CN201344846Y

CN201344846Y - 一种基于电容的动态扭矩传感器

Info

Publication number: CN201344846Y
Application number: CNU2009201127150U
Authority: CN
Inventors: 蒋庆; 蔡晋辉; 沈培璐; 姚燕
Original assignee: China Jiliang University
Current assignee: China Jiliang University
Priority date: 2009-01-19
Filing date: 2009-01-19
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2019-01-19

Abstract

本实用新型公开了一种基于电容的动态扭矩传感器。包括外壳、弹性轴、两个轴承、两个静基板、两个动基板和由两个激励电容的静电极、两个感应电容的静电极和两个动电极组成的两个对称布置在弹性轴两端的电容器组。随着轴的转动，轴与外壳相对位置发生变化，轴两端对称安装的电容组的电容信号按照一定规律周期变化。当弹性轴受扭转动，轴两端的电容信号会产生相位差，通过检测这个电容差值，建立起电容差与扭矩之间的关系，实现对扭矩、转角以及转速的测量。本实用新型具有无接触、高精度、低成本、使用寿命长的特点，适用于高转速环境的工业自动化领域。

Description

一种基于电容的动态扭矩传感器

技术领域

本实用新型涉及扭矩传感器，尤其涉及一种基于电容的动态扭矩传感器。

背景技术

目前，动态扭矩传感器主要采用电阻应变式原理，应变式扭矩传感器存在的问题是弹性轴上的应变电桥检测到的扭矩信号和电源如何可靠的在弹性轴和外部静止部分之间传递。目前通常的做法是集流环法或电感耦合法，例如中国专利ZL96238424.0所示的高精度应变式扭矩传感器，使用的就是集流环传输技术，因为集流环传输技术属于接触式传输，存在机械摩擦，发热，寿命短，费用高的缺陷，只适用于短期低精度的测量，中国专利ZL99232869.1所示的应变式电感耦合传递型扭矩传感器，这类传感器是利用电感耦合的原理来实现电源和扭矩信号的非接触传递，但整个传感器体积及质量较大，加工、安装、调试复杂，成本高。所以使用电阻应变式原理的扭矩传感器总体来说，结构复杂，成本较高，长期使用的稳定性不高。

目前电容式扭矩传感器，例如中国专利ZL93100254.0所示的电容式扭矩传感器，利用容栅位移测量技术来实现测量扭矩的目的，但由于它的发射电极的每一极片都要引出导线与驱动输出相连，结构复杂，无法实现动态扭矩的测量，而且由于节距数量的有限，测量精度较低，不适用于工业自动化领域。又如专利ZL200520007587.5所示的一种电容式角度扭矩双信号车用传感器，主要是通过测量扭杆两端的因扭变引起的相对于圆周角起点累计的角位移差值，从而获取对应的扭矩信号，主要应用于汽车扭杆的扭转角度和扭矩的测量。但这类方法只适用于转速较低且累计转角受限的情况，而且由于其所使用的源极板组内的极板数受限制，不能达到较大量级，因此测量的精度较低，只能输出一定转角范围，这种扭矩传感器只能在特定场合使用，无法用于高转速、高精度要求的工业自动化领域。

发明内容

本实用新型的目的是提供通过差动电容传感器实现的一种基于电容的动态扭矩传感器。

本实用新型采用的技术方案是：

方案一：

本实用新型包括外壳、弹性轴、两个轴承、两个静基板、两个动基板、两个激励电容的静电极、两个感应电容的静电极和两个动电极；弹性轴安装在外壳内并支撑在两端的轴承中，靠近两端轴承内侧的外壳孔内均镶嵌环形静基板，嵌环形静基板内圈从轴向由外至内依次装有感应电容的静电极和激励电容的静电极，与感应电容的静电极和激励电容的静电极相对应的两端弹性轴外圆上，装有一圈动基板，动基板上装有一片动电极，两个激励电容的静电极、两个感应电容的静电极和两个动电极组成两个对称布置的电容器组。

所述激励电容的静电极的形状为圆环形，感应电容的静电极的形状是轴向宽度按线性、正弦或余弦规律变化的圆环，动电极的轴向宽度要大于激励电容的静电极和感应电容的静电极的轴向宽度之和。

方案二：

本实用新型包括外壳、弹性轴、两个轴承、两个静基板、两个动基板、两个激励电容的静电极、两个感应电容的静电极和两个动电极；弹性轴安装在外壳内并支撑在两端的轴承中，靠近两端轴承内侧的外壳孔槽内侧装有静基板，静基板从径向由外至内依次装有感应电容的静电极和激励电容的静电极，静基板对应的轴上垂直安装动基板，动基板上装有动电极，两个激励电容的静电极、两个感应电容的静电极和两个动电极组成两个对称布置的电容器组。

所述激励电容的静电极的形状为圆环形，感应电容的静电极的形状是径向宽度按线性、正弦或余弦规律变化的圆环，动电极的径向宽度要大于激励电容的静电极和感应电容的静电极的径向宽度之和。

本实用新型具有的有益效果是：

本实用新型的动态扭矩传感器，由于了采用电容原理，省去了目前的应变式扭矩传感器必需的轴与外部静止部分电能和信号传递的复杂设计，结构简单，大幅度的降低了成本，并且可将整个传感器的体积和质量控制在一个较小的范围。利用了差动电容技术，在扭矩值连续变化时，电容差值也作连续变化而不是阶梯变化，因此大幅提高了分辨率，实现了扭矩的精确测量，而且同时还能实现转角和转速的测量。本实用新型可用高转速环境的工业自动化领域的基于电容的动态扭矩传感器。

附图说明

图1是一种基于电容的扭矩传感器的原理示意图。

图1A是图1中电容器组的静基板和静电极的环形展开图。

图1B是图1中电容器组的动基板和动电极的环形展开图。

图2是另一种基于电容的扭矩传感器的原理示意图。

图2A是图2中电容器组的静基板和静电极的形状。

图2B是图2中电容器组的动基板和动电极的形状。

图3是电容器组的测量电路。

图中1-外壳；2-弹性轴；3-滚动轴承；4-端盖；5-静基板；6-动基板；7a-激励电容的静电极；7b-感应电容的静电极；7c-动电极；8-外壳；9-弹性轴；10-滚动轴承；11-端盖；12-静基板；13-动基板；14a-激励电容的静电极；14b-感应电容的静电极；14c-动电极。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本实用新型作进一步的说明。

如图1所示，本实用新型包括外壳1、弹性轴2、两个轴承3、两个端盖4、两个静基板5、两个动基板6、两个激励电容的静电极7a、两个感应电容的静电极7b和两个动电极7c；弹性轴2安装在外壳1内并支撑在两端的轴承3中，盖上端盖4，靠近两端轴承3内侧的外壳1孔内均镶嵌环形静基板5，嵌环形静基板5内圈从轴向由外至内依次装有感应电容的静电极7b和激励电容的静电极7a，与感应电容的静电极7b和激励电容的静电极7a相对应的两端弹性轴2外圆上，装有一圈动基板6，动基板6上装有一片动电极7c，两个激励电容的静电极7a、两个感应电容的静电极7b和两个动电极7c组成两个对称布置的电容器组。

激励电容的静电极7a的形状为圆环形，如图1A所示激励电容的静电极7a的环形展开形状为矩形；感应电容的静电极7b的形状是轴向宽度按线性、正弦或余弦规律变化的圆环，本实例中使用了线性规律变化的圆环，如图1A所示，感应电容的静电极7b的环形展开形状为三角形；如图1B所示，动电极7c的展开形状为一小片矩形。动电极7c的轴向宽度要大于激励电容的静电极7a和感应电容的静电极7b的轴向宽度之和。

动电极7c随轴转动，电容静电极处的有效接触面积区域发生变化。由于动电极7c的轴向宽度要大于激励电容的静电极7a和感应电容的静电极7b的轴向宽度之和，从而保证电容两电极有效接触面积的变化完全由电容静电极的形状决定的。这样，激励电容的两电极有效接触面积保持不变，感应电容的两电极有效接触面积按照所选规律周期变化，在轴的转动过程中，激励电容的电容值保持不变，感应电容的电容值按照所选规律周期变化，因此通过测量感应电容的大小便可知弹性轴相对外壳的位置。由于两个电容组是对称安装的，所以在不受扭矩作用时两个电容器组的电容值相等，当弹性轴2受扭转动，弹性轴2两端的电容信号就会产生相位差。如图3所示的测试电路，在两电容器组的激励电容的静电极7a处加以激励信号，通过检测两个感应电容静电极7b处的电压信号，就可以得到两个电容器组的电容差值，从而得到相应的扭矩值大小，并可以同时实现对转角和转速的测量。

如图2所示，本实用新型包括外壳8、弹性轴9、两个轴承10、两个端盖11、两个静基板12、两个动基板13、两个激励电容的静电极14a、两个感应电容的静电极14b和两个动电极14c；弹性轴9安装在外壳8内并支撑在两端的轴承10中，盖上端盖11，靠近两端轴承10内侧的外壳8孔槽内侧装有静基板12，静基板12从径向由外至内依次装有感应电容的静电极14b和激励电容的静电极14a，静基板12对应的轴上垂直安装动基板13，动基板13上装有动电极14c，两个激励电容的静电极14a、两个感应电容的静电极14b和两个动电极14c组成两个对称布置的电容器组。

如图2A所示，激励电容的静电极14a的形状为圆环形；如图B所示，感应电容的静电极14b的形状选用了径向宽度按线性规律变化的圆环；如图2B所示，动电极14c的形状为圆环形。动电极14c的径向宽度要大于激励电容的静电极14a和感应电容的静电极14b的径向宽度之和。

由于动电极14c的随轴转动，电容静电极处的有效接触面积区域发生变化。电容两电极有效接触面积的变化完全由电容静电极的形状决定的。激励电容的两电极有效接触面积保持不变，感应电容的两电极有效接触面积按照一定规律周期变化，在轴的转动过程中，激励电容的电容值保持不变，感应电容的电容值按照一定规律周期变化。因此通过测量感应电容的大小便可知弹性轴相对外壳的位置。由于两个电容组是对称安装的，所以在不受扭矩作用时两个电容器组的电容值相等，当弹性轴9受扭转动，弹性轴9两端的电容信号就会产生相位差。从而也可以运用图3所示的测试电路，通过对电容信号的检测，实现扭矩测量的目的。

Claims

1、一种基于电容的动态扭矩传感器，其特征在于：包括外壳(1)、弹性轴(2)、两个轴承(3)、两个静基板(5)、两个动基板(6)、两个激励电容的静电极(7a)、两个感应电容的静电极(7b)和两个动电极(7c)；弹性轴(2)安装在外壳(1)内并支撑在两端的轴承(3)中，靠近两端轴承(3)内侧的外壳(1)孔内均镶嵌环形静基板(5)，嵌环形静基板(5)内圈从轴向由外至内依次装有感应电容的静电极(7b)和激励电容的静电极(7a)，与感应电容的静电极(7b)和激励电容的静电极(7a)相对应的两端弹性轴(2)外圆上，装有一圈动基板(6)，动基板(6)上装有一片动电极(7c)，两个激励电容的静电极(7a)、两个感应电容的静电极(7b)和两个动电极(7c)组成两个对称布置的电容器组。

2、根据权利要求1所述的一种基于电容的动态扭矩传感器，其特征在于：所述激励电容的静电极(7a)的形状为圆环形，感应电容的静电极(7b)的形状是轴向宽度按线性、正弦或余弦规律变化的圆环，动电极(7c)的轴向宽度要大于激励电容的静电极(7a)和感应电容的静电极(7b)的轴向宽度之和。

3、一种基于电容的动态扭矩传感器，其特征在于：包括外壳(8)、弹性轴(9)、两个轴承(10)、两个静基板(12)、两个动基板(13)、两个激励电容的静电极(14a)、两个感应电容的静电极(14b)和两个动电极(14c)；弹性轴(9)安装在外壳(8)内并支撑在两端的轴承(10)中，靠近两端轴承(10)内侧的外壳(8)孔槽内侧装有静基板(12)，静基板(12)从径向由外至内依次装有感应电容的静电极(14b)和激励电容的静电极(14a)，静基板(12)对应的轴上垂直安装动基板(13)，动基板(13)上装有动电极(14c)，两个激励电容的静电极(14a)、两个感应电容的静电极(14b)和两个动电极(14c)组成两个对称布置的电容器组。

4、根据权利要求3所述的一种基于电容的动态扭矩传感器，其特征在于：所述激励电容的静电极(14a)的形状为圆环形，感应电容的静电极(14b)的形状是径向宽度按线性、正弦或余弦规律变化的圆环，动电极(14c)的径向宽度要大于激励电容的静电极(14a)和感应电容的静电极(14b)的径向宽度之和。