CN103398811A - 一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法 - Google Patents

一种非接触式扭矩和功率测量装置及方法 Download PDF

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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：设置模组，用于于旋转轴上设置至少一条线段；高频脉冲发射装置，用以发射高频脉冲，其设置于该线段所在的直线上，与该线段均随旋转轴同步转动；拍摄控制装置，于接收到该高频脉冲发射装置发射的高频脉冲时，发出拍摄控制信号；拍摄装置，于接收到拍摄控制信号时，对旋转轴进行拍摄，得到旋转轴上线段的图像；以及数据处理模块，对获得的图像进行处理，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：
设置模组，用于于旋转轴上设置至少一条线段，该线段随旋转轴同步转动；
高频脉冲发射装置，用以发射高频脉冲，其设置于该线段所在的直线上，随旋转轴同步转动；
拍摄控制装置，于接收到该高频脉冲发射装置发射的高频脉冲时，发出拍摄控制信号；
拍摄装置，于接收到拍摄控制信号时，对旋转轴进行拍摄，得到旋转轴上线段的图像；以及
数据处理模块，对获得的图像进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。
进一步地，该数据处理模块经过对获得的图像进行处理，获得该旋转轴的形变程度，根据该旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质，得出轴扭矩的大小。
进一步地，该数据处理模块在获得轴扭矩大小的基础上，结合该旋转轴的转速，得出该旋转轴的功率。
进一步地，该线段与该旋转轴中心线平行。
进一步地，该拍摄装置为CCD相机。
进一步地，两组脉冲之间的时间间隔为该旋转轴周期。
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测量方法，包括如下步骤：
步骤一，于旋转轴上设置至少一条线段，将高频脉冲发射装置设置于该线段所在的直线上，该线段和高频发射装置均随旋转轴同步旋转；
步骤二，拍摄控制装置以于接收到该高频脉冲发射装置发射的高频脉冲时，向拍摄装置发出拍摄控制信号；
步骤三，拍摄装置于收到拍摄控制信号时对该旋转轴进行拍摄，得到旋转轴上线段的图像，并将拍摄获得的图像传送至数据处理模块；
步骤四，数据处理模块对获得的图像进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。
进一步地，于步骤四中，该数据处理模块经过对获得的图像进行处理，获得该旋转轴的形变程度，根据该旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质，得出轴扭矩的大小，结合该旋转轴的转速，得出该旋转轴的功率。
进一步地，该线段与该旋转轴中心线平行。
进一步地，该拍摄装置为CCD相机。
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于旋转轴上设置一条与轴中心线平行的线段，通过拍摄装置对旋转轴进行拍摄获得旋转轴上线段的图像，并利用数据处理模块对获得的图像进行处理，获得旋转轴上线段的形变程度，根据旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质获得扭矩的大小，再结合旋转轴的转速得出旋转轴的功率，实现了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，且具有较高精度的目的。
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高频脉冲装置安装位置侧视图；
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于空载时扭矩和轴功率测量原理示意图；
图4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于负载时扭矩和轴功率测量原理示意图
图5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：设置模组10、高频脉冲发射装置11、拍摄控制装置12、拍摄装置13以及数据处理模块14。
其中，设置模组10用于于旋转轴上设置至少一条线段，较佳的，该线段与旋转轴中心线平行；高频脉冲发射装置11位于线段所在的直线上，线段和高频发射装置11均随轴同步旋转，高频脉冲发射装置11用以发射高频脉冲；拍摄控制装置12以于接收到高频脉冲发射装置11发射的高频脉冲时，向拍摄装置13发出拍摄控制信号；拍摄装置13于收到拍摄控制信号时对旋转轴进行拍摄，得到旋转轴上线段的图像，获取轴上线段的形变程度，并将拍摄获得的图像传送至数据处理模块14，拍摄装置13可以为任何可拍摄图像的拍照装置，在本发明较佳实施例中，拍摄装置13采用了CCD相机，但不以此为限；数据处理模块14对获得的图像进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率，数据处理模块14经过对图像的处理，可以获得旋转轴上线段的形变程度，即得到旋转轴的形变程度，根据旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质，可以得出轴扭矩的大小，再结合旋转轴的转速，可得出旋转轴的功率。
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高频脉冲发射装置安装位置侧视图。在本发明较佳实施例中，于旋转轴上设置的线段与轴中心线平行，高频脉冲发射装置位于该线段所在直线上，该线段和高频发射装置均随轴同步旋转。
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于空载时扭矩和轴功率测量原理示意图。如图3所示，空载时，假设摩擦等阻力矩等于零，此时轴没有扭转，轴上线段随着轴同步转动，高频脉冲发射装置也同步转动，当CCD相机的拍摄控制装置接收到高频脉冲时，CCD相机进行拍照，得到旋转轴上线段的图像。根据接收到脉冲的间隔可以得出轴的转速（两组脉冲之间的时间间隔代表了轴旋转的周期）。经过数据处理模块对图像的处理，可以得到轴的形变（此时为零），根据旋转轴的材料力学性质，进而得到轴的扭矩，再结合旋转轴的转速，得出旋转轴的功率（此时为零）。
图4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于负载时扭矩和轴功率测量原理示意图。如图4所示，负载时，假设摩擦等阻力矩等于零，轴上线段随着轴同步转动，高频脉冲发射装置也同步转动，带负载后，轴发生形变，轴上线段发生同样的形变，当CCD相机的拍摄控制装置接收到高频脉冲时，CCD相机进行拍照，得到旋转轴上线段的图像。根据接收到脉冲的间隔可以得出轴的转速（两组脉冲之间的时间间隔代表了轴旋转的周期）。经过数据处理模块对图像的处理，可以得到轴的形变，根据旋转轴的材料力学性质，进而得到轴的扭矩，再结合旋转轴的转速，得出旋转轴的功率。
图5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5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501，于旋转轴上设置至少一条线段，将高频脉冲发射装置设置于该线段所在的直线上，该线段和高频发射装置均随旋转轴同步旋转，较佳的，该线段与旋转轴中心线平行；
步骤502，拍摄控制装置以于接收到高频脉冲发射装置发射的高频脉冲时，向拍摄装置发出拍摄控制信号；
步骤503，拍摄装置于收到拍摄控制信号时对旋转轴进行拍摄，得到旋转轴上线段的图像，获取轴上线段的形变程度，并将拍摄获得的图像传送至数据处理模块，在本发明较佳实施例中，拍摄装置为CCD相机；
步骤504，数据处理模块对获得的图像进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。具体地说，数据处理模块经过对图像的处理，可以获得旋转轴上线段的形变程度，即得到旋转轴的形变程度，根据旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质，可以得出轴扭矩的大小，再结合旋转轴的转速，可得出旋转轴的功率。
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于旋转轴上设置一条与轴中心线平行的线段，通过拍摄装置对旋转轴进行拍摄获得旋转轴上线段的图像，并利用数据处理模块对获得的图像进行处理，获得旋转轴上线段的形变程度，根据旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质获得扭矩的大小，再结合旋转轴的转速得出旋转轴的功率，实现了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，且具有较高精度的目的。
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 (10)

1.一种非接触式扭矩和功率测量装置，至少包括：
设置模组，用于于旋转轴上设置至少一条线段，该线段随旋转轴同步转动；
高频脉冲发射装置，用以发射高频脉冲，其设置于该线段所在的直线上，随旋转轴同步转动；
拍摄控制装置，于接收到该高频脉冲发射装置发射的高频脉冲时，发出拍摄控制信号；
拍摄装置，于接收到拍摄控制信号时，对旋转轴进行拍摄，得到旋转轴上线段的图像；以及
数据处理模块，对获得的图像进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。
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：该数据处理模块经过对获得的图像进行处理，获得该旋转轴的形变程度，根据该旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质，得出轴扭矩的大小。
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：该数据处理模块在获得轴扭矩大小的基础上，结合该旋转轴的转速，得出该旋转轴的功率。
4.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：该线段与该旋转轴中心线平行。
5.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：该拍摄装置为CCD相机。
6.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：两组脉冲之间的时间间隔为该旋转轴周期。
7.一种非接触式扭矩和功率测量方法，包括如下步骤：
步骤一，于旋转轴上设置至少一条线段，将高频脉冲发射装置设置于该线段所在的直线上，该线段和高频发射装置均随旋转轴同步旋转；
步骤二，拍摄控制装置以于接收到该高频脉冲发射装置发射的高频脉冲时，向拍摄装置发出拍摄控制信号；
步骤三，拍摄装置于收到拍摄控制信号时对该旋转轴进行拍摄，得到旋转轴上线段的图像，并将拍摄获得的图像传送至数据处理模块；
步骤四，数据处理模块对获得的图像进行处理，得出扭矩和轴旋转周期，进而得出轴功率。
8.如权利要求7所述的一种非接触式扭矩和功率测量方法，其特征在于：于步骤四中，该数据处理模块经过对获得的图像进行处理，获得该旋转轴的形变程度，根据该旋转轴的形变程度以及轴的材料力学性质，得出轴扭矩的大小，结合该旋转轴的转速，得出该旋转轴的功率。
9.如权利要求7所述的一种非接触式扭矩和功率测量方法，其特征在于：该线段与该旋转轴中心线平行。
10.如权利要求7所述的一种非接触式扭矩和功率测量方法，其特征在于：该拍摄装置为CCD相机。
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