專利名稱：用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及的是一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的裝置，具體是一種基于永磁、磁致伸縮和 壓電等材料或器件復(fù)合作用的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器。
背景技術(shù)：
傳統(tǒng)方式的轉(zhuǎn)角或扭矩傳感器都采用粘貼應(yīng)變片并組成橋路進(jìn)行軸系的扭轉(zhuǎn)測 量，而準(zhǔn)確實(shí)時監(jiān)測高速回轉(zhuǎn)機(jī)械的性能，對于如汽車、航空發(fā)動機(jī)、機(jī)床等交通工具和設(shè) 備的使用性能優(yōu)化和運(yùn)行安全都至關(guān)重要，這也迫切需要一種集成化的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，可以用 來同時監(jiān)測轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向以及準(zhǔn)靜態(tài)和動態(tài)轉(zhuǎn)矩的變化，目前研制這樣一種功能集成 的一體化旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)存在很大困難。經(jīng)過對現(xiàn)有技術(shù)的檢索發(fā)現(xiàn)，中國專利申請?zhí)?00510115149，記載了一種“夾環(huán)式 扭矩傳感器”，該技術(shù)采用應(yīng)變片來實(shí)現(xiàn)扭矩信號的采集和傳感，那么應(yīng)變片的粘貼部位的 選擇，電橋的靈敏度都是信號獲取質(zhì)量的關(guān)鍵，特別是應(yīng)變片所采集的信號必須通過纜線 傳導(dǎo)，所以對于轉(zhuǎn)動軸系的檢測這種有纜傳感的方式，使用起來很不方便，甚至對于高速轉(zhuǎn) 動該方式不能使用。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明針對現(xiàn)有技術(shù)存在的上述不足，提供一種用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和 轉(zhuǎn)矩的傳感器，其結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，無需電源驅(qū)動的情況下可方便獲得傳感電信號， 該信號與被檢測機(jī)構(gòu)的轉(zhuǎn)角、轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)數(shù)具有直接對應(yīng)關(guān)系，傳感信號靈敏、精 確。作為傳感部件，其結(jié)構(gòu)簡單，方便在對被檢測系統(tǒng)不作任何改變時，與被檢測裝置或系 統(tǒng)一體化集成，特別適合于轉(zhuǎn)動軸系的連接和集成應(yīng)用。本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實(shí)現(xiàn)的，本發(fā)明包括固定套筒、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、磁致變形 體、力轉(zhuǎn)換體、勵磁永磁體、傳感體緊固件、轉(zhuǎn)動套筒緊固件，其中勵磁永磁體設(shè)置于旋轉(zhuǎn) 機(jī)構(gòu)上，磁致變形體、力轉(zhuǎn)換體和傳感體緊固件依次固定串聯(lián)連接并設(shè)置于固定套筒上，固 定套筒與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不相接觸。所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動套筒、轉(zhuǎn)動套筒緊固件和轉(zhuǎn)軸，其中轉(zhuǎn)動套筒和轉(zhuǎn)軸 由外而內(nèi)依次套接，若干個轉(zhuǎn)動套筒緊固件分別設(shè)置于轉(zhuǎn)動套筒上，轉(zhuǎn)軸的外側(cè)與轉(zhuǎn)動套 筒緊固件固定連接。所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)在另一種實(shí)施方式下直接采用轉(zhuǎn)軸替代；所述的勵磁永磁體設(shè)置于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的外端面上。所述的不相接觸是指旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)活動設(shè)置于固定套筒的內(nèi)部或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)活動設(shè)置 于固定套筒的外部且兩者同軸旋轉(zhuǎn)。所述的磁致變形體和力轉(zhuǎn)換體在受力方向上串聯(lián)固接成一個傳感體，該傳感體嵌 入在固定套筒壁中，由傳感體緊固件固定在固定套筒中使得傳感體與固定套筒無間隙接觸 連接。
所述的磁致變形體的末端設(shè)有磁偏置永磁體；所述的傳感體的個數(shù)為一個以上沿固定套筒徑向、軸向或以陣列方式排布。所述的力轉(zhuǎn)換體為應(yīng)變材料體、壓電材料體、磁致伸縮材料體、電光材料體、磁光 材料體或電熱材料體。當(dāng)勵磁永磁體相對傳感體旋轉(zhuǎn)時，勵磁永磁體經(jīng)歷由遠(yuǎn)至近再遠(yuǎn)離這樣一個偏轉(zhuǎn) 過程，由于勵磁永磁體的磁場對磁致變形體施加磁激勵，致使其變形伸長或收縮而產(chǎn)生應(yīng) 變，該應(yīng)變會作用在力轉(zhuǎn)換體上，而致使力轉(zhuǎn)換體產(chǎn)生對應(yīng)的電信號或磁信號，并且所產(chǎn)生 的信號強(qiáng)度相應(yīng)勵磁永磁體的偏轉(zhuǎn)，發(fā)生由弱到強(qiáng)再到弱的過程并產(chǎn)生對應(yīng)電或磁信號， 該電/磁信號的強(qiáng)度變化與勵磁永磁體的偏轉(zhuǎn)角度有對應(yīng)關(guān)系，所以通過檢測勵磁永磁體 轉(zhuǎn)動過程中的電/磁信號的變化可以標(biāo)定力轉(zhuǎn)換體的信號與勵磁永磁體及轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度 之間的關(guān)系，從而通過測量力轉(zhuǎn)換體的信號，而得到轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)變化的角度。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)1、實(shí)現(xiàn)了一種兼有轉(zhuǎn)角和扭矩傳感功能 的傳感器；2、實(shí)現(xiàn)了一種小角度轉(zhuǎn)角和準(zhǔn)靜態(tài)扭轉(zhuǎn)據(jù)傳感功能；3、實(shí)現(xiàn)了一種軸系旋轉(zhuǎn)狀 態(tài)下的轉(zhuǎn)矩傳感；4、實(shí)現(xiàn)了一種軸系旋轉(zhuǎn)方向和旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)數(shù)計(jì)數(shù)傳感功能；5、傳感器結(jié)構(gòu)簡 單，組成部件少，并且安裝方便，不需改變被測轉(zhuǎn)軸的任何現(xiàn)有結(jié)構(gòu)?；谝陨蟽?yōu)點(diǎn)，本發(fā)明可用于各種回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，或各種需要進(jìn)行扭力、扭矩檢測的機(jī) 構(gòu)或器件。


圖1為實(shí)施例1結(jié)構(gòu)示意圖。圖2為實(shí)施例2結(jié)構(gòu)示意圖。圖3為實(shí)施例3結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實(shí)施例方式下面對本發(fā)明的實(shí)施例作詳細(xì)說明，本實(shí)施例在以本發(fā)明技術(shù)方案為前提下進(jìn)行 實(shí)施，給出了詳細(xì)的實(shí)施方式和具體的操作過程，但本發(fā)明的保護(hù)范圍不限于下述的實(shí)施 例。如圖1所示，本實(shí)施例包括固定套筒1、轉(zhuǎn)動套筒2、轉(zhuǎn)軸3、磁致變形體5、力轉(zhuǎn)換 體6、勵磁永磁體7、傳感體緊固件8、轉(zhuǎn)動套筒緊固件9，其中固定套筒1、轉(zhuǎn)動套筒2和轉(zhuǎn) 軸3由外而內(nèi)依次套接，勵磁永磁體7以及兩個轉(zhuǎn)動套筒緊固件9分別設(shè)置于轉(zhuǎn)動套筒2 上，磁致變形體5、力轉(zhuǎn)換體6和傳感體緊固件8依次固定串聯(lián)連接并設(shè)置于固定套筒1上。所述的磁致變形體5和力轉(zhuǎn)換體6在受力方向上串聯(lián)固接成一個傳感體，該傳感 體嵌入在固定套筒1中并與傳感體緊固件8固定在固定套筒1中，并保證在傳感體受力方 向上傳感體與固定套筒無間隙接觸連接。所述的轉(zhuǎn)軸3的外側(cè)與轉(zhuǎn)動套筒2緊固件固定連接。所述的固定套筒1固定不動，轉(zhuǎn)動套筒2和勵磁永磁體5隨轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動。本實(shí)施例工作時，根據(jù)該裝配組成和結(jié)構(gòu)形式，傳感體由于在受力方向上的上下 兩端被固定在固定套筒1壁中，如圖1、2所示，當(dāng)轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)動帶動與其固連的轉(zhuǎn)動套筒2上 的勵磁永磁體7隨動，勵磁永磁體7相對傳感體旋轉(zhuǎn)，并且如圖1所示，勵磁永磁體7逆時針
4轉(zhuǎn)動，其一極相對傳感體可實(shí)現(xiàn)由遠(yuǎn)至近再遠(yuǎn)離這樣一個偏轉(zhuǎn)過程，由于勵磁永磁體7的 磁場對磁致變形體5 (如巨磁致伸縮材料體)施加磁激勵，致使其變形伸長或收縮而產(chǎn)生應(yīng) 變，該應(yīng)變會作用在力轉(zhuǎn)換體6 (如壓電材料或磁致伸縮材料)上，而致使力轉(zhuǎn)換體6產(chǎn)生 對應(yīng)的電信號或磁信號，并且所產(chǎn)生的信號強(qiáng)度相應(yīng)勵磁永磁體7的偏轉(zhuǎn)，發(fā)生由弱到強(qiáng) 再到弱的過程。因此，在以上過程中，傳感體兩端卡死在管壁內(nèi)時，磁致變形體5受勵磁永磁體7 磁場的“由弱到強(qiáng)再變?nèi)酢弊兓倪^程，對應(yīng)產(chǎn)生伸長和收縮復(fù)原的過程，而伸長和收縮復(fù) 原產(chǎn)生的力將直接作用在力轉(zhuǎn)換體6上，而產(chǎn)生對應(yīng)電或磁信號，該電或磁信號的強(qiáng)度變 化與勵磁永磁體7的偏轉(zhuǎn)角度產(chǎn)生對應(yīng)關(guān)系，并進(jìn)行標(biāo)定后，則檢測勵磁永磁體7轉(zhuǎn)動過程 中的電/磁信號的相應(yīng)變化及強(qiáng)度，可以得到轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)變化的角度。特別是對于當(dāng)轉(zhuǎn)軸3 轉(zhuǎn)動角度小于360度的情況，轉(zhuǎn)軸3帶動勵磁永磁體7轉(zhuǎn)動靠近和遠(yuǎn)離傳感體的過程和程 度都可以由力轉(zhuǎn)換體6所傳輸出來的對應(yīng)信號的強(qiáng)弱反應(yīng)出來。所以，標(biāo)定好感應(yīng)電/磁 信號的強(qiáng)弱變化與轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動角度的關(guān)系，檢測到傳感體電磁信號可以檢測轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)的角 度。這種檢測轉(zhuǎn)角的實(shí)施方式也可以用于檢測由于外力作用在轉(zhuǎn)軸3上時，轉(zhuǎn)軸3發(fā)生微 小扭轉(zhuǎn)，致使勵磁永磁體7的一極靠近傳感體的程度發(fā)生對應(yīng)改變，而使力轉(zhuǎn)換體6感應(yīng)信 號相應(yīng)改變，標(biāo)定之后，可以實(shí)現(xiàn)檢測作用在轉(zhuǎn)軸3上的準(zhǔn)靜態(tài)扭力下的微轉(zhuǎn)角扭力矩。對于以上實(shí)施例，還存在一種轉(zhuǎn)軸3動態(tài)回轉(zhuǎn)的情形，當(dāng)轉(zhuǎn)軸3在沒有負(fù)載或有負(fù) 載但達(dá)到動平衡轉(zhuǎn)動時，勵磁永磁體7每隨轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)一周經(jīng)過傳感體產(chǎn)生感應(yīng)信號的時 間是固定的，但是當(dāng)轉(zhuǎn)軸3帶動負(fù)載或所帶動的負(fù)載發(fā)生變化時，即動平衡產(chǎn)生變化時，則 會在轉(zhuǎn)軸3上產(chǎn)生一個扭轉(zhuǎn)矩，致使轉(zhuǎn)軸3在該扭轉(zhuǎn)矩的作用下發(fā)生(微)扭曲，該扭曲將 致使固連在轉(zhuǎn)軸外側(cè)的勵磁永磁體7相對于在無負(fù)載或負(fù)載無變化時的狀態(tài)時產(chǎn)生一個 隨轉(zhuǎn)軸3扭曲變形產(chǎn)生的軸切向扭轉(zhuǎn)彈性變形微小角位移。該微小角位移會導(dǎo)致勵磁永磁 體7經(jīng)過傳感體時，傳感體所產(chǎn)生的感應(yīng)電/磁信號相比沒有負(fù)載或負(fù)載無變化時所產(chǎn)生 的感應(yīng)信號的周期之間產(chǎn)生一個(瞬時)微小感應(yīng)信號相位差，該相位差與轉(zhuǎn)矩變化存在 對應(yīng)關(guān)系。所以如果傳感體足夠靈敏，那么此時通過檢測負(fù)載變化前后傳感信號檢測周期 的相位差，通過標(biāo)定，便可以測出回轉(zhuǎn)情況下轉(zhuǎn)軸3所承受的扭力矩。另外，在以上實(shí)施過程中，對于傳感體，當(dāng)勵磁永磁體7作用在磁致變形體5上的 磁場方向與作用在磁致變形體5上的磁場同向時，勵磁永磁體7旋轉(zhuǎn)時，磁致變形體5的勵 磁強(qiáng)度將會在勵磁永磁體7的同向磁場激勵下進(jìn)一步加強(qiáng)，使變形量先進(jìn)一步增加，從而 力轉(zhuǎn)換體6所受壓力增大，感應(yīng)電磁信號進(jìn)一步加強(qiáng)，然后隨著勵磁永磁體7的繼續(xù)旋轉(zhuǎn)， 勵磁永磁體7的一極遠(yuǎn)離的同時，另一極逐漸靠近，而削弱作用于磁致變形體5上的磁場， 而使磁致變形體5在初始永磁偏置的基礎(chǔ)上縮短，從而力轉(zhuǎn)換體6所受壓力減小，感應(yīng)壓電 /磁信號相應(yīng)減弱。在這種情況下，傳感電信號可顯示“先強(qiáng)后弱”的信號形式。同理，當(dāng)勵 磁永磁體7初始旋轉(zhuǎn)以之前相反，那么傳感電信號可顯示“先弱后強(qiáng)”的信號形式。此時， 根據(jù)這兩種信號形式，我們可以判定轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)的方向，以及還可以根據(jù)信號由強(qiáng)到弱，或由 弱到強(qiáng)變化的次數(shù)判定轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)數(shù)，即可以檢測到了轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器。實(shí)施例2如圖2所示，本實(shí)施例包括固定套筒1、轉(zhuǎn)軸3、磁偏置永磁體4、磁致變形體5、力 轉(zhuǎn)換體6、勵磁永磁體7和傳感體緊固件8，其中固定套筒1和轉(zhuǎn)軸3由外而內(nèi)依次套接，
5勵磁永磁體7設(shè)置于轉(zhuǎn)軸3上，磁偏置永磁體4、磁致變形體5、力轉(zhuǎn)換體6和傳感體緊固件 8依次固定串聯(lián)連接并設(shè)置于固定套筒1上。所述的勵磁永磁體7設(shè)置于轉(zhuǎn)軸3的外端面上，此種情形下，轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)軸3或直接轉(zhuǎn) 動永磁體7 (如用手轉(zhuǎn)動)，也可以實(shí)現(xiàn)實(shí)施例1所能檢測的相應(yīng)功能。實(shí)施例3如圖3所示，本實(shí)施例中所述的轉(zhuǎn)軸3為管狀結(jié)構(gòu)，所述外套管1及其傳感體置于 轉(zhuǎn)軸3的內(nèi)部并實(shí)現(xiàn)上述實(shí)施例中記載的各種傳感功能。通過以上所述的裝置和實(shí)施技術(shù)環(huán)節(jié)，本裝置通過檢測勵磁永磁體7在轉(zhuǎn)動過程 中激勵傳感體上的力轉(zhuǎn)換體6而產(chǎn)生相應(yīng)電/磁信號的變化，本裝置首先對于小于360度 轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動情況所提裝置傳感器可以作為轉(zhuǎn)角或準(zhǔn)靜態(tài)扭力下轉(zhuǎn)軸的扭矩傳感器。其次，通 過標(biāo)定所產(chǎn)生電/磁信號與勵磁永磁體7即轉(zhuǎn)軸3在旋轉(zhuǎn)動平衡建立前后的轉(zhuǎn)動角度或轉(zhuǎn) 動周期相位變化之間的對應(yīng)關(guān)系，可得到轉(zhuǎn)軸3旋轉(zhuǎn)變化的角度或扭轉(zhuǎn)力矩。最后，根據(jù)所 提裝置的傳感體中設(shè)置的永磁偏置環(huán)節(jié)，所述傳感器還可以是轉(zhuǎn)軸3轉(zhuǎn)向和轉(zhuǎn)數(shù)傳感器。
權(quán)利要求
一種用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其特征在于，包括固定套筒、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、磁致變形體、力轉(zhuǎn)換體、勵磁永磁體、傳感體緊固件、轉(zhuǎn)動套筒緊固件，其中勵磁永磁體設(shè)置于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，磁致變形體、力轉(zhuǎn)換體和傳感體緊固件依次固定串聯(lián)連接并設(shè)置于固定套筒上，固定套筒與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不相接觸。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其特征是， 所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)包括轉(zhuǎn)動套筒、轉(zhuǎn)動套筒緊固件和轉(zhuǎn)軸，其中轉(zhuǎn)動套筒和轉(zhuǎn)軸由外而內(nèi) 依次套接，兩個轉(zhuǎn)動套筒緊固件分別設(shè)置于轉(zhuǎn)動套筒上，轉(zhuǎn)軸的外側(cè)與轉(zhuǎn)動套筒緊固件固 定連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其特征是， 所述的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)為轉(zhuǎn)軸。
4.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其 特征是，所述的勵磁永磁體設(shè)置于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)的外端面上。
5.根據(jù)權(quán)利要求1或2或3所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其 特征是，所述的不相接觸是指旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)活動設(shè)置于固定套筒的內(nèi)部或旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)活動設(shè)置 于固定套筒的外部且兩者同軸旋轉(zhuǎn)。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其特征是， 所述的磁致變形體和力轉(zhuǎn)換體在受力方向上串聯(lián)固接成一個傳感體，該傳感體嵌入在固定 套筒壁中，由傳感體緊固件固定在固定套筒中使得傳感體與固定套筒無間隙接觸連接。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其特征 是，所述的磁致變形體的末端設(shè)有磁偏置永磁體。
8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其特征是， 所述的傳感體的個數(shù)為一個以上沿固定套筒徑向、軸向或以陣列方式排布。
9.根據(jù)權(quán)利要求1或6所述的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，其特征 是，所述的力轉(zhuǎn)換體為應(yīng)變材料體、壓電材料體、磁致伸縮材料體、電光材料體、磁光材料體 或電熱材料體。
全文摘要
一種傳感器技術(shù)領(lǐng)域的用于檢測精密機(jī)構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，包括固定套筒、旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、磁致變形體、力轉(zhuǎn)換體、勵磁永磁體、傳感體緊固件、轉(zhuǎn)動套筒緊固件，勵磁永磁體設(shè)置于旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)上，磁致變形體、力轉(zhuǎn)換體和傳感體緊固件依次固定串聯(lián)連接并設(shè)置于固定套筒上，固定套筒與旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)不相接觸。本發(fā)明其結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)強(qiáng)度高，無需電源驅(qū)動的情況下可方便獲得傳感電信號。
文檔編號G01B7/30GK101975548SQ20101029147
公開日2011年2月16日 申請日期2010年9月26日 優(yōu)先權(quán)日2010年9月26日
發(fā)明者楊斌堂 申請人:上海交通大學(xué)