CN113008429B - 一种转轴动静态扭矩测量***及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种转轴动静态扭矩测量***及方法，装置包括磁栅a、磁栅b、磁读头a、磁读头b、信号采集单元、扭矩计算单元。磁栅a、b分别环绕安装于转轴两端，形成与转轴同轴的圆环，产生接缝a、b。磁读头a、b分别安装在磁栅条a、b上方，调整安装气隙距离，消除接缝a、b对测量结果的影响。磁栅a、b随转轴转动，磁读头a、b感应磁场变化产生两组四路类正弦电压信号sina、sinb、cosa、cosb。信号采集单元对四路信号同时进行高频电压采样，并通过扭矩计算单元采用反正弦法计算转轴扭矩。本发明可以对任意转轴进行全扭矩范围的动静态扭矩测量，无需考虑磁栅接缝影响，安装便捷，且扭矩测量精度高。

Description

一种转轴动静态扭矩测量***及方法

技术领域

本发明涉及转轴扭矩测量，具体涉及一种转轴动静态扭矩测量***及方法。

背景技术

转轴是机械传动***中的重要部件，而对转轴扭矩进行实时、稳定、准确的监测可为机械传动***的故障报警、诊断维护及运行可靠性提供有力保障。

根据测量原理的不同，当前的扭矩测量技术可以分为平衡力法、能量转换法和传递法三大类。其中，平衡力法由于自身测量机制的局限性只适合测量静止或匀速运动下的扭矩，而能量转换法因测量的间接因素过多导致测量精度较差。传递法不仅测量精度高，还可以实时监测扭矩数值变化，因此得到了最为广泛的关注和深入的研究。传递法是一种通过测量扭矩传递过程中弹性元件的形变导致的物理参数的变化来计算扭矩大小的方法，可以根据测量原理的不同主要可分为应力应变式、扭角式和软测量式三类。

应力应变式扭矩传感器可以通过敏感元件测量转轴的应力来计算转轴的扭矩，其代表性传感器是电阻应变式传感器和磁致伸缩式传感器。电阻应变式传感器利用电阻应变片在受到扭矩作用时电阻率会发生改变的特性来测量扭矩数值。该类传感器抗干扰能力较差，温度及应变片粘贴位置都会对测量结果产生较大影响。磁致伸缩式传感器是一种基于铁磁材料磁致伸缩效应的新型传感器，通过测量磁致伸缩涂层在转轴扭转应力作用下磁导率的变化来测量扭矩大小。由于其敏感材料涂层与弹性轴本身的磁致弹效应程度不一致，所以通过该型传感器测得的扭矩并非转轴真实扭矩。

扭角式测量法又称为相位差式测量法，是一种通过测量转轴两端由于扭矩的加载而产生的相对扭转角来计算转轴扭矩的方法。传统扭角式测量法包括光电式、磁电式、电容式和激光多普勒式等。其中，前三种测量方式都是通过在转轴上安装细分鉴相装置来直接测量转轴两端截面间的相对扭角。由于其用于产生相位信息的光电编码器或齿轮等通常体积较大、结构较为复杂，需要根据转轴直径进行定制，并且安装时需要进行断轴操作，步骤繁琐。而激光多普勒式扭矩测量方法则是通过激光照射在旋转转轴上时产生的多普勒效应得到转轴两端各自的转速，再通过积分得到两端的相位差。该方法由于激光装置的存在，导致成本较高，且易受到灰尘等因素的干扰。

软测量法可以通过对整个传动链进行软件建模，由一系列已知的运行参数去计算转轴当前扭矩，但是该方法对于所建立模型的精确度要求很高，而对于诸如风电机组等复杂机械难以建立准确模型，导致该方法的准确度差强人意。

此外，专利申请公布号CN109282927A提出了一种轴扭矩测量***及测量方法。该***及方法本质上属于扭角式测量法，由于采用磁栅作为转轴的鉴相装置从而克服了传统扭角式测量法需要断轴安装鉴相器的缺点。但是对于磁栅安装后所产生的接缝，该方法选择在每条磁栅上方布置两个磁读头，当转轴旋转使得接缝扫过磁读头产生不连续信号时切换磁读头，从而减弱接缝对于扭矩测量结果的影响。该种对接缝的处理方法存在两处弊端：一是测量***采用两组四个磁读头导致整套装置结构复杂，成本高昂；二是在***监测到信号发生畸变后才执行切换磁读头的动作，此时畸变信号已经产生，造成测量误差，尤其是当转轴转速较高时，因此该方法中未能完全消除接缝对于测量结果的影响。

发明内容

本发明的目的在于提供一种转轴动静态扭矩测量***及方法，以解决传统扭矩测量方法中测量准确度及精确度较低、环境适应性较差、尺寸定制及安装繁琐的缺点。

实现本发明目的的技术解决方案为：一种转轴动静态扭矩测量***，包括：磁栅a、磁栅b、磁读头a、磁读头b、信号采集单元、扭矩计算单元，其中磁栅a环绕转轴一端表面同轴安装，产生接缝a；所述磁栅b环绕转轴另一端表面同轴安装，产生接缝b；所述磁读头a、b分别安装在磁栅条a、b上方，有效感应面朝向磁栅，并且使其敏感元件的敏感方向分别与磁栅条圆环a、b相切或垂直；

所述磁栅a、b在随转轴旋转时在磁读头a、b安装位置处产生类正弦的磁场强度变化曲线，所述磁读头a、b感应该磁场变化并向后端信号采集单元传输类正弦电压信号；其中磁读头a产生两路相互正交的类正弦电压信号sina、cosa，磁读头b产生两路相互正交的类正弦信号sinb、cosb；

所述信号采集单元用于对四路信号同时进行电压幅值采集并传输至扭矩计算单元，并传输至后端扭矩计算单元；所述扭矩计算单元用于对电压幅值信号进行反正弦运算，计算磁栅a、b的实时相位变化，从而得出当前转轴扭矩。

进一步的，所述磁栅a、b的种类包括柔性磁栅条、磁瓦或磁环等N极、S极间隔分布的永磁体键相器。

进一步的，所述磁读头a、b的种类包括磁通门传感器、霍尔传感器、磁电阻传感器等磁传感器。

进一步的，所述磁读头a、b与磁栅a、b之间的安装气隙距离大小范围由特定规则确定，所述规则中，安装气隙距离上限由磁读头敏感元件的极限感应距离决定，安装气隙距离下限由磁栅栅距与***要求的测量精度共同决定。确定安装气隙下限的步骤如下：

步骤1：确定测量误差可以接受的信号THD（总谐波失真）值含量；

步骤2：根据THD值含量确定磁读头安装气隙距离与磁栅栅距的比值ε；

步骤3：查阅资料或测量得到磁栅栅距值τ，从而计算安装气隙下限min=ε×τ。

一种转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，基于所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，实现转轴运动状态下的扭矩测量或者转轴静止状态下的扭矩测量，步骤如下：

步骤1：转轴旋转前记录磁栅a、b的初始相位φ_a、φ_b；

步骤2：转轴旋转时记录磁栅a、b的实时相位φ'_a、φ'_b，同时对sina、sinb的过零点次数n_a和n_b进行计数；

步骤3：计算磁栅a、b的实时相位变化θ_a=φ'_a+n_aπ-φ_a，θ_b=φ'_b+n_bπ-φ_b；

步骤4：将实时相位变化带入扭矩计算公式，即得到转轴当前扭矩大小。

进一步的，步骤1和2中，获取相位的步骤如下：

根据表1中磁读头输出信号正负状态与磁栅所在象限和相位的关系，结合磁读头a产生两路相互正交的类正弦电压信号sina、cosa的正负状态，确定磁栅a的所在象限与相位。进而，结合磁读头b产生两路相互正交的类正弦信号sinb、cosb的正负状态，确定磁栅b的所在象限和相位；

表1磁读头输出信号正负状态与磁栅所在象限和相位的关系表

表中，u为信号采集单元采集的磁读头输出信号电压幅值，max为磁读头输出信号电压峰值。

进一步的，步骤4中，扭矩计算公式为：

式中，T为转轴当前扭矩，G为转轴剪切模量，I_P为转轴极惯性矩，L为磁栅a与磁栅b之间的距离，N_a为磁栅a的总磁栅栅数，N_b为磁栅b的总磁栅栅数。

一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，实现转轴运动状态下的扭矩测量或者转轴静止状态下的扭矩测量。

一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量***，实现转轴运动状态下的扭矩测量或者转轴静止状态下的扭矩测量。

本发明与现有技术相比，其显著优点为：1）将传统的一体式传感器结构转变为分体式设计。结合磁场感应这一非接触式测量方式，使得本方法的测量范围上限不受敏感元件自身强度条件限制，理论上可实现对任意转轴的全扭矩范围测量，同时解决了传感器供电和信号传输等技术难题；2）将磁场作为信号传递介质使得本方法和***能够更加适应恶劣的运行环境；3）采用柔性磁栅条作为转轴的硬件鉴相部件，从而避免了像光电编码器、磁电编码器等类似传感器需要根据转轴轴径进行定制的缺陷，并且在安装时无需进行断轴操作，简化了安装调试步骤，因此更适用于大直径转轴的扭矩测量；4）采用高频采集卡结合反正弦法计算扭矩，因此在低转速场合具有更高的测量精度；5）通过调整磁读头安装气隙距离结合反正弦法计算扭矩，解决了磁条接缝处信号缺失的问题，进一步提高了测量精度。

附图说明

图1为本发明转轴动静态扭矩测量***的结构示意图。

图2为本发明磁栅空间旋转磁场强度随接缝宽度及磁读头安装气隙距离的变化的关系图。

图3为本发明磁读头输出的类正弦信号THD含量随磁读头安装气隙距离与磁栅栅距之比变化的关系图。

图4为本发明转轴动静态扭矩测量方法的扭矩计算数据流框图。

图5为本发明实际测量扭矩的实验结果图。

具体实施方式

为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。

如图1转轴动静态扭矩测量***的结构示意图所示，本发明转轴动静态扭矩测量***，包括磁栅a 20、磁栅b 21、磁读头a 201、磁读头b 211、信号采集单元3、扭矩计算单元4。所述磁栅a 20被截取成略小于待测转轴1周长的段环绕粘贴安装于待测转轴1的一端，产生接缝a 200，所述磁栅b 21可与磁栅a 20规格相同，采用相同安装方式与磁栅a 20间隔距离L于转轴另一端表面环绕同轴安装，产生接缝b 210。所述安装距离L在待测转轴1的长度内取尽可能长。所述磁读头a 201安装于磁栅a 20上方，有效感应面朝向磁栅a 20，并使磁读头a 201中敏感元件的敏感方向与磁栅a 20构成的圆环相切或垂直。磁读头b 211可与磁读头a 201规格相同，采用相同的安装方式安装于磁栅b 21的上方。调整磁读头a 201、磁读头b 211与磁栅a 20、磁栅b 21之间的气隙至合适距离。磁读头a 201、磁读头b 211各输出两路类正弦电压信号至信号采集单元3，扭矩计算单元4根据该四路信号对待测转轴1的当前扭矩进行计算。

作为一种具体实施方式，所述磁栅a 20、磁栅b 21包括但不限于柔性磁栅条、磁瓦、磁环等在安装后可能产生接缝的磁性鉴相器。所述磁读头a 201、磁读头b 211种类包括但不限于磁通门传感器、霍尔传感器、磁电阻传感器等磁电式传感器。例如，一些实施例中，磁栅a 20、磁栅b 21选用由铁氧体等磁性粉末与橡胶复合而成的柔软橡胶磁条，还可以附加保护钢带，保护钢带宽度为8mm，磁栅厚度为1.5mm，磁栅栅距为2mm，磁读头a 201、磁读头b 211中的敏感元件采用TMR芯片，并采用IC-MSA芯片保证输出信号幅值恒定，数据采集单元采用PCI2410数据采集卡，具有8路156kHz数据采集通道，扭矩计算单元为搭载LabVIEW编程环境的计算机。

如图2磁栅空间旋转磁场强度随接缝宽度及磁读头安装气隙距离的变化的仿真图所示，对于磁读头a 201、磁读头b 211产生的类正弦信号而言，接缝的存在并不会导致信号的不连续，仅仅会导致类正弦信号的THD含量上升，而随着气隙距离的增加，这一上升趋势会被迅速抑制。将气隙距离与磁栅栅距的比值作为一个参考参数，对不同磁栅栅距、不同敏感方向（磁读头敏感元件与磁环圆周相切或垂直）下磁读头输出信号的THD值随气隙栅距比的变化做对比得到图3，可以看出，对于不同磁栅栅距、不同敏感方向的圆环磁栅而言，当气隙栅距比相同时，其磁读头输出信号的THD值含量几乎也相同。

因此结合图2、图3可知，将气隙栅距比作为磁读头安装时的参考参数，根据***所需要的测量精度选择可接受的信号THD含量，进而确定其磁读头安装气隙距离下限，再根据磁读头极限感应距离确定安装气隙距离上限。例如，一些实施例中，取THD=0，因此气隙栅距比选择为100%，由于磁栅栅距为2mm，因此磁读头安装气隙距离下限为2mm，又因磁读头极限感应距离为5mm，因此磁读头安装气隙距离范围为2mm~5mm。此时每条磁栅仅需要一个磁读头即可避免接缝带来的影响而产生较为标准的正弦信号。

如图4扭矩计算数据流框图所示，随着待测转轴转动，磁读头a 201、磁读头b 211感应磁栅磁场变化并向后端信号采集单元3传输类正弦电压信号，所述类正弦电压信号峰值稳定不变。其中磁读头a 201产生两路相互正交的类正弦电压信号sina、cosa，磁读头b211产生两路相互正交的类正弦信号sinb、cosb。所述信号采集单元3对该四路信号同时进行电压幅值采集并传输至扭矩计算单元4，所述扭矩计算单元4对电压幅值信号进行相应计算从而得出当前转轴扭矩，步骤如下：

步骤1：在转轴1旋转前记录磁栅a 20、磁栅b 21的初始相位φ_a、φ_b，初始相位的确定步骤如下：

步骤1a：根据sina和cosa的正负号确定磁栅a 20的相位的所在象限，根据sinb和cosb的正负号确定磁栅b 21的相位的所在象限；

步骤1b：根据sina的电压幅值和磁栅a 20的相位的所在象限确定磁栅a 20的相位，根据sinb的电压幅值和磁栅b 21的相位的所在象限确定磁栅b 21的相位。

表1磁读头输出信号正负状态与磁栅所在象限和相位的关系表

表中，u为信号采集单元采集的磁读头输出信号电压幅值，max为磁读头输出信号电压峰值。

步骤2：在转轴1旋转时记录磁栅a 20、磁栅b 21的实时相位φ'_a、φ'_b，同时对sina、sinb的过零点次数n_a和n_b进行计数，所述步骤2中确定实时相位φ'_a、φ'_b的步骤与步骤1相同；

步骤3：计算磁栅a 20、磁栅b 21的实时相位变化θ_a=φ'_a+n_aπ-φ_a，θ_b=φ'_b+n_bπ-φ_b；

步骤4：将实时相位变化带入扭矩计算公式即可得到转轴当前扭矩大小，扭矩计算公式为：

式中，T为转轴当前扭矩，G为转轴剪切模量，I_P为转轴极惯性矩，L为磁栅a20与磁栅b21之间的距离，N_a为磁栅磁栅a 20的总磁栅栅数，N_b为磁栅b 21的总磁栅栅数。

当N_a=N_b时，上述扭矩计算公式可转换为：

式中，

=（φ'_a-φ'_b）-（φ_a-φ_b），表示实时相位差变化。

实施例

为了验证本发明方***性，进行如下实验设计。

磁栅a 20与磁栅b 21之间相隔距离L为1m，磁栅a 20、磁栅b 21规格相同，环绕待测转轴1一圈的总磁栅栅数N为1000，测得当前实时相位差变化Δθ为π，则待测转轴1的当前所受扭矩T为：

采用等间隔扭矩加载，得到如图5所示实际测量扭矩的实验结果图，拟合直线R方值为0.99845，证明了本套转轴动静态扭矩测量***及方法测量准确度及线性度优秀。

以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (8)

1.一种转轴动静态扭矩测量***，其特征在于，包括：磁栅a、磁栅b、磁读头a、磁读头b、信号采集单元、扭矩计算单元，其中磁栅a环绕转轴一端表面同轴安装，产生接缝a；所述磁栅b环绕转轴另一端表面同轴安装，产生接缝b；所述磁读头a、b分别安装在磁栅条a、b上方，有效感应面朝向磁栅，并且使其敏感元件的敏感方向分别与磁栅条圆环a、b相切或垂直；

所述磁栅a、b在随转轴旋转时在磁读头a、b安装位置处产生类正弦的磁场强度变化曲线，所述磁读头a、b感应该磁场变化并向后端信号采集单元传输类正弦电压信号；其中磁读头a产生两路相互正交的类正弦电压信号sina、cosa，磁读头b产生两路相互正交的类正弦信号sinb、cosb；

所述信号采集单元用于对四路信号同时进行电压幅值采集并传输至后端扭矩计算单元；所述扭矩计算单元用于对电压幅值信号进行反正弦运算以获知磁栅a、b的实时相位变化，从而得出当前转轴扭矩；

所述磁读头a、b与磁栅a、b之间的安装气隙距离大小范围由特定规则确定，所述规则中，安装气隙距离上限由磁读头敏感元件的极限感应距离决定，安装气隙距离下限由磁栅栅距与***要求的测量精度共同决定，下限确定步骤如下：

步骤1：确定测量误差可以接受的信号THD值含量；

步骤2：根据THD值含量确定磁读头安装气隙距离与磁栅栅距的比值ε；

步骤3：查阅资料或测量得到磁栅栅距值τ，从而计算安装气隙下限min=ε×τ。

2.根据权利要求1所述的转轴动静态扭矩测量***，其特征在于，所述磁栅a、b的种类包括柔性磁栅条、磁瓦、磁环这些N极、S极间隔分布的永磁体键相器。

3.根据权利要求1所述的转轴动静态扭矩测量***，其特征在于，所述磁读头a、b的种类包括磁通门传感器、霍尔传感器、磁电阻传感器这些磁传感器。

4.一种转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，实现转轴运动状态下的扭矩测量或者转轴静止状态下的扭矩测量，步骤如下：

步骤1：转轴旋转前记录磁栅a、b的初始相位φ_a、φ_b；

步骤2：转轴旋转时记录磁栅a、b的实时相位φ'_a、φ'_b，同时对sina、sinb的过零点次数n_a和n_b进行计数；

步骤3：计算磁栅a、b的实时相位变化θ_a=φ'_a+n_aπ-φ_a，θ_b=φ'_b+n_bπ-φ_b；

步骤4：将实时相位变化带入扭矩计算公式，即得到转轴当前扭矩大小。

5.根据权利要求4所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，其特征在于，步骤1和2中，获取相位的步骤如下：

根据表1中磁读头输出信号正负状态与磁栅所在象限和相位的关系，结合磁读头a产生两路相互正交的类正弦电压信号sina、cosa的正负状态，确定磁栅a的所在象限与相位，进而，结合磁读头b产生两路相互正交的类正弦信号sinb、cosb的正负状态，确定磁栅b的所在象限和相位；

表1磁读头输出信号正负状态与磁栅所在象限和相位的关系表

表中，u为信号采集单元采集的磁读头输出信号电压幅值，max为磁读头输出信号电压峰值。

6.根据权利要求4所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，其特征在于，步骤4中，扭矩计算公式为：

式中，T为转轴当前扭矩，G为转轴剪切模量，I_P为转轴极惯性矩，L为磁栅a与磁栅b之间的距离，N_a为磁栅a的总磁栅栅数，N_b为磁栅b的总磁栅栅数。

7.一种计算机设备，包括存储器、处理器及存储在存储器上并可在处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时，基于权利要求1-3任一项所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，实现转轴运动状态下的扭矩测量或者转轴静止状态下的扭矩测量。

8.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时，基于权利要求1-3任一项所述的转轴动静态扭矩测量***的转轴扭矩测量方法，实现转轴运动状态下的扭矩测量或者转轴静止状态下的扭矩测量。

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