CN109520650A - 用于高转速设备的旋转复合力传感器 - Google Patents

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CN109520650A CN201811578041.3A CN201811578041A CN109520650A CN 109520650 A CN109520650 A CN 109520650A CN 201811578041 A CN201811578041 A CN 201811578041A CN 109520650 A CN109520650 A CN 109520650A
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罗少轩
乔爱民
王艳春
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    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges

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Abstract

本发明公开了一种用于高转速设备的旋转复合力传感器，旋转轴上设置有拉应力应变区、扭矩应变区，所述的拉应力应变区、扭矩应变区位置处分别对应布置有应变片一、应变片二；外壳布置于旋转轴的外周，所述的外壳的内壁沿径向设有红外接收电路板，所述的旋转轴的外周沿径向设有与红外接收电路板平行间隔布置的红外发射电路板，所述的红外发射电路板包括用于接收应变片一、应变片二电桥信号的信号处理电路一、电压‑频率信号转换电路及红外发射电路，所述的红外接收电路板包括用于接收红外发射电路板频率信号的红外接收电路、频率‑电压信号转换电路及信号处理电路二，非接触式的应用于高转速设备测量拉压力和扭力载荷，避免摩擦损耗。

Description

用于高转速设备的旋转复合力传感器
技术领域
本发明属于应变式力敏传感器领域，特别涉及一种用于高转速设备的旋转复合力传感器。
背景技术
有别于一般性的复合力传感器(可同时测量拉压力和扭力的传感器)，用于高转速设备的旋转复合力传感器可以对电动机和发动机等高转速旋转设备在工作过程中，拉压力和扭矩复合力载荷进行的非接触式的动态测量。旋转复合力传感器在应用时，一方面要解决高转速时，复合力传感器供电和信号传输的问题；另一方面要解决高转速时，拉压力和扭矩复合力的同时测量问题。
目前，拉压力和扭矩复合力传感器主要有固定式和滑环式两种。固定式复合力传感器，不能用于连续旋转的设备，因为传感器的供电和信号传输线缆与传感器的弹性体是直接连接的，线缆在传感器连续旋转时会发生缠绕甚至绷断；滑环式复合力传感器，在固定式复合力传感器的基础上，增加了一个滑环，解决了连续旋转时线缆缠绕的问题，但是滑环的定子与转子之间是接触式结构，普通滑环的可靠工作转速一般不到500转/每分钟，远远低于电动机、发动机和离心机的工作转速，而高速滑环虽然采用碳刷式结构提高了转速，但也还是接触式结构，工作时摩擦损耗较大，也不适合在高转速下长时间使用。
发明内容
本发明的目的在于提供一种用于高转速设备的旋转复合力传感器，非接触式的应用于高转速设备测量拉压力和扭力载荷，避免摩擦损耗。
为了实现上述目的，本发明采取以下技术方案：一种用于高转速设备的旋转复合力传感器，包括同轴布置且构成转动连接的外壳与旋转轴，所述的旋转轴上设置有拉应力应变区、扭矩应变区，所述的拉应力应变区、扭矩应变区位置处分别对应布置有应变片一、应变片二；
所述的外壳布置于旋转轴的外周，所述的外壳的内壁沿径向设有红外接收电路板，所述的旋转轴的外周沿径向设有与红外接收电路板平行间隔布置的红外发射电路板，所述的红外发射电路板包括用于接收应变片一、应变片二电桥信号的信号处理电路一、电压-频率信号转换电路及红外发射电路，所述的红外接收电路板包括用于接收红外发射电路板频率信号的红外接收电路、频率-电压信号转换电路及信号处理电路二。
所述的外壳的内腔设有动变压器初级线圈及与电源电连接的动变压器初级振荡驱动电路板，所述的旋转轴的外周设有与动变压器初级线圈对应的动变压器次级线圈，所述的动变压器次级线圈与红外发射电路板电连接。
所述的信号处理电路一包括与应变片一构成的惠斯通电桥相连的接线端子P3，所述的接线端子P3的引脚1、2分别与5V电压源、GND连接，所述的接线端子P3的引脚3、4分别作为电桥信号的S-、S+输出端与电阻R11、R12连接，所述的电阻R11、R12分别经电容C7、C10与GND连接，所述的电阻R11、R12还分别与信号放大器U4的引脚2、3连接，信号放大器U4型号为AD620，所述的信号放大器U4的引脚1依次经电阻R8、电位器Rg与信号放大器U4的引脚8连接，所述的信号放大器U4的引脚7分别与8V电压源、电容C6连接，电阻R6经电位器Rz、电阻R3与电阻R11的输入端连接，所述的电位器Rz还经电阻R7与GND连接。
所述的电压-频率信号转换电路包括V/F转换芯片AD537，所述的信号放大器U4的引脚6经电阻R14与V/F转换芯片AD537的引脚2连接，所述的电阻R14还经电容C9与GND连接，所述的V/F转换芯片AD537的引脚1经电阻R13与GND连接，所述的V/F转换芯片AD537的引脚6、7之间连接有电容C11，所述的V/F转换芯片AD537引脚8、9之间连接有电阻R15，所述的V/F转换芯片AD537引脚8与8V电压源连接，所述的V/F转换芯片AD537的引脚9作为脉冲红外光频率Fout信号输出端与红外发射电路连接。
所述的红外发射电路包括串联布置的红外发射二极管DS1～DS7，所述的V/F转换芯片AD537的引脚9依次经电阻R10、三极管Q1、红外发射二极管DS1～DS7、电阻R9与接地开关ES连接，所述的红外发射电路板环设在旋转轴的外周，所述的红外发射二极管DS1～DS7均匀布置于红外发射电路板的环面。
所述的红外接收电路包括并联设置的红外接收三极管Q1～Q12，所述的红外接收三极管Q1～Q12与稳态触发器U5A的引脚1连接，所述的稳态触发器的引脚1经电阻R1与GND连接，所述的稳态触发器U5A的引脚2与稳态触发器U5B的引脚4连接，所述的稳态触发器U5B的引脚5、6同时与电容C12、电阻R17连接，所述的电阻R17与12V2电压源连接，所述的稳态触发器U5A的引脚3、稳态触发器U5B的引脚4共同输出脉冲红外光频率Fout信号与电容C1连接，所述的红外接收三极管Q1～Q12与红外发射二极管DS1～DS7相对布置，且红外接收三极管Q1～Q12均匀布置于红外接收电路板的环面。
所述的频率-电压信号转换电路包括F/V转换芯片LM331，所述的电容C1与F/V转换芯片LM331的引脚6连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚6还经电阻R18与12V2电压源连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚7分别经电阻R4、电阻R2与GND、12V2电压源连接，所述的LM331的引脚3、4与GND连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚8分别与12V2电压源、电阻R19连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚5、电阻R19皆经电容C2与GND连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚2经电阻R20与GND连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚1作为电压信号输出端与相互并联的电容C3、电阻R21、电容C4连接。
所述的信号处理电路包括信号放大器U7，信号放大器U7型号为AD620，所述的F/V转换芯片LM331的引脚1与信号放大器U7的引脚3连接，所述的信号放大器U7的引脚2与电位器Rx连接，所述的电位器Rx的两端分别经电阻R22、R23与8V2电压源连接，所述的信号放大器U7的引脚1依次经电阻R24、电位器Ry与信号放大器U7的引脚8连接，所述的信号放大器U7的引脚6经电阻R5输出电压信号Vout，所述的电阻R5经电容C8与GND连接。
所述的旋转轴20的两端与外壳10之间设置有轴承30，所述的旋转轴20的外周两侧开设有两槽口27，所述的两槽口27的中心对称处开设有两盲孔28，所述的两盲孔28相对旋转轴20的轴心线对称，所述的两槽口27与两盲孔28构成拉应力应变区23，所述的应变片一25布置于两盲孔28内；所述的扭矩应变区24为布置在旋转轴20中段位置的柱式结构，所述的柱式结构的中心线与旋转轴20的轴心线一致，所述的应变片二26布置于柱式结构的两相对侧面上。
上述技术方案中，传感器的旋转轴同时也是弹性体，上面有两个主要应变区，一个是扭矩应变区，安装有4个金属箔式应变片，构成惠斯通电桥结构用于扭矩测量；另一个是拉压力应变区，也安装有4个金属箔式应变片，构成惠斯通电桥结构用于拉压力测量。传感器工作时，外壳固定不动，旋转轴与电动机、发动机等设备的输出轴通过刚性联轴器连接，并一起旋转。为了实现与拉压力、扭矩对应的电信号进行非接触式传输，需要先对惠斯通电桥输出的mV级电压信号进行幅值放大，然后再进行电压-频率转换(即V/F转换)，再由频率信号驱动红外发射二极管，输出脉冲频率红外光信号；红外接收电路板上的红外接收三级管接收到此信号，然后进行信号处理和频率-电压信号转换，通过上述过程，拉压力和扭力的变化被转换成0～5V的标准电压信号输出，而且拉压力和扭力的变化与输出电压成线性关系，根据最终的输出电压即可非接触式的测量拉压力和扭力载荷。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为旋转轴示意图；
图3为本发明工作原理框图；
图4为红外发射电路板的电路示意图；
图5为红外接收电路板的电路示意图。
具体实施方式
结合附图1～5对本发明做出进一步的说明：
旋转轴20与外部驱动设备和负载设备通过联轴器刚性连接，当旋转轴20受拉压力作用时，拉应力应变区23产生微形变，拉应力应变区23为槽口27与盲孔28构成的类似于“S”型的结构，应变片一25组成的惠斯通电桥的输出电压也相应发生变化，此电压的变化与旋转轴20所受到的拉压力大小成近似线性关系，通过检测此电压的变化，就可以检测出拉压力的大小；当旋转轴20受扭力作用时，扭矩应变区24产生微形变，应变片二26组成的惠斯通电桥的输出电压也相应发生变化，此电压的变化与旋转轴所受到的扭力大小成近似线性关系，通过检测此电压的变化，就可以检测出扭力的大小。
图3是本发明的工作原理框图，外部24V直流电源给外壳10上的动变压器初级振荡驱动电路板13供电，电路板13上的动变压器初级线圈12上产生交变电源；旋转轴20上的动变压器次级线圈22在动变压器初级线圈12的交变电源激励下产生脉动电压，此脉动电压接入到红外发射电路板11上进行整流，然后变成稳定的直流电源，为旋转轴20上的各功能电路提供电源供应，包括：应变片一23组成的惠斯通电桥、应变片二24组成的惠斯通电桥、红外发射电路板11上的信号处理电路一、电压-频率信号转换电路和红外发射电路。由于外壳10、轴承30、旋转轴20都是金属材料，导磁性能较好，所以动变压器主磁通闭合回路的磁阻较低，动变压器初级线圈12和动变压器次级线圈22之间的互感系数较大，只要对动变压器初级线圈12和动变压器次级线圈22的绕线匝数和线径进行合理配置，那么在动变压器的动变压器初级线圈12上施加交变电流时，动变压器次级线圈22就能感应出具有足够幅度和带负载能力的感应电动势。应变片一23和应变片二24组成的惠斯通电桥，输出信号为mV级的电压信号，通过信号处理电路一放大后，通过电压-频率信号转换电路转化为频率信号，此频率信号驱动红外发射二级管将信号发射出去；红外接收电路板11上的红外接收三级管接收到信号，然后进行信号整型和频率-电压信号转换；通过上述过程，拉压力和扭力的变化被转换成0～5V的标准电压信号输出。
图4是本发明中红外发射电路板21上的信号处理电路一、电压-频率信号转换电路及红外发射电路示意图，由于拉压力信号和扭力信号的电路原理图完全一致，因此仅对拉压力信号处理的电路原理图进行说明。为了实现与拉压力对应的电信号进行非接触式传输，需要先对惠斯通电桥输出的mV级电压信号进行幅值放大，然后再进行电压-频率转换(即V/F转换)，再由频率信号驱动红外发射二极管，输出脉冲频率红外光信号。如图4所示，实现上述功能的电路位于红外发射电路板21上，此电路板上的直流供电电源由动变压器次级线圈22输出经整流滤波后得到；接线端子P3与应变片一25构成的惠斯通电桥相连接，P3的其中2个引脚分别与5V电压源和GND连接，另外两个引脚是电桥的输出信号S-和S+；电阻R6、R7、R3和电位器Rz构成调零电路，与电桥的输出信号S-相连；R11和C7、R12和C10分别构成RC低通滤波器，作用是在电桥输出信号S-和S+进入信号放大器AD620之前进行低通滤波，去除部分高频干扰信号；信号放大器U4主要实现对电桥输出的差动毫伏信号进行放大，其5号引脚是参考电压输入端接2.5V参考电压，当电桥平衡时，U4输出2.5V；U5是精密电压-频率信号转换芯片(即V/F转换芯片)AD537，其作用是将U4放大后的电压信号转换为频率信号；频率信号由AD537的9号引脚输出，通过电阻R9、R10和三极管Q1，驱动红外发射二极管DS1～DS7发射出脉冲频率红外光，脉冲红外光频率Fout和电桥输出电压S+和S-的关系为：
为了得到标准的频率信号，便于后续处理，调节电位器Rz和Rg，使得拉压力为0时输出频率为10KHz，最大拉力对应的频率为15KHz，最大压力对应的频率为5KHz；扭力信号的频率输出与之类似，调节电位器使得力矩为0时输出频率为10KHz，最大正向力矩对应的输出频率为15KHz，最大负向力矩对应的输出频率为5KHz。
图5是本发明中红外接收电路板11上的红外接收电路、频率-电压信号转换电路及信号处理电路二电路示意图，由于拉压力信号和扭力信号的电路原理图完全一致，因此仅对拉压力信号处理的电路原理图进行说明。该部分电路在红外接收电路板11上，用于接收图4中红外发射二极管发射的脉冲频率红外光信号，并对红外接收三极管输出信号进行整形、频率-电压变换(即F/V变换)等处理。Q1～Q12共12只红外接收三极管均匀焊接在红外接收电路板11上，红外接收电路板11与旋转的红外发射电路板21平行间隔布置，Q1～Q12红外接收三极管在圆周上均匀排列，可保证红外发射电路板21在旋转过程中红外接收三极管能可靠接收到发射管发出的脉冲频率红外光；U5A、U5B、R17和C12组成单稳态触发器，将红外接收三极管的输出信号变换为高电平宽度恒定的脉冲信号，并由U6精密频率-电压转换芯片LM331实现频率信号到电压信号的转换(即F/V转换)；LM331输出的电压信号通过U7信号放大器AD620变换为标准的0～5V电压信号，电阻R21、R22和电位器Rx构成零点调节电路，电阻R24和电位器Ry构成增益调节电路；电阻R5和电容C8构成低通滤波电路，用于去除0-5V输出电压信号Vout中的高频噪声信号；经过上述电路处理，电压输出Vout与输入脉冲红外光频率Fout之间的关系为：
电压输出Vout可通过电位器Rx、Ry调节，调节两个电位器，使得旋转轴20上的拉压力应变区23受到最大压力时的输出电压Vout为0V，空载时输出电压Vout为0V，受到最大拉力时的输出电压Vout为5V；由公式可以得出，通过红外接收电路板11输出的电压信号线性关系计算出旋转轴20上拉压力应变区23所受到的拉压力。扭力信号对应的电压输出与之类似，调节电位器，使得旋转轴20上扭矩应变区24受到最大负向力矩时的输出电压Vout为0V，空载时输出电压Vout为0V，受到最大正向力矩时的输出电压Vout为5V。同样，通过红外接收电路板11输出的电压信号线性关系计算出旋转轴20上扭矩应变区24所受到的扭力。
综上所述，本发明实现了对电动机、发动机和离心机等高转速设备的拉压力和扭矩载荷实现非接触式的动态测量。一是在传感器的旋转轴弹性体上设计拉压力应变区和扭矩应变区，实现了旋转轴所受拉压力和扭矩的同时测量，即旋转复合力的测量；二是采用动变压器供电和光电耦合形式的信号传输，实现了旋转复合力的非接触式测量，旋转轴的标准转速可以达到6000转/每分钟，特殊情况下通过加装高速轴承和旋转加固装置，旋转轴的转速可以达到25000转/每分钟，测量稳定性和使用寿命远远高于采用滑环和碳刷结构的接触式传感器。

Claims (9)

1.一种用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：包括同轴布置且构成转动连接的外壳(10)与旋转轴(20)，所述的旋转轴(20)上设置有拉应力应变区(23)、扭矩应变区(24)，所述的拉应力应变区、扭矩应变区位置处分别对应布置有应变片一(25)、应变片二(26)；
所述的外壳(10)布置于旋转轴(20)的外周，所述的外壳(10)的内壁沿径向设有红外接收电路板(11)，所述的旋转轴(20)的外周沿径向设有与红外接收电路板(11)平行间隔布置的红外发射电路板(21)，所述的红外发射电路板(21)包括用于接收应变片一(25)、应变片二(26)电桥信号的信号处理电路一、电压-频率信号转换电路及红外发射电路，所述的红外接收电路板(11)包括用于接收红外发射电路板(21)频率信号的红外接收电路、频率-电压信号转换电路及信号处理电路二。
2.根据权利要求1所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的外壳(10)的内腔设有动变压器初级线圈(12)及与电源电连接的动变压器初级振荡驱动电路板(13)，所述的旋转轴(20)的外周设有与动变压器初级线圈(12)对应的动变压器次级线圈(22)，所述的动变压器次级线圈(22)与红外发射电路板(21)电连接。
3.根据权利要求1所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的信号处理电路一包括与应变片一(26)构成的惠斯通电桥相连的接线端子P3，所述的接线端子P3的引脚1、2分别与5V电压源、GND连接，所述的接线端子P3的引脚3、4分别作为电桥信号的S-、S+输出端与电阻R11、R12连接，所述的电阻R11、R12分别经电容C7、C10与GND连接，所述的电阻R11、R12还分别与信号放大器U4的引脚2、3连接，信号放大器U4型号为AD620，所述的信号放大器U4的引脚1依次经电阻R8、电位器Rg与信号放大器U4的引脚8连接，所述的信号放大器U4的引脚7分别与8V电压源、电容C6连接，电阻R6经电位器Rz、电阻R3与电阻R11的输入端连接，所述的电位器Rz还经电阻R7与GND连接。
4.根据权利要求3所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的电压-频率信号转换电路包括V/F转换芯片AD537，所述的信号放大器U4的引脚6经电阻R14与V/F转换芯片AD537的引脚2连接，所述的电阻R14还经电容C9与GND连接，所述的V/F转换芯片AD537的引脚1经电阻R13与GND连接，所述的V/F转换芯片AD537的引脚6、7之间连接有电容C11，所述的V/F转换芯片AD537引脚8、9之间连接有电阻R15，所述的V/F转换芯片AD537引脚8与8V电压源连接，所述的V/F转换芯片AD537的引脚9作为脉冲红外光频率Fout信号输出端与红外发射电路连接。
5.根据权利要求4所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的红外发射电路包括串联布置的红外发射二极管DS1～DS7，所述的V/F转换芯片AD537的引脚9依次经电阻R10、三极管Q1、红外发射二极管DS1～DS7、电阻R9与接地开关ES连接，所述的红外发射电路板(21)环设在旋转轴(20)的外周，所述的红外发射二极管DS1～DS7均匀布置于红外发射电路板(21)的环面。
6.根据权利要求1所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的红外接收电路包括并联设置的红外接收三极管Q1～Q12，所述的红外接收三极管Q1～Q12与稳态触发器U5A的引脚1连接，所述的稳态触发器的引脚1经电阻R1与GND连接，所述的稳态触发器U5A的引脚2与稳态触发器U5B的引脚4连接，所述的稳态触发器U5B的引脚5、6同时与电容C12、电阻R17连接，所述的电阻R17与12V2电压源连接，所述的稳态触发器U5A的引脚3、稳态触发器U5B的引脚4共同输出脉冲红外光频率Fout信号与电容C1连接，所述的红外接收三极管Q1～Q12均匀布置于红外接收电路板(11)的环面。
7.根据权利要求6所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的频率-电压信号转换电路包括F/V转换芯片LM331，所述的电容C1与F/V转换芯片LM331的引脚6连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚6还经电阻R18与12V2电压源连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚7分别经电阻R4、电阻R2与GND、12V2电压源连接，所述的LM331的引脚3、4与GND连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚8分别与12V2电压源、电阻R19连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚5、电阻R19皆经电容C2与GND连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚2经电阻R20与GND连接，所述的F/V转换芯片LM331的引脚1作为电压信号输出端与相互并联的电容C3、电阻R21、电容C4连接。
8.根据权利要求7所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的信号处理电路包括信号放大器U7，信号放大器U7型号为AD620，所述的F/V转换芯片LM331的引脚1与信号放大器U7的引脚3连接，所述的信号放大器U7的引脚2与电位器Rx连接，所述的电位器Rx的两端分别经电阻R22、R23与8V2电压源连接，所述的信号放大器U7的引脚1依次经电阻R24、电位器Ry与信号放大器U7的引脚8连接，所述的信号放大器U7的引脚6经电阻R5输出电压信号Vout，所述的电阻R5经电容C8与GND连接。
9.根据权利要求1所述的用于高转速设备的旋转复合力传感器，其特征在于：所述的旋转轴(20)的两端与外壳(10)之间设置有轴承(30)，所述的旋转轴(20)的外周两侧开设有两槽口(27)，所述的两槽口(27)的中心对称处开设有两盲孔(28)，所述的两盲孔(28)相对旋转轴(20)的轴心线对称，所述的两槽口(27)与两盲孔(28)构成拉应力应变区(23)，所述的应变片一(25)布置于两盲孔(28)内；所述的扭矩应变区(24)为布置在旋转轴(20)中段位置的柱式结构，所述的柱式结构的中心线与旋转轴(20)的轴心线一致，所述的应变片二(26)布置于柱式结构的两相对侧面上。
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