CN1793807B - 非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器，属于光、机电一体化数字式传感器技术领域。其特征是：直弹性轴(4)上固联两片信号盘(3)，两组指示盘(5)分别与二片信号盘(3)同心并可相对转动，信号盘(3)上设有光通道通孔(6)，指示盘(5)是由位于信号盘(3)两侧的发光元件指示盘(5a)和光电元件指示盘(5b)固联而成，发光元件指示盘(5a)上设有发光元件(1)，光电元件指示盘(5b)上设有光电元件(2)。本发明测量精度高、有利于实现实时显示的非接触多通道光电脉冲输出式转矩传感器。该发明可广泛应用于自动生产线、交通运输、机械加工、动力机械性能检测和科学研究等需要测量瞬时转角、转速、扭矩的领域。

Description

非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器 

技术领域

本发明属于光、机电一体化数字式传感器领域，具体涉及一种非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器。 

背景技术

传统的转速传感器，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，光敏电阻元件接受光信号，输出脉冲电信号，信号频率对应一定的转速数据，实现转速的测量。转速传感器的测量精度主要受栅槽齿的间距、光敏元件信号的分辨率和电路性能限制。 

传统的扭矩传感器，一般由转速传感器和受扭矩的弹性元件等组成。弹性元件上贴有应变片，弹性元件受扭矩后应力发生变化，应变片输出电信号，通过集流环将信号引出，信号大小对应一定的扭矩数据。 

目前，有一种常用扭矩传感器由弹性元件、开有齿槽的盘、磁环、补偿电机等组成，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。传递扭矩时，由于扭矩引起弹性元件变形，两盘波形相位产生新的相位差，该相位差即对应一定的扭矩值。需特别指出的是，低速旋转时电磁信号弱，输出信号无法测量，此时补偿电动机启动带动磁环逆向旋转，提高切割磁场的速度，达到增强电磁感应信号的目的。 

发明内容

为了克服传统的转速传感器测量精度受到栅槽齿的间距和光敏元件信号分辨率的限制等不足，本发明提供一种非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器，该传感器测量精度高、有利于实现实时显示的非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器。 

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：这种非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器，由发光元件1、光电元件2、直弹性轴4和信号处理装置组成，其特征是：直弹性轴4上固联两片信号盘3，两组指示盘5通过轴承安装在直弹性轴4上，两组指示盘5分别与二片信号盘3同心并可相对转动，信号盘3上设有光通道通孔6，指示盘5是由位于信号盘3两侧的发光元件指示盘5a和光电元件指示盘5b固联而成，发光元 件指示盘5a上设有发光元件1，光电元件指示盘5b上设有光电元件2，光电元件(2)的接收信号由信号处理装置处理。 

1、信号盘3上光通道6的分布：信号盘3上光通道6的分布如图7所示：作n个半径分别为r_i(i＝1，2，…，n)的同心圆周，沿径向由外向圆心的圆周分别为i＝1，2，…，n一般取4≤n≤20。把i＝1的圆周沿顺时针分成N₁等份，为N₁序列等分点，N₁为正整数，每等份对应的圆心角θ₃(为有限角度)，通常20≤N₁≤200；再把N₁等份的每等份再细分成n个更小等份，n也是同心圆周数，用j＝1，2，…，n表示，并取j＝1与N₁等分点重合，每个更小等份对应的圆心角为Δθ₃，Δθ₃为有限角度，这样i＝1圆周就分成N₁个等分点和N₁×n个更小的等分点，过N₁×n个等分点作圆心的连线，就把其余n-1个圆周也分成N₁个等份和N₁×n个更小等份。 

在每个圆周的N₁个等分点处开设光通道通孔6。n个同心圆周的每个圆周的N₁个等分点分布如下：取n个同心圆周的圆心为极点，过极点作i＝1圆周的N₁＝1点的连线为极轴。 

则i＝1圆周的N₁个等分点的坐标为：N₁[r₁，0]＝1、N₁[r₁，θ₃]＝2、N₁[r₁，2θ₃]＝3、…、 

N₁[r₁，(N₁-1)θ₃]＝N₁。 

i＝2圆周的N₁个等分点的坐标为：N₁[r₂，Δθ₃]＝1、N₁[r₂，Δθ₃+θ₃]＝2、 

N₁[r₂，Δθ₃+2θ₃]＝3、…、N₁[r₂，Δθ₃+(N₁-1)θ₃]＝N₁。 

…， 

同理，i＝n圆周的N₁个等分点的坐标为：N₁[r_n，(n-1)Δθ₃]＝1、 

N₁[r_n，(n-1)Δθ₃+θ₃]＝2、N₁[r_n，(n-1)Δθ₃+2θ₃]＝3、…、 

N₁[r_n，(n-1)Δθ₃+(N₁-1)θ₃]＝N₁

总之，信号盘3各圆周的N₁个等分点的坐标通式为： 

N₁[r_i，(i-1)×Δθ₃+(N-1)θ₃]＝N 

其中：i-表示所在的圆周，i＝1，2，…，n； 

N-表示N₁序列的任一等分点，N＝1，2，…，N₁； 

θ₃-N₁序列等分点对应的圆心角(圆心角为有限角度)； 

Δθ₃-N₁×n等分点对应的圆心角(圆心角为有限角度)。

2.指示盘5上N₂序列等分点的分布：发光元件指示盘5a上设置的发光元件1与光电元件指示盘5b上设置的光电元件2的分布情况相同，统称为指示盘5上信号读取元件的分布，如图8所示。作与信号盘3个数相同半径分别相等的n个圆周的同心圆，沿径向由外向圆心的圆周分别为i＝1，2，…，n，一般取4≤n≤20。把i＝1的圆周沿顺时针分成N₂等份，为N₂序列等分点，N₂为正整数，通常20≤N₂≤200，每等份对应的圆心角为θ₅(为有限角度)，并使N₂/N₁＝μ，μ为小于1的有限小数。再把N₂每等份对应的圆心角θ₅再细分成n个更小等份，n也为同心圆圆周数，用j＝1，2，…，n表示，并取j＝1与N₂序列等分点重合，每更小等份对应的圆心角为Δθ₅(为有限角度)，这样i＝1圆周就分成N₂个等分点和N₂×n个更小的等分点，过N₂×n个等分点作圆心的连线，就把其余n-1个圆周也分成N₂个等分点和N₂×n个等分点。它们对应的圆心角分别为θ₅和Δθ₅。在每个圆周的N₂个等分点处为可能设置信号读取元件的位置。 

每个圆周N₂个等分点分布如下：取n个同心圆周的圆心为极点，过极点作i＝1圆周的N₂＝1点的连线为极轴。则i＝1圆周的N₂个等分点的坐标为：N₂[r₁，0]＝1、N₂[r₁，θ₅]＝2、N₂[r₁，2θ₅]＝3、…、N₂[r₁，(N₂-1)θ₅]＝N₂。 

i＝2圆周的N₂个等分点的坐标为：N₂[r₂，Δθ₅]＝1、N₂[r₂，Δθ₅+θ₅]＝2、N₂[r₂，Δθ₅+2θ₅]＝3、…、N₂[r₂，Δθ₅+(N₂-1)θ₅]＝N₂。 

…， 

同理，i＝n圆周的N₂个等分点的坐标为：N₂[r_n，(n-1)Δθ₅]＝1、 

N₂[r_n，(n-1)Δθ₅+θ₅]＝2、N₂[r_n，(n-1)Δθ₅+2θ₅]＝3、…、 

N₂[r_n，(n-1)Δθ₅+(N₂-1)θ₅]＝N₂

总之，指示盘5各圆周的N₂个等分点的坐标通式为： 

N₂[r_i，(i-1)×Δθ₅+(N-1)θ₅]＝N 

其中：i-所在的圆周，i＝1，2，…，n； 

N-N₂序列的任一等分点，N＝1，2，…，N₂； 

θ₅-N₂序列等分点对应的圆心角，θ₅为有限角度； 

Δθ₅-N₂×n等分点对应的圆心角，Δθ₅为有限角度。 

3、读取信号的顺序：如图1所示，将二信号盘3的中心相隔一定距离固联在直弹性轴4上，再将两个指示盘5分别与两个信号盘3同心安装并可作相对转动。信号盘3 位于指示盘5的发光元件指示盘5a和光电元件指示盘5b之间，并使发光元件指示盘5a上发光元件1和光电元件指示盘5b上的光电元件2与信号盘3之间有间隙，即为非接触式。 

测试时，由发光元件指示盘5a上的发光元件1发出光线，光线穿过与指示盘5作相对旋转的信号盘3的光通道通孔6照射到指示盘另一侧光电元件指示盘5b上的光电元件2使它发出电脉冲信号。 

设信号盘3的i＝1圆周的N₁＝1等分点处的光通道6与指示盘5的i＝1圆周的N₂＝1等分点处的信号读取元件相重合，则此时指示盘5的i＝1圆周的N₂＝1等分点处的光电元件2发出一个脉冲电信号；设信号盘3相对指示盘5顺时针转动，信号盘3的光通道6与指示盘5的信号读取元件的下一个重合点便是i＝2圆周的N₁＝1与N₂＝1等分点；信号盘3继续转动便是i＝3圆周的N₁＝1与N₂＝1等分点，…，i＝n圆周的N₁＝1与N₂＝1等分点。再继续转动便是信号盘3与指示盘5的i＝1圆周的N₁＝2与N₂＝2等分点，…，无限循环。 

4、安装信号读取元件的数量：设θ₃和θ₅的最小公倍数为θ_min，其它公倍数为θ。则当信号盘3某个圆周i的N₁序列任一等分点

与指示盘5同一圆周i的N₂序列的任一等分点

相重合时，则信号盘3与相重合点(，

)相隔θ_min/θ₃个N₁序列等分点的那个点，指示盘5与相重合点(，

)相隔θ_min/θ₅个N₂序列等分点的那个点，即(

，)必然重合。同理其它公倍数的点也必然重合。所以指示盘5每个圆周只有θ_min/θ₅个相邻的N₂序列等分点读取的信号是非重复的，而其它各点读取的信号均为这几个点信号的重复信号。也就是说这几个点的信号可以到与它相隔θ/θ₅个N₂序列等分点的那个点上读取。这样不仅减少了设置信号读取元件的数量，而且获得了安装信号读取元件的空间。 

设信号盘3的i＝1圆周的N₁＝1等分点与指示盘5的i＝1圆周的N₂＝1等分点相重合，则指示盘5的i＝1圆周只有N₂＝1，2，…，θ_min/θ₅个相邻的等分点为非重复信号读取点，其它各圆周亦如此。 

指示盘5各圆周有θ_min/θ₅个非重复信号读取点，在这些非重复信号读取点上安装信号读取元件，它们的极坐标为： 

i＝1圆周：N₁₁[r₁，mθ_min]＝1，

N₁₂[r₁，(2-1)θ₅+mθ_min]=2， 

…， 

$N_{1\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}}\[r_1,(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}-1){\mathrm{\θ}}_5+{\mathrm{m\θ}}_{\min }\]=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}.$

i＝2圆周：N₂₁[r₂，(2-1)Δθ₅+mθ_min]＝1， 

N₂₂[r₂，(2-1)Δθ₅+(2-1)θ₅+mθ_min]＝2， 

…， 

$N_{2\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}}\[r_2,(2-1){\mathrm{\Δ\θ}}_5+(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}-1){\mathrm{\θ}}_5+{\mathrm{m\θ}}_{\min }\]=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}.$

…， 

i＝n圆周：N_n1[r_n，(n-1)Δθ₅+mθ_min]＝1， 

N_n2[r_n，(n-1)Δθ₅+(2-1)θ₅+mθ_min]＝2， 

…， 

$N_{n\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}}\[r_n,(n-1){\mathrm{\Δ\θ}}_5+(\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}-1){\mathrm{\θ}}_5+{\mathrm{m\θ}}_{\min }\]=\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5}.$

总之，指示盘5各圆周θ_min/θ₅个非重复信号读取点，它们安装信号读取元件的极坐标为： 

$N_{{\mathrm{iN}}_2}\[r_i,(n-1){\mathrm{\Δ\θ}}_5+(N_2-1){\mathrm{\θ}}_5+{\mathrm{m\θ}}_{\min }\]=N_2$

式中，i＝1，2，…，，2；  $N_2=\mathrm{1,2},\·\·\·,\frac{{\mathrm{\θ}}_{\min }}{{\mathrm{\θ}}_5};$ $m(m=0,1,2,\·\·\·,\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\θ}}_{\min }});$ θ_min-θ₃和θ₅的最小公倍数；Δθ₅-N₂×n等分点对应的圆心角，圆心角为有限角度。 

由上述分析可知，指示盘5共有n×θ_min/θ₅个点为非重复信号读取点，也就是从多通道读取信号。信号盘3与指示盘5相对转动一周读取的全部脉冲信号数为n×N₁×θ_min／θ₅个。 

轴的扭矩、角位移、角速度和角加速度的测量是动力机械、机械传动系统和自动生产线需测量的基本参数。随着产品质量要求越来越高，对转速、扭矩的测量监控要求更高，本发明可广泛应用于自动生产线、交通运输、机械加工、动力机械性能检测和科学研究等需要测量瞬时转角、转速、扭矩的领域。 

附图说明

图1是非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器结构示意图； 

图2是传统的非接触数字式转角、转速传感器的栅槽盘结构示意图； 

图3是传统的非接触数字式转角、转速传感器的结构示意图； 

图4是传统的转矩传感器的结构示意图； 

图5是磁环、齿盘、电磁感应式转矩传感器的结构示意图； 

图6是磁环、齿盘、电磁感应式转矩传感器的齿盘结构示意图； 

图7是信号盘的光通道分布示意图； 

图8是发光元件指示盘和光电元件指示盘布置信号读取元件位置的分布示意图。 

图中：1.发光元件，2.光电元件，3.信号盘，4.直弹性轴，5.指示盘，5a.发光元件指示盘，5b.光电元件指示盘，6.光通道通孔，7.可设置信号读取点，8.安装信号读取点。 

具体实施方式

实施例1 

设：n＝5，N₁＝25，N₂＝20，θ₃＝14.4°，θ₅＝18°Δθ₃＝2.88°，Δθ₅＝3.6°，μ＝0.8， 

θ_min＝72°，

1、信号盘3光通道6的分布：作n＝5个半径分别为r₁，r₂，r₃，r₄和r₅的同心圆周，如图7所示。沿径向由外向圆心的圆周分别为i＝1，i＝2，i＝3，i＝4和i＝5。把i＝1的圆周沿顺时针方向分成N₁＝25等份(称N₁序列等分点)，每等份弧长对应的圆心角为θ₃＝14.4°。再把每等份弧长细分为n＝5个等分点，分别为j＝1，j＝2，j＝3，j＝4和j＝n＝5，并取j＝1与N₁序列等分点重合，每等份对应的圆心角为Δθ₃＝θ₃/5＝2.88°。这样就把i＝1的圆周分成N₁＝25个等分点和N₁×n＝25×5＝125个等分点。它们对应的圆心角分别为θ₃＝14.4°和Δθ₃＝θ₃/5＝2.88°。 

取n＝5个同心圆周的圆心O为极点，过极点作i＝1圆周的N₁＝1点的连线为极轴。在各圆周的N₁序列的25个等分点处设置光通道通孔6，它们的坐标通式为： 

N₁[r_i，(i-1)×Δθ₃+(N-1)θ₃]＝N 

其中i＝1，2，3，4，5；N＝1，2，…，25；Δθ₃＝2.88°；θ₃＝14.4°。如图7所示。 

2、指示盘5上N₂序列等分点的分布：作圆周个数和半径分别与信号盘3相同的5 个同心圆周，如图8所示。沿径向由外向圆心的圆周分别为i＝1，i＝2，i＝3，i＝4和i＝5。把i＝1的圆周沿顺时针方向分成N₂＝20等分点(称N₂序列等分点)，每等份弧长对应的圆心角为θ₅＝18°，并且N₂/N₁＝20/25＝0.8符合μ<1要求。再把每等份弧长细分为n＝5个等分点，分别为j＝1，j＝2，j＝3，j＝4和j＝n＝5，并取j＝1与N₂序列等分点重合，每等份对应的圆心角为Δθ₅＝θ₅/5＝3.6°。这样就把i＝1的圆周分成N₂＝20个等分点和N₂×n＝20×5＝100个等分点。它们对应的圆心角分别为θ₅＝18°和Δθ₅＝3.6°。 

取5个同心圆周的圆心O为极点，过极点作i＝1圆周的N₂＝1点的连线为极轴。在各圆周的N₂序列的20个等分点为可能设置信号读取元件之位置，如图8所示的空心圆点，它们的坐标通式为： 

N₂[r_i，(i-1)×Δθ₅+(N-1)θ₅]＝N 

式中i＝1，2，3，4，5；N＝1，2，…，20；Δθ₅＝3.6°；θ₅＝18°。 

3、指示盘5上信号读取元件的分布： 

因θ₃＝14.4°，θ₅＝18°，它们的最小公倍数为θ_min＝72°，其它公倍数θ为144°，216°，288°和360°。指示盘5每个圆周具有4个相邻的N₂序列的非重复信号读取点。信号盘3的N₁序列等分点分布和指示盘5的N₂序列等分点分布决定了信号的读取顺序。 

为叙述方便，设i＝1圆周N₁＝1(信号盘3)与N₂＝1(指示盘5)点相重合，既开始读取信号。 

随着信号盘3相对指示盘5顺时针转动，依次相重合的点为： 

i＝2圆周的N₁＝1与N₂＝1；i＝3圆周的N₁＝1与N₂＝1； 

i＝4圆周的N₁＝1与N₂＝1和i＝5圆周的N₁＝1与N₂＝1； 

再继续转动便是： 

i＝1圆周N₁＝2与N₂＝2；i＝2圆周N₁＝2与N₂＝2； 

i＝3圆周N₁＝2与N₂＝2；i＝4圆周N₁＝2与N₂＝2； 

i＝5圆周N₁＝2与N₂＝2；…；以此无限循环。 

综上所述读取信号的顺序为：从i＝1圆周的N₂＝1开始，依次读完其余4个圆周的N₂＝1，再返回到i＝1圆周的N₂＝2点，…，依此类推。所以指示盘5每个圆周的4个相邻的非重复信号读取点为：

N₂＝1，N₂＝2，N₂＝3，N₂＝4。 

任意圆周当(N₁＝1，N₂＝1)重合时，这个圆周的公倍数上的点(N₁＝6，N₂＝5)、(N₁＝11，N₂＝9)，(N₁＝16，N₂＝13)，(N₁＝21，N₂＝17)必重合。 

所以N₂＝1点的信号，可以在其它N₂＝1，5，9，13，17点中任一点读取。 

同理，N₂＝2点的信号，可以在N₂＝2，6，10，14，18点中任一点读取。 

N₂＝3点的信号，可以在N₂＝3，7，11，15，19点中任一点读取。 

N₂＝4点的信号，可以在N₂＝4，8，12，16，20点中任一点读取 

图8中各圆周实际设置信号读取元件的等分点(实心圆点)为： 

i＝1圆周：N₂＝1，6，11，16；i＝2圆周：N₂＝5，10，15，20； 

i＝3圆周：N₂＝13，18，3，8；i＝4圆周：N₂＝1，6，11，16； 

i＝5圆周：N₂＝9，14，19，4； 

实施例的指示盘5共设有20个实际信号读取元件，信号盘3相对指示盘5转一周共读取500脉冲电信号，这些脉冲电信号由信号处理装置进行处理。

Claims (3)

1.一种非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器，由发光元件(1)、光电元件(2)、直弹性轴(4)和信号处理装置组成，其中，固联在直弹性轴(4)上的两片信号盘(3)和通过轴承安装在直弹性轴(4)上的两组指示盘(5)同心并可相对转动，其特征是：

所述信号盘(3)上设有光通道通孔(6)，光通道通孔(6)位置的极坐标为：

N₁[r_i，(i-1)×Δθ₃+(N-1)θ₃]＝N

其中：i——表示所在的圆周，i＝1，2，…，n，取4≤n≤20；

      N——表示N₁序列的任一等分点，N＝1，2，…，N₁，N₁为正整数，20≤N₁≤200；

      θ₃——N₁序列等分点对应的圆心角，圆心角为有限角度；

      Δθ₃——N₁×n等分点对应的圆心角，圆心角为有限角度；

所述指示盘(5)上设置信号读取点(7)，信号读取点(7)位置的极坐标为：

N₂[r_i，(i-1)×Δθ₅+(N-1)θ₅]＝N

其中：i——所在的圆周，i＝1，2，…，n，取4≤n≤20；

      N——N₂序列的任一等分点，N＝1，2，…，N₂，N₂为正整数，20≤N₂≤200，且N₂/N₁＝μ，μ为小于1的有限小数；

      θ₅——N₂序列等分点对应的圆心角，圆心角为有限角度；

      Δθ₅——N₂×n等分点对应的圆心角，圆心角为有限角度。

2.根据权利要求1所述的非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器，其特征是：指示盘(5)各圆周只有θ_min/θ₅个信号读取点，它们的极坐标为：

$N_{{\mathrm{iN}}_2}[r_i,(n-1)\mathrm{\&Delta;}{\mathrm{\&theta;}}_5+(N_2-1){\mathrm{\&theta;}}_5+m{\mathrm{\&theta;}}_{\min }]=N_2$

式中，i——所在的圆周，i＝1，2，…，n，4≤n≤20；

      N₂——N₂序列的部分等分点， $N_2=\mathrm{1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\frac{{\mathrm{\&theta;}}_{\min }}{{\mathrm{\&theta;}}_5};$

      m为正整数， $m=\mathrm{0,1,2},\&CenterDot;\&CenterDot;\&CenterDot;,\frac{2\mathrm{\&pi;}}{{\mathrm{\&theta;}}_{\min }};$

      θ_min——θ₃和θ₅的最小公倍数；

θ₅——N₂序列等分点对应的圆心角，圆心角为有限角度；

Δθ₅——N₂×n等分点对应的圆心角，圆心角为有限角度。

3.根据权利要求1或2所述的非接触多通道光电脉冲输出式扭矩传感器，其特征是：信号盘(3)和指示盘(5)的同心圆周数相等，并等于信号盘(3)上任一圆周光通道通孔(6)N1序列等分点之间等分点的个数和指示盘(5)上任一圆周信号读取点(7)N₂序列等分点之间等分点的个数。

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