非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器的制作方法

專利名稱：非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器的制作方法
技術領域：
本發明屬于光、機電一體化數字式傳感器領域，具體涉及一種非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器。
背景技術：
傳統的轉速傳感器，采用在旋轉軸上安裝加工有柵槽的齒盤，通過發光晶體管產生光源，光敏電阻元件接受光信號，輸出脈沖電信號，信號頻率對應一定的轉速數據，實現轉速的測量。轉速傳感器的測量精度主要受柵槽齒的間距、光敏元件信號的分辨率和電路性能限制。
傳統的扭矩傳感器，一般由轉速傳感器和受扭矩的彈性元件等組成。彈性元件上貼有應變片，彈性元件受扭矩后應力發生變化，應變片輸出電信號，通過集流環將信號引出，信號大小對應一定的扭矩數據。
目前，有一種常用扭矩傳感器由彈性元件、開有齒槽的盤、磁環、補償電機等組成，工作時齒盤與彈性元件同步旋轉，齒盤切割磁力線產生電磁感應信號，修正后輸出為矩形正弦波。傳遞扭矩時，由于扭矩引起彈性元件變形，兩盤波形相位產生新的相位差，該相位差即對應一定的扭矩值。需特別指出的是，低速旋轉時電磁信號弱，輸出信號無法測量，此時補償電動機啟動帶動磁環逆向旋轉，提高切割磁場的速度，達到增強電磁感應信號的目的。

發明內容
為了克服傳統的轉速傳感器測量精度受到柵槽齒的間距和光敏元件信號分辨率的限制等不足，本發明提供一種非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，該傳感器測量精度高、有利于實現實時顯示的非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器。
本發明解決其技術問題所采用的技術方案是這種非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，由發光元件1、光電元件2、直彈性軸4和信號處理裝置組成，其特征是直彈性軸4上固聯兩片信號盤3，兩組指示盤5通過軸承安裝在直彈性軸4上，兩組指示盤5分別與二片信號盤3同心并可相對轉動，信號盤3上設有光通道通孔6，指示盤5是由位于信號盤3兩側的發光元件指示盤5a和光電元件指示盤5b固聯而成，發光元件指示盤5a上設有發光元件1，光電元件指示盤5b上設有光電元件2，光電元件(2)的接收信號由信號處理裝置處理。
1、信號盤3上光通道6的分布信號盤3上光通道6的分布如圖7所示作n個半徑分別為ri(i＝1，2，…，n)的同心圓周，沿徑向由外向圓心的圓周分別為i＝1，2，…，n一般取4≤n≤20。把i＝1的圓周沿順時針分成N1等份，為N1序列等分點，N1為正整數，每等份對應的圓心角θ3(為有限角度)，通常20≤N1≤200；再把N1等份的每等份再細分成n個更小等份，n也是同心圓周數，用j＝1，2，…，n表示，并取j＝1與N1等分點重合，每個更小等份對應的圓心角為Δθ3，Δθ3為有限角度，這樣i＝1圓周就分成N1個等分點和N1×n個更小的等分點，過N1×n個等分點作圓心的連線，就把其余n-1個圓周也分成N1個等份和N1×n個更小等份。
在每個圓周的N1個等分點處開設光通道通孔6。n個同心圓周的每個圓周的N1個等分點分布如下取n個同心圓周的圓心為極點，過極點作i＝1圓周的N1＝1點的連線為極軸。
則i＝1圓周的N1個等分點的坐標為N1[r1，0]＝1、N1[r1，θ3]＝2、N1[r1，2θ3]＝3、…、N1[r1，(N1-1)θ3]＝N1。
i＝2圓周的N1個等分點的坐標為N1[r1，Δθ3]＝1、N1[r2，Δθ3+θ3]＝2、N1[r2，Δθ3+2θ3]＝3、…、N1[r2，Δθ3+(N1-1)θ3]＝N1。
…，同理，i＝n圓周的N1個等分點的坐標為N1[rn，(n-1)Δθ3]＝1、N1[rn，(n-1)Δθ3+θ3]＝2、N1[rn，(n-1)Δθ3+2θ3]＝3、…、N1[rn，(n-1)Δθ3+(N1-1)θ3]＝N1總之，信號盤3各圓周的N1個等分點的坐標通式為N1[ri，(i-1)×Δθ3+(N-1)θ3]＝N其中i——表示所在的圓周，i＝1，2，…，n；N——表示N1序列的任一等分點，N＝1，2，…，N1；θ3——N1序列等分點對應的圓心角(圓心角為有限角度)；Δθ3——N1×n等分點對應的圓心角(圓心角為有限角度)。
2、指示盤5上N2序列等分點的分布發光元件指示盤5a上設置的發光元件1與光電元件指示盤5b上設置的光電元件2的分布情況相同，統稱為指示盤5上信號讀取元件的分布，如圖8所示。作與信號盤3個數相同半徑分別相等的n個圓周的同心圓，沿徑向由外向圓心的圓周分別為i＝1，2，…，n，一般取4≤n≤20。把i＝1的圓周沿順時針分成N2等份，為N2序列等分點，N2為正整數，通常20≤N2≤200，每等份對應的圓心角為θ5(為有限角度)，并使N2/N1＝μ，μ為小于1的有限小數。再把N2每等份對應的圓心角θ5再細分成n個更小等份，n也為同心圓圓周數，用j＝1，2，…，n表示，并取j＝1與N2＝1等分點重合，每更小等份對應的圓心角為Δθ5(為有限角度)，這樣i＝1圓周就分成N2個等分點和N2×n個更小的等分點，過N2×n個等分點作圓心的連線，就把其余n-1個圓周也分成N2個等分點和N2×n個等分點。它們對應的圓心角分別為θ5和Δθ5。在每個圓周的N2個等分點處為可能設置信號讀取元件的位置。
每個圓周N2個等分點分布如下取n個同心圓周的圓心為極點，過極點作i＝1圓周的N2＝1點的連線為極軸。則i＝1圓周的N2個等分點的坐標為N2[r1，0]＝1、N2[r1，θ5]＝2、N2[r1，2θ5]＝3、…、N2[r1，(N2-1)θ5]＝N2。
i＝2圓周的N2個等分點的坐標為N2[r2，Δθ5]＝1、N2[r2，Δθ5+θ5]＝2、N2[r2，Δθ5+2θ5]＝3、…、N2[r2，Δθ5+(N2-1)θ5]＝N2。
…，同理，i＝n圓周的N2個等分點的坐標為N2[rn，(n-1)Δθ5]＝1、N2[rn，(n-1)Δθ5+θ5]＝2、N2[rn，(n-1)Δθ5+2θ5]＝3、…、N2[rn，(n-1)Δθ5+(N2-1)θ5]＝N2總之，指示盤5各圓周的N2個等分點的坐標通式為N2[ri，(i-1)×Δθ5+(N-1)θ5]＝N其中i——所在的圓周，i＝1，2，…，n；N——N2序列的任一等分點，N＝1，2，…，N2；θ5——N2序列等分點對應的圓心角，θ5為有限角度；Δθ5——N2×n等分點對應的圓心角，Δθ5為有限角度。
3、讀取信號的順序如圖1所示，將二信號盤3的中心相隔一定距離固聯在直彈性軸4上，再將兩個指示盤5分別與兩個信號盤3同心安裝并可作相對轉動。信號盤3位于指示盤5的發光元件指示盤5a和光電元件指示盤5b之間，并使發光元件指示盤5a上發光元件1和光電元件指示盤5b上的光電元件2與信號盤3之間有間隙，即為非接觸式。
測試時，由發光元件指示盤5a上的發光元件1發出光線，光線穿過與指示盤5作相對旋轉的信號盤3的光通道通孔6照射到指示盤另一側光電元件指示盤5b上的光電元件2使它發出電脈沖信號。
設信號盤3的i＝1圓周的N1＝1等分點處的光通道6與指示盤5的i＝1圓周的N2＝1等分點處的信號讀取元件相重合，則此時指示盤5的i＝1圓周的N2＝1等分點處的光電元件2發出一個脈沖電信號；設信號盤3相對指示盤5順時針轉動，信號盤3的光通道6與指示盤5的信號讀取元件的下一個重合點便是i＝2圓周的N1＝1與N2＝1等分點；信號盤3繼續轉動便是i＝3圓周的N1＝1與N2＝1等分點，…，i＝n圓周的N1＝1與N2＝1等分點。再繼續轉動便是信號盤3與指示盤5的i＝1圓周的N1＝2與N2＝2等分點，…，無限循環。
4、安裝信號讀取元件的數量設θ3和θ5的最小公倍數為θmin，其它公倍數為θ。則當信號盤3某個圓周i的N1序列任一等分點N1P與指示盤5同一圓周i的N2序列的任一等分點N2P相重合時，則信號盤3與相重合點(N1P，N2P)相隔θmin/θ3個N1序列等分點的那個點N1Q，指示盤5與相重合點(N1P，N2P)相隔θmin/θ5個N2序列等分點的那個點N2Q，即(N1Q，N2Q)必然重合。同理其它公倍數的點也必然重合。所以指示盤5每個圓周只有θmin/θ5個相鄰的N2序列等分點讀取的信號是非重復的，而其它各點讀取的信號均為這幾個點信號的重復信號。也就是說這幾個點的信號可以到與它相隔θ/θ5個N2序列等分點的那個點上讀取。這樣不僅減少了設置信號讀取元件的數量，而且獲得了安裝信號讀取元件的空間。
設信號盤3的i＝1圓周的N1＝1等分點與指示盤5的i＝1圓周的N2＝1等分點相重合，則指示盤5的i＝1圓周只有N2＝1，2，…，θmin/θ5個相鄰的等分點為非重復信號讀取點，其它各圓周亦如此。
指示盤5各圓周有θmin/θ5個非重復信號讀取點，在這些非重復信號讀取點上安裝信號讀取元件，它們的極坐標為i＝1圓周N11[r1，mθmin]＝1，
N12[r1，(2-1)θ5+mθmin]＝2，…，N1θminθ5[r1,(θminθ5-1)θ5+mθmin]=θminθ5.]]>i＝2圓周N21[r2，(2-1)Δθ5+mθmin]＝1，N22[r2，(2-1)Δθ5+(2-1)θ5+mθmin]＝2，…，…N2θminθ5[r2,(2-1)Δθ5+(θminθ5-1)θ5+mθmin]=θminθ5.]]>i＝n圓周Nn1[rn，(n-1)Δθ5+mθmin]＝1，Nn2[rn，(n-1)Δθ5+(2-1)θ5+mθmin]＝2，…Nnθminθ5[rn,(n-1)Δθ5+(θminθ5-1)θ5+mθmin]=θminθ5.]]>總之，指示盤5各圓周θmin/θ5個非重復信號讀取點，它們安裝信號讀取元件的極坐標為NiN2[ri,(n-1)Δθ5+(N2-1)θ5+mθmin]=N2]]>式中，i＝1，2，…，n；N2=1,2,···,θminθ5;]]>m=0,1,2,···,2πθmin;]]>θmin——θ3和θ5的最小公倍數；Δθ5——N2×n等分點對應的圓心角，圓心角為有限角度。
由上述分析可知，指示盤5共有，n×θmin/θ5個點為非重復信號讀取點，也就是從多通道讀取信號。信號盤3與指示盤5相對轉動一周讀取的全部脈沖信號數為n×N1×θmin/θ5個。
軸的扭矩、角位移、角速度和角加速度的測量是動力機械、機械傳動系統和自動生產線需測量的基本參數。隨著產品質量要求越來越高，對轉速、扭矩的測量監控要求更高，本發明可廣泛應用于自動生產線、交通運輸、機械加工、動力機械性能檢測和科學研究等需要測量瞬時轉角、轉速、扭矩的領域。


圖1是非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器結構示意圖；圖2是傳統的非接觸數字式轉角、轉速傳感器的柵槽盤結構示意圖；圖3是傳統的非接觸數字式轉角、轉速傳感器的結構示意圖；圖4是傳統的轉矩傳感器的結構示意圖；圖5是磁環、齒盤、電磁感應式轉矩傳感器的結構示意圖；圖6是磁環、齒盤、電磁感應式轉矩傳感器的齒盤結構示意圖；圖7是信號盤的光通道分布示意圖；圖8是發光元件指示盤和光電元件指示盤布置信號讀取元件位置的分布示意圖。
圖中1.發光元件，2.光電元件，3.信號盤，4.直彈性軸，5.指示盤，5a.發光元件指示盤，5b.光電元件指示盤，6.光通道通孔，7.可設置信號讀取點，8.安裝信號讀取點。
具體實施例方式
實施例1設n＝5，N1＝25，N2＝20，θ3＝14.4°，θ5＝18°Δθ3＝2.88°，Δθ5＝3.6°，μ＝0.8，θmin＝72°， 1、信號盤3光通道6的分布作n＝5個半徑分別為r1，r2，r3，r4和r5的同心圓周，如圖7所示。沿徑向由外向圓心的圓周分別為i＝1，i＝2，i＝3，i＝4和i＝5。把i＝1的圓周沿順時針方向分成N1＝25等份(稱N1序列等分點)，每等份弧長對應的圓心角為θ3＝14.4°。再把每等份弧長細分為n＝5個等分點，分別為j＝1，j＝2，j＝3，j＝4和j＝n＝5，并取j＝1與N1序列等分點重合，每等份對應的圓心角為Δθ3＝θ3/5＝2.88°。這樣就把i＝1的圓周分成N1＝25個等分點和N1×n＝25×5＝125個等分點。它們對應的圓心角分別為θ3＝14.4°和Δθ3＝θ3/5＝2.88°。
取n＝5個同心圓周的圓心O為極點，過極點作i＝1圓周的N1＝1點的連線為極軸。在各圓周的N1序列的25個等分點處設置光通道通孔6，它們的坐標通式為N1[ri，(i-1)×Δθ3+(N-1)θ3]＝N其中i＝1，2，3，4，5；N＝1，2，…，25；Δθ3＝2.88°；θ3＝14.4°。如圖7所示。
2、指示盤5上N2序列等分點的分布作圓周個數和半徑分別與信號盤3相同的5個同心圓周，如圖8所示。沿徑向由外向圓心的圓周分別為ii＝1，i＝2，i＝3，i＝4和i＝5。把i＝1的圓周沿順時針方向分成N2＝20等分點(稱N2序列等分點)，每等份弧長對應的圓心角為θ5＝18°，并且N2/N1＝20/25＝0.8符合μ＜1要求。再把每等份弧長細分為n＝5個等分點，分別為j＝1，j＝2，j＝3，j＝4和j＝n＝5，并取j＝1與N2序列等分點重合，每等份對應的圓心角為Δθ5＝θ5/5＝3.6°。這樣就把i＝1的圓周分成N2＝20個等分點和N2×n＝20×5＝100個等分點。它們對應的圓心角分別為θ5＝18°和Δθ5＝3.6°。
取5個同心圓周的圓心O為極點，過極點作i＝1圓周的N2＝1點的連線為極軸。在各圓周的N2序列的20個等分點為可能設置信號讀取元件之位置，如圖8所示的空心圓點，它們的坐標通式為N2[ri，(i-1)×Δθ5+(N-1)θ5]＝N式中i＝1，2，3，4，5；N＝1，2，…，20；Δθ5＝3.6°；θ5＝18°。
3、指示盤5上信號讀取元件的分布因θ3＝14.4°，θ5＝18°，它們的最小公倍數為θmin＝72°，其它公倍數θ為144°，216°，288°和360°。指示盤5每個圓周具有 4個相鄰的N2序列的非重復信號讀取點。信號盤3的N1序列等分點分布和指示盤5的N2序列等分點分布決定了信號的讀取順序。
為敘述方便，設i＝1圓周N1＝1(信號盤3)與N2＝1(指示盤5)點相重合，既開始讀取信號。
隨著信號盤3相對指示盤5順時針轉動，依次相重合的點為i＝2圓周的N1＝1與N2＝1；i＝3圓周的N1＝1與N2＝1；i＝4圓周的N1＝1與N2＝1和i＝5圓周的N1＝1與N2＝1；再繼續轉動便是i＝1圓周N1＝2與N2＝2；i＝2圓周N1＝2與N2＝2；i＝3圓周N1＝2與N2＝2；i＝4圓周N1＝2與N2＝2；i＝5圓周N1＝2與N2＝2；…；以此無限循環。
綜上所述讀取信號的順序為從i＝1圓周的N2＝1開始，依次讀完其余4個圓周的N2＝1，再返回到i＝1圓周的N2＝2點，…，依此類推。所以指示盤5每個圓周的4個相鄰的非重復信號讀取點為
N2＝1，N2＝2，N2＝3，N2＝4。
任意圓周當(N1＝1，N2＝1)重合時，這個圓周的公倍數上的點(N1＝6，N2＝5)、(N1＝11，N2＝9)，(N1＝16，N2＝13)，(N1＝21，N2＝17)必重合。
所以N2＝1點的信號，可以在其它N2＝1，5，9，13，17點中任一點讀取。
同理，N2＝2點的信號，可以在N2＝2，6，10，14，18點中任一點讀取。
N2＝3點的信號，可以在N2＝3，7，11，15，19點中任一點讀取。
N2＝4點的信號，可以在N2＝4，8，12，16，20點中任一點讀取圖8中各圓周實際設置信號讀取元件的等分點(實心圓點)為i＝1圓周N2＝1，6，11，16；i＝2圓周N2＝5，10，15，20；i＝3圓周N2＝13，18，3，8；i＝4圓周N2＝1，6，11，16；i＝5圓周N2＝9，14，19，4；實施例的指示盤5共設有20個實際信號讀取元件，信號盤3相對指示盤5轉一周共讀取500脈沖電信號，這些脈沖電信號由信號處理裝置進行處理。
權利要求
1.一種非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，由發光元件(1)、光電元件(2)、直彈性軸(4)和信號處理裝置組成，其特征是直彈性軸(4)上固聯兩片信號盤(3)，兩組指示盤(5)通過軸承安裝在直彈性軸(4)上，兩組指示盤(5)分別與二片信號盤(3)同心并可相對轉動，信號盤(3)上設有光通道通孔(6)，指示盤(5)是由位于信號盤(3)兩側的發光元件指示盤(5a)和光電元件指示盤(5b)固聯而成，發光元件指示盤(5a)上設有發光元件(1)，光電元件指示盤(5b)上設有光電元件(2)。
2.根據權利要求1所述的非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，其特征是信號盤(3)上設置的光通道通孔(6)位置的極坐標為N1[ri，(i-1)×Δθ3+(N-1)θ3]＝N其中i——表示所在的圓周，i＝1，2，…，n，一般取4≤n≤20；N——表示N1序列的任一等分點，N＝1，2，…，N1，N1為正整數，通常20≤N1≤200；θ3——N1序列等分點對應的圓心角(為有限角度)；Δθ3——N1×n等分點對應的圓心角(為有限角度)。
3.根據權利要求1所述的非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，其特征是指示盤(5)上可設置信號讀取點(7)位置的極坐標為N2[ri，(i-1)×Δθ5+(N-1)θ5]＝N其中i——所在的圓周，i＝1，2，…，n，一般取4≤n≤20；N——N2序列的任一等分點，N＝1，2，…，N2，N2為正整數，通常20≤N2≤200，且N2/N1＝μ，μ為小于1的有限小數；θ5-——N2序列等分點對應的圓心角(為有限角度)；Δθ5——N2×n等分點對應的圓心角(為有限角度)。
4.根據權利要求3所述的非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，其特征是指示盤5各圓周安裝θmin/θ5個信號讀取點(8)的位置，它們的極坐標為NiN2[ri,(n-1)Δθ5+(N2-1)θ5+mθmin]=N2]]>式中，i——所在的圓周，i＝1，2，…，n，一般取4≤n≤20；；N2——N2序列的部分等分點N2=1,2,···,θminθ5;]]>m——為正整數，m=0,1,2,···,2πθmin;]]>θmin——θ3和θ5的最小公倍數；θ5——N2序列等分點對應的圓心角，圓心角為有限角度；Δθ5——N2×n等分點對應的圓心角，圓心角為有限角度。
5.根據權利要求1、2所述的非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，其特征是信號盤(3)和指示盤(5)的同心圓周數n相等，并等于信號盤(3)上任一圓周光通道(6)之間更小的等分數和指示盤(5)上任一圓周可設置信號讀取點(7)之間更小的等分數。
6.根據權利要求1、2所述的非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，其特征是指示盤(5)任一圓周上可設置信號讀取點(7)的數N2和信號盤(3)任一圓周上設置的光通道(6)的數N1的比值μ為小于1的有限小數。
全文摘要
本發明涉及一種非接觸多通道光電脈沖輸出式扭矩傳感器，屬于光、機電一體化數字式傳感器技術領域。其特征是直彈性軸(4)上固聯兩片信號盤(3)，兩組指示盤(5)分別與二片信號盤(3)同心并可相對轉動，信號盤(3)上設有光通道通孔(6)，指示盤(5)是由位于信號盤(3)兩側的發光元件指示盤(5a)和光電元件指示盤(5b)固聯而成，發光元件指示盤(5a)上設有發光元件(1)，光電元件指示盤(5b)上設有光電元件(2)。本發明測量精度高、有利于實現實時顯示的非接觸多通道光電脈沖輸出式轉矩傳感器。該發明可廣泛應用于自動生產線、交通運輸、機械加工、動力機械性能檢測和科學研究等需要測量瞬時轉角、轉速、扭矩的領域。
文檔編號G01L3/00GK1793807SQ20051004823
公開日2006年6月28日 申請日期2005年12月24日 優先權日2005年12月24日
發明者白文普, 白銳 申請人:燕山大學