CN1162990A - 用于转动轴扭距测量的装置 - Google Patents

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Abstract

一种适用于计算轴的功率而不需要使用安装在或粘附在轴上的传感器的测量转动轴的扭距的装置。通过使用脉冲接收器中的一个单一的光电传感器的方式，可以提高其长期精度。由于温度变化和时间推移所产生的传感器数据的变化，将不会影响到其精度。由光源/发射器发出的光通过光导纤维传递，用使光束穿过由安装在轴上的、彼此相距常规距离的编码盘/大齿轮的两个气隙(16，21)的方式产生光脉冲。使通过光导纤维(24a，24b)由光源/发射器(45)发出光，通过U形的光学元件(39，40)，以使其光束产生光脉冲并在光拾取器(32)处相叠加。在两个编码盘/大齿轮上的叶片/轮齿之间的时间偏置量，是一个有关轴扭转的测量参数，由此可用计算机(50)计算出轴的功率。为了增加在轴振动时的测量精度，还可以在常规的轴的转动圈数下，对该宽度调制脉冲进行叠加和平均处理。通过测量脉冲的上升和下降边缘以在轴每转动一圈获得两倍数目的脉冲数的方式，可以进一步提高其精度。

Description

用于转动轴扭距测量的装置
本发明涉及一种测量加有负载的转动轴的扭转角的新方法。当该角度已知时，便可以象RPM也是已知的或已测量得到的那样，计算出其扭距和功率。
直到今日，可用于测量各种类型机械的转动轴的功率的测量方法大部分都是采用粘附在轴上的应变片进行的。即将应变片测量得到的信号通过滑环测量方式或遥测测量方式传递至电子仪器和显示器。当采用遥测测量方式时，必须具有安装在转动轴上的、由转动电池提供电力的发射器，或是采用更新的系统，如可向轴上的应变片电子组件传递功率的无线发射器等等。
一种较新的系统采用了所谓的磁霍尔效应传感器。传感器利用两个按彼此相距适当距离的方式安装在轴上的大齿轮上来拾取信号。在两个大齿轮上的测量敏感处分别设置有两个霍尔效应传感器，当向轴施加负载时，在两个传感器检测到的脉冲之间将出现时间滞后。可由该脉冲之间的时间滞后测量出受载轴的扭转角。与此相类似的一个系统，已公开在“Antriebstechnik”33卷(1994)的第八期第53页，题目是“Entwicklungeines robusten ber hrongslosen Drehzal-Drehmoment-Messystems”。
美国专利4520681公开了一个利用脉冲应变原理的系统，它具有彼此相距适当的固有距离且安装在轴上的两个转动编码器。利用电脉冲之间的时间滞后测量其扭转角。两个传感器按彼此相距适当的距离的方式安装，且相对于每一个转动编码器有一个传感器。由所述的传感器给出的脉冲之间的所述的时间滞后，由电子计数电路加以测量。在该美国专利4520681中，即可以使用光学传感器，也可以使用磁传感器。这一系统所使用的原理，与“Antriebstechnik”33(1994)第八期第53页中公开的原理，是相同的或称是相类似的。
上述的系统均具有共同的运行原理，即为了能检测出受载轴的扭转角，它们均需要使用两个电子传感器。
对于这类使用按彼此相距一定距离的方式设置的两个传感器的系统，为了能获得有效的精度，必须使两个传感器的触发点彼此之间不产生漂移。而使用时间和/或温度的变化，均会使彼此间的触发点发生漂移，而且可能是朝着相反的方向。
在这儿所公开的本发明，是只采用一个传感器测量受载转动轴的扭转角的单一传感器系统。这可以消除在传感器脉冲之间的测量得到的时间滞后间的漂移，以及由此产生的测量失准。本发明给出的是一种具有高精度和持久稳定性的新型系统。
所提到的这些特征均描述在本发明的权利要求1中：
一种通过测量由按彼此相距适当距离的方式安装在轴(4)上的两个叶片型组件(3a，3b)所产生的脉冲宽度的方式，来测量转动轴的扭距的装置，其特征在于用所述的叶片(3a，3b)产生脉冲的窄光束(2)测量扭转角，与所述的扭转角有关的全部信息均包含在由光敏电子检测器接收到的一系列的宽度调制光脉冲的信号中，该检测器以可存储在计算机存储器中的信号的形式产生电信号，以对其进行处理，并将轴的扭距显示在监测器上。
图1示出了具有一个作为发射器的光源和一个作为接收器的光敏电子传感器的装置。作为发射器的光源可以是一个激光源，也可以是一个光发射二极管(LED)。由发射器(1)发出的窄光束(2)沿与转动轴(4)平行的方向辐射。
在轴转动期间，该光束将会受到安装在该轴上的叶片(3a)和(3b)的遮断，而叶片(3a)和(3b)是以彼此相距适当距离的方式安装在轴上的。按这种方式产生的光脉冲由标号为(5)的接收器接收。光敏电子组件(6)将产生电脉冲。当轴上加有负载时，叶片(3a)和(3b)将按与扭转角相等的角度偏置。
亮/暗时间将由无负载时t增加到有负载时的t＋Δt。产生这种现象的原因如图4所示，即叶片(3a)和(3b)是安装在轴上的，且彼此的偏置时间为Δt。
图2示出了使用光导纤维光缆(9)的一个实例。由所述的光缆发出的光束可在叶片(3a)和(3b)处被遮断。由光源(1)发出的光束穿过叶片(3a)处的空间，进而由光接收器(7)拾取，再穿过光导纤维光缆(9)，光学透镜(10)并且通过叶片(3b)处的空间而到达光接收器(11)，后者与具有产生本机脉冲的电子电路的光敏接收器(6)相联接。采用通过光导纤维光缆进行光传输的方式，可以使其穿过诸如如图2中的(8)所示的轴承等等的障碍物。这使得增大遮断叶片之间的距离成为可能，进而可以提高测量精度。
图3A示出了具有两个用于光束调制的编码盘或称大齿轮的一种设置方式。正如图3A所示，由被标为S/M的光源(12)发出的光束，通过光导纤维光缆(13)到达光学转换器/透镜(14)。在光束(15)已通过转动着的转动脉冲调制盘(16)之后，由光接收器(17)接收，后者通过与其相联接的光导纤维(18)发出脉冲调制后的光束，并使其通过透镜(19)。光束(20)将穿过转动盘(21)并由光接收器(22)接收，由后者再发出穿过光导纤维(23)而到达被标为S/M的光敏传感器(12)的光束。按照这种方式，轴每转动一圈，光束就将被分成许多脉冲光束。在两个编码盘(16)和(21)的轮齿之间的偏置量，确定着脉冲宽度，从而可测量出扭转角、转距和轴的功率。
图3B示出了与图3A相类似的一种设置方式。在图3A中，发射出的光束(15)、(20)在它们将要穿过盘(16)和(21)处的空间时，是通过呈串联方式设置的光导纤维的。而在如图3B所示的设置方式中，由光源(12)发出的光束被分光成两个平行的光束。由光导纤维(24a)传递的光将通过间隙(26)和盘(16a)。类似的第二光束将通过光束(30)和盘(21a)。两条光束(26)和(30)分别由盘(16a)和(21a)形成脉冲光束。与图3A中的盘(16)和(21)相比，盘(16a)和(21a)被反转了。盘(16a)和(21a)相类似，均具有较窄的光开口和较宽的叶片。开口与叶片之间的的适当的比例可为1∶4。脉冲调制光通过光导纤维(28a)和(28b)传递。这两个脉冲光束在光叠加单元(32)处叠加。由光叠加单元(32)给出的叠加输出是一个脉冲宽度调制光束，并被传递到在图3B中被标为S/M的光敏电子接收器(12)。
从原理上讲，如图3A和3B所示的设置方式，可以向标号为(12)的光敏接收器和检测器给出类似的信息。由于和图3A所示的设置方式相比，图3B所示的设置方式具有较低的光阻尼，故更好些。由于光束可以被分成两个光束，而每一个均只通过一个空间间隔。因此，利用如图3B所示的较窄的光开口和较宽的叶片，还可以在将光导纤维(28a)和(28b)给出的脉冲叠加后，避免由加法器(33)给出的光脉冲的信号偏置，所以它更好些。
在图5中，标号(34)和(35)表示已通过了如图3A所示的两个盘(16)和(21)上的标号为A1、…An和B1…Bn的盘叶片的光脉冲。正如图3B所示，盘/大齿轮(16a)和(21a)呈与盘(16)和(21)反转的设置模式。
附装在同一轴上的盘/大齿轮是彼此对应的，且彼此相距适当的距离。
盘/大齿轮(16)和(21)上的多个位置在无负载状态下可以是不严格的。它们通常被设置在位于A1、…An之间的位置B1…Bn处，并且以在轴上加有负载时可以消除其重叠的方式设置。这种状态如图5中的标号(34)和(35)的所示。当轴转动时，光敏传感器(12)将接收如图5中的标号(36)所示的光脉冲。如果轴上无负载，则在两个盘/大齿轮上的轮齿A和B之间的时间偏置为t。当有负载时，这一时间偏置将增加到t＋Δt，其中Δt反映着负载的大小。
由如图3A或图3B所示的光敏传感器/接收器(12)接收到的光信号，将产生宽度调制电脉冲。可以用测量脉冲上升边缘之间的的时间或是测量脉冲下降边缘之间的时间的方式，来产生脉冲宽度调制。
在图5中，标号(37)表示由A和B的上升边缘产生的脉冲。在图5中，标号(38)表示由下降边缘产生的类似的脉冲。在轴每转动一圈，这种脉冲产生模式将产生两倍于脉冲的个数，而且为盘/大齿轮上的轮齿个数的两倍。
两个宽度调制脉冲(37)和(38)的脉冲序列可以在高速电子存储器中叠加。
可以对所经历的时间总和，按适当的轴转动圈数或是时间间隔进行平均和更新处理。
如果作为无负载时的时间偏置量的时间偏置t为零，则可以用在适当的时间间隔之后，平均所累积的量的方式计算出偏置时间量Δt。而且可以对选定的间隔进行时间Δt的更新。
可以用对轴每转动一圈的时间脉冲进行计数的方式，实施RPM的计算。如果用较高的时间频率驱动计数器，则可使RPM的测量具有更高的分辨率和精度。
利用平均处理后的时间偏置量Δt，测量出的RPM和有关轴的钢参数的知识，便可以计算出扭距和轴的功率。
本发明的另一种实用设置方式如图6所示。由光源S(45)发出的光通过分光光导纤维(24a)和(24b)。这两束光通过U型的间隔(39)和(40)。在该间隔的气隙量级为5-10毫米。这种设置与如图3A和3B所示的相类似，所述的光束由具有适当的轮齿/叶片的转动盘变成脉冲光束，并通过U型传感器中的气隙。
在通过了两个间隔(39)和(40)后，脉冲光束由光叠加单元(32)拾取。该总和光束通过光导纤维(33)传递到光敏接收器(41)。该光脉冲的形状如图5中的标号(36)所示。该接收器是一个具有非常短的快速响应的光敏接收器。由该接收器输出的电脉冲为TTL电位的信号。这些实时信号在高速的PLD计数电路中处理，后者中存储有原始信息，并可用于对测量的扭转角进行平均计算和更新处理。这一处理可通过双向RS485共用线，由标准PC(49)进行控制。
为了消除由诸如振动等等的周期性运动产生的不准确因素，可以在设定的轴的转动圈数之后，对代表着扭转角的信号进行叠加和平均化处理。
上述方法测量和计算所得数据足以用于对RPM、扭距和功率进行准确测量。
RPM、扭距和功率，均可以以曲线形式和数字形式显示在PC显示器(50)和/或LCD显示器上。
本发明的最大的优点是，它仅仅采用了一个光源和一个单一的光敏电子检测器。在如图3B和图6所示的设置方式中，也可以用两个独立的光源将光送入至光导纤维(24a)和(24b)中。是使用一个还是两个光源，是一个便利的问题。本发明的突出的特点在于，它是利用光导纤维将光由发射器送入至单一的光敏电子接收器/检测器。所述的这种设置可以将编码盘以彼此相距最适宜的距离的方式设置在轴上，所以具有很大的优点。
如上所速，两个传感测量点，即两个盘/大齿轮可以以彼此相距足够大的距离的方式安装在轴上，并利用光导纤维将激发的信号传递到单一的检测器上。
采用这种方式，可以将更多的轴承和隔板设置在旁路中，而且在两个传感测量点之间，即在两个盘/大齿轮之间的距离可以设置的尽可能大，从而可以提高精度。在如图3A、3B和图6所示的设置方式中，仅仅将一个轴承(8)设置在了光导纤维的旁路上。
在图7中，标号(51)和(52)表示两个不同形式的盘/大齿轮。盘/大齿轮(52)的形状与盘/大齿轮(51)的形状相反转。盘/大齿轮(51)的形状对暗脉冲敏感，而盘/大齿轮(52)的形状对亮脉冲敏感。大体上说，这两种方法均可以采用。在已分别通过了盘/大齿轮这两个编码器(51A)、(51B)或(52A)、(52B)到达光敏检测器的亮/暗脉冲的显示顺序为，A1，B1，……A12，B12。如图所示，编码盘的叶片/轮齿的个数为12，所以每转动一圈，可产生脉冲串A1……B12。圆圈(53)示出了可安装光源的适当位置。正如所述，在诸如脉冲A1，B1等等的之间的间隔代表着转动轴的扭转，即扭距。

Claims (8)

1.一种通过测量由两个叶片所产生的脉冲宽度的方式测量转动轴的扭距的装置，其特征在于用按彼此相距适当距离的方式安装在轴(4)上的所述的叶片(3a，3b)脉冲化了的窄光束(2)测量扭转角，与所述的扭转角有关的全部信息均包含在由光敏电子检测器接收到的一系列的宽度调制光脉冲的信号中，该检测器以可存储在计算机存储器中的信号的形式产生电信号，以对其进行处理，并将轴的扭距显示在监测器上。
2.如权利要求1所述的转动轴扭距的测量技术，其特征在于由光源(1)发射的光，并通过光导纤维(9)使光能够绕过(bypass)诸如轴承(8)、隔板等等的障碍物而通过。
3.如权利要求1和2所述的转动轴扭距的测量技术，其特征在于使用包含有许多轮齿的编码盘或称大齿轮(16，21)，以在轴每转动一圈时产生大量的光脉冲(34，35)，光脉冲(34，35)的叠加器(36)包含有要通过光导纤维(23)传输到接收器(12)的全部信息，接收器(12)仅包括一个可将光脉冲转换为电脉冲的光敏检测器，并用于分别测量在上升边缘之间的时间和在下降边缘之间的时间，测量出的时间可用于计算扭转角，进而计算出扭距。
4.如权利要求1、2和3所述的转动轴扭距的测量技术，其特征在于通过光导纤维传递的光穿过具有编码盘/大齿轮(16a，21a)的气隙(26，30)，而编码盘/大齿轮(16a，21a)以彼此相距适当的距离的方式设置在轴上，光束在该气隙中被脉冲化，然后该光脉冲由光拾取器(32)叠加，再由光导纤维(33)传递至光敏电子检测器(12)。
5.如权利要求1、2、3和4所述的转动轴扭距的测量技术，其特征在于用形成为U型剖面(39，40)的光学传感器接收由光导纤维(24a，24b)传递出的恒定的光，并再次发出可通过U型剖面(39，40)的气隙的窄束光束，该光束由编码盘/大齿轮(16)和(21)脉冲化，然后该脉冲光束由光导纤维(28a)和(28b)传递出并在光拾取器(32)处叠加，由此产生的光脉冲由光导纤维(33)传递到光敏电子检测器(41)，后者由光脉冲(36)产生电脉冲，由数据缆线(46)将其传递出，再由电子计数器(47)进行处理，在计数器(47)中存储着有关扭转角的全部信息，再用双向共用线(48)传递至计算机(49)，由后者计算并显示出RPM、扭距和功率。
6.如权利要求1至5所述的转动轴扭距的测量技术，其特征在于在盘(16a，21a)的叶片之间的时间偏置量，和在光导纤维(33)中的其脉冲形状如标号(36)所示的光脉冲，光脉冲通过光导纤维(33)被送入至光敏电子单元(12)，并分别变换呈如标号(37)和(38)所示的形状，其中所述的脉冲形状(37)用测量光脉冲的上升边缘的方式产生，而脉冲形状(38)用测量光脉冲的下降边缘的方式产生，从而在轴每转动一圈，即产生两组其总数为盘(16a，21a)上的叶片个数的两倍的电子宽度调制脉冲。
7.如权利要求1至6所述的转动轴扭距的测量技术，其特征在于在预定的时间或轴的转动圈数内，将由上升边缘产生的宽度调制脉冲(37)和由下降边缘产生的宽度调制脉冲(38)均叠加并存储在计算机的存储器中，然后再将叠加了的时间偏置量平均化，在轴的RPM已知时计算出扭转角。
8.如权利要求1至7所述的转动轴扭距的测量技术，其特征在于按将亮脉冲用暗脉冲替代并且分别使编码盘(51)和(52)反转的方式，利用反转后的信号。
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