本發(fā)明涉及動力傳動裝置轉(zhuǎn)軸扭矩傳感及測試領(lǐng)域，具體是一種薄片金屬環(huán)與軸承融合的非接觸式扭矩測試方法，尤其是以非接觸無源傳感的方式獲取轉(zhuǎn)軸的扭矩動態(tài)信息。

背景技術(shù)：

回轉(zhuǎn)機械的動力傳動主要依靠軸傳動，也即軸系旋轉(zhuǎn)運動是回轉(zhuǎn)機械動力傳輸?shù)闹匾獋鲃臃绞?，其中扭矩是表征動力傳輸系統(tǒng)動力性能、傳動鏈路能量傳遞與利用效率的最典型動態(tài)參數(shù)之一?？茖W(xué)技術(shù)的進步促進了機械裝備朝著電氣化、信息化、智能化的方向快速發(fā)展，為了在設(shè)計階段可靠的進行理論分析、仿真計算和優(yōu)化設(shè)計，在使用階段進行在線故障診斷、健康管理，準(zhǔn)確、可靠的獲取轉(zhuǎn)軸扭矩動態(tài)參數(shù)具有重要理論意義和實用價值。

目前，日益發(fā)展的信息處理技術(shù)、智能控制技術(shù)，以及先進的加工裝配工藝為提升回轉(zhuǎn)機械動力傳遞效率提供了重要機會，但是信息處理與智能控制需要準(zhǔn)確可靠的信息源，也即提升回轉(zhuǎn)機械動力傳遞效率在一定程度上需要從源頭上解決傳感器的信息獲取問題。由于動力傳動系統(tǒng)運動部件周圍結(jié)構(gòu)緊湊、轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)運動、應(yīng)用環(huán)境中存在腐蝕、油污、電磁干擾等，這些復(fù)雜測試環(huán)境使得現(xiàn)有的扭矩傳感器在傳感器有效安裝、傳感器供電、傳感器輸出信號傳輸?shù)确矫媸艿揭欢ㄏ拗啤Ｄ壳?，集流環(huán)、變壓器耦合、無線傳輸、感應(yīng)饋電等方法在一定程度上解決了傳感器供電和傳感器信號傳輸困難的問題，但是在高速旋轉(zhuǎn)場合下，接觸式集流環(huán)接觸摩擦耦合一定噪聲，在一定程度上干擾有效信號；無線遙測的發(fā)射模塊在狹小空間及高速旋轉(zhuǎn)場合安裝受限，而且傳統(tǒng)測試方法在轉(zhuǎn)軸上徑向不對稱布置信號傳輸或供電等模塊，在高速旋轉(zhuǎn)情況下一定程度上影響轉(zhuǎn)軸的動平衡。因此迫切希望能有一種適合于轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)運動、狹小空間等環(huán)境的扭矩動態(tài)信息獲取方法，具體是一種適合于狹小空間的非接觸式轉(zhuǎn)軸扭矩傳感及測試方法，從而為動力傳動系統(tǒng)的動力傳遞效率優(yōu)化、功率分配優(yōu)化、裝備優(yōu)化設(shè)計提供有效數(shù)據(jù)支撐，這對傳動系統(tǒng)的設(shè)計、制造和使用有十分重要的意義。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明為了解決旋轉(zhuǎn)軸高速旋轉(zhuǎn)運動、狹小空間等環(huán)境因素造成現(xiàn)有扭矩測試存在問題，提供了一種薄片金屬環(huán)與軸承融合的非接觸式扭矩測試方法。

本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種薄片金屬環(huán)與軸承融合的非接觸式扭矩測試方法，將扭矩測試裝置接入到電阻檢測電路中；

所述扭矩測試裝置包括粘貼于轉(zhuǎn)軸被測部位的電阻元件，安裝于轉(zhuǎn)軸上軸承內(nèi)部的電容元件；

所述電阻元件是由第一電阻應(yīng)變片和第二電阻應(yīng)變片構(gòu)成的，每個電阻應(yīng)變片的其中一端均通過導(dǎo)線連接于轉(zhuǎn)軸上，兩電阻應(yīng)變片的相互位置關(guān)系需保證隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動各電阻應(yīng)變片產(chǎn)生形變；

所述電容元件包括環(huán)設(shè)于軸承內(nèi)圈外徑面上的第一絕緣墊片環(huán)和第三絕緣墊片環(huán)，環(huán)設(shè)于軸承外圈內(nèi)徑面上的第二絕緣墊片環(huán)和第四絕緣墊片環(huán)；所述第一絕緣墊片環(huán)和第三絕緣墊片環(huán)外圓上分別環(huán)設(shè)有第一薄片金屬環(huán)和第三薄片金屬環(huán)，第二絕緣墊片環(huán)和第四絕緣墊片環(huán)的內(nèi)圓上分別環(huán)設(shè)有第二薄片金屬環(huán)和第四薄片金屬環(huán)，第一電阻應(yīng)變片的另一端通過第一導(dǎo)線連接于第一薄片金屬環(huán)上，第二電阻應(yīng)變片的另一端通過第二導(dǎo)線連接于第三薄片金屬環(huán)上；所有的絕緣墊片環(huán)之間均不接觸，所有的薄片金屬環(huán)之間均不接觸；所述第一薄片金屬環(huán)與第二薄片金屬環(huán)在徑向上相對，第三薄片金屬環(huán)與第四薄片金屬環(huán)在徑向上相對，軸承內(nèi)圈與軸承外圈之間的空間通過軸承兩端的左、右端蓋與外界環(huán)境相隔絕，且軸承內(nèi)腔充滿軸承潤滑脂；所有的絕緣墊片環(huán)和薄片金屬環(huán)與左、右端蓋之間存在間隙且不接觸，所有的絕緣墊片環(huán)和薄片金屬環(huán)與所有軸承滾珠之間存在間隙且不接觸；轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時第一薄片金屬環(huán)與第二薄片金屬環(huán)相互覆蓋的有效面積不變、間距不變、介電常數(shù)不變，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時第三薄片金屬環(huán)與第四薄片金屬環(huán)相互覆蓋的有效面積不變、間距不變、介電常數(shù)不變，第二薄片金屬環(huán)通過第三導(dǎo)線輸出信號，第四薄片金屬環(huán)通過第四導(dǎo)線輸出信號；軸承外圈通過連接件以及回轉(zhuǎn)機械接地；

所述扭矩測試裝置是通過將第三導(dǎo)線和第四導(dǎo)線接入到電阻檢測電路中的。

使用時，軸承內(nèi)圈隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動，則第一薄片金屬環(huán)和第三薄片金屬環(huán)隨轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動，也即在轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)運動時候，第一薄片金屬環(huán)與第二薄片金屬環(huán)相對運動、第三薄片金屬環(huán)與第四薄片金屬環(huán)相對運動。理論上，軸承外圈和軸承內(nèi)圈具有良好同軸度和很高的主軸回轉(zhuǎn)精度，薄片金屬環(huán)之間的軸承潤滑脂性能穩(wěn)定，則轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時第一薄片金屬環(huán)與第二薄片金屬環(huán)相互覆蓋的有效面積不變、間距不變、介電常數(shù)不變，轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時第三薄片金屬環(huán)與第四絕緣墊片環(huán)相互覆蓋的有效面積不變、間距不變、介電常數(shù)不變，因此第一薄片金屬環(huán)和第二薄片金屬環(huán)形成的電容C1值固定、第三薄片金屬環(huán)和第四薄片金屬環(huán)形成的電容C2值固定。具體實施時，由于機械加工及裝配工藝、薄片金屬環(huán)平整度等因素的影響，軸承內(nèi)圈上的第一薄片金屬環(huán)和軸承外圈上的第二薄片金屬環(huán)之間的間距在公差范圍變化，軸承內(nèi)圈上的第三薄片金屬環(huán)和軸承外圈上的第四薄片金屬環(huán)之間的間距在公差范圍變化；而且軸承潤滑脂有使用壽命，隨著使用時間的推移，軸承潤滑脂的密度、粘度有發(fā)生很小變化的可能，則軸承潤滑脂的介電常數(shù)存在很小變化的可能；“測試誤差不能避免，只能盡可能減小”是本領(lǐng)域公知常識，因此金屬環(huán)之間的間距在公差范圍變化、軸承潤滑脂的介電常數(shù)隨著使用時間的推移發(fā)生很小的變化，這些變化導(dǎo)致測試結(jié)果與理論值存在一定差異。

使用時，第一薄片金屬環(huán)、第二薄片金屬環(huán)、第三薄片金屬環(huán)、第四薄片金屬環(huán)需具有良好導(dǎo)電性、良好延展性(銅、銀、金、鋁均可，可以制作成金屬箔)，分別固定在絕緣墊片環(huán)上之后，具有良好的平整性；薄片金屬環(huán)結(jié)構(gòu)與轉(zhuǎn)軸上的軸承結(jié)構(gòu)融合，其中薄片金屬環(huán)結(jié)構(gòu)沿軸向?qū)ΨQ不影響軸的動平衡，而且薄片狀的金屬環(huán)厚度很小、體積很小，與轉(zhuǎn)軸上軸承結(jié)構(gòu)融合后，適合于狹小緊湊空間的測試場合。

理論上只要各電阻應(yīng)變片隨轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動可產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)形變，所有形式的第一電阻應(yīng)變片和第二電阻應(yīng)變片相對位置關(guān)系均可采用。根據(jù)材料力學(xué)，當(dāng)電阻應(yīng)變片與轉(zhuǎn)軸的母線呈45°時，應(yīng)變最大。具體實施時，可采用的電阻應(yīng)變片的安裝結(jié)構(gòu)(參見圖3)為：兩電阻應(yīng)變片位于轉(zhuǎn)軸的同一徑向面內(nèi)，且第一電阻應(yīng)變片與母線呈45°角，第二電阻應(yīng)變片與母線呈-45°角。

本發(fā)明所述薄片金屬環(huán)與軸承融合的非接觸式扭矩測試方法(扭矩測試裝置的使用方法)為：將第三導(dǎo)線和第四導(dǎo)線接入電阻檢測電路中。所述電阻檢測電路為本領(lǐng)域公知測試電路，本領(lǐng)域技術(shù)人員常規(guī)使用的電阻檢測電路為差動脈寬調(diào)制電路等。具體使用原理為：轉(zhuǎn)軸受到扭轉(zhuǎn)載荷作用下(扭矩為T)，第一電阻應(yīng)變片的電阻Ra的阻值和第二電阻應(yīng)變片的Rb的阻值發(fā)生變化，導(dǎo)致電容充電時間發(fā)生變化，引起電阻檢測電路波形占空比變化，經(jīng)過公知的低通濾波電路將波形占空比輸出為電壓信號，該輸出電壓信號可采用現(xiàn)有的測控儀表測量獲得。電容的充電時間變化量與Ra電阻值變化量、Rb電阻值變化量相關(guān)，又由于根據(jù)材料力學(xué)知識，Ra和Rb的變化量與扭矩相關(guān)，則電容充電時間變化量反映了轉(zhuǎn)軸的扭矩信息，連續(xù)測量即可實現(xiàn)轉(zhuǎn)軸扭矩動態(tài)信息的傳感及測試。

本發(fā)明所述的軸承結(jié)構(gòu)為一般的滾動軸承結(jié)構(gòu)，為公知結(jié)構(gòu)。軸承結(jié)構(gòu)是支撐機械旋轉(zhuǎn)體的必備重要部件之一，本發(fā)明所述的薄片金屬環(huán)結(jié)構(gòu)與軸承內(nèi)圈、軸承外圈結(jié)構(gòu)融合，也即薄片金屬環(huán)的傳感結(jié)構(gòu)集成在軸承內(nèi)部，隨旋轉(zhuǎn)軸一起裝配，可以實時測試或監(jiān)測軸的扭矩動態(tài)信息，解決了狹小空間后期監(jiān)測或測試傳感器安裝困難的問題。

附圖說明

圖1為本發(fā)明所述扭矩測試裝置的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2為圖1中A-A剖面圖。

圖3為電阻應(yīng)變片的安裝示意圖。

圖4為接入差動脈寬調(diào)制電路后本發(fā)明所述測試裝置形成的電路圖。

圖5為電容充電時間變化量形成脈寬信號的仿真示意圖。

圖中：1-轉(zhuǎn)軸，2-連接件，3a-第一電阻應(yīng)變片，3b-第二電阻應(yīng)變片，4a-第一導(dǎo)線，4b-第二導(dǎo)線，4c-第三導(dǎo)線，4d-第四導(dǎo)線，5a-軸承外圈，5b-軸承內(nèi)圈，5c-軸承滾珠，6a-左端蓋，6b-右端蓋，7a-第一絕緣墊片環(huán)，7b-第二絕緣墊片環(huán)，7c-第三絕緣墊片環(huán)，7d-第四絕緣墊片環(huán)，8a-第一薄片金屬環(huán)，8b-第二薄片金屬環(huán)，8c-第三薄片金屬環(huán)，8d-第四薄片金屬環(huán)。

具體實施方式

一種薄片金屬環(huán)與軸承融合的非接觸式扭矩測試方法，將扭矩測試裝置接入到電阻檢測電路中；

所述扭矩測試裝置包括粘貼于轉(zhuǎn)軸1被測部位的電阻元件，安裝于轉(zhuǎn)軸1上軸承內(nèi)部的電容元件；

所述電阻元件是由第一電阻應(yīng)變片3a和第二電阻應(yīng)變片3b構(gòu)成的，每個電阻應(yīng)變片的其中一端均通過導(dǎo)線連接于轉(zhuǎn)軸1上，兩電阻應(yīng)變片的相互位置關(guān)系需保證隨轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動各電阻應(yīng)變片產(chǎn)生形變；

所述電容元件包括環(huán)設(shè)于軸承內(nèi)圈5b外徑面上的第一絕緣墊片環(huán)7a和第三絕緣墊片環(huán)7c，環(huán)設(shè)于軸承外圈5a內(nèi)徑面上的第二絕緣墊片環(huán)7b和第四絕緣墊片環(huán)7d；所述第一絕緣墊片環(huán)7a和第三絕緣墊片環(huán)7c外圓上分別環(huán)設(shè)有第一薄片金屬環(huán)8a和第三薄片金屬環(huán)8c，第二絕緣墊片環(huán)7b和第四絕緣墊片環(huán)7d的內(nèi)圓上分別環(huán)設(shè)有第二薄片金屬環(huán)8b和第四薄片金屬環(huán)8d，第一電阻應(yīng)變片3a的另一端通過第一導(dǎo)線4a連接于第一薄片金屬環(huán)8a上，第二電阻應(yīng)變片3b的另一端通過第二導(dǎo)線4b連接于第三薄片金屬環(huán)8c上；所有的絕緣墊片環(huán)之間均不接觸，所有的薄片金屬環(huán)之間均不接觸；所述第一薄片金屬環(huán)8a與第二薄片金屬環(huán)8b在徑向上相對，第三薄片金屬環(huán)8c與第四薄片金屬環(huán)8d在徑向上相對，軸承內(nèi)圈5b與軸承外圈5a之間的空間通過軸承兩端的左、右端蓋6a、6b與外界環(huán)境相隔絕，且軸承內(nèi)腔充滿軸承潤滑脂；所有的絕緣墊片環(huán)和薄片金屬環(huán)與左、右端蓋6a、6b之間存在間隙且不接觸，所有的絕緣墊片環(huán)和薄片金屬環(huán)與所有軸承滾珠5c之間存在間隙且不接觸；轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動時第一薄片金屬環(huán)8a與第二薄片金屬環(huán)8b相互覆蓋的有效面積不變、間距不變、介電常數(shù)不變，轉(zhuǎn)軸1轉(zhuǎn)動時第三薄片金屬環(huán)8c與第四薄片金屬環(huán)8d相互覆蓋的有效面積不變、間距不變、介電常數(shù)不變，第二薄片金屬環(huán)8b通過第三導(dǎo)線4c輸出信號，第四薄片金屬環(huán)8d通過第四導(dǎo)線4d輸出信號；軸承外圈5a通過連接件2以及回轉(zhuǎn)機械接地；

所述扭矩測試裝置是通過將第三導(dǎo)線4c和第四導(dǎo)線4d接入到電阻檢測電路中的。

根據(jù)材料力學(xué)的公知知識，沿轉(zhuǎn)軸軸向±45°布置的第一電阻應(yīng)變片3a和第二電阻應(yīng)變片3b在轉(zhuǎn)軸受到扭轉(zhuǎn)載荷作用下一個變大、另一個變小，為了仿真方便，第一電阻應(yīng)變片3a和第二電阻應(yīng)變片3b的基礎(chǔ)阻值相同，定義為R₀，電阻阻值變化量為ΔR，即R_a＝R₀+ΔR，R_b＝R₀-ΔR，且電阻值的變化與扭矩大小正相關(guān)，也即第一電阻應(yīng)變片3a的電阻值R_a變化量ΔR和第二電阻應(yīng)變片3b的電阻值R_b變化量ΔR耦合了動態(tài)扭矩T的信息。本發(fā)明利用變化電阻改變固定電容充電時間的原理實現(xiàn)變化電阻的測量，其中充電時間變化量利用了公知的差動脈寬調(diào)制電路，具體實施如圖4：雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器(例如D觸發(fā)器，電子芯片74LS74)輸出端Q為高電平時為低電平，Q為低電平時為高電平；例如，當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端Q為高電平、為低電平時，即a點為高電平，通過電阻R和電阻Ra給C1充電，直到C1的導(dǎo)線4c輸出端c點的電壓高于參考電壓Ur時候，比較器A1產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)(Q為低電平、為高電平)；在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)前，或者說雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端Q為高電平至翻轉(zhuǎn)為低電平期間，b點為低電平，d點電勢高于b點，則C2通過二極管D2迅速放電；當(dāng)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)后，雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端Q為低電平時，為高電平，即a點為低電平，b點為高電平，通過電阻R和電阻Rb給C2充電，直到C2的導(dǎo)線4d輸出端d點的電壓高于參考電壓Ur時候，比較器A2產(chǎn)生脈沖，觸發(fā)雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)(Q為高電平時，為低電平)；在雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)前，或者說雙穩(wěn)態(tài)觸發(fā)器輸出端Q為低電平至翻轉(zhuǎn)為高電平期間，a點為低電平，c點電勢高于a點，則C1通過二極管D1迅速放電；至此，形成了周期性循環(huán)，電容C1和C2重復(fù)上述充放電過程。

(1)第一電阻應(yīng)變片3a的一端與第二電阻應(yīng)變片3b的一端連接，并通過轉(zhuǎn)軸1、軸承、連接件2以及回轉(zhuǎn)機械連接至大地(電源地)，第一電阻應(yīng)變片3a的另一端通過第一導(dǎo)線4a連接至第一薄片金屬環(huán)8a、第二薄片金屬環(huán)8b通過第三導(dǎo)線4c輸出信號，即電阻Ra(電阻值R_a隨扭矩T的大小而變化)與C1(電容值固定)連接，根據(jù)電容充電公式(電容充電時間與電阻和電容乘積相關(guān)，C1固定，則充電時間具有良好線性，其中U為差動脈寬調(diào)制電路的供電電壓)，第三導(dǎo)線4c輸出信號τ_a即耦合了扭矩信息，也即利用了電容C1兩塊金屬極板(第一薄片金屬環(huán)8a、第二薄片金屬環(huán)8b)的非接觸的特點，通過電容C1的近場耦合，實現(xiàn)了電阻Ra耦合扭矩信息的非接觸式傳感。

(2)第二電阻應(yīng)變片3b的另一端通過第二導(dǎo)線4b連接至第三薄片金屬環(huán)8c、第四薄片金屬環(huán)8d通過第四導(dǎo)線4d輸出信號，即電阻Rb(電阻值R_b隨扭矩T的大小而變化)與C2(電容值固定)連接，根據(jù)電容充電公式(電容充電時間與電阻和電容乘積相關(guān)，C2固定，則充電時間具有良好線性)，第四導(dǎo)線4d輸出信號τ_b即耦合了扭矩信息，也即通過電容C2兩塊金屬極板(第三薄片金屬環(huán)8c、第四薄片金屬環(huán)8d)的非接觸的特點，通過電容C2的近場耦合，實現(xiàn)了電阻Rb耦合扭矩信息的非接觸式傳感。

第一薄片金屬環(huán)8a、第二薄片金屬環(huán)8b分別與第三薄片金屬環(huán)8c、第四薄片金屬環(huán)8d在軸承徑向上相互對稱，這樣電容C1值和電容C2值相等。由于電阻值的變化與扭矩大小正相關(guān)；則隨著扭矩的增大，耦合了扭矩信息的τ_a和τ_b一個增大、一個減小，于是對這兩個信號處理，電容充電時間變化為Δτ＝τ_a-τ_b，根據(jù)上述的對稱結(jié)構(gòu)，C1與C2的電容值相等，定義為C0，則電容充電時間變化量為于是提高了傳感的靈敏度；另外，隨轉(zhuǎn)軸1旋轉(zhuǎn)運動的只有軸承內(nèi)圈5b、第一絕緣墊片環(huán)7a、第一薄片金屬環(huán)8a、第三絕緣墊片環(huán)7c、第三薄片金屬環(huán)8c，無需對轉(zhuǎn)軸1上的第一電阻應(yīng)變片3a和第二電阻應(yīng)變片3b供電，實現(xiàn)了無源傳感。

由于電容C1和C2的電容值相對固定，于是電容的充電時間與電阻值R_a、電阻值R_b單調(diào)相關(guān)，且電容的充電時間變化量與電阻值R_a變化量、電阻值R_b變化量單調(diào)相關(guān)；差動脈寬調(diào)制電路將電阻值R_a變化量、電阻值R_b變化量轉(zhuǎn)換為電容充電時間變化量，形成具有一定脈寬的信號(參見圖5)，例如高電平脈寬寬度代表電容C1的充電時間、低電平脈寬寬度代表電容C2的充電時間，差動脈寬電路輸出脈寬信號的脈寬測量是公知技術(shù)，具體實施時候，可以將差動脈寬電路輸出脈寬信號接入低通濾波電路，輸出具有一定電壓值的電壓信號，電阻值R_a變化量和電阻值R_b變化量越大，差動脈寬電路輸出脈寬信號的高電平脈寬與低電平脈寬差距越大，低通濾波電路輸出電壓信號的幅值越大，這個輸出的電壓信號可以用現(xiàn)有的測控儀表測量。

由于軸承內(nèi)腔空間較小，具體實施時，第一薄片金屬環(huán)8a和第二薄片金屬環(huán)8b位于軸承滾珠5c的一側(cè)，第三薄片金屬環(huán)8c和第四薄片金屬環(huán)8d位于軸承滾珠5c的另一側(cè)。