扭矩传感器设计说明书Word下载.docx
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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0~60度。
三、扭矩测量及应变片的原理
1、扭矩测量的基本原理
根据第九章相关内容。
（P145~146）
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—材料的弹性模量N/㎡；
D—轴的直径，m;
—轴材料的泊松比；
—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70℃下采用。
为了提高耐湿耐久性和使用温度，可浸以酚醛树脂类粘合剂使用温度可提高至180℃，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100-300℃。
玻璃纤维布能耐400-450℃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
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）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）
4）传感器的安装示意图
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：
0～800℃
灵敏度系数S：
1±
0.2mv/V
允许电流：
（正常工作时应变片允许通过最大电流）设定为25mA
零点温漂：
<
0.5%/℃
电源电压：
+15V±
5%,-15V±
5%
扭矩示值误差：
±
0.5%F·
S
非线性：
0.25%F·
重复性：
0.2%F·
S
回差：
0.2%F·
输出阻抗：
1KΩ±
3Ω
绝缘阻抗：
>
500MΩ
静态超载：
120%
断裂负载：
200%
0～60℃
储存温度：
－20～70℃
总消耗电流：
130mA
频率信号输出：
5KHz—15KHz
负额定扭矩：
5KHz±
10Hz
零扭矩：
10KHz±
正额定扭矩：
15KHz±
2、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）
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。
这种电路由于U1,U2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的两输入端接入,和共模补偿电路，通过调节，则可补偿电阻的不对称，获得更高的共模抑制比。
4）滤波电路设计
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。
RC低通滤波电路的回路电压为
增益为
截止频率
电路中取第一级滤波电路截止频率为，根据公式取，；
取第二级滤波电路截止频率为，根据公式取，。
3、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：
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
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