基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器及測量方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，包括殼體，殼體內(nèi)通過球軸承安裝有彈性傳動套，彈性傳動套中間為彈性環(huán)節(jié)，彈性環(huán)節(jié)的兩端各套設(shè)一個光電碼盤，2個光電碼盤的圓心角相等，殼體頂部固定有安裝座，安裝座中固定有光電傳感器A和光電傳感器B，光電傳感器A和光電傳感器B與2個光電碼盤相對設(shè)置；通過在彈性傳動套彈性環(huán)節(jié)兩邊設(shè)置兩個光電碼盤，由兩個光電傳感器分別獲取碼盤旋轉(zhuǎn)時的方波輸出信號，根據(jù)兩個碼盤輸出方波信號的相位差即可實現(xiàn)彈性傳動套扭轉(zhuǎn)變形和扭矩的測量。本發(fā)明解決了現(xiàn)有扭矩傳感器易受磁場、電場干擾影響測量精度的問題，測量原理簡單，抗干擾能力強，可實現(xiàn)傳動機構(gòu)高動態(tài)、高精度的扭矩測量。
【專利說明】基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器及測量方法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，本發(fā)明涉及一種基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，本發(fā)明還涉及該轉(zhuǎn)矩測量傳感器的測量方法。

【背景技術(shù)】
[0002]扭矩是機械傳動系統(tǒng)與設(shè)備運行過程中的一個重要機械量，目前，在機械傳動系統(tǒng)扭矩測量傳感器【技術(shù)領(lǐng)域】，實現(xiàn)扭矩測量的方法大致可分為以下幾種。
[0003](I)磁彈性扭矩傳感器:這種傳感器是利用鐵磁材料的壓磁效應(yīng)制作而成，其原理是在旋轉(zhuǎn)軸表面噴覆一層磁彈性材料，當旋轉(zhuǎn)軸受到扭矩作用時，表層的磁彈性材料由于壓磁效應(yīng)而誘發(fā)表面磁場發(fā)生相應(yīng)的變化，測量線圈中產(chǎn)生與扭矩成比例的感應(yīng)電勢，從而實現(xiàn)傳動軸扭矩的測量。磁彈性扭矩傳感器屬于非接觸式傳感器，結(jié)構(gòu)簡單，安裝方便，但對材料性能以及環(huán)境屏蔽要求較高。磁彈性扭矩傳感器國內(nèi)外均有大量研究報道。
[0004](2)轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器:轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器是利用轉(zhuǎn)角和扭矩關(guān)系的一種傳感器，日本學者利用激光反射光學原理研制了一種轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器，其原理是通過在旋轉(zhuǎn)軸的輸入、輸出端各設(shè)置一個反射鏡，當激光射入兩個反射鏡時，利用光學傳感器接收這兩路脈沖信號。當旋轉(zhuǎn)軸沒有扭轉(zhuǎn)變形時，兩路反射的信號沒有時間差，但是當旋轉(zhuǎn)軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，兩路反射信號就會產(chǎn)生一個與扭轉(zhuǎn)角成比例關(guān)系的時間差，因此根據(jù)兩路反射信號的時間差即可獲得旋轉(zhuǎn)軸扭矩。這種扭矩傳感器測試原理簡單，系統(tǒng)分辨率高，可以實現(xiàn)微小扭轉(zhuǎn)變形的測量，但測量裝置易受旋轉(zhuǎn)軸振動、鏡面反射角變化等因素的影響，使測試結(jié)果存在誤差，實用性較差。
[0005](3)磁電感應(yīng)式扭矩傳感器:磁電感應(yīng)式扭矩傳感器是國內(nèi)廣泛使用的扭矩測量傳感器，這種測量方法是在彈性軸的兩端安裝兩個信號齒輪，齒輪的上方各安裝一組由磁鋼線圈組成的磁電信號發(fā)生器。當信號齒輪隨彈性軸轉(zhuǎn)動時，信號齒輪的齒頂、齒谷交替周期性的轉(zhuǎn)過磁鋼的底部，線圈內(nèi)部的磁通量產(chǎn)生周期性的變化，使線圈中感生出近似正弦波的交流電信號，這兩組交流電信號的相位與安裝的相對位置及彈性軸所承受的扭矩大小和方向有關(guān)。當彈性軸沒有扭轉(zhuǎn)變形時，兩組交流電信號的相位差只與信號線圈及齒輪的初始安裝相位有關(guān)，當彈性軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，兩組交流電信號之間的相位差發(fā)生變化，在彈性變形范圍內(nèi)，相位差變化絕對值與扭矩大小成正比，從而通過檢測兩路信號相位差實現(xiàn)扭矩測量。齒輪磁電感應(yīng)式扭矩傳感器結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造難度大，造價高，同時電磁干擾影響較大，從而影響其測試的精度。
[0006](4)應(yīng)變式扭矩傳感器:電阻應(yīng)變式扭矩測量是一種普遍采用的扭矩檢測方法，其原理是基于傳遞扭矩的彈性元件在發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，其表面會產(chǎn)生與扭矩值對應(yīng)的彈性應(yīng)變，因此在傳動軸表面貼上應(yīng)變片，當傳動軸發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形時，應(yīng)變片電阻值會產(chǎn)生相應(yīng)變化，根據(jù)應(yīng)變片電阻值的變化即可實現(xiàn)應(yīng)變以及扭矩的測量。應(yīng)變式扭矩測量的關(guān)鍵是應(yīng)變電橋電源的輸入以及扭矩信號的輸出，信號傳輸可采用電感集流環(huán)、電容及電感集流環(huán)、無線電傳送等方式。應(yīng)變式扭矩傳感器原理簡單，結(jié)果可靠，但信號的傳輸相對比較復(fù)雜，使其實際應(yīng)用受到限制。
[0007]盡管扭矩傳感技術(shù)已經(jīng)獲得了快速的發(fā)展與應(yīng)用，但其中大部分測量原理都較為復(fù)雜，易受磁場、電場干擾，精度不高，從而使其在生產(chǎn)中難以得到有效的推廣應(yīng)用。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0008]本發(fā)明的目的在于提供一種基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，解決了現(xiàn)有扭矩傳感器易受磁場、電場干擾影響測量精度的問題。
[0009]本發(fā)明的另一個目的是提供該轉(zhuǎn)矩測量傳感器的測量方法。
[0010]本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，包括殼體，殼體內(nèi)通過球軸承安裝有彈性傳動套，彈性傳動套中間為彈性環(huán)節(jié)，彈性環(huán)節(jié)的兩端各套設(shè)一個光電碼盤，2個光電碼盤的圓心角相等，殼體頂部固定有安裝座，安裝座中固定有光電傳感器A和光電傳感器B,光電傳感器A和光電傳感器B與2個光電碼盤相對設(shè)置。
[0011]本發(fā)明的特點還在于，
[0012]球軸承通過兩端的軸承端蓋固定在殼體上。
[0013]彈性傳動套的兩端設(shè)置有連接孔和鍵槽，連接孔和鍵槽分別與傳動系統(tǒng)輸入輸出軸相連。
[0014]光電碼盤的齒和齒槽各占整個周期的一半。
[0015]光電傳感器A與光電傳感器B的周向相錯半個齒槽。
[0016]本發(fā)明所采用的另一技術(shù)方案是：基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器的測量方法，該方法基于轉(zhuǎn)矩測量傳感器，當旋轉(zhuǎn)的彈性傳動套受扭矩作用時，彈性環(huán)節(jié)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，從而造成2個光電碼盤周向相對位置發(fā)生變化,光電傳感器A和光電傳感器B輸出方波信號的扭轉(zhuǎn)變形相位差ti隨扭轉(zhuǎn)變形角的變化而變化，通過檢測扭轉(zhuǎn)變形相位差ti;完成彈性傳動套彈性環(huán)節(jié)扭轉(zhuǎn)變形角的測量，進而根據(jù)變形角與扭矩之間的關(guān)系計算出扭矩。
[0017]本發(fā)明的特點還在于，
[0018]具體包括以下步驟：
[0019]步驟1，根據(jù)兩路方波信號，計算光電傳感器A和光電傳感器B輸出方波信號的扭轉(zhuǎn)變形相位差\；
[0020]先對兩路光電信號進行邏輯乘法，即“與”運算，其結(jié)果為：
[0021]C = AAB (I)
[0022]然后將其結(jié)果與傳感器輸入端的光電信號進行邏輯“異或”運算，即
[0023]
? = C 0 A = (A λ B) ? A(2)
[0024]其中，A、B分別表不光電傳感器A和光電傳感器B的光電信號，Λ表不“與”運算，馨表示“異或”運算；
[0025]通過上述運算，獲得脈寬與扭轉(zhuǎn)變形相位差\相等的方波信號；
[0026]步驟2，計算每個周期的方波信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)角
[0027]假設(shè)光電碼盤的齒槽個數(shù)為N，則彈性傳動套旋轉(zhuǎn)一周輸出的方波信號周期數(shù)也為N，因此，每個周期的方波信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ τ為：

【權(quán)利要求】
1.基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，其特征在于，包括殼體（I)，所述殼體(I)內(nèi)通過球軸承（3)安裝有彈性傳動套（4)，所述彈性傳動套（4)中間為彈性環(huán)節(jié)（8)，所述彈性環(huán)節(jié)（8)的兩端各套設(shè)一個光電碼盤（10)，2個光電碼盤（10)的圓心角相等，所述殼體（I)頂部固定有安裝座（7)，所述安裝座（7)中固定有光電傳感器A(5)和光電傳感器B(6),所述光電傳感器A(5)和光電傳感器B(6)與2個光電碼盤（10)相對設(shè)置。
2.如權(quán)利要求1所述的基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，其特征在于，所述球軸承（3)通過兩端的軸承端蓋（2)固定在所述殼體（I)上。
3.如權(quán)利要求1所述的基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，其特征在于，所述彈性傳動套（4)的兩端設(shè)置有連接孔（9)和鍵槽（11)，所述連接孔（9)和鍵槽（11)分別與傳動系統(tǒng)輸入輸出軸相連。
4.如權(quán)利要求1所述的基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，其特征在于，所述光電碼盤（10)的齒（12)和齒槽（13)各占整個周期的一半。
5.如權(quán)利要求1所述的基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器，其特征在于，所述光電傳感器A (5)與光電傳感器B (6)的周向相錯半個齒槽。
6.基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器的測量方法，其特征在于，該方法基于轉(zhuǎn)矩測量傳感器，當旋轉(zhuǎn)的彈性傳動套（4)受扭矩作用時，彈性環(huán)節(jié)（8)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)變形，從而造成2個光電碼盤（10)周向相對位置發(fā)生變化,光電傳感器A (5)和光電傳感器B (6)輸出方波信號的扭轉(zhuǎn)變形相位差ti隨扭轉(zhuǎn)變形角的變化而變化，通過檢測扭轉(zhuǎn)變形相位差ti;完成彈性傳動套（4)彈性環(huán)節(jié)（8)扭轉(zhuǎn)變形角的測量，進而根據(jù)變形角與扭矩之間的關(guān)系計算出扭矩。
7.如權(quán)利要求6所述的基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器的測量方法，其特征在于，具體包括以下步驟： 步驟1，根據(jù)兩路方波信號，計算光電傳感器A(5)和光電傳感器B(6)輸出方波信號的扭轉(zhuǎn)變形相位差\； 先對兩路光電信號進行邏輯乘法，即“與”運算，其結(jié)果為： C = AAB (I) 然后將其結(jié)果與傳感器輸入端的光電信號進行邏輯“異或”運算，即
其中，A、B分別表不光電傳感器A(5)和光電傳感器B(6)的光電信號，Λ表不“與”運算，馨表示“異或”運算； 通過上述運算，獲得脈寬與扭轉(zhuǎn)變形相位差ti相等的方波信號； 步驟2，計算每個周期的方波信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)角 假設(shè)光電碼盤（10)的齒槽（13)個數(shù)為N，則彈性傳動套（4)旋轉(zhuǎn)一周輸出的方波信號周期數(shù)也為N，因此，每個周期的方波信號對應(yīng)的轉(zhuǎn)角θ τ為：
步驟3，計算扭轉(zhuǎn)變形角由于方波信號的周期T、初始相位差h以及扭轉(zhuǎn)變形相位差ti均隨彈性傳動套(4)的轉(zhuǎn)速η的變化而變化，故采用周期T將初始相位差h與扭轉(zhuǎn)變形相位差ti歸一化表示為:t0 = kT (4)tj = mT (5) 式中，k表示光電傳感器A(5)和光電傳感器B(6)初始相位差占整個周期的比值，m表示光電傳感器A(5)和光電傳感器B(6)扭轉(zhuǎn)變形后相位差占整個周期的比值， 由式⑷、(5)得到任意時刻彈性環(huán)節(jié)⑶的扭轉(zhuǎn)變形角Aej:
其中，Λ Θ i的正負表示扭轉(zhuǎn)變形的相對初始位置的方向，即扭轉(zhuǎn)的正負； 步驟4，計算扭矩 根據(jù)彈性傳動套(4)的扭轉(zhuǎn)變形角，可知傳動系統(tǒng)的扭矩Mn為:
Mn = K0A Θ j = K0 Θ T (m-k) (J) 式中，Ke表示彈性傳動套扭轉(zhuǎn)剛速度，單位為N.m/度。
8.如權(quán)利要求6所述的基于光電碼盤信號相位差的轉(zhuǎn)矩測量傳感器的測量方法，其特征在于，所述轉(zhuǎn)矩測量傳感器包括殼體(1)，所述殼體(1)內(nèi)通過球軸承(3)安裝有彈性傳動套(4)，所述球軸承(3)通過兩端的軸承端蓋(2)固定在所述殼體(1)上，所述彈性傳動套(4)的兩端設(shè)置有連接孔(9)和鍵槽(11)，所述連接孔(9)和鍵槽(11)分別與傳動系統(tǒng)輸入輸出軸相連，所述彈性傳動套(4)中間為彈性環(huán)節(jié)(8)，所述彈性環(huán)節(jié)(8)的兩端各套設(shè)一個光電碼盤(10)，所述光電碼盤(10)的齒(12)和齒槽(13)各占整個周期的一半，2個光電碼盤(10)的圓心角相等，所述殼體⑴頂部固定有安裝座(7)，所述安裝座(7)中固定有光電傳感器A (5)和光電傳感器B (6)，所述光電傳感器A (5)和光電傳感器B (6)與2個光電碼盤(10)相對設(shè)置，所述光電傳感器A(5)與光電傳感器B(6)的周向相錯半個齒槽。
【文檔編號】G01L3/12GK104198098SQ201410424451
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年8月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年8月26日
【發(fā)明者】鄭建明, 彭超, 石姣姣, 李昱, 宋艷超, 楊明順 申請人:西安理工大學