Устройство для измерения параметров деформации вращающегося вала

 

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАЦИИ ВРАЩАЮЩЕГОСЯ ВАЛА, содержащее расположенные на ва лу и последовательно связанные чувствительный элемент и усилитель/фотоэлектрический узел передачи информации с вала, состоящий из установле ного на валу источника светд., связан :ного С выходом усилителя и неподвижным фотоприемником, и источник питания , отличающеес я тем, : что, с целью повышения точности и надежности передачи информации с враща ющегося вала, в него введены фотоэлектрический узел подачи питания на вал, причем фотоэлектрические узлы выполнены в виде оптронных матриц, источник света и фотоприемник каждой из которых состоит не менее чем из двух идентичных светоизлучающих и фотоприемных элементов, расположенных диаметрально противоположно относительно оси вала, при этом источник света фотоэлектрическогоУзла подачи питания на вал неподвижен я I связан с источником питания, а фото|приемник расположен на валу и соеди |нен со входом питания усилителя и чуствительногсз элемента.

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК

М51) С 01 L 3 12

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТКРЫТИЙ

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К ABTOPCHOMY СВИДЕТЕЛЬСТВУ

1;м ь3 11 1 г 7

0 (21) 3571385/18-10 (22) 29.03.83 (46) 23.05.84. Бюл. Р 19 (72) Т.Я. Гораздовский и M.À.Êîãàí (71) Научно-исследовательский инсти- тут интроскопии (53) 531.781(088.8) (56) 1. Авторское свидетельство СССР

Р 634127, кл. G 01 Ь 3/10, 11.02.77.

2. Авторское свидетельство СССР

Р 479970, кл. G 01 L 3/12, 10. 03. 71 (прототип). (54)(57) 1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ ИЗМЕРЕНИЯ

ПАРАМЕТРОВ ДЕФОРМАПИИ ВРАшАЮ)ЯЕГОСЯ

ВАЛА, содержащее расположенные на валу и последовательно связанные чувствительный элемент и усилитель,фотоэлектрический узел передачи информации с вала, состоящий из установленного на валу источника света, связан-.

„„SU„„1 24.А

:ного с выходом усилителя и неподвижным фотоприемником, и источник питания, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности и надежности передачи информации с враща ющегося вала, в него введены фото- электрический узел подачи питания на вал, причем фотоэлектрические узлы выполнены в виде оптронных матриц, источник света и фотоприемник каждой из которых состоит не менее чем из двух идентичных светоизлучающих и фотоприемных элементов, расположенных диаметрально противоположно относительно оси вала, при этом источник света фотоэлектрического узла подачи питания на вал неподвижен e g

С2 связан с источником питания, а фото)приемник расположен на валу и соедин (нен со входом питания усилителя и чу ствительного элемента.

1093924

1 2

Изобретение относится к силоиэме- крутящего момента, изгибающего моменрительной технике и может быть ис- та и осевой нагрузки. пользовано для измерения и бескон- Указанная цель достигается тем, тактной передачи информации с враща- что в устройстве для измерения пара ющегося вала о действующих на него 5 метРов деформации вращающегося вала, крутящем моменте, изгибающем моменте содержащем расположенные на валу и и осевой нагрузке. последовательно связанные чувствиИзвестно устройство для измерения тельный элемент и усилитель, фото еформации на вращающихся деталях, электрический узел передачи информасодержащее измерительный мост, уста g ции с вала, состоящий из установленновленный на вращающейся детали, кон-. -: ного на валу источника света, связайтактный токосъемник, источник питания. ного C выходом усилителя, и неподвиж и измерительную схему (1). ного фотоприемника, и источник питаОднако это устройство не обеспечи" ния введены фотоэлектрический узел . вает требуемой. точности измерения.

35 подачи питания на вал причем фотоНаиболее близким к изобретению по электрические узлы выполнены в виде

I технической сущности и достигаемому, оптронных матриц, источник света и результату является устройство для Фотоприемник каждой иэ которых состоизмерения параметров деформации вра- и»е менее чем из двух идентичных щающегося вала, содержащее располо- светоизлучающих и фотоприемных элеженные на валу и последовательно свя- 20 ментов, Расположенных диаметрально ванные чувствительный элемент и уси- противоположно относительно оси вала

Г

Р итель, фотоэлектрический узел пере- при этом источник света фотоэлектрк-...

„цачи информации с вала, состоящий из Iecxoro Узла подачи питания на вал установленного на валу источника све- HenoàsHIIIåH и связан с источником та, связанного с выходом усилителя, 25."питания, а фотоприемник расположен и неподвижного фотоприемника, и ис- на валу и соединен со входами питочник питания (2). тания усилителя и чувствительного

Недостатками известного устройства элемента. являются низкая точность и надежноств передачи информации с вращающегося 30

Кроме того) чувствительный элевала, деформации при сложном нагру- л мент выполнен в виде попа но асположенных в диаметрально противоположных точках поверхности вала электроБелью изобретения является повы- магнитных преобразователей с возшение точности и надежности передачи буждающими и измерительными обмоткаинформации с вращающегося вала, а 35 ми, выполненными в виде размещенных также повышение точности измерения одна над другой и разделенных ди2. Устройство по и. 1, о т л и— ч а ю щ е е с я тем, что чувствитель ный элемент выполнен в виде попарно расположенных в диаметрально противойоложйых точках поверхности вала электрбмагнитных преобразователей с воз- буждающими и измерительными обмотками, выполненными в виде размещенных одна над другой и разделенных диэлектрической пленкой идентичных пе-! чатных структур, каждая из которых представляет собой пару одинаковых спиральных катушек индуктивности, вытянутых в длину и ориентированных под углом 90 одна к другой и под углом 45 к оси вращения вала.

3. Устройства no nq,. 1 и 2, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения крутящего момента, в каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей обмотки соединены между собой последовательно согласно, катушки измерительной обмотки — последовательно встречно, а сами преобразователи — последовательно..

4. Устройство по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ е е с я тем, что, с целью повышения точности измерения изгибающего момента, в каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательно согласно, а сами преобразователидифференциально.

5. Устройство по пп. 1 и 2, о т— л и ч а ю щ е е с я тем, что, с це лью повышения точности измерения осевой нагрузки в каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательно согласно- а сами преобразователи последовательно.

1093924 электрической пленкой идентичных печатных структур, каждая из которых представляет собой пару одинаковых спиральных катушек индуктивности, вытянутых в длину и ориентированных под углом,- 90 одна к другой и под углом 45О к оси вращения вала.

При этом, в каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей обмотки соединены между собой последовательно согласно, катушки (() измерительной обмотки — последовательно встречно, а сами преобразова тели — последовательно.

В каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей и из-15 мерительной обмоток соединены между собой последовательно согласно, а сами преобразователи — дифференциально.

В каждом электромагнитном преобра-20 зователе катушки возбуждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательно согласно, а сами преобразователи — последовательно.

На фиг. 1 изображена констРУктивная схема предлагаемого устройства; на фиг. ° 2 — электрическая схема уст- ройства для случая измерения крутящего момента.

Устройство для измерения параметров деформации вращающегося вала 1 (фиг. 1) содержит неподвижный источник 2 питания (фиг. 1 и 2), представляющий собой генератор переменного напряжения, фотоэлектрический узел подачи питания на нал и фотоэлектрический узел передачи информации с вала, выполненные в виде оптронных .матриц, состоящих соответственно из источников 3 и 4 света и фотоприемников 5 и б, расположенные на валу и 40 последовательно связанные чувствитemный элемент 7 и усилитель 8.

Источник света и фотоприемник каждой из оптронных матриц состоит не менее чем из двух идентичных све- 45 тоизлучающих и фотоприемных элементов.

Источник 3 света фотоэлектрического узла подачи питания на вал установлен неподвижно и связан с источником 2 питания, а фотоприемник 5 этого узла установлен на валу и соединен со входами питания усилителя

8 и чувствительного элемента 7.

Источник 4 света фотоэлектрическоузла передачи информа„ и с вала 55 установлен на валу и связан с выходом усилителя 8, а фотоприемник 6 этого узла неподвижен.

Источник света 3 может быть выполнен в виде лазера 9 и пучка 10 свето-60 диодов, выходные торцы которых охватывают вал 1 в виде кольца.

Источник света 3 может быть выполнен также из светодиодов или полупроводниковых лазеров, охватываю щих вращающийся вал и расположенных над фотоприемником 5. Такая конструкция источника света позволяет обесгечить непрерывную подачу энергии на каждый фотоприемник элемент 11 фотоприемника 5.Фотоприемные элементы 11 представляют собой лавинные фотодиоды, характеризующиеся высоким коэффициентом фот6электрлческого преобразования и приемлемой величиной отношения сигнал/шум. Фотодиоды 11 соединены последовательно-параллельно для получения фототока, достаточного для нормального питания чувствительного элемента 7 и усилителя 8 °

Источник 4 света образован электролюминисцентными диодами (светодиодами) 12 и 13 с линейной характеристикой преобразования ток-яркость.

Фотоприемник б образован из малошумящих фоторезисторов или фотодиодов 14 и 15 °

Все излучатели и фотоприемные элементы расположены попарно симметрично относительно оси вращения вала.

Это обеспечивает неизменность суммарного светового потока, падающего на фотоприемники 5 и 6. Йапример, при увеличении расстояния между излучателем 12 и фотоприемным элементом 14, расстояние между излучателем 13 и фотоприемным элементом 15 уменьшается. Вследствие этого увеличение рассеяния и потерь света в первом случае скомпенсируется умень-, .шением их во втором.

Кроме того, все излучающие элементы (10, 12 и 13) имеют размеры, отличающиеся (больше или меньше) от ли нейных размерон нходной апертуры соответствующих фотоприемных элементов (11, 14 и 15) на величину

2L tg(+Р) где L - расстояние между излучающим и фотоприемным элементом, угловая величина биения вала; угловая расходимость пучка лучей излучательного элемента (не показана) ю:

Это необходимо для того, чтобы освещенность фотоприемных элементов ие зависела от изгибон и биений вала.

Например, при биении нала и отклонении его мгновенной оси вращения а-а от основной оси 0-0 (фиг. 1) на угол oL, максимальное смещение излуча- теля 12 относительно фотоприемного элемента 14 составляет величину

A = 2L с(, а при учете расходимости пучка лучей излучателя — 2r, tg(+p)

Усилитель 8 представляет собой стандартную монолитную или гибридную микросхему, предназначенную для усиления переменного или импульсного напряжения малой величины (десяткисотни мВ) .

1093924

Чувствительный элемент 7 для неметаллического вала выполнен в виде тензомоста, а для металлическогов виде набора электромагнитных преобразователей 16, каждый иэ которых состоит из четырех спиральных вытянутых в длину индуктивных катушек

17 - двух возбуждающих и двух соосных им измерительных. Каждый преобразователь выполнен в виде двухслойной тонкопленочной интегральной 1Î схемы (на фиг. 1 сплошной линией показаны возбуждающие катушки, пунктирной - измерительные) .

Преобразователи 16 выполняют в едином технологическом цикле на гиб- 15 кой диэлектрической подложке 18 вместе с печатньич монтажом, служащим для соединения элементов устройства, расположенных на микросборку. Микросборка может быть как в бескорпус- 20 ном, так и в корпусном исполнении.

Интегральная технология изготовления катушек позволяет добиться высокой их чувствительности к изменениям электропроводности или магнитной проницаемости материала вала.

Катушки имеют высокий коэффициент связи с металлической поверхностью вала (0,9-0,95) и одновременно большую плотность намотки(до 50 витков на 1 мм). Кроме того, интегральная технология обеспечивает высокую повторяемость электрических параметров катушек (до 0,001%), что крайне необходимо при их дифференциальном соединении.

Вытянутые в длину катушки чувствительны к составляющей тенэора напряжений, действующей параллельно их длинной оси, вследствие проявления электроупругого эффекта в неферро- 40 магнитном и магнитоупругого эффекта

s ферромагнитном материале вала.

В каждом преобразователе пары соосных катушек (возбуждающая и изме« рительная) расположены под углом . 45

90 одна к другой и под углом 45 к оси вращения вала.

При измерении крутящего момента в каждом преобразователе катушки возбуждающей обмотки соединены между 50 собой последовательно согласно, катушки измерительной обмотки — последовательно встречно, а сами преобразователи - последовательно.

При измерении изгибающего момента 55 в каждом преобразователе катушки возбуждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательно согласно, а сами преобраэователидифференциально. 60

При измерении осевой нагрузки на,вал в каждом преобразователе катушки, возбуждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательно65 согласно, а сами преобразователипоследовательно.

Устройство работает следующим об-, разом.

Модулированное источником 2 питания . излучение лазера 9 через световоды 10 попадает на каждый из фотоприемных элементов 11. После фотоэлектрического преобразования полученным фототоком записывается цепь питания усилителя 8 (через выпрямитель) и возбуждающие катушки преобразователей 16. Катушки каждого преобразователя 16 расположены вдоль линий действия главных напряжений (растяжения и сжатия) при кручении вала.

Благодаря этому одни катушки находятся в плоскости растяжения, другиев плоскости сжатия. Иапряжения, измеряемые взаимоперпендикулярными катушками, равны по величине, но противоположны по знаку. Выходной сигнал (ток) измерительных катушек пропорционален этим напряжениям с учетом знака. При согласном соединении возбуждающих катушек и втречном соединении измерительных катушек, чувствительность преобразователя к крутящему моменту, удваивается, и осуществляется полная температурная компенсация при одновременном исключении влияния осевой нагрузки, действие которой вызывает одинаковые как по величине, так и по знаку приращения тока в обеих изме-1 рительных катушках.

Вызванные изгибающим моментом напряжения не будут одинаковы для обеих пар взаимно лерпендикулярных катушек ни по величине, ни по знаку. Поэтому для компенсации влияния изгибающего момента и необходим второй, расположенный в диаметрально противоположной точке поверхности вала преобразователь. Он чувствует противоположные по знаку и одинаковые по величине напряжения от изгиба, т.е., если один из преобразователей регистрирует напряжения сжатия (вогнутая поверхность вала), то другой — напряжения растяжения (выгнутая поверхность вала). При измерении крутящего момента преобразователи надо включить между собой последовательно (фиг.2) и таким образом, получить полную компенсацию влияния изгибающего момента.

Для измерения изгибающего момента при компенсации влияния крутящего момента пригодна эта же конструкция чувствительного элемента.

Соединяя возбуждающие катушки в каждом преобразователе согласйо, измерительные - также согласно, можно получить полную компенсацию влияния крутящего момента. Действительно, диаметрально противоположно расположенные на поверхности вала преобразо.ватели чувствуют только напряжения от.

1093924

Составитель Г.Пелибеев

Редактор О.Черниченко Техред Л.Микеш Корректор А.Ференц

Заказ 3413/33 Тираж 823 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, X-35, Раушская наб., д.4/5

Филиал ППП Патент, г.ужгород, ул.Проектная,4 изгиба, одинаковые по величине, но противоположные по знаку, поэтому . при их дифференциальном включении выходной сигнал пропорционален величине изгибающего момента вращающегося вала.

При последовательно-согласном соединении всех катушек обоих преобразователей выходной сигнал пропорционален величине осевой нагрузки.

Переключение типа межсоединений катушек и преобраэоватеЛей осуществляется механически или при помощи электронного ключа (не показан). . Выходной сигнал чувствительного элемента 7 усиливается в усилителе 8 и подается на источник 4 света. Луч света, промодулированный по амплитуде пропорционально выходному сигналу чувствительного элемента 7, попадает на фотоприемник 6. Луч света попадает на каждый фотоприемный элемент 14 и

15 и раз эа оборот вала, где n— число излучателей 12 и 13. Вследствие этого он оказывается модулированным по частоте с частотой модуляции, крат-, ной числу оборотов вала 1.

Регистрация амплитуды и частоты

5 выходного сигнала устройства осуществляется вольтметром переменного на-. пряжения и частотомером (не показаны) °

Использование в устройстве фотоэлектрических узлов йодачи питания

)p на вал и передачи информации с вала, выполненных в виде оптронных матриц, позволяет повысить точность и надежность передачи информации с вращающегося вала, а выполнение чувствительного элемента в виде попарно расположенных в диаметрально противоположных точках поверхности вала электромагнитных преобразователей и различное соединение их обмоток позволяет повысить точность за счет обеспечения раздельного измерения параметров деформации вала в условиях сложного нагружения и при наличии биений пос-! леднего.