[發(fā)明專利]基于轉(zhuǎn)軸相位差的扭矩檢測裝置、方法以及系統(tǒng)

有效

• 申請?zhí)枺?/td>: 201711378334.2
• 申請日: 2017-12-19
• 公開（公告）號: CN108254109B
• 公開（公告）日: 2019-10-08
• 發(fā)明（設(shè)計）人: 吉小軍;劉翔;黃文平;雷華明
• 申請（專利權(quán)）人: 上海交通大學(xué)
• 主分類號: G01L3/10
• 分類號: G01L3/10;G01L3/12;G01L3/08
• 代理公司: 上海漢聲知識產(chǎn)權(quán)代理有限公司 31236
• 代理人: 莊文莉

本發(fā)明提供了一種基于轉(zhuǎn)軸相位差的扭矩檢測裝置，包含被測軸、激光測頭以及色標(biāo)帶；多個色標(biāo)帶包含第一色標(biāo)帶與第二色標(biāo)帶，第一色標(biāo)帶與第二色標(biāo)帶沿被測軸軸向方向相對布置；所述激光測頭與色標(biāo)帶一一對應(yīng)，激光測頭發(fā)射的光斑到達(dá)對應(yīng)的色標(biāo)帶上；色標(biāo)帶上設(shè)置有條紋，多個條紋包含第一條紋與第二條紋，第一條紋與第二條紋在反射率上存在不同；第一條紋與第二條紋沿被測軸周向方向輪流布置。本發(fā)明還提供了一種采用上述基于轉(zhuǎn)軸相位差的扭矩檢測裝置獲得扭矩值的檢測系統(tǒng)與方法。本發(fā)明采用基于相位差測量的轉(zhuǎn)軸扭矩測量中的零位識別與處理方法，克服了以往基于脈沖信號測量中無法在靜態(tài)條件下進(jìn)行零位校正的困難。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及轉(zhuǎn)軸扭矩測量技術(shù)領(lǐng)域，具體地，涉及一種基于轉(zhuǎn)軸相位差的扭矩檢測裝置、方法以及系統(tǒng)。

背景技術(shù)

扭矩測量與控制在現(xiàn)代智能制造和動力設(shè)備中扮演越來越重要的角色。不斷提高扭矩測量的便利性、實時性和準(zhǔn)確性是扭矩測量和監(jiān)測的不懈追求。目前應(yīng)用較為成熟的轉(zhuǎn)軸扭矩測量方法主要有應(yīng)變型、磁彈性和轉(zhuǎn)角型等。應(yīng)變型扭矩傳感器因為結(jié)構(gòu)簡單、成本低等優(yōu)勢在國內(nèi)應(yīng)用最多，但應(yīng)用時需要解決好信號傳輸?shù)葐栴}。磁彈性傳感器結(jié)構(gòu)上相對復(fù)雜，而且為了獲得一定精度對傳感器相應(yīng)材料及現(xiàn)場工況有比較嚴(yán)格的要求，因而現(xiàn)場應(yīng)用較少。轉(zhuǎn)角型測量方法因易于實現(xiàn)非接觸測量，可以適應(yīng)嚴(yán)苛的環(huán)境并實現(xiàn)長期可靠工作，因而在長軸系扭矩測量中具有突出優(yōu)勢。

基于相位差測量原理是轉(zhuǎn)角型扭矩傳感器實現(xiàn)扭矩測量的基本方法，即通過比較同一轉(zhuǎn)軸上不同位置傳感器所輸出脈沖信號的相位差，結(jié)合轉(zhuǎn)軸材料的扭轉(zhuǎn)剛度系數(shù)來間接測量施加在轉(zhuǎn)軸上的扭矩載荷。傳統(tǒng)的這種測量方法必須在軸系旋轉(zhuǎn)起來后才能進(jìn)行扭矩測量，不能測試靜態(tài)載荷。但在實際應(yīng)用中一些特殊的場合，如艦船螺旋槳主軸、水下航行器等，轉(zhuǎn)軸一旦轉(zhuǎn)動即帶上負(fù)載，不存在扭矩為零的初始狀態(tài)，這就給扭矩測量系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝和調(diào)校帶來很大不便，限制了這種測量方法的實際工程應(yīng)用。

另外，由于實際情況中轉(zhuǎn)軸扭矩變形引起的脈沖信號相位差極其微小，機(jī)械安裝時的初始相位差往往遠(yuǎn)大于載荷引起的相位差變化，而且難以進(jìn)行精確控制，這就給扭矩測量系統(tǒng)的現(xiàn)場安裝和調(diào)校帶來很大不便，限制了這種測量方法的實際工程應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

針對現(xiàn)有技術(shù)中的缺陷，本發(fā)明的目的是提供一種基于轉(zhuǎn)軸相位差的扭矩檢測裝置、方法以及系統(tǒng)。

根據(jù)本發(fā)明提供的基于轉(zhuǎn)軸相位差的扭矩檢測裝置，包含被測軸、激光測頭以及色標(biāo)帶；多個色標(biāo)帶包含第一色標(biāo)帶與第二色標(biāo)帶，第一色標(biāo)帶與第二色標(biāo)帶沿被測軸軸向方向相對布置；

多個激光測頭包含第一激光測頭與第二激光測頭；所述激光測頭與色標(biāo)帶一一對應(yīng)，激光測頭發(fā)射的光斑到達(dá)對應(yīng)的色標(biāo)帶上；

色標(biāo)帶上設(shè)置有條紋，多個條紋包含第一條紋與第二條紋，第一條紋與第二條紋在反射率上存在不同；第一條紋與第二條紋沿被測軸周向方向輪流布置。

優(yōu)選地，所述第一條紋為黑色條紋，第二條紋為白色條紋；

沿被測軸周向方向，黑色條紋與白色條紋的寬度相等，激光測頭發(fā)射的光斑的直徑大于條紋的寬度；

激光測頭發(fā)射的光斑的直徑小于色標(biāo)帶寬度。

本發(fā)明還提供了一種基于轉(zhuǎn)軸相位差的扭矩檢測方法，包含以下步驟：

信號輸出步驟：多個激光測頭根據(jù)被測軸的運動狀態(tài)分別生成對應(yīng)的模擬電壓輸出信號；

調(diào)理采集步驟：獲取模擬電壓輸出信號，對多個模擬電壓輸出信號分別進(jìn)行調(diào)理與采集，獲得對應(yīng)的運算電壓信號；

相位差計算步驟：將多個運算電壓信號中同一任一時刻的電壓值分別比上運算電壓信號幅值，分別取反正弦計算得到瞬時相位，對多個瞬時相位進(jìn)行差分獲得相位差。