一种可实时监测的非接触型驱动轴扭矩光电传感系统

1.本发明涉及汽车传感技术领域，尤其涉及一种可实时监测的非接触型驱动轴扭矩光电传感系统。


背景技术：

2.在汽车传感领域，汽车扭矩传感是一项重要应用。当汽车发动机输出不同的扭矩施加到汽车的驱动轴上，改变汽车的运动状态，汽车驱动轴会由于惯性而产生微小的形变，通过扭矩传感器对驱动轴的扭矩的检测，能及时反馈汽车发动机的运行状态，检测出可能存在的故障，故而提升汽车运动时的安全性能。
3.在一种现有的应用于汽车扭矩传感的接触型应变式传感器中，将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并按照一定的排列方式组成应变桥，当驱动轴在受扭力作用时产生微小应变，贴在轴上的应变片会发生相应的变形，从而使应变片的阻值发生改变，通过测试该弹性轴受扭的电信号，则可以解调出对应的扭矩信号。应变片的电压输入和电信号的输出则通过导电滑环来实现，然而由于导电滑环属于磨擦接触，存在接触部位摩擦阻力和接触零件的磨损发热等问题，限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命；此外由于接触不绝对稳定引起的信号波动，易造成测量误差大等问题。


技术实现要素：

4.为了现有技术的不足，本发明的目的是提供一种可实时监测的非接触型驱动轴扭矩光电传感系统，在不改变被监测系统原有结构的基础上，实现可靠持久的发动机或者电机扭矩实时监测。
5.为实现上述目的，本发明的技术方案如下：一种可实时监测的非接触型驱动轴扭矩光电传感系统，包括光收发一体化模块和上位机；被监测的系统包括驱动轴、传动轴；所述的驱动轴设有一个或者多个反射面；所述的传动轴设有一个或者多个反射面；所述的光收发一体化模块，用于输出探测光，接受由相应的反射面反射回的信号光并处理；所述的上位机，用于调控、分析和显示所述光收发一体化模块发出的光/电信号。
6.所述光收发一体化模块，包括光发生单元、光探测器、信号处理单元，实现光电变换及信号处理功能。
7.所述反射面为绕轴张角一定的表面反射小片；或者所述反射面为反光材料涂层，涂覆在所述传动轴或所述驱动轴表面上的指定位置。
8.所述表面反射小片设有非接触短套筒为其遮挡以防止灰尘泥土粘在表面反射小片上影响其反射性能。
9.所述传动轴或所述驱动轴表面在反射面之外的区域涂覆吸光材料层以提高信号对比度。
10.所述上位机与所述光收发一体化模块之间是以有线连接方式，或者无线连接方式。
11.所述的被监测的系统包括但不限于汽车。
12.所述的可实时监测的非接触型驱动轴扭矩光电传感系统，设有支撑架和固定轴，其中支撑架固定于发动机上方，并支撑所述固定轴；所述固定轴用于固定所述光收发一体化模块。
13.所述的可实时监测的非接触型驱动轴扭矩光电传感系统，一个光收发一体化模块与一个反射面组成一组，设有多组。
14.汽车以匀速直线运动的平衡状态行驶时，此时驱动轴和传动轴的旋转角速度相同，驱动轴相应的光收发一体化模块和传动轴相应的光收发一体化模块输出的电信号完全同步；当汽车以一定的方式做变速运动时，此时发动机输出的作用于驱动轴的旋转角速度先发生变化，而传动轴由于惯性还保持着与原来相同的旋转角速度，需经过一段角位移后才达到跟驱动轴相同的角速度，具有滞后效应，故驱动轴相应的光收发一体化模块和传动轴相应的光收发一体化模块的电信号会有一段时间差，通过检测该时间差的实时变化情况，则可以实现对汽车发动机输出扭矩的实时变化情况的监测。
15.本发明的有益效果：本发明能够在不改动汽车等被监测系统原来结构的基础上，通过设置两组或者更多组光信号监测模块，实现对发动机或电机输出扭矩的非接触实时监测，能及时反馈发动机或电机的运行状态，检测出可能存在故障的运行状态，故而提升安全性能。监测准确不易受干扰，尤其适应于无人操控、远程操控时代。
附图说明
16.图1为本发明一实施方式的一种可实时监测的非接触型汽车驱动轴扭矩光电传感系统的结构示意图。
17.图2为本发明一实施方式的光收发一体化模块的信号示意图。
18.图中，发动机1、驱动轴2、第一反射面3、传动轴4、第二反射面5、支撑架6、固定轴7、第一光收发一体化模块8、第二光收发一体化模块9、上位机10、负载组件11。
具体实施方式
19.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
20.本技术实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。
21.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。
22.请参阅图1，图1为本发明一实施方式的一种可实时监测的非接触型汽车驱动轴扭矩光电传感系统的结构示意图。
23.如图1所示，可实时监测的非接触型汽车驱动轴扭矩光电传感系统（为了便于说
明，这里包含了被监测的系统的部分）包括发动机1、驱动轴2、第一反射面3、传动轴4、第二反射面5、支撑架6、固定轴7、第一光收发一体化模块8、第二光收发一体化模块9、上位机10、负载组件11。
24.其中，发动机1与驱动轴2左端相连接，驱动轴2右端与传动轴4左端相连接，传动轴4右端与负载组件11相连接；第一反射面3位于驱动轴2的表面，第二反射面5位于传动轴4的表面；支撑架6位于发动机1上方，与固定轴7相连接，第一光收发一体化模块8和第二光收发一体化模块9均固定在固定轴7下方。
25.具体地，所述发动机1为汽车的动力装置。在本实施例中，可以是一种商用的汽车发动机。
26.所述驱动轴2用于传递所述发动机的输出动力。在本实施例中，可以是一种商用的汽车驱动轴。
27.所述传动轴4和所述驱动轴2一同将所述发动机1的输出动力传递到所述负载组件11上。在本实施例中，所述传动轴4可以是一种商用的汽车传动轴。在本实施例的一种实现方式中，所述传动轴4和所述驱动轴2的连接方式可以是轴毂连接方式。
28.所述第一反射面3和所述第二反射面5为绕轴张角一定的表面反射小片，用于反射第一光收发一体化模块8和第二光收发一体化模块9输出的探测光，在所述第一反射面3和所述第二反射面5之外的其他轴上区域可涂覆黑色吸光材料以提高信号对比度。在本实施例中，可以是一种商用的高反光材料涂层。在本实施例的一种实现方式中，表面反射小片可以有非接触短套筒遮挡以防止灰尘泥土等粘在反射小片上影响其反射性能。在本实施例的一种实现方式中，所述高反光材料涂层和所述黑色吸光材料可以是周期性交替涂覆在所述驱动轴和所述传动轴的对应位置上，以调整所述光收发一体化模块的电信号周期。
29.所述支撑架6用于固定所述固定轴7。
30.所述固定轴7用于固定所述第一光收发一体化模块8和所述第二光收发一体化模块9。
31.所述第一光收发一体化模块8和所述第二光收发一体化模块9，具有光电变换功能，用于输出扭矩传感所需的探测光并接受由所述第一反射面3和所述第二反射面5反射回的信号光并处理。在本实施例中，可以是一种商用的光收发一体化模块。
32.所述上位机10，用于调控、分析和显示所述第一光收发一体化模块8和所述第二光收发一体化模块9的光/电信号。
33.所述负载组件11，用于接收发动机1的输出动力并转化为汽车的行驶动力。在本实施例中，可以是汽车行驶系组件，如汽车车轮等。
34.记驱动轴2的旋转角速度为ω1、半径为r1，传动轴4的旋转角速度为ω2、半径为r2；则第一反射面3的线速度为，长度，第二反射面5的线速度为，t0为一设定值；当汽车以匀速直线运动的平衡状态行驶时，此时驱动轴2和传动轴4的旋转角速度，ω0为发动机1输出的旋转角
速度，旋转周期为。
35.请参阅图2，图2为本发明一实施方式的光收发一体化模块的信号示意图。
36.如图2黑色实线所示，在驱动轴2转动时，当第一光收发一体化模块8发射的探测光射在第一反射面3上时，第一反射面3将探测光反射，并被第一光收发一体化模块8内置的光电探测器接收并转化为高平电信号，该过程持续时间为t0；如图2灰色虚线所示，在传动轴4转动时，当第二光收发一体化模块9发射的探测光射在第二反射面5上时，第二反射面5将探测光反射，并被第二光收发一体化模块9内置的光电探测器接收并转化为高平电信号，该过程持续时间也为t0；当汽车以匀速直线运动的平衡状态行驶时，两种电信号完全同步，δt为0。
37.当汽车以一定的方式做变速运动时，此时发动机1输出的作用于驱动轴2的旋转角速度为，此时传动轴4由于惯性还保持着的旋转角速度，则设传动轴4经过一段角位移δω后达到跟驱动轴2相同的角速度，期间传动轴4的角加速度设为k()，所需时间为t2，则该过程可表示为
…………………………………
（1）可得：
……………
（2）与此同时，驱动轴2经过相同的角位移δω所需的时间t1为：
……………………
（3）则第一光收发一体化模块8和第二光收发一体化模块9的高电平信号的时间差可表示为：
ꢀ…
（4）设第一反射面3和第二反射面5之间的沿轴距离为δl，则扭矩可表示为：
………………………………………………
（5）式中，g为驱动轴材料的切变模量，为第一反射面3处的极惯性矩，可用如下公式计算：
………ꢀ……………………
（6）所述发动机输出的额定扭矩可表示为：
…………………………………
（7）式中，p为发动机输出功率，单位：kw；n为所述驱动轴的转速，单位：r/min。
38.在本实施例的另一种实现方式中，实际扭矩也可以通过额定扭矩与角位移δω的单调曲线关系来求得。
39.通过检测的实时变化情况，则可以实现对角位移δω的传感监测，进而得出汽车发动机输出实际扭矩t1的实时变化情况；通过与汽车发动机的额定扭矩比较，则能及时反馈汽车发动机的运行状态，检测出可能存在故障的运行状态，故而提升汽车运动时的安全性能。
40.在本实施例的另一种实现方式中，还可以在所述驱动轴上设置多组所述光收发一体化模块和所述反射面，以提高传感准确度。
41.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本发明的优选实施例进行描述，并非对本发明的构思和范围进行限定，在不脱离本发明设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本发明的保护范围。本发明的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。