专利名称：旋转轴载荷传感器的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及传感器领域，特别提供一种旋转轴载荷传感器。
背景技术：
旋转轴载荷传感器可分为轴向力传感器和扭矩(转矩)传感器两大类。
旋转轴向力传感器主要用来测量旋转轴所受到的轴向力，如石油钻机钻杆所受到的重力、钻头对岩层的压力，螺旋机构螺杆轴所受的推力等。当前用得较多的旋转轴向力传感器，多使用电刷-滑环导电，其优缺点与下述第3种旋转扭矩传感器相同。
旋转扭矩传感器主要用于测量旋转机械轴的扭矩负荷。旋转机械的种类很多，如汽油发动机、柴油发动机、电动机、液压马达、水力涡轮机，汽轮机等。通过测量输出轴的扭矩和转速，可以算出轴的输出功率。在许多重要的传动链中，还用扭矩传感器来监测轴的扭矩，防止扭矩过大而造成机械的损坏，如石油钻机的钻杆保护、电动阀门的扭矩保护等。在工业自动化控制和计量测试领域，旋转扭矩传感器都是非常重要的测量装置。
机械轴一方面要承受扭矩，另一方面又在旋转，这就给旋转扭矩的测量带来了一定的难度。当前用的较多的旋转扭矩传感器有以下三种1、相位差式旋转扭矩传感器。
在旋转轴的两端装有两组齿数、形状及安装角度完全一致的齿轮，在没有扭矩的情况下，齿与齿完全对齐，之间没有相位差。当轴受到扭矩的作用时，由于轴的变形，两个齿轮之间就会产生相对的转动，通过无接触光或磁等测量手段，测出两个齿轮之间的相位差，就可以推算出相应的扭矩。
这种装置的优点是无接触测量，在测量过程中，不会带来附加的磨擦，不影响装置的灵敏域和精度。
缺点是为了得到足够的灵敏度，轴必须做得较长，体积大，重量重，低速性能不理想。
2、电磁感应式旋转扭矩传感器。
这类传感器用电阻应变片来感受轴所受的扭矩，在轴上装有应变片和电子电路，并和轴一起旋转。定子和转子上装有两对电磁感应线圈，一对用于电源激励，供给轴上所需的电源，另一对用于信号输出。
这种装置的优点是无接触式测量，没有附加的磨擦，不影响灵敏域和精度，可用在高速下测量。体积小，重量轻，能达到一定的精度，是当前旋转扭矩测量的主流产品。
缺点是结构复杂，造价高，转动惯量大，动态跟随性差。在高速下使用，对动平衡的要求很高。
3、电刷-滑环式旋转扭矩传感器。
这类装置也是通过轴上的应变片来感受扭矩，不同之处在于轴上应变片电桥和电子电路所需的电源，以及信号的输出都是通过接触式的电刷-滑环来实现的。
这种装置的优点是结构简单，易加工，造价低，动态跟随性好，对动平衡的要求也不高。
缺点是因为电刷-滑环在旋转运动中属于磨擦接触，为保证导电的可靠性，又必须加上一定的压力，这就加大了磨擦，也加重了磨损。整机的寿命较短。而且在振动和冲击的情况下，电刷容易跳开造成断电，输出信号受断电和电刷接触电阻变化的影响，高次谐波较多。一般只能用在中速以下的旋转测量，限制了它的使用范围。
综上所述，第一种相位差式传感器的体积和重量都比较大，在体积和重量受到限制的场合就不太适用，显然第二和第三两种应变式的要优于第一种。这正是在实践中应变式正在逐渐取代相位差式的原因。后面两种应变式传感器相比，如果能够克服第三种电刷-滑环式的缺点，延长传感器的寿命，改善信号的质量，扩大高转速的应用范围，则会具有很强的竞争力。
发明内容
本实用新型改进现有旋转式载荷传感器的诸多不足，提供一种旋转式载荷传感器，包括传动轴，至少两个对传动轴起支撑作用的轴承组件，封装轴承组件的壳体，以及设置在传动轴上检测轴载荷的信号检测电路；所述的传感器还包括有绝缘套，设置在轴与轴承组件以及轴承组件和壳体之间；所述的信号检测电路经轴承组件电连接于工作电源和输出端。
所述轴承组件内涂有导电润滑油脂，以保证可靠导电和轴承润滑。
所述的信号检测电路由应变片电桥及工作电路组成，检测应变信号并放大变换输出。
所述的信号检测电路可并联设置为两个，每个检测电路的输入输出端分别顺次串联一个二极管，使流经两个检测电路的电流方向相反，以形成双余度旋转轴载荷传感器。
所述轴承组件为滚动轴承组件或者滑动轴承组件。
所述轴载荷为轴向力和扭矩(转矩)之一或组合。
当只用两个轴承组件时，可以制成二线制4-20mA输出的旋转式载荷变送器。并且因为有4-20mA的输出，可以制成本质安全防爆型的变送器。
本实用新型所述旋转式载荷传感器，具有以下优点1、用绝缘套把电刷-滑环式旋转载荷传感器上已有的轴承组件和壳体及轴隔离开，使它既可以用来支承轴的旋转，又可以导电，从根本上取消了容易磨损的电刷-滑环。
2、在转动件和静止件之间涂有专用的，既可以润滑轴承又可以导电的导电油脂，使传感器寿命大为延长，也显著改善了导电的可靠性和信号的质量。
3、在使用滚动轴承时，这种旋转式载荷传感器可以在高转速下使用。
4、只用两个轴承组件时，可以制成二线制4～20mA输出的旋转式载荷变送器。
5、如果在轴上装有两套完全独立的电桥和电路，用二极管反向隔离，可以构成可靠性极高的双余度(双保险)系统。当一套系统有故障时，只要把电源正负极和负载一换，就可以启动另一套系统工作。
6、因为有4～20mA的输出，就可以制成本质安全防爆型的旋转式载荷变送器。
下面以具体实施例并结合附图详细说明本实用新型。
图1为实施例一所述旋转轴向力传感器，选用滑动轴承时的结构图；图2为实施例一所述旋转轴向力传感器，选用滚动轴承的结构图；图3滑动轴承(或滚动轴承外环)和壳体隔离结构示意图；图4滑动轴承环轴(或滚动轴承内环)和轴隔离结构示意图；图5为实施例二所述双余度变送器的电路连结图；图6为实施例三所述旋转扭矩传感器结构图；图7为实施例三具体实施例电路图。
附图编号说明1、旋转轴；2、壳体；3、4、绝缘套；5、地线；6、滑动轴承的轴套(或滚动轴承的内环)；7、滑动轴承(或滚动轴承的外环)、8、应变片电桥；9、电子电路；10、正电源线；11、负电源线(兼信号线)。
具体实施方式
实施例一旋转轴向力传感器如图1、图2所示，图1、图2为设计结构图。图1中的轴承为滑动轴承，图2结构为滚动轴承。具体结构包括1、旋转轴；2、壳体；3、4、绝缘套；5、地线；6、滑动轴承的轴套(或滚动轴承的内环)；7、滑动轴承(或滚动轴承的外环)、8、应变片电桥；9、电子电路；10、正电源线；11、负电源线(兼信号线)。轴承组件包括两个滚动轴承或两个滑动轴承付，分别位于轴的两端，支撑轴的旋转并作为电气部分的导电端子，用绝缘套3、4套上和旋转轴1及壳体2作电性隔离，为保证可靠导电和轴承的润滑，轴承内涂有专用的导电润滑油脂；应变片电桥及电子电路组成信号检测电路，固定在轴上与轴一起旋转，功能是连接电源、检测轴向载荷，同时将应变信号放大、变换并馈送到输出端，其两端分别电性连接于两端轴承上与轴固定连接的部位；当轴承为滑动轴承付时，检测电路的两端电性连接在滑动轴承的轴套上，电源的正、负端连接在两个滑动轴承上；当轴承为滚动轴承时，检测电路的两端电性连接在轴承的内环上，电源的正、负端相应的连接在两个轴承外环上，负电源线兼作信号线。
如图3、图4所示，绝缘套安装在轴与轴承组件之间以及轴承组件和壳体之间。图3为滑动轴承(或滚动轴承外环)和壳体隔离结构示意图；图4为滑动轴承的轴套(或滚动轴承内环)和轴隔离结构示意图。
当轴受到轴向拉力或压力时，轴上的应变片电桥检测到这些力引起的应变信号，通过电子电路的放大、变换，变成所需的输出信号，馈送到输出端。
实施例二双余度旋转扭矩变送器本实施例的机械结构和图2相同，电路部分如图5所示，在旋转轴上贴有两套相同的应变片电桥，装有两套相同的电子电路，组成两套完全相同、但又互相独立的信号检测电路，构成双余度旋转扭矩变送器。每套检测电路的输入输出端分别顺次串联一个二极管，使流经两个检测电路的电流方向相反，彼此隔离，当一套电路出现故障不能正常工作时，现场人员可以很方便地把电源正、负端互换，把负载电阻移到新的负端，就可以启动另一套电路工作。
当只用两个轴承组件时，可以制成二线制4-20mA输出的旋转式载荷变送器。并且因为有4-20mA的输出，可以制成本质安全防爆型的变送器。
实施例三旋转扭矩传感器图6为本实施例设计结构图，用于测量旋转轴的扭矩。具体包括旋转轴1；壳体2；滑动轴承的轴套6；滑动轴承7，以及应变片电桥；绝缘套；地线；电子电路；正电源线；负电源线(兼信号线)。轴承组件包括两个滑动轴承付，分别位于轴的两端，用绝缘套套上和旋转轴及壳体作电性隔离，支撑轴的旋转并作为电气部分的导电端子，为保证可靠导电和轴承的润滑，轴承内涂有专用的导电润滑油脂；应变片电桥及电子电路组成信号检测电路，固定在轴上与轴一起旋转，功能是连接电源、检测轴所受的扭矩，同时将应变信号放大、变换并馈送到输出端，其输入输出端分别电性连接于两端轴承上与轴固定连接的部位；检测电路的两端电性连接在滑动轴承的轴套上，电源的正、负端连接在两个滑动轴承上；负电源线兼作信号线。
如图3、图4所示，绝缘套安装在轴与轴承组件之间以及轴承组件和壳体之间。当轴受到扭矩时，应变片电桥检测到扭矩引起的应变信号，通过电子电路的放大、变换，变成所需的输出信号，馈送到输出端。
图7为本传感器所使用的电子电路。图中XTR106为专用的集成电路模块，其功能是把应变片电桥测到的弱信号，转换成4-20mA的标准变送器信号，通过电源负端，传送到取样电阻，再通过取样电阻馈送到计算机或显示仪表上去。图7右边所标注的电源24V接电源正端，0V接取样电阻后再接到电源负端。
本实施例所述的扭矩传感器，可以工作到6000rpm的高转速范围，精度可以达到0.5％。
权利要求1.一种旋转轴载荷传感器，包括传动轴，至少两个对传动轴起支撑作用的轴承组件，封装轴承组件的壳体，以及设置在传动轴上检测轴载荷的信号检测电路，其特征在于所述的传感器还包括有绝缘套，设置在轴与轴承组件以及轴承组件和壳体之间；所述的信号检测电路经轴承组件电性连接于工作电源和输出端。
2.如权利要求1所述的旋转轴载荷传感器，其特征在于所述轴承组件内涂有导电润滑油脂，以保证可靠导电和轴承润滑。
3.如权利要求1所述的旋转轴载荷传感器，其特征在于所述的信号检测电路由应变片电桥及工作电路组成，检测应变信号并放大变换输出。
4.如权利要求1所述的旋转轴载荷传感器，其特征在于所述的信号检测电路可并联设置为两个，每个检测电路的输入输出端分别顺次串联一个二极管，使流经两个检测电路的电流方向相反，以形成双余度旋转轴载荷传感器。
5.如权利要求1——4任意一项所述的旋转轴载荷传感器，其特征在于当使用两个轴承组件时，传感器的输出为二线制4～20mA。
6.如权利要求1所述的旋转轴载荷传感器，其特征在于所述轴承组件为滚动轴承组件或者滑动轴承付组件。
7.如权利要求1所述的旋转轴载荷传感器，其特征在于所述轴载荷为轴向力和转矩之一或组合。
专利摘要本实用新型涉及传感器领域，特别提供一种旋转轴载荷传感器。包括传动轴，至少两个对传动轴起支撑作用的轴承组件，封装轴承组件的壳体，以及设置在传动轴上检测轴载荷的信号检测电路；还包括有绝缘套，设置在轴与轴承组件以及轴承组件和壳体之间；信号检测电路经轴承组件电连接于工作电源和输出端；轴承组件内涂有导电润滑油脂，以保证可靠导电和轴承润滑；信号检测电路由应变片电桥及工作电路组成，检测应变信号并放大变换输出。
文档编号G01L5/12GK2694245SQ20042000741
公开日2005年4月20日 申请日期2004年3月17日 优先权日2004年3月17日
发明者汪晓亭 申请人:汪晓亭, 时海亮, 陈红