一种新型光电式扭矩传感器的制作方法

本实用新型涉及一种新型光电式扭矩传感器。

背景技术：

扭矩的测量在工业生产中有着举足轻重的地位，目前用于工业生产中的扭矩传感器原理很多，总体上讲，主要有光电编码盘扭矩传感器、磁弹性扭矩传感器、应变式扭矩传感器、电容或者电感式扭矩传感器，不同原理的扭矩传感器各有不同的优缺点和应用场合。如：光电编码盘扭矩传感器虽然测量原理简单、易于实现，但是光电编码盘透光孔太大，分辨率不高，对低转速性能很不理想；磁弹性扭矩传感器利用了铁磁材料和其他一些合金材料的逆向磁致伸缩效应，实现了非接触式测量扭矩，抗干扰能力强、过载能力大、能在恶劣环境下工作，但是磁弹性扭矩传感器结构很复杂、成本高、安装调试难。

技术实现要素：

本实用新型提出一种新型光电式扭矩传感器，该新型光电式扭矩传感器结构简单、易于实现、特别是测量精度高，能够到达微秒级。

本实用新型通过以下方案达到上述目标：

一种新型光电式扭矩传感器，包括壳体、弹性转轴、轴承、左端轴承压盖、右端轴承压盖、左激光探头和右激光探头，

弹性转轴的上设置一段被测区域，在被测区域两端均设有外凸的轴肩，在两个轴肩上均设置色标带层，色标带层沿弹性转轴的轴向方向设置；

弹性转轴上在两个轴肩的外侧同时套入轴承并装入壳体内，两个轴承的外圈均接触壳体的内壁，两个轴承的内圈分别接触两个轴肩；左端轴承压盖和右端轴承压盖分别套入弹性转轴的两端并分别压住两个轴承的外圈，左端轴承压盖和右端轴承压盖均固联壳体；左激光探头和右激光探头均设置在壳体的内壁上且分别对应两段色标带层；左激光探头和右激光探头均包括发射探头和接收探头，发射探头靠近轴承，接收探头远离轴承。

对本实用新型技术方案的优选，色标带层由反光材料和吸光材料交替喷涂形成的条纹，条纹的宽度均相等。反光材料和吸光材料为现有技术中的常规材料，同时喷涂形成的条纹这也是现有技术中的常规工艺。

对本实用新型技术方案的优选，被测区域位于弹性转轴的中部。

本实用新型技术方案中发射探头和接收探头构成的激光探头为现有技术，本技术领域内的常规技术，本实用新型不作详细说明。

本实用新型与现有技术相比，其有益效果是：

本新型光电式扭矩传感器，结构简单、易于实现、特别是测量精度高，能够到达微秒级。

附图说明

图1是新型光电式扭矩传感器的结构示意图。

图2是新型光电式扭矩传感器的扭矩信号波形。

具体实施方式

下面对本实用新型技术方案进行详细说明，但是本实用新型的保护范围不局限于所述实施例。

为使本实用新型的内容更加明显易懂，以下结合附图1-2和具体实施方式做进一步的描述。

为了使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例：

如图1所示，本实施例的新型光电式扭矩传感器，包括壳体10、弹性转轴1、轴承6、左端轴承压盖8、右端轴承压盖9、左激光探头和右激光探头。

如图1所示，弹性转轴1的上设置一段被测区域，被测区域位于弹性转轴1的中部。在被测区域两端均设有外凸的轴肩，在两个轴肩上均设置色标带层11，色标带层11沿弹性转轴1的轴向方向设置；色标带层11由反光材料和吸光材料交替喷涂形成的条纹，形成的条纹为明暗条纹，条纹的宽度均相等。

如图1所示，弹性转轴1上在两个轴肩的外侧同时套入轴承6并装入壳体10内，两个轴承6的外圈均接触壳体10的内壁，两个轴承6的内圈分别接触两个轴肩；左端轴承压盖8和右端轴承压盖9分别套入弹性转轴1的两端并分别压住两个轴承6的外圈，左端轴承压盖8和右端轴承压盖9均固联壳体10；左激光探头和右激光探头均设置在壳体10的内壁上且分别对应两段色标带层11；左激光探头和右激光探头均包括发射激光探头2和接收激光探头3，发射激光探头2靠近轴承6，接收激光探头3远离轴承6。

本实施例新型光电式扭矩传感器，两个轴承6是两个相同的向心推力轴承，两个轴承6的内圈与弹性转轴1一起转动。

本实施例新型光电式扭矩传感器，左端轴承压盖8和右端轴承压盖9分别将两个轴承6的外圈固定，左端轴承压盖8和右端轴承压盖9与壳体10用M3的螺钉连接。

本实施例新型光电式扭矩传感器，是一种以现场可编程门阵列（FPGA）为核心的相位差式的扭转变形动态测量系统，FPGA器件采集到信号1和信号2，并对其运算得到相位差信号，如图2所示。对频率的测量采用测周期的方法，即在信号周期T时间内，对时标信号进行计数。设时标的信号频率是F0，以相位差信号高电平宽度作为控制信号来控制计算器在时间T2内对F0进行计数，则有T2=N/F0。

在弹性转轴色标带的上方设有一对激光探头，左激光探头和右激光探头，左激光探头和右激光探头对应地位于弹性转轴1上色标带层11的上方；左激光探头和右激光探头分别用来测量弹性转轴1被测区域两端的相位差，再由相位差计算得到扭矩值。

由材料力学可知：长度为L的弹性转轴1在受到大小为T的扭矩时，弹性转轴1轴将产生扭转变形，任意两个横截面绕中心轴发生相对转动，产生一个扭转角θ：

（1）

式中：G——材料的剪切模量；Ip——横截面的极惯性矩；

由于扭转角实际值非常小，难以直接测量，因此，在本实施例中采用了这样的两对激光探头来得到包含了转速与扭转角信息的脉冲信号。

设色标带层的条数为m，脉冲信号的周期T1和转速n（r/min），则它们的关系为：

（2）

可得： （3）

两路信号的相位差反映了扭矩的大小，随着扭矩的增大，两路的相位差也增大，反之则变小。设为两信号的相位差脉宽，可以推导出：

（4）

本实施例新型光电式扭矩传感器具体的工作原理是：当弹性转轴1转动时，弹性转轴1被测区域两端的色标带层11跟弹性转轴1一起转动，转动时，当轴肩上的反光条纹转动到发射激光探头2正下方时，发射激光探头2发出激光照射到反光条纹上，照射到反光条纹后再反射到接收探头3上，再由接收探头3上的光电元器件将其光电信号转化为电脉冲信号，最后再通过测量电路的处理得到弹性转轴1的转速，即得到转动转速n（r/min）。另一端的工作原理同理。

当弹性转轴1传递转矩时，弹性转轴1的被测区域将发生扭转变形，弹性转轴1的被测区域两端发生一定的时间差，经过实验测定，这个时间差检测能够达到微秒级，产生的脉冲信号也就出现相应的相位差，然后通过测量电路处理，得到弹性转轴1传递的转矩。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本实用新型的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本实用新型的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本实用新型技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本实用新型的权利要求范围当中。