一種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置及誤差校正方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，包括：扭矩傳感器，其設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩；校正傳感裝置，其設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩，作為檢測裝置的參考校正數(shù)據(jù)；模擬信號處理器，其連接所述扭矩傳感器，接收所述扭矩傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，并對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，濾波和放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息發(fā)送出去；數(shù)據(jù)處理器，其連接模擬信號處理器和校正傳感裝置，接收所述模擬信號處理器和校正傳感裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，利用內(nèi)置算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正，并設(shè)計了一種重載車輛傳動軸扭矩檢測誤差校正方法，充分考慮溫度和環(huán)境因素對測試結(jié)果誤差的影響，靈敏度高。
【專利說明】
一種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置及誤差校正方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001] 本發(fā)明涉及一種扭矩測量裝置，尤其涉及一種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置以及 一種重載車輛傳動軸扭矩檢測誤差校正方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳動軸扭矩和轉(zhuǎn)速是計算和表征發(fā)動機(jī)實時動力性能的重要參量，對其高效性和 穩(wěn)定性的要求是不言而喻的，扭矩測量原理分為平衡力法、能量轉(zhuǎn)換法和傳遞法，平衡力法 是利用平衡扭矩去平衡被測扭矩，從而求得扭矩的方法，能量轉(zhuǎn)換法是按照能量守恒定律 來測量扭矩的一種方法，通過測量其它與扭矩有關(guān)的能量系數(shù)來確定被測扭矩的大小，傳 遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化(變形、應(yīng)力會應(yīng)變)來測量扭矩 的方法，平衡力法只適用于勻速和靜態(tài)的情況，能量轉(zhuǎn)換法的間接測量因素太多，而且誤差 大，這兩組方法都不適合動態(tài)測量，因此急需一種采用傳遞法，能夠準(zhǔn)確實時測量傳動軸扭 矩的裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其采用應(yīng)變片式傳感器作 為扭矩檢測的基礎(chǔ)傳感器，并采用校正傳感器同時檢測傳動軸扭矩進(jìn)行校正，抗干擾能力 強，可靠性好。
[0004] 本發(fā)明還有一個目的是設(shè)計了一種重載車輛傳動軸扭矩檢測誤差校正方法，充分 考慮溫度和環(huán)境因素對測試結(jié)果誤差的影響，靈敏度高。
[0005] 本發(fā)明提供的技術(shù)方案為：
[0006] -種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，包括：
[0007] 扭矩傳感器，其設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩；
[0008] 校正傳感裝置，其設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩，作為檢測裝置 的參考校正數(shù)據(jù)；
[0009] 模擬信號處理器，其連接所述扭矩傳感器，接收所述扭矩傳感器采集的數(shù)據(jù)信息， 并對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，濾波和放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息發(fā)送出去；
[0010] 數(shù)據(jù)處理器，其連接模擬信號處理器和校正傳感裝置，接收所述模擬信號處理器 和校正傳感裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，利用內(nèi)置算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
[0011]優(yōu)選的是，所述扭矩傳感器采用應(yīng)變片式傳感器。
[0012]優(yōu)選的是，所述校正傳感裝置，包括：
[0013] 光電傳感器，其設(shè)置在傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩；
[0014] 脈沖信號處理器，其用于將光電傳感器檢測到的光脈沖信號傳換成電信號后輸 出。
[0015] 優(yōu)選的是，所述光電傳感器，包括：
[0016] 光電碼盤，其數(shù)量為兩個，中間具有圓孔，平行套設(shè)固定在傳動軸上，并與所述傳 動軸同軸安裝，能夠隨傳動軸旋轉(zhuǎn)；
[0017] 光電開關(guān)，其數(shù)量為兩個，設(shè)置在所述光電碼盤頂部，用于檢測光電碼盤旋轉(zhuǎn)位 置，并以光脈沖信號的形式輸出。
[0018] 優(yōu)選的是，所述光電碼盤具有多個均勻分布的扇形通光孔和擋光孔，所述通光孔 和擋光孔對應(yīng)的圓心角相同。
[0019] 優(yōu)選的是，還包括射頻發(fā)射器，其連接所述數(shù)據(jù)處理器，用于將校正后扭矩數(shù)據(jù)發(fā) 送給無線接收終端。
[0020] 優(yōu)選的是，還包括自供電電池系統(tǒng)，其通過傳動軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能為電池充電。
[0021] 優(yōu)選的是，所述自供電電池系統(tǒng)，包括：
[0022] 充電單元，其連接傳動軸輸出端；
[0023] 電池單元，其由多個電池模塊串聯(lián)；
[0024] 控制單元，其包括控制器和直流輸出電路，連接所述電池單元輸出端，通過控制器 來控制充電單元的充電電壓，并調(diào)節(jié)電池模塊的電壓大小，以得到不同電池容量的電池箱。 [0025]本發(fā)明的目的還可以由一種重載車輛傳動軸扭矩檢測誤差校正方法進(jìn)一步實施， 其特征在于，包括：
[0026] 步驟一：由應(yīng)變片式傳感器，檢測出傳動軸的扭矩
[0027] Ma = G · Ip · Δ RR · K · La
[0028] 其中，G為傳動軸的剪切彈性模量，^為與傳動軸材料相關(guān)的常量，AR為應(yīng)變片形 變前后電阻變化率，R為應(yīng)變片形變前電阻，K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，La為應(yīng)變片式傳感器 的兩卡環(huán)的距離；
[0029]由校正傳感裝置，檢測出傳動軸的校正扭矩
[0030] Mp = G · Ip · At· Φ /T · Lp
[0031] 其中，G為傳動軸的剪切彈性模量，IpS與傳動軸材料相關(guān)的常量，At為兩光電開 關(guān)輸出光脈沖信號的相位差，Φ為光電碼盤的圓心角大小，T為光電開關(guān)輸出一個光脈沖信 號對應(yīng)的脈寬;L e為兩光電碼盤之間的距離；
[0032]步驟二:計算校正后扭矩
[0033]
[0034]其中，Te為校正傳感器溫度。
[0035]本發(fā)明所述的有益效果
[0036] 1、本發(fā)明設(shè)計開發(fā)了一種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其采用應(yīng)變片式傳感器 作為扭矩檢測的基礎(chǔ)傳感器，并采用校正傳感器同時檢測傳動軸扭矩進(jìn)行校正，抗干擾能 力強，可靠性好。
[0037] 2、本發(fā)明還設(shè)計了一種重載車輛傳動軸扭矩檢測誤差校正方法，充分考慮溫度和 環(huán)境因素對測試結(jié)果誤差的影響，靈敏度高。
[0038] 3、本發(fā)明設(shè)計的校正傳感器由光電開關(guān)和光電碼盤組成，其能夠?qū)崿F(xiàn)傳動軸傳動 過程中的實時檢測，實用性強。
【附圖說明】
[0039] 圖1為本發(fā)明所述的扭矩傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040] 圖2為本發(fā)明所述的平衡橋電路示意圖。
[0041 ]圖3為本發(fā)明所述的校正傳感裝置結(jié)構(gòu)示意圖。
[0042]圖4為本發(fā)明所述的光電碼盤結(jié)構(gòu)示意圖。
【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明做進(jìn)一步的詳細(xì)說明，以令本領(lǐng)域技術(shù)人員參照說明書文 字能夠據(jù)以實施。
[0044] 本發(fā)明提供的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，包括:扭矩傳感器，校正傳感裝置， 模擬信號處理器和數(shù)據(jù)處理器。
[0045] 其中，如圖1所示，扭矩傳感器設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩，包 括：
[0046] 第一電阻應(yīng)變片210,其設(shè)置在傳動軸表面，并與軸線夾角為45° ;
[0047]第二電阻應(yīng)變片220,其設(shè)置在傳動軸表面，并與軸線夾角為-45° ;
[0048]第三電阻應(yīng)變片230,其設(shè)置在傳動軸表面，并與軸線夾角為45° ;
[0049]第四電阻應(yīng)變片240,其設(shè)置在傳動軸表面，并與軸線夾角為-45° ;
[0050]其中，第一電阻應(yīng)變片210和第三電阻應(yīng)變片230的夾角為90° ;第二電阻應(yīng)變片 220和第四電阻應(yīng)變片240的夾角為90°。
[00511柔性基底；
[0052]電阻應(yīng)變傳感層，其附著于所述柔性基底上，電阻應(yīng)變傳感層的電阻值隨形狀改 變而發(fā)生變化；
[0053] 電極，其數(shù)量為兩個，設(shè)置在電阻應(yīng)變傳感層兩端。
[0054] 作為一種優(yōu)選，電阻應(yīng)變傳感層為金屬導(dǎo)電薄膜，所述金屬薄膜材質(zhì)為金、鉑、銅 和石墨烯中的一種，金屬導(dǎo)電薄膜具有微米和納米間隙結(jié)構(gòu)。
[0055] 如圖2所示，平衡電橋電路，其連接所述扭矩感應(yīng)傳感器，用于檢測傳動軸負(fù)載前 后扭矩感應(yīng)傳感器的阻值變化，并以電壓差的形式輸出；
[0056] 平衡電橋電路包括:第一電阻應(yīng)變片210,其阻值為心，第二電阻應(yīng)變片220,其阻 值為R 2，第三電阻應(yīng)變片230，其阻值為R3，和第四電阻應(yīng)變片240，其阻值為R4組成惠更斯電 橋，電壓輸入端為第三電阻應(yīng)變片230和第四電阻應(yīng)變片240兩端，輸入電壓為U，電壓輸出 端為第二電阻應(yīng)變片220第四電阻應(yīng)變片240兩端，輸出電壓為U 0;
[0057] 用電阻應(yīng)變片對被測軸進(jìn)行直接測量。它是將電阻應(yīng)變片粘貼在彈性元件的適當(dāng) 位置上，當(dāng)彈性元件受到扭矩作用而產(chǎn)生機(jī)械應(yīng)變時應(yīng)變片的電阻將發(fā)生微小變化，致使 應(yīng)變電橋失去平衡，輸出和扭矩值成正比的微弱電壓信號，然后再利用信號調(diào)理電路對信 號進(jìn)行放大和濾波等處理，最終由力學(xué)中應(yīng)變和扭矩的關(guān)系式計算出與之對應(yīng)的扭矩值。 由材料力學(xué)的理論可知，在受到扭矩作用時，軸表面的主應(yīng)力的方向和軸線的夾角為±45 度。故在扭矩傳感器的彈性軸上，在與軸線成±45度的兩個方向上分別粘貼兩個電阻應(yīng)變 片，組成差動的全橋形式，則電橋輸出的微弱電壓信號與扭矩值成正比。
[0058]當(dāng)傳動軸負(fù)載后扭矩發(fā)生變化，第一電阻應(yīng)變片210電阻值變大，第二電阻應(yīng)變片 220電阻值變小，電壓輸出端電壓變小。
[0059] 如圖3所示，校正傳感裝置，其設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩，作 為檢測裝置的參考校正數(shù)據(jù);包括：
[0060] 光電傳感器，其設(shè)置在傳動軸300上，用于檢測傳動軸扭矩；
[0061] 脈沖信號處理器，其用于將光電傳感器檢測到的光脈沖信號傳換成電信號后輸 出。
[0062]其中，光電傳感器，包括：
[0063] 光電碼盤320,其數(shù)量為兩個，中間具有圓孔，平行套設(shè)固定在傳動軸上，并與所述 傳動軸同軸安裝，能夠隨傳動軸旋轉(zhuǎn)；
[0064] 光電開關(guān)310,其數(shù)量為兩個，設(shè)置在所述光電碼盤頂部，用于檢測光電碼盤旋轉(zhuǎn) 位置，并以光脈沖信號的形式輸出。
[0065] 如圖4所示，光電碼盤具有多個均勻分布的扇形通光孔和擋光孔，所述通光孔和擋 光孔對應(yīng)的圓心角完全相同。
[0066] 當(dāng)傳動軸開始轉(zhuǎn)動時，兩個光電碼盤均勻分布的扇形通光孔及擋光板分別掃過光 電開關(guān)形成了亮/暗光脈沖信號，光電開關(guān)將信號以方波脈沖信號形式輸出，為了保證測量 的準(zhǔn)確性，兩個光電碼盤安裝時必須與被測傳動軸同軸，以保證光電開關(guān)掃過的圓心角相 等，當(dāng)傳動軸無負(fù)載轉(zhuǎn)動時，兩路信號存在一個不變的相位差，當(dāng)傳動軸負(fù)載增加時，兩個 光電開關(guān)輸出的兩路光脈沖信號之間的相位差也隨之增加，通過檢測相位差變化，即可計 算出兩個光電碼盤的扭轉(zhuǎn)角度變化。
[0067] 模擬信號處理器，其連接所述扭矩傳感器，接收所述扭矩傳感器采集的數(shù)據(jù)信息， 并對數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，濾波和放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息發(fā)送出去；
[0068]數(shù)據(jù)處理器，其連接模擬信號處理器和校正傳感裝置，接收所述模擬信號處理器 和校正傳感裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，利用內(nèi)置算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。
[0069]射頻發(fā)射器，其連接數(shù)據(jù)處理器，用于將校正后扭矩數(shù)據(jù)發(fā)送給無線接收終端。作 為一種優(yōu)選，選用基于CClllO的無線射頻發(fā)射電路;在定子電路中，扭矩信號被CClllO的接 收電路接收后，送給外圍的液晶模塊來實時顯示瞬時扭矩的大小和方向，并與上位機(jī)通訊。
[0070] 自供電電池系統(tǒng)，其通過傳動軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能為電池充電。
[0071] 自供電電池系統(tǒng)，包括：
[0072] 充電單元，其連接傳動軸輸出端，通過傳動軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能為電池充電；
[0073] 電池單元，其由多個電池模塊串聯(lián)；
[0074] 控制單元，其包括控制器和直流輸出電路，連接所述電池單元輸出端，通過控制器 來控制充電單元的充電電壓，并調(diào)節(jié)電池模塊的電壓大小，以得到不同電池容量的電池箱。 [0075] 一種重載車輛傳動軸扭矩檢測誤差校正方法，其特征在于，包括：
[0076] 步驟一：由應(yīng)變片式傳感器，檢測出傳動軸的扭矩，
[0077] Ma = G · Ip · Δ R/R · K · La，其單位為N.m;
[0078] 其中，G為傳動軸的剪切彈性模量，其為常數(shù)，Ip為與傳傳動軸材料相關(guān)的傳動軸 轉(zhuǎn)動慣量，其為常數(shù)，A R為應(yīng)變片形變前后電阻變化率，其單位為Ω，R為應(yīng)變片形變前電 阻，其單位為Ω，K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，其為常數(shù);La為應(yīng)變片式傳感器的兩卡環(huán)的距 離，其單位為m;
[0079]由校正傳感裝置，檢測出傳動軸的校正扭矩
[0080] Mp = G ·ΙΡ· At· Φ/Τ· Lp 其單位為 N.m;
[0081] 其中，G為傳動軸的剪切彈性模量，其為常數(shù)；Ip為與傳動軸材料相關(guān)的傳動軸轉(zhuǎn) 動慣量，其為常數(shù)，At為兩光電開關(guān)輸出光脈沖信號的相位差，其單位為 8，Φ為光電碼盤 的圓心角大小，其單位為弧度，T為光電開關(guān)輸出一個光脈沖信號對應(yīng)的脈寬，其單位為S; Le為兩光電碼盤之間的距離，其單位為m;
[0082]步驟二:計算校正后扭矩
[0083]
[0084]其中，Te為校正傳感器溫度，其單位為K。
[0085]盡管本發(fā)明的實施方案已公開如上，但其并不僅僅限于說明書和實施方式中所列 運用，它完全可以被適用于各種適合本發(fā)明的領(lǐng)域，對于熟悉本領(lǐng)域的人員而言，可容易地 實現(xiàn)另外的修改，因此在不背離權(quán)利要求及等同范圍所限定的一般概念下，本發(fā)明并不限 于特定的細(xì)節(jié)和這里示出與描述的圖例。
【主權(quán)項】
1. 一種重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，包括： 扭矩傳感器，其設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩； 校正傳感裝置，其設(shè)置在重載車輛傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩，作為檢測裝置的參 考校正數(shù)據(jù)； 模擬信號處理器，其連接所述扭矩傳感器，接收所述扭矩傳感器采集的數(shù)據(jù)信息，并對 數(shù)據(jù)信息進(jìn)行轉(zhuǎn)換，濾波和放大后轉(zhuǎn)換為數(shù)字信息發(fā)送出去； 數(shù)據(jù)處理器，其連接模擬信號處理器和校正傳感裝置，接收所述模擬信號處理器和校 正傳感裝置發(fā)送的數(shù)據(jù)信息，利用內(nèi)置算法對數(shù)據(jù)進(jìn)行校正。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，所述扭矩傳感器 采用應(yīng)變片式傳感器。3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，所述校正傳感裝 置，包括： 光電傳感器，其設(shè)置在傳動軸上，用于檢測傳動軸扭矩； 脈沖信號處理器，其用于將光電傳感器檢測到的光脈沖信號傳換成電信號后輸出。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，所述光電傳感 器，包括： 光電碼盤，其數(shù)量為兩個，中間具有圓孔，平行套設(shè)固定在傳動軸上，并與所述傳動軸 同軸安裝，能夠隨傳動軸旋轉(zhuǎn)； 光電開關(guān)，其數(shù)量為兩個，設(shè)置在所述光電碼盤頂部，用于檢測光電碼盤旋轉(zhuǎn)位置，并 W光脈沖信號的形式輸出。5. 根據(jù)權(quán)利要求4所述的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，所述光電碼盤具 有多個均勻分布的扇形通光孔和擋光孔，所述通光孔和擋光孔對應(yīng)的圓屯、角相同。6. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，還包括射頻發(fā)射 器，其連接所述數(shù)據(jù)處理器，用于將校正后扭矩數(shù)據(jù)發(fā)送給無線接收終端。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，還包括自供電電 池系統(tǒng)，其通過傳動軸旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生的動能為電池充電。8. 根據(jù)權(quán)利要求7所述的重載車輛傳動軸扭矩檢測裝置，其特征在于，所述自供電電池 系統(tǒng)，包括： 充電單元，其連接傳動軸輸出端； 電池單元，其由多個電池模塊串聯(lián)； 控制單元，其包括控制器和直流輸出電路，連接所述電池單元輸出端，通過控制器來控 制充電單元的充電電壓，并調(diào)節(jié)電池模塊的電壓大小，W得到不同電池容量的電池箱。9. 一種重載車輛傳動軸扭矩檢測誤差校正方法，其特征在于，包括： 步驟一：由應(yīng)變片式傳感器，檢測出傳動軸的扭矩 Ma = G · Ip · Δ R/R · κ · La 其中，G為傳動軸的剪切彈性模量，Ip為與傳動軸材料相關(guān)的常量，Δ R為應(yīng)變片形變前 后電阻變化率，R為應(yīng)變片形變前電阻，K為應(yīng)變片的靈敏度系數(shù)，La為應(yīng)變片式傳感器的兩 卡環(huán)的距離； 由校正傳感裝置，檢測出傳動軸的校正扭矩 Me二G · Ip · Δ t · Φ /Τ · Le 其中，G為傳動軸的剪切彈性模量，Ip為與傳動軸材料相關(guān)的常量，Δ t為兩光電開關(guān)輸 出光脈沖信號的相位差，Φ為光電碼盤的圓屯、角大小，T為光電開關(guān)輸出一個光脈沖信號對 應(yīng)的脈寬;Le為兩光電碼盤之間的距離； 步驟二:計算校正后扭矩 /1/ = 0.39()1〇.0024. M"] + 0.996. + 2.45. + 化695_| exp [0.0068(7； - 298) 其中，Τβ為松正傳感器溫度。
【文檔編號】G01L5/00GK105841865SQ201610311215
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2016年5月11日
【發(fā)明人】衛(wèi)振彪, 牛占軍, 黃永生, 盧曉兵, 余正根, 宋咸斌, 鄭坤鵬
【申請人】中國人民解放軍裝甲兵技術(shù)學(xué)院