CN1123763C - 利用光电传感对传动轴的扭矩进行测量的方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于物理量测试领域，该方法为：在轴上设置两个测量点，把一束垂直于轴线方向的光线照射在两个点上，计数器设置为收到第一个信号后开始计数，再接到一个信号后停止计数，计数值就代表了两个信号的时间差。在发生扭转后，两个反射镜相对位置发生变化，通过反射光线反应到计数器上，由其变化量可得扭转值。本发明具有灵敏度高，线性度好，测量范围大，成本低，结构简单，使用方便的特点，特别是适用于中小载荷的测量。

Description

利用光电传感对传动轴的扭矩进行测量的方法

本发明属于物理量测试领域，特别涉及对扭矩测量的方法。

在机械、测量、加工、传感等很多领域里，都涉及到扭矩的测量。扭矩相对别的量来说是一个难于测量的物理量，目前市场上的传感器种类虽然很多，但是扭矩传感器却相对比较少。常见的扭矩测量的方式主要有：

1.弹性轴上贴应变片

应变片测量采用了接触被测体的测量方法，对本身的形状、材料等属性依赖性大，精度低，适应范围小。这是属于比较旧的一种测量手段，现在已逐渐被淘汰。

2.磁电传感。

磁电式传感器采用了非接触测量法，相对应变片精度提高，但由于磁电元件本身的特点，当工作环境的温度发生变化，或受到外磁场干扰，或受到机械冲击、震动时，磁电式传感器受其影响，灵敏度将发生变化而产生测量误差。

这两种测量方法还有一个共同的主要缺陷，就是只适用于大型、笨重的机械***，对于微细元件、精密***中要测量的微小转矩无能为力。

本发明的目的是克服已有技术的不足之处，提供一种利用光电传感进行扭矩测量的方法，具有灵敏度高，线性度好，测量范围大，成本低，结构简单，使用方便的特点，特别是适用于中小载荷的测量。

本发明提出的一种利用光电传感进行扭矩测量的方法，包括以下步骤：

1)在传动轴转动前，在轴的圆周面上任意设置两个相隔一定距离的可对光进行反射的测量点I、II；

2)将一束垂直于轴线方向的光线照射在两个测量点上；

3)设置接收反射光的位置固定的两个光电传感器，及与该两个光电传感器的输出端相连的计数器，两个光电传感器分别接收测量点I、II的反射光，该传动轴每转动一周两个光电传感器分别接收一次，计数器设置为先收到的一个测量点的信号后开始计数，再接到另一个测量点的信号后停止计数；

4)当轴在不加载荷情况下转动时，测量点I、II一先一后受到光线照射，会一先一后将光线反射出去，可以在计数器上得到一个初始的计数值N₀，这代表了它们的相对夹角θ₀；

5)当轴在加载情况下转动时，由于传递动力，造成了轴受扭矩作用而发生弹性扭转变形，两个测量点相对位置发生变化，通过该点反射光线反映到计数器上，计数值也发生变化，或增大或减小，其变化量为ΔN；

6)比较加载前后计数器的计数值，计算出轴的扭转变形情况。

为提高测量精度，所说的测量点I、II最好分别设置在该传动轴的两个端面上。

本发明采用的测量基本原理是测量轴的变形，通过变形量直接或间接计算出轴受到的扭矩。轴扭转角问题属于仅在端面上受力的柱体平衡问题，若严格的满足边界条件，求解十分困难。因此利用圣维南原理(在一个物体内，距离外加载荷作用部位相当远的各点，其应力与所实际施加的载荷细节关系不大)，将边界条件放松，认为中间截面上的应力仅与端面上外力的合力及合力矩有关。

等直截面圆轴的扭转，对其内部变形做出刚性平面的假设，即受扭时圆周截面仍保持平面，圆的半径r在变形后仍为直线，利用胡克定律，由应变分布规律得到应力分布规律，然后利用应力平衡条件得到圆轴在扭矩M_n作用下，表面的剪应力为 $\mathrm{\τ}=\frac{M_n}{W_n}---\left(1\right)$

(1)式中，W_n为圆轴的抗扭截面模量。对于实心圆轴，其值W_n＝π/16d³；对于空心圆轴其值为W_n＝π/16(D₀ ³-αd₀ ³)。

其中d为实心圆轴的直径；

D₀为空心圆轴的外径；

d₀为空心圆轴的内径；

α＝d₀/D₀

在弹性范围内，对应剪应变 $\mathrm{\γ}=\frac{\mathrm{\τ}}{G}=\frac{M_n}{{\mathrm{GW}}_n}---\left(2\right)$

上式中，G为剪切弹性模量。

同时，相距L的两个截面之间产生相对扭转角，其值可由下式确定： $\mathrm{\θ}=\frac{L}{{\mathrm{GJ}}_n}{M}_n---\left(3\right)$

上式中，J_n为截面的极惯性矩。

对于实心圆轴：J_n＝π/32d⁴；

对于空心圆轴：J_n＝π/32(D₀ ⁴-d₀ ⁴)；

从上面两式可以看出，只要轴的尺寸d或D₀，d₀及L确定，材料的剪切弹性模量G一定，转轴的剪应变和相距L的两截面相对转角就只与扭矩有关，且成比例，即

      θ＝KM_n                         (4) $K=\frac{L}{{\mathrm{GJ}}_n}$ 为常数，所以

      θ∝M_n

只要测量θ即可以确定M_n。

因此测传动轴的扭矩问题转化成为测它的两个截面的相对转角问题。只要设计完成后，标定常数K的值，就可以建立转角和扭矩一一对应的关系。

本发明的特点是，计数与信号的大小强弱无关，只要器件的反应速率足够高，就可以有很高的精度和灵敏度。测量过程与实际运作情况无关，不受转速、载荷等不稳定因素的影响，抗干扰能力强。测量范围大，特别是适用于中小载荷的测量，对于微型轴的测量，比如测量钢丝的转角也是可以实现的。线性度好，成本低，结构简单，易于操作。

附图说明：

图1为本发明的方法设置示意图。

图2为本发明的测量原理示意图。

图3为本发明的测量步骤示意图。

本发明提出的一种利用光电传感对传动轴的扭矩进行测量的方法结合附图及实施例详细说明如下：

本发明的测量原理如图1、图2所示，在轴1的圆周面上，两个相距有一定距离的点I、II，已知相对转角为θ₀。把一束垂直于轴线方向的光线照射在两个点上，从I点反射的光线达到光电传感器后，经过一段时间T后，II点反射的光线才能到达。只要测量出这段时间的大小，就可以得到两个点的相对转角情况。测量的工作由预先设定好的计数器来完成。计数器设置为收到第一个信号后开始计数，再接到一个信号后停止计数，计数值就代表了两个信号的时间差。I、II一先一后受到光线照射，会一先一后将光线反射出去，未加载荷前这段时间是固定不变的，可以在计数器上得到一个标准的计数值N₀；传动轴以角速度ω转动时，由于传递动力，造成了轴受扭矩作用而发生弹性扭转变形。在发生扭转后，两个反射镜相对位置发生变化，通过反射光线反应到计数器上，计数值也发生变化，或增大或减小，其变化量为ΔN。计数值与相对扭转角之间是正比例关系，公式为： $\frac{\mathrm{\θ}}{{\mathrm{\θ}}_0}=\frac{\mathrm{\ΔN}}{N_0}---\left(5\right)$

则扭转角θ： $\mathrm{\θ}=\frac{\mathrm{\ΔN}}{N_0}{\mathrm{\θ}}_0---\left(6\right)$

由(6)式，测量θ_α、N₀、ΔN，就能得到扭转角θ。

本发明的实施例，结构十分简单，仅由光源、反射镜面、光敏元件及计数元件组成。测量步骤如图3所示，光线从光源发出后，分别入射到待侧传动轴两端的反射镜上。在另一侧，两个光电传感器负责接收反射光，并输出电信号。电信号经过滤波整形放大后，由计数装置接收。由于电信号不是同时的，可以对它们的时间差加以测量，由此计算出传动轴所受的扭矩。其中，本实施例的光源采用氖管，在实际应用中，可以选择任何一种发光器件作为电源；反射镜面也可以由能够反光的贴纸代替；视精度要求，光敏元件性能由低到高分别可以采用光电管和CCD摄像头；计数器也可以选用半导体电路、单片机、PC机等不同方式。

Claims (1)

1.一种利用光电传感进行扭矩测量的方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)在传动轴转动前，在轴的圆周面上任意设置两个相隔一定距离的可对光进行反射的测量点I、II；

2)将一束垂直于轴线方向的光线照射在两个测量点上；

3)设置用于接收反射光的，位置固定的两个光电传感器，及与该两个光电传感器的输出端相连的计数器，两个光电传感器分别接收测量点I、II的反射光，该传动轴每转动一周两个光电传感器分别接收一次，计数器设置为先收到的一个测量点的信号后开始计数，再接到另一个测量点的信号后停止计数；

4)当轴在不加载荷情况下转动时，测量点I、II一先一后受到光线照射，会一先一后将光线反射出去，相应的在计数器上得到一个计数值N₀，该计数值就代表了两个信号的时间差；

5)当轴在加载情况下转动时，由于传递动力，造成了轴受扭矩作用而发生弹性扭转变形，两个测量点I、II的相对位置发生变化，通过该点反射光线反映到计数器上，计数值产生变化，或增大或减小，其变化量为ΔN；

6)比较加载前后计数器的计数值，计算出轴的扭转变形情况。

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