一种扭矩传感器

1.本实用新型涉及扭矩传感器领域，尤其涉及一种扭矩传感器。


背景技术：

2.铁磁材料在外力作用下，发生应变引起材料内部的磁化强度改变，这种现象称为逆磁致伸缩效应，也叫维拉里效应。
3.当铁磁材料在无受力情况下，材料内部磁畴排布无规律，磁畴之间的相互作用力使材料保持稳定；当材料受到拉应力时，磁畴向拉应力的方向偏转，使得材料的磁导率增大；当材料受到压应力时，磁畴会向压应力垂直方向偏转，材料的磁导率减小，现有技术中利用此特性制造逆磁致伸缩扭矩传感器。
4.但一般铁磁性轴磁致伸缩系数小，所以导致扭矩传感器的灵敏度低。


技术实现要素：

5.本实用新型的目的在于提供一种扭矩传感器，解决了一般铁磁性轴磁致伸缩系数小，所以导致扭矩传感器的灵敏度低的问题。
6.为实现上述目的，本实用新型提供了一种扭矩传感器，包括铝棒，还包括检测组件；所述检测组件包括激励线圈、检测线圈、galfenol栅片、磁扼和信号调理模块，所述galfenol栅片与所述铝棒固定连接，并位于所述铝棒的一侧，所述磁扼与所述铝棒固定连接，并与所述galfenol栅片贴合，且位于所述铝棒靠近所述galfenol栅片的一侧，所述激励线圈卷绕在所述磁扼上，并位于所述磁扼的一侧，所述检测线圈卷绕在所述磁扼上，并位于所述磁扼远离所述激励线圈的一侧；所述信号调理模块包括同相跟随电路、运算放大电路和滤波电路，所述运算放大电路与所述同相跟随电路连接，所述滤波电路与所述运算放大电路连接。
7.其中，所述同相跟随电路包括集成运放u1和集成运放u2；所述集成运放u1的引脚6与引脚2连接，所述集成运放u1的引脚6还与所述运算放大电路连接；所述集成运放u2的引脚6与引脚2连接，所述集成运放u2的引脚6还与所述运算放大电路连接。
8.其中，所述运算放大电路包括集成运放u3、电容c1和电阻rg；所述集成运放u3的引脚2与所述集成运放u2的引脚6连接，所述集成运放u3的引脚3与所述集成运放u1的引脚6连接，所述集成运放u3的引脚6与所述滤波电路连接；所述电容c1的一端与正电源连接，所述电容c1的另一端接地；所述电阻rg的一端与所述集成运放u3的引脚8连接，所述电阻rg的另一端与所述集成运放u3的引脚1连接。
9.其中，所述滤波电路包括集成运放u4、电阻r4、电阻r5、电容c2、电容c3、电容c4、电阻r6和电阻rf2；所述电阻r4与所述集成运放u3的引脚6连接；所述电阻r5的一端与所述电阻r4连接，所述电阻r5的另一端与所述集成运放u4的引脚3连接；所述电阻r6的一端与所述集成运放u3的引脚2连接，所述电阻r6的另一端接地；所述电容c4的一端与所述集成运放u4的引脚7连接，所述电容c4的另一端接地；所述电阻rf2的一端与所述集成运放u4的引脚6连
接，所述电阻rf2的另一端分别与所述集成运放u4的引脚6和所述电阻r6连接；所述电容c3的一端分别与所述集成运放u4的引脚4和电阻r5连接，所述电容c3的另一端接地；所述电容c2的一端与所述集成运放u4的引脚6连接，所述电容c2的另一端分别连接电阻r4和电阻r5。
10.其中，所述扭矩传感器还包括信号采集模块，所述信号采集模块包括数模转换电路、单片机mcu和上位机，所述数模转换电路与所述集成运放u4的引脚6连接；所述单片机mcu与所述数模转换电路连接；所述上位机与所述单片机mcu连接。
11.本实用新型的一种扭矩传感器，本实用新型的扭矩传感器测量方法为通过信号发生器为所述励磁线圈提供稳定的交流电压信号，加载的扭矩力通过所述铝棒传递到所述galfenol栅片，所述铝棒表面粘贴的所述galfenol栅片收到拉应力而使磁导率增大，从而改变所述检测线圈的输出电压，通过所述信号调理模块采集改变的电压信号幅值，就可以得到被测扭矩的大小，本实用新型结构简单，可根据应用环境不同，选择不同频率的激励信号、放大电路的放大倍数，从而提高精度，降低了成本。
附图说明
12.为了更清楚地说明本技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
13.图1是本实用新型的扭矩传感器的结构示意图。
14.图2是本实用新型检测线圈的安装结构示意图。
15.图3是本实用新型的栅片结构示意构图。
16.图4是本实用新型的磁扼结构示意图。
17.图5是本实用新型的扭矩传感器磁通回路示意图。
18.图6是本实用新型的信号调理模块和信号采集模块的结构示意图。
19.图7是本实用新型的信号调理模块的结构示意图。
20.图8是f h＝1khz的巴特沃斯二阶有源低通滤波器的幅频特性曲线。
21.图9是本实用新型的信号采集模块的结构示意图。
22.图中：4-铝棒、20-检测组件、1-激励线圈、2-磁扼、3-检测线圈、5-galfenol栅片、60-信号调理模块、90-信号采集模块、6-同相跟随电路、7-运算放大电路、8-滤波电路、9-数模转换电路、10-单片机mcu、11-上位机。
具体实施方式
23.下面详细描述本实用新型的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本实用新型，而不能理解为对本实用新型的限制。
24.请参阅图1至图7，本实用新型提供一种扭矩传感器，包括铝棒4和检测组件20，所述检测组件20包括激励线圈1、检测线圈3、galfenol栅片5、磁扼2和信号调理模块60，所述galfenol栅片5与所述铝棒4固定连接，并位于所述铝棒4的一侧，所述磁扼2与所述铝棒4固定连接，并与所述galfenol栅片5贴合，且位于所述铝棒4靠近所述galfenol栅片5的一侧，所述激励线圈1卷绕在所述磁扼2上，并位于所述磁扼2的一侧，所述检测线圈3卷绕在所述磁扼2上，并位于所述磁扼2远离所述激励线圈1的一侧；所述信号调理模块60包括同相跟随
电路6、运算放大电路7和滤波电路8，所述运算放大电路7与所述同相跟随电路6连接，所述滤波电路8与所述运算放大电路7连接。
25.请参阅图7，所述同相跟随电路6包括集成运放u1和集成运放u2；所述集成运放u1的引脚6与引脚2连接，所述集成运放u1的引脚6还与所述运算放大电路7连接；所述集成运放u2的引脚6与引脚2连接，所述集成运放u2的引脚6还与所述运算放大电路7连接。
26.请参阅图7，所述运算放大电路7包括集成运放u3、电容c1和电阻rg；所述集成运放u3的引脚2与所述集成运放u2的引脚6连接，所述集成运放u3的引脚3与所述集成运放u1的引脚6连接，所述集成运放u3的引脚6与所述滤波电路8连接；所述电容c1的一端与正电源连接，另一端接地；所述电阻rg的一端与所述集成运放u3的引脚8连接，另一端与所述集成运放u3的引脚1连接。
27.在本实施方式中，所述磁扼2为u形磁扼，其底部加宽粘贴于所述铝棒4表面，所述磁扼2的底面曲率半径与所述铝棒4曲率半径相同，且内侧表面与所述galfenol栅片5紧密贴合；所述galfenol栅片5的下表面曲率半径与所述铝棒4表面曲率半径相同，且粘贴在所述铝棒4的表面，且位于所述磁扼2投影在所述铝棒4表面的面积部分；所述galfenol栅片5的结构为敏感栅结构，栅格的方向与所述铝棒4的中轴线方向平行，能够减小galfenol材料的刚度，使其能够承受更大应变而不被损坏，敏感栅的缝隙尽量小，不会对磁路产生较大磁阻；所述激励线圈1和所述检测线圈3分别绕在所述磁扼2的两端，线圈匝数比为1：1，所述激励线圈1的绕线方向为顺时钟方向，所述检测线圈3的绕线方向为逆时钟方向，因此根据电磁感应现象，所述检测线圈3电压的相位和所述激励线圈1的电压相位是相同的，对所述激励线圈1输入稳定的交流电压信号，由于电磁感应现象，在所述检测线圈3会产生与激励同频率、同幅值、同相位的感应电压，此时，磁通渗透到所述galfenol栅片5内，所述磁扼2与所述galfenol栅片5构成闭合磁通回路；考虑所述galfenol栅片5的趋附效应，趋附效应的本质是从导体表面向内传播衰减电磁波所产生的物理效应，其表现为当变化的电流在导体中流动时，电流区域导体表面流动，函数关系为：
28.其中，d为交变磁场穿透材料的深度；w为交变磁场的圆频率；μ为磁致伸缩材料的磁导率；γ为磁致伸缩材料的电导率，本实用新型采用的所述galfenol栅片5，激励信号超过1khz之后，交变磁场的穿透所述galfenol栅片5的深度开始减小，削弱了激励信号的能量，使得所述检测线圈3的感应电动势减小，因此，激励信号频率可选取500hz-1khz；当对所述铝棒4施加扭矩时，应力通过所述铝棒4的表面传递到所述galfenol栅片5，使其受到拉应力而产生形变，从而改变所述galfenol栅片5的磁导率和磁通，使得所述检测线圈3上面的感应电压的幅值发生改变，上述对所述铝棒4加载扭矩的情况下，所述检测线圈3的输出电压幅值发生改变，其相位和频率均与激励信号的相位和频率相同，通过检测激励信号与感应电压之间幅值的变化，可以标定施加扭矩的大小与输出电压变化的大小之间的关系，所述检测线圈3电压改变的量与施加扭矩的大小相对应，所述扭矩传感器的激励信号与输出信号均通过所述同相跟随电路6与所述信号调理模块60隔离，所述激励线圈1的激励信号和所述检测线圈3的输出信号均作为所述检测电路的输入信号input1和input2，输入信号input1连接到所述集成运放u2的引脚3，所述集成运放u2的输出引脚6引入负反馈到输入引脚2构成同相电压跟随器，其输出信号连接到所述运算放大电路7的集成运放u3的输入引
脚2，输入信号input2连接到所述集成运放u1的引脚3，所述集成运放u1的输出引脚6引入负反馈到输入引脚2构成同相电压跟随器，其输出信号连接到所述运算放大电路7的所述集成运放u3的输入引脚3，所述电容c1连接在正电源与地之间，滤除纹波干扰，所述电阻rg连接在所述集成运放u3的引脚1和引脚8之间，作为所述集成运放u3的增益电阻，控制放大倍数；上述的所述扭矩传感器的所述检测线圈3的激励信号和所述检测线圈3的输出信号分别接入所述同相跟随电路6中的所述集成运放u1和所述集成运放u2，所述集成运放u1和所述集成运放u2增益为1，且具较高的输入阻抗和较低的输出阻抗，其作用为：1、减小所述扭矩传感器的内阻影响，使输出信号全部送入所述信号调理模块60；2、实现所述扭矩传感器与所述信号调理模块60的隔离；所述集成运放u1和所述集成运放u2的输出信号，分别输入到所述集成运放u3的同相输入端和反相输入端，进行减法运算和放大；由：
29.可得，所述运算放大电路7中的所述电阻rg的阻值为1kω时，增益g＝50，所述集成运放u3的引脚2和引脚3的输入，经过减法运算和放大之后，通过所述集成运放的引脚6输出，连接到下一级的所述滤波电路8。
30.请参阅图7，所述滤波电路8包括集成运放u4、电阻r4、电阻r5、电容c2、电容c3、电容c4、电阻r6和电阻rf2；所述电阻r4与所述集成运放u3的引脚6连接；所述电阻r5的一端与所述电阻r4连接，另一端与所述集成运放u4的引脚3连接；所述电阻r6的一端与所述集成运放u3的引脚2连接，另一端接地；所述电容c4的一端与所述集成运放u4的引脚7连接，另一端接地；所述电阻rf2的一端与所述集成运放u4的引脚6连接，另一端分别与所述集成运放u4的引脚6和所述电阻r6连接；所述电容c3的一端分别与所述集成运放u4的引脚4和电阻r5连接，另一端接地；所述电容c2的一端与所述集成运放u4的引脚6连接，另一端分别连接电阻r4和电阻r5。
31.在本实施方式中，所述扭矩传感器输出电压通过线圈电磁感应产生，存在高频噪声，所述电容c4连接在正电源与地之间，滤除纹波干扰；所述电阻r6和所述电阻rf2决定滤波器的增益；所述电阻r4、所述电阻r5、所述电容c2和所述电容c3决定滤波器的上限截止频率，利用集成运放u4构成低通滤波器，滤除高频噪声，所述集成运放u4低通滤波器对衰减速度无要求，采用具有平坦特性的巴特沃斯二阶有源低通滤波器，具体电路形式为塞伦凯电路，所述滤波电路8的截止fh为频率为：所述滤波电路8的输出output最终由后面的所述信号采集模块90进行采集。
32.请参阅图6和图9，所述扭矩传感器还包括信号采集模块90，所述信号采集模块90包括数模转换电路9、单片机mcu10和上位机11，所述数模转换电路9与所述集成运放u4的引脚6连接；所述单片机mcu10与所述数模转换电路9连接；所述上位机11与所述单片机mcu10连接。
33.在本实施方式中，所述数模转换电路9将前级所述滤波电路8输出的模拟信号转换为数字信号并保存数据，所述单片机mcu10通过iic时序从所述数模转换电路9读取采集到的数据，并通过uart协议将数据传输到所述上位机11；亦可采用mcu自带的adc模块进行模数转换，通过dma通道直接采集。
34.本实用新型的一种扭矩传感器，可采用频率为500hz-1khz的激励信号，所述
galfenol栅片5的形变均可使输出电压发生改变；所述信号调理模块60通过所述同相跟随电路6与所述扭矩传感器耦合，减小所述galfenol栅片5等效内阻的影响；所述检测电路可有效检测到电压的改变，且能滤除高频噪声，本实用新型可以预先估计要测量的扭矩的大小，调节所述放大电路的放大倍数，所述滤波电路8的上限截止频率，从而提高测量灵敏度，根据实际情况，改变交流激励信号的频率和幅值，适应不同情况下的测量要求。
35.以上所揭露的仅为本技术一种或多种较佳实施例而已，不能以此来限定本技术之权利范围，本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分流程，并依本技术权利要求所作的等同变化，仍属于本技术所涵盖的范围。