一种车辆传动轴的无源低功耗扭矩传感器的制作方法

本发明属于传感器测量领域，具体地涉及一种车辆传动轴的无源低功耗扭矩传感器。

背景技术：

扭矩传感器在汽车、拖拉机、工程车辆等车辆领域的可靠性、耐久性测试中应用非常广泛。车辆传动轴扭矩测试主要有两个目的：第一是研究车辆的加速性能、爬坡性能和动力匹配等动力特性；第二是应用在道路载荷谱采集试验和台架疲劳试验，研究车辆的疲劳耐久性。

根据测试原理，扭矩传感器可分为应变式、转角相位差式和磁电式等。其中，应变式扭矩传感器是国内外技术最成熟、应用最广泛的一种。随着新技术的发展，近年来出现了光纤式、无线无源声表面波(saw)式、激光多普勒式等新型扭矩传感器。

然而，扭矩传感器在电源供电和信号无线传输等方面仍存在问题。

国内的无线扭矩传感器多采用电池供电、信号发信器功耗高，且体积大、安装不方便；充电式扭矩传感器供电时间短，不适用于长时间测试。国外的传感器产品包括滑环式和无线遥测式扭矩传感器，滑环式扭矩传感器因导电滑环和碳刷之间的磨损发热影响使用寿命、测量精度。除上述方式之外，旋转变压器的供电方式对现场环境的使用安装要求高；射频耦合的方式需要解决耦合效率、稳定性等问题。

目前，大多数扭矩传感器常用于机械设备的工业监控。如中国发明专利申请(申请号：201210118608.5)公开了一种应变式无线传感器，提出了扭矩-转速测试系统完善的解决方案，但无源供电的问题没有解决且通信模块的功耗相对较高，无法完成长时间测试。考虑到扭矩传感器的供电和无线传输等问题，国内没有合适的产品能够满足像拖拉机等非道路车辆在恶劣田间作业下进行长时间数据采集和动力系统故障监测。

技术实现要素：

针对上述技术问题，本发明的目的是提供一种车辆传动轴的无源低功耗扭矩传感器，能够满足汽车、拖拉机等车辆中轴类零件测试的需要，解决传感器供电、低功耗无线传输、长时间测试的问题，尤其为拖拉机田间作业载荷谱采集和故障监测提供有力工具。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种车辆传动轴的无源低功耗扭矩传感器，设置在车辆传动轴1上，该扭矩传感器包括应变片2、连接导线3、信号处理与低功耗发射模块4、蓄能器5和供电模块6。

所述应变片2沿车辆传动轴1的轴线粘贴在车辆传动轴1上；所述信号处理与低功耗发射模块4、蓄能器5和供电模块6分别固接在车辆传动轴1上；其中，信号处理与低功耗发射模块4和蓄能器5缠绕在车辆传动轴1上；所述应变片2与信号处理与发射模块4之间、信号处理与低功耗发射模块4与蓄能器5之间、蓄能器5与供电模块6之间均通过连接导线3连接。

所述供电模块6包括安装外壳7、压电材料8、离心磁力块9、电源导线10、感应线圈11和弹簧12；所述安装外壳7呈圆环状，包括两个可拆分组合的半圆环：第一半圆环a和第二半圆环b；所述第一半圆环a和第二半圆环b环绕车辆传动轴1布置，通过螺栓紧固连接在车辆传动轴1上；所述安装外壳7的内部，沿其周向均匀设有多个卡槽，每个卡槽内均布置有一组离心磁力块9和压电材料8，所述离心磁力块9和压电材料8沿安装外壳7的径向由内向外间隔一定距离依次布置；每个离心磁力块9的内端通过弹簧12与安装外壳7的内环壁连接，且在弹簧12的行程范围内，离心磁力块9能够碰击压电材料8；每个卡槽的内壁上固接一与安装外壳7的径向垂直的感应线圈11，感应线圈11环绕在离心磁力块9的外部，离心磁力块9在沿安装外壳7的径向往复运动的过程中，做切割感应线圈11产生的磁感线运动；各压电材料8之间通过电源导线10并联。

所述安装外壳7的内部设有10个卡槽。

所述连接导线3和电源导线10都为同一材质的铜丝导线。

所述压电材料8为钛酸钡或二维过渡金属碳/氮化物。

所述离心磁力块9为两端分别为n极和s极的长条形磁铁。

所述信号处理与低功耗发射模块4包括信号处理单元和低功耗信号发射器。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

1、采用“压电材料-离心磁力块-弹簧”组合发电的模式，充分利用车辆传动轴在复杂工况下转动的离心力和振动，实现了扭矩传感器的无源供电。同时，弹簧缓冲了离心磁力块运动，使供电过程更平稳，避免压电材料损伤。

2、压电材料分组布置并采用并联的连接方式，空间布置更紧凑，而且弥补了其“高电压低电流”的缺点，满足扭矩传感器的供电要求。

3、提出“供电模块-蓄能器-低功耗发射器”这种新型供电传输模式，实现了信号的无线传输，定量存储电能，缓冲脉冲电流的冲击，使系统的电量消耗降至最低，信号传输过程更加平稳。

4、从根本上解决了传统商业扭矩传感器因考虑电源、有线传输等因素，而导致测试场景受限的问题，实现了扭矩传感器在车辆传动轴上的长时间测试。

附图说明

图1是本发明的扭矩传感器在车辆传动轴1上的安装示意图；

图2是本发明的供电模块的剖面结构示意图；

图3是本发明的扭矩传感器的系统电路图。

其中的附图标记为：

1车辆传动轴2应变片

3连接导线4信号处理与低功耗发射模块

5蓄能器6供电模块

7安装外壳8压电材料

9离心磁力块10电源导线

11感应线圈12弹簧

a第一半圆环b第二半圆环

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行进一步说明。

如图1所示，一种车辆传动轴的无源低功耗扭矩传感器，设置在车辆传动轴1上。该扭矩传感器包括应变片2、连接导线3、信号处理与低功耗发射模块4、蓄能器5和供电模块6。

所述应变片2沿车辆传动轴1的轴线通过胶水粘贴在车辆传动轴1上。所述信号处理与低功耗发射模块4、蓄能器5和供电模块6分别固接在车辆传动轴1上。其中，信号处理与低功耗发射模块4和蓄能器5通过胶带紧密缠绕在车辆传动轴1上。所述应变片2与信号处理与发射模块4之间、信号处理与低功耗发射模块4与蓄能器5之间、蓄能器5与供电模块6之间均通过连接导线3连接。

其中，所述信号处理与低功耗发射模块4包括信号处理单元和低功耗信号发射器。

所述蓄能器5起到蓄电、稳压稳流的作用。

如图2所示，所述供电模块6包括安装外壳7、压电材料8、离心磁力块9、电源导线10、感应线圈11和弹簧12。所述安装外壳7呈圆环状，包括两个可拆分组合的半圆环：第一半圆环a和第二半圆环b。所述第一半圆环a和第二半圆环b环绕车辆传动轴1布置，通过螺栓紧固连接在车辆传动轴1上。所述安装外壳7的内部，沿其周向均匀设有多个卡槽，每个卡槽内均布置有一组离心磁力块9和压电材料8，所述离心磁力块9和压电材料8沿安装外壳7的径向由内向外间隔一定距离依次布置。每个离心磁力块9的内端通过弹簧12与安装外壳7的内环壁连接，且在弹簧12的行程范围内，离心磁力块9能够碰击压电材料8。每个卡槽的内壁上固接一与安装外壳7的径向垂直的感应线圈11，感应线圈11环绕在离心磁力块9的外部，离心磁力块9在沿安装外壳7的径向往复运动的过程中，做切割感应线圈11产生的磁感线运动。各压电材料8之间通过电源导线10并联。

优选地，所述安装外壳7的内部设有10个卡槽。

如图2所示，安装外壳7随车辆传动轴1旋转，所述供电模块6的发电方式有两种：一是通过离心磁力块9在旋转离心运动和振动的作用下碰击压电材料8产生电流；二是利用离心磁力块9在径向运动时被感应线圈11切割磁感线产生电流。以上产生的电流均通过连接导线3输出至蓄能器5。

所述连接导线3和电源导线10都为同一材质的铜丝导线。

所述压电材料8为钛酸钡或二维过渡金属碳/氮化物(mxene)。

所述离心磁力块9为两端分别为n极和s极的长条形磁铁。

如图3所示，为无源低功耗扭矩传感器的系统电路图。在本实施例中，包括应变片2、信号处理与低功耗发射模块4、蓄能器5、供电模块6在内的电路均按照此电路图连接。应变片2中的电阻r1、r2与信号处理与低功耗发射模块4的内置的电阻r3、r4构成惠斯通电桥的桥路；应变片2共有三路引线：信号输出+、信号输出-和信号输出公共端，分别与信号处理与低功耗发射模块4的sx+、sx-和agnd相接；供电模块6的各发电部分通过并联的方式将电能输送至蓄能器5，蓄能器5的供电正负极分别接信号处理与低功耗发射模块4的vexc+和vexc-。

本发明的工作过程如下：

在车辆传动轴1承受转矩负载的转动中，基于惠斯通桥路的电测原理，应变片2开始采集扭转应变信号并输至信号处理与低功耗发射模块4，模拟电压信号经信号放大、滤波、模数转换后，通过低功耗无线发射器发送至信号接收端。此过程中，离心磁力块9在离心力的作用下碰击压电材料8发电，并且在弹簧12作用下离心磁力块9在感应线圈11中作往复运动，产生的电能通过电源导线10流入蓄能器5。弹簧12对压电材料8受到的冲击也起到一定保护作用。然后，在蓄能稳流后将电能供给应变片2和信号处理与低功耗发射模块4。在整个过程中，只要在车辆传动轴1保持一定速度的转动，供电模块6就会源源不断为系统供电，并实现信号的无线传输。

上述为本发明的最佳实施方式，但本发明的实施方式并不受上述内容的限制，其它任何在本发明的精神实质和原理下所作的改变、修改、替代、简化，均为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。