CN105424250B - 一种转轴瞬时转矩检测装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种转轴瞬时转矩检测装置及方法，由交流激励及信号调理电路产生应力传感器A和应力传感器B的激励信号，通过信号调理后，用无线调频发射模块进行模拟调制发送，通过固定部分的无线接收解调模块接收并解调，再通过信号还原电路还原转矩信号，最后输出实时转矩的电压信号；当转轴没有转矩传动时，信号还原电路输出供电电压的一中间值；当转轴正向转矩传动时，信号还原电路输出的电压值高于所述中间值，高出中间值的电压差值即对应于转轴传动产生的正转矩的大小；当转轴反向转矩传动时，信号还原电路输出的电压值低于中间值，低出中间值的电压差值即对应于转轴传动产生的负转矩的大小；本发明测量频带宽，实时性好。

Description

一种转轴瞬时转矩检测装置及方法

技术领域

本发明涉及电气传动技术、电子技术以及无线电通信技术，具体是对传动系统中的转轴所输出的转矩进行检测的方法，用于实验室环境下对传动系统的转轴转矩进行在线实时检测。

背景技术

在电机、内燃机等系统测试中，系统的转轴输出转矩反应了各种动力系统的基本特性，是一个必不可少的测量项目。这个测量项目一般采用带有转矩传感器的转矩测量仪进行测量，但转矩测量仪存在很多缺点：一是转矩传感器信号滞后，检测频率低，不能测量瞬时转矩脉动，二是设备体积大，信号输出和供电电源都是有线连接，限制了其应用环境。例如，动态转矩测量仪输出为频率信号，在零点时输出信号频率为10kHz，正向旋转满量程时为15kHz，反向旋转满量程时为5KHz。目前，转轴转矩也有采用无线转矩检测方法进行测量的，无线传输方法可分为两种：一是将模数信号转换后用数字信号串行传输，二是将压频信号转换后利用红外光传输或用电磁感应传输。前者的模数信号转换过程和数字信号串行传输环节的带宽限制了转矩检测的采样率，因此无法测量转矩脉动的高频分量；后者的压频信号转换最大带宽是100kHz，同样不能达到测量转矩脉动的频率要求,既使采用较高频率的转换，模数信号转换后数据量大；另外，红外转输方向性太强，不能在任意转动位置向固定装置发送数据，电磁感应传送易受电机强磁干扰，传送速率低。

发明内容

针对以上问题，本发明的目的是提出一种新的转轴瞬时无线转矩检测装置及该无线转矩检测装置的检测方法，用模拟调理电路直接调频传输，利用应力传感器实现在实验环境下对传动系统的转轴瞬时转矩进行在线、实时、高带宽检测。

本发明一种转轴瞬时转矩检测装置采用的技术方案是：该转矩检测装置由随动部分和固定部分组成，随动部分包括应力传感器和随动电路板，随动电路板固定在转轴的表面上，固定部分与转轴不接触；组成转轴的主动轴和从动轴的两个传动接触面之间各嵌入一个所述应力传感器，转轴正向传动时，应力传感器B受挤压同时应力传感器A不受力，转轴反向传动时，应力传感器A受挤压同时应力传感器B不受力；所述随动电路板由交流激励及信号调理电路、无线发射模块和第一电源组成，交流激励及信号调理电路输出端连接无线发射模块输入端，无线发射模块含有发射天线；所述交流激励及信号调理电路由交流激励信号源、缓冲电路、反比例放大电路、减法电路、反相比例加法器和带通滤波器构成；交流激励信号源经缓冲电路后分别连接应力传感器A一端和应力传感器B一端，应力传感器A另一端和应力传感器B另一端各连接一个反比例放大电路，两个所述反比例放大电路均连接减法电路，减法电路输出端连接反相比例加法器输入端，反相比例加法器输出端连接带通滤波器，带通滤波器输出端连接所述无线调频发射模块输入端；所述固定部分由无线接收解调模块、信号还原电路和第二电源组成，无线接收解调模块输出端连接信号还原电路输入端，无线接收解调模块含有接收天线；所述接收天线接收所述发射天线传送的无线信号。

所述转轴瞬时转矩检测装置的检测方法采用的技术方案是：先由所述交流激励及信号调理电路产生应力传感器A和应力传感器B的激励信号，激励信号幅值随转矩线性变化，再将该信号通过信号调理后，用所述无线调频发射模块进行模拟调制发送，通过所述固定部分的无线接收解调模块接收并解调，再通过所述信号还原电路还原转矩信号，最后输出实时转矩的电压信号。

进一步地，当转轴没有转矩传动时，连接应力传感器A的反比例放大电路和连接应力传感器B的反比例放大电路的输出端电压相同，减法电路的输出端电压为0，反相比例加法器将减法电路的输出端电压与缓冲电路的输出端电压相加后输入带通滤波器，经固定部分的信号还原电路13后输出供电电压的一中间值；当转轴正向转矩传动时，应力传感器B受到的压力大于应力传感器A，信号还原电路输出的电压值高于没有转矩传送时的所述中间值，高出所述中间值的电压差值即对应于转轴传动产生的正转矩的大小；当转轴反向转矩传动时，信号还原电路输出的电压值低于所述中间值，低出所述中间值的电压差值即对应于转轴传动产生的负转矩的大小。

本发明采用上述技术方案后具有的优点是：

1、本发明中测转矩用的两个应力传感器的安装角度与转轴切向垂直，直接测量转轴扭力，与贴片式应变电桥相比有传力明确、计算简单、测量精确等优点，本发明克服了传统转矩测量仪测量灵敏度低、实时性差的缺点，测量频带宽，平稳性、实时性好。

2、在电机控制测试领域，转矩是电机最主要的性能之一，也是电机控制的具体体现，平均转矩反应电机的驱动能力，电能的利用情况等特性；而转矩脉动则是部分应用场合很敏感的不利因素，也是控制算法及机械构件性能优劣的评价标准，所以同时获得平均转矩和转矩脉动的高低频特征显得特别重要；为了同时测量转矩的高低频特征，就需要有更宽带的测转传感器，所以本发明采用全模拟通道对转矩进行测量和传输，随动部分用于实时检测转轴的转矩，并通过无线通信方式输出，固定部分用于接收随动部分输出的无线信号，并将其转换为适当的电信号，能真正做到实时、高带宽测量。

3、本发明采用二次调制转矩信号，第一次利用交流信号激励对应力传感器测得信号进行AM调制，第二次为无线发射电路的FM调制，能有效的避免电机、发动机等产生的低频干扰信号，提高了测量仪抗干扰能力，同时符合无线调频发射模块的信道通频带。

4、本发明在转轴上的装置体积小、重量轻，测量转矩频带宽，实时性好，固定部分的输出为模拟电信号。

5、本发明在转轴上加了与随动部分电路板质量相同、位置对称的配重块，可保证不影响转轴的重心位置，使转轴不引起偏心振动。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述：

图1是本发明一种转轴瞬时转矩检测装置的结构及安装示意图；

图2是图1中转轴横截面结构以及应力传感器的布置结构放大示意图；

图3是图1中的随动部分和固定部分的电气连接结构示意图；

图4和图5在M和N点处相连接组成了图3中的交流激励及信号调理电路图；

图6是图3中信号还原电路的连接图。

附图中各部件的序号和名称：1.主动轴；2.从动轴；3.随动电路板；4.应力传感器；5.固定部分；6.发射天线；7.接收天线；8.交流激励及信号调理电路；9.电源；10.无线调频发射模块；11.无线接收解调模块；12.电源；13.信号还原电路；14.配重块。

具体实施方式

如图1所示，传动系统中的转轴的机械连接选用现有弹性梅花连轴器结构，弹性梅花连轴器结构由主动轴1和从动轴2组成，主动轴1和从动轴2在轴向上相互嵌套，由主动轴1带动从动轴2旋转。

本发明所述一种转轴瞬时转矩检测装置由随动部分和固定部分5组成，随动部分由应力传感器4、随动电路板3和配重块14组成，随动部分安装在转轴上，随着转轴转动而转动，固定部分与转轴不接触，固定部分5与随动部分之间通过无线传输信号。

在主动轴1和从动轴2旋转时，在两者的传动接触面之间固定嵌入应力传感器4，主动轴1和从动轴2之间的传动接触面有两面，分别固定嵌入应力传感器A和应力传感器B，参见图2。应力传感器A和应力传感器B均径向安装，应力传感器4的安装设置角度与转轴的切向相垂直，转轴的横截面是圆形，与圆形的切向相垂直。要求这两个应力传感器不同时被挤压，从而可以测得转矩传送方向，当转轴如图2中箭头所示方向正向传动时，应力传感器B受挤压，同时应力传感器A不受力；当转轴反向传动时，应力传感器A受挤压，而应力传感器B不受力，以实现正反方向转矩的测量。随动电路板3固定在转轴的表面上，如图1中将随动电路板3固定在从动轴2的表面上，随动电路板3与转轴用胶粘在一起，这样即使转轴高速运转也不会使随动电路板3脱落，同时随动电路板3的器件选型上要用小封装、紧凑型PCB板的器件。

参见图3，随动电路板3用于测量应力信号，随动电路板3由交流激励及信号调理电路8、无线发射模块10和电源9组成，交流激励及信号调理电路8的输出端连接无线发射模块10的输入端。无线发射模块10含有发射天线6。电源9为交流激励及信号调理电路8和无线发射模块10提供工作电源，采用钮扣电池。无线发射模块10选用TX24017。为了防止转轴偏心，在转轴上，在与随动电路板3轴对称的转轴表面位置上加装与随动电路板3相同质量的配重块14。

参见图1和图3，所述固定部分5由无线接收解调模块11、信号还原电路13（即峰值检波电路）和电源12组成。无线接收解调模块11的输出端连接信号还原电路13的输入端，电源12为无线接收解调模块11和信号还原电路13提供工作电源，采用钮扣电池。无线接收解调模块11含有接收天线7，接收天线7接收随动部分的发射天线6传送的无线信号。无线接收解调模块11选用RX2188。

参见图4和图5，图4和图5在M和N点处相连接成完整的交流激励及信号调理电路8，交流激励及信号调理电路8由交流激励信号源、缓冲电路、反比例放大电路、减法电路、反相比例加法器和带通滤波器构成。交流激励信号源V1经缓冲电路后分别连接应力传感器A一端和应力传感器B一端，应力传感器A另一端和应力传感器B另一端各连接一个反比例放大电路，两个反比例放大电路均连接减法电路，减法电路的输出端连接反相比例加法器的输入端，反相比例加法器的输出端连接带通滤波器，带通滤波器的输出端连接无线调频发射模块10的输入端。具体如下：

交流激励信号源V1（1MHz有源晶振）连接电阻R1，电阻R1与电阻R2和运放U1同相输入端相连，电阻R2另一端接地，运放U1反相输入与自身输出端相连，构成激励信号源的缓冲电路。运放U1的输出端分别连接图2中的应力传感器A和应力传感器B，并且还连接电阻R10一端，应力传感器A另一端与运放U2反相输入端以及反馈电阻R3相连；运放U2同相输入通过电阻R17接地，构成对应力传感器A上产生信号的反比例放大电路。应力传感器B另一端与运放U3的反相输入端以及反馈电阻R4相连；运放U3的同相输入端通过电阻R18接地，构成对应力传感器B上产生信号的反比例放大电路。运放U2输出端连接电阻R6一端，电阻R6另一端分别与电阻R5、运放U4同相输入端相连，电阻R5另一端接地，运放U3的输出端与电阻R7一端相连，电阻R7另一端分别与运放U4的负相输入端以及反馈电阻R8相连，电阻R8另一端接运放U4的输出端，构成减法电路。运放U5的同相输入端通过电阻R19接地，电阻R9一端与运放U4的输出端相连，另一端分别与运放U5反相输入端、电阻R10另一端、电阻R11一端相连，电阻R11另一端与运放U5的输出端和电阻R12相连，构成反相比例加法器。电阻R12的另一端与电容C1、电容C2、电阻R14相连，电容C2另一端接地，电容C1另一端与电阻R13、运放U6的同相输入端相连，电阻R13另一端接地，电阻R14另一端与电阻R15、运放U6的输出端相连，电阻R15的另一端与电阻R16、运放U6的反相输入端相连，电阻R16的另一端接地，构成了带通滤波器。运放U6的输出就是交流激励及信号调理电路8的信号输出，将此信号输出端连接到图3的无线调频发射模块10的输入通道。

参见图6的信号还原电路13，信号还原电路13包括电阻R20、运放U7、二极管D1和电容C1，无线接收解调模块11的解调输出端接信号还原电路13的信号输入IN，信号输入IN连接电阻R20一端，电阻R20另一端接运放U7的同相输入端，运放U7的反相输入端分别与电阻R21、电阻R22相连，电阻R21的另一端接地，电阻R22的另一端与运放U7的输出端、二极管D1的正极相连，二极管D1的负极分别与电阻R23、电容C1相连，作为信号还原电路13输出，为最终转矩信号的输出端，通过信号还原电路还原转矩信号，记为转矩信号输出端OUT。电阻R23和电容C1的另一公共端接地。

本发明所述转轴瞬时转矩检测装置在实施检测时，应力传感器A和应力传感器B的激励信号由交流激励及信号调理电路8的交流激励信号发生电路产生，激励经传感器产生幅值随转矩线性变化的电流信号，将电流信号通过信号调理，用无线调频发射模块10进行模拟调制发送，在固定部分5上接收并解调，通过信号还原电路13还原转矩信号。在固定部分5中，转矩信号接收电路通过二次解调得到表示转矩的电压信号，一次解调是无线接收模块11中通过限幅、鉴频、低通滤波把无线信号解调，输出被交流激励调制的电压信号；二次解调是利用峰值解调电路还原转矩信号。具体如下：

当转轴没有转矩传动时，图2中应力传感器A和应力传感器B受力相当，图4中运放U2、应力传感器A、电阻R17、电阻R3构成的电路与运放U3、应力传感器B、电阻R18、R4构成电路结构对称、参数相同，于是运放U2和运放U3的输出端电压相同，连接应力传感器A的反比例放大电路和连接应力传感器B的反比例放大电路的输出端电压相同。运放U4、电阻R5、R6、R7、R8构成的减法电路对运放U2、U3的输出电压做减法，从而减法电路的运放U4的输出端电压为0。图5中运放U5、电阻R19、R9、R10、R11构成的反相比例加法器把运放U4的输出端电压与缓冲电路中的运放U1的输出端电压（交流激励）相加后输入带通滤波器，于是运放U5的输出电压没有应力传感器A和应力传感器B的信号成分。从而进入带通滤波器的只是交流激励信号，该信号经固定部分5的信号还原电路13，输出电压OUT为供电电压的一个中间值。例如：若供电电压为3.3V，零转矩输出为1V。

当有正方向转矩传动时，应力传感器B受到的压力大于应力传感器A，应力传感器B的电导高于应力传感器A，运放U2、电阻R17、R3和应力传感器A组成了反比例放大器，于是形成对称电路的运放U2的输出端电压高于运放U3的输出端电压，减法电路的输出（即运放U4的输出端）电压为正电压，于是反相比例加法器的输出（即U5的输出端）电压高于没有转矩时的输出电压。以致于在固定部分5的信号还原电路13的输出电压OUT高于没有转矩时的电压值，高出原来中间值的电压差值即对应于转轴动力传动过程中产生的正转矩的大小。所述高出原来中间值的电压差值是将此时信号还原电路13输出的电压值与中间值相减。

与正方向转矩传动相反，当有反方向转矩传动时，应力传感器A受到的压力大于应力传感器B，应力传感器A的电导高于应力传感器B，运放U2的输出端电压低于运放U3的输出端电压，运放U4的输出端电压为负电压，于是运放U5的输出端（反相比例加法器输出端）电压低于没有转矩时的输出电压，以致于在固定部分5的信号还原电路13的输出电压OUT低于没有转矩时的电压值，低出中间电压的电压差值对应于转轴动力传动过程中产生的负转矩的大小。所述低出中间电压的电压差值是将中间值减去此时信号还原电路13输出的电压值。

因此，随动部分通过实时检测应力传感器4的电信号，从而实时检测输出轴（主动轴1）传向负载轴（从动轴2）的转矩。其中的交流激励及信号调理电路8通过交流激励、信号调理来检测应力传感器A、应力传感器B的信号，在对输出进行测试和校准后就能准确地实时测量转轴转矩并经无线发射模块10的发射天线6传送到固定部分5上。固定部分5由接收天线7接收到信号，由无线接收解调模块11对无线信号解调、信号还原电路13进行峰值检波，最终输出表示实时转矩的电压信号。输出的电信号特点是当转轴没有转矩传送时，输出电压为一中间值；当有转矩产生时，高于中间电压的差值表示正转矩，低于中间电压的差值表示负转矩。

Claims (7)

1.一种转轴瞬时转矩检测装置，其特征是：该转矩检测装置由随动部分和固定部分组成，随动部分包括应力传感器和随动电路板，随动电路板固定在转轴的表面上，固定部分与转轴不接触；组成转轴的主动轴和从动轴的两个传动接触面之间各嵌入一个所述应力传感器，分别为应力传感器A和应力传感器B，转轴正向传动时，应力传感器B受挤压同时应力传感器A不受力，转轴反向传动时，应力传感器A受挤压同时应力传感器B不受力；所述随动电路板由交流激励及信号调理电路、无线调频发射模块和第一电源组成，交流激励及信号调理电路输出端连接无线调频发射模块输入端，无线调频发射模块含有发射天线；所述交流激励及信号调理电路由交流激励信号源、缓冲电路、反比例放大电路、减法电路、反相比例加法器和带通滤波器构成；交流激励信号源经缓冲电路后分别连接应力传感器A一端和应力传感器B一端，应力传感器A另一端和应力传感器B另一端各连接一个反比例放大电路，两个所述反比例放大电路均连接减法电路，减法电路输出端连接反相比例加法器输入端，反相比例加法器输出端连接带通滤波器，带通滤波器输出端连接所述无线调频发射模块输入端；所述固定部分由无线接收解调模块、信号还原电路和第二电源组成，无线接收解调模块输出端连接信号还原电路输入端，无线接收解调模块含有接收天线；所述接收天线接收所述发射天线传送的无线信号。

2.根据权利要求1所述转轴瞬时转矩检测装置，其特征是：所述交流激励信号源连接电阻R1，电阻R1与电阻R2和运放U1同相输入端相连，电阻R2另一端接地，运放U1反相输入与自身输出端相连，构成所述缓冲电路；运放U1输出端分别连接应力传感器A和应力传感器B，且还连接电阻R10一端，应力传感器A另一端与运放U2反相输入端以及反馈电阻R3相连；运放U2同相输入通过电阻R17接地，构成对应力传感器A上产生信号的反比例放大电路，应力传感器B另一端与运放U3反相输入端以及反馈电阻R4相连；运放U3同相输入端通过电阻R18接地，构成对应力传感器B上产生信号的反比例放大电路；运放U2输出端连接电阻R6一端，电阻R6另一端分别与电阻R5、运放U4同相输入端相连，电阻R5另一端接地，运放U3输出端与电阻R7一端相连，电阻R7另一端分别与运放U4负相输入端以及反馈电阻R8相连，电阻R8另一端接运放U4输出端，构成所述减法电路；运放U5同相输入端通过电阻R19接地，电阻R9一端与运放U4的输出端相连，另一端分别与运放U5反相输入端、电阻R10另一端、电阻R11一端相连，电阻R11另一端与运放U5输出端和电阻R12相连，构成所述反相比例加法器；电阻R12另一端与电容C1、电容C2、电阻R14相连，电容C2另一端接地，电容C1另一端与电阻R13、运放U6同相输入端相连，电阻R13另一端接地，电阻R14另一端与电阻R15、运放U6输出端相连，电阻R15另一端与电阻R16、运放U6反相输入端相连，电阻R16另一端接地，构成所述带通滤波器。

3.根据权利要求1所述转轴瞬时转矩检测装置，其特征是：所述信号还原电路包括电阻R20、运放U7、二极管D1和电容C1，信号还原电路的信号输入端连接电阻R20一端，电阻R20另一端接运放U7同相输入端，运放U7反相输入端分别与电阻R21、电阻R22相连，电阻R21的另一端接地，电阻R22的另一端与运放U7输出端、二极管D1正极相连，二极管D1负极分别与电阻R23、电容C1相连，并作为信号还原电路的输出端。

4.根据权利要求1所述转轴瞬时转矩检测装置，其特征是：在与所述随动电路板轴对称的转轴表面上装有配重块，所述配重块的质量与所述随动电路板的质量相同。

5.根据权利要求1所述转轴瞬时转矩检测装置，其特征是：应力传感器A和应力传感器B均径向设置，设置的角度与转轴的切向相垂直。

6.一种如权利要求1所述转轴瞬时转矩检测装置的检测方法，其特征是：先由所述交流激励及信号调理电路产生应力传感器A和应力传感器B的激励信号，激励信号幅值随转矩线性变化，再将该信号通过信号调理后，用所述无线调频发射模块进行模拟调制发送，通过所述固定部分的无线接收解调模块接收并解调，再通过所述信号还原电路还原转矩信号，最后输出实时转矩的电压信号。

7.根据权利要求6所述的检测方法，其特征是：当转轴没有转矩传动时，连接应力传感器A的反比例放大电路和连接应力传感器B的反比例放大电路的输出端电压相同，减法电路的输出端电压为0，反相比例加法器将减法电路的输出端电压与缓冲电路的输出端电压相加后输入带通滤波器，经固定部分的信号还原电路后输出供电电压的一中间值；当转轴正向转矩传动时，应力传感器B受到的压力大于应力传感器A，信号还原电路输出的电压值高于没有转矩传送时的所述中间值，高出所述中间值的电压差值即对应于转轴传动产生的正转矩的大小；当转轴反向转矩传动时，信号还原电路输出的电压值低于所述中间值，低出所述中间值的电压差值即对应于转轴传动产生的负转矩的大小。