CN111060240A - 一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统及其测量方法 - Google Patents

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郑叶龙
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    • G01L3/02—Rotary-transmission dynamometers
    • G01L3/04—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft
    • G01L3/10—Rotary-transmission dynamometers wherein the torque-transmitting element comprises a torsionally-flexible shaft involving electric or magnetic means for indicating
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Abstract

一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统及其测量方法,包括有由铁磁材料构成的弹性轴，所述弹性轴上按照设定的间距对称的设置有第一组平面线圈和第二组平面线圈，所述第一组平面线圈和第二组平面线圈与所述弹性轴之间设置有一层绝缘胶带，所述第一组平面线圈的两个端头连接第一电感检测模块，所述第二组平面线圈的两个端头连接第二电感检测模块，所述第一电感检测模块和第二电感检测模块的电感量输出端分别连接上位机，上位机接收到第一电感检测模块和第二电感检测模块的电感量，并通过减法模块对两个电感量进行相减得到电感差值，通过电感差值获取扭矩值。本发明基于磁弹效应和涡流效应，通过电感检测模块检测线圈自感系数，进而得到弹性轴扭矩的变化。

Description

一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统及其测量方法
技术领域
本发明涉及一种扭矩测量方法。特别是涉及一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统及其测量方法。
背景技术
随着汽车工业、船舶重工、航空航天、冶金化工、机械制造等行业的飞速发展，扭矩的测量和分析是保证设备的安全运行、节省能耗、改善系统工作效率的重要手段，已成为各种机械产品的研究开发、质量检验、测试分析、安全或优化控制等工作中不可或缺的内容。
基于磁弹效应的测量方法以传感器结构简单、成本低廉、使用寿命长、安装更换方便等优点已经成功应用于国内外大型建筑结构及各种民用基础设施的应力监测。此前，所采用磁弹式测量扭矩的方法多是线圈检测铁磁材料磁导率的方法，具有以下缺点：1、套筒式线圈与弹性轴的间隙、位置及角度等误差对实验结果造成影响较大。2、现有平面线圈的检测方法，其结构较复杂，其线圈短边设计和线圈的互感现象，影响测量效果。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种能够实现恶劣环境及狭小空间内的扭矩测量的新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统及其测量方法。
本发明所采用的技术方案是：一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统，包括有由铁磁材料构成的弹性轴，所述弹性轴上按照设定的间距对称的设置有第一组平面线圈和第二组平面线圈，所述第一组平面线圈和第二组平面线圈与所述弹性轴之间设置有一层绝缘胶带，所述第一组平面线圈的两个端头连接第一电感检测模块，所述第二组平面线圈的两个端头连接第二电感检测模块，所述第一电感检测模块和第二电感检测模块的电感量输出端分别连接上位机，上位机接收到第一电感检测模块和第二电感检测模块的电感量，并通过减法模块对两个电感量进行相减得到电感差值，通过电感差值获取扭矩值。
一种权利要求1所述的新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过扭矩加载装置对弹性轴的两端施加一设定的扭矩；
2)通过第一电感检测模块和第二电感检测模块分别采集所对应连接的第一组平面线圈和第二组平面线圈输出的电信号；
3)第一电感检测模块和第二电感检测模块分别将接收的电信号转换为电感量，并输出给上位机；
4)上位机将接收到的两个电感量相减得到电感量差值；
5)重复步骤1)至步骤4)，直到达到设定的次数，得到与多次所施加的扭矩相对应的电感量差值；
6)建立扭矩与对应电感量差值的关系，从而能够根据所述的扭矩与对应电感量差值的关系，通过电感量差值得到相应的扭矩大小。
本发明的一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统及其测量方法，基于磁弹效应和涡流效应，通过电感检测模块检测线圈自感系数，进而得到弹性轴扭矩的变化。本发明相对于利用双线圈的互感效应测量扭矩信号而言，避免了两线圈的间隙、位置及角度等对实验结果造成的影响，解决现有平面柔性线圈短边对检测效果的阻碍作用，极大的简化线圈结构，解决互感式线圈互感效应对实验效果的影响的，使检测效果更直观。本发明传感器结构简单、成本低廉、安装更换方便，可实现在恶劣环境下扭矩的在线监测，比如船舶、直升机、石油转机等关键部位。
附图说明
图1是本发明一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统的结构示意图；
图2是本发明中设置有第一组平面线圈和第二组平面线圈的弹性轴的结构示意图；
图3是本发明中第一组平面线圈的结构示意图；
图4是本发明中第二组平面线圈的结构示意图；
图5是本发明中第一电感检测模块或第二电感检测模块的构成框图。
图中
1：弹性轴 2：第一组平面线圈
3：第二组平面线圈 4：第一电感检测模块
5：第二电感检测模块 6：上位机
7：模拟电源 8：电感芯片
9：外部时钟 10：数字电源
11：微处理器 12：串口芯片
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统及其测量方法做出详细说明。
如图1、图2所示，本发明的一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统，包括有由铁磁材料构成的弹性轴1，所述弹性轴1上按照设定的间距对称的设置有第一组平面线圈2和第二组平面线圈3，所述第一组平面线圈2和第二组平面线圈3与所述弹性轴1之间设置有一层绝缘胶带，以便将第一组平面线圈2和第二组平面线圈3与弹性轴1进行隔离。所述第一组平面线圈2的两个端头连接第一电感检测模块4，所述第二组平面线圈3的两个端头连接第二电感检测模块5，所述第一电感检测模块4和第二电感检测模块5的电感量输出端分别连接上位机6，上位机6接收到第一电感检测模块4和第二电感检测模块5的电感量，并通过减法模块对两个电感量进行相减得到电感差值，通过电感差值获取扭矩值。
如图3、图4所示，所述的第一组平面线圈2和第二组平面线圈3结构相同，均是由10个以上的单体线圈首尾一体连接构成，第一个单体线圈的首端构成第一组平面线圈2或第二组平面线圈3的一个端头，最后一个单体线圈的尾端构成第一组平面线圈2或第二组平面线圈3的另一个端头，每个所述的单体线圈都是由具有两个长边a和两个短边b的拆线构成，其中，两个长边a相互平行且与弹性轴1的轴线成+45°或－45°，两个短边b相互平行且与弹性轴1的轴线相垂直。所述的第一组平面线圈2和第二组平面线圈3形成差动。
本发明的第一组平面线圈2和第二组平面线圈3的结构，通过扭矩加载装置当对弹性轴1施加扭矩时，扭矩所产生的剪切应力等效为与轴线成±45°方向上的拉应力和压应力。并且施加的扭矩所产生的拉压应力会转变为弹性轴磁导率的变化，进而改变附着在弹性轴表面线圈的自感系数。
如图5所示，所述的第一电感检测模块4和第二电感检测模块5结构相同，均包括有输入端连接第一组平面线圈2或第二组平面线圈3的一个端头，用于检测第一组平面线圈2或第二组平面线圈3的电感变化量的电感芯片8，分别与所述电感芯片8的控制输入端及输出端相连，用于控制电感芯片8采集第一电感检测模块4和第二电感检测模块5的电信号并转换为电感量后接收所述的电感量的微处理器11，所述微处理器11通过串口芯片12将所述的电感量L输出给所述的上位机6，还设置有数字电源10，所述数字电源10分别向微处理器11和串口芯片12提供电源，所述数字电源10通过模拟电源7向电感芯片8提供电源。
本发明实施例中，所述的电感芯片8采用型号为LDC1612的芯片，所述的串口芯片12采用RS232芯片，所述的微处理器11采用型号为Mc9s08aw60的芯片。
本发明的一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过扭矩加载装置对弹性轴1的两端施加一设定的扭矩T；
2)通过第一电感检测模块4和第二电感检测模块5分别采集所对应连接的第一组平面线圈2和第二组平面线圈3输出的电信号；
3)第一电感检测模块4和第二电感检测模块5分别将接收的电信号转换为电感量L，并输出给上位机6；
4)上位机6将接收到的两个电感量相减得到电感量差值；
5)重复步骤1)至步骤4)，直到达到设定的次数，得到与多次所施加的扭矩相对应的电感量差值；
6)建立扭矩与对应电感量差值的关系，从而能够根据所述的扭矩与对应电感量差值的关系，通过电感量差值得到相应的扭矩大小。

Claims (5)

1.一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统，包括有由铁磁材料构成的弹性轴(1)，其特征在于，所述弹性轴(1)上按照设定的间距对称的设置有第一组平面线圈(2)和第二组平面线圈(3)，所述第一组平面线圈(2)和第二组平面线圈(3)与所述弹性轴(1)之间设置有一层绝缘胶带，所述第一组平面线圈(2)的两个端头连接第一电感检测模块(4)，所述第二组平面线圈(3)的两个端头连接第二电感检测模块(5)，所述第一电感检测模块(4)和第二电感检测模块(5)的电感量输出端分别连接上位机(6)，上位机(6)接收到第一电感检测模块(4)和第二电感检测模块(5)的电感量，并通过减法模块对两个电感量进行相减得到电感差值，通过电感差值获取扭矩值。
2.根据权利要求1所述的一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统，其特征在于，所述的第一组平面线圈(2)和第二组平面线圈(3)结构相同，均是由10个以上的单体线圈首尾一体连接构成，第一个单体线圈的首端构成第一组平面线圈(2)或第二组平面线圈(3)的一个端头，最后一个单体线圈的尾端构成第一组平面线圈(2)或第二组平面线圈(3)的另一个端头，每个所述的单体线圈都是由具有两个长边(a)和两个短边(b)的拆线构成，其中，两个长边(a)相互平行且与弹性轴(1)的轴线成+45°或－45°，两个短边(b)相互平行且与弹性轴(1)的轴线相垂直。
3.根据权利要求1或2所述的一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统，其特征在于，所述的第一组平面线圈(2)和第二组平面线圈(3)形成差动。
4.根据权利要求1所述的一种新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统，其特征在于，所述的第一电感检测模块(4)和第二电感检测模块(5)结构相同，均包括有输入端连接第一组平面线圈(2)或第二组平面线圈(3)的一个端头，用于检测第一组平面线圈(2)或第二组平面线圈(3)的电感变化量的电感芯片(8)，分别与所述电感芯片(8)的控制输入端及输出端相连，用于控制电感芯片(8)采集第一电感检测模块(4)和第二电感检测模块(5)的电信号并转换为电感量后接收所述的电感量的微处理器(11)，所述微处理器(11)通过串口芯片(12)将所述的电感量(L)输出给所述的上位机(6)，还设置有数字电源(10)，所述数字电源(10)分别向微处理器(11)和串口芯片(12)提供电源，所述数字电源(10)通过模拟电源(7)向电感芯片(8)提供电源。
5.一种权利要求1所述的新型绕线结构的非接触式扭矩测量系统的测量方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)通过扭矩加载装置对弹性轴(1)的两端施加一设定的扭矩(T)；
2)通过第一电感检测模块(4)和第二电感检测模块(5)分别采集所对应连接的第一组平面线圈(2)和第二组平面线圈(3)输出的电信号；
3)第一电感检测模块(4)和第二电感检测模块(5)分别将接收的电信号转换为电感量(L)，并输出给上位机(6)；
4)上位机(6)将接收到的两个电感量相减得到电感量差值；
5)重复步骤1)至步骤4)，直到达到设定的次数，得到与多次所施加的扭矩相对应的电感量差值；
6)建立扭矩与对应电感量差值的关系，从而能够根据所述的扭矩与对应电感量差值的关系，通过电感量差值得到相应的扭矩大小。
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