專利名稱：用于檢測變速器軸轉(zhuǎn)矩的激光傳感器和方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種用于通過測量沿著軸傳輸?shù)墓獾闹辽僖粋€屬性的 變化確定由該軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩來無接觸測量動力傳輸旋轉(zhuǎn)軸中的扭轉(zhuǎn) (torsional )應(yīng)力的傳感器或設(shè)備， 一個這樣的例子是變速器的輸入 或輸出軸。
背景技術(shù)：
當(dāng)將轉(zhuǎn)矩施加到軸時，沿著軸的表面方向的壓力和拉力的螺旋線 施加應(yīng)力。用于測量軸中轉(zhuǎn)矩的各種方法是已知的。 一個方法是將張 力儀結(jié)合到軸的外表面且張力儀位于交叉結(jié)構(gòu)中。張力儀用作為電阻 電橋電路的元件，當(dāng)軸扭轉(zhuǎn)地扭絞(twist)時，這些元件沿著它們的 長度測量軸表面中的壓力和拉力。當(dāng)使用張力儀作為傳感元件時，實(shí) 現(xiàn)旋轉(zhuǎn)軸中的轉(zhuǎn)矩測量是有挑戰(zhàn)的，因?yàn)閺埩x必須需要與其它離軸 電子裝置在電氣上對接。離軸電子裝置是執(zhí)行電阻電橋測量所必須的， 以便檢測和量化由軸的扭轉(zhuǎn)扭絞所導(dǎo)致的拉力和壓力，如所傳輸?shù)妮S 轉(zhuǎn)矩所表示的。軸中所傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩還可以通過測量兩個齒輪之間的角位移來確 定，所述兩個齒輪沿著軸的旋轉(zhuǎn)軸以末端間隔關(guān)系安裝在軸上。使用 該方法，相間隔的齒輪的角位移表示齒輪之間軸長度上的扭絞角，扭 絞角表示沿著軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩。
發(fā)明內(nèi)容
'本發(fā)明涉及一種非接觸傳感器或設(shè)備，用于測量通過拉長的動力 傳輸構(gòu)件所傳輸?shù)摹⒒蛟谧兯倨鲀?nèi)、或在車輛動力傳動系統(tǒng)內(nèi)的其它地方的即時轉(zhuǎn)矩或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力/張力，所述構(gòu)件例如是旋轉(zhuǎn)軸，比如(例 如)將發(fā)動機(jī)與車輛變速器可驅(qū)動耦合的軸。根據(jù)所公開的本發(fā)明， 旋轉(zhuǎn)軸在軸的第一部分和軸的第二部分之間的部分軸長度中具有一個 空腔。提供光源將沿著空腔中的測量光路的偏振光從軸的第 一部分發(fā) 射到軸的第二部分。偏振濾光鏡被提供并固定在軸的第二部分中的空 腔中。偏振濾光鏡可操作用于改變偏振光束中光的角偏振。提供測量 設(shè)備來檢測由偏振濾光鏡引入的光路中偏振角度的變化。當(dāng)轉(zhuǎn)矩由軸傳輸時，傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩引起圍繞軸的旋轉(zhuǎn)軸的在軸中的彈性扭絞。軸的 扭轉(zhuǎn)扭絞導(dǎo)致偏振濾光鏡相對于偏振光束的偏振方向的角旋轉(zhuǎn)，并由此導(dǎo)致穿過偏振濾光鏡的光的偏振角度的變化。這個偏振角度的變化 被檢測并表示在軸中傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩，提供了計(jì)算軸中的所傳輸轉(zhuǎn)矩的基 礎(chǔ)，如將在后面的部分中更全面討論的。根據(jù)本發(fā)明的一個方面，光源是激光源，該光源包括光偏振濾光 鏡，用于提供相干的單波長偏振光束以沿著測量光路傳輸。根據(jù)本發(fā)明的另一個方面，轉(zhuǎn)矩傳感器設(shè)備包括分束器，配置為 將來自光源的光束分成兩個光束， 一個光束跟隨測量光路且一個光束 跟隨參考光路。分束器提供參考光路，該參考光路具有由來自光源的 光的角偏振所確定的角偏振。在本發(fā)明的這個方面中，測量設(shè)備檢測 偏振角度的變化，以作為參考光路的角偏振與偏振濾光鏡之后的光的 角偏振中所檢測的差異。所檢測的角偏振的差異表示軸中的扭轉(zhuǎn)扭絞 以及因此由軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩。根據(jù)本發(fā)明的另 一個方面，轉(zhuǎn)矩傳感器設(shè)備中的光源是激光源， 該激光源包括用于使由光源發(fā)射的光偏振的第二光偏振濾光鏡。光源 位于軸的外部而不是在軸的空腔內(nèi)。來自第二偏振濾光鏡的偏振光被 定向以通過軸的第 一部分中的入口孔進(jìn)入到軸空腔。入口孔延伸穿過 軸的空腔和外表面之間的軸的壁。轉(zhuǎn)矩傳感器設(shè)備還包括第 一反射元 件，該第一反射元件固定在軸空腔的第一部分內(nèi)且配置為在一個方面 重定向來自入口孔的偏振光，以便截取在軸空腔的第二部分的空腔中 提供的偏振濾光鏡。第二反射元件也固定在軸空腔內(nèi)且配復(fù)為重定向 離開空腔中偏振濾光鏡的偏振光通過軸中的出口孔而離開4i。測量設(shè) 備位于軸的外側(cè)且^皮對準(zhǔn)以檢測通過出口孔發(fā)射的偏振光。入口孔和 出口孔在軸上對準(zhǔn)以當(dāng)軸位于軸旋轉(zhuǎn)的至少一個角位置時，允許來自安裝在軸外部的光源的光重定向通過空腔并到達(dá)測量設(shè)備。根據(jù)本發(fā)明的另 一方面，第 一反射元件包括第 一反射元件安裝于 其中的第一金屬管。類似地，第二反射元件包括第二反射元件安裝于 其中的第二金屬管。第一和第二金屬管被設(shè)置大小并適于固定到軸空腔內(nèi)的軸。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，軸空腔是穿過軸的一端的軸向鉆孔的一 部分，軸向鉆孔提供對空腔的訪問以{更通過軸的末端鉆孔來安.裝第一 反射元件和第二反射元件。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一反射元件包括第一反射表面，配置 為沿著軸空腔的長度反射將偏振光從入口孔重定向到軸空腔中偏振濾 光鏡。第二反射元件包括第二反射表面，配置為重定向來自空腔中的 偏振濾光鏡的偏振光以便通過反射而穿過軸中的出口孔離開軸空腔。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一和第二反射元件的反射表面是基本 平坦的反射表面。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，第一和第二反射元件反射表面均是錐形 反射表面。根據(jù)本發(fā)明的另一方面，在光源和第二偏振濾光鏡之后且在分束 器之前提供和定位半波片。半波片的效杲是測量設(shè)備在檢測軸轉(zhuǎn)矩中 的靈敏度增倍，如將在后面全面闡述的。根據(jù)本發(fā)明的另 一 方面，離開位于軸空腔中的偏振濾光鏡的光的 偏振角度的變化導(dǎo)致離開軸的出口孔且到達(dá)測量設(shè)備的光的強(qiáng)度的變 化 在本發(fā)明的這個方面，測量設(shè)備被配置為并適于檢測和利用光強(qiáng) 度的變化來確定從軸出口孔到達(dá)測量設(shè)備的光的偏振角度的變化。此 外，測量設(shè)備被配置為檢測參考光路中光強(qiáng)度的變化并根據(jù)所測量的 參考光路強(qiáng)度的變化來校正來自軸出口孔的所測量的光強(qiáng)度，以抵消 由光源發(fā)射的光強(qiáng)度的變化。此外，公開了一種方法，用于根據(jù)本發(fā)明的前述設(shè)備來測量由軸 傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩，如將在后面全面闡述的。當(dāng)結(jié)合附圖時，從隨后最佳實(shí)施本發(fā)明的方式的詳細(xì)描迷中可以 清楚得知本發(fā)明的上述特征和優(yōu)點(diǎn)以及其它特征和優(yōu)點(diǎn)。


附圖示出了當(dāng)前優(yōu)選的本發(fā)明的形式；但是，本發(fā)明不限于附圖 中精確的布置。圖1說明與本發(fā)明 一致的應(yīng)用于測量所傳輸?shù)妮S轉(zhuǎn)矩的激光轉(zhuǎn)矩 傳感器的一個實(shí)施例的示意側(cè)視圖，描繪了固定在鉆孔中的反射元件 以及激光轉(zhuǎn)矩傳感器的其它部件；圖2說明與本發(fā)明一致的應(yīng)用于測量所傳輸?shù)妮S轉(zhuǎn)矩的激光轉(zhuǎn)矩 傳感器的另 一個實(shí)施例的示意截面圖；圖3說明與本發(fā)明 一致的應(yīng)用于測量所傳輸?shù)妮S轉(zhuǎn)矩的激光轉(zhuǎn)矩 傳感器的又一個實(shí)施例的示意截面圖，其中反射元件適于允許使用軸 中的多個入口和出口孑L。圖4說明與本發(fā)明一致的還包括半波片的圖2的激光轉(zhuǎn)矩傳感器的示意圖，用于有效地使轉(zhuǎn)矩傳感器的靈敏度增倍；圖5說明與本發(fā)明一致的切入圖3的軸的示意截面圖(不具有反射 元件)，描繪光入口孔或光出口孔的一個布置；圖6說明與本發(fā)明的至少一個實(shí)施例一致的曲線圖，該曲線圖描繪 在光檢測器/傳感器所接收的規(guī)格化光強(qiáng)度和軸扭絞角之間的一般關(guān) 系，該關(guān)系是由當(dāng)測量路徑中的偏振光穿過軸空腔中的偏振濾光鏡時 該偏振光強(qiáng)度的衰減所引起的；圖7a是裝備有用于轉(zhuǎn)矩測量的本發(fā)明的特征的軸的示意性說明， 這里被描繪以支持軸扭絞角和所傳輸轉(zhuǎn)矩之間的數(shù)學(xué)關(guān)系的討論；圖7b是沿著圖7A的軸的B-B的橫截面示意性說明，其中只有軸壁被 示出以清楚地標(biāo)記在圓柱形軸截面的慣性力矩的計(jì)算中使用的參數(shù)， 以便將扭'絞角與所傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩關(guān)聯(lián)；和圖8描繪與本發(fā)明 一致的軸中所傳輸轉(zhuǎn)矩的非接觸測量方法。
具體實(shí)施方式
圖l說明應(yīng)用于測量即時轉(zhuǎn)矩或由旋轉(zhuǎn)軸12所傳輸?shù)呐まD(zhuǎn)應(yīng)力/張 力的激光轉(zhuǎn)矩傳感器10的 一個實(shí)施例的示意側(cè)視圖。根據(jù)所公開的本 發(fā)明，旋轉(zhuǎn)軸12在軸12的第一部分20和軸12的第二部分22^間的部分 軸長度中具有一個空腔14。在所說明的實(shí)施例中，空腔14是軸12中的 軸向鉆孔62的一部分。激光轉(zhuǎn)矩傳感器10還包括第一反射元件38和第 二反射元件42,它們都固定在軸12的空腔14中。反射元件38、 42可穿過在軸12的第一端66上提供的鉆孔62的開口而安裝在軸12的空腔14 中。在軸12的第一部分20處將第一反射元件38固定在空腔14中，而在 軸12的第二部分22處將第二反射元件42固定在空腔14中，其中第二部 分22與第一部分20間隔某定義的距離。軸12包括在軸12的第一部分20 中的光入口孔16和在軸12的第二部分22中的光出口孔18。每個孔16、 18從軸12的外表面70延伸到軸12的空腔14。在圖l中說明的實(shí)施例中， 第一反射元件38和第二反射元件42都通常具有"C"形外殼。使用"C" 形外殼對于圖l的示例實(shí)施例是特定的且不限制的。反射元件38、 42可 包括任何形狀的外殼或可替換地根本沒有外殼，只要反射元件38、 42 可固定到空腔14內(nèi)的軸12。第一反射元件38的"C"形外殼固定在空腔 14內(nèi)，且"C，，的開口68與軸12的光入口孔16對準(zhǔn)。類似地，第二反射 元件42的"C"形外殼固定在空腔14內(nèi)，且"C，，的開口72與光出口孔 18對準(zhǔn)。激光轉(zhuǎn)矩傳感器10包括沿著第一光路30發(fā)射光的光源24。在圖l 中，光源24固定在軸12附近并與之分開使得軸H自由地圍繞旋轉(zhuǎn)軸48 旋轉(zhuǎn)而與光源24無關(guān)。激光轉(zhuǎn)矩傳感器包括位于光源24附近的偏振濾 光鏡26。在光源24的某些實(shí)施例中，偏振濾光鏡26可以作為光源24的 一部分被包括。偏振濾光鏡26被定位以截取由光源24發(fā)射的第一光路 30并且沿著第一光路30的偏振部分74在第一偏振軸28的角方向上對離 開偏振濾光鏡26的光進(jìn)行偏振。激光轉(zhuǎn)矩傳感器10還包括分束器32， 比如(對于一個非限制例子)具有部分反射類鏡面涂層的光透明平板。 分束器32適于把在分束器32上入射的規(guī)定百分比的光透射到第一測量 光路34中并且基本上把剩余百分比的入射光沿著參考光路36反射。第 一測量光路34朝著軸12定位和定向以便通過軸12圍繞旋轉(zhuǎn)軸48旋轉(zhuǎn)而 可與入口孔16對準(zhǔn)，其中第一測量光路34通過光入口孔16進(jìn)入空腔14。 軸12的第一部分20中，第一反射元件38包括第一反射表面40,被配置 為將第一測量光路34中的偏振光反射到第二測量光路46,第二測量光 路46沿著與軸12的旋轉(zhuǎn)軸48基本平行的方向中的空腔14的長度定向， 以便沖擊在軸12的第二部分22中固定的第二反射元件42的第/=1反射表 面44。激光轉(zhuǎn)矩傳感器10還包括位于軸12的第二部分22中并且固定到 第二反射元件42的"C"形外殼的偏振濾光鏡5乙并且，"C"形外殼 對于圖l所示的示例實(shí)施例是特定的并且不是限制的，如之前所討論的。偏振濾光鏡5 2被定位以在第二測量光路4 6中的偏振光到達(dá)第二反 射表面44之前截取它。當(dāng)偏振濾光鏡52固定到第二反射元件42時，第 二反射元件42又固定在軸12的第二部分42內(nèi)，偏振濾光鏡52由此限制 為在與軸12的第二部分22相一致地旋轉(zhuǎn)。偏振濾光鏡52具有第二偏振 軸54,它通過第二偏振軸54來對穿過偏振濾光鏡52的第二測量光路46 中的光進(jìn)行偏振。第二反射表面44被配置為將由偏振濾光鏡52偏振的 光沿著第三測量光路50反射，并穿過光出口孔18離開軸12。出口孔18 被定位并配置為通過圍繞旋轉(zhuǎn)軸48旋轉(zhuǎn)軸12將第三測量光路50與測量 i殳備56的測量光傳感部分76對準(zhǔn)。出口孔18和入口孔16相協(xié)作地對準(zhǔn)， 使得當(dāng)入口孔16被旋轉(zhuǎn)對準(zhǔn)以允許第 一測量光路34中的光進(jìn)入入口孔 16時，則還使出口孔18對準(zhǔn)以允許第三測量光路50中的光到達(dá)測量設(shè) 備56的測量光傳感部分76，使得光可以完成從光源24通過軸空腔14到 測量設(shè)備56的測量電路。類似地，來自參考光路36的光沖擊測量設(shè)備 56的參考光傳感部分78 。測量設(shè)備56被定位以接收來自第三測量光路 50的光并檢測第三測量光路50和參考光路36之間的光偏振角度的差 異。由軸12傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩導(dǎo)致軸12的角扭絞，其導(dǎo)致第三測量光路50中 光的偏振角度的變化，該變化由第二偏振濾光鏡52的偏振軸54的角對 準(zhǔn)所引入。測量設(shè)備56將軸12中的扭轉(zhuǎn)扭絞檢測為參考光路36與第三 測量光路50之間的偏振角度的差異。這個偏振角度的變化直接與由軸 12傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩有關(guān)，如將在本申請的后面部分詳細(xì)討論的。根據(jù)所測 量的偏振角度的差異確定的所測量的轉(zhuǎn)矩被輸出，以作為電子測量信 號80。電子測量信號80可以是任意以下項(xiàng)表示轉(zhuǎn)矩的數(shù)字電子信號， 表示轉(zhuǎn)矩的模擬電壓信號，表示轉(zhuǎn)矩的模擬電流信號，以及其它本領(lǐng) 域技術(shù)人員已知的其它信號輸出類型。通過例如模擬或數(shù)字轉(zhuǎn)矩指示 器82轉(zhuǎn)矩信號能以人可讀形式呈現(xiàn)，或作為到車載發(fā)送機(jī)管理或變速 器管理計(jì)算機(jī)的輸入而被提供，以及作為到其它設(shè)備或?qū)Ρ绢I(lǐng)域技術(shù) 人員已知的其它用途的輸入被提供。光源24優(yōu)選地是激光光源。將理解的是，空腔14可以只占據(jù)軸12—部分的長度，空腔14在軸 12內(nèi)提供空間以容納反射元件38、 42。此外，在所說明的實(shí)一施例以及 其它實(shí)施例中，在空腔14的軸12中的呈現(xiàn)必須減少空腔14周圍的軸12 的材料橫截面，使得軸的空腔部分14更容易受扭轉(zhuǎn)扭絞影響并由此提 高了軸轉(zhuǎn)矩測量的精確度和靈敏度。圖2示出應(yīng)用于空心軸的圖1的激光轉(zhuǎn)矩傳感器的部件的示意圖， 其中空腔114完全延伸穿過軸112的長度。如圖1所示，激光轉(zhuǎn)矩傳感器 110包括光源24、偏振濾光鏡26、分束器32、光入口孔116、光出口孔 118、固定在軸112的第一部分120內(nèi)的第一反射元件38、固定在軸112 的第二部分122內(nèi)的第二反射元件42、偏振濾光鏡52、和配置為將測量 的轉(zhuǎn)矩信號8 0作為輸出提供的測量設(shè)備56 。圖2提供了第二偏振濾光鏡 52的優(yōu)選安裝的更好說明，第二偏振濾光鏡52在軸的第二部分122內(nèi)緊 接地固定在第二反射元件42的反射表面44之前。測量設(shè)備56被配置為 基本上測量在軸的第一部分120和第二部分122之間長度L上的軸112的 扭轉(zhuǎn)扭絞。該測量的角扭絞被轉(zhuǎn)換為軸轉(zhuǎn)矩測量，如在本申請后面所 討論的。除上面注意的，激光轉(zhuǎn)矩傳感器110的操作與圖1中給出的之前激光轉(zhuǎn)矩傳感器討論相同。圖3說明應(yīng)用于測量軸212中傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩的激光轉(zhuǎn)矩傳感器210的 又一個實(shí)施例的示意橫截圖，其中反射元件238、 242分別具有光反射 表面84、 86。反射元件238 、 242可以由塑料或金屬材料制成。在一個 實(shí)施例中，光反射表面84、 86可以是加工、形成或布置在反射元件238、 242上的錐形表面。在另一個實(shí)施例中，反射表面84、 86均由兩個有角 度的平面表面構(gòu)成，當(dāng)從圖3描繪的一側(cè)看去，所述平面表面具有三角 形剖面。在又另一個實(shí)施例中，反射表面84、"均由四個有角度的平 面表面構(gòu)成，所述平面表面形成棱錐形并具有圖3所示的側(cè)面剖面。在 所有情況中，反射表面84、 86相對于軸212的旋轉(zhuǎn)軸248基本上成45度 角，使得第一測量光路234和反射的第二測量光路246之間的角度6 l基 本是90度。相同的角度關(guān)系還存在于第二測量光路246和第三測量光路 250之間。如之前圖2所討論的，測量的軸212的角扭絞出現(xiàn)在軸212的 第一部分220和第二部分222之間的長度L上。如圖1和2所討論的，激光 轉(zhuǎn)矩傳感器210包括光源24、偏振濾光鏡26、分束器32、光入口孔216， 217、光出口孔218， 219、偏振濾光鏡252和配置為并適于將測量的轉(zhuǎn) 矩信號80作為輸出提供的測量設(shè)備56。當(dāng)軸212具有一對相應(yīng)的光入口 /出口孔216、 218,或具有兩對相應(yīng)的相對的光入口/出口孔(216， 217 ) 和(218， 219)時，使用具有三角形剖面的反射表面84、 86是尤其有 用的。類似地，當(dāng)軸212具有達(dá)四對光入口/出口孔(未示出一)時，使的，其中在圍繞軸212圓周徑向隔開90度的位置上提供鄰近的孔對。當(dāng) 反射表面84、 86是錐形時，它們適于在具有任何數(shù)量的入口孔(未示 出)和出口孑L (未示出)的軸中使用。圖4說明圖2的激光轉(zhuǎn)矩傳感器110的示意圖，還包括位于偏振濾光 鏡26和分束器32之間的半波片64。半波片64有效地使測量設(shè)備56對長 度L上軸112中的角扭絞的檢測的靈敏度增倍?？梢哉f明如下。在圖2的 激光轉(zhuǎn)矩傳感器110中，6r度的在長度L上的軸的扭轉(zhuǎn)的角扭絞(參看 圖7A)導(dǎo)致6T度的參考光路336和第三測量光路350之間偏振角度的差 異。假若偏振濾光鏡26和分束器32之間的半波片64具有如此效果，即 0T度的在長度L上的軸112的扭轉(zhuǎn)的角扭絞現(xiàn)在導(dǎo)致2 6t度的參考光路 336和第三測量光路350之間偏振角度的差異，則使軸的實(shí)際角扭絞精 確地成倍。半波片64可以如上所討論地被包括在本發(fā)明的任何激光轉(zhuǎn) 矩傳感器實(shí)施例中，以提高轉(zhuǎn)矩測量靈敏度。除上面注意的，圖4的激 光轉(zhuǎn)矩傳感器110的操作與圖1中給出的之前激光轉(zhuǎn)矩傳感器討論相 同。盡管圖3只描述兩個入口孔216、 217和兩個出口孔218、 219，還應(yīng) 該理解，預(yù)期并在某些情況下有利的是，具有在軸212的圓周周圍的帶 中定位多個入口和出口孔。例如圖5說明切入圖3的軸212的示意橫截 圖，描繪了具有在軸212的圓周周圍分布的四個孔88的一個示例布置， 其中所說明的徑向圍繞軸212的孔88位置表示光入口和光出口孔的角 位置。如上所提到的，使用多對光入口和出口孔被認(rèn)為是有利的。例 如，當(dāng)軸212處于軸旋轉(zhuǎn)四個旋轉(zhuǎn)位置中的任何一個時，使用四對孔允 許光被傳導(dǎo)通過軸212,由此允許軸扭絞角的四個測量在軸212的每個完整旋轉(zhuǎn)中被執(zhí)行。圖6是曲線圖，該曲線圖說明穿過偏振濾光鏡52 (參看圖l)的光 的扭絞角6T(參看圖7A)和規(guī)格化強(qiáng)度之間的一般關(guān)系。在圖6中假設(shè)， 當(dāng)扭絞角0T是O度時，則測量光路34、 36 (參看圖l)中的光偏振匹配 偏振濾光鏡52 (參看圖l)的偏振軸54 (參看圖l)。圖7a說明-90到0 度的扭絞角范圍，盡管可以理解，扭絞角的符號表示轉(zhuǎn)頭巨的方向，其 可以是正的或負(fù)的。扭絞角的大小表示根據(jù)以上提供的方程式施加的 轉(zhuǎn)矩的無符號大小。應(yīng)當(dāng)理解，對于正的扭絞角，扭絞角相對于規(guī)格 化強(qiáng)度曲線與圖6中所示的一般曲線相同，關(guān)于扭絞角=0的軸是鏡像的。圖7A和7B用于進(jìn)一步說明在軸412中由所施加的轉(zhuǎn)矩T所引入的扭 絞角，以及扭絞角6T和所施加的轉(zhuǎn)矩T之間的關(guān)系。這個關(guān)系的理解對 于轉(zhuǎn)換所測量的軸扭絞角是重要的，以便達(dá)到施加到軸的轉(zhuǎn)矩。圖7A 和7B中的軸412具有至少兩個間隔的孔88，比如在之前各種實(shí)施例中所 討論的光入口和出口孔。在圖7A中，孔88也可作為光入口或光出口孔 來操作。為了便于討論概念，軸412的一端被描繪為連接到地90以便在 將轉(zhuǎn)矩T施加到軸412的相對端時阻止旋轉(zhuǎn)。轉(zhuǎn)矩T在間隔的孔88之間的 軸的圓柱段中產(chǎn)生軸412中的扭轉(zhuǎn)扭絞。每個孔88具有描繪為92， 94的 軸，延伸穿過孔88的中心并且與軸412的旋轉(zhuǎn)軸448相交。在圖7A中， 軸94還被變換或復(fù)制到所施加轉(zhuǎn)矩T附近的孔88以作為軸194,以便于 與軸94進(jìn)行角比較。在圖7A所示的實(shí)施例中，當(dāng)沒有轉(zhuǎn)矩施加到軸412 時，軸194和94之間的扭絞角為0。當(dāng)轉(zhuǎn)矩T以增加的大小被施加到軸412 時，扭絞角0T與所施加的轉(zhuǎn)矩成比例增加。按下面的方程式，所觀察的扭絞角6r(如下等式l中示出為6 )與 剛性模量G、光入口/出口孔之間的距離L、圓柱形軸截面的慣性力矩J 以及所施加轉(zhuǎn)矩T有關(guān)。g 一 frX丄) (1)對于圓柱形軸截面，慣性力矩給出為(2)2其中rB和ri在圖7B中定義，ri是鉆孔或空腔4M的內(nèi)半徑，并且r。是從軸 的外表面470到軸的中心測量的軸412的外半徑。接著，轉(zhuǎn)矩按照以下方程式與軸扭絞角6T有關(guān)再次參考圖l和7a。當(dāng)不施加轉(zhuǎn)矩到軸(圖7a所討論和說明的轉(zhuǎn)矩) 時，光路34、 46、 50和36的偏振都相同。在將轉(zhuǎn)矩施加到圖1的軸12時， 轉(zhuǎn)矩在長度L (圖7A所示)上引入軸12中的角扭絞，引入在第三測量光 路50中的偏振角的變化。這個偏振角的變化是圖l的轉(zhuǎn)矩測量傳感器配 置中的6T或者等于當(dāng)如圖4中所述存在半波片64時的2 6t。該信息結(jié)合圖6的圖表，得到用于間接檢測在圖1所示的第三測量 光路50和參考光路36之間的角偏振的變化的可替換方法。圖6說明了 了 ，穿過偏振濾光鏡52的光的規(guī)格化強(qiáng)度隨著扭絞角絕對大小的增加 而減小。在圖1中，如上討論的，扭絞角精確地等于第三測量光路50和 參考光路3 6之間的角偏振的變化。圖6的曲線圖提供了指明到達(dá)測量設(shè) 備56的光強(qiáng)度如何隨著軸扭絞角絕對大小的增加而減小。使用這種知 識，測量設(shè)備56可以可替換地被配置為通過測量沿著第三測量光路50 的光強(qiáng)度的變化來間接地而不是直接地測量軸的角扭絞或偏振角的變 化。在該配置中，測量設(shè)備56監(jiān)控參考光路36中的光強(qiáng)度并根據(jù)參考 光路36中的強(qiáng)度變化來補(bǔ)償所檢測的第三測量光路50中的光強(qiáng)度，以 便抵消光源2 4所發(fā)射的光強(qiáng)度的變化。圖8描繪了與本發(fā)明 一致的一種非接觸測量軸中傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩的方 法。該方法開始于塊802,提供發(fā)射偏振光束的光源。偏振光源優(yōu)選的 是激光源。該方法在框804繼續(xù)，從由光源發(fā)射的偏振光束分出參考光 束。在框806,沿著軸的長度定向偏振光束。在框808，沿著軸傳輸?shù)?光的角偏振根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)扭絞而變化。在框810，相對于參考光束測量 由軸的扭轉(zhuǎn)扭絞而引起的偏轉(zhuǎn)角度變化。在框812，接著根據(jù)所測量的 偏振變化來確定轉(zhuǎn)矩。盡管已經(jīng)詳細(xì)描述用于執(zhí)行本發(fā)明的最佳實(shí)施方式，熟悉本發(fā)明 所涉及的領(lǐng)域的人將認(rèn)識到，在所附權(quán)利要求的范圍內(nèi)有各種用于實(shí) 施本發(fā)明的可替換設(shè)計(jì)和實(shí)施例。
權(quán)利要求
1.一種測量軸中轉(zhuǎn)矩的方法，包括引起偏振光進(jìn)入相對于所述軸定位的光偏振濾光鏡的一側(cè)并離開所述光偏振濾光鏡的相對側(cè)；和測量所述光在進(jìn)入和離開所述光偏振濾光鏡之間的至少一個屬性變化，由此確定所述軸中的轉(zhuǎn)矩。
2. 權(quán)利要求l的方法，其中在所述引起之后，該方法還包括通過 所述光偏振濾光鏡相對于所述軸中的所述轉(zhuǎn)矩來改變所述光的偏振。
3. 權(quán)利要求2的方法，其中所述測量是如下來實(shí)施的 測量由所述改變引起的所述光的偏振變化；和 根據(jù)所述偏振變化來確定軸轉(zhuǎn)矩。
4. 權(quán)利要求2的方法，其中 在所述引起之后，該方法還包括提供表示進(jìn)入所述光偏振濾光鏡的光強(qiáng)度的參考光束；并且 其中所述測量是如下來實(shí)施的 測量離開所述光偏振濾光鏡的光強(qiáng)度； 測量所述參考光束的強(qiáng)度；根據(jù)所述參考光束的所述測量的強(qiáng)度來補(bǔ)償離開光偏振濾光鏡的 所述測量的光強(qiáng)度；和根據(jù)所述補(bǔ)償?shù)膹?qiáng)度來確定軸轉(zhuǎn)矩。
5. —種測量所傳輸轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，包括用于傳輸轉(zhuǎn)矩的軸，所述軸的一部分在所述軸的第 一部分和所述 軸的第二部分之間延伸；光源，沿著測量光路從所述第一部分向所述第二部分發(fā)射偏振光；相對于所述軸的所述第二部分固定的偏振濾光鏡，所述偏振濾光 鏡可操作用于改變一部分所述測量光路中光的偏振角度；測量設(shè)備，適于測量偏振角度的所述變化；其中由所述軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩產(chǎn)生所述軸的扭絞，所述扭絞在所述偏 振濾光鏡中產(chǎn)生角旋轉(zhuǎn)，導(dǎo)致偏振角的所述變化；并且其中所述測量設(shè)備被配置為根據(jù)所述測量的偏振角度的變化來確 定所述傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩。
6. 權(quán)利要求5的設(shè)備，還包括分束器，配置為提供參考光路，該參考光路從所述光源發(fā)射的所 述偏振光的一部分分出，所述參考光路的角偏振由來自所述光源的光的角偏振確定；其中所述測量設(shè)備測量所述偏振角度的變化，以作為所述參考光 路與所述偏振濾光鏡之后的所述測量光路中所述光的角偏振之間的差 異。
7. 權(quán)利要求6的設(shè)備，其中所述軸具有空腔； 其中所述光源是位于所述軸外部的激光光源； 其中在離開所述分束器后的所述測量光路被定向以通過所述軸的所述第一部分中的入口孔進(jìn)入到所述空腔； 所述設(shè)備還包括第一反射元件，該第一反射元件固定在所述空腔的第一部分內(nèi)且 配置為在一個方向重定向來自所述入口孔的所述測量光路，以便截取 在所述空腔的所述第二部分的所述偏振濾光鏡；和第二反射元件，該第二反射元件固定在所述空腔內(nèi)且配置為重定 向離開所述偏振濾光鏡的偏振光以便穿過所述軸中的出口孔而離開所 述軸；其中所述入口孔和所述出口孔#:對準(zhǔn)以當(dāng)所述軸位于旋轉(zhuǎn)的至少 一個角位置時，允許來自所述光源的光重定向穿過所述空腔并到達(dá)所 述測量設(shè)備。
8. 權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所迷第 一反射元件包括所述第 一反射元件安裝于其中的第 一金屬管；其中所述第二反射元件包括所述第二反射元件安裝于其中的第二金屬管；并且其中所述第一和第二金屬管被設(shè)置大小并適于固定到所述空腔內(nèi) 的所述軸。
9. 權(quán)利要求8的設(shè)備，其中所述空腔被形成為穿過所述軸的一端的軸向鉆孔并至少部分地延 伸穿過所述軸的軸向長度，所述軸向鉆孔提供對所述空腔的訪問以便 安裝所述第一反射元件和所述第二反射元件。
10. 權(quán)利要求7的設(shè)備，其中所述第 一反射元件包括第 一反射表面，配置為執(zhí)行進(jìn)入所述入口孔的所述測量光路的所述重定向；并且其中所述第二反射元件包括第二反射表面，配置為執(zhí)行穿過所述 出口孔離開所述軸的所述測量光路的所述重定向。
11. 權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述第一反射表面是至少一個基本平坦的表面；并且 所述第二反射表面是至少一個基本平坦的表面。
12. 權(quán)利要求10的設(shè)備，其中所述第一反射表面是錐形反射表面；并且 所述第二反射表面是錐形反射表面。
13. 權(quán)利要求10的設(shè)備，還包括 半波片，位于所述光源和所述分束器之間； 其中所述測量的偏振角度的變化等于在所述軸的所述第一部分和所述第二部分之間的所述軸的角扭絞角度的兩倍，所述半波片使所述 測量設(shè)備在檢測所述軸轉(zhuǎn)矩中的靈敏度增倍。
14. 權(quán)利要求10的設(shè)備，其中其中所述偏振角度的變化產(chǎn)生離開所述出口孔的光強(qiáng)度的變化， 所述光強(qiáng)度的變化由所述測量設(shè)備檢測且用于確定所述偏振角度的變 化；并且其中根據(jù)所述參考光路中光強(qiáng)度的變化來校正所述檢測的光強(qiáng)度 的變化，所述參考光路中光強(qiáng)度的變化表示由所述光源發(fā)射的光強(qiáng)度 的變化。
15. —種測量傳輸軸中的所傳輸轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，包括 用于傳輸轉(zhuǎn)矩的拉長的軸，具有在所述軸至少一部分中的空腔，所述軸具有至少一個光入口孔和至少一個光出口孔，所述第一和第二 孔沿著所述軸的旋轉(zhuǎn)軸間隔開，所述孔從所述軸的外表面延伸到所述 空腔中；沿著第 一光路發(fā)射光的光源，所述光源固定到所述軸附近并與所 述軸分開；第一偏振濾光鏡，被定位以截取所述的一光路并具有第一偏振軸， 所述第 一 偏振濾光鏡位于所述光源和所述軸之間；位于在所述第一光路中的分束器，所述分束器將所述第一光路分成第一測量光路和參考光路，所述第一測量光路朝著所述軸定位和定 向以便通過所述軸的旋轉(zhuǎn)與所述入口孔中的所述至少一個對準(zhǔn)，其中 所述第一測量光路穿過所述至少一個入口孔進(jìn)入所述空腔，其中所述參考光路中的光偏振由所述第一測量光路中的光偏振確定；第一反射元件，固定在所述空腔內(nèi)的所述軸并且具有第一反射表 面，所述第一反射表面被配置為將所述第一測量光路反射到第二測量 光路，所述第二測量光路沿著與所述軸的所述旋轉(zhuǎn)軸平行的所述空腔 的長度被定向；第二反射元件，固定在所述軸的所述第二部分中的所述空腔內(nèi)的 所述軸并且具有第二反射表面，所述第二反射表面被配置為將所述第 二測量光路反射到第三測量光路，所述第三測量光路被定向以穿過所 述至少一個出口孔中的至少一個而離開所述空腔；具有第二偏振軸的第二偏振濾光鏡，所述第二偏振濾光鏡被定位以截取和偏振所述第二測量光路中的光，所述第二偏振濾光鏡在所述 空腔的所述第二部分中固定在所述第一反射元件和所述第二反射元件 之間的所述第二反射元件附近，其中所述第二偏振濾光鏡固定到所述 軸以便一致的與所述軸的所述第二部分旋轉(zhuǎn)；測量設(shè)備，被定位以接收來自所述參考光路和來自所述第三測量 光路的光，所述測量設(shè)備被配置和適于檢測所述第三測量光路和所述 參考光路之間偏振角度的差異；其中由所述軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩在所述軸的所述第一部分和所述第二部 分之間產(chǎn)生所述軸中的角扭絞，所述角扭絞改變所述第三測量光路中 的光相對于所述參考光路的所述偏振角度；其中所述檢測的偏振角度的差異表示可確定所述軸轉(zhuǎn)矩的所述軸 中的轉(zhuǎn)矩。
16. 權(quán)利要求15的用于測量所傳輸轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，其中所述光源是 激光光源。
17. 權(quán)利要求16的用于測量所傳輸轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，還包括 半波片，位于所述第一偏振濾光鏡和所述分束器之間并截取所述第一光路中的光；其中在所述第三測量光路和所述參考光路之間的偏振角i異是所述軸的所述第 一部分和所述第二部分之間所述軸的角扭絞角度的兩倍；并且其中所述半波片使所述測量設(shè)備在確定所述軸轉(zhuǎn)矩中的靈敏度增倍。
18. 權(quán)利要求16的用于測量所傳輸轉(zhuǎn)矩的設(shè)備，其中 所述偏振角度的差異產(chǎn)生由所述第二偏振濾光鏡傳輸?shù)墓鈴?qiáng)度的變化，所述光強(qiáng)度的變化由所述測量設(shè)備檢測；并且其中根據(jù)所述參考光路中的光強(qiáng)度的變化來校正所述第三測量光 路中的光強(qiáng)度，所述參考光路中光強(qiáng)度的所述變化表示由所述光源發(fā) 射的光強(qiáng)度的變化。
19. 一種測量由軸傳輸?shù)霓D(zhuǎn)矩的方法，包括 提供發(fā)射偏振光束的光源；沿著所述軸的長度定向所述偏振光束；根據(jù)所述軸的扭轉(zhuǎn)扭絞來改變所述光束沿著所述軸的所述長度的 角偏振；測量所述偏振中的角度變化； 根據(jù)所述測量的偏振變化來確定所述轉(zhuǎn)矩。
20. 權(quán)利要求19的方法，其中在所述變化期間，通過使所述偏振光束穿過偏振濾光鏡來改變所 述光束的所述角偏振，所述偏振濾光鏡固定在所述軸的一部分以便與 所述軸的所述部分旋轉(zhuǎn)；并且其中在所述測量期間，所述偏振的角度變化是在所述偏振濾光鏡 之后的所述光束中測量的。
全文摘要
這里提供了一種非接觸轉(zhuǎn)矩傳感器設(shè)備或方法，用于測量通過拉長的動力傳輸構(gòu)件所傳輸?shù)募磿r轉(zhuǎn)矩或扭轉(zhuǎn)應(yīng)力/張力，所述構(gòu)件例如是旋轉(zhuǎn)軸。偏振光沿著軸空腔中的測量光路被定向，其中它截取偏振濾光鏡。偏振濾光鏡可操作用于根據(jù)軸的扭轉(zhuǎn)扭絞來改變光的偏振角度。測量設(shè)備測量光的偏振角度的變化以獲得軸的扭絞角。接著根據(jù)扭絞角來計(jì)算軸轉(zhuǎn)矩。
文檔編號G01L3/00GK101236114SQ20081000223
公開日2008年8月6日 申請日期2008年1月2日 優(yōu)先權(quán)日2007年1月3日
發(fā)明者A·查卡里, H·瓦哈布扎德 申請人:通用汽車環(huán)球科技運(yùn)作公司