[发明专利]基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器及测量方法

权利要求书

1.基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，包括壳体(1)，所述壳体(1)内通过球轴承(3)安装有弹性传动套(4)，所述弹性传动套(4)中间为弹性环节(8)，所述弹性环节(8)的两端各套设一个光电码盘(10)，2个光电码盘(10)的圆心角相等，所述壳体(1)顶部固定有安装座(7)，所述安装座(7)中固定有光电传感器A(5)和光电传感器B(6)，所述光电传感器A(5)和光电传感器B(6)与2个光电码盘(10)相对设置。

2.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述球轴承(3)通过两端的轴承端盖(2)固定在所述壳体(1)上。

3.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述弹性传动套(4)的两端设置有连接孔(9)和键槽(11)，所述连接孔(9)和键槽(11)分别与传动系统输入输出轴相连。

4.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述光电码盘(10)的齿(12)和齿槽(13)各占整个周期的一半。

5.如权利要求1所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器，其特征在于，所述光电传感器A(5)与光电传感器B(6)的周向相错半个齿槽。

6.基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，该方法基于转矩测量传感器，当旋转的弹性传动套(4)受扭矩作用时，弹性环节(8)产生扭转变形，从而造成2个光电码盘(10)周向相对位置发生变化，光电传感器A(5)和光电传感器B(6)输出方波信号的扭转变形相位差t_i随扭转变形角的变化而变化，通过检测扭转变形相位差t_i，完成弹性传动套(4)弹性环节(8)扭转变形角的测量，进而根据变形角与扭矩之间的关系计算出扭矩。

7.如权利要求6所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

步骤1，根据两路方波信号，计算光电传感器A(5)和光电传感器B(6)输出方波信号的扭转变形相位差t_i；

先对两路光电信号进行逻辑乘法，即“与”运算，其结果为：

C＝A∧B   (1)

然后将其结果与传感器输入端的光电信号进行逻辑“异或”运算，即

其中，A、B分别表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)的光电信号，∧表示“与”运算，表示“异或”运算；

通过上述运算，获得脉宽与扭转变形相位差t_i相等的方波信号；

步骤2，计算每个周期的方波信号对应的转角

假设光电码盘(10)的齿槽(13)个数为N，则弹性传动套(4)旋转一周输出的方波信号周期数也为N，因此，每个周期的方波信号对应的转角θ_T为：

θT=360N---(3)]]>

步骤3，计算扭转变形角

由于方波信号的周期T、初始相位差t₀以及扭转变形相位差t_i均随弹性传动套(4)的转速n的变化而变化，故采用周期T将初始相位差t₀与扭转变形相位差t_i归一化表示为：

t₀＝kT   (4)

t_i＝mT   (5)

式中，k表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)初始相位差占整个周期的比值，m表示光电传感器A(5)和光电传感器B(6)扭转变形后相位差占整个周期的比值，

由式(4)、(5)得到任意时刻弹性环节(8)的扭转变形角Δθ_i为：

Δθi=θT(ti-t0)T=θT(m-k)---(6)]]>

其中，Δθ_i的正负表示扭转变形的相对初始位置的方向，即扭转的正负；

步骤4，计算扭矩

根据弹性传动套(4)的扭转变形角，可知传动系统的扭矩M_n为：

M_n＝K_θΔθ_i＝K_θθ_T(m-k)   (7)

式中，K_θ表示弹性传动套扭转刚速度，单位为N·m/度。

8.如权利要求6所述的基于光电码盘信号相位差的转矩测量传感器的测量方法，其特征在于，所述转矩测量传感器包括壳体(1)，所述壳体(1)内通过球轴承(3)安装有弹性传动套(4)，所述球轴承(3)通过两端的轴承端盖(2)固定在所述壳体(1)上，所述弹性传动套(4)的两端设置有连接孔(9)和键槽(11)，所述连接孔(9)和键槽(11)分别与传动系统输入输出轴相连，所述弹性传动套(4)中间为弹性环节(8)，所述弹性环节(8)的两端各套设一个光电码盘(10)，所述光电码盘(10)的齿(12)和齿槽(13)各占整个周期的一半，2个光电码盘(10)的圆心角相等，所述壳体(1)顶部固定有安装座(7)，所述安装座(7)中固定有光电传感器A(5)和光电传感器B(6)，所述光电传感器A(5)和光电传感器B(6)与2个光电码盘(10)相对设置，所述光电传感器A(5)与光电传感器B(6)的周向相错半个齿槽。