CN101886957A - 扭矩测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于旋转机械检测技术领域，尤其涉及一种检测旋转机械在运行过程中的扭矩变化测量装置及方法。一种扭矩测量装置，包括磁体(2)、电感式传感器(3)、信号调理模块(4)、采集模块(5)和计算机处理系统(6)。一种扭矩测量方法，包括以下步骤：1)选取两个测量点；2)安装扭矩测量装置；3)获取不加载初始信号；4)获取加载扭转信号；5)计算得到被测轴扭矩。本发明安装方便简单，对安装精度没有要求，基本不用调整，可以大量节省测量准备时间，同时对传感器的线性度要求不高，节约了成本，测量操作简便易行，测量精度高，可广泛应用于旋转机械设备监测和诊断领域。

Description

扭矩测量装置及方法

技术领域

本发明属于旋转机械检测技术领域，尤其涉及一种检测旋转机械在运行过程中的扭矩变化测量装置及方法。

背景技术

目前生产过程设备状态监测已成为一种趋势，尤其是钢铁企业连续生产设备的突发事故损失巨大，随着钢铁产品的升级和设备老化的矛盾愈来愈突出，更需要监控其运行情况。

现有的旋转机械一般包括电机、转轴、联轴器、齿轮箱、负载等，旋转机械各部件之间进行扭矩传递，从而把它们紧密联系在一起。在旋转机械运行过程中，由于设备自身状态的变化和外部环境的改变，通常会引起各部件扭矩发生变化。通过测量旋转部件的扭矩变化规律可以及时了解设备的状态，为设备检修和维护提供依据，从而可以避免突发事故的产生。

现在普遍采用的扭矩测量方法是应变片法，该方法是将应变片粘贴在被测轴上，将扭矩的大小转换成应变片电阻的变化，再经过测量电路，以电信号的方式传送到仪表或计算机上进行显示。这种测量方法的缺点对操作者的水平要求较高，受周围环境影响较大。

卡环式扭矩传感器是将传感元件制作在卡环弹性体上，卡环整体可以快速装夹在被测轴上，传感器通过检测卡环弹性元件上的变形可以间接获得被测轴的扭矩，专利200510115149.5公开了一种夹环式扭矩传感器，该传感器结构复杂，不同的轴径需要选择不同的卡环，而且测量时调整及标定困难，属于一种间接测量方法，最后的测量结果误差很大。

专利申请号01110137.7介绍了一种光电扭矩传感器。该方法是在被测轴上设置两个测量点，其上安装反射镜，把一束垂直于轴线方向的光线照射在测量点反射镜上。当被测轴发生扭转后，两个反射镜的相对位置发生变化。通过光电传感器接受反射光线，就可以得到扭转角度和扭矩值。该方法结构复杂，对环境振动比较敏感，安装调整极为不便。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种扭矩测量装置及方法，以解决现有技术中夹环式扭矩传感器结构复杂，测量误差大；光电扭矩传感器安装要求高，对环境要求高的缺陷。

一种扭矩测量装置，包括磁体、电感式传感器、信号调理模块、采集模块和计算机处理系统，所述的磁体有两个，分别设置在被测轴圆周表面任意两个测量点上，两个测量点的轴向相隔一定距离，正对磁体各固定一个电感式传感器，两个电感式传感器同步通过信号调理模块和采集模块将采集到的信号传送到计算机处理系统。

所述的磁体为棱柱体、圆柱体或圆锥体。

所述的棱柱体磁体为截面成等腰三角形的三棱柱体。

所述的磁体为软磁体或硬磁体。

一种扭矩测量方法，包括以下步骤：

1)选取两个测量点，在被测轴1的圆周表面上任意设置两个相隔一定轴向距离的测量点；

2)安装扭矩测量装置，在两个测量点上分别固定一个磁体，并正对磁体各固定一个电感式传感器，两个电感式传感器同步通过信号调理模块和采集模块将采集到的信号传送到计算机处理系统；

3)获取不加载初始信号，将被测轴在不加载荷的情况下转动，根据采集到的磁体通过电感式传感器产生的信号图，得到第一测量点点位和扭转前的第二测量点点位在截面上的相对角度θ₀；

4)获取加载扭转信号，将被测轴在加载荷的情况下转动，根据采集到的磁体通过电感式传感器产生的信号图，得到第一测量点点位和扭转后的第二测量点点位在截面上的相对角度θ；

5)计算得到被测轴扭矩，计算得到被测轴扭矩，计算机处理系统根据负载扭矩导致的两个截面扭转产生的相位差|θ-θ₀|和预先输入的参数实时计算出被测轴扭矩。

所述的步骤5中的预先输入的参数包括被测轴结构、材料性能、传感器标定和两个测量点所在截面的轴向距离参数。

本发明的扭矩测量方法采用固定在转轴表面测量点上的磁体和固定安装的电感式传感器来测量转轴测量点截面的相对转角变化，通过计算机处理系统处理同步采集信号，最后计算出转轴扭矩值。

本发明的扭矩测量装置安装方便简单，对安装精度没有要求，基本不用调整，可以大量节省测量准备时间，在同直径轴段，测量点轴向距离越大，测量精度越高；而且充分发挥电感式传感器的优势，采用非接触测量方式测量。无需滑环引线或信号无线发射接收系统；同时本发明中的电感式传感器不是用来准确测量磁体和电感式传感器之间的具体距离数值变化的，只是测量被测轴转动时磁体通过电感式传感器时的相位信息，因此对传感器的线性度要求不高，节约了成本；综上所述本发明测量过程操作简便易行，人为影响较小，测量装置安装方便，成本低，测量精度高，可广泛应用于旋转机械设备监测和诊断领域。

附图说明

图1为本发明扭矩测量方法结构原理图；

图2为图1的侧视图；

图3为实施例1的传感器信号产生示意图；

图4为加载前后测量点处截面相对位置变化示意图；

图5为加载前后测量点空间位置简图；

图6为实施例1的加载前采集的两个传感器的信号图；

图7为实施例1的加载后采集的两个传感器的信号图。

图中：1-被测轴，2-磁体(软磁体、硬磁体)，3-电感式传感器，4-信号调理模块，5-采集模块，6-计算机处理系统，21-第一测量点点位，22-空载时第二测量点点位，22’-负载时第二测量点点位。

具体实施方式

下面结合具体实施例，进一步阐述本发明。应理解，这些实施例仅用于说明本发明而不用于限制本发明型的范围。此外应理解，在阅读了本发明讲授的内容之后，本领域技术人员可以对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样落于本申请所附权利要求书所限定的范围。

实施例1

参见图1、2所示，一种扭矩测量装置，包括软磁体2、电感式传感器3、信号调理模块4、采集模块5和计算机处理系统6，所述的软磁体2有两个，分别设置在被测轴1圆周表面任意两个测量点上，两个测量点的轴向相隔一定距离L，正对软磁体2各固定一个电感式传感器3，两个电感式传感器3同步通过信号调理模块4和采集模块5将采集到的信号传送到计算机处理系统6；所述的软磁体2为截面成等腰三角形的三棱柱体，使用本装置测量时包括以下步骤：

1)选取两个测量点，在被测轴1的圆周表面上任意设置两个相隔一定轴向距离的测量点；

2)安装扭矩测量装置，在两个测量点位置上分别固定一个磁体2，并正对磁体2各固定一个电感式传感器3，两个电感式传感器3同步通过信号调理模块4和采集模块5将采集到的信号传送到计算机处理系统6；

3)获取不加载初始信号，将被测轴1在不加载荷的情况下转动，根据采集到的磁体2通过电感式传感器3产生的信号图，得到第一测量点点位21和扭转前的第二测量点点位22在截面上的相对角度θ₀；

4)获取加载扭转信号，将被测轴1在加载荷的情况下转动，根据采集到的磁体2通过电感式传感器3产生的信号图，得到第一测量点点位21和扭转后的第二测量点点位22’在截面上的相对角度θ；

5)计算得到被测轴扭矩，计算机处理系统6根据负载扭矩导致的两个截面扭转产生的相位差|θ-θ₀|和预先输入的被测轴结构、材料性能、传感器标定和两个测量点所在截面的轴向距离参数实时计算出被测轴扭矩。

参见图3所示，因为软磁体2为截面成等腰三角形的三棱柱体，所以选取A、B、C为软磁体横截面的三个点，当被测轴1旋转时，软磁体2同时旋转，电感式传感器3位置固定，B、C、A三点顺序经过电感式传感器3；在点A、B处，电感式传感器3与软磁体2之间间隙最大，感应的信号最弱；C点与电感式传感器3之间的间隙最小，信号最强，其它位置感应的信号强度介于它们之间，根据电磁感应原理，电感式传感器3感应信号的强度与软磁体2到电感式传感器3之间距离的平方成反比关系，感应信号的峰值也是信号的拐点，对应于软磁体的顶点位置C，在信号处理过程中容易确定，所以选取C点作为基准点，可以提高测量的精度。

参见图4，图5，在没有负载的情况下即轴的扭矩为0时，第一测量点点位和第二测量点点位的轴向距离为L，第一测量点点位21和扭转前的第二测量点点位22在截面上的相对角度为θ₀；在加载情况下，由于测量点之间有扭矩M，第一测量点和第二测量点所在的截面会发生相对转动，这时第一测量点点位21和扭转后的第二测量点点位22’，两个测量点之间的相对角度为θ。

参见图6是无负载和加载情况下计算机处理系统6采集到的电感式传感器3的信号。在没有负载的情况下，同步采集到的第一测量点点位21和扭转前的第二测量点点位22的感应信号相位差是θ₀；参见图7在负载情况下，第一测量点点位21和扭转后的第二测量点点位22’二者的相位差是θ。由于两个测量点的初始相位差θ₀可能为正也可能为负，而且被测轴1的转动方向是任意的。因此，实际由负载扭矩导致的两个截面扭转产生的相位差为|θ-θ₀|。

根据材料力学关于圆轴扭转变形规律的假设，可以得到等直圆轴在弹性范围内的变形公式

式中表示两个测量点所在截面的扭转角位移；

M为被测轴的扭矩；

L为两个测量点所在截面的轴向距离；

G为材料的剪切弹性模量；

I_p为被测轴截面的极惯性矩，它与截面形状和尺寸有关。由式(1)变换得到如下公式

由于被测轴是确定的，当测量点距离L一定时，则扭振刚度为常数。公式(2)可以写为

M＝K(θ-θ₀)           (3)

因此，通过测量两个测量点所在截面的相位差θ-θ₀就可以得到被测轴的扭矩M。

下面结合一个实施例来说明本发明测量计算的过程。

参加图1～图5。被测轴1为实心圆轴，轴的直径D为Φ150，材料的剪切弹性模量G＝80GN/m²，两个测量点之间的距离L＝2000mm。在没有负载的情况下，测得两个测量点所在截面的相位差θ₀＝0.5rad。根据被测轴的直径D，可以求出测量点所在截面的极惯性矩为

$I_p=\frac{{\mathrm{\πd}}^4}{32}=\frac{\mathrm{\π}\×{150}^4}{32}=5.0\×{10}^7{\mathrm{mm}}^4---\left(4\right)$

扭转刚度为

$K=\frac{{\mathrm{GI}}_p}{L}=\frac{80\×{10}^9\×5.0\×{10}^7\×{10}^{-12}}{2000\×{10}^{-3}}=2.0\×{10}^6\mathrm{Nm}/\mathrm{rad}---\left(5\right)$

在负载情况下，电感式传感器3测得两个测量点信号的相位差θ＝0.535rad，通过式(3)可以得到被测轴1的扭矩为

M＝K(θ-θ₀)＝2.0×10⁶×(0.535-0.5)＝2.0×10⁶×0.035＝7.0×10⁴Nm  (6)

通过测量负载情况下测量点信号的相位变化，计算机处理系统6对其进行处理计算，就可以得到被测轴的扭矩值并进行输出。

本发明采用的电感式传感器3不是用来准确测量软磁体和传感器之间的距离变化，只是测量被测轴1转动时软磁体2通过固定传感器3时的相位信息，因此对电感式传感器3的线形度要求不太高。

实施例2

一种扭矩测量装置，包括硬磁体2、电感式传感器3、信号调理模块4、采集模块5和计算机处理系统6，所述的硬磁体2有两个，分别设置在被测轴1圆周表面任意两个测量点上，两个测量点的轴向相隔一定距离L，正对硬磁体2各固定一个电感式传感器3，两个电感式传感器3同步通过信号调理模块4和采集模块5将采集到的信号传送到计算机处理系统6；所述的硬磁体2为圆锥体，所以选取圆锥顶点作为基准点，可以提高测量的精度。

实施例3

一种扭矩测量装置，包括硬磁体2、电感式传感器3、信号调理模块4、采集模块5和计算机处理系统6，所述的硬磁体2有两个，分别设置在被测轴1圆周表面任意两个测量点上，两个测量点的轴向相隔一定距离L，正对硬磁体2各固定一个电感式传感器3，两个电感式传感器3同步通过信号调理模块4和采集模块5将采集到的信号传送到计算机处理系统6；所述的硬磁体2为圆柱体，选取圆柱体两边端点作为基准点。

Claims (6)

1.一种扭矩测量装置，其特征是：包括磁体(2)、电感式传感器(3)、信号调理模块(4)、采集模块(5)和计算机处理系统(6)，所述的磁体(2)有两个，分别设置在被测轴(1)圆周表面任意两个测量点上，两个测量点的轴向相隔一定距离，正对磁体(2)各固定一个电感式传感器(3)，两个电感式传感器(3)同步通过信号调理模块(4)和采集模块(5)将采集到的信号传送到计算机处理系统(6)。

2.如权利要求1所述的扭矩测量装置，其特征是：所述的磁体(2)为棱柱体、圆柱体或圆锥体。

3.如权利要求2所述的扭矩测量装置，其特征是：所述的棱柱体磁体(2)为截面成等腰三角形的三棱柱体。

4.如权利要求1～3中任意一权利要求所述的扭矩测量装置，其特征是：所述的磁体(2)为软磁体或硬磁体。

5.一种扭矩测量方法，其特征是：包括以下步骤

1)选取两个测量点，在被测轴(1)的圆周表面上任意设置两个相隔一定轴向距离的测量点；

2)安装扭矩测量装置，在两个测量点上分别固定一个磁体(2)，并正对磁体(2)各固定一个电感式传感器(3)，两个电感式传感器(3)同步通过信号调理模块(4)和采集模块(5)将采集到的信号传送到计算机处理系统(6)；

3)获取不加载初始信号，将被测轴(1)在不加载荷的情况下转动，根据采集到的磁体(2)通过电感式传感器(3)产生的信号图，得到第一测量点点位(21)和扭转前的第二测量点点位(22)在截面上的相对角度θ₀；

4)获取加载扭转信号，将被测轴(1)在加载荷的情况下转动，根据采集的磁体(2)通过电感式传感器(3)产生的信号图，得到第一测量点点位(21)和扭转后的第二测量点点位(22’)在截面上的相对角度θ；

5)计算得到被测轴扭矩，计算机处理系统(6)根据负载扭矩导致的两个截面扭转产生的相位差|θ-θ₀|和预先输入的参数实时计算出被测轴扭矩。

6.如权利要求5所述的扭矩测量方法，其特征是：所述的步骤5中的预先输入的参数包括被测轴结构、材料性能、传感器标定和两个测量点所在截面的轴向距离参数。

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