专利名称：一种微尺度扭角与扭矩的测量装置及测量方法
技术领域：
本发明涉及扭角与扭矩测量技术领域，尤其涉及微尺度扭角与扭矩的测量装置及测量方法。
背景技术：
扭矩和扭角测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中必不可少的内容。随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩和扭角测量技术已充分引起人们的重视，成为测试技术的一个新分支。扭矩和扭角是众多机械量测量中的一个主要参数。在高新技术中，扭矩和扭角测量技术是综合应用机械、电子、物理、计算机等多方面知识的一门学科。测量扭矩的方法，按照它的基本原理可以分为传递法(扭轴法)、平衡力法(反力法)及能量转换法等三中方式。传递法是根据弹性元件在传递扭矩时所产生的物理参数的变化而测量扭矩的方法，物理参数可以是弹性元件的变形、应力或应变。平衡力法就是测量机体上的平衡力矩以确定机器主轴上作用扭矩大小的方法，亦称反力法。能量转换法是根据其它能量参数(如电机参数)测量机械能参数及扭矩的方法。在角度测量领域中常用的方法有:机械式、电磁式和光学式三种角度测量方法。综上所述的三种扭矩测量方法，传递法和平衡力法为直接测量扭矩的方法，其测量方便、精确度高，但是对测量环境的要求较高、耐震性能差，而能量转换法为间接测量扭矩的方法，测量误差比较大，常达± (10 15) %。所以只有在无法直接测量的场合下，才采用间接测量法。现有扭角的测量方式对测量环境的要求比较高、安装比较复杂、不能准确记录微小变化量。因此，针对以上不足，本发明提供了一种微尺度扭角与扭矩的测量装置及方法。
发明内容
(一)要解决的技术问题本发明的目的是解决现有的扭角与扭矩的测量装置对测试环境的要求比较高、安装复杂、精度低的问题。(二)技术方案为了解决上述技术问题，本发明提供了一种微尺度扭角与扭矩的测量装置，其包括检测机构、控制器和上位机，控制器分别连接检测机构和上位机，所述检测机构包括底座、立柱和单自由度托架，底座的上表面左侧设置有立柱，立柱的上部穿设有能在竖直方向上下移动的单自由度托架，单自由托架上部卡接有传感器下壳体，传感器下壳体的上部分别连接有传感器上壳体和传感器，所述上壳体的顶端设有上夹头，上夹头下端连接扭丝，扭丝的下端通过下夹头固定连接芯轴，所述传感器套装在芯轴的外部，芯轴的下端连接有测试头。其中，所述传感器包括上叶片、下叶片、线圈组构件和叶片套筒，上叶片和下叶片分别固定安装在芯轴上，所述叶片套筒套在芯轴的外部，叶片套筒的上端和下端分别连接上叶片和下叶片，所述线圈组构件设套在叶片套筒的外部，线圈组构件的外缘抵在传感器下壳体的上表面。所述传感器为非接触式角度传感器，所述线圈组构件与芯轴、上叶片和下叶片均不接触。所述线圈组构件包括电路板和线圈组，所述电路板上设有两组对称的线圈组，电路板的中心设有第一定位孔。所述上叶片和下叶片为不导磁的导电金属片，上叶片和下叶片均在中心处设有第二定位孔和第三定位孔，且上叶片和下叶片的结构相同。所述单自由托架上设有第一通孔，所述传感器下壳体居中设有与第一通孔相对应的第二通孔，所述芯轴依次通过第一通孔和第二通孔后向下延伸。所述底座的上表面还设有两自由度微动平台，所述两自由度微动平台可以在水平面内做前、后和左、右移动。所述底座的下表面设有三个可调脚垫。所述控制器包括信号发生模块、信号调理模块和信号采集模块，所述信号发生模块为线圈组构件提供高频信号源，使线圈组构件产生稳定的交变磁场，所述信号调理模块分别连接线圈组构件和信号采集模块，用以转换来自线圈组构件的线圈组上的电信号，并配合信号采集模块进行采集信息，所述信号采集模块将处理后的信息传输给上位机，由上位机对信息进行处理后，通过数据和图形显示测试结果。本发明还提供了一种微尺度扭角与扭矩的测量装置的测量方法，包括以下步骤:S1、选取测试头；S2、调整可调脚垫，使得底座的上表面保持水平；S3、将被测物体连接于测试头的下端，通过调整两自由度平台和单自由度托架，使得被测物体的转动轴线与本测试装置芯轴的轴线一致，并使得扭丝处于张紧状态；S4、运行信号发生模块，信号发生模块发出高频信号源，产生稳定的交变磁场；S5、启动被测物体，测试头随被测物体旋转，旋转动作由芯轴传递到扭丝，上叶片和下叶片利用旋转过程具有不同切入电感交变磁场中的面积，产生不同电涡流效应强度，引起电感量的变化，所述控制器通过接收到的电感量的变化测算角度；S6、传感器将检测的角度信号及微小变化量传输给上位机，经上位机软件处理后得出扭角和扭矩的数值，并通过数据和图形显示并记录结果。(三)有益效果应该结合技术特征，由于哪些技术特征实现了以下效果本发明的上述技术方案具有如下优点:以扭秤的工作原理为基础所设计的测试机构，结构简单、安装方便、性能稳定、可适应复杂的工业环境；扭丝的设计使得所述装置耐震性能好、测量精度高、重复性好；所述装置可实现微小变化量检测与记录的任务，且满足检测方法可靠和简单操作的要求。
图1是本发明所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置的结构框图；图2是本发明所述的检测机构的结构图3是本发明所述的线圈组构件的结构图；图4是本发明所述的上叶片的结构图。图中:1:上夹头；2:扭丝；3:下夹头；4:上叶片；5:线圈组构件；6:下叶片；7:心轴；8:测试头；9:两自由度微动平台；10:底座；11:可调脚垫；12:立柱；13:单自由度托架；14:塑料垫圈；15:传感器下壳体；16:叶片套筒；17:叶片紧固螺母；18:传感器上壳体；19:传感器；20:电路板；21:线圈组。
具体实施例方式下面结合附图和实施例对本发明的具体实施方式
作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。如图1-2所示，本发明实施例提供的一种微尺度扭角与扭矩的测量装置，其包括检测机构、控制器和上位机，控制器分别连接检测机构和上位机，所述检测机构包括底座10、立柱12和单自由度托架13，底座10的上表面左侧设置有立柱12，立柱12的上部穿设有能在竖直方向上下移动的单自由度托架13，单自由托架13上部连接有传感器下壳体15，传感器下壳体15的上部分别连接有传感器上壳体18和传感器19,传感器19位于传感器上壳体18外侧。所述传感器上壳体18的顶端设有上夹头1，上夹头I下端连接扭丝2，扭丝2通过上夹头I固定连接于传感器上壳体18上，扭丝2的下端通过下夹头3固定连接芯轴7，传感器19套装在芯轴7的外部，芯轴7的下端连接有测试头8，测试头8为连接装置，需根据不同的测试用途选择不同的型号，所述芯轴7为金属轴。其中，所述传感器19包括上叶片4、下叶片6、线圈组构件5和叶片套筒16，上叶片4和下叶片6分别通过叶片紧固螺母17和塑料垫圈14固定安装在芯轴7上，叶片套筒16套在芯轴7的外部，叶片套筒16的上端和下端分别连接上叶片4和下叶片6，所述线圈组构件5套在叶片套筒16的外部，且与叶片套筒16留有间隙，线圈组构件5的外缘抵在传感器下壳体15的上表面，线圈组构件5与上叶片4和下叶片6配合使用。所述传感器19为非接触式角度传感器，属于电涡流角度传感器范畴，所述线圈组构件5与芯轴7、上叶片4和下叶片6均不接触，线圈组构件5与上叶片4和下叶片6存在相对运动关系。如图3-4所示，所述线圈组构件5包括电路板20和线圈组21，所述电路板20上设有两组对称的线圈组21，电路板20的中心设有第一定位孔，所述线圈组构件5通过第一定位孔套装于芯轴7的外部，所述线圈组构件5通入高频电流产生交变磁场，其对角线方向为相对称的线圈组21，所述上叶片4和下叶片6为不导磁的导电金属片，上叶片4和下叶片6均在中心处设有第二定位孔和第三定位孔，所述上叶片4和下叶片6分别通过第二定位孔和第三定位孔套装于芯轴7外部，所述上叶片4和下叶片6的结构相同，尺寸相同，且均与线圈组构件5的结构相对应。需要说明的是，根据不同的测试目的和测试物体有不同的线圈组构件5可以选取，上叶片4和下叶片6也需要与线圈组构件5相配套，本发明的线圈组构件5的结构包含但不限于图3所提供的结构，上叶片4和下叶片6的结构包含但不限于图4所提供的结构。所述单自由托架13上设有第一通孔，所述传感器下壳体15居中设有与第一通孔相对应的第二通孔，所述芯轴7依次通过第一通孔和第二通孔后向下延伸，芯轴7分别位于第一通孔和第二通孔的中心。所述底座10的上表面还设有两自由度微动平台9，两自由度微动平台9设置于芯轴7的正下方且位于单自由托架13的右侧，两自由度微动平台9用以放置被测试物体且可实现水平面内的前、后和左、右运动，用以调整被测试物体的水平面位置并保持被测试物体与芯轴7的转轴一致。所述单自由度托架13与立柱12配合使用，单自由度托架13可沿立柱12单自由度移动，用以按照被测物体的不同高度来调整测试头8的高度。所述底座10的下表面设有三个可调脚垫11，可调脚垫11用于调整测试装置的工作水平面。所述控制器包括信号发生模块、信号调理模块和信号采集模块，所述信号发生模块为线圈组构件5提供高频信号源，使线圈组构件5产生稳定的交变磁场，所述信号调理模块分别连接线圈组构件5与信号采集模块，用以转换来自线圈组构件5的线圈组21上的电信号，并配合信号采集模块进行采集信息，所述信号采集模块将处理后的信息传输给上位机，由上位机对信息进行处理后，通过数据和图形显示测试结果。本发明还提供了一种微尺度扭角与扭矩的测量装置的测量方法，包括以下步骤:S1、选取测试头8，测试头8有多种型号，需根据测试物体和对测试结果的要求进行选择；S2、调整可调脚垫11，使得底座10的上表面保持水平；S3、将被测物体连接于测试头8的下端，连接方式为刚性联轴器紧固连接或螺纹紧固连接，之后分别调整两自由度微动平台9在水平面的前后和左右的位置与单自由度托架13在竖直方向上的上、下位置，使得被测物体的转动轴线与本测试装置芯轴7的轴线保持一致，并使得扭丝2处于张紧状态；S4、运行信号发生模块，信号发生模块发出高频信号源，使得传感器19产生稳定的交变磁场；S5、启动被测物体，因为被测物体与测试头8的连接关系，测试头8随被测物体旋转而旋转，测试头8的旋转动作传导给芯轴7后传递到扭丝2，上叶片4和下叶片6利用旋转过程具有不同切入电感交变磁场中的面积，产生不同电涡流效应强度，引起电感量的变化，所述控制器通过接收到的电感量的变化测算角度；S6、测试过程中，传感器19将检测到的角度电信号及微小变化量传输给上位机，经上位机软件处理后得出被测物体的扭角和扭矩数值，并通过数据和图形显示并记录结果O综上所述，所述微尺度扭角与扭矩的测量装置结构简单、分辨率高、满足苛刻的工业应用环境、重复性好、安装和维修方便，所述微尺度扭角与扭矩的测量方法步骤简单，测试结果精确度高，具体实施时，测量范围在一 10° + 10°，测量精度精确到0.001°。以上所述仅是本发明的一种优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。
权利要求
1.一种微尺度扭角与扭矩的测量装置，其包括检测机构、控制器和上位机，控制器分别连接检测机构和上位机，其特征在于:所述检测机构包括底座(10)、立柱(12)和单自由度托架(13)，底座(10)的上表面设置有立柱(12)，所述立柱(12)的上部穿设有能在竖直方向上下移动的单自由度托架(13)，所述单自由托架(13)上部连接有传感器下壳体(15)，所述传感器下壳体(15)的上部分别连接有传感器上壳体(18)和传感器(19)，所述传感器上壳体(18)的顶端设有上夹头(1)，上夹头(I)下端连接扭丝(2)，扭丝(2)的下端通过下夹头(3)固定连接有芯轴(7)，所述传感器(19)套装在所述芯轴(7)的外部，所述芯轴(7)的下端连接有测试头(8)。
2.根据权利要求1所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述传感器(19)包括上叶片(4)、下叶片(6)、线圈组构件(5)和叶片套筒(16)，上叶片(4)和下叶片(6)分别套在芯轴(7)上，所述叶片套筒(16)套在所述芯轴(7)的外部，所述叶片套筒(16)的上端和下端分别连接上叶片(4)和下叶片(6)，所述线圈组构件(5)套在所述叶片套筒(16)的外 部,线圈组构件(5)的外缘抵在传感器下壳体(15)的上表面。
3.根据权利要求2所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述传感器(19)为非接触式角度传感器， 所述线圈组构件(5)与芯轴(7)、上叶片(4)和下叶片(6)均不接触。
4.根据权利要求2所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述线圈组构件(5)包括电路板(20)和线圈组(21)，所述电路板(20)上设有两组对称的线圈组(21)，电路板(20)的中心设有第一定位孔。
5.根据权利要求2所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述上叶片(4)和下叶片(6)为不导磁的导电金属片，上叶片(4)和下叶片(6)均在中心处设有第二定位孔和第三定位孔，且上叶片(4)和下叶片(6)的结构相同。
6.根据权利要求1所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述单自由托架(13)上设有第一通孔，所述传感器下壳体(15)居中设有与第一通孔相对应的第二通孔，所述芯轴(7)依次通过第一通孔和第二通孔后向下延伸。
7.根据权利要求1所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述底座(10)的上表面还设有两自由度微动平台(9)，所述两自由度微动平台(9)可以在水平面内做前、后和左、右移动。
8.根据权利要求1所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述底座(10)的下表面设有三个可调脚垫(11)。
9.根据权利要求1-8任一项所述的微尺度扭角与扭矩的测量装置，其特征在于:所述控制器包括信号发生模块、信号调理模块和信号采集模块，所述信号发生模块为线圈组构件(5)提供高频信号源，使线圈组构件(5)产生稳定的交变磁场，所述信号调理模块分别连接线圈组构件(5)与信号采集模块，用以转换来自线圈组构件(5)的线圈组(21)上的电信号，并配合信号采集模块进行采集信息，所述信号采集模块将处理后的信息传输给上位机，由上位机对信息进行处理后，通过数据和图形显示测试结果。
10.一种微尺度扭角与扭矩的测量装置的测量方法，其特征在于:包括以下步骤: ·51、选取测试头(8)； ·52、调整可调脚垫(11)，使得底座(10)的上表面保持水平；` 53、将被测物体连接于测试头(8)的下端，通过调整两自由度微动平台(9)和单自由度托架(13)，使得被测物体的转动轴线与本测试装置芯轴(7)的轴线一致，并使得扭丝(2)处于张紧状态；`54、运行信号发生模块，信号发生模块发出高频信号源，产生稳定的交变磁场； `55、启动被测物体，测试头(8)随被测物体旋转，旋转动作由芯轴(7)传递到扭丝，上叶片(4)和下叶片(6)利用旋转过程具有不同切入电感交变磁场中的面积，产生不同电涡流效应强度，引起电感量的变化，所述控制器通过接收到的电感量的变化测算角度； `6、传感器(19)将检测的角度信号及微小变化量通过控制器传输给上位机，经上位机软件处理后得出扭 角 和扭矩的数值，并通过数据和图形显示并记录结果。
全文摘要
本发明涉及一种微尺度扭角与扭矩的测量装置及测量方法，其包括检测机构、控制器和上位机，控制器分别连接检测机构和上位机，所述检测机构包括底座、立柱和单自由度托架，底座的上表面设置有立柱，立柱的上部穿设有能在竖直方向上下移动的单自由度托架，单自由托架上部卡接有传感器下壳体，传感器下壳体的上部分别连接有传感器上壳体和传感器，所述上壳体的顶端设有上夹头，上夹头下端连接扭丝，扭丝的下端通过下夹头固定连接芯轴，所述传感器套装在芯轴的外部，芯轴的下端连接有测试头。本发明具有如下优点结构简单、设计合理、分辨率高、满足苛刻的工业应用环境、重复性好、耐震性能好、安装和维修方便，检测方法可靠和操作简单。
文档编号G01D21/02GK103196493SQ201310104688
公开日2013年7月10日 申请日期2013年3月28日 优先权日2013年3月28日
发明者张辉, 肖博 申请人:乐普(北京)医疗器械股份有限公司