設計說明書
目錄一、設計題目要求與分析1
二、扭矩測量及應變片的基本原理————— 1
三、總體方案的確定7
四、感測器的設計7
1感測器型別的選擇
2感測器設計及結構圖
3靜動態扭矩感測器設計計算原理
4使用壽命與靜校核方法
五、測控電路的設計計算和相應的原理設計圖—— 14
1測量電路的設計方法和要求
2低功耗設計
3換向電路
4放大電路
5轉向電路
6**處理電路
7受控電源電路
8軟體設計
六、精度誤差分析18
七、參考文獻20
八、付autocad圖23
一、設計題目要求與分析
1、設計測扭矩的感測器。
2、設計要求與分析
1）動靜扭矩都可以測量
2）精度高，穩定性好，抗干擾性強
3）不需要反覆調零既可以連續測量正反轉扭矩
4）使用條件：轉矩測量儀一般用在機器之間的傳動軸上，所以振動大，灰塵、油霧、水汙比較多，故要求感測器封裝在一起，只留下兩個軸端在外面；工作溫度在-20~150。
二、扭矩測量及應變片的基本原理
a、應變片的結構，材料和型別
1．敏感柵
1）絲式應變片,=0.012～0.05mm金屬細絲繞成柵狀,柵長
l=0.2，0.5，1.0，100，200mm等。
2）箔式應變片,由厚度為0.003～0.01mm的金屬箔片製成各
種圖形的敏感柵,亦稱應變花,如圖2-4所示。其優點
(1)製造技術能保證敏感柵尺寸準確，線條均勻和適應各種
不同測量要求的形狀，其柵長可做到0.2mm；
(2)敏感柵薄而寬，與被測試件貼上面積大，黏結牢靠，傳
遞試件應變效能好；
(3)散熱條件好，允許通過較大的
工作電流，從而提高了輸出靈敏度；
(4)橫向效應小；
(5)蠕變和機械滯後小，疲勞壽命長。
3) 金屬薄膜應變片,利用其空鍍膜等方式在絕緣基底上
製成各種形狀的薄膜敏感柵,膜厚小於1m。這種應變片具
有比箔式應變片更多的優點。
4) 敏感柵材料的效能要求：
（1）應變靈敏係數較大，且在所測應變範圍內保持常數；
（2）電阻率高而穩定，便於製造小柵長的應變片；
（3）電阻溫度係數較小，電阻-溫度間的線性關係和重複
性好；（4）機械強度高，輾壓及焊接效能好，與其他金屬之間的
接觸電勢小；
（5）抗氧化，耐腐蝕性能強，無明顯機械滯後；
2.基底和蓋片
基底和蓋片的作用是保持敏感柵和引線的幾何形狀和相對
位置，並且有絕緣作用。一般為厚度0.02～0.05mm的環氧樹
脂，酚醛樹脂等膠基材料。對基底和蓋片材料的效能要求：
機械強度好，撓性好；貼上效能好；電絕緣性好；熱穩定性
和搞溫性好；無滯後和蠕變。
3.引線
作用：連線敏感柵和外接導線。
一般採用=0.05～0.1mm的銀銅線,鉻鎳線,卡馬線,鐵鉛絲等,
與敏感柵點焊焊接。
4.粘結劑
作用：將敏感柵固定於基片上，並將蓋片與基底粘結在
一起；使用時，用粘結劑將應變片貼上在試件的某一方向
和位置，以便感受試件的應變。
粘結劑材料：有機和無機兩大類。
貼上工藝：應變片靜放於試件上，貼上牢固可靠。
金屬電阻應變片的主要特性
1.應變片的電阻值(r0)
應變片不受外力作用情況下,於室溫條件測定的電阻值(原
始電阻值),已標準化.主要有60,120,350,600,1000等各種規
格。2.絕緣電阻
敏感柵與基底之間電阻值,一般應大於1010 。
3.允許電流
指不因電流產生的熱量影響測量精度，應變片允許通過的
最大電流。
靜態測量時，允許電流一般為25 ma ；
動態測量時，允許電流可達75～100 ma 。
4.靈敏係數(k)
電阻應變片的電阻 - 應變特性與金屬絲時不同，須用實驗
法對電阻應變片的靈敏係數k重新測定。測定時將應變片安
裝於試件（泊松比=0.285的鋼材）表面，在其軸線方向的單
向應力作用下，且保證應變片軸向與主應力軸向一致的條件
下，應變片的阻值相對變化與試件表面上安裝應變片區域的
軸向應變之比，即k=(r/r)∕(l/l)，而且一批產品只能進
行抽樣（5%）測定，取平均k值及允許公差值為應變片的靈
敏係數，有時稱「標稱靈敏係數」。 一般情況下k≈2.0.
5.橫向效應與橫向靈敏係數
將金屬絲繞成敏感柵構成應變片後，在軸向單向應力作用
下，由於敏感柵「橫柵段」（圓弧或直線）上的應變狀態不同
於敏感柵「直線段」上的應變，使應變片敏感柵的電阻變化較
相同長度直線金屬絲在單向應力作用下的電阻變化小，因
此，靈敏係數有所降低，這種現象稱為應變片的橫向效應。
如圖2-5所示。
測量電路
b、工作原理及測試原理
1.電阻-應變效應
當金屬導體在外力作用下發生機械變形時，其電阻值將相
應地發生變化，這種現象稱為金屬導體的電阻-應變效應。
金屬導體的電阻-應變效應用靈敏係數k描述
式中 =l/l—軸向應變。
考慮一段金屬導體（l,,s），如圖2-1所示
圖2-1 金屬電阻應變效應
未受力時，原始電阻為：
當受拉力f作用時，將伸長l，橫截面積相應減小s，
電阻率ρ則因晶格變形等因素的影響而改變，故引起電
阻變化r。將式（2-2）全微分，並利用相對變化量表示，
則有式中，l/l=ε，為金屬導體電阻絲的軸向應變，常用單位
( =1×10-6 mm/mm)。
由於s=d2/4，則s/s=2d/d, 其中d/d為橫向(縱向)應
變；且由材料力學知，d/d= ，式中為金屬材料的泊松
比。對於金屬材料，/較小，可以略去；且=0.2～0.4，
k≈1+2=1.4～1.8則，實際測得k≈1.0，說明(/)/ 項對k
還是有一定影響。
一般情況下，在應變極限內，金屬材料電阻的相對變化與
應變成正比
r/r=k
2.應變片測試原理
使用應變片測量應變或應力時，將應變片牢固地貼上在彈
性試件上，當試件受力變形時，應變片電阻變化r。如果
應用測量電路和儀器測出r，根據式（2-6），可得彈性試件的應變值 ，而根據應力-應變關係：
= e可以得到被測應力值 。其中，e—試件材料彈性模量；
— 試件的應力；— 試件的應變。
力f 應力應變(=/e) r
通過彈性敏感元件的作用，可以將應變片測應變的應用擴
展到能引起彈性元件產生應變的各種非電量的測量，從而構
成各種電阻應變式感測器。
三 、總體方案的確定
將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上並組成應變橋, 應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電訊號。將該應變訊號放大後，經低通濾波送入a/d轉換，然後經微控制器處理送顯示屏顯示其大小。這種接法可以消除軸向力和彎曲力的干擾。
四、感測器的設計
1、感測器的選擇
一般的應變式動態扭矩感測器主要是集流環式, 它的主要結構是感測器中間有一根迴轉運動的扭力軸,並且在扭力軸上貼有應變片。為了將應變訊號輸出,碳刷集流環方式訊號輸出的動態扭矩感測器往往採用碳刷與集流環形式, 將應變訊號從運動的扭力軸傳送到固定的外殼上的碳刷集環方式訊號輸出的動態感測器。由於集流環和電刷之間是相互運動, 因而有可能產生跳動和共振現象, 使電刷和集流環產生急速磨損,縮短了電刷與集流環的使用壽命, 並且增加了電刷與集流環之間的接觸電阻, 影響了訊號的輸出質量。
根據有關資料介紹, 銀鎳合金集流環和銀石墨電刷的使用壽命一般在3 ×108 —6 ×108 轉之間。根據使用轉速情況不同, 動態扭矩感測器的使用壽命一般在半年至一年半之間。以上講的是實驗室壽命, 實際上使用壽命有可能更短些。
為了解決這個問題,提出採用靜動態圓管形扭矩感測器的設計方案。
2、感測器結構設計及結構圖
如圖2 這種靜動態扭矩感測器的主要結構原理是:在固定不動的套管式感測器2 ( 外殼) 上貼有應變片,而旋轉的傳動軸1 通過固定不動的套管式感測器2 ,傳動軸1 的一端與步進電機4 的轉子連成一體, 另一端與扭矩負載相連; 套管式感測器2 的一端與步進電機4的外殼(定子) 連成一體,另一端由套管式感測器2 的端部與機架固定。當套管式扭矩感測器2 內的傳動軸1 ,在步進電機4的帶動下產生旋轉運動時, 此時, 當傳動軸1 的另一端受到扭矩負載時, 而步進電機4 的轉子必然產生乙個大小相等, 方向相反的作用力傳遞給步進電機4 的定子(外殼) 上, 步進電機4 的外殼將這個力傳遞給套管式扭矩感測器2 ,使套管式扭矩感測器2 的應變片產生應變訊號, 然後直接將這個訊號從接線盒5 上輸出,達到利用靜態的、不運動的套管式扭矩感測器, 測出運動中或運動後的扭矩大小的目的。
在這裡必須指出的是, 在套管式扭矩感測器2 的外殼與及步進電機4 的外殼(定子) 相連的方,必須採用圓周端麵齒相連的方式。外面用細牙螺紋將兩個機件緊緊相連, 以消除機件在運動時產生的微量角度位移, 以防止套管式扭矩感測器的上應變片訊號測量不准。可以看出,利用本方案設計的靜動態扭矩感測器, 無接觸式電刷2集流環的影響, 從而可以達到提高扭矩感測器的使用壽命,並且簡化製造過程, 不但能解決旋轉軸的扭矩測量問題, 而且可以方便的解決各種動態扭矩螺栓裝配機的扭矩控制和測量問題。
感測器的技術引數：
基底材料：金屬薄片
應變片標稱電阻值：500歐姆
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