CN102445289A

CN102445289A - 扭力传感器

Info

Publication number: CN102445289A
Application number: CN2010105015151A
Authority: CN
Inventors: 杨锦堂; 李健
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2010-10-05
Filing date: 2010-10-05
Publication date: 2012-05-09
Anticipated expiration: 2030-10-05
Also published as: CN102445289B

Abstract

本发明涉及一种基于压力应变材料的扭力传感系统，尤其涉及一种在大载荷扭转力工作环境下检测的传递扭转力或扭矩的传感器。本发明的扭力传感器，包括中心轴、套筒，中心轴的圆周上沿中心轴的轴向间隔设有凹槽，相邻的凹槽之间形成凸起，凸起上交替设置连接齿条，中心轴通过连接齿条与套筒套接；套筒上设置紧固件，套筒与中心轴之间通过紧固件固接；凹槽内设置压应变材料体，压应变材料体的两侧分别与凹槽的槽壁接触，压应变材料体的一侧与凸起固接。本发明可以承受超大扭力、扭矩载荷，正、反向扭转传感信号一致，并且结构简单，与被测量系统连接方便的扭力传感器。本发明还特别适用于要求结构尺寸小，扭转强度要求高，安装简单便利的应用领域。

Description

扭力传感器

技术领域

本发明涉及一种基于压力应变材料的扭力传感系统，尤其涉及一种在大载荷扭转力工作环境下检测的传递扭转力或扭矩的传感器。

背景技术

传感器领域发展迅速，产生了如压变、压阻和压电等多种传感器。特别是近些年来压电传感器发展迅速。压电式传感器的原理是基于某些晶体材料的压电效应，目前广泛使用的压电材料有石英和高钛酸铅等，当这些晶体受压力作用发生机械变形时，在其相对的两个侧面上产生异性电荷即“压电效应”。由于压电传感器是基于这种压电材料的力-电强耦合效应而制成，通过直接获取电信号的强度来感知受到机械负载的强度，所以这类传感器传感灵敏度高，传感精确，信号获取方便，传感器结构紧凑简捷，使用方便，目前在众多领域得以广泛应用。但是，目前采用压应变传感的材料或器件多数用于制造拉力或压力传感器，用于扭力或扭矩传感的应用相对较少，这主要是由于压应变材料或器件不容易集成在扭转系统中直接通过采集压力信号来获得扭力或扭矩。另外，由于压应变传感材料，如压电材料，多属于脆性材料，其抗拉、压强度较低，所以利用其制成的压电传感器往往不能承受大载荷。如目前市场上的一款压电式传感器：CZ-YB系列压电式压力传感器，其承载能力只能为几十千帕。所以采用压应变传感材料由于其强度的缺陷也限制了这类材料或其器件在大扭力或大扭矩压传感方面的应用。

并且，由于应变传感材料其拉、压电特性往往不同，如采用单一压电材料制成的正向和反向的双向扭力或扭矩传感器，往往存在传感信号不一致，正、反向扭力或扭矩测量范围偏差较大的缺陷，使制造正、反双向扭力或扭矩传感器存在困难。

发明内容

本发明的技术效果能够克服上述缺陷，提供一种扭力传感器，其可以准确测量双向扭力的大小。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：其包括中心轴、套筒，中心轴的圆周上沿中心轴的轴向间隔设有凹槽，相邻的凹槽之间形成凸起，凸起上交替设置连接齿条，中心轴通过连接齿条与套筒套接；套筒上设置紧固件，套筒与中心轴之间通过紧固件固接；凹槽内设置压应变材料体，压应变材料体的两侧分别与凹槽的槽壁接触，压应变材料体的一侧与凸起固接。

该发明中所包含的中心轴为一在其轴侧面沿其轴向开有直凹槽的轴体，凹槽的个数为两个或两个以上。设置连接齿条的凸起的底端设有小导角槽，小导角槽与凹槽连通，以便连接齿条呈柔性铰链的形式，在其受到外圆周方向的扭转力时较容易产生弯曲弹性变形。压应变材料体可设置多个，可设置在两个小导角槽开口方向不同的凹槽内或两个以上的小导角槽开口方向不同的凹槽内。

连接齿条外端面还攻有螺纹，连接套筒可为以螺纹管，连接齿条与套筒之间通过螺纹连接并旋紧。由于设置连接齿条的中心轴处的外径R大于不设置连接齿条的中心轴处的外径r，所以旋紧后的连接套筒内侧只与中心轴的连接齿条接触，而与不设置连接齿条的凸起不接触，未设置连接齿条的凸起与套筒内壁之间的距离为0.2-40mm。连接套筒和中心轴的连接齿条之间销有装配紧固件，以使装配定位后的连接套筒与中心轴上的连接齿条刚性连接，以保证在连接套筒做正向和反向扭转时，接触面间无松动或相对移动。

凸起侧面设置紧固螺栓，凸起通过紧固螺栓与压应变材料体固接。正向压应变材料体和反向压应变材料体分别置于不同的中心轴上的凹槽中。放置后，可以通过在非接触齿条上的螺纹孔，用紧固螺栓调整应变传感材料体的安装间隙并紧固在中心轴上。根据以上的结构和装配形式，所提出发明的扭矩传感装置，当受到连接套筒的扭转作用时，中心轴上的接触齿条由于与连接套筒刚性连接，所以外套筒的扭力将传递到中心轴的连接齿条上，由于该齿条为一柔性铰链形式，所以中心轴的连接齿条将沿外力方向发生局部微弹性变形，从而挤压与其相接触连接的压应变传感材料体，致使其产生应变信号。此时，如果外套筒为正向旋转，则会挤压正向压应变传感材料体，产生正向扭力应变信号；如果外套筒为反向旋转，则会挤压反向压应变传感材料体，产生反向扭力应变信号。并且，所产生的信号强度与施加在外套筒上的扭转力成对应关系，即通过测量压应变传感材料体产生的信号，可以测量外部施加的扭转力。

同时，由于中心轴上连接齿条在轴向上有较厚的尺度，所以连接齿条在套筒轴向拉力和压力的强度可以远大于其所能承受的周向弯曲强度。因此，所提出的扭力传感器可以与压力或拉力传感器串接使用，在不影响拉、压力传感的同时，实现扭力传感，从而制成实现拉、压、扭力三分量一体化测试传感器。

与现有技术相比，本发明具有以下优点：

1.实现了紧凑结构下的正、反向的双向扭力检测；

2.机构刚性好，可以采用承载压力有限的压应变传感材料体检测大负载或超大负载扭力；体积可以较小；

3.正、反向扭力检测均采用了在压应变传感材料体上施加的压力信号而实现，使本发明对于正、反向扭力检测具有稳定性和一致性；

4.部件装配和安装方便，可以通过如线切割的方式方便加工，部件的加工、设计尺寸和装配误差可以方便地通过安装螺栓进行调节；该发明部件整体与外部被测件可通过螺纹和销钉方便连接。

5.本扭力传感器可以方便与拉力传感装置，压力传感装置或与拉、压力传感装置集成制成拉-扭传感装置，或压-扭传感装置或拉-压-扭传感装置。

该传感系统可以直接利用如压电材料或压力传感器测试扭力或扭矩，可以避免压力应变材料由于自身抗压强度的限制而使所制成的传感器无法用于大载荷或超大载荷扭力或扭矩检测的应用场合。并且，所提出传感器是一种可以检测正向和反向扭转力或力矩的传感机构，其结构形式还可以方便的与拉力、压力传感机构集成，方便制成拉-扭、压-扭或拉-压-扭多分量传感器。该传感器具有：自身结构强度高，扭转力或力矩检测范围大，方便用于轴系系统的扭转力或转矩的检测，方便与拉、压传感器集成。

本发明的扭力传感器可用于研制要求测试大负载或超大负载扭力的场合，如建筑物、重型机械、桥梁、液压设备、旋翼以及轴系等的扭力、扭矩检测领域。本发明可以承受超大扭力、扭矩载荷，正、反向扭转传感信号一致，并且结构简单，与被测量系统连接方便的扭力传感器。本发明还特别适用于要求结构尺寸小，扭转强度要求高，安装简单便利的应用领域。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明做详细描述：

图1为中心轴结构示意图；

图2为本发明实施例1扭力传感器装配结构示意图；

图3为本发明实施例1扭力作用下中心轴接触齿条状态示意图；

图4为本发明的实施例2示意图；

图5为本发明的实施例3示意图。

图中：1、中心轴；2、凹槽；3、凸起；4、套筒；5、连接齿条；6、紧固件；7、正向压应变材料体；8、反向压应变材料体；9、小导角槽；10、紧固螺栓。

具体实施方式

实施例1

本发明的扭力传感器包括中心轴1、套筒4，中心轴1的圆周上沿中心轴的轴向间隔设有凹槽2，相邻的凹槽2之间形成凸起3，凸起3上交替设置连接齿条5，中心轴1通过连接齿条5与套筒4套接；套筒4上设置紧固件6，套筒4与中心轴1之间通过紧固件6固接；凹槽2内间隔设置正向压应变材料体7和反向压应变材料体8，所有的压应变材料体的两侧分别与凹槽2的槽壁接触，压应变材料体的一侧与凸起3固接。

设置连接齿条的凸起的底端设有小导角槽9，小导角槽9与凹槽2连通。凸起3侧面设置紧固螺栓10，凸起3通过紧固螺栓10与正向压应变材料体7、反向压应变材料体8固接。连接齿条5与套筒4之间通过螺纹连接。未设置连接齿条的凸起3与套筒4内壁之间的距离为10-20mm。

正向压应变材料体7和反向压应变材料体8分别置于两个小导角槽开口方向不同的凹槽2内。放置后，可以通过紧固螺栓10调整正向压应变材料体7和反向压应变材料体8的安装间隙并紧固在中心轴1上。

如图3所示，工作时，套筒4受外部作用产生扭转，该扭转作用力F通过套筒4与中心轴1上的连接齿条5上的螺纹，以及通过套筒4和连接齿条5之间的紧固件6，传递到中心轴1上的连接齿条上，此时由于连接齿条5为一个可以在旋转方向发生局部微弹性变形的铰链结构体，所以当F足够大时，连接齿条5会沿扭力F方向发生微弹性弯曲变形，当F沿顺时针施加时，该变形过程将挤压与其接触连接的正向压应变材料体7，而反向压应变材料体8不受压力作用，产生正向扭力应变信号；当F沿逆时针施加时，该变形过程将挤压与其接触连接的反向压应变材料体8，而正向压应变材料体7不受压力作用，产生反向扭力应变信号。此时，压应变材料体(如用压电片或小型压电传感器件)可以产生压力感应信号，如压电信号。并且该压电信号的强度与扭力F成对应关系。即通过本发明所提出的扭力传感器可实现对外部施加的正向和反向的扭力传感功能。

另外，传感器的结构形式可以根据实际测试需要而改变，所述的连接齿条7可以为一个或一个以上。

实施例2

如图4所示，正向压应变材料体7和反向压应变材料体8设置在小导角槽开口方向不同的四个凹槽2内。其它同实施例1。

实施例3

如图5所示，正向压应变材料体7和反向压应变材料体8设置在小导角槽开口方向不同的六个凹槽2内。其它同实施例1。

压应变材料体可以为一个或一个以上，压应变材料体可以单独或对称方式放置。所采集的压电信号可以为单个压应变传感材料体信号或多个压应变传感材料体信号串、并联的形式，以增强扭力传感效果。

Claims

1.一种扭力传感器，其特征在于，包括中心轴、套筒，中心轴的圆周上沿中心轴的轴向间隔设有凹槽，相邻的凹槽之间形成凸起，凸起上交替设置连接齿条，中心轴通过连接齿条与套筒套接；套筒上设置紧固件，套筒与中心轴之间通过紧固件固接；凹槽内设置压应变材料体，压应变材料体的两侧分别与凹槽的槽壁接触，压应变材料体的一侧与凸起固接。

2.根据权利要求1所述的扭力传感器，其特征在于，设置连接齿条的凸起的底端两侧皆设有小导角槽，小导角槽与凹槽连通。

3.根据权利要求2所述的扭力传感器，其特征在于，压应变材料体设置在两个小导角槽开口方向不同的凹槽内。

4.根据权利要求2所述的扭力传感器，其特征在于，压应变材料体设置在两个以上的小导角槽开口方向不同的凹槽内。

5.根据权利要求3或4所述的扭力传感器，其特征在于，凸起一侧面设置紧固螺栓，凸起通过紧固螺栓与压应变材料体的一侧固接。

6.根据权利要求5所述的扭力传感器，其特征在于，连接齿条与套筒之间通过螺纹连接。

7.根据权利要求5所述的扭力传感器，其特征在于，未设置连接齿条的凸起与套筒内壁之间的距离为0.2-40mm。

8.根据权利要求5所述的扭力传感器，其特征在于，压应变料体采用压电体或压磁体或压光材料体或压色材料体或压声材料体。