CN109708791A

CN109708791A - 一种电容式扭矩传感器及其测量扭矩的方法

Info

Publication number: CN109708791A
Application number: CN201910154845.9A
Authority: CN
Inventors: 赵世迁; 郑会龙; 杨肖芳; 张谭; 康振亚
Original assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Current assignee: Institute of Engineering Thermophysics of CAS
Priority date: 2019-02-28
Filing date: 2019-02-28
Publication date: 2019-05-03

Abstract

一种电容式扭矩传感器及其测量扭矩的方法，该电容式扭矩传感器包括：外壳(100)，其为圆柱形空心壳；圆柱形弹性轴(200)，其设于外壳(100)内，且其轴线与外壳(100)轴线重合，其具有弹性，两端部用于负载，在负载的作用下扭动；两轴承(300)，对称设于外壳(100)的两端，并固定设于圆柱形弹性轴(200)外表面，以实现圆柱形弹性轴(200)的转动，两轴承(300)与外壳(100)组成的一腔体；至少两个静极板(400)，分别设于腔体的两端，每端设置的静极板(400)的个数至少为一个，并固定于外壳(100)的内壁面；两动极板(500)，每一动极板(500)的内表面为圆柱形，设于腔体内圆柱形弹性轴(200)的两端，并与静极板(400)相对设置，形成电容组。

Description

一种电容式扭矩传感器及其测量扭矩的方法

技术领域

本发明涉及扭矩传感器技术领域，尤其涉及一种电容式扭矩传感器及其测量扭矩的方法。

背景技术

目前，常见的扭矩传感器主要采用电阻应变式原理，应变式的扭矩传感器存在的问题是弹性轴上的应变电桥检测到的扭矩信号和电源如何可靠的在弹性轴和外部静止部分之间传递，为解决上述问题目前常用集流环技术或电感耦合技术，具体的集流环技术属于接触式传输，一般适用于短期低精度的测量；电感耦合技术利用电感耦合的原理实现电源和扭矩信号的非接触传递，但整个传感器体积和质量较大，加工、安装、调试复杂、成本高。目前电容式扭矩传感器利用容栅位移测量技术来实现测量扭矩的目的，但由于它的发射电极的每一极片都要引出导线与驱动输出相连；另外一种电容式扭矩传感器通过测量扭杆两端的因扭变引起的相对于圆周角起点累计的角位移差值，从而获取对应的扭矩信号，主要应用于汽车扭杆的扭转角度和扭矩的测量。但这类方法只适用于转速较低且累计转角受限的情况，而且由于其所使用的源极板组内的极板数受限制，不能达到较大量级，因此测量的精度较低，只能输出一定转角范围，这种扭矩传感器只能在特定场合使用，无法用于高转速、高精度要求的工业自动化领域。还有一种电容式扭矩传感器通过电容差动技术，省去了目前的应变式扭矩传感器必需的轴与外部静止部分电能和信号传递的复杂设计，结构简单，大幅度的降低了成本，并且可将整个传感器的体积和质量控制在一个较小的范围，可用于高转速环境的工业自动化领域，但组件较多，需要额外提供激励信号，结构较为复杂，无法用于结构紧凑、空间受限的场合。此外，这种结构必然会存在一个盲区，即静电极曲线起点与终点相交接的区域，所测电容不再是线性变化，影响测量的准确性，尤其是低速情形下扭矩的准确度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明提供了一种电容式扭矩传感器及其测量扭矩的方法，解决传统应变式扭矩传感器结构复杂、抗干扰能力差、测量单一及使用场合受限等问题。

(二)技术方案

一方面，本发明提供了一种电容式扭矩传感器，包括：外壳100，其为圆柱形空心壳；圆柱形弹性轴200，其设于外壳100内，且其轴线与所述外壳100轴线重合，其具有弹性，两端部用于负载，在负载的作用下扭动；两轴承300，对称设于外壳100的两端，并固定设于圆柱形弹性轴200外表面，以实现所述圆柱形弹性轴200的转动，两轴承300与外壳100组成的一腔体；至少两个静极板400，分别设于腔体的两端，每端设置的静极板400的个数至少为一个，并固定于外壳100的内壁面；两动极板500，每一动极板500的内表面为圆柱形，没于所述腔体内圆柱形弹性轴200的两端，并与静极板400相对设置，形成电容组，动极板500的轴向宽度按线性或正弦函数曲线变化和/或径向厚度按线性或正弦函数曲线变化。

可选地，每一静极板400均包括第一子静极块401以及第二子静极块402，第一子静极块401以及第二子静极块402沿外壳100的周向并列设置，且第一子静极块401和第二子静极块402之间设于预设宽度的间隙。

可选地，动极板500为导电材料，圆柱形弹性轴200为非导电材料。

可选地，圆柱形弹性轴200为导电材料，动极板500为非导电材料且其介电常数与所处环境中空气的介电常数不同。

可选地，静极板400与动极板500之间设有间隙且不接触。

可选地，静极板400的轴向宽度大于或等于动极板500的轴向宽度。

可选地，腔体两端设置的静极板400的个数相同且为多个，每端中多个静极板400设于外壳100的内壁面的同一圆周上，两端中相对应的静极板400的连线与所述腔体的中心轴平行。

另一方面，提供了一种利用电容式扭矩传感器测量扭矩的方法，方法包括：S1，分别获取腔体的两端中每一端的电容值；S2，比较两端电容值的相位差，根据所述相位差得到扭矩参数。

可选地，步骤S1具体为：获取动极板500与第一子静极块401组成的电容组的电容值C₁、动极板500与第二子静极块402组成的电容组的电容值C₂，以及第一子静极块401和第二子静极块402组成的电容组的电容值C₃，则腔体的两端中每一端的电容值G_m为：

可选地，根据相位差得到扭矩参数具体为：

其中，R为圆柱形弹性轴200的半径，G为圆柱形弹性轴200所用材料的切变模量，1为圆柱形弹性轴200的长度，Δφ为圆柱形弹性轴200的相位差，Δx为圆柱形弹性轴200两端转动的距离差，Δx＝f^-1(C_m1)-f^-1(C_m2)，其中，C_m1和C_m2分别为所述圆柱形弹性轴200两端的电容值。

(三)有益效果

本发明提供了一种电容式扭矩传感器及其测量扭矩的方法，至少具有如下技术效果：

(1)采用电容原理，省去了应变式扭矩传感器必需的轴与外部静止部分电能和信号传递的复杂设计，结构简单；

(2)采用两端差动的电容技术，抗干扰能力强；

(3)可以采用多个静极板形成多路设计，既能大幅提高分辨率，还可以实现转角、转速及旋转方向的测量。

(4)本发明的结构设计可大可小，可以适用于空间狭小、封闭的测量环境。

附图说明

图1示意性示出了本公开实施例中的电容式扭矩传感器的结构示意图；

图2示意性示出了本公开实施例中的动极板500的轴向宽度按线性变化的展开示意图；

图3示意性示出了本公开实施例中的动极板500的轴向宽度按正弦函数变化的展开示意图；

图4示意性示出了本公开实施例中的第一子静极块401和第二子静极块402结构的主视图；

图5示意性示出了本公开实施例中的图4中对应的第一子静极块401和第二子静极块402结构的立体示意图；

图6示意性示出了本公开实施例中的第一子静极块401和第二子静极块402和动极板500配合使用时的主视图；

图7示意性示出了本公开实施例中的图6对应的结构的环形展开示意图；

图8示意性示出了本公开实施例中的图7对应结构的正等轴侧图；

图9示意性示出了本公开实施例中的腔体的每端有两个静极板400时静极板400的布置图；

图10a示意性示出了本公开实施例中的第一子静极块401和第二子静极块402和动极板500组成电容的电气连接图；

图10b示意性示出了本公开实施例中的图10a所示电气连接的等效电路示意图；

图11示意性示出了本公开实施例中的圆柱形弹性轴200旋转时第一子静极块401和第二子静极块402输出电容的示意图；

图12示意性示出了本公开实施例中的图11中的非线性区域对应的第一子静极块401和第二子静极块402与动极板500的相对位置示意图；

图13示意性示出了本公开实施例中的圆柱形弹性轴200工作时输出电容示意图；

图14示意性示出了本公开实施例中的圆柱形弹性轴200稳定工作时输出电容示意图。

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明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明提供了一种电容式扭矩传感器，参见图1，包括外壳100、圆柱形弹性轴200、两轴承300、至少两个静极板400以及两动极板500，其中，外壳100，其为圆柱形空心壳；圆柱形弹性轴200，其设于外壳100内，且其轴线与外壳100轴线重合，其具有弹性，两端部用于负载，在负载的作用下扭动；两轴承300，对称设于外壳100的两端，并固定设于圆柱形弹性轴200外表面，以实现圆柱形弹性轴200的转动，两轴承300与外壳100组成的一腔体；至少两个静极板400，分别设于腔体的两端，每端设置的静极板400的个数至少为一个，并固定于外壳100的内壁面；两动极板500，每一动极板500的内表面为圆柱形，设于所述腔体内圆柱形弹性轴200的两端，并与静极板400相对设置，形成电容组，动极板500的轴向宽度按线性或正弦函数曲线变化和/或径向厚度按线性或正弦函数曲线变化，如图2所示，为动极板500的轴向宽度按线性变化的展开示意图，图3为动极板500的轴向宽度按正弦函数变化的展开示意图。

具体的，至少两个静极板400中每一静极板400均包括第一子静极块401以及第二子静极块402，如图4所示，图4为静极板400的主视图，图5为图4对应的静极板400的立体示意图，图6为静极板400与动极板500配合使用时的主视图，图7为图6对应的环形展开示意图，图8为图7所示结构的正等轴测图，第一子静极块401以及第二子静极块402沿外壳100的周向并列设置，且第一子静极块401和第二子静极块402之间设于预设宽度的间隙，以使第一子静极块401和第二子静极块402形成电容。当然，腔体内每端设置的静极板400的个数可以为一个，可以为多个，始终保证腔体两端的静极板400的个数相同，且安装位置一一对应。若腔体内每端设置的静极板400的个数为多个，则多个静极板400设于外壳100的内壁面的同一圆周上，如图9所示，两端中相对应的两静极板400的连线与腔体的中心轴平行。

两动极板500，每一动极板500的内表面为圆柱形，设于所述腔体内圆柱形弹性轴200的两端，并与静极板400相对设置，形成电容组，动极板500的轴向宽度按线性或正弦函数曲线变化和/或径向厚度按线性或正弦函数曲线变化。且安装时两动极板500对称安装。因此当圆柱形弹性轴200带动动极板500旋转时，动极板500和静极板400形成的电容始终在变化。静极板400与动极板500之间设有间隙且不接触，且静极板400与动极板500的相对面优选为为圆弧面，该圆弧面对应的圆心优选为在圆柱形弹性轴200的中心轴上。静极板400的轴向宽度大于或等于动极板500的轴向宽度。

若动极板500为导电材料，则圆柱形弹性轴200为非导电材料；若圆柱形弹性轴200为导电材料，则动极板500为非导电材料且其介电常数与所处环境中空气的介电常数不同。

另一方面，本发明还提供了一种利用电容式扭矩传感器测量扭矩的方法，方法包括：S1，分别获取腔体的两端中每一端的电容值；S2，比较两端电容值的相位差，根据相位差得到扭矩参数。

具体的，S1，分别获取腔体的两端中每一端的电容值；

由上可知，若动极板500为导电材料，则圆柱形弹性轴200为非导电材料；若圆柱形弹性轴200为导电材料，则动极板500为非导电材料且其介电常数与所处环境中空气的介电常数不同。本发明实施例中以该动极板500为导电材料，圆柱形弹性轴200为非导电材料，且动极板500轴向宽度按线性变化，厚度不变。如图10a和图10b所示，其中图10a为第一子静极块401和第二子静极块402和动极板500组成电容的电气连接图，图10b为图10a所示电气连接的等效电路示意图，则动极板500与第一子静极块401组成的电容组的电容值C₁、动极板500与第二子静极块402组成的电容组的电容值C₂，以及第一子静极块401和第二子静极块402组成的电容组的电容值C₃，则动极板500与静极板400组成的综合电容C_m为C₁与C₂串联后与C₃并联而成，则腔体的两端中每一端的电容值C_m为：

其中，Cr是C₁、C₂串联后的等效电容。

第一子静极块401和第二子静极块402组成的电容组的电容值C₃仅与第一子静极块401和第二子静极块402正对面积有关，为一定值，与动极板500无关，因动极板500轴向宽度按线性变化，因此C₁和C₂与动极板500和第一子静极块401、以及动极板500和第二子静极块402相对位置有关，即与圆柱形弹性轴200和静极板400的相对位置有关，当圆柱形弹性轴200旋转时，如图11所示，C₁和C₂呈现周期性变化，由图11可知，图11中包括线性区域和非线性区域，当第一子静极块401和第二子静极块402均与动极板500相对应时输出的信号为线性区域，当第一子静极块401和第二子静极块402与动极板500的相对位置为如图12所示时对应的输出信号为图11中的非线性区域。对应的C_m同样呈周期性变化，通过比较圆柱形弹性轴200两端的额相位差，即可得到具体的扭矩参数。

若动极板500为非导电材料，无法直接与静极板400形成电容，则圆柱形弹性轴200必须是导电材料，静极板400与圆柱形弹性轴200形成电容组，动极板500为上述二者的介质。在此情形下，动极板500既可以通过改变轴向宽度，也可以通过改变径向厚度，或二者兼而有之，从而改变静极板400与圆柱形弹性轴200间的等效介电常数ε，进而改变二者的电容值，实现与前文所述导电材料动极板500的同一功能。同理，动极板500为导电材料时，也可采用同样的方式，如在动极板500上表面增加高介电材料、调整径向厚度等方式，增强电容信号，提高检测精度和抗干扰的能力。

圆柱形弹性轴200一端为主动端，另一端为从动端，对应的电容值分别为C_m1和C_m2，忽略安装时不完全对称造成的系统误差和随机误差，如图13所示在Z1区间无负载时C_m1等于C_m2，在Z2区间从动端加载负载时，C_m1和C_m2开始产生相位差，直至稳定，相位差越大，扭矩越大，相位差的正负可以反应圆柱形弹性轴200的转动方向，在Z3区间为稳定工作的情形，C_m1和C_m2相位差已经稳定，在Z4区间为故障情形或静止情形，圆柱形弹性轴200不再转动，C_m1和C_m2不再变化。由此，可以建立C_m信号与扭矩间的关系，从而实现圆柱形弹性轴200动态扭矩的检测，实现对转角、转速以及转向的测量。

具体的，如图14所示，C_m2为从动端的静极板400和动极板500组成的复合电容，其中，当静极板400和动极板500的轴向宽度最窄处向对应时的位置，此时对应的电容值最小为C_min；当圆柱形弹性轴200继续旋转时，静极板400对应的动极板500的轴向宽度逐渐增大，对应的复合电容也逐渐增大，直至动极板500轴向宽度最宽时，对应的复合电容达到最大值C_max；当圆柱形弹性轴200继续旋转时，动极板500轴向宽度最宽处与轴向宽度最窄交接处移至静极板400下的区域，此时复合电容开始下降，直至动极板500轴向宽度最宽处与轴向宽度最窄交接处边沿正对于静极板400的中心时(x₃位置)，此时复合电容达到Cs；当圆柱形弹性轴200继续旋转，直至使得静极板400和动极板500的轴向宽度最窄处向对应，圆柱形弹性轴200完成360°旋转，开始下一循环。由于本发明实施例中的动极板500的轴向宽度成线性变化，因此动极板500和静极板400形成的电容与动极板500和静极板400相对应的位置之间的关系式可表达为：

其中，k_i和b_i是与静极板400、动极板500以及圆柱形弹性轴200结构尺寸相关的参数，可通过实际运行计算得到，不同的x值测得对应的C_m，进而计算出对应的k_i和b_i，i＝1～3。理论上，X₁～X₂区间是线性区域，x₂～x₃区间、X₃～X₄区间为非线性区域，但接近线性，故公式(1)中都采用了线性关系拟合，在精度要求非常高时，可用更高阶的函数拟合。显然x₂～x₄区间是不可避免的，但可以通过调整静极板400的在圆柱形弹性轴200圆周方向上的宽度来缩短此区间，且第一子静极块401和第二子静极块402宽度约小，二者间距越小，此区间越短。

由公式(1)可知，如果测得复合电容C_m，即可反算出静极板400和圆柱形弹性轴200相对应的位置x，进而可以得到相对于零点(假设C_min对应的圆柱形弹性轴200位置为零点)的相位值φ：

其中，D为圆柱形弹性轴200的直径。因此两端的电容值的相位差为Δφ：

其中，x₁为主动端静极板400和圆柱形弹性轴200相对应的位置，x₂为从动端静极板400和圆柱形弹性轴200相对应的位置。

对应实心的圆截面的轴，Δφ与扭矩T的关系为：

其中，R为圆柱形弹性轴200的半径，G为圆柱形弹性轴200所用材料的切变模量，1为圆柱形弹性轴200的长度。对于同一装置而言，当圆柱形弹性轴200的直径、长度和材料确定后，为一常数，因此公式(4)可简化为T＝K·Δφ。

图13提供了一种解决x₂～x₄区间非线性问题的方式。增加一个静极板400获得两路信号输出，其输出信号如图14所示，在一静极板400进入非线性区域时，另一静极板400仍处于线性区，可以继续解算扭矩，彻底解决非线性区域的问题。此时公式(1)可以修正为：

因此得到：

C_mi(t)＜C_mi(t+1)指t时刻C_mi的值比下一时刻(t+1时刻)的值小，即C_mi处于上升区间。当Cmi处于下降区间时，立刻采用另一路信号进行计算。将结果代入公式(3)～(4)中，即可得到相位差、扭矩、转速的信息。

与此同时，通过鉴别两个静极板400的相位先后顺序，还可以识别出此时圆柱形弹性轴200的转动方向。当然，也可以增加更多读数头，利用更多路信号获得更高的解算精度，实现更高精度扭矩的测量。

显然，本发明测量的是电容组的绝对值，圆柱形弹性轴200转速的高低以及转速的变化并不影响扭矩测量精度。另外，如遇到故障，传感器掉电后圆柱形弹性轴200发生了转动，也不会影响相位差和扭矩的测量。因此本传感器适用于从低速到高速以及变速转动等各种转速环境的工业自动化领域的扭矩检测，同时实现对转角、转速以及转向的测量，尤其适用于空间狭小、封闭的测量环境。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种电容式扭矩传感器，其特征在于，包括：

外壳(100)，其为圆柱形空心壳；

圆柱形弹性轴(200)，其设于所述外壳(100)内，且其轴线与所述外壳(100)轴线重合，其具有弹性，两端部用于负载，在负载的作用下扭动；

两轴承(300)，对称设于外壳(100)的两端，并固定设于圆柱形弹性轴(200)外表面，以实现所述圆柱形弹性轴(200)的转动，两轴承(300)与所述外壳(100)组成的一腔体；

至少两个静极板(400)，分别设于所述腔体的两端，每端设置的静极板(400)的个数至少为一个，并固定于所述外壳(100)的内壁面；

两动极板(500)，每一动极板(500)的内表面为圆柱形，设于所述腔体内圆柱形弹性轴(200)的两端，并与所述静极板(400)相对设置，形成电容组，所述动极板(500)的轴向宽度按线性或正弦函数曲线变化和/或径向厚度按线性或正弦函数曲线变化。

2.根据权利要求1所述的电容式扭矩传感器，其特征在于，每一所述静极板(400)均包括第一子静极块(401)以及第二子静极块(402)，第一子静极块(401)以及第二子静极块(402)沿所述外壳(100)的周向并列设置，且第一子静极块(401)和第二子静极块(402)之间设于预设宽度的间隙。

3.根据权利要求1所述的电容式扭矩传感器，其特征在于，所述动极板(500)为导电材料，所述圆柱形弹性轴(200)为非导电材料。

4.根据权利要求1所述的电容式扭矩传感器，其特征在于，所述圆柱形弹性轴(200)为导电材料，所述动极板(500)为非导电材料且其介电常数与所处环境中空气的介电常数不同。

5.根据权利要求1所述的电容式扭矩传感器，其特征在于，所述静极板(400)与所述动极板(500)之间设有间隙且不接触。

6.根据权利要求1所述的电容式扭矩传感器，其特征在于，所述静极板(400)的轴向宽度大于或等于所述动极板(500)的轴向宽度。

7.根据权利要求1所述的电容式扭矩传感器，其特征在于，所述腔体两端设置的所述静极板(400)的个数相同且为多个，每端中所述多个静极板(400)设于所述外壳(100)的内壁面的同一圆周上，两端中相对应的静极板(400)的连线与所述腔体的中心轴平行。

8.一种利用电容式扭矩传感器测量扭矩的方法，其特征在于，方法包括：

S1，分别获取所述腔体的两端中每一端的电容值；

S2，比较两端电容值的相位差，根据所述相位差得到扭矩参数。

9.根据权利要求8所述的方法，其特征在于，所述步骤S1具体为：获取所述动极板(500)与所述第一子静极块(401)组成的电容组的电容值C₁、所述动极板(500)与所述第二子静极块(402)组成的电容组的电容值C₂，以及所述第一子静极块(401)和第二子静极块(402)组成的电容组的电容值C₃，则所述腔体的两端中每一端的电容值C_m为：

。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，根据所述相位差得到扭矩参数具体为：

其中，R为所述圆柱形弹性轴(200)的半径，G为所述圆柱形弹性轴(200)所用材料的切变模量，1为所述圆柱形弹性轴(200)的长度，Δφ为所述圆柱形弹性轴(200)的相位差，Δx为所述圆柱形弹性轴(200)两端转动的距离差，Δx＝f¹(C_ml)-f^-1(C_m2)，其中，C_m1和C_m2分别为所述圆柱形弹性轴(200)两端的电容值。