本發(fā)明涉及無刷扭矩傳感器，特別是涉及一種基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器。

背景技術：

1、現(xiàn)有的大型重工業(yè)復雜設備中的高速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測量問題及現(xiàn)有扭矩傳感技術所存在的問題，可以包括如下缺陷：

2、接觸式測量的局限性：傳統(tǒng)的接觸式扭矩測量方法，如應變片扭矩測試法，可能因為電刷接觸不良或脫落導致信號誤差大。此外，接觸式測量可能會受到軸的偏轉(zhuǎn)和軸向偏移的影響，影響測量精度。高速旋轉(zhuǎn)帶來的挑戰(zhàn)：在高速旋轉(zhuǎn)的情況下，由于強振動，可能會導致測試失靈的問題，如磁彈性式、磁電式等方法。信號傳輸問題：接觸式測量中的導電滑環(huán)存在磨損和發(fā)熱問題，限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及使用壽命，并可能造成測量誤差。環(huán)境因素影響：扭矩傳感器的性能可能受到外部環(huán)境的影響，如溫度、濕度、震動等，這可能導致測量結(jié)果不穩(wěn)定。成本和安裝復雜性：扭矩傳感器的制造和維護成本相對較高，且安裝過程復雜，需要專業(yè)技術人員操作。非線性誤差：扭矩傳感器在長時間使用后可能出現(xiàn)非線性誤差，需要定期校準和維護。動態(tài)測量的挑戰(zhàn)：對于動態(tài)或時變的扭矩測量，傳統(tǒng)方法可能不適用，需要更先進的技術來實現(xiàn)準確測量。特殊環(huán)境下的測量難題：在高溫、高濕、粉塵等極端環(huán)境下，電磁式扭矩傳感器等可能面臨測量難題。

3、針對大型重工業(yè)復雜設備中的高速旋轉(zhuǎn)軸的扭矩測量問題及現(xiàn)有扭矩傳感技術所存在的缺陷，亟待一種可以解決其中問題的傳感器。

技術實現(xiàn)思路

1、本發(fā)明旨在至少在一定程度上解決相關技術中的技術問題之一。

2、為此，本發(fā)明提出了一種基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，該傳感器通過將旋轉(zhuǎn)軸的扭矩變形轉(zhuǎn)化為傳感器外殼的軸向拉伸，通過測量布置在外殼上的電應變片產(chǎn)生的電壓信號并進行轉(zhuǎn)化即可實現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)軸所受扭矩的長時間準確測量。

3、為達上述目的，本發(fā)明一方面提出一種基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，包括：扭轉(zhuǎn)傳遞單元、應變檢測單元和電壓信號處理單元，其中，

4、所述扭轉(zhuǎn)傳遞單元，包括傳動軸、鋼帶、旋轉(zhuǎn)體、形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)，且均成對存在；所述旋轉(zhuǎn)體與所述傳動軸固連，成對的旋轉(zhuǎn)體通過所述鋼帶相連接；所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)與所述旋轉(zhuǎn)體同步轉(zhuǎn)動，所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的高度變化側(cè)與殼體緊貼；

5、所述應變檢測單元，包含組成全橋形式的4只應變片，所述應變片沿圓周方向間隔90度均勻粘貼在所述扭轉(zhuǎn)傳遞單元的殼體上，且根據(jù)安裝方向分為兩組，兩組分別沿軸向和垂直于軸向固定；

6、所述電壓信號處理單元與應變檢測單元相連接，所述電壓信號處理單元用于將采集的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號；所述電壓信號處理單元，包括信號調(diào)理器、數(shù)據(jù)采集卡以及計算機。

7、本發(fā)明實施例的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器還可以具有以下附加技術特征：

8、在本發(fā)明的一個實施例中，所述傳動軸、所述旋轉(zhuǎn)體和所述殼體的旋轉(zhuǎn)軸均同軸。

9、在本發(fā)明的一個實施例中，所述旋轉(zhuǎn)體上設有螺紋連接孔和圓柱孔，所述螺紋連接孔用于與鋼帶連接，所述圓柱孔用于形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的安裝。

10、在本發(fā)明的一個實施例中，所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的兩端為球面，中間為圓柱，且兩端球面所對應的完整球面相交。

11、在本發(fā)明的一個實施例中，所述鋼帶的兩個端點的安裝位置與旋轉(zhuǎn)軸軸線的垂直距離相等，且當待測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，所述鋼帶受力拉伸并使得所述旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動。

12、在本發(fā)明的一個實施例中，所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)隨旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角而旋轉(zhuǎn)；所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)在沿旋轉(zhuǎn)軸方向上的高度增加使得所述殼體產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn)軸方向的拉伸變形。

13、在本發(fā)明的一個實施例中，兩側(cè)所述的殼體通過法蘭連接，且兩側(cè)殼體均具有延伸板條，所述延伸板條將殼體的近軸端與遠軸端通過法蘭連接，且沿圓周方向間隔90度排布。

14、在本發(fā)明的一個實施例中，設r1、r2、r3和r4為粘貼在殼體上的應變片，其中r1、r3沿傳動軸方向固定，r2、r4垂直于傳動軸方向固定，通過4只應變片將殼體的變形轉(zhuǎn)化為電阻的變化，并由電橋轉(zhuǎn)化為電壓信號，得到電壓變化量δu，通過所述電壓信號處理單元得到殼體的最大應變ε，關系如下式：

15、

16、其中，u為輸入電壓，k為電阻應變片的靈敏度系數(shù)，μ為殼體材料的泊松比，最大應變ε＝δh/2l0，l0為延伸板條的長度，δh為形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的沿旋轉(zhuǎn)軸方向上的高度上升值。

17、在本發(fā)明的一個實施例中，當形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)與初始位置產(chǎn)生偏角α時，此時預設的線段bb′與旋轉(zhuǎn)軸方向平行，形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的沿旋轉(zhuǎn)軸方向上的高度上升δh，δh＝bb'-h，兩端球面半徑均為r，其中bo1＝b′o2＝r，o為預設的線段aa′的中心點，則：

18、

19、在本發(fā)明的一個實施例中，所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的安裝位置距旋轉(zhuǎn)軸軸線的垂直距離為r'，當所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)與初始位置產(chǎn)生偏角α時，圓盤轉(zhuǎn)角所述鋼帶受力產(chǎn)生的變形量為：

20、

21、當鋼帶產(chǎn)生變形量δl時，鋼帶所受拉力為：

22、

23、其中，l為鋼帶的原長，a為鋼帶的截面積，e為鋼帶材料的彈性模量；

24、傳動軸所受的扭矩為：

25、t＝2·cos45°·fr。

26、本發(fā)明實施例的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，通過該裝置外殼與應變片不隨傳動軸轉(zhuǎn)動，供電便捷，能極好的保證旋轉(zhuǎn)動平衡，并且本發(fā)明為接觸式應變測量，具有安裝簡便、可靠性好、測量精度高的優(yōu)勢。

27、本發(fā)明附加的方面和優(yōu)點將在下面的描述中部分給出，部分將從下面的描述中變得明顯，或通過本發(fā)明的實踐了解到。

技術特征：

1.一種基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，包括扭轉(zhuǎn)傳遞單元、應變檢測單元和電壓信號處理單元，其中，

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，所述傳動軸、所述旋轉(zhuǎn)體和所述殼體的旋轉(zhuǎn)軸均同軸。

3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，所述旋轉(zhuǎn)體上設有螺紋連接孔和圓柱孔，所述螺紋連接孔用于與鋼帶連接，所述圓柱孔用于形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的安裝。

4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的兩端為球面，中間為圓柱，且兩端球面所對應的完整球面相交。

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，所述鋼帶的兩個端點的安裝位置與旋轉(zhuǎn)軸軸線的垂直距離相等，且當待測旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，所述鋼帶受力拉伸并使得所述旋轉(zhuǎn)體轉(zhuǎn)動。

6.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)隨旋轉(zhuǎn)體產(chǎn)生的轉(zhuǎn)角而旋轉(zhuǎn)；所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)在沿旋轉(zhuǎn)軸方向上的高度增加使得所述殼體產(chǎn)生沿旋轉(zhuǎn)軸方向的拉伸變形。

7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，兩側(cè)所述的殼體通過法蘭連接，且兩側(cè)殼體均具有延伸板條，所述延伸板條將殼體的近軸端與遠軸端通過法蘭連接，且沿圓周方向間隔90度排布。

8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，設r1、r2、r3和r4為粘貼在殼體上的應變片，其中r1、r3沿傳動軸方向固定，r2、r4垂直于傳動軸方向固定，通過4只應變片將殼體的變形轉(zhuǎn)化為電阻的變化，并由電橋轉(zhuǎn)化為電壓信號，得到電壓變化量δu，通過所述電壓信號處理單元得到殼體的最大應變ε，關系如下式：

9.根據(jù)權(quán)利要求4所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，當形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)與初始位置產(chǎn)生偏角α時，此時預設的線段bb′與旋轉(zhuǎn)軸方向平行，形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的沿旋轉(zhuǎn)軸方向上的高度上升δh，δh＝bb'-h，兩端球面半徑均為r，其中bo1＝b′o2＝r，o為預設的線段aa′的中心點，則：

10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，其特征在于，所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的安裝位置距旋轉(zhuǎn)軸軸線的垂直距離為r'，當所述形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)與初始位置產(chǎn)生偏角α時，圓盤轉(zhuǎn)角所述鋼帶受力產(chǎn)生的變形量為：

技術總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于軸向測量的接觸式無刷扭矩傳感器，包括扭轉(zhuǎn)傳遞單元，包括傳動軸、鋼帶、旋轉(zhuǎn)體、形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)和殼體結(jié)構(gòu)，且均成對存在；旋轉(zhuǎn)體與傳動軸固連，成對的旋轉(zhuǎn)體通過鋼帶相連接；形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)與旋轉(zhuǎn)體同步轉(zhuǎn)動，形變轉(zhuǎn)化機構(gòu)的高度變化側(cè)與殼體緊貼；應變檢測單元，包含組成全橋形式的4只應變片，應變片沿圓周方向間隔90度均勻粘貼在扭轉(zhuǎn)傳遞單元的殼體上，且根據(jù)安裝方向分為兩組，兩組分別沿軸向和垂直于軸向固定，電壓信號處理單元與應變檢測單元相連接，電壓信號處理單元將采集的電信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。本發(fā)明可以通過測量布置在外殼上的電應變片產(chǎn)生的電壓信號并進行轉(zhuǎn)化即可實現(xiàn)對高速旋轉(zhuǎn)軸所受扭矩的長時間準確測量。

技術研發(fā)人員：張佳明,王文瑞,謝璐
受保護的技術使用者：北京科技大學
技術研發(fā)日：
技術公布日：2025/1/2