一种扭矩检测电路和非接触扭矩传感器的制作方法

1.本实用新型涉及工业计量技术领域。更具体地，本实用新型涉及一种扭矩检测电路和非接触扭矩传感器。


背景技术：

2.在汽车、航空航天、工业生产等多种行业中，需要进行相关的工业计量、控制、试验和检测，在这过程中需要大量的扭矩传感器对相关设备或部件的扭矩值进行检测。例如电机、发动机等输出扭矩值，机械零部件的扭转强度测验，螺栓的预紧力检测，以及机械设备、汽车、船舶、航空航天设备的传动系统扭矩检测，均离不开扭矩传感器。
3.动态扭矩传感器通过应变电测技术，能够测得弹性轴受扭的电信号，一般用来测试扭矩剧烈变动的场合，需要实施扑捉扭矩或扭矩峰值，如拧紧机、电动扳手、电机输出扭矩、发动机输出扭矩、钻杆扭矩等。静态扭矩传感器一般用来测试扭矩缓慢变动的场合，采样速度一般低于50次每秒，如测试手动扭矩扳手，变速器的静态扭矩等。
4.传统的扭矩传感器大多采用导电滑环传递测量信号，不能在转速高于300转/分钟的状态下长期工作。因此，当需要在高速旋转状态检测扭矩值时，一般采用静态扭矩传感器加专用高速滑环的方式形成接触式扭矩传感器进行检测，但是这种结构的扭矩传感器具有成本高，体积大的缺点。而现有的非接触式动态扭矩传感器，大多采用压频转换技术，传感器的输出信号为频率信号，需要配合专用仪表才能测量使用。
5.基于此，如何能够使非接触扭矩传感器在高速旋转状态下长时间且可靠地工作，对于提升扭矩传感器应用的灵活性具有重要意义。


技术实现要素：

6.为了解决上述一个或多个技术问题，本实用新型通过将非接触式扭矩传感器中利用无线供电线圈实现非接触式供电以及通过无线通信方式实现信号交互，从而使得传感器能够在高转速下不受供电方式限制，并且能够实现数据信号可靠传输，有效提升了扭矩传感器的使用灵活性。
7.为此，本实用新型在如下的多个方面中提供方案。
8.在第一方面中，本实用新型提供了一种用于非接触扭矩传感器的扭矩检测电路，所述非接触扭矩传感器包括壳体和安装于所述壳体内的旋转轴；所述旋转轴上设置有扭矩检测电路和无线发射电路，所述扭矩检测电路用于检测扭矩信息，所述无线发射电路与所述扭矩检测电路连接，用于通过无线通信的方式发送所述扭矩信息；所述旋转轴上还设置有供电接收线圈，用于为所述扭矩检测电路和无线发射电路供电；所述壳体内设置有无线接收电路和接口电路，所述无线接收电路用于与所述无线发射电路通信，以接收所述扭矩信息，所述接口电路与所述无线接收电路和外部设备连接，用于将所述扭矩信息发送至外部设备；所述壳体内还设置有供电发射线圈，所述供电接收线圈与所述供电发射线圈耦合，用于向所述供电接收线圈供电。
9.在一个实施例中，所述扭矩检测电路包括应变计、模数转换电路和第一信号处理电路；所述应变计用于感应扭矩信息，所述模数转换电路与所述第一信号处理电路和所述应变计连接，用于将所述扭矩信息进行处理，以生成扭矩电信号；所述无线发射电路与所述第一信号处理电路连接，用于发射所述扭矩电信号。
10.在一个实施例中，所述旋转轴上还设置有第一电压转换电路，所述第一电压转换电路分别与所述供电接收线圈、扭矩检测电路和无线发射电路连接，用于将供电接收线圈提供的电压转换成设定的工作电压。
11.在一个实施例中，所述壳体内还设置有第二处理电路，所述第二处理电路与所述无线接收电路连接，用于将所述扭矩电信号转换成扭矩信息；所述接口电路与所述第二处理电路和外部设备连接，用于将所述扭矩信息传输至外部设备。
12.在一个实施例中，还包括信号调理电路，所述信号调理电路与所述第二处理电路和所述接口电路连接，用于将接收到的扭矩信息转换进行处理，以传输至外部设备。
13.在一个实施例中，所述信号调理电路包括数模转换电路和运算放大电路，所述数模转换电路与所述第二处理电路连接，用于将接收到的扭矩数字信号转换成扭矩模拟信号；所述运算放大电路与所述数模转换电路和接口电路连接，用于将所述扭矩模拟信号放大后输出。
14.在一个实施例中，所述信号调理电路还包括稳压电路和负电压生成电路，所述稳压电路与外部电源和运算放大电路连接，所述负电压生成电路与外部电源和运算放大电路连接，用于分别向所述运算放大电路提供正负电压。
15.在一个实施例中，所述壳体内还设置有第二电压转换电路，所述第二电压转换电路分别与所述供电发射线圈、无线接收电路和接口电路连接，用于将外部电源转换为工作电源进行供电。
16.在一个实施例中，所述壳体内还设置有无线供电控制电路，所述无线供电控制电路与外部电源和所述供电发射线圈连接，用于将外部电源转换为设定的线圈电压。
17.在第二方面中，本实用新型还提供了一种非接触扭矩传感器，所述非接触扭矩传感器包括壳体、安装于所述壳体内的旋转轴以及如前文及后文中一个或多个实施例所述的扭矩检测电路。
18.根据本实用新型的方案，可以在非接触扭矩传感器的旋转轴上设置供电接收线圈为其检测电路等进行供电，同时还可以通过无线信号传输的方式进行信息交互，使得该非接触扭矩传感器不受转速限制，从而有效提升了非接触扭矩传感器在长期工作过程中的可靠性。进一步，还可以通过在壳体内的非旋转部分设置相应的信号调理电路、接口电路等，可以实现采集的扭矩信息的可靠上送，有效提升了该非接触扭矩传感器应用的灵活性。
附图说明
19.通过参考附图阅读下文的详细描述，本实用新型示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本实用新型的若干实施方式，并且相同或对应的标号表示相同或对应的部分，其中：
20.图1是示意性示出根据本实用新型实施例的非接触扭矩传感器的典型结构图；
21.图2是示意性使出根据本实用新型实施例的用于非接触扭矩传感器的扭矩检测电
路的电路原理图；
22.图3是示意性使出根据本实用新型实施例的旋转轴上设置的电路组成的示意图；
23.图4是示意性使出根据本实用新型实施例的壳体内非旋转轴部分设置的电路组成的示意图。
具体实施方式
24.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。
25.下面结合附图来详细描述本实用新型的具体实施方式。
26.通常情况下，接触式扭矩传感器又叫滑动可变电阻式扭矩传感器，接触式扭矩传感器中有两对磁极环，当输入轴和输出轴之间发生相对转动时，磁极环之间的空气间隙发生变化，从而引起电磁感应系数的变化，在线圈中产生感应电压，并将电压信号转化为扭矩信号。然而，这种接触式扭矩传感器中磁极环之间存在接触面，会产生摩擦，造成发热、测试信号不稳定等问题。因此，本实用新型尝试从非接触式扭矩传感器的结构出发，设计能够实现长期动态检测的非接触扭矩传感器。本实用新型的方案中，通过在旋转轴上贴附应变片并设计对应的检测电路实现扭矩检测，能够适用于各种非接触扭矩传感器的扭矩检测过程。基于此，根据本实用新型的上下文，本方案中所提出的扭矩检测电路可以用于各种非接触式动态扭矩传感器中。
27.图1是示意性示出根据本实用新型实施例的非接触扭矩传感器的典型结构图。
28.如图1所示，该非接触扭矩传感器可以包括旋转轴101、壳体102和设置在壳体上的数据接口。其中旋转轴可以通过轴承固定于壳体内。当需要进行检测时，可以将该旋转轴的输入轴安装于待测设备处，在输出轴处安装负载或其他设备，也可以将输出轴空载。图1中所示出的结构中，右侧为该非接触扭矩传感器的输入轴，左侧为输出轴。在进行检测时，可以在该旋转轴上贴附电阻应变片，通过在旋转过程中多个电阻应变片的感应过程实现对扭矩的检测。
29.同时在该壳体内部的非旋转轴部分可以设置相应的信号接受电路和处理电路，从而实现对扭矩信息的处理。另外，在该壳体上还可以设置传输接口，从而实现该设备中的供电和输出传输过程。
30.接下来将结合图2至图4对本实用新型中该扭矩检测电路的组成进行详细说明。
31.图2是示意性使出根据本实用新型实施例的用于非接触扭矩传感器的扭矩检测电路的电路原理图。
32.如图2所示，该非接触扭矩传感器包括壳体和安装于壳体内的旋转轴。基于此，该扭矩检测电路包括设置于旋转轴上的电路部分和设置于壳体内非旋转轴区域的电路部分。
33.在旋转轴上设置有扭矩检测电路201和无线发射电路202。其中扭矩检测电路201用于检测扭矩信息，无线发射电路202与扭矩检测电路201连接，用于通过无线通信的方式发送扭矩信息。旋转轴上还设置有供电接收线圈203，用于为扭矩检测电路201和无线发射电路202供电。
34.在上述壳体内设置有无线接收电路204和接口电路205。无线接收电路204用于与无线发射电路202通信，以接收扭矩信息。接口电路205与无线接收电路204和外部设备连接，用于将扭矩信息发送至外部设备。在上述壳体内还设置有供电发射线圈206。将供电接收线圈205与供电发射线圈206耦合，可以用于向供电接收线圈205供电，从而实现对旋转轴上的各电路的无线供电过程。
35.图3是示意性使出根据本实用新型实施例的旋转轴上设置的电路组成的示意图。
36.如图3所示，扭矩检测电路可以包括应变计、模数转换电路和第一信号处理电路。应变计可以用于感应扭矩信息。在一个应用场景中，在该旋转轴上所设置的电路中，mu3为通过电阻ra、rb、rc和rd组成的电阻应变计，可以通过电阻应变计与弹性元件组成电阻应变式扭矩传感器。
37.模数转换电路与第一信号处理电路和应变计连接，用于将扭矩信息进行处理，以生成扭矩电信号。无线发射电路与第一信号处理电路连接，用于发射所述扭矩电信号。在一个应用场景中，模数转换电路可以采用ad-s321型号的模数转换器，该模数转换器的e+、e、s+和s端分别与电阻应变计mu3的e+、e、s+、s端连接。
38.第一信号处理电路可以采用单片机u1，例如可以采用型号为at89c55-24ai的单片机。u2为rs485收发元件，型号为max485esa，其vcc端与5v电源连接，a、b端分别与ad-s321的a、b端连接，rd端与单片接的p3.0连接，re、de端与单片机的p3.7连接，di端与单片接的p3.1连接。无线发射电路中可以采用型号为nrf905se的mul，其trx端与单片机的p0.3连接，am端与单片机的p0.5连接，miso端与单片机的p0.6端连接，sck与单片机的p0.7连接，tx_en端与单片机的p2.0连接，per_up端与单片机的p2.1连接，cd端与单片机的p2.2连接，dr端与单片机的p2.3连接，mosi端与单片机的p2.4连接，csn端与单片机的p2.5连接。
39.进一步，该单片机的p2.7端还可以连接工作指示灯，旋转端工作正常时，指示灯闪烁ea/vpp、vcc端与5v电源连接，p3.0、p3.1、p3.7端与max485esa连接。p3.0、p3.1、p3.7端与max485esa连接。
40.进一步，旋转轴上还设置有第一电压转换电路。第一电压转换电路可以分别与供电接收线圈、扭矩检测电路和无线发射电路连接，用于将供电接收线圈提供的电压转换成设定的工作电压。在一个应用场景中，该第一电压转换电路可以包括5v稳压元件u3和3.3v稳压元件u4。例如u3可以采用as1117m1-5.0，u4可以采用as1117m1-3.3，从而分别为单片机、485接收元件、无线发射电路等提供工作电源。供电接收线圈输出的交流电压经dl、cl、c2整流滤波后输出9v直流电压为模数转换电路供电，经u3稳压后输出5v直流电压为单片机和rs485收发器供电，经u4稳压后输出3.3v直流电压为无线发射电路供电。
41.在一些实施例中，ll为无线供电接收线圈，电感量可以为30uh，用漆包线绕在塑料骨架上，通过螺栓与旋转轴上的弹性元件固定，两根引线分别与gnd端和整流二极管的正端连接，为旋转部分提供电源。ledl为电源指示灯，旋转部分上电时指示灯亮。led2为工作指示灯，通过引线引出安装至弹性元件的指示灯安装键槽内，旋转部分工作正常时闪烁。
42.图4是示意性使出根据本实用新型实施例的壳体内非旋转轴部分设置的电路组成的示意图。
43.如图4所示，上述壳体内还设置有第二处理电路。第二处理电路与无线接收电路连接，用于将扭矩电信号转换成扭矩信息。接口电路与第二处理电路和外部设备连接，用于将
扭矩信息传输至外部设备。在一个应用场景中，第二处理电路中可以采用型号为at89c55-24ai的单片机。无线接收电路可以采用型号为nrf905se的无线数据传输器件。接口电路则可以通过p1接口实现，该p1接口中的1脚为测试信号输出引脚，2脚为接地gnd，3脚为12v电源，以便于与外部设备连接进行供电或数据交互。图4中的l21为无线供电接收线圈，电感量为30uh，用漆包线绕制在塑料骨架上，通过螺栓与外壳固定，两根引线与无线供电控制电路连接。在一些实施例中，壳体内还设置有无线供电控制电路mu22。无线供电控制电路mu22与外部电源和供电发射线圈l21连接，用于将外部电源转换为设定的线圈电压。该无线供电控制电路中，例如可以采用mp268。
44.进一步，该壳体内还设置有信号调理电路。信号调理电路与第二处理电路和接口电路连接，用于将接收到的扭矩信息转换进行处理，以传输至外部设备。在一些实施例中，上述信号调理电路可以包括数模转换电路和运算放大电路。数模转换电路与第二处理电路连接，用于将接收到的扭矩数字信号转换成扭矩模拟信号。运算放大电路与数模转换电路和接口电路连接，用于将扭矩模拟信号放大后输出。
45.在一个应用场景中，数模转换电路中可以采用型号为dac8550igdk的d/a转换元件，运算放大电路可以采用型号为op37gs的运算放大器。
46.上述信号调理电路还包括稳压电路和负电压生成电路。稳压电路与外部电源和运算放大电路连接。负电压生成电路与外部电源和运算放大电路连接，用于分别向运算放大电路提供正负电压。进一步，该调理电路中还可以包括基准电压生成电路，例如可以采用型号为ref02cp的电压基准元件生成基准电压。
47.在一个应用场景中，该稳压电路可以采用型号为mc78l08abp的8v稳压元件，为op37gs、ref02cp、icl7660aiba等提供电源。负电压生成电路可以采用型号为icl7660aiba的负电压发生元件。进一步，还可以在壳体外部设置对应的指示灯。led21为电源指示灯，传感器上电时亮。led22为工作指示灯，安装于外壳，传感器工作正常时闪烁。w21为输出信号大小调整电位器，w22为初始零点输出调整电位器。
48.另外，上述壳体内还设置有第二电压转换电路。第二电压转换电路分别与供电发射线圈、无线接收电路和接口电路连接，用于将外部电源转换为工作电源进行供电。在一个应用场景中，与上述第一电压转换电路同理，第二电压转换电路也可以采用as1117m1-5.0和as1117m1-3.3的稳压元件，以提供工作电源。
49.在实际工作中，单片机可以通过无线接收电路发送数据读取指令，读取旋转端的测试数据，并将接收到的测试数据处理后送入数模转换电路，数模转换电路将数字信号转换为2.5
±
2.5v直流电压信号后送入运算放大电路，运算放大电路将输出电压调整放大为
±
5v后通过接口电路中p1插件的l脚输出。通过调整电位器w2l和w22，可以改变输出电压信号的大小。
50.非接触式动态扭矩传感器的12v直流电源由插件p1的2脚和3脚输入，经c21、c22滤波后输入无线供电控制模块，通过供电发射线圈为旋转轴上的各电路提供电源。12v直流电源经u26稳压后输出8v直流电压为运算放大电路和负电压生成电路供电，负电压发生器输出的-8v直流电压为运算放大电路提供负电源。8v直流电压经5v电压基准稳压后输出5v基准电源，为模数转换元件提供工作电源和基准电源。12v直流电源经u27稳压后输出5v直流电压为单片机供电，经u28稳压后输出3.3v直流电压为无线接收电路供电。
51.在本实用新型的另一方面还提供了一种非接触扭矩传感器。非接触扭矩传感器包括壳体、安装于所述壳体内的旋转轴以及如前文中一个或多个实施例所述的扭矩检测电路。由于该扭矩检测电路的组成已在上述内容中说明，此处将不再赘述。
52.在本说明书的上述描述中，除非另有明确的规定和限定，术语“固定”、“安装”、“相连”或“连接”等术语应该做广义的理解。例如，就术语“连接”来说，其可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或成一体；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，或者可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。因此，除非本说明书另有明确的限定，本领域技术人员可以根据具体情况理解上述术语在本实用新型中的具体含义。
53.根据本说明书的上述描述，本领域技术人员还可以理解如下使用的术语，例如“内”、“外”等指示方位或位置关系的术语是基于本说明书的附图所示的方位或位置关系的，其仅是为了便于阐述本实用新型的方案和简化描述的目的，而不是明示或暗示所涉及的装置或元件必须要具有所述特定的方位、以特定的方位来构造和进行操作，因此上述的方位或位置关系术语不能被理解或解释为对本实用新型方案的限制。
54.另外，本说明书中所使用的术语“第一”或“第二”等用于指代编号或序数的术语仅用于描述目的，而不能理解为明示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”或“第二”的特征可以明示或者隐含地包括至少一个该特征。在本说明书的描述中，“多个”的含义是至少两个，例如两个，三个或更多个等，除非另有明确具体的限定。
55.虽然本说明书已经示出和描述了本实用新型的多个实施例，但对于本领域技术人员显而易见的是，这样的实施例只是以示例的方式提供的。本领域技术人员会在不偏离本实用新型思想和精神的情况下想到许多更改、改变和替代的方式。应当理解的是在实践本实用新型的过程中，可以采用对本文所描述的本实用新型实施例的各种替代方案。所附权利要求书旨在限定本实用新型的保护范围，并因此覆盖这些权利要求范围内的模块组成、等同或替代方案。