專利名稱：非接觸電測量旋轉(zhuǎn)扭矩的方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明系非接觸電測量旋轉(zhuǎn)扭矩的方法，屬于扭矩測量技術(shù)。
目前，已有測量扭矩的方法是通過在旋轉(zhuǎn)件上貼應(yīng)變片將扭矩以電信號輸出。由于應(yīng)變片在旋轉(zhuǎn)系上，因此需要用電刷--導(dǎo)電環(huán)將電信號引出至固定系，并經(jīng)后級放大器處理為可使用的信號。其主要問題是1．結(jié)構(gòu)復(fù)雜、造價高；2．有磨損，壽命低；3．環(huán)節(jié)多，整體可靠性低；4．有不一致性，調(diào)整及標(biāo)定復(fù)雜；5．不能耐水、塵、腐蝕、大溫差及機(jī)械振動等惡劣環(huán)境。
本發(fā)明的目的是設(shè)計一種能夠以低造價的簡單結(jié)構(gòu)實現(xiàn)對旋轉(zhuǎn)系扭矩的非接觸測量，同時滿足實際使用所要求的高可靠性及抗惡劣環(huán)境性。
本發(fā)明一種非接觸電測量旋轉(zhuǎn)扭矩的方法，其實質(zhì)是在旋轉(zhuǎn)系中，利用應(yīng)變體傳遞扭矩并按所傳遞扭矩產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動變形，而靜止的測量頭通過光、電或磁效應(yīng)非接觸地測得固聯(lián)于應(yīng)變體上的兩個柵體因應(yīng)變體相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的相對變化，并輸出正比于所傳遞扭矩的電信號。該方法的具體步驟是①．待測扭矩通過應(yīng)變體3在軸1與軸2之間傳遞；②．應(yīng)變體3產(chǎn)生相應(yīng)于待測扭矩M的變形；③．柵5與柵6隨應(yīng)變體3的變形產(chǎn)生相對相位差；④．測量頭7測量柵5與柵6的相對相位差，并輸出電信號V；⑤．將電信號V轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的扭矩M:M=V/K1*K2；式中K1為綜合彈性系數(shù)，K2為測量頭7的靈敏度。
按照本方法所設(shè)計的測量裝置由軸1、軸2、應(yīng)變鉸支體(簡稱“應(yīng)變體”)3、限位結(jié)構(gòu)4、柵5、柵6及測量頭7構(gòu)成；軸1軸2為待測扭矩的傳遞軸，軸1與軸2通過應(yīng)變體3相連接，限位機(jī)構(gòu)4連接于軸1軸2，柵5連接于軸1，柵6連接于軸2，測量頭7與柵5柵6保持間隙。
本發(fā)明的優(yōu)點是1．結(jié)構(gòu)簡單，造價低；2．非接觸測量，壽命長；3．環(huán)節(jié)簡單，整體可靠性高；
4．受溫度變化引起的漂移?。?．一致性好，調(diào)整及標(biāo)定簡單；6．可以耐受水、塵、腐蝕、大溫差、機(jī)械振動等惡劣環(huán)境。
本發(fā)明具有如下附圖；

圖1傳感器工作原理示意圖。
圖2A、B鉸支結(jié)構(gòu)應(yīng)變體示意圖。
圖3A、B鋼支結(jié)構(gòu)應(yīng)變體示意圖。
圖4A、B齒式結(jié)構(gòu)限位機(jī)構(gòu)示意圖。
圖5A、B、C軸向透射光測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖6軸向反射光測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖7A、B徑向光測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖8A、B、C軸向電容測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖9徑向電容測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖10A、B、C軸向磁測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖11徑向磁測量結(jié)構(gòu)示意圖。
圖12電動自行車腳踏力矩傳感示意圖。
圖中標(biāo)號如下1軸 2軸 3應(yīng)變鉸支體(應(yīng)變體)4限位機(jī)構(gòu)5柵 6柵7測量頭 8軸承9彈簧10承扭盤 11承扭盤 12聯(lián)接環(huán)13聯(lián)接環(huán) 14彈性片 15限位輪16限位環(huán) 17發(fā)光管 18光敏元件19極板 20極板 21磁軛22勵磁元件 23檢磁元件 24中軸25右腳蹬曲柄 26鏈輪 27光敏三極管28柵 29柵 30發(fā)光二極管31滾珠 32五通管 33軸碗34端蓋 35應(yīng)變體茲舉實施例并配合圖式詳細(xì)說明如下請參閱圖1傳感器工作原理示意圖所示，傳感器由軸1、軸2、應(yīng)變體3、限位機(jī)構(gòu)4、柵5、柵6及測量頭7組成。
軸1與軸2為互相傳遞待測扭矩的旋轉(zhuǎn)部件。應(yīng)變體3聯(lián)接軸1及軸2，限制軸2沿軸向、徑向產(chǎn)生相對平移及沿徑向產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)，并按所傳遞扭矩使軸1與軸2產(chǎn)生沿軸向的相對扭轉(zhuǎn)；設(shè)M為軸1與軸2相互傳遞的待測扭矩；Mmax為最大量程扭矩；θ為軸1與軸2相應(yīng)相對扭轉(zhuǎn)角度；θmax為軸1與軸2在最大量程扭矩時相應(yīng)相對扭轉(zhuǎn)角度；K1為綜合彈性系數(shù)，在Mmax時有θ=K1*M。
限位機(jī)構(gòu)4限制軸1與軸2沿軸向的相對扭轉(zhuǎn)角度不超過極限值θmax。
柵5與柵6為光、電容或磁特性沿圓周按相同周期變化的環(huán)，柵5與柵6分別固聯(lián)干軸1軸2沿軸向相對扭轉(zhuǎn)角度θ產(chǎn)生相位差θ。
測量頭7沿測量方向與柵5及柵6保持非接觸，并沿測量方向?qū)?與柵6的相位差θ敏感，其相應(yīng)輸出電信號為V。測量頭7靈敏度為K2則在M≤Mmax時有V=K2*θ=K1*K2*M應(yīng)變體3可采用鉸支或鋼支結(jié)構(gòu)。如圖2所示為鉸支結(jié)構(gòu)應(yīng)變體示意圖；應(yīng)變體3由軸承8、承扭盤10、承扭盤11及彈簧9構(gòu)成。軸承8支承軸1與軸2；承扭盤10與承扭盤11分別固聯(lián)于軸1與軸2上；彈簧9沿圓周分布，兩端分別與承扭盤10與承扭盤11相聯(lián)；當(dāng)軸1軸2之間傳遞扭矩時，彈簧9產(chǎn)生相應(yīng)的變形。
如圖3所示為鋼支結(jié)構(gòu)應(yīng)變體示意圖；應(yīng)變體3由聯(lián)接環(huán)12聯(lián)接環(huán)13及彈性片14構(gòu)成，聯(lián)接環(huán)12與聯(lián)接環(huán)13分別固聯(lián)軸1與軸2上，彈性片14沿圓周分布，兩端分別固聯(lián)于聯(lián)接環(huán)12與聯(lián)接環(huán)13上。當(dāng)軸1軸2之間傳遞扭矩時，彈性片14產(chǎn)生相應(yīng)變形。
請參閱圖4所示，限位機(jī)構(gòu)4可采用齒式結(jié)構(gòu)，限位機(jī)構(gòu)4由限位輪15與限位環(huán)16組成；限位輪15與限位環(huán)16嵌套并分別與軸1及軸2固聯(lián)。限位輪15為外圓有凸齒的輪，限位環(huán)16為內(nèi)圓有凹槽的環(huán)，并且凸齒的寬度小于凹槽。當(dāng)軸1與軸2相對扭轉(zhuǎn)達(dá)到極限值時，限位輪15的凸齒與限位環(huán)16的凹槽接觸限制相對扭轉(zhuǎn)超過極限值。
柵5與柵6按需求可采用光、電容或磁測量結(jié)構(gòu)。
如圖5所示，為軸向透射光測量結(jié)構(gòu)示意圖。柵5與柵6為按相同周期透光度變化的透光柵；(黑色條為阻光區(qū)，無色條為透光區(qū))；測量頭7由發(fā)光管17及光敏元件18組成。當(dāng)柵5及柵6處于初始位置時，發(fā)光管17所發(fā)光完全被柵5及柵6遮擋；隨著柵5與柵6因軸1與軸2的相對扭轉(zhuǎn)而產(chǎn)生相位變化，光通量相應(yīng)增加。光敏元件18接收光并輸出正比于光通量的電信號。
某些條件下要求測量頭7在柵5和柵6的單側(cè)工作；可采用軸向反射光測量結(jié)構(gòu)，如圖6所示。此時柵5為透光柵，柵6為反光柵(黑色條為吸光區(qū)，無色條為反光區(qū))。
某些條件下可采用徑向光測量結(jié)構(gòu)，如圖7所示。
請參閱圖8所示，為軸向電容測量結(jié)構(gòu)原理示意圖。柵5與柵6是容柵結(jié)構(gòu)(黑色條為導(dǎo)電區(qū)，無色條為絕緣區(qū))；測量頭7由極板19與極板20構(gòu)成。極板19、柵5、柵6、極板20構(gòu)成串聯(lián)電容回路，其電容值隨柵5與柵6的相位變化而變化，并由后級電路處理為可利用的力矩電信號。
某些條件下可采用徑向電容測量結(jié)構(gòu)如圖9所示。
請參閱圖10所示，為軸向磁測量結(jié)構(gòu)原理示意圖。柵5與柵6是為導(dǎo)磁材料制成的柵結(jié)構(gòu)。測量頭7由磁軛21、勵磁元件22、檢磁元件23構(gòu)成。磁軛21、柵5、柵6、勵磁元件22、檢磁元件23構(gòu)成磁回路，其磁阻隨柵5與柵6的相位變化而變化。勵磁元件22產(chǎn)生恒定交流或直流磁勢檢磁元件23檢測磁回路磁通并輸出相應(yīng)電信號，經(jīng)后級電路處理為可利用的力矩電信號。
某些條件下可采用徑向磁測量結(jié)構(gòu)如圖11所示。
本發(fā)明可用于電動自行車腳踏力矩傳感，如圖12所示，中軸24通過滾珠31及軸碗33安裝于自行車架五通管32內(nèi)。右腳蹬曲柄25緊固于中軸的右端。腳踏力距由左右腳蹬發(fā)出并傳遞至右腳蹬曲柄25。應(yīng)變體35由多片彈性片連接內(nèi)、外圈構(gòu)成，其內(nèi)圈右腳蹬曲柄25上，外圈固定聯(lián)于鏈輪26上右腳蹬曲柄25通過應(yīng)變體35向鏈輪26傳遞力矩，右腳蹬曲柄25外圈凸齒與鏈輪26內(nèi)圈凹槽嵌套，形成限位機(jī)構(gòu)。在量程以內(nèi)，應(yīng)變體35隨力距大小產(chǎn)生變形，并造成右腳蹬曲柄25與鏈輪26產(chǎn)生相對扭轉(zhuǎn)。柵28與柵29為徑向通光的光柵，分別固聯(lián)于應(yīng)變體35的內(nèi)、外圈上，并隨右腳蹬曲柄25與鏈輪26的相對扭轉(zhuǎn)產(chǎn)生相互相位變化。發(fā)光二極管30與光敏三極管27構(gòu)成測量頭，固定于端蓋34上。發(fā)光二極管30發(fā)出光線并通過柵28及柵29進(jìn)入光敏三極管27，光敏三極管27按光通量輸出相應(yīng)的電流，即為正比于腳踏力距的電信號。端蓋34由軸碗33壓緊于自行車架五通管32上，并與應(yīng)變體35形成防塵氣擋。
權(quán)利要求
1．一種非接觸電測量旋轉(zhuǎn)扭矩的方法，其特征在于該方法是在旋轉(zhuǎn)系中，利用應(yīng)變體傳遞扭矩并按所傳遞扭矩產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動變形，而靜止的測量頭通過光、電或磁效應(yīng)非接觸地測得固聯(lián)于應(yīng)變體上的兩個柵體因應(yīng)變體相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的相對變化，并輸出正比于所傳遞扭矩的電信號，其具體步驟是①．待測扭矩通過應(yīng)變體(3)在軸(1)與軸(2)之間傳遞；②．應(yīng)變體(3)產(chǎn)生相應(yīng)于待測扭矩的變形；③．柵5與柵(6)隨應(yīng)變體(3)的變形產(chǎn)生相對相位差；④．測量頭(7)測量柵(5)與柵(6)的相對相位差，并輸出電信號V；⑤．將電信號V轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的扭矩M=V/K1*K2；式中K1為綜合彈性系數(shù)，K2為測量頭(7)的靈敏度。
全文摘要
一種非接觸電測量旋轉(zhuǎn)扭矩的方法,其特征在于:該方法是在旋轉(zhuǎn)系中,利用應(yīng)變體傳遞扭矩并按所傳遞扭矩產(chǎn)生相應(yīng)轉(zhuǎn)動變形,而靜止的測量頭通過光、電或磁效應(yīng)非接觸地測得固聯(lián)于應(yīng)變體上的兩個柵體因應(yīng)變體相對轉(zhuǎn)動而產(chǎn)生的相對變化,并輸出正比于所傳遞扭矩的電信號。
文檔編號G01L5/24GK1228532SQ98100490
公開日1999年9月15日 申請日期1998年3月9日 優(yōu)先權(quán)日1998年3月9日
發(fā)明者錢廣宇 申請人:錢廣宇