CN114144646A - 用于监测机械系统的健康和性能的装置和方法 - Google Patents

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Abstract

如所披露的用于监测包括旋转轴的机械系统的健康的系统、装置和方法可以测量旋转轴的各种参数以评估该机械系统的健康和性能。测量装置可以随该旋转轴一起旋转并且可以允许测量在张力下的应变，这可以低成本且安装简单地提供准确的旋转轴参数测量。该测量装置可以包括可以联接到该旋转轴的连接件、可以联接到该连接件的桥接件、以及应变测量传感器，该应变测量传感器与该桥接件相关联，使得该应变传感器可以测量该桥接件的可以随该旋转轴的旋转而变形的部分的形变。该测量装置可以被设计成放大由该旋转轴经受的应变，这可以减小应变测量中的噪声。

Description

用于监测机械系统的健康和性能的装置和方法
相关申请的交叉引用
本申请要求于2019年5月17日提交的并且标题为“用于监测机械系统的健康和性能的装置和方法(Devices and Methods for Monitoring Health and Performance of aMechanical System)”的美国临时申请号62/849,835的优先权和权益，该申请以其全部内容通过引用并入本文。
技术领域
本披露涉及用于监测机械系统的健康和性能的装置和方法，并且更具体地涉及可以联接到机械系统的旋转轴或以其他方式与机械系统的旋转轴相关联以帮助监测机械系统的健康和性能的用于测量应变的装置。
背景技术
机械系统的健康监测和预测可以有助于避免系统故障、警告用户需要修理、估计磨损并使磨损最小化和/或通过在危险的操作条件发生之前对其进行防止来增加系统的安全性。在许多机械系统中，例如，在运输、发电、工业设备、机器人等领域中，一个或多个旋转轴可以是主要的机械动力传输装置。如此，在许多情况下可以使用(多个)旋转轴的测量特性(例如，扭矩、速度、振动、弯曲等)来评估系统性能和健康，并且在一些情况下实现系统控制。许多问题(比如长期疲劳、磨损相关问题、以及急性故障)可能引起系统中的可在轴上检测到的症状。因此，如果可以测量扭矩、速度、振动和弯曲中的每一个，则系统的问题很可能在它们变得严重之前被检测到，这可以减少损坏并且提高系统性能和安全性。
用于旋转轴的已知扭矩传感器通常具有它们自己的轴杆，该轴杆可能需要在两端连接到旋转轴。这可能需要切割或以其他方式改变轴以供扭矩传感器的安装，这可能使得安装过程较长并且可能增加对系统造成损坏的可能性。此外，如果特定旋转轴或系统没有被设计用于特定扭矩传感器，则该传感器可能与该系统不兼容，例如，该轴可能不具有足够长的暴露部分以供添加传感器。
夹持式表面声波(SAW)传感器和夹持式光学传感器是可以用于测量旋转轴的扭矩的其他已知传感器。虽然这些传感器可以在不修改轴的情况下进行安装，但是它们可能需要将部件小心地安装在轴的表面上，并且因此可能导致可能需要高精度水平的长的安装过程。此外，在利用夹持式SAW或光学传感器进行测量的区段中，旋转轴通常变窄，这可能进一步使安装过程复杂化、弱化轴和/或以防止传感器保持夹持在轴上持续期望的延长时间段的方式损坏轴。
如同扭矩，存在可以测量旋转轴的速度的解决方案。例如，磁体、编码器、光电转速计和电机可以用于测量旋转轴的速度。然而，这些中的每一种都可能需要传感器或装置的一部分保持静止或固定在非旋转参考系中。在一些情况下，可以有利的是没有部分固定至静止参考系。
因此，本领域中需要一种测量装置，该测量装置可以准确地检测旋转轴的一个或多个参数，使得与轴相关联的机械系统的健康可以低成本、涉及简单安装且不需要测量装置的任何部件保持在静止参考系中的方式被确定。
发明内容
本申请涉及可以测量机械系统的旋转轴的各种参数的装置和方法。测量这些参数可以允许监测旋转轴和更总体地机械系统的健康和性能。所提供的装置和方法可以允许测量在张力下而不是剪切下的应变。因此，可以使用各种不同的应变测量传感器，包括更便宜且更常见的拉伸应变仪。
本文提供的示例性装置的设计使得它们可以在系统操作时机械地放大机械系统的旋转轴所经受的实际应变。更具体地，该装置可以以使得该装置可以随轴一起旋转的方式联接到旋转轴。在所披露的示例性实施例中，此类装置的所有部分可以相对于静止参考系移动(即，不以任何方式固定)。这可以允许该装置在旋转轴上的简单安装。该设计还可以允许以相对低的公差构建该装置，同时保持测量的准确度。更进一步地，除了能够测量张力之外，本文提供的装置和方法还可以允许测量扭矩(还被描述为扭转，并且包括传输通过轴的扭矩和轴的扭转两者)、速度、加速度(凭借能够测量速度)、振动和弯曲，所有这些都不将该装置以任何方式固定到静止参考系。因此，所提供的装置和方法可以允许以简单且可实现的方式来测量这些各种参数，而不必以任何方式修改轴。
在用于监测包括旋转轴的机械系统的装置的一个示例性实施例中，该装置包括连接件、联接到该连接件的桥接件、以及与桥接件相关联(例如，设置在该桥接件上、设置在该桥接件内等)的应变测量传感器。该连接件被配置成联接到旋转轴，其中该连接件具有第一参考位置和第二参考位置。该桥接件在该第一参考位置与该第二参考位置之间延伸并且被配置成被设置成使得当该连接件联接到旋转轴时该桥接件的纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移。该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行，并且该桥接件包括挠曲区，该挠曲区被配置成响应于该旋转轴在该旋转轴的操作期间承受扭转力而变形。该应变测量传感器被设置在该第一参考位置与该第二参考位置之间，并且被配置成基于由该应变测量传感器测量的应变来确定由该旋转轴在该旋转轴的操作期间经受的扭转力的量值。
该连接件、该桥接件和该应变测量传感器中的每一个可以被配置成随该旋转轴一起旋转，使得该应变测量传感器在没有静止参考系的情况下测量应变。在一些实施例中，用于监测包括旋转轴的机械系统的装置的每一个部件随该旋转轴一起旋转。
该应变测量传感器可以被配置成检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。这是除了测量应变的传感器之外的。在一些实施例中，该装置还可以包括加速度计。该加速度计可以被配置成确定该旋转轴在该旋转轴的操作期间的旋转速度。这是除了测量应变的传感器之外的，并且可以(但不必须)是除了检测弯曲的传感器之外的。在一些实施例中，该加速度计还可以被配置成检测在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的频率和/或在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的振幅。这是除了测量应变的传感器之外的，并且可以(但不必须)是除了检测弯曲的传感器和/或确定旋转轴在旋转轴的操作期间的旋转速度的加速度计之外的。
该应变测量传感器可以被配置成测量在张力下的应变。在一些实施例中，该应变测量传感器可以包括拉伸应变仪。在一些实施例中，该应变测量传感器包括以半惠斯通电桥配置设置的两个机械桥。替代性地，该应变测量传感器可以包括以全惠斯通电桥配置设置的四个机械桥。
由该应变测量传感器测量的应变可以大于当该旋转轴正承受该扭转力时由该旋转轴经受的应变。在至少一些此类实施例中，该桥接件可以被配置成使得在该桥接件的该纵向轴线与该旋转轴的该中心纵向轴线之间的侧向偏移的距离是可调整的，以便进而调整由该应变测量传感器测量的应变与当该旋转轴承受该扭转力时由该旋转轴经受的应变之间的差异。
该桥接件可以包括第一邻接件、第二邻接件以及跨段。该第一邻接件可以联接到该连接件，与距该第二参考位置相比更邻近该第一参考位置；并且该第二邻接件可以联接到该连接件，与距该第一参考位置相比更邻近该第二参考位置。该跨段可以在该第一邻接件与该第二邻接件之间延伸，其中该应变测量传感器与该跨段相关联(例如，设置在该跨段上、设置在该跨段内等)。在一些实施例中，该连接件可以包括第一套环和第二套环，其中该第一套环包括该第一参考位置并且该第二套环包括该第二参考位置。该第一邻接件可以联接到该第一套环，并且该第二邻接件可以联接到该第二套环。在至少一些实施例中，该桥接件可以具有的刚性模量小于该旋转轴的刚性模量。通过非限制性示例的方式，在一些实施例中，该桥接件可以具有的刚性模量至多是该旋转轴的刚性模量的五分之一。这可以替代性地被描述为，该桥接件包括的材料(或材料组合)所具有的刚性模量至多是形成该旋转轴的材料(或材料组合)的五分之一。该桥接件(或用于形成该桥接件的(多种)材料)的刚性模量与该旋转轴(或用于形成该旋转轴的(多种)材料)的刚性模量相比的替代比率包括但不限于：1:2、1:4、1:10、1:20、1:25、1:50、以及1:100。
用于监测包括旋转轴的机械系统的方法的一个示例性实施例包括：使用联接到机械系统的旋转轴的应变测量装置来测量该机械系统的该旋转轴的机械放大的应变。这个动作被执行成使得当该旋转轴操作时，该应变测量装置随该旋转轴一起旋转。所测量的机械放大的应变大于当该旋转轴操作时由该旋转轴经受的应变。
该应变测量装置的被配置成联接到该旋转轴和/或测量与该旋转轴相关联的应变的每一个部件可以在该旋转轴操作时随该旋转轴一起旋转。该应变测量装置的被配置成联接到该旋转轴和/或测量与该旋转轴相关联的应变的每一个部件可以包括：(1)联接到该旋转轴的连接件；(2)联接到该连接件的桥接件；以及(3)与其相关联(例如，布置其上、布置在其内等)的应变测量传感器，其中该传感器执行测量该旋转轴的机械放大的应变的动作。在一些此类实施例中，当该桥接件可以被设置成使得该桥接件的纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移时，其中该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行。
该方法还可以包括将该应变测量装置联接到该旋转轴。例如，其可以包括将该应变测量装置的第一套环联接到该旋转轴上的第一位置，以及将该应变测量装置的第二套环联接到该旋转轴上的第二位置。在此类实施例中，该应变测量装置可以包括在该两个套环之间延伸的桥接件。该桥接件的纵向轴线可以从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移，其中该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行。在一些此类实施例中，该方法可以进一步包括：调整在该桥接件的该纵向轴线与该旋转轴的该中心纵向轴线之间的侧向偏移的距离，以便相对于当该旋转轴操作时由该旋转轴经受的应变来调整该机械放大的应变的值。
该应变测量装置可以测量该机械系统的该旋转轴在张力下的机械放大的应变。在一些实施例中，该应变测量装置可以包括应变测量传感器。该应变测量传感器可以被设置成远离该旋转轴一段距离，使得该应变测量传感器不直接接触该旋转轴并且从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移。
在一些实施例中，该方法可以包括使用该应变测量装置来检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。这种检测可以是除了测量机械放大的应变之外的。该方法还可以包括使用该应变测量装置来确定该旋转轴在该旋转轴的操作期间的旋转速度。这种确定可以是除了测量机械放大的应变和/或检测旋转轴的弯曲之外的。更进一步地，该方法可以包括使用该应变测量装置来检测在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的频率和/或在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的振幅。这种检测可以是除了测量机械放大的应变、检测旋转轴的弯曲和/或确定旋转轴的旋转速度中的任一个或全部之外的。
附图说明
通过结合附图的以下详细描述，将更全面地理解本披露，其中：
图1是用于监测包括旋转轴的机械系统的测量装置的一个示例性实施例的透视图；
图2是联接到旋转轴的图1的测量装置的透视图，其中有限元分析示出了测量装置和旋转轴在旋转轴的操作期间的应变；
图3展示了可以形成图1的测量装置的一部分的三个示例性应变测量传感器；
图4是用于监测包括旋转轴的机械系统的测量装置的另一个示例性实施例的透视图；
图5展示了联接到旋转轴的图4的测量装置的测试设置；
图6是示出由图5的测量装置测量的扭矩和所施加的扭矩随时间变化的图表；
图7是将由图5的测量装置测量的扭矩与所施加的扭矩进行比较的图表；
图8是示出图5的测量装置的应变传感器读数随时间变化的图表；
图9展示了图5的测量装置的应变传感器读数在图5的旋转轴的各种速度下的功率谱；以及
图10是示出由图5的测量装置测量的加速度数据的功率谱的图表。
具体实施方式
现在将描述某些示例性实施例以提供对本文所披露的装置、系统和方法的结构、功能、制造和使用的原理的全面理解。在附图中展示了这些实施例的一个或多个示例。本领域技术人员将理解，本文具体描述并且在附图中展示的装置和方法是非限制性的示例性实施例，并且本披露的范围仅由权利要求限定。结合一个示例性实施例展示或描述的特征可以与其他实施例的特征组合。此类修改和变化旨在被包括在本披露的范围内。更进一步地，本披露提供包括原型、小型模型和/或设置的示意图示的一些图示和描述。本领域技术人员将认识到，如何依靠本披露来将所提供的技术、系统、装置和方法整合到产品(比如消费者就绪、工厂就绪或实验室就绪的三维打印机)中。
本披露总体上涉及用于通过测量旋转轴的一个或多个参数来获取系统性能和健康和/或实现系统控制来监测包括旋转轴的机械系统的健康的装置、系统和方法。本披露的装置可以包括可以联接到旋转轴的连接件和可以联接到连接件的桥接件。桥接件可以具有挠曲区，该挠曲区可以响应于旋转轴在操作期间承受扭转力而变形。应变测量传感器可以与桥接件并且更具体地与挠曲区相关联，并且可以基于由应变传感器测量的挠曲区的应变来确定由旋转轴在其操作期间经受的扭转力的量值。应变测量传感器可以测量桥接件的变形部分的应变，以确定旋转轴上的应变。测量装置的每一个部件可以随旋转轴一起旋转。换言之，测量装置可以完全存在于旋转参考系内，而其任何部件都不固定在静止参考系中。因此，感测部件的大部分校准和精确布置可以在将测量装置安装到旋转轴上之前进行，这可以使安装过程容易。此外，本披露的测量装置可以被设计成使得这些装置与标准扭矩变换器相比可以是紧凑的。
本披露的测量装置可以测量旋转轴上的在张力下而不是剪切下的应变。这可以提供更便宜且更常见的拉伸应变仪的使用。可以利用测量装置的几何和材料特性来机械地放大旋转轴在操作期间的应变。应变传感器可以传递来自旋转轴的应变，并且可以放大应变读数以增加应变测量的灵敏度。在许多情况下，测量装置还可以检测旋转轴的弯曲。与测量装置相关联的(多个)传感器可以以相对低的公差构建，同时保持测量的准确度。
图1示出了本披露的测量装置10的一个实施例的透视图，该测量装置可以测量旋转轴12(图2)的应变，例如，以计算旋转轴的一个或多个参数(比如扭矩和/或弯曲)。旋转轴12可以是较大的机械系统(未示出)中的部件，该机械系统包括例如驱动轴系统或涡轮轴系统。测量装置10可以包括可以联接到旋转轴12的连接件14和可以联接到连接件14的桥接件16。应变测量传感器18可以与桥接件16相关联。例如，应变传感器18可以设置在桥接件16上或设置在该桥接件内。应变传感器18可以确定由联接到测量装置10的旋转轴12在旋转轴的操作期间经受的扭转力的量值。来自应变传感器18的应变读数或测量可以用于确定旋转轴12和因此包括旋转轴的机械系统的一个或多个健康参数。如以下详细讨论的，连接件14可以包括第一参考位置和第二参考位置。桥接件16可以在第一参考位置和第二参考位置处附接到连接件14，使得应变传感器18可以设置在桥接件的介于第一参考位置与第二参考位置之间的部分上。
连接件14可以包括具有开口22a的第一套环20a和具有开口22b的第二套环20b。连接件14的纵向轴线A1可以延伸穿过开口22a、22b。旋转轴12可以穿过开口22a、22b插入并且接收在这些开口内，使得旋转轴可以延伸穿过第一套环20a和第二套环20b。更具体地，旋转轴12的中心纵向轴线A2可以与连接件14的纵向轴线A1共线地延伸。在一些实施例中，第一套环20a和第二套环20b可以螺栓连接到旋转轴12，使得连接件14可以紧固地联接到旋转轴。
虽然图1和图2所展示的实施例将连接件14示出为可以螺栓连接到旋转轴12的两个套环20a、20b，但是此类设计仅是可以用作将应变测量传感器18与旋转轴12相关联的连接件的部件的一个非限制性示例。更总体地，连接件14可以涵盖套环20a、20b和其他类似能力的部件。也可以使用连接件的其他术语，比如“保持装置”或“联接装置”，此类术语涵盖应变测量传感器18可以与旋转轴12相关联而不直接接触旋转轴的许多不同方式。本领域技术人员将理解，可以用作连接件或保持/联接装置和因此两个套环(或其他数量的套环)的各种不同部件决不限制本披露的配置类型或由本披露设想的其他方面。例如，在一个实施例中，连接件可以包括从轴12延伸的一个或多个销，使得一个或多个销随轴一起旋转。桥接件16可以附连到一个或多个销。在一些实施例中，连接件14可以与桥接件16整体地形成。进一步地，虽然本文引用的是可以“螺栓连接到”旋转轴12的套环20a、20b，但是本领域技术人员鉴于权利要求、本披露以及本领域技术人员的知识将理解，连接件(例如，套环)可以使用本领域技术人员已知的各种不同技术来与旋转轴联接或以其他方式相关联，只要该连接件可以在旋转参考系内完全随旋转轴12一起旋转即可。通过非限制性示例的方式，连接件可以通过焊接、物理锚定、粘附、磁性吸引、分子吸引、用螺钉或锁定销将连接件固定到轴等来与旋转轴联接或以其他方式相关联。在其他实施例中，连接件14可以与旋转轴12整体地形成。
桥接件16可以包括第一邻接件24a、第二邻接件24b、以及跨段26，该跨段可以在第一邻接件与第二邻接件之间延伸并且连接该第一邻接件和该第二邻接件。如以下将详细描述的，应变传感器18可以与跨段26相关联，使得应变传感器可以测量跨段的形变。桥接件16可以在连接件14的第一参考位置与第二参考位置之间延伸。例如，在一些实施例中，连接件14的第一参考位置可以在第一套环20a上，并且连接件的第二参考位置可以在第二套环20b上。桥接件的第一邻接件24a可以联接到第一套环20a上的第一参考位置，并且桥接件的第二邻接件24b可以联接到第二套环20b上的第二参考位置。跨段26可以在桥接件14的第一邻接件24a与第二邻接件24b之间并因此在连接件的第一套环20a与第二套环20b之间延伸。当连接件14联接到旋转轴时，桥接件14的纵向轴线A3可以从旋转轴12的中心纵向轴线A2侧向地偏移并且与其基本上平行。换言之，桥接件14的纵向轴线A3可以从连接件14的可以延伸穿过套环20a、20b的开口22a、22b的纵向轴线A1侧向地偏移并且与其基本上平行。桥接件的纵向轴线A3不一定相对于桥接件具有相对位置(即，它不一定是“中心的”、“邻近顶部的”、“邻近底部的”等)，但是当测量或以其他方式参考桥接件的纵向轴线与旋转轴12的中心纵向轴线A2之间的距离(即，侧向偏移)时，桥接件的纵向轴线的位置典型地应当是一致的。在一些实施例中，可以调整桥接件16的纵向轴线A3与旋转轴12的中心纵向轴线A2之间的侧向偏移。如以下所讨论的，调整侧向偏移进而可以调整由应变传感器18测量的应变与由旋转轴12在轴承受扭转力时经受的应变之间的差异或放大。
当连接件14联接到旋转轴时，跨段26的至少一部分可以响应于旋转轴12在旋转轴的操作期间承受扭转力而变形。跨段26的这个部分可以被称为挠曲区。在一些实施例中，整个跨段26可以是挠曲区。应变传感器18可以被放置在跨段26的挠曲区上或以其他方式与该挠曲区相关联，使得应变传感器可以测量挠曲区的形变。应变传感器18可以从旋转轴12的中心纵向轴线A2侧向偏移距离rg，该距离可以从旋转轴的中心纵向轴线到应变传感器上最靠近旋转轴的中心纵向轴线的点来测量。
在测量装置10联接到旋转轴12的情况下(例如，如图2中所示)，当旋转轴操作(即，旋转)时，整个测量装置可以随旋转轴一起旋转。因此，旋转轴12和测量装置10可以同时围绕旋转轴的中心纵向轴线A2旋转。更具体地，连接件14、桥接件16和应变传感器18中的每一个可以与旋转轴12一起旋转，而其任何部分都不固定在静止参考平面中。当轴12承受扭转时，连接件14的第一套环20a和第二套环20b可以相对于彼此成角度地移位。由于桥接件16可以在第一参考点和第二参考点处(即，在第一套环20a和第二套环20b处)固定地联接到连接件14，因此桥接件的挠曲区(即，跨段26)可以随着这些套环相对于彼此的移位而变形。因此，当旋转轴12旋转时，由于跨段26的几何形状，挠曲区可被伸拉或压缩。安装到桥接件16的挠曲区的应变传感器18可以测量挠曲区的应变，该应变随后可以用于确定旋转轴12上的应变等(除其他之外)。在一些实施例中，应变传感器18可以是拉伸应变仪，该拉伸应变仪可以测量挠曲区在张力下而非剪切下的应变。
测量装置10可以被设计成使得应变传感器18可以进行与旋转轴12的表面处经受的实际应变相比放大的应变测量。放大应变测量可以有助于减小传感器噪声，该传感器噪声可能是传感器上的电磁干扰以及热效应的结果。将应变传感器18安装在桥接件16而不是旋转轴12上可以导致应变传感器读出比轴的表面所经受的应变更高的应变。此外，桥接件16可以被构造成使得套环20a、20b之间的移位可以集中在跨段26的挠曲区中。因此，将应变传感器18安装在挠曲区上可以允许进一步的机械放大。
传感器方法和设计
由于安装在桥接件16上的传感器更远离旋转轴线(即，轴的中心纵向轴线A2)，因此由应变传感器18经受的应变可以大于轴12的表面的应变。如以下等式1所示，在具有极惯性矩J和直径Ds的轴12上的剪切应力τ与距旋转轴线的距离r和所施加的扭矩T成比例。对于弹性状态下的小位移，可以如等式(2)所示来确定旋转轴的表面上的应变∈s，其中G是轴材料的剪切模量。由于应变与应力成比例，所以安装在轴12上方距旋转轴线A2距离rg处的应变传感器18上的应变读数∈g将大于直接安装在轴上的应变传感器。如等式(3)所示，该增益与距旋转轴线A2的距离rg除以旋转轴12的直径Ds成比例。
Figure BDA0003354184100000111
Figure BDA0003354184100000112
Figure BDA0003354184100000113
在小的旋转轴上，增益可以是显著的，但是在较大的轴上，增益可能减弱。在轴12周围存在大量开放空间的情况下，增加应变传感器18从轴的中心纵向轴线A2的偏移(即，距离rg)可以是有利的，使得可以增加由应变传感器测量的应变的放大。然而，在大多数情况下，应变传感器18的大小和传感器相对于轴12的放置将受到相关联的机械系统内的轴12周围的间隙的限制。
与安装在轴上的应变传感器(等式2)相比，安装在轴12上方的应变传感器18的应变读数(等式3)的增益可以通过桥接件16的设计和构造来进一步增加。更具体地，桥接件16可以将第一套环20a和第二套环20b相对于彼此的移位集中，这可以提供由安装到桥接件上的应变传感器18读取的更强的应变信号。桥接件16的截面和/或桥接件的材料成分可以用于将应变隔离到应变传感器18可以安装所在的位置。例如，桥接件16可以由可以具有比连接件14和旋转轴12的材料更低的刚性模量的材料制成。可以有益的是，桥接件16的刚性模量小于连接件14和旋转轴12的刚性模量，使得当扭转力被施加到轴时，桥接件16可以放大由连接件和旋转轴经受的应变。这可以替代性地被描述为，桥接件16包括的材料(或材料组合)所具有的刚性模量小于形成旋转轴12或连接件14的材料(或材料组合)。
通过非限制性示例的方式，桥接件16可以由热塑性聚合物(比如丙烯腈-丁二烯-苯乙烯(ABS)塑料)制成，并且连接件14可以由铝制成。由于铝的刚性模量比ABS塑料的刚性模量高超过25倍，所以桥接件16的截面可以经受比连接件14的等同形状的截面高大约25倍的应变。换言之，桥接件16与连接件14的刚性模量的比率可以是约1:25的比率。其他比率(比如1:2、1:5、1:10、1:20、1:50、1:100等)也是可能的。以此方式，通过选择桥接件的形状和/或材料，桥接件16可以比连接件14的刚性更小，使得由轴12的旋转引起的大部分形变可以出现在桥接件中。因此，当旋转轴处于操作中并且承受扭转力时，旋转轴12的形变可以在桥接件16的形变中被放大。桥接件16的刚性模量还可以低于旋转轴12的刚性模量。在一些情况下，桥接件16和旋转轴12的刚性模量可以几乎相同(例如，1:1)，或者旋转轴可以具有较低的刚性模量，尽管在这种情况下，将不存在桥接件具有较高刚性模量的益处。由于桥接件16可以是相对柔性的，轴12的扭转刚度可以独立于连接件14和桥接件的刚度。
图2示出了联接到旋转轴12的测量装置10的透视图的有限元分析。图例50示出了将颜色渐变与应变量相关联的标度(虽然在本披露中颜色是图像的灰度)。如可以看到的，桥接件16的跨段26可以在旋转轴的操作期间经受应变52，该应变可以比套环20a、20b的应变54高几个数量级。例如，由套环20a、20b经受的应变54可以很大程度地落在约5.296*10-7至约1.469*10-3的范围内，而由跨段26经受的应变52可以很大程度地落在约5.873*10-3至约1.321*10-2的范围内。与轴12的表面上的应变56(其可以是约4.405*10-3)相比，跨段26上的应变52也可以被放大。在图2所展示的有限元分析中，跨段26上的应变52可以是轴12上的应变56的两倍。因此，应变传感器18可以被放置在跨段26上，使得由传感器18测量的应变可以与轴12的应变56和连接件14的应变54相比被放大。在一些实施例中，桥接件16的挠曲区的刚度可以显著低于连接件14和桥接件16的落在挠曲区之外的任何部分(例如，第一邻接件24a和第二邻接件24b)。在一些实施例中，桥接件16的挠曲区可以足够薄，以便不会显著贡献于轴12的刚度。有利地，测量装置10不需要高度的制造精度来放大应变读数。如上所讨论的，通过桥接件16中的应力集中，与轴12的表面处的应变相比，由应变传感器18测量的应变可以被放大。以此方式放大应变可以减小应变读数中的噪声。
图3示出了应变传感器18的三个示例性实施例。例如，应变传感器18可以以四分之一惠斯通电桥配置18a、半惠斯通电桥配置18b或全惠斯通电桥配置18c来使用。由于这些示例性配置中的任一个可以足以测量旋转轴12的应变，所以应变传感器18可以是很多用途的，如本文未展示的其他配置所可以的那样。例如，在图1所展示的测量装置10中，四分之一惠斯通电桥配置18a可以足以实现轴12的应变读数。四分之一惠斯通电桥18a可以包括一个应变仪或机械桥300。为了增加性能，可以使用半惠斯通电桥18b，其与四分之一惠斯通电桥18a相比可以使应变读数的强度加倍。半惠斯通电桥18b可以包括两个机械桥302a、302b，这两个机械桥可以彼此相对地放置，使得当这两个机械桥中的一个被压缩时而另一个机械桥可以扩张。半惠斯通电桥18b的构造可以减少应变读数中的噪声和漂移，因为两个机械桥302a、302b中的改变可以彼此抵消或大致抵消。全惠斯通电桥18c可以用作应变传感器18，其与半惠斯通电桥18b相比可以使信号读数的强度加倍。全惠斯通电桥18c可以包括四个机械桥304a、304b、304c、304d。与半惠斯通电桥18b相比，两个额外的桥304c、304d可以与可存在于半电桥中的两个机械桥304a、304b镜像地安装。使用全惠斯通电桥18c可以使应变传感器18的信噪比最大化。
虽然图3将应变传感器18的三个示例性实施例展示为应变仪的各种配置，但是其他应变仪配置也是可能的。进一步地，本领域技术人员将认识到，应变仪是可以机械地测量应变的一种方式，但可以出于类似目的采用其他机制，包括进行机械测量的其他传感器，以及可以电气地、光学地、磁性地或以其他方式测量应变的传感器或部件。只要应变传感器可以完全安装在旋转参考平面内而不与旋转轴直接接触，则这样的变化就可以落入本披露的范围内。通过非限制性示例的方式，使用电容传感器测量应变的部件可以用作应变测量传感器18。这可以包括相对于彼此移动并改变电容的两个板，电容的改变代表由旋转轴在操作中经受的应变。另一个替代方案包括磁传感器，该磁传感器依赖于铁磁特性以基于磁场中的变化来测量应变。又另一个替代方案可以包括光学测量。
在一些实施例中，应变传感器18也可以被设计成检测轴12的弯曲。轴12的弯曲可以导致桥接件16的挠曲区变形，使得传感器18可以检测形变。旋转轴12可以经历两种形式的弯曲。第一类型的弯曲可以由从观察者的视角在固定到静止参考系的方向上施加到轴的力引起，该力在旋转参考系(即，轴的视角)中表现为旋转。传感器18可以将这种第一类型的弯曲检测为扭矩的波动。它将导致一个取向上的正误差以及相反取向上的负误差。第二类型的弯曲可以由轴上的力引起，该力在旋转参考系中可以表现为静止并且在静止参考系中可以表现为旋转。传感器18可以将这种第二类型的弯曲检测为扭矩读数中的恒定误差。第二类型的弯曲的影响可以通过在零扭矩下校准传感器18去除。
如果旋转轴12上的扭矩在轴的旋转内相对恒定，则可以容易地从来自应变传感器18的应变信号测量中提取轴的弯曲和扭矩。可以在轴12的旋转上对应变信号进行平均以计算轴的准确扭矩。应变信号在轴12的一转中的波动可以用于确定轴的弯曲。因此，应变传感器18可以用于检测轴12的扭矩和弯曲，这在成本敏感或体积受限的系统中可以是有用的。
图4展示了本披露的测量装置10′的另一个示例性实施例，该测量装置可以按照不需要将任何部件固定在静止参考平面中的方式测量旋转轴12′(图5)的角速度。测量装置10′可以包括连接件14′、桥接件16′、以及与桥接件相关联的应变测量传感器(不可见)。测量装置10′可以包括辅助部件200，该辅助部件可以包括(除其他之外)加速度计202，该加速度计可以检测旋转轴12′的角速度。加速度计202和更总体地辅助部件200可以在旋转参考系中随旋转轴12′一起旋转。
连接件14′的大小可以确定成通过第一套环20a′和第二套环20b′沿着连接件的中心纵向轴线A1′接收旋转轴12′。在一些实施例中，旋转轴12′可以具有约9.5mm的直径Ds，并且第一套环20a′和第二套环20b′可以相应地确定大小。应变传感器(图4中不可见)可以安装在连接件14′的中心纵向轴线上方约9mm的距离rg，当轴12′被接收在连接件14′内时，该中心纵向轴线可以对应于旋转轴线。将理解，各种部件(例如，连接件14、14′、套环20a、20b、20a′、20b′、桥接件16、16′、轴12、12′等)的尺寸及这些部件之间的距离可以至少部分地基于比如装置的其他部件的尺寸、装置使用所在的轴、以及所期望的用途和测量、以及其他因素等因素。本领域技术人员将理解如何确定装置的大小以用于特定机械系统的期望用途。套环20a′、20b′可以由标准铝轴套环加工而成。可以使用例如磨机将平坦面或表面(不可见)加工成每个套环的圆形外表面。可以穿过每个套环20a′、20b′钻出并攻出孔21，使得螺栓23可以穿过其来插入。在一些实施例中，每个套环20a′、20b′可以具有用于接收螺栓的两个孔21，在连接件14′的中心纵向轴线的两侧上各具有一个孔。以此方式，套环20a′、20b′可以通过紧固穿过套环中的每个孔21的螺栓来紧固地联接到穿过这些套环接收的旋转轴。因此，连接件14′可以随旋转轴12一起旋转。
桥接件16′可以包括第一邻接件24a′、第二邻接件24b′以及跨段26′。在一些实施例中，桥接件16′可以通过增材制造(3D打印)工艺由ABS塑料制成。跨段26′的至少一部分可以形成桥接件16′的当旋转轴12′处于扭转力下时可以变形的挠曲区。在一些实施例中，跨段26′可以制造为具有3D打印机可以可靠地打印的尽可能小的厚度，例如，具有约1.5mm的厚度。可以穿过第一邻接件24a′和第二邻接件24b′中的每一个钻出间隙孔，使得螺栓25a、25b可以穿过该间隙孔来插入并且可以相应地将第一邻接件和第二邻接件紧固到第一套环20a′和第二套环20b′。连接件14′和桥接件16′两者的制造可以以相对低的精度完成，因为大多数偏差可以通过校准应变传感器来去除。
一个或多个应变仪(例如，四分之一惠斯通电桥18a、半惠斯通电桥18b或全惠斯通电桥18c)可以胶合或以其他方式紧固地安装到桥接件16′，使得当挠曲区随着旋转轴的旋转而变形时，可以测量桥接件的挠曲区上的应变。例如，应变传感器可以与跨段26′相关联。
辅助部件200可以包括底座204，该底座具有延伸穿过其的内腔206。内腔206的大小可以被确定成当旋转轴联接到连接件14′时接收旋转轴12′。加速度计202可以安装在底座204上。辅助部件200还可以包括电池206、麦克风208、微控制器210、电路板212和测力传感放大器214。在一些实施例中，如结合图5所描述的，电池206可以是锂离子电池，其可以用于对测量装置10′供电。
图5示出了具有联接到旋转轴12′的图4的辅助部件200的测量装置10′的测试设置。电连接216可以在辅助部件200与测量装置10′之间延伸，使得来自应变传感器的测量可以用于监测旋转轴12的性能。该设置还可以包括电源218、驱动电机220、阻尼电机222和电阻器阵列224。旋转轴12′可以在一端联接到驱动电机220，并且在另一端联接到阻尼电机222。在一些实施例中，驱动电机220和阻尼电机222可以是有刷DC电机，并且旋转轴12′可以利用兼容的耦合器附接到每一个。驱动电机220可以联接到电力供应器218，该电力供应器可以包括电子速度控制，使得驱动电机可以例如由用户通过计算机终端来控制。
在一些实施例中，加速度计202可以用于检测在轴的操作期间存在于轴12′上的振动的频率和/或振幅。这种频率数据可以用于检测与旋转轴12′相关联的机械系统中的问题或异常。加速度计202可以测量轴12′的径向加速度以确定角速度，因为径向加速度与角速度的平方成比例。虽然重力效应影响所有非竖直轴中的径向加速度和角加速度的读数，但是这些效应相对于轴12′的向心加速度可能是不显著的，并且如果加速度计202的采样率相对于轴旋转的频率(即，轴旋转速度)是高的，则可以将这些效应平均掉。例如，在轴12′的高速度下，向心加速度高，这可以使信号中的重力效应最小化，而在轴的低速度下，可以使用相对于轴速度的更快的采样率，使得可以将重力效应平均掉。
在一些情况下，可以分析由加速度计202测量的径向加速度信号或角加速度信号的频率，以确定轴12′的角速度。如果轴12′不处于竖直取向，由于轴上的重力，在恒定速度的给定的旋转中至少一些信号将波动。例如，当旋转轴12′处于水平取向(比如图5中所示)并且以恒定角速度旋转时，轴的角加速度可以随着每次旋转从正g变化到负g，其中，g是重力加速度。类似地，轴12′的径向加速度ac可以从ac+g变化到ac-g。在足够高的采样器速率(例如，旋转轴12′的角频率的至少两倍)的情况下，加速度计202的功率谱可以清楚地将轴12′的角速度识别为信号中的主频率。加速度计功率谱中的其他频率可能是轴12′的振动的结果。因此，这种振动的频率和振幅可以由测量装置10′收集，这在评估和监测与轴12′相关联的机械系统的健康方面可以是有用的信息。
阻尼电机222可以附接到电阻器阵列224，这可以创建简单的可变粘性阻尼器。电阻器阵列224可以包括继电器，使得电阻器可以串联或旁路，这由此可以创建具有电阻R的离散可变电阻器。如果阻尼电机222被视为纯回转器，则电机轴T(其可以直接联接到旋转轴12′)上的扭矩可以与通过电机的电流成比例。来自阻尼电机222的反电磁场(EMF)可以与电机轴的角速度ω成比例。这个比例常数可以是电机扭矩常数Kt。将这些与基尔霍夫电压定律组合，扭矩和速度可以遵循等式(4)中所示的关系。扭矩与速度之间的这种关系与具有阻尼系数Kt 2/R的旋转阻尼器的相同。这种装置比基于流体的阻尼器更容易改变。编码器可以被添加至电机轴T和旋转轴12′之一或两者以验证由加速度计202测量的角速度。
Figure BDA0003354184100000181
继续参考图4和图5，电连接216可以将测量装置10′的应变传感器(例如，四分之一惠斯通电桥18a、半惠斯通电桥18b或全惠斯通电桥18c)连接到辅助部件200的测力传感放大器214。例如，测力传感放大器214可以是HX711测力传感放大器芯片，其可以包括电压调节器、放大器和模数转换器(ADC)，并且可以被设计用于惠斯通电桥配置中的测力传感器。在图5的测试设置中，测力传感放大器216可以具有约80Hz的最大采样、24位分辨率以及约±0.5伏特的最大电压差。应变传感器可以是全惠斯通电桥18c，其可以包括四个350Ω应变仪(即，机械桥304a、304b、304c、304d)，其计量因数为2。电源218可以向应变传感器提供3.3V的供电电压，该供电电压可以通过测力传感放大器214引起约7.2％的最大可检测应变。在一些情况下，惠斯通电桥18a、18b、18c的应变仪可以具有约2％的最大应变，并且因此可以是应变传感器可以检测的最大扭矩的限制因素。
测量装置10′可以被构造成使得可以防止应变传感器的饱和。对于具有最大剪切应力τ最大的旋转轴和具有最大应变∈g，最大的应变仪，如果满足等式(5)中的条件，则轴将在传感器饱和之前断裂，其中Ds是旋转轴的直径，G是轴材料的剪切模量，并且rg是从轴的旋转轴线到应变传感器的距离。
Figure BDA0003354184100000191
例如，在一个实施例中，应变传感器可以放置在旋转轴的表面上方约5mm的距离处。在大多数机械系统中，这个距离可以是实际且可实现的距离。换言之，应变传感器距旋转轴的中心纵向轴线(即，旋转轴线)的距离rg可以等于轴直径的一半加上约5mm。在这样的构造下，应变传感器典型地将不饱和，只要轴直径大于约1.5mm(对于钢)和约2.3mm(对于铝)。
来自放大器测力传感器214和加速度计202的数据可以被传递到微控制器212。在一些实施例中，微控制器212可以例如经由Wi-Fi将数据传输到计算控制台，使得可以由用户读取数据。微控制器212可以节省数据传输过程中的功率。例如，微控制器212可以以高采样率对数据进行采样，可以在数据传输的持续时间的至少一部分内暂停数据采样，并且可以在数据传输之后恢复采样。可以对采样率和采样暂停时间进行编程以适配于特定机械系统和旋转轴的操作条件、约束和/或要求。
实验结果
参考图6至图10描述了从图5的设置的测量装置10′和辅助部件200获得的实验结果。在第一实验设置中，通过固定旋转轴的一端来限制旋转轴12′旋转。这可以去除可能由连续旋转引起的复杂性(比如电连接216的向心加速度和移动)，并且还可以存在更简单的配置以在轴上施加恒定的已知扭矩。因此，出于测试目的，利用在一端固定的轴12′，可以更快速且更准确地校准测量装置10′和辅助部件200。在一个实验中(其结果在图6中展示)，将已知的重量施加到杠杆臂，该杠杆臂可以在测量装置10′上并且更具体地在应变传感器上引起已知的扭矩。可以改变施加到杠杆臂的重量以改变引起的扭矩。图6在图表600中展示了校准测量装置10′的实验结果，该图表示出了随着时间的施加到轴12′的扭矩。更具体地，图表600绘制了如由测量装置10′测量的轴12′上的扭矩602和施加到轴的实际扭矩604。图6的图表展示了传感器的形变和相应的应变读数可以与施加的扭矩604成线性关系。此外，图表600证明了测量装置10′可以至少在约半小时的时间尺度内保持校准。
图5的测量装置10′的另一个测试利用已知长度l的杠杆臂和可以测量施加的力F的校准的测力计来进行，使得可以连续地改变和测量施加的扭矩。图7示出了图表700，该图表绘制了如由测量装置10′测量的所得扭矩702(Ts)对比于施加的扭矩704。等式(6)可以用于计算样本误差δ。通过分析样本误差，可以发现，在超过70％的样本中，测量装置10′具有小于0.4％的误差。不存在具有大于1.6％误差的实验样本。
Figure BDA0003354184100000201
测量装置10′可以被设计成测量旋转轴12′在轴的操作(即，旋转)期间的弯曲和扭矩。在施加的扭矩在轴12′的旋转内可以相对恒定并且轴12′的所有弯曲都在固定方向上以使得弯曲从轴的视角表现为旋转的情况下，扭矩和弯曲均可以以相对简单的方式从测量装置10′获得。如从图7的图表中可以看到的，由测量装置10′测量的扭矩702可以紧密地匹配实际施加的扭矩704。在一些情况下，比如图5的实验设置，轴12′的弯曲可能由测量装置10′的重量引起。重力可以不断地对测量装置10′施加拉力，这可能使轴12′弯曲。随着轴12′的大小的增加，由于测量装置10′上的重力引起的轴的弯曲可以减小。在大多数实际应用中，与轴12′相比，测量装置10′的重量将无关紧要，由此使得由于测量装置的重力效应而导致的轴的弯曲无关紧要。
图8是图表800，该图表绘制了在旋转轴12′旋转期间随着时间的从应变传感器并且更广泛地讲从测量装置10′输出的应变读数802。应变读数802可以近似正弦波，其中信号的平均值与轴12′的扭矩和振幅弯曲成比例。图8的应变读数802是利用约7.6赫兹(Hz)自旋的旋转轴12′获取的，其中数据采样为约57Hz。应变读数中的主频率(即，来自应变传感器18的信号)可以是旋转轴12′的速度。图9用六个绘图900、902、904、906、908、910展示了这一点，这些绘图相应地描绘了在0Hz、大约2.273Hz、大约4.546Hz、大约7.578Hz、大约10.61Hz、和大约14.4Hz的轴速度下的应变传感器信号的功率谱。在图9的至少一些绘图中可以看到可能在自旋时出现的一些噪声。
基于利用图5的实验设置执行的测试，可以使用频率方法成功地确定旋转轴12′的加速度。图10是图表1000，该图表绘制了在一秒角加速度数据上作为频率的函数的角加速度的功率谱的量值1002。在约26.5Hz处可以看到功率谱的量值1002中的峰值1004，这可以识别旋转轴12′的速度。
所披露的装置和方法的进一步讨论
本文披露的测量装置10、10′的一个优点可以是可以获得旋转轴12、12′的扭矩的数字信号的低成本。例如，在一些实施例中，测量装置10、10′的成本可小于约13.00美元。通过批量制造，可以更进一步地减少成本。因此，本文披露的测量装置可以用作评估、监测和/或控制具有旋转轴的机械系统的健康的成本有效的解决方案。
上述实施例的示例可以包括以下：
1.一种用于监测包括旋转轴的机械系统的装置，该装置包括：
连接件，该连接件被配置成联接到旋转轴，该连接件具有第一参考位置和第二参考位置；
桥接件，该桥接件联接到该连接件并且在该第一参考位置与该第二参考位置之间延伸，该桥接件被配置成设置成使得当该连接件被联接到旋转轴时该桥接件的纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移，该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行，并且该桥接件包括挠曲区，该挠曲区被配置成响应于该旋转轴在该旋转轴的操作期间承受扭转力而变形；以及
与该桥接件相关联的应变测量传感器，该应变测量传感器被设置在该第一参考位置与该第二参考位置之间，该传感器被配置成基于由该应变测量传感器测量的应变来确定由该旋转轴在该旋转轴的操作期间经受的扭转力的量值。
2.如权利要求1所述的装置，其中，该连接件、该桥接件和该应变测量传感器中的每一个被配置成随该旋转轴一起旋转，使得该应变测量传感器在没有静止参考系的情况下测量应变。
3.如权利要求1或权利要求2所述的装置，其中，该应变测量传感器进一步被配置成检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。
4.如权利要求1至3中任一项所述的装置，进一步包括加速度计，该加速度计被配置成确定该旋转轴在该旋转轴的操作期间的旋转速度。
5.如权利要求4所述的装置，其中，该加速度计进一步被配置成检测在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的频率和在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的振幅中的至少一个。
6.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，该应变测量传感器包括以半惠斯通电桥配置设置的两个机械桥。
7.如权利要求1至5中任一项所述的装置，其中，该应变测量传感器包括以全惠斯通电桥配置设置的四个机械桥。
8.如权利要求1至7中任一项所述的装置，其中，该桥接器进一步包括：
第一邻接件，该第一邻接件联接到该连接件，与距该第二参考位置相比更邻近该第一参考位置；
第二邻接件，该第二邻接件联接到该连接件，与距该第一参考位置相比更邻近该第二参考位置；以及
在该第一邻接件与该第二邻接件之间延伸的跨段，该应变测量传感器与该跨段相关联。
9.如权利要求8所述的装置，其中，该连接件进一步包括：
第一套环，该第一套环包括该第一参考位置，该第一邻接件被联接到该第一套环；以及
第二套环，该第二套环包括该第二参考位置，该第二邻接件被联接到该第二套环。
10.如权利要求1至9中任一项所述的装置，其中，该应变测量传感器被配置成测量在张力下的应变。
11.如权利要求1至10中任一项所述的装置，其中，该应变测量传感器包括拉伸应变仪。
12.如权利要求1至11中任一项所述的装置，其中，由该应变测量传感器测量的应变大于当该旋转轴承受该扭转力时由该旋转轴经受的应变。
13.如权利要求12所述的装置，其中，该桥接件被配置成使得在该桥接件的该纵向轴线与该旋转轴的该中心纵向轴线之间的侧向偏移的距离是可调整的，以便进而调整由该应变测量传感器测量的应变与当该旋转轴承受该扭转力时由该旋转轴经受的应变之间的差异。
14.如权利要求1至13中任一项所述的装置，其中，该桥接件具有的刚性模量至多是该旋转轴的刚性模量的五分之一。
15.一种用于监测包括旋转轴的机械系统的方法，该方法包括：
使用联接到机械系统的旋转轴的应变测量装置来测量该机械系统的该旋转轴的机械放大的应变，使得当该旋转轴操作时该应变测量装置随该旋转轴一起旋转，所测量的机械放大的应变大于当该旋转轴操作时由该旋转轴经受的应变。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该应变测量装置的被配置成联接到该旋转轴或测量与该旋转轴相关联的应变的每一个部件在该旋转轴操作时随该旋转轴一起旋转。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该应变测量装置的被配置成联接到该旋转轴或测量与该旋转轴相关联的应变的每一个部件包括：
联接到该旋转轴的连接件；
联接到该连接件的桥接件；以及
与该桥接件相关联的应变测量传感器，该传感器执行测量该旋转轴的机械放大的应变的动作。
18.如权利要求17所述的方法，其中，该桥接件被设置成使得其纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移，该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行。
19.如权利要求15至18中任一项所述的方法，进一步包括：
将该应变测量装置联接到该旋转轴。
20.如权利要求19所述的方法，其中，将该应变测量装置联接到该旋转轴进一步包括：
将该应变测量装置的第一套环联接到该旋转轴上的第一位置；以及
将该应变测量装置的第二套环联接到该旋转轴上的第二位置，该应变测量装置进一步包括在该两个套环之间延伸的桥接件，并且该桥接件的纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移，该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括：
调整在该桥接件的该纵向轴线与该旋转轴的该中心纵向轴线之间的侧向偏移的距离，以便相对于当该旋转轴操作时由该旋转轴经受的应变来调整该机械放大的应变的值。
22.如权利要求15至21中任一项所述的方法，其中，该应变测量装置包括应变测量传感器，该应变测量传感器被设置成远离该旋转轴一段距离，使得该应变测量传感器不直接接触该旋转轴并且从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移。
23.如权利要求15至22中任一项所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。
24.如权利要求15至23中任一项所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来确定该旋转轴在该旋转轴的操作期间的旋转速度。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来检测在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的频率和在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的振幅中的至少一个。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。
27.如权利要求15至26中任一项所述的方法，其中，该应变测量装置测量该机械系统的该旋转轴在张力下的机械放大的应变。

Claims (27)

1.一种用于监测包括旋转轴的机械系统的装置，该装置包括：
连接件，该连接件被配置成联接到旋转轴，该连接件具有第一参考位置和第二参考位置；
桥接件，该桥接件联接到该连接件并且在该第一参考位置与该第二参考位置之间延伸，该桥接件被配置成设置成使得当该连接件被联接到旋转轴时该桥接件的纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移，该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行，并且该桥接件包括挠曲区，该挠曲区被配置成响应于该旋转轴在该旋转轴的操作期间承受扭转力而变形；以及
与该桥接件相关联的应变测量传感器，该应变测量传感器被设置在该第一参考位置与该第二参考位置之间，该传感器被配置成基于由该应变测量传感器测量的应变来确定由该旋转轴在该旋转轴的操作期间经受的扭转力的量值。
2.如权利要求1所述的装置，其中，该连接件、该桥接件和该应变测量传感器中的每一个被配置成随该旋转轴一起旋转，使得该应变测量传感器在没有静止参考系的情况下测量应变。
3.如权利要求1所述的装置，其中，该应变测量传感器进一步被配置成检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。
4.如权利要求1所述的装置，进一步包括加速度计，该加速度计被配置成确定该旋转轴在该旋转轴的操作期间的旋转速度。
5.如权利要求4所述的装置，其中，该加速度计进一步被配置成检测在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的频率和在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的振幅中的至少一个。
6.如权利要求1所述的装置，其中，该应变测量传感器包括以半惠斯通电桥配置设置的两个机械桥。
7.如权利要求1所述的装置，其中，该应变测量传感器包括以全惠斯通电桥配置设置的四个机械桥。
8.如权利要求1所述的装置，其中，该桥接器进一步包括：
第一邻接件，该第一邻接件联接到该连接件，与距该第二参考位置相比更邻近该第一参考位置；
第二邻接件，该第二邻接件联接到该连接件，与距该第一参考位置相比更邻近该第二参考位置；以及
在该第一邻接件与该第二邻接件之间延伸的跨段，该应变测量传感器与该跨段相关联。
9.如权利要求8所述的装置，其中，该连接件进一步包括：
第一套环，该第一套环包括该第一参考位置，该第一邻接件被联接到该第一套环；以及
第二套环，该第二套环包括该第二参考位置，该第二邻接件被联接到该第二套环。
10.如权利要求1所述的装置，其中，该应变测量传感器被配置成测量在张力下的应变。
11.如权利要求1所述的装置，其中，该应变测量传感器包括拉伸应变仪。
12.如权利要求1所述的装置，其中，由该应变测量传感器测量的应变大于当该旋转轴承受该扭转力时由该旋转轴经受的应变。
13.如权利要求12所述的装置，其中，该桥接件被配置成使得在该桥接件的该纵向轴线与该旋转轴的该中心纵向轴线之间的侧向偏移的距离是可调整的，以便进而调整由该应变测量传感器测量的应变与当该旋转轴承受该扭转力时由该旋转轴经受的应变之间的差异。
14.如权利要求1所述的装置，其中，该桥接件具有的刚性模量至多是该旋转轴的刚性模量的五分之一。
15.一种用于监测包括旋转轴的机械系统的方法，该方法包括：
使用联接到机械系统的旋转轴的应变测量装置来测量该机械系统的该旋转轴的机械放大的应变，使得当该旋转轴操作时该应变测量装置随该旋转轴一起旋转，所测量的机械放大的应变大于当该旋转轴操作时由该旋转轴经受的应变。
16.如权利要求15所述的方法，其中，该应变测量装置的被配置成联接到该旋转轴或测量与该旋转轴相关联的应变的每一个部件在该旋转轴操作时随该旋转轴一起旋转。
17.如权利要求16所述的方法，其中，该应变测量装置的被配置成联接到该旋转轴或测量与该旋转轴相关联的应变的每一个部件包括：
联接到该旋转轴的连接件；
联接到该连接件的桥接件；以及
与该桥接件相关联的应变测量传感器，该传感器执行测量该旋转轴的机械放大的应变的动作。
18.如权利要求17所述的方法，其中，该桥接件被设置成使得其纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移，该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行。
19.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
将该应变测量装置联接到该旋转轴。
20.如权利要求19所述的方法，其中，将该应变测量装置联接到该旋转轴进一步包括：
将该应变测量装置的第一套环联接到该旋转轴上的第一位置；以及
将该应变测量装置的第二套环联接到该旋转轴上的第二位置，该应变测量装置进一步包括在该两个套环之间延伸的桥接件，并且该桥接件的纵向轴线从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移，该纵向轴线和该中心纵向轴线基本上彼此平行。
21.如权利要求20所述的方法，进一步包括：
调整在该桥接件的该纵向轴线与该旋转轴的该中心纵向轴线之间的侧向偏移的距离，以便相对于当该旋转轴操作时由该旋转轴经受的应变来调整该机械放大的应变的值。
22.如权利要求15所述的方法，其中，该应变测量装置包括应变测量传感器，该应变测量传感器被设置成远离该旋转轴一段距离，使得该应变测量传感器不直接接触该旋转轴并且从该旋转轴的中心纵向轴线侧向地偏移。
23.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。
24.如权利要求15所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来确定该旋转轴在该旋转轴的操作期间的旋转速度。
25.如权利要求24所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来检测在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的频率和在该旋转轴的操作期间存在于该旋转轴上的振动的振幅中的至少一个。
26.如权利要求25所述的方法，进一步包括：
使用该应变测量装置来检测该旋转轴在该旋转轴的操作期间的弯曲。
27.如权利要求15所述的方法，其中，该应变测量装置测量该机械系统的该旋转轴在张力下的机械放大的应变。
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