CN117249927A - 扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种扭矩传感器，其涉及扭矩测量技术领域。其中，扭矩传感器包括：安装机构及光学传感组件，所述安装机构用于套设在被测旋转轴上；所述光学传感组件包括发光件和光学位置检测件，所述发光件和所述光学位置检测件均安装于所述安装机构上，所述发光件用于产生光斑；所述光学位置检测件用于检测所述光斑的位移量，当所述被测旋转轴旋转时，带动所述发光件和/或所述光学位置检测件转动以产生所述位移量得到所述被测旋转轴的力矩值。本发明实施例通过光学位置感应原理来检测光斑位移量以检测力矩值，不仅检测精度高，而且具有较高的可靠性。

Description

扭矩传感器

技术领域

本发明实施例涉及扭矩测量技术领域，尤其涉及一种扭矩传感器。

背景技术

扭矩传感器是一种可用于测量各种扭矩、转速及机械功率的精密测量仪器，应用范围十分广泛，主要用于电动机、发动机、内燃机等旋转动力设备输出扭矩及功率的检测。

传统的采用金属电阻应变片的扭矩传感器，其测量采用应变电测技术，在弹性轴上粘贴应变计组成测量电桥，当弹性轴受扭矩产生变形后引起电桥电阻值变化，应变电桥电阻的变化转变为电信号的变化从而实现扭矩测量，然而，应变电桥电阻受微小扭矩形变时其阻值变化不明显甚至不发生变化，导致在测量精度上不够准确，存在着测量精度低，测量结果不可靠的问题。

发明内容

本发明实施例提供了一种扭矩传感器，旨在解决现有扭矩传感器测量精度及可靠性较低的问题。

第一方面，本发明实施例提供了一种扭矩传感器，包括：安装机构，其用于套设在被测旋转轴上；光学传感组件，包括发光件和光学位置检测件，所述发光件和所述光学位置检测件均安装于所述安装机构上，所述发光件用于产生光斑；所述光学位置检测件用于检测所述光斑的位移量；其中，当所述被测旋转轴旋转时，带动所述发光件和/或所述光学位置检测件转动以产生所述位移量得到所述被测旋转轴的力矩值。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述安装机构包括光学传感安装机构以及套设在所述被测旋转轴上的第一安装结构和第二安装结构，所述第一安装结构和所述第二安装结构均包括连接部和设于所述连接部两端的安装部，所述安装部安装于所述被测旋转轴上，所述光学传感组件安装于所述光学传感安装机构，所述光学传感安装机构安装于所述安装部。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述光学传感安装机构包括第一壳体和第二壳体，所述光学传感组件设于所述第一壳体和所述第二壳体之间，所述第一壳体和所述第二壳体均包括第一侧边和第二侧边，所述第一侧边安装在所述第一安装结构或所述第二安装结构上，所述光学传感组件设于两所述第二侧边之间。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述发光件和所述光学位置检测件分别安装于两所述第二侧边上。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述光学位置检测件包括位置检测电路板和至少一个位置检测元件，所述位置检测元件设置在所述位置检测电路板上，所述位置检测电路板安装在所述第一壳体的所述第二侧边上。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述发光件包括光源电路板和至少一个光源产生元件，所述光源产生元件设置在所述光源电路板上，所述光源电路板安装在所述第二壳体的所述第二侧边上。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述光学传感组件还包括光斑生成件，所述光斑生成件固定安装于所述位置检测电路板或所述光源电路板上，所述光斑生成件上设有至少一个光斑形成件，所述光源产生元件产生的光源通过所述光斑形成件在所述位置检测元件上形成光斑。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述发光件和所述光学位置检测件均安装于第一壳体的所述第二侧边上或所述第二壳体的所述第二侧边上。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述第一壳体和所述连接部、所述第二壳体和所述连接部之间存在间隙。

在本发明提供的扭矩传感器中，所述连接部内设有多个弧形突出结构，所述安装机构安装于所述被测旋转轴上，多个所述弧形突出结构与所述被测旋转轴抵接。

本发明实施例提供了一种扭矩传感器。其中，所述扭矩传感器包括：安装机构和光学传感组件，安装机构用于套设在被测旋转轴上，光学传感组件包括发光件和光学位置检测件，发光件和光学位置检测件均安装于安装机构上，当被测旋转轴旋转时，带动发光件和/或光学位置检测件转动，以使发光件产生的光斑在光学位置检测件上产生位移量得到被测旋转轴的力矩值，通过光学位置感应原理来检测光斑位移量以检测力矩值的方式，不仅检测精度高，而且具有较高的可靠性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的扭矩传感器的结构示意图；

图2为图1中安装机构的结构示意图；

图3为图1中安装机构安装在被测旋转轴上各部分的位置关系示意图；

图4为本发明实施例提供的光学传感组件的结构示意图；

图5为图4中的光学传感组件的分解图；

附图标记：

10、扭矩传感器；11、安装机构；111、光学传感安装机构；1111、第一壳体；1112、第二壳体；1113、第一侧边；1114、第二侧边；112第一安装结构；1121、连接部；1122、安装部；113、第二安装结构；12、光学传感组件；121、发光件；1211、光源电路板；1212、光源产生元件；；1213、光斑；；122、光学位置检测件；1221、位置检测电路板；1222、位置检测元件；；123、光斑生成件；13、间隙；14、突出结构；15、螺纹孔；20、被测旋转轴。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

应当理解，当在本说明书和所附权利要求书中使用时，术语“包括”和“包含”指示所描述特征、整体、步骤、操作、元素和/或组件的存在，但并不排除一个或多个其它特征、整体、步骤、操作、元素、组件和/或其集合的存在或添加。

还应当理解，在此本发明说明书中所使用的术语仅仅是出于描述特定实施例的目的而并不意在限制本发明。如在本发明说明书和所附权利要求书中所使用的那样，除非上下文清楚地指明其它情况，否则单数形式的“一”、“一个”及“该”意在包括复数形式。

还应当进一步理解，在本发明说明书和所附权利要求书中使用的术语“和/或”是指相关联列出的项中的一个或多个的任何组合以及所有可能组合，并且包括这些组合。

如在本说明书和所附权利要求书中所使用的那样，术语“如果”可以依据上下文被解释为“当...时”或“一旦”或“响应于确定”或“响应于检测到”。类似地，短语“如果确定”或“如果检测到[所描述条件或事件]”可以依据上下文被解释为意指“一旦确定”或“响应于确定”或“一旦检测到[所描述条件或事件]”或“响应于检测到[所描述条件或事件]”。

请参阅图1至图5，为描述简便，在本实施例中，扭矩传感器10包括安装机构11及光学传感组件12，其中，所述安装机构11用于套设在被测旋转轴20上，所述光学传感组件12包括发光件121和光学位置检测件122，所述发光件121和所述光学位置检测件122均安装于所述安装机构11上，所述发光件121用于产生光斑1213；所述光学位置检测件122用于检测所述光斑1213的位移量；当所述被测旋转轴20旋转时，带动所述发光件121和/或所述光学位置检测件122转动以产生所述位移量得到所述被测旋转轴20的力矩值。其中，可通过螺丝或螺栓穿过安装机构11上的螺纹孔15，将安装机构11套设在被测旋转轴20上，以将被测旋转轴20夹紧。具体地，如图2所示，安装机构11包括第一安装结构112和第二安装结构113，第一安装结构和第二安装结构相同，均包括连接部1121和设于连接部1121两端的安装部1122，第一安装结构112的安装部1122与第二安装结构113的安装部1122通过螺丝或螺栓进行连接以安装在被测旋转轴20上。在第一安装结构112和第二安装结构113的连接部1121内均设有多个弧形突出结构14，当安装机构11安装于被测旋转轴20上时，多个弧形突出结构14与被测旋转轴20抵接以将被测旋转轴20夹紧，从而可以在第一安装结构112和第二安装结构113的表面上产生与被测旋转轴20相同(相同角位移)的扭转形变。需要说明的是，在本实施例中，第一安装结构112和第二安装结构112的内径略小于被测旋转轴20的直径，因此螺丝或螺栓通过安装部1122上的螺纹孔15可使第一安装结构112和第二安装结构113对被测旋转轴20产生压力，所产生的压力集中于第一安装结构112和第二安装结构113的连接部1121内部的多个弧形突出结构14上，因此，利用所产生的压力可以使第一安装结构112和第二安装结构113紧紧固定在被测旋转轴20上，并且与被测旋转轴20产生相同的形变。

可理解地，第一安装结构112和第二安装结构113通过螺丝或螺栓的方式安装在被测旋转轴20上只是一种较为优选的方式，在其它实施例中，第一安装结构112和第二安装结构113还可通过铰链的方式，将扭矩传感器10安装在被测旋转轴20上。

进一步地，安装机构11还包括光学传感安装机构111，光学传感组件12安装于该光学传感安装机构111，光学传感安装机构111通过螺丝或螺栓固定安装在第一安装结构112和第二安装结构113的安装部1122上。具体地，光学传感安装机构111包括第一壳体1111和第二壳体1112，光学传感组件12设于第一壳体1111和第二壳体1112之间，第一壳体1111和所述第二壳体1112均包括第一侧边1113和第二侧边1114，第一侧边1113安装在第一安装结构112或第二安装结构113的安装部1122上，光学传感组件12设于第一安装结构112的第二侧边1114和第二安装结构113的第二侧边1114之间，其中，光学传感组件12的发光件121和光学位置检测件122分别安装在第一安装结构112的第二侧边1114和第二安装结构113的第二侧边1114上，例如，发光件121安装在第一安装结构112的第二侧边1114上，光学位置检测件122安装在第二安装结构113的第二侧边1114上；或者发光件121安装在第二安装结构113的第二侧边1114上，光学位置检测件122安装在第一安装结构112的第二侧边1114上。

需要说明的是，在本实施例中，第一壳体1111和第二壳体1112是覆盖在第一安装结构112或第二安装结构113上的，例如，如图3所示，图3为扭矩传感器10安装在被测旋转轴20上后各部分的位置关系示意图。其中，A点和B点为第一安装结构112和第二安装结构113的安装部1122所在的位置点，同时也是第一壳体1111和第二壳体1112的第一侧边1113与第一安装结构112的安装部1122组装的位置。此外，C点为光学位置检测件122的位置，D点为发光件121安装的位置(光学位置检测件和发光件的位置可互换)，从图3中可知，在C点和D点之间存在着一定的间距。还需要说明的是，第一壳体1111和第一安装结构112的连接部1121、第二壳体1112和第一安装结构112的连接部1121之间存在着间隙13，当被测旋转轴20上施加扭矩时，被测旋转轴20将产生一定扭转形变角度，该扭转形变的角度大小将正比于在被测旋转轴20上所施加的力矩值，同时该扭转形变的角度大小亦与位置点A和B之间的距离成正比。可理解地，由于位置点C和D所在的位置分别与位置点A和B的位置相对固定，因此，位置点C和D之间的角度变化即为被测旋转轴20上位置点A和B之间的角度变化。通过C点和D点之间存在着一定的间距和间隙13，可以将被测旋转轴20上由扭转形变产生的微小形变更精准地体现在光学位置检测件122上，利于检测微小形变，使得检测的被测旋转轴的力矩值更为精准，例如，在本实施例中，可以检测微米级别的扭转形变。

请参阅图4，所述光学位置检测件122包括位置检测电路板1221和至少一个位置检测元件1222，所述位置检测元件1222设置在所述位置检测电路板1221上，所述位置检测电路板1221安装在所述第一壳体1111的所述第二侧边1114上。所述发光件121包括光源电路板1211和至少一个光源产生元件1212，所述光源产生元件1212设置在所述光源电路板1211上，所述光源电路板1211安装在所述第二壳体1112的所述第二侧边1114上。光源产生元件1212可产生光源，产生的光源照射在位置检测元件1222上，位置检测元件1222的接收面可检测光源在其上的位置变化。需要说明的是，在本实施例中，位置检测元件122可以为多胞光电二极管(或称光电二级管阵列)；光源产生元件1212为LED光源或激光光源。还需要说明的是，所述位置检测元件1222和所述光源产生元件1212的数量相对应，每一个光源产生元件1212对应于一个位置检测元件1222，在实际应用中，可根据实际需要自行设置位置检测元件1222和光源产生元件1212的数量。

进一步地，如图5所示，光学传感组件12还包括光斑生成件123，所述光斑生成件123固定安装于所述位置检测电路板1221或所述光源电路板1211上，所述光斑生成件123上设有至少一个光斑形成件，所述光源产生元件1212产生的光源通过所述光斑形成件在所述位置检测元件1222的接收面上形成光斑1213。为了更好地使位置检测元件1222可以精准地检测其上光源的位置变化，通过设置一光斑生成件123，该光斑生成件123中含有空隙，当光源产生元件1212产生的光源通过该空隙时，可在位置检测元件1222上形成光斑1213。可选地，所述光斑生成件123中含有的空隙可以为小孔、棱镜等，光源产生元件1212产生的光源可通过直射、透射的方式生成光斑1213。当在被测旋转轴20上施加扭矩时，光斑1213可沿XZ方向移动，光斑1213移动所产生的位置量可在位置检测元件1222的接收面上检测得到，根据光斑1213的位移量便可得到位置检测元件1222输出的电压：当位置检测元件1222上的光斑向某一方向移动时，发光件121、光斑生成件123以及光学位置检测件122三者中的任一个，两个或全部产生位移，使得光斑1213在位置检测元件1222上的位置发生变化，也即位置检测元件1222的接收面上的受光照面积将发生变化，因此，位置检测元件1222输出的电压值便随着光照面积的变化而改变。然后根据位置检测元件1222输出的电压值即可计算得到被测旋转轴20上所受的力矩值，其具体计算公式如下：

τ＝V_out×k

其中，k为将电压值转换为力矩值的常数。

需要说明的是，在本实施例中，发光件121和光学位置检测件122是对向分布设置的，即发光件121和光学位置检测件1222分别安装在第一壳体1111和第二壳体1112上(发光件121和光学位置检测件122的位置可互换)。

在另一实施例中，发光件121和光学位置检测件122除了可对向分布设置外，还可同侧分布设置，即发光件121和光学位置检测件122均安装于第一壳体1111的所述第二侧边1114上，或均安装在所述第二壳体1112的所述第二侧边1114上。例如，发光件121和光学位置检测件122均安装与第一壳体1111的第二侧边1114上，则在第二壳体1112的第二侧边1114上设置有具有反射能力的结构(例如反射镜)，以将光斑1213反射至与发光件121同侧的位置检测元件1222上。同理，若发光件121和光学位置检测件122均安装与第二壳体1112的第二侧边1114上，则在第一壳体1111的第二侧边1114上设置有具有反射能力的结构，以将光斑1213反射至与发光件121同侧的位置检测元件1222上。

需要说明的是，发光件121和光学位置检测件122无论是对向分布设置，还是同侧分布设置，光斑1213的位移量均由发光件121和光学位置检测件122之间的位置，被测旋转轴20的结构及位置等参数决定，其参数可根据测量的力矩值的精度需要进行适当的调整，以提高测量的精确度。

本发明实施例的扭矩传感器10包括第一安装结构112、第二安装结构113、第一壳体1111、第二壳体1112、发光件121、光斑生成件123以及光学位置检测件122，其中，第一安装结构112和第二安装结构113可通过螺丝或螺栓安装在被测旋转轴20上；第一壳体1111和第二壳体1112安装在第一安装结构112或第二安装结构113上；发光件121、光斑生成件123以及光学位置检测件122安装在第一壳体1111和第二壳体1112上(发光件121和光学位置检测件122可对侧设置，或同侧设置，同侧设置时使用反射结构将光斑1213进行反射)，当被测旋转轴20旋转时，由于轴上产生力矩，光学位置检测件122的位置、发光件121位置或反射面位置发生变化，导致光斑1213在光学位置检测件1222上的位置发生移动，而光斑1213发生的移动可由光学位置检测件1222进行检测，并将其转换为力矩值，检测到的力矩值随后被传送到显示屏或上一级的数据收集系统，供进一步分析。

本发明实施例的扭矩传感器采用了一种新型的扭矩测量方式，利用光学位置传感原理测量旋转应用中的扭矩，与传统的扭矩测量方式相比，本发明实施例的扭矩传感器的测量方式，无需对被测旋转轴本体进行修改，可广泛应用于任何类型的旋转轴上，包括汽车、机器人关节、自行车等；而且，本发明实施例所采用的光学位置传感原理的新型测量方式，测量的扭矩值准确，检测精度高，本发明实施例的扭矩传感器具有高精度和高可靠性，因此，在汽车、机器人和运动器材等行业具有巨大的商业潜力。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种扭矩传感器，其特征在于，包括：

安装机构，其用于套设在被测旋转轴上；

光学传感组件，包括发光件和光学位置检测件，所述发光件和所述光学位置检测件均安装于所述安装机构上，所述发光件用于产生光斑；所述光学位置检测件用于检测所述光斑的位移量；

其中，当所述被测旋转轴旋转时，带动所述发光件和/或所述光学位置检测件转动以产生所述位移量得到所述被测旋转轴的力矩值。

2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述安装机构包括光学传感安装机构以及套设在所述被测旋转轴上的第一安装结构和第二安装结构，所述第一安装结构和所述第二安装结构均包括连接部和设于所述连接部两端的安装部，所述安装部安装于所述被测旋转轴上，所述光学传感组件安装于所述光学传感安装机构，所述光学传感安装机构安装于所述安装部。

3.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，所述光学传感安装机构包括第一壳体和第二壳体，所述光学传感组件设于所述第一壳体和所述第二壳体之间，所述第一壳体和所述第二壳体均包括第一侧边和第二侧边，所述第一侧边安装在所述第一安装结构或所述第二安装结构上，所述光学传感组件设于两所述第二侧边之间。

4.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，所述发光件和所述光学位置检测件分别安装于两所述第二侧边上。

5.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，所述光学位置检测件包括位置检测电路板和至少一个位置检测元件，所述位置检测元件设置在所述位置检测电路板上，所述位置检测电路板安装在所述第一壳体的所述第二侧边上。

6.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其特征在于，所述发光件包括光源电路板和至少一个光源产生元件，所述光源产生元件设置在所述光源电路板上，所述光源电路板安装在所述第二壳体的所述第二侧边上。

7.根据权利要求6所述的扭矩传感器，其特征在于，所述光学传感组件还包括光斑生成件，所述光斑生成件固定安装于所述位置检测电路板或所述光源电路板上，所述光斑生成件上设有至少一个光斑形成件，所述光源产生元件产生的光源通过所述光斑形成件在所述位置检测元件上形成光斑。

8.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，所述发光件和所述光学位置检测件均安装于第一壳体的所述第二侧边上或所述第二壳体的所述第二侧边上。

9.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第一壳体和所述连接部、所述第二壳体和所述连接部之间存在间隙。

10.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，所述连接部内设有多个弧形突出结构，所述安装机构安装于所述被测旋转轴上，多个所述弧形突出结构与所述被测旋转轴抵接。