磁致伸缩扭矩传感器原理介绍

一．引言

在回转轴扭矩的测量方法主要有两大类型：一类是以回转轴的扭转角为基本检测量，它是利用转轴受扭矩作用，产生扭矩变形，两横截面的相对扭转角与扭矩成正比的原理来测量扭矩；另一类是利用转轴受扭矩作用而产生的主应力或主应变为基本检测量。

目前扭矩检测主要是采取主应力或主应变的测量方法，而相应的主流测量方案是采用电阻应变片的方式，但电阻应变片检测属于接触型检测，存在着摩擦阻力大，工作寿命短和信号误差大等缺点。与之相比，用逆磁致伸缩效应来检测扭矩，则具有灵敏度更高的特点，并且它是以磁场为信号传输媒介，使得传感器与回转轴不接触，可以方便地实现扭矩的非接触测量。

那么逆磁致伸缩扭矩传感器的工作原理是什么？

二．逆磁致伸缩扭矩传感器的工作原理

1. 磁致伸缩效应

图1 磁致伸缩效应

铁磁材料，包括铁、镍、钴及其合金，会因为磁化强度的变化而发生尺寸和形状的变化，这种效应称为磁致伸缩效应，也称为焦耳效应。通常磁致伸缩效应导致的形变在原尺寸的万分之一~百万分之一。

2. 维拉里效应

与磁致伸缩效应相反，向磁致伸缩材料施加应力，会改变其磁性（磁导率），例如，扭转磁致伸缩元件或磁化导线，会导致磁化强度的变化，这种现象称为维拉里效应。

3. 扭矩测量原理

逆磁致伸缩扭矩传感器利用的就是维拉里效应，是指铁磁性材料受到机械应力（如扭矩作用引起的应力）作用时，其材料的导磁性发生改变，尤其是磁导率发生变化的现象。

轴受到扭矩作用时，其轴表面会产生最大剪应力。如图2所示为受扭材料的切向和法向应力在单元面积上的平面应力状态。对于受纯扭的轴，转轴表面上单元平面边缘处的法向应力为。当φ=45°时，法向应力最大，此时

其中M为轴所受扭矩，W_p为轴的抗扭截面模数。

图2 单位面积上的平面应力状态

因此逆磁致伸缩效应扭矩传感器的任何结构设计都要考虑轴上最大应力的作用方向，即将转轴磁导率相对的最大变化方向配置在传感器相应的磁路中。

这样当M=0时，轴不显示逆磁致伸缩效应，传感器的输出为0；

当M≠0时，轴显示逆磁致伸缩效应，传感器输出与轴上扭矩成单值函数的电压或电流。

图3 磁头型传感器结构示意图

通过T→∆σ→∆μ→∆R_m→∆V信号转换过程，就可以测量出扭矩。

其中：T   扭矩；

      ∆σ 被测轴表面最大正应力变化量；

      ∆μ 被测轴磁导率的变化量；

      ∆R_m 被测轴磁阻的变化量；

      ∆V  传感器输出电压的变化量；

三．参考资料

1. https://zhuanlan.zhihu.com/p/637683612

2. https://www.docin.com/p-87580253.html

3. http://www.360doc.com/content/24/0507/08/72148632_1122573027.shtml