CN106525302B - 一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，包括：在被测转轴上固定距离处喷涂或粘贴一组第一编码条纹，为等间隔黑白相间的编码条纹；并在其中任意一处第一编码条纹的附近喷涂或粘贴第二编码条纹，其只有一个白条纹，第二编码条纹用于作为键相信号；正对每个编码条纹，分别安装光纤式定时传感器，每个传感器的探头均安装聚焦透镜，用于使出射光准直，光束直径小；第二编码条纹对应的光纤式定时传感器作为同步键相使用；光纤式定时传感器接收白条纹的反射光信号，通过信号处理电路将反射光信号转化为定时脉冲，再经过高速高精度定时采集卡输入控制器进行处理。本发明解决了现有的旋转轴动态扭矩测量在实际现场不适用的问题。

Description

一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统
技术领域
本发明涉及旋转轴动态扭矩测量领域，尤其涉及一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统。
背景技术
目前，轴系动态扭矩测量主要有以下几种：
(1)电阻应变片扭矩测量：将应变片粘贴于被测轴系上，通过引电器连接到外部电路，通过测量电阻应变片的电阻变化获得轴系的扭矩信息，该测量是接触式测量，存在测试改装复杂、旋转件信号传输困难、以及可靠性低等缺点，很难实现高速动态扭矩测量。
(2)激光多普勒扭矩测量：利用激光传感器根据多普勒效应造成的发射光和反射光的频率差测量被测轴转速，测量一定距离的两个截面的转速差并通过计算得到扭转角，从而实现扭矩的测量，但存在分析计算误差大、设备调试困难和受其他杂散光影响大等问题，在高速旋转轴扭矩动态测量中效果较差。
(3)光电编码器扭矩测量：当编码器条纹掠过光电传感器时，会产生相应的脉冲信号，安装两个一定距离的编码器，通过两个脉冲信号的相位差及其与被测扭矩的对应关系，从而实现扭矩的测量，但编码器的质量、安装仍会改变原轴系动平衡特性，大部分应用现场不适用，此外编码器要求转轴径向跳动小。
(4)公开号为CN202329888U，公告日为2012年7月11日的“一种基于光纤的旋转轴扭矩非接触动态测量系统”的实用新型专利中，记载了在旋转轴上刻出条纹色标，采用传统瞬时角速度积分计算实时扭转角的方案，但在持续测量中会产生不断增加的累积误差，同时采用多个传感器测量，结构复杂，无法有效抑制光强变化、轴径向跳动、条纹反射率等造成的误差。
实际应用时，现场测试环境下，转轴不可避免存在径向跳动，且不允许改装或改变动平衡特性，因此上述几种测量方式都不适用。
发明内容
本发明提供了一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，本发明解决了现有的旋转轴动态扭矩测量在实际现场不适用的问题，满足了实际应用中的多种需要，详见下文描述：
一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，所述测量系统包括：在被测转轴上固定距离处喷涂或粘贴一组第一编码条纹，
所述第一编码条纹为等间隔黑白相间的编码条纹；并在其中任意一处第一编码条纹的附近喷涂或粘贴第二编码条纹，所述第二编码条纹只有一个白条纹，所述第二编码条纹用于作为键相信号；
正对每个编码条纹，分别安装光纤式定时传感器，每个光纤式定时传感器的探头均安装聚焦透镜；所述聚焦透镜使出射光准直，光束直径小；
所述第二编码条纹对应的光纤式定时传感器作为同步键相使用；
所述光纤式定时传感器接收白条纹的反射光信号，并输出至信号处理电路，信号处理电路将反射光信号转化为定时脉冲，再经过高速高精度定时采集卡输入控制器进行处理。
其中，所述键相信号为绝对位置标记，基于圆周360°自然基准，作为高精度键相基准；
所述键相信号用于识别第一编码条纹中白条纹的编号，还用于转速测量。
其中，所述高速高精度定时采集卡以所述键相信号为起点对所有编码条纹的脉冲信号进行定时。
进一步地，所述控制器取所述第一编码条纹中的某一编码白条纹或所有白条纹的扭转角，并按被测转轴的旋转圈数，组成扭转角序列；
对所述扭转角序列进行波形显示或FFT分析，获得扭矩动态变化、以及频率信息。
其中，所述光纤式定时传感器采用Y型光纤束，中心光纤为发射光纤，紧密围绕着M根接收光纤。
其中，所述高速高精度定时采集卡采用双沿定时，即脉冲上升沿和下降沿分别定时；其定时计数采用温补晶振或高速晶振；也可用FPGA实现双沿定时。
为了提高接收效率，所述第一编码条纹和/或所述第二编码条纹的材料可以采用3M反光膜。
为了扩大应用的范围，降低制造成本，所述控制器可以为：单片机、DSP、FPGA、或计算机。
本发明提供的技术方案的有益效果是：
1、基于圆周360°高精度键相基准，以及增加的同步键相光纤传感器，实现了对扭转角直接测量，消除了传统方式导致的累积误差；
2、通过在光纤式定时传感器中增加聚焦透镜准直结构，提高了探头的工作距离，且使光斑大小不会因距离变化而变化，降低了定时误差，现场安装更方便、安全。
3、采用双沿定时技术进一步抑制白条纹反射率、以及光源波动造成的幅值变化噪声，提高了测量精度。
附图说明
图1为本发明提供的基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统的结构示意图；
其中，1为被测转轴；2为第一编码条纹；3为光纤式定时传感器，其中第三个光纤式定时传感器作为同步键相使用；4为信号处理电路；5为高速高精度定时采集卡；6为控制器；16为第二编码条纹。
图2为本发明提供的光纤式定时传感器的结构及连接方式；
其中，7为被测转轴；8为聚焦透镜；9为光电变换器；10为激光光源；11为电平触发电路。
图3为本发明提供的高速高精度定时的示意图；
图4为本发明提供的双沿定时的示意图。
其中，12、13代表电压幅值变化，14和15分别指电平触发后的数字脉冲信号。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例1
一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，参见图1和图2，该测量系统包括：设置在被测转轴1上的编码条纹2，
其中，在被测转轴1上固定距离处喷涂或粘贴一组第一编码条纹2，该第一编码条纹2为等间隔黑白相间的编码条纹(即在被测转轴1上存在2处黑白相间的第一编码条纹2)；并在其中任意一处第一编码条纹2的附近喷涂或粘贴第二编码条纹16，该第二编码条纹16只有一个白条纹(即该白条纹位于黑白相间的第一编码条纹2附近，且仅有一个白条纹)，该第二编码条纹16的白条纹用于作为键相信号。
正对每个编码条纹(即一组第一编码条纹2、以及第二编码条纹16)，分别安装光纤式定时传感器3(共计3个光纤式定时传感器3)，每个光纤式定时传感器3的探头均安装聚焦透镜8，聚焦透镜8使出射光准直，光束直径小；第二编码条纹16中的白条纹对应的光纤式定时传感器3作为同步键相使用。
当探头扫过被测转轴1上的白条纹(包括第一编码条纹2中的白条纹，也包括第二编码条纹16中的白条纹)时，光纤式定时传感器3接收白条纹的反射光信号，并输出至信号处理电路4，信号处理电路4将反射光信号转化为定时脉冲，再经过高速高精度定时采集卡5输入控制器6进行处理。
键相信号(即第二编码条纹16中的白条纹对应的)为绝对位置标记，基于圆周360°自然基准，作为高精度键相基准。其他条纹(即一组第一编码条纹2中的白条纹)相对于键相信号的角度变化即表征扭矩的变化。同时键相信号用于识别第一编码条纹2中白条纹的编号，还用于转速测量。
参见图3，高速高精度定时采集卡5采用高速高精度定时技术，以键相信号为起点对所有编码条纹脉冲进行定时。控制器6取第一编码条纹2中的某一编码白条纹或所有白条纹的扭转角，并按被测转轴1的旋转圈数，组成扭转角序列。对扭转角序列进行波形显示或FFT分析，可获得扭矩动态变化、频率信息。
其中，扭转角序列在采集时是时间序列，控制器6将其转换成扭转角序列，例如：所有第一编码条纹2中的白条纹在第a圈的扭转角序列为
Figure BDA0001182891270000041
i为第一编码条纹2中白条纹的编号，总数为N，那么整个的扭转角序列应该按被测转轴1的旋转圈顺序，即a从小到大依次排列。
综上所述，本发明实施例通过上述设计解决了现有的旋转轴动态扭矩测量在实际现场不适用的问题，满足了实际应用中的多种需要。
实施例2
下面结合图1至图4对实施例1中的方案进行详细论述，详见下文描述：
本发明实施例采用光纤式定时传感器3，见图2，具有轻便柔软，抗电磁兼容性好等优点，适于现场应用。有些现场环境为安全起见要求探头工作距离(即探头端面离轴的距离)大，设计聚焦准直结构。
光纤式定时传感器3采用Y型光纤束，中心光纤为发射光纤，紧密围绕着M根接收光纤，可精密围绕1圈或2圈，一般取M＝6即满足要求。
激光光源10通过发射光纤将激光传输并发射，经聚焦透镜8准直出射。发射光纤芯径取0.2μm，准直出射后光束直径小于0.5mm，且在1-20mm内光束直径基本不变，保证了在大范围工作距离(20mm)内保持精度一致。
接收光纤接收白条纹(包括第一编码条纹2中的白条纹，也包括第二编码条纹16中的白条纹)的反射光信号传输至信号处理电路4，送入光电变换器9转化为电压信号，然后通过电平触发电路11将其转换为数字脉冲信号。
在被测转轴7上固定距离处喷涂或粘贴等间隔黑白相间的一组N条(其中，N为白色条纹的数量)第一编码条纹2，取N＝40(本发明实施例对N的具体取值不做限制，仅以40为例进行说明)，并在其中1处第一编码条纹2附近合适位置喷涂或粘贴只有一个白条纹的第二编码条纹16，作为键相信号。
具体实现时，编码条纹可以整周粘帖或喷涂，黏贴或喷涂的质量可忽略，基本不影响原轴系平衡。
正对第一编码条纹2、以及第二编码条纹16，分别安装光纤式定时传感器3，光纤式定时传感器3的探头安装聚焦透镜8使出射光准直，光束直径小。
本发明实施例中的高速高精度定时采集卡5采用高速高精度定时技术，见图3。以键相信号为起点对所有编码条纹脉冲进行定时。两个光纤式定时传感器3输出的脉冲定时序列为{t1(i)}，{t2(i)}，i指第一编码条纹2中白条纹的编号，总数为N。
键相信号转速定时周期为T，当被测转轴1工作时，扭矩作用使两个距离为L的光纤式定时传感器3输出的同一编号的白条纹脉冲信号(即，一组第一编码条纹1中的白色条纹数量相同，并按照同样的编号规则进行编号)会产生角度差(即扭转角)：
Figure BDA0001182891270000051
轴系承载的实时扭矩(静态扭矩或动态扭矩)Mi可由下式求出：
Figure BDA0001182891270000052
其中，k为扭转刚度。
取第一编码条纹1中某一编码的白条纹或所有白条纹的扭转角，并按被测转轴1的旋转圈数顺序，组成扭转角序列。对扭转角序列进行波形显示或FFT分析，可获得扭矩动态变化、频率信息。
公式1、2表明本发明实施例直接测量被测转轴1每转一圈所有白条纹到达光纤式定时传感器3探头的扭转角，不存在积分的累积计算误差。
光纤式定时传感器3获取的白条纹信号不可避免受到光源波动及白条纹反射率不一致等影响，导致模拟电压幅值发生变化(如12、13所示)，14和15分别指电平触发后的数字脉冲信号。高速高精度定时采集卡5采用双沿定时，脉冲上升沿和下降沿分别定时，取(t1+t4)/2，(t2+t3)/2，消除了幅值变化导致的t1-t2误差。
由于键相信号基于360°的自然基准，高速高精度定时采集卡5的定时计数采用温补晶振或高速晶振，如96MHz，按转速4200rpm(周期14.3ms)计算，理论上测角分辨力为0.000262°，测角精度达到0.002°，远高于实际扭矩测量所需的测量精度要求(0.02°)。
本发明实施例所述的高速高精度定时采集卡5，可用FPGA实现双沿定时，使其进一步提高定时精度，如图4所示。
本发明实施例所述编码条纹可采用3M反光膜材料制作，反射膜具有类似发射棱镜效果，使更多的光能量原路返回至接收光纤，提高接收效率。
本发明实施例所述控制器6可以采用单片机、DSP、FPGA、计算机等平台，具体实现时，本发明实施例对此不做限制。
综上所述，本发明实施例通过上述设计解决了现有的旋转轴动态扭矩测量在实际现场不适用的问题，满足了实际应用中的多种需要。
本发明实施例对各器件的型号除做特殊说明的以外，其他器件的型号不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。
本领域技术人员可以理解附图只是一个优选实施例的示意图，上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，所述测量系统包括：在被测转轴上固定距离处喷涂或粘贴一组第一编码条纹，其特征在于，
所述第一编码条纹为等间隔黑白相间的编码条纹；并在其中任意一处第一编码条纹的附近喷涂或粘贴第二编码条纹，所述第二编码条纹只有一个白条纹，所述第二编码条纹用于作为键相信号；
正对每个编码条纹，分别安装光纤式定时传感器，每个光纤式定时传感器的探头均安装聚焦透镜；所述聚焦透镜使出射光准直，光束直径小；
所述第二编码条纹对应的光纤式定时传感器作为同步键相使用；
所述光纤式定时传感器接收白条纹的反射光信号，并输出至信号处理电路，信号处理电路将反射光信号转化为定时脉冲，再经过高速高精度定时采集卡输入控制器进行处理；
其中，所述光纤式定时传感器采用Y型光纤束，中心光纤为发射光纤，紧密围绕着M根接收光纤。
2.根据权利要求1所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，
所述键相信号为绝对位置标记，基于圆周360°自然基准，作为高精度键相基准；
所述键相信号用于识别第一编码条纹中白条纹的编号，还用于转速测量。
3.根据权利要求1或2所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，
所述高速高精度定时采集卡以所述键相信号为起点对所有编码条纹的脉冲信号进行定时。
4.根据权利要求1所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，
所述控制器取所述第一编码条纹中的某一编码白条纹或所有白条纹的扭转角，并按被测转轴的旋转圈数，组成扭转角序列；
对所述扭转角序列进行波形显示或FFT分析，获得扭矩动态变化、以及频率信息。
5.根据权利要求1所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，
所述高速高精度定时采集卡采用双沿定时，即脉冲上升沿和下降沿分别定时。
6.根据权利要求1所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，
所述高速高精度定时采集卡的定时计数采用温补晶振或高速晶振。
7.根据权利要求1或5或6所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，所述高速高精度定时采集卡可用FPGA实现双沿定时。
8.根据权利要求1所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，所述第一编码条纹和/或所述第二编码条纹的材料为3M反光膜。
9.根据权利要求1所述的一种基于高精度键相的旋转轴扭矩非接触动态测量系统，其特征在于，所述控制器为：单片机、DSP、FPGA、或计算机。
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