CN101603867B - 与集流环组为一体的扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种与集流环组为一体的扭矩传感器，包括集流环，传感器，其特征在于：所述集流环由两个半圆环组成，两个半圆环集流环通过螺栓及螺母连接，每个集流环设有4组用于传输信号的导电铜片，一个半圆环集流环内安装有用于测试扭矩的传感器，传感器由矩形安装头部，传感器弹性体，传感器固定端组成，矩形安装头部与传感器固定端之间是传感器弹性体，传感器弹性体上面设有电阻应变片。该传感器利用力学原理将工作轴的扭转变形转换成传感器的弯曲变形进行扭矩测试，可大大降低扭矩测试的现场工作，使得现场测试更容易进行，而且具有测试精度高等特点。

Description

与集流环组为一体的扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种扭矩传感器，尤其是一种利用集流环内弹性元件跟随集流环与被测轴一起变形而测试工作轴的工作扭矩的传感器。

背景技术

目前，常用的扭矩测试集流环(图1，2)由集流环A，螺母B，垫圈C，连接螺栓D，调整螺栓E，导电铜片F等构成。工作轴的扭矩测试需要在现场进行，须在受力构件上进行打磨、清洗、贴应变片以及组桥等工作，传感器的现场安装非常复杂，现场贴应变片带来的测试误差大。另外，模拟标定及相似转换时会带来的误差。

发明内容

本发明是要提供一种与集流环组为一体的扭矩传感器，该传感器利用力学原理将工作轴的扭转变形转换成传感器的弯曲变形进行扭矩测试，可大大降低扭矩测试的现场工作，使得现场测试更容易进行，而且具有测试精度高等特点。

为实现上述目的，本发明的技术方案是：一种与集流环组为一体的扭矩传感器，包括集流环，传感器，其特点是：集流环由两个半圆环组成，两个半圆环集流环通过螺栓及螺母连接，每个集流环设有4组用于传输信号的导电铜片，一个半圆环集流环内安装有用于测试扭矩的传感器，传感器由矩形安装头部，传感器弹性体，传感器固定端构成，矩形安装头部与传感器固定端之间连接传感器弹性体，传感器弹性体上面设有电阻应变片。

电阻应变片由4片组成；矩形安装头部高度H¹＝被测工作轴的外径D-集流环内径D¹-(5~10mm)；宽度B¹＝被测工作轴的外径D-集流环内径D¹-(20~30mm)；长度L¹＝B¹。

传感器弹性体为矩形，其高度H²＝H¹/(2~3)；宽度B²＝H²/(2~3)；长度L²＝集流环长度B-矩形安装头部长度L¹-传感器固定端长度L³-(5~10mm)。

传感器固定端为圆柱形，其直径D³＝H¹，长度L³＝(5~10mm)。

半圆环集流环上设有传感器安装孔，传感器插在传感器安装孔与集流环的定位，并用螺栓M＝B¹(1/2~1/3)固定，M在计算值中选取国家标准系列。传感器的固定端插在半圆环集流环底部固定孔内。

本发明的有益效果是：本发明利用力学原理将工作轴的扭转变形转换成传感器的弯曲变形进行扭矩测试，可大大降低扭矩测试的现场工作，使得现场测试更容易进行。

本发明具有以下特点：

(1)将传感器与集流环设计为一体化。

(2)利用力学原理将工作轴的扭转变形转换成传感器的弯曲变形进行扭矩测试。

(3)大大降低了扭矩测试的现场工作，无须在工作轴上进行打磨、清洗、贴应变片以及组桥等工作，使得现场扭矩测试更容易进行。

(4)传感器可以标准化制作。避免了现场贴应变片使带来的测试误差。

(5)传感器的标定工作可以标准化。现在的传感器标定只需对传感器弹性体加上标准载荷相应得到其输出值即可，使得测试精度大大提高。改进了由原来模拟标定及相似转换时带来的误差。

附图说明

图1是现有的扭矩测试集流环主视图；

图2是图1的俯视图；

图3是本发明的主视图；

图4是图3左视图；

图5是传感器主视图；

图6是图5的俯视图；

图7是图5的左视图；

图8是测试电路(电桥)原理图；

图9是本发明的测试原理图。

具体实施方式

下面结合附图与实施例对本发明作进一步的说明。

如图3，4所示，本发明与集流环组为一体的扭矩传感器，包括集流环1，传感器9。

集流环1由两个半圆环组成，卡装在工作轴上。绝缘材料(高强度尼龙或类似材料)。其内径D¹由被测工作轴的直径(外径)决定，外径D＝D¹+(30~50mm)，集流环的宽度应小于工作轴的长度。

两个半圆环集流环设有螺栓孔2，两个半圆环集流环通过螺栓及螺母连接的连结。螺栓孔2由工作轴的直径大小与紧固要求决定。每个集流环设有四组用于传输信号的导电铜片3。集流环1上用于安装铜片沟槽4其槽宽与槽深由传输电刷线的直径决定。一般取3~5mm。半圆环集流环内设有引线槽5，用于安置传感器9的导线，一般取3~5mm。固定孔6用于固定传感器弹性体的圆杆头部。宽槽7用于固定铜片与传感器的导线(相互连接)。一个半圆环集流环内安装有用于测试扭矩的传感器9。

如图5至图7所示，传感器9由矩形安装头部10，传感器弹性体11，传感器固定端12构成，矩形安装头部10与传感器固定端12之间连接传感器弹性体11，传感器弹性体11上面设有电阻应变片14。

矩形安装头部10高度H¹＝被测工作轴的外径D-集流环内径D¹-(5~10mm)；宽度B¹＝被测工作轴的外径D-集流环内径D¹-(20~30mm)；长度L¹＝B¹。

传感器弹性体11为矩形，其高度H²＝H¹/(2~3)；宽度B²＝H²/(2~3)；长度L²＝集流环长度B-矩形安装头部长度L¹-传感器固定端长度L³-(5~10mm)。

传感器固定端12为圆柱形，其直径D³＝H¹，长度L³＝(5~10mm)。

半圆环集流环上设有传感器安装孔及固定螺孔13，用于固定传感器弹性体11。传感器插在传感器安装孔与集流环1的定位，并用螺栓M＝B¹(1/2~1/3)固定，M在计算值中选取国家标准系列。传感器固定端12插在半圆环集流环底部固定孔内。

电阻应变片由4片组成，对应与全桥测试电路。应变片的粘贴位置除了L⁰外，还须保持与轴线平行。L⁰＝5~10mm。其测试电路(电桥)如图8所示。

如图9所示，本发明的工作原理为：

集流环卡装在工作轴上(要求紧固连接)，跟随工作轴一起旋转并同步变形。集流环内传感器弹性体随之产生变形(弹性体转换为弯曲变形)，利用在弹性体上的应变片测得工作轴上的扭应力。即：

(1)根据力学特性，视集流环与圆轴为一体(要求集流环与轴紧密安装在一起，跟随轴一起变形)。集流环同样产生圆轴在扭矩载荷作用下的变形。集流环的内径与轴相配，外径可由具体结构而定。

(2)利用圆轴的变形特点，设计一个传感器安装在集流环内，使其与集流环一起变形。当圆轴产生变形时其表面各圆周线绕轴线相对的旋转了一个角度θ见图，在轴线的长度上的两点产生了一个相对位移。其值可视为弯曲变形的挠度ω。即可建立下述关系；

ω＝r×θ

通过对传感器标定后，在实际测试中只要测得弹性体上的电阻应变片的其弯曲应力值即可得到工作轴上的扭转应力。

在结构设计中，传感器传感器弹性体体部(中间矩形截面)感受工作时的弯曲应力。其断面(H²*B²)处B²的几何尺寸最小将感受最大变形，故在此处布置一组应变片。

与集流环组为一体的扭矩测试技术与扭矩传感器特点：

(1)将传感器与集流环设计为一体化。

(2)利用力学原理将工作轴的扭转变形转换成传感器的弯曲变形进行扭矩测试。

(3)大大降低了扭矩测试的现场工作，无须在工作轴上进行打磨、清洗、贴应变片以及组桥等工作，使得现场扭矩测试更容易进行。

(4)传感器可以标准化制作。避免了现场贴应变片使带来的测试误差。

(5)传感器的标定工作可以标准化。现在的传感器标定只需对传感器弹性体加上标准载荷相应得到其输出值即可，使得测试精度大大提高。改进了由原来模拟标定及相似转换时带来的误差既：

a模拟轴与工作轴的材料差异。

b模拟轴与工作轴的材料特性差异。如加工工艺热处理方式等。

c模拟轴与工作轴的几何尺寸换算时带来的误差(D/d)^3。

Claims (3)

1.一种与集流环组为一体的扭矩传感器，包括集流环(1)，传感器(9)，其特征在于：所述集流环(1)由两个半圆环组成，两个半圆环集流环通过螺栓及螺母连接，每个集流环(1)设有四组用于传输信号的导电铜片(3)，一个半圆环集流环内安装有用于测试扭矩的传感器(9)，所述传感器(9)由矩形安装头部(10)，传感器弹性体(11)，传感器固定端(12)构成，矩形安装头部(10)与传感器固定端(12)之间是传感器弹性体(11)，传感器弹性体(11)上面设有电阻应变片(14)；所述矩形安装头部(10)高度H¹＝被测工作轴的外径D-集流环内径D¹-(5~10mm)；宽度B¹＝被测工作轴的外径D-集流环内径D¹-(20~30mm)；长度L¹＝B¹；所述传感器固定端(12)为圆柱形，其直径D³＝H¹，长度L³＝(5~10mm)；所述半圆环集流环上设有传感器安装孔与固定孔，传感器插在传感器安装孔与集流环的固定孔中定位，并用螺栓M＝B¹(1/2~1/3)固定，传感器的固定端(12)插在半圆环集流环底部固定孔内。

2.根据权利要求1所述的与集流环组为一体的扭矩传感器，其特征在于：所述传感器弹性体(11)为矩形，其高度H²＝H¹/(2~3)；宽度B²＝H²/(2~3)；长度L²＝集流环长度B-矩形安装头部长度L¹-传感器固定端长度L³-(5~10mm)。

3.根据权利要求1所述的与集流环组为一体的扭矩传感器，其特征在于：所述电阻应变片(14)由4片组成。

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