一种重载车辆传动轴扭矩检测装置及误差校正方法
【专利摘要】本发明公开了一种重载车辆传动轴扭矩检测装置，包括：扭矩传感器，其设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩；校正传感装置，其设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩，作为检测装置的参考校正数据；模拟信号处理器，其连接所述扭矩传感器，接收所述扭矩传感器采集的数据信息，并对数据信息进行转换，滤波和放大后转换为数字信息发送出去；数据处理器，其连接模拟信号处理器和校正传感装置，接收所述模拟信号处理器和校正传感装置发送的数据信息，利用内置算法对数据进行校正，并设计了一种重载车辆传动轴扭矩检测误差校正方法，充分考虑温度和环境因素对测试结果误差的影响，灵敏度高。
【专利说明】
一种重载车辆传动轴扭矩检测装置及误差校正方法
技术领域
[0001] 本发明涉及一种扭矩测量装置，尤其涉及一种重载车辆传动轴扭矩检测装置以及 一种重载车辆传动轴扭矩检测误差校正方法。
【背景技术】
[0002] 传动轴扭矩和转速是计算和表征发动机实时动力性能的重要参量，对其高效性和 稳定性的要求是不言而喻的，扭矩测量原理分为平衡力法、能量转换法和传递法，平衡力法 是利用平衡扭矩去平衡被测扭矩，从而求得扭矩的方法，能量转换法是按照能量守恒定律 来测量扭矩的一种方法，通过测量其它与扭矩有关的能量系数来确定被测扭矩的大小，传 递法是根据弹性元件在传递扭矩时产生的物理参数的变化(变形、应力会应变)来测量扭矩 的方法，平衡力法只适用于匀速和静态的情况，能量转换法的间接测量因素太多，而且误差 大，这两组方法都不适合动态测量，因此急需一种采用传递法，能够准确实时测量传动轴扭 矩的装置。
【发明内容】
[0003] 本发明设计开发了一种重载车辆传动轴扭矩检测装置，其采用应变片式传感器作 为扭矩检测的基础传感器，并采用校正传感器同时检测传动轴扭矩进行校正，抗干扰能力 强，可靠性好。
[0004] 本发明还有一个目的是设计了一种重载车辆传动轴扭矩检测误差校正方法，充分 考虑温度和环境因素对测试结果误差的影响，灵敏度高。
[0005] 本发明提供的技术方案为：
[0006] -种重载车辆传动轴扭矩检测装置，包括：
[0007] 扭矩传感器，其设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩；
[0008] 校正传感装置，其设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩，作为检测装置 的参考校正数据；
[0009] 模拟信号处理器，其连接所述扭矩传感器，接收所述扭矩传感器采集的数据信息， 并对数据信息进行转换，滤波和放大后转换为数字信息发送出去；
[0010] 数据处理器，其连接模拟信号处理器和校正传感装置，接收所述模拟信号处理器 和校正传感装置发送的数据信息，利用内置算法对数据进行校正。
[0011]优选的是，所述扭矩传感器采用应变片式传感器。
[0012]优选的是，所述校正传感装置，包括：
[0013] 光电传感器，其设置在传动轴上，用于检测传动轴扭矩；
[0014] 脉冲信号处理器，其用于将光电传感器检测到的光脉冲信号传换成电信号后输 出。
[0015] 优选的是，所述光电传感器，包括：
[0016] 光电码盘，其数量为两个，中间具有圆孔，平行套设固定在传动轴上，并与所述传 动轴同轴安装，能够随传动轴旋转；
[0017] 光电开关，其数量为两个，设置在所述光电码盘顶部，用于检测光电码盘旋转位 置，并以光脉冲信号的形式输出。
[0018] 优选的是，所述光电码盘具有多个均匀分布的扇形通光孔和挡光孔，所述通光孔 和挡光孔对应的圆心角相同。
[0019] 优选的是，还包括射频发射器，其连接所述数据处理器，用于将校正后扭矩数据发 送给无线接收终端。
[0020] 优选的是，还包括自供电电池系统，其通过传动轴旋转产生的动能为电池充电。
[0021] 优选的是，所述自供电电池系统，包括：
[0022] 充电单元，其连接传动轴输出端；
[0023] 电池单元，其由多个电池模块串联；
[0024] 控制单元，其包括控制器和直流输出电路，连接所述电池单元输出端，通过控制器 来控制充电单元的充电电压，并调节电池模块的电压大小，以得到不同电池容量的电池箱。 [0025]本发明的目的还可以由一种重载车辆传动轴扭矩检测误差校正方法进一步实施， 其特征在于，包括：
[0026] 步骤一：由应变片式传感器，检测出传动轴的扭矩
[0027] Ma = G · Ip · Δ RR · K · La
[0028] 其中，G为传动轴的剪切弹性模量，^为与传动轴材料相关的常量，AR为应变片形 变前后电阻变化率，R为应变片形变前电阻，K为应变片的灵敏度系数，La为应变片式传感器 的两卡环的距离；
[0029]由校正传感装置，检测出传动轴的校正扭矩
[0030] Mp = G · Ip · At· Φ /T · Lp
[0031] 其中，G为传动轴的剪切弹性模量，IpS与传动轴材料相关的常量，At为两光电开 关输出光脉冲信号的相位差，Φ为光电码盘的圆心角大小，T为光电开关输出一个光脉冲信 号对应的脉宽;L e为两光电码盘之间的距离；
[0032]步骤二:计算校正后扭矩
[0033]
[0034]其中，Te为校正传感器温度。
[0035]本发明所述的有益效果
[0036] 1、本发明设计开发了一种重载车辆传动轴扭矩检测装置，其采用应变片式传感器 作为扭矩检测的基础传感器，并采用校正传感器同时检测传动轴扭矩进行校正，抗干扰能 力强，可靠性好。
[0037] 2、本发明还设计了一种重载车辆传动轴扭矩检测误差校正方法，充分考虑温度和 环境因素对测试结果误差的影响，灵敏度高。
[0038] 3、本发明设计的校正传感器由光电开关和光电码盘组成，其能够实现传动轴传动 过程中的实时检测，实用性强。
【附图说明】
[0039] 图1为本发明所述的扭矩传感器的结构示意图。
[0040] 图2为本发明所述的平衡桥电路示意图。
[0041 ]图3为本发明所述的校正传感装置结构示意图。
[0042]图4为本发明所述的光电码盘结构示意图。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图对本发明做进一步的详细说明，以令本领域技术人员参照说明书文 字能够据以实施。
[0044] 本发明提供的重载车辆传动轴扭矩检测装置，包括:扭矩传感器，校正传感装置， 模拟信号处理器和数据处理器。
[0045] 其中，如图1所示，扭矩传感器设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩，包 括：
[0046] 第一电阻应变片210,其设置在传动轴表面，并与轴线夹角为45° ;
[0047]第二电阻应变片220,其设置在传动轴表面，并与轴线夹角为-45° ;
[0048]第三电阻应变片230,其设置在传动轴表面，并与轴线夹角为45° ;
[0049]第四电阻应变片240,其设置在传动轴表面，并与轴线夹角为-45° ;
[0050]其中，第一电阻应变片210和第三电阻应变片230的夹角为90° ;第二电阻应变片 220和第四电阻应变片240的夹角为90°。
[00511柔性基底；
[0052]电阻应变传感层，其附着于所述柔性基底上，电阻应变传感层的电阻值随形状改 变而发生变化；
[0053] 电极，其数量为两个，设置在电阻应变传感层两端。
[0054] 作为一种优选，电阻应变传感层为金属导电薄膜，所述金属薄膜材质为金、铂、铜 和石墨烯中的一种，金属导电薄膜具有微米和纳米间隙结构。
[0055] 如图2所示，平衡电桥电路，其连接所述扭矩感应传感器，用于检测传动轴负载前 后扭矩感应传感器的阻值变化，并以电压差的形式输出；
[0056] 平衡电桥电路包括:第一电阻应变片210,其阻值为心，第二电阻应变片220,其阻 值为R 2，第三电阻应变片230，其阻值为R3，和第四电阻应变片240，其阻值为R4组成惠更斯电 桥，电压输入端为第三电阻应变片230和第四电阻应变片240两端，输入电压为U，电压输出 端为第二电阻应变片220第四电阻应变片240两端，输出电压为U 0;
[0057] 用电阻应变片对被测轴进行直接测量。它是将电阻应变片粘贴在弹性元件的适当 位置上，当弹性元件受到扭矩作用而产生机械应变时应变片的电阻将发生微小变化，致使 应变电桥失去平衡，输出和扭矩值成正比的微弱电压信号，然后再利用信号调理电路对信 号进行放大和滤波等处理，最终由力学中应变和扭矩的关系式计算出与之对应的扭矩值。 由材料力学的理论可知，在受到扭矩作用时，轴表面的主应力的方向和轴线的夹角为±45 度。故在扭矩传感器的弹性轴上，在与轴线成±45度的两个方向上分别粘贴两个电阻应变 片，组成差动的全桥形式，则电桥输出的微弱电压信号与扭矩值成正比。
[0058]当传动轴负载后扭矩发生变化，第一电阻应变片210电阻值变大，第二电阻应变片 220电阻值变小，电压输出端电压变小。
[0059] 如图3所示，校正传感装置，其设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩，作 为检测装置的参考校正数据;包括：
[0060] 光电传感器，其设置在传动轴300上，用于检测传动轴扭矩；
[0061] 脉冲信号处理器，其用于将光电传感器检测到的光脉冲信号传换成电信号后输 出。
[0062]其中，光电传感器，包括：
[0063] 光电码盘320,其数量为两个，中间具有圆孔，平行套设固定在传动轴上，并与所述 传动轴同轴安装，能够随传动轴旋转；
[0064] 光电开关310,其数量为两个，设置在所述光电码盘顶部，用于检测光电码盘旋转 位置，并以光脉冲信号的形式输出。
[0065] 如图4所示，光电码盘具有多个均匀分布的扇形通光孔和挡光孔，所述通光孔和挡 光孔对应的圆心角完全相同。
[0066] 当传动轴开始转动时，两个光电码盘均匀分布的扇形通光孔及挡光板分别扫过光 电开关形成了亮/暗光脉冲信号，光电开关将信号以方波脉冲信号形式输出，为了保证测量 的准确性，两个光电码盘安装时必须与被测传动轴同轴，以保证光电开关扫过的圆心角相 等，当传动轴无负载转动时，两路信号存在一个不变的相位差，当传动轴负载增加时，两个 光电开关输出的两路光脉冲信号之间的相位差也随之增加，通过检测相位差变化，即可计 算出两个光电码盘的扭转角度变化。
[0067] 模拟信号处理器，其连接所述扭矩传感器，接收所述扭矩传感器采集的数据信息， 并对数据信息进行转换，滤波和放大后转换为数字信息发送出去；
[0068]数据处理器，其连接模拟信号处理器和校正传感装置，接收所述模拟信号处理器 和校正传感装置发送的数据信息，利用内置算法对数据进行校正。
[0069]射频发射器，其连接数据处理器，用于将校正后扭矩数据发送给无线接收终端。作 为一种优选，选用基于CClllO的无线射频发射电路;在定子电路中，扭矩信号被CClllO的接 收电路接收后，送给外围的液晶模块来实时显示瞬时扭矩的大小和方向，并与上位机通讯。
[0070] 自供电电池系统，其通过传动轴旋转产生的动能为电池充电。
[0071] 自供电电池系统，包括：
[0072] 充电单元，其连接传动轴输出端，通过传动轴旋转产生的动能为电池充电；
[0073] 电池单元，其由多个电池模块串联；
[0074] 控制单元，其包括控制器和直流输出电路，连接所述电池单元输出端，通过控制器 来控制充电单元的充电电压，并调节电池模块的电压大小，以得到不同电池容量的电池箱。 [0075] 一种重载车辆传动轴扭矩检测误差校正方法，其特征在于，包括：
[0076] 步骤一：由应变片式传感器，检测出传动轴的扭矩，
[0077] Ma = G · Ip · Δ R/R · K · La，其单位为N.m;
[0078] 其中，G为传动轴的剪切弹性模量，其为常数，Ip为与传传动轴材料相关的传动轴 转动惯量，其为常数，A R为应变片形变前后电阻变化率，其单位为Ω，R为应变片形变前电 阻，其单位为Ω，K为应变片的灵敏度系数，其为常数;La为应变片式传感器的两卡环的距 离，其单位为m;
[0079]由校正传感装置，检测出传动轴的校正扭矩
[0080] Mp = G ·ΙΡ· At· Φ/Τ· Lp 其单位为 N.m;
[0081] 其中，G为传动轴的剪切弹性模量，其为常数；Ip为与传动轴材料相关的传动轴转 动惯量，其为常数，At为两光电开关输出光脉冲信号的相位差，其单位为 8，Φ为光电码盘 的圆心角大小，其单位为弧度，T为光电开关输出一个光脉冲信号对应的脉宽，其单位为S; Le为两光电码盘之间的距离，其单位为m;
[0082]步骤二:计算校正后扭矩
[0083]
[0084]其中，Te为校正传感器温度，其单位为K。
[0085]尽管本发明的实施方案已公开如上，但其并不仅仅限于说明书和实施方式中所列 运用，它完全可以被适用于各种适合本发明的领域，对于熟悉本领域的人员而言，可容易地 实现另外的修改，因此在不背离权利要求及等同范围所限定的一般概念下，本发明并不限 于特定的细节和这里示出与描述的图例。
【主权项】
1. 一种重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，包括： 扭矩传感器，其设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩； 校正传感装置，其设置在重载车辆传动轴上，用于检测传动轴扭矩，作为检测装置的参 考校正数据； 模拟信号处理器，其连接所述扭矩传感器，接收所述扭矩传感器采集的数据信息，并对 数据信息进行转换，滤波和放大后转换为数字信息发送出去； 数据处理器，其连接模拟信号处理器和校正传感装置，接收所述模拟信号处理器和校 正传感装置发送的数据信息，利用内置算法对数据进行校正。2. 根据权利要求1所述的重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，所述扭矩传感器 采用应变片式传感器。3. 根据权利要求1所述的重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，所述校正传感装 置，包括： 光电传感器，其设置在传动轴上，用于检测传动轴扭矩； 脉冲信号处理器，其用于将光电传感器检测到的光脉冲信号传换成电信号后输出。4. 根据权利要求3所述的重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，所述光电传感 器，包括： 光电码盘，其数量为两个，中间具有圆孔，平行套设固定在传动轴上，并与所述传动轴 同轴安装，能够随传动轴旋转； 光电开关，其数量为两个，设置在所述光电码盘顶部，用于检测光电码盘旋转位置，并 W光脉冲信号的形式输出。5. 根据权利要求4所述的重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，所述光电码盘具 有多个均匀分布的扇形通光孔和挡光孔，所述通光孔和挡光孔对应的圆屯、角相同。6. 根据权利要求1所述的重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，还包括射频发射 器，其连接所述数据处理器，用于将校正后扭矩数据发送给无线接收终端。7. 根据权利要求1所述的重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，还包括自供电电 池系统，其通过传动轴旋转产生的动能为电池充电。8. 根据权利要求7所述的重载车辆传动轴扭矩检测装置，其特征在于，所述自供电电池 系统，包括： 充电单元，其连接传动轴输出端； 电池单元，其由多个电池模块串联； 控制单元，其包括控制器和直流输出电路，连接所述电池单元输出端，通过控制器来控 制充电单元的充电电压，并调节电池模块的电压大小，W得到不同电池容量的电池箱。9. 一种重载车辆传动轴扭矩检测误差校正方法，其特征在于，包括： 步骤一：由应变片式传感器，检测出传动轴的扭矩 Ma = G · Ip · Δ R/R · κ · La 其中，G为传动轴的剪切弹性模量，Ip为与传动轴材料相关的常量，Δ R为应变片形变前 后电阻变化率，R为应变片形变前电阻，K为应变片的灵敏度系数，La为应变片式传感器的两 卡环的距离； 由校正传感装置，检测出传动轴的校正扭矩 Me二G · Ip · Δ t · Φ /Τ · Le 其中，G为传动轴的剪切弹性模量，Ip为与传动轴材料相关的常量，Δ t为两光电开关输 出光脉冲信号的相位差，Φ为光电码盘的圆屯、角大小，T为光电开关输出一个光脉冲信号对 应的脉宽;Le为两光电码盘之间的距离； 步骤二:计算校正后扭矩 /1/ = 0.39()1〇.0024. M"] + 0.996. + 2.45. + 化695_| exp [0.0068(7； - 298) 其中，Τβ为松正传感器温度。
【文档编号】G01L5/00GK105841865SQ201610311215
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2016年5月11日
【发明人】卫振彪, 牛占军, 黄永生, 卢晓兵, 余正根, 宋咸斌, 郑坤鹏
【申请人】中国人民解放军装甲兵技术学院