CN101799339A - 测量扭矩的方法和系统 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种测量扭矩的方法/系统。该方法/系统包括提供具有目标图形的第一转盘A和提供具有目标图形的第二转盘B。该方法/系统包括提供具有至少三个传感器的第一传感器组，其包括第一盘第一传感器(1A)、第一盘第二传感器器(2A)、及第一盘第三传感器(3A)。该具有至少三个传感器的第一传感器组用于检测第一转盘目标图形，其环绕第一转盘固定。本方法包括提供具有至少三个传感器的第二传感器组，包括第二盘第一传感器(1B)、第二盘第二传感器(2B)、及第二盘第三传感器(3B)。具有至少三个传感器的第二传感器组用于检测第二转盘目标图形，其环绕第二转盘固定。该方法/系统包括利用具有至少三个传感器的第一传感器组和具有至少三个传感器的第二传感器组检测第一转盘相对于第二转盘的表观扭转，并根据测得的表观扭转确定实际扭转角度。

Description

测量扭矩的方法和系统

本申请是申请日为2004年8月27日的、国家申请号为200480024956.X的、发明名称为“测量扭矩的方法和系统”(国际申请日为2004年8月27日、国际申请号为PCT/US2004/028120)的原申请的分案申请。

交叉引用

本申请要求于2003年8月29日申请的美国专利第60/4199号的权利并在此引用其内容。

本申请依据由美国国防部授权的合同(F135 F-35JointStrikeFighter)享受政府支持。美国政府对本发明享有一定的权利。

发明领域

本发明涉及用于监控及测量扭矩的方法和系统。更具体而言，本发明涉及用于测量旋转驱动轴系统中的扭矩的方法/系统，特别是测量与具有固定机翼的空中飞行工具的推进系统相联接的旋转驱动轴的扭矩。

背景技术

需要一种系统和方法来准确、经济地测量高速转轴系统中的扭矩。需要一种经济可行的方法来动态测量转轴系统中的扭矩。需要一种可靠的系统和方法来测量安装在空中飞行工具推进系统中的旋转驱动轴的扭矩，该空中飞行工具具有固定机翼并能够紧急垂直升降，例如用于监控诸如具有固定机翼的、能够紧急垂直升降的空中飞行工具的旋转驱动轴推进系统的挠性联接。

发明内容

本发明包括测量扭矩的方法。本方法包括提供具有目标图形的第一转盘A及具有目标图形的第二转盘B。本方法包括提供具有至少三个传感器的第一传感器组，包括第一盘第一传感器(1A)，第一盘第二传感器(2A)，及第一盘第三传感器(3A)。该具有至少三个传感器的第一传感器组用于检测第一转盘目标图形，该至少三个传感器环绕第一转盘固定并包围第一转盘。本方法包括提供具有至少三个传感器的第二传感器组，包括第二盘第一传感器(1B)，第二盘第二传感器(2B)，及第二盘第三传感器(3B)，具有至少三个传感器的第二传感器组用于检测第二转盘目标图形，该至少三个传感器环绕第二转盘固定并包围第二转盘。本方法包括利用具有至少三个传感器的第一传感器组和具有至少三个传感器的第二传感器组检测第一转盘相对于第二转盘的表观扭转，并根据测得的表观扭转确定实际扭转角度。

本发明包括一个扭矩测量系统。该扭矩测量系统包括绕第一转盘中心z-轴旋转的第一转盘(A)；第一盘在x-y平面延伸；第一转盘(A)具有目标图形。该扭矩测量系统包括绕第二转盘中心z-轴旋转的第二转盘(B)；第二盘在x-y平面延伸；第二转盘(B)具有目标图形。该扭矩测量系统包括一个以传感器支架参考z轴为中心将其环绕的传感器支架，该传感器支架环绕第一转盘和第二转盘，包括第一盘第一传感器(1A)、第一盘第二传感器(2A)和第一盘第三传感器(3A)；所述三个传感器环绕第一转盘固定并将其包围，并且定位成用于检测第一转盘目标图形。该传感器支架包括第二盘第一传感器(1B)、第二盘第二传感器(2B)和第二盘第三传感器(3B)；所述三个传感器环绕第二转盘固定并将其包围，并且定位成用于检测第二转盘目标图形。第一盘第一传感器(1A)与第二盘第一传感器(1B)相邻放置；第一盘第二传感器(2A)与第二盘第二传感器(2B)相邻放置；第一盘第三传感器(3A)与第二盘第三传感器(3B)相邻放置。所述传感器定位成用于检测第一转盘中心z-轴相对于传感器支架参考z-轴的Δx偏移量和Δy偏移量以及第二转盘中心z-轴相对于传感器支架参考z-轴的Δx偏移量和Δy偏移量，从而确定第一转盘(A)与第二转盘(B)之间的实际扭转角度θ_twist。

本发明包括一个扭矩轴偏差测量系统。该扭矩轴偏差测量系统包括第一转盘和绕第一旋转中心z-轴旋转的轴；第一转盘在X-Y平面延伸。第一转盘(A)具有圆周目标图形。该扭矩轴偏差测量系统包括第二转盘和绕第二旋转中心z-轴旋转的轴；第二转盘在x-y平面延伸。第二转盘(B)具有圆周目标图形。第一转轴和第二转轴与位于第一转盘和第二转盘之间的旋转中心联接。该扭矩测量系统包括一个以传感器支架参考z轴为中心将其环绕的传感器支架，该传感器支架环绕第一转盘和第二转盘，包括第一盘第一传感器(1A)、第一盘第二传感器(2A)和第一盘第三传感器(3A)；所述三个传感器(1A，2A，3A)环绕第一转盘固定并将其包围，用于检测第一转盘目标图形。该传感器支架包括第二盘第一传感器(1B)、第二盘第二传感器(2B)和第二盘第三传感器(3B)；所述三个传感器(1B，2B，3B)环绕第二转盘固定，用于检测第二转盘目标图形。第一盘第一传感器(1A)与第二盘第一传感器(1B)相邻放置；第一盘第二传感器(2A)与第二盘第二传感器(2B)相邻放置；第一盘第三传感器(3A)与第二盘第三传感器(3B)相邻放置。所述传感器用于检测第一转盘中心z-轴相对于传感器支架参考z-轴的Δx偏移量和Δy偏移量以及第二转盘中心z-轴相对于传感器支架参考z-轴的Δx偏移量和Δy偏移量，从而确定第一转盘(A)与第二转盘(B)之间的实际扭转角度θ_twist。

本发明包括扭转角度测量方法。该扭转角度测量方法包括提供具有目标图形的第一转盘(A)；和具有目标图形的第二转盘(B)。本方法包括提供具有至少三个传感器的第一传感器组，第一传感器组包括第一盘第一传感器(1A)，第一盘第二传感器(2A)，及第一盘第三传感器(3A)；具有至少三个传感器的第一传感器组用于检测第一转盘目标图形，其环绕第一转盘固定并将其包围。本方法包括提供具有至少三个传感器的第二传感器组，第二传感器组包括第二盘第一传感器(1B)，第二盘第二传感器(2B)，及第二盘第三传感器(3B)，具有至少三个传感器的第二传感器组用于检测第二转盘目标图形，其环绕第二转盘固定并将其包围。本方法包括利用具有至少三个传感器的第一传感器组和具有至少三个传感器的第二传感器组检测第一转盘相对于第二转盘的表观扭转，并根据测得的表观扭转确定实际扭转角度θ_twist。

本发明包括扭转角度测量系统。该扭转角度测量系统包括绕第一转盘中心z-轴旋转的第一转盘(A)；第一盘在x-y平面延伸；第一转盘(A)具有目标图形。该扭转角度测量系统包括绕第二转盘中心z-轴旋转的第二转盘(B)；第二盘在x-y平面延伸；第二转盘(B)具有目标图形。该扭矩测量系统包括一个以传感器支架参考z轴为中心将其环绕的传感器支架，该传感器支架环绕第一转盘和第二转盘，包括第一盘第一传感器(1A)、第一盘第二传感器(2A)和第一盘第三传感器(3A)；所述三个传感器(1A，2A，3A)环绕第一转盘固定并将其包围，并且定位成用于检测第一转盘目标图形。传感器支架包括第二盘第一传感器(1B)、第二盘第二传感器(2B)和第二盘第三传感器(3B)；所述三个传感器(1B，2B，3B)环绕第二转盘固定并将其包围，并且定位成用于检测第二转盘目标图形。第一盘第一传感器(1A)与第二盘第一传感器(1B)相邻放置；第一盘第二传感器(2A)与第二盘第二传感器(2B)相邻放置；第一盘第三传感器(3A)与第二盘第三传感器(3B)相邻放置，这些传感器被定位成用于检测第一转盘中心z-轴相对于传感器支架参考z-轴的Δx偏移量和Δy偏移量，以及第二转盘中心z-轴相对于传感器支架参考z-轴的Δx偏移量和Δy偏移量，从而确定第一转盘(A)与第二转盘(B)之间的实际扭转角度θ_twist。

本发明的其它技术特征及优点将在随后的内容中详细描述；对于其中一部分，本领域技术人员根据描述便可明了，或可通过对本发明内容的实践得到验证；这些发明内容包括下述说明、权利要求及附图。

应当理解，以上概述及随后的详述均是对本发明的典型描述，目的在于为理解如本发明所要求的本质和特征提供总体论述或框架。附图有助于进一步理解本发明；它们被加入说明书中，构成其中的一部分。这些附图给出本发明的不同实施例，并与说明书一起解释本发明的工作原理和操作。

附图内容

图1示出本发明的一个实施例。

图2A示出本发明的一个实施例。

图2B示出本发明的一个实施例。

图3示出本发明的一个实施例。

图4示出本发明的一个实施例。

图5A示出本发明的一个实施例。

图5B示出本发明的一个实施例。

图6示出本发明的一个实施例。

图7给出本发明的性能。

图8示出本发明的一个实施例。

图9示出本发明的一个数据流实施例

图10示出本发明的一个实施例。

图11示出本发明的一个实施例。

图12示出本发明的一个实施例。

图13A给出本发明的性能。

图13B给出本发明的性能。

具体实施方式

下面详细说明本发明的优选实施例；附图示出其具体实例。

本发明包括测量扭矩的方法。本方法包括提供具有目标图形22的第一转盘20(盘A)；提供具有目标图形26的第二转盘24(盘B)；提供具有至少三个传感器的第一传感器组28，该第一传感器组包括第一盘第一传感器30(传感器1A)(T_1A)，第一盘第二传感器32(传感器2A)(T_2A)，及第一盘第三传感器34(传感器3A)(T_3A)；该具有至少三个传感器的第一传感器组28环绕第一转盘20固定并将其包围，用于同时检测第一转盘目标图形22。本方法包括提供具有至少三个传感器的第二传感器组36，该第二传感器组包括第二盘第一传感器38(传感器1B)(T_1B)，第二盘第二传感器40(传感器2B)(T_2B)，及第二盘第三传感器42(传感器3B)(T_3B)。第二传感器组36环绕第二转盘24固定并且将其包围，用于同时检测第二转盘目标图形26。优选地，本方法包括根据第一盘、第二盘，或第一盘和第二盘确定各盘的瞬时旋转轴速44。优选地，本发明包括测量第一盘20相对于第一传感器组28的侧向位移增量和角位移增量，以及第二盘24相对于第二传感器组36的侧向位移增量和角位移增量。优选地，盘20(盘A)的侧向位移增量和角位移增量的测量是根据检测盘A的传感器30，32，34之间的相对计时测量而计算出来的。优选地，盘24(盘B)的侧向位移增量和角位移增量的测量是根据检测盘B的传感器38，40，42之间的相对计时测量而计算出来的。本方法包括利用具有至少三个传感器的第一传感器组28和具有至少三个传感器的第二传感器组36测量第一转盘20相对于第二转盘24的表观扭转。优选地，表观扭转通过计算检测盘A和盘B的传感器之间的相对计时测量而获得。本方法包括根据测得的表观扭转确定实际扭转角度θ_twist，优选地利用测得的侧向位移增量和角位移增量以及盘A和盘B的位移来确定。优选地，本方法包括利用确定的耦合顺度从而根据实际扭转角度来提供扭矩测量，其中，联接件50的扭矩与其实际扭转角度相关。优选地，本方法包括为第一转盘20(盘A)和第二转盘24(盘B)的侧向位移提供补偿。优选地，测量第一盘20相对于第一传感器组28的侧向位移增量和角位移增量以及第二盘24相对于第二传感器组36的侧向位移增量和角位移增量，并利用这些测量来确定测得的侧向位移增量和角位移增量。优选地，提供第一传感器组28包括在传感器支架48上设置与第一盘20相隔一个传感器间隔31的第一盘第一传感器30(T_1A)，与第一盘20相隔一个传感器间隔33的第一盘第二传感器32(T_2A)和与第一盘20相隔一个传感器间隔35的第一盘第三传感器34(T_3A)；并且本方法包括对第一盘20与第一盘第一传感器30之间的间隔31的变化、第一盘20与第一盘第二传感器32之间的间隔33的变化和第一盘20与第一盘第三传感器34之间的间隔35的变化进行补偿。优选地，提供第二传感器组36包括在传感器支架48上设置与第二盘24相隔一个传感器间隔39的第二盘第一传感器38(T_1B)，与第二盘24相隔一个传感器间隔41的第二盘第二传感器40(T_2B)和与第二盘24相隔一个传感器间隔43的第二盘第三传感器42(T_3B)；并且本方法包括对第二盘24与第二盘第一传感器38之间的间隔的变化、第二盘24与二盘第二传感器40之间的间隔的变化和第二盘24与第二盘第三传感器42之间的间隔的变化进行补偿。优选地，本方法包括提供传感器支架48，用于绕圆周固定至少具有三个传感器的第一传感器组28和至少具有三个传感器的第二传感器组36，其中第一盘第一传感器30(T_1A)与第二盘第一传感器38(T_1B)相邻放置并对准，第一盘第二传感器32(T_2A)与第二盘第二传感器40(T_2B)相邻放置并对准，第一盘第三传感器34(T_3A)与第二盘第三传感器42(T_3B)相邻放置并对准；优选地，第一盘第一传感器30与第二盘第一传感器38轴向对准，第一盘第二传感器32与第二盘第二传感器40轴向对准，第一盘第三传感器34与第二盘第三传感器42轴向对准。更优选地，轴向对准的第一盘第一传感器30和第二盘第一传感器38、轴向对准的第一盘第二传感器32和第二盘第二传感器40、以及轴向对准的第一盘第三传感器34和第二盘第三传感器42与盘20和24的旋转轴线为平行排列的关系。优选地，本方法包括对盘传感器和盘之间的间隔变化(传感器T_nB和盘B传感器间隔变化以及传感器T_nA和盘A之间的传感器间隔变化，n＝1，2，3...)进行补偿。优选地，提供第一转盘20包括提供具有第一转轴52的第一转盘20；提供第二转盘24包括提供具有第二转轴54的第二转盘24；其中第一转轴52和第二转轴54与位于第一转盘20和第二转盘24之间的旋转中心56挠性联接；本方法包括确定第一转轴52和第二转轴54之间的角偏移量，优选地通过测量并确定盘20和24之间的偏移量来提供轴偏移量。优选地，提供具有目标图形22的第一转盘20包括提供具有循环的圆周目标图形22的第一转盘20，该圆周目标图形22由固定分布在盘20的圆周的多个目标元素23构成。在一个实施例中，目标图形22间隔均匀。在一个实施例中，目标图形22间隔不均匀。优选地，图形目标元素23具有平行感测线21并与盘的旋转轴线对准；被测的目标线边缘21与盘边缘垂直，优选地，与倾斜态相比，这些线21相对于盘边缘是平行且垂直的。优选地，提供具有目标图形26的第二转盘24包括提供具有循环的圆周目标图形26的第二转盘24，圆周目标图形26由固定分布在圆周的多个目标27构成。在一个实施例中，该图形间隔均匀。在一个实施例中，该图形间隔不均匀。优选地，图形目标元素27具有平行感测线25并与转盘的旋转轴线对准；被测的目标线边缘25与盘边缘垂直，优选地，与倾斜态相比，这些线25相对于盘边缘是平行且垂直的。优选地，提供至少具有三个传感器的第一传感器组28包括提供至少具有三个可变磁阻传感器的第一传感器组28。优选地，提供至少具有三个传感器的第二传感器组36包括提供至少具有三个可变磁阻传感器的第二传感器组36。在一个可选的优选实施例中，提供至少具有三个传感器的第一传感器组28包括提供至少具有三个光学传感器的第一传感器组28；提供至少具有三个传感器的第二传感器组36包括提供至少具有三个光学传感器的第二传感器组36。

本发明包括一个扭矩测量系统19。该系统包括绕第一转盘中心z-轴60旋转的第一转盘20(盘A)，其中第一转盘20在x-y平面内延伸并具有目标图形22；绕第二转盘中心z-轴62旋转的第二转盘24(盘B)，其中第二转盘24在x-y平面内延伸并具有目标图形；以传感器支架参考z-轴64为中心的传感器支架48，该支架环绕第一转盘20和第二转盘24，包括第一盘第一传感器30(T_1A)，第一盘第二传感器32(T_2A)和第一盘第三传感器34(T_3A)；所述三个传感器环绕第一转盘固定20并将其包围，并且被定位成用于同步检测第一转盘目标图形22，并指向中心z-轴60；传感器支架48包括第二盘第一传感器38(T_1B)，第二盘第二传感器40(T_2B)和第二盘第三传感器42(T_3B)；所述三个传感器环绕第二转盘24固定并将其包围，并且被定位成用于同步检测第二转盘26，并指向中心z-轴62；第一盘第一传感器30与第二盘第一传感器38相邻放置；第一盘第二传感器32与第二盘第二传感器40相邻放置；第一盘第三传感器34与第二盘第三传感器42相邻放置。所述传感器用于检测第一转盘中心z-轴60相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量和相对于传感器支架48的θx偏移量和θy偏移量，以及第二转盘中心z-轴62相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量和相对于传感器支架48的θx偏移量和θy偏移量，从而根据测得的表观扭转和偏移量确定第一转盘20与第二转盘24之间的所有实际扭转角度θ_twist，其中实际扭转角度根据联接件50的预先确定的偶联顺度提供扭矩测量。优选地，这些传感器平行于传感器支架参考z-轴64进行固定。优选地，第一转盘20包括第一转轴52；第二转盘34包括第二转轴54；其中第一转轴52和第二转轴54与位于第一转盘20和第二转盘24之间的旋转中心56挠性联接。优选地，第一转盘目标图形22包括循环的圆周目标图形，该目标图形由固定分布在圆周的多个目标23构成。优选地，第二转盘目标图形26包括圆周目标图形，该目标图形由固定分布在圆周的多个目标27构成。优选地，第一盘第一传感器30、第二盘第一传感器38、第一盘第二传感器32、第二盘第二传感器40、第一盘第三传感器34和第二盘第三传感器42为可变磁阻传感器。在可选的优选实施例中，第一盘第一传感器30、第二盘第一传感器38、第一盘第二传感器32、第二盘第二传感器40、第一盘第三传感器34和第二盘第三传感器42为光学传感器。

本发明包括一个扭矩轴偏差测量系统19。该系统包括绕第一旋转中心z-轴60旋转的第一转盘20及轴，其中第一盘在x-y平面内延伸，第一转盘20(盘A)具有圆周目标图形22；绕第二转盘中心z-轴62旋转的第二转盘24及轴，其中第二盘在x-y平面内延伸，第二转盘24(盘B)具有圆周目标图形26第一转轴52和第二转轴54通过联接件50与第一转盘20和第二转盘24之间的旋转中心56挠性联接。本发明包括一个以传感器支架参考z-轴为中心的传感器支架，该支架环绕第一转盘20和第二转盘24，包括第一盘第一传感器30(T_1A)、第一盘第二传感器32(T_2A)和第一盘第三传感器34(T_3A)环绕第一转盘和第二转盘；所述三个传感器环绕第一转盘固定并将其包围，且被定位成用于同步检测第一转盘目标图形，并指向中心z-轴60。传感器支架48包括第二盘第一传感器38(T_1B)，第二盘第二传感器40(T_2B)和第二盘第三传感器42(T_3B)所述三个传感器环绕第二转盘24固定并将其包围，且被定位成用于同步检测第二转盘26，并指向中心z-轴62；第一盘第一传感器与第二盘第一传感器相邻放置；第一盘第二传感器与第二盘第二传感器相邻放置；第一盘第三传感器与第二盘第三传感器相邻放置；所述传感器用于检测第一转盘中心z-轴60相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量，以及第二转盘中心z-轴62相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量，从而确定第一转盘20(盘A)与第二转盘24(盘B)之间的实际扭转角度θ_twist和位于旋转中心56的第一旋转中心z-轴60与第二旋转中心z-轴62之间的偏移增量，以提供测得的扭矩和测得的轴偏移量。优选地，这些传感器固定时平行于传感器支架参考z-轴64。优选地，第一盘第一传感器30、第二盘第一传感器38、第一盘第二传感器32、第二盘第二传感器40、第一盘第三传感器34和第二盘第三传感器42为可变磁阻传感器。在可选的优选实施例中，一盘第一传感器30、第二盘第一传感器38、第一盘第二传感器32、第二盘第二传感器40、第一盘第三传感器34和第二盘第三传感器42为光学传感器。

本发明包括扭转角度的测量方法。本方法包括提供具有目标图形22的第一转盘20(盘A)，提供具有目标图形26的第二转盘24(盘B)，提供具有至少三个传感器的第一传感器组28，其包括第一盘第一传感器30(传感器1A)(T_1A)，第一盘第二传感器32(传感器2A)(T_2A)，及第一盘第三传感器34(传感器3A)(T_3A)。该具有至少三个传感器的第一传感器组28同时检测第一转盘目标图形22，该至少三个传感器环绕第一转盘20固定并将其包围。本方法包括提供具有至少三个传感器的第二传感器组36，包括第二盘第一传感器38(传感器1B)(T_1B)，第二盘第二传感器40(传感器2B)(T_2B)，及第二盘第三传感器42(传感器3B)(T_3B)。具有至少三个传感器的第二传感器组36同时检测第二转盘目标图形26；它环绕于第二转盘固定并将其包围。优选地，本方法包括根据第一盘、第二盘，或第一盘和第二盘确定盘的瞬时旋转轴速44。优选地，本发明包括测量第一盘20相对于第一传感器组28的侧向位移增量和角位移增量，以及第二盘24相对于第二传感器组36的侧向位移增量和角位移增量。优选地，盘20的侧向位移增量和角位移增量根据测量盘20的传感器组28中的传感器的相对计时测量计算而来的。优选地，盘24的侧向位移增量和角位移增量根据测量盘24的传感器组36中的传感器的相对计时测量计算而来。本方法包括用具有至少三个传感器的第一传感器组28和具有至少三个传感器的第二传感器组36测量第一转盘20相对于第二转盘24的表观扭转。优选地，表观扭转测量根据测量盘20A与盘24B的传感器之间的相对计时测量计算而来。本方法包括根据测得的表观扭转确定实际扭转角度θ_twist，优选地，利用已测得的侧向位移增量和角位移增量以及盘20(盘A)与盘24(盘B)之间的位移进行计算。优选地，本方法包括为第一转盘20(盘A)和第二转盘24(盘B)的侧向位移提供补偿。优选地，通过测量第一盘20相对于第一传感器组28的侧向位移增量和角位移增量以及第二盘24相对于第二传感器组36的侧向位移增量和角位移增量来确定测得的侧向位移增量和角位移增量。优选地，提供第一传感器组28包括提供传感器支架48，其中第一盘第一传感器30(TIA)与第一盘由间隔31分隔，第一盘第二传感器32与第一盘由间隔33分隔，第一盘第三传感器34(T_3A)与第一盘由间隔35分隔。本方法包括补偿第一盘第一传感器30(TIA)与第一盘20之间的间隔31的变化，补偿第一盘第二传感器32(T_2A)与第一盘20之间的间隔3的变化，和补偿第一盘第三传感器34(T_3A)与第一盘20之间的间隔3的变化。优选地，提供第二传感器组36包括提供传感器支架48，其中第二盘第一传感器38(T_1B)与第二盘24由间隔39分隔，第二盘第二传感器40(T_2B)与第二盘24由间隔41分隔，第二盘第三传感器42(T_3B)与第二盘24由间隔43分隔。本方法包括补偿第二盘第一传感器38(TIB)与第二盘24之间的间隔39的变化；补偿第二盘第二传感器40(T2B)与第二盘24之间的间隔41的变化；和补偿第二盘第三传感器42(T_3B)与第二盘24之间的间隔43的变化。优选地，本方法包括提供传感器支架48，以绕其圆周固定具有至少三个传感器的第一传感器组28和具有至少三个传感器的第二传感器组36的定位，其中第一盘第一传感器30(T_1A)与第二盘第一传感器38(T_1B)相邻放置并对准；第一盘第二传感器32(T_2A)与第二盘第二传感器40(T_2B)相邻放置并对准；第一盘第三传感器34(T_3A)与第二盘第三传感器42(T_3B)相邻放置并对准。优选地，第一盘第一传感器与第二盘第一传感器轴向对准；第一盘第二传感器与第二盘第二传感器轴向对准；第一盘第三传感器与第二盘第三传感器轴向对准。更优选地，轴向对准的第一盘第一传感器和第二盘第一传感器、轴向对准的第一盘第二传感器和第二盘第二传感器、以及轴向对准的第一盘第三传感器和第二盘第三传感器与盘20和24的旋转轴线平行排列。优选地，本方法包括对盘传感器和盘之间的间隔变化进行补偿。优选地，提供第一转盘20包括提供具有第一转轴52的第一转盘20；提供第二转盘24包括提供具有第二转轴54的第二转盘24；其中第一转轴52和第二转轴54与位于第一转盘和第二转盘之间的旋转中心56挠性联接。本方法包括确定第一转轴52和第二转轴54之间的角偏移量，优选地通过测量并确定盘20和24之间的偏移量来提供轴偏移量而进行确定。优选地，提供具有目标图形22的第一转盘20包括提供具有循环的周边目标图形22，其由多个目标23构成并固定分布在圆周。在一个实施例中，该图形间隔均匀。在一个实施例中，该图形间隔不均匀。优选地，图形目标元素23具有平行感测线21并与转盘的旋转轴线对准；被测的目标线边缘21与盘边缘垂直，优选地，与倾斜态相比，这些线21平行且垂直。优选地，提供具有目标图形26的第二转盘24包括提供具有循环的圆周目标图形26，其由多个目标27构成并固定分布在圆周。在一个实施例中，该图形间隔均匀。在一个实施例中，该图形间隔不均匀。优选地，图形目标元素27具有平行感测线25并与转盘的旋转轴线对准；被测的目标线边缘25与盘边缘垂直，优选地，与倾斜态相比，这些线25平行且垂直。优选地，提供至少具有三个传感器的第一传感器组28包括提供至少具有三个可变磁阻传感器的第一传感器组28。优选地，提供至少具有三个传感器的第二传感器组36包括提供至少具有三个可变磁阻传感器的第二传感器组36。在一个可选的优选实施例中，提供至少具有三个传感器的第一传感器组28包括提供至少具有三个光学传感器的第一传感器组28。在一个可选的优选实施例中，提供至少具有三个传感器的第二传感器组36包括提供至少具有三个光学传感器的第二传感器组36。

本发明包括扭转角度测量系统19。该系统包括绕第一旋转中心z-轴60旋转的第一转盘20(盘A)，其中第一盘20在x-y平面内延伸，第一转盘20具有目标图形22；绕第二转盘中心z-轴62旋转的第二转盘24(盘B)，其中第二盘24在x-y平面内延伸，第二转盘24具有目标图形26，传感器支架48以传感器支架参考z-轴64为中心分布，其环绕第一转盘20和第二转盘24，包括第一盘第一传感器30(T_1A)、第一盘第二传感器32(T_2A)和第一盘第三传感器34(T_3A)；所述三个传感器环绕第一转盘20固定并将其包围，且被定位成用于同时检测第一转盘目标图形22，并指向中心z-轴60。传感器支架括第二盘第一传感器38(T_1B)、第二盘第二传感器40(T_2B)和第二盘第三传感器42(T_3B)；所述三个传感器环绕第二转盘固定24用于测量第二转盘目标图形26，并指向中心z-轴62。第一盘第一传感器30(T_1A)与第二盘第一传感器38(T_1B)相邻放置，第一盘第二传感器32(T_2A)与第二盘第二传感器40(T_2B)相邻放置，第一盘第三传感器34(T_3A)与第二盘第三传感器42(T_3B)相邻放置；所述传感器被定位成用于检测第一转盘中心z-轴60相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量以及第一转盘相对于传感器支架的θx偏移量和θy偏移量，和检测第二转盘中心z-轴62相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量以及第二转盘相对于传感器支架的θx偏移量和θy偏移量，从而根据测得的表观扭转和偏移量确定第一转盘20与第二转盘24之间的实际扭转角度θ_twist。优选地，这些传感器固定成与传感器支架参考z-轴64平行排列。优选地，第一转盘20包括第一转轴52；第二转盘24包括第二转轴54；其中第一转轴52和第二转轴54与位于第一转盘20和第二转盘24之间的旋转中心56挠性联接。优选地，第一转盘目标图形22包括具有循环的圆周目标图形，该目标图形由固定分布在圆周的多个目标23构成。优选地，第二转盘目标图形26包括圆周目标图形，该目标图形由固定分布在圆周的多个目标27构成。优选地，第一盘第一传感器30，第二盘第一传感器38，第一盘第二传感器32，第二盘第二传感器40，第一盘第三传感器34和第二盘第三传感器42为可变磁阻传感器。在可选的优选实施例中，一盘第一传感器30，第二盘第一传感器38，第一盘第二传感器32，第二盘第二传感器40，第一盘第三传感器34和第二盘第三传感器42为光学传感器。

本发明利用转速计传感器提供精确可靠的扭转和对准测量。本发明中用于测量角度和对准的创造性方法/系统优选地包括两个目标盘20和24，以及多个环绕目标盘定位的传感器；优选地，所述传感器用传感器壳体支架48牢固安装。图1示出了分别以盘A和盘B标记的第一旋转目标盘20和第二旋转目标盘24。如图1所示，两盘主要平行于x-y平面进行取向，并绕主要平行于z-轴的轴线旋转。每个盘在其外周边处具有目标图形22和26，优选地，在外周边处标有、刻有或嵌有特定的循环图形。两盘固定地连接到联接件50，优选地，联接件50为挠性联接件和/或轴联接件，我们通过其测量扭转和/对准。由于目标图形可直接整合为轴或联接的一部分，所以目标盘20和24不需要是附加到待测轴联接系统中的分离元件。为了避免缺少一致性，本说明书将目标盘20和24作为分离的转盘。

如图1所示，传感器壳体支架48为三个分离的条或臂49，其上具有环绕转盘20和24的传感器T。臂49可在任何一端被联接在一起或可被构造成包含所有传感器的单个机械构件。

优选地，目标盘20和24为刚性本体，优选地所述盘不具有弯曲性或挠性。

优选地，传感器壳体支架48为刚性本体，优选地，传感器T(30，32，34，38，40，42)之间在传感器壳体48内不发生相对移动。

优选地，传感器壳体48界定了一个x-y-z绝对坐标系壳体参考框架。相对于壳体参考框架48进行测量。注意，当刚性传感器壳体48相对于内部参考框架发生移动时，该绝对坐标系可移动。

目标盘20和24旋转时，二者均可在各自的六个刚性本体自由度内移动。随时间变化的目标盘移动可相对于传感器壳体48进行和/或相对于彼此进行。图1示出各盘的旋转轴线可以不与传感器壳体48的轴64重合或平行。图中示出盘A中心的偏移量为{Δx_A，Δy_A}，盘B中心的偏移量为{Δx_B，Δy_B}。

盘的位移{Δx_A(t)，Δy_A(t)}和{Δx_B(t)，Δy_B(t)}能够随时间变化；优选地，位移的幅度主要集中于或小于轴旋转频率。这就在轴的渐增或小部分旋转中提供了位移的准稳定性。优选地，本申请使用脉冲时间间隔的直观测量，该脉冲由目标图形22和26的通过而产生。

目标图形22和26优选地具有一个角度范围(φ-方向)，其相对于一个回转较小，优选地小于10度。例如，在测量期间，持续绕轴四分之一回转(90度)的转速计脉冲将捕捉到轴的不稳定运动，这将导致该脉冲持续期的测量误差。

图4中的环70表示界限，其限定了目标盘20和24的旋转和移动。注意，该界限无需为有形界限。例如，目标盘移出界外会导致盘与传感器壳体48之间不必要的接触。

至于目标图形22和26，盘A和盘B优选地是彼此相同的。另外，盘20和24优选地如此安装以至于在零转角/零偏移量时，两组目标图形22和26在φ-方向上彼此对准(如图1所示，在x-y平面中测量，绕壳体的x-轴逆时针旋转)。图1所示的传感器臂49特意示出为三个独立的元件，这样一来每一个臂中的传感器T优选地相对于壳体坐标系位于相同的角度位置。例如，传感器T_3A和T_3B均被安装在角度φ₃处。这个优选的设置并不是必须的：因为，如果T_3A和T_3B以不同的角度安装，φ_3A≠φ_3B，盘A和盘B在安装时可相应地进行相对扭转以抵消这些传感器之间的角度偏移。一个不太必须但不失可行性的选择是实施校准步骤，其要求对零扭转/零偏移量状态具有准确的推断知识，这样相关计时延迟的偏差可以被校准。

优选地，当与组28，36中的数字转速计传感器等十分相近时，待测图形的目标元件区域23，27导致逻辑真值或高值；类似的，感测线21，25的另一侧的相邻区域导致逻辑伪值或低值。当盘以轴转动频率旋转时，目标图形通过组28，36中的转速计传感器将产生具有基本变化的负载循环的模拟或数字脉冲序列输出信号。对十分相近的精确定义取决于传感器组28，36中使用的转速计传感器的类型以及对目标图形的具体物理实现(物理实现，mechanical realization)。优选地，当感测线图形边缘穿过位于当前盘的旋转中心和传感器T之间的划线时，转速计传感器T被高触发或低触发。无论该线于盘的边缘在何处交叉，该点即为距离传感器T最近的点。轴速可随时间变化，但优选地具有准稳定性；优选地，在轴的递增或小部分旋转中，轴转速44基本恒定(优选地恒定且部分旋转度小于45度)。

为避免不一致性，认为盘A为参考盘；因此将测量盘B相对于盘A的扭转和对准。

关于目标图形22和26，图2示出了位于目标盘20，24之上的一个传感器臂49的俯视图实施例，作为优选实施。图2A还示出了最小传感器组(2个传感器/臂49，6个传感器/壳体48)的目标盘上的优选目标图形。图2B示出了冗余传感器组(传感器T和额外的冗余传感器M)(4个传感器/臂49，12个传感器/壳体48)的实施例图形。目标图形的精确几何图形由盘将产生的轴向(z-向)偏差量决定。对于其它特征，允许图形有多种不同变化。

本发明优选地利用瞬时的轴速度44信息根据扭转和对准测量来测量速度。通过测量目标感测线上的两个连续升起(或下降)的边缘之间的时间，可利用任一转速计传感器确定轴速度。这一过程在数学上可表达如下：

其中φ₀(弧度)为目标图形22，26的感测线前部(或后部)边缘之间的给定角距离；Δt(↑^1A _k↑^1A _k+1)表示两个连续上升的边缘经过传感器T_1A的时间间隔；

Δt(↓^1A _k↓^1A _k+1)表示两个连续下降的边缘经过传感器T_1A的时间间隔。图3示出了这些计时定义以及其它两个脉冲宽度定义。同时，图3还示出了根据转速计信号进行计时测量的符号定义。

计时测量由驱动计数器的高速时钟执行，其始于一上升(或下降)边缘，止于或重置于下一个上升(或下降)边缘。在图1的优选实施例中，有六个传感器T可被用于获取速度(计时)测量值。如有必要，可根据上升和下降边缘及多个传感器T对速度估计值进行平均，从而获得瞬时速度估计值。

优选地，通过首先测量各目标盘圆周上三点(Δ_z1，Δ_z2Δ_z3)的位移增量来计算偏移量测量值，优选地，利用多个传感器组28，36进行测量，如使用图1中的三个传感器臂49。通过测量目标图形22，26的通过所引起的脉冲持续期来测量目标盘相对于传感器壳体48的位移增量。关于图2A，通过传感器T_A或T_B的上升边缘对轴向位移不敏感，但下降边缘将成为轴向位移Δz的一个函数。通过测量上升和下降边缘之间的时间间隔并获知轴速，便可通过下式计算出该传感器处的轴向位移{Δz}：

其中n＝{1，2，3}为传感器数量，M为已知斜度，其由目标图形明确限定并使沿z-轴的位移变化与图形的相应的角度范围相关。脉冲宽度持续期Δt前已述及，并在图3中示出。关于图2B所示的冗余传感器系统，其不仅可以测量分别通过传感器M和T的上升和下降边缘之间的脉冲宽度，而且能够同时测量两个传感器的上升(下降)边缘之间的时间间隔。该架构为冗余的；对非冗余架构一般会要求重复多次相同的过程。

一旦获知各盘周边三个独立点处的轴向位移，即{Δz_1A，Δz_2A，Δz_3A}和{Δz_1B，Δz_2B，Δz_3B}，便可用确定两平面间的角变化的矢量法来计算角偏移量。图4示出计算目标盘上的法向矢量的矢量图。目标盘上的三点由x-y-z绝对坐标系中的矢量表示。对于一个普通的盘而言，这些矢量由下式表示(图4未示出)：

$V_1=[\mathrm{\Δx}+r_o\cos {\mathrm{\φ}}_1]\hat{x}+[\mathrm{\Δy}+r_o\sin {\mathrm{\φ}}_1]\hat{y}+[\mathrm{\Δ}{z}_1+z_{\mathrm{no}\min \mathrm{al}}]\hat{z}$

$V_2=[\mathrm{\Δx}+r_o\cos {\mathrm{\φ}}_2]\hat{x}+[\mathrm{\Δy}+r_o\sin {\mathrm{\φ}}_2]\hat{y}+[\mathrm{\Δ}{z}_2+z_{\mathrm{no}\min \mathrm{al}}]\hat{z}---\left(3\right)$

$V_3=[\mathrm{\Δx}+r_o\cos {\mathrm{\φ}}_3]\hat{x}+[\mathrm{\Δy}+r_o\sin {\mathrm{\φ}}_3]\hat{y}+[\mathrm{\Δ}{z}_3+z_{\mathrm{no}\min \mathrm{al}}]\hat{z}$

其中r₀为目标盘的法向半径，，

和

分别为在x-轴方向，y-轴方向和z-轴方向的单位矢量。如下所示，名义距离Z_no min al为任意值。为计算指定盘的法向矢量，需获得该盘上的两个矢量。图4指出了三种可能的途径：

$V_{21}=V_2-V_1=r_o[\cos {\mathrm{\φ}}_2-\cos {\mathrm{\φ}}_1]\hat{x}+r_o[\sin {\mathrm{\φ}}_2-{\sin \mathrm{\φ}}_1]\hat{y}+[\mathrm{\Δ}{z}_2-\mathrm{\Δ}{z}_1]\hat{z}$

$V_{32}=V_3-V_2=r_o[\cos {\mathrm{\φ}}_3-\cos {\mathrm{\φ}}_2]\hat{x}+r_o[\sin {\mathrm{\φ}}_3-{\sin \mathrm{\φ}}_2]\hat{y}+[\mathrm{\Δ}{z}_3-\mathrm{\Δ}{z}_2]\hat{z}---\left(4\right)$

$V_{13}=V_1-V_3=r_o[\cos {\mathrm{\φ}}_1-\cos {\mathrm{\φ}}_3]\hat{x}+r_o[\sin {\mathrm{\φ}}_1-{\sin \mathrm{\φ}}_3]\hat{y}+[\mathrm{\Δ}{z}_1-\mathrm{\Δ}{z}_3]\hat{z}$

从公式4可以看出，只需测量相对位移{Δz}。其它量均为常数且已知。沿z-轴的绝对位置以及盘沿x-轴方向和y-轴方向的移动均已抵消，因此不作要求。这样便可按下式类似并地计算盘A和盘B地法向矢量：

N_A＝V_32A×V_21A＝V_13A×V_32A＝V_21A×V_13A

(5)

N_B＝V_32B×V_21B＝V_13B×V_32B＝V_21B×V_13B

三个矢量的任意交差乘积均应相等；但在实践中最好充分利用冗余：即平均或使用多余的测量值来判断潜在的问题。最后，表示偏移量主要测量的两个法向矢量之间的角度偏差θ_alignment按下式计算：

${\mathrm{\θ}}_{\mathrm{alignment}}={\cos }^{-1}\left(\frac{N_A\·N_B}{\left|N_A\right|\left|N_B\right|}\right)---\left(6\right)$

单独测量偏移量需要获得六个转速计传感器T中的最小值，以提供合适的信息。为增加对准测量值的冗余，最好至少增加两个额外传感器，优选地如增加一个具有第一盘第四传感器和第二盘第四传感器的第四支架传感器臂49。下面将把对准的次级测量作为扭转测量过程的副产品进行描述。

优选地，本发明提供扭转测量，其中测得的扭转被作为盘B相对于盘A绕z-轴的角位移。优选地，该测量扭转的方法包括测量从盘A和盘B上相应传感器发出的脉冲感测线上升(或下降)边缘之间的计时差。利用前述为三个传感器臂49定义的符号，有三个可能的测量：

$\mathrm{\Δt}({\↑}_k^{1B},{\↑}_k^A)=\mathrm{\Δt}({\↓}_k^{1B},{\↓}_k^{1A})$

$\mathrm{\Δt}({\↑}_k^{2B},{\↑}_k^{2A})=\mathrm{\Δt}({\↓}_k^{2B},{\↓}_k^{2A})---\left(7\right)$

$\mathrm{\Δt}({\↑}_k^{3B},{\↑}_k^{3A})=\mathrm{\Δt}({\↓}_k^{3B},{\↓}_k^{3A})$

上升或下降边缘皆可使用(两者须等效)，但只有三个计时测量是独立的(即上述每一对中的一个)。

有一种非常特殊的情况是盘A和盘B的偏移均为零，即Δx_A＝Δx_B＝0且Δy_A＝Δy_B＝0，此时式(7)中的任一测量和由式(1)得出的轴的瞬时转速将产生一个简单且冗余的扭转测量。

式(7)中的计时测量会因目标盘的偏移位移而失真。此时式(8)中LHS上的量，即和

为表观扭转角度。图5示出了与目标盘的x-y移动相关的计时效果分析。为阐明此点内容，首先如图5所示只考虑参考盘。

图5A示出盘A完全以传感器壳体48的x-y-轴为中心。为简便起见，在盘的圆周上画有一个凹槽。首先如图5A楔形阴影区域所示，将凹槽向上转至距离x-轴一定弧度φ的传感器T处。接着如图5B所示，假设盘A固定地偏移传感器壳体48的轴64。在图5B的偏移例中，使凹槽旋转相同的弧度显然会导致其移过该传感器。图6为图5的放大图；它限定了一些其它角度，以提供扭转测量的详细分析图。如图6所示，凹槽只需旋转ψ弧度即可到达图5B的偏移例内的传感器。绝对角ψ实际上与本分析无关。关键参数是相对角α≡φ-ψ。该相对角可以被看作是旋转中心偏移引起的表观角度偏差，它由位于φ处的传感器测量，这样就有α＝α(φ，Δ_x，Δ_y)。该偏差显然对扭转角度以及来自转速计传感器的计时脉冲的测量具有重要影响。幸运的是，角度偏差α能够与位移参数相关。如果结合图6所示三角形在x-轴和y-轴方向的分量并将所得的两式相除可得：

$\begin{array}{c}r\sin \mathrm{\ψ}=R\sin \mathrm{\φ}-\mathrm{\Δy}\\ r\cos \mathrm{\ψ}=R\cos \mathrm{\φ}-\mathrm{\Δx}\end{array}\⇒\tan \mathrm{\ψ}=\left(\frac{\sin \mathrm{\φ}-\left(\frac{\mathrm{\Δy}}{R}\right)}{\cos \mathrm{\φ}-\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{R}\right)}\right)---\left(9\right)$

由对α的几何定义可知：

$\mathrm{\α}(\mathrm{\φ},\mathrm{\Δx},\mathrm{\Δy})=\mathrm{\φ}-{\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\φ}-\left(\frac{\mathrm{\Δy}}{R}\right)}{\cos \mathrm{\φ}-\left(\frac{\mathrm{\Δx}}{R}\right)}\right)---\left(10\right)$

其中，φ仍为传感器T的已知位置，R为传感器壳体的半径。由于未知位移Δx和Δy为超越函数的自变量，公式(10)繁琐难用。对于小位移，公式(10)可简化如下：

$\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)<<1\mathrm{and}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)<<1\&DoubleRightArrow;\mathrm{\&alpha;}(\mathrm{\&phi;},\mathrm{\&Delta;x},\mathrm{\&Delta;y})\&ap;\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)\cos \mathrm{\&phi;}-\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)\sin \mathrm{\&phi;}---\left(11\right)$

由于Δx和Δy线性相关，公式(11)更为简单易用。图7比较了一个直径10英寸且与传感器壳体具有0.200英寸法向间隙的盘根据式(10)计算得到的确切值和根据式(11)计算得到的近似值。图7中角度偏差为传感器角度φ的函数。图7示出了角度偏差的小移动近似值。图7中的粗线代表确切值；粗线间细的隐含的线代表近似值。图7示出四种偏移情况的结果：1)无偏移，2)仅发生x-轴方向偏移，3)仅发生y-轴方向偏移，和4)同时发生x-轴方向和y-轴方向的偏移。直观上，图7中的结果也是正确的。以图7中第2)种偏移情况为例，由于仅发生x-轴方向的偏移，在φ＝0°或φ＝180°处不会产生任何偏移，而在φ＝+90°和φ＝-90°时偏差最大。使用等式(11)中的计算简便但结果准确的近似值会强烈影响为满足式(11)所示的小相对位移假定而对传感器壳体(即半径R)的设计。

等式(8)给出表观扭转角度的简便测量。上述分析表明该测量因各盘的位移偏移而失真。另外，盘B相对于盘A的纯粹扭转会导致盘B上所有传感器相对于盘A上对应传感器发生相同的角偏移。这一与扭转相关的相同的角偏移为最终需要测量的量。利用等式(8)和(10)或(11)的结果，可使表观扭转角度与实际扭转角按下式关联：

其中n为传感器对的数量。可以发现，当偏差项为零时表观扭转等同于实际扭转。

尽管等式(12)能生成三个等式，但如上标x′s(^x)所示，其中共有5个未知数。利用图1所示的传感器配置可以仅根据盘A上的传感器另外提取出约束方程。引用上述相同推论能够测量盘A上成对传感器上升(或下降)边缘之间的计时差，从而得到以下三个等式：

这三个等式中只含有两个未知数。利用由式(11)得出的近似值便能够任意选择(13)中的两个等式来求解未知的位移偏移。例如，(13)中的前两个等式可以写成如下矩阵形式

该矩阵可求解且不具有特异情形，原因在于一般总能选择传感器的位置。如有必要，可以利用(13)中的三个等式来求得最小二乘解。

将由等式(14)求得的盘A的位移偏移解和由等式(8)求得的测量值替代到等式(12)中便得到三个等式和三个未知数：

等式(15)仍可求解，且没有特异情形，理由同上。除了提供扭转角度θ_twist的测量值以外，等式(15)和(14)还能够提供轴对准的次级测量值，即{Δx_A，Δy_A，Δx_B，Δy_B}。如上所述，扭转和对准测量要求以准确的计时测量值Δt的形式输入数据流。转速计信号的上升和下降感测线边缘为何时测量时间提供了触发输入，但实际上这些感测线边缘的出现有赖于转轴的速度44。对上升和下降感测线边缘的计时测量相对于固定时钟而言是异步的。最终需要将异步数据流转化成同步数据流，以便能够以固定的时间间隔有规则地提供扭转和对准测量。

为了解对数据流的要求，首先来看图8所示的简单例子。其中目标为盘周边的突出区域。本例中，各盘的周边仅有N＝8个目标图形，即编号为0到7的8个突出的目标区域。盘A上突出的目标区域23界于各自的目标感测线21之间。盘B上突出的目标区域27界于各自的目标感测线25之间。实践中优选构成图形的目标数目多于此数。各图形依次从0至7编号。如图8所示，对一个给定传感器而言，各目标均将产生一个上升边缘和一个下降边缘。有多种可能的方式来采集Δt测量需要的数据。图9所示的数据流图为处理计时数据的优选方法。

图1所示的六个转速计产生模拟输出，即便他们已经在传感器内包含了数字域值电路。通过模拟，发现上升或下降边缘能够在数字时钟无法量化的任意时间出现。模拟信号由传感器T输出后紧接着被输入到图9中的12个触发块78中。接着，流程图中示出了一个由能够输出高速计数数据的高速数字时钟驱动的高速模块-M计数器。高速计数数据被输入由12个触发块78形成的阵列。这些触发块78能够被看作是由模拟的上升或下降边缘触发的样本-和-储存装置。数据在触发块输出端变化的平均速率完全取决于如图9所示的目标图形的速度和数量。12个触发块中的输出信号被输入12个环形缓存器80中。尽管12个触发块78中的输出信号通常不会同时获得，但是能够确定可获得与第K个目标相关的一组完整的(即所有12个)输出信号的时间。该数据储存在12个N-深度的环形缓存器80中；缓存器80包含为各转速计传感器在上升和下降边缘采集的计数值。轴的每一次旋转之后，环形缓存器80将完全刷新。图9中，这些矢量数据由环形缓存器80的输出箭头表示。

只要高速计数器大到足够测量一个转速计传感器的任意两个连续上升的边缘之间的完整时间间隔，将不难产生由溢流导致的高速计数重叠。

每一个环形缓存器都将产生N条信息，用于生成完整的N-1组Δt数据，以计算每一次旋转的N-1个不同的扭转和对准测量。也许有人会尝试使用某种平均方案来进一步减少数据组。该方案在某些形式下是可行的，但优选地是分析来自适当的测试装置的试验数据。显然，上述假设允许在一个完整的旋转中出现变化的情形。这些变化的性质将指示究竟该如何进行平均。一旦分析过一套完整的实验测量数据，本领域技术人员显然知道如何正确地平均这些数据。

使用图1中的系统，传感器T为可变磁阻传感器，六个传感器的初始设置均为在0度偏移量处具有0.100英寸的间隔。在零度和1度偏移量处并且在速度为4000，5000，6000和7000rpm的条件下采集精确可变磁阻计时数据。在每一个角度偏移量/速度条件下，负载扭矩从零负载以10％的增量变到的最大负载。利用National Instruments PCI-660280MHz计数器/计时器仪表盘同时记录各传感器T的精确可变磁阻计时数据。根据计时数据准确预测扭转角度。本发明从无接触转速计探针传感器，如可变磁阻装置传感器，提供因目标通过而产生的精确计时信号的准确测量。特别地，本发明提供一种由传感器和目标之间的间隔变化引起的测量误差的补偿方法。本发明的优选方法是直接补偿间隔变化引起的误差。

使用无接触转速计探针传感器来检测目标的通过，其中因传感器和目标之间的名义间隔变化导致转速计传感器信号变差，因此本发明是有用的。本发明提供一个扭矩测量系统19，其利用六个可变磁阻传感器阵列检测挠性联接件50的目标盘圆周图形。在一个优选的实施例中，挠性联接件50可承受的角偏移量可高达2.5度，显著偏离于常见又需补偿的名义间隔。

任意给定传感器T处的表观角度偏差记做：

$\mathrm{\&alpha;}(\mathrm{\&phi;},\mathrm{\&Delta;x},\mathrm{\&Delta;y},R)=\mathrm{\&phi;}-{\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\&phi;}-\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)}{\cos \mathrm{\&phi;}-\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)}\right)\&ap;\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)\cos \mathrm{\&phi;}-\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)\sin \mathrm{\&phi;}---\left(A1\right)$

首先讨论Δx＝Δy＝0的情形。假设待测目标为给定盘(如盘A)上的任意两个传感器T之间的角度，且假设传感器经校准(物理放置)后以便名义上使所有相关角度为零(以齿间距为模量)，可测量如下：

接着，允许出现侧向偏移，即Δx≠0和/或Δy≠0，则等式(2)不再成立。如述，等式(A1)能够用来预测被测值应为：

实践中可根据被测值利用(A3)求解侧向偏移：

事实上，求解侧向偏移Δx和Δy只需要三个等式中的两个；但三个等式可以被一起用来计算最佳的最小二乘估计值。

现在将特定传感器处的间隔变化对表观角度偏差的影响考虑进来。对该分析，假设角度偏差的线性变化为关于名义间隔的间隔变化的一个函数：

其中R为传感器支架48的半径；r为目标盘的半径；(R-r)为名义间隔；K为角度偏差对间隔变化的敏感度。图10示出了计算作为侧向偏移的一个函数的间隔的几何图形。函数g()代表对于给定侧向偏移Δx和Δy在特定的传感器T处的实际间隔。注意，该间隔仅为侧向偏移和已知常数的函数。

由图10的三角形，可用复数标号表示下列矢量方程：

Re^jφ＝Rcosφ+jRsinφ＝(Δx+jΔy)+q    (A6a)

q＝(Rcosφ-Δx)+j(Rsinφ-Δy)          (A6b)

利用(A6b)，间隔可简单表示为：

$g(\mathrm{\&phi;},\mathrm{\&Delta;x},\mathrm{\&Delta;y},R,r)=\left|\right|q\left|\right|-r=\sqrt{{(R\cos \mathrm{\&phi;}-\mathrm{\&Delta;x})}^2+{(R\sin \mathrm{\&phi;}-\mathrm{\&Delta;y})}^2}-r---\left(A7\right)$

等式(A7)可略微简化为：

$g(\mathrm{\&phi;},\mathrm{\&Delta;x},\mathrm{\&Delta;y},R,r)=R\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)}^2-2(\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)\cos \mathrm{\&phi;}+\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)\sin \mathrm{\&phi;})}-r---\left(A8\right)$

将(A8)代入(A5)可得：

$\mathrm{\&alpha;}(\mathrm{\&phi;},\mathrm{\&Delta;x},\mathrm{\&Delta;y},R,r,K)=\mathrm{\&phi;}-{\tan }^{-1}\left(\frac{\sin \mathrm{\&phi;}-\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)}{\cos \mathrm{\&phi;}-\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)}\right)---\left(A9\right)$

$+\mathrm{KR}(1-\sqrt{1+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)}^2+{\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)}^2-2(\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)\cos \mathrm{\&phi;}+\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)\sin \mathrm{\&phi;})})$

与上述分析非常相似，对于小位移而言，等式(A8)可按下式近似得出：

$\left(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}\right)<<1\mathrm{and}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}\right)<<1\&DoubleRightArrow;g(\mathrm{\&phi;},\mathrm{\&Delta;x},\mathrm{\&Delta;y},R,r)\&ap;(R-r)-\mathrm{\&Delta;}y\sin \mathrm{\&phi;}-\mathrm{\&Delta;}x\cos \mathrm{\&phi;}---\left(A10\right)$

将(A1)和(A10)的近似值代入由等式(A9)给出的准确形式，可得如下近似值：

$\mathrm{\&alpha;}(\mathrm{\&phi;},\mathrm{\&Delta;x},\mathrm{\&Delta;y},R,r,K)=(\frac{\mathrm{\&Delta;y}}{R}+\mathrm{K\&Delta;x})\cos \mathrm{\&phi;}-(\frac{\mathrm{\&Delta;x}}{R}-\mathrm{K\&Delta;y})\sin \mathrm{\&phi;}$

$=(\frac{\cos \mathrm{\&phi;}}{R}+K\sin \mathrm{\&phi;})\mathrm{\&Delta;y}-(\frac{\sin \mathrm{\&phi;}}{R}-K\cos \mathrm{\&phi;})\mathrm{\&Delta;x}---\left(A11\right)$

最后将(A11)的近似值代入等式(A3)可以得到等式(A4)的拓展公式：

其中s_ij＝sinφ_i-sinφ_j且c_ij＝cosφ_i-cosφ_j。对于K＝0的情形，等式(A4)获得从等式(A4)获得的初始结果。

从等式(A12)可以看出，在实践中间隔补偿为侧向移动补偿的增加。使用图1中的系统，传感器T为可变磁阻传感器，六个传感器的初始设置均为在0度偏移量处具有0.100英寸的间隔。当转速为7000rpm时，对准角度范围为-2.25度到+2.25度。在每一个角度偏移量条件下，利用National Instruments PCI-6602 80MHz计数器/计时器仪表盘同时记录各传感器的精确可变磁阻计时数据。

本发明利用一组无接触转速计传感器探针，如可变磁阻传感器，来测量两转轴之间的角对准。

本发明利用扭矩测量系统19的元件采集处理扭矩所需的角对准信息。

图11示出了本发明的一个优选实施例，其中挠性隔膜联接件50具有优选的圆周目标23，27，其位于嵌在每个联接法兰盘中的隔膜的任一侧。目标23，27实际上为与旋转轴线平行的轮齿。六个可变磁阻目标传感器T三个一组地分设在两个目标盘上，用于测量轮齿目标通过的计时。目标盘在x-y平面内绕z-轴旋转。使用如图11的目标盘，尚无已知途径能够测量轴向(即z-轴方向)位移。

图12示出了联接件50的轴偏移引起的挠性联接偏差。如图12所示，联接中心，或称顺度中心或旋转中心56主要位于所联接的挠性盘的几何中心。本发明假设轴向位移小，且由计时测量可知Δx和Δy偏移，从而可能估计出角度偏移量。

计算步骤如下：计算在各盘的旋转中心处两轴线之间的偏移增量。

$\mathrm{\&Delta;}\&equiv;\sqrt{{(\mathrm{\&Delta;}{x}_A-\mathrm{\&Delta;}{x}_B)}^2+{(\mathrm{\&Delta;}{y}_A-\mathrm{\&Delta;}{y}_B)}^2}$

其中下标A和B分别代表法兰盘A和B。注意，哪个盘被标记为A，哪个盘被标记为B无关紧要。最后，近似偏移角度可计算如下：

${\mathrm{\&theta;}}_{\mathrm{alignment}}={\tan }^{-1}\left(\frac{\mathrm{\&Delta;}}{R}\right)$

其中R为顺度中心到目标盘中心的名义距离。图13给出的实验验证测试结果，示出了仅使用可变磁阻传感器T进行对准的次级可选验证。

本发明提供了四十赫兹的扭矩测量带宽。本发明在±300,000英寸-磅的扭矩范围内精确测量扭矩，优选地为-270,900英寸-磅到+270,900英寸-磅，转速为2,500到10,000rpm，温度为-80到250F度。

测量扭转的方法包括提供具有目标图形22的第一转盘20(盘A)，提供具有目标图形26的第二转盘24(盘B)，提供用于检测第一转盘目标图形22且具有至少三个传感器的第一传感器组28(第一盘第一传感器T_1A，第一盘第二传感器T_2A，第一盘第三传感器T_3A)，和用于测量第二转盘目标图形26且具有至少三个传感器的第二传感器组36(第二盘第一传感器T_1B，第二盘第二传感器T_2B，第二盘第三传感器T_3B)。本方法包括测量第一转盘20相对于至少具有三个传感器的第一传感器组28的侧向位移增量和角位移增量，以及第二转盘24相对于至少具有三个传感器的第二传感器组36的侧向位移增量和角位移增量。本方法包括利用至少具有三个传感器的第一传感器组和至少具有三个传感器的第二传感器组测量第一转盘20相对于第二转盘24的表观扭转，并利用测得的表观扭转确定实际扭转角度、侧向位移增量及盘A和盘B的角位移。优选地，盘A的位移增量和侧向位移测量由盘A的传感器组28间的计时测量计算而来。优选地，盘B的位移增量和侧向位移测量由盘B的传感器组36间的计时测量计算而来。优选地，表观扭转测量根据盘A的传感器组28中各传感器T间的计时测量和盘B的传感器组36中各传感器T间的相应计时测量计算而来。

本发明包括扭矩测量系统19，该系统具有绕第一转盘中心z-轴60旋转的第一转盘A，其中第一盘20在x-y平面延伸并具有目标图形22，以及具有绕第一转盘中心z-轴62旋转的第二转盘B，其中第二盘24在x-y平面延伸并具有目标图形26。该系统19包括一个以传感器支架参考z-轴64为中心的传感器支架48，该支架环绕第一转盘20和第二转盘24，并且包括第一盘第一传感器、第一盘第二传感器和第一盘第三传感器，这三个传感器环绕第一转盘20固定并将其包围，且被定位成用于测量第一转盘目标图形22；还包括第二盘第一传感器，第二盘第二传感器和第二盘第三传感器，这三个传感器环绕第二转盘24固定并将其包围，且被定位成用于测量第一转盘目标图形26。第一盘第一传感器与于第二盘第一传感器在圆周上相邻放置；第一盘第二传感器与第二盘第二传感器在圆周上相邻放置；第一盘第三传感器与于第二盘第三传感器在圆周上相邻放置。这些传感器用于测量第一转盘中心z-轴60相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量和相对于传感器支架的θx偏移量和θy偏移量，以及第二转盘中心z-轴62相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量和相对于传感器支架的θx偏移量和θy偏移量。系统19用于确定第一转盘和第二转盘之间的实际扭转角度θ_twist，优选地，该实际扭转角度用于和预设的联接顺度一起测量扭矩。

本发明包括扭矩轴偏差测量系统19，该系统包括绕第一旋转中心z-轴旋转的第一转盘及轴，其中第一盘在x-y平面内延伸并具有圆周目标图形；绕第二转盘中心z-轴旋转的第二转盘及轴，其中第二盘在x-y平面内延伸并具有圆周目标图形，第一转轴52和第二转轴54与第一转盘和第二转盘之间的旋转中心56挠性联接；以传感器支架参考z-轴64为中心的传感器支架48，该支架环绕第一转盘和第二转盘，其中第一盘第一传感器、第一盘第二传感器和第一盘第三传感器环绕并固定于第一转盘并将其包围，且被定位成用于检测第一转盘目标图形，第二盘第一传感器、第二盘第二传感器和第二盘第三传感器环绕并固定于第二转盘并将其包围，且被定位成用于检测第二转盘目标图形。第一盘第一传感器与于第二盘第一传感器在圆周上相邻放置；第一盘第二传感器与第二盘第二传感器在圆周上相邻放置；第一盘第三传感器与于第二盘第三传感器在圆周上相邻放置。这些传感器用于检测第一转盘中心z-轴60相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量和相对于传感器支架的θx偏移量和θy偏移量，以及检测第二转盘中心z-轴62相对于传感器支架参考z-轴64的Δx偏移量和Δy偏移量和相对于传感器支架的θx偏移量和θy偏移量，从而确定第一转盘与第二转盘之间的实际扭转角度θ_twist，并且确定在旋转中心处的第一旋转中心z-轴和第二旋转中心z-轴之间的偏移增量，并提供扭矩和轴偏移量测量。

在不偏离本发明精神和范围的前提下，本领域技术人员显然可以对本发明进行修改和变化。因而，只要符合随付的权利要求及其等价描述的范围，则认为本发明涵盖了对其进行的修改和变化。

Claims (21)

1.一种测量扭矩的方法，包括：

提供第一转盘，所述第一转盘具有目标图形；

提供第二转盘，所述第二转盘具有目标图形；

提供第一转轴于第一转盘，提供第二转轴于第二转盘，所述第一

转轴和所述第二转轴与位于所述第一转盘和所述第二转盘之间的旋转

中心联接；

提供至少具有三个传感器的第一传感器组，所述第一传感器组包括第一盘第一传感器、第一盘第二传感器和第一盘第三传感器，所述至少具有三个传感器的第一传感器组用于检测所述第一转盘目标图形，所述至少具有三个传感器的第一传感器组环绕所述第一转盘固定并将其包围；

提供至少具有三个传感器的第二传感器组，所述第二传感器组包括第二盘第一传感器、第二盘第二传感器和第二盘第三传感器，所述至少具有三个传感器的第二传感器组用于检测所述第二转盘目标图形，所述至少具有三个传感器的第二传感器组环绕所述第二转盘固定并将其包围；

利用所述至少具有三个传感器的第一传感器组和至少具有三个传感器的第二传感器组，测量所述第一转盘相对于所述第二转盘的表观扭转，

根据测得的表观扭转确定实际扭转角度θ_twist，

确定所述第一转轴和第二转轴之间的角偏移量。

2.如权利要求1所述的方法，该方法包括对所述第一转盘(A)的侧向位移和所述第二转盘(B)的侧向位移进行补偿。

3.如权利要求1所述的方法，其中，提供第一传感器组包括提供传感器支架，第一盘第一传感器与第一转盘由间隔分隔，第一盘第二传感器与第一转盘由间隔分隔，第一盘第三传感器与第一转盘由间隔分隔；所述方法包括补偿第一盘第一传感器与第一转盘之间间隔的变化、第一盘第二传感器与第一转盘之间间隔的变化、和第一盘第三传感器与第一转盘之间间隔的变化。

4.如权利要求1所述的方法，其中，提供第二传感器组包括提供传感器支架，第二盘第一传感器与第二转盘由间隔分隔，第二盘第二传感器与第二转盘由间隔分隔，第二盘第三传感器与第二转盘由间隔分隔；所述方法包括补偿第二盘第一传感器与第二盘之间间隔的变化、第二盘第二传感器与第二盘之间间隔的变化、和第二盘第三传感器与第二盘之间间隔的变化。

5.如权利要求1所述的方法，还包括提供传感器支架，以固定所述至少具有三个传感器的第一传感器组和所述至少具有三个传感器的第二传感器组，其中所述第一盘第一传感器与所述第二盘第一传感器相邻放置，所述第一盘第二传感器与所述第二盘第二传感器相邻放置，所述第一盘第三传感器与所述第二盘第三传感器相邻放置

6.如权利要求5所述的方法，其中，第一盘第一传感器与第二盘第一传感器轴向对准，第一盘第二传感器与第二盘第二传感器轴向对准，第一盘第三传感器与第二盘第三传感器轴向对准。

7.如权利要求6所述的方法，其中所述轴向对准的第一盘第一传感器和第二盘第一传感器，所述轴向对准的第一盘第二传感器与第二盘第二传感器以及所述轴向对准的第一盘第三传感器与第二盘第三传感器为平行对准。

8.如权利要求1所述的方法，该方法包括对盘传感器和转盘之间的间隔变化进行补偿。

9.如权利要求1所述的方法，其中提供所述具有目标图形的第一转盘包括提供具有圆周目标图形的第一转盘。

10.如权利要求1所述的方法，其中提供所述具有目标图形的第二转盘包括提供具有圆周目标图形的第二转盘。

11.如权利要求1所述的方法，其中提供至少具有三个传感器的第一传感器组包括提供至少具有三个可变磁阻传感器的第一传感器组。

12.如权利要求1所述的方法，其中提供至少具有三个传感器的第二传感器组包括提供至少具有三个可变磁阻传感器的第二传感器组。

13.如权利要求1所述的方法，其中提供至少具有三个传感器的第一传感器组包括提供至少具有三个光学传感器的第一传感器组。

14.如权利要求1所述的方法，其中提供至少具有三个传感器的第二传感器组包括提供至少具有三个光学传感器的第二传感器组。

15.如权利要求1所述的方法，还包括根据第一盘、第二盘，或第一盘和第二盘确定各盘的瞬时旋转轴速。

16.如权利要求1所述的方法，还包括测量第一盘相对于第一传感器组的侧向位移增量和角位移增量，以及第二盘相对于第二传感器组的侧向位移增量和角位移增量。

17.如权利要求16所述的方法，其中实际扭转角度θ_twist是利用第一盘相对于第一传感器组的侧向位移增量和角位移增量、第二盘相对于第二传感器组的侧向位移增量和角位移增量、以及第一盘和第二盘的位移来确定。

18.如权利要求1所述的方法，其中所述第一转盘目标图形和所述第二转盘目标图形彼此相同。

19.如权利要求1所述的方法，其中所述第一转盘有多个第一感测线和所述第二转盘有多个第二感测线，并且测量所述第一感测线和第二感测线上的两个连续升起或下降的边缘之间的时间以确定实际扭转角度θ_twist。

20.如权利要求1至19所述的任一项的方法用于测量扭转角度。

21.一种测量扭矩的系统方法，包括：

第一转盘，所述第一转盘具有目标图形；

第二转盘，所述第二转盘具有目标图形；

提供于第一转盘的第一转轴，提供于第二转盘的第二转轴，所述第一转轴和所述第二转轴与位于所述第一转盘和所述第二转盘之间的旋转中心联接；

至少具有三个传感器的第一传感器组，所述第一传感器组包括第一盘第一传感器、第一盘第二传感器和第一盘第三传感器，所述至少具有三个传感器的第一传感器组用于检测所述第一转盘目标图形，所述至少具有三个传感器的第一传感器组环绕所述第一转盘固定并将其包围；

至少具有三个传感器的第二传感器组，所述第二传感器组包括第二盘第一传感器、第二盘第二传感器和第二盘第三传感器，所述至少具有三个传感器的第二传感器组用于检测所述第二转盘目标图形，所述至少具有三个传感器的第二传感器组环绕所述第二转盘固定并将其包围；

其中

利用所述至少具有三个传感器的第一传感器组和至少具有三个传感器的第二传感器组，测量所述第一转盘相对于所述第二转盘的表观扭转，

根据测得的表观扭转确定实际扭转角度θ_twist。

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