光栅转矩测量系统的研究

　　0　引　言

　　转矩测量仪器是最常用的仪器之一。目前正在使用的转矩传感器系统有利用电磁离合器原理的测功机,有建立在轴扭力应变原理基础上的轴上应变片式转矩传感器和电磁式转矩传感器。电磁离合器式测功机体积大,测量精度低;应变片式转矩传感器由于利用粘在轴上的应变片把轴应变转变成电信号,一方面只用作静态转矩的测量,另一方面由于受应变片与轴粘接精度影响,对粘接工艺有很高的要求;电磁式转矩传感器由于把传感轴两端的扭力应变扭角直接转变成电信号,所以,精度较高,不仅能测量静态平均转矩,而且能测量动态平均转矩,是目前使用最理想的一种转矩传感器。但是,由于这种传感器结构复杂,机械加工要求高,所以,测量系统成本高,一般只作为标准测量用。本文提出了一种基于结构简单,精度较高的光栅转矩传感器的转矩测量系统。这种测量系统的精度与电磁式转矩测量系统相当,但成本低。现将其结构和特性介绍如下:

　　1　传感器的结构与原理

　　转矩测量系统传感器是关键,本测量系统的光栅转矩传感器其结构原理图如图1(a)所示,研制的光栅转矩传感器实物如图1(b)所示。图1中①为内转轴,与外侧光栅片②相联,测量运行时,两端分别与动力源和负载相联,外套转轴③与内侧光栅片④相联,外套转轴③与内侧光栅④一起可与内转轴及外侧光栅片②作相对运动,⑤为光电发射管D,⑥为光电接收管T。

　　光栅传感器的工作原理如图2的波形所示:设A、B两对内外侧光栅片相同,光栅均匀,当内外侧光栅片作相对运动,则光电接收管输出端输出电压交流信号波形输出电压的交流信号波形如图2所示波形、为正弦波(慢速时为矩形波)。设内转轴不承受负载,即转轴没应变时,A、B两对光栅产生的波形有一初始相位差Q1,则当内转轴承受负载,即转轴产生应变时,A、两对光栅产生的波形相位错位增大至Q2,错位增量与轴应变扭矩角成正比。

　　A、B两对光栅产生的正弦波形经图3所示的波形变换电路,变换成矩形波A*、B*,然后,将B*的方波取反再与A*的方波相与输出波形为C。C的脉宽即为A*、B*两相脉冲的相位差。C*为负载轴应变所对应的错位增量,脉宽为Q=Q2-Q1,减法运算由信号处理系统完成。

　　2　传感器的输出特性与误差分析

　　该光栅转矩传感器使用时,以电动机转矩测量为例,当外套转轴由另外电动机拖动旋转时内转轴一端固定,另一端与被测电动机相联时,可测量电动机的起动转矩(静态平均转矩);外套转轴固定时,内转轴一端与负载相联,另一端与电动机相联时,可测量电动机的输出转矩(动态平均转矩);内转轴一端与驱动电动机相联,另一端与被测电动机相联时,可测定电动机的机械特性。用该转矩传感器测量负载静态平均转矩或动态平均转矩,其转矩特性如图4所示。图中横座标为转矩T,纵座标为图2C*波形的脉冲脉宽Q。由图2的光栅转矩传感器结构图与图4对应可知:对于同一直径同一材料的内转轴,当承受同一转矩时,A、B两对光栅间距愈大,则脉宽Q愈大,也即转矩传感器的分辨率愈高,但光栅间距加大不但轴的绕度增大易产生转轴振动,而且传感器的外形体积变大。由图4的转矩特性曲线可知:T-Q的关系对于相对较小的转矩基本为线性,但随着转矩相对较大时,将呈非线性,即随着负载转矩的增大,转矩传感器的分辨率下降。这是由于转轴的转矩――轴应变特性的非线性所致。