專利名稱：一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置及測量方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及扭角與扭矩測量技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及微尺度扭角與扭矩的測量裝置及測量方法。
背景技術(shù)：
扭矩和扭角測量是各種機(jī)械產(chǎn)品的開發(fā)研究、測試分析、質(zhì)量檢驗(yàn)、型式鑒定和節(jié)能、安全或優(yōu)化控制等工作中必不可少的內(nèi)容。隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的迅猛發(fā)展，扭矩和扭角測量技術(shù)已充分引起人們的重視，成為測試技術(shù)的一個新分支。扭矩和扭角是眾多機(jī)械量測量中的一個主要參數(shù)。在高新技術(shù)中，扭矩和扭角測量技術(shù)是綜合應(yīng)用機(jī)械、電子、物理、計算機(jī)等多方面知識的一門學(xué)科。測量扭矩的方法，按照它的基本原理可以分為傳遞法(扭軸法)、平衡力法(反力法)及能量轉(zhuǎn)換法等三中方式。傳遞法是根據(jù)彈性元件在傳遞扭矩時所產(chǎn)生的物理參數(shù)的變化而測量扭矩的方法，物理參數(shù)可以是彈性元件的變形、應(yīng)力或應(yīng)變。平衡力法就是測量機(jī)體上的平衡力矩以確定機(jī)器主軸上作用扭矩大小的方法，亦稱反力法。能量轉(zhuǎn)換法是根據(jù)其它能量參數(shù)(如電機(jī)參數(shù))測量機(jī)械能參數(shù)及扭矩的方法。在角度測量領(lǐng)域中常用的方法有:機(jī)械式、電磁式和光學(xué)式三種角度測量方法。綜上所述的三種扭矩測量方法，傳遞法和平衡力法為直接測量扭矩的方法，其測量方便、精確度高，但是對測量環(huán)境的要求較高、耐震性能差，而能量轉(zhuǎn)換法為間接測量扭矩的方法，測量誤差比較大，常達(dá)± (10 15) %。所以只有在無法直接測量的場合下，才采用間接測量法?，F(xiàn)有扭角的測量方式對測量環(huán)境的要求比較高、安裝比較復(fù)雜、不能準(zhǔn)確記錄微小變化量。因此，針對以上不足，本發(fā)明提供了一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置及方法。

發(fā)明內(nèi)容
(一)要解決的技術(shù)問題本發(fā)明的目的是解決現(xiàn)有的扭角與扭矩的測量裝置對測試環(huán)境的要求比較高、安裝復(fù)雜、精度低的問題。(二)技術(shù)方案為了解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明提供了一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其包括檢測機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)，控制器分別連接檢測機(jī)構(gòu)和上位機(jī)，所述檢測機(jī)構(gòu)包括底座、立柱和單自由度托架，底座的上表面左側(cè)設(shè)置有立柱，立柱的上部穿設(shè)有能在豎直方向上下移動的單自由度托架，單自由托架上部卡接有傳感器下殼體，傳感器下殼體的上部分別連接有傳感器上殼體和傳感器，所述上殼體的頂端設(shè)有上夾頭，上夾頭下端連接扭絲，扭絲的下端通過下夾頭固定連接芯軸，所述傳感器套裝在芯軸的外部，芯軸的下端連接有測試頭。其中，所述傳感器包括上葉片、下葉片、線圈組構(gòu)件和葉片套筒，上葉片和下葉片分別固定安裝在芯軸上，所述葉片套筒套在芯軸的外部，葉片套筒的上端和下端分別連接上葉片和下葉片，所述線圈組構(gòu)件設(shè)套在葉片套筒的外部，線圈組構(gòu)件的外緣抵在傳感器下殼體的上表面。所述傳感器為非接觸式角度傳感器，所述線圈組構(gòu)件與芯軸、上葉片和下葉片均不接觸。所述線圈組構(gòu)件包括電路板和線圈組，所述電路板上設(shè)有兩組對稱的線圈組，電路板的中心設(shè)有第一定位孔。所述上葉片和下葉片為不導(dǎo)磁的導(dǎo)電金屬片，上葉片和下葉片均在中心處設(shè)有第二定位孔和第三定位孔，且上葉片和下葉片的結(jié)構(gòu)相同。所述單自由托架上設(shè)有第一通孔，所述傳感器下殼體居中設(shè)有與第一通孔相對應(yīng)的第二通孔，所述芯軸依次通過第一通孔和第二通孔后向下延伸。所述底座的上表面還設(shè)有兩自由度微動平臺，所述兩自由度微動平臺可以在水平面內(nèi)做前、后和左、右移動。所述底座的下表面設(shè)有三個可調(diào)腳墊。所述控制器包括信號發(fā)生模塊、信號調(diào)理模塊和信號采集模塊，所述信號發(fā)生模塊為線圈組構(gòu)件提供高頻信號源，使線圈組構(gòu)件產(chǎn)生穩(wěn)定的交變磁場，所述信號調(diào)理模塊分別連接線圈組構(gòu)件和信號采集模塊，用以轉(zhuǎn)換來自線圈組構(gòu)件的線圈組上的電信號，并配合信號采集模塊進(jìn)行采集信息，所述信號采集模塊將處理后的信息傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)對信息進(jìn)行處理后，通過數(shù)據(jù)和圖形顯示測試結(jié)果。本發(fā)明還提供了一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置的測量方法，包括以下步驟:S1、選取測試頭；S2、調(diào)整可調(diào)腳墊，使得底座的上表面保持水平；S3、將被測物體連接于測試頭的下端，通過調(diào)整兩自由度平臺和單自由度托架，使得被測物體的轉(zhuǎn)動軸線與本測試裝置芯軸的軸線一致，并使得扭絲處于張緊狀態(tài)；S4、運(yùn)行信號發(fā)生模塊，信號發(fā)生模塊發(fā)出高頻信號源，產(chǎn)生穩(wěn)定的交變磁場；S5、啟動被測物體，測試頭隨被測物體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)動作由芯軸傳遞到扭絲，上葉片和下葉片利用旋轉(zhuǎn)過程具有不同切入電感交變磁場中的面積，產(chǎn)生不同電渦流效應(yīng)強(qiáng)度，引起電感量的變化，所述控制器通過接收到的電感量的變化測算角度；S6、傳感器將檢測的角度信號及微小變化量傳輸給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)軟件處理后得出扭角和扭矩的數(shù)值，并通過數(shù)據(jù)和圖形顯示并記錄結(jié)果。(三)有益效果應(yīng)該結(jié)合技術(shù)特征，由于哪些技術(shù)特征實(shí)現(xiàn)了以下效果本發(fā)明的上述技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn):以扭秤的工作原理為基礎(chǔ)所設(shè)計的測試機(jī)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單、安裝方便、性能穩(wěn)定、可適應(yīng)復(fù)雜的工業(yè)環(huán)境；扭絲的設(shè)計使得所述裝置耐震性能好、測量精度高、重復(fù)性好；所述裝置可實(shí)現(xiàn)微小變化量檢測與記錄的任務(wù)，且滿足檢測方法可靠和簡單操作的要求。


圖1是本發(fā)明所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置的結(jié)構(gòu)框圖；圖2是本發(fā)明所述的檢測機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)圖3是本發(fā)明所述的線圈組構(gòu)件的結(jié)構(gòu)圖；圖4是本發(fā)明所述的上葉片的結(jié)構(gòu)圖。圖中:1:上夾頭；2:扭絲；3:下夾頭；4:上葉片；5:線圈組構(gòu)件；6:下葉片；7:心軸；8:測試頭；9:兩自由度微動平臺；10:底座；11:可調(diào)腳墊；12:立柱；13:單自由度托架；14:塑料墊圈；15:傳感器下殼體；16:葉片套筒；17:葉片緊固螺母；18:傳感器上殼體；19:傳感器；20:電路板；21:線圈組。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明的具體實(shí)施方式
作進(jìn)一步詳細(xì)描述。以下實(shí)施例用于說明本發(fā)明，但不用來限制本發(fā)明的范圍。如圖1-2所示，本發(fā)明實(shí)施例提供的一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其包括檢測機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)，控制器分別連接檢測機(jī)構(gòu)和上位機(jī)，所述檢測機(jī)構(gòu)包括底座10、立柱12和單自由度托架13，底座10的上表面左側(cè)設(shè)置有立柱12，立柱12的上部穿設(shè)有能在豎直方向上下移動的單自由度托架13，單自由托架13上部連接有傳感器下殼體15，傳感器下殼體15的上部分別連接有傳感器上殼體18和傳感器19,傳感器19位于傳感器上殼體18外側(cè)。所述傳感器上殼體18的頂端設(shè)有上夾頭1，上夾頭I下端連接扭絲2，扭絲2通過上夾頭I固定連接于傳感器上殼體18上，扭絲2的下端通過下夾頭3固定連接芯軸7，傳感器19套裝在芯軸7的外部，芯軸7的下端連接有測試頭8，測試頭8為連接裝置，需根據(jù)不同的測試用途選擇不同的型號，所述芯軸7為金屬軸。其中，所述傳感器19包括上葉片4、下葉片6、線圈組構(gòu)件5和葉片套筒16，上葉片4和下葉片6分別通過葉片緊固螺母17和塑料墊圈14固定安裝在芯軸7上，葉片套筒16套在芯軸7的外部，葉片套筒16的上端和下端分別連接上葉片4和下葉片6，所述線圈組構(gòu)件5套在葉片套筒16的外部，且與葉片套筒16留有間隙，線圈組構(gòu)件5的外緣抵在傳感器下殼體15的上表面，線圈組構(gòu)件5與上葉片4和下葉片6配合使用。所述傳感器19為非接觸式角度傳感器，屬于電渦流角度傳感器范疇，所述線圈組構(gòu)件5與芯軸7、上葉片4和下葉片6均不接觸，線圈組構(gòu)件5與上葉片4和下葉片6存在相對運(yùn)動關(guān)系。如圖3-4所示，所述線圈組構(gòu)件5包括電路板20和線圈組21，所述電路板20上設(shè)有兩組對稱的線圈組21，電路板20的中心設(shè)有第一定位孔，所述線圈組構(gòu)件5通過第一定位孔套裝于芯軸7的外部，所述線圈組構(gòu)件5通入高頻電流產(chǎn)生交變磁場，其對角線方向?yàn)橄鄬ΨQ的線圈組21，所述上葉片4和下葉片6為不導(dǎo)磁的導(dǎo)電金屬片，上葉片4和下葉片6均在中心處設(shè)有第二定位孔和第三定位孔，所述上葉片4和下葉片6分別通過第二定位孔和第三定位孔套裝于芯軸7外部，所述上葉片4和下葉片6的結(jié)構(gòu)相同，尺寸相同，且均與線圈組構(gòu)件5的結(jié)構(gòu)相對應(yīng)。需要說明的是，根據(jù)不同的測試目的和測試物體有不同的線圈組構(gòu)件5可以選取，上葉片4和下葉片6也需要與線圈組構(gòu)件5相配套，本發(fā)明的線圈組構(gòu)件5的結(jié)構(gòu)包含但不限于圖3所提供的結(jié)構(gòu)，上葉片4和下葉片6的結(jié)構(gòu)包含但不限于圖4所提供的結(jié)構(gòu)。所述單自由托架13上設(shè)有第一通孔，所述傳感器下殼體15居中設(shè)有與第一通孔相對應(yīng)的第二通孔，所述芯軸7依次通過第一通孔和第二通孔后向下延伸，芯軸7分別位于第一通孔和第二通孔的中心。所述底座10的上表面還設(shè)有兩自由度微動平臺9，兩自由度微動平臺9設(shè)置于芯軸7的正下方且位于單自由托架13的右側(cè)，兩自由度微動平臺9用以放置被測試物體且可實(shí)現(xiàn)水平面內(nèi)的前、后和左、右運(yùn)動，用以調(diào)整被測試物體的水平面位置并保持被測試物體與芯軸7的轉(zhuǎn)軸一致。所述單自由度托架13與立柱12配合使用，單自由度托架13可沿立柱12單自由度移動，用以按照被測物體的不同高度來調(diào)整測試頭8的高度。所述底座10的下表面設(shè)有三個可調(diào)腳墊11，可調(diào)腳墊11用于調(diào)整測試裝置的工作水平面。所述控制器包括信號發(fā)生模塊、信號調(diào)理模塊和信號采集模塊，所述信號發(fā)生模塊為線圈組構(gòu)件5提供高頻信號源，使線圈組構(gòu)件5產(chǎn)生穩(wěn)定的交變磁場，所述信號調(diào)理模塊分別連接線圈組構(gòu)件5與信號采集模塊，用以轉(zhuǎn)換來自線圈組構(gòu)件5的線圈組21上的電信號，并配合信號采集模塊進(jìn)行采集信息，所述信號采集模塊將處理后的信息傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)對信息進(jìn)行處理后，通過數(shù)據(jù)和圖形顯示測試結(jié)果。本發(fā)明還提供了一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置的測量方法，包括以下步驟:S1、選取測試頭8，測試頭8有多種型號，需根據(jù)測試物體和對測試結(jié)果的要求進(jìn)行選擇；S2、調(diào)整可調(diào)腳墊11，使得底座10的上表面保持水平；S3、將被測物體連接于測試頭8的下端，連接方式為剛性聯(lián)軸器緊固連接或螺紋緊固連接，之后分別調(diào)整兩自由度微動平臺9在水平面的前后和左右的位置與單自由度托架13在豎直方向上的上、下位置，使得被測物體的轉(zhuǎn)動軸線與本測試裝置芯軸7的軸線保持一致，并使得扭絲2處于張緊狀態(tài)；S4、運(yùn)行信號發(fā)生模塊，信號發(fā)生模塊發(fā)出高頻信號源，使得傳感器19產(chǎn)生穩(wěn)定的交變磁場；S5、啟動被測物體，因?yàn)楸粶y物體與測試頭8的連接關(guān)系，測試頭8隨被測物體旋轉(zhuǎn)而旋轉(zhuǎn)，測試頭8的旋轉(zhuǎn)動作傳導(dǎo)給芯軸7后傳遞到扭絲2，上葉片4和下葉片6利用旋轉(zhuǎn)過程具有不同切入電感交變磁場中的面積，產(chǎn)生不同電渦流效應(yīng)強(qiáng)度，引起電感量的變化，所述控制器通過接收到的電感量的變化測算角度；S6、測試過程中，傳感器19將檢測到的角度電信號及微小變化量傳輸給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)軟件處理后得出被測物體的扭角和扭矩數(shù)值，并通過數(shù)據(jù)和圖形顯示并記錄結(jié)果O綜上所述，所述微尺度扭角與扭矩的測量裝置結(jié)構(gòu)簡單、分辨率高、滿足苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境、重復(fù)性好、安裝和維修方便，所述微尺度扭角與扭矩的測量方法步驟簡單，測試結(jié)果精確度高，具體實(shí)施時，測量范圍在一 10° + 10°，測量精度精確到0.001°。以上所述僅是本發(fā)明的一種優(yōu)選實(shí)施方式，應(yīng)當(dāng)指出，對于本技術(shù)領(lǐng)域的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明技術(shù)原理的前提下，還可以做出若干改進(jìn)和變型，這些改進(jìn)和變型也應(yīng)視為本發(fā)明的保護(hù)范圍。
權(quán)利要求
1.一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其包括檢測機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)，控制器分別連接檢測機(jī)構(gòu)和上位機(jī)，其特征在于:所述檢測機(jī)構(gòu)包括底座(10)、立柱(12)和單自由度托架(13)，底座(10)的上表面設(shè)置有立柱(12)，所述立柱(12)的上部穿設(shè)有能在豎直方向上下移動的單自由度托架(13)，所述單自由托架(13)上部連接有傳感器下殼體(15)，所述傳感器下殼體(15)的上部分別連接有傳感器上殼體(18)和傳感器(19)，所述傳感器上殼體(18)的頂端設(shè)有上夾頭(1)，上夾頭(I)下端連接扭絲(2)，扭絲(2)的下端通過下夾頭(3)固定連接有芯軸(7)，所述傳感器(19)套裝在所述芯軸(7)的外部，所述芯軸(7)的下端連接有測試頭(8)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述傳感器(19)包括上葉片(4)、下葉片(6)、線圈組構(gòu)件(5)和葉片套筒(16)，上葉片(4)和下葉片(6)分別套在芯軸(7)上，所述葉片套筒(16)套在所述芯軸(7)的外部，所述葉片套筒(16)的上端和下端分別連接上葉片(4)和下葉片(6)，所述線圈組構(gòu)件(5)套在所述葉片套筒(16)的外 部,線圈組構(gòu)件(5)的外緣抵在傳感器下殼體(15)的上表面。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述傳感器(19)為非接觸式角度傳感器， 所述線圈組構(gòu)件(5)與芯軸(7)、上葉片(4)和下葉片(6)均不接觸。
4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述線圈組構(gòu)件(5)包括電路板(20)和線圈組(21)，所述電路板(20)上設(shè)有兩組對稱的線圈組(21)，電路板(20)的中心設(shè)有第一定位孔。
5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述上葉片(4)和下葉片(6)為不導(dǎo)磁的導(dǎo)電金屬片，上葉片(4)和下葉片(6)均在中心處設(shè)有第二定位孔和第三定位孔，且上葉片(4)和下葉片(6)的結(jié)構(gòu)相同。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述單自由托架(13)上設(shè)有第一通孔，所述傳感器下殼體(15)居中設(shè)有與第一通孔相對應(yīng)的第二通孔，所述芯軸(7)依次通過第一通孔和第二通孔后向下延伸。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述底座(10)的上表面還設(shè)有兩自由度微動平臺(9)，所述兩自由度微動平臺(9)可以在水平面內(nèi)做前、后和左、右移動。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述底座(10)的下表面設(shè)有三個可調(diào)腳墊(11)。
9.根據(jù)權(quán)利要求1-8任一項所述的微尺度扭角與扭矩的測量裝置，其特征在于:所述控制器包括信號發(fā)生模塊、信號調(diào)理模塊和信號采集模塊，所述信號發(fā)生模塊為線圈組構(gòu)件(5)提供高頻信號源，使線圈組構(gòu)件(5)產(chǎn)生穩(wěn)定的交變磁場，所述信號調(diào)理模塊分別連接線圈組構(gòu)件(5)與信號采集模塊，用以轉(zhuǎn)換來自線圈組構(gòu)件(5)的線圈組(21)上的電信號，并配合信號采集模塊進(jìn)行采集信息，所述信號采集模塊將處理后的信息傳輸給上位機(jī)，由上位機(jī)對信息進(jìn)行處理后，通過數(shù)據(jù)和圖形顯示測試結(jié)果。
10.一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置的測量方法，其特征在于:包括以下步驟: ·51、選取測試頭(8)； ·52、調(diào)整可調(diào)腳墊(11)，使得底座(10)的上表面保持水平；` 53、將被測物體連接于測試頭(8)的下端，通過調(diào)整兩自由度微動平臺(9)和單自由度托架(13)，使得被測物體的轉(zhuǎn)動軸線與本測試裝置芯軸(7)的軸線一致，并使得扭絲(2)處于張緊狀態(tài)；`54、運(yùn)行信號發(fā)生模塊，信號發(fā)生模塊發(fā)出高頻信號源，產(chǎn)生穩(wěn)定的交變磁場； `55、啟動被測物體，測試頭(8)隨被測物體旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)動作由芯軸(7)傳遞到扭絲，上葉片(4)和下葉片(6)利用旋轉(zhuǎn)過程具有不同切入電感交變磁場中的面積，產(chǎn)生不同電渦流效應(yīng)強(qiáng)度，引起電感量的變化，所述控制器通過接收到的電感量的變化測算角度； `6、傳感器(19)將檢測的角度信號及微小變化量通過控制器傳輸給上位機(jī)，經(jīng)上位機(jī)軟件處理后得出扭 角 和扭矩的數(shù)值，并通過數(shù)據(jù)和圖形顯示并記錄結(jié)果。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種微尺度扭角與扭矩的測量裝置及測量方法，其包括檢測機(jī)構(gòu)、控制器和上位機(jī)，控制器分別連接檢測機(jī)構(gòu)和上位機(jī)，所述檢測機(jī)構(gòu)包括底座、立柱和單自由度托架，底座的上表面設(shè)置有立柱，立柱的上部穿設(shè)有能在豎直方向上下移動的單自由度托架，單自由托架上部卡接有傳感器下殼體，傳感器下殼體的上部分別連接有傳感器上殼體和傳感器，所述上殼體的頂端設(shè)有上夾頭，上夾頭下端連接扭絲，扭絲的下端通過下夾頭固定連接芯軸，所述傳感器套裝在芯軸的外部，芯軸的下端連接有測試頭。本發(fā)明具有如下優(yōu)點(diǎn)結(jié)構(gòu)簡單、設(shè)計合理、分辨率高、滿足苛刻的工業(yè)應(yīng)用環(huán)境、重復(fù)性好、耐震性能好、安裝和維修方便，檢測方法可靠和操作簡單。
文檔編號G01D21/02GK103196493SQ201310104688
公開日2013年7月10日 申請日期2013年3月28日 優(yōu)先權(quán)日2013年3月28日
發(fā)明者張輝, 肖博 申請人:樂普(北京)醫(yī)療器械股份有限公司