CN111006804A - 一种扭矩测量装置及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
一种扭矩测量装置及其测量方法，所述装置包括传感部、测量部和处理部；传感部包括转轴，转轴外壁上包裹有铁基纳米晶合金层；转轴上设置有连接螺纹；测量部包括支架和设置于支架上的测量环，转轴伸入到测量环中；测量环的内壁上均匀分布有E形磁芯，E形磁芯上设置励磁线圈和测量线圈，励磁线圈接电；测量线圈连接处理部。本发明公开了一种扭矩测量装置及其测量方法，可以实现轴扭矩的测量，测量结果可以实时显示，同时测量精确度高，测量速度快，降低测量者劳动强度。
Description
技术领域
本发明属于扭矩测量技术领域，尤其涉及一种扭矩测量装置及其测量方法。
背景技术
扭矩是轴转动过程中重要的参数，通过扭矩可以看出轴的寿命间距反应轴的使用年限。现有的扭矩测量需要连接被测量的轴，使得被测量的轴转动，接触被测量的轴，测出其扭矩。
该测量方法精度低，同时由于需要与轴接触，会进一步影响轴的扭矩，达不到高精度的标准与要求，同时现有测量仪器在使用的过程中轴自身的震动和连接测量仪器后仪器的震动也会大大影响扭矩测量的精度。另外，现有的测量仪器规格一定，在测量前不同规格的轴需要用不同型号的测量仪器进行测量，成本高，使用麻烦。同时，现有的测量仪器由于与被测量的轴连接，很容易影响其使用寿命，进而降低使用年限，进一步提高使用成本。
发明内容
本发明旨在提供一种结构简单、使用效果好的扭矩测量装置及其测量方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种扭矩测量装置，包括传感部、测量部和处理部；传感部包括转轴，转轴外壁上包裹有铁基纳米晶合金层；转轴上设置有连接螺纹；测量部包括支架和设置于支架上的测量环，转轴伸入到测量环中；测量环的内壁上均匀分布有E形磁芯，E形磁芯上设置励磁线圈和测量线圈，励磁线圈接电；测量线圈连接处理部。
处理部包括电压互感器、放大电路、处理器和显示电路；电压互感器采集测量线圈上的电压值；电压互感器将采集到的电压值传输到放大电路，放大电路的信号输出端连接处理器，处理器的信号输出端连接显示电路。
电压互感器包括一次绕组和二次绕组，一次绕组与测量线圈并联；二次绕组连接在第一滑动变阻器的两端，第一滑动变阻器的滑动端上连接有第一测量电阻；第一测量电阻连接第一滤波电容，第一滤波电容接地；第一滑动变阻器的第一端也接地；第一测量电阻还通过第二测量电阻连接放大电路；同时，第一测量电阻还通过第三测量电阻连接放大电路的输出端。
放大电路包括放大芯片、稳压二极管和第二滑动变阻器，放大芯片反相输入端连接第二测量电阻；放大芯片的同相输入端连接第二滑动变阻器的滑动端；第二滑动变阻器的第一端连接稳压二极管的负极，第二滑动变阻器的第二端连接稳压二极管的正极；稳压二极管的正极接地；稳压二极管的负极通过第一放大电阻连接直流电源；稳压二极管的负极还通过第二滤波电容接地。
E形磁芯共有16个，每两个E形磁芯为一对，同一对中的E形磁芯呈90°分布；E形磁芯上饶设有励磁线圈和两个测量线圈，励磁线圈位于E形磁芯中部，两个测量线圈分别位于励磁线圈两侧。
励磁线圈的匝数是测量线圈的三倍。
支架上设连接轴，对心杆转动连接在连接轴上，对心杆末端设置对心圆锥，对心圆锥的尖端朝向转轴设置。
利用上述扭矩测量装置进行的扭矩测量方法，所述方法依次包括如下步骤：
1）将转轴与被测量的轴相连；
2）对励磁线圈通电；
3）励磁线圈的电感应到测量线圈；
4）转动被测的轴；
5）随着被测轴的转动，测量线圈上的电压值变化；
6）根据公式（1）得出被测轴上的扭矩；
其中，Kμ为铁基纳米晶合金层的压磁灵敏系数，M为被测量的轴扭矩，Wp为被测量的轴抗扭截面系数为已知数；k为常系数；U 0 为接收到的测量线圈上的电压值。
8）对扭矩值进行显示。
转轴与被测量的轴相连后，且励磁线圈通电前，需要保证转轴和测量环同心。
在步骤1）前，需要在转轴外包裹铁基纳米晶合金层。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：1、本发明所述的扭矩测量装置结构简单，适用的被测量轴的规格多，测量速度高，准确度高；2、利用了铁基纳米合金晶合金材料进行电磁耦合，铁基纳米合金晶合金与传统铁磁材料相比，铁基纳米晶合金的机电耦合系数在传统铁磁材料的3倍以上，而且还具有高磁导率，高饱和磁感应强度等，将测量精度大大提高；3、转轴与铁基纳米晶合金层粘合视为一体，并通过连接螺纹连接到被测量的轴上，因是螺纹连接被测的轴和转轴的相对转动可以忽略，测量过程中干扰因素小，测量准确度高；4、8对16个E性磁芯呈环形分布，可以大大降低转轴振动带来的影响，提高了测量的精度，同时可以进行高转速的轴测量。5、对心杆和调平支腿可以方便仪器安装时的对心，使得转轴在测量环的中心，同时可调节的支脚调平支腿降低对面对仪器的影响，进一步达到提高精度的目的。本发明所述的方法可以实现轴上扭矩的测量，测量简单，实现方便，测量准确度高，灵敏系数高。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为图1立体图；
图3为图1左视图；
图4为E形磁芯结构示意图；
图5为转轴结构示意图；
图6为处理部电路原理图；
图7为本发明所述方法流程图。
具体实施方式
一种扭矩测量装置，如图1~5所示，包括传感部、测量部和处理部，被测的轴与传感部连接，测量部通电后，传感部影响测量部上的电磁信号，测量部将被传感部影响后的电信号传输到处理部，通过处理部处理后得出轴的扭矩。
传感部包括转轴5，转轴5外壁上包裹有铁基纳米晶合金层4，铁基纳米晶合金层4为现有的产品，直接选用即可，此实施例中不涉及对铁基纳米晶合金层4材料本身的改进。本实施例中选用铁基纳米合金晶合金层4，工作的时候，铁基纳米合金晶合金层4进行电磁耦合，铁基纳米合金晶合金与传统铁磁材料相比，铁基纳米晶合金的机电耦合系数在传统磁材料的3倍以上，而且还具有高磁导率，高饱和磁感应强度的优点，可以将测量精度大大提高。
在转轴5上设置有连接螺纹，连接螺纹临近转轴5的端部设置，通过设置连接螺栓可以实现转轴5与被测的轴的连接。
测量部包括支架9和设置于支架9上的测量环1，支架9用于将测量环1支撑起来。
在支架9上设有对心杆7，对心杆7与水平面之间呈45°夹角时，对心杆7末端对准测量环1中心。
为了实现对心杆7与支架9的连接，在支架9上设连接轴8，对心杆7转动连接在连接轴8上，对心杆7末端设置对心圆锥6，对心圆锥6的尖端朝向转轴5设置，通过设置对心圆锥6可以提高对心的准确性。
测量环1呈环形，转轴5伸入到测量环1中；测量环1的内壁上均匀分布有E形磁芯2，E形磁芯2和测量环1的连接方式为：在测量环1的内壁上设置有凸台2，E形磁芯2连接在凸台2上。
E形磁芯2上设置励磁线圈14和测量线圈13，励磁线圈14接电。测量线圈13连接处理部。
E形磁芯2共有16个，每两个E形磁芯2为一对，同一对中的E形磁芯2呈90°分布。
E形磁芯2上饶设有励磁线圈14和两个测量线圈13，励磁线圈14的匝数是测量线圈13的三倍。
励磁线圈14位于E形磁芯2中部的磁芯上，两个测量线圈13分别位于励磁线圈14两侧的磁芯上。
励磁线圈14接电，测量线圈13连接处理部，如图6所示，处理部包括电压互感器T、放大电路、处理器和显示电路。
处理器包括型号为MSP430的单片机U1，单片机U1上连接电源电路、时钟电路和复位电路，其中，电源电路、时钟电路和复位电路为成熟的现有技术，在此不再赘述。
电压互感器T采集测量线圈13上的电压值；电压互感器T将采集到的电压值传输到放大电路，放大电路的信号输出端连接处理器，处理器的信号输出端连接显示电路。
其中，电压互感器T包括一次绕组和二次绕组，一次绕组与测量线圈13并联；二次绕组连接在第一滑动变阻器RP1的两端，第一滑动变阻器RP1的滑动端上连接有第一测量电阻R1；第一测量电阻R1连接第一滤波电容C1，第一滤波电容C1接地；第一滑动变阻器RP1的第一端也接地；第一测量电阻R1还通过第二测量电阻R2连接放大电路；同时，第一测量电阻R1还通过第三测量电阻连接放大电路的输出端。
放大电路包括放大芯片U2（型号为MCP601）、稳压二极管D和第二滑动变阻器RP2，放大芯片U2反相输入端（引脚V-IN）连接第二测量电阻R2；放大芯片U2的同相输入端（引脚V+IN）连接第二滑动变阻器RP2的滑动端；第二滑动变阻器RP2的第一端连接稳压二极管D的负极，第二滑动变阻器RP2的第二端连接稳压二极管D的正极；稳压二极管D的正极接地；稳压二极管D的负极通过第一放大电阻R4连接直流电源；稳压二极管D的负极还通过第二滤波电容C2接地。放大芯片U2的输出端（引脚OUT）连接单片机U1的信号输入端（引脚P6.0），由于型号为MSP430的单片机U1的P6.0引脚有模数转换功能，故本实施例中，不需要再对信号进行模数转换就可以输入到单片机U1中。
显示电路包括显示芯片10（型号为LCD1602），显示芯片的信号输入端（引脚DB0~DB7）连接单片机U1的信号输入端（引脚P10~P17），单片机U1接收信号经过处理后在显示芯片上显示转矩。
本发明所述的扭矩测量装置，可以实现轴扭矩的测量，测量结果可以实时显示，同时测量精确度高，测量速度快，降低测量者劳动强度。
本实施例还公开了一种扭矩测量方法，如图7所示，该方法包括如下步骤：
1）将铁基纳米晶合金层包裹的转轴连接起来。连接方法为：将转轴通过连接螺纹连接到被测量的轴上，同时将转轴伸入到测量环中，保证测量环与转轴对心。
2）对励磁线圈通电。
3）励磁线圈的电感应到测量线圈上。
4）转动被测的轴，被测的轴转动，轴的转动通过连接螺纹传动到铁基纳米晶合金层包裹的转轴上。
5）随着被测轴的转动，测量线圈上的电压值变化。
6）根据公式（1）得出被测轴上的扭矩；
其中，Kμ为铁基纳米晶合金层的压磁灵敏系数，M为被测量的轴扭矩，Wp为被测量的轴抗扭截面系数为已知数；k为常系数；U 0 为接收到的测量线圈上的电压值。
7）对扭矩值进行显示。
本发明所述的方法可以实现轴上扭矩的测量，测量简单，实现方便，测量准确度高，灵敏系数高。
Claims (10)
1.一种扭矩测量装置，其特征在于：包括传感部、测量部和处理部；传感部包括转轴，转轴外壁上包裹有铁基纳米晶合金层；转轴上设置有连接螺纹；测量部包括支架和设置于支架上的测量环，转轴伸入到测量环中；测量环的内壁上均匀分布有E形磁芯，E形磁芯上设置励磁线圈和测量线圈，励磁线圈接电；测量线圈连接处理部。
2.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征在于：处理部包括电压互感器、放大电路、处理器和显示电路；电压互感器采集测量线圈上的电压值；电压互感器将采集到的电压值传输到放大电路，放大电路的信号输出端连接处理器，处理器的信号输出端连接显示电路。
3.如权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征在于：电压互感器包括一次绕组和二次绕组，一次绕组与测量线圈并联；二次绕组连接在第一滑动变阻器的两端，第一滑动变阻器的滑动端上连接有第一测量电阻；第一测量电阻连接第一滤波电容，第一滤波电容接地；第一滑动变阻器的第一端也接地；第一测量电阻还通过第二测量电阻连接放大电路；同时，第一测量电阻还通过第三测量电阻连接放大电路的输出端。
4.如权利要求3所述的扭矩测量装置，其特征在于：放大电路包括放大芯片、稳压二极管和第二滑动变阻器，放大芯片反相输入端连接第二测量电阻；放大芯片的同相输入端连接第二滑动变阻器的滑动端；第二滑动变阻器的第一端连接稳压二极管的负极，第二滑动变阻器的第二端连接稳压二极管的正极；稳压二极管的正极接地；稳压二极管的负极通过第一放大电阻连接直流电源；稳压二极管的负极还通过第二滤波电容接地。
5.如权利要求1至4任意一项所述的扭矩测量装置，其特征在于：E形磁芯共有16个，每两个E形磁芯为一对，同一对中的E形磁芯呈90°分布；E形磁芯上饶设有励磁线圈和两个测量线圈，励磁线圈位于E形磁芯中部，两个测量线圈分别位于励磁线圈两侧。
6.如权利要求5所述的扭矩测量装置，其特征在于：励磁线圈的匝数是测量线圈的三倍。
7.如权利要求6所述的扭矩测量装置，其特征在于：支架上设连接轴，对心杆转动连接在连接轴上，对心杆末端设置对心圆锥，对心圆锥的尖端朝向转轴设置。
8.利用权利要求1所述的扭矩测量装置进行的扭矩测量方法，其特征在于：所述方法依次包括如下步骤：
1）将转轴与被测量的轴相连；
2）对励磁线圈通电；
3）励磁线圈的电感应到测量线圈；
4）转动被测的轴；
5）随着被测轴的转动，测量线圈上的电压值变化；
6）根据公式（1）得出被测轴上的扭矩；
其中，Kμ为铁基纳米晶合金层的压磁灵敏系数，M为被测量的轴扭矩，Wp为被测量的轴抗扭截面系数为已知数；k为常系数；U 0 为接收到的测量线圈上的电压值；
7）对扭矩值进行显示。
9.如权利要求8所述的扭矩测量方法，其特征在于：转轴与被测量的轴相连后，且励磁线圈通电前，需要保证转轴和测量环同心。
10.如权利要求9所述的扭矩测量方法，其特征在于：在步骤1）前，需要在转轴外包裹铁基纳米晶合金层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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