本发明专利技术涉及一种旋转式扭矩传感器的测控系统，旋转机构上安装旋转式扭矩传感器，转速齿轮用于转速测量，定子卡环内安装无线能量发射线圈和无线信号接收线圈，转子卡环中安装无线能量接收线圈和无线信号发射线圈，传感器弹性体内安装桥式应变片测量电路与转子电路板组成转子测量电路，传感器定子基座内安装定子电路板；旋转式扭矩传感器定子端分别通过扭矩输出端口和转速输出端口及数据线连接至数采及显示装置。本发明专利技术的测控系统，能够解决旋转式扭矩传感器解决信号测量电路、无线能量供给和无线信号传输三方面问题，对旋转式扭矩传感器实现信号采集、无线能量供给和无线信号传输功能，为扭矩传感器的动态化发展打下夯实基础。础。础。
【技术实现步骤摘要】
一种旋转式扭矩传感器的测控系统
[0001]本专利技术涉及一种扭矩传感器测控系统，特别涉及一种旋转式扭矩传感器的测控系统，属于传感器
技术介绍
[0002]扭矩传感器作为一种测量扭矩、转速比及机械设备输出功率的高精密测量仪器设备，现阶段关键应用在电机、柴油发动机等转动机电设备检测；汽车、电力机车、航天器、船舶、矿上机械设备、风电等场合。工程项目加工业、交通运输业和科研单位等常有扭矩传感器的身影。当前，扭矩传感器正在由静态向动态发展，旋转式扭矩传感器的应用场合主要集中在航空航天、船舶、风电和石油矿业等行业。
[0003]国外扭矩传感器朝着超大量程和微小量程两个大方向发展，且逐渐从接触式传感器往非接触式传感器发展。由于无线供电和无线信号传输技术的成熟，其高维护性的优点也越发突出，更贴近当今行业的需求。德国HBM公司拥有滑环和非接触式信号传输的专利技术，其额定测量范围从0.1至2MNm。该公司的T40FH型号扭矩传感器凭借优异的性能，广泛应用在船舶、风电等大扭矩行业。该型号扭矩传感器额定量程从100kNm到300kNm，旋转型号最大允许转速为200rpm到3000rpm。
[0004]国内从事扭矩传感器生产的本土企业，主要集中在静态扭矩传感器的研制上，典型代表有北京三晶等。虽然在传感器性能指标上有与HBM相当的准确度等级指标，但由于受传感器关键敏感元件材料、热处理工艺等方面的技术限制，国产扭矩传感器性能指标稳定性和可靠性与国外的产品无法比拟。在旋转式扭矩传感器的研究上，国内以接触式供电、小量程为主。由于传感器的结构形式是接触式供电，限制了传感器在大扭矩、高速场合的应用，无法满足船舶、风电等需要旋转式大量程扭矩测试的需求。国内目前尚未开展旋转式大扭矩的传感器研究，也未形成相关技术产品。为此，针对旋转式扭矩传感器急需解决信号测量电路、无线能量供给和无线信号传输三方面问题。
技术实现思路
[0005]本专利技术是要提供一种旋转式扭矩传感器的测控系统，针对旋转式扭矩传感器解决信号测量电路、无线能量供给和无线信号传输三方面问题，为扭矩传感器的动态化发展打下夯实基础。
[0006]为实现上述目的，本专利技术采用如下技术方案：
[0007]一种旋转式扭矩传感器的测控系统，包括旋转机构、转速齿轮、定子卡环、转子卡环、传感器弹性体、传感器定子基座、扭矩输出端口、转速输出端口、数采及显示装置，旋转机构上安装旋转式扭矩传感器，转速齿轮用于转速测量，定子卡环内安装无线能量发射线圈和无线信号接收线圈，转子卡环中安装无线能量接收线圈和无线信号发射线圈，传感器弹性体内安装桥式应变片测量电路与转子电路板组成转子测量电路，传感器定子基座内安装定子电路板；旋转式扭矩传感器定子端分别通过扭矩输出端口和转速输出端口及数据线
连接至数采及显示装置。
[0008]进一步，所述旋转式扭矩传感器上8个位置上粘贴应变片构成惠斯登电桥，当轴受到扭矩发生形变时，应变片将这个形变值转换为电信号电阻的ΔR，将电阻的改变量转化为可测量的电压信号，使用放大电路进行放大检测，通过电信号的输出值计算得到扭矩的数值。
[0009]进一步，所述转子测量电路由定子通过无线传输的方式传输能量；定子电路接收直流电源，由于无线传输能量为磁耦合形式，需将输入的直流电源转化为高频的交流电，通过具有相同的频率的谐振线圈，经磁场耦合在高频下发生谐振，次级线圈为中耦合髙强度变化的时变磁场，使得耦合线圈之间不断进行能量转换，并将接收到的能量经过整流、滤波、稳压，将交流电转化为直流电提供负载使用。信号发送电路与原边串联补偿电容并联后注入能量传输回路中，并在副边负载接收端，提取数据信号。
[0010]进一步，所述桥式应变片测量电路为全桥电路，沿圆周8个位置，每一位置布置2片应变片，分别为45
°
与135
°
角布置，检测拉压应变，两个补偿应变对称布置，通过与电源并联的方式，实现对测量灵敏度的补偿。
[0011]进一步，所述全桥电路中将四个桥臂电阻等效为R1、R2、R3、R4，各桥臂电阻发生变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，略去高阶项，电桥输出电压为：
[0012][0013]式中，U为电桥输出电压、E为电桥激励电压，
[0014]当满足ΔR<<R，且应变片的灵敏度K相同时，则电桥输出电压为：
[0015][0016]则轴系应变
‑
扭矩关系为：
[0017][0018]式中，E为材料弹性模量，D为轴的直径，μ为材料泊松比，ε为应变量，W
d
是抗扭截面系数。
[0019]进一步，所述定子电路板为无线供电能量发送、无线通讯信号接收、转速信号测量和传感器信号输出；
[0020]所述无线供电能量发送，包括：
[0021](1)直流电源：为定子端提供电能；
[0022](2)逆变电路：由单片机控制全桥逆变电路，将直流电逆变为能量发送所需的交流电能，经过能量发射线圈发送；
[0023]所述无线通讯信号接收，包括：
[0024](1)差动放大电路：将线圈接收到的信号进行差动放大；
[0025](2)解调电路：单片机提供解调信号，解调电路将载波信号解调为二进制信号后发送至CPLD；
[0026]所述转速信号测量：通过FPGA采集定子端两路转速传感器的信号，换算得到传感器的转速与方向；
[0027]所述传感器信号输出：传感器输出信号电路将转矩和转速测量信号转换为4路对外输出信号，分别为：扭矩模拟电压输出接口、扭矩模拟电流输出接口、扭矩频率输出接口与转速频率输出接口。
[0028]进一步，所述转子电路板为应变片信号采集、无线供电能量接收和无线通讯信息发送；
[0029]所述应变片信号采集，包括：
[0030](1)转子信号采集电路：实现应变片电压信号采集；
[0031](2)模拟开关：控制信号回路的通断；
[0032](3)差分放大电路：放大采集到的应变片电压信号；
[0033](4)ADC模块：将应变片电压信号转换为数字信号后传输至单片机；
[0034](5)DAC模块：由单片机控制，起到信号校准作用；
[0035]所述无线供电能量接收，包括：
[0036](1)整流电路：将转子无线能量接收线圈接收到的交流电能整流为直流电；
[0037](2)稳压电源：将直流电DC
‑
DC变换为转子端各器件所需要的电能，发送至各供电电路；
[0038]所述无线通讯信号发送，包括：
[0039](1)FPGA：提供信号发送所需要的高频载波和调制信号；
[0040](2)调制电路：将载波与调制信号调制为二进制信号，由线圈实现无线发送。
[0041]本专利技术的有益效果是：
[0042]本专利技术提供了一种旋转式扭矩传感器的测控系统，能够解决旋转式扭矩传感器解决信号测量电路、本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种旋转式扭矩传感器的测控系统，其特征在于：包括旋转机构、转速齿轮、定子卡环、转子卡环、传感器弹性体、传感器定子基座、扭矩输出端口、转速输出端口、数采及显示装置，旋转机构上安装旋转式扭矩传感器，转速齿轮用于转速测量，定子卡环内安装无线能量发射线圈和无线信号接收线圈，转子卡环中安装无线能量接收线圈和无线信号发射线圈，传感器弹性体内安装桥式应变片测量电路与转子电路板组成转子测量电路，传感器定子基座内安装定子电路板；旋转式扭矩传感器定子端分别通过扭矩输出端口和转速输出端口及数据线连接至数采及显示装置。2.根据权利要求1所述的旋转式扭矩传感器的测控系统，其特征在于：所述旋转式扭矩传感器上8个位置上粘贴应变片构成惠斯登电桥，当轴受到扭矩发生形变时，应变片将这个形变值转换为电信号电阻的ΔR，将电阻的改变量转化为可测量的电压信号，使用放大电路进行放大检测，通过电信号的输出值计算得到扭矩的数值。3.根据权利要求1所述的旋转式扭矩传感器的测控系统，其特征在于：所述转子测量电路由定子通过无线传输的方式传输能量；定子电路接收直流电源，由于无线传输能量为磁耦合形式，需将输入的直流电源转化为高频的交流电，通过具有相同的频率的谐振线圈，经磁场耦合在高频下发生谐振，次级线圈为中耦合髙强度变化的时变磁场，使得耦合线圈之间不断进行能量转换，并将接收到的能量经过整流、滤波、稳压，将交流电转化为直流电提供负载使用。信号发送电路与原边串联补偿电容并联后注入能量传输回路中，并在副边负载接收端，提取数据信号。4.根据权利要求1所述的旋转式扭矩传感器的测控系统，其特征在于：所述桥式应变片测量电路为全桥电路，沿圆周8个位置，每一位置布置2片应变片，分别为45
°
与135
°
角布置，检测拉压应变，两个补偿应变对称布置，通过与电源并联的方式，实现对测量灵敏度的补偿。5.根据权利要求4所述的旋转式扭矩传感器的测控系统，其特征在于：所述全桥电路中将四个桥臂电阻等效为R1、R2、R3、R4，各桥臂电阻发生变化ΔR1、ΔR2、ΔR3、ΔR4，略去高阶项，电桥输出电压为：式中，U为电桥输...
【专利技术属性】
技术研发人员：毛峥，吴昊，常朔源，吕武斌，马相龙，孙嘉徽，
申请(专利权)人：中国船舶集团有限公司第七〇四研究所，
类型：发明
国别省市：
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