专利名称：双激光信号转矩传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于电控助力转向领域，具体涉及一种用于电控助力转向系统中的双激光信号转矩传感器。
背景技术：
电动助力转向(EPS)系统作为传统液压系统的替代产品已经进入汽车制造领域， 更是现代汽车转向系统的发展趋势。EPS不仅适用于小型汽车，而且某些12V中型汽车也适于安装电动系统。EPS系统包含下列组件转矩传感器，检测转向轮的运动情况和车辆的运动情况；控制单元，根据转矩传感器提供的信号计算助力的大小；发动机，根据控制单元输出值生成转动力；减速齿轮，提高发动机产生的转动力，并将其传送至转向机构。因此，转矩传感器是EPS系统中的关键部件之一，其输出特性直接影响到EPS系统的控制性能。随着EPS系统的不断完善和发展，对转矩传感器的精度、可靠性和响应速度提出了跟高的要求。目前，EPS系统中转矩传感器主要有以下几种形式，扭杆式转矩传感器、金属应变片式转矩传感器和非接触式转矩传感器，但是这些转矩传感器基本上都是只测量转矩不能测量转向，且测量转矩基本都是靠扭力或磁力与电力之间的转化来实现转拒测量， 扭力旋转不利于转向盘转动的轻盈化，电磁转换部件容易受到外界电磁的干扰。
发明内容
本发明针对上述现有技术的不足，提供了一种可以同时测量转向盘转动的角度、 方向和转矩的双激光信号转矩传感器，该双激光信号转矩传感器基于光信号进行测量，准确度高，抗干扰能力强。本发明是通过如下技术方案实现的一种双激光信号转矩传感器，包括结构相同的第一测量模块和第二测量模块，以及信号处理模块和移动机构；移动机构设置在转矩输入轴上，并将输入转矩轴的回转运动转化为直线运动；第一测量模块和第二测量模块分别安装在移动机构的两端；第一测量模块和第二测量模块均包括激光光源、传输光纤、光纤微弯器和光电转换单元；传输光纤穿过光纤微弯器，传输光纤的一端与激光光源相连，另一端与光电转换单元的输入端相连；光电转换单元的输出端与信号处理模块相连。进一步的，所述移动机构为一滑动螺旋副。进一步的，所述移动机构上设置有限位块。进一步的，所述光电转换单元包括光敏元件及其外围电路。本发明所述的双激光信号转矩传感器基于光纤微弯损耗原理，利用光纤微弯器与传输光纤的组合，使得输入到光电转换单元的激光信号随转向盘转动扭矩的大小而改变， 从而实现了转矩以及转角的测量。本发明还通过在转矩输入轴上安装一移动机构，以及在移动机构的上下两端各安装一个结构相同的检测模块，实现了转向盘转动方向的测量。本发明所述的双激光信号转矩传感器基于光信号进行测量，准确度高，抗干扰能力强，结构简单，使用寿命长。
图1为EPS系统的工作原理图2为双激光信号转矩传感器结构示意图； 图3为第一测量模块和第二测量模块的结构示意图； 图4为光电转换单元的一种实现形式； 图5为光纤微弯器的结构示意图； 图6为处理器单元的工作流程图； 图中各标号的含义如下
输出轴-1，减速器_2，扭杆_3，转矩传感器-4，转向盘-5，转矩输入轴_6，车速传感器-7，电动机_8，控制电流-9，开关电流-10，离合器-11，小齿轮-12，齿条-13，拉杆-14，轮胎-15，第一测量模块-16，第二测量模块-17，信号处理模块-18，EPS系统的控制单元-19， 激光光源-20、传输光纤-21、光纤微弯器-22、光电转换单元-23，齿形夹板-24，移动机构-61。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施方式
对本发明做进一步详细的说明。EPS系统的工作原理如图1所示，转向盘5转动时，转矩输入轴6与转向盘5同时转动，与转矩输入轴6相连的转矩传感器4通过扭杆3检测出作用于转矩输入轴6上的转矩，并由此产生一个电压信号；同时车速传感器7测出汽车车速，也产生一个电压信号。这两路信号均被传输到EPS系统的控制单元(ECU)，经过其运算处理后，由ECU发出控制指令， 即向电动机8发出控制电流9，向离合器11发出开关电流10，从而控制电动机8以某种转速、转向、转矩旋转，并通过减速器11、输出轴1、小齿轮12、齿条13和拉杆14传递到汽车轮胎15上，实现转向。本发明所述的双激光信号转矩传感器包括两个结构相同的第一测量模块16和第二测量模块17，以及信号处理模块18和移动机构61。如图2所示，移动机构61设置在转矩输入轴6上，移动机构61将输入转矩轴6的回转运动转化为直线运动。第一测量模块16 和第二测量模块17分别安装在移动机构61的上下两端。第一测量模块16和第二测量模块17均与信号处理模块18相连，信号处理模块18与EPS的控制单元19 (即E⑶)相连。第一测量模块16和第二测量模块17的结构相同，如图3所示，均包括激光光源 20、传输光纤21、光纤微弯器22和光电转换单元23 ；传输光纤21穿过光纤微弯器22，传输光纤21的与激光光源20相连，另一端与光电转换单元23的输入端相连。第一测量模块16 和第二测量模块17中的光电转换单元23的输出端均与信号处理模块18相连，信号处理模块18对两个光电转换单元23的输出电压进行比较和判断，得出转向盘5的转向、转角和转矩，并提供给EPS的控制单元19。光纤微弯器22是根据光纤的微弯损耗现象而设计，传输光纤21置于光纤微弯器 22中两块平行的齿形夹板对之间，当齿形夹板M受被测量调制而产生相对位移时，传输光纤21在齿的压力作用下产生弯曲，这时传输光纤21中通过的光信号就会发生变化，由此可检测被测量的变化。光纤微弯器22被广泛的应用在各种类型的光纤微弯传感器上，比如中国专利96116927. 3中所述的光纤微弯调制器就是光纤微弯器的一种实现形式，当然本发明所述的光纤微弯器还可以采用其他实现形式。本实施例中的光电转换单元23将光信号转换为电信号，并输出一个电压值。光电转换单元23主要包括光敏元件及其外围电路，如图4所示，光电转换单元23较为简单的一种实现方式是采用一个普通电阻RL与一个光敏电阻R串联，并将光敏电阻R两端的电压输出。当然也可以采用其他实现形式。本实施例中的信号处理模块18包括输入单元、处理器单元和输出单元，输入单元用于接收光电转换单元23的输出电压。处理器单元用于对第一测量模块16和第二测量模块17的输出电压Vl和V2进行比较、判断和计算，得到转向盘的转向、转角和转矩值。输出单元用于将转向盘的转向、转角和转矩值输出到EPS的控制单元。处理器单元的工作流程如图6所示，处理器单元可以选择市面上比较常用的80C51芯片来实现，当然也可以选择其他类型的芯片来实现。移动机构61可以采用由螺杆和螺母组成的螺旋副来实现，其中螺母固定，螺杆与输入转矩轴6同步转动，螺杆转动的同时上下移动。出于成本考虑，本实施例中移动机构61 选择一滑动螺旋副，滑动螺旋副工作时，主要承受转矩及轴向拉力(或压力)的作用，同时在螺杆和螺母的旋合螺纹间有一定的相对滑动。当然，本发明中的移动机构61还可以采用其他将回转运动转换为直线运动的传动结构，比如滚珠丝杠等。本发明所述的双激光信号转矩传感器的工作过程如下
第一测量模块16和第二测量模块17的激光光源20均发出激光信号，经传输光纤21 传递到光电转换单元23，光电转换单元M将光信号转换为电信号，电信号输出至信号处理模块18，信号处理模块18对两个光电转换单元23的输出电压进行比较和判断，得出转向盘 5的转向、转角和转矩，并输出到EPS的控制单元19。具体的讲，当转向盘5处于中间位置时，第一测量模块16和第二测量模块17内的传输光纤21都刚好处于完全截面积，两个光电转换单元23均输出满载电压信号，信号处理模块18根据两个输出的满载电压信号判断出转向盘5未转向。当转向盘5向左转动时，移动机构61向下移动，压迫第二测量模块17的光纤微弯器22，光纤微弯器22在受到压力时，会压缩传输光纤21，使传输光纤21的横截面积减少、 通光能力减弱，从而到达光电转换单元23的光强度变小，光电转换单元23输出的电压信号减弱，信号处理模块18根据光电转换单元23输出的电压信号大小来计算转向盘5的输入转矩，根据光电转换单元23输出的电压信号减弱的程度计算转向盘5的转角。驾驶员转动转向盘5的幅度越大，光纤微弯器22对传输光纤21的挤压越大，光强度变得越小，光电转换单元23输出的电压值也就越小。此时，第一测量模块16的光纤微弯器22没有受力，其光电转换单元23输出为满载电压。信号处理模块18比较第一测量模块16和第二测量模块17的输出电压，由于第二测量模块17的输出电压较小，判断出转动方向为左转。当转向盘5向右转动上，同样原理，移动机构61顶端的第一测量模块16输出与转角相关的电压信号，第二测量模块17输出满载电压信号。信号处理模块18比较第一测量模块16和第二测量模块17的输出电压，由于第一测量模块16的输出电压较小，判断出转动方向为右转。综上所述，本发明所述的双激光信号转矩传感器能够判断出转向盘5的转矩和转角，同时可判断出转向盘5的转向，将原有的转向传感器和转角传感器合二为一。为了限制转向盘5的过度转向，本发明在移动机构61上进行了限位设计，通过限位块将螺旋上下移动的距离进行了限制，从而也就限制了光纤微弯器22的变形量，进而限制了光电转换单元23输出的最小电压信号量。本发明不仅局限于上述具体实施方式
，本领域一般技术人员根据本发明公开的内容，可以采用其它多种具体实施方式
实施本发明，因此，凡是采用本发明的设计结构和思路，做一些简单的变化或更改的设计，都落入本发明保护的范围。
权利要求
1.一种双激光信号转矩传感器，包括结构相同的第一测量模块和第二测量模块，以及信号处理模块和移动机构；移动机构设置在转矩输入轴上，并将输入转矩轴的回转运动转化为直线运动；第一测量模块和第二测量模块分别安装在移动机构的两端；第一测量模块和第二测量模块均包括激光光源、传输光纤、光纤微弯器和光电转换单元；传输光纤穿过光纤微弯器，传输光纤的一端与激光光源相连，另一端与光电转换单元的输入端相连；光电转换单元的输出端与信号处理模块相连。
2.根据权利要求1所述的双激光信号转矩传感器，其特征在于，所述移动机构为一滑动螺旋副。
3.根据权利要求1或2所述的双激光信号转矩传感器，其特征在于，所述移动机构上设置有限位块。
4.根据权利要求1所述的双激光信号转矩传感器，其特征在于，所述光电转换单元包括光敏元件及其外围电路。
全文摘要
本发明提供了一种双激光信号转矩传感器，包括结构相同的第一测量模块和第二测量模块，以及信号处理模块和移动机构；移动机构设置在转矩输入轴上；第一测量模块和第二测量模块分别安装在移动机构的两端；第一测量模块和第二测量模块均包括激光光源、传输光纤、光纤微弯器和光电转换单元；传输光纤穿过光纤微弯器，传输光纤的一端与激光光源相连，另一端与光电转换单元的输入端相连；光电转换单元的输出端与信号处理模块相连。本发明基于光纤微弯损耗原理，利用光纤微弯器与传输光纤的组合，以及在移动机构的两端各安装一个检测模块，实现了转向盘转矩、转角、转向的测量。本发明基于光信号进行测量，准确度高，抗干扰能力强，使用寿命长。
文档编号G01L3/00GK102494818SQ20111039624
公开日2012年6月13日 申请日期2011年12月2日 优先权日2011年12月2日
发明者郑伟 申请人:温州大学