CN104198098A - 基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，包括壳体，壳体内通过球轴承安装有弹性传动套，弹性传动套中间为弹性环节，弹性环节的两端各套设一个光电码盘，2个光电码盘的圆心角相等，壳体顶部固定有安装座，安装座中固定有光电传感器A和光电传感器B，光电传感器A和光电传感器B与2个光电码盘相对设置；通过在弹性传动套弹性环节两边设置两个光电码盘，由两个光电传感器分别获取码盘旋转时的方波输出信号，根据两个码盘输出方波信号的相位差即可实现弹性传动套扭转变形和扭矩的测量。本发明解决了现有扭矩传感器易受磁场、电场干扰影响测量精度的问题，测量原理简单，抗干扰能力强，可实现传动机构高动态、高精度的扭矩测量。

Description

基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器及测量方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，本发明涉及一种基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，本发明还涉及该转矩测量传感器的测量方法。

背景技术

扭矩是机械传动系统与设备运行过程中的一个重要机械量，目前，在机械传动系统扭矩测量传感器技术领域，实现扭矩测量的方法大致可分为以下几种。

(1)磁弹性扭矩传感器：这种传感器是利用铁磁材料的压磁效应制作而成，其原理是在旋转轴表面喷覆一层磁弹性材料，当旋转轴受到扭矩作用时，表层的磁弹性材料由于压磁效应而诱发表面磁场发生相应的变化，测量线圈中产生与扭矩成比例的感应电势，从而实现传动轴扭矩的测量。磁弹性扭矩传感器属于非接触式传感器，结构简单，安装方便，但对材料性能以及环境屏蔽要求较高。磁弹性扭矩传感器国内外均有大量研究报道。

(2)转角型扭矩传感器：转角型扭矩传感器是利用转角和扭矩关系的一种传感器，日本学者利用激光反射光学原理研制了一种转角型扭矩传感器，其原理是通过在旋转轴的输入、输出端各设置一个反射镜，当激光射入两个反射镜时，利用光学传感器接收这两路脉冲信号。当旋转轴没有扭转变形时，两路反射的信号没有时间差，但是当旋转轴发生扭转变形时，两路反射信号就会产生一个与扭转角成比例关系的时间差，因此根据两路反射信号的时间差即可获得旋转轴扭矩。这种扭矩传感器测试原理简单，系统分辨率高，可以实现微小扭转变形的测量，但测量装置易受旋转轴振动、镜面反射角变化等因素的影响，使测试结果存在误差，实用性较差。

(3)磁电感应式扭矩传感器：磁电感应式扭矩传感器是国内广泛使用的扭矩测量传感器，这种测量方法是在弹性轴的两端安装两个信号齿轮，齿轮的上方各安装一组由磁钢线圈组成的磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，信号齿轮的齿顶、齿谷交替周期性的转过磁钢的底部，线圈内部的磁通量产生周期性的变化，使线圈中感生出近似正弦波的交流电信号，这两组交流电信号的相位与安装的相对位置及弹性轴所承受的扭矩大小和方向有关。当弹性轴没有扭转变形时，两组交流电信号的相位差只与信号线圈及齿轮的初始安装相位有关，当弹性轴发生扭转变形时，两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化绝对值与扭矩大小成正比，从而通过检测两路信号相位差实现扭矩测量。齿轮磁电感应式扭矩传感器结构复杂，制造难度大，造价高，同时电磁干扰影响较大，从而影响其测试的精度。

(4)应变式扭矩传感器：电阻应变式扭矩测量是一种普遍采用的扭矩检测方法，其原理是基于传递扭矩的弹性元件在发生扭转变形时，其表面会产生与扭矩值对应的弹性应变，因此在传动轴表面贴上应变片，当传动轴发生扭转变形时，应变片电阻值会产生相应变化，根据应变片电阻值的变化即可实现应变以及扭矩的测量。应变式扭矩测量的关键是应变电桥电源的输入以及扭矩信号的输出，信号传输可采用电感集流环、电容及电感集流环、无线电传送等方式。应变式扭矩传感器原理简单，结果可靠，但信号的传输相对比较复杂，使其实际应用受到限制。

尽管扭矩传感技术已经获得了快速的发展与应用，但其中大部分测量原理都较为复杂，易受磁场、电场干扰，精度不高，从而使其在生产中难以得到有效的推广应用。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，解决了现有扭矩传感器易受磁场、电场干扰影响测量精度的问题。

本发明的另一个目的是提供该转矩测量传感器的测量方法。

本发明所采用的技术方案是：基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，包括壳体，壳体内通过球轴承安装有弹性传动套，弹性传动套中间为弹性环节，弹性环节的两端各套设一个光电码盘，2个光电码盘的圆心角相等，壳体顶部固定有安装座，安装座中固定有光电传感器A和光电传感器B，光电传感器A和光电传感器B与2个光电码盘相对设置。

本发明的特点还在于，

球轴承通过两端的轴承端盖固定在壳体上。

弹性传动套的两端设置有连接孔和键槽，连接孔和键槽分别与传动系统输入输出轴相连。

光电码盘的齿和齿槽各占整个周期的一半。

光电传感器A与光电传感器B的周向相错半个齿槽。

本发明所采用的另一技术方案是：基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，该方法基于转矩测量传感器，当旋转的弹性传动套受扭矩作用时，弹性环节产生扭转变形，从而造成2个光电码盘周向相对位置发生变化，光电传感器A和光电传感器B输出方波信号的扭转变形相位差t_i随扭转变形角的变化而变化，通过检测扭转变形相位差t_i，完成弹性传动套弹性环节扭转变形角的测量，进而根据变形角与扭矩之间的关系计算出扭矩。

本发明的特点还在于，

具体包括以下步骤：

步骤1，根据两路方波信号，计算光电传感器A和光电传感器B输出方波信号的扭转变形相位差t_i；

先对两路光电信号进行逻辑乘法，即“与”运算，其结果为：

C＝A∧B   (1)

然后将其结果与传感器输入端的光电信号进行逻辑“异或”运算，即

其中，A、B分别表示光电传感器A和光电传感器B的光电信号，∧表示“与”运算，表示“异或”运算；

通过上述运算，获得脉宽与扭转变形相位差t_i相等的方波信号；

步骤2，计算每个周期的方波信号对应的转角

假设光电码盘的齿槽个数为N，则弹性传动套旋转一周输出的方波信号周期数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ_T为：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{360}{N}---\left(3\right)$

步骤3，计算扭转变形角

由于方波信号的周期T、初始相位差t₀以及扭转变形相位差t_i均随弹性传动套的转速n的变化而变化，故采用周期T将初始相位差t₀与扭转变形相位差t_i归一化表示为：

t₀＝kT   (4)

t_i＝mT   (5)

式中，k表示光电传感器A和光电传感器B初始相位差占整个周期的比值，m表示光电传感器A和光电传感器B扭转变形后相位差占整个周期的比值，

由式(4)、(5)得到任意时刻弹性环节的扭转变形角Δθ_i为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_T\frac{(t_i-t_0)}{T}={\mathrm{\θ}}_T(m-k)---\left(6\right)$

其中，Δθ_i的正负表示扭转变形的相对初始位置的方向，即扭转的正负；

步骤4，计算扭矩

根据弹性传动套的扭转变形角，可知传动系统的扭矩M_n为：

M_n＝K_θΔθ_i＝K_θθ_T(m-k)   (7)

式中，K_θ表示弹性传动套扭转刚速度，单位为N·m/度。

转矩测量传感器包括壳体，壳体内通过球轴承安装有弹性传动套，球轴承通过两端的轴承端盖固定在壳体上，弹性传动套的两端设置有连接孔和键槽，连接孔和键槽分别与传动系统输入输出轴相连，弹性传动套中间为弹性环节，弹性环节的两端各套设一个光电码盘，光电码盘的齿和齿槽各占整个周期的一半，2个光电码盘的圆心角相等，壳体顶部固定有安装座，安装座中固定有光电传感器A和光电传感器B，光电传感器A和光电传感器B与2个光电码盘相对设置，光电传感器A与光电传感器B的周向相错半个齿槽。

本发明的有益效果是：本发明基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，通过在弹性传动套弹性环节两边设置两个完全一样的光电码盘，由两个光电传感器分别获取码盘旋转时的方波输出信号，根据两个码盘输出方波信号的相位差即可实现弹性传动套扭转变形和扭矩的测量，解决了现有扭矩传感器易受磁场、电场干扰影响测量精度的问题，测量原理简单，抗干扰能力强，造价低，易于实现传动机构高动态、高精度的扭矩测量。

附图说明

图1是本发明基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的主视图；

图2是本发明基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的侧视图；

图3是本发明基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器在无扭矩作用时光电传感器A与光电传感器B的输出信号；

图4是本发明基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器在扭矩作用下光电传感器A与光电传感器B的输出信号；

图5是本发明基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的光电传感器A与光电传感器B信号相位差运算原理图。

图中，1.壳体，2.轴承端盖，3.球轴承，4.弹性传动套，5.光电传感器A，6.光电传感器B，7.安装座，8.弹性环节，9.连接孔，10.光电码盘，11.键槽，12.齿，13.齿槽。

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。

本发明基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，如图1和图2所示，包括壳体1，壳体1内通过球轴承3安装有弹性传动套4，球轴承3通过两端的轴承端盖2固定在壳体1上，弹性传动套4的两端设置有连接孔9和键槽11，连接孔9和键槽11分别与传动系统输入输出轴相连，弹性传动套4中间为弹性环节8，弹性环节8的两端各套设一个光电码盘10，光电码盘10的齿12和齿槽13各占整个周期的一半，2个光电码盘10的圆心角相等，壳体1顶部固定有安装座7，安装座7中固定有光电传感器A5和光电传感器B6，光电传感器A5和光电传感器B6与2个光电码盘10相对设置，光电传感器A5与光电传感器B6的周向相错半个齿槽，因此，无扭矩作用时，两路信号的初始相位差t₀为周期T的四分之一。

基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，当旋转的弹性传动套4无扭矩作用时，两个光电码盘10始终保持完全一致的初始状态，光电传感器A5和光电传感器B6输出两路相位差恒定为t₀的方波信号，如图3所示，两路信号的初始相位差t₀为周期T的四分之一。当旋转的弹性传动套4受扭矩作用时，弹性环节8产生扭转变形，从而造成2个光电码盘10周向相对位置发生变化，光电传感器A5和光电传感器B6输出方波信号的扭转变形相位差t_i随扭转变形角的变化而变化，如图4所示。因此，通过检测扭转变形相位差t_i，完成弹性传动套4弹性环节8扭转变形角的测量，进而根据变形角与扭矩之间的关系计算出扭矩。

具体包括以下步骤：

步骤1，根据两路方波信号，计算光电传感器A5和光电传感器B6输出方波信号的扭转变形相位差t_i；

先对两路光电信号进行逻辑乘法，即“与”运算，其结果为：

C＝A∧B   (1)

然后将其结果与传感器输入端的光电信号进行逻辑“异或”运算，即

其中，A、B分别表示光电传感器A5和光电传感器B6的光电信号，∧表示“与”运算，表示“异或”运算；

其运算原理如图5所示，通过上述运算，获得脉宽与扭转变形相位差t_i相等的方波信号；

步骤2，计算每个周期的方波信号对应的转角

假设光电码盘10的齿槽13个数为N，则弹性传动套4旋转一周输出的方波信号周期数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ_T为：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{360}{N}---\left(3\right)$

步骤3，计算扭转变形角

由于方波信号的周期T、初始相位差t₀以及扭转变形相位差t_i均随弹性传动套4的转速n的变化而变化，故采用周期T将初始相位差t₀与扭转变形相位差t_i归一化表示为：

t₀＝kT   (4)

t_i＝mT   (5)

式中，k表示光电传感器A5和光电传感器B6初始相位差占整个周期的比值，m表示光电传感器A5和光电传感器B6扭转变形后相位差占整个周期的比值，

由式(4)、(5)得到任意时刻弹性环节8的扭转变形角Δθ_i为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_T\frac{(t_i-t_0)}{T}={\mathrm{\θ}}_T(m-k)---\left(6\right)$

式中，Δθ_i的正负表示扭转变形的相对初始位置的方向，即扭转的正负；

步骤4，计算扭矩

根据弹性传动套4的扭转变形角，可知传动系统的扭矩M_n为：

M_n＝K_θΔθ_i＝K_θθ_T(m-k)   (7)

式中，K_θ表示弹性传动套扭转刚速度，单位为N·m/度。

本发明公开的一种基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器为传动系统扭矩测量提供了一种全新的思路，具有以下优点：

(1)该传动系统扭矩测量方法通过在弹性传动元件两边分别设置两个完全一样码盘，由两个码盘周向位置的相对变化来反映弹性传动元件的扭转变形角；

(2)采用两个光电传感器来实现将两个码盘旋转时产生的周向位置变化信息转换成两路方波输出信号，通过对两路光电信号进行简单的逻辑运算，即可获得两路方波输出信号的相位差，根据两路信号的相位差，可实现弹性传动元件的扭转变形角与传递扭矩的测量；

(3)该扭矩测量方法原理简单，抗电磁干扰能力强，动态特性好，整个扭矩传感器结构紧凑，构件数少，造价低，便于推广应用；

(4)该转矩测量传感器的结构与测量原理，可广泛用于机械传动系统扭矩的测量，因此本发明的公开对机械系统扭矩测量技术推广与应用具有积极的意义。

Claims (8)

1.基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，包括壳体(1)，所述壳体(1)内通过球轴承(3)安装有弹性传动套(4)，所述弹性传动套(4)中间为弹性环节(8)，所述弹性环节(8)的两端各套设一个光电码盘(10)，2个光电码盘(10)的圆心角相等，所述壳体(1)顶部固定有安装座(7)，所述安装座(7)中固定有光电传感器A(5)和光电传感器B(6)，所述光电传感器A(5)和光电传感器B(6)与2个光电码盘(10)相对设置。

2.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述球轴承(3)通过两端的轴承端盖(2)固定在所述壳体(1)上。

3.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述弹性传动套(4)的两端设置有连接孔(9)和键槽(11)，所述连接孔(9)和键槽(11)分别与传动系统输入输出轴相连。

4.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述光电码盘(10)的齿(12)和齿槽(13)各占整个周期的一半。

5.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述光电传感器A(5)与光电传感器B(6)的周向相错半个齿槽。

6.基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，该方法基于转矩测量传感器，当旋转的弹性传动套(4)受扭矩作用时，弹性环节(8)产生扭转变形，从而造成2个光电码盘(10)周向相对位置发生变化，光电传感器A(5)和光电传感器B(6)输出方波信号的扭转变形相位差t_i随扭转变形角的变化而变化，通过检测扭转变形相位差t_i，完成弹性传动套(4)弹性环节(8)扭转变形角的测量，进而根据变形角与扭矩之间的关系计算出扭矩。

7.如权利要求6所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，根据两路方波信号，计算光电传感器A(5)和光电传感器B(6)输出方波信号的扭转变形相位差t_i；

先对两路光电信号进行逻辑乘法，即“与”运算，其结果为：

C＝A∧B   (1)

然后将其结果与传感器输入端的光电信号进行逻辑“异或”运算，即

其中，A、B分别表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)的光电信号，∧表示“与”运算，表示“异或”运算；

通过上述运算，获得脉宽与扭转变形相位差t_i相等的方波信号；

步骤2，计算每个周期的方波信号对应的转角

假设光电码盘(10)的齿槽(13)个数为N，则弹性传动套(4)旋转一周输出的方波信号周期数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ_T为：

${\mathrm{\θ}}_T=\frac{360}{N}---\left(3\right)$

步骤3，计算扭转变形角

由于方波信号的周期T、初始相位差t₀以及扭转变形相位差t_i均随弹性传动套(4)的转速n的变化而变化，故采用周期T将初始相位差t₀与扭转变形相位差t_i归一化表示为：

t₀＝kT   (4)

t_i＝mT   (5)

式中，k表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)初始相位差占整个周期的比值，m表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)扭转变形后相位差占整个周期的比值，

由式(4)、(5)得到任意时刻弹性环节(8)的扭转变形角Δθ_i为：

$\mathrm{\Δ}{\mathrm{\θ}}_i={\mathrm{\θ}}_T\frac{(t_i-t_0)}{T}={\mathrm{\θ}}_T(m-k)---\left(6\right)$

其中，Δθ_i的正负表示扭转变形的相对初始位置的方向，即扭转的正负；

步骤4，计算扭矩

根据弹性传动套(4)的扭转变形角，可知传动系统的扭矩M_n为：

M_n＝K_θΔθ_i＝K_θθ_T(m-k)   (7)

式中，K_θ表示弹性传动套扭转刚速度，单位为N·m/度。

8.如权利要求6所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，所述转矩测量传感器包括壳体(1)，所述壳体(1)内通过球轴承(3)安装有弹性传动套(4)，所述球轴承(3)通过两端的轴承端盖(2)固定在所述壳体(1)上，所述弹性传动套(4)的两端设置有连接孔(9)和键槽(11)，所述连接孔(9)和键槽(11)分别与传动系统输入输出轴相连，所述弹性传动套(4)中间为弹性环节(8)，所述弹性环节(8)的两端各套设一个光电码盘(10)，所述光电码盘(10)的齿(12)和齿槽(13)各占整个周期的一半，2个光电码盘(10)的圆心角相等，所述壳体(1)顶部固定有安装座(7)，所述安装座(7)中固定有光电传感器A(5)和光电传感器B(6)，所述光电传感器A(5)和光电传感器B(6)与2个光电码盘(10)相对设置，所述光电传感器A(5)与光电传感器B(6)的周向相错半个齿槽。