应变片式传感器测扭矩设计说明书

传感器与测控电路课程设计设计说明书目录一、设计题目要求与分析------------------------------1二、扭矩测量及应变片的原理----------------------1三、总体方案的确定----------------------------2四、传感器的设计------------------------------------31传感器类型的选择2传感器结构设计及结构图3静动态扭矩传感器设计计算原理5使用寿命与静校方法五、测控电路的设计计算和相应的原理设计图------------51测量电路的设计方安要求2低功耗设计3换向电路4放大电路5转向电路6中央处理电路7受控电源电路8软件设计六、精度误差分析-----------------------------------11七、参考文献---------------------------------------12八、附Protel图AutoCAD图----------------------------------13一、设计题目要求与分析1、设计题目：设计一个可测静动态扭矩的传感器及扭矩仪。2.设计分析与要求(1)、既可以测量静止扭矩，也可以测量旋转转矩；(2)、既可以测量静态扭矩，也可以测量动态扭矩；(3)、检测精度高，稳定性好；抗干扰性强；(4)、体积小，重量轻，多种安装结构，易于安装使用；(5)、不需反复调零即可连续测量正反转扭矩；(6)、使用条件：转矩测量仪一般用在机器之间的传动轴上，所以振动大，灰尘、油雾、水污比较多，故要求传感器封装在一起，只留下两个轴端在外面；工作温度在-20~150C0。二扭矩测量及应变片的基本原理1、应变片式传感器的原理及结构应变计的转换原理基于应变效应。所谓应变效应是指属丝的电阻值随其变形而发生改变的一种物理现象。由物理学可知，金属丝酌电阻值R与其长度L和电阻率ρ成正比，与其截面积A成正比比，其公式表示为:R=ρL/A从而当金属丝受力变形改变其长度与横截面积而改变电阻值，而引起电压值变化。电阻应变计简称应变计，它主要由电阻敏感栅、基底和面胶(或覆盖层)、粘结剂、引出线五部分组成。基底是将传感器弹性体表面的应变传递到电阻敏感栅上的中间介质，并起到敏感棚和弹性体之间的绝缘作用，面胶起着保护敏感栅的作用，粘结剂是将敏感栅和基底粘接在一起，引出线是作为联接测量导线之用。电阻敏感栅可以将应变量转换成电阻变化。应变计的结构如下：多数应变式传感器都是将应变计粘贴于弹性元件表面弹性元件表面的变形通过基底和粘结列传递给应变计的敏感。由于基底和粘贴剂的弹性模量与敏感栅材料的弹性模量之间有差别等原因．弹性元件表面的应变不可能全部均匀地传递到敏感栅。2、扭矩测量的基本原理一根实心的圆轴在扭矩nM的作用下，其表面的剪应力的大小为nnGWMGr式中G为剪切弹性模量，UEG12同时，相距为L的两个断面的相对扭转角，其值的可有下式决定：nnMGJL式中nJ为断面的极惯性矩，又dAJn22对于实心圆轴：nJ=/324d；对于空心圆轴：nJ/32（44dD）；由上述各式可见，只要轴的尺寸D或0D，0d及L确定，材料的剪切弹性模量就一定，转轴的剪应变和相距L的两断面的相对转角就只与扭矩有关，且成比例，即nKMnGJLK为常数，所以nM因此，只要测量即可确定nM。三总体方案的确定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。四、传感器的设计1、传感器的选择一般的应变式动态扭矩传感器主要是集流环式,它的主要结构是传感器中间有一根回转运动的扭力轴,并且在扭力轴上贴有应变片。为了将应变信号输出,碳刷集流环方式信号输出的动态扭矩传感器往往采用碳刷与集流环形式,将应变信号从运动的扭力轴传送到固定的外壳上的碳刷集环方式信号输出的动态传感器。由于集流环和电刷之间是相互运动,因而有可能产生跳动和共振现象,使电刷和集流环产生急速磨损,缩短了电刷与集流环的使用寿命,并且增加了电刷与集流环之间的接触电阻,影响了信号的输出质量。根据有关资料介绍,银镍合金集流环和银石墨电刷的使用寿命一般在3×108—6×108转之间。根据使用转速情况不同,动态扭矩传感器的使用寿命一般在半年至一年半之间。以上讲的是实验室寿命,实际上使用寿命有可能更短些。为了解决这个问题,提出采用静动态圆管形扭矩传感器的设计方案。2、传感器结构设计及结构图如图2这种静动态扭矩传感器的主要结构原理是:在固定不动的套管式传感器2(外壳)上贴有应变片,而旋转的传动轴1通过固定不动的套管式传感器2,传动轴1的一端与变速箱6内的行星齿轮系或步进电机7的转子连成一体,另一端与扭矩负载相连;套管式传感器2的一端与变速箱6、步进电机7的外壳(定子)连成一体,另一端由套管式传感器2的端部与机架固定。当套管式扭矩传感器2内的传动轴1,在步进电机7的带动下产生旋转运动时,此时,当传动轴1的另一端受到扭矩负载时,而步进电机7的转子必然产生一个大小相等,方向相反的作用力传递给步进电机7的定子(外壳)上,步进电机7的外壳再将这个力传递给变速箱6的外壳,变速箱6外壳再将这个力传递给套管式扭矩传感器2,使套管式扭矩传感器2的应变片产生应变信号,然后直接将这个信号从接线盒8上输出,达到利用静态的、不运动的套管式扭矩传感器,测出运动中或运动后的扭矩大小的目的。在这里必须指出的是,在套管式扭矩传感器2的外壳与变速箱6及步进电机7的外壳(定子)相连的方,必须采用圆周端面齿相连的方式。外面用细牙螺纹将两个机件紧紧相连,以消除机件在运动时产生的微量角度位移,以防止套管式扭矩传感器的上应变片信号测量不准。可以看出,利用本方案设计的静动态扭矩传感器,无接触式电刷2集流环的影响,从而可以达到提高扭矩传感器的使用寿命,并且简化制造过程,不但能解决旋转轴的扭矩测量问题,而且可以方便的解决各种动态扭矩螺栓装配机的扭矩控制和测量问题。3、静动态扭矩传感器设计计算原理对圆管形扭力轴的应变:ξ45°=-ξ135°=8M/［（π/d3）G］［1/（1–d４0/d４）］对圆柱管形扭力轴的外径d:式中:α为圆管形扭力轴的内、外径之比α=d0/d;M为额定的工作扭矩,N·m;G为材料的弹性模量,Pa;d为扭力轴的外径,m;[τ]为扭力轴的材料的许可应为力,Pa(N/m2)。扭力轴材料的许可应力[τ]一般可取材料抗拉强度σb的10%～20%。扭力轴的直径确定以后,可按扭力轴变形角φ的要求,计算扭力轴的工作长度。扭力轴的变形角一般取φ≈015°～1°之间,约0101rad～0104rad之间。对圆管形扭力轴的长度:式中:φ为扭力轴的扭转变形角。然后再根据以下公式求出圆管形扭矩传感器的内径d0=ad最后根据以上公式求出圆管形扭矩传感器扭力轴的工作长度L。经过反复的校对和计算,画出草图,,经过静校及使用,最后才能确定圆管形扭矩传感器的扭力轴的各部分尺寸套管式扭矩传感器的材料一般可以选用Cr12MoV或0Cr17Ni4Cu4Nb。4圆管形扭矩传感器的静校方法(1)只要在圆管形扭矩传感器的两端安装上输入输出部分的连接装置,在输入输出部分的连接装置上可以施加砝码或使用标准扭矩传感器施加标准扭矩,就可以对圆管形扭矩传感器进行校正。一般按国家检定规程对圆管形扭矩传感器进行检定。(2)静动态扭矩传感器取消了电刷和集流环,因此粘贴在试件表面上的应变片的使用寿命就是传感器的使用寿命。在恒定幅值的应变力作用下可以连续不断的工作,而不产生疲劳损坏的循环次数,就是应变片的使用寿命。据有关资料介绍应变片在500Hz的动载荷作用下,循环次数可以达到106～107之间。在扭矩传感器使用过程中,一般交变载荷使用的非常少。与电刷2集流环式扭矩传感器相比,如果按时间计算无电刷2集流环式传感器使用寿命可达2～3年以上,与电刷集流环式扭矩传感器相比可以提高使用寿命2～3倍以上。二、硬件电路设计1、设计方案要求由系统电池供电，快速响应，可测量峰值，小体积的技术指标要求，硬件电路设计在保证测量精度的前提下必须解决系统低功耗运行，实现快速测量并保存测量峰值，尽量减小系统体积等问题。低功耗运行是系统设计的关键。系统原理框图下图1。图一：系统原理框图２、低功耗设计由于扭矩传感器两端的等效电阻只有350Ω，而给传感器供电的电压不能太低，否则信号变化范围太小，影响测量效果。如果用3.5V的稳压片连续提供激励电压，则电流接近10mA。这是电池供电系统无法受的。为此采用间歇式供电的方法进行测量，其原理：跟踪方式下每秒采样3-4次即可满足要求，采样电路按供电、等待、采样、断电、供电、等待、采样、断电的次序进行。其中等待状态是使传感器信号稳定。如果等待时间为10ms，采样时间为10ms，1s采样4次，则传感器的工作电图2平均工作电流只有0.8mA。图二：传感器工作电流图为了能更准确地捕捉峰值，可适当提高采样频率。该测量方式大大减小了传感器的平均工作电流，但对系统其他部分的设计也提出了一些要求：（1）,56转换器的速度应快，必须在10ms内完成采样。不能使用双积分型和其他转换速度较低的A/D转换器，只能采用逐次逼近性A/D转换器。为降低A/D转换器本身的功耗，要求A/D转换器本身必须有低功耗模式。（2）单片机的速度不能太慢，必须在较短的时间内读回采样值并完成计算，而且要求单片机具有休眠模式和通过某种方式自动唤醒的功能。（3）采样速度快的A/D转换器通常没有双极性输入方式，必须增加换向电路。３、换向电路系统换向电路由双向模拟开关构成，单片机通过两根口线控制其通道切换，为后续放大器的正反输入端提供不同极性信号，使其输出始终为正，满足A/D转换器单极性输入的要求。例如，操作者通过按键向单片机发出将测量状态由正切换到负命令后，单片机RA1、RA2口即由0及1转换为0及0，X0及Y0通道被接通，Vin+及Vin-分别被接入放大器的反相输入端和同向输入端，由于Vin-的电压高于Vin+，放大器输出为正，实现反方向测量。4、放大电路由于该扭矩传感器必须在较低的直流电压下工作（降低能耗），使得输出信号较小，为提高系统的测量精度，使最大扭矩对应的电压值接近转换器测量上限，信号在送A/D转换之前需经直流放大，在此选择性能好、精度高、可低电压工作（3V）、功耗低（20uA）、放大倍数可调的放大器INA122，由于INA122带容性负载的能力较差，其输出端只能接容值较小的电容实现对输出信号的滤波。电路图如下图三：输输入出信信号号输输图三、放大电路５、转换电路转换电路主要由A/D构成，基于系统低功耗对转换器的要求，在此选择12位A/D转换器MAX1240,MAX1240转换速度快，（７.５us）、电压工作低（2.7-3.6V）、功耗低（动态功耗3.7mW）、有睡眠状态（功耗仅为,5uW），同时MAX124内置参考电压，节省了基准电路，且接法简单（如见ptetel图四），满足小体积的要求。６、中央处理电路单片机是本仪表另一关键部件，为实现低功耗，在此选低功耗系列单片机PIC16C73A,28脚DPIP封装，工作电压低（2.7-3.3V）、功耗低（15uA）、工作频率范围宽（32.768KHZ-2MHZ）有低功耗休眠模式，并可由中断（按健）或看门狗唤醒，哈佛双总线结构使得其运行速度远远大于同频率M-C51系列单片机，保证了系统快速测量。从实际应用考虑，该类单片机有OTP一次封装形式，价格与普通,51单片机相似，完全符合产品化设计要求。7、受控电源电路受控电源电路是系统实现低功耗的保证，本设计选用据有关断功能的低静态电流线性稳压片MAX604,该芯片受控与单片机，操作者可通过按键控制其对模拟电路的供电，使系统功耗降为最低。其他器件的选择同样基于小体积、低功耗、高速度的系统要求。如选用静态工作电流仅为50uA,并可关断的LCM103液晶显示