环形球栅扭矩测量原理研究

　　1　引　　言

　　在各种类型机械传动系统中,常见的恶性故障主要是传动轴系的损坏。因此扭矩作为反映机械传动系统工作状态的一个重要的力学参数,越来越引起科学家、工程技术人员和企业管理者们的重视。通过对扭矩的分析,可以获得整个传动系统的性能参数[1-3]。扭矩的测量比其他力学物理量的测量复杂,特别是极端环境下的扭矩测量,目前还处于比较薄弱环节。因此,通过扭矩测量,实现对机械主轴传动系统动态特性的监测、诊断与控制,是目前国内外学者关注的研究热点之一。

　　近几年,有很多新兴的扭矩测量方法被关注[4-6]。比如有学者依据载流导体在磁场中受到磁力作用的原理,研制了一种磁致伸缩位移动态扭矩传感器[7];也有学者采用多普勒效应测量两个截面的相对速度,经过积分得到两截面的相对转角[8];又如清华大学研制的无线无源声表面波(SAW)扭矩传感器[9];燕山大学提出了无线供电的电感式大型机械设备扭矩传感器[10]。但以上大部分都不能在极端恶劣环境下进行有效检测。

　　针对以上问题,提出一种环形球栅扭矩测量方法,该方法具有抗振、防水、防尘、防油且高灵敏度的特性。

　　2　环形球栅的结构及工作原理

　　环形球栅传感器主要由球栅圆环和电磁式读数头组成,其结构原理如图1所示。

　　其中的球栅圆环是由非磁性的不锈钢管精密加工做成,内装尺寸和磁性相同的磁性钢珠,这些钢珠在圆环内紧密排列。而其中的读数头用铝制外壳制成,内装两组线圈,线圈绕在马蹄形铁芯上,一组为激励线圈;另一组则为次级线圈,球栅圆环和读数头的结构如图2、3所示。

　　若设激励电流为正弦稳态形式且其角频率为w时,用相量表示次级线圈的互感电压为:

　　若设线圈相对球栅圆环的位移为x,并设某一磁珠的球心为0点,则互感系数可表达为:

　　其中的θ是感应电压和激励电压之间的固有相差,其值与线圈的等效电阻和等效电感有关。从而感应电压的幅值受到环形位移x的调制,则对感应电压信号进行解调,即可得到环形位移的变化量。

　　3　基于环形球栅的扭矩测量原理

　　在机械传动系统中,扭转构件的受力特点是:构件两端受到两个垂直于轴线平面内的力偶作用,两力偶大小相等方向相反。在这样一对力偶的作用下,其变形特点是:各个横截面绕轴线发生相对转动,这时任意两个横截面间有相对的角位移,这个角位移称为扭转角。

　　传递法测量扭矩就是利用扭矩使弹性轴产生扭转变形的方法来测量其扭矩。当扭矩M作用在直径为d、长度为L的弹性轴上时,轴将在材料的弹性极限内产生与扭矩成线性关系的扭转角φ,有[12]: