CN1558196A - 非接触激光数字读出式转矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于光、机电一体化数字式传感器领域。非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：光盘(9)上刻录有圆形的光栅数字通道(10)，与光栅数字通道(10)相对应的位置处设有数据读取元器件，光栅数字通道(10)与数据读取元器件之间有间隙；测量转矩时，二片光盘(9)之间中心位置固定一弹性元件(4)，二片光盘(9)外侧分别与轴(7)固定连接。本发明有效解决了转速、转矩传感器测量精度和范围无法协调的矛盾，可免除集流环这一产生误差并复杂的仪器或免除磁环电机及驱动机构这一复杂部件。激光系统不易受工作场地电磁干扰，也不对环境产生干扰。具有工作稳定、信息传递快、实时测量监控的特点。测量范围由静止到高速旋转，测量精度高。

Description

非接触激光数字读出式转矩传感器

技术领域

本发明属于光、机电一体化数字式传感器领域，具体涉及一种转矩传感器。

背景技术

传统的转速传感器：有采用齿轮的方式测转速。也有采用在旋转轴上安装加工有栅槽的齿盘，通过发光晶体管产生光源，光敏电阻接受光信号，输出脉冲式电压(电流)信号，信号对应一定的转速数据，实现转速的测量，如图1、图2所示。传感器输出为电压(电流)脉冲信号，其测量精度受机械加工和光敏元件和电路性能限制。

转矩传感器：传统的转矩传感器一般由转速传感器和转矩弹性元件等组成。弹性元件上贴有应变片，弹性元件受力后，应力发生变化，应变片输出电压(电流)信号，通过集流环将应变片信号引出，转速传感器则测量转速数据，如图3所示。

目前引进技术生产的转矩传感器，由弹性元件，开有60个(或120个等)矩形齿槽的盘片、磁环、补偿电机等组成，如图4、图5所示。工作时齿盘与弹性元件同步旋转，齿盘切割磁力线产生电磁感应信号，修正后输出为矩形正弦波。传递转矩时，两盘波形相位发生变化(转矩引起弹性元件变形)，产生新的相位差，该相位差即对应于一定的转矩。需特别指出的是，低速旋转时，电磁信号弱，输出波形无法测量，此时补偿电机启动，电机带动磁环逆向旋转，提高切割磁场的速度，达到增强感应信号目的。

转矩传感器一般由转速测量和转矩测量两部份组合而成，因为在测量转矩时需同时测量转速。

发明内容

本发明的目的在于提供一种测量精度高的非接触激光数字读出式转矩传感器。

为了实现上述目的，本发明的技术方案是：非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：光盘9上刻录有圆形的光栅数字通道10，与光栅数字通道10相对应的位置处设有数据读取元器件，光栅数字通道10与数据读取元器件之间有间隙；测量转矩时，二片光盘9之间中心位置固定一弹性元件4，二片光盘9外侧分别与轴7固定连接。

所述的数据读取元器件为激光接受器11、激光发射器12，激光接受器11、激光发射器12分别位于光栅数字通道10的两侧。

所述的数据读取元器件为激光接受器11、激光发射器12、光反射板13，激光接受器11、激光发射器12分别位于光栅数字通道10的同侧，光反射板13位于光栅数字通道10的另一侧。

所述的数据读取元器件为激光接受器11、激光发射器12、光反射板14，激光发射器12位于光盘9的侧边，光盘9内与激光发射器12相应位置设有光反射板14，光反射板14成45度朝向激光发射器12和光栅数字通道10，激光接受器11位于光盘9的光栅数字通道10上端。

所述的光盘9为透光性好的材料制成，光栅数字通道10上预刻录有由二进字数字或调制波长或条形码。

所述的激光接受器11、激光发射器12可由光纤代替。

当光栅数字通道10上预刻录有条形码时，数据读取元器件为条形码读取设备，条形码读取设备位于条形码的一侧。

本发明以工程塑料等透光性好的材料制成盘片做为信息载体预录入规定的、基准数字(或光栅)信号，在盘片上形成数字通道，通过读出元器件(激光发射、接受器或光纤)读取与待测零部件同步运动盘片上数字通道数据信息(其输出即对应于转速信号)，实现转速的非接触数字读出式测量。进一步，利用安装在弹性元件两端的一组盘片，当弹性元件在转矩作用下产生变形这一特点。同时测量二盘片上预录入的信号，二盘片输出信号的相位差值即对应于相应的转矩，实现转矩的非接触数字读出式测量。

光栅数字通道由调制波长或者二进制数或者条形码沿圆周组成数字通道，由于这些数据信号制做技术可达到微米级，因此数据量很大，与常规传感器相比可提高几个数量级，即测量精度高。

该传感器有效解决了转速、转矩传感器测量精度和范围无法协调的矛盾，可免除集流环这一产生误差并复杂的仪器或免除磁环电机及驱动机构这一复杂部件。激光系统不易受工作场地电磁干扰，也不对环境产生干扰。具有工作稳定、信息传递快、实时测量监控的特点。测量范围由静止到高速旋转，测量精度高。同时还具有性能稳定、使用安全、寿命长、结构简单、成本低的特点。

转速、转矩是转动物体需测量的基本参数，随着科学技术的发展，对转速、转矩的测量控制要求更高，本发明可广泛应用于交通运输(飞机、船舶、车辆、航天技术)、石化、加工机械、工程机械、农业机械、地理勘探、科学研究等需要测量控制转角、转速、转矩的领域。

附图说明

图1是非接触脉冲式转角、转达速传感器的栅槽盘结构示意图

图2是非接触脉冲式转角、转达速传感器结构示意图

图3是传统的转矩传感器结构示意图

图4是磁环齿盘电磁感应式转矩传感器结构示意图

图5是磁环齿盘电磁感应式转矩传感器的齿盘结构示意图

图6是本发明结构示意图(图中未给出激光发射器和激光接受器的位置，但在图7、图8、图9中分别给出了三种位置结构形式，即透射读出式、反射读出式、透射反射读出式共三种类型。)

图7是本发明实施例1的光盘结构示意图

图8是本发明实施例1(透射读出式)的结构示意图

图9是本发明实施例2的光盘结构示意图

图10是本发明实施例2(反射读出式)的结构示意图

图11是本发明实施例3的光盘结构示意图

图12是本发明实施例3(透射反射读出式)的结构示意图

图13是条形码或光栅数据通道布置示意图

图14是条形码光栅数据通道布置示意图

图中：1-光敏电阻、2-槽、3-发光管、4-弹性元件、5-应变片、6-齿盘、7-轴、8-磁环、9-光盘、10-光栅数字通道、11-激光接受器、12-激光发射器、13-光反射板、14-光反射板。

具体实施方式

非接触激光数字读出式转矩传感器，光盘9上刻录有圆形的光栅数字通道10，与光栅数字通道10相对应的位置处设有数据读取元器件，光栅数字通道10与数据读取元器件之间有间隙；测量转矩时，二片光盘9之间中心位置固定一弹性元件4，二片光盘9外侧分别与轴7固定连接。

光栅数字通道：光栅数字通道由调制波长或者二进制数或者条形码沿圆周组成数字通道，由于这些数据信号制做技术可达到微米级，因此数据量很大，与常规传感器相比可提高几个数量级。

光栅数字通道的写入：光栅数字通道利用现有的准分子激光器写入光盘。

光栅数字的读出：采用激光发射器、激光接受器或者光纤。光栅数据通道为条形码时用条形码读取设备。

根据数据的读出方式可分为：透射读出式；反射读出式；透射反射读出式共三种类型。

实施例1：透射读出式：如图6、图7、图8所示，非接触激光数字读出式转矩传感器，光盘9上刻录有圆形的光栅数字通道10，光栅数字通道由调制波长沿圆周组成数字通道，与光栅数字通道10相对应的位置处设有数据读取元器件，光栅数字通道10与数据读取元器件之间有间隙。测量转速时，读取元器件输出信号即对应于转速值；测量转矩时，二片光盘9之间中心位置固定一弹性元件4，二片光盘9外侧分别与轴7固定连接。

由于光盘9直径尺寸较大，因此便于沿径向多通道布置，实现多种数据同时读取。光盘尺寸可以系列化，尺寸大小取决于预写入数据的密度(尺寸大，测量精度高)和结构尺寸限制。

如图7、图8所示，所述的数据读取元器件为激光接受器11、激光发射器12，激光接受器11、激光发射器12分别位于光栅数字通道10的两侧。在工程塑料等透光性好的材料制成的盘片上刻录好调制波长数字信号，形成圆周分布的数字通道，盘片与待测部件固定安装同步旋转，激光发射器为激光光源，激光接受器接受激光信号。信号的模式取决于盘片上预刻录的数字通道，接受器输出信号即为转速信号，实现转速的测量。理论上盘片的尺寸越大，盘片上预刻录信号越多，即精度越高，激光发射器和接受器也可用光纤替代。

弹性元件和光盘9同步旋转，在受到扭矩作用时发生弹性扭转变形，扭转变形使两光盘9初始相对位置产生变化，二读取元器件输出信号产生相位差，这一相位差即对应于扭矩值，读取元器件输出信号即对应于转速值，从而实现在测量转速时同时测量转矩。

实施例2：反射读出式：如图6、图9、图10所示，非接触激光数字读出式转矩传感器，光盘9上刻录有圆形的光栅数字通道10，光栅数字通道由二进制数沿圆周组成数字通道，与光栅数字通道10相对应的位置处设有数据读取元器件，光栅数字通道10与数据读取元器件之间有间隙；测量转矩时，二片光盘9之间中心位置固定一弹性元件4，二片光盘9外侧分别与轴7固定连接。

如图9、图10所示，所述的数据读取元器件为激光接受器11、激光发射器12、光反射板13，激光接受器11、激光发射器12分别位于光栅数字通道10的同侧，光反射板13位于光栅数字通道10的另一侧。反射式增加了光反射板，激光发射器发出的激光通过反射板反射到激光接受器。同理，特定的数字通道即转速信号，二读取元器件输出信号产生相位差，这一相位差即对应于扭矩值。

实施例3：透、反射读出式：如图6、图11、图12所示，非接触激光数字读出式转矩传感器，光盘9上刻录有圆形的光栅数字通道10，光栅数字通道由二进制数沿圆周组成数字通道，与光栅数字通道10相对应的位置处设有数据读取元器件，光栅数字通道10与数据读取元器件之间有间隙；测量转矩时，二片光盘9之间中心位置固定一弹性元件4，二片光盘9外侧分别与轴7固定连接。

如图11、图12所示，所述的数据读取元器件为激光接受器11、激光发射器12、光反射板14，激光发射器12位于光盘9的侧边，光盘9内与激光发射器12相应位置设有光反射板14，光反射板14成45度朝向激光发射器12和光栅数字通道10，激光接受器11位于光盘9的光栅数字通道10上端。透、反射式是结合了透射式和反射式特点，可实现盘面端面接受信号。原理为激光发射器发出的激光通过反射板和数字通道反射到呈90。布置于端部的激光接受器，从而实现了端面接受信号。

实施例4：与实施例1或实施例2或实施例3基本相同，不同之处仅在于：所述的激光接受器11、激光发射器12可由光纤代替。

实施例5：非接触激光数字读出式转矩传感器，光盘9上刻录有圆形的光栅数字通道10，如图13、图14所示，光栅数字通道由条形码沿圆周组成数字通道，与光栅数字通道10相对应的位置处设有数据读取元器件，数据读取元器件为条形码读取设备，条形码读取设备位于条形码的一侧，光栅数字通道10与数据读取元器件之间有间隙；测量转矩时，二片光盘9之间中心位置固定一弹性元件4，二片光盘9外侧分别与轴7固定连接。

Claims (7)

1.非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：光盘(9)上刻录有圆形的光栅数字通道(10)，与光栅数字通道(10)相对应的位置处设有数据读取元器件，光栅数字通道(10)与数据读取元器件之间有间隙；测量转矩时，二片光盘(9)之间中心位置固定一弹性元件(4)，二片光盘(9)外侧分别与轴(7)固定连接。

2.根据权利要求1所述的非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：所述的数据读取元器件为激光接受器(11)、激光发射器(12)，激光接受器(11)、激光发射器(12)分别位于光栅数字通道(10)的两侧。

3.根据权利要求1所述的非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：所述的数据读取元器件为激光接受器(11)、激光发射器(12)、光反射板(13)，激光接受器(11)、激光发射器(12)分别位于光栅数字通道(10)的同侧，光反射板(13)位于光栅数字通道(10)的另一侧。

4.根据权利要求1所述的非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：所述的数据读取元器件为激光接受器(11)、激光发射器(12)、光反射板(14)，激光发射器(12)位于光盘(9)的侧边，光盘(9)内与激光发射器(12)相应位置设有光反射板(14)，光反射板(14)成45度朝向激光发射器(12)和光栅数字通道(10)，激光接受器(11)位于光盘(9)的光栅数字通道(10)上端。

5.根据权利要求1所述的非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：所述的光盘(9)为透光性好的材料制成，光栅数字通道(10)上预刻录有由二进字数字或调制波长或条形码。

6.根据权利要求2或3或4所述的非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：所述的激光接受器(11)、激光发射器(12)可由光纤代替。

7.根据权利要求1所述的非接触激光数字读出式转矩传感器，其特征是：光栅数字通道10上预刻录有条形码时，数据读取元器件为条形码读取设备，条形码读取设备位于条形码的一侧。

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