CN103398810A

CN103398810A - 一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法

Info

Publication number: CN103398810A
Application number: CN2013103453530A
Authority: CN
Inventors: 李义新
Original assignee: Shanghai Dianji University
Current assignee: Shanghai Dianji University
Priority date: 2013-08-08
Filing date: 2013-08-08
Publication date: 2013-11-20

Abstract

本发明公开了一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法，该装置包括：多对永磁体，其每个永磁体具有相同规格安装于旋转轴上，以于旋转轴旋转时磁极相应转动；电磁感应回路，以于多对永磁体的磁极相应转动时，空气中磁场发生周期性变化，磁极对切割电磁感应回路，产生周期性的感应电压，感应出相应的电压信号；AD转换模块，将模拟的感应电压信号进行模数转换，转换为数字的感应电压信号；以及数据处理模块，对获得的数字的感应电压信号进行处理计算，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率，通过本发明，不仅可以在测量扭矩的同时测量轴功率，且具有较高精度。

Description

一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法

技术领域

本发明关于一种扭矩和功率测量装置及方法，特别是涉及一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法。

背景技术

目前测转动轴的功率的方法中，最常见的是依赖于在转动轴上贴附应变片的方法，应变片信号的传递方式主要有滑环和遥测的方法两种，其中，滑环的方法是导电滑环保证在轴转动时，应变片信号不间断的传递到采集电路中。然而其存在如下缺点：1、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。2、由于接触不可靠引起信号波动，因而造成测量误差大甚至测量不成功。遥测的方法是要在转轴上安装一种通过滑动电池提供电力的发射器，发射器将应变片的电流变化通过无线信号传递到采集电子电路中，然而，遥测的方法也存在如下缺点：

一、易受使用现场电磁波的干扰；

二、由于是电池供电，所以只能短期使用。

三、由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题。在小量程及小直径轴时更突出。

除了上述方法，目前一些较新的系统有的也采用了霍尔传感器。这一方案一般是在转动轴上相距一定距离处安装两个大齿轮来拾取信号。在两个大齿轮上的测量敏感处分别设置了两个霍尔效应传感器，在轴转动过程中两个霍尔器件能输出相同宽度的脉冲。当轴被施加负载后，两个脉冲之间的相位差会发生变化。可以通过检测两路脉冲之间的相位差来计算受载轴的扭转角。该方法的优点是实现了转矩信号的非接触传递，检测信号为数字信号，缺点为体积较大，不易安装，低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，因此低速性能不理想。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之目的在于提供一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法，其克服了现有技术中接触式与非接触扭矩和功率测量装置的缺陷，不仅可以在测量扭矩的同时测量轴功率，且具有较高精度。

为达上述及其它目的，本发明提出一种非接触式扭矩和功率测量装置，至少包括：

多对永磁体，其每个永磁体具有相同规格安装于旋转轴上，以于旋转轴旋转时磁极相应转动；

电磁感应回路，以于多对永磁体的磁极相应转动时，空气中磁场发生周期性变化，磁极对切割电磁感应回路，产生周期性的感应电压，感应出相应的电压信号；

AD转换模块，将模拟的感应电压信号进行模数转换，转换为数字的感应电压信号；以及

数据处理模块，对获得的数字的感应电压信号进行处理计算，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。

进一步地，该测量装置还包括滤波模块，该滤波模块与该电磁感应回路相接，对该电磁感应回路感应出的电压信号进行滤波，以滤除杂波后再送入该AD转换模块进行模数转换。

进一步地，该多对永磁体的多个永磁体安装在旋转轴上，成多对排列，该些永磁体排列整齐，平行排列，所形成的磁极对方向平行，且方向相同。

进一步地，该滤波模块根据频率对该电磁感应回路感应出的电压信号进行滤波。

进一步地，该数据处理模块根据电压的周期得出该旋转轴的转速，根据相位的不同得出轴形变的大小，根据轴的材料力学性质得出扭矩的大小，根据扭矩和转速得出轴功率的大小。

进一步地，该数据处理模块对感应的合成电压数字信号进行分解，得出各对永磁体在电磁感应线圈里产生的感应电压，根据n对永磁体间的相位差得出(n-1)个轴的形变，得出平均形变，根据轴的形变和轴的材料性质，得出轴的扭矩，根据电压周期得出轴的转速，根据轴的扭矩和轴的转速，得出轴功率。

为达到上述及其他目的，本发明还提供一种非接触式扭矩和功率的测量方法，包括如下步骤：

步骤一，多对安装在旋转轴上具有相同规格的永磁体随着旋转轴同步转动，其磁极对也同步转动；

步骤二，磁极对切割电磁感应回路，电磁感应回路中产生周期性的感应电压，感应出相应的电压信号；

步骤三，对模拟的感应电压信号进行模数转换获得数字量的感应电压信号；

步骤四，数据处理模块对数字量的感应电压信号进行处理计算，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。

进一步地，于步骤三之前，还包括对模拟的感应电压进行滤波以滤除杂波的步骤。

进一步地，于步骤一中，该多对永磁体的多个永磁体安装在轴上，成多对排列，该些永磁体排列整齐，平行排列，所形成的磁极对方向平行，且方向相同。

进一步地，于步骤四中，该数据处理模块对感应的合成电压数字信号进行分解，得出各对永磁体在电磁感应线圈里产生的感应电压，根据n对永磁体间的相位差得出(n-1)个轴的形变，得出平均形变，根据轴的形变和轴的材料性质，得出轴的扭矩，根据电压周期得出轴的转速，根据轴的扭矩和轴的转速，得出轴功率。

与现有技术相比，本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法通过将多对永磁体安装于旋转轴，其磁极对随着旋转轴同步转动切割电磁感应回路，电磁感应回路感应出相应的电压后，感应电压信号经滤波及模数转换后送至数据处理模块进行处理计算得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率，在克服现有技术接触式与非接触扭矩和功率测量装置的缺陷基础上，不仅可以在测量扭矩的同时测量轴功率，且具有较高精度。

附图说明

图1为本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置的系统架构示意图；

图2为本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置之较佳实施例的永磁体安装位置侧视图；

图3为本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置之较佳实施例的工作过程示意图；

图4为本发明一种非接触式扭矩和功率的测量方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置的系统架构示意图。如图1所示，本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置，至少包括：多对永磁体10、电磁感应回路11、AD转换模块12以及数据处理模块13。

其中，多对永磁体10中每个永磁体具有相同规格，安装在旋转轴上，以于旋转轴旋转时磁极相应转动，在本发明较佳实施例中，多对永磁体10的多个永磁体安装在轴上，成多对排列（两对或两对以上），这些永磁体排列整齐，平行排列，所形成的磁极对方向平行，且方向相同；电磁感应回路11以于多对永磁体10的磁极相应转动时，空气中磁场发生周期性变化，磁极对切割电磁感应回路，根据法拉第电磁感应定律，电磁感应回路11中产生周期性的感应电压，感应出相应的电压信号，根据此可以得出信号周期以及信号相位差，在本发明较佳实施例中，电磁感应回路11可以是单圈线匝，也可以是多圈线匝；AD转换模块12用于将感应电压信号进行模数转换，转换为数字的感应电压信号；数据处理模块13对获得的数字的感应电压信号进行处理计算，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。数据处理模块13根据电压的周期可以得出轴的转速，根据相位的不同，可以得出轴形变的大小，根据轴的材料力学性质，进而可以得出扭矩的大小，根据扭矩和转速，则可以得出轴功率的大小。较佳的，数据处理模块13对感应的合成电压数字信号进行分解，得出各对永磁体在电磁感应线圈里产生的感应电压，主要是周期和相位，根据n对永磁体间的相位差得出(n-1)个轴的形变，得出平均形变，这样可以减小误差，然后根据轴的形变和轴的材料性质，可以得出轴的扭矩，根据电压周期可以得出轴的转速，根据轴的扭矩和轴的转速，可得出轴功率。

较佳的，本发明之非接触式扭矩和功率测量装置还包括一滤波模块14，滤波模块14与电磁感应回路11相接，对电磁感应回路11感应出的电压信号进行滤波，以滤除杂波后再送入AD转换模块12进行模数转换，在本发明较佳实施例中，滤波模块14根据频率来滤波，因为感应电压信号的频率跟轴旋转的频率一致，因此，其他频率的信号都是杂波。

图2为本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置之较佳实施例的永磁体安装位置侧视图。在本发明较佳实施例中，多个永磁体安装在旋转轴上，成多对排列（两对或两对以上），这些永磁体排列整齐，平行排列，所形成的磁极对方向平行，且方向相同。

图3为本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置之较佳实施例的工作过程示意图。以下将配合图3对本发明之工作过程及原理做一说明。

空载时，假设摩擦等阻力矩等于零，此时旋转轴没有扭转，永磁体随着轴同步转动，因而磁极对也同步转动，空气中磁场发生周期性变化，磁极对切割电磁感应回路，根据法拉第电磁感应定律，电磁感应回路中会产生周期性的感应电压，感应出相应的电压信号。此时多个电压信号同相位，电压叠加。根据电压的周期可以得出轴的转速。经过滤波模块滤波，可以得到所需的感应电压信号，在此，滤波模块可根据频率来滤波，因为感应电压信号的频率跟轴旋转的频率一致，因此，其他频率的信号都是杂波。经滤波模块滤波后的感应电压信号，经过AD转换模块A/D转换，把模拟量转换为数字量，然后，把数据传输给数据处理模块，数据处理模块对数据进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率（此时扭矩和轴功率均为零）。

带负载时，永磁体随着旋转轴同步转动，磁极对也同步转动，空气中磁场发生周期性变化，每个磁极对切割电磁感应回路，根据法拉第电磁感应定律，电磁感应回路中会产生相应的周期性的感应电压，感应出相应的电压信号。此时多个电压信号相位不同，但周期相同（据此可以得出信号周期以及信号相位差）。经过滤波模块滤波，可以得到所需的感应电压信号，这里，滤波模块可根据频率来滤波，因为感应电压信号的频率跟轴旋转的频率一致，因此，其他频率的信号都是杂波。经过AD转换模块A/D转换后，把电压信号模拟量转换为数字量。把数据传输给数据处理模块，数据处理模块对数据进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。数据处理模块对感应的合成电压数字信号进行分解，得出各对永磁体在电磁感应线圈里产生的感应电压，主要是周期和相位，根据n对永磁体间的相位差得出(n-1)个轴的形变，得出平均形变，这样可以减小误差，然后，数据处理模块根据轴的形变和轴的材料性质，可以得出轴的扭矩，根据电压周期可以得出轴的转速，根据轴的扭矩和轴的转速，可得出轴功率。

图4为本发明一种非接触式扭矩和功率的测量方法的步骤流程图。如图4所示，本发明一种非接触式扭矩和功率的测量方法，包括如下步骤：

步骤401，多对安装在旋转轴上具有相同规格的永磁体随着旋转轴同步转动，其磁极对也同步转动。在本发明较佳实施例中，多对永磁体的多个永磁体安装在轴上，成多对排列（两对或两对以上），这些永磁体排列整齐，平行排列，所形成的磁极对方向平行，且方向相同。

步骤402，磁极对切割电磁感应回路，根据法拉第电磁感应定律，电磁感应回路中产生周期性的感应电压，感应出相应的电压信号。此时多个电压信号同相位，电压叠加。根据电压的周期可以得出轴的转速

步骤403，对模拟的感应电压信号进行模数转换获得数字量的感应电压信号；

步骤404，数据处理模块对数字量的感应电压信号进行处理计算，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。根据电压的周期可以得出轴的转速，根据相位的不同，可以得出轴形变的大小，根据轴的材料力学性质，进而可以得出扭矩的大小，根据扭矩和转速，则可以得出轴功率的大小。较佳地，数据处理模块对感应的合成电压数字信号进行分解，得出各对永磁体在电磁感应线圈里产生的感应电压，主要是周期和相位，根据n对永磁体间的相位差得出(n-1)个轴的形变，得出平均形变，这样可以减小误差，然后根据轴的形变和轴的材料性质，可以得出轴的扭矩，根据电压周期可以得出轴的转速，根据轴的扭矩和轴的转速，可得出轴功率。

较佳的，于步骤403之前，本发明还包括对模拟的感应电压进行滤波以滤除杂波的步骤。在本发明较佳实施例中，可根据频率来滤波，因为感应电压信号的频率跟轴旋转的频率一致，因此，其他频率的信号都是杂波。

综上所述，本发明一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法通过将多对永磁体安装于旋转轴，其磁极对随着旋转轴同步转动切割电磁感应回路，电磁感应回路感应出相应的电压后，感应电压信号经滤波及模数转换后送至数据处理模块进行处理计算得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率，在克服现有技术接触式与非接触扭矩和功率测量装置的缺陷基础上，不仅可以在测量扭矩的同时测量轴功率，且具有较高精度。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。

Claims

1.一种非接触式扭矩和功率测量装置，至少包括：

2.如权利要求1所述的一种非接触式扭矩和功率测量装置，其特征在于：该测量装置还包括滤波模块，该滤波模块与该电磁感应回路相接，对该电磁感应回路感应出的电压信号进行滤波，以滤除杂波后再送入该AD转换模块进行模数转换。

3.如权利要求2所述的一种非接触式扭矩和功率测量装置，其特征在于：该多对永磁体的多个永磁体安装在旋转轴上，成多对排列，该些永磁体排列整齐，平行排列，所形成的磁极对方向平行，且方向相同。

4.如权利要求2所述的一种非接触式扭矩和功率测量装置，其特征在于：该滤波模块根据频率对该电磁感应回路感应出的电压信号进行滤波。

5.如权利要求2所述的一种非接触式扭矩和功率测量装置，其特征在于：该数据处理模块根据电压的周期得出该旋转轴的转速，根据相位的不同得出轴形变的大小，根据轴的材料力学性质得出扭矩的大小，根据扭矩和转速得出轴功率的大小。

6.如权利要求2所述的一种非接触式扭矩和功率测量装置，其特征在于：该数据处理模块对感应的合成电压数字信号进行分解，得出各对永磁体在电磁感应线圈里产生的感应电压，根据n对永磁体间的相位差得出(n-1)个轴的形变，得出平均形变，根据轴的形变和轴的材料性质，得出轴的扭矩，根据电压周期得出轴的转速，根据轴的扭矩和轴的转速，得出轴功率。

7.一种非接触式扭矩和功率的测量方法，包括如下步骤：

8.如权利要求7所述的一种非接触式扭矩和功率的测量方法，其特征在于：于步骤三之前，还包括对模拟的感应电压进行滤波以滤除杂波的步骤。

9.如权利要求8所述的一种非接触式扭矩和功率的测量方法，其特征在于：于步骤一中，该多对永磁体的多个永磁体安装在轴上，成多对排列，该些永磁体排列整齐，平行排列，所形成的磁极对方向平行，且方向相同。

10.如权利要求8所述的一种非接触式扭矩和功率的测量方法，其特征在于：于步骤四中，该数据处理模块对感应的合成电压数字信号进行分解，得出各对永磁体在电磁感应线圈里产生的感应电压，根据n对永磁体间的相位差得出(n-1)个轴的形变，得出平均形变，根据轴的形变和轴的材料性质，得出轴的扭矩，根据电压周期得出轴的转速，根据轴的扭矩和轴的转速，得出轴功率。