基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法

摘要

本发明涉及一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，通过卡环、位移测量臂及位移参考臂、辅助支撑、约束阻尼器等机构，巧妙地将对旋转轴扭矩的测量转换为对轴上两点相对位移的测量。相对位移测量采用反射式电涡流位移传感器，具有抗灰尘、油污、烟雾、潮湿等恶劣环境的能力，并且具有很高的位移测量分辨率和精度，可以随时进行零位标定，并进行正反向在线测试，特别适合轴径大、刚度强、扭转角特别小、工作环境恶劣的情况使用。本发明同时通过梯形梁、约束阻尼层、辅助支撑和自由端加约束阻尼器等综合措施，最大限度减小振动对测试结果的影响，提高测试精度。

说明书

技术领域

本发明涉及一种扭矩测试方法，特别涉及一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法。

背景技术

扭矩测试是各种机械产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。常用的旋转轴扭矩测量方法主要有应变式和转角式。应变型采用在旋转轴表面贴应变片的传统方法,利用适当的电路取得信号,然后进行分析处理，此种传感器因成本低廉和操作简便广泛使用在静态和低速旋转系统的扭矩测量上，缺点是湿度、温度、振动等会影响传感器的寿命和工作可靠性，且需要妥善解决在旋转条件下的可靠供电和信号传输问题。转角型实质是通过测量轴的扭转变形角来间接测量扭矩，一般可以实现非接触测量，但由于一般转轴的刚度都很大，实际产生的扭转变形角非常小，对机器微小变形角的准确测量是转角式扭矩测试方法的关键。

经对现有技术的文献检索发现，现有测量轴扭转变形的主要方法是通过在轴上沿轴向一定距离安装两组栅式（容栅、磁栅、光栅）传感器，轴旋转时通过测量两路脉冲信号的相位差来解算轴的扭转变形角和扭矩，如中国专利“等直径转轴的光电反射式动态扭矩测试方法CN201210388605.3”和吉小军等人发表的论文”一种轴扭转变形动态测量系统的设计及实现”，以反射式激光测头和制作在旋转轴上的色标带构成敏感转速和作用扭矩的色标传感器，通过FPGA计数原理检测两路脉冲信号的相位差。这种测试方法的缺点是现场使用时难以保持初始零位恒定、可靠性较差、抗干扰能力差，测量精度有限。

经对现有技术的文献检索发现，中国专利“扭转角变形测量仪（CN200520034454.7）”和“扭转角的激光测量装置CN91222479.7”分别公开了采用百分表和激光测量装置测量轴变形角的方法，但这种方式只能用于静态轴的扭转角的测试，不适合旋转轴使用。

发明内容

本发明是针对大型转轴动态扭矩的现场测量困难的问题，提出了一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，通过电涡流位移传感器测量轴扭转变形，进而间接测量转轴扭矩的测试方法，尤其适合大型转轴和恶劣的工业现场使用。

本发明的技术方案为：一种基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，具体包括如下步骤：

1）建立基于相对位移测量的扭矩测试装置：包括被测转轴、左右卡环、辅助支撑、位移测量臂、参考臂、约束阻尼器、电涡流位移传感器以及测量电路；

左右卡环分别固定于被测转转轴的两端，辅助支撑位于左右卡环两者中间位置，卡装于被测转轴上；位移测量臂和参考臂的粗端分别通过左右卡环与被测转轴固联，随转轴一同旋转；

位移测量臂和参考臂的另一端细端自由放置在辅助支撑上，成为自由端，静止时，位移测量臂和参考臂互相平行，并同时平行与测转转轴轴线，运动时，位移测量臂和参考臂的自由端可沿支撑弧面自由滑动；位移测量臂的自由端面向参考臂上安装反射式电涡流位移传感器，参考臂的自由端面向位移测量臂处安装铜质的感应圆盘，形成对涡流位移传感器的参考点；

在位移测量臂和参考臂的自由端外侧分别设置相同的约束阻尼器，约束阻尼器的外壳固联于辅助支撑上，电涡流位移传感器安装在位移测量臂的自由端，与参考臂自由端构成测量位移的相对参考点；

2）测量电路固定在被测转轴上，输出激励到涡流传感器，获取传感器的输出信号，在转轴静止或者没有扭矩载荷的情况下，电涡流位移传感器的输出对应系统零位,对系统零点进行标定；

3）工作时被测转轴在被扭矩载荷作用下发生扭转变形，带动位移测量臂和参考臂发生相对移动，电涡流位移传感器与参考臂上铜质圆盘参考点的相对距离发生变化，在正向扭矩或反向扭矩作用下，电涡流位移传感器信号输出与位移成比例关系电压信号，测量电路实时采集电涡流位移传感器信号；

4）垂直与轴向的位移与扭矩载荷成正比，比例系数由测量构件决定，测量电路根据采集信号计算出实时扭矩载荷数据，通过无线方式发送出去。

所述约束阻尼器可选机械阻尼或液体阻尼，根据测量范围和分辨率要求选择阻尼器性能参数。

所述位移测量臂和参考臂结构相同，采用了高刚度的梯形梁结构，梁结构表面设置约束阻尼层和粘弹层，受到振动作用时，阻尼层发生剪切变形使机械振动的能量转化成热能。

所述被测轴上的辅助支撑上固联一对约束阻尼器，一对约束阻尼器一端固定在辅助支撑上，另一端固定在测量臂和参考臂上。

本发明的有益效果在于：本发明基于电涡流相对位移测量的转轴扭矩在线测试方法，不用于传统的应变或相位差测试思路，而转换为位移的测量。与现有技术相比，电涡流位移传感器具有很强的环节适应能力，具有抗灰尘、油污、烟雾、潮湿等恶劣环境的能力，因而适合恶劣的工业现场使用，具有很高的可靠性和长期稳定性；电涡流位移传感器具有很高的位移测量分辨率和精度，商用的传感器在小量程范围很容易达到0.01um的测量精度。因而适合大轴径尺寸的微小扭转变形的高精度测试；测试系统的定标和零位校正容易实现，可以在静态条件下随时进行零位标定，不同于相位差式测量方法，必须在轴空载旋转条件下才能校准零位。

附图说明

图1为本发明测量原理示意图；

图2为本发明基于相对位移测量的扭矩测试方案示意图；

图3为本发明参考臂结构示意图；

图4 为本发明约束阻尼器及其连接示意图；

图5 为本发明测量电路功能模块图。

具体实施方式

如图1所示本发明测量原理示意图，对于转轴上相距一定距离L的两个点A、B, 当轴以一定的扭矩负荷旋转时，A、B两点会产生相对扭转变形。在轴向距离L上产生的相对扭转变形角θ：

θ=ML／JG

式中：J为被测轴截面的极惯性矩；M为扭矩载荷；G为轴剪切弹性模量。

由于变形角θ非常小，它和垂直与轴向的位移变形Δs之间的关系可以等效为： 

所以相对位移Δs与扭矩成正比，其中k是由测量构件决定的比例系数，可预先进行测试和标定。因此可以通过测试相对位移Δs来间接测试扭矩载荷M。

在此原理指导下，图2给出了基于相对位移测量的扭矩测试方案示意图，包括被测转轴1、左右卡环2和3、辅助支撑4、位移测量臂5、参考臂6、约束阻尼器7、电涡流位移传感器8以及测量电路9。

左右卡环2、3固定于被测转轴1的两端，辅助支撑4位于左右卡环2、3两者中间位置，卡装于被测转轴1上；位移测量臂5和参考臂6的粗端分别通过左右卡环2、3与被测转轴1固联，随转轴一同旋转。位移测量臂5和参考臂6的另一端（细端）自由放置在辅助支撑4上，静止时，位移测量臂5和参考臂6互相平行，并同时平行与测转转轴1轴线，运动时，位移测量臂5和参考臂6的自由端（细端）可沿支撑弧面自由滑动。位移测量臂5的自由端（细端）面向参考臂6上安装反射式电涡流位移传感器8，参考臂6的自由端（细端）面向位移测量臂5处安装铜质的感应圆盘9，形成对涡流位移传感器8的参考点。为了克服因机械振动引起的测量误差，在位移测量臂5和参考臂6的自由端外侧分别设置相同的约束阻尼器7。约束阻尼器7的外壳固联于辅助支撑4上（在辅助支撑4上，位移测量臂5和参考臂6的自由端放置辅助支撑4上的移动范围处安装约束阻尼器7，可用于克服因机械振动引起的测量误差），约束阻尼器7可以采用机械阻尼或液体阻尼，需要根据测量范围和分辨率要求合理选择阻尼器性能参数。电涡流位移传感器8安装在位移测量臂5的自由端，与参考臂6自由端构成测量位移的相对参考点。测量电路10固定在被测转轴1上，负责对涡流传感器8激励，获取传感器8的输出信号，经过调理、调制后将其通过无线方式发送出去。

为了克服轴系振动对测试结果的影响，对于位移测量臂5和参考臂6，除了在其自由端设置约束阻尼器7外，如图3所示参考臂结构示意图，形状上采用了高刚度的梯形梁结构，并在其表面设置约束阻尼层结构，即在基层结构表面附加同等面积的约束阻尼层（铝或碳纤维）和粘弹层（粘接胶）（在梯形梁结构表面分层），当受到振动作用时，阻尼层发生剪切变形从而使机械振动的能量转化成热能耗散掉，达到有效减少谐振的目的。参考臂6的自由端设置一表面平整的铜质圆盘作为涡流感应区，圆盘直径为传感器直径的3-5倍；位移测量臂5的结构和参考臂6完全相同，只是把铜质圆盘部位用位移传感器8来取代，并使位移测量臂5的位移传感器8和参考臂6的铜质圆盘9正对；两者有效长度也相同，有效长度为旋转时，轴向长度，对位移测量臂5来讲就是位移测量臂5与卡环3固定点到位移传感器8的距离，对参考臂6来讲就是参考臂6与卡环2固定点到铜质圆盘9中心的距离；位移传感器8采用量程范围为1mm，测量精度达0.1μm的KD2306高精度电涡流位移传感器，它具有抗灰尘、油污、烟雾、潮湿等恶劣环境的能力，工作温度范围-55℃-105℃，适合恶劣的工业现场使用。如图4所示，固联在被测轴上的辅助支撑4结构是一个关键的部件，既可以支撑位移测量臂5和参考臂6，又不会使位移测量臂5和参考臂6脱离，一对约束阻尼器7一端固定在辅助支撑4上，另一端固定在测量臂5或参考臂6上，位移测量臂及参考臂的自由端均和阻尼器柔性连接，用于抑制测量臂5和参考臂6的垂直相对振动。

工作时被测转轴1在被扭矩载荷作用下发生扭转变形，带动位移测量臂5和参考臂6发生相对移动，从而使电涡流位移传感器8与参考臂6上铜质圆盘9参考点的相对距离发生变化，在正向扭矩或反向扭矩作用下，该相对距离增大或减小，电涡流位移传感器8输出与位移成比例关系电压信号。在转轴1静止或者没有扭矩载荷的情况下，电涡流位移传感器8的输出对应系统零位,所以可以方便的随时对系统零点进行标定。

如图5所示，测量电路10包括的电源模块、信号调理模块、信号采集模块、无线传输模块。电涡流位移传感器8输出的电压信号经滤波调理和A/D转换后，通过CC1100微功率无线数传模块传输出去。整个测量电路由微处理器MSP430协调控制。供电可采用电池或滑环形式。