СПОСОБ ПРЕОБРАЗОВАНИЯ КРУТЯЩЕГО МОМЕНТА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 2004 года по МПК G01L3/08 

Изобретение относится к измерительной технике и может быть использовано для измерения крутящего момента.

Известен способ преобразования крутящего момента (Вульверт Дж. Датчики в цифровых системах / Под ред. А.С.Ярошенко. - М.: Энергоиздат, 1981), заключающийся в том, что световой поток направляют на растровый диск с участками с различным коэффициентом отражения. Отраженный от растрового диска сигнал принимают с помощью фотоприемников и по расположению засвеченных фотоприемников определяют крутящий момент.

Устройство, реализующее данный способ, содержит упругий вал, растровый диск с нанесенными на него участками с различным коэффициентом отражения, световой излучатель и фотоприемники, расположенные особым образом (Вульверт Дж. Датчики в цифровых системах / Под ред. А.С.Ярошенко. - М.: Энергоиздат, 1981).

Прототипом изобретения является способ преобразования крутящего момента, реализованный в устройстве ”Оптоэлектронный торсиометр" (а.с. СССР № 892241, М.кл. G 01 L 3/08, БИ № 47, 1980), заключающийся в том, что световой поток направляют на входной конец световода сквозь растровый диск, жестко закрепленный на одном конце вала. С выходного конца световода световой поток с помощью многогранной призмы направляют на светочувствительный преобразователь через решетку, шаг которой не кратен и не равен шагу растрового диска. Затем по числу пришедших световых импульсов подсчитывают крутящий момент.

Устройство, реализующее данный способ по а.с. СССР № 892241, выбранное в качестве прототипа содержит упругий вал, растровый диск, закрепленный на одном конце вала, осветитель и световод, расположенные по разные стороны растрового диска, решетку, светочувствительный преобразователь и многогранную призму с зеркальными боковыми гранями.

Недостаток данного способа и устройства состоит в недостаточной точности преобразования крутящего момента, в сложности создания растрового диска и в принципиальной невозможности повышения точности преобразования крутящего момента при сохранении относительно небольших размеров устройства, реализующего данный способ.

Решаемая техническая задача состоит в повышении точности преобразования крутящего момента.

Решаемая техническая задача в способе преобразования крутящего момента, включающем освещение входного конца волоконного световода световым потоком и регистрацию прошедшего через волоконный световод излучения фотоприемником, установленным на неподвижном основании, достигается тем, что световой поток предварительно пропускают через щель светозащитного кожуха и освещают им входные концы и (n·m)-1 дополнительно введенных волоконных световодов, образующих вместе с первым волоконным световодом жгут, состоящий из (n·m) волоконных световодов, через выходные концы которого, расположенные в виде матрицы, световой поток направляют на дополнительно введенные n-1 фотоприемников, установленных на неподвижном основании и образующих вместе с первым фотоприемником линейку из n фотоприемников, с которой снимают цифровой код, пропорциональный крутящему моменту, здесь n - натуральный ряд чисел, m - натуральный ряд чисел, равный или меньший 2ⁿ.

Решаемая техническая задача в устройстве для преобразования крутящего момента, содержащем упругий вал, волоконный световод, источник света и фотоприемник, установленные на неподвижном основании достигается тем, что дополнительно введены n-1 фотоприемников, n фотоприемников образуют линейку, которая установлена на неподвижном основании и ориентирована параллельно оси вала, входной кольцевой наконечник с входным окном, расположенный на одном конце вала, выходной кольцевой наконечник с выходным окном, светозащитный кожух с щелью, которая находится напротив выходного окна, расположенные на другом конце вала, (n·m)-1 волоконных световодов, n·m волоконных световодов образуют жгут, входные и выходные концы которого закреплены в соответствующих окнах, причем источник света расположен напротив входного окна, а n фотоприемников - напротив выходного окна, входные концы волоконных световодов расположены во входном окне так, что их торцы образуют единую линию, параллельную оси вала, а выходные концы расположены так, что их торцы образуют матрицу, каждая строка которой представляет собой двоичный код, причем строки матрицы ориентированы параллельно оси вала, здесь n - натуральный ряд чисел, m - натуральный ряд чисел, равный или меньший 2ⁿ.

На фиг.1 представлен общий вид устройства для преобразования крутящего момента, вид спереди. На фиг.2 представлен общий вид устройства для преобразования крутящего момента, вид сверху в разрезе. На фиг.3 изображены входные торцы волоконных световодов. На фиг.4 - выходные торцы волоконных световодов.

Устройство для преобразования крутящего момента (см.фиг.1, 2) содержит упругий вал 1, жестко закрепленный на одном конце вала 1 входной кольцевой наконечник 2 с входным окном 3, источник света 4, установленный напротив входного окна 3 на неподвижном основании (на чертеже не показано), жестко закрепленный на другом конце вала 1 выходной кольцевой наконечник 5 с выходным окном 6, n·m волоконных световодов, образующих жгут 7, закрепленный на валу 1, светозащитный кожух 8 с щелью 9, расположенной напротив выходного окна 6 и ориентированной параллельно оси вала 1, и фотоприемников 10, расположенных в виде единой линейки ориентированной параллельно оси вала 1 и установленных напротив щели 9 светозащитного кожуха 8 на неподвижном основании. Входные концы волоконных световодов, образующих жгут 7, закреплены во входном окне 3 так, что их торцы 11 образуют единую линию, параллельную оси вала 1 (см. фиг.3). Выходные концы волоконных световодов, образующих жгут 7, закреплены в выходном окне 6 так, что их торцы 12 образуют матрицу, каждая строка которой представляет собой двоичный код, причем строки матрицы ориентированы параллельно оси вала 1 (см. фиг.4).

Рассмотрим осуществление способа и работу устройства для его реализации.

Включают источник света 4 и к валу 1 прикладывают крутящий момент, который необходимо измерить. При вращении вала 1 в момент прохождения входного окна 3 кольцевого наконечника 2 мимо источника света 4, световой поток поступает одновременно на все входные торцы 11 волоконных световодов, образующих жгут 7.

Пройдя по волоконно-оптическому жгуту 7, световой поток поступает на выходные торцы 12, закрепленные в выходном кольцевом наконечнике 5. Благодаря щели 9 снегозащитного кожуха 8, на линейку из n фотоприемников 10 попадает свет лишь с одной строки матрицы, образованной выходными торцами 12 волоконных световодов. При воздействии на упругий вал 1 крутящего момента, вал 1 закручивается на угол, пропорциональный приложенному крутящему моменту и входной кольцевой наконечник 2 и выходной кольцевой наконечник 5 поворачиваются относительно друг друга вокруг оси вращения вала 1. В результате этого в момент прохождения входного окна 3 мимо источника света 4, на линейку фотоприемников 10 попадает световой поток с другой строки матрицы, образованной выходными торцами 12 волоконных световодов. С выхода линейки фотоприемников 10 снимают сигнал, который представляет собой параллельный код, который однозначно определяет угол закручивания вала 1. При известных параметрах упругого вала 1, код однозначно определяет значение приложенного к валу 1 крутящего момента.

Устройство для осуществления способа преобразования крутящего момента может быть реализовано на следующих элементах:

- источник света 4 - светоизлучающий арсенид-галлий-алюминиевый диод АЛ 307 В;

- линейка фотоприемников 10 - линейная фоточувствительная схема с зарядовой связью (ЛФСЗС) К 1200 ЦЛ 2;

- упругий вал 1 - тонкостенная стальная труба диаметром 34 мм.

По сравнению с существующими способами преобразования крутящего момента и с прототипом, благодаря тому, что выходной сигнал с линейки фотоприемников снимается сразу в цифровом виде, таким образом исключается погрешность аналого-цифрового преобразования, что повышает точность преобразования крутящего момента.

По сравнению с существующими способами преобразования крутящего момента и с прототипом, погрешность преобразования крутящего момента составляет 1/n, где n - количество фотоприемников в линейке фотоприемников. При использовании линейной фоточувствительной схемы с зарядовой связью (ЛФСЗС) К 1200 ЦЛ 2 погрешность составит около 0,05%.

Испытания опытного устройства преобразования крутящего момента показали, что использование непосредственного преобразования крутящего момента в цифровой код позволило значительно повысить точность измерений по сравнению с указанными прототипами и устройствами, применяемыми в промышленности.

Изобретение относится к области измерительной техники, в частности к способам и устройствам для измерения крутящего момента. Способ заключается в освещении входного конца волоконного световода источником света и регистрации прошедшего через волоконный световод излучения фотоприемником, установленным на неподвижном основании. Устройство для осуществления способа содержит упругий вал. На одном конце жестко закреплен входной кольцевой наконечник с входным окном, а источник света расположен напротив входного окна на неподвижном основании. На другом конце вала жестко закреплен выходной кольцевой наконечник с выходным окном. Волоконные световоды образуют жгут, на входном конце их торцы образуют линию, параллельную оси вала, а выходные закреплены в выходном окне так, что их торцы образуют матрицу. Каждая строка матрицы представляет собой двоичный код, причем строки матрицы ориентированы параллельно оси вала, здесь n - натуральный ряд чисел, m - натуральный ряд чисел, равный или меньший 2ⁿ. Технический результат заключается в повышении точности преобразования крутящего момента. 2 с. п. ф-лы, 4 ил.

1. Способ преобразования крутящего момента, включающий освещение входного конца волоконного световода источником света и регистрацию прошедшего через волоконный световод излучения фотоприемником, установленным на неподвижном основании, отличающийся тем, что световой поток пропускают через щель светозащитного кожуха и освещают им входные концы и (n·m)-1 дополнительно введенных волоконных световодов, образующих жгут (n·m), через выходные концы которого, расположенные в виде матрицы, световой поток направляют на дополнительно введенные n-1 фотоприемников, установленных на неподвижном основании и образующих линейку из n фотоприемников, с которой снимают цифровой код, пропорциональный крутящему моменту, здесь n - натуральный ряд чисел, m - натуральный ряд чисел, равный или меньший 2ⁿ.2. Устройство преобразования крутящего момента, содержащее упругий вал, волоконный световод, источник света и фотоприемник, установленные на неподвижном основании, отличающееся тем, что дополнительно введены n-1 фотоприемников, n фотоприемников образуют линейку, которая установлена на неподвижном основании и ориентирована параллельно оси вала, входной кольцевой наконечник с входным окном, расположенный на одном конце вала, выходной кольцевой наконечник с выходным окном, светозащитный кожух с щелью, которая находится напротив выходного окна, расположенные на другом конце вала, (n·m)-1 волоконных световодов, n·m волоконных световодов образуют жгут, входные и выходные концы которого закреплены в соответствующих окнах, причем источник света расположен напротив входного окна, а n фотоприемников - напротив выходного окна, входные концы волоконных световодов расположены во входном окне так, что их торцы образуют единую линию, параллельную оси вала, а выходные концы расположены так, что их торцы образуют матрицу, каждая строка которой представляет собой двоичный код, причем строки матрицы ориентированы параллельно оси вала, здесь n - натуральный ряд чисел, m - натуральный ряд чисел, равный или меньший 2ⁿ.