CN103383293A - 光电式力矩测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种光电式力矩测量装置，包括剖分式传感器壳体，剖分式传感器壳体相对的侧面安装有轴承A和轴承B，弹性扭转圆轴安装在轴承A和轴承B上，且弹性扭转圆轴的两端均设置有联接键，圆光栅盘A和圆光栅盘B对称安装在弹性扭转圆轴上，光电器件A和光电器件B设置在圆光栅盘上，且与微处理系统连接。本发明还公开了一种利用本发明的光电式力矩传感器进行力矩测量的方法，首先为光电式力矩测量装置加电，确定光电式力矩测量装置正常工作，然后将力矩加在弹性扭转圆轴的两端，微处理系统记录光电器件传回的电脉冲信号，最后进行处理计算最终得出待测力矩的数值。解决了现有力矩传感器测量精度低及稳定性差的问题。

Description

光电式力矩测量装置及测量方法

技术领域

本发明属于力矩测量设备技术领域，涉及一种力矩传感器，具体涉及一种光电式力矩测量装置。本发明还涉及利用该光电式力矩测量装置进行力矩测量的方法。 

背景技术

力矩传感器是机器设备检测、控制技术中的一个非常重要的器件，在各类机器中得以广泛应用。机器设备的检测和控制技术对力矩传感器性能要求：测量精度高、动态特性好、检测结果稳定、可靠、使用寿命长。 

目前，力矩传感器一般都采用应变片检测的方式，将应变片贴装在弹性扭转圆轴上，当被测力矩作用在弹性扭转圆轴两端时、弹性扭转圆轴产生扭转变形，贴装在弹性扭转圆轴上的应变片一同产生变形、致使作用在应变片上的输出电压发生变化，通过检测应变片输出电压的变化量确定被测力矩的大小，属于接触式测量方式。由于应变片贴装在弹性扭转圆轴上、随弹性扭转圆轴一同转动，必须采用特殊的滑动碳刷装置检测应变片输出电压的变化量。这种滑动碳刷装置一般使用寿命有限、而且容易产生接触不良等现象，影响力矩传感器的测量精度和稳定性。 

发明内容

本发明的目的是提供一种光电式力矩测量装置，光电器件与圆光栅盘之间无接触、不产生摩擦，解决了现有技术中存在的滑动碳刷装置检测应变片 输出电压的变化量容易产生接触不良，导致的测量精度低及稳定性差的问题。 

本发明的另一目的是提供利用光电式力矩测量装置进行力矩测量的方法。 

本发明所采用的技术方案是，光电式力矩测量装置，包括剖分式传感器壳体，以及设置在剖分式传感器壳体内部的弹性扭转圆轴，圆光栅盘A，圆光栅盘B，光电器件A，微处理系统，光电器件B。 

在剖分式传感器壳体相对的两个侧面安装有轴承A和轴承B，弹性扭转圆轴安装在轴承A和轴承B上，且所述弹性扭转圆轴位于剖分式传感器壳体的外侧的两端均设置有联接键；圆光栅盘A和圆光栅盘B对称安装在弹性扭转圆轴上；在圆光栅盘A和圆光栅盘B的上分别设置有光电器件A和光电器件B，光电器件A和光电器件B与微处理系统连接。 

本发明的特点还在于， 

弹性扭转圆轴上对称设置有两个定位轴环，每个定位轴环上都设置有弹性扭转圆轴定位孔；圆光栅盘A和圆光栅盘B的中间设置有圆光栅盘安装孔，安装孔的内径和弹性扭转圆轴的直径配合，圆光栅盘A和圆光栅盘B上均设置有圆光栅盘安装定位孔，圆光栅盘安装定位孔与弹性扭转圆轴定位孔的直径相配合，且通过定位销固定连接。 

圆光栅盘A和圆光栅盘B上设置有圆光栅盘工作区，圆光栅盘工作区光刻有若干条栅槽，在工作区正中位置光刻有一条定位标记栅槽，且定位标记栅槽的长度大于其余若干条栅槽。 

光电器件A和光电器件B分别位于所述的圆光栅盘A和圆光栅盘B（4）的直径方向，且固定在剖分式传感器壳体上；光电器件A和光电器件B上均开有凹槽，圆光栅盘A和圆光栅盘B的边缘位于凹槽中；凹槽的一侧设 置有a相发光管和b相发光管，另一侧设置有a相光敏管和b相光敏管。 

本发明所采用的另一技术方案是，一种利用光电式力矩测量装置进行力矩测量的方法，利用本发明的光电式力矩测量装置，按照以下步骤实施： 

步骤1，为光电式力矩测量装置加电，微处理系统同时读取光电器件A和光电器件B传输的电脉冲信息，此时在弹性扭转圆轴的两端未加被测力矩、弹性扭转圆轴没有发生扭转变形，圆光栅盘A和圆光栅盘B上的定位标记栅槽位于同一相位，光电式力矩测量装置正常工作； 

步骤2，将力矩加在弹性扭转圆轴的两端，当微处理系统读取到光电器件A上的b相光敏管传输的电脉冲信号，即圆光栅盘A上定位标记栅槽的位置信息时，微处理系统开始记录光电器件B上a相光敏管传回的电脉冲信号，此时弹性扭转圆轴发生扭转变形、圆光栅盘A和圆光栅盘B上的定位标记栅槽产生扭转而发生错位； 

步骤3，当微处理系统同时读取到光电器件B上b相光敏管传输的电脉冲信号时，微处理系统停止记录光电器件B上a相光敏管传回的电脉冲信号；至此，微处理系统记录的光电器件B上a相光敏管传回的电脉冲数为n，即表示圆光栅盘A和圆光栅盘B上的定位标记栅槽产生扭转错位变形量； 

步骤4，依据材料力学公式进行计算处理： 

材料力学计算扭转力矩的公式为， 

T=（G×I_p）×（Ф÷L）                 （1）， 

公式（1）中，T是被测扭矩，其中，G是弹性扭转圆轴1材料的剪切弹性模量，L是弹性扭转圆1上两个圆光栅盘之间轴段长度，I_p是弹性扭转圆轴1安装两个圆光栅盘轴段的极惯性矩，均为常数； 

另外，Ф=n×360°÷N                     （2）， 

公式（2）中，N是圆光栅盘作为完整圆光栅盘全部栅槽的线数，n是步骤3中微处理系统记录下来的对电脉冲数， 

根据上述公式可以得出，T=（G×I_p×360°÷N÷L）×n，进行计算处理后得到被测力矩T的大小。 

本发明的有益效果是，两个圆光栅盘随弹性扭转圆轴转动，当该弹性扭转圆轴在被测力矩作用下发生扭转变形时，两个圆光栅盘上特殊定位标记栅槽发生错位，用两个光电器件以及微处理系统可以检测该扭转错位信息、确定被测力矩的大小，光电器件与圆光栅盘之间无接触、不产生摩擦、能够避免由于接触不良所导致的测量精度低及稳定性差的缺陷，使用寿命长，测试灵敏度及测试精度高。 

附图说明

图1是本发明光电式力矩测量装置的结构示意图； 

图2是本发明光电式力矩测量装置的圆光栅盘的结构示意图； 

图3是本发明光电式力矩测量装置的弹性扭转圆轴的结构示意图； 

图4是本发明光电式力矩测量装置的弹性扭转圆轴的端面结构示意图； 

图5是本发明光电式力矩测量装置中的圆光栅盘和光电器件的结构示意图； 

图6是本发明光电式力矩测量装置的光电器件的结构示意图。 

图中，1.弹性扭转圆轴，2.剖分式传感器壳体，3.圆光栅盘A，4.圆光栅盘B，5.光电器件A，6.微处理系统，7.光电器件B，8.轴承A，9.轴承B，10.联接键，11.定位轴环，12.圆光栅盘工作区，13.栅槽，14.定位标记栅槽，15.圆光栅盘安装孔，16.圆光栅盘安装定位孔，17.安装定位孔，18.a相发光管，19.b相发光管，20.a相光敏管，21.b相光敏管，22.定位销，23.凹槽。 

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。 

本发明的光电式力矩测量装置，如图1所示，包括剖分式传感器壳体2，以及设置在剖分式传感器壳体2内部的弹性扭转圆轴1，圆光栅盘A3，圆光栅盘B4，光电器件A5，微处理系统6，光电器件B7；剖分式传感器壳体2相对的两个侧面安装有轴承A8和轴承B9，弹性扭转圆轴1安装在轴承A8和轴承B9上，且弹性扭转圆轴1位于剖分式传感器壳体2的外侧的两端均设置有联接键10；圆光栅盘A3和圆光栅盘B4对称安装在弹性扭转圆轴1上；在圆光栅盘A3和圆光栅盘B4的上分别设置有光电器件A5和光电器件B7，光电器件A5和光电器件B7与微处理系统6连接。 

如图2所示，圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上设置有圆光栅盘工作区12，圆光栅盘工作区12光刻有若干条栅槽13，在工作区正中位置光刻有一条定位标记栅槽14，且定位标记栅槽14的长度大于其余若干条栅槽13； 

如图3、图4所示，弹性扭转圆轴1上对称设置有两个定位轴环11，定位轴环11上设置有安装圆光栅盘A3和圆光栅盘B4的定位孔17。 

圆光栅盘A3和圆光栅盘B4的中间设置有圆光栅盘安装孔15，安装孔15的内径和弹性扭转圆轴1的直径配合，圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上均设置有圆光栅盘安装定位孔16，圆光栅盘安装定位孔16与的弹性扭转圆轴定位孔17的直径相配合，且通过定位销22固定连接。 

如图5、图6所示，光电器件A5和光电器件B7分别位于的圆光栅盘A3和圆光栅盘B4的直径方向，且固定在的剖分式传感器壳体2上；凹槽23的一侧设置有a相发光管18和b相发光管19，另一侧设置有a相光敏管20和b相光敏管21。 

本发明一种利用光电式力矩测量装置进行力矩测量的方法，利用本发明的光电式力矩测量装置，按照以下步骤实施： 

步骤1，为光电式力矩测量装置加电，微处理系统同时读取光电器件A5和光电器件B7传输的电脉冲信息，此时在弹性扭转圆轴1的两端未加被测力矩、弹性扭转圆轴1没有发生扭转变形，圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上的定位标记栅槽14位于同一相位，光电式力矩测量装置正常工作； 

步骤2，将力矩加在弹性扭转圆轴1的两端，当微处理系统读取到光电器件A5上的b相光敏管20传输的电脉冲信号，即圆光栅盘A3上定位标记栅槽14的位置信息时，微处理系统6开始记录光电器件B7上a相光敏管21传回的电脉冲信号，此时弹性扭转圆轴1发生扭转变形、圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上的定位标记栅槽14产生扭转而发生错位； 

步骤3，当微处理系统6同时读取到光电器件B7上b相光敏管20传输的电脉冲信号时，微处理系统6停止记录光电器件B7上a相光敏管21传回的电脉冲信号；至此，微处理系统6记录的光电器件B7上a相光敏管21传回的电脉冲数为n，即表示圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上的定位标记栅槽14产生扭转错位变形量； 

步骤4，依据材料力学公式进行计算处理： 

材料力学计算扭转力矩的公式为， 

T=（G×I_p）×（Ф÷L）                 （1）， 

公式（1）中，T是被测扭矩，其单位为N·m；其中，G是弹性扭转圆轴1材料的剪切弹性模量，其单位是MPa；L是弹性扭转圆1上两个圆光栅盘之间轴段长度，其单位是mm；I_p是弹性扭转圆轴1安装两个圆光栅盘轴段的极惯性矩，单位为mm⁴，均为常数；Ф是弹性扭转圆轴在力矩T作用下扭转的角度，单位是rad， 

另外，Ф=n×360°÷N                     （2）， 

公式（2）中，N是圆光栅盘作为完整圆光栅盘全部栅槽的线数，n是步骤3中微处理系统6记录下来的对电脉冲数， 

根据上述公式可以得出，T=（G×I_p×360°÷N÷L）×n，进行计算处理后得到被测力矩T的大小。 

本发明的光电式力矩测量装置，在安装两个圆光栅盘时，采用定位销22将弹性扭转圆轴1上的两个安装定位孔17分别与两个圆光栅盘上的圆光栅盘定位孔16固定，保证圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上的两条定位标记栅槽14处在同一相位（即两个定位标记栅槽14处在平行弹性扭转圆轴轴线的同一平面上）。弹性扭转圆轴1通过轴承8和轴承9安装在剖分式传感器壳体2上，在剖分式传感器壳体2上的圆光栅盘A3和圆光栅盘B4径向位置分别安装光电器件A5和光电器件B7，以及微处理系统6；光电器件A5和光电器件B7分别与微处理系统6进行电连接，微处理系统6给光电器件A5和光电器件B7输送电源，光电器件A5和光电器件B7同时给微处理系统6传送信号，微处理系统6将接收到的信号处理后输出测量结果。 

本发明的光电式力矩测量装置的工作原理是，圆光栅盘A3和圆光栅盘B4的工作区12内的栅槽13和定位标记栅槽14透光，其余部分都不透光，两个光电器件A5和光电器件B7，可以将a相发光管18和b相发光管19发出的光线分别透过圆光栅盘工作区内的定位标记栅槽14栅槽和栅槽13的光信号经过a相光敏管20和b相光敏管21转换成电脉冲信号，然后传输给微处理系统6，微处理系统6由单片机或其他微处理器件组成，可以同时接收由两个光电器件A5和光电器件B7上的a相光敏管20和b相光敏管21传回的电脉冲信号并进行处理。 

在进行力矩测量时，当被测力矩作用在弹性扭转圆轴1两端时、弹性扭 转圆轴1产生扭转变形，致使安装在弹性扭转圆轴1两侧的圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上的两条定位标记栅槽14由于扭转而产生错位变化，不再是初始时的同一相位位置，然后，通过安装在剖分式传感器壳体2上圆光栅盘A3和圆光栅盘B4径向位置的光电器件A5和光电器件B7，以及微处理系统6检测圆光栅盘A3和圆光栅盘B4上的两条定位标记栅槽14产生扭转错位变化的信息，然后经过计算处理得到被测力矩的数值。 

Claims (5)

1.光电式力矩测量装置，其特征在于，包括剖分式传感器壳体（2），以及设置在剖分式传感器壳体（2）内部的弹性扭转圆轴（1），圆光栅盘A（3），圆光栅盘B（4），光电器件A（5），微处理系统（6），光电器件B（7）；

在所述的剖分式传感器壳体（2）相对的两个侧面安装有轴承A（8）和轴承B（9），所述的弹性扭转圆轴（1）安装在轴承A（8）和轴承B（9）上，且所述弹性扭转圆轴（1）位于剖分式传感器壳体（2）的外侧的两端均设置有联接键（10）；

所述圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）对称安装在弹性扭转圆轴（1）上；

在所述的圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）的上分别设置有光电器件A（5）和光电器件B（7），所述的光电器件A（5）和光电器件B（7）与微处理系统（6）连接。

2.根据权利要求1所述的光电式力矩测量装置，其特征在于，所述的弹性扭转圆轴（1）上对称设置有两个定位轴环（11），所述的每个定位轴环（11）上都设置有安装定位孔（17）；

所述圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）的中间设置有圆光栅盘安装孔（15），所述安装孔（15）的内径和弹性扭转圆轴（1）的直径配合，圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）上均设置有圆光栅盘安装定位孔（16），圆光栅盘安装定位孔（16）与所述的安装定位孔（17）的直径相配合，且通过定位销（22）固定连接。

3.根据权利要求1或2所述的光电式力矩测量装置，其特征在于，圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）上设置有圆光栅盘工作区（12），所述圆光栅盘工作区（12）光刻有若干条栅槽（13），在工作区正中位置光刻有一条定位标记栅槽（14），且定位标记栅槽（14）的长度大于其余若干条栅槽（13）。

4.根据权利要求1所述的光电式力矩测量装置，其特征在于，所述的光电器件A（5）和光电器件B（7）分别位于所述的圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）的直径方向，且固定在所述的剖分式传感器壳体（2）上；

所述的光电器件A（5）和光电器件B（7）上均开有凹槽（23），所述的圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）的边缘位于凹槽（23）中；

所述的凹槽（23）的一侧设置有a相发光管（18）和b相发光管（19），另一侧设置有a相光敏管（20）和b相光敏管（21）。

5.一种利用光电式力矩测量装置进行力矩测量的方法，其特征在于，利用本发明的光电式力矩测量装置，按照以下步骤实施：

步骤1，为光电式力矩测量装置加电，微处理系统同时读取光电器件A（5）和光电器件B（7）传输的电脉冲信息，此时在弹性扭转圆轴（1）的两端未加被测力矩、弹性扭转圆轴（1）没有发生扭转变形，圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）上的定位标记栅槽（14）位于同一相位，光电式力矩测量装置正常工作；

步骤2，将力矩加在弹性扭转圆轴（1）的两端，当微处理系统读取到光电器件A（5）上的b相光敏管（20）传输的电脉冲信号，即圆光栅盘A（3）上定位标记栅槽（14）的位置信息时，微处理系统（6）开始记录光电器件B（7）上a相光敏管（21）传回的电脉冲信号，此时弹性扭转圆轴（1）发生扭转变形、圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）上的定位标记栅槽（14）产生扭转而发生错位；

步骤3，当微处理系统（6）同时读取到光电器件B（7）上b相光敏管（20）传输的电脉冲信号时，微处理系统（6）停止记录光电器件B（7）上a相光敏管（21）传回的电脉冲信号；至此，微处理系统（6）记录的光电器件B（7）上a相光敏管（21）传回的电脉冲数为n，即表示圆光栅盘A（3）和圆光栅盘B（4）上的定位标记栅槽（14）产生扭转错位变形量；

步骤4，依据材料力学公式进行计算处理：

材料力学计算扭转力矩的公式为，

T=（G×I_p）×（Ф÷L）                   （1），

公式（1）中，T是被测扭矩，其中，G是弹性扭转圆轴1材料的剪切弹性模量，L是弹性扭转圆1上两个圆光栅盘之间轴段长度，I_p是弹性扭转圆轴1安装两个圆光栅盘轴段的极惯性矩，均为常数；

另外，Ф=n×360°÷N                       （2），

公式（2）中，N是圆光栅盘作为完整圆光栅盘全部栅槽的线数，n是步骤3中微处理系统6记录下来的对电脉冲数，

根据上述公式可以得出，T=（G×I_p×360°÷N÷L）×n，进行计算处理后得到被测力矩T的大小。

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