。
11.作为进一步的技术方案，所述的下限位件或者上限位件高度可调。
12.作为进一步的技术方案，所述的外壳一端封闭，另一端敞口，所述的敞口端与盖体配合。
13.作为进一步的技术方案，在所述的盖体上设有输入端口和输出端口。
14.第二方面，本发明还提供了一种销式压磁传感器控制系统，包括所述的销式压磁传感器，所述的销式压磁传感器的输入端口与励磁及电源控制器相连；所述的输出端口与测量及输出控制器相连。
15.作为进一步的技术方案，所述的励磁及电源控制器包括量程选择器、调压电路、输出plc和外接交流电源，所述的输出plc与输入端口相连，输出plc与调压电路相连，调压电路与量程选择器相连，所述的量程选择器与外接交流电源相连。
16.作为进一步的技术方案，所述的测量及输出控制器包括差动连接电路、滤波放大电路、零位补偿电路、相敏整流电路、电—力转换器和输出信号显示器；所述的差动连接电路与滤波放大电路相连，滤波放大电路与相敏整流电路相连；相敏整流电路与电—力转换器相连，电—力转换器与输出信号显示器相连；所述的零位补偿电路与滤波放大电路相连。
17.本发明的有益效果是：
18.1.本发明公开的压磁元件由中心承力筒、支架、十字励磁磁芯及其绕组、感应磁芯及其绕组和中间磁路等组成。在十字励磁磁芯上绕有x向励磁绕组n
x
和y向励磁绕组n
y
，在感应磁芯上绕有感应绕组n1、n2、n3、n4。当测量较大的力时，整个压磁元件产生较大变形，此时单个方向的磁场变化已经足够使感应线圈产生较大的感应电动势，不再需要另一个与之垂直的励磁磁场。因此，在设定大量程时，垂直于受力方向的励磁绕组将自动减小电流，甚至只保留另外的励磁绕组通电，以达到控制精度、保证计算速度的效果。
19.2.相比于传统的压磁式力传感器，本发明可以改进其量程较大但是精度不准的缺点，在达到较大量程时保证较高的精度；设置了自动调整量程的装置，可根据使用环境的需要调整量程，可以适应更多的测量环境，耗能更低。
20.3.本发明公开的销式压磁传感器中限位器和端盖的作用是保证压磁元件的位置固定，在工作中不会因为载荷的变化而产生位移。同时起到密封的作用，防止工作环境的灰尘及泥水等进入壳体内污染传感器，造成测量精度下降。接线端口采用输入、输出集成端口，保持信号及供电稳定。传感器外壳为圆柱体，从其中一端面镗出深孔，十字励磁磁芯装配于传感器外壳的深孔位置，传感器外壳由高强度合金制成，在保证机械强度的基础上可以产生一定幅度的弹性变形，便于进行传感器测量。
21.4.励磁及电源控制器主要是为传感器供电和对压磁元件励磁，包括量程选择器、调压电路、输出plc和外接交流电源。其中量程选择器设计手动设定接口和反馈信号接口，是标定量程的主要元件，同时量程选择器也是测量周期的起点，通过接收设定信号来选择量程和通电励磁绕组的数量。调压电路的作用是稳定电源电压，并根据量程自动选择合适的励磁电压。
22.5.计算及输出控制器负责对感应绕组产生的感应电动势进行连接、放大、运算，并将电压转换成相应的力数据输出。主要由差动连接电路、滤波放大电路、零位补偿电路、相敏整流电路、电—力转换器和输出信号显示器组成。各感应绕组的引出线通过接口从传感器引出，进行差动连接，即感应绕组n1、n3的同名端连接在一起，n2、n4的同名端连接在一起，形成反向串联，两个反向串联组的异名端连接在一起，形成正向串联。由于量程是在开始测量后标定的，存在一定的干扰和零点漂移，因此在差动连接电路后接滤波放大电路、零位补偿电路对输出的电信号进行修正。相敏整流电路的作用是将交流感应电动势变为直流。电—力转换器将电压信号转变成相应的力的数据后显示，同时将信号输出，反馈至量程选
择器和零位补偿电路。
附图说明
23.构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。
24.图1为本发明的销式传感器的结构原理示意；
25.图2为本发明中销式传感器本体的结构示意；
26.图3为本发明中压磁元件的主视图示意；
27.图4为本发明中压磁元件的a
‑
a向剖切示意；
28.图5为本发明中压磁元件的b
‑
b向剖切示意；
29.图6为本发明中励磁及电源控制器的原理示意；
30.图7为本发明中计算及输出控制器的原理示意。
31.其中，1.传感器本体，2.励磁及电源控制器，3.测量及输出控制器，4.输入、输出接线端口，5.端盖，6.垫圈，7.传感器上限位，8.压磁元件，9.传感器下限位，10.传感器高强外壳，11.感应线圈，12.中心筒，13.y向励磁线圈，14.x向励磁线圈，15.感应线圈支架，16.筒间空腔。
具体实施方式
32.应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本发明使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
33.需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本发明的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非本发明另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合；
34.为了方便叙述，本发明中如果出现“上”、“下”、“左”、“右”字样，仅表示与附图本身的上、下、左、右方向一致，并不对结构起限定作用,仅仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的设备或元件必须具有特定的方位，以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
35.正如背景技术所介绍的，现有技术中柱状磁芯型力传感器在工作时，励磁磁芯只能在一个方向上受外力的影响发生剪切变形，造成传感器力—磁—电转换效率过低的问题，因此，本实施例提出了一种能在正交方向上同时受力的十字压磁元件以及磁芯型力传感器、系统。
36.本发明的一种典型的实施方式中，如图1所示，本发明公开的压磁传感装置包括传感器本体1、励磁及电源控制器2和测量及输出控制器3等。其中核心部件为传感器本体1，传感器本体1分别与励磁及电源控制器2和测量及输出控制器3相连构成了传感器系统。传感器安装时，要求其受力的方向与传感器的轴线方向垂直，且其外壳与安装传感器的孔之间紧密配合。如图1所示，此传感器可按普通销的装配方式连接两个零件，同时测量二者间的剪切应力。
37.如图2所示，本发明中的传感器本体1，由传感器上限位7、传感器下限位9、压磁元件8、传感器外壳10、端盖5和垫圈6等，传感器上限位7、传感器下限位9、压磁元件8安装在传感器外壳10内，传感器上限位7、传感器下限位9固定住压磁元件8在传感器外壳10中的位置，避免其由于受力产生位移而影响测量精度。传感器外壳10顶部敞口，底部封闭，在装配完成后，端盖5和垫圈6将传感器顶部密封，保持传感器内部环境相对稳定。上述的传感器上限位7、传感器下限位9和端盖5的作用是保证压磁元件的位置固定，在工作中不会因为载荷的变化而产生位移。同时起到密封的作用，防止工作环境的灰尘及泥水等进入壳体内污染传感器，造成测量精度下降。端盖5上设有输入、输出接线端口4，其中输入端口与励磁及电源控制器2相连，输出端口与测量及输出控制器3相连。接线端口采用输入、输出集成端口，保持信号及供电稳定。
38.进一步对，为了便于叙述下文的测量原理，在此为输入、输出接线端口4的端信号进行标号，如图2所示，输入信号分别为u
i1
、u
i2
、u
i3
、u
i4
，输出信号分别为u
o1
、u
o2
、u
o3
、u
o4
。
39.进一步的，本实施例中，传感器下限位9可改变长度，以将压磁元件8调整至合适的高度。当然不难理解，在其他实施例中，还可以将传感器上限位7设计成长度可调的结构，通过改变传感器上限位7的长度，以将压磁元件8调整至合适的高度；亦或者是同时将传感器下限位9和传感器上限位7均设计成长度可调的结构。
40.进一步的，本实施例中的传感器外壳为圆柱体，从其中一端面镗出深孔，十字励磁磁芯装配于传感器外壳的深孔位置。进一步的，传感器外壳由高强度合金制成，在保证机械强度的基础上可以产生一定幅度的弹性变形，便于进行传感器测量，当然传感器外壳还可以采用其他材料制作。
41.如图3所示，压磁元件8为本发明的核心元件，压磁元件8主要包括y向励磁线圈13、x向励磁线圈14、中心承力筒12、感应线圈支架15；所述的中心承力筒12包括一个空心的筒体，在筒体的中空位置设有一个十字励磁磁芯，在筒体的顶部和顶部各延伸出一个感应线圈支架；本实施例定义中心承力筒12的径向面为十字励磁磁芯所在的面，则按照图3所示的方位，定义左右方向为x向，定义前后方向为y向，则沿着x方向，在十字励磁磁芯上设有两个x向励磁线圈14；沿着y方向，在十字励磁磁芯上设有两个y向励磁线圈13；y向励磁线圈13记作n
y
，x向励磁线圈14记为n
x
。y向励磁线圈13和x向励磁线圈14接入交流电时将会产生磁场n
y
、磁场n
x
，当传感器未受外力作用时，磁路各区域磁导率相同，励磁绕组两极形成一个对称的磁场。
42.在上、下感应线圈支架15上设有感应磁芯，在感应磁芯上缠绕感应线圈11，在本实施例中，在上感应磁芯(k1、k2)的左右方向各缠绕一个感应线圈11(n1、n2)，在下感应磁芯(k3、k4)的左右方向各缠绕一个感应线圈11(n3、n4)。且上、下感应线圈支架15的结构完全相同，相对于十字励磁磁芯的中心线上下对称设置，同时上下感应线圈11相对于十字励磁磁芯的中心线也上下对称设置。
43.进一步的，为了提高传感器工作的可靠性，这四组感应绕组不在压磁元件上进行连接，而是分别经过端盖和接线端口引出后在后续的计算设备中进行连接。这种设计具有一定的扩展能力。
44.进一步的，十字励磁磁芯为一个前后、左右对称结构，使得两个y向励磁线圈13和两个x向励磁线圈14形成了前后左右对称结构。
45.如图5所示，各线圈(感应线圈11、x向励磁线圈14、y向励磁线圈13)的接线通过筒间空腔16引出传感器。为方便下列叙述，如图3所示，各感应绕组分别记作n1、n2、n3、n4，对应的感应磁极分别为k1、k2、k3、k4。
46.如图6所示，当开始测力时，现将励磁及电源控制器初始化，即初始化图3所示的量程选择器。可用上次测量的记忆值或是手动输入量程。一般来说，压磁式传感器由于测量原理，量程比其他形式的传感器相对要大，因此适用于测量大载荷大变化的力。但是其在测量过程中存在力—磁—电不同能量的相互转换，导致其灵敏度和精确度相对较差。由于此种特性，本发明在磁场的构建方面采用了正交磁场以增强灵敏度。当测量较大的力时，整个压磁元件8产生较大变形，此时单个方向的磁场变化已经足够使感应线圈11产生较大的感应电动势，不再需要另一个与之垂直的励磁磁场。因此，在设定大量程时，垂直于受力方向的励磁绕组将自动减小电流，甚至只保留另外的励磁绕组通电，以达到控制精度、保证计算速度的效果。
47.y向励磁线圈13和x向励磁线圈14接入交流电时将会产生磁场n
y
、磁场n
x
，当传感器未受外力作用时，磁路各区域磁导率相同，励磁绕组两极形成一个对称的磁场。
48.在y方向上，y向励磁线圈13到感应绕组n1、n2、n3、n4的距离相同，故产生的磁通量平均流向四个感应磁极，流经感应磁极的磁通量通过磁路传导返回励磁磁芯，形成闭合回路。水平励磁绕组流向某个感应磁极的磁通量和其他感应磁极流向该感应磁极的磁通量总和大小相等，方向相反，故通过各感应磁极的总磁通量都为0，不产生感应电动势；
49.在x方向上，x向励磁线圈14到四个感应磁极的距离不相同，距离感应绕组n1、n3较近，流入的磁通量较大，距离感应绕组n2、n4较远，流入的磁通量较小。竖直励磁绕组流向某个感应磁极的磁通量和其他感应磁极流向该感应磁极的磁通量总和不相等，各感应磁极两个磁通量差值的绝对值相等，通过感应磁极k3与通过感应磁极k1的总磁通量大小和方向相等，通过感应磁极k2、k4的总磁通量与通过感应磁极k1的总磁通量大小相等，方向相反，四个感应磁极均产生感应电动势，由于感应绕组之间差动连接，故总感应电动势为0。水平方向和竖直方向磁场叠加，输出电压为0。
50.当传感器外壳承受剪切作用力时，剪应力集中于励磁磁芯。励磁磁芯采用磁致伸缩材料，其饱和磁致伸缩系数λ＞0，根据磁致逆伸缩效应，被磁化的励磁磁芯受到应力作用时，励磁磁芯内部磁畴发生转动，在不同方向上磁导率发生变化，进而导致励磁磁芯内部磁感应强度发生变化，磁场发生偏置，水平和竖直方向通过各感应磁极的总磁通量也发生相应的变化，传感器有对应的电压输出。作用在传感器上的力可按照正交分解法分解为水平和竖直两个方向的分力，十字芯型结构的励磁磁芯可以同时检测到水平和竖直两个方向的分力，增加了传感器的灵敏度。
51.感应线圈11产生感应电动势u
o1
、u
o2
、u
o3
、u
o4
，如图7所示，由传感器引出，进入计算及输出控制器进行计算。四路电动势进入差动连接电路后，按上文所述计算原理，在受力的情况下，差动连接电路有信号输出至滤波、放大、整流电路，将交流电信号转换成直流信号。因上文所述量程选择的关系，其零位电压需要进行校正，本发明中设计了零位电压的补偿电路，以抑制因为零位电压引起的测量误差。整流后的电信号进入电—力转换装置。电信号将转换为力的数据输出显示，同时将电信号反馈回输入端的量程选择器，以进一步确定量程；返回零位电压补偿电路，以校正零位电压。以上所述，为一个完整的力测量过程。
52.以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。