Способ измерения крутящего момента и устройство для его реализации

 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения крутящего момента на вращающемся валу. В способе измерения крутящего момента в качестве источников излучения используют одну излучающую марку, а при вращении упругого вала формируют автоколлимационные изображения излучающей марки от соответствующих оптических отражателей таким образом, что указанные изображения последовательно во времени попадают на фоточувствительную поверхность одного фотоприемного устройства. В устройстве для измерения крутящего момента оптико-электронное устройство выполнено в виде объектива, в фокусной плоскости которого установлены по крайней мере одна излучающая марка и одно фотоприемное устройство. Автоколлимационные изображения излучающей марки, формируемые от оптических отражателей, расположены на фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства, выход которого подключен к измерителю временных интервалов, а его выход соединен с электронным вычислительным устройством. Фотоприемное устройство может быть выполнено в виде одноплощадочного фотодиода с согласующим усилителем или в виде однокоординатного позиционно-чувствительного фотоприемника с согласующим усилителем. Оптические отражатели могут быть выполнены в виде призм, ребра двугранных углов которых перпендикулярны оси упругого вала. Технический результат - упрощение устройства и способа измерения крутящего момента. 2 с. и 3 з.п.ф-лы, 2 ил.

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для бесконтактного измерения крутящего момента на вращающемся валу.

Известен "Способ измерения угла закручивания фотоэлектрическим торсиометром" (см. описание изобретения к патенту РФ N 1817928, кл. G 01 L 3/12, опубл. в 1993 г.), заключающийся в том, что генерируют переменный электрический сигнал, усиливают и формируют его в виде последовательностей счетных импульсов, число которых в каждой последовательности пропорционально углу закручивания упругого элемента, а затем при помощи счетчика суммирования подсчитывают число счетных импульсов в каждой последовательности. При этом перед началом подсчета числа счетных импульсов в счетной последовательности формируют одиночный импульс сброса, который устанавливает счетчик суммирования в нуль, а одиночный импульс сброса формируют длительностью, равной не менее суммы всех счетных импульсов в последовательности, начиная с фронта или спада первого из этих счетных импульсов в последовательности в процессе подсчета их числа.

Недостатком этого способа измерения угла закручивания является значительная величина погрешности, вызванная эксцентриситетом вращающегося вала за счет наличия зазоров в подшипниках.

Известны устройство и способ для измерения крутящего момента (см. описание изобретения к патенту VS N 4347748, кл. G 01 L 3/12, опубл. в 1982 г.), которые выбраны в качестве прототипов к заявляемым изобретениям.

Данное устройство содержит расположенные на упругом валу на заданном базовом расстоянии друг от друга, как минимум, два оптических отражателя, оптико-электронный преобразователь, состоящий из двух источников излучения и двух фотоприемников (фотоприемных устройств), измеритель временных интервалов, электронное вычислительное устройство, лазеры, детектор, счетчики, усилители, преобразователь и компараторы.

Способ для измерения крутящего момента, реализуемый данным устройством, включает измерение угла взаимного разворота концов базового участка упругого вала, на котором установлены оптические отражатели, под действием крутящего момента с помощью оптико-электронного преобразователя, состоящего из источников излучения и фотоприемников (фотоприемных устройств), формирующих импульсы, представляющие развернутую во времени последовательность импульсов, интервал между которыми используют в качестве меры измеряемого крутящего момента.

Однако использование в известных технических решениях двух оптических информационных каналов приводит к погрешности измерений, вызванной неидентичностью их функциональных параметров. Так, например, при изменении температуры окружающей среды неодинаково изменяется чувствительность фотоприемных устройств, что, как следствие, приводит к погрешности измерения разности фаз соответствующих сигналов фотоприемных устройств, которая является информативным параметром устройства в целом.

Кроме того, наличие двух информационных каналов обуславливает чрезвычайно жесткие требования к стабильности взаимного расположения всех оптических элементов устройства.

Такие требования оказываются трудно выполнимы, особенно для устройств, работающих в достаточно широком диапазоне температур или в условиях вибрации.

Задача предлагаемых технических решений заключается в упрощении устройства и способа измерения крутящего момента за счет реализации высокоточной схемы измерения с использованием автоколлимационных изображений с двумя оптическими отражателями, расположенными в поле зрения одной оптической системы, но с одной излучающей маркой и одним фотоприемным устройством.

Поставленная задача решается за счет того, что в способе измерения крутящего момента, включающем измерение угла взаимного разворота концов базового участка упругого вала, на котором установлены оптические отражатели, под действием крутящего момента с помощью оптико- электронного преобразователя, состоящего из источников излучения и фотоприемных устройств, формирующих импульсы, представляющие развернутую во времени последовательность импульсов, интервал между которыми используют в качестве меры измеряемого крутящего момента, в качестве источников излучения используют одну излучающую марку, а при вращении упругого вала формируют автоколлимационные изображения излучающей марки от соответствующих оптических отражателей таким образом, что указанные изображения последовательно во времени попадают на фоточувствительную поверхность одного фотоприемного устройства.

Поставленная задача решается также за счет того, что в устройстве для измерения крутящего момента, содержащем расположенные на упругом валу на заданном базовом расстоянии друг от друга, как минимум, два оптических отражателя, оптико-электронный преобразователь, измеритель временных интервалов и электронное вычислительное устройство, оптико-электронное устройство выполнено в виде объектива, в фокальной плоскости которого установлены по крайней мере одна излучающая марка и одно фотоприемное устройство, а автоколлимационные изображения излучающей марки, формируемые от оптических отражателей, расположены на фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства, выход которого подключен к измерителю временных интервалов, выход которого соединен с электронным вычислительным устройством.

Для достижения решения поставленной задачи оптические отражатели выполнены в виде призм, ребра двугранных углов которых перпендикулярны оси упругого вала, а фотоприемное устройство выполнено в виде одноплощадочного фотодиода с согласующим усилителем или в виде однокоординатного позиционно-чувствительного фотоприемника с согласующим усилителем.

Предлагаемые способ и устройство измерения крутящего момента, основанные на автоколлимационном способе получения информации об угле скрутки вала, который является мерой измеряемого крутящего момента, позволяет реализовать высокоточную схему измерения с одним фотоприемным каналом. В такой схеме оба оптических отражателя расположены в поле зрения одной оптической системы и содержат одну излучающую марку и одно фотоприемное устройство. Такое выполнение схемы устройства позволяет не только исключить погрешности, связанные с неидентичностью оптических и электрических параметров информационных каналов, но и существенно упростить заявляемые технические решения.

Заявляемые способ и устройство измерения крутящего момента поясняются чертежами, где: на фиг. 1 представлена структурная схема заявляемого устройства, реализующего способ измерения крутящего момента; на фиг. 2 - диаграмма, поясняющая работу заявляемого устройства для случая, когда фотоприемное устройство выполнено в виде однокоординатного позиционно-чувствительного фотоприемника с согласующим усилителем.

Устройство, реализующее способ измерения крутящего момента (см. фиг. 1), содержит упругий вал 1, оптические отражатели 2, 2', оптико-электронное устройство, выполненное в виде объектива 3, излучающую марку 4, фотоприемное устройство 5, измеритель временных интервалов 6, электронное вычислительное устройство 7.

На заданном базовом расстоянии В друг от друга, на упругом валу 1, расположены оптические отражатели 2, 2', выполненные в виде призм, ребра двугранных углов которых перпендикулярны оси упругого вала 1. В фокальной плоскости объектива 3 оптико-электронного устройства установлена излучающая марка 4 и фотоприемное устройство 5, выход которого подключен к измерителю временных интервалов 6. Выход измерителя временных интервалов 6 соединен с электронным вычислительным устройством 7.

Устройство, реализующее способ измерения крутящего момента, работает следующим образом.

На участке упругого вала 1, нагруженном крутящим моментом, закреплены оптические отражатели 2, 2', выполненные, например, в виде прямоугольных призм типа БР-180^o, ребра прямоугольных двугранных углов которых удалены друг от друга в осевом направлении на величину базового расстояния В.

Указанные оптические отражатели 2, 2' располагаются в поле зрения объектива 3 (в простейшем случае оптические отражатели 2, 2' находятся в пределах входного зрачка объектива 3). В фокальной плоскости объектива 3 установлены излучающая марка 4 и фоточувствительная поверхность фотоприемного устройства 5.

При вращении упругого вала 1 изображения излучающей марки 4, формируемые от соответствующих оптических отражателей 2, 2', последовательно пересекают фоточувствительную поверхность фотоприемного устройства 5, формируя на его выходе электрические импульсы J₁ и J₂ соответственно (см. фиг.2). Период следования каждого из этих импульсов равен периоду вращения Т (см. фиг. 2) упругого вала 1.

При отсутствии крутящего момента и, как следствие, угла скрутки упругого вала 1 временной интервал Т₀ между импульсами J₁ и J₂ (см. фиг. 2) принимается за нулевой.

При нагружении упругого вала 1 появляется крутящий момент, вызывающий скрутку упругого вала 1 и, как следствие, разворот на некоторый угол Δϕ (см. фиг. 2) оптических отражателей 2, 2', расположенных на базовом расстоянии В, а также соответствующее временное смещение Δt импульсов J_1' и J_2' (см. фиг. 2), формируемых фотоприемным устройством 5.

Указанный угол скручивания Δϕ, как известно (см. Краткий физико-технический справочник, том II, М, "Физматгиз", 1962 г, с. 185, ф. 4-132), пропорционален величине крутящего момента М, подлежащего измерению. С учетом коэффициента пропорциональности К измеряемый крутящий момент М определяется на основе оценки текущих значений Т и Δt в соответствии с соотношением Последовательности импульсов поступают на входы измерителя временных интервалов 6, например, типа 43-54, где вышеуказанные величины Δt и Т преобразуются в кодовочисловые значения и подаются в электронное вычислительное устройство 7, например, типа IBM PC, в котором производится масштабирование полученных данных, вычисление текущего значения крутящего момента, приведение величин к системе CU и их индикация.

Таким образом, заявляемые технические решения обеспечивают технический результат, заключающийся в упрощении устройства и способа измерения крутящего момента за счет того, что они позволяют реализовать высокоточную схему измерения с использованием автоколлимационных изображений с двумя оптическими отражателями, расположенными в поле зрения одной оптической системы, но с одной излучающей маркой и одним фотоприемным устройством.

Формула изобретения

1. Способ измерения крутящего момента, включающий измерение угла взаимного разворота концов базового участка упругого вала, на котором установлены оптические отражатели, под действием крутящего момента с помощью оптико-электронного преобразователя, состоящего из источников излучения и фотоприемных устройств, формирующих импульсы, представляющие развернутую во времени последовательность импульсов, интервал между которыми используют в качестве меры измеряемого крутящего момента, отличающийся тем, что в качестве источников излучения используют одну излучающую марку, а при вращении упругого вала формируют автоколлимационные изображения излучающей марки от соответствующих оптических отражателей таким образом, что указанные изображения последовательно во времени попадают на фоточувствительную поверхность одного фотоприемного устройства.

2. Устройство для измерения крутящего момента, содержащее расположенные на упругом валу на заданном базовом расстоянии друг от друга как минимум два оптических отражателя, оптико-электронный преобразователь, измеритель временных интервалов и электронное вычислительное устройство, отличающееся тем, что оптико-электронный преобразователь выполнен в виде объектива, в фокальной плоскости которого установлены по крайней мере одна излучающая марка и одно фотоприемное устройство, а автоколлимационные изображения излучающей марки, формируемые от оптических отражателей, расположены на фоточувствительной поверхности фотоприемного устройства, выход которого подключен к измерителю временных интервалов, выход которого соединен с электронным вычислительным устройством.

3. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что фотоприемное устройство выполнено в виде одноплощадочного фотодиода с согласующим усилителем.

4. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что фотоприемное устройство выполнено в виде однокоординатного позиционно-чувствительного фотоприемника с согласующим усилителем.

5. Устройство по п. 2, отличающееся тем, что оптические отражатели выполнены в виде призм типа БР-180, ребра двугранных углов которых перпендикулярны оси упругого вала.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2