申请/专利权人：南京拓科电子有限公司

申请日：2018-02-01

公开（公告）日：2024-04-16

公开（公告）号：CN108593163B

主分类号：G01L3/10

分类号：G01L3/10

优先权：

专利状态码：有效-授权

法律状态：2024.04.16#授权;2018.10.26#实质审查的生效;2018.09.28#公开

摘要：本发明公开了一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，包括检测传感器发射极、圆柱体、引出线、外壳套、接收传感器、金属轴、第二轴承与第一轴承，所述检测传感器发射极包括检测传感器与发射极，所述外壳套的两端设有圆柱体，所述圆柱体延伸至外壳套的内部，所述圆柱体与外壳套两端之间分别通过第一轴承与第二轴承固定，所述外壳套的内部设有金属轴，所述圆柱体贯穿于金属轴，所述第二轴承与金属轴之间的外壳套的内壁设有检测传感器发射极，本发明具有较宽量程，高精度，不存在接触摩擦，较低的功耗，相对低廉的成本，以光电检测金属形变实现力矩信号输出，金属结构，电路，及软件，简单，可靠。

主权项：1.一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，包括检测传感器和发射极（1）、圆柱体（2）、引出线（3）、外壳套（4）、接收传感器（5）、金属轴（8）、第二轴承（7）与第一轴承（6），所述检测传感器和发射极（1）包括检测传感器（101）与发射极（102），所述外壳套（4）的两端设有圆柱体（2），所述圆柱体（2）延伸至外壳套（4）的内部，所述圆柱体（2）与外壳套（4）两端之间分别通过第一轴承（6）与第二轴承（7）固定，所述外壳套（4）的内部设有金属轴（8），所述圆柱体（2）贯穿于金属轴（8），所述第二轴承（7）与金属轴（8）之间的外壳套（4）的内壁设有检测传感器和发射极（1），所述第一轴承（6）与金属轴（8）之间的外壳套（4）的内壁设有接收传感器（5），所述检测传感器（101）、发射极（102）与接收传感器（5）组成了光电传感器，所述外壳套（4）外壁中间设有引出线（3）；所述金属轴（8）在靠近检测传感器和发射极（1）的边缘的一周设有间隔均匀的小孔，此时金属轴（8）为金属轴A（20）；或所述金属轴（8）在靠近检测传感器和发射极（1）的边缘处开有一圈间隔均匀的凹槽为金属轴B（21），此时金属轴8为金属轴B（21）；当所述金属轴（8）在靠近检测传感器和发射极（1）的边缘的一周设有间隔均匀的小孔时，所述金属轴A（20）包括检测截止点A（201）、检测开始点A（202）、发射截止点A（203）与发射开始点A（204），所述检测传感器和发射极（1）一端的金属轴A（20）的小孔内设有相匹配的小孔霍尔传感器；当小孔霍尔传感器检测到金属轴A（20）的检测开始点A（202）时，光电传感器的发射极（102）开始发射一个脉冲，当小孔霍尔传感器检测到金属轴A（20）的检测截止点A（201）时，发射极（102）结束脉冲发射，此时一个完整的脉冲信号T完成，另一端接收传感器（5）接收到一个光信号T2，此时传递信号量为T=T2；当圆柱体（2）受到扭力作用发生扭曲时，金属轴A（20）也会发生扭曲形变，会遮挡部分脉冲信号，此时TT2，根据这一变化量来进行力矩测量；当所述金属轴（8）在靠近检测传感器和发射极（1）的边缘处开有一圈间隔均匀的凹槽时，所述金属轴B（21）包括检测截止点B（211）、检测开始点B（212）、发射截止点B（213）与发射开始点B（214），所述检测传感器和发射极（1）一端的金属轴B（21）的齿槽内设有相匹配的齿槽霍尔传感器；当齿槽霍尔传感器检测到金属轴B（21）的检测开始点B（212）时，光电传感器的发射极（102）开始发射一个脉冲，当齿槽霍尔传感器检测到金属轴B（21）的检测截止点B（211）时，发射极（102）结束脉冲发射，此时一个完整的脉冲信号T完成，另一端接收传感器（5）接收到一个光信号T2，此时传递信号量为T=T2；当圆柱体（2）受到扭力作用发生扭曲时，金属轴B（21）也会发生扭曲形变，会遮挡部分脉冲信号，此时TT2，根据这一变化量来进行力矩测量。

全文数据：一种光电检测金属轴形变力矩传感器技术领域[0001]本发明涉及力矩传感器技术领域，尤其涉及一种光电检测金属轴形变力矩传感器。背景技术[0002]目前市场上的汽车自动变速箱扭矩检测，汽车方向机助力系统，电动助力自行车力矩一般安装有力矩传感器，现有的力矩传感器其主要包括：曲柄、与曲柄相固连的主动部件，以及与主动部件平行设置的被动部件，所述被动部件与主动部件弹性连接且可相对转动，主动部件和被动部件上分别设有数个主动磁组件和数个被动磁组件，所述力矩传感器还包括与两组磁组件主动磁组件和被动磁组件感应的两个霍尔兀件，以米集彳目号，两霍尔元件是排列在PCB板上的。但经过长期的实验证明，上述力矩传感器的霍尔元件采集的信号强度较弱，结构复杂、反应不可靠、精度差，成本高、存在摩擦等缺陷。发明内容[0003]鉴于此，本发明提供了一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，包括检测传感器发射极、圆柱体、引出线、外壳套、接收传感器、金属轴、第二轴承与第一轴承，所述检测传感器发射极包括检测传感器与发射极，所述外壳套的两端设有圆柱体，所述圆柱体延伸至外壳套的内部，所述圆柱体与外壳套两端之间分别通过第一轴承与第二轴承固定，所述外壳套的内部设有金属轴，所述圆柱体贯穿于金属轴，所述第二轴承与金属轴之间的外壳套的内壁设有检测传感器发射极，所述第一轴承与金属轴之间的外壳套的内壁设有接收传感器，所述检测传感器、发射极与接收传感器组成了光电传感器，所述外壳套外壁中间设有引出线。[0004]对本发明的进一步描述，所述金属轴的中心穿过圆柱体，所述金属轴靠近边缘的一周设有间隔均匀的小孔为金属轴A，也可在金属轴边缘处开有一圈间隔均匀的凹槽为金属轴B。[0005]对本发明的进一步描述，所述金属轴A包括检测截止点A、检测开始点A、发射截止点A与发射开始点A。[0006]对本发明的进一步描述所述，所述金属轴B包括检测截止点B、检测开始点B、发射截止点B与发射开始点B。[0007]对本发明的进一步描述，所述检测传感器发射极一端的金属轴A的小孔内设有相匹配的小孔霍尔传感器，所述检测传感器发射极一端的金属轴B的齿槽内设有相匹配的齿槽霍尔传感器，所述齿槽霍尔传感器或小孔霍尔传感器与与其对应的金属轴相同。[000S]采用上述技术方案，具有如下有益效果：利用霍尔传感器、圆柱体包及金属轴包括金属轴A与金属轴B来实现力矩检测，本发明具有较宽量程，高精度，不存在接触摩擦，较低的功耗，相对低廉的成本，以光电检测金属形变实现力矩信号输出，金属结构，电路，及软件，简单，可靠。附图说明[0009]图1为本发明的结构示意图；图2为本发明的金属轴A的侧面结构示意图；图3为本发明的金属轴B的侧面结构示意图；图4为本发明的检测传感器发射极主视结构示意图；图5为本发明的检测传感器发射极侧视结构示意图；图6为本发明的接收传感器主视结构示意图；图7为本发明的接收传感器侧视结构示意图；图8为本发明的电路原理示意图；图9为本发明的工作波形检测霍尔波形、发射波形、无扭力接收波形与有扭力接收波形示意图；1-检测传感器发射极;2-圆柱体;20-金属轴A;21-金属轴B;201-检测截止点A;202-检测开始点A;203-发射截止点A;204-发射开始点A;211-检测截止点B;212-检测开始点B;213-发射截止点B;214-发射开始点B;3-引出线;4-外壳套;5-接收传感器;6-第一轴承;7-第二轴承。具体实施方式[0010]下面结合附图对本发明做进一步说明。[0011]如图1至图7所示的一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，包括检测传感器发射极1、圆柱体2、引出线3、外壳套4、接收传感器5、金属轴8、第二轴承7与第一轴承6,所述检测传感器发射极1包括检测传感器101与发射极102,所述外壳套4的两端设有圆柱体2,所述圆柱体2延伸至外壳套4的内部，所述圆柱体2与外壳套4两端之间分别通过第一轴承6与第二轴承7固定，所述外壳套4的内部设有金属轴8,所述圆柱体2贯穿于金属轴8，所述第二轴承7与金属轴8之间的外壳套4的内壁设有检测传感器发射极1，所述第一轴承6与金属轴8之间的外壳套4的内壁设有接收传感器5,所述检测传感器101、发射极102与接收传感器5组成了光电传感器，所述外壳套4外壁中间设有引出线3。[0012]对本发明的进一步描述，所述金属轴8的中心穿过圆柱体2,所述金属轴8靠近边缘的一周设有间隔均匀的小孔为金属轴A20,也可在金属轴8边缘处开有一圈间隔均匀的凹槽为金属轴B21。[0013]对本发明的进一步描述，所述金属轴8分为金属轴A20与金属轴B21。[0014]对本发明的进一步描述，所述金属轴A20包括检测截止点A201、检测开始点A202、发射截止点A203与发射开始点A2〇4。[0015]对本发明的进一步描述所述，所述金属轴B21包括检测截止点B211、检测开始点B212、发射截止点B213与发射开始点B214。[0016]对本发明的进一步描述，所述检测传感器发射极1一端的金属轴A20的小孔内设有相匹配的小孔霍尔传感器，所述检测传感器发射极1一端的金属轴B21的齿槽内设有相匹配的齿槽霍尔传感器，所述齿槽霍尔传感器或小孔霍尔传感器与与其对应的金属轴8相同。[0017]当霍尔传感器检测到金属轴A20或者金属轴B21开始时，光电传感器发射端开始发射一个脉冲，当霍尔传感器检测到金属轴A20或者金属轴B21结束边缘时，光电传感器发射端结束脉冲发射。此时完整的一个脉冲信号T完成，另一端接收传感器5接收到一个光电信号T2，此时传递信号量为T=T2，当金属轴受到扭力作用发生扭曲时，金属轴A20或者金属轴B21会有一定的扭曲形变，故此会遮挡一部分信号，这时TT2。扭矩越大形变也就越大，遮挡的信号也就越多。从而得到真实可靠的力矩信号。[0018]如图8所示，检测传感器101上电建立稳定电源后，霍尔传感器伺机状态开始检测金属轴A20或者金属轴B21，当检测到小孔或者齿槽时，上传至MCU，MCU发出发射指令，发射极102发射，接收装置接收信号。接收到信号后，经过一个反相器滤除正常信号，得到一个减除接收端接收的信号，就是当前金属轴A20或金属轴B21所承受的力矩信号。[0019]考虑到M⑶的计算速度，在半个工作周期里，不能快速做出接收霍尔信号，发射光电，及接收扭力信号，可以巧妙的将霍尔传感器与发射极102串接，由波形图可以看到，当霍尔传感器为低电平时，发射极102为高电平，这样可以节省MCU—个监控资源。[0020]为有效提高扭力检测精度，可以将一个完整霍尔信号，分解成N个发射信号，（如：在一个霍尔周期内分成100个发射信号，接收到100个信号为0扭力，接收到的信号单位越小则扭力越大，以此类推）。[0021]本发明具备两个识别力矩信号的方式：在一个霍尔信号里只传递一个信号，由于金属轴A20或者金属轴B21扭曲形变会遮挡一部分信号，传递过程会有信号丢失，最直接表现是这个信号的时间发生了变化，这个变化量就是力矩实际读值变化量;在一个霍尔信号里传递N个信号，由于金属轴A20或者金属轴B21扭曲形变会遮挡一部分信号，传递过程会有信号丢失，最直接表现是这个信号的个数发生了变化，这个变化量就是力矩实际读值变化量。[0022]MCU反向技术设置，由于接收到的信号是由大变小，输出的力矩信号是由小变大，只有将接收的信号做反向处理才能符合输出逻辑。[0023]力矩值计算，方案力矩计算方法一：发射信号=N接收信号=N2力矩值=1_N-N2。[0024]方案力矩计算方法二:发射信号=T接收信号=T2力矩值=1-T-T2。[0025]在测量不同力矩时，金属轴A20或者金属轴B21结构可以加长或是缩短，具体按金属轴A20或者金属轴B21大形变应力决定。[0026]实施例一，具体工作流程在发射极102—端金属轴A20有小孔霍尔传感器，与其并排的发射极102,两者之间的距离刚好与金属轴A20的间距同步，当霍尔传感器检测到金属轴A20开始边缘时，光电传感器发射端开始发射一个脉冲，当霍尔传感器检测到金属轴A20结束边缘时，发射极102束脉冲发射。此时完整的一个脉冲信号T完成，另一端接收传感器5接收到一个光电信号T2。此时传递信号量为T=T2。当圆柱体2受到扭力作用发生扭曲时，金属轴A20会有一定的扭曲形变，故此会遮挡一部分信号，这时TT2。接收传感器5—直处在接收的状态。[0027]实施例二，具体工作流程在发射极102—端金属轴B21有齿槽霍尔传感器，与其并排的发射极102,两者之间的距离刚好与金属轴B21的间距同步，当霍尔传感器检测到金属轴B21开始边缘时，发射极102开始发射一个脉冲，当霍尔传感器检测到金属轴B21结束边缘时，发射极102束脉冲发射。此时完整的一个脉冲信号T完成，另一端接收传感器5接收到一个光电信号T2。此时传递信号量为T=T2。当圆柱体2受到扭力作用发生扭曲时，金属轴B21会有一定的扭曲形变，故此会遮挡一部分信号，这时TT2。接收传感器5—直处在接收的状〇[0028]图9为本发明的工作波形检测霍尔波形、发射波形、无扭力接收波形与有扭力接收波形示意图；利用霍尔传感器、圆柱体2包及金属轴8来实现力矩检测，本发明具有较宽量程，高精度，不存在接触摩擦，较低的功耗，相对低廉的成本。[OOf]以上描述了本发明的基本原理和主要特征，本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内，发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

权利要求：1.一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，包括检测传感器发射极（1、圆柱体⑵、引出线⑶、外壳套⑷、接收传感器⑸、金属轴⑻、第二轴承⑺与第一轴承⑹，所述检测传感器发射极1包括检测传感器101与发射极（1〇2，所述外壳套4的两端设有圆柱体2，所述圆柱体2延伸至外壳套4的内部，所述圆柱体2与外壳套4两端之间分别通过第一轴承6与第二轴承7固定，所述外壳套4的内部设有金属轴8，所述圆柱体⑵贯穿于金属轴⑻，所述第二轴承⑺与金属轴⑻之间的外壳套⑷的内壁设有检测传感器发射极（1，所述第一轴承6与金属轴8之间的外壳套4的内壁设有接收传感器5，所述检测传感器101、发射极（102与接收传感器5组成了光电传感器，所述外壳套4外壁中间设有引出线3。2.根据权利要求1所述的一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，所述金属轴8的中心穿过圆柱体2，所述金属轴8靠近边缘的一周设有间隔均匀的小孔为金属轴A20，也可在金属轴⑻边缘处开有一圈间隔均匀的凹槽为金属轴B21。3.根据权利要求1所述的一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，所述金属轴⑻分为金属轴A20与金属轴B21。4.根据权利要求1所述的一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，所述金属轴A20包括检测截止点A2〇1、检测开始点A202、发射截止点A203与发射开始点A204。5.根据权利要求1所述的一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，所述金属轴B21包括检测截止点B211、检测开始点B212、发射截止点B213与发射开始点B214〇6.根据权利要求1所述的一种光电检测金属轴形变力矩传感器，其特征在于，所述检测传感器发射极1一端的金属轴A20的小孔内设有相匹配的小孔霍尔传感器，所述检测传感器发射极（1一端的金属轴B21的齿槽内设有相匹配的齿槽霍尔传感器，所述齿槽霍尔传感器或小孔霍尔传感器与与其对应的金属轴8相同。

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