[实用新型]基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统

说明书

技术领域

本实用新型涉及一种扭矩测量装置，更具体的是涉及一种基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统。 

背景技术

扭矩测量技术得到了人们的高度重视而成为测试领域发展较快的学科，在工业、航天、军事等多个领域都获得了广泛的应用。例如在钻井过程中使用扭矩传感器，通过对扭矩参数的测量能正确指导工程施工，有利于快速发现油气显示和提高钻井效率；EPS系统中的电子控制单元通过接收到的转向盘扭矩信号，控制电机电流产生合适的助力；直接测量隔离开关主闸刀的合闸力矩值，以指导和控制隔离开关的机械性能调试。 

目前在扭矩测量中，市场上较成熟的扭矩传感器主要是应变式和磁电式。应变式扭矩传感器以电阻应变片为敏感元件，通过在转轴或与转轴串接的弹性轴上安装四片精密电阻应变片，并连接成惠思顿电桥，扭矩使轴的微小变形引起应变阻值发生变化，电桥输出的信号与扭矩成比例。传感器具有体积小重量轻等优点，不足之处是信号的传输易受干扰且损耗较大，导致测量精度不是很高；磁电式扭矩传感器通过磁电感应获取扭矩信号，传感器输出信号的本质是两路具有相位差的角位移信号，对信号进行组合处理后得到转矩信息，它是非接触式传感器，无磨损、无摩擦，可用于长期测量，不足之处是体积大，不易安装。 

发明内容

本实用新型提供了一种基于FPGA的感应移相式扭矩测量系统，由新型感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的中央数字处理器组成。感应移相式扭矩传感器主要包括传感器轴、支架一、支架二、励磁铁心及绕组、输出铁心及绕组、输出绕组外接电容及电阻、补偿绕组和防尘盖，其中支架一与传感器轴的左端 为一体化设计。通过合理匹配输出绕组外接电容和电阻的值，传感器能够将负载扭矩转换成两路电信号输出，且两路电信号的相位差和与负载扭矩相对应。基于FPGA的中央数组处理器对两路信号进行处理，通过高频脉冲插值和计数的方式，实现输入两路信号相位差的获取，经过标定后，最终将两路信号的相位差转化为负载扭矩值。 

本实用新型的目的采取下述技术方案实现： 

一种基于现场可编程门阵列(FPGA)的感应移相式扭矩测量系统，由感应移相式扭矩传感器和基于FPGA的中央数字处理器组成，其中感应移相式扭矩传感器包括： 

传感器轴，分为左、中、右三段，中间段的直径小于传感器轴左端部分的直径和右端部分的直径，传感器轴左端部分的直径小于右端部分的直径； 

支架一，与传感器轴的左端为一体式设计，支架一的圆形壳体与传感器轴同轴心； 

支架二，与传感器轴的右端固定，与传感器轴的左端通过轴承隔离，支架二可以相对于传感器轴的左端转动，支架二的圆形壳体与传感器轴同轴心； 

励磁铁心，同轴心的固定在支架一圆形壳体的内侧，励磁铁心设有绕组槽，励磁绕组和补偿绕组嵌放在励磁铁心的绕组槽中，励磁绕组和补偿绕组同为单相绕组，且励磁绕组的轴线和补偿绕组的轴线在空间上相互垂直； 

输出铁心，同轴心的固定在支架圆形壳体二的外侧，输出铁心设有绕组槽，输出绕组嵌放在输出铁心的绕组槽中，输出绕组为两组，同为单相绕组，且两组输出绕组的轴线在空间上相互垂直； 

防尘盖，与支架一圆形壳体的右端固定，中间设有圆孔，传感器轴的右端从防尘盖中间的圆孔中穿出； 

励磁铁心和输出铁心之间存在很小的空气隙； 

励磁绕组内为交流电，形成的磁场为脉振磁场，补偿绕组为直接短路的方式连接； 

两组输出绕组中的一组单相绕组与可调电容器串接，另一组单相绕组与可调电阻器串接，之后两组单相绕组再并联后引出； 

励磁绕组的轴线与两组输出绕组的轴线，两者初始位置在空间上错开45度 角； 

分别与两相输出绕组串接的电容值C和电阻值R需满足约束条件ωRC＝1，其中ω为励磁交流电的角频率； 

支架一和支架二由硬质铝合金制成，励磁铁心和输出铁心采用高磁导率的铁镍软磁合金片或高导磁性硅钢片冲剪叠压构成，励磁绕组、补偿绕组和输出绕组均采用直焊性聚氨酯漆包圆铜线； 

与扭矩传感器相配套的基于FPGA的中央数字处理器，包括整形模块和数字处理模块，整形模块对传感器输出绕组的电压信号和励磁绕组的电压信号进行处理，转换成两路对应的方波电信号，两路方波电信号存在一定的相位差，且该相位差与传感器轴所加载的扭矩存在对应关系，经过数字处理模块处理后，可以获得精确的相位差值；