專利名稱：一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于磁、機電一體化數(shù)字式傳感器領(lǐng)域，具體涉及一種非接觸式磁阻轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器。
背景技術(shù)：
轉(zhuǎn)向扭矩、角度及方向是汽車行駛中的重要參數(shù)，特別是對于裝備有電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的汽車而言。扭矩傳感器是電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)是關(guān)鍵的部件之一。而將轉(zhuǎn)向扭矩、 角度及方向三者的測量集成到單一的傳感器上進行是汽車發(fā)展必然的選擇，同時非接觸式扭矩傳感器也必將代替接觸式扭矩傳感器。扭矩傳感器成本的降低及測量更加易于實現(xiàn)也將成為電動助力轉(zhuǎn)向快速發(fā)展的一個重要因素。因此為電動助力轉(zhuǎn)向提出一種符合條件的結(jié)構(gòu)并做出研究是非常必要的。傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)角傳感器，有的采用在旋轉(zhuǎn)軸上安裝加工有柵槽的齒盤，通過發(fā)光晶體管產(chǎn)生光源，光敏電阻元件接受光信號，輸出脈沖電信號，信號頻率對應一定的轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)， 實現(xiàn)轉(zhuǎn)速的測量。轉(zhuǎn)速傳感器的測量精度主要受柵槽齒的間距、光敏元件信號的分辨率和電路性能限制。傳統(tǒng)的扭矩傳感器也由轉(zhuǎn)速傳感器和受扭矩的彈性元件等組成。彈性元件上貼有應變片，彈性元件受扭矩后應力發(fā)生變化，應變片輸出電信號，通過集流環(huán)將信號引出， 信號大小對應一定的扭矩數(shù)據(jù)。為了克服傳統(tǒng)的轉(zhuǎn)角傳感器測量精度受到柵槽齒的間距和光敏元件信號分辨率的限制等不足以及轉(zhuǎn)矩信號測量精度不足，本文系統(tǒng)地探討和建立了一種基于磁阻效應的，可以同時測量轉(zhuǎn)向扭矩、角度及轉(zhuǎn)向方向的轉(zhuǎn)向傳感器。該傳感器精度很高，能夠滿足電動助力轉(zhuǎn)向系統(tǒng)的要求。目前，這種非接觸式轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)角傳感器適用于例如汽車的電動助力轉(zhuǎn)向技術(shù)方面作為電動助力轉(zhuǎn)向中主要參數(shù)轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)角來檢測因駕駛員的轉(zhuǎn)向操作而旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩。一般在檢測轉(zhuǎn)角所用的方法為一邊與轉(zhuǎn)向軸的轉(zhuǎn)向聯(lián)動而是主動齒輪一體旋轉(zhuǎn)，一邊根據(jù)與該主動齒輪嚙合的多個從動齒輪之間產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)的相位差，通過在ARM中的數(shù)據(jù)處理運算出絕對轉(zhuǎn)角。在檢測轉(zhuǎn)矩中所用的方法是通過一個扭桿將兩個軸連接在一起，在這兩個軸上面裝上旋轉(zhuǎn)角度的檢測裝置，當轉(zhuǎn)矩作用于兩軸之間并產(chǎn)生軸間的扭曲時，通過比較旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度可以檢測出轉(zhuǎn)矩。這樣不管是對轉(zhuǎn)角還是轉(zhuǎn)矩的測量都轉(zhuǎn)化為對轉(zhuǎn)角的測量。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服上述各種轉(zhuǎn)角測量存在的不足，本發(fā)明提供了一種基于磁阻效應來檢測絕對轉(zhuǎn)角的轉(zhuǎn)角測量裝置，來分別測量方向盤轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角和以及駕駛員所施加的轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明解決測量方向盤轉(zhuǎn)角的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是采用了一種大范圍高精度絕對轉(zhuǎn)角測量裝置，具有與旋轉(zhuǎn)體相連的主動齒輪9和與主齒輪嚙合的第一從動齒輪10和第二從動齒輪12 ；在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12中內(nèi)嵌有產(chǎn)生磁場的磁鐵11，在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的上方分別設(shè)置有測量轉(zhuǎn)角芯片組合17a和測量轉(zhuǎn)角芯片組合17b。所述第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的齒數(shù)不同主動齒輪9 與第一從動齒輪10的齒數(shù)比為3，與第二從動齒輪12的齒數(shù)比為2。所述磁阻芯片13距離磁鐵11距離不超過3mm?；诖搜b置設(shè)計的方向盤轉(zhuǎn)角傳感器可以滿足汽車方向盤5圈角度測量范圍要求，輸出角度分辨率可以達到0.1度，滿足車輛電子助力轉(zhuǎn)向(EPS )系統(tǒng)的使用要求。此裝置輸出的為絕對轉(zhuǎn)角，方向盤零點位置為機械記憶，傳感器掉電后下次上電仍可以記憶， 無需輔助系統(tǒng)計算或存儲零點位置。本發(fā)明借助基于磁阻效應(MR)的角度探測芯片測量單圈角度。該芯片將四個磁電阻(MR)構(gòu)成惠更斯電橋結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)可以減少外界環(huán)境對傳感器輸出穩(wěn)定性的影響，增加傳感器靈敏度。本發(fā)明解決測量轉(zhuǎn)矩的技術(shù)問題所采用的技術(shù)方案是將信號盤3與輸入軸部件 1通過過盈配合相固接，將測量輸入軸部件1與輸出軸部件6相對轉(zhuǎn)角的磁阻傳感器組件5 與輸出軸部件6相固接，這樣當輸入軸部件1與輸出軸部件6因轉(zhuǎn)矩作用發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的時候，二者之間會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)角。在外加磁場的作用下測量轉(zhuǎn)角芯片組合17可以檢測通過后處理芯片15得到這個角度，再通過后處理芯片15可以把所施加的轉(zhuǎn)矩計算出來。本發(fā)明的目的在于提供一種可以沒有誤差、高精度且高分辨率地檢測出轉(zhuǎn)向軸等旋轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)角度及轉(zhuǎn)矩的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置。本發(fā)明所提供的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置包括具有扭桿的軸部；檢測上述軸部的旋轉(zhuǎn)角度的旋轉(zhuǎn)角度檢測部；檢測上述扭桿彈簧8的扭轉(zhuǎn)角度的轉(zhuǎn)矩檢測部，其中，上述旋轉(zhuǎn)角度檢測部及上述轉(zhuǎn)矩檢測部通過利用彼此的檢測結(jié)果來提高自身的檢測精度。在上述的旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置中，旋轉(zhuǎn)角度檢測裝置在檢測軸部的旋轉(zhuǎn)角度時利用轉(zhuǎn)矩檢測部的檢測結(jié)果。另一方面，轉(zhuǎn)矩檢測部在檢測軸部的轉(zhuǎn)矩時利用旋轉(zhuǎn)角度檢測部的檢測結(jié)果。因此，與以往單獨地進行各種檢測的情況相比，可以高精度且高分辨率地檢測出軸部的旋轉(zhuǎn)角度及轉(zhuǎn)矩。本發(fā)明有益效果是實現(xiàn)非接觸式測量轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩，與以前的相關(guān)發(fā)明相比還具有結(jié)構(gòu)簡單，精度高，靈敏度高，壽命長等特點。


圖1是本發(fā)明傳感器整體的結(jié)構(gòu)圖。圖2是本發(fā)明轉(zhuǎn)角測量部件的機械部分的結(jié)構(gòu)圖。圖3是圖2的轉(zhuǎn)角信號測試的原理圖。圖4是磁阻芯片測量轉(zhuǎn)角信號電路圖。圖5是KMZ41磁阻芯片13輸出信號圖。圖6表示了轉(zhuǎn)角信號處理流程圖。圖7表示了轉(zhuǎn)矩信號測量示意圖。圖8表示了轉(zhuǎn)矩信號測量原理圖。標記說明1輸入軸部件，2轉(zhuǎn)角測量部件，3信號盤，4臺架盤，5磁阻傳感器組件，6輸出軸部件，7銷，8扭桿彈簧，9主動齒輪，10第一從動齒輪，11磁鐵，12第二從動齒輪，13 KMZ41磁阻芯片，14 UZZ9001微處理芯片，15后處理芯片，17測量轉(zhuǎn)角芯片組合，17a 第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合，17b第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明進一步說明。如圖1所示的本發(fā)明的整體結(jié)構(gòu)圖。從外觀看輸入軸部件1和輸出軸部件6并沒有直接連接在一起，但內(nèi)部卻通過扭桿彈簧8相連接。輸入軸部件1與扭桿彈簧是通過銷連接固定在一起的，輸出軸部件6與扭桿彈簧8之間是通過另一個銷連接固定。轉(zhuǎn)角測量部件2和輸入軸部件1連接固定在一起，可以測量輸入軸部件的絕對轉(zhuǎn)角。轉(zhuǎn)角測量部件2主要包括主動齒輪9，第一從動齒輪10，第二從動齒輪12，磁鐵11，測量轉(zhuǎn)角芯片組合 17 (包括KMZ41磁阻芯片13以及UZZ9001微處理芯片14)等。其中如圖3所示第一從動齒輪10上面的磁鐵11對應著第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合17a，第二從動齒輪12上面的磁鐵11 對應著第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合17b，通過測量轉(zhuǎn)角芯片組合17可以分別測得第一從動齒輪 10和第二從動齒輪12轉(zhuǎn)過的轉(zhuǎn)角，再把測得的角度值發(fā)送給后處理芯片15經(jīng)過計算以后得到測量輸入軸部件1所轉(zhuǎn)過的角度值。因此轉(zhuǎn)角測量部件2主要作用是測量輸入軸部件 1所轉(zhuǎn)過的角度，實現(xiàn)傳感器測量轉(zhuǎn)角的功能。信號盤3是用硅鋼加工成的齒輪形裝置，再外加磁場的激勵下會產(chǎn)生較強的磁場，通過過盈配合與輸入軸部件1連接在一起，當輸入軸部件1旋轉(zhuǎn)一定角度時會帶動信號盤3轉(zhuǎn)動相同的角度，引起測量轉(zhuǎn)角芯片組合17周圍的磁場變化。磁阻傳感器組件5主要包括矩形磁鐵11和測量轉(zhuǎn)角芯片組合17，測量轉(zhuǎn)角芯片組合17貼在矩形磁鐵11上面。 磁阻傳感器組件5可以測得在測量轉(zhuǎn)矩時輸入軸部件1和輸出軸部件6之間的相對轉(zhuǎn)角。 磁阻傳感器組件5固定在信號盤3上面，信號盤3和輸出軸部件6通過過盈配合連接在一起。當輸出軸部件6轉(zhuǎn)動一定角度時會帶動信號盤3轉(zhuǎn)動從而帶動磁阻傳感器組件5轉(zhuǎn)動同樣的角度。當傳感器在測量轉(zhuǎn)矩時，輸入軸部件1被加載扭矩，信號盤3跟隨輸入軸部件 1 一起轉(zhuǎn)動，磁阻傳感器組件5跟隨輸出軸部件6 —起轉(zhuǎn)動，這樣信號盤3和磁阻傳感器組件5之間就會產(chǎn)生相對轉(zhuǎn)動，通過磁阻傳感器組件5可以測得相對轉(zhuǎn)角，利用測得的相對轉(zhuǎn)角值可以在后處理芯片15中計算出轉(zhuǎn)矩值。該傳感器就實現(xiàn)了轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩同時測量。圖2所示的一種大范圍高精度絕對轉(zhuǎn)角測量部件2的機械部分主要包括主動齒輪9，第一從動齒輪10和第二從動齒輪12。其中主動齒輪9第一從動齒輪10和第二從動齒輪12與主動齒輪9嚙合；當輸入軸部件1轉(zhuǎn)動一定角度時，主動齒輪9也轉(zhuǎn)動同樣的角度，主動齒輪9通過齒輪嚙合帶動第一從動齒輪10和第二從動齒輪12分別轉(zhuǎn)動不同的角度(因為所述第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的齒數(shù)不同)。在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12中內(nèi)嵌有產(chǎn)生磁場的磁鐵11，在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的上方分別設(shè)置有第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合17a和第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合17b。其中第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合17a、第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合17b和測量轉(zhuǎn)角芯片組合17 (包括KMZ41磁阻芯片13以及UZZ9001微處理芯片14)是一樣的。其中KMZ41磁阻芯片13用于探測磁場方向變化，KMZ41磁阻芯片13將側(cè)的信號發(fā)送給UZZ9001微處理芯片14，經(jīng)過處理得到一個轉(zhuǎn)角數(shù)值以后再發(fā)送給后處理芯片15 ；這樣后處理芯片15將兩個轉(zhuǎn)角值經(jīng)過算法處理以后就得到輸入軸部件1所轉(zhuǎn)過的角度值，實現(xiàn)傳感器測量轉(zhuǎn)角功能。KMZ41磁阻芯片13距離磁鐵11距離不超過3mm。所述第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的齒數(shù)不同主動齒輪9與第一從動齒輪10的齒數(shù)比為3 5，與第二從動齒輪12的齒數(shù)比為2 3。圖3表示了測量轉(zhuǎn)角芯片組合17測量轉(zhuǎn)角信號的原理，當主動齒輪9旋轉(zhuǎn)運動， 轉(zhuǎn)過 ff度時候，從第一從動齒輪10 轉(zhuǎn)過0度和第二從動齒輪12轉(zhuǎn)過W度。由于第一從動齒輪10和第二從動齒輪12齒數(shù)不同，所以β*-。第一從動齒輪10和第二從動齒輪12旋轉(zhuǎn)運動分別帶動了與其鑲嵌磁鐵11 旋轉(zhuǎn)，因而引起了磁場的變化。在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12中內(nèi)嵌有產(chǎn)生磁場的磁鐵11，在第一從動齒輪10和第二從動齒輪12的上方分別設(shè)置有第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合17a和第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合17b。其中第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合17a、第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合17b和測量轉(zhuǎn)角芯片組合17(包括KMZ41磁阻芯片13以及UZZ9001微處理芯片14)是一樣的。其中KMZ41磁阻芯片13用于探測磁場方向變化，KMZ41磁阻芯片13將側(cè)的信號發(fā)送給UZZ9001微處理芯片14，經(jīng)過處理得到一個轉(zhuǎn)角數(shù)值以后再發(fā)送給后處理芯片15 ； 這樣后處理芯片15將兩個轉(zhuǎn)角值經(jīng)過算法處理以后就得到主動齒輪9轉(zhuǎn)過的絕對轉(zhuǎn)角1P。 由于輸入軸部件1和主動齒輪9通過過盈配合連接在一起，因此主動齒輪9轉(zhuǎn)過的絕對轉(zhuǎn)角-就是輸入軸部件1所轉(zhuǎn)過的角度值，實現(xiàn)傳感器測量轉(zhuǎn)角的功能。圖4表示了轉(zhuǎn)角信號測量的部分電路圖。通過圖中可以知道測量轉(zhuǎn)角芯片組合17包括KMZ41磁阻芯片13和UZZ9001微處理芯片14。當?shù)谝粡膭育X輪10和第二從動齒輪12中間鑲嵌的磁鐵旋轉(zhuǎn)一定角度時，KMZ41磁阻芯片13可以檢測到磁場的變化，將測得轉(zhuǎn)角信號轉(zhuǎn)換為正弦信號，KMZ41磁阻芯片13的兩組輸出信號可以表示為 JT(O^T) 二 Jfn ⑴趙
權(quán)利要求
1.一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，包括輸入軸部件、輸出軸部件、扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角測量部件、磁阻傳感器組件、信號盤、臺架盤；其特征在于輸入軸部件和輸出軸部件通過扭桿彈簧相連接；轉(zhuǎn)角測量部件和輸入軸部件連接固定在一起，可以測量輸入軸部件的絕對轉(zhuǎn)角；信號盤和輸入軸部件連接在一起，臺架盤和輸出軸部件連接在一起，磁阻傳感器組件安裝在臺架盤上；當在輸入軸部件被加載扭矩，信號盤跟隨輸入軸部件一起轉(zhuǎn)動，將轉(zhuǎn)矩信號轉(zhuǎn)換成角度信號，信號盤和磁阻傳感器組件之間有相對轉(zhuǎn)動，可以測得相對轉(zhuǎn)角，利用相對轉(zhuǎn)角進而可以測出轉(zhuǎn)矩；實現(xiàn)同時測量轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于輸入軸部件與扭桿彈簧通過銷機械連接，輸出軸部件與扭桿彈簧通過銷機械連接。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于信號盤是用硅鋼加工成的齒輪型部件，信號盤和輸入軸部件通過過盈配合機械連接在一起，臺架盤和輸出軸部件通過過盈配合機械連接在一起，磁阻傳感器組件通過螺釘機械固定在臺架盤上。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于轉(zhuǎn)角測量部件包括主動齒輪、第一從動齒輪、第二從動齒輪，主動齒輪和輸入軸部件機械連接；第一從動齒輪和第二從動齒輪和主動齒輪嚙合；第一從動齒輪和第二從動齒輪中均嵌有產(chǎn)生磁場的磁鐵；第一從動齒輪的上方設(shè)置有磁阻芯片，該磁阻芯片和第一從動齒輪中的磁鐵的距離不超過3mm;第二從動齒輪的上方也設(shè)置有磁阻芯片，該磁阻芯片和第二從動齒輪中的磁鐵的距離不超過3mm;磁阻芯片用于探測磁場方向的變化；上述兩個磁阻芯片分別安裝在第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合和第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合中。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于將信號盤與輸入軸部件通過過盈配合相固接，將測量輸入軸部件與輸出軸部件相對轉(zhuǎn)角的磁阻傳感器組件與輸出軸部件相固接，當輸入軸部件與輸出軸部件因轉(zhuǎn)矩作用發(fā)生相對轉(zhuǎn)動的時候，二者之間會產(chǎn)生一個相對轉(zhuǎn)角；在外加磁場的作用下磁阻傳感器組件中的磁阻芯片可以檢測到這個角度，再通過后處理芯片可以把所施加的轉(zhuǎn)矩計算出來。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于第一從動齒輪和第二從動齒輪的齒數(shù)不同主動齒輪與第一從動齒輪的齒數(shù)比為3 5，與第二從動齒輪的齒數(shù)比為2 3。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于磁阻傳感器組件與信號盤的距離不超過2 mm。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種非接觸式轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩傳感器，其特征在于主動齒輪和從動齒輪旋轉(zhuǎn)時，安裝在第一從動齒輪上方的第一測量轉(zhuǎn)角芯片組合中的磁阻芯片和安裝在第二從動齒輪上方的第二測量轉(zhuǎn)角芯片組合中得磁阻芯片檢測隨第一從動齒輪和第二從動齒輪中磁鐵的旋轉(zhuǎn)而發(fā)生的磁場變化。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種的基于磁阻效應的用于檢測精密機構(gòu)高精度轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩的傳感器，包括輸入軸部件、輸出軸部件、信號盤、托盤、扭桿彈簧、轉(zhuǎn)角測量部件、磁阻傳感器組件。轉(zhuǎn)角測量部件固定在輸入軸部件上面用于測量絕對轉(zhuǎn)角值；信號盤固定在輸入軸部件上面加上固定在臺架盤上面的磁阻傳感器組件來測量轉(zhuǎn)矩值。在測量轉(zhuǎn)角和轉(zhuǎn)矩都采用了KMZ41磁阻芯片，因而不與測量的部件直接接觸。本發(fā)明其結(jié)構(gòu)緊湊、結(jié)構(gòu)強度高，精度高、壽命長，可方便獲得轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)矩值。
文檔編號G01B7/30GK102506698SQ20111034354
公開日2012年6月20日 申請日期2011年11月4日 優(yōu)先權(quán)日2011年11月4日
發(fā)明者周磊磊, 姜武華, 畢玲峰, 王金波, 趙林峰, 陳無畏 申請人:合肥工業(yè)大學