CN101226065A - 嵌入式容栅扭矩及转速传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及传感器领域，具体是一种嵌入式容栅扭矩及转速传感器。解决了现有扭矩传感器存在信号传输引线困难、不易安装等问题，包括测量轴、分别固定于测量轴两端的测量单元，所述测量单元包括固定支撑体，固定支撑体内设有支撑测量轴转动的轴承，固定支撑体内壁沿其圆周方向设有两组作为定栅的条状电极群，两组定栅的条状电极相间设置，测量轴上沿其圆周方向与定栅相对处设有一组作为动栅的条状电极群，动栅与测量轴之间设有绝缘层，动栅经引线与测量轴相连，固定支撑体内壁上两组定栅与测量轴上的一组动栅构成差动容栅。本发明结构合理，满足体积小、低功耗、高灵敏度高、环境适应性好等要求，可以同时实现扭矩和转速的测量。

Description

嵌入式容栅扭矩及转速传感器

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体是一种嵌入式容栅扭矩及转速传感器。

背景技术

在旋转动力系统中有很多的参数需要测量或计算，扭矩是其中一项很重要的参数。目前有多种传感器可以实现扭矩参数的测量，如：应变型扭矩传感器、光栅扭矩传感器、转角型扭矩传感器、遥测扭矩仪等等。但这些传感器在具体测量时存在一定的局限性以及一些不足：应变型扭矩传感器是用导电滑环来完成信号传输，由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命，并会由于接触不可靠引起信号波动，造成测量误差大，甚至测量不成功；光栅扭矩传感器的光栅容易破损，环境适应性差，受空气的湿度、尘埃等因素影响导致测量精度不高；转角型扭矩传感器体积较大，不利于安装在结构紧凑的车辆中进行扭矩测量，不易安装，从而限制了使用的范围；遥测扭矩仪容易受使用现场电磁波的干扰，并由于采用电池供电，只能短期使用。

发明内容

本发明为了解决现有扭矩传感器存在信号传输引线困难、不易安装等问题，提供了一种嵌入式容栅扭矩转速传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：嵌入式容栅扭矩及转速传感器，包括测量轴、分别固定于测量轴两端的测量单元，所述测量单元包括固定支撑体，固定支撑体内设有支撑测量轴转动的轴承，固定支撑体内壁沿其圆周方向设有两组作为定栅的条状电极群，两组定栅的条状电极相间设置，测量轴上沿其圆周方向与定栅相对处设有一组作为动栅的条状电极群，动栅与测量轴之间设有绝缘层，动栅经引线与测量轴相连，每组电极群的数量相等(即动栅的电极数为两组定栅总电极数的1/2)，动栅电极的宽度与定栅电极的宽度相等，固定支撑体内壁上两组定栅与测量轴上的一组动栅构成差动容栅。

使用时，通过联轴器将测量轴的两端与被测旋转轴相连，当旋转轴转动时，测量轴会随着转动，动栅随着测量轴一起转动，动栅电极与定栅电极的正对面积发生变化，测量单元内的差动容栅的电容值就会发生变化，电容值的变化量表征了测量轴和被测旋转轴的扭矩和转速，然后，通过连接于差动容栅输出端的测量电路对差动容栅的输出进行脉宽调制、低通滤波，输出周期性变化的正弦波信号，测量轴两端的测量单元会有两路正弦波信号输出，两路正弦波存在相位差Ф，根据相位差Ф与扭矩T的关系，以及正弦波周期与旋转轴角速度的关系，在相关软件支持下可以计算出测量轴的扭矩和转速，即被测旋转轴的扭矩和转速。所述测量电路为现有电容式传感器的测量电路，因此，本发明说明书中未对测量电路进行描述。

与现有技术相比，本发明应用了具有响应速度快、成本低廉、功耗低、抗干扰能力强和环境适应性强等优点的容栅技术，在进行旋转轴扭矩测量时，能抗电、磁场的干扰，在采用适当的防护措施后，能防油污、防尘，对空气湿度不敏感，进而用于恶劣的环境中；动栅经引线与测量轴相连，以测量轴作为信号地，这样测量轴转动时，就不会存在信号线缠绕在轴上的问题，解决了在旋转件上引线来实现数据传输的难题；另外，可以与被测旋转轴一体化设置，即以被测旋转轴直接作为测量轴，本传感器作为被测旋转轴本身的一部分，本传感器的测量单元所需空间小，几乎不占用额外的安装空间，适合安装在坦克、装甲车等安装空间狭小，对传感器体积有严格要求的车辆中。

本发明结构合理，满足体积小、低功耗、高灵敏度高、环境适应性好等要求，可以同时实现扭矩和转速的测量。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1的A-A剖视图；

图3为两组定栅的展开结构示意图；

图中：1-测量轴；2-固定支撑体；3-轴承；4、5-定栅；6-动栅；7-绝缘层；8-筒状壳体。

具体实施方式

嵌入式容栅扭矩及转速传感器，包括测量轴1、分别固定于测量轴1两端的测量单元，所述测量单元包括固定支撑体2，固定支撑体2内设有支撑测量轴1转动的轴承3，固定支撑体2内壁沿其圆周方向设有两组作为定栅4、5的条状电极群，两组定栅4、5的条状电极相间设置，测量轴1上沿其圆周方向与定栅4、5相对处设有一组作为动栅6的条状电极群，动栅6与测量轴1之间设有绝缘层7，动栅6经引线与测量轴1相连，每组电极群的数量相等(即动栅的电极数为两组定栅总电极数的1/2)，动栅6电极的宽度与定栅4、5电极的宽度相等，固定支撑体2内壁上两组定栅4、5与测量轴1上的一组动栅6构成差动容栅。

具体实施时，测量单元内的差动容栅为等节距栅形结构，可以通过细分栅格来降低随机噪声，提高信噪比和分辨力；测量轴1和其两端的测量单元可置于筒状壳体8内，以提高本发明的整体性；本发明进行扭矩和转速的测量原理如下：

当测量轴受到载荷发生扭曲变形时，其两侧测量单元内的差动容栅输出经脉宽调制电路和低通滤波电路调制、滤波后，输出两个存在相位差Ф的正弦波，相位差Ф与扭矩T成正比，根据公式： $T=\mathrm{GIp}\frac{\mathrm{d\φ}}{\mathrm{dx}}$ 可以解算出扭矩T的值，其中：Ip为横截面对圆心的的极惯性矩，G为材料的刚性常量，GIp为扭转刚度；

当测量轴以一定速度n旋转时，差动容栅的电容值周而复始地由大变小，由小变大，其变化经过后续电路处理后输出正弦波，假设轴在一个正弦波周期转过的弧长为2L，当轴转过的角度为θ，容栅所在位置处的转轴半径为r，当轴转过N个正弦波周期时，弧长为N.2L，则有 $\mathrm{\θ}=\frac{N.2L}{r}$ ，而角速度为 $\mathrm{\ω}=\frac{\mathrm{\θ}}{t}=\frac{N.2L}{r.t}$ ，而角速度ω＝2π.n，所以有转速 $n=\frac{\mathrm{\ω}}{2\mathrm{\π}}=\frac{N.2L}{r.t.2\mathrm{\π}}=\frac{N.L}{\mathrm{\π}.r.t}$ ，单位：r/s，则转速n为：

$n=60\·\frac{N\·L}{\mathrm{\π}\·r\·t}$ 单位：r/min

其中：N为在固定一段时间内的正弦波周期数，L为条状电极宽度和两条状电极的间距之和，t为所用的时间，r为测量轴半径。

由上可知，差动容栅的电容大小变化与测量轴的扭矩和转速大小是相对应的。

Claims (1)

1.一种嵌入式容栅扭矩及转速传感器，其特征在于包括测量轴(1)、分别固定于测量轴(1)两端的测量单元，所述测量单元包括固定支撑体(2)，固定支撑体(2)内设有支撑测量轴(1)转动的轴承(3)，固定支撑体(2)内壁沿其圆周方向设有两组作为定栅(4、5)的条状电极群，两组定栅(4、5)的条状电极相间设置，测量轴(1)上沿其圆周方向与定栅(4、5)相对处设有一组作为动栅(6)的条状电极群，动栅(6)与测量轴(1)之间设有绝缘层(7)，动栅(6)经引线与测量轴(1)相连，每组电极群的数量相等，动栅(6)电极的宽度与定栅(4、5)电极的宽度相等，固定支撑体(2)内壁上两组定栅(4、5)与测量轴(1)上的一组动栅(6)构成差动容栅。

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