一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置制造方法
【專利摘要】本實用新型公開了一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置，該裝置包括：多對永磁體，每個永磁體具有相同規(guī)格安裝于旋轉(zhuǎn)軸上，各永磁體對間成不平行排列，所形成的磁極對方向不平行；多個電磁感應(yīng)回路，各電磁感應(yīng)回路與永磁體對一一對應(yīng)，以于多對永磁體的磁極相應(yīng)轉(zhuǎn)動時，各磁極對切割各電磁感應(yīng)回路，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電壓，多個電磁感應(yīng)回路感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號；AD轉(zhuǎn)換模塊，連接該多個電磁感應(yīng)回路，將該多個電磁感應(yīng)回路感應(yīng)出的模擬的感應(yīng)電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字的感應(yīng)電壓信號；以及數(shù)據(jù)處理模塊，連接該AD轉(zhuǎn)換模塊，通過本實用新型，不僅可以在測量扭矩的同時測量軸功率，且具有較高精度。
【專利說明】一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本實用新型關(guān)于一種扭矩和功率測量裝置，特別是涉及一種基于非平行永磁體對 的非接觸式扭矩和功率測量裝置。

【背景技術(shù)】
[0002] 目前測轉(zhuǎn)動軸的功率的方法中，最常見的是依賴于在轉(zhuǎn)動軸上貼附應(yīng)變片的方 法，應(yīng)變片信號的傳遞方式主要有滑環(huán)和遙測的方法兩種，其中，滑環(huán)的方法是導(dǎo)電滑環(huán)保 證在軸轉(zhuǎn)動時，應(yīng)變片信號不間斷的傳遞到采集電路中。然而其存在如下缺點：1、由于導(dǎo)電 滑環(huán)屬于磨擦接觸，因此不可避免地存在著磨損并發(fā)熱，因而限制了旋轉(zhuǎn)軸的轉(zhuǎn)速及導(dǎo)電 滑環(huán)的使用壽命。2、由于接觸不可靠引起信號波動，因而造成測量誤差大甚至測量不成功。 遙測的方法是要在轉(zhuǎn)軸上安裝一種通過滑動電池提供電力的發(fā)射器，發(fā)射器將應(yīng)變片的電 流變化通過無線信號傳遞到采集電子電路中，然而，遙測的方法也存在如下缺點：
[0003] 一、易受使用現(xiàn)場電磁波的干擾；
[0004] 二、由于是電池供電，所以只能短期使用。
[0005] 三、由于在旋轉(zhuǎn)軸上附加了結(jié)構(gòu)，易引起高轉(zhuǎn)速時的動平衡問題。在小量程及小直 徑軸時更突出。
[0006] 除了上述方法，目前一些較新的系統(tǒng)有的也采用了霍爾傳感器。這一方案一般是 在轉(zhuǎn)動軸上相距一定距離處安裝兩個大齒輪來拾取信號。在兩個大齒輪上的測量敏感處分 別設(shè)置了兩個霍爾效應(yīng)傳感器，在軸轉(zhuǎn)動過程中兩個霍爾器件能輸出相同寬度的脈沖。當 軸被施加負載后，兩個脈沖之間的相位差會發(fā)生變化?？梢酝ㄟ^檢測兩路脈沖之間的相位 差來計算受載軸的扭轉(zhuǎn)角。該方法的優(yōu)點是實現(xiàn)了轉(zhuǎn)矩信號的非接觸傳遞，檢測信號為數(shù) 字信號，缺點為體積較大，不易安裝，低轉(zhuǎn)速時由于脈沖波的前后沿較緩不易比較，因此低 速性能不理想。 實用新型內(nèi)容
[0007] 為克服上述現(xiàn)有技術(shù)存在的不足，本實用新型之目的在于提供一種基于非平行永 磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置，其克服了現(xiàn)有技術(shù)中接觸式與非接觸扭矩和功率 測量裝置的缺陷，不僅可以在測量扭矩的同時測量軸功率，且具有較高精度。
[0008] 為達上述及其它目的，本實用新型提出一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩 和功率測量裝置，至少包括：
[0009] 多對永磁體，每個永磁體具有相同規(guī)格安裝于旋轉(zhuǎn)軸上，以于旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)時磁極 相應(yīng)轉(zhuǎn)動，各永磁體對間成不平行排列，所形成的磁極對方向不平行；
[0010] 多個電磁感應(yīng)回路，各電磁感應(yīng)回路與永磁體對 對應(yīng)，以于多對永磁體的磁 極相應(yīng)轉(zhuǎn)動時，各磁極對切割各電磁感應(yīng)回路，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電壓，多個電磁感應(yīng)回路 感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號；
[0011] AD轉(zhuǎn)換模塊，連接該多個電磁感應(yīng)回路，將該多個電磁感應(yīng)回路感應(yīng)出的模擬的 感應(yīng)電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字的感應(yīng)電壓信號；以及
[0012] 數(shù)據(jù)處理模塊，連接該AD轉(zhuǎn)換模塊。
[0013] 進一步地，該測量裝置還包括濾波模塊，該濾波模塊連接于該多個電磁感應(yīng)回路 與該AD轉(zhuǎn)換模塊之間。
[0014] 進一步地，該多個電磁感應(yīng)回路的中心線所在的平面相互平行。
[0015] 進一步地，各電磁感應(yīng)回路為單圈線匝或多圈線匝。
[0016] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測 量裝置通過將多對非平行排列的永磁體安裝于旋轉(zhuǎn)軸，各永磁體對所形成的磁極對方向不 平行，其磁極對隨著旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動切割相應(yīng)的電磁感應(yīng)回路，各電磁感應(yīng)回路感應(yīng)出相 應(yīng)的電壓后，感應(yīng)電壓信號經(jīng)濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至數(shù)據(jù)處理模塊進行處理計算得出扭矩 和軸旋轉(zhuǎn)周期，進而得出軸功率，在克服現(xiàn)有技術(shù)接觸式與非接觸扭矩和功率測量裝置的 缺陷基礎(chǔ)上，不僅可以在測量扭矩的同時測量軸功率，且具有較高精度。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0017] 圖1為本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置的 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖；
[0018] 圖2為本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置之 較佳實施例的永磁體安裝位置側(cè)視圖；
[0019] 圖3為本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置之 較佳實施例的工作過程示意圖；

【具體實施方式】
[0020] 以下通過特定的具體實例并結(jié)合【專利附圖】

【附圖說明】本實用新型的實施方式，本領(lǐng)域技術(shù)人 員可由本說明書所揭示的內(nèi)容輕易地了解本實用新型的其它優(yōu)點與功效。本實用新型亦可 通過其它不同的具體實例加以施行或應(yīng)用，本說明書中的各項細節(jié)亦可基于不同觀點與應(yīng) 用，在不背離本實用新型的精神下進行各種修飾與變更。
[0021] 圖1為本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置的 系統(tǒng)架構(gòu)示意圖。如圖1所示，本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功 率測量裝置，至少包括：多對永磁體10、多個電磁感應(yīng)回路11、AD轉(zhuǎn)換模塊12以及數(shù)據(jù)處 理模塊13。
[0022] 其中，多對永磁體10中每個永磁體具有相同規(guī)格，安裝在旋轉(zhuǎn)軸上，以于旋轉(zhuǎn)軸 旋轉(zhuǎn)時磁極相應(yīng)轉(zhuǎn)動，在本實用新型較佳實施例中，多對永磁體10的多個永磁體安裝在軸 上，成多對排列（兩對或兩對以上)，各永磁體對間成不平行排列，所形成的磁極對方向不平 行；多個電磁感應(yīng)回路11，與永磁體對 對應(yīng)，各電磁感應(yīng)回路以于各對永磁體的磁極 相應(yīng)轉(zhuǎn)動時，空氣中磁場發(fā)生周期性變化，磁極對切割電磁感應(yīng)回路，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng) 定律，多個電磁感應(yīng)回路中感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號，根據(jù)此可以得出信號周期以及信號相 位差，在本實用新型較佳實施例中，各電磁感應(yīng)回路可以是單圈線匝，也可以是多圈線匝， 多個電磁感應(yīng)回路的中心線所在的平面相互平行；AD轉(zhuǎn)換模塊12與多個電壓電流檢測模 塊11連接，用于將感應(yīng)電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字的感應(yīng)電壓信號；數(shù)據(jù)處理模 塊13對獲得的數(shù)字的感應(yīng)電壓信號進行處理計算，得出扭矩和軸旋轉(zhuǎn)周期，進而得出軸功 率。數(shù)據(jù)處理模塊13對數(shù)據(jù)進行處理，得出扭矩和軸旋轉(zhuǎn)周期，進而得出軸功率。數(shù)據(jù)處 理模塊13根據(jù)電壓的周期可以得出軸的轉(zhuǎn)速，根據(jù)相位的不同，可以得出軸形變的大小， 根據(jù)軸的材料力學(xué)性質(zhì)，進而可以得出扭矩的大小，根據(jù)扭矩和轉(zhuǎn)速，則可以得出軸功率的 大小，由于數(shù)據(jù)處理模塊13的計算處理為已有技術(shù)，在此不予贅述。
[0023] 較佳的，本實用新型之基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置還包 括一濾波模塊14,濾波模塊14與電磁感應(yīng)回路11相接，對電磁感應(yīng)回路11感應(yīng)出的電壓 信號進行濾波，以濾除雜波后再送入AD轉(zhuǎn)換模塊12進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，在本實用新型較佳實施 例中，濾波模塊14根據(jù)頻率來濾波，因為感應(yīng)電壓信號的頻率跟軸旋轉(zhuǎn)的頻率一致，因此， 其他頻率的信號都是雜波。
[0024] 圖2為本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置之 較佳實施例的永磁體安裝位置側(cè)視圖。在本實用新型較佳實施例中，多個永磁體安裝在旋 轉(zhuǎn)軸上，成多對排列（兩對或兩對以上)，各永磁體對間成不平行排列，所形成的磁極對方向 不平行。
[0025] 圖3為本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置之 較佳實施例的工作過程示意圖。以下將配合圖3對本實用新型之工作過程及原理做一說 明。
[0026] 空載時，假設(shè)摩擦等阻力矩等于零，此時旋轉(zhuǎn)軸沒有扭轉(zhuǎn)，永磁體隨著軸同步轉(zhuǎn) 動，因而磁極對也同步轉(zhuǎn)動，空氣中磁場發(fā)生周期性變化，磁極對切割相應(yīng)的電磁感應(yīng)回 路，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，各電磁感應(yīng)回路（電壓電流檢測環(huán)節(jié)）中會產(chǎn)生周期性的感 應(yīng)電壓，感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號。此時多個電壓信號同相位，電壓疊加。根據(jù)電壓的周期可 以得出軸的轉(zhuǎn)速。經(jīng)過濾波模塊濾波，可以得到所需的感應(yīng)電壓信號，在此，濾波模塊可根 據(jù)頻率來濾波，因為感應(yīng)電壓信號的頻率跟軸旋轉(zhuǎn)的頻率一致，因此，其他頻率的信號都是 雜波。經(jīng)濾波模塊濾波后的感應(yīng)電壓信號，經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換模塊A/D轉(zhuǎn)換，把模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù) 字量，然后，把數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行處理，得出扭矩和軸旋 轉(zhuǎn)周期，進而得出軸功率(此時扭矩和軸功率均為零)。
[0027] 帶負載時，永磁體隨著旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動，磁極對也同步轉(zhuǎn)動，空氣中磁場發(fā)生周期 性變化，每個磁極對切割相應(yīng)的電磁感應(yīng)回路，根據(jù)法拉第電磁感應(yīng)定律，各電磁感應(yīng)回路 中會產(chǎn)生相應(yīng)的周期性的感應(yīng)電壓，感應(yīng)出相應(yīng)的電壓信號。此時多個電壓信號相位不同， 但周期相同(據(jù)此可以得出信號周期以及信號相位差)。經(jīng)過濾波模塊濾波，可以得到所需 的感應(yīng)電壓信號，這里，濾波模塊可根據(jù)頻率來濾波，因為感應(yīng)電壓信號的頻率跟軸旋轉(zhuǎn)的 頻率一致，因此，其他頻率的信號都是雜波。根據(jù)電壓的周期可以得出軸的轉(zhuǎn)速，以第一對 永磁體對為基準，其他各對永磁體對相對于第一對永磁體對有不同的相位差，根據(jù)各對永 磁體對在軸上位置的不同，可以得出軸形變的大小，根據(jù)軸的材料力學(xué)性質(zhì)，進而可以得出 扭矩的大小，根據(jù)扭矩和轉(zhuǎn)速，則可以得出軸功率的大小。經(jīng)過AD轉(zhuǎn)換模塊A/D轉(zhuǎn)換后，把 電壓信號模擬量轉(zhuǎn)換為數(shù)字量。把數(shù)據(jù)傳輸給數(shù)據(jù)處理模塊，數(shù)據(jù)處理模塊對數(shù)據(jù)進行處 理，得出扭矩和軸旋轉(zhuǎn)周期，進而得出軸功率，在此說明的是，數(shù)據(jù)處理模塊的計算處理為 已有技術(shù)，在此不予贅述。
[0028] 綜上所述，本實用新型一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置 通過將多對非平行排列的永磁體安裝于旋轉(zhuǎn)軸，各永磁體對所形成的磁極對方向不平行， 其磁極對隨著旋轉(zhuǎn)軸同步轉(zhuǎn)動切割相應(yīng)的電磁感應(yīng)回路，各電磁感應(yīng)回路感應(yīng)出相應(yīng)的電 壓后，感應(yīng)電壓信號經(jīng)濾波及模數(shù)轉(zhuǎn)換后送至數(shù)據(jù)處理模塊進行處理計算得出扭矩和軸旋 轉(zhuǎn)周期，進而得出軸功率，在克服現(xiàn)有技術(shù)接觸式與非接觸扭矩和功率測量裝置的缺陷基 礎(chǔ)上，不僅可以在測量扭矩的同時測量軸功率，且具有較高精度。
[0029] 上述實施例僅例示性說明本實用新型的原理及其功效，而非用于限制本實用新 型。任何本領(lǐng)域技術(shù)人員均可在不違背本實用新型的精神及范疇下，對上述實施例進行修 飾與改變。因此，本實用新型的權(quán)利保護范圍，應(yīng)如權(quán)利要求書所列。
【權(quán)利要求】
1. 一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置，至少包括： 多對永磁體，每個永磁體具有相同規(guī)格安裝于旋轉(zhuǎn)軸上，各永磁體對間成不平行排列， 所形成的磁極對方向不平行； 多個電磁感應(yīng)回路，各電磁感應(yīng)回路與永磁體對 對應(yīng)，以于多對永磁體的磁極相 應(yīng)轉(zhuǎn)動時，各磁極對切割各電磁感應(yīng)回路，產(chǎn)生周期性的感應(yīng)電壓，多個電磁感應(yīng)回路感應(yīng) 出相應(yīng)的電壓信號； AD轉(zhuǎn)換模塊，連接該多個電磁感應(yīng)回路，將該多個電磁感應(yīng)回路感應(yīng)出的模擬的感應(yīng) 電壓信號進行模數(shù)轉(zhuǎn)換，轉(zhuǎn)換為數(shù)字的感應(yīng)電壓信號；以及 數(shù)據(jù)處理模塊，連接該AD轉(zhuǎn)換模塊。
2. 如權(quán)利要求1所述的一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置，其 特征在于：該測量裝置還包括濾波模塊，該濾波模塊連接于該多個電磁感應(yīng)回路與該AD轉(zhuǎn) 換模塊之間。
3. 如權(quán)利要求1所述的一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置，其 特征在于：該多個電磁感應(yīng)回路的中心線所在的平面相互平行。
4. 如權(quán)利要求1所述的一種基于非平行永磁體對的非接觸式扭矩和功率測量裝置，其 特征在于：各電磁感應(yīng)回路為單圈線阻或多圈線阻。
【文檔編號】G01L3/00GK203837848SQ201420153037
【公開日】2014年9月17日 申請日期:2014年3月31日 優(yōu)先權(quán)日:2014年3月31日
【發(fā)明者】李義新 申請人:上海電機學(xué)院