本發(fā)明涉及旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)扭矩測量領(lǐng)域，尤其涉及一種基于高精度鍵相的旋轉(zhuǎn)軸扭矩非接觸動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)。

背景技術(shù)：

目前，軸系動(dòng)態(tài)扭矩測量主要有以下幾種：

(1)電阻應(yīng)變片扭矩測量：將應(yīng)變片粘貼于被測軸系上，通過引電器連接到外部電路，通過測量電阻應(yīng)變片的電阻變化獲得軸系的扭矩信息，該測量是接觸式測量，存在測試改裝復(fù)雜、旋轉(zhuǎn)件信號(hào)傳輸困難、以及可靠性低等缺點(diǎn)，很難實(shí)現(xiàn)高速動(dòng)態(tài)扭矩測量。

(2)激光多普勒扭矩測量：利用激光傳感器根據(jù)多普勒效應(yīng)造成的發(fā)射光和反射光的頻率差測量被測軸轉(zhuǎn)速，測量一定距離的兩個(gè)截面的轉(zhuǎn)速差并通過計(jì)算得到扭轉(zhuǎn)角，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的測量，但存在分析計(jì)算誤差大、設(shè)備調(diào)試?yán)щy和受其他雜散光影響大等問題，在高速旋轉(zhuǎn)軸扭矩動(dòng)態(tài)測量中效果較差。

(3)光電編碼器扭矩測量：當(dāng)編碼器條紋掠過光電傳感器時(shí)，會(huì)產(chǎn)生相應(yīng)的脈沖信號(hào)，安裝兩個(gè)一定距離的編碼器，通過兩個(gè)脈沖信號(hào)的相位差及其與被測扭矩的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而實(shí)現(xiàn)扭矩的測量，但編碼器的質(zhì)量、安裝仍會(huì)改變?cè)S系動(dòng)平衡特性，大部分應(yīng)用現(xiàn)場不適用，此外編碼器要求轉(zhuǎn)軸徑向跳動(dòng)小。

(4)公開號(hào)為CN202329888U，公告日為2012年7月11日的“一種基于光纖的旋轉(zhuǎn)軸扭矩非接觸動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)”的實(shí)用新型專利中，記載了在旋轉(zhuǎn)軸上刻出條紋色標(biāo)，采用傳統(tǒng)瞬時(shí)角速度積分計(jì)算實(shí)時(shí)扭轉(zhuǎn)角的方案，但在持續(xù)測量中會(huì)產(chǎn)生不斷增加的累積誤差，同時(shí)采用多個(gè)傳感器測量，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，無法有效抑制光強(qiáng)變化、軸徑向跳動(dòng)、條紋反射率等造成的誤差。

實(shí)際應(yīng)用時(shí)，現(xiàn)場測試環(huán)境下，轉(zhuǎn)軸不可避免存在徑向跳動(dòng)，且不允許改裝或改變動(dòng)平衡特性，因此上述幾種測量方式都不適用。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明提供了一種基于高精度鍵相的旋轉(zhuǎn)軸扭矩非接觸動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，本發(fā)明解決了現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)扭矩測量在實(shí)際現(xiàn)場不適用的問題，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要，詳見下文描述：

一種基于高精度鍵相的旋轉(zhuǎn)軸扭矩非接觸動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，所述測量系統(tǒng)包括：在被測轉(zhuǎn)軸上固定距離處噴涂或粘貼一組第一編碼條紋，

所述第一編碼條紋為等間隔黑白相間的編碼條紋；并在其中任意一處第一編碼條紋的附近噴涂或粘貼第二編碼條紋，所述第二編碼條紋只有一個(gè)白條紋，所述第二編碼條紋用于作為鍵相信號(hào)；

正對(duì)每個(gè)編碼條紋，分別安裝光纖式定時(shí)傳感器，每個(gè)光纖式定時(shí)傳感器的探頭均安裝聚焦透鏡；所述聚焦透鏡使出射光準(zhǔn)直，光束直徑?。?/p>

所述第二編碼條紋對(duì)應(yīng)的光纖式定時(shí)傳感器作為同步鍵相使用；

所述光纖式定時(shí)傳感器接收白條紋的反射光信號(hào)，并輸出至信號(hào)處理電路，信號(hào)處理電路將反射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為定時(shí)脈沖，再經(jīng)過高速高精度定時(shí)采集卡輸入控制器進(jìn)行處理。

其中，所述鍵相信號(hào)為絕對(duì)位置標(biāo)記，基于圓周360°自然基準(zhǔn)，作為高精度鍵相基準(zhǔn)；

所述鍵相信號(hào)用于識(shí)別第一編碼條紋中白條紋的編號(hào)，還用于轉(zhuǎn)速測量。

其中，所述高速高精度定時(shí)采集卡以所述鍵相信號(hào)為起點(diǎn)對(duì)所有編碼條紋的脈沖信號(hào)進(jìn)行定時(shí)。

進(jìn)一步地，所述控制器取所述第一編碼條紋中的某一編碼白條紋或所有白條紋的扭轉(zhuǎn)角，并按被測轉(zhuǎn)軸的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，組成扭轉(zhuǎn)角序列；

對(duì)所述扭轉(zhuǎn)角序列進(jìn)行波形顯示或FFT分析，獲得扭矩動(dòng)態(tài)變化、以及頻率信息。

其中，所述光纖式定時(shí)傳感器采用Y型光纖束，中心光纖為發(fā)射光纖，緊密圍繞著M根接收光纖。

其中，所述高速高精度定時(shí)采集卡采用雙沿定時(shí)，即脈沖上升沿和下降沿分別定時(shí)；其定時(shí)計(jì)數(shù)采用溫補(bǔ)晶振或高速晶振；也可用FPGA實(shí)現(xiàn)雙沿定時(shí)。

為了提高接收效率，所述第一編碼條紋和/或所述第二編碼條紋的材料可以采用3M反光膜。

為了擴(kuò)大應(yīng)用的范圍，降低制造成本，所述控制器可以為：單片機(jī)、DSP、FPGA、或計(jì)算機(jī)。

本發(fā)明提供的技術(shù)方案的有益效果是：

1、基于圓周360°高精度鍵相基準(zhǔn)，以及增加的同步鍵相光纖傳感器，實(shí)現(xiàn)了對(duì)扭轉(zhuǎn)角直接測量，消除了傳統(tǒng)方式導(dǎo)致的累積誤差；

2、通過在光纖式定時(shí)傳感器中增加聚焦透鏡準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)，提高了探頭的工作距離，且使光斑大小不會(huì)因距離變化而變化，降低了定時(shí)誤差，現(xiàn)場安裝更方便、安全。

3、采用雙沿定時(shí)技術(shù)進(jìn)一步抑制白條紋反射率、以及光源波動(dòng)造成的幅值變化噪聲，提高了測量精度。

附圖說明

圖1為本發(fā)明提供的基于高精度鍵相的旋轉(zhuǎn)軸扭矩非接觸動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

其中，1為被測轉(zhuǎn)軸；2為第一編碼條紋；3為光纖式定時(shí)傳感器，其中第三個(gè)光纖式定時(shí)傳感器作為同步鍵相使用；4為信號(hào)處理電路；5為高速高精度定時(shí)采集卡；6為控制器；16為第二編碼條紋。

圖2為本發(fā)明提供的光纖式定時(shí)傳感器的結(jié)構(gòu)及連接方式；

其中，7為被測轉(zhuǎn)軸；8為聚焦透鏡；9為光電變換器；10為激光光源；11為電平觸發(fā)電路。

圖3為本發(fā)明提供的高速高精度定時(shí)的示意圖；

圖4為本發(fā)明提供的雙沿定時(shí)的示意圖。

其中，12、13代表電壓幅值變化，14和15分別指電平觸發(fā)后的數(shù)字脈沖信號(hào)。

具體實(shí)施方式

為使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案和優(yōu)點(diǎn)更加清楚，下面對(duì)本發(fā)明實(shí)施方式作進(jìn)一步地詳細(xì)描述。

實(shí)施例1

一種基于高精度鍵相的旋轉(zhuǎn)軸扭矩非接觸動(dòng)態(tài)測量系統(tǒng)，參見圖1和圖2，該測量系統(tǒng)包括：設(shè)置在被測轉(zhuǎn)軸1上的編碼條紋2，

其中，在被測轉(zhuǎn)軸1上固定距離處噴涂或粘貼一組第一編碼條紋2，該第一編碼條紋2為等間隔黑白相間的編碼條紋(即在被測轉(zhuǎn)軸1上存在2處黑白相間的第一編碼條紋2)；并在其中任意一處第一編碼條紋2的附近噴涂或粘貼第二編碼條紋16，該第二編碼條紋16只有一個(gè)白條紋(即該白條紋位于黑白相間的第一編碼條紋2附近，且僅有一個(gè)白條紋)，該第二編碼條紋16的白條紋用于作為鍵相信號(hào)。

正對(duì)每個(gè)編碼條紋(即一組第一編碼條紋2、以及第二編碼條紋16)，分別安裝光纖式定時(shí)傳感器3(共計(jì)3個(gè)光纖式定時(shí)傳感器3)，每個(gè)光纖式定時(shí)傳感器3的探頭均安裝聚焦透鏡8，聚焦透鏡8使出射光準(zhǔn)直，光束直徑??；第二編碼條紋16中的白條紋對(duì)應(yīng)的光纖式定時(shí)傳感器3作為同步鍵相使用。

當(dāng)探頭掃過被測轉(zhuǎn)軸1上的白條紋(包括第一編碼條紋2中的白條紋，也包括第二編碼條紋16中的白條紋)時(shí)，光纖式定時(shí)傳感器3接收白條紋的反射光信號(hào)，并輸出至信號(hào)處理電路4，信號(hào)處理電路4將反射光信號(hào)轉(zhuǎn)化為定時(shí)脈沖，再經(jīng)過高速高精度定時(shí)采集卡5輸入控制器6進(jìn)行處理。

鍵相信號(hào)(即第二編碼條紋16中的白條紋對(duì)應(yīng)的)為絕對(duì)位置標(biāo)記，基于圓周360°自然基準(zhǔn)，作為高精度鍵相基準(zhǔn)。其他條紋(即一組第一編碼條紋2中的白條紋)相對(duì)于鍵相信號(hào)的角度變化即表征扭矩的變化。同時(shí)鍵相信號(hào)用于識(shí)別第一編碼條紋2中白條紋的編號(hào)，還用于轉(zhuǎn)速測量。

參見圖3，高速高精度定時(shí)采集卡5采用高速高精度定時(shí)技術(shù)，以鍵相信號(hào)為起點(diǎn)對(duì)所有編碼條紋脈沖進(jìn)行定時(shí)。控制器6取第一編碼條紋2中的某一編碼白條紋或所有白條紋的扭轉(zhuǎn)角，并按被測轉(zhuǎn)軸1的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)，組成扭轉(zhuǎn)角序列。對(duì)扭轉(zhuǎn)角序列進(jìn)行波形顯示或FFT分析，可獲得扭矩動(dòng)態(tài)變化、頻率信息。

其中，扭轉(zhuǎn)角序列在采集時(shí)是時(shí)間序列，控制器6將其轉(zhuǎn)換成扭轉(zhuǎn)角序列，例如：所有第一編碼條紋2中的白條紋在第a圈的扭轉(zhuǎn)角序列為i為第一編碼條紋2中白條紋的編號(hào)，總數(shù)為N，那么整個(gè)的扭轉(zhuǎn)角序列應(yīng)該按被測轉(zhuǎn)軸1的旋轉(zhuǎn)圈順序，即a從小到大依次排列。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過上述設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)扭矩測量在實(shí)際現(xiàn)場不適用的問題，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要。

實(shí)施例2

下面結(jié)合圖1至圖4對(duì)實(shí)施例1中的方案進(jìn)行詳細(xì)論述，詳見下文描述：

本發(fā)明實(shí)施例采用光纖式定時(shí)傳感器3，見圖2，具有輕便柔軟，抗電磁兼容性好等優(yōu)點(diǎn)，適于現(xiàn)場應(yīng)用。有些現(xiàn)場環(huán)境為安全起見要求探頭工作距離(即探頭端面離軸的距離)大，設(shè)計(jì)聚焦準(zhǔn)直結(jié)構(gòu)。

光纖式定時(shí)傳感器3采用Y型光纖束，中心光纖為發(fā)射光纖，緊密圍繞著M根接收光纖，可精密圍繞1圈或2圈，一般取M＝6即滿足要求。

激光光源10通過發(fā)射光纖將激光傳輸并發(fā)射，經(jīng)聚焦透鏡8準(zhǔn)直出射。發(fā)射光纖芯徑取0.2μm，準(zhǔn)直出射后光束直徑小于0.5mm，且在1-20mm內(nèi)光束直徑基本不變，保證了在大范圍工作距離(20mm)內(nèi)保持精度一致。

接收光纖接收白條紋(包括第一編碼條紋2中的白條紋，也包括第二編碼條紋16中的白條紋)的反射光信號(hào)傳輸至信號(hào)處理電路4，送入光電變換器9轉(zhuǎn)化為電壓信號(hào)，然后通過電平觸發(fā)電路11將其轉(zhuǎn)換為數(shù)字脈沖信號(hào)。

在被測轉(zhuǎn)軸7上固定距離處噴涂或粘貼等間隔黑白相間的一組N條(其中，N為白色條紋的數(shù)量)第一編碼條紋2，取N＝40(本發(fā)明實(shí)施例對(duì)N的具體取值不做限制，僅以40為例進(jìn)行說明)，并在其中1處第一編碼條紋2附近合適位置噴涂或粘貼只有一個(gè)白條紋的第二編碼條紋16，作為鍵相信號(hào)。

具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，編碼條紋可以整周粘帖或噴涂，黏貼或噴涂的質(zhì)量可忽略，基本不影響原軸系平衡。

正對(duì)第一編碼條紋2、以及第二編碼條紋16，分別安裝光纖式定時(shí)傳感器3，光纖式定時(shí)傳感器3的探頭安裝聚焦透鏡8使出射光準(zhǔn)直，光束直徑小。

本發(fā)明實(shí)施例中的高速高精度定時(shí)采集卡5采用高速高精度定時(shí)技術(shù)，見圖3。以鍵相信號(hào)為起點(diǎn)對(duì)所有編碼條紋脈沖進(jìn)行定時(shí)。兩個(gè)光纖式定時(shí)傳感器3輸出的脈沖定時(shí)序列為{t₁(i)}，{t₂(i)}，i指第一編碼條紋2中白條紋的編號(hào)，總數(shù)為N。

鍵相信號(hào)轉(zhuǎn)速定時(shí)周期為T，當(dāng)被測轉(zhuǎn)軸1工作時(shí)，扭矩作用使兩個(gè)距離為L的光纖式定時(shí)傳感器3輸出的同一編號(hào)的白條紋脈沖信號(hào)(即，一組第一編碼條紋1中的白色條紋數(shù)量相同，并按照同樣的編號(hào)規(guī)則進(jìn)行編號(hào))會(huì)產(chǎn)生角度差(即扭轉(zhuǎn)角)：

軸系承載的實(shí)時(shí)扭矩(靜態(tài)扭矩或動(dòng)態(tài)扭矩)M_i可由下式求出：

其中，k為扭轉(zhuǎn)剛度。

取第一編碼條紋1中某一編碼的白條紋或所有白條紋的扭轉(zhuǎn)角，并按被測轉(zhuǎn)軸1的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)順序，組成扭轉(zhuǎn)角序列。對(duì)扭轉(zhuǎn)角序列進(jìn)行波形顯示或FFT分析，可獲得扭矩動(dòng)態(tài)變化、頻率信息。

公式1、2表明本發(fā)明實(shí)施例直接測量被測轉(zhuǎn)軸1每轉(zhuǎn)一圈所有白條紋到達(dá)光纖式定時(shí)傳感器3探頭的扭轉(zhuǎn)角，不存在積分的累積計(jì)算誤差。

光纖式定時(shí)傳感器3獲取的白條紋信號(hào)不可避免受到光源波動(dòng)及白條紋反射率不一致等影響，導(dǎo)致模擬電壓幅值發(fā)生變化(如12、13所示)，14和15分別指電平觸發(fā)后的數(shù)字脈沖信號(hào)。高速高精度定時(shí)采集卡5采用雙沿定時(shí)，脈沖上升沿和下降沿分別定時(shí)，取(t₁+t₄)/2，(t₂+t₃)/2，消除了幅值變化導(dǎo)致的t₁-t₂誤差。

由于鍵相信號(hào)基于360°的自然基準(zhǔn)，高速高精度定時(shí)采集卡5的定時(shí)計(jì)數(shù)采用溫補(bǔ)晶振或高速晶振，如96MHz，按轉(zhuǎn)速4200rpm(周期14.3ms)計(jì)算，理論上測角分辨力為0.000262°，測角精度達(dá)到0.002°，遠(yuǎn)高于實(shí)際扭矩測量所需的測量精度要求(0.02°)。

本發(fā)明實(shí)施例所述的高速高精度定時(shí)采集卡5，可用FPGA實(shí)現(xiàn)雙沿定時(shí)，使其進(jìn)一步提高定時(shí)精度，如圖4所示。

本發(fā)明實(shí)施例所述編碼條紋可采用3M反光膜材料制作，反射膜具有類似發(fā)射棱鏡效果，使更多的光能量原路返回至接收光纖，提高接收效率。

本發(fā)明實(shí)施例所述控制器6可以采用單片機(jī)、DSP、FPGA、計(jì)算機(jī)等平臺(tái)，具體實(shí)現(xiàn)時(shí)，本發(fā)明實(shí)施例對(duì)此不做限制。

綜上所述，本發(fā)明實(shí)施例通過上述設(shè)計(jì)解決了現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)軸動(dòng)態(tài)扭矩測量在實(shí)際現(xiàn)場不適用的問題，滿足了實(shí)際應(yīng)用中的多種需要。

本發(fā)明實(shí)施例對(duì)各器件的型號(hào)除做特殊說明的以外，其他器件的型號(hào)不做限制，只要能完成上述功能的器件均可。

本領(lǐng)域技術(shù)人員可以理解附圖只是一個(gè)優(yōu)選實(shí)施例的示意圖，上述本發(fā)明實(shí)施例序號(hào)僅僅為了描述，不代表實(shí)施例的優(yōu)劣。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)，所作的任何修改、等同替換、改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。