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一种磁精确约束式磁聚焦 扭矩 传感器及扭矩计算方法

阅读：197发布：2020-05-12

专利汇可以提供一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器及扭矩计算方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本发明提出了一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器及扭矩计算方法，属于传感器技术领域，解决了现有磁聚焦传感器结构复杂、扭矩计算方式复杂，磁场难以聚焦成设定形状的问题。它包括旋转轴和采集机构，所述旋转轴的两端分别为轴输入端和轴输出端，所述采集机构分别设置在轴输入端和轴输出端处，所述采集机构包括接收机构、转子电路板、激励线圈、导磁体和罩壳，所述接收机构印制在转子柔性电路板上，所述接收机构为双层板结构，所述激励线圈为矩形弯曲状，所述激励线圈印制在定子柔性电路板上，所述罩壳上设置有固定架和把手，所述固定架内设置有导磁体，所述导磁体位于激励线圈和旋转轴之间。它主要用于基于磁聚焦原理的传感器及扭矩计算方法。，下面是一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器及扭矩计算方法专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：它包括旋转轴(1)和采集机构，所述旋转轴(1)的两端分别为轴输入端(2)和轴输出端(3)，所述采集机构分别设置在轴输入端(2)和轴输出端(3)处，所述采集机构包括接收机构(4)、转子电路板(5)、激励线圈(6)、导磁体(7)和罩壳(8)，所述接收机构(4)印制在转子柔性电路板上，所述转子柔性电路板上印制有信号处理电路，所述接收机构(4)为双层板结构，双层板结构上分别设置接收线圈A和接收线圈B，所述接收线圈A和接收线圈B均为多个矩形首尾尾相连的结构，接收线圈A和接收线圈B之间错位一个矩形，所述接收机构(4)和转子电路板(5)贴附于轴输入端(2)和轴输出端(3)上，随旋转轴(1)一同转动；所述激励线圈(6)为矩形弯曲状，所述激励线圈(6)印制在定子柔性电路板上，每层定子柔性电路板印制一个激励线圈(7)，若干层的定子柔性电路板层层叠加，形成倒金字塔式排列，所述定子柔性电路板固定于罩壳(8)内，所述罩壳(8)上设置有固定架(9)和把手(10)，所述固定架(9)内设置有导磁体(7)，所述导磁体(7)位于激励线圈(6)和旋转轴(1)之间，所述激励线圈(6)呈向导磁体(7)弯曲状，所述把手(10)内设置有定子处理电路。
2.根据权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：所述导磁体(7)底端形状和面积与接收线圈A和接收线圈B中的矩形一致。
3.根据权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：所述导磁体(7)底端形状为圆形、矩形或椭圆形。
4.根据权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：所述定子处理电路包括震荡电路和无线供电发射电路。
5.根据权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：所述激励线圈(6)上施加10MHz的正弦电压。
6.根据权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：所述信号处理电路包括信号采集模块、信号处理模块、无线供电模块和无线传输模块。
7.根据权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：所述把手(10)上设置有固定孔(13)，所述固定孔(13)内设置有螺丝，通过螺丝固定定子柔性电路板和定子处理电路。
8.根据权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，其特征在于：所述把手(10)上设有开孔，用于引出导线。
9.一种使用如权利要求1所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器的扭矩计算方法，其特征在于：它包括以下步骤：
步骤一：向激励线圈(6)施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈(6)的空间分布，通过导磁体(7)的引导，使磁场聚焦于旋转轴(1)上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收机构(4)矩形内部；
步骤二：随着旋转轴(1)的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收机构(4)矩形内部时，由于接收机构(4)内部的磁通量改变，接收机构(4)上产生感应电压，感应电压的大小与导磁体(7)底端和接收机构(4)的耦合面积有关；
步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收机构(4)的磁通量变化为0，接收机构(4)的感应电压为零；
步骤四：接收机构(4)中接收线圈A和接收线圈B均为多个矩形收尾相连的结构，根据公式：
式中：B是磁感应强度，S是矩形的面积，U是接收机构(4)的感应电压，t是时间，φ是磁通量，由公式可知，磁感应强度一定的情况下，一定时间内，感应电压与矩形的面积成正比，矩形的面积的变化，导致接收线圈感应电压的变化；
步骤五：旋转轴(1)的转动会产生形变角，轴输入端(2)和轴输出端(3)各设置一个接收机构(4)；
步骤六：旋转轴(1)静止时，轴输入端(2)和轴输出端(3)的接收机构(4)采集到的信号为0，旋转轴(1)转动时，轴输入端(2)和轴输出端(3)的接收机构(4)同时产生信号，接收线圈A或接收线圈B产生的信号做差，即为旋转轴(1)的扭转角θ；
步骤七：根据下列公式计算扭矩，
式中：θ—旋转轴的扭转角；T—负载扭矩；L—扭杆有效长度；G—扭杆材料剪切模量；
Ip—扭杆截面极惯性矩；
步骤八：当接收线圈A采集到感应电压，而接收线圈B无电压，则旋转轴(1)正向旋转；当接收线圈B采集到感应电压，而接收线圈A无电压，则旋转轴(1)反向旋转。

说明书全文

一种磁精确约束式磁聚焦扭矩 传感器及扭矩计算方法

技术领域

[0001] 本发明属于传感器技术领域，特别是涉及一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器及扭矩计算方法。

背景技术

[0002] 传感器是一种检测装置，能感受到被测量的信息，并能将感受到的信息，按一定规律变换成为电信号或其他所需形式的信息输出，以满足信息的传输、处理、储存、显示、记录和控制等要求。磁聚焦技术凭借抗干扰能力强、信号强度大、无漏磁、能量传输效率高等优点，在生物电磁学、地质勘测领域发展迅速。

[0003] 现有基于磁聚焦原理的传感器磁场是发散的，需要对磁场进行约束，才能得到更好的聚焦效果，测量精度更高。磁聚焦的磁场聚焦效果较差，且现有技术较难达到所期望的聚焦形状，需对磁场精确约束。已有的非接触式测量转速的传感器都是根据涡流原理，涡流是非线性的，须通过复杂的结构设计，才能提取出线性信号。且传感器内部空间存在激励线圈的交变磁场和转子的涡流场，需设计复杂的解耦结构。现有的传感器的扭矩算法较复杂，且信号的传输经线束传输。

发明内容

[0004] 本发明为了解决现有技术中的问题，提出一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器及扭矩计算方法。

[0005] 为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，它包括旋转轴和采集机构，所述旋转轴的两端分别为轴输入端和轴输出端，所述采集机构分别设置在轴输入端和轴输出端处，所述采集机构包括接收机构、转子电路板、激励线圈、导磁体和罩壳，所述接收机构印制在转子柔性电路板上，所述转子柔性电路板上印制有信号处理电路，所述接收机构为双层板结构，双层板结构上分别设置接收线圈A和接收线圈B，所述接收线圈A和接收线圈B均为多个矩形首尾尾相连的结构，接收线圈A和接收线圈B之间错位一个矩形，所述接收机构和转子电路板贴附于轴输入端和轴输出端上，随旋转轴一同转动；所述激励线圈为矩形弯曲状，所述激励线圈印制在定子柔性电路板上，每层定子柔性电路板印制一个激励线圈，若干层的定子柔性电路板层层叠加，形成倒金字塔式排列，所述定子柔性电路板固定于罩壳内，所述罩壳上设置有固定架和把手，所述固定架内设置有导磁体，所述导磁体位于激励线圈和旋转轴之间，所述激励线圈呈向导磁体弯曲状，所述把手内设置有定子处理电路。

[0006] 更进一步的，所述导磁体底端形状和面积与接收线圈A和接收线圈B中的矩形一致。

[0007] 更进一步的，所述导磁体底端形状为圆形、矩形或椭圆形。

[0008] 更进一步的，所述定子处理电路包括震荡电路和无线供电发射电路。

[0009] 更进一步的，所述激励线圈上施加10MHz的正弦电压。

[0010] 更进一步的，所述信号处理电路包括信号采集模块、信号处理模块、无线供电模块和无线传输模块。

[0011] 更进一步的，所述把手上设置有固定孔，所述固定孔内设置有螺丝，通过螺丝固定定子柔性电路板和定子处理电路。

[0012] 更进一步的，所述把手上设有开孔，用于引出导线。

[0013] 本发明还提供了一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器的扭矩计算方法，它包括以下步骤：

[0014] 步骤一：向激励线圈施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈的空间分布，通过导磁体的引导，使磁场聚焦于旋转轴上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收机构矩形内部；

[0015] 步骤二：随着旋转轴的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收机构矩形内部时，由于接收机构内部的磁通量改变，接收机构上产生感应电压，感应电压的大小与导磁体底端和接收机构的耦合面积有关；

[0016] 步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收机构的磁通量变化为0，接收机构的感应电压为零；

[0017] 步骤四：接收机构中接收线圈A和接收线圈B均为多个矩形收尾相连的结构，根据公式：

[0018]

[0019] 式中：B是磁感应强度，S是矩形的面积，U是接收机构的感应电压，t是时间，φ是磁通量，由公式可知，磁感应强度一定的情况下，一定时间内，感应电压与矩形的面积成正比，矩形的面积的变化，导致接收线圈感应电压的变化；

[0020] 步骤五：旋转轴的转动会产生形变角，轴输入端和轴输出端各设置一个接收机构；

[0021] 步骤六：旋转轴静止时，轴输入端和轴输出端的接收机构采集到的信号为0，旋转轴转动时，轴输入端和轴输出端的接收机构同时产生信号，接收线圈A或接收线圈B产生的信号做差，即为旋转轴的扭转角θ；

[0022] 步骤七：根据下列公式计算扭矩，

[0023]

[0024] θ—旋转轴的扭转角；T—负载扭矩；L—扭杆有效长度；G—扭杆材料剪切模量；Ip—扭杆截面极惯性矩。

[0025] 步骤八：当接收线圈A采集到感应电压，而接收线圈B无电压，则旋转轴正向旋转；当接收线圈B采集到感应电压，而接收线圈A无电压，则旋转轴反向旋转。

[0026] 与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明解决了现有磁聚焦传感器结构复杂、扭矩计算方式复杂，磁场难以聚焦成设定形状的问题。扭矩算法简单，信号经无线传输，无需解耦结构。本发明的传感器内部只存在激励线圈的交变磁场，无需解构。且磁场聚焦于一点，信号变化为线性，算法简单，精度高。另外，还可以在激励线圈上设置反馈装置，即采集激励电压的幅值和频率，与所设计的目标磁场比较，从而进行调节。附图说明

[0027] 图1为本发明所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器爆炸图；

[0028] 图2为本发明所述的激励线圈与导磁体安装位置图；

[0029] 图3为本发明所述的罩壳结构示意图；

[0030] 图4为本发明所述的接收线圈A或接收线圈B的结构示意图；

[0031] 图5为本发明所述的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器结构示意图；

[0032] 图6为本发明所述的接收机构采集信号图。

[0033] 1-旋转轴，2-轴输入端，3-轴输出端，4-接收机构，5-转子电路板，6-激励线圈，7-导磁体，8-罩壳，9-固定架，10-把手，11-定子处理电路固定面，12-激励线圈贴附面，13-固定孔。

具体实施方式

[0034] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地阐述。

[0035] 参见图1-6说明本实施方式，一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器，它包括旋转轴1和采集机构，所述旋转轴1的两端分别为轴输入端2和轴输出端3，所述采集机构分别设置在轴输入端2和轴输出端3处，所述采集机构包括接收机构4、转子电路板5、激励线圈6、导磁体7和罩壳8，所述接收机构4印制在转子柔性电路板上，所述转子柔性电路板上印制有信号处理电路，所述接收机构4为双层板结构，双层板结构上分别设置接收线圈A和接收线圈B，所述接收线圈A和接收线圈B均为多个矩形首尾尾相连的结构，接收线圈A和接收线圈B之间错位一个矩形，所述接收机构4和转子电路板5贴附于轴输入端2和轴输出端3上，随旋转轴1一同转动；所述激励线圈6为矩形弯曲状，所述激励线圈6印制在定子柔性电路板上，每层定子柔性电路板印制一个激励线圈7，若干层的定子柔性电路板层层叠加，形成倒金字塔式排列，所述定子柔性电路板固定于罩壳8内，所述罩壳8上设置有固定架9和把手10，所述固定架9内设置有导磁体7，所述导磁体7位于激励线圈6和旋转轴1之间，所述激励线圈6呈向导磁体7弯曲状，所述把手10内设置有定子处理电路。

[0036] 在距离旋转轴1上方布置若干弯曲的矩形激励线圈6，每个激励线圈6施加10MHz的高频正弦电流，每个激励线圈6的电流幅值根据其位置来定。激励线圈6与旋转轴1之间放置磁导率大的导磁体7，导磁体7的底端可根据设计任意更改形状，如圆形，矩形，椭圆等。激励线圈6呈向导磁体7弯曲状，可使磁力线更多的进入导磁体7。经过导磁体7的引导，磁力线会在旋转轴1附近汇集，聚焦成一个磁斑，此处为磁场聚集处，且是旋转轴1表面的磁场最大处。本实施例中导磁体7的底端形状为矩形，形状和面积与接收机构4的矩形一致。导磁体7的底端形状可根据接收机构4的形状进行更改。

[0037] 采用矩形弯曲的激励线圈6，矩形线圈层层叠加，呈金字塔式排列，具体形式如图2所示。激励线圈6安装方式为：激励线圈6印制在定子柔性电路板上，每层印制一个激励线圈6，若干层的柔性电路板层层叠加，形成金字塔式排列。定子柔性电路板固定于罩壳8的激励线圈贴附面12，如图3所示。定子处理电路放置于罩壳8的把手10内部，如图3所示，定子处理电路包括震荡电路和无线供电发射电路。罩壳8、激励线圈6和定子处理电路共同组成传感器的定子。导磁体的形状和位置如图2所示。其固定方式如图3所示，置于导磁体固定架9上。

[0038] 接收线圈A和接收线圈B均为首尾相连的矩形，如图4所示，接收机构4采用转子柔性电路板印制，且信号处理电路也印制在转子柔性电路板上。接收机构4为双层板结构，每层一个接收线圈，共两个接收线圈组成，两个接收线圈之间错位一个矩形。当磁斑位移接收线圈A时，接收线圈A有电压，接收线圈B无电压，反之亦如此。信号处理电路中包括信号采集模块、信号处理模块、无线供电模块和无线传输模块。转子柔性电路板贴附于旋转轴1上，随旋转轴1一起转动，如图4所示。

[0039] 安装时，将罩壳8固定，将含有激励线圈6的定子柔性电路板固定于罩壳8内部，定子处理电路位于把手10内部，把手上10设有开孔，用于引出导线。所述把手10上设置有固定孔13，所述固定孔13内设置有螺丝，通过螺丝固定定子柔性电路板和定子处理电路。接收机构4和转子处理电路直接粘贴于轴的输入端和输出端表面。

[0040] 本实施例为使用磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器的扭矩计算方法，它包括以下步骤：

[0041] 步骤一：向激励线圈6施加交流电流，空间内产生交变磁场，根据激励线圈6的空间分布，通过导磁体7的引导，使磁场聚焦于旋转轴1上一点，该点为磁聚焦点，所述磁聚焦点位于接收机构4矩形内部；

[0042] 步骤二：随着旋转轴1的转动，所述磁聚焦点的轨迹是圆，磁聚焦点在接收机构4矩形内部时，由于接收机构4内部的磁通量改变，接收机构4上产生感应电压，感应电压的大小与导磁体7底端和接收机构4的耦合面积有关；

[0043] 步骤三：当磁聚焦点位于两个矩形之间时，接收机构4的磁通量变化为0，接收机构4的感应电压为零；

[0044] 步骤四：接收机构4中接收线圈A和接收线圈B均为多个矩形收尾相连的结构，根据公式：

[0045]

[0046] 式中：B是磁感应强度，S是矩形的面积，U是接收机构4的感应电压，t是时间，φ是磁通量，由公式可知，磁感应强度一定的情况下，一定时间内，感应电压与矩形的面积成正比，矩形的面积的变化，导致接收线圈感应电压的变化，此过程如图6所示；

[0047] 步骤五：旋转轴1的转动会产生形变角，轴输入端2和轴输出端3各设置一个接收机构4；

[0048] 步骤六：旋转轴1静止时，轴输入端2和轴输出端3的接收机构4采集到的信号为0，如图6所示，旋转轴1转动时，轴输入端2和轴输出端3的接收机构4同时产生信号，接收线圈A或接收线圈B产生的信号做差，即为旋转轴1的扭转角θ；

[0049] 步骤七：根据下列公式计算扭矩，

[0050]

[0051] θ—旋转轴的扭转角；T—负载扭矩；L—扭杆有效长度；G—扭杆材料剪切模量；Ip—扭杆截面极惯性矩。

[0052] 步骤八：当接收线圈A采集到感应电压，而接收线圈B无电压，则旋转轴1正向旋转；当接收线圈B采集到感应电压，而接收线圈A无电压，则旋转轴1反向旋转。

[0053] 上述实施例可在激励线圈6上设置反馈装置，采集激励电压的幅值和频率，与所设计的目标磁场比较，从而进行调节。

[0054] 以上对本发明所提供的一种磁精确约束式磁聚焦扭矩传感器及扭矩计算方法，进行了详细介绍，本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

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