CN104807584A - 一种高灵敏度的扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度的扭矩传感器，主要由扭力轴（1）、显示仪（6），设置在扭力轴（1）上的集流环（3），粘贴在扭力轴（1）上且与集流环（3）相连接的应变片（2），以及与集流环（3）相连接的振荡器（4），与显示仪（6）相连接的耦合电路（7），与耦合电路（7）相连接的信号锁相处理系统（5）组成；其特征在于：在集流环（3）与信号锁相处理系统（5）之间还设置有快速接收模块（8）；本发明通过快速接收模块的作用可以加快扭矩信号的接收速度，提高了扭矩传感器的灵敏度。

Description

一种高灵敏度的扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体是指一种高灵敏度的扭矩传感器。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已经成为测试技术的新分支。扭矩测量的应用领域越来越广泛，大到飞机、般舶、钻井、发电设备和冶金矿山设备等，小到微电机、家用电器和钟表等。扭矩测量是各种机械新产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。准确的扭矩测量对缩短现代机械设备的研制周期、提高设备性能、降低研制费用具有重要的作用。

随着经济实力和技术水平的大幅提升，在民用和国防方面的设备技术越来越先进，这对扭矩传感器的要求则更高。同时，随着竞争越来越激烈，人们对效率的要求也逐步提高。然而，在工作中传统的扭矩传感器其反应速度较慢，从而降低了工作效率，无法满足人们的需求。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的扭矩传感器其响应速度慢的缺陷，提供一种高灵敏度的扭矩传感器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高灵敏度的扭矩传感器，主要由扭力轴、显示仪，设置在扭力轴上的集流环，粘贴在扭力轴上且与集流环相连接的应变片，以及与集流环相连接的振荡器，与显示仪相连接的耦合电路，与耦合电路相连接的信号锁相处理系统，在集流环与信号锁相处理系统之间还设置有快速接收模块；所述快速接收模块由放大器P2，单向晶闸管D10，三极管VT9，一端与三极管VT9的发射极相连接、另一端接地的电阻R21，一端与三极管VT9的基极相连接、另一端则经电阻R21后与三极管VT9的发射极相连接的电阻R20，正极与三极管VT9的发射极相连接、负极则与放大器P2的正极相连接的极性电容C11，一端与放大器P2的正极相连接、另一端接地的电阻R22，负极与放大器P2的负极相连接、正极接地的极性电容C10，一端与放大器P2的负极相连接、另一端则与放大器P2的输出端相连接的电阻R23，以及与电阻R23相并联的极性电容C12组成；所述放大器P2的负极与三极管VT9的集电极相连接、其正极则与单向晶闸管D10的P极相连接、其输出端分别与单向晶闸管D10的控制极和P极相连接，所述单向晶闸管D10的P极接地。

进一步的，所述的耦合电路由三极管VT7，三极管VT8，单向晶闸管D9，N极经电阻18后与三极管VT8的发射极相连接、P极则经电阻R13后与三极管VT7的发射极相连接的二极管D7，负极经电阻R14后与二极管D7的N极相连接、正极则作为电路的一个输入极的极性电容C6，负极接地、正极则经电阻R15后与三极管VT7的基极相连接的极性电容C7，P极经电阻R16后接地、N极则与极性电容C6的负极相连接的二极管D8，负极与二极管D8的N极相连接、正极则与三极管VT8的基极相连接的极性电容C9，一端与极性电容C7的正极相连接、另一端则经电阻R19后与单向晶闸管D9的控制极相连接的电阻R17，以及与电阻R17相并联的极性电容C8组成；所述三极管VT7的集电极接地，三极管VT8的集电极与单向晶闸管D9的P极相连接的同时接地。

所述信号锁相处理系统由前端输入电路，与前端输入电路相连接的锁相电路，与锁相电路相连接的信号放大电路，与信号放大电路相连接的转换电路组成。

所述的前端输入电路包括电阻R1，电阻R2，电感L1，电感L2，二极管D1，二极管D2，二极管D3以及电容C1；所述二极管D1的P极接地、N极则经极性电容C1后与二极管D2的N极相连接，电阻R1的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则作为电路的一个输入极，电阻R2的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则与锁相电路相连接，电感L2的一端经电阻R2后与二极管D1的N极相连接、另一端则与二极管D2的p极相连接，所述二极管D2的N极经电感L1后作为电路的另一输入极、P极与锁相电路相连接，二极管D3的N极与二极管D2的P极相连接、P极则与锁相电路相连接的同时接地。

所述的锁相电路由场效应管Q1，三极管VT1，三极管VT2，正极经电阻R3后与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的极性电容C2，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端经电感L4后与三极管VT2的集电极相连接的电阻R4，一端与三极管VT2的基极相连接、另一端与信号放大电路相连接的电阻R6，以及一端经电感L3后与三极管VT2的基极相连接、另一端接地的电阻R5组成；所述场效应管Q1的栅极与二极管D3的N极相连接、源极与三极管VT2的基极相连接、其漏极则与三极管VT1的集电极相连接，所述三极管VT1的集电极与电阻R2和电感L2的连接点相连接、其基极则与信号放大电路相连接，所述三极管VT2的集电极分别与二极管D3的P极以及信号放大电路相连接、其发射极接地。

所述的信号放大电路由放大器P1，三极管VT3，三极管VT4，正极经电阻R7后与三极管VT1的基极相连接、负极则与放大器P1的正极相连接的极性电容C4，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则经电阻R6后与三极管VT2的基极相连接的极性电容C3，正极与极性电容C3的负极相连接、负极与转换电路相连接的电极电容C5，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端与放大器P1的负极相连接的电阻R9，一端与三极管VT4的基极相连接、另一端与三极管VT1的基极相连接的电阻R10，以及N极与三极管VT1的基极相连接、P极接地的稳压二极管D4组成；所述三极管VT3的基极与三极管VT2的集电极相连接、其发射极与极性电容C3的负极相连接、集电极与三极管VT1的基极相连接，所述三极管VT4的集电极和放大器P1的输出端分别与转换电路相连接。

所述的转换电路由转换芯片U，场效应管Q2，三极管VT5，三极管VT6，或非门A，P极与或非门A的负极相连接、N极与转换芯片U的IN+管脚相连接的二极管D5，N极与场效应管Q2的漏极相连接、P极则经电阻R12后与转换芯片U的OUT管脚相连接的二极管D6，一端与三极管VT5的基极相连接、另一端则与场效应管Q2的源极相连接的电阻R11组成；所述或非门A的正极与三极管VT4的集电极相连接、输出端则与三极管VT5的发射极相连接，所述转换芯片U的IN+管脚与放大器P1的输出端相连接、其IN-管脚则与极性电容C5的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚还与场效应管Q2的栅极相连接、VCC管脚接15V电压，所述三极管VT5的基极与或非门A的输出端相连接、集电极与三极管VT6的基极相连接，三极管VT6的集电极与三极管VT5的发射极相连接、其发射极则与二极管D6的P极相连接。

所述的转换芯片U为LM393型集成芯片。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明可以对扭矩的信号频率进行锁相处理，使输入的频率与输出的频率相等，使发动机扭矩在发生变化后还可以准确的测量出发动机的实时扭矩。

（2）本发明通过耦合电路的作用可以抑制扭矩信号在处理过程中的衰减情况，使扭矩传感器可以输出更强、更稳定的信号。

（3）本发明通过快速接收模块的作用可以加快扭矩信号的接收速度，提高了扭矩传感器的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的信号锁相处理系统电路结构示意图；

图3为本发明的耦合电路结构示意图；

图4为本发明的快速接收模块电路结构示意图。

以上附图中的附图标记名称为：

1—扭力轴，2—应变片，3—集流环，4—振荡器，5—信号锁相处理系统，6—显示仪，7—耦合电路，8—快速接收模块，51—前端输入电路，52—锁相电路，53—信号放大电路，54—转换电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本发明主要由安装在被测设备转轴上且作为机械转换元件的扭力轴1，设置在扭力轴1上的集流环3，粘贴在扭力轴1上且与集流环3相连接的应变片2，与集流环3相连接的振荡器4和快速接收模块8，与快速接收模块8相连接的信号锁相处理系统5，与信号锁相处理系统5相连接的耦合电路7与耦合电路7相连接的显示仪6组成。

当被测设备转动时，扭力轴1则被带动，再通过应变片2的变形来测量扭力轴1的扭矩信号，并把信号输送给集流环3。集流环3的作用是将应变片2的引线从旋转着的扭力轴1上引出，即应变片2所采集到的扭矩信号由集流环3传输给振荡器4和快速接收模块8；显示仪6用于显示被测设备的扭矩值。而信号锁相处理系统5用于对扭矩信号进行相位处理，耦合电路7则可以抑制扭矩信号的衰减，使扭矩传感器输出的信号更稳定。快速接收模块8可以快速的接收集流环3所输送的信号，由此而提高扭矩传感器的灵敏度。

其中，显示仪6、扭力轴1、应变片2、集流环3以及振荡器4均采用现有的技术即可实现。

如图2所示，该信号锁相处理系统5由前端输入电路51，与前端输入电路51相连接的锁相电路52，与锁相电路52相连接的信号放大电路53，与信号放大电路53相连接的转换电路54组成。

所述的前端输入电路51包括电阻R1，电阻R2，电感L1，电感L2，二极管D1，二极管D2，二极管D3以及电容C1。连接时，所述二极管D1的P极接地、N极则经极性电容C1后与二极管D2的N极相连接，电阻R1的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则作为电路的一个输入极，电阻R2的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则与锁相电路52相连接，电感L2的一端经电阻R2后与二极管D1的N极相连接、另一端则与二极管D2的p极相连接，所述二极管D2的N极经电感L1后作为电路的另一输入极、P极与锁相电路52相连接，二极管D3的N极与二极管D2的P极相连接、P极则与锁相电路52相连接的同时接地。

锁相电路52可以对扭矩信号进行相位处理，处理后的相位更加稳定，其由场效应管Q1，三极管VT1，三极管VT2，正极经电阻R3后与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的极性电容C2，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端经电感L4后与三极管VT2的集电极相连接的电阻R4，一端与三极管VT2的基极相连接、另一端与信号放大电路53相连接的电阻R6，以及一端经电感L3后与三极管VT2的基极相连接、另一端接地的电阻R5组成。所述场效应管Q1的栅极与二极管D3的N极相连接、源极与三极管VT2的基极相连接、其漏极则与三极管VT1的集电极相连接，所述三极管VT1的集电极与电阻R2和电感L2的连接点相连接、其基极则与信号放大电路53相连接，所述三极管VT2的集电极分别与二极管D3的P极以及信号放大电路53相连接、其发射极接地。

信号放大电路53由放大器P1，三极管VT3，三极管VT4，正极经电阻R7后与三极管VT1的基极相连接、负极则与放大器P1的正极相连接的极性电容C4，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则经电阻R6后与三极管VT2的基极相连接的极性电容C3，正极与极性电容C3的负极相连接、负极与转换电路54相连接的电极电容C5，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端与放大器P1的负极相连接的电阻R9，一端与三极管VT4的基极相连接、另一端与三极管VT1的基极相连接的电阻R10，以及N极与三极管VT1的基极相连接、P极接地的稳压二极管D4组成。所述三极管VT3的基极与三极管VT2的集电极相连接、其发射极与极性电容C3的负极相连接、集电极与三极管VT1的基极相连接，所述三极管VT4的集电极和放大器P1的输出端分别与转换电路54相连接。

所述的转换电路54由转换芯片U，场效应管Q2，三极管VT5，三极管VT6，或非门A，P极与或非门A的负极相连接、N极与转换芯片U的IN+管脚相连接的二极管D5，N极与场效应管Q2的漏极相连接、P极则经电阻R12后与转换芯片U的OUT管脚相连接的二极管D6，一端与三极管VT5的基极相连接、另一端则与场效应管Q2的源极相连接的电阻R11组成。所述或非门A的正极与三极管VT4的集电极相连接、输出端则与三极管VT5的发射极相连接，所述转换芯片U的IN+管脚与放大器P1的输出端相连接、其IN-管脚则与极性电容C5的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚还与场效应管Q2的栅极相连接、VCC管脚接15V电压，所述三极管VT5的基极与或非门A的输出端相连接、集电极与三极管VT6的基极相连接，三极管VT6的集电极与三极管VT5的发射极相连接、其发射极则与二极管D6的P极相连接。为了更好的实施本发明，所述的转换芯片U优选为LM393型集成芯片来实现。

如图3所示，耦合电路7由三极管VT7，三极管VT8，单向晶闸管D9，N极经电阻18后与三极管VT8的发射极相连接、P极则经电阻R13后与三极管VT7的发射极相连接的二极管D7，负极经电阻R14后与二极管D7的N极相连接、正极则作为电路的一个输入极的极性电容C6，负极接地、正极则经电阻R15后与三极管VT7的基极相连接的极性电容C7，P极经电阻R16后接地、N极则与极性电容C6的负极相连接的二极管D8，负极与二极管D8的N极相连接、正极则与三极管VT8的基极相连接的极性电容C9，一端与极性电容C7的正极相连接、另一端则经电阻R19后与单向晶闸管D9的控制极相连接的电阻R17，以及与电阻R17相并联的极性电容C8组成。所述三极管VT7的集电极接地，三极管VT8的集电极与单向晶闸管D9的P极相连接的同时接地。所述三极管VT7的集电极则作为电路的另一输入极，电阻R17和电阻R19的连接点与单向晶闸管D9的N极一起作为电路的输出端。为了更好的实施本发明，该三极管VT7优先选为PNP型三极管，而三极管VT8则优选为NPN型三极管来实现。

快速接收模块8则为本发明的重点，如图4所示，其由放大器P2，单向晶闸管D10，三极管VT9，一端与三极管VT9的发射极相连接、另一端接地的电阻R21，一端与三极管VT9的基极相连接、另一端则经电阻R21后与三极管VT9的发射极相连接的电阻R20，正极与三极管VT9的发射极相连接、负极则与放大器P2的正极相连接的极性电容C11，一端与放大器P2的正极相连接、另一端接地的电阻R22，负极与放大器P2的负极相连接、正极接地的极性电容C10，一端与放大器P2的负极相连接、另一端则与放大器P2的输出端相连接的电阻R23，以及与电阻R23相并联的极性电容C12组成；所述放大器P2的负极与三极管VT9的集电极相连接、其正极则与单向晶闸管D10的P极相连接、其输出端分别与单向晶闸管D10的控制极和P极相连接，所述单向晶闸管D10的P极接地。所述三极管VT9的基极和集电极一起作为电路的输入端，而放大器P2的输出端和单向晶闸管D10的N极一起作为电路的输出端。

如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (8)

1.一种高灵敏度的扭矩传感器，主要由扭力轴（1）、显示仪（6），设置在扭力轴（1）上的集流环（3），粘贴在扭力轴（1）上且与集流环（3）相连接的应变片（2），以及与集流环（3）相连接的振荡器（4），与显示仪（6）相连接的耦合电路（7），与耦合电路（7）相连接的信号锁相处理系统（5）组成；其特征在于：在集流环（3）与信号锁相处理系统（5）之间还设置有快速接收模块（8）；所述快速接收模块（8）由放大器P2，单向晶闸管D10，三极管VT9，一端与三极管VT9的发射极相连接、另一端接地的电阻R21，一端与三极管VT9的基极相连接、另一端则经电阻R21后与三极管VT9的发射极相连接的电阻R20，正极与三极管VT9的发射极相连接、负极则与放大器P2的正极相连接的极性电容C11，一端与放大器P2的正极相连接、另一端接地的电阻R22，负极与放大器P2的负极相连接、正极接地的极性电容C10，一端与放大器P2的负极相连接、另一端则与放大器P2的输出端相连接的电阻R23，以及与电阻R23相并联的极性电容C12组成；所述放大器P2的负极与三极管VT9的集电极相连接、其正极则与单向晶闸管D10的P极相连接、其输出端分别与单向晶闸管D10的控制极和P极相连接，所述单向晶闸管D10的P极接地。

2.根据权利要求1所述的一种高灵敏度的扭矩传感器，其特征在于：所述的耦合电路（7）由三极管VT7，三极管VT8，单向晶闸管D9，N极经电阻18后与三极管VT8的发射极相连接、P极则经电阻R13后与三极管VT7的发射极相连接的二极管D7，负极经电阻R14后与二极管D7的N极相连接、正极则作为电路的一个输入极的极性电容C6，负极接地、正极则经电阻R15后与三极管VT7的基极相连接的极性电容C7，P极经电阻R16后接地、N极则与极性电容C6的负极相连接的二极管D8，负极与二极管D8的N极相连接、正极则与三极管VT8的基极相连接的极性电容C9，一端与极性电容C7的正极相连接、另一端则经电阻R19后与单向晶闸管D9的控制极相连接的电阻R17，以及与电阻R17相并联的极性电容C8组成；所述三极管VT7的集电极接地，三极管VT8的集电极与单向晶闸管D9的P极相连接的同时接地。

3.根据权利要求2所述的一种高灵敏度的扭矩传感器，其特征在于：所述信号锁相处理系统（5）由前端输入电路（51），与前端输入电路（51）相连接的锁相电路（52），与锁相电路（52）相连接的信号放大电路（53），与信号放大电路（53）相连接的转换电路（54）组成。

4.根据权利要求3所述的一种高灵敏度的扭矩传感器，其特征在于：所述的前端输入电路（51）包括电阻R1，电阻R2，电感L1，电感L2，二极管D1，二极管D2，二极管D3以及电容C1；所述二极管D1的P极接地、N极则经极性电容C1后与二极管D2的N极相连接，电阻R1的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则作为电路的一个输入极，电阻R2的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则与锁相电路（52）相连接，电感L2的一端经电阻R2后与二极管D1的N极相连接、另一端则与二极管D2的p极相连接，所述二极管D2的N极经电感L1后作为电路的另一输入极、P极与锁相电路（52）相连接，二极管D3的N极与二极管D2的P极相连接、P极则与锁相电路（52）相连接的同时接地。

5.根据权利要求4所述的一种高灵敏度的扭矩传感器，其特征在于：所述的锁相电路（52）由场效应管Q1，三极管VT1，三极管VT2，正极经电阻R3后与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的极性电容C2，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端经电感L4后与三极管VT2的集电极相连接的电阻R4，一端与三极管VT2的基极相连接、另一端与信号放大电路（53）相连接的电阻R6，以及一端经电感L3后与三极管VT2的基极相连接、另一端接地的电阻R5组成；所述场效应管Q1的栅极与二极管D3的N极相连接、源极与三极管VT2的基极相连接、其漏极则与三极管VT1的集电极相连接，所述三极管VT1的集电极与电阻R2和电感L2的连接点相连接、其基极则与信号放大电路（53）相连接，所述三极管VT2的集电极分别与二极管D3的P极以及信号放大电路（53）相连接、其发射极接地。

6.根据权利要求5所述的一种高灵敏度的扭矩传感器，其特征在于：所述的信号放大电路（53）由放大器P1，三极管VT3，三极管VT4，正极经电阻R7后与三极管VT1的基极相连接、负极则与放大器P1的正极相连接的极性电容C4，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则经电阻R6后与三极管VT2的基极相连接的极性电容C3，正极与极性电容C3的负极相连接、负极与转换电路（54）相连接的电极电容C5，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端与放大器P1的负极相连接的电阻R9，一端与三极管VT4的基极相连接、另一端与三极管VT1的基极相连接的电阻R10，以及N极与三极管VT1的基极相连接、P极接地的稳压二极管D4组成；所述三极管VT3的基极与三极管VT2的集电极相连接、其发射极与极性电容C3的负极相连接、集电极与三极管VT1的基极相连接，所述三极管VT4的集电极和放大器P1的输出端分别与转换电路（54）相连接。

7.根据权利要求6所述的一种高灵敏度的扭矩传感器，其特征在于：所述的转换电路（54）由转换芯片U，场效应管Q2，三极管VT5，三极管VT6，或非门A，P极与或非门A的负极相连接、N极与转换芯片U的IN+管脚相连接的二极管D5，N极与场效应管Q2的漏极相连接、P极则经电阻R12后与转换芯片U的OUT管脚相连接的二极管D6，一端与三极管VT5的基极相连接、另一端则与场效应管Q2的源极相连接的电阻R11组成；所述或非门A的正极与三极管VT4的集电极相连接、输出端则与三极管VT5的发射极相连接，所述转换芯片U的IN+管脚与放大器P1的输出端相连接、其IN-管脚则与极性电容C5的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚还与场效应管Q2的栅极相连接、VCC管脚接15V电压，所述三极管VT5的基极与或非门A的输出端相连接、集电极与三极管VT6的基极相连接，三极管VT6的集电极与三极管VT5的发射极相连接、其发射极则与二极管D6的P极相连接。

8.根据权利要求7所述的一种高灵敏度的扭矩传感器，其特征在于：所述的转换芯片U为LM393型集成芯片。