扭矩传感器设计说明书

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1、扭矩测量仪设计说明书目录一、设计背景3二、设计题目与设计要求3三、扭矩测量及应变片的原理31、 扭矩测量的原理42、 应变片的原理4四、总体方案确定5五、具体方案设计51、扭矩传感器的设计62、信号的中间变换与传输73、试验数据采集系统设计10六、 测量误差分析及数据处理11七、 参考文献12八、附件1、CAD 图2、感想一、设计背景不久前，市场研究机构Darnell Group在一份报告中指出，2010年扭矩测 量仪价格预计将与现有模拟产品持平。扭矩测量仪的平均价格已经从几年前的6 美元降到了目前的3美元以下，预计2010年将跌破2美元。Darnell表示，随 着数字与模拟控制器解决方案价格

2、趋同，更多、更符合具体应用的第二代扭矩测 量仪推出，软件开发环境持续改善，以及市场更加了解扭矩测量技术等因素的推 动，扭矩测量产品生命周期的“引入”阶段接近结束，扭矩测量仪市场将迎来加 速增长。现在，中国已成为全球最大的数字式控制产品应用市场。汽车电子和工业电 子成为维持中国数字是控制器市场增长的关键推动因素。此外，监控、马达控制 和测量仪器市场的增长也对中国市场有较大贡献，特别是安全系统、马达控制、 电力机车、安全与控制以及车载娱乐系统将成为扭矩测量仪的新驱动力。扭矩传感器，分为动态和静态两大类，其中动态扭矩传感器又可叫做转矩传 感器、转矩转速传感器、非接触扭矩传感器、旋转扭矩传感器等。扭矩

3、传感器 是对各种旋转或非旋转机械部件上对扭转力矩感知的检测。扭矩传感器将扭力的 物理变化转换成精确的电信号。扭矩传感器可以应用在制造粘度计，电动（气动， 液力）扭力扳手，它具有精度高，频响快，可靠性好，寿命长等优点。二、设计题目与设计要求1、设计题目：设计一款扭矩仪及扭矩传感器。2、设计要求：1）精度高，频响快，可靠性好，寿命长；2）体积小、质量轻，便于安装使用；4）没有导电环等磨损件，可以高速长时间运行；3、使用条件：由于扭矩测量仪一般用在机器之间的传动轴上，振动大，灰尘、油雾、水污 比较多，故要求传感器封闭，只留下两个轴端在外面，工作温度在060度。三、扭矩测量及应变片的原理1、扭矩测量的

4、基本原理根据第九章相关内容。（P145146）扭矩测量的基本原理如下：电阻应变式转矩仪是根据应变原理来测量扭矩的。处于动力机械和负荷之间 的被测轴承受扭矩时产生切应力，且最大切应力发生在轴的外圆周面上，两个主 应力与轴线成45和135的夹角，因此把应变片粘贴在测点的主应力方向上测 出应变值，然后可根据下式计算扭矩：E 松 3M =64（1 + 旦）E一材料的弹性模量N/皿； D一轴的直径，m;R 一轴材料的泊松比;8测得的应变值。2、应变片传感器的原理应变式传感器是基于测量物体受力变形所产生的应变的一种传感器。电阻应 变片则是其最常采用的传感元件。它是一种能将机械构件上应变的变化转换为电 阻变

5、化的传感元件。电阻应变片的基本构造如图，它一般由敏感栅、基底、引线、盖片等组成。 敏感栅由直径为0.01-0.05mm、高电阻系数的细丝弯曲而成栅状，它实际上是一 个电阻元件，是电阻应变片感受构件应变的敏感部分。敏感栅用粘合齐将其固定 在基底上。基底的作用应保证将构件上应变准确地传递到敏感栅上去。因此它必须很薄，一般为0.03-0.06mm，使它能与试感栅牢固地粘结在一起。另外它还应有良好的绝缘性能、抗潮性能和耐热性 能。基底材料有纸、胶膜、玻璃纤维布等。纸具有柔软、易于粘贴、应变极限大 和价格低廉等优点，但耐温耐湿性差，一般工作温度低于70C下采用。为了提 高耐湿耐久性和使用温度，可浸以酚醛

6、树脂类粘合剂使用温度可提高至180C， 且时间稳定性好，适用于测力等传感器使用。胶膜基底是由环氧树脂、酚醛树脂、 聚脂树脂和聚酰亚胺等有机粘合剂制成的薄膜，胶膜基底具有比纸更好的柔性、 耐湿性和耐久性，且使用温度可达100-300Co玻璃纤维布能耐400-450C高温， 多用做中温或高温应变片基底。引出线的作用是将敏感栅电阻元件与测量电路相 连接，一般由0.1-0.2mm低阻镀锡铜丝制成，并与敏感栅两输出端相焊接。在测试时，将应变片用粘合剂牢固地粘贴在被测试件的表面上，随着试件受力变形， 应变片的敏感栅也获得同样的变形，从而使其电阻随之发生变化，而此电阻变化 是与试件应变成比例的，因此如果通过

7、一定测量线路将这种电阻变化转换为电压 或电流变化，然后再用显示记录仪表将其显示记录下来，就能知道被测试件应变 量的大小。四、总体方案确定简单地说：就是将专用的测扭应变片用应变胶粘贴在被测弹性轴上并组成应 变桥，应变桥提供电源即可测得该弹性轴受扭的电信号。将该应变信号放大后，经 低通滤波送入A/D转换，然后经单片机处理送显示屏显示其大小。这种接法可以 消除轴向力和弯曲力的干扰。1、测试系统框图、运用第二章相关知识测试系统框图2、测量电路示意框图测量电路示意图五、具体方案设计a）扭矩传感器设计根据第三章的相关内容进行扭矩传感器的设计如下:1）传感器类型：电阻应变片式传感器2）电阻应变片基本结构：3

8、）应变片的布置为提高测量灵敏度，可用4个应变片按承受的拉压应力平均分配，两个承受 拉应力的应变片R1、R3分别贴在轴的外圆0、180处并与轴线成135夹角， 两个承受压应力的应变片R2、R4分别贴在轴的外圆90、270。处并与轴线成 45夹角，（如图4所示）4个应变片组成全桥回路。（如图5所示）图4传感器及应变片位置4）传感器的安装示意图负栽设备联轴器扭矩传感器供电及信号连接 联轴器动力设笛5）传感器的技术参数：基底材料：金属薄片应变片标称电阻值：500欧姆应变片栅长度l ： 6mm敏感栅结构：圆膜栅使用温度：0800C灵敏度系数S:10.2 mv / V允许电流：（正常工作时应变片允许通过最

9、大电流）设定为25mA零点温漂：0.5 % /C电源电压：+15V5%, -15V5%扭矩示值误差：土 0.5 % F S非线性：0.25 % FS重复性：0.2% FS回差：0.2 % F S零点温漂：0.5 % /C输出阻抗：1K Q 3 Q绝缘阻抗：500M。静态超载：120 %断裂负载：200 %使用温度：060C储存温度：一2070C总消耗电流：130mA频率信号输出：5KHz 15KHz负额定扭矩：5KHz10Hz零扭矩：10KHz10Hz正额定扭矩：15KHz10Hz2、信号的中间变换与传输由汽车试验学第四章的内容进行相关信号的变换与传输设计1）测量电桥由上所述，4个电阻应变片组

10、成测量电桥，全桥回路如下图（图5）所示。2）电桥输出方式参考第九章（P146）相关内容。选择电桥信号的输出方式为旋转变压器无线 接触感应式。（如下图所示）图3旋转变压器无接触感应式输出W1、W2是固定在轴上的两个变压器线圈并随着轴旋转，组成供桥输入的变 压器；W3、W4是固定在传感器壳体上的两个变压器线圈，组成信号输出的变压 器，侧扭矩时，线圈W4两端会有电信号输出。3）放大电路设计选择三运放高共模抑制比放大电路下图所示电路是目前广泛应用的高共模抑制比放大电路。三运放高共模抑制比放大电路该电路由三个集成运算放大器组成，其中U1,U2为两个性能一致（只要是 指输入阻抗、共模抑制比和增益）的同向输

11、入通用集成运算放大器，构成平衡对 称（或称同向并联型）差动放大输出级，U3构成双端输入单端输出的输出级， 用来进一步抑制U1,U2的共模信号，并适应接地负载的需要。R6这种电路由气U1，屈2的隔离作用，输出级的外部电阻可以取得较小，有利 于提高电阻的匹配精度，提高整个电路的共模抑制比。电路中在U3的。输入端4E325R5接入R7,R8和RP共模补偿电路，R3通过调节RP，则可祐偿甫阻的不对称，获得更 高的共模抑制比。4）沪12支电路设计本设计的电压信号是直流信号，频率比较低，只有几到几十赫兹，而干扰主 要是外界的高频干扰信号，所以滤波电路采用两级的无源RC低通滤波电路。电 路图下图所示。R1n

12、TEZ75kR21 I U。150 kC20.1uFC10.1uFRC低通滤波电路的回路电压为匕一 庭J增益为J1 +（知c），辞5玄兀=截止频率 ，me电路中取第一级滤波电路截止频率为f=20 Hz，根据公式取R1=150,C = 0.1|1 F1；取第二级滤波电路截止频率为f2 = 10HZ，根据公式取R2=15kQ，c = o.m f23、实验数据采集系统设计参考课本第5章的相关内容，进行数据采集系统的设计。1）硬件部分设计:数据采集部分采用多路开关方式进行。设计又8个模拟数据采集通道和一个 数字数据采集通道。整体硬件框图如下2）软件部分设计:韧始化E戏位否键按F?1JUK位/有门狗唯醒

13、模拟电路断电等待信号检定模投电路供电计算并更改8示i按雄唤墨r洗八体眠模式键处理六、测量误差分析及数据处理根据课本第一章相关内容，进行扭矩测量仪的误差分析和数据处理。1、误差分析：1）温度变化造成的误差温度变化时，零点会有变化，其次在被应力不变的情况下，不同温度条件将 可能有不同的输出。前者称为温度引起的零点漂移，而后者称为灵敏度漂移。引起零点漂移的原因主要有应变片粘贴的好坏，应变片材料的不均匀，所选 应变片的电阻温度特性不一致等。由上述原因造成的零点漂移，在测量桥配好以 后，往往具有固定的方向性，可采用简单的方法，在相应的桥臂中串入一个由较 大温度系数材料制成的电阻来进行补偿。引起灵敏度漂移

14、的主要原因是弹性体材料的弹性模数随温度的变化，应 变片灵敏系数随温度的变化、弹性元件热膨胀系数变化及热膨胀各向异性等 因素。正确的补偿为在桥路进行实际灵敏度漂移的测量，然后根据漂移的正 或负方向、大小来确定补偿方法及补偿量。常用的方法有改变供桥稳压电源 输出值或在电路中串、并联电阻等。2）联轴器和受力轴的振动引起的误差联轴器和受力轴的振动会使接触电阻阻值发生变化，会使得传感器桥路 输出信号上叠加一个交变信号，此交变分量可用二阶低频滤波器来消除。2、数据处理：1）有效数字的确定：正确地确定有效数字是数据处理的基础，它将直接影响实验结果的准确 度；2）可以数据的剔除：采用格拉布斯准则对可以数据进行剔除，使得结果更可靠；3）采用列表法和图示法将实验结果表示出来。七、参考文献【1】赵立军 白欣 编著 汽车试验学北京大学出版社【2】丁元杰编著单片微机原理与应用机械工业出版社【3】郁有文编著传感器原理及工程应用西安电子工业大学出版社【4】李中发编著电子技术中国水利水电出版社【5】商维绿编著现代扭矩测量技术上海交大出版社