应变片式传感器测扭矩设计说明书.doc

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------------------------------------3 1 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------------5 　1 　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；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；不需反复调零即可连续测量正反转扭矩。 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的作用下，其表面的剪应力的大小为 式中G为剪切弹性模量， 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： 式中为断面的极惯性矩，又 对于实心圆轴：=/32； 对于空心圆轴：/32（）； 由上述各式可见，只要轴的尺寸D或，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 为常数，所以 因此，只要测量即可确定。 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种接法可以消除轴向力和弯曲力的干扰。 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°=8 M/［（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