基于磁弹性的扭矩测量实验台设计及其技术指标分析

　　随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩成为众多机械量测量中的一个主要参数[1]。扭矩测量的应用范围很广，已逐渐渗透到工业、农业、交通运输、航天航空、国防、能源、化工等各个领域，且越来越受到人们的重视，成为测试技术的一个新分支[2-4]。目前常见的汽车扭矩传感器普遍存在灵敏度低、稳定性差、安装使用不便、无法适应恶劣工作环境等问题[5-6]，本文基于磁弹性原理探讨扭矩测量的新方法，设计加工出基于磁弹性的扭矩测量实验台并分析其技术指标。

　　1 扭矩测量实验台的设计及搭建

　　基于磁弹性原理搭建了由铸铁实验台架、空心四方钢管扭杆、轴径10mm 的弹性实验钢轴、固定支架等部件，连同加载扭矩各种规格的砝码、TM-701 型磁力计、强磁片、电子秤、千分尺和卷尺等仪器设备共同组成的扭矩测量实验台，如图1 所示。其中，电子秤用来对悬挂物进行称重，卷尺用来测量力臂，千分尺用来测量磁头与轴的间隙以及磁块与轴的间隙，具有巨磁阻效应的磁力计用来直接测量磁感应强度并间接测量外加磁场强度，如图2 所示。

　　在扭矩测量实验台的量程内依次输入不同的扭矩值，利用具有高灵敏度的磁力计测量出磁感应强度值，根据实验数据分析扭矩与磁感应强度之间的关系;基于扭矩与磁感应强度之间的比例关系，通过实际测量磁感应强度值即可反推出相应的扭矩值，实现扭矩的方便、准确和稳定测量。具体测量条件为：在实验钢轴中心位置吸附强磁片以产生恒定的外加磁场，其强度为2.45×105A/m，磁块与轴间隙为1.58mm，悬挂物质量为9kg;在扭杆上每隔0.05m 设一个测量点，共设置10个点。将磁头与轴的间隙分别设定为1mm、3mm 和5mm，分析磁头与轴在不同间隙条件下扭矩与磁感应强度之间的关系。

　　2 扭矩测量结果及分析

　　对应于扭杆上10 个测量点，其力臂分别为0.5m、0.55m、0.6m、0.65m、0.7m、0.75m、0.8m、0.85m、0.9m 和0.95m;扭杆与真实力臂夹角的余弦值为0.989，实际扭力为87.23N，力臂为0.50m 时的扭矩为43.62N·m，其他力臂所对应的扭矩值参见表1~3 的第1 列;不同扭矩条件下，测得的磁感应强度值参见表1~3 的第2~7 列;磁头与轴间隙分别为1mm、3mm 和5mm 条件下，扭杆未受扭矩作用的磁感应强度测量值分别为3.76mT、3.97mT和3.84mT，分别将其作为零点值与施加扭矩后的磁感应强度测量值进行比对，得到磁感应强度变化量△Bm，参见表1~3 的第10 列。

　　根据表1~3 中第1 列和第10 列的数据，绘制磁头与轴不同间隙条件下磁感应强度变化量与扭矩的变化关系图，如图3 所示。