CN86100634A

CN86100634A - 高精度扭矩测量仪及标准相位差信号源

Info

Publication number: CN86100634A
Application number: CN 86100634
Authority: CN
Inventors: 强大应
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1986-01-21
Filing date: 1986-01-21
Publication date: 1987-01-31

Abstract

本发明有一个弹性轴，在该弹性轴两端各装有一个磁性刻度盘，在与各个磁性刻度盘相近处，各有一个带线圈的磁感应头，转动中的弹性轴承受扭矩时，在两个感应头中产生的电信号出现相位差，其值与作用在弹性轴上的扭矩成比例。这个相位差的值是Φ＝n×2+φ₀

其中n为正整数。由于此相位差值可以大于2π，所以可以提高测量精度。另外，利用这一原理，可制作出高精度的标准相位差信号发生装置，用以校验数字相位讨。

Description

本发明是属于转动机械的扭矩测量，特别是相位差式扭矩测量仪，它还可作为校验数字相位计的标准相位差信号源。

至今，工业上使用的相位差式扭矩仪，是在扭轴两端装有两个齿轮，齿轮近处装有传感器。扭轴在转动时，在两个传感器中感应出同频率的信号。当转轴受扭时，两电信号产生相位差，其大小与扭矩成正比。这种方法可以使扭矩测量数字化，容易与计算机配合使用。显示、打印都方便。但这种方法有以下不足之处：

1，对于一个给定的轴，扭矩测量范围受到限制。因为在这种方法中，相位计测量的范围理论上不能超过2π，实际上因为考虑到其它因素，这个范围被限制在π/2左右。如果为保证最大机械扭角时的相位差不大于上述范围，则在小扭角时，相位差的测量误差增大。目前为了克服这一不足之处，将整个测量范围分为几个段，分别配以不同的扭轴。但这给使用带来不便

2、相位角测量精度的进一步提高，受相位计本身测量精度的限制。

3、对齿轮加工精度要求高。

另外，目前数字相位计的校验中，使用的间接比较法精度不高，急需一种高精度相位差信号源。

本发明的一个目的就是提供一种标准相位差信号源。用来校验相位计。

本发明的另一个目的就是提供一种高精度相位差式扭矩测量仪，它可以使扭矩测量精度至少提高一个数量级。

本发明的综述

本发明与以前的相位测扭仪的基本差别在于，两传感器中产生的信号的相位差可以大于2π，其值为n×2π。这样就可在使用普通相位计的基础上，在很宽测量范围内使用一根扭轴。而且测量精度至少提高一个数量级。

本方法的基本点是在同一机械扭转角的情况下，使两传感器中信号的相位差越大越好。其具体方法可以是多种的。例如，可以用两个磁性度盘代替扭轴两端的齿轮。用磁性度盘上的磁性线代替齿轮中的轮齿。每两根磁性线之间在传感器中对应的电角度是2π。弹性轴受扭时，用一个计数器记录两传感器信号间相位差超过了几个2π，用相位计测量小于2π部分的相位角。如果计数器计n，相位计计数为Φ.，则总的电相位差为

Φ＝n×2π+Φ.

从这个相位差就可算出机械扭角和扭矩。这样能大大提高扭矩测量精度。这种方法实际上就是粗精结合的方法，如象钟表中的时、分、秒原理一样。

附图说明

图1是以前的扭矩测量传感器的原理图。

图2是本发明的相位差式扭矩测量系统图

图3是相位差式扭矩测量系统波形图

图4是本发明扭矩测量系统的附加信号处理线路图

图5是脉宽-电压转换器的电路实例图

图6是本发明中随机加法计数器的实例图

图7是本发明的扭矩传感器的另一实例

图8是本发明的扭矩传感器的另一例子

图9是本发明的扭矩传感器的又一个例子

图10是利用本发明的原理制作的高精度标准相位差信号源的原理图

图11是本发明的标准相位差信号源中刻度盘刻线的原理图

实例说明

图1表示以前的相位差式传感器的原理图。转动的扭轴1上固定有两个齿轮2、3，每个齿轮近处固定有一个传感器4、5，齿轮转动时，在传感器中产生感应信号，转轴受扭时，则这两个同频率的信号之间产生相位差。其大小和扭矩成比例。在本发明的第一个例子中，（如图2）2a、3a是用非磁性材料制的两个园柱形另件，在它的园周表面上涂有磁性材料。用高稳定度振荡器通过感应头在磁性材料上磁化出沿周向均匀分布的磁性刻线（磁性刻线越密，测量精度越高，但要求相位计的频率范围越宽）。其原理如象磁带录音机的录音过程。

在测量过程中，则象磁带录音机的放音过程。弹性轴转动时，在感应头中产生两个同频率的电脉冲信号。当外加扭矩时，两个脉冲信号号之间产生相位差。由于磁性刻线很密，因此这个相位差可以超过2π，其大小与扭矩成比例。

图3表示本发明扭矩测量仪的工作原理图。从感应头来的两个脉冲信号，先送到相位计中整形，成为图3中c）、d）的矩形波，再送入鉴相器进行相位比较，检测出两信号的相位计，鉴相器的输出也是一个矩形波，它的宽度与相位差成比例。设相位差为2π时的脉宽为A。在机械运转过程中，其扭矩可能增大，也可能减小，在扭矩增加过程中，相位差增大，当达到2π再增加时，则相位计指示从2π跃为0，鉴相器输出波形宽度也从A跃为0;扭矩减小时，当减小到0度还继续减小，则相位计指示从0跃为2π，同时鉴相器输出波形宽度从0跃为A。

为测出总相位差的大小，本发明使用了一个随机加法计数器（以下简称随机加），用它记录沿扭角正方向共扭过了几个2π。另外用一个相位计测量小于2π部分的相位差。随后在时钟脉冲的控制下，将随机加和相位计中的数在指令加法器中相加。然后显示、记录。如图2所示。

为了使随机加能在相位增加时（从2π跃变为0）加2π;在相位减小时（从0跃变为2π时）减2π，本发明有一个脉宽-电压转换器（以下简称W-V转换器）及有关的信号处理线路，（如图4所示）W-V转换器（见图5）将对应于相位差大小的脉冲宽度转换为电压幅度的大小，再经过微分线路，使脉宽从A跃变为0时输出正脉冲，脉宽从0跃变为A时输出负脉冲。用二极管D1、D2把正负脉冲分开，由单稳触发器DW1、DW2把脉冲转换为电位信号，分别输出四种控制信号送到随机加中控制加减运算。图中Yc是延迟器，其延迟时间应大于随机加中全加器的翻转时间。HF是或门。

W-V转换器的具体线路可以有多种，图6表示其中的一种具体的例子。

图6表示随机加的逻辑线路图。

图中1是给定的2π基数的固定电位，作为加数或减数。寄存器B是存放加减结果的寄存器，又是下一次运算的被加数或被减数。Q是全加器。

机械起动前，全加器Q和寄存器B都是0。起动后扭矩增加，当相位差超过第一个2π时，在脉冲+A和m的作用下，全加器作2π+0运算。随后在延迟脉冲的作用下把结果放入寄存器B中。作为下一次次运算的被加数或被减数。当扭矩减小时，在-A和m的作用下，把寄存器B中的数与2π的补码相加，也就是从B中减去2π。其结果在Yc作用下存入寄存器B中。寄存器B中的数在控制器的作用下与相位计中的数在指令加法器中相加，再去显示、打印、控制。

在具体线路中，应使整机在同一时钟脉冲控制下同步工作。而且避免指令加的取样时间与寄存器B的翻转时间相重合。

本发明的扭矩测量仪有以下优点：

1.精度高，它比目前已有的齿轮式测量仪的精度至少可以提高一个数量级;

2.扭矩传感器的0相位调正方便。不必将两感应头调正到使相位差为0。可以有一定起始值，在运算中于以补偿;

3.测量结果容易用扭轴的扭矩-转角校准曲线校正，容易与计算算机配套使用。

图7是本发明的扭矩传感器的另一个实例，在这个例子中，扭轴两端装有盘形件，在盘形件的园周表面或径向断面上（图中表示为在园周表面上）涂有沿周向均匀分布、黑白相间的区间。6为光源，其光射向上述区间，然后反射到光敏元件7上。扭轴转动时，由于上述黑白相间的区间对光线的反射，使光敏元件的阻值或电压产生变化。经转换后送进相位差计中。

图8是本发明的扭矩传感器的又一个例子。在这个例子中，有两个形另件装于弹性轴1的两端。该盘的园周上有间隔透光的光栅，光栅两边有一个光源6和一个光敏元件7。转轴在转动中，该光栅使从光源照到光敏元件上的光间断遮挡，从而产生脉冲信号。转轴受扭时，两脉冲信号之间产生相位差。

图9是本发明的扭矩传感器的另一个例子。在这个例子中，扭转轴的两端各装有一个园盘，在盘的一边有光源6，另一边有一个光敏元件7。园盘上沿园周有间隔透光的光栅，该光栅使从光源6射到光敏元件7上的光间断遮挡，从而产生脉冲信号。转轴受扭时，两脉冲之间产生相位差。

根据本发明的原理，可以制作一种高精度的标准相位差信号源，用以校验数字相位计，或作其它用途。

目前，数字相位计的校验是用间接比较法。精度较低。使用本发明的方法可以建立比现在的方法精度至少高一个数量级的标准相位差信号源。

图10是本发明的标准相位差信号源的原理图。图中1是弹性轴，由电动机带动旋转。当该轴承受扭矩时，则产生一个扭转角。弹性轴的两端装有两个表面涂有磁性材料的园柱形另件，称为磁性度盘。在每个磁性度盘的磁性表面上，用高精度振荡器经过感应头感应出两组刻线。如图11所示。象钢板尺上的刻度一样。在于上述两种刻度相对应处的位置有两对感应头A、B。转轴旋转时，在两个感应头B中产生频率为F1的两个信号。接被校验的相位计;在两个感应头A中产生频率为F2的两个信号，接本发明的标准相位计。图10中P是无级调速装置。G是发电机，R是发电机的可调负载。调正电动机转速可调节信号的频率。调节R的大小可调正扭角的大小，从而调节相位差的大小。其弹性轴扭角的调正，应使频率为F1的信号之间的相位差不大于2π。由于感应头A对应的磁性刻线比感应头B对应的磁性刻线密。F2大于F1。因此，本发明的标准相位计的测量精度就高于被检验相位计的精度。

图10中表示的磁性度盘的方法，也可以用图7、8、9中所示的光学的方法代替。

标准相位差信号源的电气线路部分与前述的高精度扭矩测量仪中讲过的相类似。

这种标准相位差信号源的优点是：

1精度高;

2可以同时调节工作频率和相位差角的大小。

Claims

1、一种相位差式扭矩测量装置，它包括一个承受扭矩的弹性轴，在该轴的两端至少各装有一个随轴转动的另件，由于该另件的转动在位于该另件附近的两个感受元件上产生同频率的信号。当转轴受扭时，两个同频率信号之间产生相位差。其特点是该相位差可以大于2π，其值是n×2π+φ.。

2、权利要求1的测量装置中，相位差的测量线路中包括：

1.一个测量小于2π部分的相位差值Φ.的相位计。

2.一个随机加法计数器，它用来寄存n×2π的值。其中n是上述相位计的测量结果从2π跃变为0（设为正）的次数与从0跃变为2π（设为负）的次数的代数和。

3.一个指令加法器，用以将上述随机加法计数器中的n×2π值与相位计中小于2π的相位差值相加。

3、权利要求1、2的测量装置中，弹性轴上至少装有两个随轴转动的另件，该另件的表面上涂有磁性材料，在该磁性表面上，沿周向录有均匀的磁性线。在与上述两个另件相近处，装有一个感应头，扭轴转动时，由于磁性表面的运动，在感应头中产生电信号。

4、权利要求1、2的测量装置中，弹性轴上至少装有两个随轴转动的另件，在该另件上涂有沿周向均匀分布、黑白相间的区间，在该区间附近有一个其光线正对着该区间的光源。还有一个用来感受从该区间反射来的光线的光敏元件。扭轴旋转时，由于黑白相间区对光线的间断反射，光敏元件输出脉冲信号。

5、权利要求1、2的测量装置中，弹性轴的每端至少有一个随轴转动的另件，在每个另件上有沿周向均匀分布、间断透光的光栅，在该光栅的一边有一个光线对准光栅的光源。在光栅另一边装有一个感受从光栅透过的光的光敏元件。光栅随弹性轴旋转时，由于光栅的间断透光，使光敏元件输出脉冲信号。

6、权利要求1、2所述的相位差式扭矩测量装置中，其相位差测量电路中，包括一个把相位计中鉴相器输出的矩形脉冲的变化按比例地转变为电压的幅度变化的线路，（以下简称为W-Y转换电路）还有一个接在W-V转换电路之后的微分电路。以及与其有关的分离、转换电路。它们的功能是，当相位计的测量结果从2π跃变为0的时候，随机加法计数器则加2π;当相位计的测量结果从0跃变为2π时，随机加法计数器减2π。

7、一种高精度相位差信号发生装置，其特点是，它有一个可以产生扭转弹性变形的轴，在该轴的每端至少装有一个随轴转动的另件，在与每端的上述另件相对应处，装有感受元件，由于上述另件的转动，在感受元件中产生两个频率为F1、F2的同步信号，且F1不等于F2。当转动中的弹性轴受扭时，位于弹性轴两端、频率相等的两个信号之间出现相位差。位于弹性轴两端的另外两个同频率的信号之间也出现相位差。这两个相位差不相等，而且至少有一个相位差可以大于2π。

8、权利要求8的标准相位差信号源中，其相位差测量线路中，至少有一套测量电路包括：

1.一个测量小于2π部分的相位差的相位计;

2.一个随机加法计数器，用来寄存n×2π的值。其中n是上述相位计的测量结果从2π跃变为0（设为正）的次数，与从0跃变为2π（设为负）的次数的代数和。

9、权利要求89的标准相位差信号源中，弹性轴上至少装有两个由非磁性材料制的另件，该另件的表面上涂有磁性材料。在转轴每端的磁性材料上，至少录有沿周向均匀分布的两组同步的磁性线，但密度不同。在与每组磁性刻线相近处，至少装有一个磁性感应头。

10、权利要求8、9的标准相位差信号源中，弹性轴的每端至少装有一个另件，在弹性轴每端的另件上，沿周向至少涂有两组均匀分布、同步的黑白相间的区间。在与该区间相对处，至少装有一个光线对准该区的光源。还有感受从上述区间反射的光的光敏元件。

11、权利要求8、9的标准相位差信号源中，弹性轴的每端至少装有一个另件，在每端的另件上，沿周向至少制有两组均匀分布间断透光的同步光栅。在该光栅的一边有一个光线对准光栅的光源。在光栅的另一边，至少装有一个感受从光栅透过来的光的光敏元件。

12、权利要求8、9的标准相位差信号源中，其相位差测量线路中包括一个把相位计中鉴相器输出的矩形脉冲的宽度变化按比例地转变为电压幅度变化的电路（W-V转换电路）。还有一个接在上述W-V电路之后的微分电路，以及有关的分离、转换电路。它们的功能是当相位计的测量结果从2π跃变为0时，使随机加法计数器加上2π;当相位计测量结果从0跃变为2π时，随机加法计数器减去2π。

13、权利要求8、9的标准相位差信号源中，弹性轴的转速可以无级调节。

14、权利要求8、9的标准相位差信号源中，加在弹性轴上的扭矩的大小可以无级调节。

15、权利要求8、9的标准相位差信号源装置中，扭轴上扭矩的调正是通过改变连在弹性轴上的发电机的负载大小实现。