CN210037036U

CN210037036U - 非接触式动态扭矩传感器

Info

Publication number: CN210037036U
Application number: CN201921285062.6U
Authority: CN
Inventors: 庄庆森; 艾新国; 莫婵娟; 武伟成
Original assignee: SHANGHAI TM AUTOMATION INSTRUMENTS CO Ltd
Current assignee: SHANGHAI TM AUTOMATION INSTRUMENTS CO Ltd
Priority date: 2019-08-09
Filing date: 2019-08-09
Publication date: 2020-02-07
Anticipated expiration: 2029-08-09

Abstract

本实用新型公开了一种非接触式动态扭矩传感器，包括定子机座、转子以及高速轴承；定子机座和转子之间通过非接触的方式传递信号和能量；转子包括弹性轴、敏感元件、信号处理电路单元以及转子线圈；敏感元件用于检测弹性轴上产生的机械形变并输出对应的信号；信号处理单元用于对敏感元件输出的信号进行处理以驱动转子线圈；定子机座包括主电路单元、定子线圈、壳体以及电路接口，定子线圈以与转子线圈同轴的方式与转子线圈耦合固定；主电路单元固定于定子机座的电子仓内，电路接口用于连接导线；主电路单元用于对定子线圈进行供电，以及将检测的定子线圈的电流进行转换并输出。本实用新型提供具有更高的使用寿命和工作可靠性，适用范围更广。

Description

非接触式动态扭矩传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器领域，特别涉及一种非接触式动态扭矩传感器。

背景技术

目前，扭矩是在旋转动力系统中最频繁涉及到的参数，为了动态检测旋转扭矩，使用较多的是扭转角相位差式传感器。该传感器是在弾性轴的两端安装着两组齿数、形状及安装角度完全相同的齿轮，在齿轮的外侧各安装着一只接近传感器(磁传感器或者光传感器)。当弾性轴旋转时，这两组传感器可以测量出两组脉冲波，比较这两组脉冲波的前后沿的相位差就可以计算出弹性轴所承受的扭矩量。该方法检测信号为数字信号，能够实现转矩信号的非接触传递。但是，这种结构有如下几个缺陷：

1、体积较大，不易安装；

2、低转速时由于脉冲波的前后沿较缓不易比较，同时由于计时时间的限制，因此低速性能不理想，存在测量死区；

3、由于采用相位比较原理，对信号边缘敏感，使用环境中存在的干扰脉冲极易影响测量结果，而且不容易排除。

另外，现有技术中也有其他方案，例如检测手段为应变片电测技术，它具有精度高、频响快、可靠性好、寿命长等优点。将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并组成应变桥，若向应变桥提供工作电源即可测试该弹性轴受扭的电信号，但是在旋转动力传递系统中，最难的问题是旋转体上的应变桥的桥压输入及检测到的应变信号输出如何可靠地在旋转部分与静止部分之间传递，通常的做法是用导电滑环来完成。由于导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命。并且由于接触不可靠引起信号波动，从而造成测量误差大甚至测量不成功。

为了克服导电滑环的缺陷，另一个办法就是采用无线电遥测的方法:将扭矩应变信号在旋转轴上放大并进行V/F转换成频率信号，通过载波调制用无线电发射的方法从旋转轴上发射至轴外，再用无线电接收的方法，就可以得到旋转轴受扭的信号。旋转轴上的能源供应是固定在旋转轴上的电池。该方法即为遥测扭矩仪，遥测扭矩仪克服了电滑环的两项缺陷，但也存在着以下不足之处：

1、易受使用现场电磁波的干扰；

2、由于是电池供电，所以只能短期使用；

3、由于在旋转轴上附加了结构，易引起高转速时的动平衡问题，在小量程及小直径轴时更突出。

综上所述，目前的动态扭矩传感器需要改进，需要提高使用寿命和工作可靠性，提高抗干扰性能，扩大应用范围。

实用新型内容

本实用新型要解决的技术问题是为了克服现有技术中的上述缺陷，提供一种非接触式动态扭矩传感器。

本实用新型是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

一种非接触式动态扭矩传感器，包括定子机座、转子以及高速轴承；所述高速轴承安装于所述定子机座上，所述转子安装于所述高速轴承上，所述定子机座和所述转子之间通过非接触的方式传递信号和能量；

所述转子包括弹性轴、敏感元件、信号处理电路单元以及转子线圈；所述敏感元件固定于所述弹性轴上，用于检测所述弹性轴上产生的机械形变，并输出对应的信号；

所述信号处理电路单元分别与所述敏感元件以及所述转子线圈连接；所述信号处理单元用于对所述敏感元件输出的信号进行处理，以驱动所述转子线圈；所述转子线圈用于接收能量并对所述信号处理电路单元进行供电；

所述定子机座包括主电路单元、定子线圈、壳体以及电路接口，所述定子线圈固定于所述壳体内，并以与所述转子线圈同轴的方式与所述转子线圈耦合固定；所述主电路单元固定于所述定子机座的电子仓内，所述电路接口用于连接外部的导线；

所述定子线圈与所述主电路单元连接，所述主电路单元用于对所述定子线圈进行供电，以及将检测的所述定子线圈的电流进行转换并输出。

较佳地，所述敏感元件为应变片。

较佳地，所述信号处理单元用于对所述敏感元件输出的信号进行放大和调频处理。

较佳地，所述主电路单元用于将所述定子线圈的电流转换为模拟电压信号或模拟电流信号。

较佳地，所述主电路单元还包括RS485接口(一种采用ModBus协议的数字接口)或CAN接口(一种采用CANopen协议的数字接口)。

较佳地，所述主电路单元用于将所述定子线圈的电流转换为数字信号。

较佳地，所述主电路单元和所述信号处理电路单元之间采用线圈耦合的形式传递信号和能量。

较佳地，所述主电路单元和所述信号处理电路单元之间传输的信号为频率信号。

较佳地，所述定子机座的材质为铝合金。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本实用新型各较佳实例。

本实用新型的积极进步效果在于：与现有技术相比，本实用新型采用非接触的方式传输信号和能量，提高了使用寿命和工作可靠性，适用范围广，例如电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测，风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测，以及铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测。

附图说明

图1为本实用新型实施例提供的非接触式扭矩传感器的整体结构示意图。

图2为本实用新型实施例提供的非接触式扭矩传感器的内部结构示意图。

具体实施方式

下面通过实施例的方式进一步说明本实用新型，但并不因此将本实用新型限制在所述的实施例范围之中。

如图1-2所示，本实施例提供一种非接触式动态扭矩传感器，包括定子机座10、转子以及高速轴承1；所述高速轴承1安装于所述定子机座10上，所述转子安装于所述高速轴承1上，所述定子机座10和所述转子之间通过非接触的方式传递信号和能量。

所述转子包括弹性轴7、敏感元件5、信号处理电路单元4以及转子线圈2；所述敏感元件5固定于所述弹性轴7上，用于检测所述弹性轴7上产生的机械形变，并输出对应的信号。

所述信号处理电路单元4分别与所述敏感元件5以及所述转子线圈2连接；所述信号处理单元4用于对所述敏感元件5输出的信号进行处理，以驱动所述转子线圈2；所述转子线圈2用于接收能量并对所述信号处理电路单元进4行供电；

所述定子机座10包括主电路单元8、定子线圈3、壳体以及电路接口9，所述定子线圈3固定于所述壳体内，并以与所述转子线圈2同轴的方式与所述转子线圈2紧密耦合固定；所述主电路单元8固定于所述定子机座10的电子仓内，所述电路接口9用于连接外部的导线。

所述定子线圈3与所述主电路单元8连接，所述主电路单元8用于对所述定子线圈3进行供电，以及将检测的所述定子线圈3的电流进行转换并输出。

本实施例中，当转子的轴有扭矩传递时，弹性轴产生机械形变，述敏感元件检测此形变并输出对应的信号，信号处理电路单元对该信号进行处理，以驱动所述转子线圈。由于电磁耦合作用，定子线圈的电流信号会相应变化，主电路单元检测这个电流信号变化，并从中提取频率信号，经过处理变换成标准信号后输出。其中，输出的标准信号与转子的弹性轴上加载的扭矩成线性关系。

在可选的一种实施方式中，所述信号处理单元4用于对所述敏感元件5输出的信号进行放大和调频处理。

在可选的一种实施方式中，与非接触式动态扭矩传感器连接的外部采集模块支持电压输入，所述主电路单元8用于将所述定子线圈3的电流转换为模拟电压信号，例如动态扭矩传感器采集到扭矩后，输出0～±5V或者0～±10V的电压信号。

在可选的一种实施方式中，与非接触式动态扭矩传感器连接的外部采集模块支持电流输入，所述主电路单元8用于将所述定子线圈3的电流转换为模拟电流信号，例如动态扭矩传感器采集到扭矩后，输出4～20mA的电流信号，其中12mA对应零点。

在可选的一种实施方式中，所述主电路单元8还包括RS485接口或CAN接口。

在可选的一种实施方式中，与非接触式动态扭矩传感器连接的外部采集模块支持数字量输入，所述主电路单元8用于将所述定子线圈3的电流转换为数字信号。本实施例中，动态扭矩传感器采集到扭矩后输出的数字信号为有符号数，最大值对应满量程。

应当理解，主电路单元8中包括CPU，用于对接收到的信号进行定时计数，然后根据校准配置对接收到的信号进行详细处理，并转换为模拟电压信号、模拟电流信号或数字信号进行输出。

上述CPU具体可以选用ST公司(意法半导体公司)生产的STM32F103，或者其他公司的类似功能产品。其中，STM32F103是一种功能比较强大的32位的单片机，具有极高的性能、主流的Cortex内核(一种处理器内核)、超多的外设、优异的实时性能、极低的开发成本。

在可选的一种实施方式中，所述敏感元件5为应变片。

在可选的一种实施方式中，所述主电路单元8和所述信号处理电路单元4之间采用线圈耦合的形式传递信号和能量。

在可选的一种实施方式中，所述主电路单元8和所述信号处理电路单元4之间传输的信号为频率信号。

在可选的一种实施方式中，所述定子机座10的材质为铝合金。

下面介绍一下本实用新型提供的非接式动态扭矩传感器的使用方法：

S1、选择合适的量程和连接方式，将非接触式动态扭矩传感器安装在动力源和负载之间，注意保证同轴连接。

S2、将导线连接到外部采集模块(例如PLC、采集卡)。

S3、启动动力源部分，带动非接触式动态扭矩传感器和负载。

S4、采集模块采集非接触式动态扭矩传感器输出的信号。

本实施例提供的非接触式动态扭矩传感器采用非接触的方式传输信号和能量，提高了使用寿命和工作可靠性，适用范围广，例如电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测，风机、水泵、齿轮箱、扭力板手的扭矩及功率的检测，以及铁路机车、汽车、拖拉机、飞机、船舶、矿山机械中的扭矩及功率的检测。

另外，上述非接触式动态扭矩传感器中的转子体积小，结构紧凑，转动惯量小，转子附加的扭矩小。

虽然以上描述了本实用新型的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本实用新型的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本实用新型的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本实用新型的保护范围。

Claims

1.一种非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，包括定子机座、转子以及高速轴承；所述高速轴承安装于所述定子机座上，所述转子安装于所述高速轴承上，所述定子机座和所述转子之间通过非接触的方式传递信号和能量；

所述信号处理电路单元分别与所述敏感元件以及所述转子线圈连接；所述信号处理电路单元用于对所述敏感元件输出的信号进行处理，以驱动所述转子线圈；所述转子线圈用于接收能量并对所述信号处理电路单元进行供电；

2.如权利要求1所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述敏感元件为应变片。

3.如权利要求1所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述信号处理电路单元用于对所述敏感元件输出的信号进行放大和调频处理。

4.如权利要求1所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述主电路单元用于将所述定子线圈的电流转换为模拟电压信号或模拟电流信号。

5.如权利要求1所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述主电路单元还包括RS485接口或CAN接口。

6.如权利要求5所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述主电路单元用于将所述定子线圈的电流转换为数字信号。

7.如权利要求1所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述主电路单元和所述信号处理电路单元之间采用线圈耦合的形式传递信号和能量。

8.如权利要求1所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述主电路单元和所述信号处理电路单元之间传输的信号为频率信号。

9.如权利要求1所述的非接触式动态扭矩传感器，其特征在于，所述定子机座的材质为铝合金。