專利名稱：：激光動態扭矩測量儀的制作方法
技術領域：
：本發明涉及一種激光動態扭矩測量儀，屬于利用光電元件檢測光束偏移的裝置。適用于測量轉動軸的扭矩、轉速和輸出功率。現有的激光動態扭矩測量儀，如美國專利號US5705810《激光光學扭矩儀》(Laseropticaltorquemeter-employslaserbeamandretroreflector.withtorsionortorqueonrotatableshaftdisplayedasfunctionofangulardisplacementofbeam)。它是非接觸式的測量，有一束激光射到測量元件的后向反射裝置上，反射回的光束被光電元件接收，根據反射激光落在光電元件表面上的位置偏離原點位置的大小來確定轉動軸的扭矩。其不足之處是該裝置的測量元件必須當作被測機器的連軸器使用，因此，在使用前必須改變被測機器的連接狀態，它屬于間接式測量，這樣給儀器的使用帶來很大的不便。本發明的目的是提出一種非接觸式的直接測量轉軸的動態扭矩、轉速和輸出功率的激光動態扭矩測量儀。本發明的目的是這樣實現的本激光動態扭矩測量儀，由激光發射接收器、光學反射器、信號檢測系統等組成，激光發射接收器發射兩束平行準直激光束照射在光學反射器的反射鏡上，反射回的反射激光束被激光接收器接收，產生光電信號，輸入信號檢測系統，由于反射鏡的初始位置中心連線不是嚴格平行于被測轉軸的軸向，所以存在初始角ψ0，當被測轉軸發生扭變時，反射鏡偏離初始位置移到另一個位置10a，扭轉角為ψ-ψ0，當被測轉軸以速度n轉動時，不論被測轉軸是否發生扭變，兩個激光接收器產生的兩列光電信號存在位相差，被測轉軸沒有扭變時，相位差t0＝ψ0/n，當被測轉軸發生扭變時，光電信號的相位差變為t＝ψ/n，被測轉軸的扭變比例于作用在被測轉軸上的扭矩，通過測量相位差t0和t來測量作用于被測轉軸的扭矩，通過測量相位差t＝ψ/n信號的周期測量被測轉軸的轉動速度。由兩個光學反射器固定在被測轉軸上組成一個扭矩傳感元件，兩個反射鏡之間的距離L可根據實際情況選定。信號檢測系統由模擬電路、數字電路和微機系統組成，模擬電路利用兩個激光接收器中的光電二極管輸出的光電信號產生相位差脈沖列，這列相位差脈沖既包含有被測轉軸的動態扭矩信息，也包含有被測轉軸的轉速信息，在信號檢測系統中通過測量相位差的周期，微機系統根據轉速與周期的倒數關系計算出被測轉軸的轉速，同時通過扭矩、轉速和輸出功率的關系計算出轉動軸的輸出功率。本發明的優點是1.本儀器是直接式測量轉軸的動態扭矩和輸出功率，對被測機器的工作狀態沒有任何影響；2.由于采用微機實現程控數據采集、運算處理和測量結果輸出，所以本儀器測量精度高，操作簡便，可以同時測量被測轉軸的動態扭矩，轉速和輸出功率。主要技術指標測量精度扭矩≤±1％，轉速≤±0.5％；測量范圍扭矩0.4×D4/L牛米到1000牛米(D直徑，L長度，單位cm)，轉速300到6000轉/分。本發明的附圖有圖1激光動態扭矩測量儀示意圖。圖2激光動態扭矩測量儀軸向視圖。圖3激光動態扭矩測量儀激光發射接收器示意圖。圖4激光動態扭矩測量儀轉軸扭變狀態示意圖。圖5激光動態扭矩測量儀轉軸不受扭變時光電信號波形示意圖。圖6激光動態扭矩測量儀轉軸受扭變時光電信號波形示意圖。圖7激光動態扭矩測量儀信號檢測系統原理方框圖。下面結合附圖和實施例對本發明作進一步描述。圖1為激光動態扭矩測量儀示意圖。它由激光發射接收器1、光學反射器2、信號檢測系統3三部分組成。激光發射接收器1由兩個激光發射器4和5、兩個激光接收器6和7、調節絲桿8等組成。激光發射器4和5發射兩束平行準直激光束15和16照射在光學反射器2的反射鏡10和11上，反射回的反射激光束17和18被激光接收器6和7接收，產生光電信號，輸入信號檢測系統3，對光電信號進行處理后，以數字的形式輸出測量結果。光學反射器2由定位螺釘12固定在被測機器A的轉軸13上。機器A和機器B通過連接器連接。在這種扭矩測量裝置中轉動部分與固定部分之間扭矩與轉速信息的傳遞是反射鏡反射激光束來完成的，因此，測量是非接觸式的。圖2為激光動態扭矩測量儀軸向視圖。激光發射接收器1架在三角支架上。它發射的兩束準直激光束15和16照射到反射鏡10和11上，反射激光束17和18反射回到激光接收器6和7上。光學反射器2由光學反射裝置9和反射鏡10(或11)組成。光學反射裝置9由兩個半圓形的金屬件22和四個定位螺釘12組成。兩個半圓形的金屬件22由兩個螺釘連成一個圓環，由四個定位螺釘12定位在被測轉軸13上，反射鏡10固定在一個定位螺釘12上，由兩個光學反射器2固定在被測轉軸13上組成一個扭矩傳感元件14。安裝扭矩傳感元件14時，四個定位螺釘12應盡量定位于被測轉軸13的同一個橫截面上，這樣當被測轉軸13受扭變時，兩個反射鏡10和11的位置也隨著變化，確保由兩個反射鏡10和11構成扭矩傳感元件14能準確反映被測轉軸13在扭矩作用下的扭變。同時兩個反射鏡10和11的中心連線基本與被測轉軸13的軸線0102平行，兩個反射鏡10和11之間的距離L可根據實際情況選定，如現場被測轉軸13的長度較長，就可選大一些的L值，使被測量的扭矩值較大，有利于提高測量精度。圖3為激光動態扭矩測量儀激光發射接收器示意圖。激光發射接收器1由兩個激光發射器4和5、兩個激光接收器6和7、調節絲桿8等組成。激光發射器4和激光接收器6固定在定位板上，激光發射器5和激光接收器7固定在另一塊定位板上。形成左右兩個激光發射和接收元件，這兩組元件由調節絲桿8連接。調節絲桿8可以改變兩組元件之間的距離。兩個激光發射器4和5一樣，它們都有一個激光二極管44和45和準直透鏡23、24，產生準直激光速束15和16，其發散度小于1毫伏度。光接收器6和7都是由聚焦透鏡25、26和光電二極管27、28組成。激光發射接收器1面向扭矩傳感元件14安裝，使激光發射器4和5發出的兩束平行準直激光束15和16從垂直于被測轉軸13的方向瞄準兩個反射鏡10和11，轉動兩個反射鏡10和11可使兩反射激光束17和18沿入射方向的反方向回到激光發射處，這樣當被測轉軸13轉動時，兩個反射鏡10和11也隨之轉動，反射激光束17和18便在兩個激光發射器4和5的上下方相當寬的范圍內重復掃描，因此，定位于激光發射器4和5上方的兩個激光接收器6和7，便可接收到反射激光束17和18，產生兩列重復頻率，都與被測轉軸13的轉速相同的光電脈沖信號。圖4激光動態扭矩測量儀轉軸扭變狀態示意圖。從圖中可以看出，由于兩個反射鏡10和11的初始位置中心連線不是嚴格平行于被測轉軸13的軸向，所以存在初始角ψ0(這是由于兩個反射鏡10和11的初始位置決定，而不是轉軸受扭變)。當轉軸在扭矩作用下發生扭變時，反射鏡10偏離初始位置移動到另一個位置10a，扭轉角為ψ-ψ。因此，當被測轉軸13以速度n轉動時，不論被測轉軸13是否有負載扭矩作用，左激光接收器6和右激光接收器7產生的兩列光電信號都存在位相差。被測轉軸13沒有負載時，這兩列信號的相位差t0＝ψ0/n(由兩個反射鏡10和11的初始位置決定)。當負載扭矩作用于被測轉軸13時，轉軸發生扭變，兩個反射鏡10和11偏離初始位置，光電信號的相位差變為t＝ψ/n。被測轉軸13的扭轉形變比例于作用在被測轉軸13上的扭矩，因此，可以通過測量相位差t0和t來測量作用于轉軸的扭矩。圖5為激光動態扭矩測量儀轉軸不受扭變時光電信號波形示意圖。當被測轉軸13轉動時，兩個激光接收器6和7接收到反射激光，產生兩列光電信號。它們之間存在相位差為t0＝ψ0/n，它們的周期是被測轉軸13的轉動周期T。圖6為激光動態扭矩測量儀轉軸受扭變時光電信號波形示意圖。當被測轉軸13轉動時，兩個激光接收器6和7接收到反射激光，產生兩列光電信號。它們之間存在相位差為t＝ψ/n，它們的周期是被測轉軸13的轉動周期T。圖7為激光動態扭矩測量儀信號檢測系統方框圖。信號檢測系統3由模擬電路19、數字電路20和微機系統21等組成。模擬電路19利用兩個激光接收器6和7中的光電二極管27和28(也就是模擬電路19中的光/電變換器)輸出的光電信號產生相位差脈沖，輸入數字電路20，經過數字化處理后，被測轉軸13的轉速和扭矩數據由微機系統21讀入，進行運算處理，輸出結果。模擬電路19由性能完全相同的兩個輸入電路29、30和一個RS觸發器31等組成。輸入電路29(或30)由光/電變換器27(或28)(即激光接收器中的光電二極管)、信號放大器32、整形器33組成。當被測轉軸13轉動時，兩個激光接收器6和7接收到反射激光，產生光電信號，由信號放大器32放大到合適的幅度，再經整形器33整形成兩列符合TTL電平要求的脈沖信號，分別送到RS觸發器31的R端和S端，產生一列相位差脈沖信號。這列包含有轉軸轉動扭矩和轉速信息的相位差脈沖信號由數字電路20進行數字化處理。數字電路20由時鐘發生器34、二分頻器35、主門控制器36、39、主門37、40、扭矩計數器41、轉速計數器38等組成。模擬電路19輸出的相位差脈沖分為兩路，一路經二分頻器35產生脈寬為被測轉軸13轉動周期T的脈沖列，再經主門控制器36產生門控脈沖，控制主門37的開閉，利用時鐘發生器34的時鐘信號使轉動周期T數字化，再由轉速計數器38計數；另一路經主門控制器39產生門控脈沖，控制主門40的開閉，利用時鐘發生器34的時鐘信號使相位差脈沖t數字化，再由扭矩計數器41計數。微機系統21由微機43、CPU單片機42組成。微機43與CPU單片機42之間通過串口以微機43為主，CPU單片機42為從交換信息，微機系統21從數字電路20中讀取測量的初始數據，經微機43運算處理后，獲得需要的測量結果。本激光動態扭矩測量儀的工作過程如下如上所述，激光動態扭矩測量儀安裝調整后，通電，使被測機器轉動，激光動態扭矩測量儀處于準備工作狀態激光發射器4和5發射的準直激光束15和16被扭矩傳感元件14的反射鏡10和11反射，反射激光束17和18被激光接收器6和7接收，光電二極管27和28將光信號變換成電信號，經放大器32放大，整形器33整形后，形成兩列TTL電平的脈沖信號，分別輸入RS觸發器31的R端和S端，產生一列脈沖寬度比例于被測轉軸13的動態扭矩，重復頻率等于轉速n的相位差脈沖，這列脈沖進入數字電路20后分為兩路，一路輸入主門控制器39，另一路經二分頻器35產生脈寬為轉動周期T的脈沖列，輸入主門控制器36。這時，主門控制器36和39雖有信號輸入，但未有測量時間控制信號的作用，而沒有門控信號輸出，因而主門37和40處于關閉狀態，時脈信號不能通過主門，使扭矩計數器41，轉速計數器38能有效復位。測量開始時，測量時間控制信號作用于主門控制器36，輸出門控信號T，使主門37打開，于是由時脈數字化的轉動周期被轉速計數器38計數；同時，門控信號T作用于主門控制器39，輸出門控信號t，使主門40打開，由時脈數字化的相位差t進入扭矩計數器41計數。當兩個計數器計數結束后，微機系統21進入讀數、運算、數據處理、貯存、測量結果顯示、輸出等過程。延遲一段時間后，進行下一次準備、測量過程。權利要求1.一種激光動態扭矩測量儀，通常包括激光發射接收器、光學反射器、信號檢測系統，本發明的特征在于所述的激光發射接收器(1)由兩個激光發射器(4)和(5)、兩個激光接收器(6)和(7)、調節絲桿(8)組成，激光發射器(4)和(5)發射兩束平行準直激光束(15)和(16)，照射在光學反射器(2)的反射鏡(10)和(11)上，反射回的反射激光束(17)和(18)被激光接收器(6)和(7)接收，產生光電信號，輸入信號檢測系統(3)，由于反射鏡(10)和(11)的初始位置中心連線不是嚴格平行于被測轉軸(13)的軸向，所以存在初始角ψ0，當被測轉軸(13)發生扭變時，反射鏡(10)偏離初始位置移到另一個位置10a，扭轉角為ψ-ψ0，當被測轉軸(13)以速度n轉動時，不論被測轉軸(13)是否發生扭變，激光接收器(6)和激光接收器(7)產生的兩列光電信號存在位相差，被測轉軸(13)沒有扭變時，相位差t0＝ψ0/n，當被測轉軸(13)發生扭變時，光電信號的相位差變為t＝ψ/n，被測轉軸(13)的扭變比例于作用在被測轉軸(13)上的扭矩，通過測量相位差t0和t來測量作用于被測轉軸(13)的扭矩，通過測量相位差t＝ψ/n信號的周期測量被測轉軸(13)的轉動速度。2.根據權利要求1所述的激光動態扭矩測量儀，其特征在于所述的光學反射器(2)由光學反射裝置(9)和反射鏡(10)[或反射鏡(11)]組成，光學反射裝置(9)由兩個半圓形金屬件(22)和四個定位螺釘(12)組成，兩個半圓形金屬件(22)由兩個螺釘連成一個圓環，由四個定位螺釘(12)定位在被測轉軸(13)上，反射鏡(10)[或反射鏡(11)]固定在一個定位螺釘(12)上，由兩個光學反射器(2)固定在被測轉軸(13)上組成一個扭矩傳感元件(14)，兩個反射鏡(10)和(11)之間的距離L可根據實際情況選定。3.根據權利要求1所述的激光動態扭矩測量儀，其特征在于信號檢測系統(3)由模擬電路(19)、數字電路(20)和微機系統(21)組成，模擬電路(19)利用兩個激光接收器(6)和(7)中的光電二極管(27)和(28)輸出的光電信號產生相位差脈沖列，這列相位差脈沖既包含有被測轉軸(13)的動態扭矩信息，也包含有被測轉軸(13)的轉速信息，在信號檢測系統(3)中通過測量相位差的周期，微機系統(21)根據轉速與周期的倒數關系計算出被測轉軸(13)的轉速。全文摘要本發明公開了一種激光動態扭矩測量儀,由激光發射接收器、光學反射器、信號檢測系統組成,激光發射接收器發射兩束激光照射在反射鏡上,反射激光束被激光接收器接收,產生兩列光電信號,信號檢測系統測量這兩列信號的相位差及其周期,微機系統根據這些初始測量數據運算處理得出結果。優點:非接觸式直接測量轉軸動態扭矩和轉速,對被測機器沒有任何影響。本儀器測量精度高,操作簡便,可以同時測量動態扭矩,轉速和輸出功率。文檔編號G01L5/24GK1266985SQ9910334公開日2000年9月20日申請日期1999年3月16日優先權日1999年3月16日發明者崔煥廷,劉松,閆勃,仇畔祥,徐東森,張裕旋申請人:大港油田集團技術監督檢測中心
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