用于检测变速器轴转矩的激光传感器和方法

专利名称：用于检测变速器轴转矩的激光传感器和方法
技术领域：
本发明涉及一种用于通过测量沿着轴传输的光的至少一个属性的 变化确定由该轴传输的转矩来无接触测量动力传输旋转轴中的扭转 (torsional )应力的传感器或设备， 一个这样的例子是变速器的输入 或输出轴。
背景技术：
当将转矩施加到轴时，沿着轴的表面方向的压力和拉力的螺旋线 施加应力。用于测量轴中转矩的各种方法是已知的。 一个方法是将张 力仪结合到轴的外表面且张力仪位于交叉结构中。张力仪用作为电阻 电桥电路的元件，当轴扭转地扭绞(twist)时，这些元件沿着它们的 长度测量轴表面中的压力和拉力。当使用张力仪作为传感元件时，实 现旋转轴中的转矩测量是有挑战的，因为张力仪必须需要与其它离轴 电子装置在电气上对接。离轴电子装置是执行电阻电桥测量所必须的， 以便检测和量化由轴的扭转扭绞所导致的拉力和压力，如所传输的轴 转矩所表示的。轴中所传输的转矩还可以通过测量两个齿轮之间的角位移来确 定，所述两个齿轮沿着轴的旋转轴以末端间隔关系安装在轴上。使用 该方法，相间隔的齿轮的角位移表示齿轮之间轴长度上的扭绞角，扭 绞角表示沿着轴传输的转矩。
发明内容
'本发明涉及一种非接触传感器或设备，用于测量通过拉长的动力 传输构件所传输的、或在变速器内、或在车辆动力传动系统内的其它地方的即时转矩或扭转应力/张力，所述构件例如是旋转轴，比如(例 如)将发动机与车辆变速器可驱动耦合的轴。根据所公开的本发明， 旋转轴在轴的第一部分和轴的第二部分之间的部分轴长度中具有一个 空腔。提供光源将沿着空腔中的测量光路的偏振光从轴的第 一部分发 射到轴的第二部分。偏振滤光镜被提供并固定在轴的第二部分中的空 腔中。偏振滤光镜可操作用于改变偏振光束中光的角偏振。提供测量 设备来检测由偏振滤光镜引入的光路中偏振角度的变化。当转矩由轴传输时，传输的转矩引起围绕轴的旋转轴的在轴中的弹性扭绞。轴的 扭转扭绞导致偏振滤光镜相对于偏振光束的偏振方向的角旋转，并由此导致穿过偏振滤光镜的光的偏振角度的变化。这个偏振角度的变化 被检测并表示在轴中传输的转矩，提供了计算轴中的所传输转矩的基 础，如将在后面的部分中更全面讨论的。根据本发明的一个方面，光源是激光源，该光源包括光偏振滤光 镜，用于提供相干的单波长偏振光束以沿着测量光路传输。根据本发明的另一个方面，转矩传感器设备包括分束器，配置为 将来自光源的光束分成两个光束， 一个光束跟随测量光路且一个光束 跟随参考光路。分束器提供参考光路，该参考光路具有由来自光源的 光的角偏振所确定的角偏振。在本发明的这个方面中，测量设备检测 偏振角度的变化，以作为参考光路的角偏振与偏振滤光镜之后的光的 角偏振中所检测的差异。所检测的角偏振的差异表示轴中的扭转扭绞 以及因此由轴传输的转矩。根据本发明的另 一个方面，转矩传感器设备中的光源是激光源， 该激光源包括用于使由光源发射的光偏振的第二光偏振滤光镜。光源 位于轴的外部而不是在轴的空腔内。来自第二偏振滤光镜的偏振光被 定向以通过轴的第 一部分中的入口孔进入到轴空腔。入口孔延伸穿过 轴的空腔和外表面之间的轴的壁。转矩传感器设备还包括第 一反射元 件，该第一反射元件固定在轴空腔的第一部分内且配置为在一个方面 重定向来自入口孔的偏振光，以便截取在轴空腔的第二部分的空腔中 提供的偏振滤光镜。第二反射元件也固定在轴空腔内且配复为重定向 离开空腔中偏振滤光镜的偏振光通过轴中的出口孔而离开4i。测量设 备位于轴的外侧且^皮对准以检测通过出口孔发射的偏振光。入口孔和 出口孔在轴上对准以当轴位于轴旋转的至少一个角位置时，允许来自安装在轴外部的光源的光重定向通过空腔并到达测量设备。根据本发明的另 一方面，第 一反射元件包括第 一反射元件安装于 其中的第一金属管。类似地，第二反射元件包括第二反射元件安装于 其中的第二金属管。第一和第二金属管被设置大小并适于固定到轴空腔内的轴。根据本发明的另一方面，轴空腔是穿过轴的一端的轴向钻孔的一 部分，轴向钻孔提供对空腔的访问以{更通过轴的末端钻孔来安.装第一 反射元件和第二反射元件。根据本发明的另一方面，第一反射元件包括第一反射表面，配置 为沿着轴空腔的长度反射将偏振光从入口孔重定向到轴空腔中偏振滤 光镜。第二反射元件包括第二反射表面，配置为重定向来自空腔中的 偏振滤光镜的偏振光以便通过反射而穿过轴中的出口孔离开轴空腔。根据本发明的另一方面，第一和第二反射元件的反射表面是基本 平坦的反射表面。根据本发明的另一方面，第一和第二反射元件反射表面均是锥形 反射表面。根据本发明的另一方面，在光源和第二偏振滤光镜之后且在分束 器之前提供和定位半波片。半波片的效杲是测量设备在检测轴转矩中 的灵敏度增倍，如将在后面全面阐述的。根据本发明的另 一 方面，离开位于轴空腔中的偏振滤光镜的光的 偏振角度的变化导致离开轴的出口孔且到达测量设备的光的强度的变 化 在本发明的这个方面，测量设备被配置为并适于检测和利用光强 度的变化来确定从轴出口孔到达测量设备的光的偏振角度的变化。此 外，测量设备被配置为检测参考光路中光强度的变化并根据所测量的 参考光路强度的变化来校正来自轴出口孔的所测量的光强度，以抵消 由光源发射的光强度的变化。此外，公开了一种方法，用于根据本发明的前述设备来测量由轴 传输的转矩，如将在后面全面阐述的。当结合附图时，从随后最佳实施本发明的方式的详细描迷中可以 清楚得知本发明的上述特征和优点以及其它特征和优点。


附图示出了当前优选的本发明的形式；但是，本发明不限于附图 中精确的布置。图1说明与本发明 一致的应用于测量所传输的轴转矩的激光转矩 传感器的一个实施例的示意侧视图，描绘了固定在钻孔中的反射元件 以及激光转矩传感器的其它部件；图2说明与本发明一致的应用于测量所传输的轴转矩的激光转矩 传感器的另 一个实施例的示意截面图；图3说明与本发明 一致的应用于测量所传输的轴转矩的激光转矩 传感器的又一个实施例的示意截面图，其中反射元件适于允许使用轴 中的多个入口和出口孑L。图4说明与本发明一致的还包括半波片的图2的激光转矩传感器的示意图，用于有效地使转矩传感器的灵敏度增倍；图5说明与本发明一致的切入图3的轴的示意截面图(不具有反射 元件)，描绘光入口孔或光出口孔的一个布置；图6说明与本发明的至少一个实施例一致的曲线图，该曲线图描绘 在光检测器/传感器所接收的规格化光强度和轴扭绞角之间的一般关 系，该关系是由当测量路径中的偏振光穿过轴空腔中的偏振滤光镜时 该偏振光强度的衰减所引起的；图7a是装备有用于转矩测量的本发明的特征的轴的示意性说明， 这里被描绘以支持轴扭绞角和所传输转矩之间的数学关系的讨论；图7b是沿着图7A的轴的B-B的横截面示意性说明，其中只有轴壁被 示出以清楚地标记在圆柱形轴截面的惯性力矩的计算中使用的参数， 以便将扭'绞角与所传输的转矩关联；和图8描绘与本发明 一致的轴中所传输转矩的非接触测量方法。
具体实施方式
图l说明应用于测量即时转矩或由旋转轴12所传输的扭转应力/张 力的激光转矩传感器10的 一个实施例的示意侧视图。根据所公开的本 发明，旋转轴12在轴12的第一部分20和轴12的第二部分22^间的部分 轴长度中具有一个空腔14。在所说明的实施例中，空腔14是轴12中的 轴向钻孔62的一部分。激光转矩传感器10还包括第一反射元件38和第 二反射元件42,它们都固定在轴12的空腔14中。反射元件38、 42可穿过在轴12的第一端66上提供的钻孔62的开口而安装在轴12的空腔14 中。在轴12的第一部分20处将第一反射元件38固定在空腔14中，而在 轴12的第二部分22处将第二反射元件42固定在空腔14中，其中第二部 分22与第一部分20间隔某定义的距离。轴12包括在轴12的第一部分20 中的光入口孔16和在轴12的第二部分22中的光出口孔18。每个孔16、 18从轴12的外表面70延伸到轴12的空腔14。在图l中说明的实施例中， 第一反射元件38和第二反射元件42都通常具有"C"形外壳。使用"C" 形外壳对于图l的示例实施例是特定的且不限制的。反射元件38、 42可 包括任何形状的外壳或可替换地根本没有外壳，只要反射元件38、 42 可固定到空腔14内的轴12。第一反射元件38的"C"形外壳固定在空腔 14内，且"C，，的开口68与轴12的光入口孔16对准。类似地，第二反射 元件42的"C"形外壳固定在空腔14内，且"C，，的开口72与光出口孔 18对准。激光转矩传感器10包括沿着第一光路30发射光的光源24。在图l 中，光源24固定在轴12附近并与之分开使得轴H自由地围绕旋转轴48 旋转而与光源24无关。激光转矩传感器包括位于光源24附近的偏振滤 光镜26。在光源24的某些实施例中，偏振滤光镜26可以作为光源24的 一部分被包括。偏振滤光镜26被定位以截取由光源24发射的第一光路 30并且沿着第一光路30的偏振部分74在第一偏振轴28的角方向上对离 开偏振滤光镜26的光进行偏振。激光转矩传感器10还包括分束器32， 比如(对于一个非限制例子)具有部分反射类镜面涂层的光透明平板。 分束器32适于把在分束器32上入射的规定百分比的光透射到第一测量 光路34中并且基本上把剩余百分比的入射光沿着参考光路36反射。第 一测量光路34朝着轴12定位和定向以便通过轴12围绕旋转轴48旋转而 可与入口孔16对准，其中第一测量光路34通过光入口孔16进入空腔14。 轴12的第一部分20中，第一反射元件38包括第一反射表面40,被配置 为将第一测量光路34中的偏振光反射到第二测量光路46,第二测量光 路46沿着与轴12的旋转轴48基本平行的方向中的空腔14的长度定向， 以便冲击在轴12的第二部分22中固定的第二反射元件42的第/=1反射表 面44。激光转矩传感器10还包括位于轴12的第二部分22中并且固定到 第二反射元件42的"C"形外壳的偏振滤光镜5乙并且，"C"形外壳 对于图l所示的示例实施例是特定的并且不是限制的，如之前所讨论的。偏振滤光镜5 2被定位以在第二测量光路4 6中的偏振光到达第二反 射表面44之前截取它。当偏振滤光镜52固定到第二反射元件42时，第 二反射元件42又固定在轴12的第二部分42内，偏振滤光镜52由此限制 为在与轴12的第二部分22相一致地旋转。偏振滤光镜52具有第二偏振 轴54,它通过第二偏振轴54来对穿过偏振滤光镜52的第二测量光路46 中的光进行偏振。第二反射表面44被配置为将由偏振滤光镜52偏振的 光沿着第三测量光路50反射，并穿过光出口孔18离开轴12。出口孔18 被定位并配置为通过围绕旋转轴48旋转轴12将第三测量光路50与测量 i殳备56的测量光传感部分76对准。出口孔18和入口孔16相协作地对准， 使得当入口孔16被旋转对准以允许第 一测量光路34中的光进入入口孔 16时，则还使出口孔18对准以允许第三测量光路50中的光到达测量设 备56的测量光传感部分76，使得光可以完成从光源24通过轴空腔14到 测量设备56的测量电路。类似地，来自参考光路36的光冲击测量设备 56的参考光传感部分78 。测量设备56被定位以接收来自第三测量光路 50的光并检测第三测量光路50和参考光路36之间的光偏振角度的差 异。由轴12传输的转矩导致轴12的角扭绞，其导致第三测量光路50中 光的偏振角度的变化，该变化由第二偏振滤光镜52的偏振轴54的角对 准所引入。测量设备56将轴12中的扭转扭绞检测为参考光路36与第三 测量光路50之间的偏振角度的差异。这个偏振角度的变化直接与由轴 12传输的转矩有关，如将在本申请的后面部分详细讨论的。根据所测 量的偏振角度的差异确定的所测量的转矩被输出，以作为电子测量信 号80。电子测量信号80可以是任意以下项表示转矩的数字电子信号， 表示转矩的模拟电压信号，表示转矩的模拟电流信号，以及其它本领 域技术人员已知的其它信号输出类型。通过例如模拟或数字转矩指示 器82转矩信号能以人可读形式呈现，或作为到车载发送机管理或变速 器管理计算机的输入而被提供，以及作为到其它设备或对本领域技术 人员已知的其它用途的输入被提供。光源24优选地是激光光源。将理解的是，空腔14可以只占据轴12—部分的长度，空腔14在轴 12内提供空间以容纳反射元件38、 42。此外，在所说明的实一施例以及 其它实施例中，在空腔14的轴12中的呈现必须减少空腔14周围的轴12 的材料横截面，使得轴的空腔部分14更容易受扭转扭绞影响并由此提 高了轴转矩测量的精确度和灵敏度。图2示出应用于空心轴的图1的激光转矩传感器的部件的示意图， 其中空腔114完全延伸穿过轴112的长度。如图1所示，激光转矩传感器 110包括光源24、偏振滤光镜26、分束器32、光入口孔116、光出口孔 118、固定在轴112的第一部分120内的第一反射元件38、固定在轴112 的第二部分122内的第二反射元件42、偏振滤光镜52、和配置为将测量 的转矩信号8 0作为输出提供的测量设备56 。图2提供了第二偏振滤光镜 52的优选安装的更好说明，第二偏振滤光镜52在轴的第二部分122内紧 接地固定在第二反射元件42的反射表面44之前。测量设备56被配置为 基本上测量在轴的第一部分120和第二部分122之间长度L上的轴112的 扭转扭绞。该测量的角扭绞被转换为轴转矩测量，如在本申请后面所 讨论的。除上面注意的，激光转矩传感器110的操作与图1中给出的之前激光转矩传感器讨论相同。图3说明应用于测量轴212中传输的转矩的激光转矩传感器210的 又一个实施例的示意横截图，其中反射元件238、 242分别具有光反射 表面84、 86。反射元件238 、 242可以由塑料或金属材料制成。在一个 实施例中，光反射表面84、 86可以是加工、形成或布置在反射元件238、 242上的锥形表面。在另一个实施例中，反射表面84、 86均由两个有角 度的平面表面构成，当从图3描绘的一侧看去，所述平面表面具有三角 形剖面。在又另一个实施例中，反射表面84、"均由四个有角度的平 面表面构成，所述平面表面形成棱锥形并具有图3所示的侧面剖面。在 所有情况中，反射表面84、 86相对于轴212的旋转轴248基本上成45度 角，使得第一测量光路234和反射的第二测量光路246之间的角度6 l基 本是90度。相同的角度关系还存在于第二测量光路246和第三测量光路 250之间。如之前图2所讨论的，测量的轴212的角扭绞出现在轴212的 第一部分220和第二部分222之间的长度L上。如图1和2所讨论的，激光 转矩传感器210包括光源24、偏振滤光镜26、分束器32、光入口孔216， 217、光出口孔218， 219、偏振滤光镜252和配置为并适于将测量的转 矩信号80作为输出提供的测量设备56。当轴212具有一对相应的光入口 /出口孔216、 218,或具有两对相应的相对的光入口/出口孔(216， 217 ) 和(218， 219)时，使用具有三角形剖面的反射表面84、 86是尤其有 用的。类似地，当轴212具有达四对光入口/出口孔(未示出一)时，使的，其中在围绕轴212圓周径向隔开90度的位置上提供邻近的孔对。当 反射表面84、 86是锥形时，它们适于在具有任何数量的入口孔(未示 出)和出口孑L (未示出)的轴中使用。图4说明图2的激光转矩传感器110的示意图，还包括位于偏振滤光 镜26和分束器32之间的半波片64。半波片64有效地使测量设备56对长 度L上轴112中的角扭绞的检测的灵敏度增倍。可以说明如下。在图2的 激光转矩传感器110中，6r度的在长度L上的轴的扭转的角扭绞(参看 图7A)导致6T度的参考光路336和第三测量光路350之间偏振角度的差 异。假若偏振滤光镜26和分束器32之间的半波片64具有如此效果，即 0T度的在长度L上的轴112的扭转的角扭绞现在导致2 6t度的参考光路 336和第三测量光路350之间偏振角度的差异，则使轴的实际角扭绞精 确地成倍。半波片64可以如上所讨论地被包括在本发明的任何激光转 矩传感器实施例中，以提高转矩测量灵敏度。除上面注意的，图4的激 光转矩传感器110的操作与图1中给出的之前激光转矩传感器讨论相 同。尽管图3只描述两个入口孔216、 217和两个出口孔218、 219，还应 该理解，预期并在某些情况下有利的是，具有在轴212的圆周周围的带 中定位多个入口和出口孔。例如图5说明切入图3的轴212的示意横截 图，描绘了具有在轴212的圆周周围分布的四个孔88的一个示例布置， 其中所说明的径向围绕轴212的孔88位置表示光入口和光出口孔的角 位置。如上所提到的，使用多对光入口和出口孔被认为是有利的。例 如，当轴212处于轴旋转四个旋转位置中的任何一个时，使用四对孔允 许光被传导通过轴212,由此允许轴扭绞角的四个测量在轴212的每个完整旋转中被执行。图6是曲线图，该曲线图说明穿过偏振滤光镜52 (参看图l)的光 的扭绞角6T(参看图7A)和规格化强度之间的一般关系。在图6中假设， 当扭绞角0T是O度时，则测量光路34、 36 (参看图l)中的光偏振匹配 偏振滤光镜52 (参看图l)的偏振轴54 (参看图l)。图7a说明-90到0 度的扭绞角范围，尽管可以理解，扭绞角的符号表示转头巨的方向，其 可以是正的或负的。扭绞角的大小表示根据以上提供的方程式施加的 转矩的无符号大小。应当理解，对于正的扭绞角，扭绞角相对于规格 化强度曲线与图6中所示的一般曲线相同，关于扭绞角=0的轴是镜像的。图7A和7B用于进一步说明在轴412中由所施加的转矩T所引入的扭 绞角，以及扭绞角6T和所施加的转矩T之间的关系。这个关系的理解对 于转换所测量的轴扭绞角是重要的，以便达到施加到轴的转矩。图7A 和7B中的轴412具有至少两个间隔的孔88，比如在之前各种实施例中所 讨论的光入口和出口孔。在图7A中，孔88也可作为光入口或光出口孔 来操作。为了便于讨论概念，轴412的一端被描绘为连接到地90以便在 将转矩T施加到轴412的相对端时阻止旋转。转矩T在间隔的孔88之间的 轴的圓柱段中产生轴412中的扭转扭绞。每个孔88具有描绘为92， 94的 轴，延伸穿过孔88的中心并且与轴412的旋转轴448相交。在图7A中， 轴94还被变换或复制到所施加转矩T附近的孔88以作为轴194,以便于 与轴94进行角比较。在图7A所示的实施例中，当没有转矩施加到轴412 时，轴194和94之间的扭绞角为0。当转矩T以增加的大小被施加到轴412 时，扭绞角0T与所施加的转矩成比例增加。按下面的方程式，所观察的扭绞角6r(如下等式l中示出为6 )与 刚性模量G、光入口/出口孔之间的距离L、圆柱形轴截面的惯性力矩J 以及所施加转矩T有关。g 一 frX丄) (1)对于圆柱形轴截面，惯性力矩给出为(2)2其中rB和ri在图7B中定义，ri是钻孔或空腔4M的内半径，并且r。是从轴 的外表面470到轴的中心测量的轴412的外半径。接着，转矩按照以下方程式与轴扭绞角6T有关再次参考图l和7a。当不施加转矩到轴(图7a所讨论和说明的转矩) 时，光路34、 46、 50和36的偏振都相同。在将转矩施加到图1的轴12时， 转矩在长度L (图7A所示)上引入轴12中的角扭绞，引入在第三测量光 路50中的偏振角的变化。这个偏振角的变化是图l的转矩测量传感器配 置中的6T或者等于当如图4中所述存在半波片64时的2 6t。该信息结合图6的图表，得到用于间接检测在图1所示的第三测量 光路50和参考光路36之间的角偏振的变化的可替换方法。图6说明了 了 ，穿过偏振滤光镜52的光的规格化强度随着扭绞角绝对大小的增加 而减小。在图1中，如上讨论的，扭绞角精确地等于第三测量光路50和 参考光路3 6之间的角偏振的变化。图6的曲线图提供了指明到达测量设 备56的光强度如何随着轴扭绞角绝对大小的增加而减小。使用这种知 识，测量设备56可以可替换地被配置为通过测量沿着第三测量光路50 的光强度的变化来间接地而不是直接地测量轴的角扭绞或偏振角的变 化。在该配置中，测量设备56监控参考光路36中的光强度并根据参考 光路36中的强度变化来补偿所检测的第三测量光路50中的光强度，以 便抵消光源2 4所发射的光强度的变化。图8描绘了与本发明 一致的一种非接触测量轴中传输的转矩的方 法。该方法开始于块802,提供发射偏振光束的光源。偏振光源优选的 是激光源。该方法在框804继续，从由光源发射的偏振光束分出参考光 束。在框806,沿着轴的长度定向偏振光束。在框808，沿着轴传输的 光的角偏振根据轴的扭转扭绞而变化。在框810，相对于参考光束测量 由轴的扭转扭绞而引起的偏转角度变化。在框812，接着根据所测量的 偏振变化来确定转矩。尽管已经详细描述用于执行本发明的最佳实施方式，熟悉本发明 所涉及的领域的人将认识到，在所附权利要求的范围内有各种用于实 施本发明的可替换设计和实施例。
权利要求
1.一种测量轴中转矩的方法，包括引起偏振光进入相对于所述轴定位的光偏振滤光镜的一侧并离开所述光偏振滤光镜的相对侧；和测量所述光在进入和离开所述光偏振滤光镜之间的至少一个属性变化，由此确定所述轴中的转矩。
2. 权利要求l的方法，其中在所述引起之后，该方法还包括通过 所述光偏振滤光镜相对于所述轴中的所述转矩来改变所述光的偏振。
3. 权利要求2的方法，其中所述测量是如下来实施的 测量由所述改变引起的所述光的偏振变化；和 根据所述偏振变化来确定轴转矩。
4. 权利要求2的方法，其中 在所述引起之后，该方法还包括提供表示进入所述光偏振滤光镜的光强度的参考光束；并且 其中所述测量是如下来实施的 测量离开所述光偏振滤光镜的光强度； 测量所述参考光束的强度；根据所述参考光束的所述测量的强度来补偿离开光偏振滤光镜的 所述测量的光强度；和根据所述补偿的强度来确定轴转矩。
5. —种测量所传输转矩的设备，包括用于传输转矩的轴，所述轴的一部分在所述轴的第 一部分和所述 轴的第二部分之间延伸；光源，沿着测量光路从所述第一部分向所述第二部分发射偏振光；相对于所述轴的所述第二部分固定的偏振滤光镜，所述偏振滤光 镜可操作用于改变一部分所述测量光路中光的偏振角度；测量设备，适于测量偏振角度的所述变化；其中由所述轴传输的转矩产生所述轴的扭绞，所述扭绞在所述偏 振滤光镜中产生角旋转，导致偏振角的所述变化；并且其中所述测量设备被配置为根据所述测量的偏振角度的变化来确 定所述传输的转矩。
6. 权利要求5的设备，还包括分束器，配置为提供参考光路，该参考光路从所述光源发射的所 述偏振光的一部分分出，所述参考光路的角偏振由来自所述光源的光的角偏振确定；其中所述测量设备测量所述偏振角度的变化，以作为所述参考光 路与所述偏振滤光镜之后的所述测量光路中所述光的角偏振之间的差 异。
7. 权利要求6的设备，其中所述轴具有空腔； 其中所述光源是位于所述轴外部的激光光源； 其中在离开所述分束器后的所述测量光路被定向以通过所述轴的所述第一部分中的入口孔进入到所述空腔； 所述设备还包括第一反射元件，该第一反射元件固定在所述空腔的第一部分内且 配置为在一个方向重定向来自所述入口孔的所述测量光路，以便截取 在所述空腔的所述第二部分的所述偏振滤光镜；和第二反射元件，该第二反射元件固定在所述空腔内且配置为重定 向离开所述偏振滤光镜的偏振光以便穿过所述轴中的出口孔而离开所 述轴；其中所述入口孔和所述出口孔#:对准以当所述轴位于旋转的至少 一个角位置时，允许来自所述光源的光重定向穿过所述空腔并到达所 述测量设备。
8. 权利要求7的设备，其中所迷第 一反射元件包括所述第 一反射元件安装于其中的第 一金属管；其中所述第二反射元件包括所述第二反射元件安装于其中的第二金属管；并且其中所述第一和第二金属管被设置大小并适于固定到所述空腔内 的所述轴。
9. 权利要求8的设备，其中所述空腔被形成为穿过所述轴的一端的轴向钻孔并至少部分地延 伸穿过所述轴的轴向长度，所述轴向钻孔提供对所述空腔的访问以便 安装所述第一反射元件和所述第二反射元件。
10. 权利要求7的设备，其中所述第 一反射元件包括第 一反射表面，配置为执行进入所述入口孔的所述测量光路的所述重定向；并且其中所述第二反射元件包括第二反射表面，配置为执行穿过所述 出口孔离开所述轴的所述测量光路的所述重定向。
11. 权利要求10的设备，其中所述第一反射表面是至少一个基本平坦的表面；并且 所述第二反射表面是至少一个基本平坦的表面。
12. 权利要求10的设备，其中所述第一反射表面是锥形反射表面；并且 所述第二反射表面是锥形反射表面。
13. 权利要求10的设备，还包括 半波片，位于所述光源和所述分束器之间； 其中所述测量的偏振角度的变化等于在所述轴的所述第一部分和所述第二部分之间的所述轴的角扭绞角度的两倍，所述半波片使所述 测量设备在检测所述轴转矩中的灵敏度增倍。
14. 权利要求10的设备，其中其中所述偏振角度的变化产生离开所述出口孔的光强度的变化， 所述光强度的变化由所述测量设备检测且用于确定所述偏振角度的变 化；并且其中根据所述参考光路中光强度的变化来校正所述检测的光强度 的变化，所述参考光路中光强度的变化表示由所述光源发射的光强度 的变化。
15. —种测量传输轴中的所传输转矩的设备，包括 用于传输转矩的拉长的轴，具有在所述轴至少一部分中的空腔，所述轴具有至少一个光入口孔和至少一个光出口孔，所述第一和第二 孔沿着所述轴的旋转轴间隔开，所述孔从所述轴的外表面延伸到所述 空腔中；沿着第 一光路发射光的光源，所述光源固定到所述轴附近并与所 述轴分开；第一偏振滤光镜，被定位以截取所述的一光路并具有第一偏振轴， 所述第 一 偏振滤光镜位于所述光源和所述轴之间；位于在所述第一光路中的分束器，所述分束器将所述第一光路分成第一测量光路和参考光路，所述第一测量光路朝着所述轴定位和定 向以便通过所述轴的旋转与所述入口孔中的所述至少一个对准，其中 所述第一测量光路穿过所述至少一个入口孔进入所述空腔，其中所述参考光路中的光偏振由所述第一测量光路中的光偏振确定；第一反射元件，固定在所述空腔内的所述轴并且具有第一反射表 面，所述第一反射表面被配置为将所述第一测量光路反射到第二测量 光路，所述第二测量光路沿着与所述轴的所述旋转轴平行的所述空腔 的长度被定向；第二反射元件，固定在所述轴的所述第二部分中的所述空腔内的 所述轴并且具有第二反射表面，所述第二反射表面被配置为将所述第 二测量光路反射到第三测量光路，所述第三测量光路被定向以穿过所 述至少一个出口孔中的至少一个而离开所述空腔；具有第二偏振轴的第二偏振滤光镜，所述第二偏振滤光镜被定位以截取和偏振所述第二测量光路中的光，所述第二偏振滤光镜在所述 空腔的所述第二部分中固定在所述第一反射元件和所述第二反射元件 之间的所述第二反射元件附近，其中所述第二偏振滤光镜固定到所述 轴以便一致的与所述轴的所述第二部分旋转；测量设备，被定位以接收来自所述参考光路和来自所述第三测量 光路的光，所述测量设备被配置和适于检测所述第三测量光路和所述 参考光路之间偏振角度的差异；其中由所述轴传输的转矩在所述轴的所述第一部分和所述第二部 分之间产生所述轴中的角扭绞，所述角扭绞改变所述第三测量光路中 的光相对于所述参考光路的所述偏振角度；其中所述检测的偏振角度的差异表示可确定所述轴转矩的所述轴 中的转矩。
16. 权利要求15的用于测量所传输转矩的设备，其中所述光源是 激光光源。
17. 权利要求16的用于测量所传输转矩的设备，还包括 半波片，位于所述第一偏振滤光镜和所述分束器之间并截取所述第一光路中的光；其中在所述第三测量光路和所述参考光路之间的偏振角i异是所述轴的所述第 一部分和所述第二部分之间所述轴的角扭绞角度的两倍；并且其中所述半波片使所述测量设备在确定所述轴转矩中的灵敏度增倍。
18. 权利要求16的用于测量所传输转矩的设备，其中 所述偏振角度的差异产生由所述第二偏振滤光镜传输的光强度的变化，所述光强度的变化由所述测量设备检测；并且其中根据所述参考光路中的光强度的变化来校正所述第三测量光 路中的光强度，所述参考光路中光强度的所述变化表示由所述光源发 射的光强度的变化。
19. 一种测量由轴传输的转矩的方法，包括 提供发射偏振光束的光源；沿着所述轴的长度定向所述偏振光束；根据所述轴的扭转扭绞来改变所述光束沿着所述轴的所述长度的 角偏振；测量所述偏振中的角度变化； 根据所述测量的偏振变化来确定所述转矩。
20. 权利要求19的方法，其中在所述变化期间，通过使所述偏振光束穿过偏振滤光镜来改变所 述光束的所述角偏振，所述偏振滤光镜固定在所述轴的一部分以便与 所述轴的所述部分旋转；并且其中在所述测量期间，所述偏振的角度变化是在所述偏振滤光镜 之后的所述光束中测量的。
全文摘要
这里提供了一种非接触转矩传感器设备或方法，用于测量通过拉长的动力传输构件所传输的即时转矩或扭转应力/张力，所述构件例如是旋转轴。偏振光沿着轴空腔中的测量光路被定向，其中它截取偏振滤光镜。偏振滤光镜可操作用于根据轴的扭转扭绞来改变光的偏振角度。测量设备测量光的偏振角度的变化以获得轴的扭绞角。接着根据扭绞角来计算轴转矩。
文档编号G01L3/00GK101236114SQ20081000223
公开日2008年8月6日 申请日期2008年1月2日 优先权日2007年1月3日
发明者A·查卡里, H·瓦哈布扎德 申请人:通用汽车环球科技运作公司