专利名称：一种车用光电式转矩传感器的制作方法
技术领域：
本发明属于运输车辆专用电子设备技术领域，特别涉及电动助力转向系统中的光电式转矩传感器的结构设计，是一种非接触式光电转矩传感器。
该传感器存在如下问题其一，两个码盘2和3各设置若干个等距等相位或交错相位的透光孔，因而对两圈透光孔的尺寸精度、形状精度和位置精度要求相当高，使得码盘及相关部件的机械加工费用远远高出所用电子器件的费用。
其二，该传感器的精度约为10％，如此低的精度难以提高电动助力转向系统(EPS)系统的控制水平。
本发明是通过如下技术方案实现的一种车用光电式转矩传感器，主要由光源、光电转换器、扭杆以及安装在扭杆两端的码盘组成，其特征在于所述的光源采用一个发光二极管；所述的光电转换器采用两个光电池；所述的码盘采用一个带有透光孔的透光臂和一个带有导光孔的挡光臂；所述的发光二极管对准挡光臂的导光孔，安装在挡光臂的外侧，并与挡光臂一起左右旋转；所述的两个光电池固定在透光臂透光孔的外侧面上。
本发明的特征还在于所述的两个光电池和一个发光二极管的导线汇集成一个线束，所述的线束绕成螺旋线放置在绕线盒内。
所述的透光臂上透光孔的面积为挡光臂上导光孔面积的两倍，或二者面积相等。
所述的透光臂的扇形透光孔有左、右并排或上、下错开两种布置方式，两透光孔之间无间隙或有间隙。
所述的两个光电池呈正方形或长方形，并排布置或上下布置，两光电池之间无间隙或有间隙，并且与透光臂扇形透光孔的布置一一对应。
所述的透光臂上扇形透光孔的面积在两个光电池所包容的范围内。
本发明与现有技术相比，具有以下优点由于透光臂上带有一个或两个扇形的透光孔，挡光臂只有一个扇形导光孔，因而比起现有技术中具有两圈若干个透光孔的码盘，结构简单，易保证尺寸和形状精度，故成本低廉。另外，发光二极管与挡光臂导光孔的相对位置是不变的，即发光二极管照射在导光孔扇形面积的光强是稳定的，而现有技术中光源4与光电转换器1和1’固定在壳体上，当两个码盘3和2相对转动时，光源4投射在码盘上透光孔扇形面积上的光强是变化的，并且因各透光孔扇形面积的加工误差，在两码盘一起旋转时，增加了光强分布的不均匀性，故本发明的车用光电式转矩传感器有效的克服了现有技术中测量精度不高的缺陷。对于前桥载荷1000kg左右的轿车而言，转矩的测量范围为0～10Nm，测量精度可达2～3％，线性度为2～3％。本发明适合于运输车辆转矩的测量、特别适合用于转动圈数有限、转动速度较低的电动助力转向系统的转矩测量。
图2a为
图1码盘2的结构示意图。
图2b为图1码盘3的结构示意图。
图3为本发明的一种车用光电式转矩传感器实施例的结构示意图。
图4a和图4b为本发明光电池1和1’左右布置方式的示意图。
图4c和图4d为本发明光电池1和1’上下布置方式的示意图。
图5a和图5b为本发明带有透光孔的透光臂的结构示意图。
图6a和图6b为本发明带有导光孔的挡光臂的结构示意图。
图7a为本发明光电池1和1’左右布置与a型透光臂和a’型挡光臂组合后的中间位置示意图。
图7b为本发明图7a中挡光臂相对透光臂顺时针旋转+θ后的位置示意图。
图8a为本发明光电池1和1’上下布置与b型透光臂和b’型挡光臂组合后的中间位置示意图。
图8b为本发明图8a中挡光臂相对透光臂顺时针旋转+θ后的位置示意图。
图9为本发明实施例中线束绕成螺旋线的示意图。
图10为本发明实施例特性曲线的示意图。
图11为本发明车用光电式转矩传感器实施例总体结构的示意图。
本发明设计的一种车用光电式转矩传感器(如图3所示)，主要由光电池1和1’、透光臂2和挡光臂3、发光二极管4、线束5和扭杆6构成。透光臂2和挡光臂3分别固定在扭杆6的两端，两个光电池1和1’固定在透光臂2的外侧表面上，发光二极管4对准挡光臂3的导光孔，安装在挡光臂3的外侧，并可随其一起旋转。
透光臂2上有透光孔7(图5a和图5b)，挡光臂3上有导光孔7’(图6a和图6b)，而透光臂2上透光孔7的面积是挡光臂3上导光孔7’面积的两倍(图5a和图6a)或二者相等(图5b和图6b)。透光臂2和挡光臂3的对称中心线重合后，安装到扭杆6的两端。
本发明的工作原理如下当扭杆6在外载荷作用下产生相对转角θ时，透光臂2上的光电池1和1’的受光面积发生变化(一个增加，另一个减少)，光电池1和1’输出的短路电流也随之发生变化。光电池1和1’输出的短路电流之差与外载荷或扭杆6的转角θ成正比例，而与透光臂2和挡光臂3的一同旋转无关，该传感器特性曲线(由电流转换成电压)如图10所示。当发光二极管4、光电池1和1’一同旋转(约2圈)时，线束5在绕线盒内绕紧或放松。
本发明提出的光电池1和1’呈正方形或长方形，且有两种布置方式左右布置两个标准的正方形或长方形光电池1和1’并排布置，二者之间不留间隙或留有一定的间隙(图4a和图4b)。
上下布置两个标准的正方形或长方形光电池1和1’上下布置，二者上下之间不留间隙或留有一定的间隙，但左右必须错开布置(图4c和图4d)。
光电池1和1’接受光的面积受透光臂2和挡光臂3上透光孔7和导光孔7’的限制。
本发明提出的透光臂有两种透光孔的结构a型透光臂如图5a所示，透光臂上有一个面积为2S的扇形透光孔7分布在(r1-r2)的圆环上，左右布置。
b型透光臂如图5b所示，透光臂上有两个面积为S的扇形透光孔7分别分布在(r1-r2)和(r2-r3)的两个圆环上，并且上下错开布置。
本发明提出的挡光臂也有两种导光孔的结构a’型挡光臂如图6a所示，挡光臂上有一个面积为S的扇形导光孔7’，分布在(r1-r2)的圆环上。
b’型挡光臂如图6b所示，挡光臂上有一个面积为2S的扇形导光孔7’，分布在(r1-r3)的圆环上。
本发明在上述两种光电池的布置方式、两种透光孔的透光臂和两种导光孔的挡光臂的基础上提出两种组合方式a’a型组合把a’型挡光臂放在a型透光臂的上面，并使二者的对称中心线相重合，如图7a所示。其特点是a’型挡光臂面积为S的导光孔7’将a型透光臂面积为2S的透光孔7左右各挡去一半(图7a剖面线部分)。若以此作为中间位置，当a’型挡光臂相对a型透光臂顺时针旋转+θ角时，则a型透光臂右侧透光孔7的一半(面积为S)全部打开，而左侧透光孔7的一半(面积为S)全被挡住(图7b)。同理，当a’型挡光臂相对a型透光臂逆时针旋转-θ角时，a型透光臂左侧透光孔7的一半全部打开，而右侧透光孔7的一半全被挡住(图中未表示)。
b’b型组合把b’型挡光臂放在b型透光臂的上面，并使二者的对称中心线相重合，如图8a所示。其特点是b’型挡光臂面积为2S的导光孔7’将b型透光臂面积为2S的透光孔7上下各挡去一半(图8a剖面线部分)。若以此作为中间位置，当b’型挡光臂相对b型透光臂顺时针旋转+θ角时，则b’型挡光臂导光孔7’将b型透光臂右下方透光孔7全部打开(图8b)，而左上侧透光孔7全被挡住。相反，当b’型挡光臂相对b型透光臂逆时针旋转-θ角时，则b’型挡光臂的导光孔7’将b型透光臂左上侧透光孔7全部打开，而b型透光臂右下侧透光孔7全被挡住(图中未表示)。图8a和图8b中的交叉线区域是挡光臂的导光孔7’被透光臂挡住的部分。
从上述两种的组合可知如在透光臂2(a型或b型)的透光孔7上固定两个面积不小于S的光电池1和1’，即所述的透光臂上扇形透光孔的面积在两个光电池所包容的范围内，则由发光二极管4发射出的光线通过挡光臂3(a’型或b’型)上的导光孔7’照射在光电池1和1’上，便可获得如图10所示的具有差动特性的光电转矩传感器。图7a、7b、8a和8b中的点划线为光电池1和1’的固定位置。
本发明中，光电池1和1’输出电流转换成电压的信号线及发光二极管4输入电压的电源线，不需要通过特殊装置(节流环和接触器等)与外界连接，而是将二者的导线汇集成一根线束5，沿着圆周方向在绕线盒内绕成螺旋线(图9)，并直接输送到壳体外部。
本实施例采用了a’a型组合方式两个光电池1和1’沿圆周方向左右并排地固定在a型透光臂2的透光孔的外侧面上；发光二极管4对准a’型挡光臂3的导光孔，固定在套筒8上。透光臂2和挡光臂3分别安装在输出轴17和套筒8的内端，套筒8的外端压在输入轴11的内端，并分别用销子14和13将输出轴17和套筒8与扭杆6的两端固定在一起。光电池1和1’及发光二极管4的导线，通过绕线盒5与外界相连。
在外载荷的作用下，当输入轴11相对输出轴17产生相对转角θ时，透光臂2与挡光臂3亦产生相对位移，改变了透光孔的受光面积，进而改变了光电池的输出短路电流。该输出量反应了转矩的大小与方向，其特性曲线(由电流转换成电压)如图10所示。
当透光臂2和挡光臂3一起向某一方向旋转约两圈时，发光二极管4和光电池1和1’的线束在绕线盒5内绕紧或放松。
本实施例的转矩测量范围为0～10Nm，测量精度3％，线性度为3％，适用于前桥载荷1000kg左右轿车电动助力转向系统的转矩测量。
权利要求
1.一种车用光电式转矩传感器，主要由光源、光电转换器、扭杆以及安装在扭杆两端的码盘组成，其特征在于所述的光源采用一个发光二极管；所述的光电转换器采用两个光电池；所述的码盘采用一个带有透光孔的透光臂和一个带有导光孔的挡光臂；所述的发光二极管对准挡光臂的导光孔，安装在挡光臂的外侧，并与挡光臂一起左右旋转；所述的两个光电池固定在透光臂透光孔的外侧面上。
2.按照权利要求1所述的车用光电式转矩传感器，其特征在于所述的两个光电池和一个发光二极管的导线汇集成一个线束，所述的线束绕成螺旋线放置在绕线盒内。
3.按照权利要求1所述的车用光电式转矩传感器，其特征在于所述的透光臂上带有一个或两个扇形的透光孔；所述的挡光臂带有一个扇形导光孔。
4.按照权利要求3所述的车用光电式转矩传感器，其特征在于所述的透光臂上透光孔的面积为挡光臂上导光孔面积的两倍，或二者面积相等。
5.按照权利要求1-4所述的车用光电式转矩传感器，其特征在于所述的透光臂的扇形透光孔有左、右并排或上、下错开两种布置方式，两透光孔之间无间隙或有间隙。
6.按照权利要求5所述的车用光电式转矩传感器，其特征在于所述的两个光电池呈正方形或长方形，并排布置或上下布置，两光电池之间无间隙或有间隙，并且与透光臂扇形透光孔的布置一一对应。
7.按照权利要求1、3或4所述的车用光电式转矩传感器，其特征在于所述的透光臂上扇形透光孔的面积在两个光电池所包容的范围内。
全文摘要
一种车用光电式转矩传感器,属于运输车辆专用电子设备技术领域,是一种非接触式光电转矩传感器。本发明主要由两个光电池、一个带有透光孔的透光臂和一个带有导光孔的挡光臂、发光二极管、扭杆和导线线束组成。所述的透光臂和挡光臂分别固定在扭杆的两端;所述的光电池及发光二极管分别置于透光臂和挡光臂的外侧;所述的光电池和发光二极管的导线通过绕线盒与外界相连。本转矩传感器的结构简单,测量精度高,测量范围不受限制;对于前桥载荷1000kg左右的轿车而言,转矩的测量范围为0～10Nm,测量精度为2～3%,线性度为2～3%。本发明适合于运输车辆转矩、特别是电动助力转向系统转向转矩的测量。
文档编号G01L3/10GK1369695SQ02116308
公开日2002年9月18日 申请日期2002年3月22日 优先权日2002年3月22日
发明者季学武, 陈奎元 申请人:清华大学