扭矩传感器设计说明书

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 (3)

1、扭矩测量的原理 (4)

2、应变片的原理 (4)

四、总体方案确定 (5)

五、具体方案设计 (5)

1、扭矩传感器的设计 (6)

2、信号的中间变换与传输 (7)

3、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：

εμπ⋅+=)

1(643

D E M

E —材料的弹性模量 N/㎡； D —轴的直径，m;

μ—轴材料的泊松比；

ε—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

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：

扭矩传感器

信号调节

器

记录仪

数据处理及外围设

被测

扭矩

测试系统框图

数据采集系统 放大电路

滤波电路

A/D 转换器

单片机

交流电源

变压器

电桥

测量电路示意图