專利名稱：一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及機(jī)械傳動(dòng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的測量及其數(shù)據(jù)的應(yīng)用。
背景技術(shù)：
扭矩、轉(zhuǎn)速和軸功率的測量應(yīng)用范圍很廣泛，它滲透到工業(yè)、農(nóng)業(yè)、交通運(yùn)輸、航天航空、國防、能源等各個(gè)領(lǐng)域。扭矩、轉(zhuǎn)速和軸功率是旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械的重要工作參數(shù)，是機(jī)械量測量中一個(gè)重要組成部分。若能準(zhǔn)確、可靠、方便地測出受試機(jī)械的平均或瞬時(shí)的扭矩值、轉(zhuǎn)速和功率，這將有利于改進(jìn)和提高機(jī)械設(shè)備的性能。同時(shí)，裝置測試系統(tǒng)可作旋轉(zhuǎn)動(dòng)力機(jī)械日常運(yùn)行的監(jiān)視裝置，起到故障診斷或可用作自動(dòng)控制系統(tǒng)的檢測裝置。目前，常用的旋轉(zhuǎn)扭矩測量系統(tǒng)的架構(gòu)如圖I所示，它比體積較龐大、機(jī)構(gòu)復(fù)雜且 笨重、成本高，，不利于在要求空間緊湊以及要求輕量化的機(jī)械系統(tǒng)中應(yīng)用。隨著社會(huì)的發(fā)展，動(dòng)力機(jī)械的發(fā)展越來越快，非常需要簡潔、緊湊的測量系統(tǒng)，這樣才能使動(dòng)力機(jī)械的智能化程度越來越高。人們迫切的需要一種簡潔、緊湊、易用、低成本、耐用的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力測量設(shè)備。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于提出一種結(jié)構(gòu)簡單緊湊、成本低、應(yīng)用方便，能夠同時(shí)測量旋轉(zhuǎn)動(dòng)力系統(tǒng)的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)向從而推導(dǎo)出軸功率的測量設(shè)備。本發(fā)明所述的非接觸動(dòng)態(tài)轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器包括一柔性聯(lián)軸器(彈性聯(lián)軸器)包括聯(lián)軸器主動(dòng)半、聯(lián)軸器被動(dòng)半(主動(dòng)半和被動(dòng)半統(tǒng)稱為聯(lián)軸半)、聯(lián)軸器彈性部件等；若干信號測試點(diǎn)分別設(shè)置在柔性聯(lián)軸器兩端(兩個(gè)聯(lián)軸半上)，若連軸半上有可以利用的信號測試點(diǎn)則不用專門設(shè)置；一個(gè)或兩個(gè)信號接收器它對應(yīng)兩個(gè)聯(lián)軸半上的信號測試點(diǎn)設(shè)置；一信號處理電路。其特征是本發(fā)明利用現(xiàn)有的柔性聯(lián)軸器(可以是任何類型的柔性聯(lián)軸器)獲取傳動(dòng)信號，而該聯(lián)軸器仍然用作動(dòng)力傳遞(充分利用原有部件，可以節(jié)省空間、降低成本)。該聯(lián)軸器的主動(dòng)半和被動(dòng)半分別設(shè)置信號測試點(diǎn)，并通過對應(yīng)兩個(gè)聯(lián)軸半上的信號測試點(diǎn)設(shè)置的信號接收器，非接觸地獲取主動(dòng)半和被動(dòng)半在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相對位置及其運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向)信號。應(yīng)用柔性聯(lián)軸器在動(dòng)力傳遞動(dòng)力時(shí)主動(dòng)半與被動(dòng)半之間有相對位移，且傳遞的扭矩越大其相對位移也越大的原理，制作該聯(lián)軸器的靜態(tài)扭矩與主動(dòng)半和被動(dòng)半之間相對位移的關(guān)系圖表，將該關(guān)系表輸入信號處理電路作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。對比由信號接收器獲取的主動(dòng)半與被動(dòng)半的位置信號，獲得機(jī)械傳動(dòng)時(shí)兩個(gè)連接半的相對位移的參數(shù)(圖7、圖8中的δ和δ ’)。該參數(shù)與基礎(chǔ)數(shù)據(jù)對比可得到該機(jī)械傳動(dòng)的瞬時(shí)扭矩?cái)?shù)據(jù)。在兩個(gè)連接半相應(yīng)的點(diǎn)上各設(shè)置信號測試點(diǎn)，并在信號測試點(diǎn)相應(yīng)位置各設(shè)置一個(gè)信號接收器(如圖3、圖4、圖5所示)；或者，當(dāng)主動(dòng)半與被動(dòng)半的部分能夠共在同一段軸斷面時(shí)(如圖6所示的梅花形柔性聯(lián)軸器)，可以只設(shè)置一個(gè)信號接收器，該信號接收器設(shè)置在這段斷面的相應(yīng)位置。信號接收器可采用光感應(yīng)、電磁感應(yīng)等各種類型。推薦采用電磁類型，它具有結(jié)構(gòu)更簡單和獲取信號更可靠和高效的特點(diǎn)。當(dāng)信號接收器采用電磁信號，信號測試點(diǎn)可以是凸點(diǎn)(如圖3所示)也可以是凹點(diǎn)(如圖5所示)，只要微凸或微凹即可；還可以利用柔性聯(lián)軸器上原有的凹凸點(diǎn)作為信號測試點(diǎn)(如圖4所示)。梅花形柔性聯(lián)軸器或類同的聯(lián)軸器，不需要專門設(shè)置信號測試點(diǎn)，其主動(dòng)半和被動(dòng)半相互插入的梅花爪本身就是很好的電磁信號測試點(diǎn)。但是，為了區(qū)別主動(dòng)半的信號與被動(dòng)半的信號，也可以專門在其中的一個(gè)連軸半上設(shè)置凹點(diǎn)或凸點(diǎn)(如圖6是以凹點(diǎn)作為 主動(dòng)半的信號測試點(diǎn))。信號處理電路可以根據(jù)從信號接收器獲得的位移和運(yùn)動(dòng)信號，通過對比和換算獲得扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并且根據(jù)軸功率與扭矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出機(jī)械傳動(dòng)的即時(shí)軸功率。本發(fā)明和現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下優(yōu)點(diǎn)本發(fā)明可以使機(jī)械傳動(dòng)中扭矩、轉(zhuǎn)速、軸功率的測量更簡單方便、相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡單、體積更小、重量更輕、制造成本更低，有益于提高機(jī)械設(shè)備的智能化、輕便化，有益于智能機(jī)械設(shè)備的普及，有益于優(yōu)化機(jī)械設(shè)備之間匹配的契合度，有益于提高機(jī)械傳動(dòng)效率，有益于節(jié)能減排。通過圖像直觀的表示以圖2的測量系統(tǒng)架構(gòu)替代了圖I的測量系統(tǒng)架構(gòu)。


圖I是目前常用的旋轉(zhuǎn)扭矩測量系統(tǒng)的架構(gòu)圖2是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)扭矩、轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向暨軸功率測量系統(tǒng)的架構(gòu)圖3是本發(fā)明以輪胎式柔性聯(lián)軸器為基礎(chǔ)設(shè)立專門信號測試點(diǎn)的示意圖4是本發(fā)明以輪胎式柔性聯(lián)軸器為基礎(chǔ)并且以其原有的螺栓為信號測試點(diǎn)的示意圖5是本發(fā)明以改進(jìn)的梅花柔性聯(lián)軸器為基礎(chǔ)設(shè)置兩個(gè)信號接收器的示意圖6是本發(fā)明以改進(jìn)的梅花柔性聯(lián)軸器為基礎(chǔ)設(shè)置單個(gè)信號接收器的示意圖7是設(shè)置了兩個(gè)測試點(diǎn)的本發(fā)明的信號處理電路的電原理框8是設(shè)置了單個(gè)測試點(diǎn)的本發(fā)明的信號處理電路的電原理框中I是機(jī)座(殼)2是柔性聯(lián)軸器2-1是聯(lián)軸器主動(dòng)半2-2是聯(lián)軸器被動(dòng)半2-3是聯(lián)軸器彈性部件
2-4是固定螺栓2-5是聯(lián)軸器信號測試點(diǎn)3是信號接收器4是信號接收器支架e是單個(gè)信號接收器經(jīng)過放大整形后輸出的波形el是主動(dòng)半對應(yīng)的信號接收器經(jīng)過放大整形后輸出的波形e2是被動(dòng)半對應(yīng)的信號接收器經(jīng)過放大整形后輸出的波形
L是單個(gè)信號接收器經(jīng)過放大整形后主動(dòng)半輸出的波峰與被動(dòng)半前波中心線的距離L’是單個(gè)信號接收器經(jīng)過放大整形后主動(dòng)半的波峰與被動(dòng)半后波中心線的距離δ是聯(lián)軸器主動(dòng)半的波形與被動(dòng)半的波形前角的變量δ ’是聯(lián)軸器主動(dòng)半的波形與被動(dòng)半的波形后角的變量
具體實(shí)施例方式以下結(jié)合附圖，通過實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述結(jié)合附圖5和附圖7描述一種以改進(jìn)的梅花柔性聯(lián)軸器為基礎(chǔ)設(shè)置兩個(gè)信號接收器的非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率傳感器。首先，制作該聯(lián)軸器的靜態(tài)扭矩與主動(dòng)半和被動(dòng)半之間相對位移的關(guān)系圖表，將該關(guān)系表輸入信號處理電路的第一個(gè)數(shù)據(jù)處理器作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并通過柔性聯(lián)軸器帶動(dòng)被動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)被動(dòng)軸空載，扭矩為零(或接近零)，兩個(gè)聯(lián)軸半之間的相對位移為零，兩個(gè)信號接收器從信號測試點(diǎn)分別獲得波動(dòng)信號，這兩個(gè)信號經(jīng)過信號處理電路放大、整形和比相可以獲得兩個(gè)相位一致波形，此時(shí)相位差S為零，這兩個(gè)信號中的任一個(gè)經(jīng)放大進(jìn)入計(jì)數(shù)器與時(shí)鐘信號對比獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(以下同，不重復(fù)敘述)；當(dāng)被動(dòng)軸有實(shí)際負(fù)載，扭矩為正數(shù)值，兩個(gè)聯(lián)軸半之間產(chǎn)生相對位移，兩個(gè)信號接收器從信號測試點(diǎn)分別獲得波動(dòng)信號，這兩個(gè)信號經(jīng)過信號處理電路放大、整形和比相可以獲得兩個(gè)相位不一致波形，此時(shí)相位差δ為正數(shù)值，該數(shù)值對比第一個(gè)數(shù)據(jù)處理器中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以獲得具體的即時(shí)扭矩?cái)?shù)據(jù)，第二個(gè)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)軸功率與扭矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出即時(shí)軸功率；當(dāng)之前的負(fù)載輸出動(dòng)力帶動(dòng)之前的主動(dòng)軸(如汽車掛擋滑行時(shí)，車輪通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng))，δ為負(fù)數(shù)，推導(dǎo)出的軸功率為負(fù)值。轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、扭矩、軸功率均可以通過顯示電路和相應(yīng)器件顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)還可以通過無線電、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其中通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測遙控。第一個(gè)數(shù)據(jù)處理器和第二個(gè)數(shù)據(jù)處理器可以合并為一個(gè)，這里分成兩個(gè)只是為了方便描述。結(jié)合附圖6和附圖8描述一種以改進(jìn)的梅花柔性聯(lián)軸器為基礎(chǔ)設(shè)置單個(gè)信號接收器的非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率傳感器。同樣，先制作該聯(lián)軸器的靜態(tài)扭矩與主動(dòng)半和被動(dòng)半之間相對位移的關(guān)系圖表，將該關(guān)系表輸入信號處理電路的第一個(gè)數(shù)據(jù)處理器作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。在主動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)并通過柔性聯(lián)軸器帶動(dòng)被動(dòng)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，當(dāng)被動(dòng)軸空載，扭矩為零(或接近零)，兩個(gè)聯(lián)軸半之間的相對位移為零，這個(gè)信號接收器從信號測試點(diǎn)分別獲得兩個(gè)聯(lián)軸半的波動(dòng)信號，這兩個(gè)信號經(jīng)過信號處理電路放大、整形和比相可以獲得主動(dòng)半波峰與被動(dòng)半前波和后波距離(L和L’ )相同，此時(shí)相位差δ為零(δ = L’ -L)，這個(gè)信號經(jīng)放大進(jìn)入計(jì)數(shù)器與時(shí)鐘信號對比獲得轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)(以下同，不重復(fù)敘述)；當(dāng)被動(dòng)軸有實(shí)際負(fù)載，扭矩為正數(shù)值，兩個(gè)聯(lián)軸半之間產(chǎn)生相對位移，這信號接收器從信號測試點(diǎn)獲得波動(dòng)信號經(jīng)過信號處理電路放大、整形和比相可以獲得主動(dòng)半波峰與被動(dòng)半前波和后波距離(L和L’)不同，此時(shí)相位差δ為正數(shù)值，該數(shù)值對比第一個(gè)數(shù)據(jù)處理器中的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)可以獲得具體的即時(shí)扭矩?cái)?shù)據(jù)，第二個(gè)數(shù)據(jù)處理器根據(jù)軸功率與扭矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出即時(shí)軸功率；當(dāng)之前的負(fù)載輸出動(dòng)力帶動(dòng)之前的主動(dòng)軸(如汽車掛擋滑行時(shí)，車輪通過傳動(dòng)機(jī)構(gòu)帶動(dòng)發(fā)動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng))，δ為負(fù)數(shù)，推導(dǎo)出的軸功率為負(fù)值。轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)向、扭矩、軸功率均可以通過顯示電路和相應(yīng)器件顯示，相關(guān)數(shù)據(jù)還可以通過無線電、計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)距離傳輸，其中通過計(jì)算機(jī)網(wǎng)絡(luò)可以實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程遙測遙控。這里還可以通過信號處理電路中的調(diào)相電路將輸入的信號調(diào)成為在空載時(shí)兩個(gè)同相位的波形信號(el和e2)，在有負(fù)載時(shí)可以直接對比 出δ。
權(quán)利要求
1.一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器，包含柔性聯(lián)軸器、信號測試點(diǎn)、信號接收器、信號處理電路，其特征在于應(yīng)用現(xiàn)有的柔性聯(lián)軸器并在柔性聯(lián)軸器的主動(dòng)半和被動(dòng)半分別設(shè)置信號測試點(diǎn)，通過對應(yīng)兩個(gè)聯(lián)軸半上的信號測試點(diǎn)設(shè)置的信號接收器，非接觸地獲取主動(dòng)半和被動(dòng)半之間在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相對位置及其運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向)信號，經(jīng)信號處理電路獲得機(jī)械傳動(dòng)的實(shí)時(shí)扭矩、轉(zhuǎn)速和軸功率數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器，其特征是用于獲取傳動(dòng)信號的柔性聯(lián)軸器仍然用作動(dòng)力傳遞。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器，其特征是信號接收器可采用光感應(yīng)、電磁感應(yīng)等各種類型，特別保護(hù)采用電磁類型的信號接收器。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器，其特征是信號測試點(diǎn)可以利用柔性聯(lián)軸器各聯(lián)軸半上原有的凹凸點(diǎn)或凹凸形狀而不專門設(shè)置。
5.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器，其特征是先制作柔性聯(lián)軸器的靜態(tài)扭矩與主動(dòng)半和被動(dòng)半之間相對位移的關(guān)系圖表，將該關(guān)系圖表輸入信號處理電路作為基礎(chǔ)數(shù)據(jù)，用于對比實(shí)時(shí)信號而得出實(shí)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)扭矩的數(shù)據(jù)。
6.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器，其特征是當(dāng)主動(dòng)半與被動(dòng)半的部分能夠共在同一段軸斷面時(shí)，可以只設(shè)置一個(gè)信號接收器。
7.根據(jù)權(quán)利要求I所述的一種非接觸動(dòng)態(tài)扭矩、轉(zhuǎn)速暨軸功率信號傳感器，其特征是信號處理電路可以根據(jù)從信號接收器獲得的位移和運(yùn)動(dòng)信號，通過對比和換算獲得扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并且根據(jù)軸功率與扭矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出機(jī)械傳動(dòng)的即時(shí)軸功率。
全文摘要
本發(fā)明涉及機(jī)械傳動(dòng)的旋轉(zhuǎn)動(dòng)力的測量及其數(shù)據(jù)的應(yīng)用。它利用現(xiàn)有的柔性聯(lián)軸器并在其主動(dòng)半和被動(dòng)半分別設(shè)置信號測試點(diǎn)，通過對應(yīng)兩個(gè)聯(lián)軸半上的信號測試點(diǎn)設(shè)置的信號接收器，非接觸地獲取主動(dòng)半和被動(dòng)半在轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)的相對位置及其運(yùn)動(dòng)(轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)向)信號，同時(shí)通過信號處理電路獲取扭矩和轉(zhuǎn)速數(shù)據(jù)，并根據(jù)軸功率與扭矩、轉(zhuǎn)速的關(guān)系推導(dǎo)出機(jī)械傳動(dòng)的即時(shí)軸功率。它可以使機(jī)械傳動(dòng)中扭矩、轉(zhuǎn)速、軸功率的測量更簡單方便、相關(guān)設(shè)備結(jié)構(gòu)更簡單、體積更小、重量更輕、制造成本更低，有益于提高機(jī)械設(shè)備的智能化、輕便化，有益于智能機(jī)械設(shè)備的普及，有益于優(yōu)化機(jī)械設(shè)備之間匹配的契合度，有益于提高機(jī)械傳動(dòng)效率，有益于節(jié)能減排。
文檔編號G01L3/04GK102788654SQ20121025747
公開日2012年11月21日 申請日期2012年7月23日 優(yōu)先權(quán)日2012年7月23日
發(fā)明者王建鈞 申請人:王建鈞