嵌入式容柵扭矩及轉速傳感器的製作方法

2023-06-01 03:07:06

專利名稱：嵌入式容柵扭矩及轉速傳感器的製作方法
技術領域：
本發明涉及傳感器領域，具體是一種嵌入式容柵扭矩及轉速傳感器。
技術背景在旋轉動力系統中有很多的參數需要測量或計算，扭矩是其中一項很重要 的參數。目前有多種傳感器可以實現扭矩參數的測量，如應變型扭矩傳感器、 光柵扭矩傳感器、轉角型扭矩傳感器、遙測扭矩儀等等。但這些傳感器在具體 測量時存在一定的局限性以及一些不足應變型扭矩傳感器是用導電滑環來完 成信號傳輸，由於導電滑環屬於磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損並發熱， 因而限制了旋轉軸的轉速及導電滑環的使用壽命，並會由於接觸不可靠引起信 號波動，造成測量誤差大，甚至測量不成功；光柵扭矩傳感器的光柵容易破損， 環境適應性差，受空氣的溼度、塵埃等因素影響導致測量精度不高；轉角型扭 矩傳感器體積較大，不利於安裝在結構緊湊的車輛中進行扭矩測量，不易安裝， 從而限制了使用的範圍；遙測扭矩儀容易受使用現場電磁波的幹擾，並由於採 用電池供電，只能短期使用。發明內容本發明為了解決現有扭矩傳感器存在信號傳輸引線困難、不易安裝等問 題，提供了一種嵌入式容柵扭矩轉速傳感器。本發明是採用如下技術方案實現的嵌入式容柵扭矩及轉速傳感器，包括測量軸、分別固定於測量軸兩端的測量單元，所述測量單元包括固定支撐體， 固定支撐體內設有支撐測量軸轉動的軸承，固定支撐體內壁沿其圓周方向設有 兩組作為定柵的條狀電極群，兩組定柵的條狀電極相間設置，測量軸上沿其圓 周方向與定柵相對處設有一組作為動柵的條狀電極群，動柵與測量軸之間設有 絕緣層，動柵經引線與測量軸相連，每組電極群的數量相等(即動柵的電極數 為兩組定柵總電極數的1/2)，動柵電極的寬度與定柵電極的寬度相等，固定支 撐體內壁上兩組定柵與測量軸上的一組動柵構成差動容柵。使用時，通過聯軸器將測量軸的兩端與被測旋轉軸相連，當旋轉軸轉動時， 測量軸會隨著轉動，動柵隨著測量軸一起轉動，動柵電極與定柵電極的正對面 積發生變化，測量單元內的差動容柵的電容值就會發生變化，電容值的變化量 表徵了測量軸和被測旋轉軸的扭矩和轉速，然後，通過連接於差動容柵輸出端 的測量電路對差動容柵的輸出進行脈寬調製、低通濾波，輸出周期性變化的正 弦波信號，測量軸兩端的測量單元會有兩路正弦波信號輸出，兩路正弦波存在相位差O，根據相位差O與扭矩T的關係，以及正弦波周期與旋轉軸角速度的關係，在相關軟體支持下可以計算出測量軸的扭矩和轉速，即被測旋轉軸的 扭矩和轉速。所述測量電路為現有電容式傳感器的測量電路，因此，本發明說 明書中未對測量電路進行描述。與現有技術相比，本發明應用了具有響應速度快、成本低廉、功耗低、抗 幹擾能力強和環境適應性強等優點的容柵技術，在進行旋轉軸扭矩測量時，能 抗電、磁場的千擾，在採用適當的防護措施後，能防油汙、防塵，對空氣溼度不敏感，進而用於惡劣的環境中；動柵經引線與測量軸相連，以測量軸作為信 號地，這樣測量軸轉動時，就不會存在信號線纏繞在軸上的問題，解決了在旋轉件上引線來實現數據傳輸的難題；另外，可以與被測旋轉軸一體化設置，即 以被測旋轉軸直接作為測量軸，本傳感器作為被測旋轉軸本身的一部分，本傳 感器的測量單元所需空間小，幾乎不佔用額外的安裝空間，適合安裝在坦克、 裝甲車等安裝空間狹小，對傳感器體積有嚴格要求的車輛中。本發明結構合理，滿足體積小、低功耗、高靈敏度高、環境適應性好等要 求，可以同時實現扭矩和轉速的測量。


圖l為本發明的結構示意圖；圖2為圖1的A-A剖視圖；圖3為兩組定柵的展開結構示意圖；圖中l-測量軸；2-固定支撐體；3-軸承；4、 5-定柵；6-動柵；7-絕緣層； 8-筒狀殼體。
具體實施方式
嵌入式容柵扭矩及轉速傳感器，包括測量軸1、分別固定於測量軸1兩端 的測量單元，所述測量單元包括固定支撐體2，固定支撐體2內設有支撐測量 軸1轉動的軸承3，固定支撐體2內壁沿其圓周方向設有兩組作為定柵4、 5 的條狀電極群，兩組定柵4、 5的條狀電極相間設置，測量軸l上沿其圓周方 向與定柵4、 5相對處設有一組作為動柵6的條狀電極群，動柵6與測量軸1 之間設有絕緣層7，動柵6經引線與測量軸1相連，每組電極群的數量相等(即 動柵的電極數為兩組定柵總電極數的1/2)，動柵6電極的寬度與定柵4、 5電 極的寬度相等，固定支撐體2內壁上兩組定柵4、 5與測量軸1上的一組動柵6構成差動容柵。具體實施時，測量單元內的差動容柵為等節距柵形結構，可以通過細分柵格來降低隨機噪聲，提高信噪比和分辨力；測量軸1和其兩端的測量單元可置 於筒狀殼體8內，以提高本發明的整體性；本發明進行扭矩和轉速的測量原理 如下當測量軸受到載荷發生扭曲變形時，其兩側測量單元內的差動容柵輸出經脈寬調製電路和低通濾波電路調製、濾波後，輸出兩個存在相位差O的正弦波， 相位差O與扭矩T成正比，根據公式r-G爾字可以解算出扭矩T的值，其中Ip為橫截面對圓心的的極慣性矩，G為材料的剛性常量，GIp為扭轉剛度；當測量軸以一定速度n旋轉時，差動容柵的電容值周而復始地由大變小，由小變大，其變化經過後續電路處理後輸出正弦波，假設軸在一個正弦波周期轉過的弧長為2L，當軸轉過的角度為^，容柵所在位置處的轉軸半徑為r，當 軸轉過N個正弦波周期時，弧長為N.2L，則有0 = ^，而角速度為 w-^經，而角速度w-2;r."，所以有轉速"=上=^ = ^，單位r/s，則轉速n為:formula see original document page 6 單位r/min其中N為在固定一段時間內的正弦波周期數，L為條狀電極寬度和兩條狀電極的間距之和，t為所用的時間，r為測量軸半徑。由上可知，差動容柵的電容大小變化與測量軸的扭矩和轉速大小是相對應的。
權利要求
1、一種嵌入式容柵扭矩及轉速傳感器，其特徵在於包括測量軸(1)、分別固定於測量軸(1)兩端的測量單元，所述測量單元包括固定支撐體(2)，固定支撐體(2)內設有支撐測量軸(1)轉動的軸承(3)，固定支撐體(2)內壁沿其圓周方向設有兩組作為定柵(4、5)的條狀電極群，兩組定柵(4、5)的條狀電極相間設置，測量軸(1)上沿其圓周方向與定柵(4、5)相對處設有一組作為動柵(6)的條狀電極群，動柵(6)與測量軸(1)之間設有絕緣層(7)，動柵(6)經引線與測量軸(1)相連，每組電極群的數量相等，動柵(6)電極的寬度與定柵(4、5)電極的寬度相等，固定支撐體(2)內壁上兩組定柵(4、5)與測量軸(1)上的一組動柵(6)構成差動容柵。
全文摘要
本發明涉及傳感器領域，具體是一種嵌入式容柵扭矩及轉速傳感器。解決了現有扭矩傳感器存在信號傳輸引線困難、不易安裝等問題，包括測量軸、分別固定於測量軸兩端的測量單元，所述測量單元包括固定支撐體，固定支撐體內設有支撐測量軸轉動的軸承，固定支撐體內壁沿其圓周方向設有兩組作為定柵的條狀電極群，兩組定柵的條狀電極相間設置，測量軸上沿其圓周方向與定柵相對處設有一組作為動柵的條狀電極群，動柵與測量軸之間設有絕緣層，動柵經引線與測量軸相連，固定支撐體內壁上兩組定柵與測量軸上的一組動柵構成差動容柵。本發明結構合理，滿足體積小、低功耗、高靈敏度高、環境適應性好等要求，可以同時實現扭矩和轉速的測量。
文檔編號G01D5/241GK101226065SQ20081005453
公開日2008年7月23日 申請日期2008年2月3日 優先權日2008年2月3日
發明者劉雙峰, 張紅豔, 李新娥, 武耀豔, 靜 祖, 馬鐵華 申請人:中北大學