专利名称：动态供电的转动力矩传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种动态供电的转动力矩传感器，特别是一种接设于转动轴中能够在对转动力矩进行测量的运动工作状态下获得外部电源的电力供应并将转换后的力矩电信号向外部信号处理设备传输的力矩测量传感器。
背景技术：
在交通、运输、生产制造以及机械维修等众多行业中，经常需要对一些旋转体如转动轴的转动力矩进行测量，人们通常会采用力矩扳手作为测量工具进行力矩测量。
随着机械化、电子化、计算机智能化技术的飞速发展，转动轴力矩的测量已经不仅仅局限于简单的数值测量，而是需要进行现场工作状态下的实时测量，并将得到的数据信息通过控制电路或计算机进行处理从而控制执行机构完成相应的操作。在这一过程中，转动轴的力矩测量必须采用电子力矩传感器。
常用的力矩传感器主要包括壳体、一个内部安装有若干个应力感应电阻(应力贴片)的测量轴，测量轴贯穿壳体并与其固定连接，壳体内设有处理电路。应力感应电阻之间组成桥式电路，其信号输出端与处理电路的信号输入端连接。在进行力矩测量时，测量轴连接在被测转动轴上，当被测转动轴在转动中受到阻力时，测量轴将发生微弱的形变，造成应力感应电阻值的改变，使桥式电路输出变化的电压信号，该信号被传送到处理电路中进行处理，然后通过信号输出装置输出，为外部控制、计算设备所采集。
由于测量轴和处理电路随着被测转动轴的转动而转动，因此，如何由外部为传感器提供电力以及将处理电路输出的信号对外输出成为两个重要问题。无论是向内提供电力还是信号向外导出，通常所采用的方式主要有利用电刷原理制成的导电环传输方式、电感耦合方式，对于信号向外导出还可以采用电容耦合方式以及无线发射方式，但这些方式在供电或信号导出中都存在着一些不足和缺陷。
导电环方式的主要缺点在于，导电环与力矩测量轴之间存在着滑动摩擦和发热，对信号造成干扰，对处理电路的正常工作造成影响，使测量结果不稳定。同时，滑动摩擦容易造成导电环使用寿命低，需要经常维修、更换，给传感器的使用造成麻烦。
典型的电感耦合方式为旋转变压器，其缺点在于，耦合效率低、自身容易发热、自重较大使转动惯量增大，不能应用于轻质旋转轴的力矩测量场合。旋转变压器制作过程比较繁琐，对加工的材料、工艺要求较高生产制造相对复杂。当其应用于信号导出时，由于变压器本身的特点，造成对信号的时滞性和动态响应特性较差，也容易引起干扰信号的窜入。
电容耦合方式的主要缺点是制作工艺复杂，并同样存在着动态响应特性较差的问题，且信号提取后的处理较麻烦。
无线发射需要对信号进行前期调制，后期解调，使力矩测量处理电路和后期的信号处理电路相对复杂，而且容易受到外来无线电信号的干扰，造成错误信息。
发明内容
本发明的目的在于针对上述传统的力矩测量传感器在电力提供方式和信号导出方式上所存在的缺陷和不足提供一种动态供电的转动力矩传感器，该装置利用传感器壳体上设置的金属轴承将外部电源提供的电力在动态工作状况下输送到传感器内，并利用设置在旋转的测量轴上的红外发射管与静止设置在壳体上的红外接收管之间的光电耦合效应将测量信号导出。
为实现上述目的，本发明所提供的一种动态供电的转动力矩传感器，包括壳体、轴承及测量轴。
壳体上开设有相对且同心的第一圆孔和第二圆孔；轴承设置在第一圆孔内，该轴承的外环通过连接导线与外部电源的正极连接；测量轴穿设在壳体中，其一端穿过轴承，另一端穿过第二圆孔，穿过轴承一端的表面设有绝缘层；测量轴上固定设有处理电路，该处理电路的电源正极与轴承的内环电气连接，其电源负极与测量轴电气连接；测量轴的表面上固设有与处理电路的信号输出端连接的红外线发光管，该红外线发光管的发射端面向壳体的内侧表面；一个与红外线发光管相对应的红外线接收管设置在壳体上，该红外线接收管的管脚通过信号传输线与外部信号处理设备连接。
由于金属制成的轴承自身具有良好的导电性，而轴承的内环在工作中与穿过的轴和轴上设置的部件之间为相对静止状态，因此可以利用该轴承进行电力传导。
当采用金属材料制造壳体时，为保证轴承与壳体之间不发生短路现象，在第一圆孔与轴承间增设有绝缘环管，同时将连接导线穿过壳体和绝缘环与轴承的外环连接。
为便于测量轴的转动，在壳体上还设有另一轴承。另一轴承设置在第二圆孔内，且与外部电源的负极电气连接。设置另一轴承后，将测量轴的另一端穿过另一轴承。
为便于安装生产和使红外线接收管获得连续的红外光信号，在测量轴上垂直固定环设有一个环形电路板，将红外线发光管设为多个并将它们分布设置在环形电路板的表面。
通过上述技术方案可以看出，本发明利用轴承引入外部电源，提供了可靠的供电连接，大大减少了因摩擦而发热的现象，不会对测量信号产生干扰，使测量结果稳定且使用寿命较长，同时，无需经常维修、更换。利用轴承引入外部电源也不存在耦合效率低、自身容易发热、自重较大使转动惯量增大等缺陷，可以应用于轻质旋转轴的力矩测量场合。与旋转变压器相比，其制作过程简单，对加工的材料、工艺要求不高。
利用设置在旋转的测量轴上的红外发射管与静止设置在壳体上的红外接收管之间的光电耦合效应导出测量信号，不会窜入外界干扰信号，不存在对信号的时滞性和动态响应特性较差问题，而相对于信号的无线发射方式，本发明不需要进行前期调制，后期解调，从而大大的简化了后期的信号处理电路的复杂程度，不易受到外来信号的干扰，使测量信号的导出可靠、简便，并且不会受到外界的干扰。
以下，通过具体实施例并结合附图对本发明做进一步的详细说明。
图1为本发明所提供的一个较佳实施例的结构示意图。
图2为图1所示实施例红外线接收管与红外线发光管的分布示意图。
具体实施例方式
图1所示为本发明提供的一个较佳实施例的结构示意图。图中，壳体1由圆柱形的杯状容器和开口上通过螺栓固定的盖11组成。在壳体1上开设有相对且同心的第一圆孔3和第二圆孔4，其中，第一圆孔3开设在壳体1的底部，第二圆孔4开设在盖11上。
轴承2设置在第一圆孔3内。在第二圆孔4中还设置了另一轴承12。测量轴9一端穿过轴承2，另一端穿过另一轴承12。穿过轴承2一端的表面设有绝缘层92。轴承2的外环21通过连接导线5与外部电源的正极连接。
本实施例中，第一圆孔3是由两个同心的，半径不同的圆形凹陷连通构成，其中，半径较大的圆形凹陷31设置在壳体1的内侧，半径较小的圆形凹陷32设置在壳体1的外侧。
在半径较大的圆形凹陷31内侧与轴承2间设有绝缘环管7。
绝缘环管7靠近半径较小的圆形凹陷32的一端向圆心方向设有弯折面，使绝缘环管7的轴向截面呈双L形。在绝缘环管7的内侧表面还环周贴设一个环形导电圈8。连接导线5穿过壳体1和绝缘环管7通过环形导电圈8与轴承2的外环21连接。
绝缘环管7将轴承2与壳体1隔离。环形导电圈8仅与轴承2的外环21接触，从而在保证导通良好的前提下，不产生任何滑动摩擦。本实施例便于实际生产、组装和维修。
测量轴9的内部安装应力感应片(图中未示出)。在测量轴9上固定设有一个电路盒103，该电路盒103中设有处理电路10。
绝缘层92为绝缘胶木管，该绝缘胶木管可以和电路盒103一体制造。
在绝缘层92靠近电路盒103处增设了一个导电环93。处理电路10的电源正极与轴承2的内环22之间通过电源线14和导电环93连接，其电源负极与测量轴9直接连接。另一轴承12也可以通过连接线与外部电源的负极连接，形成电回路。导电环93仅与轴承2的内环22接触，使测量轴9上安装的电气部件获得导通状况良好的电力提供。
在测量轴9的表面上还垂直固定环设一个环形电路板91，在环形电路板91上固设有与处理电路10的信号输出端连接的红外线发光管101，该红外线发光管101的发射端面向壳体1的内侧表面，同时，将一个与红外线发光管101相对应的红外线接收管102设置在壳体1上开设的容置孔13中，该红外线接收管102的管脚通过信号传输线与外部信号处理设备连接。红外线发光管101为12个并分布设置在环形电路板91的表面。
本实施例在进行转动轴力矩测量工作中，外部电源通过导线5、环形导电圈8、轴承2的外环21、内环22、导电环93以及电源线14将电力送到处理电路10，完成转动中的动态供电。当被测转动轴的力矩发生变化时，处理电路10将来自应力感应电阻组成的桥式电路的变化电信号进行处理并通过红外线发光管101将其转化为红外线光信号。由于多个红外线发光管101分布设置在环形电路板91的表面，因此，红外线接收管102可以接收到连续的红外线光信号，并将其转化为连续的电信号传输到外部信号处理设备中。
本实施例在使用中穿过轴承2的测量轴以及安装在测量轴上的其它部件与轴承2的内环22相对静止，而轴承2的外环21与壳体1相对静止，从而可以将外部电源通过轴承2引入壳体1中实现供电。
由于在力矩测量过程中，红外线发光管跟随测量轴的转动而环周运动，因此，上述实施例采用的12个红外线发光管分布设置在环形电路板的表面，其分布结构如图2所示。
图2中，12个红外线发光管101以放射线的方式均匀分布设置在环形电路板91的表面边缘处，同时将所有的红外线发光管101进行并联连接(如图中虚线所示)。由于红外线发光管101所发出的红外光线具有一定散射角度，因此，相邻的红外线发光管101的红外光线均具有重叠部分(参见图中箭头线所示)。当测量轴9转动时，虽然红外线发光管101跟随运动，但是发射到红外线接收管102的红外光线不会发生间断，从而使通过耦合转化输出的电信号连续。
本实施例通过巧妙的设计，使该传感器的生产、组装和使用都非常方便，而且也便于维修，尤其是供电装置的连接较为牢靠。本发明可以制成体积较�。屎嫌诰芑档牧夭饬浚踔量梢越浒沧霸谥悄芑凳种校斯ぶ悄艿氖凳┯τ锰峁┝己�、准确的测量数据。
权利要求
1.一种动态供电的转动力矩传感器，其特征在于包括壳体(1)、轴承(2)及测量轴(9)；所述壳体(1)上开设有相对且同心的第一圆孔(3)和第二圆孔(4)；所述轴承(2)设置在所述第一圆孔(3)内，该轴承(2)的外环(21)通过连接导线(5)与外部电源的正极连接；所述测量轴(9)穿设在所述壳体(1)中，其一端穿过所述轴承(2)，另一端穿过所述第二圆孔(4)，穿过所述轴承(2)一端的表面设有绝缘层(92)所述测量轴(9)上固定设有处理电路(10)，该处理电路(10)的电源正极与所述轴承(2)的内环(21)电气连接，其电源负极与所述测量轴(9)电气连接；所述测量轴(9)的表面上固设有与所述处理电路(10)的信号输出端连接的红外线发光管(101)，该红外线发光管(101)的发射端面向所述壳体(1)的内侧表面；一个与所述红外线发光管(101)相对应的红外线接收管(102)设置在所述壳体(1)上，该红外线接收管(102)的管脚通过信号传输线与外部信号处理设备连接。
2.根据权利要求1所述的动态供电的转动力矩传感器，其特征在于所述的壳体(1)为棱柱形或圆柱形的杯状容器，该壳体(1)的开口上设有盖(11)；所述第一圆孔(3)开设在所述壳体(1)的底部；所述第二圆孔(4)开设在所述盖(11)上。
3.根据权利要求1或2所述的动态供电的转动力矩传感器，其特征在于所述的第一圆孔(3)与轴承(2)间增设有绝缘环管(7)；所述连接导线(5)穿过所述壳体(1)和所述绝缘环管(7)与所述轴承(2)的外环(21)连接。
4.根据权利要求3所述的动态供电的转动力矩传感器，其特征在于所述的第一圆孔(3)是由两个同心的，半径不同的圆形凹陷连通构成，其中，半径较大的圆形凹陷(31)设置在所述壳体(1)的内侧，半径较小的圆形凹陷(32)设置在所述壳体(1)的外侧；所述绝缘环管(7)设置在所述半径较大的圆形凹陷(31)内侧，并且其靠近所述半径较小的圆形凹陷(32)的一端向圆心方向设有弯折面，使该绝缘环管(7)的轴向截面呈双L形。
5.根据权利要求4所述的动态供电的转动力矩传感器，其特征在于所述的绝缘环管(7)的内侧表面环周贴设有环形导电圈(8)，该环形导电圈(8)与所述连接导线(5)连接。
6.根据权利要求1所述的动态供电的转动力矩传感器，其特征在于所述的壳体(1)上还设有另一轴承(12)；所述另一轴承(12)设置在所述第二圆孔(4)内，该另一轴承(12)与外部电源的负极电气连接；所述测量轴(9)的另一端穿过所述另一轴承(12)。
7.根据权利要求1或2所述的动态供电的转动力矩传感器，其特征在于所述的测量轴(9)上垂直固定环设有一个环形电路板(91)；所述红外线发光管(101)为一个以上，多个所述红外线发光管(101)分布设置在所述环形电路板(91)的表面。
8.根据权利要求7所述的动态供电的转动力矩传感器，其特征在于所述的红外线发光管(101)为12个，并均匀分布设置在所述环形电路板(91)的表面边缘处。
9.根据权利要求1所述的转动力矩传感器，其特征在于所述的壳体(1)上与所述红外线发光管(101)相对应的位置开设有容置孔(13)；所述红外线接收管(102)设置在所述容置孔(13)中。
全文摘要
本发明涉及一种动态供电的转动力矩传感器，它包括壳体(1)及轴承(2)；壳体(1)上开设第一圆孔(3)和第二圆孔(4)；轴承(2)设置在第一圆孔(3)内；壳体(1)中穿设有测量轴(9)和处理电路(10)；处理电路(10)固定设置在所述测量轴(9)上，其表面上固设红外线发光管(101)；一个与红外线发光管(101)相对应的红外线接收管(102)设置在壳体(1)上。本发明利用轴承引入外部电源，提供了可靠的供电连接，消除了为转动装置提供电力的传统方式所存在的缺陷和不足，同时采用非接触式的光电耦合连接，使测量信号的导出可靠、简便，并且不会受到外界的干扰。
文档编号G01D5/26GK1779426SQ20041009155
公开日2006年5月31日 申请日期2004年11月19日 优先权日2004年11月19日
发明者张力, 杨俊飞 申请人:张力
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