Galfenol合金扭矩传感器优化设计与实验.pdf

第 卷 第 期 年 月南昌工程学院学报 收稿日期：基金项目：江西省教育厅科学技术研究项目（，）；江西省精密驱动与控制重点实验室项目（）作者简介：林永顺（），硕士生，通信作者：曹清华（），博士，副教授，文章编号：（）合金扭矩传感器优化设计与实验林永顺，曹清华，臧金明，杨炯睿，吴南南，周治峰，李雯（南昌工程学院 江西省精密驱动与控制重点实验室，江西 南昌 ；中国移动通信集团安徽有限公司蚌埠分公司，安徽 蚌埠 ；南昌工程学院 电气工程学院，江西 南昌 ）摘要：结合逆磁致伸缩效应，设计了一种 合金贴片接触式扭矩传感器，对贴片的厚度、栅条宽度等参数进行了仿真优化，根据仿真结果搭建了实验平台。仿真与实验结果表明：该传感器在加载情况下，灵敏度为 ，最大误差为 ；在卸载情况下，其灵敏度为 ，最大误差为 。研究结果表明，该传感器在中小范围扭矩测量的精度与灵敏度较高、适应性能好，可为扭矩传感器研究提供参考和借鉴。关键词：合金；扭矩传感器；优化设计；实验中图分类号：文献标志码：，（，；，；，）：，；，：；传动系统在机械系统中占有重要地位，扭矩测量对旋转机械传动系统的动态研究起着关键作用。随着科学技术的进步，扭矩传感器越来越多地应用于汽车、船舶、航空、电机、医疗等行业 。扭矩测量的方法多种多样，目前主要有贴片电阻应变式、电磁式、光电式、磁弹式等 。余鑫宇 提出了一种基于非本征法布里珀罗干涉（，）技术的扭矩测量方法，通过测量光纤 腔长变化量间接测量两截面之间的径向位移，进而得到扭矩，该测量方法的实验表明传感器具有动态范围大、测量精度高和实时快速的优势。逄金鑫 设计了一种基于转角差法的扭矩传感器，其方法的实验表明该传感器测得的扭矩信号具有良好的线性度，可以进一步从机械和测量装置进行改善，提高传感器的分辨率。蒲明辉 在传统十字梁结构基础上应用铁木辛柯梁理论，通过测量垂直极板电容器的电容变化，分析影响传感器灵敏度和串扰误差的主要参数，提出弹性梁采用十字型双直梁的方案；实验表明可通过增加弹性梁长度、减小弹性梁截面积来降低截面惯性矩，增加传感器灵敏度；同时该传感器抗串扰能力强、灵敏度高。郭彦青 设计的扭矩传感器，其径向圆盘装置绕中心轴线发生相对转动，导致旋转的磁环产生交变磁场，通过霍尔传感器在空间磁场中的霍尔效应输出周期性电压信号，通过扭矩与输出信号之间的对应关系对扭矩进行测量。早在 世纪中期，国外研究人员就已经利用磁致伸缩材料设计扭矩传感器 。早期磁致伸缩扭矩传感器对旋转轴本身的压磁特性进行测量 。年，为了解决外界磁场对于测量信号的干扰，设计一种可以抑制外界磁干扰的扭矩传感器，有效屏蔽了周围磁场对测量的影响。年，等开发一种新型磁致伸缩环型扭矩传感器，该传感器使用一种新的检测方案来检测差分磁场，通过检测不锈钢轴上的 磁致伸缩环的漏磁场测量轴的扭矩，测得的灵敏度为 。年，日本研究人员 利用轴周围的 环发明一种智能扭矩传感器，利用差分霍尔探头传感器对 环的漏磁进行实验测量。国内对于磁致伸缩扭矩传感器的设计研究要晚于国外。年上海科学研究所率先利用磁阻变送器研制了一种压磁式扭矩传感器。该传感器利用轴与变送器之间的气隙发生改变，磁导率也相应变化，随之电动势相位差发生变化，通过测量电动势相位差即可测出扭矩的大小 。年，王岐山 设计一种非接触差动环形扭矩传感器，输出功率较大，结构简单，方便安装和拆卸。年，石延平 等基于三磁极结构设计了一种差动式扭矩传感器，它由两个感应磁极和一个励磁磁极组成。由于感应磁极上反接的检测线圈，可以实现差动检测的效果。年陈绍鹏 等为了实现免摩擦接触，以铁纳米晶合金作为驱动材料设计了一种环绕型结构的逆磁致伸缩扭矩传感器。扭矩传感器具有高可靠性、动态条件下精确测量的特点，在工业机器人扭矩测量方面具有广泛的市场价值和应用潜力。扭矩传感器的实验研究对传感器性能的确定起着重要的作用，为传感器的性能优化给出改进方法。本文设计了一种 合金扭矩传感器，利用有限元仿真软件对 合金贴片的厚度和栅条宽度进行优化，并根据仿真结果制作试验样机，进行扭矩传感器输出实验，获得输出特性数据。扭矩测量原理基于 合金的扭矩测量方法以逆磁致伸缩效应为基础。如图 所示，将磁致伸缩材料置于外部磁场中，形成恒定的磁回路，材料自身磁化强度发生一定程度的改变，霍尔元件在未受外力时测得其磁化强度大小；在受到外部扭矩作用后，磁致伸缩薄片内部磁化强度发生改变，磁路中的磁通量随之变化，因而在霍尔元件两侧产生电势差，通过电势差计算扭矩大小。线圈；磁致伸缩薄片；磁轭；霍尔元件图 扭矩传感器结构示意图减小贴片宽度、长度、厚度，均可以降低刚度，为了减小 贴片的刚度，本文采用改变贴片自身结构的方法，以消除敏感元件材料属性的影响，将 贴片设计成敏感栅结构，优于整片受力的结构，更易发生形变，使磁畴在同等应力下更容易发生偏转，使材料磁化强度更强，提升磁致伸缩扭矩传感器整体的灵敏度 。扭矩传感器理论模型 力学模型建立坐标系来表示所施加的扭矩和所受应力的方向，图 为截面受力分析。图 截面受力分析 是关于 和扭转角的微分：，（）依据胡克剪切定律可知，轴所受剪切应力大小小于轴材料本身的剪切比例极限时，轴任一横截面受到的剪切应力大小正比于与截面的剪切应变值。之后通过对截面上的基本弯矩进行积分，可以平衡截面的内转矩，并导出最大剪力项，如式（）：（），（）（），（）为转轴的极转动惯量：，（）南昌工程学院学报 年简化后可得扭矩 ：，（）式中剪切应力为 ，（），（）剪切应力 的大小与单元横截面的 成正比，且当 等于轴径 时，最大剪切应 发生在轴的表面。对贴片受力进行分析，旋转轴上的磁致伸缩片整体应变表示为（），（）式中 是扭转应力传递到片上的应力；为自身的杨氏模量；为饱和磁致伸缩系数；为磁矩方向与磁致伸缩贴片纵向夹角。结合机磁耦合得到轴传递到片上的剪切应力大小表达式为 ，（）式中 为传动轴受到的扭矩应力大小；为扭转截面系数。扭矩传感器电压输出特性输出模型由 在外磁场作用下的应变 、应力 、磁场强度 及磁感应强度 确立，敏感材料贴片的磁感应强度 由磁致伸缩材料线性本构方程推导，联立式（）和式（）得：（）（），（）式中 为材料所受剪切应力；为机磁耦合系数；为磁场强度大小；为材料柔顺系数；为相对磁导率。扭矩传感器依靠霍尔元件进行电信号的采集，完成磁场到电压的转换过程，霍尔元件的输出电压表达式为，（）代入式（）可得扭矩传感器的输出特性模型 为（）（），（）为霍尔元件输出的电压大小，为霍尔系数。贴片结构优化设计敏感元件的结构是影响磁致伸缩扭矩传感器的测量精度的关键参数，磁轭顶端的厚度对磁通量的传递效果也有影响，偏置线圈长度影响偏置磁场大小，在不改变线径的情况下对缠绕在磁轭上的激励线圈进行仿真设计，决定线圈整体长度。对 贴片整体结构进行尺寸优化，待优化尺寸如图 所示，为栅长，为栅条宽度，为贴片厚度，其初步设计值分别为 、，在不改变 贴片整体尺寸长度的情况下，主要对其栅条宽度和贴片厚度进行优化。图 待优化结构示意图结合贴片宽度及栅条分割个数，避免栅条过宽降低贴片应变程度，栅条过细导致贴片受力过程中发生断裂，选择合适的栅条宽度；同时考虑到加工难度及合理性，在不改变栅丝长度和磁轭尺寸的情况下，对贴片进行载荷情况下的的特性分析，确定贴片的自身的磁通分布情况。在贴片厚度为 、和 时贴片磁通密度分布云图，如图 所示。图 厚度磁通密度分布云图第 期林永顺，等：合金扭矩传感器优化设计与实验图 厚度磁通密度分布云图图 厚度磁通密度分布云图在贴片厚度为 时，栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 ；栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 ；栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 。在贴片厚度为 时，栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 ；栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 ；栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 。在贴片厚度为 时，栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 ；栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 ；栅条间距为 的栅匝开口处的平均磁通密度为 。对 种不同栅条宽度的 片进行磁通密度分布仿真分析，可得表 。表 磁通仿真结果贴片厚度栅条宽度 根据表 ，的 贴片厚度在霍尔开口处的整体磁通密度小于 和 厚度的贴片，整体刚度也大于其余两种厚度的 片。根据仿真数据进行对比，选用厚 ，栅条宽度为 的铁镓片进行输出特性实验。优化前后剪切应力分析如图 所示，优化前的单个栅条应力变化幅度较大，波动性较强。优化后栅条应力波动要小于优化前，因此优化后的贴片在承受扭矩时剪切应力传递更加平滑。图 剪切应力分析图将优化后的传感器结构进行输出特性仿真实验，施加 至 的扭矩应力，激励线圈中通入 、的电流，将优化前后输出电压进行对比，图 为输出电压曲线图。根据图 优化前后电压曲线对比，可得优化后的灵敏度大于优化前的灵敏度。对比优化前后所得的最大输出电压差值，在 时为 ，南昌工程学院学报 年图 输出电压曲线图 时为 ，时为 ，为了保证测量效果，且控制磁化强度维持在饱和范围之内，选取 作为激励电流。扭矩传感器特性分析实验 实验样机制作及测试平台搭建图 为试验样机及装夹示意图，先将 薄片弯曲粘接到铝轴基底上，再将磁轭粘接在贴片上，最后将霍尔元件放置在磁轭支撑端的开口处，扭矩传感器的样机与仿真所得尺寸结构基本一致。为了得到磁致伸缩扭矩传感器的线性度、重复性和迟滞性等特性数据，分析测量其灵敏度和精度大小，因此需要扭矩试验机提供扭力作用。扭矩提供装置为科达转矩试验机，其提供最大实验扭矩值为 ，扭矩示值相对误差为 。采用稳压直流电源提供直流电给激励线圈供电，并调节电流输出大小，让线圈提供不同数值的恒定偏置磁场。由于霍尔元件的工作电压为 ，需要电源变压器来进行降压输入，因此外接一个 转 的变压器，输出电压信号由示波器进行采集，将霍尔元件输出端与示波器输入口相连输出测量结果。图 扭矩传感器实验样机及装夹示意图 扭矩传感器重复性实验对转轴施加不同大小的扭矩，用示波器记录输出电压数据。利用扭矩试验机缓慢加载扭矩，再以同样的速度卸载扭矩，记录电压数据，重复 次并将数据进行汇总制作重复性电压拟合曲线。卸载时重复性输出电压拟合曲线如图 所示。根据表达式（）计算重复性误差：，（）式中 为重复性误差 在相同工作条件下输出信号最大差值，为最大量程输出值。将图 数据代入计算可得，加载扭矩时，最大重复性误差为 ，卸载扭矩时最大重复性误差为 。扭矩传感器在持续加载或持续卸载的情况下，所输出电压的偏离程度用迟滞性误差来表示。其表达式如下：，（）式中 为迟滞性误差，为相同扭矩应力下输出电压的最大差值，为最大量程输出值。可得最大第 期林永顺，等：合金扭矩传感器优化设计与实验迟滞误差为 。图 重复性输出电压拟合曲线图 扭矩传感器线性度与量程取重复性实验中第三组数据对传感器的线性度进行分析，将扭矩值与输出电压的曲线绘制出来，得到图 。从拟合图看出输入的扭矩值与输出的电压值保持一种接近线性的关系。图 线性度拟合曲线图利用最小二乘法对拟合曲线进行表达，可得：加载时，（）卸载时，（）利用拟合优度 对拟合曲线的拟合程度进行判断，加载扭矩所得的拟合方程的拟合优度为 ，卸载扭矩所得的拟合方程的拟合优度为 ，两者的拟合优度都接近 ，说明该曲线的拟合程度较好。因此，可以以拟合曲线的斜率作为传感器的灵敏度，可得加载情况下，灵敏度为 ，卸载情况下，灵敏度为 。将电压数据代入式（），可得非线性误差：，（）式中，为非线性误差，为实际测量曲线与拟合直线的最大差值，为最大量程输出值。可得非线性误差为 ，说明输出电压值与输入扭矩值之间的线性关系较好，该扭矩传感器的测量结构是合理的。扭矩传感器精度与灵敏度传感器的精度作为传感器静态参数，是对传感器静态输出能力的综合衡量标准，本文用最大误差表征精度，根据式（）计算传感器的最大误差：槡，（）式中，为重复性误差；为迟滞性误差；为非线性误差。带入上文所得数据，计算得传感器加载时最大误差为 ，卸载时最大误差为 。根据图 曲线可得，输入扭矩值在 到 范围内时，测试的线性关系保持良好，大于 后，输