CN108254109A - 基于转轴相位差的扭矩检测装置、方法以及系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于转轴相位差的扭矩检测装置，包含被测轴、激光测头以及色标带；多个色标带包含第一色标带与第二色标带，第一色标带与第二色标带沿被测轴轴向方向相对布置；所述激光测头与色标带一一对应，激光测头发射的光斑到达对应的色标带上；色标带上设置有条纹，多个条纹包含第一条纹与第二条纹，第一条纹与第二条纹在反射率上存在不同；第一条纹与第二条纹沿被测轴周向方向轮流布置。本发明还提供了一种采用上述基于转轴相位差的扭矩检测装置获得扭矩值的检测系统与方法。本发明采用基于相位差测量的转轴扭矩测量中的零位识别与处理方法，克服了以往基于脉冲信号测量中无法在静态条件下进行零位校正的困难。

Description

基于转轴相位差的扭矩检测装置、方法以及系统
技术领域
本发明涉及转轴扭矩测量技术领域，具体地，涉及一种基于转轴相位差的扭矩检测装置、方法以及系统。
背景技术
扭矩测量与控制在现代智能制造和动力设备中扮演越来越重要的角色。不断提高扭矩测量的便利性、实时性和准确性是扭矩测量和监测的不懈追求。目前应用较为成熟的转轴扭矩测量方法主要有应变型、磁弹性和转角型等。应变型扭矩传感器因为结构简单、成本低等优势在国内应用最多，但应用时需要解决好信号传输等问题。磁弹性传感器结构上相对复杂，而且为了获得一定精度对传感器相应材料及现场工况有比较严格的要求，因而现场应用较少。转角型测量方法因易于实现非接触测量，可以适应严苛的环境并实现长期可靠工作，因而在长轴系扭矩测量中具有突出优势。
基于相位差测量原理是转角型扭矩传感器实现扭矩测量的基本方法，即通过比较同一转轴上不同位置传感器所输出脉冲信号的相位差，结合转轴材料的扭转刚度系数来间接测量施加在转轴上的扭矩载荷。传统的这种测量方法必须在轴系旋转起来后才能进行扭矩测量，不能测试静态载荷。但在实际应用中一些特殊的场合，如舰船螺旋桨主轴、水下航行器等，转轴一旦转动即带上负载，不存在扭矩为零的初始状态，这就给扭矩测量系统的现场安装和调校带来很大不便，限制了这种测量方法的实际工程应用。
另外，由于实际情况中转轴扭矩变形引起的脉冲信号相位差极其微小，机械安装时的初始相位差往往远大于载荷引起的相位差变化，而且难以进行精确控制，这就给扭矩测量系统的现场安装和调校带来很大不便，限制了这种测量方法的实际工程应用。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于转轴相位差的扭矩检测装置、方法以及系统。
根据本发明提供的基于转轴相位差的扭矩检测装置，包含被测轴、激光测头以及色标带；多个色标带包含第一色标带与第二色标带，第一色标带与第二色标带沿被测轴轴向方向相对布置；
多个激光测头包含第一激光测头与第二激光测头；所述激光测头与色标带一一对应，激光测头发射的光斑到达对应的色标带上；
色标带上设置有条纹，多个条纹包含第一条纹与第二条纹，第一条纹与第二条纹在反射率上存在不同；第一条纹与第二条纹沿被测轴周向方向轮流布置。
优选地，所述第一条纹为黑色条纹，第二条纹为白色条纹；
沿被测轴周向方向，黑色条纹与白色条纹的宽度相等，激光测头发射的光斑的直径大于条纹的宽度；
激光测头发射的光斑的直径小于色标带宽度。
本发明还提供了一种基于转轴相位差的扭矩检测方法，包含以下步骤：
信号输出步骤：多个激光测头根据被测轴的运动状态分别生成对应的模拟电压输出信号；
调理采集步骤：获取模拟电压输出信号，对多个模拟电压输出信号分别进行调理与采集，获得对应的运算电压信号；
相位差计算步骤：将多个运算电压信号中同一任一时刻的电压值分别比上运算电压信号幅值，分别取反正弦计算得到瞬时相位，对多个瞬时相位进行差分获得相位差。
优选地，信号输出步骤中：当被测轴转动时，所述模拟电压输出信号为正弦信号；当被测轴静止时，所述模拟电压输出信号为稳定电压值；
调理采集步骤中，采用多级滤波放大电路实现模拟电压输出信号低通滤波及放大，采用ARM芯片控制AD芯片对模拟电压输出信号进行同步采集和正弦化拟合处理。
优选地，第一激光测头、第二激光测头对应的运算电压信号分别形成第一路信号、第二路信号；
相位差计算步骤中，所述相位差包含工作位相位差与零位相位差
当被测轴转动时，获得工作位相位差
当被测轴静止时，获得零位相位差所述零位相位差通过以下公式计算获得：
式中：为零位相位差；第一路信号初始相位；为第二路信号初始相位；Ua为被测轴静止时第一路信号初始电压值；A为被测轴转动时第一路信号与第二路信号的电压值幅值；Ub为被测轴静止时第二路信号初始电压值。
优选地，还包含扭矩计算步骤：根据公式计算获得有效相位差根据有效相位差计算被测轴上的扭矩。
本发明还提供了一种基于转轴相位差的扭矩检测系统，包含以下模块：
信号输出模块：多个激光测头根据被测轴的运动状态分别生成对应的模拟电压输出信号；
调理采集模块：获取模拟电压输出信号，对多个模拟电压输出信号分别进行调理与采集，获得对应的运算电压信号；
相位差计算模块：将多个运算电压信号中同一任一时刻的电压值分别比上运算电压信号幅值，分别取反正弦计算得到瞬时相位，对多个瞬时相位进行差分获得相位差。
优选地，信号输出模块中：当被测轴转动时，所述模拟电压输出信号为正弦信号；当被测轴静止时，所述模拟电压输出信号为稳定电压值；
调理采集模块中，采用多级滤波放大电路实现模拟电压输出信号低通滤波及放大，采用ARM芯片控制AD芯片对模拟电压输出信号进行同步采集和正弦化拟合处理。
优选地，第一激光测头、第二激光测头对应的运算电压信号分别形成第一路信号、第二路信号；
相位差计算模块中，所述相位差包含工作位相位差与零位相位差
当被测轴转动时，获得工作位相位差
当被测轴静止时，获得零位相位差所述零位相位差通过以下公式计算获得：
式中：为零位相位差；第一路信号初始相位；为第二路信号初始相位；Ua为被测轴静止时第一路信号初始电压值；A为被测轴转动时第一路信号与第二路信号的电压值幅值；Ub为被测轴静止时第二路信号初始电压值。
优选地，还包含扭矩计算模块：根据公式计算获得有效相位差根据有效相位差计算被测轴上的扭矩。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明采用基于相位差测量的转轴扭矩测量中的零位识别与处理方法，克服了以往基于脉冲信号测量中无法在静态条件下进行零位校正的困难。
2、本发明不需要转轴转动，就可以准确识别其零位，从而大大降低了该技术在现场使用中的调校要求。
3、本发明可以提高基于相位差测量原理的转轴扭矩测量的便利性和测量精度，拓宽应用场合。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明提供的基于转轴相位差的扭矩检测方法流程图；
图2为现有技术中基于转轴相位差的扭矩检测方法流程图；
图3为本发明提供的基于转轴相位差的扭矩检测装置结构示意图；
图4为本发明中信号调整数据采集存储电路结构图；
图5为本发明中两路正弦信号的波形示意图。
图中示出：被测轴1；激光测头2；色标带3。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。
在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
如图3所示，基于转轴相位差的扭矩检测装置包含被测轴、激光测头以及色标带；多个色标带包含第一色标带与第二色标带，第一色标带与第二色标带沿被测轴轴向方向相对布置，多个激光测头包含第一激光测头与第二激光测头，所述激光测头与色标带一一对应，激光测头发射的光斑到达对应的色标带上，色标带上设置有条纹，多个条纹包含第一条纹与第二条纹，第一条纹与第二条纹在反射率上存在不同；第一条纹与第二条纹沿被测轴周向方向轮流布置。
实施例中，所述第一条纹为黑色条纹，第二条纹为白色条纹，沿被测轴周向方向，黑色条纹与白色条纹的宽度相等，激光测头发射的光斑的直径大于条纹的宽度，激光测头发射的光斑的直径小于色标带宽度。实际使用过程中，多个激光测头采用相同的型号，且多个激光测头到被测轴的距离相等；另外，色标带的宽度比光斑的直径大15～20％，光斑对准色标带沿宽度方向的中心。
本发明还提供了一种基于转轴相位差的扭矩检测系统，通过使用上述的基于转轴相位差的扭矩检测装置来进行扭矩的检测。所述基于转轴相位差的扭矩检测系统包含以下模块：信号输出模块：多个激光测头根据被测轴的运动状态分别生成对应的模拟电压输出信号；调理采集模块：获取模拟电压输出信号，对多个模拟电压输出信号分别进行调理与采集，获得对应的运算电压信号；相位差计算模块：将多个运算电压信号中同一任一时刻的电压值分别比上运算电压信号幅值，分别取反正弦计算得到瞬时相位，对多个瞬时相位进行差分获得相位差。
信号输出模块中：当被测轴转动时，所述模拟电压输出信号为正弦信号；当被测轴静止时，所述模拟电压输出信号为稳定电压值。调理采集模块中，采用多级滤波放大电路实现模拟电压输出信号低通滤波及放大，采用ARM芯片控制AD芯片对模拟电压输出信号进行同步采集和正弦化拟合处理。第一激光测头、第二激光测头对应的运算电压信号分别形成第一路信号、第二路信号，相位差计算模块中，所述相位差包含工作位相位差与零位相位差当被测轴转动时，获得工作位相位差当被测轴静止时，获得零位相位差所述零位相位差通过以下公式计算获得：
式中：为零位相位差；第一路信号初始相位；为第二路信号初始相位；Ua为被测轴静止时第一路信号初始电压值；A为被测轴转动时第一路信号与第二路信号的电压值幅值；Ub为被测轴静止时第二路信号初始电压值。
基于转轴相位差的扭矩检测系统还包含扭矩计算模块：根据公式计算获得有效相位差根据有效相位差计算被测轴上的扭矩。在实际使用中，根据被测轴的相关参数，例如弹性模量、轴径以及两个激光测头之间的距离等，可以通过对有效相位差乘以固定系数的计算方式直接获得被测轴上的扭矩。
相应地，本发明还提供了一种基于转轴相位差的扭矩检测方法，其特征在于，包含以下步骤：信号输出步骤：多个激光测头根据被测轴的运动状态分别生成对应的模拟电压输出信号；调理采集步骤：获取模拟电压输出信号，对多个模拟电压输出信号分别进行调理与采集，获得对应的运算电压信号；相位差计算步骤：将多个运算电压信号中同一任一时刻的电压值分别比上运算电压信号幅值，分别取反正弦计算得到瞬时相位，对多个瞬时相位进行差分获得相位差。
信号输出步骤中：当被测轴转动时，所述模拟电压输出信号为正弦信号；当被测轴静止时，所述模拟电压输出信号为稳定电压值。调理采集步骤中，采用多级滤波放大电路实现模拟电压输出信号低通滤波及放大，采用ARM芯片控制AD芯片对模拟电压输出信号进行同步采集和正弦化拟合处理。第一激光测头、第二激光测头对应的运算电压信号分别形成第一路信号、第二路信号；相位差计算步骤中，所述相位差包含工作位相位差与零位相位差当被测轴转动时，获得工作位相位差当被测轴静止时，获得零位相位差所述零位相位差通过以下公式计算获得：
式中：为零位相位差；第一路信号初始相位；为第二路信号初始相位；Ua为被测轴静止时第一路信号初始电压值；A为被测轴转动时第一路信号与第二路信号的电压值幅值；Ub为被测轴静止时第二路信号初始电压值。
本发明还提供的基于转轴相位差的扭矩检测方法还包含扭矩计算步骤：根据公式计算获得有效相位差根据有效相位差计算被测轴上的扭矩。
优选实施方式：如图1所示，本发明提供的基于转轴相位差的扭矩检测方法通过以下步骤实现：
步骤101、对准转轴反射色标带的反射式激光测头KV-NH11(基恩士公司)输出两路模拟电压信号，两路信号理论上为等幅同频的正弦信号。
被测转轴轴径为100mm，弹性模量G为26GPa，转轴两端距离为800mm。转轴两端粘贴的反射色标带完全相同，为黑白条纹间隔排列，且黑色与白色宽度相等，每条色标带有40组黑白条纹。采用的反射式激光测头各自垂直对向转轴一端的色标带，与转轴的距离相等，激光测头发射的光斑大小需调节到略大于色标带条纹宽度，当转轴转动时，激光测头输出连续正弦信号，电压在0～5V之间变化。
步骤102、激光测头输出的正弦信号输入到信号调理和数据采集处理电路；
用于采集激光测头输出信号的测量系统包括信号调理电路和数据采集处理部分，信号调理部分采用多级滤波放大电路实现信号低通滤波及放大，数据采集处理部分由ARM芯片STM32F103控制AD芯片AD7902进行同步采集和正弦化拟合处理，获得运算电压信号。
步骤103、将运算电压信号任意时刻电压值比上信号幅值，取反正弦，得到这一时刻运算电压信号的瞬时相位信号，之后再进行差分，得到工作位相位差
步骤104、在转轴没有转动时，激光测头输出稳定的电压值，即为信号的零位，求出此时两路信号的瞬时相位，即初始相位。
步骤105、对两路信号的初始相位进行差分处理得到相位差零位值，即零位相位差公式如下：
本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统、装置及其各个模块以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统、装置及其各个模块以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同程序。所以，本发明提供的系统、装置及其各个模块可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种程序的模块也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的模块视为既可以是实现方法的软件程序又可以是硬件部件内的结构。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种基于转轴相位差的扭矩检测装置，其特征在于，包含被测轴、激光测头以及色标带；多个色标带包含第一色标带与第二色标带，第一色标带与第二色标带沿被测轴轴向方向相对布置；
多个激光测头包含第一激光测头与第二激光测头；所述激光测头与色标带一一对应，激光测头发射的光斑到达对应的色标带上；
色标带上设置有条纹，多个条纹包含第一条纹与第二条纹，第一条纹与第二条纹在反射率上存在不同；第一条纹与第二条纹沿被测轴周向方向轮流布置。
2.根据权利要求1所述的基于转轴相位差的扭矩检测装置，其特征在于，所述第一条纹为黑色条纹，第二条纹为白色条纹；
沿被测轴周向方向，黑色条纹与白色条纹的宽度相等，激光测头发射的光斑的直径大于条纹的宽度；
激光测头发射的光斑的直径小于色标带宽度。
3.一种基于转轴相位差的扭矩检测方法，其特征在于，包含以下步骤：
信号输出步骤：多个激光测头根据被测轴的运动状态分别生成对应的模拟电压输出信号；
调理采集步骤：获取模拟电压输出信号，对多个模拟电压输出信号分别进行调理与采集，获得对应的运算电压信号；
相位差计算步骤：将多个运算电压信号中同一任一时刻的电压值分别比上运算电压信号幅值，分别取反正弦计算得到瞬时相位，对多个瞬时相位进行差分获得相位差。
4.根据权利要求3所述的基于转轴相位差的扭矩检测方法，其特征在于，信号输出步骤中：当被测轴转动时，所述模拟电压输出信号为正弦信号；当被测轴静止时，所述模拟电压输出信号为稳定电压值；
调理采集步骤中，采用多级滤波放大电路实现模拟电压输出信号低通滤波及放大，采用ARM芯片控制AD芯片对模拟电压输出信号进行同步采集和正弦化拟合处理。
5.根据权利要求4所述的基于转轴相位差的扭矩检测方法，其特征在于，第一激光测头、第二激光测头对应的运算电压信号分别形成第一路信号、第二路信号；
相位差计算步骤中，所述相位差包含工作位相位差与零位相位差
当被测轴转动时，获得工作位相位差
当被测轴静止时，获得零位相位差所述零位相位差通过以下公式计算获得：
式中：为零位相位差；第一路信号初始相位；为第二路信号初始相位；Ua为被测轴静止时第一路信号初始电压值；A为被测轴转动时第一路信号与第二路信号的电压值幅值；Ub为被测轴静止时第二路信号初始电压值。
6.根据权利要求5所述的基于转轴相位差的扭矩检测方法，其特征在于，还包含扭矩计算步骤：根据公式计算获得有效相位差根据有效相位差计算被测轴上的扭矩。
7.一种基于转轴相位差的扭矩检测系统，其特征在于，包含以下模块：
信号输出模块：多个激光测头根据被测轴的运动状态分别生成对应的模拟电压输出信号；
调理采集模块：获取模拟电压输出信号，对多个模拟电压输出信号分别进行调理与采集，获得对应的运算电压信号；
相位差计算模块：将多个运算电压信号中同一任一时刻的电压值分别比上运算电压信号幅值，分别取反正弦计算得到瞬时相位，对多个瞬时相位进行差分获得相位差。
8.根据权利要求7所述的基于转轴相位差的扭矩检测系统，其特征在于，信号输出模块中：当被测轴转动时，所述模拟电压输出信号为正弦信号；当被测轴静止时，所述模拟电压输出信号为稳定电压值；
调理采集模块中，采用多级滤波放大电路实现模拟电压输出信号低通滤波及放大，采用ARM芯片控制AD芯片对模拟电压输出信号进行同步采集和正弦化拟合处理。
9.根据权利要求8所述的基于转轴相位差的扭矩检测系统，其特征在于，第一激光测头、第二激光测头对应的运算电压信号分别形成第一路信号、第二路信号；
相位差计算模块中，所述相位差包含工作位相位差与零位相位差
当被测轴转动时，获得工作位相位差
当被测轴静止时，获得零位相位差所述零位相位差通过以下公式计算获得：
式中：为零位相位差；第一路信号初始相位；为第二路信号初始相位；Ua为被测轴静止时第一路信号初始电压值；A为被测轴转动时第一路信号与第二路信号的电压值幅值；Ub为被测轴静止时第二路信号初始电压值。
10.根据权利要求9所述的基于转轴相位差的扭矩检测系统，其特征在于，还包含扭矩计算模块：根据公式计算获得有效相位差根据有效相位差计算被测轴上的扭矩。
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