扭矩傳感器設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)

1、 扭矩測(cè)量?jī)x設(shè)計(jì)說(shuō)明書(shū)目錄一、設(shè)計(jì)背景3二、設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)要求3三、扭矩測(cè)量及應(yīng)變片的原理31、扭矩測(cè)量的原理42、應(yīng)變片的原理4四、總體方案確定5五、具體方案設(shè)計(jì)51、扭矩傳感器的設(shè)計(jì)62、信號(hào)的中間變換與傳輸73、試驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)10六、測(cè)量誤差分析及數(shù)據(jù)處理11七、參考文獻(xiàn)12八、附件1、CAD圖2、感想一、設(shè)計(jì)背景不久前，市場(chǎng)研究機(jī)構(gòu)DarnellGroup在一份報(bào)告中指出，2010年扭矩測(cè)量?jī)x價(jià)格預(yù)計(jì)將與現(xiàn)有模擬產(chǎn)品持平。扭矩測(cè)量?jī)x的平均價(jià)格已經(jīng)從幾年前的6美元降到了目前的3美元以下，預(yù)計(jì)2010年將跌破2美元。Darnell表示，隨著數(shù)字與模擬控制器解決方案價(jià)格趨同，更多、更符

2、合具體應(yīng)用的第二代扭矩測(cè)量?jī)x推出，軟件開(kāi)發(fā)環(huán)境持續(xù)改善，以及市場(chǎng)更加了解扭矩測(cè)量技術(shù)等因素的推動(dòng)，扭矩測(cè)量產(chǎn)品生命周期的“引入”階段接近結(jié)束，扭矩測(cè)量?jī)x市場(chǎng)將迎來(lái)加速增長(zhǎng)?，F(xiàn)在，中國(guó)已成為全球最大的數(shù)字式控制產(chǎn)品應(yīng)用市場(chǎng)。汽車(chē)電子和工業(yè)電子成為維持中國(guó)數(shù)字是控制器市場(chǎng)增長(zhǎng)的關(guān)鍵推動(dòng)因素。此外，監(jiān)控、馬達(dá)控制和測(cè)量?jī)x器市場(chǎng)的增長(zhǎng)也對(duì)中國(guó)市場(chǎng)有較大貢獻(xiàn)，特別是安全系統(tǒng)、馬達(dá)控制、電力機(jī)車(chē)、安全與控制以及車(chē)載娛樂(lè)系統(tǒng)將成為扭矩測(cè)量?jī)x的新驅(qū)動(dòng)力。扭矩傳感器，分為動(dòng)態(tài)和靜態(tài)兩大類(lèi)，其中動(dòng)態(tài)扭矩傳感器又可叫做轉(zhuǎn)矩傳感器、轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速傳感器、非接觸扭矩傳感器、旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器等。扭矩傳感器是對(duì)各種旋轉(zhuǎn)或非旋轉(zhuǎn)機(jī)械

3、部件上對(duì)扭轉(zhuǎn)力矩感知的檢測(cè)。扭矩傳感器將扭力的物理變化轉(zhuǎn)換成精確的電信號(hào)。扭矩傳感器可以應(yīng)用在制造粘度計(jì)，電動(dòng)（氣動(dòng),液力）扭力扳手，它具有精度高，頻響快，可靠性好，壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)。二、設(shè)計(jì)題目與設(shè)計(jì)要求1、設(shè)計(jì)題目：設(shè)計(jì)一款扭矩儀及扭矩傳感器。2、設(shè)計(jì)要求：1）精度高，頻響快，可靠性好，壽命長(zhǎng)；2）體積小、質(zhì)量輕，便于安裝使用；4）沒(méi)有導(dǎo)電環(huán)等磨損件，可以高速長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行；3、使用條件：由于扭矩測(cè)量?jī)x一般用在機(jī)器之間的傳動(dòng)軸上，振動(dòng)大，灰塵、油霧、水污比較多，故要求傳感器封閉，只留下兩個(gè)軸端在外面，工作溫度在060度。三、扭矩測(cè)量及應(yīng)變片的原理1、扭矩測(cè)量的基本原理根據(jù)第九章相關(guān)內(nèi)容。（P145

4、146）扭矩測(cè)量的基本原理如下：電阻應(yīng)變式轉(zhuǎn)矩儀是根據(jù)應(yīng)變?cè)韥?lái)測(cè)量扭矩的。處于動(dòng)力機(jī)械和負(fù)荷之間的被測(cè)軸承受扭矩時(shí)產(chǎn)生切應(yīng)力，且最大切應(yīng)力發(fā)生在軸的外圓周面上，兩個(gè)主應(yīng)力與軸線成45和135的夾角，因此把應(yīng)變片粘貼在測(cè)點(diǎn)的主應(yīng)力方向上測(cè)出應(yīng)變值，然后可根據(jù)下式計(jì)算扭矩：E兀D364（1+卩）E一材料的彈性模量N/m?；D軸的直徑，m;卩一軸材料的泊松比;測(cè)得的應(yīng)變值。2、應(yīng)變片傳感器的原理應(yīng)變式傳感器是基于測(cè)量物體受力變形所產(chǎn)生的應(yīng)變的一種傳感器。電阻應(yīng)變片則是其最常采用的傳感元件。它是一種能將機(jī)械構(gòu)件上應(yīng)變的變化轉(zhuǎn)換為電阻變化的傳感元件。電阻應(yīng)變片的基本構(gòu)造如圖，它一般由敏感柵、基底、引線

5、、蓋片等組成。敏感柵由直徑為0.01-0.05mm、高電阻系數(shù)的細(xì)絲彎曲而成柵狀，它實(shí)際上是一個(gè)電阻元件，是電阻應(yīng)變片感受構(gòu)件應(yīng)變的敏感部分。敏感柵用粘合齊將其固定在基底上?；椎淖饔脩?yīng)保證將構(gòu)件上應(yīng)變準(zhǔn)確地傳遞到敏感柵上去。因此它必須很薄，一般為0.03-0.06mm,使它能與試感柵牢固地粘結(jié)在一起。另外它還應(yīng)有良好的絕緣性能、抗潮性能和耐熱性能?；撞牧嫌屑?、膠膜、玻璃纖維布等。紙具有柔軟、易于粘貼、應(yīng)變極限大和價(jià)格低廉等優(yōu)點(diǎn)，但耐溫耐濕性差，一般工作溫度低于70C下采用。為了提高耐濕耐久性和使用溫度，可浸以酚醛樹(shù)脂類(lèi)粘合劑使用溫度可提高至180C,且時(shí)間穩(wěn)定性好，適用于測(cè)力等傳感器使用。

6、膠膜基底是由環(huán)氧樹(shù)脂、酚醛樹(shù)脂、聚脂樹(shù)脂和聚酰亞胺等有機(jī)粘合劑制成的薄膜，膠膜基底具有比紙更好的柔性、耐濕性和耐久性，且使用溫度可達(dá)100-300Co玻璃纖維布能耐400-450C高溫，多用做中溫或高溫應(yīng)變片基底。引出線的作用是將敏感柵電阻元件與測(cè)量電路相連接,一般由0.1-0.2mm低阻鍍錫銅絲制成，并與敏感柵兩輸出端相焊接。在測(cè)試時(shí)，將應(yīng)變片用粘合劑牢固地粘貼在被測(cè)試件的表面上，隨著試件受力變形，應(yīng)變片的敏感柵也獲得同樣的變形，從而使其電阻隨之發(fā)生變化，而此電阻變化是與試件應(yīng)變成比例的，因此如果通過(guò)一定測(cè)量線路將這種電阻變化轉(zhuǎn)換為電壓或電流變化，然后再用顯示記錄儀表將其顯示記錄下來(lái)，就能知

7、道被測(cè)試件應(yīng)變量的大小。四、總體方案確定簡(jiǎn)單地說(shuō)：就是將專用的測(cè)扭應(yīng)變片用應(yīng)變膠粘貼在被測(cè)彈性軸上并組成應(yīng)變橋,應(yīng)變橋提供電源即可測(cè)得該彈性軸受扭的電信號(hào)。將該應(yīng)變信號(hào)放大后，經(jīng)低通濾波送入A/D轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機(jī)處理送顯示屏顯示其大小。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。1、測(cè)試系統(tǒng)框圖、運(yùn)用第二章相關(guān)知識(shí)測(cè)試系統(tǒng)框圖2、測(cè)量電路示意框圖測(cè)量電路示意圖五、具體方案設(shè)計(jì)a)扭矩傳感器設(shè)計(jì)根據(jù)第三章的相關(guān)內(nèi)容進(jìn)行扭矩傳感器的設(shè)計(jì)如下傳感器類(lèi)型：電阻應(yīng)變片式傳感器電阻應(yīng)變片基本結(jié)構(gòu)：3）應(yīng)變片的布置為提高測(cè)量靈敏度，可用4個(gè)應(yīng)變片按承受的拉壓應(yīng)力平均分配，兩個(gè)承受拉應(yīng)力的應(yīng)變片Rl、R3分別貼在

8、軸的外圓0、180處并與軸線成135夾角,兩個(gè)承受壓應(yīng)力的應(yīng)變片R2、R4分別貼在軸的外圓90、270處并與軸線成45夾角,（如圖4所示）4個(gè)應(yīng)變片組成全橋回路。（如圖5所示）圖4傳感器及應(yīng)變片位置4）傳感器的安裝示意圖負(fù)載設(shè)備聯(lián)軸器扭矩傳磁器供電及信號(hào)連接聯(lián)軸髀動(dòng)力設(shè)備5）傳感器的技術(shù)參數(shù)：基底材料：金屬薄片應(yīng)變片標(biāo)稱電阻值：500歐姆應(yīng)變片柵長(zhǎng)度l:6mm敏感柵結(jié)構(gòu)：圓膜柵使用溫度：0800C靈敏度系數(shù)S:10.2mv/V允許電流：（正常工作時(shí)應(yīng)變片允許通過(guò)最大電流）設(shè)定為25mA零點(diǎn)溫漂：0.5%/C電源電壓：+15V5%,-15V5%扭矩示值誤差：土0.5%FS非線性：0.25%FS重

9、復(fù)性：0.2%FS回差：0.2%FS零點(diǎn)溫漂：0.5%/C輸出阻抗：1KQ3Q絕緣阻抗：500MQ靜態(tài)超載：120%斷裂負(fù)載：200%使用溫度：060C儲(chǔ)存溫度：一2070C總消耗電流：130mA頻率信號(hào)輸出：5KHz15KHz負(fù)額定扭矩：5KHz10Hz零扭矩：10KHz10Hz正額定扭矩：15KHz10Hz2、信號(hào)的中間變換與傳輸由汽車(chē)試驗(yàn)學(xué)第四章的內(nèi)容進(jìn)行相關(guān)信號(hào)的變換與傳輸設(shè)計(jì)1）測(cè)量電橋由上所述，4個(gè)電阻應(yīng)變片組成測(cè)量電橋，全橋回路如下圖（圖5）所示。W1W3oo豳全橋回路2）電橋輸出方式參考第九章（P146）相關(guān)內(nèi)容。選擇電橋信號(hào)的輸出方式為旋轉(zhuǎn)變壓器無(wú)線接觸感應(yīng)式。（如下圖所示）

10、圖3旋轉(zhuǎn)變壓器無(wú)接觸感應(yīng)式輸出Wl、W2是固定在軸上的兩個(gè)變壓器線圈并隨著軸旋轉(zhuǎn)，組成供橋輸入的變壓器；W3、W4是固定在傳感器殼體上的兩個(gè)變壓器線圈，組成信號(hào)輸出的變壓器，側(cè)扭矩時(shí)，線圈W4兩端會(huì)有電信號(hào)輸出。3）放大電路設(shè)計(jì)選擇三運(yùn)放高共模抑制比放大電路下圖所示電路是目前廣泛應(yīng)用的高共模抑制比放大電路三運(yùn)放高共模抑制比放大電路該電路由三個(gè)集成運(yùn)算放大器組成，其中U1,U2為兩個(gè)性能一致（只要是指輸入阻抗、共模抑制比和增益）的同向輸入通用集成運(yùn)算放大器，構(gòu)成平衡對(duì)稱（或稱同向并聯(lián)型）差動(dòng)放大輸出級(jí)，U3構(gòu)成雙端輸入單端輸出的輸出級(jí)，用來(lái)進(jìn)一步抑制U1,U2的共模信號(hào)，并適應(yīng)接地負(fù)載的需要。R

11、6這種電路由于U1,ri2的隔離U1用，輸出級(jí)的外部電阻可以取得較小，有利TOC o 1-5 h zUi1R4于提高電阻的匹配精度，提高整個(gè)電路的共模抑制比。電路中在U3的u。輸入端4E325R5接入R,R和RP共模補(bǔ)償電路，通過(guò)調(diào)節(jié)RP，貝何補(bǔ)74E325阻的不對(duì)稱，獲得更78高的共模抑制比。4）濾波電路設(shè)計(jì)本設(shè)計(jì)的電壓信號(hào)是直流信號(hào)，頻率比較低，只有幾到幾十赫茲，而干擾主要是外界的高頻干擾信號(hào)，所以濾波電路采用兩級(jí)的無(wú)源RC低通濾波電路。電路圖下圖所示。R1UO11=75kR21IUo150kC20.1uFC10.1uFRC低通濾波電路的回路電壓2為增益為*截止頻率電路中取第一級(jí)濾波電路截

12、止頻率為fi=20Hz，根據(jù)公式取R廣i5k,C=O.lyF1取第二級(jí)濾波電路截止頻率為f2=10HZ，根據(jù)公式取R2=150kQc=omf23、實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)設(shè)計(jì)參考課本第5章的相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。1）硬件部分設(shè)計(jì)：數(shù)據(jù)采集部分采用多路開(kāi)關(guān)方式進(jìn)行。設(shè)計(jì)又8個(gè)模擬數(shù)據(jù)采集通道和一個(gè)數(shù)字?jǐn)?shù)據(jù)采集通道。整體硬件框圖如下2）軟件部分設(shè)計(jì)：釗始化有鍵按F?釆樣電重位上電粗位/看門(mén)狗喚醒拽擬削路斷m等特佇號(hào)穩(wěn)宦段擬電悴悅電計(jì)算并更改鎚示按鍵喚矍民人爲(wèi)云健處胡六、測(cè)量誤差分析及數(shù)據(jù)處理根據(jù)課本第一章相關(guān)內(nèi)容，進(jìn)行扭矩測(cè)量?jī)x的誤差分析和數(shù)據(jù)處理。1、誤差分析：1）溫度變化造成的誤差溫度變化

13、時(shí)，零點(diǎn)會(huì)有變化，其次在被應(yīng)力不變的情況下，不同溫度條件將可能有不同的輸出。前者稱為溫度引起的零點(diǎn)漂移，而后者稱為靈敏度漂移。引起零點(diǎn)漂移的原因主要有應(yīng)變片粘貼的好壞，應(yīng)變片材料的不均勻，所選應(yīng)變片的電阻溫度特性不一致等。由上述原因造成的零點(diǎn)漂移，在測(cè)量橋配好以后，往往具有固定的方向性，可采用簡(jiǎn)單的方法，在相應(yīng)的橋臂中串入一個(gè)由較大溫度系數(shù)材料制成的電阻來(lái)進(jìn)行補(bǔ)償。引起靈敏度漂移的主要原因是彈性體材料的彈性模數(shù)隨溫度的變化，應(yīng)變片靈敏系數(shù)隨溫度的變化、彈性元件熱膨脹系數(shù)變化及熱膨脹各向異性等因素。正確的補(bǔ)償為在橋路進(jìn)行實(shí)際靈敏度漂移的測(cè)量，然后根據(jù)漂移的正或負(fù)方向、大小來(lái)確定補(bǔ)償方法及補(bǔ)償量。常用的方法有改變供橋穩(wěn)壓電源輸出值或在電路中串、并聯(lián)電阻等。2）聯(lián)軸器和受力軸的振動(dòng)引起的誤差聯(lián)軸器和受力軸的振動(dòng)會(huì)使接觸電阻阻值發(fā)生變化，會(huì)使得傳感器橋路輸出信號(hào)上疊加一個(gè)交變信號(hào)，此交變分量可用二階低頻濾波器來(lái)消除。2、數(shù)據(jù)處理：1）有效數(shù)字的確定：正確地