專(zhuān)利名稱(chēng)：微機(jī)型單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于對(duì)各種動(dòng)力機(jī)械傳動(dòng)軸轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速和功率的測(cè)試系統(tǒng)。涉及傳感器，彈性軸角位移、脈沖頻率測(cè)量技術(shù)及微型計(jì)算機(jī)數(shù)字處理技術(shù)。
根據(jù)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀的變換原理來(lái)分類(lèi)，目前主要有應(yīng)變式、光電式、鋼弦式、磁電感應(yīng)式、磁致伸縮式以及磁敏感應(yīng)式等。經(jīng)檢索國(guó)內(nèi)外查無(wú)本發(fā)明的型式。目前國(guó)內(nèi)外廣泛應(yīng)用的是磁電感應(yīng)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速儀。如日本小野DTM－405，406數(shù)字扭矩計(jì)，DTM－DSTP型扭矩轉(zhuǎn)換器，中國(guó)的ZJ型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和ZJYW1微機(jī)型轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀等。它們都具有放大整形、應(yīng)用相位差原理、脈沖計(jì)數(shù)、數(shù)字直讀處理、測(cè)試轉(zhuǎn)速范圍寬、精度高、穩(wěn)定可靠、并可測(cè)起動(dòng)和低速扭矩等特點(diǎn)。但傳感器上需要配置電動(dòng)機(jī)，構(gòu)造復(fù)雜。因此，不適用于象汽車(chē)那樣的動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率的測(cè)量。
本發(fā)明的目的在于克服現(xiàn)有轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器的構(gòu)造缺點(diǎn)，突破了傳統(tǒng)的測(cè)量彈性軸轉(zhuǎn)矩所用的測(cè)量?jī)陕冯娦盘?hào)相差來(lái)決定轉(zhuǎn)矩的方法。應(yīng)用一個(gè)能產(chǎn)生交變信號(hào)的固定探頭，取其電信號(hào)，經(jīng)過(guò)放大、整形以及邏輯處理接口電路，輸入微型計(jì)算機(jī)處理系統(tǒng)，可直接測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩，轉(zhuǎn)速并計(jì)算出功率。此外，本發(fā)明的目的還在于將此轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀的傳感器結(jié)構(gòu)用于車(chē)載測(cè)量轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速和功率。
本發(fā)明的技術(shù)解決方案是這樣實(shí)現(xiàn)的。本實(shí)用新型由兩部分組成，即轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器和微機(jī)測(cè)量系統(tǒng)。傳感器的結(jié)構(gòu)原理如
圖1所示。它是由彈性軸(1)上固定的一對(duì)具有等分凸齒相互偶合的兩個(gè)園盤(pán)(2)、(3)構(gòu)成的角位移變換器及其固定在外殼(5)上的探頭(4)組成。探頭可以是任何形式的非接觸感應(yīng)式交變信號(hào)發(fā)生器。如磁敏型、電磁型和光電型等。
轉(zhuǎn)矩的測(cè)量原理是利用彈性軸在一定的標(biāo)定長(zhǎng)度內(nèi)相對(duì)扭轉(zhuǎn)角位移θ與所傳遞的扭矩T成正比的關(guān)系，即T＝K×θ (1)式中K是結(jié)構(gòu)常數(shù)。
當(dāng)彈性軸傳遞的轉(zhuǎn)矩T＝0時(shí)，由于角位移變換器中齒盤(pán)(2)、(3)之間的齒間距相等，即異盤(pán)齒間距相等。因此，當(dāng)彈性軸(1)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，兩齒盤(pán)(2)、(3)的凸齒在探頭(4)中感應(yīng)出的交變信號(hào)，經(jīng)放大及整形處理后的信號(hào)如圖2(6)所示。當(dāng)T≠0時(shí)，則其信號(hào)如圖2(7)所示。其中方波(6)或(7)分別是由圖1中(2)或(3)齒盤(pán)感應(yīng)出來(lái)的信號(hào)。
由同盤(pán)凸齒感應(yīng)出的電信號(hào)的時(shí)間間隔具有如下特點(diǎn)即 taoao=taa＝tbobo＝tbb(2)而異盤(pán)凸齒感應(yīng)出的電信號(hào)的時(shí)間間隔具有如下特點(diǎn)
即當(dāng)T＝0時(shí)，有 taobo＝tboao＝ (taoao)/2 ＝ (tbobo)/2 (3)當(dāng)T≠0時(shí)，有 tab≠tba(4)故由于彈性軸相對(duì)角位移所造成的異盤(pán)信號(hào)之間的時(shí)差為△t＝︱ (taa)/2 -tab︱＝︱ (taa)/2 -tba︱ (5)或△t＝︱ (tbb)/2 -tba︱＝︱ (tbb)/2 -tab︱ (6)而 θ＝ (2π)/60 ·n·△t (7)式中n－為轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速。
此外，微型計(jì)算機(jī)具有較強(qiáng)的中斷處理及計(jì)數(shù)功能。采用微型計(jì)算機(jī)與相應(yīng)的放大，整形，邏輯控制及計(jì)數(shù)電路，可以十分簡(jiǎn)便的實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間差△t的精確測(cè)量及轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)速n的測(cè)量。
當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，微機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理如圖3所示，由探頭(4)(如磁敏型、電磁型)產(chǎn)生的過(guò)零脈沖交變信號(hào)，輸入該接口板的運(yùn)算放大器(8)中，通過(guò)放大整形以后，再送入與門(mén)(10)，由T型觸發(fā)器(11)及同步加／減計(jì)數(shù)器(12)實(shí)現(xiàn)對(duì)時(shí)間差△t的計(jì)數(shù)測(cè)量。測(cè)量過(guò)程的時(shí)序如圖5所示。
本實(shí)用新型由于采用非接觸式感應(yīng)探頭，將角位移變換器兩齒盤(pán)所產(chǎn)生的異盤(pán)感應(yīng)信號(hào)在同一探頭中輸出，可以克服測(cè)量?jī)陕冯娦盘?hào)相差時(shí)，由于信號(hào)畸變和兩路溫漂特性不一致所造成的測(cè)量誤差。另外，由于產(chǎn)生交變信號(hào)的方式較多，且角位移換變換方式結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，因此對(duì)各種動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速的測(cè)量比較方便，且精度可以達(dá)到1％以?xún)?nèi)。
以下結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本實(shí)用新型進(jìn)一步說(shuō)明。
圖1是單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器結(jié)構(gòu)原理圖。
圖2是同路信號(hào)時(shí)差原理圖。
圖3微機(jī)測(cè)量系統(tǒng)的工作原理圖。
圖4是單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器實(shí)施例的縱剖面結(jié)構(gòu)圖。
圖5為時(shí)差測(cè)量控制時(shí)序圖圖中1彈性應(yīng)變軸、2齒盤(pán)A、3齒盤(pán)B、4探頭、5殼體、6T＝0時(shí)同路信號(hào)時(shí)差原理圖、7T≠0時(shí)同路信號(hào)時(shí)差原理圖、8運(yùn)算放大器、9反向器、10與門(mén)、11T型觸發(fā)器、12同步加／減計(jì)數(shù)器、13或門(mén)、14數(shù)據(jù)緩沖器、15單片微型機(jī)、16顯示器和打印機(jī)、17螺釘、18軸承端蓋、19調(diào)整墊片、20精密軸承、21螺釘、22調(diào)整墊片。
在圖1和圖4中，由一根彈性應(yīng)變軸(1)和兩個(gè)帶軸套的齒盤(pán)(2)、(3)組成的角位移變換器。將彈性軸承受轉(zhuǎn)矩以后的扭轉(zhuǎn)變形，通過(guò)兩齒盤(pán)(2)、(3)上相互偶合的凸齒之間的周向相對(duì)移動(dòng)反映出來(lái)。由齒盤(pán)(2)、(3)在探頭(4)中先后連續(xù)感應(yīng)出的信號(hào)經(jīng)放大整形以后，具有如圖2所示的特點(diǎn)。當(dāng)彈性軸傳遞的轉(zhuǎn)矩T＝0時(shí)，由于角位移變換器中兩齒盤(pán)(2)、(3)之間的齒間距相等，即異盤(pán)齒間距相等。因此，當(dāng)彈性軸(1)轉(zhuǎn)動(dòng)即兩齒盤(pán)(2)、(3)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)其凸齒探頭(4)中感應(yīng)出的信號(hào)，經(jīng)放大整形處理以后的信號(hào)如圖2中(6)所示。當(dāng)T≠0時(shí)，則其信號(hào)如圖2中(7)所示。圖中方波a或b分別是由齒(2)、(3)感應(yīng)出來(lái)的。彈性軸的材料為青銅或40CrNiMoA，齒盤(pán)的材料為軟磁性材料如低碳銅。齒盤(pán)(2)、(3)與彈性軸(1)是通過(guò)齒盤(pán)上的軸套與軸之間的過(guò)盈配合實(shí)現(xiàn)聯(lián)接的。
彈性軸(1)和兩齒盤(pán)(2)、(3)組成的角位移變換器、由一對(duì)精密軸承(17)支承，并安裝在殼體(5)中。
探頭(4)是常見(jiàn)的磁電感應(yīng)式探頭或利用霍爾元件及磁敏晶體管組成的探頭。其按裝位置為探頭(4)固定在齒盤(pán)(2)、(3)所在的徑向平面內(nèi)并對(duì)準(zhǔn)凸齒。探頭(4)與齒盤(pán)(2)、(3)之間的徑向間隙由墊片21來(lái)調(diào)整，并利用螺釘(22)將探頭(4)固定在殼體(5)上。
單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器經(jīng)過(guò)標(biāo)標(biāo)定后，應(yīng)直接的串入被測(cè)動(dòng)力機(jī)械轉(zhuǎn)軸系統(tǒng)中，兩端用彈性聯(lián)軸器與轉(zhuǎn)動(dòng)軸聯(lián)接，安裝時(shí)，應(yīng)該盡量避免彈性軸附加彎矩對(duì)轉(zhuǎn)矩測(cè)量的影響。
在圖3中，當(dāng)轉(zhuǎn)動(dòng)軸傳遞動(dòng)力工作時(shí)，由傳感器探頭(4)產(chǎn)生的信號(hào)輸入接口板的運(yùn)算放大器(8)中，經(jīng)過(guò)放大整形以后再送入與門(mén)(10)。并利用單片機(jī)(15)的P10輸出一個(gè)電平信號(hào)，對(duì)測(cè)量起止進(jìn)行控制。當(dāng)單片機(jī)(15)的P10發(fā)出高電平時(shí)，經(jīng)過(guò)放大整形以后的信號(hào)可以通過(guò)與門(mén)(10)送入T型觸發(fā)器(11)，并控制同步加／減計(jì)數(shù)器(12)對(duì)時(shí)間差△t進(jìn)行測(cè)量。加／減計(jì)數(shù)器(12)的計(jì)數(shù)進(jìn)位可以輸入到單片機(jī)(15)的內(nèi)部定時(shí)／計(jì)數(shù)器T0中，形成時(shí)差計(jì)數(shù)的高位。外部計(jì)數(shù)結(jié)果由單片機(jī)(15)的RD和P11經(jīng)或門(mén)(13)輸出合成信號(hào)控制數(shù)據(jù)緩沖器(14)將其輸入到單片機(jī)(15)的RAM單元中存貯起來(lái)，并利用式(7)和(1)計(jì)算轉(zhuǎn)矩。
在圖5中時(shí)間測(cè)量過(guò)程的時(shí)序控制為將整形以后的脈沖方波如圖5中(23)，經(jīng)反向器(9)以后形成負(fù)跳沿中斷信號(hào)如圖5中(24)，使計(jì)算機(jī)轉(zhuǎn)入中斷處理過(guò)程。
在計(jì)算機(jī)中斷處理時(shí)，首先發(fā)出一個(gè)高電平如圖5中(25)，使脈沖方波經(jīng)與門(mén)(10)形成一個(gè)控制T型觸發(fā)器翻轉(zhuǎn)的控制信號(hào)如圖5中(26)。這個(gè)控制信號(hào)(26)，使T觸發(fā)器按圖5中(27)的形式變化，從而控制加／減計(jì)數(shù)器(12)的計(jì)數(shù)狀態(tài)。
當(dāng)(27)信號(hào)處于高電平時(shí)，加／減計(jì)數(shù)器(12)處于加數(shù)計(jì)數(shù)狀態(tài)。由于方波(23)之間的tab和Tba之間的時(shí)間間隔不相等，所以計(jì)數(shù)器的計(jì)數(shù)結(jié)果就是由于彈性軸扭轉(zhuǎn)角位移產(chǎn)生的時(shí)間差如圖5中(29)。時(shí)間差的大小是由計(jì)量的脈沖量的多少來(lái)決定的。這個(gè)計(jì)量脈沖可以利用計(jì)算機(jī)的主時(shí)鐘產(chǎn)生，如圖5中(28)。它的頻率很高，因此有利于提高計(jì)量的精度。
轉(zhuǎn)速的測(cè)量可以利用單片機(jī)(15)的內(nèi)部定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1來(lái)實(shí)現(xiàn)的。當(dāng)單片機(jī)(15)開(kāi)始測(cè)量時(shí)間差△t時(shí)，即可使單片機(jī)(15)的內(nèi)部定時(shí)／計(jì)數(shù)器T1計(jì)數(shù)。通過(guò)測(cè)量彈性軸(1)每轉(zhuǎn)所需時(shí)間，即可以求出轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速。
測(cè)量出轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩以后，就可以利用公式N＝T·n計(jì)算出功率N，利用顯示器或打印機(jī)(16)可將測(cè)量結(jié)果轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速或功率顯示、打印或繪圖輸出。
權(quán)利要求1.微機(jī)型單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，是由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、接口電路和微機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)組成，其特征是該微機(jī)型單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀的轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是由一個(gè)磁敏型或電磁型的單路探頭和一個(gè)彈性軸與一對(duì)相互偶合的齒盤(pán)構(gòu)成的角位移變換器所組成的單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器；接口電路是由運(yùn)算放大器構(gòu)成的放大、整形電路和由與門(mén)、T型觸發(fā)器、同步加/減計(jì)數(shù)器、或門(mén)及數(shù)據(jù)緩沖器構(gòu)成的邏輯控制時(shí)間差計(jì)數(shù)測(cè)量電路組成；微機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)是由單片機(jī)和打印機(jī)組成的數(shù)字化測(cè)量結(jié)果顯示、打印處理系統(tǒng)；放大、整形電路安裝在傳感器中，其輸出信號(hào)由五根芯電纜線輸入到由時(shí)間差計(jì)數(shù)測(cè)量電路與微機(jī)數(shù)字處理系統(tǒng)所組成的儀表中。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)型單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是其單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器是由一根彈性軸、一對(duì)具有等分凸齒相互偶合的兩個(gè)帶一定長(zhǎng)度軸套的齒盤(pán)組成的角位移變換器，及能感應(yīng)出交變信號(hào)的單探頭或多探頭串聯(lián)組合輸出單路信號(hào)的形式。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)型單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是其單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器中探頭的安裝位置與兩齒盤(pán)凸齒處于同一平面、或處于兩齒盤(pán)的側(cè)面、或處于兩齒盤(pán)的中間。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)型單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是其單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器中相互偶合的兩個(gè)凸齒盤(pán)可以制成不等分凸齒盤(pán)及兩齒盤(pán)的軸套長(zhǎng)度不相等，即兩齒盤(pán)在標(biāo)定長(zhǎng)度內(nèi)不對(duì)稱(chēng)，或?qū)升X盤(pán)制成兩軸套一端凸齒互偶合的結(jié)構(gòu)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微機(jī)單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，其特征是利用與門(mén)、T型觸發(fā)器、同步加／減計(jì)數(shù)器及緩沖計(jì)數(shù)器組成的邏輯控制時(shí)間差計(jì)數(shù)測(cè)量電路。
專(zhuān)利摘要本實(shí)用新型涉及一種微機(jī)型單路信號(hào)轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速功率儀，突破了傳統(tǒng)的測(cè)量彈性軸轉(zhuǎn)矩所用的測(cè)量?jī)陕冯娦盘?hào)相差來(lái)決定轉(zhuǎn)矩的方法。應(yīng)用一個(gè)能產(chǎn)生高變信號(hào)的固定探頭，將由彈性轉(zhuǎn)軸角位移變換器所感應(yīng)出的脈沖信號(hào)，通過(guò)具有放大，整形及邏輯處理功能的接口電路，并把由此測(cè)量的相應(yīng)轉(zhuǎn)矩的數(shù)字量輸入微型計(jì)算機(jī)系統(tǒng)，可直接的測(cè)量出轉(zhuǎn)動(dòng)軸的轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速及計(jì)算出轉(zhuǎn)動(dòng)軸所傳遞的功率。
文檔編號(hào)G01L3/24GK2131102SQ9121644
公開(kāi)日1993年4月28日 申請(qǐng)日期1991年6月12日 優(yōu)先權(quán)日1991年6月12日
發(fā)明者朱國(guó)璽, 儲(chǔ)江偉, 廉昭, 倪元增, 原祥禎, 闞玉敏, 高信國(guó), 王守忠, 李東升, 劉仁 申請(qǐng)人:東北林業(yè)大學(xué)