一种基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统的制作方法

测量装置的制造及其应用技术1.本实用新型涉及传感技术领域，尤其涉及一种基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统。背景技术：2.在汽车传感领域，汽车扭矩传感是一项重要应用。当汽车发动机输出不同的扭矩施加到汽车的驱动轴上，改变汽车的运动状态，汽车驱动轴会由于惯性而产生微小的形变，通过扭矩传感器对驱动轴的扭矩的检测，能及时反馈汽车发动机的运行状态，检测出可能存在的故障，故而提升汽车运动时的安全性能。3.在一种现有的应用于汽车扭矩传感的接触型应变式传感器中，将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上，并按照一定的排列方式组成应变桥，当驱动轴在受扭力作用时产生微小应变，贴在轴上的应变片会发生相应的变形，从而使应变片的阻值发生改变，通过测试该弹性轴受扭的电信号，则可以解调出对应的扭矩信号。应变片的电压输入和电信号的输出则通过导电滑环来实现，然而由于导电滑环属于磨擦接触，存在接触部位摩擦阻力和接触零件的磨损发热等问题，限制了旋转轴的转速及导电滑环的使用寿命；此外由于接触不绝对稳定引起的信号波动，易造成测量误差大等问题。4.在一种现有的应用于汽车扭矩传感的基于莫尔条纹原理的传感器中，将两组莫尔条纹传感器安装在驱动轴两侧，每组莫尔条纹传感器包括光源、指示光栅盘、主光栅盘、检测透射的摩尔条纹的光电探测器。当驱动轴受扭矩作用时，两端莫尔信号存在相位差，通过测量莫尔条纹相位差来求扭转角，从而计算出扭矩。该方案中每一组的激光发射端与莫尔条纹探测器在光栅盘的不同端而不能集成为同一模块，对于两组莫尔条纹传感器的同步性要求也很高，包括信号采集、处理的同步性以及传感器安装的精度等等；此外，电信号的发送存在一定的时延。技术实现要素：5.为了现有技术的不足，本实用新型的目的是提供一种基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统，在不改变被监测系统原有结构的基础上，实现可靠持久的发动机扭矩的实时监测。6.为实现上述目的，本实用新型提供一种基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统。7.一种基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统，包括第一轴套、固定支杆、圆环板、第二轴套、光信号发收模块、信号处理模块；8.被监测的系统为驱动轴；9.所述第一轴套和所述固定支杆4用于固定所述圆环板。10.所述圆环板上刻有指示光栅；11.所述第二轴套上刻有主光栅；12.所述光信号发收模块用于输出扭矩传感所需的探测光并接收经过所述圆环板后被所述第二轴套反射的信号光；13.所述信号处理模块用于处理、分析和显示来自所述光信号收发模块的光信号。14.所述第一轴套和所述第二轴套可以是一种商用的轴套；15.所述固定支杆可以是一种硬质金属材料制成的支杆；16.所述圆环板可以是一种透明玻璃板；17.所述第二轴套表面镀有反光材料涂层；18.所述光信号发收模块中的光源部件发射探测光；透镜部件接收信号光，并通过光纤将光信号传输至所述信号处理模块再通过探测器的光电转换给予所测得扭矩的显示。19.所述信号处理模块包括信号检测单元、a/d转化单元、数据处理单元和计算机；所述信号处理模块位于汽车驾驶室内；所述信号处理模块还可以包括信号发射单元，将来自所述光信号发收模块的光信号信息通过探测器将光电转换后的电信号接到5g天线并通过5g技术发射到云端服务器。20.当汽车以匀速直线运动的平衡状态行驶时，所述指示光栅和所述主光栅保持完全同步的运动，即相对静止，莫尔条纹不变化，驱动轴扭矩为；当汽车以一定的方式做变速运动时，所述指示光栅和所述主光栅做相对转动，直到相对旋转角速度为0。在这个过程中，记录莫尔条纹移动的总位移，则可以推出所述指示光栅相对所述主光栅移动的距离，计算出所述驱动轴的扭转角，再计算出所述驱动轴的扭矩。21.本实用新型的有益效果：22.本实用新型在驱动轴上设置两组轴套，通过莫尔条纹的移动实现对发动机输出扭矩的高分辨实时监测，能及时反馈发动机或电机的运行状态，检测出可能存在故障的运行状态，故而提升安全性能；本实用新型的优点在于只用一套莫尔条纹光栅对就实现了对驱动轴扭矩的监测，激光发射端与莫尔条纹探测器在光栅盘的同一端而方便集成为同一模块，安装难度低、易集成、监测分辨率高、时延小，同时还具备了环境温度和噪声的监测；监测准确不易受电磁干扰，尤其适应于无人操控、远测操控时代。附图说明23.图1为本实用新型一实施方式的一种基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统的结构示意图。具体实施方式24.下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实例中的技术方案进行描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例。25.本技术实施例的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。26.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本实用新型的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本实用新型的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本实用新型。27.请参阅图1，图1为本实用新型一实施方式的一种基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统的结构示意图。28.如图1所示，基于莫尔条纹原理的高分辨驱动轴扭矩传感系统（为了便于说明，这里包含了被监测的系统的部分）包括发动机1、驱动轴2、第一轴套3、固定支杆4、圆环板5、第二轴套6、一个光信号发收模块7、信号处理模块10。在圆环板5上刻有指示光栅8，在第二轴套6上刻有主光栅9。29.其中，发动机1与驱动轴2左端相连接，第一轴套3固定在驱动轴2的第一位置上，第二轴套6固定在驱动轴2第二位置上，第一位置和第二位置相距一定距离间隔；圆环板5通过若干根固定支杆4与第一轴套3相连接。30.具体地，发动机1为汽车的动力装置。在本实施例中，发动机1可以是一种商用的汽车发动机。31.驱动轴2用于传递所述发动机的输出动力。在本实施例中，驱动轴2可以是一种商用的汽车驱动轴。32.第一轴套3和固定支杆4用于固定圆环板5。在本实施例中，第一轴套3可以是一种商用的轴套，固定支杆4可以是一种硬质金属材料制成的支杆；第一轴套3和固定支杆4可以通过焊接的方式连接。在本实施例的一种实现方式中，固定支杆4的数量可以是4根。33.圆环板5为指示光栅8的载体。在本实施例中，圆环板5可以是一种透明玻璃板；指示光栅8与圆环板5直径成一夹角α。34.第二轴套6为主光栅9的载体。在本实施例中，第二轴套6可以是一种商用的轴套；在第二轴套6表面镀有对光高反射的材料涂层；主光栅9与第二轴套6直径平行。35.光信号发收模块7用于输出扭矩传感所需的探测光并接收经过圆环板5后被第二轴套6反射的信号光。具体地，光信号发收模块7中的光源部件（如1550nm波长的标准光通讯用激光二极管）发射探测光（1550nm波长红外光可避免阳光的干扰）；透镜部件接收信号光，并通过标准单模光纤将信号光传输至信号处理模块10。在本实施例的一种实现方式中，在所述光纤上还可以集成若干光纤布拉格光栅，用于监测该传感系统所处环境的温度变化。在本实施例的一种实现方式中，在所述光纤上还可以引出一条带有陶瓷插芯的光纤，在所述陶瓷插芯处镀一层薄膜以形成一个端面型法布里-珀罗谐振腔，用于检测环境噪声信号。36.所述信号处理模块10用于处理、分析和显示来自所述光信号收发模块7的光信号。在本实施例中，信号处理模块10包括信号检测单元、a/d转化单元、数据处理单元和计算机。在本实施例的一种实现方式中，信号处理模块10位于汽车驾驶室内；在本实施例的另一种实现方式中，信号处理模块10还包括信号发射单元，可以将来自光信号发收模块7的光信号信息通过探测器将光电转换后的电信号接到5g天线并用5g技术发射到云端服务器。37.具体地，当汽车以匀速直线运动的平衡状态行驶时，记此时驱动轴2的旋转角速度为ω0，第一位置的旋转角速度，第二位置的旋转角速度，指示光栅8和主光栅9保持完全同步的运动，即相对静止，莫尔条纹不变化，驱动轴扭矩为0。38.当汽车以一定的方式做变速运动时，此时第一位置的旋转角速度为，第二位置由于惯性还保持着的旋转角速度，并在δt的时间内加速到；此时，指示光栅8相对于主光栅9来说，在δt的时间内以的旋转角速度增量作变速运动，直到相对旋转角速度为0。39.在这个过程中，记录莫尔条纹移动的总位移为b时，此时指示光栅8相对主光栅9移动了d，且d，α为指示光栅8和主光栅9的夹角，那么第一位置和第二位置之间的扭转角δω可表示为：，h为光信号发收模块7相对于驱动轴2轴心的高度。40.记指示光栅8和主光栅9的线对数为n=2n（n为一正整数），则本系统可实现检测扭转角的极限分辨率为。41.设第一位置和第二位置之间的沿轴距离为δl，则这两个位置之间的扭矩可表示为：42.……………………………………………………………（1）43.式中，g为驱动轴材料的切变模量，为驱动轴2表面的极惯性矩，可用如下公式计算：44.…………………………………………（2）45.式中，r为驱动轴2的半径。46.发动机1输出的额定扭矩可表示为：47.……………………………………………（3）48.式中，p为发动机1输出功率，单位：kw；n为驱动轴2的转速，单位：r/min。49.通过检测莫尔条纹的移动的实时监测，则可以实现对驱动轴2扭转角δω的传感监测，进而得出发动机1输出造成的这两个位置之间的实际扭矩t的实时变化情况；通过将这两个位置之间的扭矩与发动机的额定扭矩的事先标定关联，则能通过监测扭矩t获知发动机1输出的扭矩从而及时反馈汽车发动机的运行状态，检测出可能存在故障的运行状态，故而提升汽车运动时的安全性能。50.上述描述中的实施方案可以进一步组合或者替换，且实施方案仅仅是对本实用新型的优选实施例进行描述，并非对本实用新型的构思和范围进行限定，在不脱离本实用新型设计思想的前提下，本领域普通技术人员对本实用新型的技术方案做出的各种变化和改进，均属于本实用新型的保护范围。本实用新型的保护范围由所附权利要求及其任何等同物给出。









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