專利名稱：動態供電的轉動力矩傳感器的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種動態供電的轉動力矩傳感器，特別是一種接設于轉動軸中能夠在對轉動力矩進行測量的運動工作狀態下獲得外部電源的電力供應并將轉換后的力矩電信號向外部信號處理設備傳輸的力矩測量傳感器。
背景技術：
在交通、運輸、生產制造以及機械維修等眾多行業中，經常需要對一些旋轉體如轉動軸的轉動力矩進行測量，人們通常會采用力矩扳手作為測量工具進行力矩測量。
隨著機械化、電子化、計算機智能化技術的飛速發展，轉動軸力矩的測量已經不僅僅局限于簡單的數值測量，而是需要進行現場工作狀態下的實時測量，并將得到的數據信息通過控制電路或計算機進行處理從而控制執行機構完成相應的操作。在這一過程中，轉動軸的力矩測量必須采用電子力矩傳感器。
常用的力矩傳感器主要包括殼體、一個內部安裝有若干個應力感應電阻(應力貼片)的測量軸，測量軸貫穿殼體并與其固定連接，殼體內設有處理電路。應力感應電阻之間組成橋式電路，其信號輸出端與處理電路的信號輸入端連接。在進行力矩測量時，測量軸連接在被測轉動軸上，當被測轉動軸在轉動中受到阻力時，測量軸將發生微弱的形變，造成應力感應電阻值的改變，使橋式電路輸出變化的電壓信號，該信號被傳送到處理電路中進行處理，然后通過信號輸出裝置輸出，為外部控制、計算設備所采集。
由于測量軸和處理電路隨著被測轉動軸的轉動而轉動，因此，如何由外部為傳感器提供電力以及將處理電路輸出的信號對外輸出成為兩個重要問題。無論是向內提供電力還是信號向外導出，通常所采用的方式主要有利用電刷原理制成的導電環傳輸方式、電感耦合方式，對于信號向外導出還可以采用電容耦合方式以及無線發射方式，但這些方式在供電或信號導出中都存在著一些不足和缺陷。
導電環方式的主要缺點在于，導電環與力矩測量軸之間存在著滑動摩擦和發熱，對信號造成干擾，對處理電路的正常工作造成影響，使測量結果不穩定。同時，滑動摩擦容易造成導電環使用壽命低，需要經常維修、更換，給傳感器的使用造成麻煩。
典型的電感耦合方式為旋轉變壓器，其缺點在于，耦合效率低、自身容易發熱、自重較大使轉動慣量增大，不能應用于輕質旋轉軸的力矩測量場合。旋轉變壓器制作過程比較繁瑣，對加工的材料、工藝要求較高生產制造相對復雜。當其應用于信號導出時，由于變壓器本身的特點，造成對信號的時滯性和動態響應特性較差，也容易引起干擾信號的竄入。
電容耦合方式的主要缺點是制作工藝復雜，并同樣存在著動態響應特性較差的問題，且信號提取后的處理較麻煩。
無線發射需要對信號進行前期調制，后期解調，使力矩測量處理電路和后期的信號處理電路相對復雜，而且容易受到外來無線電信號的干擾，造成錯誤信息。
發明內容
本發明的目的在于針對上述傳統的力矩測量傳感器在電力提供方式和信號導出方式上所存在的缺陷和不足提供一種動態供電的轉動力矩傳感器，該裝置利用傳感器殼體上設置的金屬軸承將外部電源提供的電力在動態工作狀況下輸送到傳感器內，并利用設置在旋轉的測量軸上的紅外發射管與靜止設置在殼體上的紅外接收管之間的光電耦合效應將測量信號導出。
為實現上述目的，本發明所提供的一種動態供電的轉動力矩傳感器，包括殼體、軸承及測量軸。
殼體上開設有相對且同心的第一圓孔和第二圓孔；軸承設置在第一圓孔內，該軸承的外環通過連接導線與外部電源的正極連接；測量軸穿設在殼體中，其一端穿過軸承，另一端穿過第二圓孔，穿過軸承一端的表面設有絕緣層；測量軸上固定設有處理電路，該處理電路的電源正極與軸承的內環電氣連接，其電源負極與測量軸電氣連接；測量軸的表面上固設有與處理電路的信號輸出端連接的紅外線發光管，該紅外線發光管的發射端面向殼體的內側表面；一個與紅外線發光管相對應的紅外線接收管設置在殼體上，該紅外線接收管的管腳通過信號傳輸線與外部信號處理設備連接。
由于金屬制成的軸承自身具有良好的導電性，而軸承的內環在工作中與穿過的軸和軸上設置的部件之間為相對靜止狀態，因此可以利用該軸承進行電力傳導。
當采用金屬材料制造殼體時，為保證軸承與殼體之間不發生短路現象，在第一圓孔與軸承間增設有絕緣環管，同時將連接導線穿過殼體和絕緣環與軸承的外環連接。
為便于測量軸的轉動，在殼體上還設有另一軸承。另一軸承設置在第二圓孔內，且與外部電源的負極電氣連接。設置另一軸承后，將測量軸的另一端穿過另一軸承。
為便于安裝生產和使紅外線接收管獲得連續的紅外光信號，在測量軸上垂直固定環設有一個環形電路板，將紅外線發光管設為多個并將它們分布設置在環形電路板的表面。
通過上述技術方案可以看出，本發明利用軸承引入外部電源，提供了可靠的供電連接，大大減少了因摩擦而發熱的現象，不會對測量信號產生干擾，使測量結果穩定且使用壽命較長，同時，無需經常維修、更換。利用軸承引入外部電源也不存在耦合效率低、自身容易發熱、自重較大使轉動慣量增大等缺陷，可以應用于輕質旋轉軸的力矩測量場合。與旋轉變壓器相比，其制作過程簡單，對加工的材料、工藝要求不高。
利用設置在旋轉的測量軸上的紅外發射管與靜止設置在殼體上的紅外接收管之間的光電耦合效應導出測量信號，不會竄入外界干擾信號，不存在對信號的時滯性和動態響應特性較差問題，而相對于信號的無線發射方式，本發明不需要進行前期調制，后期解調，從而大大的簡化了后期的信號處理電路的復雜程度，不易受到外來信號的干擾，使測量信號的導出可靠、簡便，并且不會受到外界的干擾。
以下，通過具體實施例并結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
圖1為本發明所提供的一個較佳實施例的結構示意圖。
圖2為圖1所示實施例紅外線接收管與紅外線發光管的分布示意圖。
具體實施例方式
圖1所示為本發明提供的一個較佳實施例的結構示意圖。圖中，殼體1由圓柱形的杯狀容器和開口上通過螺栓固定的蓋11組成。在殼體1上開設有相對且同心的第一圓孔3和第二圓孔4，其中，第一圓孔3開設在殼體1的底部，第二圓孔4開設在蓋11上。
軸承2設置在第一圓孔3內。在第二圓孔4中還設置了另一軸承12。測量軸9一端穿過軸承2，另一端穿過另一軸承12。穿過軸承2一端的表面設有絕緣層92。軸承2的外環21通過連接導線5與外部電源的正極連接。
本實施例中，第一圓孔3是由兩個同心的，半徑不同的圓形凹陷連通構成，其中，半徑較大的圓形凹陷31設置在殼體1的內側，半徑較小的圓形凹陷32設置在殼體1的外側。
在半徑較大的圓形凹陷31內側與軸承2間設有絕緣環管7。
絕緣環管7靠近半徑較小的圓形凹陷32的一端向圓心方向設有彎折面，使絕緣環管7的軸向截面呈雙L形。在絕緣環管7的內側表面還環周貼設一個環形導電圈8。連接導線5穿過殼體1和絕緣環管7通過環形導電圈8與軸承2的外環21連接。
絕緣環管7將軸承2與殼體1隔離。環形導電圈8僅與軸承2的外環21接觸，從而在保證導通良好的前提下，不產生任何滑動摩擦。本實施例便于實際生產、組裝和維修。
測量軸9的內部安裝應力感應片(圖中未示出)。在測量軸9上固定設有一個電路盒103，該電路盒103中設有處理電路10。
絕緣層92為絕緣膠木管，該絕緣膠木管可以和電路盒103一體制造。
在絕緣層92靠近電路盒103處增設了一個導電環93。處理電路10的電源正極與軸承2的內環22之間通過電源線14和導電環93連接，其電源負極與測量軸9直接連接。另一軸承12也可以通過連接線與外部電源的負極連接，形成電回路。導電環93僅與軸承2的內環22接觸，使測量軸9上安裝的電氣部件獲得導通狀況良好的電力提供。
在測量軸9的表面上還垂直固定環設一個環形電路板91，在環形電路板91上固設有與處理電路10的信號輸出端連接的紅外線發光管101，該紅外線發光管101的發射端面向殼體1的內側表面，同時，將一個與紅外線發光管101相對應的紅外線接收管102設置在殼體1上開設的容置孔13中，該紅外線接收管102的管腳通過信號傳輸線與外部信號處理設備連接。紅外線發光管101為12個并分布設置在環形電路板91的表面。
本實施例在進行轉動軸力矩測量工作中，外部電源通過導線5、環形導電圈8、軸承2的外環21、內環22、導電環93以及電源線14將電力送到處理電路10，完成轉動中的動態供電。當被測轉動軸的力矩發生變化時，處理電路10將來自應力感應電阻組成的橋式電路的變化電信號進行處理并通過紅外線發光管101將其轉化為紅外線光信號。由于多個紅外線發光管101分布設置在環形電路板91的表面，因此，紅外線接收管102可以接收到連續的紅外線光信號，并將其轉化為連續的電信號傳輸到外部信號處理設備中。
本實施例在使用中穿過軸承2的測量軸以及安裝在測量軸上的其它部件與軸承2的內環22相對靜止，而軸承2的外環21與殼體1相對靜止，從而可以將外部電源通過軸承2引入殼體1中實現供電。
由于在力矩測量過程中，紅外線發光管跟隨測量軸的轉動而環周運動，因此，上述實施例采用的12個紅外線發光管分布設置在環形電路板的表面，其分布結構如圖2所示。
圖2中，12個紅外線發光管101以放射線的方式均勻分布設置在環形電路板91的表面邊緣處，同時將所有的紅外線發光管101進行并聯連接(如圖中虛線所示)。由于紅外線發光管101所發出的紅外光線具有一定散射角度，因此，相鄰的紅外線發光管101的紅外光線均具有重疊部分(參見圖中箭頭線所示)。當測量軸9轉動時，雖然紅外線發光管101跟隨運動，但是發射到紅外線接收管102的紅外光線不會發生間斷，從而使通過耦合轉化輸出的電信號連續。
本實施例通過巧妙的設計，使該傳感器的生產、組裝和使用都非常方便，而且也便于維修，尤其是供電裝置的連接較為牢靠。本發明可以制成體積較小，適合于精密機械的力矩測量，甚至可以將其安裝在智能機械手中，為人工智能的實施應用提供良好、準確的測量數據。
權利要求
1.一種動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于包括殼體(1)、軸承(2)及測量軸(9)；所述殼體(1)上開設有相對且同心的第一圓孔(3)和第二圓孔(4)；所述軸承(2)設置在所述第一圓孔(3)內，該軸承(2)的外環(21)通過連接導線(5)與外部電源的正極連接；所述測量軸(9)穿設在所述殼體(1)中，其一端穿過所述軸承(2)，另一端穿過所述第二圓孔(4)，穿過所述軸承(2)一端的表面設有絕緣層(92)所述測量軸(9)上固定設有處理電路(10)，該處理電路(10)的電源正極與所述軸承(2)的內環(21)電氣連接，其電源負極與所述測量軸(9)電氣連接；所述測量軸(9)的表面上固設有與所述處理電路(10)的信號輸出端連接的紅外線發光管(101)，該紅外線發光管(101)的發射端面向所述殼體(1)的內側表面；一個與所述紅外線發光管(101)相對應的紅外線接收管(102)設置在所述殼體(1)上，該紅外線接收管(102)的管腳通過信號傳輸線與外部信號處理設備連接。
2.根據權利要求1所述的動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的殼體(1)為棱柱形或圓柱形的杯狀容器，該殼體(1)的開口上設有蓋(11)；所述第一圓孔(3)開設在所述殼體(1)的底部；所述第二圓孔(4)開設在所述蓋(11)上。
3.根據權利要求1或2所述的動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的第一圓孔(3)與軸承(2)間增設有絕緣環管(7)；所述連接導線(5)穿過所述殼體(1)和所述絕緣環管(7)與所述軸承(2)的外環(21)連接。
4.根據權利要求3所述的動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的第一圓孔(3)是由兩個同心的，半徑不同的圓形凹陷連通構成，其中，半徑較大的圓形凹陷(31)設置在所述殼體(1)的內側，半徑較小的圓形凹陷(32)設置在所述殼體(1)的外側；所述絕緣環管(7)設置在所述半徑較大的圓形凹陷(31)內側，并且其靠近所述半徑較小的圓形凹陷(32)的一端向圓心方向設有彎折面，使該絕緣環管(7)的軸向截面呈雙L形。
5.根據權利要求4所述的動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的絕緣環管(7)的內側表面環周貼設有環形導電圈(8)，該環形導電圈(8)與所述連接導線(5)連接。
6.根據權利要求1所述的動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的殼體(1)上還設有另一軸承(12)；所述另一軸承(12)設置在所述第二圓孔(4)內，該另一軸承(12)與外部電源的負極電氣連接；所述測量軸(9)的另一端穿過所述另一軸承(12)。
7.根據權利要求1或2所述的動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的測量軸(9)上垂直固定環設有一個環形電路板(91)；所述紅外線發光管(101)為一個以上，多個所述紅外線發光管(101)分布設置在所述環形電路板(91)的表面。
8.根據權利要求7所述的動態供電的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的紅外線發光管(101)為12個，并均勻分布設置在所述環形電路板(91)的表面邊緣處。
9.根據權利要求1所述的轉動力矩傳感器，其特征在于所述的殼體(1)上與所述紅外線發光管(101)相對應的位置開設有容置孔(13)；所述紅外線接收管(102)設置在所述容置孔(13)中。
全文摘要
本發明涉及一種動態供電的轉動力矩傳感器，它包括殼體(1)及軸承(2)；殼體(1)上開設第一圓孔(3)和第二圓孔(4)；軸承(2)設置在第一圓孔(3)內；殼體(1)中穿設有測量軸(9)和處理電路(10)；處理電路(10)固定設置在所述測量軸(9)上，其表面上固設紅外線發光管(101)；一個與紅外線發光管(101)相對應的紅外線接收管(102)設置在殼體(1)上。本發明利用軸承引入外部電源，提供了可靠的供電連接，消除了為轉動裝置提供電力的傳統方式所存在的缺陷和不足，同時采用非接觸式的光電耦合連接，使測量信號的導出可靠、簡便，并且不會受到外界的干擾。
文檔編號G01D5/26GK1779426SQ20041009155
公開日2006年5月31日 申請日期2004年11月19日 優先權日2004年11月19日
發明者張力, 楊俊飛 申請人:張力