基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器及测量方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，包括壳体，壳体内通过球轴承安装有弹性传动套，弹性传动套中间为弹性环节，弹性环节的两端各套设一个光电码盘，2个光电码盘的圆心角相等，壳体顶部固定有安装座，安装座中固定有光电传感器A和光电传感器B，光电传感器A和光电传感器B与2个光电码盘相对设置；通过在弹性传动套弹性环节两边设置两个光电码盘，由两个光电传感器分别获取码盘旋转时的方波输出信号，根据两个码盘输出方波信号的相位差即可实现弹性传动套扭转变形和扭矩的测量。本发明解决了现有扭矩传感器易受磁场、电场干扰影响测量精度的问题，测量原理简单，抗干扰能力强，可实现传动机构高动态、高精度的扭矩测量。
【专利说明】基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器及测量方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器【技术领域】，本发明涉及一种基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，本发明还涉及该转矩测量传感器的测量方法。
【背景技术】
[0002]扭矩是机械传动系统与设备运行过程中的一个重要机械量，目前，在机械传动系统扭矩测量传感器【技术领域】，实现扭矩测量的方法大致可分为以下几种。
[0003](I)磁弹性扭矩传感器:这种传感器是利用铁磁材料的压磁效应制作而成，其原理是在旋转轴表面喷覆一层磁弹性材料，当旋转轴受到扭矩作用时，表层的磁弹性材料由于压磁效应而诱发表面磁场发生相应的变化，测量线圈中产生与扭矩成比例的感应电势，从而实现传动轴扭矩的测量。磁弹性扭矩传感器属于非接触式传感器，结构简单，安装方便，但对材料性能以及环境屏蔽要求较高。磁弹性扭矩传感器国内外均有大量研究报道。
[0004](2)转角型扭矩传感器:转角型扭矩传感器是利用转角和扭矩关系的一种传感器，日本学者利用激光反射光学原理研制了一种转角型扭矩传感器，其原理是通过在旋转轴的输入、输出端各设置一个反射镜，当激光射入两个反射镜时，利用光学传感器接收这两路脉冲信号。当旋转轴没有扭转变形时，两路反射的信号没有时间差，但是当旋转轴发生扭转变形时，两路反射信号就会产生一个与扭转角成比例关系的时间差，因此根据两路反射信号的时间差即可获得旋转轴扭矩。这种扭矩传感器测试原理简单，系统分辨率高，可以实现微小扭转变形的测量，但测量装置易受旋转轴振动、镜面反射角变化等因素的影响，使测试结果存在误差，实用性较差。
[0005](3)磁电感应式扭矩传感器:磁电感应式扭矩传感器是国内广泛使用的扭矩测量传感器，这种测量方法是在弹性轴的两端安装两个信号齿轮，齿轮的上方各安装一组由磁钢线圈组成的磁电信号发生器。当信号齿轮随弹性轴转动时，信号齿轮的齿顶、齿谷交替周期性的转过磁钢的底部，线圈内部的磁通量产生周期性的变化，使线圈中感生出近似正弦波的交流电信号，这两组交流电信号的相位与安装的相对位置及弹性轴所承受的扭矩大小和方向有关。当弹性轴没有扭转变形时，两组交流电信号的相位差只与信号线圈及齿轮的初始安装相位有关，当弹性轴发生扭转变形时，两组交流电信号之间的相位差发生变化，在弹性变形范围内，相位差变化绝对值与扭矩大小成正比，从而通过检测两路信号相位差实现扭矩测量。齿轮磁电感应式扭矩传感器结构复杂，制造难度大，造价高，同时电磁干扰影响较大，从而影响其测试的精度。
[0006](4)应变式扭矩传感器:电阻应变式扭矩测量是一种普遍采用的扭矩检测方法，其原理是基于传递扭矩的弹性元件在发生扭转变形时，其表面会产生与扭矩值对应的弹性应变，因此在传动轴表面贴上应变片，当传动轴发生扭转变形时，应变片电阻值会产生相应变化，根据应变片电阻值的变化即可实现应变以及扭矩的测量。应变式扭矩测量的关键是应变电桥电源的输入以及扭矩信号的输出，信号传输可采用电感集流环、电容及电感集流环、无线电传送等方式。应变式扭矩传感器原理简单，结果可靠，但信号的传输相对比较复杂，使其实际应用受到限制。
[0007]尽管扭矩传感技术已经获得了快速的发展与应用，但其中大部分测量原理都较为复杂，易受磁场、电场干扰，精度不高，从而使其在生产中难以得到有效的推广应用。
【发明内容】
[0008]本发明的目的在于提供一种基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，解决了现有扭矩传感器易受磁场、电场干扰影响测量精度的问题。
[0009]本发明的另一个目的是提供该转矩测量传感器的测量方法。
[0010]本发明所采用的技术方案是：基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，包括壳体，壳体内通过球轴承安装有弹性传动套，弹性传动套中间为弹性环节，弹性环节的两端各套设一个光电码盘，2个光电码盘的圆心角相等，壳体顶部固定有安装座，安装座中固定有光电传感器A和光电传感器B,光电传感器A和光电传感器B与2个光电码盘相对设置。
[0011]本发明的特点还在于，
[0012]球轴承通过两端的轴承端盖固定在壳体上。
[0013]弹性传动套的两端设置有连接孔和键槽，连接孔和键槽分别与传动系统输入输出轴相连。
[0014]光电码盘的齿和齿槽各占整个周期的一半。
[0015]光电传感器A与光电传感器B的周向相错半个齿槽。
[0016]本发明所采用的另一技术方案是：基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，该方法基于转矩测量传感器，当旋转的弹性传动套受扭矩作用时，弹性环节产生扭转变形，从而造成2个光电码盘周向相对位置发生变化,光电传感器A和光电传感器B输出方波信号的扭转变形相位差ti随扭转变形角的变化而变化，通过检测扭转变形相位差ti;完成弹性传动套弹性环节扭转变形角的测量，进而根据变形角与扭矩之间的关系计算出扭矩。
[0017]本发明的特点还在于，
[0018]具体包括以下步骤：
[0019]步骤1，根据两路方波信号，计算光电传感器A和光电传感器B输出方波信号的扭转变形相位差\；
[0020]先对两路光电信号进行逻辑乘法，即“与”运算，其结果为：
[0021]C = AAB (I)
[0022]然后将其结果与传感器输入端的光电信号进行逻辑“异或”运算，即
[0023]
? = C 0 A = (A λ B) ? A(2)
[0024]其中，A、B分别表不光电传感器A和光电传感器B的光电信号，Λ表不“与”运算，馨表示“异或”运算；
[0025]通过上述运算，获得脉宽与扭转变形相位差\相等的方波信号；
[0026]步骤2，计算每个周期的方波信号对应的转角
[0027]假设光电码盘的齿槽个数为N，则弹性传动套旋转一周输出的方波信号周期数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ τ为：
【权利要求】
1.基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，包括壳体（I)，所述壳体(I)内通过球轴承（3)安装有弹性传动套（4)，所述弹性传动套（4)中间为弹性环节（8)，所述弹性环节（8)的两端各套设一个光电码盘（10)，2个光电码盘（10)的圆心角相等，所述壳体（I)顶部固定有安装座（7)，所述安装座（7)中固定有光电传感器A(5)和光电传感器B(6),所述光电传感器A(5)和光电传感器B(6)与2个光电码盘（10)相对设置。
2.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述球轴承（3)通过两端的轴承端盖（2)固定在所述壳体（I)上。
3.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述弹性传动套（4)的两端设置有连接孔（9)和键槽（11)，所述连接孔（9)和键槽（11)分别与传动系统输入输出轴相连。
4.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述光电码盘（10)的齿（12)和齿槽（13)各占整个周期的一半。
5.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述光电传感器A (5)与光电传感器B (6)的周向相错半个齿槽。
6.基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，该方法基于转矩测量传感器，当旋转的弹性传动套（4)受扭矩作用时，弹性环节（8)产生扭转变形，从而造成2个光电码盘（10)周向相对位置发生变化,光电传感器A (5)和光电传感器B (6)输出方波信号的扭转变形相位差ti随扭转变形角的变化而变化，通过检测扭转变形相位差ti;完成弹性传动套（4)弹性环节（8)扭转变形角的测量，进而根据变形角与扭矩之间的关系计算出扭矩。
7.如权利要求6所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤： 步骤1，根据两路方波信号，计算光电传感器A(5)和光电传感器B(6)输出方波信号的扭转变形相位差\； 先对两路光电信号进行逻辑乘法，即“与”运算，其结果为： C = AAB (I) 然后将其结果与传感器输入端的光电信号进行逻辑“异或”运算，即
其中，A、B分别表不光电传感器A(5)和光电传感器B(6)的光电信号，Λ表不“与”运算，馨表示“异或”运算； 通过上述运算，获得脉宽与扭转变形相位差ti相等的方波信号； 步骤2，计算每个周期的方波信号对应的转角 假设光电码盘（10)的齿槽（13)个数为N，则弹性传动套（4)旋转一周输出的方波信号周期数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ τ为：
步骤3，计算扭转变形角由于方波信号的周期T、初始相位差h以及扭转变形相位差ti均随弹性传动套(4)的转速η的变化而变化，故采用周期T将初始相位差h与扭转变形相位差ti归一化表示为:t0 = kT (4)tj = mT (5) 式中，k表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)初始相位差占整个周期的比值，m表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)扭转变形后相位差占整个周期的比值， 由式⑷、(5)得到任意时刻弹性环节⑶的扭转变形角Aej:
其中，Λ Θ i的正负表示扭转变形的相对初始位置的方向，即扭转的正负； 步骤4，计算扭矩 根据弹性传动套(4)的扭转变形角，可知传动系统的扭矩Mn为:
Mn = K0A Θ j = K0 Θ T (m-k) (J) 式中，Ke表示弹性传动套扭转刚速度，单位为N.m/度。
8.如权利要求6所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，所述转矩测量传感器包括壳体(1)，所述壳体(1)内通过球轴承(3)安装有弹性传动套(4)，所述球轴承(3)通过两端的轴承端盖(2)固定在所述壳体(1)上，所述弹性传动套(4)的两端设置有连接孔(9)和键槽(11)，所述连接孔(9)和键槽(11)分别与传动系统输入输出轴相连，所述弹性传动套(4)中间为弹性环节(8)，所述弹性环节(8)的两端各套设一个光电码盘(10)，所述光电码盘(10)的齿(12)和齿槽(13)各占整个周期的一半，2个光电码盘(10)的圆心角相等，所述壳体⑴顶部固定有安装座(7)，所述安装座(7)中固定有光电传感器A (5)和光电传感器B (6)，所述光电传感器A (5)和光电传感器B (6)与2个光电码盘(10)相对设置，所述光电传感器A(5)与光电传感器B(6)的周向相错半个齿槽。
【文档编号】G01L3/12GK104198098SQ201410424451
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年8月26日 优先权日:2014年8月26日
【发明者】郑建明, 彭超, 石姣姣, 李昱, 宋艳超, 杨明顺 申请人:西安理工大学