本发明涉及转矩传感器，更详细地说，涉及一种非接触式磁致弹性转矩传感器，供测量施加到转轴上的转矩之用。

在控制具有驱动轴的系统时，转矩通常被公认为应予考虑的基本参数。因此，以精确可靠而花费不多的方式传感和测量转矩成了近几十年来工人们的首要目标。尽管在这方面取得了很大的进展，目前仍然迫切需要这样一些廉价的无论在如何恶劣的环境中也能长时间连续测量转矩的转矩传感器。

所有的磁致弹性转矩传感器都具有两个共同的零件：（1）承受转矩的元件，它必须是既具有铁磁性又具有磁致伸缩性，前者是为了确保磁畴的存在，后者则为了利用与所施加的转矩有关的应力使各磁畴中的磁化的取向改变;（2）传感磁畴排列方向偏离不受扭转的分布范围的情况用的装置，这通常是（但也不一定是）电磁装置。现有或过去提出的各种磁致弹性转矩传感器，它们的区别即在于这些共同零件的细节变化。

众所周知，磁性材料的磁导率发生变化是应力作用的结果。当扭应力作用于磁致伸缩材料制成的圆柱形转轴时，轴中的各组成部分都受剪应力的作用。此剪应力可用一拉伸应力和一相等的垂直压缩应力表示，各应力的大小与转轴轴线和转轴该组成部分之间的距离成正比。最大拉力和压缩力的方向是沿着绕转轴轴线45°左旋螺旋线的切线和45°右旋螺旋线的切线。转矩的作用是在平行于其中一条螺旋线的方向上增加磁导率，同时相应地在平行于另一条螺旋线的方向上减少磁导率。贝斯和米克斯（Beth    amd    Meeks）在他们刊登在一九五四年六月第25卷第六期的 《科学仪器评论》（The    Review    of    Sientific    Instruments）上题为“转轴转矩的磁测法”（“Magnetie    Measurements    of    Torgue    in    a    Rotating    Shaft”）的一篇文章中建议，为了应用磁导率的变化作为所施加的转矩的量度，人们应沿主应力的方向监测磁导率，并使磁力线通过轴表面附近。这是因为轴的各组成部分离轴的轴线越远，应力就越大，而且只有在主应力的方向上，最大磁导率才可能发生变化。为达到这个目的，贝斯和米克斯用装有用以在转轴上产生交变磁通的励磁线圈且在各若干分支上装有耦合线圈的磁轭检测在或靠近转轴主应力方向磁通路径中施加的转矩所引起的磁导率的变化。当轴受到转矩的作用时，转矩所产生的机械应力分解成相互垂直的压缩应力和拉伸应力，这促使轴中的磁导率在一个应力的方向上增加，在另一个应力的方向上减少，结果使耦合或测量线圈中的感应电压增加或减少。感应电压的差值与施加到转轴上的扭应力成正比。达勒（Dahle）在美国专利No.3，011，340中也采用了类似的方法。这类仪器的主要缺陷在于需要在主应力方向上传感磁导率，从而伴随有这样一些缺点，如它对偏离转轴的径向距离灵敏度，转轴圆周周围的磁性不均匀和与轴转速具有不可补偿的依赖关系等等。因此这类仪器历来只适用于直径较大的轴上（即6英寸及以上的轴），而不适用于应用面极广的较小的轴上。

过去有些人认为，象贝斯和米克斯以及达勒在美国专利No.3，011，340所认识到的那些装置（那些装置的转轴本身起传感器磁性元件的作用）在实际应用中具有显著的缺点。这是因为，赋予所需使用领域的转轴以所希望的机械性能可能采用的材料和冶金加工在多数情况下对磁致弹性转矩传感器所要求的磁性能来说不会是最理想的，或甚至是人们所不希望有的。轴在制造过程中因内应力和/或不同晶向区造成的无规则各向异性会使轴的磁导率局部发生变化，从而使所传感到的电压与所施加的转矩之间所希望的相互关系发生畸变。根据美国专利No. 3，340，729史戈普（Scoppe）的解决的办法，是借助于焊接之类的方法往承受负载的轴上刚性固定一个磁性轴套，从而将与扭转性载荷成正比的扭应变传递给轴套。这时所采用的测量装置传感的是转动轴套上的而不是转动轴上的磁导率的变化。按照史戈普的看法，这一下轴就可选用使其机械和强度性能达到最佳的材料，而轴套就可选用使其磁性能达到最佳的不同材料。如同现有技术的装置，史戈普的转矩计采用一个原绕组来产生磁通，和两个副绕组，一个沿拉伸的方向，另一个沿压缩的方向。采用刚性固定的轴套虽然起码解决了达勒提出的某些材料问题，但却产生了另外一些同样错综复杂的问题。举例说，轴套的制作和固定就是个难题，即使采用焊接加以固定（这解决了结合强度问题），也仍然存在这样一个极其重大的问题：钢轴的热膨胀系数与任何选用的轴套磁性材料的相应系数不同（在某些情况下大50%之多）。在焊接之类的高温固定过程之后进行冷却会在磁性材料中产生应力，这些应力以不可控制的形式改变总的磁各向异性。此外，对轴和轴套进行低温退火以除去这些应力也同时将轴所希望有的机械性能退火掉，而且使轴套的磁性能发生变化。再有，史戈普的传感器，由于需要监测磁导率在主应力方向上的变化，也和达勒的装置一样具有这样的缺点：它对自身偏离轴的径向距离变化的灵敏度，绕轴圆周的磁性不均匀，以及对轴的转速的依赖关系。

另一种传感磁致弹性转矩的方法是利用粘接固定到施加有转矩的轴上的两组非晶质磁致弹性元件的有差异的磁响应。这种方法比前一种方法好，它不受转动位置和轴转速的影响。然而它在元件的制备和装设过程中需要特别小心。此外，为使带状元件与承受转矩的机件的形状一致所使用的方法、粘结剂的性能（例如，在固化过程的收缩、膨胀系数、在持续负荷下随时间和温度的蠕变）和非晶质材料本身的功能性性能（例如，一致性、稳定性）等都对传感器的特性有不利的影响。还有另一个值得考虑的问题是粘结剂与传感器工作环境的相容性问题，例如，油、 水或其它溶剂或润滑剂对粘结剂性能的影响等等。

原田（Harada）等人在一九八二年《电气与电子工程师协会会刊-磁学部分》MAG-18第6期第1767至1769页上题为“采用应力敏感的非晶质带的新型转矩传感器”中公开了一种将两个对应力敏感的非晶质环形带胶粘到转轴的轴向间隔的位置上制成的转矩传感器。各带中都产生单一方向的磁致弹性磁各向异性，方法是在第一方向上给轴施加转矩，将第一条带粘合到它上面，解除转矩以便在第一条带中形成弹性扭应力，在相反方向上给轴施加转矩，将第二条带粘合到它上面，然后解除转矩以便在第二条带中形成弹性扭应力。结果是，一条带中的磁各向异性沿着与轴的轴线成+45°角的右旋螺旋线，另一条带的磁各向异性沿着与轴的轴线成-45°角的左旋螺旋方向。围绕着轴装设的交流励磁线圈和传感线圈使传感器成圆形地对称，且使它本身具有免除输出信号因轴的转动而波动的能力。没有转矩存在时，两个带中的磁化会对称响应相等的轴向磁化力，传感线圈会检测出两个带的响应没有什么区别。但施加转矩时，转矩引起的沿主轴线形成的应力各向异性与原先在带中产生的静态各向异性不对称地结合起来，于是两个带对相等的轴向磁化力的响应不同。此差分响应是转矩的函数，而传感线圈和有关线路提供一个与所施加的转矩成正比的输出信号。日本专利说明书58-9034采用了基本相同的方法，将两个非晶质带粘合到一个轴上，然后通过在磁场中在预定的相等而相反的角度进行热处理而使两条带产生对称的磁各向异性。也有人曾经将非晶质带在轴上胶粘成±45°人字形的图形（见一九八四年《国际电气与电子工程师协会会刊-磁学部分》MAG-20，第五期第951-953页佐佐田（Sasada）等人的文章），还有人曾经将含有沿±45°方向的排列的平行狭缝的非晶质带粘合到一个轴上（见一九八四年《国际电气与电子工程师协会会刊-磁学部分》MAG-20，第五期，942-947页毛利（Mohri）的文章）以便在带中产生具一定形状的磁各向异性，而不是因 剩余应力所产生的磁各向异性。美国专利No.4，414，855（岩崎Iwasaki）和美国专利No.4，598，595（弗朗尼斯等人Vranish    et    al）公开了其它有关在磁致弹性转矩传感器中应用粘结方法固定非晶质带的最新进展。

最近，显然在公认采用粘结固定的带子固有的严重缺陷的前提下，有人应用了在适当的掩蔽上喷涂等离子体和电镀金属的方法，参看山崎（Yamasaki）等人在一九八六年《国际电气与电子工程师协会会刊-磁学部分》MAG-22第五期，403-405页题为“采用金属丝爆裂磁致伸缩合金层的转矩传感器》（Torque    Sensors    Using    Wire    Explosion    Magnetostrictive    Alloy    Layers）的文章，佐佐田（Sasada）等人在一九八六年《国际电气与电子工程师协会会刊-磁学部分》MAG-22，第五期，406-408页题为“在轴表面上采用磁头和磁致伸缩层的非接触式转矩传感器-等离子体喷涂工艺的应用”（Noncontact    Torque    Sensors    Usiug    Magntic    Heads    and    Magnetostrictive    Layer    on    the    Shaft    Surface    Application    of    Plasma    Jet    Spraying    Process）。的文章。

上述非晶质带的研究工作并不是对赋有对称螺旋取向磁各向异性，轴向间隔布置的环形带有助于改进转矩传感器这一事实的第一次评价。苏联发明证书No.274，420公开了一种与原田等人的非晶质带传感器类似的磁致弹性转矩测量装置，该装置具有一对套筒，最初通过施以不同方向的转矩使套筒变形从而使其具有反向磁各向异性，然后装进轴上的环形槽中。环形槽的径向深度系选择得使轴套容纳其中，同时使轴套外径与轴的外表面共面。为了传感转矩作用到轴上时轴套中磁导率的变化并产生相应的电信号而采用了适当的电子线路。轴套或轴采用什么材料没有说明，也没有公开变形后的轴套固定到轴上的方法。不管采用那一种技术，粘结法或焊接法，得出的转矩测量装置都将和史戈普的焊接式轴套（美国专利No.3，340，729）或原田的粘结固定带一样，具有同样的缺点。苏联发明证书No.667，836公开了一种磁致弹性转矩传感器，该转矩 传感器的轴上具有两个轴向间隔布置的环形带，轴上多个呈±45°角人字形的沟槽界定着该两个环形带，轴上沿轴向的方向上还配置有环形线圈架，线圈架上装有一对励磁和测量线圈，使得每个线圈架下有一条带。沟槽所产生的具一定形状的各向异性是用如佐佐田等人的人字形非晶质带的方法和毛利的含狭缝非晶质带的方法对轴进行的同一类型磁性预处理，而且具有许多相同的缺点。日本专利No.169，326公开了一种测量铁磁材料制成的转轴转矩的装置。该装置的轴表面有一对在轴向间隔布置的带子，带上形成以±45°对顶角的滚花，各带周围绕有若干线圈，供传感转矩加到轴上时磁通量的变化并产生与所加转矩成正比的电动势之用。该专利没有说明形成滚花的方法，轴的带部分所使用的铁磁材料，也没有说明退火消除应力或赋予机械强度的任何热处理。此外，该专利也没有公开滚花的具体构形或沟槽密度，附图中只提出沟槽系彼此间隔很大一段距离。当然，该专利中也没有说明那些带子在其至少50%的圆周长度上具有至少一个不含无剩余应力的环形区域。此外，鉴于一条带上的滚花“突起”受压缩应力的作用，同时另一条带上的滚花“突起”受到拉伸应力的作用，这一点意味着磁各向异性与其说是由滚花之前的机械加工所产生的任何剩余应力引起的，倒不如说是由轴表面可见的构形变化（即滚花）引起的。因此，该专利看来是说明，由构形变化引起的而不是由产生剩余应力的磁各向异性是造成所传感到的磁导率发生变化的原因。这种认识与用诸如机械加工或光刻蚀法不会给带子带来剩余应力产生的各向异性的方法形成具有彼此间隔较宽的沟槽的滚花的认识完全一致。一个完全或实质上依赖于构形上的变化的转矩测量仪，对于带子中各向异性预处理的可能性太小以致不能提供实用的灵敏度。苏联发明证书No.838，448也公开了一种磁致弹性转矩传感器，该转矩传感器的轴上具有两条间隔布置的环形带，带周围环绕并重叠有环形励磁线圈和环形测量线圈。在这种传感器中，诸带子是通过轴表面上产生滚花而 形成的，滚花的沟槽与轴的轴线成±45度角，因而一个带子的沟槽与另一带子的沟槽正交。滚花系用未予公开的方法仔细形成，这确保各毗邻沟槽之间具有基本上不受应力的表面部分，从而使沟槽的磁异率与沟槽之间的不受应力区的磁导率不同。由于沟槽宽与节距的比值对应于受应力区与不受应力区的比值，且理想的比值可认为是0.3，因此两个带子中都没有有意使其承受的应力超过其周长30%以上的环形区域。一般认为，这个极其微小的应力各向异性预处理小得不能使传感器具有始终如一的灵敏度，这个灵敏度在实惠的工业应用中是用测量线圈及其有关线路的电子信号输出测定出来的。

尽管在原田等人、佐佐田等人、毛利和山崎等人的文章和苏联发明证书中在加有转矩的轴上形成灵敏实用的磁各向异性带方面所表现的努力具有许多缺点，但比起贝斯和米克斯、达勒和史戈普在判明一对在轴向上彼此相隔布置的在螺旋线方向上具有对称各向异性的环形带可在整个环形表面按比例分配轴向磁导率差的早期研究工作是有显著进步的。这比起早先提出的试图沿主应力轴线按比例分配所检测到的螺旋形磁导率差的作法是要简单得多。而且，无论是转速，还是径向偏心度都不会明显地影响以这种方式传感到的磁导率。然而，使将磁致弹性方面极为理想的材料固定到受转矩作用的机件表面上的方法趋于完善所做的这些努力却对制造出来的转矩传感器起了一个不能容许的限制作用。用粘结的方法往轴上固定非晶质带子有许多显著的缺点，例如使带子适应转轴所使用的方法，粘结剂的性能和非晶质材料的功能性能，这些都使这类带子不实用于工业仪器。如史戈普所认识到的，还有最近布洛姆奎斯特等人（Blomkvist）的美国专利No.4，506，554提出的使用刚性固定的轴套的作法，成本高，高温焊接过程中会产生应力，以及/或对其后退火所产生的磁性能和机械性能不定性，因而不适宜应用到实际中去。同样，依靠形状各向异性现象或占优势的不受应力的区域来产生应力各向异性 带来了一些使这种技术不能实用于工业仪器的重大问题。

因此显然，尽管转矩传感器技术取得了许多进展，仍然需要有这样一种磁致弹性转矩传感器，这种传感器既比原先的转矩传感器实惠得多，从而可用于这类转换器以前既不实惠又不能适应环境使用的许多用途中，而且既可适用于大直径的轴又可适用于小直径的轴，不管是静止的轴或是以任何实用转速转动的轴。

根据本发明的一个大的方面，本发明提供这样一种磁致弹性转矩传感器，该传感器用以提供表示施加到某一机件上的转矩的电信号，其中施有转矩的机件的铁磁和磁致伸缩性区域用作传感器磁传感电路的一部分，方法是在所述区域表面配备一对轴向彼此间隔的环形带，该环形带具有由剩余应力产生的分别对称左右旋螺取向的其量较大的磁各向异性，该磁各向异性压倒因机械加工、不均匀性、结晶取向等引起的内应力在机件中所产生的任何无规则各向异性现象，并/或使该无规则各向异性现象变得微不足道或不重要。

在本发明的另一方面，本发明提供这样一种磁致弹性转矩传感器，该传感器用以提供表示施加到某一机件上的转矩的电信号，其中施有转矩的构件的热硬化铁磁、磁致伸缩性区域或刚性固定到或连接到所述施有转矩的机件的热硬化铁磁、磁致伸缩装置用作传感器磁传感电路的一部分，方法是在所述热硬化区域或装置表面装设一对轴向彼此相隔的环形带，该环形带具有由剩余应力产生的分别对称左右旋螺取向的其量较大的磁各向异性，该磁各向异性压倒因机械加工、不均匀性、结晶取向等引起的内应力在构件中产生的任何无规则各向异性现象，并/或使该无规则的各向异性现象变得微不足道或不重要。这里“热硬化”一词是指在大约800℃以上的高温下进行热处理，例如，退火然后淬火，或在渗碳气氛中高温表面硬化然后淬火，使制造机件、机件区域或装置的材料具有所希望有的机械性能，如硬度和强度等。

根据本发明的另一方面，本发明提供这样一种磁致弹性转矩传感器，该传感器用以提供表示施加到某一机件上的转矩的电信号，所述构件具有铁磁和磁致伸缩区域，所述传感器具有一对在轴向上彼此相隔布置界定在所述区域中的环形带，所述带至少在所述机件表面具有分别对称的左右旋螺取向的由剩余应力产生的磁各向异性，各所述带具有至少一个不含无剩余应力区的环形区域（即所述至少一个环形区域在其至少50%周长上受到剩余应力）;往所述带施加周期性时变的（例如交变的）磁场用的装置;传感所述带的磁异率因所述施加的转矩而引起的变化的装置和用以将所述传感到的磁导率变化转换成表示施加到所述机件上的转矩大小的电信号的装置。在一个最佳的方面，铁磁和磁致伸缩区域是由镍马氏体时效钢之类的铁-镍马氏体可硬化钢或热淬硬钢合金制成的，该合金的特征在于其基本上各向同性的磁致伸缩绝对值至少为5ppm，且含有0.05至0.75重量百分比的碳和基本足以将合金的磁致伸缩性提高到至少5ppm绝对值的选自：镍、铬、钴、钛、铝、锰、钼、铜和硼其中一个或多个元素。

根据本发明的另一个方面，本发明设想这样一种磁致弹性转矩传感器，该传感器用以提供表示施加到某一机件上的转矩的电信号，该传感器包括下列装置：

铁磁性磁致伸缩装置，它刚性地固定到、连接到或形成所述施有转矩的机件的一部分表面，用以按施加到所述构件上的转矩改变磁导率;

磁场施加装置，用以往所述铁磁性磁致伸缩装置上施加磁场;

磁导率变化传感装置，用以传感所述施加的转矩所引起的磁导率的变化情况;和

转换装置，用以将所述传感到的磁导率的变化转换成表示加到所述构件上的转矩大小的电信号;

所述铁磁性磁致伸缩装置由铁-镍马氏体可硬化钢（例如镍马氏体 时效钢）或热淬硬钢合金制成，该钢合金的特征在于其基本上具有至少5ppm绝对值的各向同性磁致伸缩性，且含有0.05至0.75重量百分比的碳和足以将合金磁致伸缩性提高到至少5ppm绝对值的选自镍、铬、钴、钛、铝、锰、钼、铜和硼其中一个或多个元素的量。

本发明还有另外一个方面，提供传感施加到具有铁磁性和磁致伸缩性区域的机件的转矩的一种方法，该方法下列步骤：使所述区域内一对在轴向上彼此相隔布置的环形带具有分别对称左右旋螺取向的磁各向异性;往所述带施加周期性时变的（例如交变的）磁场和传感因往所述机件施加转矩而在各带之间产生的磁导率差值，该差值表示所加转矩的大小，这意味着包括下列内容的改进：在所述构件表面形成所述带，和赋予所述带以磁各向异性，方法是逐步在各带中注入剩余应力分布，该剩余应力分布范围相当广泛，致使各带内的至少一个环形区域不含无剩余应力的部位，即所述至少一个环形区域在其周长的至少50%有剩余应力。在本方法的最佳一个方面，所述铁磁性和磁致伸缩性区域是由铁-镍马氏体可硬化钢（例如镍马氏体时效钢）或热淬硬钢合金制成，该合金的特征在于其具有基本上绝对值至少为5ppm的各向同性磁致伸缩性，且含有从0.05至0.75重量百分比的碳和其量足以将合金磁致伸缩性提高到至少5ppm绝对值的选自：镍、铬、钴、钛、铝、锰、钼、铜和硼其中一个或多个元素。

在本发明的又另一个方面，本发明提供一种传感施加到一个具有铁磁性和磁致伸缩性区域的机件上的转矩的方法，该方法包括下列步骤：使所述区域具有螺旋取向的磁各向异性，方法是逐步往所述区域内注入剩余应力分布，该剩余应力分布范围相当广泛，因而足以使所述铁磁性和磁致伸缩性区域内的至少一个环形区域不含无剩余应力部位，即所述至少一个环形区在其50%的周长上受到剩余应力;往所述铁磁性和磁致伸缩性区域与不具有磁性和磁致伸缩性部位内施加周期性时变的（例如 交变的）磁场，和    因往所述机件施加转矩在所述铁磁性和磁致伸缩性区域与所述部位之间产生的磁导率差值，该差值表示机件上所加转矩的大小。在本方法的一个最佳的方面，所述铁磁性磁致伸缩区域是由铁镍马氏体可硬化钢（例如镍马氏体时效钢）或热淬硬的钢合金制成的，该合金的特征在于其具有绝对值至少为5ppm的各向同性的磁致伸缩性，且含有0.05至0.75重量百分比的碳和其量足以将合金磁致伸缩性提高到至少5ppm绝对值选自：镍、铬、钴、钛、铝、锰、钼、铜和硼其中一种或多种元素。

在本发明的又一个方面，本发明提供一种传感施加到一个具有铁磁性磁致伸缩区域的机件的转矩的方法，其中，该铁磁性磁致伸缩区域在赋予螺旋取向的磁各向异性之前是经过热淬硬处理的。

在本发明的再一个方面，本发明提供一种制造用以提供表示施加到某一机件上的转矩的电信号的磁致弹性转矩传感器的方法，该方法包括下列步骤：提供一个具有铁磁性磁致伸缩区域的机件;对所述区域进行热淬硬处理;赋予所述热淬硬过的区域以一对轴向相隔布置，分别具有对称左右螺旋取向由剩余应力产生的磁各向异性的环形带，各所述环形带具有至少一个在其至少50%的周长上不含无剩余应力区的环形区域;提供与所述带有关的励磁装置，用以往所述带施加周期性时变的（例如交变的）磁场;提供与所述带有关的传感装置，用以传感所述带因所述施加的转矩而引起的磁导率的变化;和提供将所述传感到的磁导率的变化转换成表示施加到所述机件上的转矩的大小的电信号的装置。

从参考附图所作下列描述即可更好地理解本发明的内容。附图中：

图1是本发明磁致弹性转矩传感器的透视图;

图2是本发明磁致弹性转矩传感器的剖视图，举例说明了用于本发明的磁性鉴别器的一种形式;

图3是与图2的磁性鉴别器有关的电路图;

图4是本发明磁致弹性转矩传感器的原理示意图，举例说明了另一种形式的磁性鉴别器及其可用于本发明的有关线路;

图5是本发明的一些磁致弹性转矩传感器的输出信号与所加转矩的关系曲线图;

图6是图5的磁致弹性转矩传感器其轴在完全相同的条件下热处理过后输出信号与所加转矩的关系曲线图;

图7是本发明传感器的灵敏度与沿传感器的各带的环形区域的周长的剩余应力负荷的关系曲线图;

图8是用于转矩传感器灵敏度试验的测试件的立视图;

图9和图7一样，是本发明传感器的灵敏度与剩余应力负荷的关系曲线图，其中传感器的带子是用受控的滚花技术赋予剩余应力诱导的磁各向异性。

图10、11和12是按本发明制造出来的磁致弹性转矩传感器的输出信号与所加转矩间的关系曲线。

根据本发明提供的一种磁致弹性转矩传感器包括下列各部分：（1）一承受转矩的机件，至少该机件表面，在适当轴向范围内的至少一整圈环形区域内系具有适当的铁磁性磁致伸缩;（2）两个在该区域内在轴向上特殊的环形带，或在两个这种区域的各有这样一个带，该区域具有分别对称、螺旋取向、剩余应力诱导的磁各向异性，从而使在没有转矩存在时，磁化在一个带中具有左旋螺旋线方向的取向，在另一个带中具有沿轴向对称右旋螺旋线方向的取向;和（3）磁性鉴别器，用以无需接触承受转矩机件检测两个带子响应相同的轴向磁化力的差异。

参看图1即可更好地理解本发明磁致弹性转矩传感器的这些零件。图1中，由铁磁性磁致伸缩材料制成或至少具有一个铁磁性磁致伸缩区域4的圆柱形轴2具有一对轴向彼此间隔布置的环形带6和8，环形带6和8在各易磁化轴10、12的±θ角方向上具有分别对称、螺旋取向的磁 应力各向异性。在距轴2－小段径向距离处有一个磁性鉴别器14。在没有施加转矩时，带6，8中的磁化会对称响应相等的轴向磁化力的作用。由于无论θ取何值，Cosθ总是等于Cos-（θ），因而在此两带内的纵向即轴向磁化分量仍然相等，因此磁性鉴别器检测不出任何差值或检测出零。往轴2上施加转矩时，由此引起的应力各向异性不对称地与有意识地逐步注进各带中的静态各向异性结合起来，于是两个带对相同的轴向磁化力的响应就不一样。由于应力各向异性是转矩方向和大小的函数，因此两个带的不同响应将是转矩的单调函数。各带中所产生的磁各向异性体现在一个带的轴向磁导率增加和另一个带的轴向磁导率下降。转矩的传感就是利用两个带在轴向磁导率上的差值。设计上良好的磁性鉴别器会检测出不同响应的细节特征，并提供模拟转矩的输出信号。

根据本发明，在载有转矩的机件的铁磁性区域内配备有两个在轴向上彼此间隔布置的特殊的环形带。这些带在几何上、空间上、位置上或周边上没有任何限制，只是它们应安置在同直径的机件上，而且要紧靠得使彼此可以承受到同样的转矩。各带系有意识地赋予各个对称、螺旋取向由剩余应力引起的磁各向异性。剩余应力可按许多不同的方式在构件中诱发出来，后面即将详细谈到。但所有的方法都具有这样的共同点，即它们都往机件上施加超过至少其表面区域的弹性极限的应力，因此当在没有外力存在的情况下解除所加的应力时，该机件就不能弹性地恢复到其未受应力时的状态，而是保留下了剩余应力，这一点，众所周知，是会引起磁各向异性的。视施加应力所采用的方法而定，切线方向上的主剩余应力相对于构件轴线的角方向在大于零和小于90°之间的值变化。剩余应力的角方向和合成易磁化轴线的角方向最好在10°-80°，20°-60°则更为理想。

这里所使用的“剩余应力”是指在没有外力情况下的存在于物体中的应力。它们取这样的分布方式，使得作用于物体中各不同区域中净力 和力矩的总和/在整个物体上为零。因此，若物体的任一区域对其余区域施加净力和/或转矩，则其它区域必然存在起补偿作用的净力和/或转矩。要求剩余应力建立自行补偿的分布的后果是，任何经受到拉伸应力的区域的存在意味着感受到压缩应力的联系区域的存在。剩余应力往往按区域的大小和分隔补偿区域的距离划分为短程（SR）和远程（LR）应力。短程应力存在于小自一些原子大至可与如单个晶粒的微型结构的特征比较大小的区域。远程应力存在于小自大于一个晶粒大至整个物体宏观结构特征的尺寸。

本发明对在宏观轴向范围的环形带的大部分具有较一致的磁各向异性的要求可通过有意识地逐步注入适当分布的远程应力而得到满足。在任何一个带子中，在和靠近表面的剩余应力的主分量在整个带上是比较均匀的，且具有螺旋取向性的特点。补偿此表面应力所需的应力最好是离表面，径向朝里，从而对表面进行磁传感时检测不出来。在共同工作的另一带子中逐步注入此相同的分布方式，但螺旋性的旋转方向相反，角度相同。

将会理解到，由于对转矩的传感主要是通过传感在被扭转部件的表面上磁导率的变化而实现的，至少在每个带的表面上必须有由剩余应力所产生的磁各向异性。因此，施加应力的限度必须至少足以超过该机件表面的弹性限度。当然，将会理解到，当施加的应力超过最低限度时，（取决于施加应力的大小）也会在机件内产生剩余应力。应用于本文中，术语机件的“表面”是表示在该表面及在该表面之内0.01英寸。

任何在带的表面施加应力到一机件直到超过该机件的弹性限度的方法可被应用，该方法在机件的有关截面上产生不均匀的塑性变形。因此，该剩余应力的诱导方法可为机械的、热致的或其它任何适宜的方法。特别理想的是，当在应用中该部件被扭转时，该诱导剩余应力的施加应力超过最大预期施加应力。这是为保证在应用过程中部件的扭转并不改变 剩余应力图。因此，并不改变带中的磁各向异性。在相应的带上诱导的剩余应力基本上应当相等并对称，以便当向该机件施加相等的轴向磁化力时，轴向磁导率的传感在不承受无转矩条件下会产生一“无差异”输出，以及由于施加相同顺时针（CW）或反时针（CCW）转矩的结果产生等值但反向的输出。

所选择的向一机件施加超过该机件的弹性极限的应力以，便产生剩余应力的方法在很大程度上为该机件的尺寸、形状、材料和所希望的应用的函数。该方法可在该带的整个表面上，意即围绕整个带的周界和沿其整个轴向长度诱导连续的且基本上相等的剩余应力。另一方面，该方法可在每个带内诱导一剩余应力图，该带包括受应力与不受应力两个区。然而这种应力图是受到每个须具有至少一个连续的环形区域的重要限制，该区域在其周长的至少50%的区域上是不含无应力区的，理想的情况为在其周长的至少80%是不含无应力区的。在一特别优选的构形中，每个带应具有至少一连续环形区域，该区域在其整个周长上是不含无应力区域的。就一般情况而言，特别理想的是将转轴表面的量达到最大值，该转轴表面是有意地被施加应力以便赋予尽可能大的表面以较大幅度的受控的磁各向异性。这给该转轴表面留下尽可能小的只由制造转轴的过程中因内部应力和由晶粒取向的结果而产生的无规则各向异性。必须理解到，在应用该转动轴本身作为该转矩传感器的磁回路的一工作元件（即传感区域）与固有的无规则各向异性相关联的问题，按照本发明已通过用较大幅度的有意地产生的剩余应力诱导的各向异性代替和/或压倒无规则各向异性而克服之。由于明显理由，有意地诱导的各向异性越大，则任何剩余的无规则各向异性就越不显著。

如在上文和在下文中应用的那样，术语“环形区域”如在上文定义的那样表示限定（1）垂直通过该机件的轴线的平面和（2）该机件的表面的交线的点的轨迹。在该机件为一圆柱形转轴的情况下，该环形区域为 一限定该圆柱形表面和一垂直于该转轴轴线的平面的交线的一个圆圈，而这种圆圈具有一周界或周长。换句话说，如果包括该环形区域的机件的表面的每个元件被检验时，将可看到，每个这种元件是受应力的或不受应力的。为了形成工业上起作用的具有广泛应用的转矩传感器，特别是用于小直径转轴的转矩传感器，该传感器显示可接受的和工业上可再生产的灵敏度、线性度和输出信号强度，已发现至少有50%的这种元件一定是被施以超过它们弹性极限的应力，因此，在解除该施加应力之后必然仍然受到剩余应力。

通过所述方法转矩承受机件可被赋予理想的包含着剩余应力注入的螺旋形指向的易磁化轴（即在该方向最易磁化）的带，该方法的范围实质上是无界限的。从传感器性能的观点来看，最重要的考虑在于产生的各向异性的充分程度，意即该带产生的各向异性必须至少与由所施加转矩而提供该应力各向异性在大小方面是可相比较的。从与安装有传感器的器件的相容性的观点来看，有力的令人信服的考虑是对于该部件的主要功能上的相应而生的效果。在选择一种方法时的其它重要考虑在于实用性和经济方面。用于在转矩承受部件上即在其表面上加上剩余应力诱导的磁方向特征的适宜的方法的实例包括（但并不限于）扭转超限应变，滚花，磨削，机械划线，直接或掩蔽的射丸处理或喷砂，对辊破碎;适宜的化学方法;选择性热处理如感应、喷火、火焰淬火、热印头、激光划线。

上述各种方法中，通过扭转超限应变产生剩余应力区的方法已被发现是一种用于小直径转轴的简单、经济和有效的方法。这方法特别理想，因为这方法既不改变也不切断该转轴的表面，因此，实质上与任何应用相容。然而，对高弹性限度的材料形成的大直径转轴，施加扭转超限应变的方法，例如通过扭转一中央限制区域的两侧，则变为不实际也不能用。滚花是在实质上任意直径的转轴诱导剩余应力的理想方法，用滚花 法，使带的正确位置，其轴向范围，间距和位置可严格地控制。此外，滚花容许较简单的控制该易磁化轴的螺旋角。更为重要地，滚花允许预先确定该滚花本身的特征，诸如间距、深度和截面形状，从而容许控制诱导的剩余应力。必须理解到，按照本发明每个带必须有足够的表面受到应力，以致在每个带之内存在至少一个连续的环形区域，该环形区域在其周长的超过至少50%是不含无应力区的。不是所有滚花都是这么宽阔的，必须小心谨慎地选择滚花及应用实现此目的的滚花的方法。由于滚花刀破坏了转轴的表面以在该转轴上形成滚花，滚花带被赋予形状各向异性以及剩余应力各向异性。例如，如果希望该滚花转轴与所要求的应用的相容性，可从转轴上磨掉该滚花的粗糙形状外貌而只留下由剩余应力造成的磁各向异性。当然，滚花并非没有其实质性缺点，如将在下文中看到的，滚花在其应用中是限制于具有特定性质的合金。其它冷加工形式，带或不带表面变形，诸如磨削，也会产生剩余应力和相关联的磁各向异性，且成为制造按照本发明的转矩传感器的有利的方法。此外，更复杂的方法诸如电子束和激光划线法以及选择性热处理均可提供比大多数机械的冷加工法更少地损伤转轴表面的理想的各向异性。此外，这些方法通过调节电子束的功率密度和强度和/或热梯度而提供极其严格地控制诱导剩余应力的机会。

不论选择任何方法用以在带中产生剩余应力，必须理解到，在每个带内沿环形区域的周长受应力区的百分比（受应力面积的百分比）与灵敏度（毫伏特/牛顿一米）之间的关系是一种该灵敏度是随“受应力面积百分比”的增加而增加的关系。这些参数得出一曲线，该曲线在低的“受应力面积百分比”值处其斜率最大，而在高的“受应力面积百分比”值处具有减少的斜率，直到100%处，在该点灵敏度为最高，而斜率接近于零。该曲线的精确形状，对任意具体“受应力面积百分比”值该曲线的斜率，该曲线的初始上升率和该上升率下降的点处以及该曲线变平都 是该带的材料和施加应力的方法的函数。一个典型的曲线示于图7。在“A”处，沿环形区域的周长是没有剩余应力。在“C”处，环城区域的100%周长经受剩余应力。“B”表示在曲线上大致一个点的位置，在该位置上灵敏度开始趋向稳定，意即对“受应力面积百分比”变化的响应逐渐变小，该点是视材料的和方法而定的。

理想情况下，转矩传感器工作在100%剩余应力处，即在该曲线的“C”处为最好，因为灵敏度的变化率达到最小程度，而100%受应力条件用大多数的方法通常是最容易获取的。实际上，控制诱导剩余应力的方法，以实现小于100%的所需的“受应力面积百分比”值是困难的。然而，避开实际生产问题不谈，可接受的转矩传感器已可制成工作于沿该带的环形区域的长度上对应于小于100%剩余应力的灵敏度的水平。

转矩传感器不能经济地并可重视地制成以使其工作于沿图7中曲线的上升部分AB，由于在该部分，灵敏度对“受应力面积百分比”是很敏感的。这意味着甚至“受应力面积百分比”的微小变化都会引起较大的灵敏度的变化。从一个实用的、工业角度来看，大量生产的转矩传感器必须具有一已知的和可重现的灵敏度。若必须对每一个检测器进行单独调校那将是不现实的。然而，即使正常生产的不一致性也会导致小的“受应力面积百分比”的变化，该变化会造成传感器之间在曲线的AB段中很大的灵敏度差异。因此，工业上有用的转矩传感器必须工作在沿曲线的平坦部分，该处斜率接近于零。在曲线的BC部分工作看来是一个可接受的折衷。对大多数材料和诱导剩余应力的方法而言，由“B”所表示的点，优先以超过至少50%（最好至少80%）沿环形区域的周长的受应力区域。这是由于认识到一环形区域的最低的可接受剩余应力负荷是依赖于材料和方法，及由于认识到通常最理想的是越接近100%应力负荷越实用。

为验证在制造一有效的转矩传感器以上所述的实用性，参照图8，制成一外径为0.25英寸的圆柱形转轴100，带有两个等轴向长度的肩部102， 由一外径为0.215英寸的缩小直径轴部分104所隔开。该转轴由镍马氏体时效钢制成，该钢材在813℃氢气中预退火以消除内应力，该钢材在市场上可以买到，该钢材是由宾夕法尼亚州匹兹堡的赛格洛布公司的通用-赛格洛普特种钢部分（Universal-Cyclops    Specialty    Steel    Division，CyclopsCorporation    of    Pittsburgh    Pennsylvania）供应，名称为Unimar    300K。每个肩部102利用一对相同的外径为3/4英寸、长度为3/8英寸的、围绕其周界具有48齿的滚花滚轮细心进行滚花加工。使该肩部在控制方式下与该滚花滚轮接触以便在每个肩部上形成与转轴的轴线成30°的角的对称滚花纹。对刀具相对于肩部的进刀的严格控制容许控制每个滚花槽轴向宽度和深度。沿每个被滚花的肩部的环形区域的周长的“受应力面积百分比”，通过假定滚花槽是肩部上仅有的受应力区及在槽间的肩部表面是未因滚花操作而受应力，通过测定该滚花槽的槽宽及滚花弦节距并转换弦节距成周节和通过计算该槽宽和周节之比值而确定的，该比值乘以100则表示所要求的“受应力面积百分比”值。按这种方式制造的转轴被固定到一杠杆臂上，该杠杆臂容许用一索缆将十个一磅重砝码悬挂在每个臂的端部。该杠杆臂是这样确定其尺寸，以致不论从哪一侧增加或移去单个一磅重砝码表示在该转轴上有0.5牛顿一米的转矩变化。通过适当地移动砝码，可将转轴上的转矩改变其大小或方向。

图9表示对如上文所述制成的转轴的“受应力面积百分比”和灵敏度间的关系曲线。可以看到，该曲线迅速地上升到约60%应力负荷，然后出现其后的较迅速的水平趋势。这是由于相信在较低的“受应力面积百分比”值处槽宽对周节比值和实际的沿该转轴的环形区域的周长的受应力区百分比之间的更大的相关性所致。随着滚花槽的宽度和深度的增加，很明显，槽之间的肩部表面，至少在槽边缘的附近，稍许变形，以及很可能，受到剩余应力，因此，在曲线上的点，在该点实际上达到了 在一环形区域100%应力负荷是较计算出来的100%值略为小些，该计算值是对该曲线在其较高的“受应力面积百分比”部分的迅速平坦进行计算而得的。这样就启示了，用许多方法，诸如滚花法，该100%应力负荷点可用少于100%外形的改变而实现。在这方面将会理解到，每种在转轴上诱导剩余应力的方法会产生自己特殊的“受应力面积百分比”对灵敏度的曲线，虽然相信每条曲线含有如呈现在图7和9中相同的一般性特性。

按照以上所述，可以看到，在没有施加转矩情况下，对该带施加等轴向磁化力，导致该带对称地响应，而与该带相关的传感装置检测不出响应差异。当施加转矩时，与所施加的转矩相关的主应力与在带中剩余应力组合，其组合是以这样的方式是使得在两带中的合成应力彼此间是不同的。其结果，磁导率有差异，而与各个带相关的传感装置中的电动势反映出那个差异。该差异的幅度与施加转矩的幅度成正比。因此，该直接系统检测到对于两环形带间施加的转矩相关的主应力的差动磁致弹性响应。这点的重要性在于以此方式的检测结果等于检测该带的整个周界上平均的响应。以这种方式，避免了对表面以不均匀性，位置和转动速度的灵敏性。

这种检测由于施加转矩而引起的磁导率的变化可用许多方法实现，如已在先有技术公开的那样。例如可参看前述原田等人的论文和美国专利第4，506，554号。功能上，该磁性鉴别器只是用于估量对于施加在两带间的扭矩的任何差动磁致弹性响应的探头。通常，这个探头通过在两个带上施加相同周期的时变的磁化力和检测其合成磁化强度的任何差异而起作用。该磁化力可来自电流、永久磁铁、或两者兼有。合成磁化强度可通过其散度或通过合成磁通或其时间变化率而检测到。传感器功能是通过电路而实现的，该电路输送一电信号，而该信号是转矩的模拟。

提供磁化力和用于测定来自传感线圈的合成差动信号的一种方法示于图2和3中。参照图2，可以看到，带6、8被线圈架16、18所环绕，该线圈架与转轴2同轴心。安装在线圈架16、18上为一对线圈20、22和24、26，它们中的22和26为励磁或磁化线圈，串联连接且由交流电所激励，而20和24为反向地连接的传感线圈，用以检测该两带的磁通间的差异。一铁氧体材料磁心28是可选择性地提供如一通常为E状旋转体。该转轴和该E状磁心间的环形间隙30在理想情况下保持越小和均匀，实际上以保持该转动轴在该磁心中对中。图3示出串联的励磁或激励线圈22、26由交流电源32供电，而在反向地连接的传感线圈20、24中感应的电动势在整流器34中，相敏地整流，而被显示电压显示仪136上。黑点38表示线圈的极性。

由于当没有在该转轴施加转矩时，带中的应力是对称且相同的，在这些条件下，来自示于图3中的电路的输出信号，不管所施加的交流激励输入是怎样，将会是零。这是因为该带具有相同磁导率之故。因此，传感线圈的感应电压是相同大小但相反极性，因而可以相互抵消。然而，当对转轴2施加转矩时，该相应的带将经受拉伸应力和压缩应力，结果造成通过其中一条带的磁导率和磁通量增加，及造成通过另一条带的磁导率和磁通量减少。这样，其中一个传感线圈的感应电压会超过另一个传感线圈中的感应电压，而表示感应电压间的差异的并正比于所施加的转矩的输出信号即可获得。该信号在整流器34中被转换成一直流电压，而整流器的输出的极性将视所施加的转矩的方向即顺时针或反时针方向而定。通常，已发现为获得线性的，强的输出信号，该交流激励电流须保持在10至400毫安培的范围内和在1至100千赫激励频率较为有利。

图4说明用于在该转轴上施加一转矩后检测该带的磁导率较的变化的另一种磁鉴别器。磁头42、44包括一铁磁体磁心，和一线圈绕于其上，该磁头被配置在沿转轴40的轴向位置上，该磁头42、44与带46、48相合 并与该带磁耦合，磁头42、44由高频电源50通过二极管52、54去激励。在转动轴40上没有施加转矩时，该带的磁导率是相同的。因此，该两磁头的感应电平是相同而极性相反，而净直流输出Vout为零。当在转动轴40上施加转矩时，如箭号60所示，一个带的磁导率增加而另一个带的磁导率减少。相应地，一个磁头的电感增加而另一个磁头的电感减少，其结果造成两磁头之间激励电流方面的差异。这种激励电流方面的差异，通过输出电阻器56和平滑电容器58，产生一直流输出信号，该信号具有指示着所施加转矩的大小和方向的极性和大小。

按照本发明的一个如在上文中叙述的独特方面，一适当材料制成的转轴的两个相邻的带各自被赋予以对称的、左右螺旋形易磁化轴。至少在该带的区域中，而更一般地在整个转轴的长度上，至少在其表面上是由铁磁体性磁致伸缩材料制成的。该材料必须是铁磁体以保证磁畴的存在且必须具磁致伸缩性以便使磁化指向可被通过与一施加的转矩相关的应力而改变。许多材料是铁磁性且具有磁致伸缩性。然而，只有那些还显示其它理想的磁性诸如高的磁异率、低的矫顽磁力和低的固有磁各向异性的材料才是理想的。此外，理想的材料须具高的电阻率以便将由于采用高频磁场的结果所感生的涡流的存在减至最低。更重要的方面，良好的材料必须在冷加工和热处理以将之制成具有适合它们作预定用途的高强度和硬度的适当的转轴之后仍保留这些良好的磁特性。

诚然，许多高强度钢合金是具有磁性和磁致伸缩性的。然而，这些合金中大多数由于在经过热处理以达到所需应用适宜的硬度和强度的结果，经受在磁性的特性方面的不同程度退化。最显著的退化是那些用碳或碳化物淬硬的合金，对此，机械硬度与磁性软化间的传统的反比关系显示出具有良好的基础。然而，甚至如AISI    1018这样低碳合金经热处理后其性能也发现具有显著的退化。对马氏体不锈钢例如AISI    410，及高合金钢例如一种49Fe-49Co-2V合金情况也是相同的。按照本发明的另 一个独特方面，已经确定镍马氏体时效钢具有非寻常的优异机械特性及显著和热稳定的磁特性的组合，这些特性给它们一特殊的适应性并使它们在用于所有磁致弹性转矩传感器时特别有用，在这种传感器中一磁场被施加到铁磁，磁致伸缩装置，由于施加到该装置的转矩所引起的磁导率的变化被检测，以便获得所施加的转矩的大小的指示。情况是这样，不管该铁磁，磁致缩伸装置是固定于，相关于或形成该转矩机件的表面的一部分及不管是否该铁磁、磁致伸缩装置被赋予有意地注入磁各向异性和不管可被应用的带的数目。

该镍马氏体时效钢典型的为特低碳、高镍，铁基合金，该合金显示材料中结构强度和断裂韧度的特殊组合，该材料易焊接且热处理简单。它们属于一铁基合金的松结合族，该合金在进行退火后和冷却过程中通过变化成铁-镍马氏体微结构并在退火或马氏体条件下进行时效处理后获得它们的特殊的强度特性。因此，该合金被称为马氏体时效钢，因为在它们的强化过程中包含着两个主要的反应-马氏体化和时效处理。然而，这些钢由于它们的高镍和极低碳含量因而是特殊的，使之能形成显著的韧性马氏体钢，马氏体钢可迅速地强化至非常高的程度。在时效处理条件下的这些钢中可获得屈服强度直至或远远超过300Ksi。

典型的镍马氏体时效钢为包含12-25%镍，7-13%钴，2.75-5.2%钼，0.15-2.0%钛，0.05-0.3%铝，直至0.03%碳，余量为铁及非主要量的其它元素诸如锰、硅、硫、磷、钶的合金。至少于目前，最通用和特别重要的马氏体时效钢为该18%镍钢，该钢可进行时效处理以得出屈服强度约为200Ksi，250Ksi和300Ksi。这些特殊的合金被称为18Ni    200，18Ni    250和18Ni    300级马氏体时效钢，具有典型的成分的范围：1-19%镍，7-9.5%钴，3.0-5.2%钼，0.1-0.8%钛，0.05-0.15%铝，直至0.03%碳，余量为铁及非主要量的其它元素。典型的，该18%镍马氏体时效钢通过在1500°F和以上的温度下退火一段足够长的时间而进行热处理，例如 每英寸厚度处理1小时，以溶解沉淀物，消除内应力，并保证完全变化成奥氏体。空气冷却后，将该18%镍钢以传统方式在750-1100°F温度下（理想为900-950°F）时效处理3至10小时，视其厚度而定，通常为3-6小时。然而，已发现，令人满意的强度特性和优良的磁特性可在合金的时效处理短到10分钟时间内获得。

其它公知的镍马氏体时效钢为不含钴的18%镍马氏体时效钢，以及含钴的25%镍，20%镍，和12%镍马氏体时效钢。该含钴的18%镍马氏体时效钢在市场上可从一些供应商处买到。因此，这些钢以以下商标而可采购到，即Vasco    Max    C-200，Vasco    Max    C-250，Vasco    Max    C-300和Vasco    Max    C-350，是由宾夕法尼亚拉得罗布（Latrobe）的特尔达因（Teledynel）钨钒高速工具钢制造公司供应，Marvac    250和Marvac    300和由宾夕法尼亚拉得罗布的拉得罗布钢铁公司供应，Unimar    300k由宾夕法尼亚匹兹堡赛格洛布公司的通用-赛格洛布特种钢部分（Universal-Cyclops    Speciulty    Steel    Division）供应，及Almar    18-300由宾夕尼亚诺利斯敦（Norlistown）的高级管道公司供应。该18%镍无钴马氏体时效钢在市场上以商标Vasco    Max    T-200，Vasco    Max    T-250及Vasco    Max    T-300由宾夕法尼亚、拉得罗布特尔达因钨钒高速工具钢制造公司供应。其它可形成铁-镍马氏体状态（martensite    phase）的高镍钢显示机械的和磁的特性，该特性与那些较常用的马氏体时效钢的特性相同，且该特性对温度的变化基本稳定。这些之中更最得注意的是一标称为9%镍-4%钴的合金，由该合金可从特尔达因钨钒高速工具钢制造公司买到，它具有独特的成分，按重量计为9.84%镍，3.62%钴，0.15%碳，余量为铁。此外，含有各种其它高镍-钴成分的马氏体时效钢，例如，15%镍-15%钴，正在继续地被测试以致力于优选一种或另一种或某些特性的组合的。因此，如用于此处，术语“镍马氏体时效钢”是指铁与镍的合金，该合金包含 从9-25%镍，并如上    所述由铁-镍马氏体结构获得它们的强度特性。

除了它们的突出的物理和强度特性外，该镍马氏体时效钢具有优异的磁特性，该特性使它们特别适用作非接触式转矩传感器的磁性材料。因此，它们具有高的和基本上各向同性的磁致伸缩效应，其范围为25ppm±15ppm，并不显示出维拉利逆效应;高电阻率;低的固有的、由于晶体结构引起的磁各向异性;高磁导率;在5-25奥斯特范围内低的矫顽磁力;及具有合金化学的磁性稳定性。然而最重要的为它们的磁性只是温和地，但有利地受强化处理影响，的确，它们的磁性随着冷加工和时效热处理而得到改善。这种特性区分了该镍马氏体时效钢与所有其它高强度合金的差别。迄今，曾经是一般的常识认为改进钢的机械和强度性能所需的热处理，对它们的磁性是有害的。例如，淬火硬化钢合金一般显示出非常低磁导率和高的矫顽磁力，不适当的磁性组合，该磁性组合显著地降低这种合金对弱磁场的灵敏度并降低或否定它们在此文所设想的转矩传感器中的用途。这种情况对镍马氏体时效钢证明并不成立。按照本发明已经确定镍马氏体时效钢在冷加工和时效硬化热处理后变成磁性较软，镍马氏体钢传统地经受这些处理以形成它们特别高的强度特性。例如，18%镍马氏体时效钢，在经过900°F温度下时效处理直至10小时后，其矫顽磁力事实上降低。其结果为该马氏体时效钢可在它们的时效处理条件，意即在它们显示出最大的强度特性和基本上相同的或改进了的磁性特性的条件下有利地加以应用。

因此，马氏体时效钢被用作磁致弹性转矩传感器的磁性材料，特别是用作其转矩是待检测的装置中转轴的材料，实质上消除了迄今对于应用该装置转轴作为磁性机件所造成的所有障碍。马氏体时效钢的机械的和强度特性满足大多数转轴用途所需要的机械特性，而同时，提供对它在转矩传感器中起作用的突出的磁特性。马氏体时效钢的时效处理在没有磁导率的损失或矫磁力的增加情况下提供用于机械的应用方面所需要 的高强度和高硬度。此外，热处理马氏体时效钢的传统方法包括在超过1500°F的温度下的初始溶体化退火，消除由于机械加工引起的内应力及消除由于不均匀性和晶粒取向引起的大部分应力，这样最大程度地降低马氏体时效钢转轴中无规则磁各向异性的量。当这样热处理被结合到按照本发明制造的一对相邻的带时（该对带被赋予例如通过在该转轴上施加超过它的弹性限度的应力而有意地注入较大量级的磁应力各向异性，施加应力比该转轴正常应用期间预料的最大的转矩应力大小更大），则在转轴中任何无规则各向异性对总磁各向异性的作用的确是可以忽略不计的。

可以理解到，在磁致弹性扭矩传感器中镍马氏体时效钢的优点可通过形成理想的镍马氏体时效钢转轴;通过形成理想的马氏体时效钢的转轴的一个区域，并将该环形带设置在这区域内;或通过将具有机械特性适应于该转轴的意图功能的合金形成的转轴用镍马氏体时效钢配面，即在该转轴之适当的轴向范围的至少一个完整环形区域上装贴理想的镍马氏体时效钢的合金表面并将环形带设置的这区域内来实现的。由于按照本发明传感磁导率基本上为表面现象，该配面工序需装贴厚度不超过约0.015英寸的环形层。该所选择的配面工序最好可从多个已知的辅助工艺之中选出，该辅助工艺例如为电镀、金属喷镀、溅射、真空沉积、离子注入法等之类。

为了验证本发明转矩传感器中作为磁性材料的马氏体时效钢的突出性能并将马氏体时效钢与其它高强度钢的性能作比较，用12.7毫米直径圆柱形转轴装配成转矩传感器，在该轴上已形成一对轴向地间隔分开的带，该带被赋予螺旋形对称的左和右易磁化轴。各带具有12.7毫米的轴向长度，并被12.7毫米转轴段所分开。环带是通过滚花法，用一外径为3/4英寸环绕周界有48个齿，每个齿对该转轴的轴线定向成30°角的滚花刀而形成的。这种设计的特性通过将线圈架放置成与该转动轴共轴 线，并与该带轴向    进行检测，各线圈架安装有励磁和传感线圈。该励磁线圈被串联连接并用具有10千赫频率输出和200毫安峰值激励电流的交流电源激励。在每个传感线圈的感应电动势分别被整流，其整流输出反向地连接以产生一差信号，该差信号在一电压显示仪中被显示出来。采用四个转动轴，除了它们各由不同材料制成外，各方面均相同。每个转轴的成分以按重量百分比计陈列于下：

T-250：18.5镍;3.0钼;1.4钛;0.10铝;

少于0.3碳;无钴;余量为铁;

SAE    9310：0.08-0.13碳;0.45-0.65锰;3-3.5镍;

1-1.4铬;0.08-0.15钼;余量为铁

416    SS：11.5-13.5铬;最大0.5镍;最大0.15碳;

最大1.0锰;最大1.0硅;余量为铁

AISI    1018：0.15-0.20碳;0.6-0.9锰;最大0.04磷;

最大0.05硫;余量为铁。

在第一系列中试验中，该T-250镍马氏体时效钢转轴在熔体化退火、未经时效处理条件之下被应用，如同从特尔达因钨钒高速工具钢制造公司收到的那样。同样，其它的转动轴被应用在它们如同被采购时的条件那样，没有进一步经过热处理。一已知转矩负荷施加到在测试下的各个转轴上，并记录其输出电压信号。施加的转矩从零增加至100牛顿一米（N-M）。图5为每一转轴上的输出直流电压对施加的转矩的关系曲线。很明显，T-250转轴对一给定转矩负荷用输出信号的大小表示的灵敏度，显著地大于其它被测试的转轴材料。此外，对于T-250转轴的信号输出的线性度在整个转矩范围之中特别优异。其它转轴材料与该T-250转轴比较，对施加的转矩呈现大约相同的不灵敏性。没有一个产生如T-250转轴的那种线性信号，虽然每个转轴在较大的转矩范围内地产生一适当的线性信号。

对第二系列试验T-250镍马氏体时效钢轴已在900°F温度下时效处理30分钟以提高转轴的强度和硬度。为了测试的一致性，其它的轴也以相同的方法进行热处理，之后各个转轴被施加以从零到100牛顿一米的转矩并记录其输出直流电压。图6为热处理后每一转轴上输出直流电压对施加的转矩的关系曲线。可以看到，T-250转动轴灵敏度再次远远超过其它转轴的灵敏度。并且T-250转轴的输出信号在整个转矩范围内还是线性的。通过与图5中未经时效处理条件下的T-250转动轴进行比较，很明显，时效处理某种程度上改进该转轴的灵敏度，说明用时效处理增强了该马氏体时效钢的磁性。与此相反，SAE    9310转动轴的灵敏度用这种热处理并不表现出有所改进。此外，输出信号的线性度明显地降低，特别是在较高的施加转矩处。AISI    1018轴的灵敏度在低施加转矩处有显著的改善，但这种改善在约40牛顿-米时开始降低，其后继续衰减。AISI    1018转轴的输出信号的线性度经过时效处理后变为非常差。对416    SS转轴，经热处理后在低施加转矩处灵敏度有所改善，但在较高施加转矩处显著地变差。416SS的输出信号的线性度经热处理变差。值得注意的是，不管输出信号对施加应力的混合响应，热处理对SAE    9310，416    SS和AISI    1018转动轴的机械的和强度特性造成不利的影响。例如热处理之后，只有约50牛顿-米的施加转矩就已超过了AISI    1018转轴的弹性限度，而该转动轴已被永久地扭弯。

而且，在图6中记录的结果，虽然与T-250相比是显著的，但就判断在磁致弹性转矩传感器的轴中这些其他合金的实际用途而论有点靠不住。这是因为这些合金受到的热处理是在900°F的温度下时效处理30分钟，而同样的热处理也用于T-250合金。然而，这样一种热处理对于改进这些钢合金的机械和强度特性并不是一种有效的热处理。例如，一般416SS的淬火硬化要求加热至950℃以上，而SAE    9310的表面淬火则要求加热至900℃以上。在这些高温下，在环带中由滚花处理引起的大 部分剩余应力以及合成剩余应力产生的磁各向异性均被除去，保留机械的坚硬而磁性较差的合金，该合金基本上不能用作本发明的磁致弹性转矩传感器中的磁致伸缩的、铁磁性轴元件。此外，应该指出的是诸如表面淬火SAE    9310的热淬硬处理，往往会引起轴的翘曲，不经另外的处理，会使轴对于预期的及任何传感器用途成为无用。可惜，例如机加工的以矫直翘曲的轴的必要另外处理，将改变在环带中有意注入的磁各向异性，从而实质上使轴的细致磁性预处理失效。从下面的讨论可以更清楚，用诸如SAE    9310的非镍马氏体时效钢合金的本发明的磁致弹性的转矩传感器的较佳制作过程是首先，例如，用表面淬火将合金热淬硬，然后根据需要将所得到的轴机加工以矫直之。此后，可以硬化合金的磨光或其他处理，以提供具有剩余应力产生的磁各向异性的环带。使用磨光的一个优点是除去了由矫直处理注入的任何表面各向异性，而代替了所需剩余应力产生的各向异性，完全没有轴表面可见的外形变化。

图5和6图示说明信号对使用相当低的10千赫交流激励频率的所加转矩的特性曲线。可以看到输出信号是与交流频率成正比且随频率近似线性地增加。测试表明例如在20千赫获得双倍输出直流电压信号。根据所使用的电路，在1-100千赫范围内的交流频率可以有利地用来激励本发明的转矩传感器。最好使用恰在人类可听范围以上的10-30千赫的频率，以避免啸声。最理想的，频率调整至20千赫左右。与其对频率的特性曲线一样，输出直流信号也出现与激励电流成正比，更准确地说与激励电流成S形变化，取决于频率的该激励电流在10-400毫安（峰值）范围内较有效。通常，使用足够的电流，以获得在所选的频率下的良好的信号，且满意地在整个所施加转矩范围将信号滞后调节至零。

有趣的是镍马氏体时效钢轴的灵敏度是显著地较由使用非磁性轴且轴上粘附有非晶带的工作人员记录的灵敏度好。从图6，可以看到根据本发明，经时效处理的T-250镍马氏体时效钢轴传感器，其轴直径为12.7 毫米，在使用10千赫的交流频率和200毫安的激励电流，60N-M的施加转矩下产生0.9伏的输出直流信号，所采用的激励线圈各有100匝和传感线圈各有500匝，灵敏度为0.015V/N-M。比较起来，佐佐田（Sasada）等人在第十一届IEEE工业电子学会会议（Industrial    Electronics    Society    Conference）（1985年11月18-22日）报告的论文“非接触转矩传感器”中介绍，一种非晶带转矩传感器在使用20千赫的交流频率、激励电流120毫安、各有220匝的激励线圈和各有80匝的传感线圈以及直径为12毫米的轴，10N-M的施加转矩下输出一35毫伏的直流信号。由于灵敏度正比于交流频率、激励电流以及激励和传感线圈的匝数，而反比于轴直径的立方，佐佐田等人将灵敏度校正至如在图6中显示的一等效的基准是0.007V/N-M。换言之，本发明的转矩传感器的灵敏度为佐佐田等人的非晶带转矩传感器的两倍。

虽然根据以上的镍马氏体时效钢的绝对和相对优点的讨论中，可能出现更多的普通钢合金在本发明中没有用，但明显地情况不是这样。当然，果然不错除了镍马氏体时效钢以外都具有以下非常显著的缺点，用高温加热，随后淬火以达到在渗碳气氛中通过硬化或高温加热完成表面淬火的热硬化，热消除了在环带中有意产生的剩余应力，从而在环带中大幅度的剩余应力产生的磁各向异性被大部分消除，而这些磁各向异性对本发明的磁致弹性的转矩传感器来说是必不可少的。然而，很明显从图5中记录的数据来看，测试的SAE    9310、416    SS和AISI    1018各合金，显示出对给定转矩负载按照输出信号的幅度灵敏度落在有用的范围内，且在大部分转矩范围各产生适当的线性信号。因此，这不是它们固有的磁特性，这些磁特性使这些合金不合格用于由图5中记录的数据举例说明的传感器用途的类型，而是使合金具有机械和强度特性所必需的热硬化处理，这种需要完成预期机械功能的热硬化处理，看来破坏了这些合金良好的磁性能。在这方面，应理解为在本发明的转矩传感器的大多数 用途中，对于由装有本发明传感器的设备的操作特性规定的转轴的机械和强度特性要求，是必须使用经过硬化条件下的钢合金。

为了说明在诸钢合金机械和磁性能之间这种令人遗憾的相反的关系，1/8英寸直径的410    SS和502    SS制的轴具有下列以重量百分比计的组成：

410    SS：12.3铬;0.2镍;0.08碳;0.9锰;

0.4硅;0.4钼;剩余部分铁

502    SS：5.0铬;0.06碳;0.8锰;0.4硅;

0.5钼;剩余部分铁

这些轴用退火法进行处理，和用将中央约束的轴的两端扭弯的方法扭转地过度扫应变，以提供一对相邻的分别具有对称的右螺旋和左螺旋指向的剩余应力产生的磁各向异性的环带。此后，在保持它们的机械软化条件的同时，已知的转矩负载施加于各经过处理的轴并记录输出电压。在各种情况下，轴显示出对转矩负载有良好的特性曲线，410    SS轴显示在约为2牛顿-米的转矩范围上有600毫伏的输出灵敏度和良好的线性度。502    SS轴在相同的转矩负载范围上显示不十分好，输出灵敏度只有95毫伏和比较不理想的线性度。尽管如此，这种传感器功能的粗略测试，证实了图5的结果，至少某些钢合金具有这种功能的潜力。当测试完成时，410    SS和502    SS轴在大约950℃的温度下经受硬化热处理，随后是淬火。当在经过硬化的轴上重复进行转矩负载测试时，应该指出的是在相同的转矩负载范围内输出灵敏度已下降至5毫伏以下，如预期的那样，证实了硬化热处理已破坏了那些由预先试验处理有意赋予轴的理想的磁性能。

事实上，虽然上述钢合金失去能力，但确定了热可硬化钢合金（如在下文更完全和更清楚地规定的）能在本发明的磁致弹性的转矩传感器中具有非常有效的功能。这可以用这些合金通过仅在合金已经适当地热处理以使其硬度和强度特性升至合金预期用途所需的水平之后，在环带中产生剩余应力来完成。后来的或二次硬化产生剩余应力以赋予环带理想 的磁各向异性并不会有害地改变合金的机械或强度性能。然而，以这方式制作钢合金轴要对可用以产生剩余应力的处理的类型施加严格的限制。某些处理，象滚花处理需要塑性滑移和扭转的过扭绞，要求软合金且不能施行于已经硬化的合金上。尝试将硬化的钢合金滚花，对合金轴产生显微裂纹和裂缝以及其它不希望有的外形损坏。尝试将小直径的硬化的钢合金扭绞结果一定会使轴折断。因此，根据本发明，在本发明的磁致弹性的转矩传感器中使用热可硬化非镍马氏体时效钢合金（如下文规定的）是限于仅在合金已经通过热处理机械强度强化后，以及然后仅通过选择产生剩余应力的工艺方法产生必需的剩余应力，该工艺方法能赋予环带所需相应的和相反的均匀的磁各向异性分布。这些工艺方法包括（但不限于）磨削、机械划线（用适当的工具）、导向或掩蔽喷丸处理或喷沙、化学方法和热处理，包括激光划线、感应、喷火、热印头等等。结果，虽然明显地不象镍马氏体时效钢那样在其使用方面具灵活性，镍马氏体时效钢可在机械硬化和强化之前或之后得到剩余应力，从而不受所使用的剩余应力产生技术的方法的限制，非镍马氏体时效钢合金（如下文规定的）作为在本发明的磁性弹性的转矩传感器中的铁磁、磁致伸缩的轴元件而起重要作用。

用以在已经硬化的钢合金的环带中产生残余应力的残余应力产生工艺方法的选择，是根据许多考虑，其中不只是轴的尺寸、轴的组分、待处理轴的数目、经济性、包括必要处理设备的利用率以及轴的最后的构形外貌。在许多情况下，实际上，后面的考虑将是一个支配的因素。转轴设备的制造者很可能勉强的以任何有效的方式改变其设备，以适应磁致弹性的转矩传感器的安装，而不考虑这种安装的客观需要。很可能至少在转轴设备设计之前，从最初开始就包括这种转矩传感器，即必须制造适合出各种单独用途的传感器。例如转轴旋转的环境、轴的结构完整性、邻近转轴的其他部件等等的考虑，建议设备制造者最好选择形成转 轴上或与其转轴有关        带所使用的工艺方法以将在轴表面可见的外形改变减至最少。

事实上，除了制造者的反对以外，还有将轴表面可见的外形改变减至最少的功能原因。根据本发明，剩余应力是在环带中产生的，以便赋予环带较大幅度故意注入的、受控的磁应力各向异性。一个主要的原因是压倒和/或使出现在轴上的不受控的和无规则的磁各向异性很弱，以便本发明的转矩传感器以可预测的方式对由施加的转矩所引起的导磁率变化起反应。所以，除了根据本发明故意注入的剩余应力产生的磁各向异性的受控因素外，最好是将影响这些导磁率变化的因素减至最少。在这一点，已经发现轴表面上不均匀的可见的外形改变，例如滚花、切口、起皱等除了影响所希望的磁致弹性的效应以外，还影响由磁鉴别器检测到的导磁率变化。对于不均匀的外形改变的导磁率检测，非磁致弹性效应是三方面的。当轴受到转矩时，由于材料的诱导、非均匀，外形效应的结果，在各环带的形状和材料的对称性被不同地改变或畸变。由于作用的扭应力可分解为正交的拉伸应力和压缩应力，在一环带中的滚花、切口等成为较长且靠近在一起，而在另一环带中的滚花、切口等变得较短且进一步分开。围绕在各自的环带的激励和传感线圈将有效地检查在各环带磁性材料不同的量和/或分布，因此，就检测出各自的导磁率。以这种方式，会出现由于环带外形改变和独立于环带内剩余应力产生的磁各向异性的导磁率传感效应。此外，即使在完全退火过的轴中，也存在由转矩作用于轴上而引起对于应力分布的外形效应。这种外形效应使环带中的扭应力分布不同于外形没有改变的环带，其结果是至少一部分由叠加在环带上的线圈检测到的导磁率变化将是由于这外形影响的应力分布引起的，而不是单独由于所希望的磁致弹性的效应而引起的。最后，存在由外形改变的形式所引起的对于导磁率传感的效应。例如，假定环带包括分别为±45°在轴表面上形成的切缝，当一扭应力施加于轴上， 和将一周期地时变的磁场施加于环带时，根据扭应力是沿顺时针还是沿反时针方向而施加，拉伸/压缩应力的其中一种有助于磁化沿一组切缝的长度排列，而另一种应力有助于磁化与其正交的排列，即沿垂直于另一组切缝长度的方向。除了磁致弹性的考虑以外，作为物理的和结构的情况来看，施加的磁化强度沿着前者移动要较沿后者来得容易。结果，由叠加在环带（在其中磁化试图沿切缝长度方向排列的）上的线圈检测到的导磁率要高于由叠加在环带（在其中磁化强度试图横跨切缝长度方向排列的）上的线圈检测到的导磁率。这种导磁率方面的增加，部分是由于环带表面的外形改变引起的。磁化被迫随着物理上更困难的路径横跨切缝的方向而不是沿着切缝的方向移动。

附加地;这三个理由说明为什么所有外形改变的轴在一定程度上可作为转矩传感器工作。这也正是为什么热处理不能消除所有在外形改变的轴中导磁率的变化的原因。由于同样原因，轴表面的外形改变的效应是会将外界的、不希望有的和不受控制的信号引入到检测导磁率的功能元件中，且至少达到这种程度，偏离严格的磁致弹性条件使作用的转矩与检测的输出有关的理想情况。因此，在可能的范围内可见的轴表面的外形改变应当避免。这个目的完全与在轴合金已经通过热处理适当地硬化和强化以后施加剩余应力一致，而因此也完全使用选择关于本发明的非镍马氏体时效钢合金（如下文规定的）一致。

上面叙述的各种产生剩余应力技术，在或大或小的程度上，使可见的外形表面变化减至最小。一个可容易证明的技术是磨削，其中普通的磨轮在制造各环带过程中对工件轴线倾斜±20°-60°，用以根据环带的几何形状，沿着各带的轴向长度，除去相等小深度的轴表面，例如象001英寸那么深。因为磨削只是从各个带除去了等量的表面合金材料，所以不存在不均匀的可见的表面改变-各带材中的变化是相同的和在各带中没有非均匀表面特点。对于所有实际的用途，两个带外形是相同的。 取垂直于任一环带的轴的轴线的截面是一个与完整的圆仅有微小偏差的圆。但是磨削技术还是已经产生两个相邻的有相反和相应的磁各向异性的环带，该磁各向异性实质上完全归因于由磨削加工产生的剩余应力。当扭应力施加于轴上时，没有材料引起的、非均匀的外形影响，例如隆起或凹处的变长或缩短;因为环带的外形是相同的，所以没有外形引起的不均匀扭应力分布;没有由于环带之间任何外形不均匀引起的成形影响。这显著地不同于当滚花区域形成环带的情况。各滚花区域包含不同排列的凹处和隆起，即可变形的形状和特性，不均匀的应力和影响磁化的外形，及传递成形作用的特性，这些特性单独地和累加地改变被检测的不依赖于故意注入环带中的剩余应力产生的各向异性的导磁率。因此，将扭应力施加于包括间隔布置的滚花环带的轴，始终会产生一输出信号，但信号不仅是剩余应力产生的各向异性的函数，相反地，它受以滚花为代表的轴表面的可见外形改变的影响。因此，所有这些含有滚花的轴将呈现作为转矩传感器的功能，虽然很可能它们的输出信号毫不受剩余应力产生的磁各向异性的影响，而仅具有对所加转矩的间接关系。

为了说明怎样可以制作本发明的磁致弹性的转矩传感器，使用非镍马氏体时效钢合金，通过热处理进行硬化以后，通过施加剩余应力以在环带材中产生磁各向异性，几个不同的转矩传感器是使用1/4英寸和1/2英寸直径的圆柱形轴装配的，圆柱形轴上通过磨削加工已经形成一对轴向间隔布置的环带，环带是赋予对左、右对称螺旋的易磁化轴的。这装置的特性已在1/2英寸轴上检测，通过将线圈架与轴作同心的定位且与环带轴向地对准，各绕线管具有安装在其上的激磁和传感线圈。激磁线圈是串联连接且由交流电源激励。在各检测线圈中感生的电动势被分开整流，其整流输出相反的连接以产生一差信号，该信号在电压显示仪上显示出来。该装置的特性已在1/4英寸的轴上检测，使用一普通的多谐振荡器电路，其中两个并联晶体管中每次只有一个导通从高频源来 的输入，从而可使一矩形波电压产生一周期性时变磁场，用以加于轴上的环带，结果与其中一个环带有关的线圈的电感增加，而与另一个环带有关的线圈的电感减小。电感的差异产生不同的电压信号，这些信号进入比较器用以产生一差信号，该差信号在电压显示仪上显示出来。

不同材料制成的三个轴被用来进行比较。材料是T-250，一种镍马氏体时效钢通过马氏体处理和时效处理来硬化;AISI    416，一种淬透钢;和SAE    9310，一种表面淬硬的钢。各合金以重量计的百分比组分在前面已设述过。

在第一系列试验中，各合金是在其未硬化情况下磨削的，以形成具有剩余应力产生的磁各向异性的所需环带。已知的转矩负载在测试时被施加于各轴和将输出电压信号记录下来。对于某些轴所加的转矩是从零增加至高达30牛顿-米（N-M）。图10的曲线“1”（SAE    9310）、图11的曲线“3”（AISI    416）和图12的曲线“5”（T-250）是未硬化条件下磨削的和测试的各轴的直流输出电压对所加转矩的曲线图。很明显，在各种情形中通过磨削给予轴的灵敏度是极好的，和对于各轴在所测试转矩范围内的输出信号的线性度是良好的，两种观察证实磨削是一种用以给予在镍马氏体时效钢和非镍马氏体时效钢合金的轴上形成的环带以剩余应力产生的磁各向异性的有效技术。测试以后，镍马氏体时效钢轴在480℃的温度下时效处理从20分钟至24小时的增加周期。对于各增量，轴作为转矩传感器的性能显示出有改进。此结果与从图5和6观察的结果一致。AISI    416和SAE    9310轴在分别约为950℃和900°F的高温下热处理。当上述转矩负载测试被重复时，轴对所加的转矩实质上显示没有输出灵敏度。这个结果是与包含扭转地过应变轴的以前观察一致的。对应于热淬硬热处理温度的高温，已经破坏了通过磨削处理故意给予轴的理想的磁性能。而且，由于实质上没有保持输出灵敏度，很明显，磨削处理产生了无用的轴表面的可见外形改变。

在第二系列的试验中，所有的合金被通过热处理而淬硬，这种热处理适合于硬化特殊的合金。镍马氏体时效钢轴在480℃的温度下时效处理一小时;AISI    416在950℃的温度下被退火且淬火;和SAE    9310在约900℃的温度下在渗碳气氛中高温处理且淬火至表面0.04英寸深度的表面硬化。其后，各淬硬的合金轴以与在第一系列试验中同样的方式进行磨削和测试。图10的曲线“2”（SAE    9310）、图11的曲线“4”（AISI    416）和图12的曲线“6”（T-250）是在硬化条件下磨削过的各轴的输出直流电压对所加转矩的曲线图。有意思的可以指出，淬硬化然后-磨削的轴的输出灵敏度始终如一地低于未淬硬磨削的轴的灵敏度。即使对于镍马氏体时效钢，尽管跟着淬硬-然后-磨削轴的磨削的附加时效处理改进了轴的输出灵敏度，最大可获得的灵敏度仍旧只有约为通过磨削一未淬硬的镍马氏体时效钢轴能获得的灵敏度的2/3。然而淬硬-然后-磨削的轴一贯地显示较好的线性度和磁滞。这些结果证实能够制出有用的磁致弹性的转矩传感器，使用适当的钢合金通过仅在轴合金已经借助热处理适当地淬硬和强化之后，向轴提供具有磁各向异性的残余应力产生的环带的技术。观察到的输出灵敏度的减小和线性度与磁滞的增加，是与在淬硬的合金轴中的估计相符合的，该淬硬的合金轴的弹性限度比软合金轴的弹性限度高得多，施加的磨应力必须较高以便超过弹性限度在带材中用以产生剩余应力。所以，得到的剩余应力比在软合金轴上完成磨削时高得多。结果，合金轴系统的总静态各向异性“K”（包括由剩余应力、形状、结晶度等引起的各向异性）在施加扭应力至轴之前，淬硬的合金轴要高于软合金轴。可以理解，所加应力的导磁率效应是正比于合金的磁致伸缩和所加应力，而反比于系统的静态各向异性。因此，当转矩被施加于一高“K”系统，所加应力的效应较小而观察到对于导磁率的灵敏度或效应同样较小。由于大体上相同的理由，较高“K”导致较低的磁滞和改善的线性度。

已经指出，根据本发明的有效磁致弹性的转矩传感器能用镍马氏体时效钢，作为铁磁的和磁致伸缩的轴部件而制作，且通过为了改善其机械和强度性能而在镍马氏体时效钢合金已经时效处理之前或之后在环带中产生剩余应力而在轴中注入所需的磁各向异性。也已指出，本发明的有效磁致弹性的转矩传感器能使用所选的非镍马氏体时效钢合金而制作，且仅在为了改善其机械和强度特性，非镍马氏体时效钢合金已适当热处理之后在环带中产生剩余应力。很清楚有许多理由，不是所有的非镍马氏体时效钢合金能这样使用。一般，在含碳量变化的经过退火的铁-碳合金中，磁致伸缩，即在所加磁场中长度的功能变化，是各向异性的，在某些方向，是负的。在许多情况中，合金经受维拉利逆效应-首先随着场强增加而扩展，即在长度上的相对变化是正的，然后收缩，即在长度上的相对变化随着场强的增加是负的。当转矩被施加于合金制成的轴时，该合金受到这种逆效应，应力所加的各向异性影响现有的无规则各向异性，在轴中正磁致伸缩的区域与负磁致伸缩的区域无规则各向异性是不相同的。这导致在轴中由于各向异性局部磁致伸缩在不同的位置变化的组合各向异性，结果不能获得均匀的、合成的磁化。由于明显的理由。这是一个在传矩传感器中一个不能接受的条件，而经受维拉利逆效应的合金显然不能使用。暂时已经知道，加进某些合金元素，例如镍，引起合成合金的磁致伸缩变成更正。事实上，已经指出，只需要按重量计1%至3%的镍，以消除铁-碳合金维拉利逆收缩。因而，由于原来的铁-碳合金成为富镍合金，合金好象其磁致伸缩在所有的场强下表现为正，以致在轴中在不同位置的组合各向异性成为更均匀，而能获得均匀的合成磁化。相似的趋向已经指出，随着其他合金元素的加入，例如铬（Cr），钴（Co），钛（Ti），铝（Al），锰（Mn），钼（Mo），铜（Cu），硼（B）以及它们的组合，趋向使铁-碳合金系统的磁致伸缩更加正。在铁-碳合金系统中用以处理维拉利逆效应的另一个方法是在约 为750-800℃的高温 火，然后淬火而不进一步退火以回火。这种处理显示出大体上消除维拉利逆动，以产生硬的铁-碳合金系统，该系统具有大体上各向同性的磁致伸缩。此外，通过热处理的硬化消除冷加工应力以及由于前面的处理伴随的无规则各向异性，改善了在导磁率方面扭应力的效应的磁滞和线性度特性曲线的样子。

因此，根据本发明已经确定，非镍马氏体时效钢合金作为转轴的或与转轴有关的铁磁的、磁致伸缩的区域，应当具有基本上各向同性的、有至少5ppm的绝对值的高磁致伸缩，由热处理硬化;碳含量以重量百分比计，在0.05%至0.75%的范围内;合金的组成满足轴的预期应用的机械的、化学的和磁性的（合成的各向异性和磁致伸缩）要求。

所有上述性能通过从热淬硬的钢合金中选择可用于本发明的非镍马氏体时效钢合金来达到，钢合金的特征在于，各向同性的磁致伸缩具有至少5ppm的绝对值，而组成包括下列以指定的比例的元素：

FeCaMbQc

其中“M”是一个或多个选自包括镍、铬、钴、钛、铝、锰、钼、铜和硼的组中的合金元素，

“Q”是一个或多个其他包括（但不限于）普通钢合金元素，例如硅（Si）、磷（P）、硫（S）、氮（N）、硒（Se）、钨（W）、钒（V）、铪（Hf）、钶（Cb）、钽（Ta）和锡（Sn）;

“a”表示碳含量以重量百分比计从0.05%至0.75%;

“b”表示合金元素“M”至少足以使合金的磁致伸缩提高到至少5ppm绝对水平的含量，磁致伸缩所需的水平取决于静态各向异性“K”和由于为任何给定的应用施加转矩而引起的施加的应力;

“C”指示合金元素“Q”从零上升至任何有用数量的含量，数量取决于所需的机械、化学和/或合金其他的性能。

将适当的非镍马氏体时效钢合金的上述定义应用到几个上面讨论过 的说明性的钢合金和应用出版的各种合金元素的磁致伸缩数据，合金的磁致伸缩至少能估算。例如，对于AISI    410，12.3%铬主要导致提高到约为20ppm合金的磁致伸缩;对于AISI    502，5%铬和0.8%锰主要导致提高到约为7ppm合金的磁致伸缩;对于SAE    9310，3%至3.5%镍和1%至1.4%铬主要导致提高到约为15ppm合金的磁致伸缩。

本发明的唯一的和改进的磁致弹性的转矩传感器被广泛应用于所有类型和大小的机件转矩的传感和测量，无论什么样的器件或机件运转的应用领域。普遍接受的是转矩系在具有旋转机件系统控制中的绝对基本参数，传感由旋转机件经受的即时转矩而根据它产生一电流，该电流与转矩有一已知的关系，使能经过微处理机或另外的设备对那些驱动旋转部件的发动机、机器、电动机等初期的问题进行及早诊断或控制。

实质上可以发现本发明的转矩传感器可应用于每一个具有旋转机件的设备。已经需要灵敏的、易起感应的和廉价的磁性转矩传感器，用以监视发动机和动力传动装置中的转矩，以改善全部性能和燃料节省、控制废气排出以及调节传动比;用以监视在船舶推进系统的转矩，以检测和校正来自推进机构的降额输出和舱面误动作的影响以及推进器损坏;用以监视在直升机涡轮的转矩以避免过载和以检测例如由喷沙或喷盐引起的功率损失。也有需要本发明提供的这种转矩传感器用以控制所有类型的重工业机器，例如用以保持纤维质量的木浆研磨机、造纸机等等和用于消费者家庭和商业设备，例如食品搅拌机和处理机。此外，已经指出在例如机床、手工工具、机器人、信息设备、工业测量仪器、各种称量系统、电子功率辅助的动力转向装置和车辆牵引平衡的各种用途中需要小的、廉价的、敏感的、可靠的转矩传感器。

本发明的磁致弹性的转矩传感器的一个用途是由于这些传感器可能有助于能量守恒、环境洁净和安全，本发明的传感器特别有前途，以及因为它直接影响那么多的人，而业务是在内燃机和有关发动机动力传动 方面的使用。本发        矩传感器能在一足够宽的带宽上恢复发动机的转矩特征，以分辨在发动机空转和最高工作速度之间所有的点上显著的转矩作用现象的突出部分。转矩以准确和成本有效的方式检测，使能早期诊断由于发动机的功能条件的初期问题，有助于避免未能预料的故障，这故障可能限制了车辆在关键时刻的可靠性，以及改进和/或控制发动机及其动力传动的性能和经济性。

现代车辆的推动和其他根本功能的主动力是从内燃机的旋转输出轴获得的。不管发动机的类型，由这轴实际传送给车辆的功率只是下列二参数的数量积：旋转速度和传送转矩。两者当中，转矩是内涵的参数，因为旋转速度本身对发动机内部产生的转矩来说是间接的。正是有效转矩的大小设定了对于车辆加速度、其速度等级以及其他灵活性和性能因素的限制。车辆的成功使用和享受毕竟取决于其发动机在其全工作速度范围提供功能上所需的转矩的能力。

除了透平机是驱动恒定负载的情况外，通过发动机输出轴传递的转矩是急剧波动的，这些波动既反映了发动机产生的转矩的周期性变化，也反映了车辆负载所加的转矩的瞬态变化。在活塞式发动机中，每个汽缸只是在其动力冲程期间产生转矩。多汽缸发动机通过重叠各汽缸的定相动力冲程，而达到产生的转矩的某种连续性。虽然由此也减少了输出转矩的周期性变化，以及由于发动机内部运动部件的合成惯性，进一步减少输出转矩的周期性变化，但各汽缸产生的转矩的强烈脉动的特性还是通过输出轴而传递。周期性激劢的转矩振荡，连同改变连接的往复运动的部件的加速度成为附加的时变转矩分量，这种转矩的大小以及甚至方向还受到车辆运行条件变化的影响，例如，油门的位置，挡位，所装的负载，路面的倾斜和高低不平地形的影响。

虽然发动机输出轴上的转矩体现了这么多来源所产生作用的叠加，但是很多是互相强烈关联的，它们的组合形成表征发动机性能的有效图 象。这种图象的特征明显地是与具体的发动机作用有关的，例如汽缸点火。缺乏正常的特点，改变或产生新的特点就是不良功能的反映。异常的性能和现象是具体的发动机或传动路线障碍的征兆。虽然许多发动机的问题也可由它们对于总的性能的征兆作用和/或较客观的检测量（如进气总管压力，压缩、噪声特征，排气分析）而测出，但是没有一个对于共同表征发动真正功能的各种现象如转矩那样可灵敏地用数量表示。由于转矩是发动机的实际产物，测量间接相关的参数没有如测量转矩本身那样能清楚地鉴别输出不足的原因。再现转矩数据的普通方法（无论是用功率计，还是根据借助含有分级改变燃料流量和/或点火断续的程序的测量发动机无载加速和减速），只确定平均值，且缺乏清楚判断和控制所需要的详情，再现和分析发动机输出轴转矩图象（torque    signature）所含的信息能够判断初期的问题，有助于避免可能限制车辆在危急时的操作性能的不可预料的故障，以及改善和/或控制发动机及其动力传动的性能和经济性。问题的关键是再现足够的转矩信息，用于有意义的分析。

在一台12汽缸，4冲程，以4000rpm运转的发动机中，每秒钟有400个动力冲程和（至少）1600个气阀活动（开启或关闭）。透平发动机以平稳得多的动力输入而运行，但速度高达每秒500转。为了能区别这些显著事件的重要详情，转矩传感系统至少好几次必须具有高达最大事件率，即接近5KHz的相当平坦的频率特征曲线。频率特性曲线还必须向下伸展至零Hz，以真实地俘获由车辆负载所加的稳状转矩分量。

虽然全部带宽显然希望作为最有效的判断工具，但直至10Hz的低频频谱所含的信息精确地描述了发动机对于控制（输入）和负载（输出）变化的总响应。根据这种信息，不仅可以客观地估量性能的变化，而且它在另一领域（控制发动机及相关的动力传动）还有潜在的重要应用。

一个具有5KHz带宽量的转矩传感器是不能任意地被定位的。当借 助离散位置上的接触力将转矩加到发动机转轴的时，转矩是通过连续的应力分布沿轴向传递的。瞬变转矩现象不是即时传递的，也不是沿着转轴保持不变的。实际的转轴材料限定的弹性和惯性相结合而限制了转矩变化的传递速度。急剧的瞬变引起振荡地交换以材料和形态的相关特性速度沿转轴移动的弹性能和动能（应力波）。传递转矩的保真度由于内外摩擦的积累耗散效应而随着离开其波源的距离进一步减低。因此，传感器必须设置成充分靠近应力波源，以避免由于衰减，或者由于干扰和反射应力波的复杂结合而形成的背景“噪音”而丧失所需的转矩信息。

对于传感器的主要要求是：至少平行转轴的尺寸要小，它应是凹凸不平以及没有使用或时间方面的诸如磨损，腐蚀或痨劳的劣化作用。传感器应是适合于性能检验和校准的，尤其是万一修理和调换包括发动机转轴在内的转矩传感系统的部件。它对于发动机和传动系统的工艺性，运转和保养的影响应该很小，无论在任何情况下，转矩传感器的故障不应该有任何影响车辆其它的正常运转的意外后果。

无论是对于发动机，动力传动，还是其它用途，来龙去脉是很清楚的。一个合适的转矩传感器应是一个不引入注目的装置，这个装置较难误用，并能可靠地再现许多可在承受转矩的轴上得到的转矩信息。迄今为止有关本技术转矩传感器设想的情况，没有一种能满足这些要求。可是，本发明的磁致弹性转矩传感器在所有方面显得十分合适，并且将第一次制成用于工业仪器的廉价、可靠而灵敏的转矩传感器。