专利名称：基于环型空间阵列的扭矩测量方法
技术领域：
本发明属于传感与测量控制领域，具体涉及一种极端环境下的机械转轴动态扭矩 的测量方法。
背景技术：
从物理学和材料力学出发，扭矩测量方法可以分为传递法、平衡力法和能量转换 法三大类。在这三种扭矩测量方法中，传递法利用扭矩使弹性轴产生扭转变形的方法来测 量其扭矩，原理简单，仪器轻便，目前使用较为广泛。但目前针对强冲击、高温、腐蚀、振动大 等极端环境下机械旋转轴的扭矩测量仍无有效的检测方法。重庆大学设计“一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头”，包括读数头壳体1和马 蹄形衔铁芯10。如图1-图3所示，读数头壳体1由对称的两部分在销孔7处通过螺钉等连 接而成；每一对称部分可分为外壳3和凹型内壳4，内壳4侧壁上有梯形斜槽9，内、外壳由 硬铝合金一次性整体加工成型。两对称部分的内壳4组成圆弧通道6，所述通道6用于嵌套 在环型空间阵列外部，使得读数头壳体能够沿着环型空间阵列做完整的圆周运动；两对称 部分外壳3组成腔体5。所述腔体5内放置马蹄形衔铁芯10，衔铁芯端部12比较薄，其厚度为1mm，主要是 为了读数头在和环型空间阵列有相对移动时，能对磁性钢球起到扫描的作用。衔铁芯端部 12可放入内壳侧壁上的梯形斜槽11内，以实现读数头壳体1和马蹄形衔铁芯10的紧密结 合，提高读数头的密封性。如图4所示，马蹄形衔铁芯10上缠绕有两组线圈11，其中一组为激励线圈，输入为 激励电流；另一组为感应线圈，输出为相应的感应电压信号。如图5所示，马蹄形衔铁芯10置于读数头壳体1的腔体5中，读数头壳体1的顶 部通过上盖2，在销孔8处通过螺钉等进行密封固定。整个读数头用塑胶进行密封。使用 时，将所述读数头的圆弧通道6嵌套在环型空间阵列外部，并通过支架将读数头固定，以确 保圆弧通道6与环型空间阵列表面的间隙为0. 2mm。激励线圈和感应线圈之间的互感原理 为
式中，M。表示两线圈的互感系数，^表示感应线圈的互感电流。 当激励电压对应的相量为…，激励线圈的等效电阻为巧，等效电感分别为k，则 h=Uj(2)
则感应线圈的互感电压c>21的有效值为
(4)
式中、二 W/0,2+W2Z丨)V2为常数。因此，感应线圈输出电压的幅值正比于两线圈之 间的互感系数M0，而互感系数礼与磁介质的性质有关。在本发明中，互感系数M。与线圈所 围的磁性钢球的有效体积有关。由于该有效体积是周期性变化的，因此互感系数也应呈周 期变化。当线圈相对于环型空间阵列的位移为X，并设某一磁性钢球的球心为0点，此时所 对应的互感系数礼最大，可表达为M0 = k2 [cos (2 31 x/D) +A](5)式中D为磁性钢球的直径，k2为常量，A为互感系数产生的直流分量，k2A代表线圈 之间的固有互感系数。当对激励线圈所加的电压Ul为= Usin(wt)(6)则感应线圈所感应的电压u2为u2 = kik2U [cos (2 3i x/D) +A] sin (wt+ 0 ) = kU [cos (2 n x/D) +A] sin (wt+ 0 ) (7)其中，k = kik2为比例系数，e是感应电压和激励电压之间的固有相差。由此可 知，感应电压的幅值受到环型位移x的调制，对感应电压信号进行解调，即可得到环型位移 的变化量，从而实现扭矩信息到电信号的转化。
发明内容
本发明针对极端环境下的动态扭矩测量尚无有效检测方法的现状，将所述扭矩传 感器读数头嵌套在环型空间阵列外部，构成环型空间阵列扭矩传感器，提出基于环型空间 阵列传感器测量极端环境下的动态扭矩测量方法。所述环型空间阵列，由一根闭合的环型非磁性不锈钢管和一定数目的磁性钢球组 成，磁性钢球在管内单排紧密排列；闭合的环型非磁性不锈钢管的大小，根据受测机械转轴 的直径而定。安装时，所述闭合的环型非磁性不锈钢管嵌套在受测机械转轴上，并通过钢管 上均勻分布的四个通孔，用螺钉等固定环型空间阵列，使环型空间阵列和机械转轴一起转动。本发明的技术方案如下将所述环型空间阵列扭矩传感器以一定间距安装在机械转轴上，两个传感器的读 数头在空间环型阵列上的起始位置都相同。为传感器加载激励电流，当机械转轴产生扭矩 作用时，测量出传感器所输出的两个与环型位移量成正比的正弦信号，对所述正弦信号进 行预处理、采集、滤波整形、解调后，计算两个信号间的相位差，解出扭转角，从而利用扭转 角与扭矩的关系，测出扭矩值。本发明能够实现极端环境下机械转轴动态扭矩的测量，测量条件不受外部环境的 制约，安装简单，能适用于水轮机、地质勘探等极端环境下的机械转轴扭矩测量。同时，由于 直接采用软件处理输出电信号，能够有效避免普通电路处理带来的“数-模”转换引起的误 差，测量精度高。
图1 “一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头”读数头壳体结构的正面示意5
图2 “一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头”读数头壳体结构的A-A剖面图；图3 “一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头”读数头壳体结构的B-B剖面图；图4 “一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头”马蹄形衔铁芯的正面示意图；图5 “一种环型空间阵列扭矩传感器的读数头”读数头整体结构示意图；图6本发明中的扭矩测量系统结构示意图；图7本发明测量方法流程示意图。图中1_读数头壳体；2-读数头壳体上盖；3-外壳；4-凹型内壳；5-腔体；6-圆弧 通道；7-连接读数头两对称部分的销孔；8-固定读数头壳体上盖的销孔；9-凹型内壳侧壁 上的梯形斜槽；10-马蹄形衔铁芯；11-衔铁芯线圈；12-衔铁芯端部。
具体实施例方式下面结合附图，进一步说明本发明的
具体实施例方式(1)安装传感器如图6，将两个完全相同的环型空间阵列扭矩传感器固定在机械转轴上，并能随机 械转轴一起旋转；两个环型空间阵列扭矩传感器的间距为L，各自相应读数头在环型空间 阵列上的起始位置都相同，并不能随环型空间阵列旋转。当机械转轴旋转时，每个传感器的 读数头和相应的环型空间阵列之间具有相对位移。(2)为传感器加载激励电流如图6，分别为两个环型空间阵列传感器加载完全一致的激励电流，通过采集卡的 模拟输出功能输出一定频率的正弦电压，然后利用电流放大电路，将此完全一致的正弦电 压转换为同频率的正弦电流作为两个传感器的激励电流。给两环型空间阵列提供完全一致 的激励信号，当机械转轴上的两个环型空间阵列所对应的截面位置上没有相对转动时，则 两传感器的感应信号也完全一致；当两截面有相对转动时，也即具有扭转角时，设其扭转角 为小，并设此时对应的角速度为%，则两传感器中读数头相对于环型空间阵列的相对位移 为
X, = R(w0t + <p)(8)x2 = Rw0t(9)其中，R为环型空间阵列外边缘到机械转轴轴线的垂直距离。当两个环型空间阵 列获取的激励电压为Usin(Wt)时，根据读数头的工作原理，可得两环型空间阵列传感器的 感应电压分别为
u2i 二Rw0t + — R(p) + A] sii^w/1 + 6)
2nu22 = kU[cos(— Rw0t) + A] sin(wr + 9)(3)对传感器的输出信号进行预处理由于传感器所输出的信号比较弱，需要对其进行放大处理，并滤除部分干扰信号。 因此利用放大电路和滤波电路对传感器的输出信号进行预处理，经此处理后，再将其输出 电压信号提供给后续的采集系统进行采集。
(10) (11)
(4)利用采集卡采集电压信号由于整个扭矩测量平台是在LabVIEW中实现的，因此需要将预处理后的传感器的 输出电压采集到计算机中进行分析和处理，这里采用NI数据采集卡PCI-6221来完成。(5)对采集后的信号进行滤波整形由于传感器所输出的信号并非理想的正弦信号，而是多个谐波成分的叠加信号， 其基波频率是与激励电流的频率一致。为了后续信号的处理，需要对所采集的信后进行滤 波处理，滤波后只留下谐波成分中幅值较大的成分，这样信号就变成了较为理想调幅信号。(6)对滤波整形后的信号进行解调经步骤(5)处理后的信号是一个调幅信号，需要进一步对其解调，其解调方法是 利用软件锁相环、90°相移器和低通滤波器来实现调幅信号的同步解调。首先是将调幅波 加在锁相环的输入端，当锁相环工作在锁定状态时，锁相环将输出与输入信号中的载波分 量频率相同，相位相差90°的电压信号，然后将此信号相移90°后就得到同步检波的参考 信号，最后利用此参考信号和输入的调幅信号相乘，再经过低通滤波器滤波后就得到调制 信号。(7)计算两信号的相位差为了得到扭矩的信息，还需要进一步计算解调后的两路调制信号的相位差。其方 法是将两个调制信号分别送到相同配置的LabVIEW中的FFT Spectrum函数，得到它们的幅 频和相频特性，然后分别将四个输出送到LabVIEW中的Unbundle族函数，从族中提取出数 组。为了计算相位差，先从波形的幅值数组中搜索具有最大幅值元素的索引号，然后到相位 数组中找到对应的相位，并求出与360相除后的余数，对两个波形都进行这样的处理，相减 就得到相位差。(8)根据相位差计算扭矩根据材料力学原理，当扭矩M作用在直径为d、长度为L的弹性轴上时，轴将在材料
的弹性极限内产生与扭矩成线性关系的扭转角识，有 式中，G为切变模量；Ip为极惯性矩，对直径为d的圆轴，有
(13)所以就有
(14)式(10)和式(11)所述感应电压，经过步骤(3)_(7)处理后，获得两调制信号之间
的相位差Φ为 则扭转角识为
φ = —Φ(16)
则由(14)式和(16)式可得扭矩为M = Gd4D Φ / (64RL)(17)其中，G为切变模量，d为机械转轴的直径，D为环型空间阵列内磁性钢球的直径， R为环型空间阵列外边缘到机械转轴轴线的垂直距离，L为两传感器之间的距离。(9)对结果的校正并显示最后结果 由于传感器在安装过程中会出现定位误差，这就导致经过以上几个步骤后所得的 扭矩具有一定的误差，但此误差属于系统误差，需要消除系统误差。其方法是利用标准的扭 矩传感器来进行定标，先是在负载不变的情况下利用本传感器和标准扭矩传感器的多次测 量值进行比较，然后变换负载，再进行重复测量比较，这样就得到系统误差，利用此系统误 差对步骤(8)中的扭矩进行校正。(10)断开传感器的激励电流测量完成，当机械停止工作后，断开传感器的激励电流来结束扭矩的测量。由于在机械工作过程中需要实时监控其工作状态，需要进行在线动态扭矩测量， 因此需要循环步骤(4) (9)，当机械停止工作后，扭矩的测量也可以停止了，扭矩测量的 停止需要通过步骤(10)，即断开传感器的激励电流来结束扭矩的测量。以上给出的实施例用以说明本发明和它的实际应用，并且因此使得本领域的技术 人员能够做出和使用本发明。但这仅仅是一个较佳的实施例，并非对本发明作任何形式上 的限制，任何一个本专业的技术人员在不偏离本发明技术方案的范围内，依据以上技术和 方法作一定的修饰和变更当视为等同变化的等效实施例。
权利要求
基于环型空间阵列的扭矩测量方法，其特征在于具体步骤如下(1)安装传感器将两个完全相同的环型空间阵列扭矩传感器固定在机械转轴上，两个环型空间阵列扭矩传感器的间距为L，各自相应读数头在环型空间阵列上的起始位置都相同；(2)为传感器加载激励电流通过采集卡的模拟输出功能输出一定频率的正弦电压U sin(wt)，然后利用电流放大电路，将所述完全一致的正弦电压转换为同频率的正弦电流作为两个传感器的激励电流，当机械转轴上的两个环型空间阵列所对应的截面有相对转动时，两环型空间阵列传感器的感应电压分别为 <mrow><msub> <mi>u</mi> <mn>22</mn></msub><mo>=</mo><mi>kU</mi><mo>[</mo><mi>cos</mi><mrow> <mo>(</mo> <mfrac><mrow> <mn>2</mn> <mi>π</mi></mrow><mi>D</mi> </mfrac> <msub><mi>Rw</mi><mn>0</mn> </msub> <mi>t</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>+</mo><mi>A</mi><mo>]</mo><mi>sin</mi><mrow> <mo>(</mo> <mi>wt</mi> <mo>+</mo> <mi>θ</mi> <mo>)</mo></mrow><mo>-</mo><mo>-</mo><mo>-</mo><mrow> <mo>(</mo> <mn>11</mn> <mo>)</mo></mrow> </mrow>其中k为比例系数，A为互感系数产生的直流分量，D为环型空间阵列内磁性钢球的直径，φ为扭转角，w0为机械转轴转动的角速度，R为环型空间阵列外边缘到机械转轴轴线的垂直距离；(3)对传感器的输出信号进行预处理利用放大电路和滤波电路对传感器的输出信号进行预处理；(4)利用采集卡采集电压信号利用数据采集卡，采集预处理后两个传感器的输出电压；(5)对采集后的信号进行滤波整形对所述采集的信后进行滤波处理，滤波后只留下谐波成分中幅值较大的成分；(6)对滤波整形后的信号进行解调利用软件锁相环、90°相移器和低通滤波器实现调幅信号的同步解调；首先将调幅波加在锁相环的输入端，当锁相环工作在锁定状态时，锁相环将输出与输入信号中的载波分量频率相同，相位相差90°的电压信号，然后将此信号相移90°后就得到同步检波的参考信号，最后利用此参考信号和输入的调幅信号相乘，再经过低通滤波器滤波后就还原得到调制信号；(7)计算两信号的相位差将两个调制信号分别送到相同配置的LabVIEW中的FFT Spectrum函数中，得到它们的幅频和相频特性，然后分别将四个输出送到到LabVIEW中的Unbundle族函数，从族中提取出数组随后，从波形的幅值数组中搜索具有最大幅值元素的索引号，找到相位数组中对应的相位，并求出与360相除后的余数，对两个波形都进行这样的处理，相减就得到相位差；(8)根据相位差计算扭矩根据材料力学原理其中，M为作用在直径为d、长度为L的弹性轴上时产生的扭矩值，为弹性轴将在材料的弹性极限内产生与扭矩成线性关系的扭转角；式(10)和式(11)经过步骤(3)-(7)处理后，获得两调制信号之间的相位差φ为则扭转角为则由式(14)和式(16)可得扭矩为M＝Gd4Dφ/(64RL)(17)其中，G为切变模量，d为机械转轴的直径，L为两传感器之间的距离；(9)对结果的校正并显示最后结果利用标准的扭矩传感器来进行定标，先在负载不变的情况下利用所述环型空间阵列传感器和标准扭矩传感器的多次测量值进行比较，然后变换负载，再进行重复测量比较，求得测量的系统误差利用此系统误差对步骤(8)中的扭矩进行校正；(10)断开传感器的激励电流测量完成，断开传感器的激励电流来结束扭矩的测量。FSA00000156635200011.tif,FSA00000156635200021.tif,FSA00000156635200022.tif,FSA00000156635200023.tif,FSA00000156635200024.tif,FSA00000156635200025.tif
全文摘要
基于环型空间阵列的扭矩测量方法，具体涉及极端环境下的机械转轴动态扭矩的测量方法。本发明在机械转轴上安装两个环型空间阵列传感器，测量两个传感器所输出的与环型位移量成正比的正弦信号，对所述正弦信号进行预处理、采集、滤波整形、解调后，计算两个信号间的相位差，解出扭转角，从而利用扭转角与扭矩的关系，测出扭矩值。本发明能够实现极端环境下机械转轴动态扭矩的测量，测量条件不受外部环境的制约，安装简单，测量精度高，能适用于水轮机、地质勘探等极端环境下的机械转轴扭矩测量。
文档编号G01L3/00GK101858805SQ20101019221
公开日2010年10月13日 申请日期2010年6月4日 优先权日2010年6月4日
发明者何安国, 吴永烽, 喻洪麟, 康治平 申请人:重庆大学