[发明专利]一种转轴动静态扭矩测量系统及方法

权利要求书

1.一种转轴动静态扭矩测量系统，其特征在于，包括：磁栅a、磁栅b、磁读头a、磁读头b、信号采集单元、扭矩计算单元，其中磁栅a环绕转轴一端表面同轴安装，产生接缝a；所述磁栅b环绕转轴另一端表面同轴安装，产生接缝b；所述磁读头a、b分别安装在磁栅条a、b上方，有效感应面朝向磁栅，并且使其敏感元件的敏感方向分别与磁栅条圆环a、b相切或垂直；

所述磁栅a、b在随转轴旋转时在磁读头a、b安装位置处产生类正弦的磁场强度变化曲线，所述磁读头a、b感应该磁场变化并向后端信号采集单元传输类正弦电压信号；其中磁读头a产生两路相互正交的类正弦电压信号sina、cosa，磁读头b产生两路相互正交的类正弦信号sinb、cosb；

所述信号采集单元用于对四路信号同时进行电压幅值采集并传输至后端扭矩计算单元；所述扭矩计算单元用于对电压幅值信号进行反正弦运算以获知磁栅a、b的实时相位变化，从而得出当前转轴扭矩；

所述磁读头a、b与磁栅a、b之间的安装气隙距离大小范围由特定规则确定，所述规则中，安装气隙距离上限由磁读头敏感元件的极限感应距离决定，安装气隙距离下限由磁栅栅距与系统要求的测量精度共同决定，下限确定步骤如下：

步骤1：确定测量误差可以接受的信号THD值含量；

步骤2：根据THD值含量确定磁读头安装气隙距离与磁栅栅距的比值ε；

步骤3：查阅资料或测量得到磁栅栅距值τ，从而计算安装气隙下限min=ε×τ。

2.根据权利要求1所述的转轴动静态扭矩测量系统，其特征在于，所述磁栅a、b的种类包括柔性磁栅条、磁瓦、磁环这些N极、S极间隔分布的永磁体键相器。

3.根据权利要求1所述的转轴动静态扭矩测量系统，其特征在于，所述磁读头a、b的种类包括磁通门传感器、霍尔传感器、磁电阻传感器这些磁传感器。

4.一种转轴动静态扭矩测量系统的转轴扭矩测量方法，其特征在于，基于权利要求1-3任一项所述的转轴动静态扭矩测量系统的转轴扭矩测量方法，实现转轴运动状态下的扭矩测量或者转轴静止状态下的扭矩测量，步骤如下：

步骤1：转轴旋转前记录磁栅a、b的初始相位φ_a、φ_b；

步骤2：转轴旋转时记录磁栅a、b的实时相位φ'_a、φ'_b，同时对sina、sinb的过零点次数n_a和n_b进行计数；

步骤3：计算磁栅a、b的实时相位变化θ_a=φ'_a+n_aπ-φ_a，θ_b=φ'_b+n_bπ-φ_b；

步骤4：将实时相位变化带入扭矩计算公式，即得到转轴当前扭矩大小。

5.根据权利要求4所述的转轴动静态扭矩测量系统的转轴扭矩测量方法，其特征在于，步骤1和2中，获取相位的步骤如下：

根据表1中磁读头输出信号正负状态与磁栅所在象限和相位的关系，结合磁读头a产生两路相互正交的类正弦电压信号sina、cosa的正负状态，确定磁栅a的所在象限与相位，进而，结合磁读头b产生两路相互正交的类正弦信号sinb、cosb的正负状态，确定磁栅b的所在象限和相位；

表1磁读头输出信号正负状态与磁栅所在象限和相位的关系表

表中，u为信号采集单元采集的磁读头输出信号电压幅值，max为磁读头输出信号电压峰值。

6.根据权利要求4所述的转轴动静态扭矩测量系统的转轴扭矩测量方法，其特征在于，步骤4中，扭矩计算公式为：

式中，T为转轴当前扭矩，G为转轴剪切模量，I_P为转轴极惯性矩，L为磁栅a与磁栅b之间的距离，N_a为磁栅a的总磁栅栅数，N_b为磁栅b的总磁栅栅数。