[發明專利]組合光電式力矩測量裝置及測量方法

有效

• 申請號: 201310237648.6
• 申請日: 2013-06-14
• 公開（公告）號: CN103308227A
• 公開（公告）日: 2013-09-18
• 發明（設計）人: 高曉丁;沈瑜
• 申請（專利權）人: 西安工程大學
• 主分類號: G01L3/00
• 分類號: G01L3/00
• 代理公司: 西安弘理專利事務所 61214
• 代理人: 羅笛

1.組合光電式力矩測量裝置，其特征在于，包括剖分式傳感器殼體（2），以及設置在剖分式傳感器殼體（2）內部的彈性扭轉圓軸（1），圓光柵盤A（3），圓光柵盤B（4），光電器件A（5），微處理系統（6），光電器件B（7）；

在所述的剖分式傳感器殼體（2）相對的兩個側面安裝有軸承A（8）和軸承B（9），所述的彈性扭轉圓軸（1）安裝在軸承A（8）和軸承B（9）上，且所述彈性扭轉圓軸（1）位于剖分式傳感器殼體（2）的外側的兩端均設置有聯接鍵（10）；

所述圓光柵盤A（3）和圓光柵盤B（4）對稱安裝在彈性扭轉圓軸（1）上；

在所述的圓光柵盤A（3）和圓光柵盤B（4）的上分別設置有光電器件A（5）和光電器件B（7），所述的光電器件A（5）和光電器件B（7）與微處理系統（6）連接。

2.根據權利要求1所述的組合光電式力矩測量裝置，其特征在于，所述的彈性扭轉圓軸（1）采用若干直徑為d_i，i=1,2,3...的圓軸。

3.根據權利要求1或2所述的組合光電式力矩測量裝置，其特征在于，所述的彈性扭轉圓軸（1）上對稱設置有兩個定位軸環（11），所述的每個定位軸環（11）上都設置有安裝定位孔（17）；

所述圓光柵盤A（3）和圓光柵盤B（4）的中間設置有圓光柵盤安裝孔（15），所述安裝孔（15）的內徑和彈性扭轉圓軸（1）的直徑配合，圓光柵盤A（3）和圓光柵盤B（4）上均設置有圓光柵盤安裝定位孔（16），圓光柵盤安裝定位孔（16）與所述的安裝定位孔（17）的直徑相配合，且通過定位銷（22）固定連接。

4.根據權利要求1或2所述的組合光電式力矩測量裝置，其特征在于，圓光柵盤A（3）和圓光柵盤B（4）上設置有圓光柵盤工作區（12），所述圓光柵盤工作區（12）光刻有若干條柵槽（13），在工作區正中位置光刻有一條定位標記柵槽（14），且定位標記柵槽（14）的長度大于其余若干條柵槽（13）。

5.根據權利要求1所述的組合光電式力矩測量裝置，其特征在于，所述的光電器件A（5）和光電器件B（7）分別位于所述的圓光柵盤A（3）和圓光柵盤B（4）的直徑方向，且固定在所述的剖分式傳感器殼體（2）上；

所述的光電器件A（5）和光電器件B（7）上均開有凹槽（23），所述的圓光柵盤A（3）和圓光柵盤B（4）的邊緣位于凹槽（23）中；

所述的凹槽（23）的一側設置有a相發光管（18）和b相發光管（19），另一側設置有a相光敏管（20）和b相光敏管（21）。

6.一種利用組合光電式力矩測量裝置進行力矩測量的方法，利用本發明的組合光電式力矩測量裝置，按照以下步驟實施：

步驟1，預估被測力矩，初步選擇直徑為d_i的彈性扭轉圓軸：

1.1）根據被測對象的技術指標預估待測力矩的值T₀，由材料力學計算扭轉力矩的公式：

T₀=（G×I_p）×（〔Ф〕÷L）???（1）

公式（1）中T₀是被測力矩預估值，G是彈性扭轉圓軸材料的剪切彈性模量，L是彈性扭轉圓軸上兩個圓光柵盤之間軸段長度，〔Ф〕彈性扭轉圓軸1材料的許用扭轉角，G、L、〔Ф〕都是常量，I_p是彈性扭轉圓軸1安裝兩個圓光柵盤軸段的極慣性矩，

且，I_p=π×d₀⁴÷32???（2）；

其中d為彈性扭轉圓軸的直徑，將公式（2）代入公式（1）中，計算得到得出d₀，

根據計算出的d₀，初步選擇直徑與之最接近的彈性扭轉圓軸，初步選定的彈性扭轉圓軸直徑為d_i；

步驟2，進行力矩測試，

2.1）為組合光電式力矩測量裝置加電，微處理系統同時讀取光電器件A和光電器件B傳輸的電脈沖信息，此時在系列彈性扭轉圓軸的兩端未加被測力矩、系列彈性扭轉圓軸沒有發生扭轉變形，圓光柵盤A和圓光柵盤B上的定位標記柵槽位于同一相位，組合光電式力矩測量裝置正常工作；

2.2）將力矩加在彈性扭轉圓軸的兩端，當微處理系統讀取到光電器件A上的b相光敏管傳輸的電脈沖信號，即圓光柵盤A上定位標記柵槽的位置信息時，微處理系統開始記錄光電器件B上a相光敏管傳回的電脈沖信號，此時系列彈性扭轉圓軸發生扭轉變形、圓光柵盤A和圓光柵盤B上的定位標記柵槽產生扭轉而發生錯位；

2.3）當微處理系統同時讀取到光電器件B上b相光敏管傳輸的電脈沖信號時，微處理系統停止記錄光電器件B上a相光敏管傳回的電脈沖信號；至此，微處理系統記錄的光電器件B上a相光敏管傳回的電脈沖數為n，即表示圓光柵盤A和圓光柵盤B上的定位標記柵槽產生扭轉錯位變形量；

步驟3，依據材料力學公式進行計算處理：

材料力學計算扭轉力矩的公式為，

T=（G×I_p）×（Ф÷L）???（3），

公式（3）中，T是被測扭矩，其中，G是系列彈性扭轉圓軸材料的剪切彈性模量，L是彈性扭轉圓1上兩個圓光柵盤之間軸段長度，I_p是彈性扭轉圓軸1安裝兩個圓光柵盤軸段的極慣性矩，Ф是彈性扭轉圓軸在力矩T作用下扭轉的角度，且Ф＜〔Ф〕，

且，I_p=π×d_i⁴÷32，其中，d_i是步驟1中初步選定的系列彈性扭轉圓軸的直徑d_i，

另外，Ф=n×360°÷N???（4），

公式（4）中，N是圓光柵盤作為完整圓光柵盤全部柵槽的線數，n是步驟3中微處理系統記錄下來的對電脈沖數，

根據上述公式可以得出，

T=｛（G×360°×π÷32÷N÷L）×d_i⁴｝×n???（5），

根據公式（5）進行計算處理后得到被測力矩初測值T_i的大小；

步驟4，對被測力矩預估值T₀與初測值T_i進行比較，判斷初測值T_i與預估值T₀的關系，

將力矩初測值T_i與力矩預估值T₀進行比較，出現下列3種情況：

1）當T_i＞0.8T₀，說明步驟1中初步確定組合光電式力矩測量裝置的量程范圍偏小；選取直徑為d_i+1的彈性扭轉圓軸，再次按照步驟2到步驟4進行測量；

2）當T_i＜0.2T₀時，說明步驟1中初步確定組合光電式力矩測量裝置的量程范圍偏大，選取直徑為d_i－1的彈性扭轉圓軸，再次按照步驟2到步驟4進行測量；

3）當0.2T₀＜T_i＜0.8T₀，說明步驟1中初步確定組合光電式力矩測量裝置的量程范圍合適，則步驟3中所測得的初測值T_i就是待測力矩T的數值。