一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法与流程

本发明涉及动力传动装置转轴扭矩传感及测试领域，具体是一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，尤其是以非接触无源传感的方式获取转轴的扭矩动态信息。

背景技术：

回转机械的动力传动主要依靠轴传动，也即轴系旋转运动是回转机械动力传输的重要传动方式，其中扭矩是表征动力传输系统动力性能、传动链路能量传递与利用效率的最典型动态参数之一。科学技术的进步促进了机械装备朝着电气化、信息化、智能化的方向快速发展，为了在设计阶段可靠的进行理论分析、仿真计算和优化设计，在使用阶段进行在线故障诊断、健康管理，准确、可靠的获取转轴扭矩动态参数具有重要理论意义和实用价值。

目前，日益发展的信息处理技术、智能控制技术，以及先进的加工装配工艺为提升回转机械动力传递效率提供了重要机会，但是信息处理与智能控制需要准确可靠的信息源，也即提升回转机械动力传递效率在一定程度上需要从源头上解决传感器的信息获取问题。由于动力传动系统运动部件周围结构紧凑、转轴高速旋转运动、应用环境中存在腐蚀、油污、电磁干扰等，这些复杂测试环境使得现有的扭矩传感器在传感器有效安装、传感器供电、传感器输出信号传输等方面受到一定限制。目前，集流环、变压器耦合、无线传输、感应馈电等方法在一定程度上解决了传感器供电和传感器信号传输困难的问题，但是在高速旋转场合下，接触式集流环接触摩擦耦合一定噪声，在一定程度上干扰有效信号；无线遥测的发射模块在狭小空间及高速旋转场合安装受限，而且传统测试方法在转轴上径向不对称布置信号传输或供电等模块，在高速旋转情况下一定程度上影响转轴的动平衡。因此迫切希望能有一种适合于转轴高速旋转运动、狭小空间等环境的扭矩动态信息获取方法，具体是一种适合于狭小空间的非接触式转轴扭矩传感及测试方法，从而为动力传动系统的动力传递效率优化、功率分配优化、装备优化设计提供有效数据支撑，这对传动系统的设计、制造和使用有十分重要的意义。

技术实现要素：

本发明为了解决旋转轴高速旋转运动、狭小空间等环境因素造成现有扭矩测试存在问题，提供了一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法。

本发明是通过以下技术方案实现的：一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，将扭矩测试装置接入到电阻检测电路中；

所述扭矩测试装置包括粘贴于转轴被测部位的电阻元件，安装于转轴上轴承内部的电容元件；

所述电阻元件是由第一电阻应变片和第二电阻应变片构成的，每个电阻应变片的其中一端均通过导线连接于转轴上，两电阻应变片的相互位置关系需保证随转轴转动各电阻应变片产生形变；

所述电容元件包括环设于轴承内圈外径面上的第一绝缘垫片环和第三绝缘垫片环，环设于轴承外圈内径面上的第二绝缘垫片环和第四绝缘垫片环；所述第一绝缘垫片环和第三绝缘垫片环外圆上分别环设有第一薄片金属环和第三薄片金属环，第二绝缘垫片环和第四绝缘垫片环的内圆上分别环设有第二薄片金属环和第四薄片金属环，第一电阻应变片的另一端通过第一导线连接于第一薄片金属环上，第二电阻应变片的另一端通过第二导线连接于第三薄片金属环上；所有的绝缘垫片环之间均不接触，所有的薄片金属环之间均不接触；所述第一薄片金属环与第二薄片金属环在径向上相对，第三薄片金属环与第四薄片金属环在径向上相对，轴承内圈与轴承外圈之间的空间通过轴承两端的左、右端盖与外界环境相隔绝，且轴承内腔充满轴承润滑脂；所有的绝缘垫片环和薄片金属环与左、右端盖之间存在间隙且不接触，所有的绝缘垫片环和薄片金属环与所有轴承滚珠之间存在间隙且不接触；转轴转动时第一薄片金属环与第二薄片金属环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，转轴转动时第三薄片金属环与第四薄片金属环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，第二薄片金属环通过第三导线输出信号，第四薄片金属环通过第四导线输出信号；轴承外圈通过连接件以及回转机械接地；

所述扭矩测试装置是通过将第三导线和第四导线接入到电阻检测电路中的。

使用时，轴承内圈随转轴旋转运动，则第一薄片金属环和第三薄片金属环随转轴旋转运动，也即在转轴旋转运动时候，第一薄片金属环与第二薄片金属环相对运动、第三薄片金属环与第四薄片金属环相对运动。理论上，轴承外圈和轴承内圈具有良好同轴度和很高的主轴回转精度，薄片金属环之间的轴承润滑脂性能稳定，则转轴转动时第一薄片金属环与第二薄片金属环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，转轴转动时第三薄片金属环与第四绝缘垫片环相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，因此第一薄片金属环和第二薄片金属环形成的电容C1值固定、第三薄片金属环和第四薄片金属环形成的电容C2值固定。具体实施时，由于机械加工及装配工艺、薄片金属环平整度等因素的影响，轴承内圈上的第一薄片金属环和轴承外圈上的第二薄片金属环之间的间距在公差范围变化，轴承内圈上的第三薄片金属环和轴承外圈上的第四薄片金属环之间的间距在公差范围变化；而且轴承润滑脂有使用寿命，随着使用时间的推移，轴承润滑脂的密度、粘度有发生很小变化的可能，则轴承润滑脂的介电常数存在很小变化的可能；“测试误差不能避免，只能尽可能减小”是本领域公知常识，因此金属环之间的间距在公差范围变化、轴承润滑脂的介电常数随着使用时间的推移发生很小的变化，这些变化导致测试结果与理论值存在一定差异。

使用时，第一薄片金属环、第二薄片金属环、第三薄片金属环、第四薄片金属环需具有良好导电性、良好延展性(铜、银、金、铝均可，可以制作成金属箔)，分别固定在绝缘垫片环上之后，具有良好的平整性；薄片金属环结构与转轴上的轴承结构融合，其中薄片金属环结构沿轴向对称不影响轴的动平衡，而且薄片状的金属环厚度很小、体积很小，与转轴上轴承结构融合后，适合于狭小紧凑空间的测试场合。

理论上只要各电阻应变片随转轴转动可产生扭转形变，所有形式的第一电阻应变片和第二电阻应变片相对位置关系均可采用。根据材料力学，当电阻应变片与转轴的母线呈45°时，应变最大。具体实施时，可采用的电阻应变片的安装结构(参见图3)为：两电阻应变片位于转轴的同一径向面内，且第一电阻应变片与母线呈45°角，第二电阻应变片与母线呈-45°角。

本发明所述薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法(扭矩测试装置的使用方法)为：将第三导线和第四导线接入电阻检测电路中。所述电阻检测电路为本领域公知测试电路，本领域技术人员常规使用的电阻检测电路为差动脉宽调制电路等。具体使用原理为：转轴受到扭转载荷作用下(扭矩为T)，第一电阻应变片的电阻Ra的阻值和第二电阻应变片的Rb的阻值发生变化，导致电容充电时间发生变化，引起电阻检测电路波形占空比变化，经过公知的低通滤波电路将波形占空比输出为电压信号，该输出电压信号可采用现有的测控仪表测量获得。电容的充电时间变化量与Ra电阻值变化量、Rb电阻值变化量相关，又由于根据材料力学知识，Ra和Rb的变化量与扭矩相关，则电容充电时间变化量反映了转轴的扭矩信息，连续测量即可实现转轴扭矩动态信息的传感及测试。

本发明所述的轴承结构为一般的滚动轴承结构，为公知结构。轴承结构是支撑机械旋转体的必备重要部件之一，本发明所述的薄片金属环结构与轴承内圈、轴承外圈结构融合，也即薄片金属环的传感结构集成在轴承内部，随旋转轴一起装配，可以实时测试或监测轴的扭矩动态信息，解决了狭小空间后期监测或测试传感器安装困难的问题。

附图说明

图1为本发明所述扭矩测试装置的结构示意图。

图2为图1中A-A剖面图。

图3为电阻应变片的安装示意图。

图4为接入差动脉宽调制电路后本发明所述测试装置形成的电路图。

图5为电容充电时间变化量形成脉宽信号的仿真示意图。

图中：1-转轴，2-连接件，3a-第一电阻应变片，3b-第二电阻应变片，4a-第一导线，4b-第二导线，4c-第三导线，4d-第四导线，5a-轴承外圈，5b-轴承内圈，5c-轴承滚珠，6a-左端盖，6b-右端盖，7a-第一绝缘垫片环，7b-第二绝缘垫片环，7c-第三绝缘垫片环，7d-第四绝缘垫片环，8a-第一薄片金属环，8b-第二薄片金属环，8c-第三薄片金属环，8d-第四薄片金属环。

具体实施方式

一种薄片金属环与轴承融合的非接触式扭矩测试方法，将扭矩测试装置接入到电阻检测电路中；

所述扭矩测试装置包括粘贴于转轴1被测部位的电阻元件，安装于转轴1上轴承内部的电容元件；

所述电阻元件是由第一电阻应变片3a和第二电阻应变片3b构成的，每个电阻应变片的其中一端均通过导线连接于转轴1上，两电阻应变片的相互位置关系需保证随转轴1转动各电阻应变片产生形变；

所述电容元件包括环设于轴承内圈5b外径面上的第一绝缘垫片环7a和第三绝缘垫片环7c，环设于轴承外圈5a内径面上的第二绝缘垫片环7b和第四绝缘垫片环7d；所述第一绝缘垫片环7a和第三绝缘垫片环7c外圆上分别环设有第一薄片金属环8a和第三薄片金属环8c，第二绝缘垫片环7b和第四绝缘垫片环7d的内圆上分别环设有第二薄片金属环8b和第四薄片金属环8d，第一电阻应变片3a的另一端通过第一导线4a连接于第一薄片金属环8a上，第二电阻应变片3b的另一端通过第二导线4b连接于第三薄片金属环8c上；所有的绝缘垫片环之间均不接触，所有的薄片金属环之间均不接触；所述第一薄片金属环8a与第二薄片金属环8b在径向上相对，第三薄片金属环8c与第四薄片金属环8d在径向上相对，轴承内圈5b与轴承外圈5a之间的空间通过轴承两端的左、右端盖6a、6b与外界环境相隔绝，且轴承内腔充满轴承润滑脂；所有的绝缘垫片环和薄片金属环与左、右端盖6a、6b之间存在间隙且不接触，所有的绝缘垫片环和薄片金属环与所有轴承滚珠5c之间存在间隙且不接触；转轴1转动时第一薄片金属环8a与第二薄片金属环8b相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，转轴1转动时第三薄片金属环8c与第四薄片金属环8d相互覆盖的有效面积不变、间距不变、介电常数不变，第二薄片金属环8b通过第三导线4c输出信号，第四薄片金属环8d通过第四导线4d输出信号；轴承外圈5a通过连接件2以及回转机械接地；

所述扭矩测试装置是通过将第三导线4c和第四导线4d接入到电阻检测电路中的。

根据材料力学的公知知识，沿转轴轴向±45°布置的第一电阻应变片3a和第二电阻应变片3b在转轴受到扭转载荷作用下一个变大、另一个变小，为了仿真方便，第一电阻应变片3a和第二电阻应变片3b的基础阻值相同，定义为R₀，电阻阻值变化量为ΔR，即R_a＝R₀+ΔR，R_b＝R₀-ΔR，且电阻值的变化与扭矩大小正相关，也即第一电阻应变片3a的电阻值R_a变化量ΔR和第二电阻应变片3b的电阻值R_b变化量ΔR耦合了动态扭矩T的信息。本发明利用变化电阻改变固定电容充电时间的原理实现变化电阻的测量，其中充电时间变化量利用了公知的差动脉宽调制电路，具体实施如图4：双稳态触发器(例如D触发器，电子芯片74LS74)输出端Q为高电平时为低电平，Q为低电平时为高电平；例如，当双稳态触发器输出端Q为高电平、为低电平时，即a点为高电平，通过电阻R和电阻Ra给C1充电，直到C1的导线4c输出端c点的电压高于参考电压Ur时候，比较器A1产生脉冲，触发双稳态触发器翻转(Q为低电平、为高电平)；在双稳态触发器翻转前，或者说双稳态触发器输出端Q为高电平至翻转为低电平期间，b点为低电平，d点电势高于b点，则C2通过二极管D2迅速放电；当双稳态触发器翻转后，双稳态触发器输出端Q为低电平时，为高电平，即a点为低电平，b点为高电平，通过电阻R和电阻Rb给C2充电，直到C2的导线4d输出端d点的电压高于参考电压Ur时候，比较器A2产生脉冲，触发双稳态触发器翻转(Q为高电平时，为低电平)；在双稳态触发器翻转前，或者说双稳态触发器输出端Q为低电平至翻转为高电平期间，a点为低电平，c点电势高于a点，则C1通过二极管D1迅速放电；至此，形成了周期性循环，电容C1和C2重复上述充放电过程。

(1)第一电阻应变片3a的一端与第二电阻应变片3b的一端连接，并通过转轴1、轴承、连接件2以及回转机械连接至大地(电源地)，第一电阻应变片3a的另一端通过第一导线4a连接至第一薄片金属环8a、第二薄片金属环8b通过第三导线4c输出信号，即电阻Ra(电阻值R_a随扭矩T的大小而变化)与C1(电容值固定)连接，根据电容充电公式(电容充电时间与电阻和电容乘积相关，C1固定，则充电时间具有良好线性，其中U为差动脉宽调制电路的供电电压)，第三导线4c输出信号τ_a即耦合了扭矩信息，也即利用了电容C1两块金属极板(第一薄片金属环8a、第二薄片金属环8b)的非接触的特点，通过电容C1的近场耦合，实现了电阻Ra耦合扭矩信息的非接触式传感。

(2)第二电阻应变片3b的另一端通过第二导线4b连接至第三薄片金属环8c、第四薄片金属环8d通过第四导线4d输出信号，即电阻Rb(电阻值R_b随扭矩T的大小而变化)与C2(电容值固定)连接，根据电容充电公式(电容充电时间与电阻和电容乘积相关，C2固定，则充电时间具有良好线性)，第四导线4d输出信号τ_b即耦合了扭矩信息，也即通过电容C2两块金属极板(第三薄片金属环8c、第四薄片金属环8d)的非接触的特点，通过电容C2的近场耦合，实现了电阻Rb耦合扭矩信息的非接触式传感。

第一薄片金属环8a、第二薄片金属环8b分别与第三薄片金属环8c、第四薄片金属环8d在轴承径向上相互对称，这样电容C1值和电容C2值相等。由于电阻值的变化与扭矩大小正相关；则随着扭矩的增大，耦合了扭矩信息的τ_a和τ_b一个增大、一个减小，于是对这两个信号处理，电容充电时间变化为Δτ＝τ_a-τ_b，根据上述的对称结构，C1与C2的电容值相等，定义为C0，则电容充电时间变化量为于是提高了传感的灵敏度；另外，随转轴1旋转运动的只有轴承内圈5b、第一绝缘垫片环7a、第一薄片金属环8a、第三绝缘垫片环7c、第三薄片金属环8c，无需对转轴1上的第一电阻应变片3a和第二电阻应变片3b供电，实现了无源传感。

由于电容C1和C2的电容值相对固定，于是电容的充电时间与电阻值R_a、电阻值R_b单调相关，且电容的充电时间变化量与电阻值R_a变化量、电阻值R_b变化量单调相关；差动脉宽调制电路将电阻值R_a变化量、电阻值R_b变化量转换为电容充电时间变化量，形成具有一定脉宽的信号(参见图5)，例如高电平脉宽宽度代表电容C1的充电时间、低电平脉宽宽度代表电容C2的充电时间，差动脉宽电路输出脉宽信号的脉宽测量是公知技术，具体实施时候，可以将差动脉宽电路输出脉宽信号接入低通滤波电路，输出具有一定电压值的电压信号，电阻值R_a变化量和电阻值R_b变化量越大，差动脉宽电路输出脉宽信号的高电平脉宽与低电平脉宽差距越大，低通滤波电路输出电压信号的幅值越大，这个输出的电压信号可以用现有的测控仪表测量。

由于轴承内腔空间较小，具体实施时，第一薄片金属环8a和第二薄片金属环8b位于轴承滚珠5c的一侧，第三薄片金属环8c和第四薄片金属环8d位于轴承滚珠5c的另一侧。