Устройство для измерения параметров деформации вращающегося вала Советский патент 1984 года по МПК G01L3/12 

2. Устройство по п. 1, отличающееся тем, что чувствител ный элемент вьлполнен в виде попарно расположенных в диаметрально противойоложйых точках поверхности вала элетромагнитных преобразователей с возбуждающими и измерительными обмотками, выполненными в виде размещенных одна над другой и разделенных диэлектрической пленкой идентичных печатных структур, каждая из которых представляет собой пару одинаковых спиральных катушек индуктивности, вытянутых в длину и ориентированных под углом ЭО одна к другой и под углом 45 к оси вращения вала.

3. Устройство по nij. 1 и 2, о т личающеес я тем, что, с целью повышения точности измерения крухящего 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 личающееся тем, что, с целью повышения точности измерения изгибающего момента, в каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательн согласно, а сами преобразователи дифференциально.

5.Устройство по ПП.1 и 2, о т личающееся тем, что, с ues лью повышения точности измерения осевой нагрузки в каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательно согласно., а сами преобразователи последовательно.

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.

Изобретение относится к силоизмерительной технике и может быть использовано для измерения и бесконтактной передачи информации с вращающегося вала о действующих на него крутящем моменте, изгиба ощем моменте и осевой нагрузке. Известно устройство для измерения деформации на вргицающихся деталях, содержащее измерительный мост, устач новленный на вращающейся детали, кон тактный токосъемник, источник питани и измерительную схему 1. Однако это устройство не обеспечи вает требуемой, точности измерения. Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемс 1у результату является устройство для измерения параметров деформации вращающегося вала, содержащее расположенные на валу и последовательно свя занные чувствительный элемент и усир1итель, фотоэлектрический узел перерачи информации с вала, состоящий из установленного на валу источника све та, связанного с выходом усилителя, и неподвижного фотоприемника, и источник питания 2. Недостатками известного устройств являются низкая точность и надежност передачи информации с вращающегося вала, деформации при сложном нагруж.ении вала. Пелью изобретения является повышение точности и надежности передачи информации с вращающегося вала, а также повышение точности измерения крутящего момента, изгибающего момента и осевой нагрузки. Указанная цель достигается тем, что в устройстве для измерения параметров деформации вращающегося вала, содержащем расположенные на валу и последовательно связанные чувствительный элемент и усилитель, фотоэлектрический узел передачи информации с вала, состоящий из установленного на валу источника света, связанного с выходом усилителя, и неподвижного фотоприемника, и источник питания, введены фотоэлектрический узел : подачи питания на вал, причем фотоэлектрические узлы выполнены в виде ойтронных 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 фотоэлектри -. ческого узла подачи питания на вал неподвижен и связан с источником :питания, а фотоприемник расположен на валу и соединен со входами питания усилителя и чувствительного элемента. Кроме того чувствительный элемент выполнен в виде попарно расположенных в диаметрально противоположных точках поверхности вала электромагнитных преобразователей с возбуждающими и измерительными обмотками, выполненными в виде размещенных одна над другой и разделенных диэлектрической пленкой идентичных печатных структур, каждая из которых представляет собой пару одинаковых спиральных катушек индуктивности, вы тянутых в длину и ориентированных под УГЛОМ; 90 одна к другой и под углом 45° к оси вращения вала. При этом, в каждом электромагнитном преобразователе катушки возбужда ющей обмотки соединены между собой последовательно согласно, катушки измерительной обмотки - последовательно встречно, а сами преобразова тели - последовательно. В каждом электромагнитном преобразователе катушки возбуждающей и из мерительной обмоток соединены между собой последовательно согласно, а сами преобразователи - дифференциально. В каждом электромагнитном преобра зователе катушки возбуждакяцей и изме рительной обмоток соединены между со бой последовательно согласно, а сами преобразователи - последовательно. На фиг, 1 изображена конструктивная схема предлагаемого устройства; на фиг. 2 - электрическая схема устройства для случая измерения крутящего момента. Устройство для измерения параметров деформации вращающегося вала 1 (фиг. 1) содержит неподвижный источник 2 питания (фиг. 1 и 2), представ ляющий собой генератор переменного напряжения, фотоэлектрический узел подачи питания на вал и фотоэлектрический узел передачи информации с вала, выполненные в виде оптронных .матриц, состоящих соответственно из источников 3 и 4 света и фотоприемников 5 и 6, расположенные на валу и последовательно связанные чувствител ный элемент 7 и усилитель 8. Источник света и фотоприемник каждой из оптронных матриц состоит не менее чем из двух идентичных светоизлучающих и фотоприемных элемен-. тов. Источник 3 света фотоэлектрическо го узла подачи питания на вал установлен неподвижно и связан с источНИКОМ 2 питания, а фотоприёмник 5 этого узла установлен на валу и соединен со Входами питания усилителя 8 и чувствительного элемента 7. Источник 4 света фотоэлектрическо го узла передачи информации с вала установлен на валу и связан с выходо усилителя 8, а фотоприемник б этого узла неподвижен. Источник света 3 может быть вьтол неп в виде лазера 9 и пучка 10 свето 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 обеспечить непрерывную подачу энергии на 1 аждый фотоприемник элемент 11 фотоприе1 ника 5.Фотоприемные элементы 11 представляют собой лавинные фотодиоды, характеризующиеся высоким коэффициентом фотоэлектр 1ческого преобразования и приемлемой величиной отношения сигнал/шум. Фотодиоды 11 соединены последоварельно-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 фотопрйемники 5 и б. Например, при увеличении расстояния между излучателем 12 и фотоприемным элемен,том 14, расстояние между излучателем 13 и фотоприемным элементом 15 уменьшается. Вследствие этого увеличение рассеяния и потерь света в первом случае скомпенсируется умень- j .шением их во втором. Кроме того, все излучающие элементы (10, 12 и 13) имеют размеры, отличающиеся (больше или меньше) от линейных размеров входной апертуры соответствующих фотоприемных элементов (11, 14 и 15) на величину А 2L tg(ct+p)., где L - расстояние между излучающим и фотоприемным элементом, - угловая величина биения вала; f - угловая расходимость пучка лучей излучательного элемента (не показана) J: Это необходимо для того, чтобы освещенность фотоприемных элементов не зависела от изгибов и биений вала. Например, при биении вала и отклонении его мгновенной оси вращения а-а от основной оси Ь-6 (фиг. 1) на гол oL г максимальное смещение излучаеля 12 относительно фотоприемного лемента 14 составляет величину 2L tgot, а при учете расходимости учка лучей излучателя - 2L tg(ct+/3) Усилитель 8 представляет собой тандартную монолитную или гибридую микросхему, предназначенную для силения переменного или ит.-.пульсного апряжения малой величины (десяткиотни мВ) . Чувствительный элемент 7 для неметаллического вала выполнен в виде тензомоста, а для металлического в виде набора электромагнитных преобразователей 16, каждый из которых состоит из четырех спиральных вытянутых в длину индуктивных катушек 17 - двух возбуждающих и двух соосных им измерительных. Каждый преобразователь выполнен в виде двухслой ной тонкопленочной интегральной схемы (на фиг. 1 сплошной линией показаны возбуждакжчие катушки, пунк тирной - измерительные). Преобразователи 16 выполняют в едином технологическом цикле на гиб кой диэлектрической подложке 18 . вместе с печатным монтажом, служащи для соединения элементов устройства расположенных на микросборку. Микро сборка может быть как в бескорпусном, так и в корпусном исполнении. Интегральная технология изготовления катушек позволяет добиться вы сокой 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 боль шую плотность намотки (до 50 витков на 1 мм). Кроме того, интегральная технология обеспечивает высокую пов торяемость электрических параметров катушек (до 0,001%), что крайне необходимо при их дифференциальном соединении. Вытянутые в длину катушки чувств тельны к составляющей тензора напря жений, действующей параллельно их длинной оси, вследствие проявления электроупругого эффекта в неферромагнитном и магнитоупругого эффекта в ферромагнитном материале вала. В каждом преобразователе пары соосных катушек (возбуждающая и изм рительная) расположены под углом : 90° одна к другой и под углом 45 к оси вращения вала. При измерении крутящего момента в каждом преобразователе катушки возбуждающей обмотки соединены межд собой последовательно согласно, катушки измерительной обмотки - после довательно встречно, а сами преобра зователи - последовательно. При измерении изгибакяцего момента в каждом преобразователе катушки воз буждающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательн согласно, а сами преобразователи дифференциально. При измерении осевой нагрузки на .вал в каждом преобразователе каТушки возбужд ающей и измерительной обмоток соединены между собой последовательн согласно, а сами преобразователи последовательно. 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 возбуждаклцие 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, другие в плоскости сжатия. Напряжения, измеряемые взаимоперпендикулярными ка- v тушками, 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 измерительных катушках. Вызванные изгибающим моментом напряжения не будут одина| рвы для обеих пар взаимно лерпендикулярных катушек ни по величине, ни по знаку. По-j этому для компенсации влияния изгибакяцего 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 согласие, измерительные - также со ласно, можно получить полную компенсацию влияния крутящего момента. Действительно, диаметрально противоположно расположенные на поверхности вала преобразователи чувствуют только напряжения от

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 преобразоватеЛей 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 попгщает на каждый фотоприемный элемент 14 и 15 п раз за оборот вала, где п число излучателей 12 и 13. Вследствие этого он оказывается модулированным

по частоте с частотой модуляции, кратной числу оборотов вала 1.

Регистрация амплитуды и частоты выход юго сигнала устройства осуществляется вольтметром переменного на- . (Пряжения и частотомером (не показаны)

Использование в устройстве фотоэлектрических уэлов подачи питания на вал и передачи информации с вала, выполненных в виде оптронных матриц, позволяет повысить точность и надежнЪсть 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.

Фиг. 2