CN105424244B - 一种非接触式自发电无线扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种非接触式自发电无线扭矩传感器，传感器整体为可拆卸结构，自身为通过螺丝与扭矩轴相连的两个相互啮合的半圆环结构，传感器具备自发电和无线数据传输功能，传感器与外界不需要任何电缆连接，使用和安装时不需考虑布线问题，自身为无刷发电机结构，运转时自行发电，为无线数据传输和数据处理芯片供电，做到了真正的无线测量；高性能无线串口模块，数据传输速度快，通信带宽大，不需要转接设备便可与上位机直接通信，因为传感器没有任何线缆，在使用过程中不会出现线路损坏故障，设备可靠性得到了极大的提高。

Description

一种非接触式自发电无线扭矩传感器

技术领域

本发明涉及自动化技术领域，涉及一种扭矩测量装置，特别涉及一种非接触式自发电无线扭矩传感器。

背景技术

按照信号、能源的传递方式不同，动态扭矩传感器可以分为集流环式和调频发射机式两种类别。

集流环式扭矩传感器依靠4-16甚至更多组纯银或是白金集流环和碳刷传递信号，集流环的存在使得转轴不能承受很高的转速，即使采用空气降温或液体降温，碳刷依旧会逐渐磨损，信号噪音会随着使用增加。并且随着通路数的增加，滑环长度会逐渐加长，摩擦产生的粉尘容易堆积，造成相邻环之间耐压不足，信号之间产生干扰，集流环式并不适合长时间及多通道数据通信。

调频发射机式扭矩传感器依靠射频信号传递信号和能源到旋转的弹性轴，虽然去除了集流环等易损装置，但是在传感器与上位机之间仍然需要依靠数据线进行数据传送。随着数据通道的增加，通信线缆的数量也会增加，加大了安装难度。同时当进行深井钻探或现场环境复杂时，扭矩传感器的数据线和电源线极易缠绕在一起或因磨损造成线路破损导致信号丢失。

以上现有的两种传感器，仅做到了弹性轴与传感器壳体之间的无线数据交换，传感器整体仍需要供电或连接数据电缆，并没有从根源上解决传感器的无线问题。同时现有的扭矩传感器均采用检测部分与弹性轴硬性连接的结构，当传感器任何一部分损坏都需要将整体拆卸进行维护。尤其现在普遍采用的调频发射机式扭矩传感器将应变片与弹性轴直接粘贴在一起，弹性轴损坏时应变片随之报废无法继续使用，造成了极大的浪费。

发明内容

为了克服上述现有技术的不足，本发明提供了一种非接触式自发电无线扭矩传感器，传感器和上位机之间整体无线连接，解决了现有传感器供电和多通道数据传输问题。

本发明所采用的技术方案是：

一种非接触式自发电无线扭矩传感器，传感器整体为圆柱体结构，圆柱体由通过螺丝紧固的两个半圆环组成，传感器通过螺丝组合后固定在扭矩轴上，传感器所有元器件均安装在两个半圆环内，圆柱体结构整体由外壳、轴承、线圈和内壳组成，两个半圆环通过螺丝固定在扭矩轴上，内壳与扭矩轴固定，外壳通过轴承安装在内壳上能够相对内壳转动，线圈固定在内壳上，外壳内表面上镶嵌永磁体，线圈与永磁体形成无刷发电机结构，传感器运转时为所有元器件供给电源；所述圆柱体内还集成有无线串口模块，传感器通过RS232与无线串口模块相连，传感器检测到的所有数据均通过无线模式发送到上位机。

进一步，所述永磁体为钕铁硼强磁铁。

进一步，所述圆柱体内还设置有变压器、整流桥和多路稳压模块，无刷发电机发出的交流电通过降压、整流变成低电压直流电，再通过多路稳压电源分别为所有元器件供电。

进一步，所述元器件均采用卡口固定在两个半圆环内。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

圆柱体由通过螺丝紧固的两个半圆环组成，传感器通过螺丝组合后固定在扭矩轴上，可拆卸结构极大的降低了扭矩传感器的维护时间与成本，线圈与永磁体形成无刷发电机结构，传感器运转时为所有元器件供给电源，自发电结构的采用使得扭矩传感器做到的完全的无线化。发电部分采用永磁式结构，省去了励磁式发电的励磁绕组、碳刷、滑环结构，整机结构简单，避免了励磁绕组易烧毁、断线等故障，可靠性大为提高。永磁结构的采用，使得发电部分内部结构设计排列很紧凑，体积、重量大为减少。所述圆柱体内还集成有无线串口模块，传感器通过RS232与无线串口模块相连，自发电与无线模块的结合，省略掉了传感器上的所有线缆，使得传感器在安装和使用时不需考虑线缆布局，多通道通信更加简单便捷。同时因为传感器没有任何线缆，在使用过程中不会出现线路损坏故障，设备可靠性得到了极大的提高。

新式传感器将解决传感器供电和多通道数据传输问题，将包括在电源线在内的所有线缆淘汰，做到传感器和上位机之间整体无线连接；采用新式机械结构可以快速从被测轴轴体上快速拆卸下来，维修保养时成本更低，更加便捷。

附图说明

图1为传感器侧面示意图；

图1a为左视图；图1b为后侧视图；图1c为图1a的A-A向剖视图；图1d为图1b的J-J向剖视图。

图2为传感器爆炸视图；

图2a为左视图；图2b为图2a的A-A向剖视图；图2c为前侧示意图。

图3为扭矩轴传动示意图。

图4为变比传动结构示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

下面结合附图对本发明进一步说明。

扭矩传感器的工作原理为将转轴的扭矩转变为应变力或位移量等其它可以方便测得的数据，进而测量得到转轴的扭矩值。传感器自身是一个空心圆柱体形状安装平台，圆柱体可以拆分为两半圆环形，传感器可以通过螺丝组合然后固定在扭矩轴上。单片机、信号发送及电源稳压等电子部分均采用卡口固定在传感器上，当传感器发生故障时，可以通过将螺丝松开将传感器从扭矩轴上拿下，然后单独检查或更换扭矩轴和扭矩传感器，不需要整体拆除。

现有的传感器没有可拆卸结构，传感器便是传动轴。非接触式自发电扭矩传感器整体为一个圆柱筒形外壳，圆柱筒形外壳通过螺丝固定在扭矩轴上，为测量部分和电路提供安装平台。圆柱筒形外壳可拆解为两半，当传感器需要维护时可以直接从扭矩轴上拆卸。

扭矩传感器在运行时需要电源供电，现有的传感器均需要外接电源供电。非接触式自发电扭矩传感器为无刷发电机结构，传感器运转时，自身可以为所有电路供给电源。

扭矩传感器需要将检测到的数据发送到上位机上。现有的传感器大都采用线缆或无线方波方式发送到上位机中再进行数据解码，而非接触式自发电扭矩传感器直接通过RS232与无线串口相连，无线串口直接将数据发送到上位机，数据通道带宽更大。

传感器整体具有可拆卸结构，拆卸后可直接固定在扭矩轴轴体上，间接测量扭矩轴的扭矩值。传感器具备自发电和无线数据传输功能，传感器与外界不需要任何电缆连接，使用和安装时不需考虑布线问题。自身为无刷发电机结构，运转时自行发电，发出的交流电通过变压器降压、整流桥整流后变成低电压直流电。传感器硬件电路中带有多路稳压电源，分别为无线数据传输和数据处理芯片供电，发电电路与降压、整流电路整合在一个电路中，不需要集流环或无线输电电路，做到了真正的无线测量。高性能无线串口模块，数据传输速度快，通信带宽大，不需要转接设备便可与上位机直接通信。因为传感器没有任何线缆，在使用过程中不会出现线路损坏故障，设备可靠性得到了极大的提高。

传统扭矩传感器自身与扭矩轴轴体是一体结构，当传感器需要维护或者扭矩轴轴体损坏后，整个传感器都需要更换，成本非常高。为解决传统扭矩传感器安装繁琐、维护成本高的问题，本传感器采用如图1所示的由两个半圆形结构连接而成可拆卸结构，图1a为左视图；图1b为后侧视图；图1c为图1a的A-A向剖视图；图1d为图1b的J-J向剖视图。传感器安装时只需要将两个半圆在万向轴轴体上对接后通过螺丝拧紧就可以固定在万向轴轴体上。新式的扭矩传感器在后期更换转轴或者传感器出现故障时，传感器壳体可以很方便的和转轴轴体进行分离，可以单独更换转轴轴体或者单独更换扭矩传感器，极大的减少了传感器维护的时间和成本。

传统扭矩传感器通过应变片对弹性轴的形变量进行测量，间接地反映出轴体所受到的扭矩大小。因为应变片是通过粘结剂黏贴在弹性轴上的，所以当弹性轴损坏或应变片损坏后，整个传感器都需要更换，无法对部分进行更换维修，这种一体式结构导致了传统扭矩传感器的维护和维修成本特别高。为了降低维护难度和维护成本，非接触式自发电无线扭矩传感器将传感器与弹性轴进行分离。传动轴受到扭矩作用时，轴体会产生形变。

如图3所示，将传动轴类比为一个圆柱体，当传动轴受到扭矩作用后，传动轴将发生形变，取传动轴前端和传动轴后端的横截面，当扭矩轴收到扭矩作用后，横截面之间会产生转角。因为弹性轴需要乘载非常大的扭矩，所以产生的横截面转角不会太大。想要检测出如此小的角度，需要将形变量进行放大。横截面上的相对转角与轴体旋转方向相同，而横截面的形变量在横截面的切平面上。将轴体横向放置时,位移形变量便在纵向方向上。根据石油钻井中的转轴实际尺寸，转轴的横向长度小于160mm，不便于传感器的安装。所以想要测量出轴体的横截面相对位移量，首先要将位移量转向。

如图4所示，在变比放大轴的前方放置一个转向轴承，就可以将纵向的轴体形变量转向到横向上。微弱的形变量经过变比放大轴放大，放大后位移量由后端的传感器进行测量。本传感器后端采用的位移传感器测量范围为0-5mm，根据测得转轴的形变量在2mm以内，为方便测量将变比放大轴做到1：2放大输出，放大输出后的位移值再经过差动变压器式位移传感器进行检测，单片机处理后转换为对应的扭矩值。在轴体与变比放大轴、变比放大轴与传感器前端之间采用高刚度、高效率、轻量化、无摩擦、低空回的精密绳传动。为达到高精度的形变量传动，对丝绳预先施加了合适的预紧力，预紧力的存在一方面可以消除钢丝绳因弹性伸长而产生的应力松紧，另一方面可以提高系统的传动刚度和传动精度。传感器将传动钢丝绳上施加的拉力值预先设定在与传感器反向拉力向抵消的大小上，尽可能的减小传动过程中钢丝绳滑动引起的张力变化，降低传动过程中的空回特性。

扭矩传感器内部具有形变量放大和处理装置，最终放大后的扭矩轴形变量通过丝绳传动给差动变压器式位移传感器，位移传感器再转换为模拟信号，单片机对其进行滤波及AD转换为对应的扭矩值。

传统扭矩传感器不能做到完全无线的最主要原因在于无法解决传感器供电问题。现有的调频发射机式扭矩传感器，虽然做到了测量轴与传感器壳体之间的无线，但是传感器壳体仍需要连接电源线与数据线，线缆的存在使得传感器在安装时需要考虑线缆布局，同时传感器在使用时线缆容易损坏导致传感器失灵。非接触式自发电无线扭矩传感器自身结构类似于无刷发电机，传感器装配体爆炸图如图2所示，图2a为左视图；图2b为图2a的A-A向剖视图；图2c为前侧示意图；整体由三大部分组成，分别为外壳1、轴承2、线圈3、内壳4。发电部分采用永磁式结构，如图2a所示，发电线圈固定在传感器内壳4上，转轴在工作时带动传感器同步转动。转轴旋转时，线圈与转轴是保持相对静止的。传感器最外层有一个外壳1，外壳1不仅起到保护作用，外壳1还镶嵌有稀土钕铁硼强磁铁为发电线圈提供磁感线。外壳通过缆绳与外界框架固定，当转轴旋转时，外壳与外界相对保持静止，转轴上的发电线圈相对于外壳旋转，线圈切割磁感线产生的感应电动势直接供后端电路使用。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (4)

1.一种非接触式自发电无线扭矩传感器，其特征在于：传感器整体为圆柱体结构，圆柱体由通过螺丝紧固的两个半圆环组成，传感器通过螺丝组合后固定在扭矩轴上，传感器所有元器件均安装在两个半圆环内，圆柱体结构整体由外壳(1)、轴承(2)、线圈(3)和内壳(4)组成，两个半圆环通过螺丝固定在扭矩轴上，内壳(4)与扭矩轴固定，外壳(1)通过轴承安装在内壳(4)上能够相对内壳(4)转动，线圈(3)固定在内壳(4)上，外壳(1)内表面上镶嵌永磁体，线圈(3)与永磁体形成无刷发电机结构，传感器运转时为所有元器件供给电源；所述圆柱体内还集成有无线串口模块，传感器通过RS232与无线串口模块相连，传感器检测到的所有数据均通过无线模式发送到上位机；

扭矩轴通过转向轴承与变比放大轴相连，将扭矩轴纵向的轴体形变量转向到横向上，微弱的形变量经过变比放大轴放大，放大后位移量由后端的传感器进行测量；

扭矩传感器内部具有形变量放大和处理装置，放大后的扭矩轴形变量通过丝绳传动给差动变压器式位移传感器，位移传感器再转换为模拟信号，单片机对其进行滤波及AD转换为对应的扭矩值。

2.根据权利要求1所述的非接触式自发电无线扭矩传感器，其特征在于：所述永磁体为钕铁硼强磁铁。

3.根据权利要求1所述的非接触式自发电无线扭矩传感器，其特征在于：所述圆柱体内还设置有变压器、整流桥和多路稳压模块，无刷发电机发出的交流电通过降压、整流变成低电压直流电，再通过多路稳压电源分别为所有元器件供电。

4.根据权利要求1所述的非接触式自发电无线扭矩传感器，其特征在于：所述元器件均采用卡口固定在两个半圆环内。