趙　浩

（嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江嘉興314001）

一種基于霍爾效應(yīng)的扭矩傳感器*

趙浩*

（嘉興學(xué)院南湖學(xué)院，浙江嘉興314001）

扭矩的測(cè)量對(duì)旋轉(zhuǎn)機(jī)械在各種載荷下的動(dòng)態(tài)特性研究起著關(guān)鍵的作用，為此，設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的扭矩傳感器。傳感器主要包括傳感器軸、內(nèi)鐵心和外鐵心，其中內(nèi)、外鐵心分別置于傳感器軸的兩端，且分別裝配永磁磁鋼和霍爾傳感器。傳感器工作時(shí)，霍爾傳感器通入直流控制電壓，永磁體建立恒定磁場(chǎng)，當(dāng)負(fù)載扭矩加載后，傳感器軸產(chǎn)生形變，內(nèi)、外鐵心中的霍爾傳感器和恒定磁場(chǎng)的相對(duì)位置發(fā)生變化，霍爾傳感器輸出與負(fù)載扭矩相對(duì)應(yīng)的電信號(hào)。最后對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，結(jié)果表明傳感器的靈敏度約為31.5 mV（/N·m），非線性誤差約為2.49%，遲滯誤差約為0.47%，重復(fù)性誤差約為0.8%。

扭矩傳感器；霍爾效應(yīng)；輸出特性；標(biāo)定

EEACC：7230；7320E doi：10.3969/j.issn.1004-1699.2016.10.007

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，扭矩測(cè)量技術(shù)在工業(yè)、航空航天、農(nóng)業(yè)、軍事等多個(gè)領(lǐng)域獲得了廣泛的應(yīng)用，例如在殼式斷路器測(cè)試系統(tǒng)中，通過扭矩傳感器的實(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)來確定步進(jìn)電機(jī)的工作狀態(tài)，使得斷路器雙金屬片上的螺母能夠精確鎖緊［1］；采用動(dòng)態(tài)扭矩傳感器對(duì)雙電機(jī)的轉(zhuǎn)速同步性能進(jìn)行檢測(cè)，得到雙電機(jī)在不同轉(zhuǎn)速下的力矩差，以保證轉(zhuǎn)臺(tái)精確穩(wěn)定地運(yùn)行［2］。

近年來許多專家在扭矩測(cè)量方面進(jìn)行了大量的研究，設(shè)計(jì)了多種新型扭矩傳感器，包括磁阻式轉(zhuǎn)矩傳感器［3］、基于STM32的高精度扭矩測(cè)量系統(tǒng)［4］、閉磁路磁電式轉(zhuǎn)矩傳感器［5］、基于螺管形差動(dòng)變壓器的非接觸式扭矩傳感器［6］、差動(dòng)感應(yīng)式扭矩傳感器［7］、基于LabVIEW的旋轉(zhuǎn)輪軸扭矩測(cè)試系統(tǒng)［8］、基于FPGA的感應(yīng)移相式扭矩測(cè)量系統(tǒng)［9］、一種機(jī)器人諧波減速器內(nèi)嵌扭矩傳感器［10］、高線性度分段激磁式扭矩傳感器［11］、基于納米晶軟磁合金的磁彈性扭矩傳感器［12］、基于轉(zhuǎn)角差法的扭矩傳感器設(shè)計(jì)［13］和一種雙梁式動(dòng)態(tài)扭矩-轉(zhuǎn)速傳感器［14］等等。

本文設(shè)計(jì)了一種基于霍爾效應(yīng)的扭矩傳感器，詳細(xì)闡述了傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和工作原理，推導(dǎo)了傳感器的輸出特性，最后對(duì)傳感器進(jìn)行了標(biāo)定，得到了傳感器的性能指標(biāo)，結(jié)果表明傳感器具有較高的靈敏度，可望得到推廣和應(yīng)用。

1　傳感器機(jī)械結(jié)構(gòu)

圖1為設(shè)計(jì)的扭矩傳感器結(jié)構(gòu)圖，主要包括傳感器軸、兩個(gè)支架、外環(huán)鐵心、內(nèi)環(huán)鐵心、霍爾傳感器、永磁磁鋼和配套軸承。其中內(nèi)環(huán)鐵心通過支架2與傳感器軸的左端固定；支架1與傳感器軸的右端采用一體化設(shè)計(jì)，外環(huán)鐵心固定在支架1的內(nèi)側(cè)；支架2與傳感器軸的右端通過軸承隔開；內(nèi)外環(huán)鐵心之間存在空氣隙。

圖1　扭矩傳感器結(jié)構(gòu)圖

圖2為扭矩傳感器對(duì)應(yīng)的A-A剖面圖，永磁磁鋼為四片，均勻分布的固定在內(nèi)環(huán)鐵心的間隙中；霍爾傳感器為四個(gè)，均勻分布的固定在外環(huán)鐵心的間隙中；無負(fù)載扭矩作用時(shí)，永磁磁鋼和霍爾傳感器在空間上的初始位置為相互錯(cuò)開45°。

圖2　扭矩傳感器剖面圖

根據(jù)上述機(jī)械結(jié)構(gòu)對(duì)傳感器的各個(gè)配件進(jìn)行加工，組裝完成后的傳感器樣機(jī)如圖3所示。

圖3　扭矩傳感器實(shí)物圖

2　傳感器工作原理及特性

2.1霍爾效應(yīng)

霍爾效應(yīng)原理圖如圖4所示，在與磁場(chǎng)垂直的半導(dǎo)體薄片上通電流I，假設(shè)載流子為電子（N型半導(dǎo)體材料），它沿與電流I相反的方向運(yùn)動(dòng)。由于洛侖茲力fL的作用，電子將向一側(cè)偏轉(zhuǎn)（如虛線箭頭方向），從而形成電子的積累，同時(shí)另一側(cè)形成正電荷的積累，在傳感器的橫向形成電場(chǎng)，電場(chǎng)阻止電子繼續(xù)向側(cè)面偏移，當(dāng)電子所受到的電場(chǎng)力fE與洛侖茲力fL相等時(shí)，電子積累達(dá)到動(dòng)態(tài)平衡，此時(shí)在兩端橫面之間建立的電勢(shì)稱為霍爾電勢(shì)UH，且：

式中，KH為傳感器的靈敏度，表示霍爾傳感器在單位磁感應(yīng)強(qiáng)度和單位控制電流下霍爾電勢(shì)的大??；B為磁場(chǎng)的磁感應(yīng)強(qiáng)度，當(dāng)磁感應(yīng)強(qiáng)度B和霍爾傳感器平面法線成角度α?xí)r，霍爾傳感器兩端的霍爾電勢(shì)為：

圖4　霍爾效應(yīng)原理圖

2.2扭矩測(cè)量原理

當(dāng)彈性軸受到負(fù)載扭矩作用時(shí)，彈性軸兩端的截面會(huì)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角，在轉(zhuǎn)軸彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角與負(fù)載扭矩存在如下關(guān)系式［15］：

式中，Δθ為軸的扭轉(zhuǎn)角（rad）；T為負(fù)載扭矩（N·m）；L為軸的工作長(zhǎng)度（m）；D為軸的直徑（m）；G為軸材料的剪切模量（N/m2）。

當(dāng)傳感器軸未受負(fù)載扭矩作用時(shí)，永磁磁鋼形成的磁場(chǎng)與霍爾傳感器的相對(duì)位置如圖5所示，霍爾傳感器的接線如圖6所示，其中虛線代表磁力線的走向。四個(gè)霍爾傳感器的電壓輸入端采用串聯(lián)的方式連接，通入直流控制電壓后產(chǎn)生電流I，由于磁場(chǎng)與霍爾傳感器平面法線的夾角α=90，根據(jù)式（2）可知，霍爾傳感器的霍爾電勢(shì)為零。

傳感器轉(zhuǎn)軸受負(fù)載扭矩作用時(shí)，傳感器軸端面產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)角Δθ，固定在傳感器轉(zhuǎn)軸上的永磁磁鋼與霍爾傳感器的空間相對(duì)位置發(fā)生改變，磁場(chǎng)與霍爾傳感器的相對(duì)位置如圖7所示，傳感器的接線如圖8所示。磁場(chǎng)與霍爾傳感器平面法線的夾角α=90-θ，根據(jù)式（2）可知，霍爾傳感器的霍爾電勢(shì)不為零，且與扭轉(zhuǎn)角Δθ存在對(duì)應(yīng)關(guān)系。

圖5　負(fù)載扭矩零時(shí)磁鋼磁場(chǎng)與霍爾傳感器相對(duì)位置圖

圖6　負(fù)載扭矩為零時(shí)霍爾傳感器接線圖

圖7　負(fù)載扭矩加載時(shí)磁鋼磁場(chǎng)與霍爾傳感器相對(duì)位置圖

圖8　負(fù)載扭矩加載時(shí)傳感器接線圖

假設(shè)某瞬時(shí)霍爾傳感器的電流方向如圖8所示，傳感器中的電荷受到磁場(chǎng)洛倫茲力的作用，集聚后霍爾電勢(shì)的極性如圖8所示，將四片霍爾傳感器產(chǎn)生的霍爾電勢(shì)采用串聯(lián)的方式連接，最終以a、b兩個(gè)端子引出，兩端的霍爾電勢(shì)為：

在傳感器轉(zhuǎn)軸的彈性范圍內(nèi)，扭轉(zhuǎn)角Δθ較小，因此：

聯(lián)立式（3）和式（5）得：

由式（6）可知，霍爾電勢(shì)與負(fù)載扭矩成正比，可以通過標(biāo)定獲得比例系數(shù)，完成后即可用于扭矩測(cè)量。

3　傳感器的標(biāo)定

采用高精度扭力扳手對(duì)傳感器進(jìn)行標(biāo)定，為使傳感器軸工作在彈性范圍內(nèi)，軸所受的最大剪應(yīng)力必須小于材料所允許的剪切比例極限，傳感器轉(zhuǎn)軸材料為40Cr，直徑為6 mm，長(zhǎng)度為100 mm，經(jīng)過理論計(jì)算表明轉(zhuǎn)軸的剪切比例極限約為80 N·m。為了保證一定的裕量，傳感器標(biāo)定時(shí)的最大加載扭矩約為50 N·m。

實(shí)驗(yàn)時(shí)傳感器中的霍爾傳感器型號(hào)為AH3503，所加直流電壓幅值為12 V；永磁磁鋼牌號(hào)為45H，剩磁為1.34 T，矯頑力為995 kA/m。得到的傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表1所示，對(duì)應(yīng)的輸出特性曲線如圖9所示。

根據(jù)表1的結(jié)果可得傳感器的靈敏度約為31.5 mV/（N·m），最大非線性誤差約為 2.49%，最大遲滯誤差約為 0.47%，重復(fù)性誤差約為0.8%。

表1　傳感器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)結(jié)果

圖9　傳感器輸出特性曲線

4　結(jié)束語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一種新型基于霍爾效應(yīng)的扭矩傳感器，詳細(xì)闡述了傳感器的機(jī)械結(jié)構(gòu)和測(cè)量原理，最后通過標(biāo)定得到了傳感器的各項(xiàng)性能指標(biāo)。鑒于扭矩傳感器的廣泛應(yīng)用，后續(xù)研究的重點(diǎn)是將研制的扭矩傳感器進(jìn)行實(shí)用化推廣，比如齒輪箱的狀態(tài)監(jiān)測(cè)和故障診斷、電動(dòng)機(jī)的參數(shù)性能測(cè)試等等。

［1］劉汝斌，程武山.扭矩傳感器在步進(jìn)電機(jī)控制系統(tǒng)中的應(yīng)用［J］.儀表技術(shù)與傳感器，2012（7）：3-5.

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［15］張有碩.轉(zhuǎn)矩測(cè)量技術(shù)［M］.北京：計(jì)量出版社，1986.

趙浩（1983-），男，講師，主要研究方向?yàn)樾陆Y(jié)構(gòu)傳感器設(shè)計(jì)、電機(jī)振動(dòng)特性分析及抑制方法研究。主持浙江省自然科學(xué)基金、浙江省教育廳科研項(xiàng)目和嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目等多項(xiàng)課題，在Sensors、Review of Scientific Instruments、Journal of Vibro-engineering和傳感技術(shù)學(xué)報(bào)、計(jì)量學(xué)報(bào)等期刊上發(fā)表多篇論文，zhaohao204@163.com。

A New Torque Sensor Based on Hall Effect*

ZHAO Hao*
（Nanhu College of Jiaxing University，Jiaxing Zhejiang 314001，China）

Torque measurement plays a key role on the dynamic characteristics studying of rotating machinery when under various loads，a torque sensor based on hall effect is designed in this paper.The torque sensor is consist of sensor shaft，inner core and outer core，the inner core and outer core are placed on the shaft two ends respectively，and permanent magnetic steel and hall element are assembled in inner core and outer core respectively.The hall sensor has DC excitation voltage，and a constant magnetic field established by permanent magnet，the intersection angle of the hall sensor and the constant magnetic field is changing with the load torque for the deformation of sensor shaft，resulting the amplitude of hall sensor output signal is corresponding to the value of load torque.The sensor is calibrated by torsion testing machine，the experiment results indicated the sensitivity of the sensor is about 31.5 mV/（N·m），the non-linear error is about 2.49%，the hysteresis error is about 0.47%，and the repeatability error is about 0.8%.

torque sensor；hall effect；output characteristic；calibration

TP212

A

1004-1699（2016）10-1505-04

項(xiàng)目來源：浙江省自然科學(xué)基金項(xiàng)目（LQ14E050007）；嘉興市科技計(jì)劃項(xiàng)目（2016AY13006，2015AY11018）

2016-04-03修改日期：2016-06-08