[发明专利]用于检测变速器轴转矩的激光传感器和方法

说明书

相关申请的交叉引用

本申请要求于2007年1月3日提交的名为“LASER TORQUE SENSOR FORTRANSMISSIONS”的美国临时专利申请No.60/883244的利益，其全部合并在此作为参考。

技术领域

本发明涉及一种用于通过测量沿着轴传输的光的至少一个属性的变化确定由该轴传输的转矩来无接触测量动力传输旋转轴中的扭转(torsional)应力的传感器或设备，一个这样的例子是变速器的输入或输出轴。

背景技术

当将转矩施加到轴时，沿着轴的表面方向的压力和拉力的螺旋线施加应力。用于测量轴中转矩的各种方法是已知的。一个方法是将张力仪结合到轴的外表面且张力仪位于交叉结构中。张力仪用作为电阻电桥电路的元件，当轴扭转地扭绞(twist)时，这些元件沿着它们的长度测量轴表面中的压力和拉力。当使用张力仪作为传感元件时，实现旋转轴中的转矩测量是有挑战的，因为张力仪必须需要与其它离轴电子装置在电气上对接。离轴电子装置是执行电阻电桥测量所必须的，以便检测和量化由轴的扭转扭绞所导致的拉力和压力，如所传输的轴转矩所表示的。

轴中所传输的转矩还可以通过测量两个齿轮之间的角位移来确定，所述两个齿轮沿着轴的旋转轴以末端间隔关系安装在轴上。使用该方法，相间隔的齿轮的角位移表示齿轮之间轴长度上的扭绞角，扭绞角表示沿着轴传输的转矩。

发明内容

本发明涉及一种非接触传感器或设备，用于测量通过拉长的动力传输构件所传输的、或在变速器内、或在车辆动力传动系统内的其它地方的即时转矩或扭转应力/张力，所述构件例如是旋转轴，比如(例如)将发动机与车辆变速器可驱动耦合的轴。根据所公开的本发明，旋转轴在轴的第一部分和轴的第二部分之间的部分轴长度中具有一个空腔。提供光源将沿着空腔中的测量光路的偏振光从轴的第一部分发射到轴的第二部分。偏振滤光镜被提供并固定在轴的第二部分中的空腔中。偏振滤光镜可操作用于改变偏振光束中光的角偏振。提供测量设备来检测由偏振滤光镜引入的光路中偏振角度的变化。当转矩由轴传输时，传输的转矩引起围绕轴的旋转轴的在轴中的弹性扭绞。轴的扭转扭绞导致偏振滤光镜相对于偏振光束的偏振方向的角旋转，并由此导致穿过偏振滤光镜的光的偏振角度的变化。这个偏振角度的变化被检测并表示在轴中传输的转矩，提供了计算轴中的所传输转矩的基础，如将在后面的部分中更全面讨论的。

根据本发明的一个方面，光源是激光源，该光源包括光偏振滤光镜，用于提供相干的单波长偏振光束以沿着测量光路传输。

根据本发明的另一个方面，转矩传感器设备包括分束器，配置为将来自光源的光束分成两个光束，一个光束跟随测量光路且一个光束跟随参考光路。分束器提供参考光路，该参考光路具有由来自光源的光的角偏振所确定的角偏振。在本发明的这个方面中，测量设备检测偏振角度的变化，以作为参考光路的角偏振与偏振滤光镜之后的光的角偏振中所检测的差异。所检测的角偏振的差异表示轴中的扭转扭绞以及因此由轴传输的转矩。

根据本发明的另一个方面，转矩传感器设备中的光源是激光源，该激光源包括用于使由光源发射的光偏振的第二光偏振滤光镜。光源位于轴的外部而不是在轴的空腔内。来自第二偏振滤光镜的偏振光被定向以通过轴的第一部分中的入口孔进入到轴空腔。入口孔延伸穿过轴的空腔和外表面之间的轴的壁。转矩传感器设备还包括第一反射元件，该第一反射元件固定在轴空腔的第一部分内且配置为在一个方面重定向来自入口孔的偏振光，以便截取在轴空腔的第二部分的空腔中提供的偏振滤光镜。第二反射元件也固定在轴空腔内且配置为重定向离开空腔中偏振滤光镜的偏振光通过轴中的出口孔而离开轴。测量设备位于轴的外侧且被对准以检测通过出口孔发射的偏振光。入口孔和出口孔在轴上对准以当轴位于轴旋转的至少一个角位置时，允许来自安装在轴外部的光源的光重定向通过空腔并到达测量设备。

根据本发明的另一方面，第一反射元件包括第一反射元件安装于其中的第一金属管。类似地，第二反射元件包括第二反射元件安装于其中的第二金属管。第一和第二金属管被设置大小并适于固定到轴空腔内的轴。

根据本发明的另一方面，轴空腔是穿过轴的一端的轴向钻孔的一部分，轴向钻孔提供对空腔的访问以便通过轴的末端钻孔来安装第一反射元件和第二反射元件。

根据本发明的另一方面，第一反射元件包括第一反射表面，配置为沿着轴空腔的长度反射将偏振光从入口孔重定向到轴空腔中偏振滤光镜。第二反射元件包括第二反射表面，配置为重定向来自空腔中的偏振滤光镜的偏振光以便通过反射而穿过轴中的出口孔离开轴空腔。