專利名稱：動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，特別是一種接設(shè)于轉(zhuǎn)動軸中能夠在對轉(zhuǎn)動力矩進行測量的運動工作狀態(tài)下獲得外部電源的電力供應(yīng)并將轉(zhuǎn)換后的力矩電信號向外部信號處理設(shè)備傳輸?shù)牧販y量傳感器。
背景技術(shù)：
在交通、運輸、生產(chǎn)制造以及機械維修等眾多行業(yè)中，經(jīng)常需要對一些旋轉(zhuǎn)體如轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動力矩進行測量，人們通常會采用力矩扳手作為測量工具進行力矩測量。
隨著機械化、電子化、計算機智能化技術(shù)的飛速發(fā)展，轉(zhuǎn)動軸力矩的測量已經(jīng)不僅僅局限于簡單的數(shù)值測量，而是需要進行現(xiàn)場工作狀態(tài)下的實時測量，并將得到的數(shù)據(jù)信息通過控制電路或計算機進行處理從而控制執(zhí)行機構(gòu)完成相應(yīng)的操作。在這一過程中，轉(zhuǎn)動軸的力矩測量必須采用電子力矩傳感器。
常用的力矩傳感器主要包括殼體、一個內(nèi)部安裝有若干個應(yīng)力感應(yīng)電阻(應(yīng)力貼片)的測量軸，測量軸貫穿殼體并與其固定連接，殼體內(nèi)設(shè)有處理電路。應(yīng)力感應(yīng)電阻之間組成橋式電路，其信號輸出端與處理電路的信號輸入端連接。在進行力矩測量時，測量軸連接在被測轉(zhuǎn)動軸上，當(dāng)被測轉(zhuǎn)動軸在轉(zhuǎn)動中受到阻力時，測量軸將發(fā)生微弱的形變，造成應(yīng)力感應(yīng)電阻值的改變，使橋式電路輸出變化的電壓信號，該信號被傳送到處理電路中進行處理，然后通過信號輸出裝置輸出，為外部控制、計算設(shè)備所采集。
由于測量軸和處理電路隨著被測轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，因此，如何由外部為傳感器提供電力以及將處理電路輸出的信號對外輸出成為兩個重要問題。無論是向內(nèi)提供電力還是信號向外導(dǎo)出，通常所采用的方式主要有利用電刷原理制成的導(dǎo)電環(huán)傳輸方式、電感耦合方式，對于信號向外導(dǎo)出還可以采用電容耦合方式以及無線發(fā)射方式，但這些方式在供電或信號導(dǎo)出中都存在著一些不足和缺陷。
導(dǎo)電環(huán)方式的主要缺點在于，導(dǎo)電環(huán)與力矩測量軸之間存在著滑動摩擦和發(fā)熱，對信號造成干擾，對處理電路的正常工作造成影響，使測量結(jié)果不穩(wěn)定。同時，滑動摩擦容易造成導(dǎo)電環(huán)使用壽命低，需要經(jīng)常維修、更換，給傳感器的使用造成麻煩。
典型的電感耦合方式為旋轉(zhuǎn)變壓器，其缺點在于，耦合效率低、自身容易發(fā)熱、自重較大使轉(zhuǎn)動慣量增大，不能應(yīng)用于輕質(zhì)旋轉(zhuǎn)軸的力矩測量場合。旋轉(zhuǎn)變壓器制作過程比較繁瑣，對加工的材料、工藝要求較高生產(chǎn)制造相對復(fù)雜。當(dāng)其應(yīng)用于信號導(dǎo)出時，由于變壓器本身的特點，造成對信號的時滯性和動態(tài)響應(yīng)特性較差，也容易引起干擾信號的竄入。
電容耦合方式的主要缺點是制作工藝復(fù)雜，并同樣存在著動態(tài)響應(yīng)特性較差的問題，且信號提取后的處理較麻煩。
無線發(fā)射需要對信號進行前期調(diào)制，后期解調(diào)，使力矩測量處理電路和后期的信號處理電路相對復(fù)雜，而且容易受到外來無線電信號的干擾，造成錯誤信息。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于針對上述傳統(tǒng)的力矩測量傳感器在電力提供方式和信號導(dǎo)出方式上所存在的缺陷和不足提供一種動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，該裝置利用傳感器殼體上設(shè)置的金屬軸承將外部電源提供的電力在動態(tài)工作狀況下輸送到傳感器內(nèi)，并利用設(shè)置在旋轉(zhuǎn)的測量軸上的紅外發(fā)射管與靜止設(shè)置在殼體上的紅外接收管之間的光電耦合效應(yīng)將測量信號導(dǎo)出。
為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明所提供的一種動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，包括殼體、軸承及測量軸。
殼體上開設(shè)有相對且同心的第一圓孔和第二圓孔；軸承設(shè)置在第一圓孔內(nèi)，該軸承的外環(huán)通過連接導(dǎo)線與外部電源的正極連接；測量軸穿設(shè)在殼體中，其一端穿過軸承，另一端穿過第二圓孔，穿過軸承一端的表面設(shè)有絕緣層；測量軸上固定設(shè)有處理電路，該處理電路的電源正極與軸承的內(nèi)環(huán)電氣連接，其電源負極與測量軸電氣連接；測量軸的表面上固設(shè)有與處理電路的信號輸出端連接的紅外線發(fā)光管，該紅外線發(fā)光管的發(fā)射端面向殼體的內(nèi)側(cè)表面；一個與紅外線發(fā)光管相對應(yīng)的紅外線接收管設(shè)置在殼體上，該紅外線接收管的管腳通過信號傳輸線與外部信號處理設(shè)備連接。
由于金屬制成的軸承自身具有良好的導(dǎo)電性，而軸承的內(nèi)環(huán)在工作中與穿過的軸和軸上設(shè)置的部件之間為相對靜止?fàn)顟B(tài)，因此可以利用該軸承進行電力傳導(dǎo)。
當(dāng)采用金屬材料制造殼體時，為保證軸承與殼體之間不發(fā)生短路現(xiàn)象，在第一圓孔與軸承間增設(shè)有絕緣環(huán)管，同時將連接導(dǎo)線穿過殼體和絕緣環(huán)與軸承的外環(huán)連接。
為便于測量軸的轉(zhuǎn)動，在殼體上還設(shè)有另一軸承。另一軸承設(shè)置在第二圓孔內(nèi)，且與外部電源的負極電氣連接。設(shè)置另一軸承后，將測量軸的另一端穿過另一軸承。
為便于安裝生產(chǎn)和使紅外線接收管獲得連續(xù)的紅外光信號，在測量軸上垂直固定環(huán)設(shè)有一個環(huán)形電路板，將紅外線發(fā)光管設(shè)為多個并將它們分布設(shè)置在環(huán)形電路板的表面。
通過上述技術(shù)方案可以看出，本發(fā)明利用軸承引入外部電源，提供了可靠的供電連接，大大減少了因摩擦而發(fā)熱的現(xiàn)象，不會對測量信號產(chǎn)生干擾，使測量結(jié)果穩(wěn)定且使用壽命較長，同時，無需經(jīng)常維修、更換。利用軸承引入外部電源也不存在耦合效率低、自身容易發(fā)熱、自重較大使轉(zhuǎn)動慣量增大等缺陷，可以應(yīng)用于輕質(zhì)旋轉(zhuǎn)軸的力矩測量場合。與旋轉(zhuǎn)變壓器相比，其制作過程簡單，對加工的材料、工藝要求不高。
利用設(shè)置在旋轉(zhuǎn)的測量軸上的紅外發(fā)射管與靜止設(shè)置在殼體上的紅外接收管之間的光電耦合效應(yīng)導(dǎo)出測量信號，不會竄入外界干擾信號，不存在對信號的時滯性和動態(tài)響應(yīng)特性較差問題，而相對于信號的無線發(fā)射方式，本發(fā)明不需要進行前期調(diào)制，后期解調(diào)，從而大大的簡化了后期的信號處理電路的復(fù)雜程度，不易受到外來信號的干擾，使測量信號的導(dǎo)出可靠、簡便，并且不會受到外界的干擾。
以下，通過具體實施例并結(jié)合附圖對本發(fā)明做進一步的詳細說明。


圖1為本發(fā)明所提供的一個較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。
圖2為圖1所示實施例紅外線接收管與紅外線發(fā)光管的分布示意圖。
具體實施例方式
圖1所示為本發(fā)明提供的一個較佳實施例的結(jié)構(gòu)示意圖。圖中，殼體1由圓柱形的杯狀容器和開口上通過螺栓固定的蓋11組成。在殼體1上開設(shè)有相對且同心的第一圓孔3和第二圓孔4，其中，第一圓孔3開設(shè)在殼體1的底部，第二圓孔4開設(shè)在蓋11上。
軸承2設(shè)置在第一圓孔3內(nèi)。在第二圓孔4中還設(shè)置了另一軸承12。測量軸9一端穿過軸承2，另一端穿過另一軸承12。穿過軸承2一端的表面設(shè)有絕緣層92。軸承2的外環(huán)21通過連接導(dǎo)線5與外部電源的正極連接。
本實施例中，第一圓孔3是由兩個同心的，半徑不同的圓形凹陷連通構(gòu)成，其中，半徑較大的圓形凹陷31設(shè)置在殼體1的內(nèi)側(cè)，半徑較小的圓形凹陷32設(shè)置在殼體1的外側(cè)。
在半徑較大的圓形凹陷31內(nèi)側(cè)與軸承2間設(shè)有絕緣環(huán)管7。
絕緣環(huán)管7靠近半徑較小的圓形凹陷32的一端向圓心方向設(shè)有彎折面，使絕緣環(huán)管7的軸向截面呈雙L形。在絕緣環(huán)管7的內(nèi)側(cè)表面還環(huán)周貼設(shè)一個環(huán)形導(dǎo)電圈8。連接導(dǎo)線5穿過殼體1和絕緣環(huán)管7通過環(huán)形導(dǎo)電圈8與軸承2的外環(huán)21連接。
絕緣環(huán)管7將軸承2與殼體1隔離。環(huán)形導(dǎo)電圈8僅與軸承2的外環(huán)21接觸，從而在保證導(dǎo)通良好的前提下，不產(chǎn)生任何滑動摩擦。本實施例便于實際生產(chǎn)、組裝和維修。
測量軸9的內(nèi)部安裝應(yīng)力感應(yīng)片(圖中未示出)。在測量軸9上固定設(shè)有一個電路盒103，該電路盒103中設(shè)有處理電路10。
絕緣層92為絕緣膠木管，該絕緣膠木管可以和電路盒103一體制造。
在絕緣層92靠近電路盒103處增設(shè)了一個導(dǎo)電環(huán)93。處理電路10的電源正極與軸承2的內(nèi)環(huán)22之間通過電源線14和導(dǎo)電環(huán)93連接，其電源負極與測量軸9直接連接。另一軸承12也可以通過連接線與外部電源的負極連接，形成電回路。導(dǎo)電環(huán)93僅與軸承2的內(nèi)環(huán)22接觸，使測量軸9上安裝的電氣部件獲得導(dǎo)通狀況良好的電力提供。
在測量軸9的表面上還垂直固定環(huán)設(shè)一個環(huán)形電路板91，在環(huán)形電路板91上固設(shè)有與處理電路10的信號輸出端連接的紅外線發(fā)光管101，該紅外線發(fā)光管101的發(fā)射端面向殼體1的內(nèi)側(cè)表面，同時，將一個與紅外線發(fā)光管101相對應(yīng)的紅外線接收管102設(shè)置在殼體1上開設(shè)的容置孔13中，該紅外線接收管102的管腳通過信號傳輸線與外部信號處理設(shè)備連接。紅外線發(fā)光管101為12個并分布設(shè)置在環(huán)形電路板91的表面。
本實施例在進行轉(zhuǎn)動軸力矩測量工作中，外部電源通過導(dǎo)線5、環(huán)形導(dǎo)電圈8、軸承2的外環(huán)21、內(nèi)環(huán)22、導(dǎo)電環(huán)93以及電源線14將電力送到處理電路10，完成轉(zhuǎn)動中的動態(tài)供電。當(dāng)被測轉(zhuǎn)動軸的力矩發(fā)生變化時，處理電路10將來自應(yīng)力感應(yīng)電阻組成的橋式電路的變化電信號進行處理并通過紅外線發(fā)光管101將其轉(zhuǎn)化為紅外線光信號。由于多個紅外線發(fā)光管101分布設(shè)置在環(huán)形電路板91的表面，因此，紅外線接收管102可以接收到連續(xù)的紅外線光信號，并將其轉(zhuǎn)化為連續(xù)的電信號傳輸?shù)酵獠啃盘柼幚碓O(shè)備中。
本實施例在使用中穿過軸承2的測量軸以及安裝在測量軸上的其它部件與軸承2的內(nèi)環(huán)22相對靜止，而軸承2的外環(huán)21與殼體1相對靜止，從而可以將外部電源通過軸承2引入殼體1中實現(xiàn)供電。
由于在力矩測量過程中，紅外線發(fā)光管跟隨測量軸的轉(zhuǎn)動而環(huán)周運動，因此，上述實施例采用的12個紅外線發(fā)光管分布設(shè)置在環(huán)形電路板的表面，其分布結(jié)構(gòu)如圖2所示。
圖2中，12個紅外線發(fā)光管101以放射線的方式均勻分布設(shè)置在環(huán)形電路板91的表面邊緣處，同時將所有的紅外線發(fā)光管101進行并聯(lián)連接(如圖中虛線所示)。由于紅外線發(fā)光管101所發(fā)出的紅外光線具有一定散射角度，因此，相鄰的紅外線發(fā)光管101的紅外光線均具有重疊部分(參見圖中箭頭線所示)。當(dāng)測量軸9轉(zhuǎn)動時，雖然紅外線發(fā)光管101跟隨運動，但是發(fā)射到紅外線接收管102的紅外光線不會發(fā)生間斷，從而使通過耦合轉(zhuǎn)化輸出的電信號連續(xù)。
本實施例通過巧妙的設(shè)計，使該傳感器的生產(chǎn)、組裝和使用都非常方便，而且也便于維修，尤其是供電裝置的連接較為牢靠。本發(fā)明可以制成體積較小，適合于精密機械的力矩測量，甚至可以將其安裝在智能機械手中，為人工智能的實施應(yīng)用提供良好、準(zhǔn)確的測量數(shù)據(jù)。
權(quán)利要求
1.一種動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于包括殼體(1)、軸承(2)及測量軸(9)；所述殼體(1)上開設(shè)有相對且同心的第一圓孔(3)和第二圓孔(4)；所述軸承(2)設(shè)置在所述第一圓孔(3)內(nèi)，該軸承(2)的外環(huán)(21)通過連接導(dǎo)線(5)與外部電源的正極連接；所述測量軸(9)穿設(shè)在所述殼體(1)中，其一端穿過所述軸承(2)，另一端穿過所述第二圓孔(4)，穿過所述軸承(2)一端的表面設(shè)有絕緣層(92)所述測量軸(9)上固定設(shè)有處理電路(10)，該處理電路(10)的電源正極與所述軸承(2)的內(nèi)環(huán)(21)電氣連接，其電源負極與所述測量軸(9)電氣連接；所述測量軸(9)的表面上固設(shè)有與所述處理電路(10)的信號輸出端連接的紅外線發(fā)光管(101)，該紅外線發(fā)光管(101)的發(fā)射端面向所述殼體(1)的內(nèi)側(cè)表面；一個與所述紅外線發(fā)光管(101)相對應(yīng)的紅外線接收管(102)設(shè)置在所述殼體(1)上，該紅外線接收管(102)的管腳通過信號傳輸線與外部信號處理設(shè)備連接。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的殼體(1)為棱柱形或圓柱形的杯狀容器，該殼體(1)的開口上設(shè)有蓋(11)；所述第一圓孔(3)開設(shè)在所述殼體(1)的底部；所述第二圓孔(4)開設(shè)在所述蓋(11)上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的第一圓孔(3)與軸承(2)間增設(shè)有絕緣環(huán)管(7)；所述連接導(dǎo)線(5)穿過所述殼體(1)和所述絕緣環(huán)管(7)與所述軸承(2)的外環(huán)(21)連接。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的第一圓孔(3)是由兩個同心的，半徑不同的圓形凹陷連通構(gòu)成，其中，半徑較大的圓形凹陷(31)設(shè)置在所述殼體(1)的內(nèi)側(cè)，半徑較小的圓形凹陷(32)設(shè)置在所述殼體(1)的外側(cè)；所述絕緣環(huán)管(7)設(shè)置在所述半徑較大的圓形凹陷(31)內(nèi)側(cè)，并且其靠近所述半徑較小的圓形凹陷(32)的一端向圓心方向設(shè)有彎折面，使該絕緣環(huán)管(7)的軸向截面呈雙L形。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的絕緣環(huán)管(7)的內(nèi)側(cè)表面環(huán)周貼設(shè)有環(huán)形導(dǎo)電圈(8)，該環(huán)形導(dǎo)電圈(8)與所述連接導(dǎo)線(5)連接。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的殼體(1)上還設(shè)有另一軸承(12)；所述另一軸承(12)設(shè)置在所述第二圓孔(4)內(nèi)，該另一軸承(12)與外部電源的負極電氣連接；所述測量軸(9)的另一端穿過所述另一軸承(12)。
7.根據(jù)權(quán)利要求1或2所述的動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的測量軸(9)上垂直固定環(huán)設(shè)有一個環(huán)形電路板(91)；所述紅外線發(fā)光管(101)為一個以上，多個所述紅外線發(fā)光管(101)分布設(shè)置在所述環(huán)形電路板(91)的表面。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的紅外線發(fā)光管(101)為12個，并均勻分布設(shè)置在所述環(huán)形電路板(91)的表面邊緣處。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，其特征在于所述的殼體(1)上與所述紅外線發(fā)光管(101)相對應(yīng)的位置開設(shè)有容置孔(13)；所述紅外線接收管(102)設(shè)置在所述容置孔(13)中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種動態(tài)供電的轉(zhuǎn)動力矩傳感器，它包括殼體(1)及軸承(2)；殼體(1)上開設(shè)第一圓孔(3)和第二圓孔(4)；軸承(2)設(shè)置在第一圓孔(3)內(nèi)；殼體(1)中穿設(shè)有測量軸(9)和處理電路(10)；處理電路(10)固定設(shè)置在所述測量軸(9)上，其表面上固設(shè)紅外線發(fā)光管(101)；一個與紅外線發(fā)光管(101)相對應(yīng)的紅外線接收管(102)設(shè)置在殼體(1)上。本發(fā)明利用軸承引入外部電源，提供了可靠的供電連接，消除了為轉(zhuǎn)動裝置提供電力的傳統(tǒng)方式所存在的缺陷和不足，同時采用非接觸式的光電耦合連接，使測量信號的導(dǎo)出可靠、簡便，并且不會受到外界的干擾。
文檔編號G01D5/26GK1779426SQ20041009155
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月19日 優(yōu)先權(quán)日2004年11月19日
發(fā)明者張力, 楊俊飛 申請人:張力