Магнитоупругий датчик крутящего момента Советский патент 1983 года по МПК G01L3/10 

Изобретение относится к силоизме рительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента и осевого усилия на вращающихся валах. Известен магнитоупругий датчик крутящегомомента, содержащий установленную концентрично валу кольцевую электромагнитную систему, состоящую из цепи возбуждения в виде кольцевого многополюсного статора с катушками, включенными последовательно, и измерительной цепи в виде совокупности П-образных магнитопроводов, расположенных вдоль оси вала между полюсами возбуждения, с измерител ными катушками, включенными встречно С 1. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату к изобретению является мапнитоупругий датчик крутящего момента, содер жащий установленную концентрично ферромагнитному валу кольцевую-элек ромагнитную систему с тремя рядами Iявновыраженных полюсов, на которых размещены возбуждающие катушки и ка тушки измерительных обмоток, и изме рительную схему С2 . Недостатком известных датчиков является низкая точность измерения в условиях действия осевых нагрузок Целью изобретения является повышение точности измерения и расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности выделения информации о величине осевого усилия. Указанная- цел достигается тем, что в датчике, содержащем установленную концентрично ферромагнитному валу кольцевую электромагнитную систему с тремя рядами явновыраженных полюсов, на которых размещены возбуждающие катушки и катушки изме рительных обмоток и измерительную схему, электромагнитная система выполнена в виде двух частей, симметричных относительно плоскости, проходящей через ось вала, возбуждающи катушки каждой части размещены на полюсах крайних рядов, при этом лиНИИ, проходящие через центры указан ных полюсов каждой части электромагнитной системы, ориентированы под углом 45 к оси вала и под угло ЭО одна к другой, причем на крайних полюсах среднего ряда одной и друго частей размещены соответственно катушки первой и второй измерительных обмоток датчикам, третья и;31Мерительная обмотка образована катушками, размещенными на средних полюсах ере него рядаобеих частей электромагнитной системы, четвертая измерительная обмотка - катушками, расположенными на полюсах крайних рядов обеих частей указанной системы, линия размещения которых параллельна оси вала, при этом возбуждающие ка тушки обеих частей соединены встречно-параллельно, катушки каждой измерительной обмотки - встречно-последовательно, а измерительная схема выполнена в виде четырех выпрямителей, двух схем сравнения, двух операционных усилителей и множительного устройства, причем первая и вторая измерительная обмотки через соответствующие первый и второй выпрямители соединены, соответственно с первым и вторым входами одной схемы сравнения, третья и четвертая измерительные обмотки через соответствующие третий и четвертый выпрямители соответственно - с первым и Вторым входами другой схемы сравнения, выход одной схемы сравнения связан с прямым входом первого операционного усилителя, инверсные входы которого соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя и выходом множительного устройства, при этом выход первого операционного усилителя соединен с инверсным входом второго операционного усилителя и одним входом множительного устройства, другой вход которого связан с выходом второго операционного усилителя. На фиг.1 изображен предлагаемый датчик; на фиг.2. - то же, вид сбоку; на фиг.З - развертка кольцевой электромагнитной системы; на фиг.4 измзрительная схема. Магнитоупругий датчик крутящего момента (фиг.1-3) содержит кольцевую электромагнитную систему 1, установленную концентрично ферромагнитному валу 2. Электромагнитная система выполнена в виде двух частей 3 и 4 (фиг.З), симметричных относительно плоскости, проходящей через ось вала. Каждая часть электромагнитной системы имеет три- ряда явновыраженных полюсов: возбуждающих 5 и измерительных б, на которых расположены, соответственно, возбуждающие катушки 7 и измерительные катушки 8-11. Линии, проходящие через центры возбуждающих полюсов 5 каждой части электромагнитной системы, расположенные на полюсах крайних рядов, ориентированы под углом 45 к оси вала и под углом 90 одна к другой. На крайних, полюсах среднего ряда одной и другой частей электромагнитной системы размещены катушки 8 и 9 соответственно, первой и второй измерительных обмоток датчика. Третья измерительная обмотка образована катушками 10, размещенными на средних полюсах среднего ряда обеих частей электромагнитной системы, а четвертая измерительная-обмотка - катушками 11, расположенньми на полюсах крайних рядов обеих частей указанной системы, линия расположения которых параллельна оси вала. Возбуждающие катушки 7 обеих частей соединены встречнр-параллельно (фиг.4), при этом полярность возбуждёиоцих полюсов чвредуется вдоль развертки электромагнитной системы. Катуыки каждой измерительной обмотки соединены встречно-последовательно. Измерительная схема датчика содержит две схемы 12 и 13 сравнения, четыре выпрямителя 14 - 17, два операционных усилителя 18 и 19 и множительное устройство 20.(Резисторы на входах и в цепях обратных связей операционных усилителей не показаны).

Первая и вторая измерительные обмотки (фиг.4) через соответствующие первый 14 и второй 15 выпрямители соединены, .соответственно, с первым и вторым входами одной схемы 12 сравнения, третья и четвертая измерительные обмотки - через соответствующие третий 16 и четвёртый 17 выпрямители соответствейно с первым и вторым входами другой схемы 13 сравнения.

Выход схемы 12 сравнения связан с прямым входом первого операционного усилителя 18, инверсные входы которого соединены соответственно с выходом второго операционного усилителя 19 и выходом множительного устройства 20, Выход операционного уси.лителя 18 соединен с инверсным входом операционного усилителя 19 и входом множительного устройства 20, другой вход которого связан с выходом усилителя 19.

Датчик работает следующим образом.

При приложении к валу крутящего момента в сжимаемых участках вала магнитная проницаемость уменьшается, ЭДС, наводимая в измерительных катушках 8 и снимаемая с клемм U-j« уменьшается, В растягиваемых участках вала магнитная проницаемость

увеличивается и ЭДС, наводимая в измерительных катушках 9 и снимаемая с клемм Uj, возрастает. ЭДС, снимаемые с клемм U и U выпрямляются выпрямителями 14 и 15 и поступают

на вх-одсхемы 12 сравнения, выходное напряжение котс5рой U-, при пропорционально крутящему моменту на валу. .

При приложении к валу растягивающего осевого усилия Р ЭДС, наводимая в измерительных катушках 10 и (Снимаемая с клемм Uj, возрастает (по сравнению с ЭДС при ), тогда как ЭДС в кат5аиках 11, снимаемая с

клемм 4 , не изменяется ЭДС, снимаемые G клемм Uj и О , выпрямляются выпрямителями 16 и 17 и поступают на вход схемы 13 сравнения, выходное напряжение которой Uj при М.0 пропорционально осевому усилию в ва. ле..

При одновременном действии на вал крутящего, момента М и осевого усилия Р напряжения U и Uj связаны

с Р и М соотношениями

и к м-4- КгР + KjMp:;

и .Н- КдМ,

где - постоянные коэффициенты.

Дли выделения сигналов (напряжений) , пропорциональных моменту М и усилию Р (, используются операцион-i ные усилители 18 и 19 и множительное устройство 20. При этом выходное напряжение U вых1 опера дионного усилителя 18 пропорционально крутящему моменту М, а выходное напряжение Ujb, операционного усилителя 19 пропорционсшьно осевому усилию Р.

Использование в предлагаемом датчике четырех измерительных мобмоток и схемы выделения информации о величине крутящего мсялента и осевого усилия позволяет повысить точнЬсть измерения крутящего момента в условиях совместного действия указанных нагрузок и расширить его функциональные возможности.

МАГНИТОУПРУГИЙ ДАТЧИК КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА, содержащий установленную концентрично ферромагнитному валу кольцевую электромагнитную систему с тремя рядами явновыраженных полюсов, на которых размещены возбуждающие катушки и катушки измерительных обмоток, и измерительную схему, отличающийся тем, что, с целью повышения точности измерения и расширения функциональных возможностей путем обеспечения возможности выделения информации о величине осевого усилия, в нетл электромагнитная система выполнена в виде двух частей, симметричных отно- сительно плоскости, проходящей через ось вала, возбуждающие катушки каждой части размещены на полюсах крайних рядов, при этом линии, проходящие через центры указанных полюсов каждой части электромагнитной системы, ориентированы под углом 45 к оси вала и под углом .к ffpyгой, причем на крайних полюсах среднего ряда одной и другой частей размещены соответственно катушки первой и второй измерительной обмоток , третья измерительная обмотка о азована катушками, размещенными на средних полюсах среднего ряда обеих частей электромагнитной системы, четвертая измерительная обмотка - катушками, расположенными на полюсах крайних рядов o6eHk частей указанной системы, линия размещения .которых параллельна.оси вала, при этом возбуждакадие катушки обеих частей соединены встречно-параллельно, катушкикаждой измерительной обмотки - встречно-последовательно, а измерительная схема выполнена в виде четырех выпрямителей, двум схем сравнения, двух операционных усилителей и множительного устрой(Л ства, причем пёрвая и вторая измерительные обмотки через соответствующие первый и второй выпрямители соединены соответственно с первым и вторым входают одной схемы сравнения, третья и четвертая измерительные обмотки через соответствующие третий и четвертый выпрямители соответственно - с первым и вторым входами другой схемы сравнения, выход СП одной схемы сравнения связан с пря- ел ъ/кал входом первого операционного ,усилител я, инверсные входы которого со соединены соответственно с выходом -V) второго операционного усилителя и выходом множительного устройства, при этом выход первого операционного усилителя соединен с инверсным входом второго операционного усилителя и одним входом множительного устройства, другой вход которого связан с выходом второго операционного усилителя .

1h

10

У

.

ф1/г.З