CN109708789A - 一种模块化的无线扭矩传感器装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种模块化的无线扭矩传感器装置，包括摩擦轮传动轴和电气模块，摩擦轮传动轴包括传动芯轴、动力传入装置和动力传出装置，传动芯轴分别连接动力传入装置和动力传出装置，实现动力传入装置和动力传出装置与传动芯轴的同步旋转；动力传入将动力通过传动芯轴传入装置，动力传出装置通过传动芯轴将动力传出所述装置；动力传出装置将动力传出时受外部从动件阻力产生扭矩，使传动芯轴发生形变，通过应变片测量形变产生的应力；电气模块包括控制电路PCB板和应变片，传动芯轴连接应变片，控制电路PCB板连接所述应变片，用于采集所述应力数据并所述应力数据发送至远端上位机。本发明装置模块化，能够快速替换，灵活、适用范围广泛。

Description

一种模块化的无线扭矩传感器装置

技术领域

本发明涉及机电控制领域，涉及力反馈控制，具体地，涉及一种模块化的无线扭矩传感器装置。

背景技术

机械动力设备的扭矩变化是其运行状况的重要信息。扭矩测试是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。关于设备应力尤其是扭矩传感器已广泛应用于各种机械设备的动力驱动***优化设计和智能控制上。

对于转轴扭矩的测量，常见的方式包含金属应变片式和非接触式。

金属应变片式利用转轴发生形变，改变转轴上应变片电阻值大小而实现扭矩的测量。而对于采用导电滑环的扭矩传感器，通常分立为旋转端与固定端，通过导电滑环实现物理连通，实现应变信号在旋转部分和静止部分的传递，应变片以惠斯通电桥全桥方式连接实现屏蔽弯矩、轴向应力的影响，在固定端实现供电、信号放大与A/D转换。然而导电滑环属于磨擦接触，因此不可避免地存在着磨损并发热，因而限制了导电滑环的使用寿命；导电滑环的接触不良可能引起信号波动，引起较大的测量误差，甚至导致测量不成功。

非接触式通常由扭杆连接输入输出轴，扭杆扭转造成输入轴上花键的磁感强度变化，通过线圈转化为电压信号实现扭矩的测量。与金属应变片式扭矩传感器相比，虽然非接触式扭矩传感器具有不易磨损、寿命长等优点，但其分辨力较低、测量范围较小，结构也更加复杂，尺寸较大，成本也比应变片式扭矩传感器更高。由于非接触式测量的是动态扭矩，且对于磁感应强度有要求，因此也限制了其应用场合。

对于传统的扭矩传感器，通常采用有线方式进行测量，在高速转动情况下，从转轴引出信号线较为困难，很容易造成信号线之间的缠绕或因磨损造成线路破损信号丢失，导致测量误差或测量失败。

另外对于一些小型精密场合，例如医疗手术等，对尺寸及可靠性要求较高，另外装置的快捷拆装和可替换性也十分必要，装置的既能够方便快速的进行清洁消毒，也能够在多种场合替换使用。

经检索，公开号为105424244A、104792445A的中国发明专利，分别涉及；前者采用非接触式测量，质量和体积尺寸较大，易受外界磁场影响，且无法实现静态扭矩的测量，如电机堵转等情况；后者采用应变片式测量，但尺寸较大，多采用焊接等连接方式，装置的可拆卸性较差，维护成本较高。

因此，市场急需一种测量精度高，体积较小、便于拆卸，适用于多种场合的扭矩传感器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种模块化的无线扭矩传感器装置，用于小型精密的场合且具有较强可替换性。

根据本发明提供一种模块化的无线扭矩传感器装置，所述装置包括摩擦轮传动轴和电气模块，其中，所述电气模块设置于所述摩擦轮传动轴上，

所述摩擦轮传动轴包括传动芯轴、动力传入装置和动力传出装置，所述传动芯轴分别连接所述动力传入装置和所述动力传出装置，实现所述动力传入装置和所述动力传出装置与所述传动芯轴的同步旋转；所述动力传入将动力通过所述传动芯轴传入所述装置，所述动力传出装置通过所述传动芯轴将所述动力传出所述装置；

所述电气模块包括控制电路PCB板和应变片，所述传动芯轴连接所述应变片，所述动力传出装置将动力传出时受外部从动件阻力产生扭矩，使所述传动芯轴发生形变，通过所述应变片测量形变产生的应力；所述控制电路PCB板连接所述应变片，用于采集所述应力数据并将所述应力数据发送至远端上位机。通过控制电路PCB板实现远程信号采集，便捷且安全性高。

优选地，所述摩擦轮传动轴还包括第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和所述第二轴承分别设置于所述传动芯轴的两端，用于实现与机座的连接；机座为固定件实现装置的支撑和固定作用。

所述动力传入装置为齿轮；

所述动力传出装置为传动装置，所述传动装置为摩擦轮或者齿轮，用于实现线传动；也可采用为其他传动装置。

所述传动芯轴为薄壁圆筒状传动轴，所述薄壁传动轴上均匀分布多个所述应变片；通过所述齿轮的啮合带动所述传动轴旋转，从而带动所述摩擦轮旋转。

优选地，所述传动芯轴上沿中心对称设有多个孔，实现应变的扩大便于采集与测量；多个所述应变片与所述孔均匀间隔布置。

采用薄壁圆筒状传动轴，使所述传动芯轴的内部空心且表面均匀开孔以扩大应力，扭矩测量的分辨率高。

优选地，所述传动芯轴上沿中心对称设置四个所述孔，所述传动芯轴上连接四个所述应变片，四个所述应变片均匀分布四个所述孔之间，四个所述应变片分别与所述传动芯轴轴线呈45°角或135°角，且四个所述应变片方向两两相对，以实现轴向应力的抵消，实现切向应力的测量，通过实验标定，能过获得传动过程中的扭矩；四个所述应变片组成惠斯通电桥，当所述传动芯轴产生不同大小的形变时，所述惠斯通电桥输出不同大小的电流值。

优选地，所述电气模块还包括连接板、电源，其中，所述电源和所述控制电路PCB板设置所述连接板形成内芯，所述电源为所述控制电路PCB板的供电，所述内芯通过连接板连接于所述传动芯轴的一端面，使所述电源和所述控制电路PCB板置于所述传动芯轴内部。内芯具有较小体积和紧凑的位置布置，设置于传动芯轴，装置体积小，空间利用率高；

优选地，所述控制电路PCB板包括供电电路、放大电路、模数转换电路和无线传输模块，其中：供电电路的输入端连接所述电源，输出端连接所述惠斯通电桥；放大电路的输入端连接所述惠斯通电桥输出端，输出端连接所述模数转换电路；模数转换电路的输入端连接所述放大电路，输出端连接所述无线传输模块；无线传输模块的输入端连接所述模数转换电路，输出端与所述上位机无线通讯；

所述供电电路实现稳压功能；

所述放大电路实现应变信号的放大功能；

所述模数转换电路实现模拟量信号转换为数字量信号；

所述无线传输模块实现所述应变信号的无线传输功能。

优选地，所述摩擦轮传动轴中所述第一轴承、所述第二轴承、所述齿轮和所述摩擦轮分别为标准件，使所述摩擦轮传动轴为机械模块，可实现快速替换和重复利用；适用多种需求场合。

优选地，所述机械模块与所述电气模块可拆卸式设置，可实现维护更新。

优选地，所述齿轮和所述摩擦轮与传动芯轴过渡配合，通过固定件紧固。可选用紧定螺钉紧固。

优选地，所述应变片为微型应变片。

优选地，所述电源为可充电式电源，可充电式电源分别与控制电路PCB板、开关相连，实现供电和充电功能。

优选地，所述连接板为圆柱形，所述连接板包括充电接口、开关，其中：所述充电接口与所述电源相连，实现便捷充电过程；所述开关为一个单刀双掷开关，用以实现电路的供电状态、断电状态和充电状态。安全性高。

本发明优选方式的工作原理如下：将内芯置于摩擦轮传动轴内部后，拨动单刀双掷开关至供电状态，即可充电电源为控制电路PCB板供电，将第一轴承和第二轴承分别卡入机座对应卡槽中，且使电机传动齿轮与传动芯轴上的齿轮啮合；电机与传动齿轮相连，转动时带动摩擦轮传动轴上齿轮旋转，将动力传入装置；摩擦轮与外部从动件，如线传动用摩擦轮等，压紧实现摩擦传动，将动力传出。由于摩擦轮传动轴旋转传动产生扭矩，传动芯轴发生形变，使分布于传动芯轴上的四个应变片发生形变，电气模块中惠斯通电桥输出电流产生变化。通过更换传动芯轴的摩擦轮或齿轮，如更换齿数、模数不同的齿轮或锥齿轮等，能够实现不同传动比、多种场合的多种需求的应用。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明的传动芯轴为内部空心且表面均匀开孔以扩大应力，扭矩测量的分辨率高；采用模块化设计，传动芯轴上动力传入装置和动力传出装置可实现快速替换，实现多种运动和力矩的传递，使本装置适用性广；机械模块结构简单，便于加工和替换，可显著降低制造和维护成本；机械模块与电气模块可拆卸式设置，便于维护清洁、升级换代，如医疗行业的消毒更换等，也节约了工作时的准备时间。

本发明的内芯具有较小体积和紧凑的位置布置，置于传动芯轴内部，装置体积小，空间利用率高；控制电路PCB板采集应变片的测量数据，能够实现信号的无线传输，实现远程信号采集，便捷且安全性高；电源便捷可充电，重复利用率高；单刀双掷开关实现电路供电、断电和充电三种状态，安全性高。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的立体图；

图2为本发明一实施例的摩擦轮传动轴平面图；

图3为本发明一实施例的内芯立体图；

图4为本发明一实施例的电路原理图；

图中标记分别表示为：第一轴承1、传动芯轴2、摩擦轮3、第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6、第四微型应变片7、齿轮8、第二轴承9、控制电路PCB板10、可充电电源11、MicroUSB接口12、连接板13、单刀双掷开关14、充电接口15、电机16、传动齿轮17、供电电路18、放大电路19、模数转换电路20、无线通讯模块21、上位机22。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-3所示，为一种模块化的无线扭矩传感器装置的优选实施例的结构示意图，本装置可分为机械模块和电气模块，图中包括一个摩擦轮传动轴和一个内芯，摩擦轮传动轴为本装置的机械模块，内芯为本装置的电气模块，机械模块与电气模块可分离式设置，可实现维护更新。

摩擦轮传动轴包括传动芯轴2、动力传入装置和动力传出装置，传动芯轴2分别连接动力传入装置和动力传出装置，实现动力传入装置和动力传出装置与传动芯轴2的同步旋转；动力传入将动力通过传动芯轴2传入本装置，动力传出装置通过传动芯轴2将动力传出本装置。

如图1所示，图中齿轮8为动力传入装置，摩擦轮3为动力传出装置。

齿轮8与传动芯轴2连接，与传动芯轴2过渡配合，并可通过紧定螺钉实现紧固，实现齿轮8与传动芯轴2的同步旋转；齿轮8与传动齿轮17啮合，传动齿轮17与电机16相连，电机16转动带动传动齿轮17和与之啮合的齿轮8旋转，以实现传动芯轴2的旋转，实现装置动力的传入。

摩擦轮3与传动芯轴2连接，与传动芯轴2过渡配合，并可通过紧定螺钉实现紧固，实现与传动芯轴2的同步旋转；传动芯轴2旋转带动摩擦轮3旋转，实现动力传出，可用于实现线传动。动力传出装置也可替换为其他传动部件，如齿轮等。

如图1所示，摩擦轮传动轴还包括第一轴承1、第二轴承9。第一轴承1、第二轴承9分别位于传动芯轴2的两端，实现与机座的连接，机座为固定件，实现装置的支撑与连接。

电气模块包括控制电路PCB板10和第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6、第四微型应变片7。

传动芯轴2连接第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6、第四微型应变片7，动力传出装置将动力传出时受外部从动件阻力产生扭矩，使传动芯轴2发生形变，通过应变片测量形变产生的应力；控制电路PCB板10连接应变片，用于采集应力数据并将应力数据发送至远端上位机22。

如图1、2所示，传动芯轴2为薄壁圆筒状传动轴，且均匀分布贴有第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6、第四微型应变片7，在第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6和第四微型应变片7之间开有四个中心堆成的孔，以实现应变的扩大，便于采集与测量。

第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6和第四微型应变片7与传动芯轴2呈45°角或135°角，且方向两两相对，以实现轴向应力的抵消，实现切向应力的测量，通过实验标定，能过获得传动过程中的扭矩。

本实施例在具体实施时，将第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6、第四微型应变片7粘贴在传动芯轴2表面，与轴线呈45°、135°方向交替粘贴；通过砂纸沿粘贴方向偏45°打磨，再使用丙酮或乙醇等挥发性液体对打磨区域清洗以增强粘结力。例如：可以采用502等强力胶，使用502胶水将应变片粘贴至预定位置，并使用聚乙烯薄膜贴敷于其上，按压以排尽气泡。电机16为微型电机，传动齿轮17和齿轮8模数相同，齿数少于齿轮8，实现减速传动，增大传动扭矩。

如图3所示，内芯包括控制电路PCB板10、可充电电源11、MicroUSB接口12、连接板13、单刀双掷开关14、充电接口15，其中：连接板13为圆柱形，连接板13连接传动芯轴2的端面，使内芯部分置于传动芯轴2内部。

连接板13与控制电路PCB板10、可充电电源11、单刀双掷开关14和充电接口15相连，控制电路PCB板10的电路部分连接第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6和第四微型应变片7，可实现切向应力采集，并将采集的数据发送至远端上位机22；MicroUSB接口12与控制电路PCB板10相连，并嵌入连接板13对应槽口中，实现程序的烧录，便于更新程序。

如图4所示，第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6和第四微型应变片7组成惠斯通电桥，在传动芯轴2产生不同大小的形变时，输出不同大小的电流值；控制电路PCB板10电路部分包含供电电路18、放大电路19、模数转换电路20和无线通讯模块21，其中：供电电路18的输入端连接电源，输出端连接惠斯通电桥；放大电路19的输入端连接惠斯通电桥输出端，输出端连接模数转换电路20；模数转换电路20的输入端连接放大电路19，输出端连接无线传输模块21；无线传输模块21的输入端连接模数转换电路20，输出端与上位机22无线通讯；供电电路18实现电路的稳压与供电功能；放大电路19实现惠斯通电桥应变信号的放大功能；模数转换电路20实现模拟量信号转换为数字量信号；无线通讯模块21可采用蓝牙或Wi-Fi等无线传输模块，实现应变信号的无线传输功能。

可充电电源11为小型供电电源，实现控制电路PCB板10的供电功能，与控制电路PCB板10、单刀双掷开关14和充电接口15相连接，其中，可充电电源11与控制电路PCB板10的供电电路18相连，实现供电；充电接口15与外界电源相连，实现为可充电电源11充电；单刀双掷开关14，能够实现三种状态的切换，包含供电状态、断电状态和充电状态，即可充电电源11为控制电路PCB板10供电、切断供电和外界电源为可充电电源11充电。

上述实施例无线扭矩传感器整体工作原理：

内芯置于摩擦轮传动轴内部后，拨动单刀双掷开关14至供电状态，即可充电电源11为控制电路PCB板10供电，将第一轴承1、第二轴承9卡入机座对应卡槽中，且使传动齿轮17与齿轮8啮合；电机16与传动齿轮17相连，转动时带动摩擦轮传动轴上齿轮8旋转，将动力传入装置；摩擦轮3旋转带动外部从动件运动，将动力传出。由于摩擦轮传动轴旋转受外部从动件阻力产生扭矩，传动芯轴2发生形变，使分布于传动芯轴2上的第一微型应变片4、第二微型应变片5、第三微型应变片6和第四微型应变片7发生形变，惠斯通电桥输出电流值发生变化，通过放大电路19将信号放大后，通过模数转换电路20，将模拟信号转化为数字信号，通过无线通讯模块21发送至上位机22，上位机22通过如MATLAB、QT等软件处理并显示传动芯轴2的扭矩值。本发明采用模块化设计，机械模块与电气模块分离，可充电电源11电量不足或装置需要进行维护、清洁或更新时，从机架取下装置，可便捷分离摩擦轮传动轴和内芯，实现充电、清洁或程序更新；摩擦轮传动轴中，第一轴承1和第二轴承9、摩擦轮3、齿轮8均为标准件，更换传动芯轴2上的摩擦轮3或齿轮8，如更换齿数、模数不同的齿轮或锥齿轮等，能够实现不同传动比、多种场合不同需求的应用。

本发明上述实施例，机架与整体装置的固定方式和控制电路芯片可以按照现有技术选择和实施，只要实现上述的作用和目的即可。通过优化传动芯轴2、控制电路PCB板10和可充电电源11的大小，本发明所设计的无线扭矩传感器尺寸可以根据要求进行缩小或放大。

本发明上述实施例涉及的无线扭矩传感器，整体尺寸小，能实现静态、动态扭矩的测量，扭矩测量分辨力高；装置模块化，传动芯轴2外部摩擦轮3和齿轮8可实现快速替换，实现多种运动和力矩的传递，装置适用性广泛；机械部分与内芯电子元器件部分分离，便于清洁维护。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述装置包括摩擦轮传动轴和电气模块，其中，所述电气模块设置于所述摩擦轮传动轴内；

所述摩擦轮传动轴包括传动芯轴、动力传入装置和动力传出装置，所述传动芯轴分别连接所述动力传入装置和所述动力传出装置，实现所述动力传入装置和所述动力传出装置与所述传动芯轴的同步旋转；所述动力传入将动力通过所述传动芯轴传入所述装置，所述动力传出装置通过所述传动芯轴将所述动力传出所述装置；

所述电气模块包括控制电路PCB板和应变片，所述传动芯轴连接所述应变片，所述动力传出装置将动力传出时受外部从动件阻力产生扭矩，使所述传动芯轴发生形变，通过所述应变片测量形变产生的应力；所述控制电路PCB板连接所述应变片，用于采集所述应力数据并将所述应力数据发送至远端上位机。

2.根据权利要求1所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：具有以下一种或多种特征：

-所述摩擦轮传动轴还包括第一轴承和第二轴承，所述第一轴承和所述第二轴承分别设置于所述传动芯轴的两端，用于实现与机座的连接；所述机座为固定件，实现所述装置的支撑与连接；

-所述动力传入装置为齿轮；

-所述动力传出装置为传动装置，所述传动装置为摩擦轮或者齿轮，用于实现线传动；通过所述齿轮的啮合带动所述传动芯轴旋转，从而带动所述摩擦轮旋转；

-所述传动芯轴为薄壁圆筒状传动轴，所述薄壁传动轴上均匀分布多个所述应变片。

3.根据权利要求2所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述传动芯轴上沿中心对称设有多个孔，实现应变的扩大便于采集与测量；多个所述应变片与所述孔均匀间隔布置。

4.根据权利要求3所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述传动芯轴上沿中心对称设置四个所述孔，所述传动芯轴上连接四个所述应变片，四个所述应变片分别与所述传动芯轴轴线呈45°角或135°角，且四个所述应变片方向两两相对，以实现轴向应力的抵消，实现切向应力的测量；四个所述应变片组成惠斯通电桥，当所述传动芯轴产生不同大小的形变时，所述惠斯通电桥输出不同大小的电流值。

5.根据权利要求1所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述电气模块还包括连接板、电源，其中，所述电源和所述控制电路PCB板设置于所述连接板形成内芯，所述电源为所述控制电路PCB板的供电，所述内芯通过所述连接板连接于所述传动芯轴的一端面，使所述电源和所述控制电路PCB板置于所述传动芯轴内部。

6.根据权利要求5所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：具有如下一种或多种特征：

-所述控制电路PCB板包括供电电路、放大电路、模数转换电路和无线传输模块，其中：所述供电电路的输入端连接所述电源，输出端连接所述惠斯通电桥；所述放大电路的输入端连接所述惠斯通电桥输出端，输出端连接所述模数转换电路；所述模数转换电路的输入端连接所述放大电路，输出端连接所述无线传输模块；所述无线传输模块的输入端连接所述模数转换电路，输出端与所述上位机无线通讯；

-所述供电电路实现稳压功能；

-所述放大电路实现应变信号的放大功能；

-所述模数转换电路实现模拟量信号转换为数字量信号；

-所述无线传输模块实现所述应变信号的无线传输功能。

7.根据权利要求5所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述连接板包括充电接口、开关，其中：所述充电接口与所述电源相连，实现便捷充电过程；所述开关为一个单刀双掷开关，用以实现电路的供电状态、断电状态和充电状态。

8.根据权利要求1所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述电源为可充电式电源；所述连接板为圆柱形。

9.根据权利要求1-8项中任意一项所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述摩擦轮传动轴与所述电气模块可拆卸式设置。

10.根据权利要求1-8项中任意一项所述的一种模块化的无线扭矩传感器装置，其特征在于：所述齿轮和所述摩擦轮与所述传动芯轴过渡配合，通过固定件紧固。