CN1266985A - 激光动态扭矩测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种激光动态扭矩测量仪,由激光发射接收器、光学反射器、信号检测系统组成,激光发射接收器发射两束激光照射在反射镜上,反射激光束被激光接收器接收,产生两列光电信号,信号检测系统测量这两列信号的相位差及其周期,微机系统根据这些初始测量数据运算处理得出结果。优点:非接触式直接测量转轴动态扭矩和转速,对被测机器没有任何影响。本仪器测量精度高,操作简便,可以同时测量动态扭矩,转速和输出功率。

Description

激光动态扭矩测量仪

本发明涉及一种激光动态扭矩测量仪，属于利用光电元件检测光束偏移的装置。适用于测量转动轴的扭矩、转速和输出功率。

现有的激光动态扭矩测量仪，如美国专利号US5705810《激光光学扭矩仪》(Laser optical torque meter-employs laser beam andretroreflector.with torsion or torque on rotatable shaftdisplayed as function of angular displacement of beam)。它是非接触式的测量，有一束激光射到测量元件的后向反射装置上，反射回的光束被光电元件接收，根据反射激光落在光电元件表面上的位置偏离原点位置的大小来确定转动轴的扭矩。其不足之处是：该装置的测量元件必须当作被测机器的连轴器使用，因此，在使用前必须改变被测机器的连接状态，它属于间接式测量，这样给仪器的使用带来很大的不便。

本发明的目的是提出一种非接触式的直接测量转轴的动态扭矩、转速和输出功率的激光动态扭矩测量仪。

本发明的目的是这样实现的：本激光动态扭矩测量仪，由激光发射接收器、光学反射器、信号检测系统等组成，激光发射接收器发射两束平行准直激光束照射在光学反射器的反射镜上，反射回的反射激光束被激光接收器接收，产生光电信号，输入信号检测系统，由于反射镜的初始位置中心连线不是严格平行于被测转轴的轴向，所以存在初始角ψ0，当被测转轴发生扭变时，反射镜偏离初始位置移到另一个位置10a，扭转角为ψ-ψ0，当被测转轴以速度n转动时，不论被测转轴是否发生扭变，两个激光接收器产生的两列光电信号存在位相差，被测转轴没有扭变时，相位差t0＝ψ0/n，当被测转轴发生扭变时，光电信号的相位差变为t＝ψ/n，被测转轴的扭变比例于作用在被测转轴上的扭矩，通过测量相位差t0和t来测量作用于被测转轴的扭矩，通过测量相位差t＝ψ/n信号的周期测量被测转轴的转动速度。由两个光学反射器固定在被测转轴上组成一个扭矩传感元件，两个反射镜之间的距离L可根据实际情况选定。信号检测系统由模拟电路、数字电路和微机系统组成，模拟电路利用两个激光接收器中的光电二极管输出的光电信号产生相位差脉冲列，这列相位差脉冲既包含有被测转轴的动态扭矩信息，也包含有被测转轴的转速信息，在信号检测系统中通过测量相位差的周期，微机系统根据转速与周期的倒数关系计算出被测转轴的转速，同时通过扭矩、转速和输出功率的关系计算出转动轴的输出功率。

本发明的优点是：1.本仪器是直接式测量转轴的动态扭矩和输出功率，对被测机器的工作状态没有任何影响；2.由于采用微机实现程控数据采集、运算处理和测量结果输出，所以本仪器测量精度高，操作简便，可以同时测量被测转轴的动态扭矩，转速和输出功率。主要技术指标：测量精度：扭矩≤±1％，转速≤±0.5％；测量范围：扭矩0.4×D4/L牛米到1000牛米(D直径，L长度，单位cm)，转速：300到6000转/分。

本发明的附图有：

图1激光动态扭矩测量仪示意图。

图2激光动态扭矩测量仪轴向视图。

图3激光动态扭矩测量仪激光发射接收器示意图。

图4激光动态扭矩测量仪转轴扭变状态示意图。

图5激光动态扭矩测量仪转轴不受扭变时光电信号波形示意图。

图6激光动态扭矩测量仪转轴受扭变时光电信号波形示意图。

图7激光动态扭矩测量仪信号检测系统原理方框图。

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

图1为激光动态扭矩测量仪示意图。它由激光发射接收器1、光学反射器2、信号检测系统3三部分组成。激光发射接收器1由两个激光发射器4和5、两个激光接收器6和7、调节丝杆8等组成。激光发射器4和5发射两束平行准直激光束15和16照射在光学反射器2的反射镜10和11上，反射回的反射激光束17和18被激光接收器6和7接收，产生光电信号，输入信号检测系统3，对光电信号进行处理后，以数字的形式输出测量结果。光学反射器2由定位螺钉12固定在被测机器A的转轴13上。机器A和机器B通过连接器连接。在这种扭矩测量装置中转动部分与固定部分之间扭矩与转速信息的传递是反射镜反射激光束来完成的，因此，测量是非接触式的。

图2为激光动态扭矩测量仪轴向视图。激光发射接收器1架在三角支架上。它发射的两束准直激光束15和16照射到反射镜10和11上，反射激光束17和18反射回到激光接收器6和7上。光学反射器2由光学反射装置9和反射镜10(或11)组成。光学反射装置9由两个半圆形的金属件22和四个定位螺钉12组成。两个半圆形的金属件22由两个螺钉连成一个圆环，由四个定位螺钉12定位在被测转轴13上，反射镜10固定在一个定位螺钉12上，由两个光学反射器2固定在被测转轴13上组成一个扭矩传感元件14。安装扭矩传感元件14时，四个定位螺钉12应尽量定位于被测转轴13的同一个横截面上，这样当被测转轴13受扭变时，两个反射镜10和11的位置也随着变化，确保由两个反射镜10和11构成扭矩传感元件14能准确反映被测转轴13在扭矩作用下的扭变。同时两个反射镜10和11的中心连线基本与被测转轴13的轴线0102平行，两个反射镜10和11之间的距离L可根据实际情况选定，如现场被测转轴13的长度较长，就可选大一些的L值，使被测量的扭矩值较大，有利于提高测量精度。

图3为激光动态扭矩测量仪激光发射接收器示意图。激光发射接收器1由两个激光发射器4和5、两个激光接收器6和7、调节丝杆8等组成。激光发射器4和激光接收器6固定在定位板上，激光发射器5和激光接收器7固定在另一块定位板上。形成左右两个激光发射和接收元件，这两组元件由调节丝杆8连接。调节丝杆8可以改变两组元件之间的距离。两个激光发射器4和5一样，它们都有一个激光二极管44和45和准直透镜23、24，产生准直激光速束15和16，其发散度小于1毫伏度。光接收器6和7都是由聚焦透镜25、26和光电二极管27、28组成。

激光发射接收器1面向扭矩传感元件14安装，使激光发射器4和5发出的两束平行准直激光束15和16从垂直于被测转轴13的方向瞄准两个反射镜10和11，转动两个反射镜10和11可使两反射激光束17和18沿入射方向的反方向回到激光发射处，这样当被测转轴13转动时，两个反射镜10和11也随之转动，反射激光束17和18便在两个激光发射器4和5的上下方相当宽的范围内重复扫描，因此，定位于激光发射器4和5上方的两个激光接收器6和7，便可接收到反射激光束17和18，产生两列重复频率，都与被测转轴13的转速相同的光电脉冲信号。

图4激光动态扭矩测量仪转轴扭变状态示意图。从图中可以看出，由于两个反射镜10和11的初始位置中心连线不是严格平行于被测转轴13的轴向，所以存在初始角ψ0(这是由于两个反射镜10和11的初始位置决定，而不是转轴受扭变)。当转轴在扭矩作用下发生扭变时，反射镜10偏离初始位置移动到另一个位置10a，扭转角为ψ-ψ。因此，当被测转轴13以速度n转动时，不论被测转轴13是否有负载扭矩作用，左激光接收器6和右激光接收器7产生的两列光电信号都存在位相差。被测转轴13没有负载时，这两列信号的相位差t0＝ψ0/n(由两个反射镜10和11的初始位置决定)。当负载扭矩作用于被测转轴13时，转轴发生扭变，两个反射镜10和11偏离初始位置，光电信号的相位差变为t＝ψ/n。被测转轴13的扭转形变比例于作用在被测转轴13上的扭矩，因此，可以通过测量相位差t0和t来测量作用于转轴的扭矩。

图5为激光动态扭矩测量仪转轴不受扭变时光电信号波形示意图。当被测转轴13转动时，两个激光接收器6和7接收到反射激光，产生两列光电信号。它们之间存在相位差为t0＝ψ0/n，它们的周期是被测转轴13的转动周期T。

图6为激光动态扭矩测量仪转轴受扭变时光电信号波形示意图。当被测转轴13转动时，两个激光接收器6和7接收到反射激光，产生两列光电信号。它们之间存在相位差为t＝ψ/n，它们的周期是被测转轴13的转动周期T。

图7为激光动态扭矩测量仪信号检测系统方框图。信号检测系统3由模拟电路19、数字电路20和微机系统21等组成。模拟电路19利用两个激光接收器6和7中的光电二极管27和28(也就是模拟电路19中的光/电变换器)输出的光电信号产生相位差脉冲，输入数字电路20，经过数字化处理后，被测转轴13的转速和扭矩数据由微机系统21读入，进行运算处理，输出结果。

模拟电路19由性能完全相同的两个输入电路29、30和一个RS触发器31等组成。输入电路29(或30)由光/电变换器27(或28)(即激光接收器中的光电二极管)、信号放大器32、整形器33组成。当被测转轴13转动时，两个激光接收器6和7接收到反射激光，产生光电信号，由信号放大器32放大到合适的幅度，再经整形器33整形成两列符合TTL电平要求的脉冲信号，分别送到RS触发器31的R端和S端，产生一列相位差脉冲信号。这列包含有转轴转动扭矩和转速信息的相位差脉冲信号由数字电路20进行数字化处理。

数字电路20由时钟发生器34、二分频器35、主门控制器36、39、主门37、40、扭矩计数器41、转速计数器38等组成。模拟电路19输出的相位差脉冲分为两路，一路经二分频器35产生脉宽为被测转轴13转动周期T的脉冲列，再经主门控制器36产生门控脉冲，控制主门37的开闭，利用时钟发生器34的时钟信号使转动周期T数字化，再由转速计数器38计数；另一路经主门控制器39产生门控脉冲，控制主门40的开闭，利用时钟发生器34的时钟信号使相位差脉冲t数字化，再由扭矩计数器41计数。

微机系统21由微机43、CPU单片机42组成。微机43与CPU单片机42之间通过串口以微机43为主，CPU单片机42为从交换信息，微机系统21从数字电路20中读取测量的初始数据，经微机43运算处理后，获得需要的测量结果。

本激光动态扭矩测量仪的工作过程如下：

如上所述，激光动态扭矩测量仪安装调整后，通电，使被测机器转动，激光动态扭矩测量仪处于准备工作状态：

激光发射器4和5发射的准直激光束15和16被扭矩传感元件14的反射镜10和11反射，反射激光束17和18被激光接收器6和7接收，光电二极管27和28将光信号变换成电信号，经放大器32放大，整形器33整形后，形成两列TTL电平的脉冲信号，分别输入RS触发器31的R端和S端，产生一列脉冲宽度比例于被测转轴13的动态扭矩，重复频率等于转速n的相位差脉冲，这列脉冲进入数字电路20后分为两路，一路输入主门控制器39，另一路经二分频器35产生脉宽为转动周期T的脉冲列，输入主门控制器36。这时，主门控制器36和39虽有信号输入，但未有测量时间控制信号的作用，而没有门控信号输出，因而主门37和40处于关闭状态，时脉信号不能通过主门，使扭矩计数器41，转速计数器38能有效复位。

测量开始时，测量时间控制信号作用于主门控制器36，输出门控信号T，使主门37打开，于是由时脉数字化的转动周期被转速计数器38计数；同时，门控信号T作用于主门控制器39，输出门控信号t，使主门40打开，由时脉数字化的相位差t进入扭矩计数器41计数。当两个计数器计数结束后，微机系统21进入读数、运算、数据处理、贮存、测量结果显示、输出等过程。延迟一段时间后，进行下一次准备、测量过程。

Claims (3)

1.一种激光动态扭矩测量仪，通常包括激光发射接收器、光学反射器、信号检测系统，本发明的特征在于：所述的激光发射接收器(1)由两个激光发射器(4)和(5)、两个激光接收器(6)和(7)、调节丝杆(8)组成，激光发射器(4)和(5)发射两束平行准直激光束(15)和(16)，照射在光学反射器(2)的反射镜(10)和(11)上，反射回的反射激光束(17)和(18)被激光接收器(6)和(7)接收，产生光电信号，输入信号检测系统(3)，由于反射镜(10)和(11)的初始位置中心连线不是严格平行于被测转轴(13)的轴向，所以存在初始角ψ0，当被测转轴(13)发生扭变时，反射镜(10)偏离初始位置移到另一个位置10a，扭转角为ψ-ψ0，当被测转轴(13)以速度n转动时，不论被测转轴(13)是否发生扭变，激光接收器(6)和激光接收器(7)产生的两列光电信号存在位相差，被测转轴(13)没有扭变时，相位差t0＝ψ0/n，当被测转轴(13)发生扭变时，光电信号的相位差变为t＝ψ/n，被测转轴(13)的扭变比例于作用在被测转轴(13)上的扭矩，通过测量相位差t0和t来测量作用于被测转轴(13)的扭矩，通过测量相位差t＝ψ/n信号的周期测量被测转轴(13)的转动速度。

2.根据权利要求1所述的激光动态扭矩测量仪，其特征在于：所述的光学反射器(2)由光学反射装置(9)和反射镜(10)[或反射镜(11)]组成，光学反射装置(9)由两个半圆形金属件(22)和四个定位螺钉(12)组成，两个半圆形金属件(22)由两个螺钉连成一个圆环，由四个定位螺钉(12)定位在被测转轴(13)上，反射镜(10)[或反射镜(11)]固定在一个定位螺钉(12)上，由两个光学反射器(2)固定在被测转轴(13)上组成一个扭矩传感元件(14)，两个反射镜(10)和(11)之间的距离L可根据实际情况选定。

3.根据权利要求1所述的激光动态扭矩测量仪，其特征在于：信号检测系统(3)由模拟电路(19)、数字电路(20)和微机系统(21)组成，模拟电路(19)利用两个激光接收器(6)和(7)中的光电二极管(27)和(28)输出的光电信号产生相位差脉冲列，这列相位差脉冲既包含有被测转轴(13)的动态扭矩信息，也包含有被测转轴(13)的转速信息，在信号检测系统(3)中通过测量相位差的周期，微机系统(21)根据转速与周期的倒数关系计算出被测转轴(13)的转速。

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