CN109307529A - 一种非接触式立式扭矩角度转速传感器 - Google Patents

Abstract

一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，属于工业生产中电机控制检测技术领域。本发明解决了单一的立式电磁感应测角度和转速的困难，降低了磁漏、解决了电磁干涉的问题。传感器包括磁珠齿轭轴承部分，其包括分布均匀的磁珠和齿轭转子组成的轴承座；第一柔性电路板部分，其形状为“工”字型，下端固定在磁珠齿轭轴承上，上端固定集电环上，包括扭矩接收线圈、激励线圈、处理电路；第二柔性电路板粘贴于扭杆上，包括角度接收线圈和转速接收线圈。本传感器通过电磁感应原理，实现了扭矩、角度和转速的测量，稳定性好，测量精度高。

Description

一种非接触式立式扭矩角度转速传感器

技术领域

本发明设计一种工业生产中电机控制检测技术领域，具体涉及一种非接触式立式扭矩角度转速传感器及其机械结构。

背景技术

扭矩测量是研究大型机械传动系统在各种载荷和工作环境下动态特性的关键方法，受到越来越多专家与工程技术人员的高度重视。它的扭矩测量关乎着相关产品的质量与寿命，转速和角度的测量对系统的误差分析和动态响应有重要作用。因此扭矩、角度、转速的测量在工业生产中具有非常重要的意义。现行的技术通常使用不同的传感器分别测量扭矩、角度、转速，其安装难度大，机械结构复杂，相互通信繁琐。

电磁感应传感器是一种基于电磁感应技术的一种传感器。角度和转速的测量原理可用同一原理，测量方式可分为接触式和非接触式，非接触式具有噪音小、难磨损等优点，逐步取代了接触式电磁感应传感器。

传统的电磁感应式传感器通过印刷电路板上布设多组线圈，在电路板两侧设置平面转子，利用电磁感应和涡流效应等原理实现通过线圈的感应电流的变化测量。由于体积的限制，线圈的布局有限制，不能完全适应各种场合的安装。并且重复平面布线会使磁场产生重叠，影响测量精度。

传统扭矩角度传感器通常在扭杆中间部位进行测量，此测量方法有一定的局限性，且源于扭杆本身的输入端与输出端之间形变误差无法避免。

因此亟待一种新型的非接触式电磁感应传感器，改变整体结构，减少电磁干涉产生的误差，降低扭杆输入端与输出端的形变误差，同时可以测量角度和转速。

发明内容

下文中给出了关于本发明的简要概述，以便提供关于本发明的某些方面的基本理解。应当理解，这个概述并不是关于本发明的穷举性概述。它并不是意图确定本发明的关键或重要部分，也不是意图限定本发明的范围。其目的仅仅是以简化的形式给出某些概念，以此作为稍后论述的更详细描述的前序。

鉴于此，根据本发明的一个方面，提供了一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，解决结构复杂、存在电磁干涉问题、输入轴输出轴之间的形变误差、功能单一等问题。本发明是一种环形嵌套在扭杆上，覆盖输入轴输出轴，结构简单，无电磁干涉，无须静电屏蔽，用于精确测量在扭杆上施加的扭矩和扭杆的旋转角度和转速。

本发明的技术方案如下：

一种立式环形扭矩角度转速传感器，该传感器由磁珠齿轭轴承部分、电路板部分、集电环部分和安装壳体部分组成；

所述磁珠齿轭轴承部分包括磁珠轴承和齿轭转子，磁珠轴承由一定数目的磁性钢球组成，磁性钢球的尺寸及磁特性相同。磁珠轴承内轮固定于扭杆上，随扭杆一起转动，带动齿轭转子转动，外轮外侧粘贴有柔性电路板；

所述电路板部分由柔性的电路板制成，分第一柔性电路板和第二柔性电路板，第一柔性电路板包括扭矩接收线圈、激励线圈和处理电路，第二柔性电路板包括角度接收线圈和转速接收线圈。第一柔性电路板下端嵌套在磁珠轴承外轮外侧，上端粘贴在集电环外侧。第二柔性电路板粘贴在扭杆上，其安装高度与激励线圈对应，且与激励线圈等宽，印有激励线圈部分的第一柔性电路板固定在传感器壳体内侧；

所述传感器集电环引脚与第二柔性电路板中的角度接收线圈和转速接收线圈连接，引出线与处理电路连接；

所述传感器壳体安装部分由左安装壳和右安装壳组成，电路部分通过螺丝固定于壳体内部，壳体下侧固定在磁珠轴承外侧，上侧固定在集电环外侧；

根据本发明的一个方面，磁珠齿轭轴承安装在扭杆的输入端，集电环安装在扭杆的输出端；

根据本发明的一个方面，所述磁珠齿轭轴承的齿轭转子与磁珠在同一轴心上，除磁珠和齿轭转子采用高导磁材料制作外，其余材料采用绝缘非导磁材料制作，齿轭与齿轭间的孔隙所占的圆周角度相同，齿轭转子的高度与接收线圈最外侧等高；

根据本发明的一个方面，扭矩接收线圈、激励线圈处理电路部分布置在第一柔性电路板中，柔性电路板成“工”字型，上短下长，短的一侧布置处理电路部分，长的一侧布置扭矩接收线圈部分，中间布置激励线圈，激励线圈为条形结构；

根据本发明的一个方面，贴附于扭杆上的第二柔性电路板布有角度接收线圈和转速接收线圈，柔性电路板随扭杆一起转动，角度线圈呈逐渐放大的齿状，且是均匀放大，最大齿高小于激励线圈高度；转速接收线圈为环形线圈，其上有一个齿状凸起；

根据本发明的一个方面，传感器的安装壳端部内侧设有柔性电路板安装位，并有开口与外部信号传输；

根据本发明的一个方面，接收线圈与齿轭转子有一定间隙，间隙0.5-1.2mm；

本发明的技术方案工作原理如下：

当本传感器用于工业生产中电机控制检测时，当旋转力矩作用在扭杆上，输入轴转动，旋转力矩通过扭杆传递给输出轴，由于负载上的反作用力，致使力矩在传递过程中扭杆发生形变，即输入轴和输出轴的旋转角度不同，固定在输入轴上的齿轭转子相对于磁珠齿轭轴承的外轮发生转动。扭杆旋转带动输入轴上的齿轭转子旋转，齿轭切割磁感线，扭矩接收线圈中会产生感应电压，利用芯片对电压信号处理，得到扭矩信号。

角度接收线圈的切割导线有效长度的不同，线圈切割磁场线产生不同大小的电压，不同大小的电压对应不同的角度，对电压信号进行处理，得到0°-360°测量范围的角度，以此方法测量角度。

扭杆旋转带动第二柔性电路板旋转，激励线圈作用，使转速接收线圈产生间断性的电压，扭杆旋转一圈，使产生一个电压信号，根据转速接收线圈电压产生的间隔得到一个时间T，把T的单位换算成秒，根据公式：n＝60/T得到转速。

本发明所达到的效果为：

本发明提供了一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，可选择性安装在扭杆的任意位置，可移动，用于测量扭杆上产生的扭矩、扭杆旋转角度、扭杆转速，多功能测量，一体化设计，测量精度高。可利用本传感器进行动态扭矩测量，同时进行转速测量；采用柔性电路板可降低安装难度；测量对象为整个扭杆，避免了扭杆转角不同产生的测量误差；安装操作方便；长时间工作稳定性好，可靠性好，寿命长。

附图说明

图1是本发明的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器的磁珠齿轭轴承结构示意图；

图2是本发明的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器的包括扭矩接收线圈、激励线圈和电路处理部分的第一柔性电路板图；

图3是包括角度接收线圈和转速接收线圈的第二柔性电路板示意图；

图4是传感器集电环示意图；

图5是传感器安装壳体示意图；

图6是传感器总成爆炸图。

图中：1-磁珠齿轭轴承，2-第一柔性电路板，3-第二柔性电路板，4-激励线圈，5-扭矩接收线圈，6-处理电路，7-轴承内轮，8-轴承外轮，9-磁珠，10-齿轭转子，11-右安装壳，12-左安装壳，13-固定连接安装孔，14-壳体开口，15-柔性电路板安装位，16-输入轴，17-输出轴，18-角度接收线圈，19-转速接收线圈，20-集电环，21-集电环引脚，22-集电环连接线。

具体实施方式

在下文中将结合附图对本发明的示范性实施例进行描述。为了清楚和简明起见，在说明书中并未描述实施方式的所有特征。然而应该了解，在开发任何这种实施例的过程中必须做出很多特定于实施方式的决定，以便实现开发人员的具体目标，例如，符合与系统及业务相关的那些限制条件，并且这些限制条件可能会随着实施方式的不同而又所改变。此外，还应该了解，虽然开发工作有可能是非常复杂和费时的，但对得益于本发明公开内容的本领域技术人员来说，这种开发工作仅仅是例行的任务。

在此，还需要说明的一点是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的装置结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。

本发明是一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其测量方法以及传感器的组成结构，下图结合附图说明该方法和结构的具体实施方式。

本发明传感器主要由磁珠齿轭轴承部分，柔性电路板部分，集电环部分，安装壳体部分组成。

所述磁珠齿轭轴承部分包括齿轭转子10，磁珠9，轴承内轮7，轴承外轮8。

所述柔性电路板部分包括第一柔性电路板2和第二柔性电路板3。

所述集电环部分包括集电环装置20和引脚21。

所述控制器部分包括处理电路，左安装壳12，右安装壳11。

如图1所示，本发明所述的磁珠齿轭轴承部分，磁珠齿轭轴承1固定在扭杆输入端16上，轴承内轮7上有两个螺丝孔，通过拧紧螺丝使轴承内轮随扭杆一起转动；轴承外轮上同样有螺丝孔，使外轮固定；磁珠9均匀分布在内外轮之间，根据齿轭与扭矩接收线圈的距离设计磁珠的直径；所述磁珠9数目与所述齿轭转子10数目相同，所述齿轭转子10均匀分布在轴承内轮上侧，形状为长方形或三角形；安装零点为所述齿轭转子10与所述磁珠9一一对应，且在同一中心线上；所述轴承外轮外侧有一凹槽，此为第一柔性电路板安装位；

如图2所示，本发明所述的第一柔性电路板部分，所述第一柔性电路板部分包括激励线圈4，扭矩接收线圈5，处理电路6；所述扭矩接收线圈5所在位置安装于所述磁珠齿轭轴承1的凹槽上；所述激励线圈4位置与所述扭矩接收线圈5距离20mm，所述接收线圈5与齿轭转子10等高，安装零点是所述激励线圈4与所述齿轭转子10中心线相同，所述第一柔性电路板2的激励线圈部分固定在安装壳12内侧；所述第一柔性电路板2的处理电路部分6固定于集电环20外侧，并有引线与集电环内部电路连接。

所述第一柔性电路板的扭矩接收线圈5呈折线形式，多个接收线圈逆时针布置，并在布置一个圆周后按顺时针反向布置，顺时针与逆时针布置的折线形成菱形回路，实际应用不限于菱形结构，菱形回路数目和所述齿轭数目相同。多个接收线圈结构相同，在一个菱形回路的区域内均匀阵列布置。

如图3所示，本发明所述的第二柔性电路板部分，所述第二柔性电路板部分包括角度接收线圈18和转速接收线圈19；所述第二柔性电路板3上的所述角度接收线圈18呈齿状环形分布，数目为18个，齿高逐渐增加，但齿宽相等；所述转速接收线圈19为环形，中间有一小齿，齿宽为2mm，所述角度接收线圈18与所述转速接收线圈19间距大于5mm，所述角度接收线圈18与所述转速接收线圈19公用同一激励线圈；所述第二柔性电路板3粘贴于扭杆上，上端与所述集电环20相切。

如图4所示，本发明所述的集电环部分，所述集电环20内侧固定固定在扭杆输出端17上，其引脚21与所述第二柔性电路板3的两个接收线圈连接，所述集电环20通过引线22与所述第一柔性电路板2上的处理电路相连接。

如图5所示，本发明所述的安装壳体部分部分，所述传感器安装壳体部分由左安装壳12和右安装壳11配合形成圆筒，圆筒中部设有柔性电路板安装位15，所述左安装壳12和所述右安装壳11上设置有固定连接安装孔13，所述安装壳12上有开口14，与外部串口连接；传感器壳体下端固定在磁珠齿轭轴承1外侧，上端固定在所述集电环20外侧，中间包裹柔性电路板。

虽然本发明所揭示的实施方式如上，但其内容只是为了便于理解本发明的技术方案而采用的实施方式，并非用于限定本发明。任何本发明所属技术领域内的技术人员，在不脱离本发明所揭示的核心技术方案的前提下，可以在实施的形式和细节上做任何修改与变化，但本发明所限定的保护范围，仍须以所附的权利要求书限定的范围为准。

Claims (7)

1.一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其特征在于由磁珠齿轭轴承部分、柔性电路板部分、集电环部分和安装壳体部分组成；

所述磁珠齿轭轴承部分包括齿轭转子(10)，磁珠(9)，轴承内轮(7)，轴承外轮(8)，所述磁珠齿轭轴承(1)固定在扭杆输入端(16)上，所述轴承内轮(7)上有两个螺丝孔，通过拧紧螺丝使轴承内轮随扭杆一起转动；轴承外轮上同样有螺丝孔，使外轮固定；所述磁珠(9)均匀分布在内外轮之间，根据齿轭与扭矩接收线圈的距离设计磁珠的直径；所述磁珠(9)数目与所述齿轭转子(10)数目相同，所述齿轭转子(10)均匀分布在轴承内轮上侧，形状为长方形或三角形；所述轴承外轮外侧有一凹槽，此为第一柔性电路板安装位；

所述柔性电路板部分包括第一柔性电路板(2)和第二柔性电路板(3)，所述第一柔性电路板(2)下端贴附于磁珠齿轭轴承(1)外侧，上端贴附于集电环(20)外侧，所述第二柔性电路板(3)贴附于扭杆上，随扭杆转动，所述柔性电路板(2)中部是激励线圈(4)、下端是扭矩接收线圈(5)，上端是处理电路(6)，所述第二柔性电路板(3)上有角度接收线圈(17)和转速接收线圈(18)；所述激励线圈(4)位置与所述扭矩接收线圈(5)距离20mm，所述接收线圈(5)与所述齿轭转子(10)等高，安装零点是所述激励线圈(4)与所述齿轭转子(10)中心线相同，所述第一柔性电路板(2)的激励线圈部分固定在安装壳(12)内侧；所述第一柔性电路板(2)的所述处理电路部分(6)固定于所述集电环(20)外侧，并有引线与集电环内部电路连接。所述第二柔性电路板(3)上的所述角度接收线圈(18)和所述转速接收线圈(19)，其间距为5mm以上，与所述角度接收线圈(18)公用同一激励线圈；所述第二柔性电路板粘贴于扭杆上，上端与所述集电环(20)相切。

所述集电环(20)内侧固定固定在扭杆输出端(17)上，其引脚(21)与所述第二柔性电路板(3)的两个接收线圈连接，所述集电环(20)通过引线(22)与所述第一柔性电路板(2)上的处理电路相连接。

所述传感器安装壳体分别由左安装壳(12)和右安装壳(11)组成，相互配合形成圆筒，壳体内侧中部设有柔性电路板安装位(15)，左安装壳(12)和右安装壳(11)上设置有固定连接安装孔(13)，所述左安装壳(12)上有开口(14)，与外部串口连接传感器下端固定在所述磁珠齿轭轴承(1)外侧，上端固定在所述集电环(20)外侧，中间包裹柔性电路板。

2.根据权利要求1所述的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其特征在于：所述齿轭转子(10)作为高导磁材料，其安装零点为所述齿轭转子(10)与所述磁珠(9)一一对应，且在同一中心线上，围绕圆周均匀分布。

3.根据权利要求1所述的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其特征在于：所述齿轭转子(10)的高度与所述扭矩接收线圈(5)在同一水平位置，其间距为0.5-1.2mm。

4.根据权利要求1所述的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其特征在于：所述第二柔性电路板(3)上的所述角度接收线圈(18)呈齿状环形分布，数目为18个，齿高逐渐增加，但齿宽相等，随扭杆一起转动，线圈切割磁场线产生不同大小的电压，不同大小的电压对应不同的角度。

5.根据权利要求1所述的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其特征在于：所述第二柔性电路板(3)上的所述转速接收线圈(19)呈单齿环状状线圈，单齿齿宽为2mm，此齿经过激励线圈时会产生间断性电压，记录电压间隔时间，以此计算转速。

6.根据权利要求1所述的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其特征在于：所述左安装壳(12)和所述右安装壳(11)配合成圆筒，圆筒中有柔性电路板安装位，处理电路的引线焊接口在左右安装壳中间处，便于信号线引出。

7.根据权利要求1所述的一种非接触式立式扭矩角度转速传感器，其特征在于：所述第二柔性电路板(3)通过所述集电环(20)与所述第一柔性电路板(2)上的处理电路相连接。