CN107957308A - 法兰式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种法兰式扭矩传感器，包括法兰轴、设于法兰轴两端的左右法兰盘，左法兰盘与动力输入端连接，右法兰盘与负载检测端连接，左右法兰盘均有与动力输入端或负载检测端连接的外圈、与法兰轴连接的内圈，法兰轴上设有轴孔，轴孔内壁上设有弹性体和应变片，外圈与内圈一体设置，左法兰盘和/或右法兰盘的端面上设有隔离外圈与内圈之间的隔离部。如此设置，左右法兰分别连接至电机和待检测的负载之间时，在外圈与内圈之间设置隔离部后，法兰上的螺栓链接位置与中部直接连接法兰轴的位置隔离开，避免上述的静态应力传递至应变片上，以尽量减少其受到非检测应力影响发生变形，即尽量减少零漂。

Description

法兰式扭矩传感器

技术领域

本发明涉及测量装置领域，特别涉及一种法兰式扭矩传感器。

背景技术

扭矩传感器是一种测量设备扭矩信号的仪器，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。扭矩传感器是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测,将扭力的物理变化转换成精确的电信号。

从测试原理来讲，扭矩传感器可以分为应变型、磁弹性型、磁电型及其他类型等,应变片传感器扭矩测量采用应变电测技术。应变型扭矩传感器是在被测对象的弹性体表面指定位置粘贴电阻应变片，当弹性体受扭矩产生微小变形后引起电桥电阻值变化，由弹性体物理量的变化转变为应变片电学量的变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量，通过电桥电路实现非电量到电量的监测。

目前，公开号为CN104792445A的中国专利公开了一种无线联动式扭矩传感器，所述扭矩传感器包括：主体部件，为扭矩传感器的主体部件；左法兰盘通过八个螺栓与左扭盘连接，左法兰盘小端面开有四个沉头螺纹通孔，用以与被测件连接固定；右法兰盘通过八个螺栓与右扭盘连接，右法兰盘小端面开有四个沉头螺纹通孔，用以与被测件连接固定；应变片粘贴于弹性体中部，应变片为感受扭矩信号的元件，能够将弹性体的机械应变转换为电阻的变化，由于左法兰盘和右法兰盘均可以连接被测件，其中一个法兰盘作为被测件之后，另一法兰盘则需要安装驱动件，比如电机，用于带动整个法兰盘转动，法兰式扭矩传感器需要通过法兰盘安装至电机与被测件之间，而法兰盘在安装时，左右法兰一端连接被测件一端连接驱动件，左右法兰固定后的角度误差，会使法兰轴在受力之前就存在一个小的变形，设置于轴孔内的弹性体以及黏贴于弹性体上的应变片也会在它的影响下由于受到发生微小形变，形成抵消该变形的静态应力，使检测之前这个应力会使应变片的检测起始位置高于零点，即增加其零点漂移量，影响检测结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种法兰式扭矩传感器，其具有精度高、误差小的优点。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

一种法兰式扭矩传感器，包括法兰轴、设于法兰轴两端的左右法兰盘，左法兰盘与动力输入端连接，右法兰盘与负载检测端连接，左右法兰盘均有与动力输入端或负载检测端连接的外圈、与法兰轴连接的内圈，其特征在于：所述法兰轴上设有轴孔，轴孔内壁上设有弹性体和应变片，所述外圈与内圈一体设置，所述左法兰盘和/或右法兰盘的端面上设有隔离外圈与内圈之间的隔离部。

如此设置，由于应变片直接黏贴于轴孔内部的弹性体上，而轴孔所在的法兰轴与左右法兰之间一体设置，因此，左右法兰分别连接至电机和待检测的负载之间时，在外圈与内圈之间设置隔离部后，法兰上的螺栓链接位置与中部直接连接法兰轴的位置隔离开，避免上述的静态应力传递至应变片上，以尽量减少其受到非检测应力影响发生变形，即尽量减少零漂。

进一步设置：所述隔离部设置为位于左法兰盘和/或右法兰盘的端面上且将外圈与内圈径向隔离的应力隔离槽。

如此设置，通过应力隔离槽的设置，内圈与外圈在径向方向上相互隔离，使产生的应力在应力隔离槽位置处分散，从而降低对法兰轴内部的应变片的影响，使应变片输出的零点值偏差较低，提高检测精度。

进一步设置：所述隔离部设置为位于左法兰盘和/或右法兰盘的端面上且将外圈与内圈轴向隔离的凹槽。

如此设置，通过设置凹槽，传递转动时产生的应力只传递在外圈上，内圈与外圈不在同一平面，将大部分的应力消散，从而降低传递至内部的应变片的应力，使应变片输出的零点值偏差较低，提高检测精度。

进一步设置：还包括转速测量单元，转速测量单元由信号连接的磁钢和霍尔传感器构成，霍尔传感器位于右法兰盘外圈上，磁钢于外部与霍尔传感器形成信号连接。

如此设置，通过磁钢与霍尔传感器的配合，法兰盘旋转一周，霍尔传感器就输出一个脉冲，从而可测出转数，若接入频率计，便可测出转速。

进一步设置：所述弹性体由弹簧钢60Si₂Mn制成。

如此设置，具有很好的弹性，较高的疲劳强度，是弹性体材料较好的选择。

进一步设置：所述金属应变片由敏感栅、基片、覆盖层、引线和粘结剂组成。

如此设置，敏感栅为形栅箔片，它与片基的接触面积较大，散热条件好，可通过较大电流。它的使用寿命长，蠕变效应小，拥有很好的一致性。

进一步设置：所述金属应变片呈弧形设置，贴于轴孔的内壁上。

如此设置，金属应变片的形状和检测的灵敏度有很大的关系，通过将金属应变片的放置位置，可以使金属应变片感知弹性体的最大应变力，从而得到最大的变形量，从而提高检测的灵敏度。

进一步设置：所述左法兰盘的外圈上设有环形槽，环形槽内嵌设用于给应变片供电的第一线圈，第一线圈连接电桥电路。

如此设置，通过第一线圈给应变片供电，通过弹性体上的电阻应变片感受扭矩的变化，再通过信号处理电路转换为电量值，发送至扭矩显示仪上。

进一步设置：所述左法兰盘的外圈设有环形的光耦合器。

如此设置，光耦合器可以将检测的信号无接触式传输至扭矩显示仪上。

进一步设置：所述左法兰盘和右法兰盘的轴端上设有密封轴孔的端盖。

如此设置，通过端盖密封，对轴孔内的应变片进行防锈防潮处理。

综上所述，本发明具有以下有益效果：设计紧凑，占有非常小的空间，具有很好的侧向防护能力，直接用法兰与负载检测端连接，无需联轴器。因此可承受更高的动态负载，其抗扭刚度好，有效避免扭矩的共振。

附图说明

图1是实施例1的法兰式扭矩传感器的立体结构示意图；

图2是实施例1中弹性体与应变片的结构示意图；

图3是应变片的结构示意图；

图4是法兰式扭矩传感器的主视图；

图5是实施例1的C-C截面示意图；

图6是实施例1的转速测量单元结构示意图；

图7是实施例2的C-C结构示意图；

图8是实施例3的结构示意图。

图中，1、法兰轴；2、左法兰盘；3、右法兰盘；4、外圈；5、内圈；6、应力隔离槽；7、轴孔；8、弹性体；9、应变片；10、敏感栅；11、基片；12、覆盖层；13、引线；14、第一线圈；141、环形槽；15、端盖；16、安装孔；161、霍尔传感器；17、凹槽；18、隔离部。

具体实施方式

以下结合附图对本发明作进一步详细说明。

实施例1：一种法兰式扭矩传感器，如图1所示，包括法兰轴1、设于法兰轴1两端的左法兰盘2和右法兰盘3，左法兰盘2与动力输入端连接，动力输入端可以是电机，右法兰盘3与负载检测端连接，负载检测端可以是伸入至反应釜内部接触液体的转轴，负载检测端因为与液体接触，由液体的稠度对转轴负载，最终在法兰轴1位置处产生扭矩，通过检测扭矩值相对应计算出稠度。

如图2所示，左右法兰盘均有与动力输入端或负载检测端连接的外圈4、与法兰轴1连接的内圈5，外圈4和内圈5一体设置，法兰轴1的上设有沿轴向方向的轴孔7，轴孔7内壁上设有弹性体8和应变片9，弹性体8由弹簧钢60Si₂Mn制成，焊接至轴孔7的内壁上，应变片9粘胶至弹性体8上，法兰轴1产生扭矩时，弹性体8发生形变，由应变片9感知弹性体8的形变。

如图3所示，金属应变片9由敏感栅10、基片11、覆盖层12、引线13和粘结剂组成。该结构为箔式电阻片, 电阻丝部分是平而薄的矩形截面，粘贴牢固，而且栅丝周表面积大，因而散热性好。这样，在相同截面积下，允许通过的电流较丝绕式片的大，使测量有输出较大信号的可能。

所述金属应变片9呈弧形设置，贴于轴孔7的内壁上，将金属应变片9与弹性体8的接触表面积增大，使附着力增加，有利于变形传递，提高感应变形的灵敏度，因而增加了测量的准确性。

如图4和图5所示，左法兰盘2的外圈4上设有环形槽141，环形槽141位于外圈4的圆周面上，且环形槽141的开口朝向外径一侧设置，环形槽141内嵌设用于给应变片9供电的第一线圈14，第一线圈14与应变片9连接电桥电路，左法兰盘2的外圈4还设有光耦合器。应变片9感受弹性体8的形变后,通过电桥电路信号转化处理，转化为可以测量的电压频率信号，该电压频率信号可以传输到光耦合器进行耦合，转化为可以测量的光频率信号，该光频率信号可以直接输出到用户的接收器上，实现扭矩值的测量，从而根据扭矩值相对应计算出所需测量液体的稠度。

左法兰盘2和右法兰盘3的轴端上设有密封轴孔7的端盖15，通过设置端盖15使内部的应变片9被保护在一个封闭的空间内不受干扰，同时可以防潮防尘。

左法兰盘2和/或右法兰盘3的端面上设有应力隔离槽6，该应力隔离槽6位于外圈4与内圈5之间，上述的应力隔离槽6分布至左法兰盘2和/或右法兰盘3的两个轴向端面上，且各个应力隔离槽6同轴设置。

左法兰盘2连接驱动电机，右法兰盘3连接负载部件，电机带动与左法兰盘2转动，由电机带动法兰式扭矩传感器旋转，因为负载部件与被测物体接触后具有阻力，从而产生扭矩，在测量时，应变片9在理论上具有唯一的零点值，初始数值均为零。

由于电机的转动作用至左法兰盘2的外圈4上，传递转动时产生的应力，内圈5与外圈4具有应力隔离槽6，使电机转动时通过应力隔离槽6的设置，内圈5与外圈4在径向方向上相互隔离，使产生的应力在应力隔离槽6位置处分散，从而降低对法兰轴1内部的应变片9的影响，使应变片9输出的零点值偏差较低，提高检测精度。

如图6所示，该法兰式扭矩传感器还具有一转速测量单元，转速测量单元由信号连接的磁钢和霍尔传感器161构成，右法兰盘3外圈4上设有若干安装孔16，霍尔传感器161固定至安装孔16内，磁钢于外部，此处的外部可以是非磁性材料的圆盘边，霍尔传感器161位于安装孔16内，法兰盘旋转一周，霍尔传感器161就输出一个脉冲，从而可测出转数，若接入频率计，便可测出转速。

实施例2：一种法兰式扭矩传感器,与实施例1的不同之处在于，如图7所示，左法兰盘2和/或右法兰盘3的端面上的应力隔离槽6分布至左法兰盘2和/或右法兰盘3的两个轴向端面上，且左法兰盘2和/或右法兰盘3的外端面的应力隔离槽6的直径大于或小于内端面的应力隔离槽6。

电机的转动作用至左法兰盘2的外圈4上，传递转动时产生的应力，可以根据位于内圈5与外圈4上具有不同直径的应力隔离槽6，使电机转动时产生的应力沿经线方向于两应力隔离槽6位置处两次过渡分散，只有少量的应力传递至法兰轴1内，从而降低传递至内部的应变片9的应力，使应变片9输出的零点值偏差较小，达到高精度。

实施例3：一种法兰式扭矩传感器，与实施例1的不同之处在于，参考图8，一种法兰式扭矩传感器，包括法兰轴1、设于法兰轴1两端的左右法兰盘3，左法兰盘2与动力输入端连接，右法兰盘3与负载检测端连接，左右法兰盘3均有与动力输入端或负载检测端连接的外圈4、与法兰轴1连接的内圈5，法兰轴1上设有轴孔7，轴孔7内壁上设有弹性体8和应变片9，外圈5与内圈4一体设置，位于左法兰盘2和/或右法兰盘3的端面上设有将外圈5与内圈4轴向隔离的凹槽17，凹槽17由内圈4内凹形成，内圈4与外圈5不在同一平面上。

电机的转动作用至左法兰盘2的外圈4上，传递转动时产生的应力，因为内圈5和外圈4不在同一平面上，电机转动产生的应力于外圈4端面上传递，内圈5与外圈4不在同一端面上，使电机转动时产生的应力不在同一平面上传递，只有少量的应力传递至内圈5上，并传递至法兰轴1内，从而降低传递至内部的应变片9的应力，使应变片9输出的零点值偏差较小，达到高精度。

上述的实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。

Claims (10)

1.一种法兰式扭矩传感器，包括法兰轴（1）、设于法兰轴（1）两端的左右法兰盘（3），左法兰盘（2）与动力输入端连接，右法兰盘（3）与负载检测端连接，左右法兰盘（3）均有与动力输入端或负载检测端连接的外圈（4）、与法兰轴（1）连接的内圈（5），其特征在于：所述法兰轴（1）上设有轴孔（7），轴孔（7）内壁上设有弹性体（8）和应变片（9），所述外圈（4）与内圈（5）一体设置，所述左法兰盘（2）和/或右法兰盘（3）的端面上设有隔离外圈（4）与内圈（5）之间的隔离部（18）。

2.根据权利要求1所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述隔离部设置为位于左法兰盘（2）和/或右法兰盘（3）的端面上且将外圈（4）与内圈（5）径向隔离的应力隔离槽（6）。

3.根据权利要求1所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述隔离部设置为位于左法兰盘（2）和/或右法兰盘（3）的端面上且将外圈（4）与内圈（5）轴向隔离的凹槽（17）。

4.根据权利要求2或3所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：还包括转速测量单元，转速测量单元由信号连接的磁钢和霍尔传感器（161）构成，霍尔传感器（161）位于右法兰盘（3）外圈（4）上，磁钢于外部与霍尔传感器（161）形成信号连接。

5.根据权利要求2或3所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述弹性体（8）由弹簧钢60Si₂Mn制成。

6.根据权利要求5所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述金属应变片（9）由敏感栅（10）、基片（11）、覆盖层（12）、引线（13）和粘结剂组成。

7.根据权利要求6所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述金属应变片（9）呈弧形设置，贴于轴孔（7）的内壁上。

8.根据权利要求6所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述左法兰盘（2）的外圈（4）上设有环形槽（141），环形槽（141）内嵌设用于给应变片（9）供电的第一线圈（14），第一线圈（14）连接电桥电路。

9.根据权利要求7所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述左法兰盘（2）的外圈（4）设有环形的光耦合器。

10.根据权利要求8所述的法兰式扭矩传感器，其特征在于：所述左法兰盘（2）和右法兰盘（3）的轴端上设有密封轴孔（7）的端盖（15）。