基于压磁效应的高弹性压磁本体及高弹性测力传感器

摘要

本发明公开了一种基于压磁效应的高弹性压磁本体及高弹性测力传感器，该压磁本体包括至少两层平行布置的圧磁材料薄片，任意两层相邻的所述圧磁材料薄片之间通过强度大于所述圧磁材料薄片强度的加强构件连接以形成压磁体，所述加强构件由无磁材料制成；所述圧磁材料薄片上设置有至少两组水平孔位和至少两组竖直孔位，所述水平孔位与所述竖直孔位垂直。本发明的有益效果为：通过加强构件的设置，提高了压磁体承载应力，拓宽了本发明的适用范围，与整体由圧磁材料制成的压磁体相比，外形尺寸相同的情况下能够适用于大吨位检测环境，由于使用了圧磁材料薄片因此可提供高励磁频率，从而减小了本发明所述的传感器的响应时间、保证了测量精度。

说明书

技术领域

本发明涉及轧钢自动化轧制力测量技术领域，具体涉及一种基于压磁效应的高弹性压磁本体及高弹性测力传感器。

背景技术

对于专利号为ZL 201110341029.2的专利所描述的电气原理其优点 (三线励磁、差动补偿、直流输出)是显而易见的，如(图七)所示。由于，压磁体采用整块的磁性材料制成的测力传感器，磁性材料本身强度低，所以其承载应力较低(单位承载应力仅在小于6Kgf/mm²时其输出特性才为线性关系)。对于大吨位高精度压磁式测力传感器而言(大吨位测力传感器单位承载应力要求10Kgf/mm²保持输出特性为线性关系)，却难以提高传感器的承载应力(理论上只需增大压磁体的外形尺寸即可满足承载应力的要求，但是当外形尺寸过大时，一来重量增加，不利于使用，二来某些检测环境的安装空间有限，外形尺寸过大的压磁体放入困难，甚至无法放入待检测的安装位置)。另外，由于压磁体本身为实体，而传感器只能用低频励磁难以提高传感器输出信号的响应时间及测量精度。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于压磁效应的高弹性压磁本体及高弹性测力传感器，用以解决现有承载应力低、励磁频率低、响应慢、外形尺寸过大的问题。

为实现上述目的，本发明的技术方案为

一方面，本发明公开了一种基于压磁效应的高弹性压磁本体，

包括至少两层平行布置的圧磁材料薄片，任意两层相邻的所述圧磁材料薄片之间通过强度大于所述圧磁材料薄片强度的加强构件紧固连接以形成压磁体，所述加强构件由无磁材料制成；

所述圧磁材料薄片上设置有至少两组水平孔位和至少两组竖直孔位，所述水平孔位与所述竖直孔位垂直，每组所述水平孔位内布置有水平线圈W1.2，每组所述竖直孔位内布置有垂直线圈W3.4，任意两个相邻的所述水平线圈W1.2之间电连接，任意两个相邻的所述垂直线圈W3.4之间电连接。

进一步的，所述加强构件由非磁性钢板制成，所述圧磁材料薄片经轧制冲压成型、消除内应力、恢复磁性能热处理后制成。

进一步的，所述圧磁材料薄片为铁硅系、铁铝系或铁镍系软磁合金。

进一步的，本发明所述的基于压磁效应的高弹性压磁本体还包括由高强度不锈钢圆钢材料制成的连接件，所述压磁体上设有连接通孔，所述连接件依次穿过所述连接通孔后将所述加强构件与所述圧磁材料薄片紧固。

进一步的，所述连接件包括连接螺栓和连接螺母，所述连接螺栓穿过所述连接通孔，所述连接螺母锁紧在所述连接螺栓的两端。

进一步的，所述压磁体的受力截面为圆形、圆环形或者矩形。

另一方面，本发明公开了包括上述任一技术方案所述的压磁本体、差动整流输出回路、高频励磁变压器和高频励磁电源；

所述传感器压磁体上设有多组测量区域，每组测量区域上设有水平孔位和垂直孔位，水平孔位包括孔A₁和孔A₂，孔A₁和孔A₂水平设置，孔A₁和孔A₂之间穿绕水平线圈W_1.2；每组测量区域上还设有垂直孔位，垂直孔位包括孔A₃和孔A₄，孔A₃和孔A₄垂直设置，孔A₃和孔>4之间穿绕垂直线圈W_3.4；所述的孔A₁、孔A₂、孔A₃和孔A₄直径相同，孔A₁与孔A₂的孔间距与孔A₃和孔A₄的孔间距相同，所述孔A₁和孔A₂的孔中心位置在压磁本体厚度中心线上，孔A₃和孔A₄孔间距的中心在压磁本体厚度中心线上；所述的水平线圈W_1.2与垂直线圈W_3.4的匝数相等；差动整流输出回路是由四只高温二极管D₁、D₂、D₃、D₄组成整流桥，整流桥阳极和阴极分别与输出回路的负载阻抗Rf两端连接，并做为力值信号输出端；

多组测量区域的水平线圈W_1.2串联后组成水平绕组，设有连接点>3.4串联后组成垂直绕组，设有连接点>1、D₄的连接点J′与水平绕组和垂直绕组的连接点Y′连接，整流桥的二极管D₂、D₃的连接点J与励磁变压器次级绕组的两个线圈的连接点Y点连接；所述励磁变压器次级绕组W点通过差动整流输出回路H>1.2的W′连接，而励磁变压器次级绕组Z点通过差动整流输出回路K和K′点与垂直线圈W_3.4的Z′点连接；

励磁变压器初级绕组连接励磁电源，励磁电源提供交流电源；

所述的四孔位线圈整体结构测力传感器，是把传感器的多组水平线圈W_1.2串联后组成水平绕组，把多组垂直线圈W3.4串联后组成垂直绕组，这两个绕组连接后其中点通过差动整流输出回路与励磁变压器次级绕组的两个线圈连接构成一个四壁电感式平衡电桥，励磁变压器次级绕组的两个线圈做为电桥的两个平衡壁，水平线圈W1.2做为电桥的测量壁，垂直线圈W_3.4做为电桥的补偿壁；当对励磁变压器初级绕组通以正玄交流电压E后，励磁变压器次级绕组的两个线圈分别输出E/2电压值，通过差动整流输出回路对水平绕组W_1.2和垂直绕组W_3.4进行励磁。

进一步的，所述孔A₁和孔A₂孔间距的中心到孔A₃和孔A₄的孔中心连线的距离大于等于一个孔间距的三倍。

进一步的，所述孔A₁与孔A₂孔间距的截平面与外力F垂直、孔A₃和孔A₄孔间距的截平面与外力F平行。

进一步的，所述差动整流输出回路的二极管D₁、D₂、D₃、D₄及负载阻抗Rf焊接一个线路板上，经过绝缘处理后植入在传感器内部。

本发明具有如下优点：

通过加强构件的设置，提高了压磁体承载应力，拓宽了本发明的适用范围，与整体由圧磁材料制成的压磁体相比，外形尺寸相同的情况下更能够适用于大吨位检测环境，由于使用了圧磁材料薄片因此可提高励磁频率，从而减小了本发明所述的传感器的响应时间、保证了测量精度。

附图说明

图1为本发明所述的基于压磁效应的高弹性测力传感器一实施例的结构示意图

图2为本发明所述的基于压磁效应的高弹性压磁本体一实施例的结构示意图；

图3为本发明所述的侧挡板的立体结构示意图；

图4为本发明所述的圧磁材料薄片的立体结构示意图；

图5为本发明所述的加强构件的立体结构示意图；

图6为本发明的技术原理结构示意图；

图7为一现有技术的原理结构示意图。

图中：

10、圧磁材料薄片；101、第一定位孔；11、加强构件；111、第二定位孔；12、侧挡板；121、传感器公插头输出孔；122、第三定位孔； 123、传感器公插座；13、连接件；131、连接螺栓；132、连接螺母；

1、高弹性压磁本体；2、水平孔位；3、水平线圈W_1.2；4、垂直孔位；5、垂直线圈W_3.4；6、差动整流输出回路；7、高频励磁变压器；8、高频励磁电源；。

具体实施方式

以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

一种基于压磁效应的高弹性压磁本体，参见图1-图6，其包括至少两层平行布置的圧磁材料薄片10，任意两层相邻的圧磁材料薄片10之间通过强度大于圧磁材料薄片10的强度的加强构件11连接以形成压磁体，加强构件11由无磁材料制成；

圧磁材料薄片10上设置有至少两组水平孔位3和至少两组竖直孔位 4，水平孔位与所述竖直孔位垂直，每组水平孔位内布置有水平线圈W_1.25，每组竖直孔位内布置有垂直线圈W_3.46，任意两个相邻的水平线圈W_1.25之间电连接，任意两个相邻的垂直线圈W_3.46之间电连接。

本实施例另一方面公开了包括上述任一技术方案的压磁本体的高弹性测力传感器，参见图6，其还包括差动整流输出回路6、高频励磁变压器7和高频励磁电源8；

传感器压磁体上设有多组测量区域，每组测量区域上设有水平孔位和垂直孔位，水平孔位包括孔A₁和孔A₂，孔A₁和孔A₂水平设置，孔>1和孔A₂之间穿绕水平线圈W_1.2；每组测量区域上还设有垂直孔位，垂直孔位包括孔A₃和孔A₄，孔A₃和孔A₄垂直设置，孔A₃和孔A₄之间穿绕垂直线圈W_3.4；所述的孔A₁、孔A₂、孔A₃和孔A₄直径相同，孔>1与孔A₂的孔间距与孔A₃和孔A₄的孔间距相同，所述孔A₁和孔A₂的孔中心位置在压磁本体厚度中心线上，孔A₃和孔A₄孔间距的中心在压磁本体厚度中心线上；所述的水平线圈W_1.2与垂直线圈W_3.4的匝数相等；差动整流输出回路是由四只高温二极管D₁、D₂、D₃、D₄组成整流桥，整流桥阳极和阴极分别与输出回路的负载阻抗Rf两端连接，并做为力值信号输出端；

多组测量区域的水平线圈W_1.2串联后组成水平绕组，设有连接点>3.4串联后组成垂直绕组，设有连接点>1、D₄的连接点J′与水平绕组和垂直绕组的连接点Y′连接，整流桥的二极管D₂、D₃的连接点J与励磁变压器次级绕组的两个线圈的连接点Y点连接；所述励磁变压器次级绕组W点通过差动整流输出回路H>1.2的W′连接，而励磁变压器次级绕组Z点通过差动整流输出回路K和K′点与垂直线圈W_3.4的Z′点连接；

励磁变压器初级绕组连接励磁电源，励磁电源提供交流电源；

的四孔位线圈整体结构测力传感器，是把传感器的多组水平线圈W_1.2串联后组成水平绕组，把多组垂直线圈W_3.4串联后组成垂直绕组，这两个绕组连接后其中点通过差动整流输出回路与励磁变压器次级绕组的两个线圈连接构成一个四壁电感式平衡电桥，励磁变压器次级绕组的两个线圈做为电桥的两个平衡壁，水平线圈W_1.2做为电桥的测量壁，垂直线圈W_3.4做为电桥的补偿壁；当对励磁变压器初级绕组通以正玄交流电压>1.2和垂直绕组W_3.4进行励磁。

通过加强构件11的设置，增大了压磁体承载应力，增大了量程，拓宽了本发明的适用范围，与整体由圧磁材料制成的压磁体相比，体积相同的情况下能够适用于大吨位检测环境，；圧磁材料薄片10至少为两层，增大了励磁频率，减小了本发明所述的传感器的相应时间、保证了测量精度。

实施例2

在实施例1的基础上，基于压磁效应的高弹性压磁本体还具有如下结构：

加强构件11由非磁性钢板制成，圧磁材料薄片10经轧制冲压成型、消除内应力、恢复磁性能热处理后制成。出于强度要求，加强构件11由高强度不锈钢板制成。

圧磁材料薄片10为铁硅系、铁铝系或铁镍系软磁合金。

本发明所述的基于压磁效应的高弹性压磁本体还包括由高强度不锈钢圆钢材料制成的连接件13，压磁体上设有连接通孔，连接件13依次穿过所述连接通孔后将加强构件11与圧磁材料薄片10紧固。

连接件13包括连接螺栓131和连接螺母132，连接螺栓131穿过连接通孔，连接螺母132锁紧在所述连接螺栓131的两端。

另外，在最外侧的圧磁材料薄片10与连接螺母132之间设置侧挡板 12，在受力面F受力时，使得最外侧的圧磁材料薄片10受力均匀，避免被连接螺母132挤压而损坏。

压磁体的受力截面为圆形、圆环形或者矩形。

开设在圧磁材料薄片上的第一定位孔101、开设在加强构件上的第二定位孔111、开设在侧挡板上的第三定位孔122位置对应，以供连接螺栓穿过。

另外，侧挡板12上开设有传感器公插头输出孔121，传感器公插座 123穿过传感器公插头输出孔121。

实施例3

在实施例1或2的基础上，基于压磁效应的高弹性测力传感器还具有如下结构：所述孔A₁和孔A₂孔间距的中心到孔A₃和孔A₄的孔中心连线的距离大于等于一个孔间距的三倍。

进一步的，所述孔A₁与孔A₂孔间距的截平面与外力F垂直、孔A₃和孔A₄孔间距的截平面与外力F平行。

进一步的，所述差动整流输出回路的二极管D₁、D₂、D₃、D₄及负载阻抗Rf焊接一个线路板上，经过绝缘处理后植入在传感器内部。

本发明的工作原理与图7所示的背景技术的工作原理相同，故以图7 进行说明，电路连接的区别在于现有技术(参照图7)中多组水平线圈 W_1.23串联后组成水平绕组，本发明的所有水平绕组串联，把多组垂直线圈W_3.45串联后组成垂直绕组，本发明的所有垂直绕组串联，工作原理相同之处在于：这两个绕组连接后其中点通过差动整流输出回路6与励磁变压器7次级绕组的两个线圈连接构成一个四壁电感式平衡电桥，励磁变压器7次级绕组的两个线圈做为电桥的两个平衡壁，水平线圈W_1.23>3.45做为电桥的补偿壁。当对励磁变压器7初级绕组通以正玄交流电压E后，励磁变压器7次级绕组的两个线圈分别输出E/2电压值，通过差动整流输出回路对水平绕组W_1.23和垂直绕组W_3.45进行励磁。如果把每个测量区域划分为纵向和横向，纵向规定为A、B方向，横向规定为C、D方向，在不受外力F的情况下压磁本体内部磁性为磁各同性，整个测量区域的磁导率u是相同的，又由于水平绕组W_1.23与垂直绕组W_3.45圈数完全相等，此时在水平绕组W_1.2>3.45内产生的励磁电流也完全相等，即i₁＝i₂。励磁电流>1经二极管D₁和D₂通过负载阻抗Rf回到励磁变压器7次级绕组两个线圈的中点Y，而i₂经二极管D₃和D₄通过负载阻抗Rf也回到励磁变压器>0＝i₁-i₂＝0mA，电压信号U＝0mAX>1增加，在负载阻抗Rf的两端电压信号U₁的幅值增加。而垂直于外力F的横向C、D方向的磁导率u对应力σ不敏感，磁导率u不变，电流i₂不变。既有Δi₁＝(i₁+Δi₁)-i₂，而Δ>1在负载阻抗Rf的两端产生的电压信号U＝ΔU₁＝Δi₁×Rf。外力F值越大，Δi₁电流变化量越大，在负载阻抗Rf的两端产生的电压信号U也就越大，输出的电压信号U值与被测力值F的大小成比。

本发明从电气原理上设计为电感式四壁平衡电桥，从而实现了三线励磁、差动补偿、直流输出的一体式优化组合测量回路，可完全克服现有的两孔位水平线圈的整体结构的压磁测力传感器(在测量区域的涡流温升和环境温变以及电源波动带来的零点漂移及卸载不归零，载荷信号渐进变小)存在的缺陷，进一步提高了传感器力值信号的稳定度、灵敏度、重复性、线性度、量程范围等技术指标。

本发明把整个测量区域分为两个绕组，即水平绕组和垂直绕组，水平绕组做为测量绕组，垂直绕组做为补偿绕组，两组线圈匝数完全相同，两绕组线圈串接。励磁变压器二次绕组的两个线圈串接，其中点通过差动整流输出回路与水平绕组和垂直绕组中点连接组成平衡电桥。为了降低涡流损耗使磁损减小，保持磁性能不变，电桥使用低频励磁。输出回路采用差动式电流整流电阻降压，信号呈直流差动输出。本发明使用元件少，输出阻抗底，电路简单，易于调整，从电气原理上实现了三线励磁、差动补偿、直流输出的一体式优化组合，可完全克服测量区域的涡流温升和环境温变以及电源波动带来的不利影响。

虽然，上文中已经用一般性说明及具体实施例对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。