专利名称：光电式扭矩传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种力矩测量传感装置，特别是用于高精度伺服系统的转矩在线测量。
背景技术：
英国卢卡斯(Lucas)公司于1992年生产的汽车电动助力转向系统(EPS，Electric Power Steering)专用光电式转矩传感器，具有电磁兼容性好、抗干扰能力强等特点，该传感器的结构如
图1所示，主要由扭杆(6)、光源(4)与光电转换器(1)和(1’)等组成，码盘(2)和(3)分别固定在壳体上，在每个码盘上均有沿圆周方向的两圈导光孔和遮光区，如图2a和图2b所示，二者交替布置，码盘(2)上的两圈透光孔相差一个相位角(图2a)，码盘(3)上的两圈透光孔相位相同(图2b)，来自光源(4)的光线穿过码盘(3)和码盘(2)的两圈透光孔，分别投射到光电转换器(1)和(1’)上。码盘(2)和(3)上两圈透光孔的重叠度随扭杆(6)两端的相对转角而变化，因而由光电转换器(1)和(1’)转换成的输出电压也随之变化。该传感器存在如下问题其一，两个码盘的安装精度要求很高，容易形成非单值误差；其二，扭杆长期使用会产生塑性变形，造成初值误差；其三，光电转换器固定在扭杆上，其信号线要通过机壳送出，导致扭杆旋转角不能太大(720度以下)，否则会被拉断；其四，该传感器的精度约为10％，如此低的精度难以提高电动助力转向系统(EPS)系统的控制水平。
发明内容
本实用新型提供一种结构简单、成本低廉、测量精度高的光电式扭矩传感器，特别是用于高精度伺服系统的转矩在线测量。本实用新型的技术方案一种光电式扭矩传感器，主要包括扭杆、光源、导光板、码盘、光电转换器、数据处理器以及固定连接部件，光源采用一个聚光灯泡或激光器，固定在机壳上，导光板上刻有三个导光孔，置于光源的两侧，固定在机壳上，码盘上刻有三圈透光孔，置于导光板的外侧并固定在扭杆两端，随扭杆旋转，光电传感器置于码盘外侧并固定在机壳上。码盘的透光孔由内到外分别是零位道、内道、外道，其中零位道由4个扇形透光孔正交分布，内道由480线小扇形透光孔等距均匀分布，外道由920线微扇形透光孔等距均匀分布，三者的初始相位相同。导光板的导光孔由内到外分别为零位孔，内道孔，外道孔，三者形状和面积分别与码盘透光孔对应位置的扇形相同，且三者中心线重合。数据处理器采用ECU16bit芯片进行数字处理，通过软件分频技术提高测量精度，测量精度为0.1％。扭杆旋转圈数完全不受限制，转矩测量范围大。
本发明与现有技术相比，具有以下优点采用数字式光电脉冲计数测量，比采用透光面积测量更容易提高精度，由判断光强大小变为只需判断光束有无，降低了对光电传感器分辨率的要求，从而降低了成本；其次，通过产生的两个脉冲的差值来测量，无需精确安装，降低了安装成本；再次，本发明无需利用相位差值，可完全避免长期使用引起扭杆塑性变形所造成的误差，这是现有技术所无法避免的，另外，通过软件分频可以进一步提高测量精度，并且可根据测量范围，选用相应刚度的扭杆(包括软刚性扭杆和弹簧扭杆)；两个码盘固定在扭杆上，随扭杆旋转，其它装置全部固定在机壳上，避免了绕线问题，扭杆旋转圈数不受限制，可用于静态扭矩测量和动态扭矩测量。
以下结合附图和实施例对本实用新型进一步说明。
图1为现有的一种光电式转矩传感器的结构示意图。
图2a为
图1码盘(2)的结构图。
图2b为
图1码盘(3)的结构图。
图3为码盘结构示意图。图中6.零位道孔，7.内道孔，8.外道孔，9.盘体。
图4为本实用新型总体结构的示意图。图中1.输入轴，2.输入端花键，3.输入端轴承，4(4’).光电转换器，5(5’).码盘，6(6’).导光板，7.光源，8.软刚性扭杆(或弹簧扭杆)，9.壳体，10.输出轴，11.输出端花键，12.输出端轴承。
具体实施方式
实施例一种光电式扭矩传感器(如图4所示)，输入轴(1)通过输入端轴承(2)装在壳体(9)的一端，输出轴(10)通过输出端轴承(12)装在壳体(9)的另一端，扭杆(8)通过输入端花键(2)和输出端花键(11)分别与输入轴(1)及输出轴(10)一端的花键槽配合连接，装在壳体(9)中，光源(7)采用一个聚光灯泡或激光器，固定在壳体(9)上；导光板(6)(6’)刻有三个导光孔，由内到外分别为零位孔，内道孔，外道孔，三者形状和面积分别与码盘透光孔对应位置的扇形相同，且三者中心线重合，导光板置于光源(7)的两侧，固定在壳体(9)上；码盘(5)(5’)刻有三圈透光孔，置于导光板(6)(6’)的外侧并固定在扭杆(8)两端，随扭杆旋转；光电转换器(4)(4’)置于码盘(5)(5’)外侧并固定在壳体(9)上。码盘(5)(5’)的透光孔(如图3所示)由内到外分别是零位道、内道、外道，其中零位道由4个扇形透光孔正交分布，内道由480线小扇形透光孔等距均匀分布，其单孔宽度为零位孔的1/2，外道由920线微扇形透光孔等距均匀分布，其单孔宽度为内道孔的1/2，三者的初始相位相同，本发明的工作原理分静态和动态两种工作方式，1.静态测量方式时，光源(7)透过导光板(6)(6’)形成三道光束，扭杆(8)输入端静止，码盘(5)静止，光束透过码盘(5)照射在光电转换器(4)上形成的脉冲数为0；输出端因为扭力产生微小变形，码盘(5’)有微小转动，光束通过旋转的码盘(5’)照射在光电转换器(4’)上形成三条脉冲曲线，计算外道脉冲数，乘以外道分辨率得出码盘(5)相对于码盘(5’)旋转的角度，即扭杆输入端相对输出端的旋转角度，该角度和扭杆(8)所受扭矩呈线性关系，通过函数关系可以计算出扭矩。2.动态测量方式时，光源(7)透过导光板(6)(6’)形成三道光束，，码盘(5)(5’)都随扭杆(8)旋转，光束透过码盘(5)(5’)照射在光电转换器(4)(4’)上形成各自的脉冲曲线，但由于扭矩产生扭杆两端相对转动，造成两边的脉冲数不同，两个脉冲数的差值乘以分辨率，得出码盘(5)相对码盘(5’)旋转的角度，同理可以计算出扭矩。
权利要求1.一种光电式扭矩传感器，输入轴(1)通过输入端轴承(2)装在壳体(9)的一端，输出轴(10)通过输出端轴承(12)装在壳体(9)的另一端，扭杆(8)通过输入端花键(2)和输出端花键(11)分别与输入轴(1)及输出轴(10)一端的花键槽配合连接，装在壳体(9)中，光源(7)采用一个聚光灯泡或激光器，固定在壳体(9)上，其特征是，导光板置于光源(7)的两侧，固定在壳体(9)上，码盘(5)(5’)刻有三圈透光孔，置于导光板(6)(6’)的外侧并固定在扭杆(8)两端，光电转换器(4)(4’)置于码盘(5)(5’)外侧并固定在壳体(9)上。
2.据权利要求1所述的光电式扭矩传感器，其特征是，码盘(5)(5’)的透光孔由内到外分别是零位道、内道、外道，其中零位道由4个扇形透光孔正交分布，内道由480线小扇形透光孔等距均匀分布，其单孔宽度为零位孔的1/2，外道由920线微扇形透光孔等距均匀分布，其单孔宽度为内道孔的1/2，三者的初始相位相同。
3.据权利要求1所述的光电式扭矩传感器，其特征是，导光板(6)(6’)上有3个导光孔，其形状和面积分别与码盘透光孔对应位置的扇形相同，且3个导光孔的中心线重合。
专利摘要本实用新型公开了一种结构简单、测量精度高的光电式扭矩传感器，特别是用于高精度伺服系统的转矩在线测量，它包括扭杆、光源、码盘、导光板、光电传感器、以及固定连接部件，光源(7)采用聚光灯泡或激光器，固定在壳体(9)上，导光板(6)(6’)置于光源(7)的两侧，固定在壳体(9)上，码盘(5)(5’)刻有三圈透光孔，置于导光板(6)(6’)的外侧并固定在扭杆(8)两端，随扭杆旋转，光电转换器(4)(4’)置于码盘(5)(5’)外侧并固定在壳体(9)上，码盘(5)(5’)的透光孔由内到外分别是零位道、内道、外道，其中零位道由4个扇形透光孔正交分布，内道由480线小扇形透光孔等距均匀分布，其单孔宽度为零位孔的1/2，外道由920线微扇形透光孔等距均匀分布，其单孔宽度为内道孔的1/2，三者的初始相位相同。
文档编号B60P3/00GK2755582SQ20042006822
公开日2006年2月1日 申请日期2004年7月26日 优先权日2004年7月26日
发明者周云山, 薛殿伦, 李凡, 刘杰 申请人:周云山