CN103257010B - 基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法 - Google Patents

基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及动力机械装置的旋转件扭矩测试领域,具体是一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,将旋转件扭矩测试装置接入电容检测电路中,所述的旋转件扭矩测试装置包括粘贴于动力机械装置内旋转件被测部位的第一感应元件,设于动力机械装置内的第二感应元件。本发明所述的基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,其所使用的装置的结构和原理不同于现有构建电桥利用桥压输出反映扭矩的结构和原理,也不同于现有的两组容栅、磁栅、光栅利用相位差解算扭矩的结构和原理,本发明所述的扭矩测试装置无需构建电桥,只需要一组电容极板,通过电容耦合,将第一感应元件和第二感应元件获取的扭矩信息通过电路检测,实现扭矩的测试。

Description

基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法
技术领域
    本发明涉及动力机械装置的旋转件扭矩测试领域,具体是一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法。
背景技术
扭矩是表征车辆、舰船等动力机械装置的传动轴、负重轮、齿轮、连杆等旋转件功率的一个重要参数。扭矩测试按照传输方式分为接触法和非接触法,其中接触法主要是电阻应变片构建直流电桥,采用电刷式集流环供电,但是由于振动过大,使电刷接触不良而引起信号波动,造成测量误差大甚至测量不成功等问题;非接触法主要是利用基于磁弹性式、磁电式和光电式传感器,以及无线遥测的信号无线传输,由于车辆旋转件的空间紧凑,油污、粉尘等恶劣环境,存在可靠性差等问题;另外,现有的一种基于容栅的旋转轴扭矩测试需要在一根轴的间距为L的两端装配两组容栅,由于车辆的旋转轴长度有限,装配困难,在车辆的旋转轴扭矩测试场合应用受限。
发明内容
    本发明为了解决现有旋转件扭矩测试存在的诸多问题,提供了一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法。
本发明是通过以下技术方案实现的:一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,将旋转件扭矩测试装置接入电容检测电路中;
所述的旋转件扭矩测试装置包括粘贴于动力机械装置内旋转件被测部位的第一感应元件,设于动力机械装置内的第二感应元件,
所述的第一感应元件是由电阻应变片Ra和电阻应变片Rb构成的,电阻应变片Ra和电阻应变片Rb一端分别通过引线连接于旋转件上,旋转件接地,电阻应变片Ra和电阻应变片Rb的相互位置关系保证随旋转件转动各电阻应变片产生形变;
所述的第二感应元件是由动支撑件、静支撑件、设于动支撑件上的动极板以及设于静支撑件上的静极板构成的,动极板是由动极板A片和动极板B片构成的,静极板是由静极板A片和静极板B片构成的;所述的动支撑件固定套装于旋转件上随旋转件旋转运动,动极板A片和动极板B片之间相互绝缘;所述的静支撑件环套于旋转件且支撑于动力机械装置内,静极板A片和静极板B片之间相互绝缘;所述的动支撑件和静支撑件之间有相对面,且动极板和静极板分别安装于各支撑件的相对面上,动极板和静极板的形状控制静极板A片与随旋转件转动的动极板A片形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a,与随旋转件转动的动极板B片形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C1b;同理,静极板B片与随旋转件转动的动极板A片形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C2a,与随旋转件转动的动极板B片形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C2b;动极板A片通过引线与电阻应变片Ra的另一端相连,动极板B片通过引线与电阻应变片Rb的另一端相连;静极板A片通过引线输出信号,静极板B片通过引线输出信号;
所述的旋转件扭矩测试装置是通过将静极板A片的引线和静极板B片的引线接入电容检测电路中的。
所述的电容检测电路为本领域公知测试电路,本领域技术人员常规采用脉宽调制电路、电桥电路、阻抗测试电路等。采用本发明所述的测试方法,利用两个电阻应变片和一组电容极板(由动极板和静极板组成)形成的电容相互耦合实现旋转件扭矩测试,具体原理如下:旋转件加载扭矩引起变形,粘贴在旋转件上的两个电阻应变片阻值变化,导致电容充放电时间的变化,引起后级测试电路(例如:差动脉宽调制电路)波形占空比的变化,经过公知的差分减法电路、低通滤波电路将波形占空比的变化转换为类似正弦信号,并且类似正弦信号的电压幅值反映波形占空比;正弦信号的频率与转速相关,由于扭矩是一个缓变信号,其变化频率小于正弦波的频率,正弦信号的包络线即反映扭矩信息,如图8所示。
另外一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,将旋转件扭矩测试装置形成的电路中接入交流恒流源;所述的旋转件扭矩测试装置包括粘贴于动力机械装置内旋转件被测部位的第一感应元件,设于动力机械装置内的第二感应元件,所述的第一感应元件是由电阻应变片Ra和电阻应变片Rb构成的,电阻应变片Ra和电阻应变片Rb一端分别通过引线连接于旋转件上,旋转件接地,电阻应变片Ra和电阻应变片Rb的相互位置关系保证随旋转件转动各电阻应变片产生扭转形变;
所述的第二感应元件是由动支撑件、静支撑件、设于动支撑件上的动极板以及设于静支撑件上的静极板构成的,动极板是由动极板A片和动极板B片构成的,静极板是由静极板A片和静极板B片构成的;所述的动支撑件固定套装于旋转件上随旋转件旋转运动,动极板A片和动极板B片之间相互绝缘;所述的静支撑件环套于旋转件且支撑于动力机械装置内,静极板A片和静极板B片之间相互绝缘;所述的动支撑件和静支撑件之间有相对面,且动极板和静极板分别安装于各支撑件的相对面上,动极板和静极板的形状控制静极板A片与随旋转件转动的动极板A片形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a,与随旋转件转动的动极板B片形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C1b;同理,静极板B片与随旋转件转动的动极板A片形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C2a,与随旋转件转动的动极板B片形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C2b;动极板A片通过引线与电阻应变片Ra的另一端相连,动极板B片通过引线与电阻应变片Rb的另一端相连;静极板A片通过引线输出信号,静极板B片通过引线输出信号;
然后将静极板A片的引线和静极板B片的引线进行短接,动极板A片与静极板形成固定电容Ca,动极板B片与静极板形成固定电容Cb。
上述测试方法的具体原理是:旋转件加载扭矩引起变形,粘贴在旋转件上的两个电阻应变片阻值变化,从而引起电容和电阻的复阻抗变化,利用复阻抗解算出扭矩信息,其电路图见图6。
进一步,理论上只要各电阻应变片随旋转件转动可产生扭转形变,电阻应变片Ra和电阻应变片Rb相对位置关系均可采用。根据材料力学,当电阻应变片与旋转件的母线呈45°时,应变最大。本领域技术人员常规采用的电阻应变片的安装结构(见图4)为:电阻应变片Ra和电阻应变片Rb位于旋转件的同一纵截面内,且电阻应变片Ra与旋转件的母线呈45°角,电阻应变片Rb与该母线呈-45°角。
本发明所述的旋转件扭矩测试装置形成的电路,如图5所示。
    进一步,所述的动支撑件为动套筒,静支撑件为静套筒。所述的支撑件结构为本领域公知结构,且套筒结构为本领域常规采用的支撑件结构。
进一步,所述的动套筒和静套筒的相对面为端面,动极板和静极板分别粘贴于端面上。理论上只要是能够形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a 、C1b、C2a和C2b,采用动套筒和静套筒的任意相对面方式均可,但是上述动套筒、静套筒、动极板以及静极板的安装方式,具有体积小、简单和环境适应性好等特点。
进一步,所述的动极板B片包括环形本体以及均匀连接于环形本体上的若干扇环形,动极板A片与动极板B片呈互补结构(见图2);同理所述静极板A片和静极板B片(见图3)。理论上只要是能够形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a 、C1b、C2a和C2b,动极板A片、动极板B片、静极板A片、静极板B片采用任意公知形状都可,但是上述动极板A片、动极板B片、静极板A片、静极板B片为本领域进行扭矩测量具有电容信号分明、清楚的特点。
本发明所述的基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,其所使用的装置的结构和原理不同于现有构建电桥利用桥压输出反映扭矩的结构和原理,也不同于现有的两组容栅、磁栅、光栅利用相位差解算扭矩的结构和原理,本发明所述的扭矩测试装置无需构建电桥,只需要一组电容极板,通过电容耦合,将第一感应元件和第二感应元件获取的扭矩信息通过电路检测,实现扭矩的测试。
附图说明
图1为本发明所述的旋转件扭矩测试装置的结构示意图。
图2为动极板的结构示意图。
图3为静极板的结构示意图。
图4为电阻应变片Ra和Rb的结构示意图。
图5为本发明所述的测试装置形成的电路图。
图6为接入交流恒流源后本发明所述的测试装置形成的电路图。
图7为接入差动脉宽调制电路后本发明所述的测试装置形成的电路图。
图8为接入差动脉宽调制电路后正弦信号与包络线的关系示意图。
图9为                                                波形图的占空比变化的仿真示意图。
    图中:1-旋转件,2a、2b-引线,3a-电阻应变片Ra,3b-电阻应变片Rb,4a、4b-引线,6-动支撑件,7-静支撑件,8a、8b-引线,9a-动极板A片,9b-动极板B片,10a-静极板A片,10b-静极板B片。
具体实施方式
    为了更好地说明本发明所述的装置,对其测试方法作了进一步的阐述。
实施例1
一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,将旋转件扭矩测试装置接入电容检测电路中;
所述的旋转件扭矩测试装置包括粘贴于动力机械装置内旋转件1被测部位的第一感应元件,设于动力机械装置内的第二感应元件,
所述的第一感应元件是由电阻应变片Ra3a和电阻应变片Rb3b构成的,电阻应变片Ra3a和电阻应变片Rb3b一端分别通过引线2a、2b连接于旋转件1上,旋转件1接地,电阻应变片Ra3a和电阻应变片Rb3b的相互位置关系保证随旋转件1转动各电阻应变片产生扭转形变;
所述的第二感应元件是由动支撑件6、静支撑件7、设于动支撑件6上的动极板以及设于静支撑件7上的静极板构成的,动极板是由动极板A片9a和动极板B片9b构成的,静极板是由静极板A片10a和静极板B片10b构成的;所述的动支撑件6固定套装于旋转件1上随旋转件1旋转运动,动极板A片9a和动极板B片9b之间相互绝缘;所述的静支撑件7环套于旋转件1且支撑于动力机械装置内,静极板A片10a和静极板B片10b之间相互绝缘;所述的动支撑件6和静支撑件7之间有相对面,且动极板和静极板分别安装于各支撑件的相对面上,动极板和静极板的形状控制静极板A片10a与随旋转件1转动的动极板A片9a形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a,与随旋转件1转动的动极板B片9b形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C1b;同理,静极板B片10b与随旋转件1转动的动极板A片9a形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C2a,与随旋转件1转动的动极板B片9b形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C2b;动极板A片9a通过引线4a与电阻应变片Ra3a的另一端相连,动极板B片9b通过引线4b与电阻应变片Rb3b的另一端相连;静极板A片10a通过引线8a输出信号,静极板B片10b通过引线8b输出信号;
所述的旋转件扭矩测试装置是通过将静极板A片10a的引线8a和静极板B片10b的引线8b接入电容检测电路中的。
所述的动套筒和静套筒的相对面为端面。所述的动极板B片9b包括环形本体以及均匀连接于环形本体上的若干扇环形,动极板A片9a与动极板B片9b呈互补结构;同理所述静极板A片10a和静极板B片10b。具体使用时,在保证动极板和静极板不接触的情况下,动极板和静极板的间距尽可能小,使得电容的容值尽可能大以利于后级电路测试。
     为了更好的说明本发明所述的测试方法,将静极板A片10a的引线8a和静极板B片10b的引线8b接入差动脉宽调制电路中,见图7。
(1)为了仿真方便,假设动极板和静极板的形状完全一致,即C1a=C2b,C1b= C2a,并且保持电容C1a、C1b、C2a、C2b的电容值固定不变(相当于电容动态变化中的某一时间点),改变电阻应变片Ra3a的阻值R(a)和电阻应变片Rb3b的阻值R(b),的波形与占空比如图9所示,即电阻应变片Ra3a和Rb3b获取的扭矩信息通过电容耦合能够转换为的占空比的变化,被后级电路检测即可实现扭矩的测试。
(2)为了仿真方便,假设动极板和静极板的形状完全一致,即C1a=C2b,C1b= C2a,并且保持电阻应变片的阻值R(a)和R(b)不变,改变电容C1a、C1b、C2a、C2b的电容值,的波形与占空比如图9所示,即随着旋转件1的旋转,各电容呈现周期性变化,的占空比出现周期性变化,利用后级电路——差动脉宽调制电路处理,能够形成周期性的信号,实现扭矩的测试。
实施例2
一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,将旋转件扭矩测试装置形成的电路中接入交流恒流源;
所述的旋转件扭矩测试装置包括粘贴于动力机械装置内旋转件1被测部位的第一感应元件,设于动力机械装置内的第二感应元件,
所述的第一感应元件是由电阻应变片Ra3a和电阻应变片Rb3b构成的,电阻应变片Ra3a和电阻应变片Rb3b一端分别通过引线2a、2b连接于旋转件1上,旋转件1接地,电阻应变片Ra3a和电阻应变片Rb3b的相互位置关系保证随旋转件1转动各电阻应变片产生形变;
所述的第二感应元件是由动支撑件6、静支撑件7、设于动支撑件6上的动极板以及设于静支撑件7上的静极板构成的,动极板是由动极板A片9a和动极板B片9b构成的,静极板是由静极板A片10a和静极板B片10b构成的;所述的动支撑件6固定套装于旋转件1上随旋转件1旋转运动,动极板A片9a和动极板B片9b之间相互绝缘;所述的静支撑件7环套于旋转件1且支撑于动力机械装置内,静极板A片10a和静极板B片10b之间相互绝缘;所述的动支撑件6和静支撑件7之间有相对面,且动极板和静极板分别安装于各支撑件的相对面上,动极板和静极板的形状控制静极板A片10a与随旋转件1转动的动极板A片9a形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a,与随旋转件1转动的动极板B片9b形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C1b;同理,静极板B片10b与随旋转件1转动的动极板A片9a形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C2a,与随旋转件1转动的动极板B片9b形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C2b;动极板A片9a通过引线4a与电阻应变片Ra3a的另一端相连,动极板B片9b通过引线4b与电阻应变片Rb3b的另一端相连;静极板A片10a通过引线8a输出信号,静极板B片10b通过引线8b输出信号;
然后将静极板A片10a的引线8a和静极板B片10b的引线8b进行短接,动极板A片9a与静极板形成固定电容Ca,动极板B片(9b)与静极板形成固定电容Cb。
所述的动支撑件6为动套筒,静支撑件7为静套筒。所述的相对面分别是静套筒的外侧面,动套筒的内侧面。具体使用时,所述的静套筒套装于动套筒外侧,动极板粘结于动套筒外侧面上,静极板粘结于静套筒内侧面上,且动极板B片9b沿动套筒的圆周方向呈条状电极群,动极板A片9a与动极板B片9b呈互补结构;同理所述静极板A片10a和静极板B片10b。动极板与静极板的形状参见专利号为200810054537.0中动栅与定栅的结构。
或者是所述的动套筒和静套筒的相对面为端面。
    随着旋转件的旋转,电阻应变片Ra3a和电阻应变片Rb3b的阻值R(a)和R(b)变化,固定电容Ca、Cb的容值以及R(a)和R(b)复阻抗变化,检测电压U变化,即实现扭矩的测量。

Claims (5)

1.一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,其特征在于,将旋转件扭矩测试装置接入电容检测电路中;
所述的旋转件扭矩测试装置包括粘贴于动力机械装置内旋转件(1)被测部位的第一感应元件,设于动力机械装置内的第二感应元件,
所述的第一感应元件是由电阻应变片Ra(3a)和电阻应变片Rb(3b)构成的,电阻应变片Ra(3a)和电阻应变片Rb(3b)一端分别通过引线(2a、2b)连接于旋转件(1)上,旋转件(1)接地,电阻应变片Ra(3a)和电阻应变片Rb(3b)的相互位置关系保证随旋转件(1)转动各电阻应变片产生形变;
所述的第二感应元件是由动支撑件(6)、静支撑件(7)、设于动支撑件(6)上的动极板以及设于静支撑件(7)上的静极板构成的,动极板是由动极板A片(9a)和动极板B片(9b)构成的,静极板是由静极板A片(10a)和静极板B片(10b)构成的;所述的动支撑件(6)固定套装于旋转件(1)上随旋转件(1)旋转运动,动极板A片(9a)和动极板B片(9b)之间相互绝缘;所述的静支撑件(7)环套于旋转件(1)且支撑于动力机械装置内,静极板A片(10a)和静极板B片(10b)之间相互绝缘;所述的动支撑件(6)和静支撑件(7)之间有相对面,且动极板和静极板分别安装于各支撑件的相对面上,动极板和静极板的形状控制静极板A片(10a)与随旋转件(1)转动的动极板A片(9a)形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a,与随旋转件(1)转动的动极板B片(9b)形成周而复始的由大变小、小变大的电容C1b;同理,静极板B片(10b)与随旋转件(1)转动的动极板A片(9a)形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C2a,与随旋转件(1)转动的动极板B片(9b)形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C2b;动极板A片(9a)通过第一引线(4a)与电阻应变片Ra(3a)的另一端相连,动极板B片(9b)通过第二引线(4b)与电阻应变片Rb(3b)的另一端相连;静极板A片(10a)通过第三引线(8a)输出信号,静极板B片(10b)通过第四引线(8b)输出信号;
所述的旋转件扭矩测试装置是通过将静极板A片(10a)的第三引线(8a)和静极板B片(10b)的第四引线(8b)接入电容检测电路中的。
2.一种基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,其特征在于,将旋转件扭矩测试装置形成的电路中接入交流恒流源;
所述的旋转件扭矩测试装置包括粘贴于动力机械装置内旋转件(1)被测部位的第一感应元件,设于动力机械装置内的第二感应元件,
所述的第一感应元件是由电阻应变片Ra(3a)和电阻应变片Rb(3b)构成的,电阻应变片Ra(3a)和电阻应变片Rb(3b)一端分别通过引线(2a、2b)连接于旋转件(1)上,旋转件(1)接地,电阻应变片Ra(3a)和电阻应变片Rb(3b)的相互位置关系保证随旋转件(1)转动各电阻应变片产生形变;
所述的第二感应元件是由动支撑件(6)、静支撑件(7)、设于动支撑件(6)上的动极板以及设于静支撑件(7)上的静极板构成的,动极板是由动极板A片(9a)和动极板B片(9b)构成的,静极板是由静极板A片(10a)和静极板B片(10b)构成的;所述的动支撑件(6)固定套装于旋转件(1)上随旋转件(1)旋转运动,动极板A片(9a)和动极板B片(9b)之间相互绝缘;所述的静支撑件(7)环套于旋转件(1)且支撑于动力机械装置内,静极板A片(10a)和静极板B片(10b)之间相互绝缘;所述的动支撑件(6)和静支撑件(7)之间有相对面,且动极板和静极板分别安装于各支撑件的相对面上,动极板和静极板的形状控制静极板A片(10a)与随旋转件(1)转动的动极板A片(9a)形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C1a,与随旋转件(1)转动的动极板B片(9b)形成周而复始的由大变小、小变大的电容C1b;同理,静极板B片(10b)与随旋转件(1)转动的动极板A片(9a)形成周而复始的由大变小、由小变大的电容C2a,与随旋转件(1)转动的动极板B片(9b)形成周而复始的由小变大、由大变小的电容C2b;动极板A片(9a)通过第一引线(4a)与电阻应变片Ra(3a)的另一端相连,动极板B片(9b)通过第二引线(4b)与电阻应变片Rb(3b)的另一端相连;静极板A片(10a)通过第三引线(8a)输出信号,静极板B片(10b)通过第四引线(8b)输出信号;
然后将静极板A片(10a)的第三引线(8a)和静极板B片(10b)的第四引线(8b)进行短接,动极板A片(9a)与静极板形成固定电容Ca,动极板B片(9b)与静极板形成固定电容Cb。
3.根据权利要求1或2所述的基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,其特征在于,所述的旋转件扭矩测试装置中动支撑件(6)为动套筒,静支撑件(7)为静套筒。
4.根据权利要求3所述的基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,其特征在于,所述的旋转件扭矩测试装置中动套筒和静套筒的相对面为端面。
5.根据权利要求4所述的基于电容耦合的旋转件扭矩测试方法,其特征在于,所述的旋转件扭矩测试装置中动极板B片(9b)包括环形本体以及均匀连接于环形本体上的若干扇环形,动极板A片(9a)与动极板B片(9b)呈互补结构;同理所述静极板A片(10a)和静极板B片(10b)。
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