CN109238537B - 旋转扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种旋转扭矩传感器，属于扭矩测量技术领域。旋转扭矩传感器中：弹性轴的一端从第一铁芯的内套筒中空穿过；第二铁芯呈中空筒状，第一铁芯内套筒伸入第二铁芯中空内且第二铁芯远离测量电桥的侧壁抵持外套筒；第一铁芯的外套筒、内套筒、连接部形成凹槽；第一转子位于测量电桥、第一铁芯之间且连接于弹性轴，第一转子背离测量电桥向外突伸穿过外套筒与第二铁芯之间，并且延伸至该凹槽内；第一转子线圈缠绕于第一转子延伸至该凹槽内的部分，第一转子线圈穿过第一定子线圈的中空，第一定子线圈贴设于该凹槽内外套筒的侧壁；第一定子线圈与电源电连接，第一转子线圈与测量电桥的电源输入端电连接；解决了扭矩传感器使用寿命短的问题。

Description

旋转扭矩传感器

技术领域

本发明涉及扭矩测量技术领域，特别涉及一种旋转扭矩传感器。

背景技术

对很多旋转机械来说，能否对其动态转矩和静态转矩进行准确、方便、及时、可靠的测量，直接影响到动力机械的实时状态、运动规律的分析和研究。此外，转矩的测量还关系到设计理论的发展以及旋转机械性能的研究和提高。同时，转矩测试装置可以防止旋转机械转矩过大，起到转矩监测和自动控制的作用。例如当一款轨道牵引装置制造出来后，通常通过测试其转矩来进行性能的检测。因此，用于测量转矩的传感器、仪器和装置已经成为工厂、研究所对旋转机械进行研究和开发不可或缺的测试工具。

目前的旋转扭矩传感器通常为滑环式扭矩传感器，其工作过程中电刷与滑环之间的高速运转造成了电刷、滑环的距离磨损，导致旋转扭矩传感器的使用寿命时间短。

发明内容

为了解决现有技术中旋转扭矩传感器的使用寿命时间短的问题，本发明实施例提供了一种旋转扭矩传感器。所述技术方案如下：

第一方面，提供了一种旋转扭矩传感器，包括外壳组件、两端通过轴承转动连接在外壳组件内的弹性轴、所述弹性轴上设置有多个应变片组成测量电桥，所述外壳组件内设置有第一铁芯、第二铁芯、第一定子线圈、第一转子线圈以及第一转子，其中：

所述第一铁芯包括第一内套筒、第一外套筒以及第一连接部，所述弹性轴的一端从所述第一内套筒的中空穿过；所述第二铁芯呈中空筒状，所述第一铁芯的第一内套筒伸入所述第二铁芯的中空内且所述第二铁芯远离所述测量电桥的侧壁抵持所述第一外套筒；

所述第一外套筒、所述第一内套筒以及所述第一连接部形成第一凹槽；

所述第一转子位于所述测量电桥、所述第一铁芯之间且连接于所述弹性轴，所述第一转子背离所述测量电桥沿所述弹性轴向外突伸穿过所述第一外套筒与所述第二铁芯之间，并且延伸至所述第一凹槽内；

所述第一转子线圈缠绕于所述第一转子延伸至所述第一凹槽内的部分，所述第一转子线圈穿过所述第一定子线圈的中空，所述第一定子线圈贴设于所述第一凹槽内所述第一外套筒的侧壁上；

所述第一定子线圈与电源电连接，所述电源用于向所述第一定子线圈供电；所述第一转子线圈与所述测量电桥的电源输入端电连接，所述第一转子线圈用于向所述测量电桥供电。

可选的，所述外壳组件内还包括第三铁芯、第四铁芯、第二定子线圈、第二转子线圈以及第二转子，其中：

所述第三铁芯包括第二内套筒、第二外套筒以及第二连接部，所述弹性轴的一端从所述第二内套筒的中空穿过；所述第四铁芯呈中空筒状，所述第三铁芯的第二内套筒伸入所述第四铁芯的中空内且所述第四铁芯远离所述测量电桥的侧壁抵持所述第二外套筒；

所述第二外套筒、所述第二内套筒以及所述第二连接部形成第二凹槽；

所述第二转子位于所述测量电桥、所述第三铁芯之间且连接于所述弹性轴，所述第二转子、所述第一转子分设于所述测量电桥的两侧；

所述第二转子背离所述测量电桥沿所述弹性轴向外突伸穿过所述第二外套筒与所述第四铁芯之间，并且延伸至所述第二凹槽内；

所述第二转子线圈缠绕于所述第二转子延伸至所述第二凹槽内的部分，所述第二转子线圈穿过所述第二定子线圈的中空，所述第二定子线圈贴设于所述第二凹槽内所述第二外套筒的侧壁上；

所述第二定子线圈的两端为所述旋转扭矩传感器的信号输出端，所述第二定子线圈的电压用于指示扭矩。

可选的，所述测量电桥为惠斯顿电桥。

可选的，所述弹性轴包括第三连接部、第四连接部以及多个安装支架，其中：

所述第三连接部的中心轴与所述第四连接部的中心轴同轴，每个所述安装支架的一端固定于所述第三连接部且另一端固定于所述第四连接部；

所述第三连接部远离所述第四连接部的端面中心沿所述中心轴向外凸伸形成所述旋转扭矩传感器的输出轴；

所述第四连接部远离所述第三连接部的端面中心沿所述中心轴向外凸伸形成所述旋转扭矩传感器的输入轴，所述输入轴用于与待测扭矩设备的输出轴相连接；

每个所述安装支架上贴设于至少一个应变片。

可选的，每个所述安装支架呈板状，每个所述安装支架的两个板面分别贴设有一个应变片。

可选的，还包括齿轮以及设置于所述齿轮一侧的感应探头，所述齿轮固定于所述第三连接部或所述第四连接部的外周，所述齿轮与所述第一连接部的中心轴同轴，所述感应探头输出的脉冲信号用于指示与所述旋转扭矩传感器相连接的待测扭矩设备的转速。

可选的，所述外壳组件的中部直径大于所述外壳组件两端的直径，所述外壳组件的中部用于容纳第三连接部、所述第四连接部以及所述测量电桥，所述外壳组件的一端用于容纳所述第一铁芯以及第二铁芯，所述外壳组件的另一端用于容纳所述第三铁芯、所述第四铁芯。

可选的，还包括所述外壳组件上设置有PCB安装槽，所述外壳组件内设置有连通所述安装槽、所述第一定子线圈安装位置的过线孔。

本申请提供的旋转扭矩传感器，利用第一定子线圈、第一转子线圈采用了非接触式的方式向检测电桥供电，解决了相关技术中滑环式扭矩传感器使用寿命时间短的问题，达到了提高旋转扭矩传感器的使用寿命的效果。

另外，本申请中旋转扭矩传感器对系统负载小，更适合测量微小扭矩。

另外，本申请采用特殊的铁芯组件设计，不但能够降低旋转扭矩传感器的消耗功率，还能提高旋转扭矩传感器信号传输的效率。

另外，本申请提供的旋转扭矩传感器还集成有转速测量部件，可以同时进行转速测量，实现多参数同步测量，优化测量系统配置。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明一个实施例中提供的旋转扭矩传感器内的部分电路示意图；

图2是本发明一个实施例中提供的一种弹性轴的结构示意图；

图3是本发明一个实施例中提供的一种旋转扭矩传感器内部分结构的示意图；

图4是本发明一个实施例中提供的另一种弹性轴的结构示意图；

图5是本发明一个实施例中提供的旋转扭矩传感器的剖视图；

图6是本发明一个实施例中提供的第一铁芯的结构示意图。

其中，附图标记如下：

10、外壳组件，20、弹性轴，21、轴承，22、应变片，23、第一铁芯，24、第二铁芯，25、第一转子，231、第一内套筒，232、第一外套筒，233、第一连接部，26、第三连接部，27、第四连接部，28、安装支架，31、第三铁芯，32、第四铁芯。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本发明相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本发明的一些方面相一致的装置和方法的例子。

为便于理解本申请提供的旋转扭矩传感器，先对本申请中旋转扭矩传感器的工作原理进行说明。如图1所示，该旋转扭矩传感器中包括测量电桥40、第一定子线圈、第一转子线圈、第二定子线圈、第二转子线圈。第一定子线圈与电源电连接从电源处获取电能，第一转子线圈与测量电桥40的电源输入端相连接以给测量电桥40提供电能。

测量电桥40由多个应变片22组成且被安装在弹力轴上，弹力轴用于与待测扭矩设备的输出轴相连接以与该输出轴同步转动，输出轴带动弹力轴转动过程中其上应变片22受扭矩影响发生形变导致阻值发生变化，测量电桥40的输出端的电压能够用于指示待测设备的输出轴的扭矩但不易检测。

本申请中，第二转子线圈与弹力轴同步转动，第二定子线圈固定于旋转扭矩传感器的内部，第二转子线圈与测量电桥40的输出端相连接，第二定子线圈的电压易检测，本申请中利用第二定子线圈的电压确定待测设备的输出轴的扭矩。

可选的，测量电桥为惠斯顿电桥。

可选的，请结合图2，图2是本申请一个实施例中提供的一种弹性轴20的结构示意图。如图2所示，弹性轴20包括第三连接部26、第四连接部27以及多个安装支架28，其中：第三连接部26的中心轴与第四连接部27的中心轴同轴，每个安装支架28的一端固定于第三连接部26且另一端固定于第四连接部27；第三连接部26远离第四连接部27的端面中心沿中心轴向外凸伸形成旋转扭矩传感器的输出轴；第四连接部27远离第三连接部26的端面中心沿中心轴向外凸伸形成旋转扭矩传感器的输入轴，输入轴用于与待测扭矩设备的输出轴相连接。请同时参阅图3，每个安装支架28上贴设于至少一个应变片22。弹性轴20上的多个应变片22组成测量电桥。

可选的，如图3所示，弹性轴包括4个安装支架。可选的，每个安装支架上贴设有一个应变片22。可选的，每个安装支架28呈板状，每个安装支架28的两个板面分别贴设有一个应变片22。这八个应变片22组成测量电桥的方式可以为：请参考图3，该弹性轴包括安装支架221、安装支架222、安装支架223以及安装支架224，安装支架221的第一板面与安装支架222的第二板面相对，安装支架222的第一板面与安装支架223的第二板面相对，安装支架223的第一板面与安装支架224的第二板面相对，安装支架224的第一板面与安装支架221的第二板面相对，其中：安装支架221的第一板面上的应变片与安装支架223的第二板面上应变片串联组成如图1所示的桥臂2，安装支架222的第一板面上的应变片与安装支架224的第二板面上应变片串联组成如图1所示的桥臂4，安装支架222的第二板面上的应变片与安装支架224的第一板面上应变片串联组成如图1所示的桥臂3，安装支架221的第二板面上的应变片与安装支架223的第一板面上应变片串联组成如图1所示的桥臂1。

在实际实现，该四个安装架位于一个虚拟长方体的四个侧边上，其该虚拟长方体的中心轴与弹性轴的中心轴同轴。

再举例来讲，如图4所示，弹性轴包括2个安装支架，分别为安装支架225和安装支架226，每个安装支架呈板状，每个安装支架的两个板面分别贴设有一个应变片22。这4个应变片22组成测量电桥的方式可以为：请参考图4，安装支架225上第一板面上应变片作为如图1所示的桥臂4，安装支架225上第二板面上应变片作为如图1所示的桥臂2，安装支架226上第一板面上应变片作为如图1所示的桥臂4，安装支架225上第一板面上应变片作为如图1所示的桥臂1，安装支架225上第二板面上应变片作为如图1所示的桥臂1，其中安装支架225上第一板面与安装支架226的第二板面相邻。

，应变片22可以作为如图1所示的桥臂3，应变片22背面的应变片22可以作为如图1所示的桥臂1，应变片22背面的应变片22可以作为如图1所示的桥臂2。

请结合图5，图5是本申请一个实施例中提供的旋转扭矩传感器的示意图。如图5所示，该旋转扭矩传感器包括外壳组件10、两端通过轴承21转动连接在外壳组件10内的弹性轴20、弹性轴20上设置有多个应变片22组成测量电桥，外壳组件10内设置有第一铁芯23、第二铁芯24、第一定子线圈(图中未示出)、第一转子线圈(图中未示出)以及第一转子，其中：

如图6所示，第一铁芯23包括第一内套筒231、第一外套筒232以及第一连接部233，第一连接部233连接于第一内套筒231的一端与第一外套筒232的一端之间，第一外套筒232、第一内套筒231以及第一连接部233形成第一凹槽。

如图5所示，弹性轴20的一端从第一内套筒231的中空穿过；第二铁芯24呈中空筒状，第一铁芯23的第一内套筒231伸入第二铁芯24的中空内且第二铁芯24远离测量电桥的侧壁抵持第一外套筒232；

测量电桥设置于弹性轴20的中部，第一转子位于测量电桥、第一铁芯23之间且连接于弹性轴20，第一转子背离测量电桥沿弹性轴20向外突伸穿过第一外套筒232与第二铁芯24之间，并且延伸至第一凹槽内；第一转子线圈缠绕于第一转子延伸至第一凹槽内的部分，第一转子线圈穿过第一定子线圈的中空，第一定子线圈贴设于第一凹槽内第一外套筒232的侧壁上；其中，第一转子、第一铁芯23以及第二铁芯24组成了一个密闭的空间，第一转子线圈以及第一定子线圈均设置于该密闭空间内，提高了信号/噪声的抗扰度以及转换效率。并且，通过在该密闭空间内设置了分离式的铁芯(也即，第一铁芯23、第二铁芯24)提高了信号/噪声的抗扰度。

第一定子线圈与电源电连接，电源用于向第一定子线圈供电；第一转子线圈与测量电桥的电源输入端电连接，第一转子线圈用于向测量电桥供电。

需要说明的是：一般来讲，第一转子线圈、第一定子线圈之间的间隙不超过1mm。

本申请中，旋转扭矩传感器采用了非接触式的方式向检测电桥供电，解决了相关技术中滑环式扭矩传感器使用寿命时间短的问题，达到了提高旋转扭矩传感器的使用寿命的效果。

可选的，外壳组件10内还包括第三铁芯31、第四铁芯32、第二定子线圈、第二转子线圈以及第二转子，其中：第三铁芯31的结构与第一铁芯23的结构相同或相似，第四铁芯32的结构与第二铁芯24的结构相同或相似，第二转子的结构与第一转子的结构相同或相似，第三铁芯31、第四铁芯32、第二定子线圈、第二转子线圈以及第二转子之间的位置关系、连接方式与第一铁芯23、第二铁芯24、第一定子线圈、第一转子线圈以及第一转子之间的位置关系、连接方式相同或相似。

其中，第二转子、第三铁芯31、第四铁芯32组成了一个密闭的空间，第二转子线圈以及第二定子线圈均设置于该密闭空间内，提高了信号/噪声的抗扰度。并且，通过在该密闭空间内设置了分离式的铁芯(也即，第三铁芯31、第四铁芯32)提高了信号/噪声的抗扰度。

具体的，第三铁芯31包括第二内套筒、第二外套筒以及第二连接部，弹性轴20的一端从第二内套筒的中空穿过；第四铁芯32呈中空筒状，第三铁芯31的第二内套筒伸入第四铁芯32的中空内且第四铁芯32远离测量电桥的侧壁抵持第二外套筒；第二外套筒、第二内套筒以及第二连接部形成第二凹槽；第二转子位于测量电桥、第三铁芯31之间且连接于弹性轴20，第二转子、第一转子分设于测量电桥的两侧；第二转子背离测量电桥沿弹性轴20向外突伸穿过第二外套筒与第四铁芯32之间，并且延伸至第二凹槽内；第二转子线圈缠绕于第二转子延伸至第二凹槽内的部分，第二转子线圈穿过第二定子线圈的中空，第二定子线圈贴设于第二凹槽内第二外套筒的侧壁上；第二定子线圈的两端为旋转扭矩传感器的信号输出端，第二定子线圈的电压用于指示扭矩。

本申请中，旋转扭矩传感器采用了非接触式的方式传递用于指示扭矩的信号，可以动态测量和静态测量，为客户带来了极大的方便。克服了传统相位差扭矩传感器低速测量的不便和体积的笨重，碳刷接触式扭矩传感器不能长时间工作的缺点。

可选的，该旋转扭矩传感器还包括齿轮以及设置于齿轮一侧的感应探头(例如，设置在齿轮上方)，齿轮固定于第三连接部26或第四连接部27的外周，齿轮与第一连接部233的中心轴同轴，感应探头固定在外壳组件内。感应探头输出的脉冲信号用于指示与旋转扭矩传感器相连接的待测扭矩设备的转速。其中，感应探头可以为霍尔探头，可以为光电探头，本实施例对此不作具体限定。

可选的，外壳组件10的中部直径大于外壳组件10两端的直径，外壳组件10的中部用于容纳第三连接部26、第四连接部27以及测量电桥，外壳组件10的一端用于容纳第一铁芯23以及第二铁芯24，外壳组件10的另一端用于容纳第三铁芯31、第四铁芯32。

可选的，该旋转扭矩传感器还包括外壳组件10上设置有PCB安装槽，外壳组件10内设置有连通安装槽、第一定子线圈安装位置的过线孔41。可选的，外壳组件10内设置有连通安装槽、第二定子线圈安装位置的过线孔41。

可选的，该旋转扭矩传感器还包括底座42，该外壳组件固定于该底座42上。

另外，本申请中旋转扭矩传感器对系统负载小，更适合测量微小扭矩。

另外，本申请采用特殊的铁芯组件设计，不但能够降低旋转扭矩传感器的消耗功率，还能提高旋转扭矩传感器信号传输的效率。

另外，本申请提供的旋转扭矩传感器还集成有转速测量部件，可以同时进行转速测量，实现多参数同步测量，优化测量系统配置。

另外，本申请提供的动态传感器测量出的用于指示扭矩的信号以及用于指示转速的信号均不受待测扭矩设备的输出轴的转向无关，可以双向测量，不需反复调整零位即可连续测量正反向的扭矩信号。

术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或隐含所指示的技术特征的数量。由此，限定的“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例的全部或部分步骤可以通过硬件来完成，也可以通过程序来指令相关的硬件完成，所述的程序可以存储于一种计算机可读存储介质中，上述提到的存储介质可以是只读存储器，磁盘或光盘等。

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 (6)

1.一种旋转扭矩传感器，其特征在于，包括外壳组件（10）、两端通过轴承（21）转动连接在外壳组件（10）内的弹性轴（20）、所述弹性轴（20）上设置有多个应变片（22）组成测量电桥，所述外壳组件（10）内设置有第一铁芯（23）、第二铁芯（24）、第一定子线圈、第一转子（25）线圈以及第一转子（25），其中：

所述第一铁芯（23）包括第一内套筒（231）、第一外套筒（232）以及第一连接部（233），所述弹性轴（20）的一端从所述第一内套筒（231）的中空穿过；所述第二铁芯（24）呈中空筒状，所述第一铁芯（23）的第一内套筒（231）伸入所述第二铁芯（24）的中空内且所述第二铁芯（24）远离所述测量电桥的侧壁抵持所述第一外套筒（232）；

所述第一外套筒（232）、所述第一内套筒（231）以及所述第一连接部（233）形成第一凹槽；

所述第一转子（25）位于所述测量电桥、所述第一铁芯（23）之间且连接于所述弹性轴（20），所述第一转子（25）背离所述测量电桥沿所述弹性轴（20）向外突伸穿过所述第一外套筒（232）与所述第二铁芯（24）之间，并且延伸至所述第一凹槽内；

所述第一转子（25）线圈缠绕于所述第一转子（25）延伸至所述第一凹槽内的部分，所述第一转子（25）线圈穿过所述第一定子线圈的中空，所述第一定子线圈贴设于所述第一凹槽内所述第一外套筒（232）的侧壁上；

所述第一定子线圈与电源电连接，所述电源用于向所述第一定子线圈供电；所述第一转子（25）线圈与所述测量电桥的电源输入端电连接，所述第一转子（25）线圈用于向所述测量电桥供电；

外壳组件（10）内还包括第三铁芯（31）、第四铁芯（32）、第二定子线圈、第二转子线圈以及第二转子，其中：

所述第三铁芯（31）包括第二内套筒、第二外套筒以及第二连接部，所述弹性轴（20）的一端从所述第二内套筒的中空穿过；所述第四铁芯（32）呈中空筒状，所述第三铁芯（31）的第二内套筒伸入所述第四铁芯（32）的中空内且所述第四铁芯（32）远离所述测量电桥的侧壁抵持所述第二外套筒；

所述第二外套筒、所述第二内套筒以及所述第二连接部形成第二凹槽；

所述第二转子位于所述测量电桥、所述第三铁芯（31）之间且连接于所述弹性轴（20），所述第二转子、所述第一转子（25）分设于所述测量电桥的两侧；

所述第二转子背离所述测量电桥沿所述弹性轴（20）向外突伸穿过所述第二外套筒与所述第四铁芯（32）之间，并且延伸至所述第二凹槽内；

所述第二转子线圈缠绕于所述第二转子延伸至所述第二凹槽内的部分，所述第二转子线圈穿过所述第二定子线圈的中空，所述第二定子线圈贴设于所述第二凹槽内所述第二外套筒的侧壁上；

所述第二定子线圈的两端为所述旋转扭矩传感器的信号输出端，所述第二定子线圈的电压用于指示扭矩；

所述弹性轴（20）包括第三连接部（26）、第四连接部（27）以及多个安装支架，其中：

所述第三连接部（26）的中心轴与所述第四连接部（27）的中心轴同轴，每个所述安装支架的一端固定于所述第三连接部（26）且另一端固定于所述第四连接部（27）；

所述第三连接部（26）远离所述第四连接部（27）的端面中心沿所述中心轴向外凸伸形成所述旋转扭矩传感器的输出轴；

所述第四连接部（27）远离所述第三连接部（26）的端面中心沿所述中心轴向外凸伸形成所述旋转扭矩传感器的输入轴，所述输入轴用于与待测扭矩设备的输出轴相连接；

每个所述安装支架上贴设于至少一个应变片（22）。

2.根据权利要求1所述的旋转扭矩传感器，其特征在于，所述测量电桥为惠斯顿电桥。

3.根据权利要求1所述的旋转扭矩传感器，其特征在于，每个所述安装支架呈板状，每个所述安装支架的两个板面分别贴设有一个应变片（22）。

4.根据权利要求1所述的旋转扭矩传感器，其特征在于，还包括齿轮以及设置于所述齿轮一侧的感应探头，所述齿轮固定于所述第三连接部（26）或所述第四连接部（27）的外周，所述齿轮与所述第一连接部（233）的中心轴同轴，所述感应探头输出的脉冲信号用于指示与所述旋转扭矩传感器相连接的待测扭矩设备的转速。

5.根据权利要求1所述的旋转扭矩传感器，其特征在于，所述外壳组件（10）的中部直径大于所述外壳组件（10）两端的直径，所述外壳组件（10）的中部用于容纳第三连接部（26）、所述第四连接部（27）以及所述测量电桥，所述外壳组件（10）的一端用于容纳所述第一铁芯（23）以及第二铁芯（24），所述外壳组件（10）的另一端用于容纳第三铁芯（31）、第四铁芯（32）。

6.根据权利要求1所述的旋转扭矩传感器，其特征在于，还包括所述外壳组件（10）上设置有PCB安装槽，所述外壳组件（10）内设置有连通所述安装槽、所述第一定子线圈安装位置的过线孔。