CN113324685A - 一种非接触式扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种非接触式扭矩传感器，以挠性枢轴作为扭转弹性元件，待测试样通过夹头夹持在与挠性枢轴连接的下支座上，当试样发生偏转时，施加在试样的扭矩依次通过夹头和下支座传递至挠性枢轴，使挠性枢轴发生偏转，即施加至试样的扭矩与挠性枢轴的扭矩相同，将测量单元测量出的挠性枢轴的偏转角与其刚度系数相乘，即可得到待测试样的扭矩。与现有的扭矩传感器相比，结构简单、降低了制作工艺难度。采用激光位移传感器与光靶、激光器与位置敏感探测器、光电自准直仪或线性可变差动变压器等非接触式测量仪器测量挠性枢轴的偏转角，自动化程度高，稳定性好，测量精度高，当测量单元包括光电自准直仪时，扭矩的分辨率可高达10‑10Nm。

Description

一种非接触式扭矩传感器
技术领域
本发明属于扭矩精密测量领域，更具体地，涉及一种非接触式扭矩传感 器。
背景技术
随着微机电***和人工肌肉等新兴学科领域的发展，扭矩传感器广泛 应用于材料扭转力学性能、微马达的扭矩等测量中。然而，现有的扭矩传感 器存在结构复杂、稳定性差、扭矩分辨率低、制作成本高等问题，其使用范 围受到很大限制。例如，中国专利CN201110049785.8公开了一种低维材料 微扭转力学性能测试装置，采用扭丝作为扭转弹性元件，作用在试样上的扭 矩通过上夹头和矩形框直接传递给扭丝，从而实现对试样扭矩的测量。然而， 采用扭丝作为扭转弹性元件，存在装配难度大、对中度差等缺点，且扭丝在测量过程中容易受到损伤，且扭丝易受到温湿度等环境的影响，对测量精度 造成影响，并且上述测试装置结构复杂、稳定性差。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种非接触式扭 矩传感器，由此解决现有的扭矩传感器测量精度不高、制作工艺难度高的技 术问题。
为实现上述目的，按照本发明的第一方面，提供了一种非接触式扭矩传 感器，包括：挠性枢轴、上支座、下支座、夹头、测量单元；
所述上支座和下支座分别固定套设于挠性枢轴的上端和下端；
所述夹头与下支座固定连接，用于夹持试样；
所述测量单元用于在试样发生扭转时测量下支座的偏转角，以得到试 样的扭矩。
优选地，所述测量单元包括第一激光位移传感器和第一光靶；
第一光靶置于所述下支座外侧，第一激光位移传感器用于测量第一光 靶的位移，以得到下支座的偏转角。
优选地，所述测量单元还包括第二激光位移传感器和第二光靶；
所述第一光靶和第二光靶对称设置于所述下支座外侧，第一激光位移 传感器和第二激光位移传感器分别用于测量第一光靶和第二光靶的位移， 以得到下支座的偏转角。
优选地，所述测量单元包括激光器、反射镜和位置敏感探测器；
反射镜置于所述下支座外侧，位置敏感探测器接收由激光器射出的激 光束经反射镜反射后的反射光束，以测量反射镜的偏转角，进而得到下支座 的偏转角。
优选地，所述测量单元包括光电自准直仪和反射镜；
反射镜置于所述下支座外侧，光电自准直仪测量反射镜的偏转角，以得 到下支座的偏转角。
优选地，所述测量单元包括第一线性可变差动变压器和第一标靶；
第一标靶置于所述下支座外侧，第一线性可变差动变压器用于测量标 靶的位移，以得到下支座的偏转角。
优选地，所述测量单元还包括第二线性可变差动变压器和第二标靶；
所述第一标靶和第二标靶对称设置于所述下支座外侧，第一线性可变 差动变压器和第二线性可变差动变压器分别用于测量第一标靶和第二标靶 的位移，以得到下支座的偏转角。
优选地，所述下支座的偏转角与试样的扭矩满足以下关系式：
Q＝kθ；
其中，Q为挠性枢轴的扭矩，θ为挠性枢轴的旋转角度，k为挠性枢轴 的扭转刚度系数
优选地，所述非接触式扭矩传感器还包括处理单元，用于根据下支座的 偏转角得到试样的扭矩。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取 得下列有益效果：
1、本发明提供的非接触式扭矩传感器，以挠性枢轴作为扭转弹性元件， 待测试样通过夹头夹持在与挠性枢轴连接的下支座上，当试样发生偏转时， 施加在试样的扭矩依次通过夹头和下支座传递至挠性枢轴，使挠性枢轴发 生偏转，即施加至试样的扭矩与挠性枢轴的扭矩相同，将测量单元测量出的 挠性枢轴的偏转角与其刚度系数相乘，即可得到待测试样的扭矩。与现有的 扭矩传感器相比，结构简单、降低了制作工艺难度。
2、本发明提供的非接触式扭矩传感器，采用激光位移传感器与光 靶、激光器与位置敏感探测器、光电自准直仪或线性可变差动变压器等非 接触式测量仪器测量挠性枢轴的偏转角，自动化程度高，稳定性好、测量 精度高；例如当采用光电自准直仪时进行测量时，扭矩的分辨率可高达 10-10Nm。
3、本发明提供的非接触式扭矩传感器，通过更换不同规格的挠性枢轴， 可以制作出不同量程的扭矩传感器，从而实现对试样扭矩的宽量程测量。
4、本发明提供的非接触式扭矩传感器，与现有的扭矩传感器相比，装 配简单，且挠性枢轴的扭转性能受温湿度等环境影响较小，能够在多种环境 和场合下使用，因此本发明提供的非接触式扭矩传感器的通用性较好。
5、本发明提供的非接触式扭矩传感器，测量单元包括第一激光位移传 感器、第一光靶、第二激光位移传感器和第二光靶时，仅需获取第一光靶上 的目标点与第二光靶上的目标点之间的距离，即可结合第一光靶和第二光 靶的位移计算出挠性枢轴的偏转角，与测量单元仅包括第一激光位移传感 器和第一光靶的技术方案相比，由于不需要对第一光靶的目标点与下支座 轴心之间的距离进行测量，避免引入上述测量引起的测量误差，进一步提高 了试样扭矩的测试精度。
附图说明
图1是本发明提供的非接触式扭矩传感器结构示意图；
图2是本发明提供的非接触式扭矩传感器中挠性枢轴的结构示意图；
图3是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之一；
图4是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之二；
图5是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之三；
图6是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之四；
图7是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之五；
图8是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之六；
图9是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之七；
图10是本发明提供的非接触式扭矩传感器测量原理示意图之八。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-上支座；2-挠性枢轴；3-下支座；4-夹头；5-第一光靶；6-第一激光位 移传感器；7-第一平移台；8-第二激光位移传感器；9-第二光靶；10-第一平 移台；11-激光器；12-位置敏感探测器；13-反射镜；14-光源；15-狭缝；16- 分光镜；17-准直透镜；18-电荷耦合器件；19-第一线性可变差动变压器；20- 第一标靶；21-第二线性可变差动变压器；22-第二标靶。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及 实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施 例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明 各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互 组合。
本发明实施例提供一种非接触式扭矩传感器，如图1所示，包括：上支 座1、挠性枢轴2、下支座3、夹头4和测量单元；
所述上支座和下支座分别固定套设在挠性枢轴的上端和下端；
所述夹头与下支座固定连接，用于夹持试样；
所述测量单元用于在试样发生偏转时测量下支座的偏转角，以得到试 样的扭矩
具体地，如图2所示，挠性枢轴的两端均可在被施加扭矩时进行相对 转动；其中一端可向左转动，另一端可向右转动；也可以一端不动，另一端 发生转动。
夹头4夹持试样，对试样施加扭矩时试样发生一定偏转后夹头会带动 下支座3一同转动，由于挠性枢轴2下端与下支座3固定，套设于挠性枢 轴2的下端，下支座3会将施加至试样的扭矩传递至挠性枢轴，使挠性枢 轴2的下端发生一定转动，即施加至试样的扭矩依次通过夹头和下支座传 递至挠性枢轴，使挠性枢轴2的下端发生一定转动，且挠性枢轴的转动角 度与下支座的转动角度相同；而由于上支座1与挠性枢轴2的上端固定， 套设在挠性枢轴2的上端，因此，挠性枢轴2的上端不会发生旋转，此时， 挠性枢轴4的上端与下端会相对转动，且作用在挠性枢轴上的扭矩与施加 给试样的扭矩相同；并且，由于下支座与挠性枢轴固定连接，套设在挠性枢 轴的下端，因此下支座的偏转角与挠性枢轴的偏转角相同，因此，可通过测 量下支座的偏转角计算出挠性枢轴的扭矩。
进一步地，上支座可连接至刚性支架或任何固定板上。
由于挠性枢轴的扭矩与其旋转角度θ成比例，故有：
Q＝kθ (1)
其中，Q为挠性枢轴的扭矩，θ为挠性枢轴的旋转角度，k为挠性枢轴 的扭转刚度系数，可通过标定实验获得。
由于下支座的偏转角与挠性枢轴的偏转角相同，且挠性枢轴的扭矩与 试样的扭矩相同，通过测量单元测量挠性枢轴的偏转角，即可得到挠性枢轴 的扭矩，也即，将下支座的偏转角(即挠性枢轴的偏转角)与挠性枢轴的扭 转刚度系数相乘，即可得到试样的扭矩Q试样＝Q。
优选地，所述测量单元包括第一激光位移传感器6和第一光靶5；
第一光靶5置于所述下支座3的外侧，第一激光位移传感器6用于测 量第一光靶5的位移变化，以得到下支座的偏转角。
如图1、3所示，当试样发生一定偏转后会带动下支座3一同转动，由 于挠性枢轴2下端与下支座3固定，所以下支座3会将试样的扭矩传递至 挠性枢轴，使挠性枢轴2的下端发生一定转动，所述下支座的转动角度与 挠性枢轴的转动角度相同，通过测量第一光靶5上目标点的位移变化x1，以 及第一光靶5上目标点至下支座轴心O的距离d，可计算出下支座的转动 角度，即挠性枢轴的转动角度。
所以，挠性枢轴的旋转角度θ为：
Figure BDA0003134434150000061
当θ较小(θ<1°)时，可近似为：
Figure BDA0003134434150000062
此时，θ的误差范围<2％。
根据式(1)，即可得到试样的扭矩Q试样＝Q。
优选地，所述第一激光位移传感器6放置在第一平移台7上。
优选地，如图4-5所示，所述测量单元包括第一激光位移传感器6、第 一光靶5、第二激光位移传感器8和第二光靶9；
第一光靶5和第二光靶9对称设置于所述下支座3的外侧，第一激光 位移传感器6和第二激光位移传感器8分别用于测量第一光靶5和第二光 靶9的位移，以得到下支座的偏转角。
具体地，如图4-6所示，第一光靶5，第二光靶9分别固定在下支座3 两侧对称位置，两个光靶上分别设置有目标点，两个目标点间的距离为d`。 第一激光位移传感器6测量第一光靶5上目标点的位移变化x1，第二激光 位移传感器8测量第二光靶9上目标点的位移变化x2。
所以，挠性枢轴的旋转角度θ为：
Figure BDA0003134434150000071
当θ较小(θ<1°)时，可近似为：
Figure BDA0003134434150000072
此时，θ的误差范围<2％。
根据式(1)，即可得到试样的扭矩Q试样＝Q。
优选地，如图4-5所示，第一激光位移传感器6和第二激光位移传感器 8分别放置在第一平移台7和第二平移台10上，便于调整位置。
优选地，如图7所示，所述测量单元包括激光器11、反射镜13和位置 敏感探测器12；
反射镜置于下支座外侧，位置敏感探测器接收由激光器射出的激光束 经反射镜反射后的反射光束，以测量反射镜的偏转角，从而得到下支座的偏 转角。
具体地，如图7所示，激光器11射出的激光束打到反射镜13上，出 射光线经过反射镜13的反射后被位置敏感探测器12接收，当反射镜13发 生角度为θ的偏转时，激光器的出射光线和入射光线的夹角φ为
φ＝2θ (6)
所以挠性枢轴的旋转角度θ为：
Figure RE-GDA0003188246590000081
其中，a为反射光线在位置敏感探测器上两次位置的差值，b为位置敏 感探测器到光靶的距离。
当θ较小(θ<1°)时，可近似为：
Figure BDA0003134434150000082
此时，θ的误差范围<2％。
根据式(1)，即可得到试样的扭矩Q试样＝Q。
优选地，如图8所示，所述测量单元包括光电自准直仪和反射镜13；
反射镜置于所述下支座外侧，光电自准直仪测量反射镜的偏转角，以得 到下支座的偏转角。
具体地，如图8所示，所述光电自准直仪包括反射镜13、光源14、狭 缝15、分光镜16、准直透镜17、电荷耦合器件18。
当准直***的光轴与反射镜垂直时，从光源出射的光线会按原路返回， 当反射镜有微小偏转角θ时，光线偏转的偏转角度为2θ，因此，在电荷耦 合器件上的光斑会有ΔY的位移量。设物镜的焦距为f，则
ΔY＝f tan 2θ (9)
当θ较小(θ<1°)时，可近似为：
Figure BDA0003134434150000083
根据式(1)，即可得到试样的扭矩Q试样＝Q。
优选地，如图9所示，所述测量单元包括第一线性可变差动变压器19 和第一标靶20；
第一标靶置于所述下支座外侧，第一线性可变差动变压器用于测量第 一标靶的位移，以得到下支座的偏转角。
与测量单元包括第一激光位移传感器6和第一光靶5的实施例的测量 原理及测量装置的安装方式相同，通过第一线性可变差动变压器测量通过 测量第一标靶上目标点的位移变化x1，以及第一标靶上目标点至下支座轴心 O的距离d，即可根据式(2)计算出下支座的转动角度，从而得到挠性枢 轴的转动角度，再根据式(1)，即可得到试样的扭矩Q试样＝Q。
优选地，如图10所示，所述测量单元包括第一线性可变差动变压器19、 第一标靶20、第二线性可变差动变压器21和第二标靶22；
第一标靶和第二标靶对称设置于所述下支座外侧，第一线性可变差动 变压器和第二线性可变差动变压器分别用于测量第一标靶和第二标靶的位 移，以得到下支座的偏转角。
具体地，与测量单元包括第一激光位移传感器6、第一光靶5、第二激 光位移传感器8和第二光靶9的实施例的测量原理及测量装置的安装方式 相同，两个标靶上分别设置有目标点，两个目标点间的距离为d`，第一线性 可变差动变压器测量第一标靶上目标点的位移变化x1，第二线性可变差动变 压器测量第二标靶上目标点的位移变化x2。即可根据式(4)计算出下支座 的转动角度，从而得到挠性枢轴的转动角度，再根据式(1)，即可得到试样的扭矩Q试样＝Q。
优选地，所述非接触式扭矩传感器还包括处理单元，用于根据下支座的 偏转角得到试样的扭矩。
具体地，所述处理单元具有数据处理功能，能够根据下支座的偏转角得 到试样的扭矩。
可以理解的是，所述处理单元可以为任意一种具有数据处理功能的软 件或硬件，例如处理器或控制器等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已， 并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同 替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种非接触式扭矩传感器，其特征在于，包括：挠性枢轴、上支座、下支座、夹头、测量单元；
所述上支座和下支座分别固定套设于挠性枢轴的上端和下端；
所述夹头与下支座固定连接，用于夹持试样；
所述测量单元用于在试样发生扭转时测量下支座的偏转角，以得到试样的扭矩。
2.如权利要求1所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述测量单元包括第一激光位移传感器和第一光靶；
第一光靶置于所述下支座外侧，第一激光位移传感器用于测量第一光靶的位移，以得到下支座的偏转角。
3.如权利要求2所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述测量单元还包括第二激光位移传感器和第二光靶；
所述第一光靶和第二光靶对称设置于所述下支座外侧，第一激光位移传感器和第二激光位移传感器分别用于测量第一光靶和第二光靶的位移，以得到下支座的偏转角。
4.如权利要求1所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述测量单元包括激光器、反射镜和位置敏感探测器；
反射镜置于所述下支座外侧，位置敏感探测器接收由激光器射出的激光束经反射镜反射后的反射光束，以测量反射镜的偏转角，进而得到下支座的偏转角。
5.如权利要求1所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述测量单元包括光电自准直仪和反射镜；
反射镜置于所述下支座外侧，光电自准直仪测量反射镜的偏转角，以得到下支座的偏转角。
6.如权利要求1所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述测量单元包括第一线性可变差动变压器和第一标靶；
第一标靶置于所述下支座外侧，第一线性可变差动变压器用于测量第一标靶的位移，以得到下支座的偏转角。
7.如权利要求6所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述测量单元还包括第二线性可变差动变压器和第二标靶；
所述第一标靶和第二标靶对称设置于所述下支座外侧，第一线性可变差动变压器和第二线性可变差动变压器分别用于测量第一标靶和第二标靶的位移，以得到下支座的偏转角。
8.如权利要求1-7任一项所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述下支座的偏转角与试样的扭矩满足以下关系式：
Q＝kθ；
其中，Q为挠性枢轴的扭矩，θ为挠性枢轴的旋转角度，k为挠性枢轴的扭转刚度系数。
9.如权利要求1-7任一项所述的非接触式扭矩传感器，其特征在于，所述非接触式扭矩传感器还包括处理单元，用于根据下支座的偏转角得到试样的扭矩。
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