CN206531600U - 一种动态扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种动态扭矩测量装置，包括有与被测对象的主轴连接的扭矩检测传感器，输入端与扭矩检测传感器输出端连接的光电耦合电路，与光电耦合电路的输出端连接的整形电路，与整形电路的输出端连接的单片机主控模块，以及连接于单片机主控模块上的通信单元和显示屏。本实用新型结构简单，安装方便，可以同时检测高速旋转设备的扭矩、转速和功率值，测量效率和测量准确度高；而且通过通信单元将测量数据发送给主控计算机，主控计算机对测量数据进行分析和保存，且当测量数据超过预设报警值，报警装置进行提醒，从而增强设备运行的安全性，为安全生产提供有力保障。

Description

一种动态扭矩测量装置

技术领域

本实用新型涉及工业自动化领域，具体是一种动态扭矩测量装置。

背景技术

目前国内现有的工业现场扭矩测量装置，一般只能测量静态扭矩值，无法直接测量目标设备的扭矩、转速和功率值，测量效率十分低下，准确度也很难保证。此类扭矩测量装置一是只能接收模拟量信号，测量静态扭矩，当目标设备比如电机主轴高速旋转时，就无法进行测量；二是一般采用应变片形变测量原理，响应频率较低，而且多为接触式测量，测量精确度很难保证。三是不能同时测量目标设备的扭矩、转速和实时功率，测量效率低下。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是提供一种动态扭矩测量装置，采用光电式动态扭矩测量原理，能同时测量扭矩、转速和实时功率值，极大增强了动态扭矩数据测量的效率和准确性。

本实用新型的技术方案为：

一种动态扭矩测量装置，包括有与被测对象的主轴连接的扭矩检测传感器，输入端与扭矩检测传感器输出端连接的光电耦合电路，与光电耦合电路的输出端连接的整形电路，与整形电路的输出端连接的单片机主控模块，以及连接于单片机主控模块上的通信单元和显示屏；所述的扭矩检测传感器包括有壳体、设置于壳体内的弹性轴和设置于弹性轴外壁上的多个电阻应变片，所述的弹性轴的端部与被测对象的主轴同轴连接，所述的多个电阻应变片组成惠斯登电桥，惠斯登电桥的输出端与光电耦合电路的输入端连接；所述的单片机包括有单片机主控模块包括有单片机芯片、分别与单片机芯片连接的复位电路和退耦电路，所述的复位电路包括有钽电容E3和电阻R16，钽电容E3的一端与单片机芯片的电源引脚连接，电阻R16的一端与单片机芯片的地 引脚连接，钽电容E3的另一端、电阻R16的另一端均与单片机芯片的RST引脚连接，所述的退耦电路包括有退耦电容，退耦电容连接于单片机芯片的电源引脚和地引脚之间。

所述的弹性轴上设置有用于提供电源的旋转变压器，旋转变压器的初级线圈与扭矩检测传感器的壳体固定连接，次级线圈固定在弹性轴上和弹性轴一同旋转。

所述的弹性轴的外壁上固定设置有八个电阻应变片，每四个电阻应变片组成一个惠斯登电桥且沿弹性轴的圆周均匀分布，两个惠斯登电桥的输出端分别与两个光电耦合电路的输入端对应连接。

所述的光电耦合电路包括有光电耦合器，光电耦合器的输入正极即光电耦合电路的输入端与惠斯登电桥的输出端连接，光电耦合器的输入负极通过一电阻接地，5V电源通过另一电阻与光电耦合器的集电极输出端连接，且整形电路的输入端与光电耦合器的集电极输出端即光电耦合电路的输出端连接，光电耦合器的发射极输出端接地。

所述的整形电路为两个，均包括有单稳态触发器，每个单稳态触发器的输入端与对应的光电耦合电路的输出端连接，单稳态触发器的输出端与单片机芯片连接。

所述的通信单元选用RS232串口通信单元，RS232串口通信单元包括有RS232电平转换芯片，RS232电平转换芯片连接于单片机芯片和主控计算机之间。

所述的显示屏选用液晶显示屏。

所述的主控计算机上连接有报警装置。

本实用新型的优点：

本实用新型结构简单，安装方便，可以同时检测高速旋转设备的扭矩、转速和功率值，测量效率和测量准确度高；而且通过通信单元将测量数据发 送给主控计算机，主控计算机对测量数据进行分析和保存，且当测量数据超过预设报警值，报警装置进行提醒，从而增强设备运行的安全性，为安全生产提供有力保障。

附图说明

图1是本实用新型的原理框图。

图2是本实用新型扭矩检测传感器的安装结构示意图。

图3是本实用新型扭矩检测传感器壳体内的结构示意图。

图4是本实用新型八个电阻应变片组成的惠斯登电桥的电路图。

图5是本实用新型光电耦合电路和整形电路的电路连接图。

图6是本实用新型单片机芯片的电路图。

图7是本实用新型复位电路的电路图。

图8是本实用新型退耦电路的电路图。

图9是本实用新型RS232串口通信单元的电路图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

见图1和图2，一种动态扭矩测量装置，包括有与被测对象(减速箱08、电动机09)的主轴连接的扭矩检测传感器01，两个输入端与扭矩检测传感器03输出端连接的光电耦合电路02，两个与对应的光电耦合电路02的输出端连接的整形电路03，与两个整形电路03的输出端连接的单片机主控模块04，以及连接于单片机主控模块04上的RS232串口通信单元05和液晶显示屏06；其中，RS232串口通信单元05连接于单片机主控模块04和主控计算机07之间，进行数据交换。

本实用新型的工作原理：被测对象的主轴旋转时，带动扭矩检测传感器01和光电耦合电路02一同旋转，通过光电耦合和电磁耦合，将扭矩信号和转速信号转换为对应的10KHz左右电脉冲信号，电脉冲信号通过整形电路03整形后，传输给单片机主控模块04，单片机主控模块04通过内部定时器和脉冲捕捉电路对电脉冲信号进行处理，换算成对应的扭矩值、转速值和实时功率值。单片机主控模块04驱动液晶显示屏06，实时显示扭矩值、转速值和功率值，同时将数据通过RS232串口通信单元05传输给主控计算机07，主控计算机07根据扭矩值、转速值和功率值绘制出对应的三条曲线，并定时将数据信息存储在存储器中，方便日后调用查阅。主控计算机发现扭矩、转速和功率等实时信息数据超出了预设的正常范围，则会通过报警装置发出声光报警信号警示操作人员，并会立即切断目标设备的电源并发出警示信息提醒操作人员及时进行处理。

液晶显示屏实时显示测量的动态扭矩值、转速值和功率值；

见图3和图4，扭矩检测传感器01包括有壳体、设置于壳体内的弹性轴11和固定设置于弹性轴11外壁上的八个电阻应变片R1-R8，扭矩检测传感器的壳体、弹性轴11及轴承等都是具有导电导磁性能的金属材料，作为导磁磁芯，弹性轴11的端部与被测对象(减速箱08、电动机09)的主轴同轴连接，每四个电阻应变片(R1-R4或R5-R8)组成一个惠斯登电桥且沿弹性轴11的圆周均匀分布，惠斯登电桥可将启闭机工作时作用于弹性轴11上的总力矩近似按线性规律转换为标准的变送信号，两个惠斯登电桥的输出端分别与两个光电耦合电路02的输入端对应连接；弹性轴11上设置有用于提供电源的旋转变压器，旋转变压器的初级线圈与扭矩检测传感器01的壳体固定连接，次级线圈固定在弹性轴11上和弹性轴11一同旋转；由振荡电路给初级线圈提供占空比为50％的恒定频率脉冲电源，在初级的激励之下，旋转变压器次级线圈 产生具有一定带载能力的脉动直流电源，经过整流及稳压获得稳定的直流电源供电桥及与弹性轴11同时旋转的电路供电；

见图2，扭矩检测传感器01同时起到联轴器的作用，安装及后期维护非常方便。总力矩脉冲对应的电信号主要通过对扭矩检测传感器内部弹性轴11上的电阻应变片及其电桥输出的总力矩电信号变换得到，而弹性轴11相对于壳体旋转，部分力矩信号变换电路和脉冲产生电路固连于弹性轴11上并与之同时旋转。由于扭矩检测传感器01安装在被测对象(减速箱08、电动机09)的动力传输端，输出的总力矩信号既包括工作过程中实际负载引起的力矩，也包括了如机构本身的摩擦力等其他因素产生的附加力矩。

见图3和图4，被测对象在工作过程中，其负载及其他因素引起的总力矩可等效为动力输入端的总力矩Mz，电动机提供的动力矩设为Md，当弹性轴的转速为n恒定时，有Md＝Mz。为简化分析，假定弹性轴为内外径恒定的空心轴，根据材料力学可知，与轴线方向为±45°的轴外表面受到的应力为最大值和最小值，且方向相反，即一个受拉，另一个受压。图中的R1-R8为金属应变片，其原始阻值为1KΩ，沿轴中心线成±45°方向贴片。按照图中的布片方式，根据惠斯登电桥的组桥原则，将8个应变片组成差动电桥，工作时8个应变片的阻值变化值基本相同，原始阻值相同且设为R0，工作工程中的电阻变化量ΔR1＝ΔR2＝ΔR3＝ΔR4＝ΔR5＝ΔR6＝ΔR7＝ΔR8＝ΔR。当弹性体受力时，R2＝R4＝R5＝R7＝R0+ΔR，R1＝R3＝R6＝R8＝R0–ΔR，根据电阻应变效应，可得到电桥的输出与总力矩间的关系式：

式中，E为弹性轴11的弹性模量，μ为泊松比，两者为常数，S为电阻应变片的灵敏度系数，Ui为电桥电源电压，U0为电桥的输出，由上述公式可知，总力矩与电桥的输出为线性关系。

见图5，每个光电耦合电路02均包括有光电耦合器U2或U7，光电耦合 电路的输入正极即光电耦合器U2或U7的输入端与惠斯登电桥的输出端连接，光电耦合器的输入负极通过一电阻R6或R18接地，5V电源通过另一电阻R1或R16与光电耦合器U2或U7的集电极输出端连接，且整形电路的输入端与光电耦合器U2或U7的集电极输出端即光电耦合电路的输出端连接，光电耦合器的发射极输出端接地；两个整形电路均包括有单稳态触发器U1A或UIB，每个单稳态触发器的输入端与对应的光电耦合电路的输出端连接，两个单稳态触发器的输出端分别与单片机芯片U4的引脚10、引脚11连接；

每个光耦合电路输出等间距的60个脉冲，并采用单稳态触发器进行整形，结合辩向电路实现对弹性轴旋转方向的辨别。当光电耦合器的红外发射板相对红外接收板逆时针旋转时，顺时针计数脉冲输出始终为低电平，逆时针计数脉冲有脉冲输出；当红外发射板相对红外接收板顺时针旋转时，顺时针有脉冲输出，逆时针计数脉冲输出始终为低电平。

见图6—图8，单片机包括有单片机主控模块包括有单片机芯片U4(型号STC11F16XE)、分别与单片机芯片U4连接的复位电路和退耦电路，复位电路包括有钽电容E3和电阻R16，钽电容E3的一端与单片机芯片的电源引脚(引脚38)连接，电阻R16的一端与单片机芯片的地引脚(引脚16)连接，钽电容E3的另一端、电阻R16的另一端均与单片机芯片的RST引脚(引脚4)连接，退耦电路包括有退耦电容C11，是一个容量为0.1uF的陶瓷电容，退耦电容C11连接于单片机芯片U4的电源引脚(引脚38)和地引脚(引脚16)之间，起到隔离噪声信号的作用；

其中，单片机芯片U4内部带有4KB的EEPROM，可以用来存储设定的阈值和报警参数，内部定时器和脉冲捕捉电路对电脉冲信号进行处理，换算出实时扭矩值、转速值和实时功率值。

见图9，通信单元选用RS232串口通信单元，RS232串口通信单元包括有RS232电平转换芯片U15，单片机芯片U4内部电平为TTL电平，所以和主控 计算机通信时需要进行电平转换，其中，RS232电平转换芯片U15的引脚11和引脚12分别接单片机芯片U4的P1.7TXD(引脚3)和P3.0RXD引脚(引脚3)，RS232电平转换芯片U15的引脚13和引脚14接外部DB9串口插座，然后通过9针串口连接线与主控计算机07相连。

尽管已经示出和描述了本实用新型的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本实用新型的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本实用新型的范围由所附权利要求及其等同物限定。

Claims (8)

1.一种动态扭矩测量装置，其特征在于：包括有与被测对象的主轴连接的扭矩检测传感器，输入端与扭矩检测传感器输出端连接的光电耦合电路，与光电耦合电路的输出端连接的整形电路，与整形电路的输出端连接的单片机主控模块，以及连接于单片机主控模块上的通信单元和显示屏；所述的扭矩检测传感器包括有壳体、设置于壳体内的弹性轴和固定设置于弹性轴外壁上的多个电阻应变片，所述的弹性轴的端部与被测对象的主轴同轴连接，所述的多个电阻应变片组成惠斯登电桥，惠斯登电桥的输出端与光电耦合电路的输入端连接；所述的单片机包括有单片机主控模块包括有单片机芯片、分别与单片机芯片连接的复位电路和退耦电路，所述的复位电路包括有钽电容E3和电阻R16，钽电容E3的一端与单片机芯片的电源引脚连接，电阻R16的一端与单片机芯片的地引脚连接，钽电容E3的另一端、电阻R16的另一端均与单片机芯片的RST引脚连接，所述的退耦电路包括有退耦电容，退耦电容连接于单片机芯片的电源引脚和地引脚之间。

2.根据权利要求1所述的一种动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的弹性轴上设置有用于提供电源的旋转变压器，旋转变压器的初级线圈与扭矩检测传感器的壳体固定连接，次级线圈固定在弹性轴上和弹性轴一同旋转。

3.根据权利要求1所述的一种动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的弹性轴的外壁上固定设置有八个电阻应变片，每四个电阻应变片组成一个惠斯登电桥且沿弹性轴的圆周均匀分布，两个惠斯登电桥的输出端分别与两个光电耦合电路的输入端对应连接。

4.根据权利要求1或3所述的一种动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的光电耦合电路包括有光电耦合器，光电耦合器的输入正极即光电耦合电路的输入端与惠斯登电桥的输出端连接，光电耦合器的输入负极通过一电阻接地，5V电源通过另一电阻与光电耦合器的集电极输出端连接，且整形电路的输入端与光电耦合器的集电极输出端即光电耦合电路的输出端连接，光电耦合器的发射极输出端接地。

5.根据权利要求3所述的一种动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的整形电路为两个，均包括有单稳态触发器，每个单稳态触发器的输入端与对应的光电耦合电路的输出端连接，单稳态触发器的输出端与单片机芯片连接。

6.根据权利要求1或5所述的一种动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的通信单元选用RS232串口通信单元，RS232串口通信单元包括有RS232电平转换芯片，RS232电平转换芯片连接于单片机芯片和主控计算机之间。

7.根据权利要求1所述的一种动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的显示屏选用液晶显示屏。

8.根据权利要求6所述的一种动态扭矩测量装置，其特征在于：所述的主控计算机上连接有报警装置。