應(yīng)變式扭矩傳感器原理

　　1 金屬應(yīng)變計(jì)工作原理

　　電阻應(yīng)變片的工作原理是基于金屬的應(yīng)變效應(yīng)。金屬絲的電阻隨著它所受的機(jī)械變形的大小而發(fā)生相應(yīng)的變化的現(xiàn)象稱為金屬的電阻應(yīng)變效應(yīng)。

　　例如，一段金屬絲的電阻R與絲的長度L，橫截面A有如下關(guān)系：

　　因此在相當(dāng)?shù)姆秶鷥?nèi)，電阻的相對(duì)變化與金屬絲的縱向應(yīng)變?成正比，也及金屬絲有著不錯(cuò)的線性度。

　　2 扭矩測量原理

　　彈性體是扭矩傳感器的關(guān)鍵部件，它直接與被測對(duì)象接觸（例如電機(jī)轉(zhuǎn)軸）并引起應(yīng)變片產(chǎn)生形變。彈性軸在受到扭轉(zhuǎn)時(shí)發(fā)生形變（如圖），軸上會(huì)有應(yīng)力和應(yīng)變產(chǎn)生。其橫截面會(huì)受到一個(gè)剪應(yīng)力，該剪應(yīng)力按照直線規(guī)律變化，在軸的中心處為零，軸的表面達(dá)到最大。

　　圖一彈性軸橫截面與表面手里分析

　　現(xiàn)在從彈性軸的徑向表面上取一個(gè)單元進(jìn)行研究，如圖，在其與桿軸成45度與135度的斜面上，受到法向應(yīng)力，此法向應(yīng)力為主應(yīng)力，其數(shù)值等于橫截面上的剪應(yīng)力?

　　圖二傳統(tǒng)貼片方式示意圖

　　圖中，此應(yīng)力在一個(gè)方向上受拉伸，另一個(gè)方向上受壓縮。

　　式中，v表示泊松比，E表示彈性模量易知應(yīng)變片1R和應(yīng)變片2R受到的應(yīng)變數(shù)值一樣，符號(hào)相反。

　　根據(jù)材料力學(xué)原理，受純扭矩的軸，其橫截面上的剪應(yīng)力與軸上扭矩的關(guān)系為：

　　式中M為軸上扭矩，Wp為軸截面的抗扭模數(shù)。

　　從上式知，圓軸的扭矩大小與應(yīng)變片的電阻該變量呈正比，因此通過應(yīng)變片測量扭矩理論可行。另外在圖。中在測點(diǎn)處與軸線呈45°和135°的兩個(gè)方向各貼一片應(yīng)變片，形成一對(duì)應(yīng)變花，如果采用半橋片和全橋四片測扭，能排除橫剪力的影響。但是由于兩片應(yīng)變片花相互有重合的部分，會(huì)降低應(yīng)變片的應(yīng)變能力，因此實(shí)際中應(yīng)變片可分開貼，例如每90°均勻分布。

　　圖三分布貼片方式立體圖

　　應(yīng)變式扭矩傳感器應(yīng)用

　　成品應(yīng)變式扭矩傳感器是以圖所示結(jié)構(gòu)為核心制造的。除此以外還有減震的基座，以及配套的聯(lián)軸器。并且為了減少帶來的額外負(fù)載，成品扭矩傳感器制造精度很高，內(nèi)部摩擦力很小。

　　另外圖中給出了常見扭矩傳感器的安裝方式。顯然若使用剛性聯(lián)軸器，由于無減震作用，對(duì)兩軸的安裝要求比較高。若使用帶減震功能的聯(lián)軸器，則會(huì)抬高成本。不過與聲波表面力矩傳感器等相比，扭矩傳感器依然是在一般工況下最合適的扭矩傳感器之選。

　　傳感器采集的信號(hào)需要通過一系列處理

　　圖4扭矩傳感器的兩種常見安裝方式

　　才能使用。經(jīng)過學(xué)習(xí)與資料查找，一個(gè)典型的信號(hào)采集處理的電路部分如下圖

　　圖五扭矩傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖