高速光电反射式转矩转速传感器及其试验研究

　　1　引　　言

　　在机械传动系统中,转矩、转速的测量是各类旋转动力设备的常规检测项目,广泛应用于科学研究和工程实践领域。由于科学技术和生产力的高速发展, 大量机械设备正朝着大功率、高转速、高效率方向发展,从而对检测系统的转矩、转速测量提出了更高的要求。近年来,许多学者和专家在转矩、转速测量方面进行了大量的研究和试验,取得了一系列的技术成果[1-3]。应礼昌[4]通过改变影响误差的尺寸链设计以及传感器的磁回路设计,减小了误差,提高了传感器的测量精度。冯浩[5]等,提出了一种结构简单、测量精度高的新型转矩传感器,是一种较理想的静态、动态平均转矩的测量工具。周云山[6]等,公开了一种结构简单、测量精度高的光电式扭矩传感器,特别适用于高精度伺服系统的转矩在线测量。Lee and Boo[7]提出了新型的传感器,该传感器可用于恶劣环境下,如潮湿或高温环境下旋转机械转矩的测量。Madni[8],等提出了一种新型的非接触式扭矩传感器,它使用特定用途集成电路,通过半桥装置,将微小的线性的电容转化为线性的电压。该传感器的优点是可以精确的测量旋转角度非常小旋转机械的扭矩。金远强[9]等,提出了采用光栅式扭矩测量的方法来测量超高速转轴的转矩,并对系统　　原理进行了试验验证。

　　随着低功耗微电子技术的发展,各类转矩传感器被赋予了新的生命,其性能也越来越好,可测的精度与转速也越来越高。通过对国内外测量转矩现状的调查,测量转速超过105r/min的扭矩传感器技术难度大,国内外文献和专利鲜见报导,主要原因是传感器信号发生器的结构制约了测量转速的提高。

　　常用的转矩转速传感器信号发生器有弹性轴两端的凸轮触点、碳刷滑环和干簧管组成的接触型信号发生器;有弹性轴两端的信号激发齿轮与固定的磁电拾讯头组成的磁电型信号发生器;有弹性轴两端的光格盘与分别固定在光格盘两侧的光源和光电元件组成的透射式光电型信号发生器;有弹性轴两端的磁栅与固定的磁头组成的磁栅型信号发生器等。

　　接触型信号发生器由于触点时开、时闭,工作频率低,触点烧蚀、磨损严重,工作寿命较低。透射式光电型和磁电型信号发生器,由于光格盘和信号齿轮在加工及安装过程中,不可避免的要产生质量偏心,导致扭轴组件的临界转速降低,只能在中低转速下运行。磁栅型信号发生器由于磁栅信号密集,扭轴转一圈的磁栅信号量大,磁头拾取信号速度有限,不适合高速测量。根据对JZ50-200型磁电式转矩转速传感器的运行试验,当扭轴转速接近20000 r/min时,传感器发生剧烈振动,扭轴出现严重扭转塑性变形。