CN207556727U - 一种微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，包括依次共轴向中心线布置，通过紧固件连接的螺旋桨、电机、连接架、静态扭矩传感器、连接板、拉压传感器、连接套、支撑杆和支座，电机的输出轴位于其轴向中心；螺旋桨的近根部处贴附一块反光纸；本装置还包括非接触式光电转速表。电机带动螺旋桨旋转，螺旋桨产生的扭矩直接传递给静态扭矩传感器，螺旋桨的拉力通过拉压传感器的测量值减去拉压传感器上方所有部件的重力可得；在螺旋桨的近根部处贴上一块反光纸，非接触式光电转速表通过反光纸来测量螺旋桨的转速，通过控制驱动电机的输入电流改变驱动电机的输入功率和转速，以测量螺旋桨在不同转速下的拉力和扭矩值。

Description

一种微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置

技术领域

本实用新型涉及一种螺旋桨拉力和扭矩测量装置，具体涉及一种微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置。

背景技术

近年来，多旋翼无人飞行器在各行各业受到广泛关注，在工农业生产及人们的日常生活中发挥着越来越重要的作用。这类飞行器通过电机带动螺旋桨旋转来产生垂直于旋转平面的拉力，通过调节不同螺旋桨的拉力大小值来实现飞行器的悬停、前飞、上升等动作。螺旋桨的拉力和扭矩是飞行控制***的重要输入条件，同时也是桨叶气动外形设计的两个主要技术指标，这是由于拉力和扭矩的大小决定着螺旋桨的气动效率，而螺旋桨的气动效率则是飞行器巡航时间的关键因素。

相对于传统的大型螺旋桨，微小型螺旋桨工作时产生的拉力和扭矩值都较小(拉力范围通常为1N～50N，扭矩范围通常为0.001NM～1NM)，为了对其进行较精确地测量，需要有较高精度的测量装置。而传统的采用拉扭复合传感器的测量方法对于这类小量程的气动数据或精度不够或价格高昂。

实用新型内容

本实用新型的主要目的在于提供一种精度较高的拉力和扭矩复合测量装置来测量微小型螺旋桨的拉力和扭矩。

本实用新型提供的这种微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，包括依次共轴向中心线布置通过紧固件连接的螺旋桨、电机、连接架、静态扭矩传感器、连接板、拉压传感器、连接套、支撑杆和支座，电机的输出轴位于其轴向中心；螺旋桨的近根部处贴附一块反光纸；本装置还包括非接触式光电转速表，非接触式光电转速表通过反光纸来测量螺旋桨的转速。

所述螺旋桨通过紧固件连接于所述电机的输出轴上。

所述电机连接有电机底座，电机底座上设置螺纹孔和朝上布置的沉头螺纹孔，通过沉头螺钉将电机底座与电机底部连接紧固，螺纹孔用于连接所述连接架。

所述连接架为侧壁设置矩形孔的长方体框架，其顶板上设置用于连接所述电机底座的长圆孔、底板上设置用于连接所述静态扭矩传感器的螺纹孔，顶板和电机底座之间通过杆部朝上的螺栓连接紧固。

所述静态扭矩传感器的外形为圆柱形，其两端分别有用于连接所述连接架和连接板的螺纹孔；所述拉压传感器采用方s形拉压传感器，其两端分别有用于连接所述连接板和连接套的螺纹孔。

所述连接板为圆形板，其中心位置处有朝下的沉头螺纹孔，通过沉头螺钉从上往下将连接板和拉压传感器的上端连接紧固；圆形板上中心沉头螺纹孔的***设置有朝上布置、与所述静态扭矩传感器下端螺纹孔相应的沉头螺纹孔，通过沉头螺钉从下往上将连接板和静态扭矩传感器的下端连接紧固。

所述连接套为上端为盲端的空心圆柱，其上端中心位置处有朝上布置的沉头螺纹孔，下端内壁有螺纹。

所述支座为矩形板，其中心位置处设置有螺纹孔。

所述支撑杆的两端均有外螺纹段，下端的外螺纹段配套有螺母，支撑杆的上端与所述连接套的下端螺纹连接、下端拧入所述支座中心位置处的螺纹孔中并通过螺母锁紧。

本装置将各部件共轴向中心线通过紧固件连接，保证各部件之间的同轴度和各连接端面的平行度，提高测量精度；将反光纸贴附于螺旋桨的近根部，以尽可能减小对外形的干扰，因为螺旋桨根部产生的气动力十分微小，对总体气动力影响微小，提高测量精度。

具体原理如下：本装置的螺旋桨通过电机带动旋转产生拉力和扭矩，当螺旋桨的旋转速度达到稳定时，产生的拉力和扭矩也将达到稳定值。为测量螺旋桨在稳定状态下产生的拉力和扭矩，可通过测量螺旋桨作用于驱动电机上的拉力和扭矩，所以，本装置中将电机与静态扭矩传感器和拉压传感器共轴向中心线固连，并将他们一并固连于支座上。在整套装置中，除螺旋桨及电机中心轴旋转外，其他部件均保持静止，因此螺旋桨产生的扭矩可直接传递到静态扭矩传感器上，而螺旋桨的拉力可由拉压传感器测量的拉力值或压力值减去拉压传感器以上所有部件的重力可得。螺旋桨的转速通过非接触式光电转速表来测量：在螺旋桨的靠近根部位置紧贴一小块反光纸，转速表对准反光纸运动轨迹上的某位置持续发射激光，经过反光纸的反射，转速表会接收反射光信号，从而感知反光纸经过了转速表激光照射位置，转速表通过测量反射光的频率从而获得螺旋桨的转速。为了不干扰螺旋桨周围的气流流动从而影响测量精度，将转速表置于离螺旋桨尽可能远的位置。此外，由于螺旋桨的气动性能受外形影响剧烈，将反光纸紧贴于螺旋桨靠近根部位置从而尽可能减小对外形的干扰，因为螺旋桨根部产生的气动力十分微小，对总体气动力影响微小，提高测量精度。螺旋桨转速的调节可采用脉冲宽度调制发生器来控制电机的输入电流，从而改变电机的输入功率和转速，从而可以测量螺旋桨在不同转速下的拉力和扭矩值。

附图说明

图1为本实用新型一个实施例的结构示意图。

图2为电机与螺旋桨装配的***示意图。

图3为电机底座的放大结构示意图。

图4为连接架的放大结构示意图图。

图5为静态扭矩传感器的放大示意图。

图6为连接板的放大结构示意图。

图7为拉压传感器的放大示意图。

图8为连接套的放大结构示意图。

具体实施方式

如图1所示，本实施例公开的这种微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，包括电机1、电机底座2、连接架3、静态扭矩传感器4、连接板5、拉压传感器6、连接套7、支撑杆8、支座9、反光贴纸10、螺旋桨11、锁紧螺母12、轴套13、非接触式转速表14。电机1、电机底座2、连接架3、静态扭矩传感器4、连接板5、拉压传感器6、连接套7、支撑杆8、支座9共轴向中心线布置。

如图2所示，本实施例电机1的输出轴位于其轴向中心，螺旋桨11通过轴套13作为紧固件过盈配合固定于电机1的输出轴上。

电机1的底部通过沉头螺钉连接电机底座2。如图3所示，本实施例的电机底座2采用十字形板，在其四个支板上对称设置朝上布置的沉头螺纹孔，在电机的底部设置相应的螺纹孔，通过沉头螺钉从下往上将电机底座2与电机1连接紧固。另外在十字板的四个支板上对称设置螺纹孔，用于连接连接架3。

如图5所示，本实施例的静态扭矩传感器4选购外形为圆柱形、两端分别有螺纹孔的产品。如图4所示，连接架3为侧壁有矩形孔的长方体框架，其顶板上设置长圆孔、底板上设置螺纹孔，长圆孔的位置分别与电机底座2的四个支板位置对应，螺纹孔的位置和数量与静态扭矩传感器4上端的螺纹孔相对应。装配时，采用螺栓穿过连接架3顶板上的长圆孔后拧入电机底座2上的螺纹孔中，使连接架3与电机底座2固连。采用螺栓将连接架3的底板和静态扭矩传感器4的上端连接紧固。

由于不同尺寸的螺旋桨需配套不同参数的电机，某一型号的电机并不能适合一定尺寸范围内所有的螺旋桨及所有的旋转速度，为了尽可能增大测量装置的测量范围，包括螺旋桨尺寸和转速范围，可能需要换装不同型号的电机，不同型号的电机需配套不同的电机底座2，所以将连接架3上端与电机底座2的连接孔采用长圆孔，以适应不同型号电机的安装。

如图7所示，本实施例的拉压传感器6选购两端中心位置处分别有螺纹孔的方s型拉压传感器产品。

为了保证静态扭矩传感器4和拉压传感器6的同轴度和端面的平行度，将两者之间的连接板5采用如图6所示的圆形板。在圆形板的中心位置处设置朝下的沉头螺纹孔，通过沉头螺钉从上往下将拉压传感器6连接固定于连接板5的下侧。圆形板上中心沉头螺纹孔的***设置与静态扭矩传感器4下端螺纹孔相应的沉头螺纹孔，这些沉头螺纹孔朝上布置，通过沉头螺钉从下往上将连接板5和静态扭矩传感器4的下端连接紧固。

支撑杆8用于稳定支撑整个装置。支撑杆8的两端均为外螺纹段，下端的外螺纹段配套有螺母12。在保证支撑杆足够强度的前提下，延长其长度以保证螺旋桨11与地面有足够的距离，来消除螺旋桨的地面效应，以避免地面效应影响螺旋桨的气动力。本实施例的连接套7优选上端为盲端的空心圆柱，这样可保证同轴度和端面的平行度，在空心圆柱上端的轴向中心位置处设置朝上布置的沉头螺纹孔，在空心圆柱的下端段内壁设置螺纹。支座9优选矩形板，在其中心位置处设置螺纹孔。

装配时，支撑杆8的下端段拧入支座9中心位置处的螺纹孔中，并通过螺母12锁紧，将支撑杆8的上端与连接套7的下端螺纹连接。

本装置的原理如下：本装置的螺旋桨通过电机带动旋转产生拉力和扭矩，当螺旋桨的旋转速度达到稳定时，产生的拉力和扭矩也将达到稳定值。为测量螺旋桨在稳定状态下产生的拉力和扭矩，可通过测量螺旋桨作用于驱动电机上的拉力和扭矩，所以，本装置中将电机与静态扭矩传感器和拉压传感器共轴向中心线固连，并将他们一并固连于支座上。在整套装置中，除螺旋桨及电机中心轴旋转外，其他部件均保持静止，因此螺旋桨产生的扭矩可直接传递到静态扭矩传感器上，而螺旋桨的拉力可由拉压传感器测量的拉力值或压力值减去拉压传感器以上所有部件的重力可得。

螺旋桨的转速通过非接触式光电转速表来测量：在螺旋桨的靠近根部位置紧贴一小块反光纸，转速表对准反光纸运动轨迹上的某位置持续发射激光，经过反光纸的反射，转速表会接收反射光信号，从而感知反光纸经过了转速表激光照射位置，转速表通过测量反射光的频率从而获得螺旋桨的转速。为了不干扰螺旋桨周围的气流流动从而影响测量精度，应将转速表置于离螺旋桨尽可能远的位置。此外，由于螺旋桨的气动性能受外形影响剧烈，应将反光纸紧贴于螺旋桨靠近根部位置从而尽可能减小对外形的干扰，因为螺旋桨根部产生的气动力十分微小，对总体气动力影响微小。

螺旋桨转速的调节可采用脉冲宽度调制发生器来控制电机的输入电流，从而改变电机的输入功率和转速，从而可以测量螺旋桨在不同转速下的拉力和扭矩值。

为了保证本装置的测量精度，注意本装置在设计过程中应充分考虑以下影响测量精度的因素：

应尽可能的提高各部件之间的同轴度和各连接端面的平行度，以保证装置的稳定性；在保证足够的结构强度和结构稳定性的前提下将结构尺寸设计得尽可能小，以尽可能减小各结构对螺旋桨周围气流的干扰；将支撑杆设计得足够长，用以消除或充分减弱螺旋桨的地面效应；选用量程适当且精度足够高的传感器。

Claims (9)

1.一种微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：本装置包括依次共轴向中心线布置通过紧固件连接的螺旋桨、电机、连接架、静态扭矩传感器、连接板、拉压传感器、连接套、支撑杆和支座，电机的输出轴位于其轴向中心；螺旋桨的近根部处贴附一块反光纸；本装置还包括非接触式光电转速表，非接触式光电转速表通过反光纸来测量螺旋桨的转速。

2.如权利要求1所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述螺旋桨通过紧固件连接于所述电机的输出轴上。

3.如权利要求2所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述电机连接有电机底座，电机底座上设置螺纹孔和朝上布置的沉头螺纹孔，通过沉头螺钉将电机底座与电机底部连接紧固，螺纹孔用于连接所述连接架。

4.如权利要求3所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述连接架为侧壁设置矩形孔的长方体框架，其顶板上设置用于连接所述电机底座的长圆孔、底板上设置用于连接所述静态扭矩传感器的螺纹孔，顶板和电机底座之间通过杆部朝上的螺栓连接紧固。

5.如权利要求4所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述静态扭矩传感器的外形为圆柱形，其两端分别有用于连接所述连接架和连接板的螺纹孔；所述拉压传感器采用方s形拉压传感器，其两端分别有用于连接所述连接板和连接套的螺纹孔。

6.如权利要求5所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述连接板为圆形板，其中心位置处有朝下的沉头螺纹孔，通过沉头螺钉从上往下将连接板和拉压传感器的上端连接紧固；圆形板上中心沉头螺纹孔的***设置有朝上布置、与所述静态扭矩传感器下端螺纹孔相应的沉头螺纹孔，通过沉头螺钉从下往上将连接板和静态扭矩传感器的下端连接紧固。

7.如权利要求1所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述连接套为上端为盲端的空心圆柱，其上端中心位置处有朝上布置的沉头螺纹孔，下端内壁有螺纹。

8.如权利要求7所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述支座为矩形板，其中心位置处设置有螺纹孔。

9.如权利要求8所述的微小型螺旋桨拉力和扭矩测量装置，其特征在于：所述支撑杆的两端均有外螺纹段，下端的外螺纹段配套有螺母，支撑杆的上端与所述连接套的下端螺纹连接、下端拧入所述支座中心位置处的螺纹孔中并通过螺母锁紧。