基于双通路信号校正的数字式扭矩测量装置和方法
阅读说明：本技术 基于双通路信号校正的数字式扭矩测量装置和方法 (Digital torque measuring device and method based on double-channel signal correction ) 是由 于泽元 刘成永 梁明明 秦志亮 刘晓炜 谢耘 于 2020-06-04 设计创作，主要内容包括：本发明涉及扭力测量技术领域,具体的说是一种能够有效降低施力位置干扰、精确度高的基于双通路信号校正的数字式扭矩测量装置和方法,其特征在于,设有一杆部,杆部设有两组数据采集组件,每组数据采集组件均包括对称设置在杆部两侧的A面应变传感器和B面应变传感器,每组数据采集组件向数据处理器输出一路测量数据,数据处理器对测量数据进行位置精度校准处理后,输出测力结果,本发明与现有技术相比,具有结构合理、测量精度高等显著的优点。(The invention relates to the technical field of torque measurement, in particular to a digital torque measurement device and a digital torque measurement method based on dual-channel signal correction, which can effectively reduce force application position interference and have high accuracy.)
技术领域
：本发明涉及扭力测量技术领域，具体的说是一种能够有效降低施力位置干扰、精确度高的基于双通路信号校正的数字式扭矩测量装置和方法。
背景技术
：数字式扭矩测量装置如数显扭矩扳手广泛应用于机械、汽车、造船、冶金、桥梁、化工等行业，特别对于需要施加预警力矩或需要知道当前扭矩大小的情形。国外数显扳手应用已十分普遍，但价格昂贵；国内也有企业生产数显扳手，但测量精度与可靠性相比国外产品有差距。目前国内外数显扳手大多采用惠斯通电桥的测量原理，通过电阻式应变传感器将扭矩变化转换为电信号变化，利用信号调理电路对微弱的电信号进行放大、滤波，经A/D转换后送至单片机进行处理，结合补偿参数计算出相应扭矩值，最后通过LCD显示。
现有数字式扭矩扳手上的电阻式应变传感器的粘贴位置会对扭矩测量精度造成重大影响，理论上电阻式应变传感器的粘贴位置与拧头重合时，拧头所受扭矩与电阻式应变传感器处所受弯矩相等，才能保证电阻式应变传感器所测扭矩为拧头所受扭矩，扭矩的测量不受施力点位置的影响；实际上，电阻式应变传感器粘贴位置不能与拧头重合，因此目前有以下几种解决方法。(1)在尽量靠近拧头的位置粘贴电阻式应变传感器，并通过扳手结构尺寸设计保证扳手扭矩测量误差在允许范围之内。但这种使用硬件对应变传感器两端差分放大后的AD信号来判断当前扭力值的方案，限制了应变传感器安装位置与力臂长度，只适用于应变传感器贴在杆头的套筒式扭力扳手。使部分扳手在工艺和使用场景上受到极大限制。(2)在扳手拧头与手柄之间粘贴应变传感器，通过弯矩来测量扭矩，使用特殊的惠斯通电桥，规定应变传感器粘贴方式、应变传感器间距离和应变传感器阻值，并推导其计算公式，最终推算出扭矩测量值。但这种方式对应变传感器参数、粘贴方式和位置有严格规定，芯片参数误差和结构工艺误差会直接影响最终测量准确度。
发明内容
：本发明针对现有技术中存在的缺点和不足，提出了一种能够使扭矩的测量值不受应变传感器安装位置或手柄上施力位置的影响，且实现扳手力臂长度及扭矩测量范围不受扭矩计算方法限制的基于双通路信号校正的数字式扭矩测量装置和方法。
本发明可以通过以下措施达到：
一种基于双通路信号校正的数字式扭矩测量装置，其特征在于，设有一杆部，杆部设有两组数据采集组件，每组数据采集组件均包括对称设置在杆部两侧的A面应变传感器和B面应变传感器，每组数据采集组件向数据处理器输出一路测量数据，数据处理器对测量数据进行位置精度校准处理后，输出测力结果。
本发明所述数据处理器中设有位置与精度关系校准单元以及扭力计算单元，所述位置与精度关系校准单元中存储位置L与精度P的关系函数P＝f(L)，在扭力测量过程中，通过测量数据对应位置L与精度P的关系函数P＝f(L)，快速输出扭力测量结果。
本发明所述位置与精度关系校准单元进一步依次设有位置数据和精度数据计算模块、位置与精度函数拟合模块。
本发明所述杆部的两组数据采集组件沿直线设置，为了便于安装应变传感器，可以分别在杆部两侧对应开设安装凹槽。
本发明还提出了一种基于双通路信号校正的数字式扭矩测量方法，其特征在于，在杆部任意选取两个测量点，位置与精度关系校准单元中预存利用机器学习或测试规律获取的位置信息L与精度信息P的对应关系函数P＝f(L)，用于完成当前数字式扭矩测力装置的位置与精度关系校准；使用时，通过对两个测量点监测，获得当前施力的位置数据L，通过位置与精度校准单元中存储的函数P＝f(L)，获得精度数据P，为扭力输出提供校正。
本发明中所述基于双通路信号校正的数字式扭矩测量方法，所述位置与精度函数P＝f(L)通过以下方式获得：
利用应变传感器分别采集在不施力情况下第一测量点和第二测量点的受力情况，分别记为A0和B0；任选n个不同的施力点i，其中n大于等于3，对应每个施力点i，施加不同的标准力Fij，然后分别获得在施加不同标准力Fij情况下的第一测量点和第二测量点的受力数据，其中第一测量点的受力数据记为Aij，第二测量点的受力数据记为Bij；：利用公式1及公式2获得多组位置数据Lij和精度数据Pij，
Lij＝(Aij-A0)/(Bij-B0) (1)，
Pij＝(Aij-A0)/Fij (2)；
通过所获得多组位置数据Lij和精度数据Pij，训练获得位置精度校正函数：P＝f(L)，存储函数，用于扭力计算。
本发明所述基于双通路信号校正的数字式扭矩测量方法，其中扭力通过以下措施获得：
对数字式扭矩测量装置施力，根据第一测量点和第二测量点输出的受力数据计算出本次施力位置值Ls，其中第一测量点的受力数据记为As，第二测量点的受力数据记为Bs，Ls＝(As-A0)/(Bs-B0)；计算扭矩精度，根据位置值Ls和函数P＝f(L)得到扭力精度值Ps；计算所施加扭力Ns，使用公式Ns＝(As-A0)/Ps计算出扭力值Ns。
本发明中数字式扭矩测量装置可以是数字式扭矩扳手、扭矩测量仪、扭矩扳手校准设备、具有施力或测力功能的机械手臂等。
本发明与现有技术相比，通过在数字式扭矩测量装置的杆部设置两组数据采集组件，获取两路测力数据，然后利用数字式扭矩测量装置的位置与精度校正函数P＝f(L)完成测力，硬件部分仅需四个应变传感器即可实现，电路结构复杂度低，且针对每个扳手产品，有针对性的训练或拟合获取其位置与精度校正函数P＝f(L)，保证后续测力，具有结构合理、测量精度高等显著的优点。
附图说明
：附图1是本发明的一种结构示意图。
附图2是本发明实施例1中应变传感器的连接原理图。
附图3是本发明中数据处理器的框图。
附图4是本发明中一种测力方法流程图。
附图标记：拧头(1)、拧头与杆连接处(2)、A面凹槽(3)、B面凹槽(4)、扳手杆部(5)、力臂(6)、手柄头部位置(7)、手柄中间位置(8)、手柄根部位置(9)、数据处理器(10)、数据采集单元(12)。
具体实施方式
：
本发明提供了一种能够使扭矩的测量值不受应变传感器安装位置或手柄上施力位置的影响，且实现测量装置的力臂长度及扭矩测量范围不受扭矩计算方法限制的基于双通路信号校正的数字式扭矩测量装置，下面结合附图和实施例，对本发明作进一步的说明。
实施例1：
如附图1及附图2所示，本例提供了一种基于双通路信号校正的数字式扭矩扳手，包括拧头(1)、扳手杆部(5)、数据处理机构(10)和扳手手柄(7至9之间)；拧头(1)与扳手杆部(5)在区域2进行紧固连接，数据处理器(10)在扳手杆部(5)任意位置，在扳手杆部(5)的两侧对称开设A面凹槽(3)和B面凹槽(4)，用于分别容置两个应变传感器，即每个凹槽中贴两个应变传感器；其中两个靠近拧头的应变传感器输出第一路信号CH1，两个靠近手柄的应变传感器输出第二路信号CH2；
本例中应变传感器的连接原理如图4所示，其中应变传感器A1(靠近拧头(1))和应变传感器A2(靠近手柄)在同一侧，应变传感器B1(靠近拧头)和应变传感器B2(靠近手柄)在另一侧，在应变传感器A1与应变传感器B1中间输出一路电压信号CH1，在应变传感器A2与应变传感器B2中间输出一路电压信号CH2，两侧应变传感器安装位置对称；同侧两应变传感器间距离为L；
使用时，手柄施力位置为从手柄头部(7)至手柄根部(9)之间的任意位置，以拧头(1)为原点，拧头到手柄所在直线逆时针旋转为正向施力，顺时针旋转为反向施力。
本例中数据处理器(10)安装在扳手杆部(5)靠近力臂(6)一端，负责采集数据、参数校准和扭力计算，其工作原理如图3所示，在数据采集单元(12)中4个应变传感器共输出两路电压信号量CH1和CH2(12)，使用高精度AD转换芯片将其转换为数字信号，在位置与精度关系校准单元(13)中，规定基准零点的受力数据为扳手杆部水平放置且不施力时记录的两通道数据A0、B0，实时采集的两通道数据为A、B，用于标定位置信息L和精度信息P的函数所施加的标准力为F，由A、B、A0、B0和F计算出位置信息L和精度信息P，使用公式L＝(B-B0)/(A-A0)作为位置信息L，使用公式P＝(A-A0)/F作为精度信息P，若L或p为负值说明为反向施力，则需取其绝对值。
选取同批次生产的10支扳手，每个扳手正反面各选取10个施力点，包括扳手头部(7)、扳手头部(7)与中部(8)的中心点、扳手中部(8)、扳手中部(8)与根部(9)的中心点、扳手根部(9)。以85Nm扳手为例，其量程为10Nm～85Nm，根据应变传感器特性，我们分别对各选择的施力点施加标准力17Nm、25Nm和51Nm，并分别记录其两个通道AD值A和B，再使用公式L＝(B-B0)/(A-A0)和P＝(A-A0)/F计算出共300组L和P。将每组测试数据A、B、A0、B0、L和P代入使用逻辑回归模型的训练模块，得出P与L之间的转换关系函数P＝f(L)，将公式主要参数和计算流程记录在处理器中。
在实际施力时，扭力计算单元(14)利用接收到两路信号CH1和CH2(12)及位置信息公式，算出施力点的位置信息L，根据L与P的关系函数P＝f(L)推算出精度信息P，最后实际计算得到的扭力即为N＝(A-A0)/P。
数据输出单元(15)将实时扭力值、扭力单位和其它扳手参数在LCD屏上进行实时显示，并通过wifi、蓝牙、USB等方式将数据同步上传至电脑端远程显示。
本发明在工作的过程中，通过在扳手杆部选取两个测量点，其中每个测量点均由两个对称设置在测量点两侧的应变传感器测量受力数据，每个测量点分别向位置与精度校准单元输出受力数据，在位置与精度关系校准单元中，通过计算，获取位置以及精度数据，通过选取不同位置施加不同大小的标准力，利用机器学习或测试规律获取位置信息与精度信息的对应关系，利用位置与精度函数拟合模块获得函数，完成当前扳手产品的位置与精度关系校准；此后在使用扳手的过程中，通过对两个测量点受力数据的换算，获得当前施力的位置数据，通过位置与精度校准单元中保存的函数，获得精度数据，为后续的扭力输出提供校正，以实现提高测量精度的目的。
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