专利名称：光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及测量装置，特别是涉及一种光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置。
背景技术：
曾用于测量各种类型机械的转动轴的功率的方法中，一大部分是依赖于在转动轴 上贴附应变片的方式。而应变片信号的传递方式主要有滑环和遥测的方法等。滑环可以保 证在轴转动时，应变片信号不间断的传递到采集电路中。而遥测的方法需要在转轴上安装 一种通过转动电池提供电力的发射器，发射器将应变片的电流变化通过无线信号传递到采 集电子线路中。目前一些较新的系统采用了霍尔传感器。这一方案一般是在转动轴上相距一定距 离处安装两个大齿轮来拾取信号。在两个大齿轮上的测量敏感处分别设置了两个霍尔效应 传感器，在轴转动过程中两个霍尔器件能输出相同宽度的脉冲。当轴被施加负载后，两个脉 冲之间的相位差会发生变化。可以通过检测两路脉冲之间的相位差来计算受载轴的扭转中华人民共和国专利局公布的CN1162990A号专利公开了一个利用激光光纤和激 光检测器检测转轴扭矩的系统。它是在转动轴上相距适当距离处分别安装两个转动码盘。 一束激光通过光纤照射到第一个码盘上，然后被与第一个码盘对应的光调制器接收并调制 成激光脉冲，再通过光纤传输照射到第二个码盘上，经过第二个码盘后被第二个激光传感 器接收转变成电脉冲信号，这时的电脉冲宽度代表了两个码盘之间的相位差。当转动轴被 加上负载后，最终输出的电脉冲宽度会增加，通过这一相位差就可以计算出转轴扭转的角 度，从而可以计算出转动轴在加上负载后的扭矩。上述的第一个系统，为了获得有效精度，必须保证两个传感器的触发点不产生漂 移，而随着使用时间和/或温度的变化，有可能使两个传感器的触发点彼此之间发生漂移， 而且两者甚至可能是朝相反的方向。第二个系统虽说采用单检测器来测量单一光源发出的 激光信号，某种程度上能减小两个检测器可能出现的触发点漂移，但是单检测器自身触发 点随温度漂移的变化是无法进行补偿的，因而就无法完全消除这一系统误差。另外，第二个 系统中采用了光调制结构，这种通过将光调制成脉冲信号再输出的方法，也会存在一定的 延时，因为给系统引入一定大小的无法消除的系统误差。从这几点上来说，两种扭矩测量系 统都无法克服检测器自身的特性变化而导致的触发点漂移。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是为了克服测量中两光电开关的触发点随时间和/ 或温度变化出现漂移的问题，提供一种光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，该装置 能够完全消除光电开关的触发点产生的漂移对检测结果的影响。本发明解决其技术问题采用以下的技术方案本发明提供的光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，主要由控制器、计算机、光电 码盘和光电开关组成，其中光电码盘至少有两个，它们装在被测转动轴上，每个光电码盘 对应一个光电开关和设有多个均勻分布的通光孔及挡光板；计算机通过串行数据线与控制 器的输出接口相连，控制器的测量信号输入端通过导线分别与各个光电开关相连；所有光 电开关输出的信号在控制器中经过逻辑计算和处理后被传输到计算机。每个光电码盘上的通光孔和挡光板，其对应的圆心角完全相同。光电码盘上的通光孔为扇形孔。本发明提供的上述光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，其用途是采用光 电技术来测量被测转动轴的扭转角度，测量依据全部为逻辑量，具体是在被测转动轴转动 过程中，用至少两个光电开关检测同样数量的光电码盘扫过对应的光电开关时输出的方波 信号，通过检测两路方波之间的相位差来测量被测转动轴发生扭转变形的角度信号，该角 度信号在控制器中经过逻辑计算和处理后，由计算机计算被测转动轴的扭矩和功率。该装置测量过程不与被测转动轴发生接触，不影响该轴的正常工作。该装置能同时测量同一被测转动轴系上多段的扭矩变化情况。该装置同时测量几个不同被测转动轴系上的扭矩和功率变化情况。本发明可以采用以下方法进行逻辑计算通过将光电码盘上对应的通光孔产生的 方波脉冲信号在现场可编程门阵列(FPGA)器件中亦或运算后得到相位差脉冲信号，然后通 过一定频率的计数器对相位差脉冲的宽度进行计数，将相位差转换为数字量存储。本发明在被测量转动轴上安装两个光电码盘，在被测量转动轴转动过程中，用两 个光电开关检测两个光电码盘扫过对应的光电开关时输出的方波信号，通过检测这两路方 波之间的相位差来测量转动轴发生扭转变形的角度，从而计算被测量轴的扭矩和功率。本发明与现有技术相比具有以下主要的优点
1.与被转动测轴不接触，并能长时间在线测量轴扭矩获取的方式上采用了光电码盘 结合光电开关的方式，在轴转动过程中能够获取轴上任意一段或整个轴的扭矩，甚至通过 引入多个光电码盘还可以获取整个轴的扭矩分布情况。整个测量过程不与被测量轴系发生 接触，不影响轴系正常转动工作，便于长时间在线测量应用。2.能抑制测量环境产生的偏差在扭矩计算上，通过控制器中逻辑电路计算能够 消除光电开关随时间和/或温度出现的触发点漂移的现象，保证系统长期工作的稳定性， 这一优点是之前的一些专利中采用单一光源和单一光敏电子检测器无法达到的。3.安装方便光电码盘在轴上随轴一起转动，光电开关固定在安装架上不动，这 两者的安装和检测不受到轴上的障碍物的影响，因此可以在最适宜的距离上测量整个轴的 转动扭矩和功率。采用这种方法就能将更多的轴承和隔板设置在轴上，而不受测量的影响。4.应用广能够用于同时测量一个轴系上多段的扭矩和功率变化，或者同时测量 几个不同轴系的扭矩和功率变化情况。5.具有精度高和持久稳定性的性能。被测量转动轴的扭转角度测量精度可达到 0. 001度，能用于长期船舶轴系轴功率的在线监测。
图1是本发明光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置的结构示意图。
图2是被测量轴上安装的光电码盘示意图。图3是两光电开关输出脉冲信号间的相位差示意图。图4是光电开关输出脉冲边沿漂移后的逻辑关系示意图。图5是多个光电码盘应用于轴扭矩测量示意图。图中1.被测转动轴；2.第一光电码盘；3.第一通光孔；4.第二光电码盘； 5.第二通光孔；6.第一光电开关；7.第二光电开关；8.轴承；9.第一导线；10.第二导 线；11.控制器；12.计算机；13.显示器；14. IXD显示屏；15.挡光板；16.第三光电码 盘；17.第四光电码盘；18.第五光电码盘；19.第六光电码盘。
具体实施例方式本发明提出的光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，其采用的是在被测转动 轴上适当距离处安装两个齿轮盘或光电编码盘，在被测转动轴转动过程中两光电码盘分别 扫过与之对应的高速光电开关产生电脉冲输出。当被测转动轴加上负载以后，该转动轴扭 转加剧，两齿轮盘之间会发生微小的相对扭转。通过检测两个光电编码器输出的两路脉冲 之间的相位差就能计算出被测转动轴的扭转角度。当计算出这一角度以后，在转速也被测 量得到或已知的时候，就能计算出所述转动轴的扭矩和功率。本发明还给出了一种对两路脉冲的逻辑计算方法，通过该方法能够完全消除光电 开关的触发点随温度等环境因素而产生漂移对检测结果的影响。下面结合实施例和附图对本发明作进一步说明，但不限定本发明的内容。本发明提供的光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，其结构如图1所示，该 装置主要由控制器11、计算机12、光电码盘和光电开关组成，其中光电码盘有多个，它们 装在被测转动轴1上。每个光电码盘设有一个光电开关和多个均勻分布的通光孔。计算机 12通过数据线与控制器11的输出接口相连，实现数据的通信和控制信号的传输，控制器11 的测量信号输入端通过导线分别与各个光电开关相连。几路光电开关输出的信号在控制器 11中经过逻辑计算和处理后被传输到计算机12。所述光电码盘，本实施例给出了两个，其中第一光电码盘2和第二光电码盘4分 别与之对应的是第一光电开关6和第二光电开关7。当光电码盘随着被测转动轴1转动的 时候，光电码盘上的叶片会周期性的遮挡和打开光电开关上光电检测器与发光二极管之间 的光路，对应的光电开关的输出是同周期的低电平和高电平的脉冲。计算过程中采用的是 光电开关高电平输出的部分，因此，在光电码盘的通光孔的设计上我们采取了不同于以往 的特殊设计。所述第一光电码盘2和第二光电码盘4，其结构如图2所示两个光电码盘采用的 是对称式设计，即光电码盘上的第一通光孔3和挡光板15对应的圆心角是完全相同的。这 样在光电码盘扫过光电开关的时候输出的电脉冲信号是占空比为1 :1的方波脉冲。正脉冲 或负脉冲都能够作为扭矩检测的信号来采用，以具体应用情况而定。光电开关可以根据安 装方便的原则安装在光电码盘圆周的任意位置，只要保证光电码盘的叶片扫过光电开关时 能完全遮挡住光信号就行。另外需要保证在安装两组或多组光电码盘和光电二极管系统的 时候，各个光电二极管在各个光电码盘的圆周上所处的位置尽可能相同，保持检测时的一 致性。
两个光电码盘上的每个通光孔必须设计成扇形结构。由于测量过程中被测转动轴 1的转动的角速度是一定的，不论光电开关的光路在通光孔的哪一段导通，导通的时间只与 该通光孔对应的圆心角相关。因此，通光孔设计过程中，一定保证每个扇形的圆心与被测转 动轴1的圆心重合，这样光电开关输出的脉冲宽度就与轴转动的角速度成正比。而每个通 光孔对应的圆心角可以根据测量精度的需要来确定，只要保证在被测转动轴的转速最大的 情况下，通光孔对应的圆心角输出的光电脉冲宽度仍然能满足扭转角度测量的精度要求， 这样的圆心角大小就是合适的。本发明采用两个光电码盘和光电开关的组合来检测扭转角度，而与扭转角度相关 的信息均包含在光电开关输出的两路脉冲信号之间。在逻辑电路中，可以对两路脉冲信号 采取一定的逻辑计算，从而消除两路脉冲中存在的因为环境温度和时间导致的光电开关触 发点漂移的现象。最后的测量结果首先被数字化，然后可以在计算机中进行存储和处理，并 且在计算机上实时显示当前的扭矩值以及扭矩随时间变化的趋势曲线。本发明采用两个光电码盘和光电开关的结构进行扭矩测量还具有另一个优势。由 于需要将两个光电码盘安装在被测转动轴1上适当的距离才能保证测量的精度，然而，一 般在大型被测转动轴上会存在类似于图1中轴承8—类的障碍物，如果采用激光等方法只 能通过光纤才能跨越这些障碍物。采用光电码盘和光电开关结合的方法对被测转动轴的扭 矩和功率检测就不会受到被测转动轴上这些障碍物的影响，可以将光电码盘安装在被测转 动轴上任何合适的地方。所述被测转动轴1，其为该轴扭矩和功率测量系统所要测量的对象。上述光电码盘，其结构同现有技术，例如用与测量电动机转速的光栅编码器。但 是光栅编码器用输出的脉冲个数来测量电动机的转速，而这里所述的是通过两个这样的光 电码盘是用来测量轴发生扭转的角度。所述控制器11采用FPGA和微处理器组成逻辑计算和控制系统。其结构是FPGA 作为逻辑运算模块，获取被测量轴扭转的角度的数字量；微处理器将轴扭转的角度的数字 量采集后通过串行接口传输到计算机12。所述计算机12采用普通的台式计算机或者笔记本电脑，计算机12与控制器11通 过串行接口通信。所述第一光电开关6和第二光电开关7，由红外发光二极管和红外光电二极管组 成。均为高速光电开关，具有较高的响应频率和较短的上升时间。本发明的装置的工作过程是光电码盘扫过光电开关形成了亮/暗脉冲，分别对 应的光电开关输出是高/低电平脉冲。从原理上讲，亮暗信号之间只是逻辑相反的关系，所 以采用哪一种都可以用于扭转角度的计算。如前所述，设计中以亮脉冲为测量依据，也就是 光电开关输出的高电平脉冲。在被测转动轴1上未加负载时，第一光电码盘2和第二光电 码盘4上的对应的第一通光孔3和第二通光孔5分别扫过光电开关，产生了两路高电平的 脉冲输出。两路亮脉冲之间存在一个固定的相位差，可以将该相位差提前记录下来作为初 相位，设该初相位为t。当被测转动轴1上加上负载以后，由于该转动轴上发生扭转，此时第 一通光孔3和第二通光孔5之间发生了相对的偏移，光电开关输出的两路亮脉冲之间的相 位差也将发生变化，相位差值随负载的增加而增大，设此时增大的相位差为At。通过这一 相位差的变化，可以计算出两光电码盘之间扭转角度的变化，结合被测转动轴材料的弹性模量等物理参数就可以计算出转动轴在加负载以后扭矩的变化。这一原理如图3所示。当 加负载以后，第一光电开关6和第二光电开关7输出的两路脉冲之间的相位差的宽度将会 增大到t+At。本发明为了提取两码盘之间的相位差，从两个光电开关输出的脉冲信号被输入到 逻辑电路中，对两路信号进行异或运算，就能提取出他们之间的相位差。在被测转动轴旋转 的时候，逻辑电路输出的是一系列的脉冲，脉冲宽度代表了两个光电码盘之间的相位差。脉 冲波形如图4所示。图中对两个存在相位差的波形分别标注A和B，假设A、B分别表示图1 中第一光电开关6和第二光电开关7的输出波形。前面提到光电传感器会随温度和使用时间等发生变化，从而导致触发点发生漂 移。这一现象在只使用单个传感器的产品中是无法克服的，对于采用两个传感器的测量方 式，如果不进行补偿，很可能由于两个传感器出现的触发点漂移的方向不同而产生非常大 的误差。对于本发明中采用了两个光电传感器的设计而言，在设备工作进入稳定状态以后， 可以启动设计好的逻辑计算程序，对两传感器随时间和温度产生的触发点漂移进行补偿， 抵消两个传感器的漂移，使两个传感器输出的信号之间的相位差与稳定状态下吻合。光电 传感器触发点漂移抵消的原理如图4所示对于A、B两路信号之间的相位差，在未加负载之 前，代表测量系统的初始相位，在加负载以后，相位差的增量将用于计算转动轴上的扭转角 度大小。图4中A、B两路信号上的虚线信号代表每路信号上分别出现了一定的触发点漂移 现象，阴影部分代表漂移的大小，设A路信号出现了超前的漂移ΔΑ，Β路出现了滞后的漂移 ΔΒ。在未出现触发点漂移时，直接将A、B信号异或就得到了两路信号之间的相位差，图中 用A xor B (org)表示原始的相位差信号。而当出现触发点漂移后，直接异或以后得到的 两路信号之间的相位差就出现了误差，图中用A xor B (cur)表示当前的相位差信号。然 而，通过比较A、B之间未出现触发点漂移之前的与信号A and B (org)和A、B之间出现了 触发点漂移之后的与信号A and B (cur)可以发现，这两个信号之间的差正好是A、B两路 上出现的触发点漂移误差的代数差值。因此，在计算过程中，我们只需要在系统稳定工作的 时候事先记录下此时A、B两路信号之间相与后的结果作为系统稳定工作的一个参考量，在 后面无论多长的工作时间里，只要将当前A、B两路信号异或得到的相位差跟当前两路信号 相与的结果之和减去之前保存下来的A、B原始信号之间相与的结果，就能消除两个传感器 触发点漂移产生的误差，得到真实的相位差大小。本发明通过采用上述的逻辑计算方法，能克服以往相关设计中没有消除的传感器 触发点漂移产生的误差。该模块亦可应用于其他领域利用具有相关性的相同的两路传感器 测量其偏差的场合。按照图4，A、B两路信号一次异或计算产生两个相位差，可以对这两个相位差信号 平均后再做消除漂移的计算，以抑制随机误差。对每次获得的相位差信号可以通过一定频 率的计数器来进行量化，计数器频率越高，那么计算时的精度也越高，然而计算过程中的数 据长度也越长，所花的时间也就越长。可以根据系统误差情况，取定合适的计数器频率。轴 每转动一圈，将产生多个脉冲信号，可以对所获得的相位差求和，然后再按照适当的轴转动 圈数或是适当的时间间隔进行平均操作和更新处理，以消除测量过程中的随机噪声误差。光电码盘的齿数是一定的，所以轴每转动一圈光电开关输出的脉冲个数是一定的，通过一个定时器可以记录下被测转动轴每转动一圈而产生这些脉冲数所需的时间，从 而可以计算出当前被测转动轴旋转的转速，即RPM值。而通过选用较高精度的定时器就能 获得更高精度和分辨率的RPM值。测量过程中，先记录下未加负载时两路光电开关输出的相位差t，然后记录加上负 载后的相位差t+At，从而可以计算得到偏置量At。为了消除诸如振动等等周期性运动 产生的不准确因素，可以在每隔一定的轴的转动圈数对代表扭转角度的信号进行叠加求平 均。再根据之前测量出的RPM的平均值和有关轴的材料参数的知识，就可以计算出被测转 动轴上的扭矩和轴的功率。从光电开关输出的电脉冲信号通过第一导线9和第二导线10被引入到控制器11 中进行预处理，然后通过控制器11中的逻辑电路获取和计算出有负载时两码盘间相位差 的变化，并将计算结果通过串口传输到计算机12中。轴的转速、扭矩和功率等均可以以曲 线形式和数字形式实时显示在计算机12的显示器13和/或LCD显示屏14上，曲线可以反 映各个物理量随时间变化情况。本发明除了能够通过在被测转动轴上相隔一定距离安装两个光电码盘的方式来 测量整个被测转动轴的扭矩等物理量之外，它的另一个应用就是可以在被测转动轴上等距 离的设置多个光电码盘，如图5所示在被测转动轴1上安装了四个光电码盘，分别是第三 光电码盘16、第四光电码盘17、第五光电码盘18、第六光电码盘19。通过同样的方法逐段检 测每一段被测转动轴上的扭矩变化，从而获取被测转动轴上的扭矩分布情况，就能够分析 被测转动轴在承受负载情况下各段扭矩和功率等的变化情况，使测量和分析工作细化。这 一应用是以往的扭矩测量系统无法实现的。本发明最大的优点是，如在图1中，被测转动轴1扭矩获取的方式上采用了第一光 电码盘2和第二光电码盘4结合第一光电开关6和第二光电开关7的方式，能够获取被测 量转动轴上任意一段或整个轴的扭矩，甚至通过引入多个光电码盘还可以获取整个被测转 动轴上各段的扭矩分布情况；在扭矩计算上，通过控制器11中逻辑电路计算能够消除第一 光电开关6和第二光电开关7随时间和/或温度出现的触发点漂移的现象，可以保证系统 长期工作的稳定性；控制器设置有多个光电脉冲输入端口，实现多组相位差的同时采集和 计算，除了可以同时测量轴上多段的扭矩和功率外，还能够同时采集多个轴系的扭转角度 并计算多个轴的扭矩和功率，相比于应变片或钢弦一次只能测量一根轴系而言，具有节省 测量时间和人力的优势。
权利要求
1.一种光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，其特征是主要由控制器(11)、计算 机(12)、光电码盘和光电开关组成，其中光电码盘至少有两个，它们装在被测转动轴(1) 上，每个光电码盘对应一个光电开关和设有多个均勻分布的通光孔及挡光板；计算机(12) 通过串行数据线与控制器(11)的输出接口相连，控制器(11)的测量信号输入端通过导线 分别与各个光电开关相连；所有光电开关输出的信号在控制器(11)中经过逻辑计算和处 理后被传输到计算机(12)。
2.根据权利要求1所述的光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，其特征是每个光 电码盘上的通光孔和挡光板，其对应的圆心角完全相同。
3.根据权利要求2所述的光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，其特征是光电码 盘上的通光孔为扇形孔。
4.权利要求1至3中任一所述光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置的用途，其特 征是采用光电技术来测量被测转动轴的扭转角度，测量依据全部为逻辑量，具体是在被测 转动轴转动过程中，用至少两个光电开关检测同样数量的光电码盘扫过对应的光电开关时 输出的方波信号，通过检测两路方波之间的相位差来测量被测转动轴发生扭转变形的角度 信号，该角度信号在控制器(11)中经过逻辑计算和处理后，由计算机(12)计算被测转动轴 的扭矩和功率。
5.根据权利要求4所述的用途，其特征是该装置测量过程不与被测转动轴发生接触， 不影响该轴的正常工作。
6.根据权利要求4所述的用途，其特征是该装置能同时测量同一被测转动轴系上多段 的扭矩变化情况。
7.根据权利要求4所述的用途，其特征是该装置同时测量几个不同被测转动轴系上的 扭矩和功率变化情况。
8.根据权利要求4所述的用途，其特征是采用以下方法进行逻辑计算通过将光电码 盘上对应的通光孔产生的方波脉冲信号在现场可编程门阵列器件中亦或运算后得到相位 差脉冲信号，然后通过一定频率的计数器对相位差脉冲的宽度进行计数，将相位差转换为 数字量存储。
全文摘要
本发明涉及光电非接触式转动轴扭矩和功率测量装置，该装置主要由控制器(11)、计算机(12)、光电码盘和光电开关组成，其中光电码盘至少有两个，它们装在被测转动轴(1)上，每个光电码盘对应一个光电开关和设有多个均匀分布的通光孔及挡光板；计算机通过串行数据线与控制器的输出接口相连，控制器的测量信号输入端通过导线分别与各个光电开关相连；所有光电开关输出的信号在控制器中经过逻辑计算和处理后被传输到计算机，在显示器(13)或液晶屏(14)中显示扭矩和功率随时间变化的曲线。本发明能长时间在线测量，并与被测转动轴不接触；能抑制测量环境产生的偏差；安装方便，应用广，并且具有精度高和持久稳定性等优点。
文档编号G01L3/04GK102135460SQ201110008400
公开日2011年7月27日 申请日期2011年1月17日 优先权日2011年1月17日
发明者严新平, 周新聪, 杨琨 申请人:武汉理工大学