專利名稱：微機(jī)型單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于對各種動力機(jī)械傳動軸轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的測試系統(tǒng)。涉及傳感器，彈性軸角位移、脈沖頻率測量技術(shù)及微型計算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的變換原理來分類，目前主要有應(yīng)變式、光電式、鋼弦式、磁電感應(yīng)式、磁致伸縮式以及磁敏感應(yīng)式等。經(jīng)檢索國內(nèi)外查無本發(fā)明的型式。目前國內(nèi)外廣泛應(yīng)用的是磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀。如日本小野DTM－405，406數(shù)字扭矩計，DTM－DSTP型扭矩轉(zhuǎn)換器，中國的ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和ZJYW1微機(jī)型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀等。它們都具有放大整形、應(yīng)用相位差原理、脈沖計數(shù)、數(shù)字直讀處理、測試轉(zhuǎn)速范圍寬、精度高、穩(wěn)定可靠、并可測起動和低速扭矩等特點。但傳感器上需要配置電動機(jī)，構(gòu)造復(fù)雜。因此，不適用于象汽車那樣的動力機(jī)械轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率的測量。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的構(gòu)造缺點，突破了傳統(tǒng)的測量彈性軸轉(zhuǎn)矩所用的測量兩路電信號相差來決定轉(zhuǎn)矩的方法。應(yīng)用一個能產(chǎn)生交變信號的固定探頭，取其電信號，經(jīng)過放大、整形以及邏輯處理接口電路，輸入微型計算機(jī)處理系統(tǒng)，可直接測量出轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速并計算出功率。此外，本發(fā)明的目的還在于將此轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀的傳感器結(jié)構(gòu)用于車載測量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和功率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實現(xiàn)的。本實用新型由兩部分組成，即轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和微機(jī)測量系統(tǒng)。傳感器的結(jié)構(gòu)原理如

圖1所示。它是由彈性軸(1)上固定的一對具有等分凸齒相互偶合的兩個園盤(2)、(3)構(gòu)成的角位移變換器及其固定在外殼(5)上的探頭(4)組成。探頭可以是任何形式的非接觸感應(yīng)式交變信號發(fā)生器。如磁敏型、電磁型和光電型等。
轉(zhuǎn)矩的測量原理是利用彈性軸在一定的標(biāo)定長度內(nèi)相對扭轉(zhuǎn)角位移θ與所傳遞的扭矩T成正比的關(guān)系，即T＝K×θ (1)式中K是結(jié)構(gòu)常數(shù)。
當(dāng)彈性軸傳遞的轉(zhuǎn)矩T＝0時，由于角位移變換器中齒盤(2)、(3)之間的齒間距相等，即異盤齒間距相等。因此，當(dāng)彈性軸(1)轉(zhuǎn)動時，兩齒盤(2)、(3)的凸齒在探頭(4)中感應(yīng)出的交變信號，經(jīng)放大及整形處理后的信號如圖2(6)所示。當(dāng)T≠0時，則其信號如圖2(7)所示。其中方波(6)或(7)分別是由圖1中(2)或(3)齒盤感應(yīng)出來的信號。
由同盤凸齒感應(yīng)出的電信號的時間間隔具有如下特點即 taoao=taa＝tbobo＝tbb(2)而異盤凸齒感應(yīng)出的電信號的時間間隔具有如下特點
即當(dāng)T＝0時，有 taobo＝tboao＝ (taoao)/2 ＝ (tbobo)/2 (3)當(dāng)T≠0時，有 tab≠tba(4)故由于彈性軸相對角位移所造成的異盤信號之間的時差為△t＝︱ (taa)/2 -tab︱＝︱ (taa)/2 -tba︱ (5)或△t＝︱ (tbb)/2 -tba︱＝︱ (tbb)/2 -tab︱ (6)而 θ＝ (2π)/60 ·n·△t (7)式中n－為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。
此外，微型計算機(jī)具有較強(qiáng)的中斷處理及計數(shù)功能。采用微型計算機(jī)與相應(yīng)的放大，整形，邏輯控制及計數(shù)電路，可以十分簡便的實現(xiàn)對時間差△t的精確測量及轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n的測量。
當(dāng)轉(zhuǎn)動軸運(yùn)轉(zhuǎn)時，微機(jī)測量系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，由探頭(4)(如磁敏型、電磁型)產(chǎn)生的過零脈沖交變信號，輸入該接口板的運(yùn)算放大器(8)中，通過放大整形以后，再送入與門(10)，由T型觸發(fā)器(11)及同步加／減計數(shù)器(12)實現(xiàn)對時間差△t的計數(shù)測量。測量過程的時序如圖5所示。
本實用新型由于采用非接觸式感應(yīng)探頭，將角位移變換器兩齒盤所產(chǎn)生的異盤感應(yīng)信號在同一探頭中輸出，可以克服測量兩路電信號相差時，由于信號畸變和兩路溫漂特性不一致所造成的測量誤差。另外，由于產(chǎn)生交變信號的方式較多，且角位移換變換方式結(jié)構(gòu)簡單，因此對各種動力機(jī)械轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測量比較方便，且精度可以達(dá)到1％以內(nèi)。
以下結(jié)合附圖和實施例對本實用新型進(jìn)一步說明。
圖1是單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是同路信號時差原理圖。
圖3微機(jī)測量系統(tǒng)的工作原理圖。
圖4是單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器實施例的縱剖面結(jié)構(gòu)圖。
圖5為時差測量控制時序圖圖中1彈性應(yīng)變軸、2齒盤A、3齒盤B、4探頭、5殼體、6T＝0時同路信號時差原理圖、7T≠0時同路信號時差原理圖、8運(yùn)算放大器、9反向器、10與門、11T型觸發(fā)器、12同步加／減計數(shù)器、13或門、14數(shù)據(jù)緩沖器、15單片微型機(jī)、16顯示器和打印機(jī)、17螺釘、18軸承端蓋、19調(diào)整墊片、20精密軸承、21螺釘、22調(diào)整墊片。
在圖1和圖4中，由一根彈性應(yīng)變軸(1)和兩個帶軸套的齒盤(2)、(3)組成的角位移變換器。將彈性軸承受轉(zhuǎn)矩以后的扭轉(zhuǎn)變形，通過兩齒盤(2)、(3)上相互偶合的凸齒之間的周向相對移動反映出來。由齒盤(2)、(3)在探頭(4)中先后連續(xù)感應(yīng)出的信號經(jīng)放大整形以后，具有如圖2所示的特點。當(dāng)彈性軸傳遞的轉(zhuǎn)矩T＝0時，由于角位移變換器中兩齒盤(2)、(3)之間的齒間距相等，即異盤齒間距相等。因此，當(dāng)彈性軸(1)轉(zhuǎn)動即兩齒盤(2)、(3)轉(zhuǎn)動時其凸齒探頭(4)中感應(yīng)出的信號，經(jīng)放大整形處理以后的信號如圖2中(6)所示。當(dāng)T≠0時，則其信號如圖2中(7)所示。圖中方波a或b分別是由齒(2)、(3)感應(yīng)出來的。彈性軸的材料為青銅或40CrNiMoA，齒盤的材料為軟磁性材料如低碳銅。齒盤(2)、(3)與彈性軸(1)是通過齒盤上的軸套與軸之間的過盈配合實現(xiàn)聯(lián)接的。
彈性軸(1)和兩齒盤(2)、(3)組成的角位移變換器、由一對精密軸承(17)支承，并安裝在殼體(5)中。
探頭(4)是常見的磁電感應(yīng)式探頭或利用霍爾元件及磁敏晶體管組成的探頭。其按裝位置為探頭(4)固定在齒盤(2)、(3)所在的徑向平面內(nèi)并對準(zhǔn)凸齒。探頭(4)與齒盤(2)、(3)之間的徑向間隙由墊片21來調(diào)整，并利用螺釘(22)將探頭(4)固定在殼體(5)上。
單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器經(jīng)過標(biāo)標(biāo)定后，應(yīng)直接的串入被測動力機(jī)械轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)中，兩端用彈性聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)動軸聯(lián)接，安裝時，應(yīng)該盡量避免彈性軸附加彎矩對轉(zhuǎn)矩測量的影響。
在圖3中，當(dāng)轉(zhuǎn)動軸傳遞動力工作時，由傳感器探頭(4)產(chǎn)生的信號輸入接口板的運(yùn)算放大器(8)中，經(jīng)過放大整形以后再送入與門(10)。并利用單片機(jī)(15)的P10輸出一個電平信號，對測量起止進(jìn)行控制。當(dāng)單片機(jī)(15)的P10發(fā)出高電平時，經(jīng)過放大整形以后的信號可以通過與門(10)送入T型觸發(fā)器(11)，并控制同步加／減計數(shù)器(12)對時間差△t進(jìn)行測量。加／減計數(shù)器(12)的計數(shù)進(jìn)位可以輸入到單片機(jī)(15)的內(nèi)部定時／計數(shù)器T0中，形成時差計數(shù)的高位。外部計數(shù)結(jié)果由單片機(jī)(15)的RD和P11經(jīng)或門(13)輸出合成信號控制數(shù)據(jù)緩沖器(14)將其輸入到單片機(jī)(15)的RAM單元中存貯起來，并利用式(7)和(1)計算轉(zhuǎn)矩。
在圖5中時間測量過程的時序控制為將整形以后的脈沖方波如圖5中(23)，經(jīng)反向器(9)以后形成負(fù)跳沿中斷信號如圖5中(24)，使計算機(jī)轉(zhuǎn)入中斷處理過程。
在計算機(jī)中斷處理時，首先發(fā)出一個高電平如圖5中(25)，使脈沖方波經(jīng)與門(10)形成一個控制T型觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的控制信號如圖5中(26)。這個控制信號(26)，使T觸發(fā)器按圖5中(27)的形式變化，從而控制加／減計數(shù)器(12)的計數(shù)狀態(tài)。
當(dāng)(27)信號處于高電平時，加／減計數(shù)器(12)處于加數(shù)計數(shù)狀態(tài)。由于方波(23)之間的tab和Tba之間的時間間隔不相等，所以計數(shù)器的計數(shù)結(jié)果就是由于彈性軸扭轉(zhuǎn)角位移產(chǎn)生的時間差如圖5中(29)。時間差的大小是由計量的脈沖量的多少來決定的。這個計量脈沖可以利用計算機(jī)的主時鐘產(chǎn)生，如圖5中(28)。它的頻率很高，因此有利于提高計量的精度。
轉(zhuǎn)速的測量可以利用單片機(jī)(15)的內(nèi)部定時／計數(shù)器T1來實現(xiàn)的。當(dāng)單片機(jī)(15)開始測量時間差△t時，即可使單片機(jī)(15)的內(nèi)部定時／計數(shù)器T1計數(shù)。通過測量彈性軸(1)每轉(zhuǎn)所需時間，即可以求出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。
測量出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以后，就可以利用公式N＝T·n計算出功率N，利用顯示器或打印機(jī)(16)可將測量結(jié)果轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或功率顯示、打印或繪圖輸出。
權(quán)利要求1.微機(jī)型單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，是由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、接口電路和微機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)組成，其特征是該微機(jī)型單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是由一個磁敏型或電磁型的單路探頭和一個彈性軸與一對相互偶合的齒盤構(gòu)成的角位移變換器所組成的單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；接口電路是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大、整形電路和由與門、T型觸發(fā)器、同步加/減計數(shù)器、或門及數(shù)據(jù)緩沖器構(gòu)成的邏輯控制時間差計數(shù)測量電路組成；微機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)是由單片機(jī)和打印機(jī)組成的數(shù)字化測量結(jié)果顯示、打印處理系統(tǒng)；放大、整形電路安裝在傳感器中，其輸出信號由五根芯電纜線輸入到由時間差計數(shù)測量電路與微機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)所組成的儀表中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)型單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是其單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是由一根彈性軸、一對具有等分凸齒相互偶合的兩個帶一定長度軸套的齒盤組成的角位移變換器，及能感應(yīng)出交變信號的單探頭或多探頭串聯(lián)組合輸出單路信號的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)型單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是其單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器中探頭的安裝位置與兩齒盤凸齒處于同一平面、或處于兩齒盤的側(cè)面、或處于兩齒盤的中間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)型單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是其單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器中相互偶合的兩個凸齒盤可以制成不等分凸齒盤及兩齒盤的軸套長度不相等，即兩齒盤在標(biāo)定長度內(nèi)不對稱，或?qū)升X盤制成兩軸套一端凸齒互偶合的結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是利用與門、T型觸發(fā)器、同步加／減計數(shù)器及緩沖計數(shù)器組成的邏輯控制時間差計數(shù)測量電路。
專利摘要本實用新型涉及一種微機(jī)型單路信號轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，突破了傳統(tǒng)的測量彈性軸轉(zhuǎn)矩所用的測量兩路電信號相差來決定轉(zhuǎn)矩的方法。應(yīng)用一個能產(chǎn)生高變信號的固定探頭，將由彈性轉(zhuǎn)軸角位移變換器所感應(yīng)出的脈沖信號，通過具有放大，整形及邏輯處理功能的接口電路，并把由此測量的相應(yīng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)字量輸入微型計算機(jī)系統(tǒng)，可直接的測量出轉(zhuǎn)動軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及計算出轉(zhuǎn)動軸所傳遞的功率。
文檔編號G01L3/24GK2131102SQ9121644
公開日1993年4月28日 申請日期1991年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月12日
發(fā)明者朱國璽, 儲江偉, 廉昭, 倪元增, 原祥禎, 闞玉敏, 高信國, 王守忠, 李東升, 劉仁 申請人:東北林業(yè)大學(xué)