CN1228532A

CN1228532A - 非接触电测量旋转扭矩的方法

Info

Publication number: CN1228532A
Application number: CN 98100490
Authority: CN
Inventors: 钱广宇
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1998-03-09
Filing date: 1998-03-09
Publication date: 1999-09-15

Abstract

一种非接触电测量旋转扭矩的方法,其特征在于:该方法是在旋转系中,利用应变体传递扭矩并按所传递扭矩产生相应转动变形,而静止的测量头通过光、电或磁效应非接触地测得固联于应变体上的两个栅体因应变体相对转动而产生的相对变化,并输出正比于所传递扭矩的电信号。

Description

非接触电测量旋转扭矩的方法

本发明系非接触电测量旋转扭矩的方法，属于扭矩测量技术。

目前，已有测量扭矩的方法是：通过在旋转件上贴应变片将扭矩以电信号输出。由于应变片在旋转系上，因此需要用电刷--导电环将电信号引出至固定系，并经后级放大器处理为可使用的信号。其主要问题是：

1．结构复杂、造价高；

2．有磨损，寿命低；

3．环节多，整体可靠性低；

4．有不一致性，调整及标定复杂；

5．不能耐水、尘、腐蚀、大温差及机械振动等恶劣环境。

本发明的目的是设计一种能够以低造价的简单结构实现对旋转系扭矩的非接触测量，同时满足实际使用所要求的高可靠性及抗恶劣环境性。

本发明一种非接触电测量旋转扭矩的方法，其实质是：在旋转系中，利用应变体传递扭矩并按所传递扭矩产生相应转动变形，而静止的测量头通过光、电或磁效应非接触地测得固联于应变体上的两个栅体因应变体相对转动而产生的相对变化，并输出正比于所传递扭矩的电信号。该方法的具体步骤是：

①．待测扭矩通过应变体3在轴1与轴2之间传递；

②．应变体3产生相应于待测扭矩M的变形；

③．栅5与栅6随应变体3的变形产生相对相位差；

④．测量头7测量栅5与栅6的相对相位差，并输出电信号V；

⑤．将电信号V转换成相应的扭矩M:M=V/K1*K2；

式中K1为综合弹性系数，K2为测量头7的灵敏度。

按照本方法所设计的测量装置由轴1、轴2、应变铰支体(简称“应变体”)3、限位结构4、栅5、栅6及测量头7构成；轴1轴2为待测扭矩的传递轴，轴1与轴2通过应变体3相连接，限位机构4连接于轴1轴2，栅5连接于轴1，栅6连接于轴2，测量头7与栅5栅6保持间隙。

本发明的优点是：

1．结构简单，造价低；

2．非接触测量，寿命长；

3．环节简单，整体可靠性高；

4．受温度变化引起的漂移小；

5．一致性好，调整及标定简单；

6．可以耐受水、尘、腐蚀、大温差、机械振动等恶劣环境。

本发明具有如下附图；

图1传感器工作原理示意图。

图2A、B铰支结构应变体示意图。

图3A、B钢支结构应变体示意图。

图4A、B齿式结构限位机构示意图。

图5A、B、C轴向透射光测量结构示意图。

图6轴向反射光测量结构示意图。

图7A、B径向光测量结构示意图。

图8A、B、C轴向电容测量结构示意图。

图9径向电容测量结构示意图。

图10A、B、C轴向磁测量结构示意图。

图11径向磁测量结构示意图。

图12电动自行车脚踏力矩传感示意图。

图中标号如下：

1轴 2轴 3应变铰支体(应变体)

4限位机构 5栅 6栅

7测量头 8轴承 9弹簧

10承扭盘 11承扭盘 12联接环

13联接环 14弹性片 15限位轮

16限位环 17发光管 18光敏元件

19极板 20极板 21磁轭

22励磁元件 23检磁元件 24中轴

25右脚蹬曲柄 26链轮 27光敏三极管

28栅 29栅 30发光二极管

31滚珠 32五通管 33轴碗

34端盖 35应变体

兹举实施例并配合图式详细说明如下：

请参阅图1传感器工作原理示意图所示，传感器由轴1、轴2、应变体3、限位机构4、栅5、栅6及测量头7组成。

轴1与轴2为互相传递待测扭矩的旋转部件。应变体3联接轴1及轴2，限制轴2沿轴向、径向产生相对平移及沿径向产生相对扭转，并按所传递扭矩使轴1与轴2产生沿轴向的相对扭转；

设M为轴1与轴2相互传递的待测扭矩；Mmax为最大量程扭矩；

θ为轴1与轴2相应相对扭转角度；θmax为轴1与轴2在最大量程扭矩时相应相对扭转角度；K1为综合弹性系数，在Mmax时有：θ=K1*M。

限位机构4限制轴1与轴2沿轴向的相对扭转角度不超过极限值θmax。

栅5与栅6为光、电容或磁特性沿圆周按相同周期变化的环，栅5与栅6分别固联干轴1轴2沿轴向相对扭转角度θ产生相位差θ。

测量头7沿测量方向与栅5及栅6保持非接触，并沿测量方向对栅5与栅6的相位差θ敏感，其相应输出电信号为V。测量头7灵敏度为K2则在M≤Mmax时有：V=K2*θ=K1*K2*M

应变体3可采用铰支或钢支结构。如图2所示为铰支结构应变体示意图；应变体3由轴承8、承扭盘10、承扭盘11及弹簧9构成。轴承8支承轴1与轴2；承扭盘10与承扭盘11分别固联于轴1与轴2上；弹簧9沿圆周分布，两端分别与承扭盘10与承扭盘11相联；当轴1轴2之间传递扭矩时，弹簧9产生相应的变形。

如图3所示为钢支结构应变体示意图；应变体3由联接环12联接环13及弹性片14构成，联接环12与联接环13分别固联轴1与轴2上，弹性片14沿圆周分布，两端分别固联于联接环12与联接环13上。当轴1轴2之间传递扭矩时，弹性片14产生相应变形。

请参阅图4所示，限位机构4可采用齿式结构，限位机构4由限位轮15与限位环16组成；限位轮15与限位环16嵌套并分别与轴1及轴2固联。限位轮15为外圆有凸齿的轮，限位环16为内圆有凹槽的环，并且凸齿的宽度小于凹槽。当轴1与轴2相对扭转达到极限值时，限位轮15的凸齿与限位环16的凹槽接触限制相对扭转超过极限值。

栅5与栅6按需求可采用光、电容或磁测量结构。

如图5所示，为轴向透射光测量结构示意图。栅5与栅6为按相同周期透光度变化的透光栅；(黑色条为阻光区，无色条为透光区)；测量头7由发光管17及光敏元件18组成。当栅5及栅6处于初始位置时，发光管17所发光完全被栅5及栅6遮挡；随着栅5与栅6因轴1与轴2的相对扭转而产生相位变化，光通量相应增加。光敏元件18接收光并输出正比于光通量的电信号。

某些条件下要求测量头7在栅5和栅6的单侧工作；可采用轴向反射光测量结构，如图6所示。此时栅5为透光栅，栅6为反光栅(黑色条为吸光区，无色条为反光区)。

某些条件下可采用径向光测量结构，如图7所示。

请参阅图8所示，为轴向电容测量结构原理示意图。栅5与栅6是容栅结构(黑色条为导电区，无色条为绝缘区)；测量头7由极板19与极板20构成。极板19、栅5、栅6、极板20构成串联电容回路，其电容值随栅5与栅6的相位变化而变化，并由后级电路处理为可利用的力矩电信号。

某些条件下可采用径向电容测量结构如图9所示。

请参阅图10所示，为轴向磁测量结构原理示意图。栅5与栅6是为导磁材料制成的栅结构。测量头7由磁轭21、励磁元件22、检磁元件23构成。磁轭21、栅5、栅6、励磁元件22、检磁元件23构成磁回路，其磁阻随栅5与栅6的相位变化而变化。励磁元件22产生恒定交流或直流磁势检磁元件23检测磁回路磁通并输出相应电信号，经后级电路处理为可利用的力矩电信号。

某些条件下可采用径向磁测量结构如图11所示。

本发明可用于电动自行车脚踏力矩传感，如图12所示，中轴24通过滚珠31及轴碗33安装于自行车架五通管32内。右脚蹬曲柄25紧固于中轴的右端。脚踏力距由左右脚蹬发出并传递至右脚蹬曲柄25。应变体35由多片弹性片连接内、外圈构成，其内圈右脚蹬曲柄25上，外圈固定联于链轮26上右脚蹬曲柄25通过应变体35向链轮26传递力矩，右脚蹬曲柄25外圈凸齿与链轮26内圈凹槽嵌套，形成限位机构。在量程以内，应变体35随力距大小产生变形，并造成右脚蹬曲柄25与链轮26产生相对扭转。栅28与栅29为径向通光的光栅，分别固联于应变体35的内、外圈上，并随右脚蹬曲柄25与链轮26的相对扭转产生相互相位变化。发光二极管30与光敏三极管27构成测量头，固定于端盖34上。发光二极管30发出光线并通过栅28及栅29进入光敏三极管27，光敏三极管27按光通量输出相应的电流，即为正比于脚踏力距的电信号。端盖34由轴碗33压紧于自行车架五通管32上，并与应变体35形成防尘气挡。

Claims

1．一种非接触电测量旋转扭矩的方法，其特征在于：该方法是在旋转系中，利用应变体传递扭矩并按所传递扭矩产生相应转动变形，而静止的测量头通过光、电或磁效应非接触地测得固联于应变体上的两个栅体因应变体相对转动而产生的相对变化，并输出正比于所传递扭矩的电信号，其具体步骤是：

①．待测扭矩通过应变体(3)在轴(1)与轴(2)之间传递；

②．应变体(3)产生相应于待测扭矩的变形；

③．栅5与栅(6)随应变体(3)的变形产生相对相位差；

④．测量头(7)测量栅(5)与栅(6)的相对相位差，并输出电信号V；

⑤．将电信号V转换成相应的扭矩：M=V/K1*K2；

式中K1为综合弹性系数，K2为测量头(7)的灵敏度。