电阻应变式传感器说明书

1、电阻应变式传感器设计说明书目录一、设计题目要求与分析1二、扭矩测量及应变片的基本原理1三、总体方案的确定7四、传感器的设计71传感器类型的选择2传感器设计及结构图3 静动态扭矩传感器设计计算原理4 使用寿命与静校核方法五、测控电路的设计计算和相应的原理设计图 141测量电路的设计方法和要求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18七、参考文献20八、付 autocad图 23一、设计题目要求与分析1、设计测扭矩的传感器。2、设计要求与分析1）动静扭矩都可以测量2）精度高，稳定性好，抗干扰性强3）不需要反复调零既可以连续测量正反转扭

2、矩4）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 -201500C 。二、扭矩测量及应变片的基本原理A 、应变片的结构，材料和类型1敏感栅1）丝式应变片 , =0.0120.05mm 金属细丝绕成栅状 ,栅长 l=0.2， 0.5，1.0， 100， 200mm等。2）箔式应变片 ,由厚度为 0.003 0.01mm 的金属箔片制成各 文档种图形的敏感栅 ,亦称应变花 ,如图 2-4 所示。其优点(1) 制造技术能保证敏感栅尺寸准确，线条均匀和适应各种 不同测量要求的形状，其栅长可做到 0.2

3、mm；(2) 敏感栅薄而宽，与被测试件粘贴面积大，黏结牢靠，传 递试件应变性能好；(3) 散热条件好，允许通过较大的 工作电流，从而提高了输出灵敏度；(4) 横向效应小；(5) 蠕变和机械滞后小，疲劳寿命长。3) 金属薄膜应变片 ,利用其空镀膜等方式在绝缘基底上 制成各种形状的薄膜敏感栅 ,膜厚小于 1 m。这种应变片具 有比箔式应变片更多的优点。4) 敏感栅材料的性能要求：(1) 应变灵敏系数较大，且在所测应变围保持常数；(2) 电阻率高而稳定，便于制造小栅长的应变片；（3）电阻温度系数较小，电阻 -温度间的线性关系和重复 性好；（4）机械强度高，辗压及焊接性能好，与其他金属之间的 接触电势

4、小；（5）抗氧化，耐腐蚀性能强，无明显机械滞后；2. 基底和盖片基底和盖片的作用是保持敏感栅和引线的几何形状和相对 位置，并且有绝缘作用。一般为厚度 0.020.05mm 的环氧树 脂，酚醛树脂等胶基材料。对基底和盖片材料的性能要求： 机械强度好，挠性好；粘贴性能好；电绝缘性好；热稳定性 和搞温性好；无滞后和蠕变。3. 引线作用：连接敏感栅和外接导线。一般采用 =0.050.1mm的银铜线 ,铬镍线 ,卡马线,铁铅丝等 , 与敏感栅点焊焊接。4. 粘结剂作用：将敏感栅固定于基片上，并将盖片与基底粘结在 一起；使用时，用粘结剂将应变片粘贴在试件的某一方向 和位置，以便感受试件的应变。粘结剂材料：

5、有机和无机两大类。 粘贴工艺：应变片静放于试件上，粘贴牢固可靠。金属电阻应变片的主要特性1. 应变片的电阻值 (R0)应变片不受外力作用情况下 ,于室温条件测定的电阻值 (原 始电阻值 ),已标准化 .主要有 60,120,350,600,1000 等各种规 格。2. 绝缘电阻敏感栅与基底之间电阻值 ,一般应大于 1010 。3. 允许电流 指不因电流产生的热量影响测量精度，应变片允许通过的 最大电流。静态测量时，允许电流一般为 25 mA ； 动态测量时，允许电流可达 75100 mA 。4. 灵敏系数 (K)电阻应变片的电阻 - 应变特性与金属丝时不同，须用实验 法对电阻应变片的灵敏系数

6、K 重新测定。测定时将应变片安 装于试件(泊松比 =0.285 的钢材)表面，在其轴线方向的单 向应力作用下，且保证应变片轴向与主应力轴向一致的条件 下，应变片的阻值相对变化与试件表面上安装应变片区域的 轴向应变之比，即 K=( R/R) ( l/l)，而且一批产品只能进 行抽样( 5%)测定，取平均 K 值及允许公差值为应变片的灵 敏系数，有时称“标称灵敏系数” 。 一般情况下 K2.0.5. 横向效应与横向灵敏系数将金属丝绕成敏感栅构成应变片后，在轴向单向应力作用 下，由于敏感栅“横栅段” （圆弧或直线）上的应变状态不同 于敏感栅“直线段”上的应变，使应变片敏感栅的电阻变化较 相同长度直线

7、金属丝在单向应力作用下的电阻变化小，因 此，灵敏系数有所降低，这种现象称为应变片的横向效应。 如图 2-5 所示。测量电路B、工作原理及测试原理1.电阻-应变效应当金属导体在外力作用下发生机械变形时，其电阻值将相 应地发生变化，这种现象称为金属导体的电阻 -应变效应。 金属导体的电阻 -应变效应用灵敏系数 K 描述R R R Rll式中 = l/l 轴向应变lRS未受力时，原始电阻为：当受拉力 F 作用时，将伸长 l，横截面积相应减小 S，电阻率则因晶格变形等因素的影响而改变 ，故引起电 阻变化R R。l 将式S（ 2-2）全微分，并利用相对变化量表示，则有 式中， l/l=，为金属导体电阻丝

8、的轴向应变，常用单位 （ =1× 10-6 mm/mm）。由于 S= d2/4，则 S/S=2 d/d, 其中 d/d为横向 （纵向）应 变；且由材料力学知， d/d= ，式中 为金属材料的泊松 比。对于金属材料， / 较小，可以略去；且 =0.2 0.4， K1+2 =1.41.8则，实际测得 K1.0，说明 （ / ）/ 项对 K 还是有一定影响。一般情况下，在应变极限，金属材料电阻的相对变化与 应变成正比R/R=K ?2.应变片测试原理使用应变片测量应变或应力时，将应变片牢固地粘贴在弹 性试件上，当试件受力变形时，应变片电阻变化R。如果应用测量电路和仪器测出R，根据式（ 2-6

9、），可得弹性试件的应变值 ，而根据应力 - 应变关系：= E，可以得到被测应力值 。其中， E试件材料弹性模量； 试件的应力； 试件的应变。力 F ? 应力 ? 应变 ( = /E) ? R通过弹性敏感元件的作用，可以将应变片测应变的应用扩 展到能引起弹性元件产生应变的各种非电量的测量，从而构 成各种电阻应变式传感器。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

10、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

11、 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 的一端与步进电机 4 的转子连成一体 , 另一端与扭矩负载相连 ; 套管式传感器 2 的一端与步进电机 4 的外壳 （定子 ） 连成一体 ,另一端由套管式传感器 2 的端部

12、与机架固定。当套 管式扭矩传感器 2 的传动轴 1 ,在步进电机 4 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 4 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 4 的 定子 （外壳 ） 上, 步进电机 4 的外壳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 5 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 的外壳与及步进 电机 4 的外壳（定子） 相连的方,

13、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。传感器的技术参数：基底材料：金属薄片 应变片标称电阻值： 500 欧姆 应变片栅长度 l： 6mm 敏感栅结构：圆膜栅 使用温度： 0 800 灵敏度系数 S： 1±0.2 mv / V

14、允许电流：（正常工作时应变片允许通过最大电流）设定为 25mA零点温漂：<0.5 % / 电源电压：+15V ±5%,-15V ±5%扭矩示值误差： <± 0.5 % F · S非线性：< ± 0.25 % F·S重复性：< ± 0.2% F·S回差： <0.2 % F · S零点温漂：<0.5 % / 输出阻抗：1K ±3绝缘阻抗：>500M 静态超载：120 %断裂负载：200 %使用温度：0 60储存温度： 20 70总消耗电流：<130mA

15、频率信号输出： 5KHz 15KHz负额定扭矩：5KHz ±10Hz零扭矩： 10KHz ±10Hz正额定扭矩：15KHz ±10Hz3、静动态扭矩传感器设计计算原理 对圆管形扭力轴的应变 : 45°= -135°=8 M/（ / d3）G 1/（1 d0/ d）对圆柱管形扭力轴的外径 d:式中:为圆管形扭力轴的、外径之比 = 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 ;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 一般 可取材料抗拉

16、强度 b 的 10 %20 % 。扭力轴的直径确定以后 , 可 按扭力轴变形角 的要求 ,计算扭力轴的工作长度。扭力轴的变形角 一般取 015° 1°之间 , 约 0101rad0104rad 之间。 对圆管形扭力轴的长度 :式中: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

17、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

18、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 23 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。 五、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、低功耗设计由于扭矩传感器两端的等效电阻只有 350，而给传感器供电的 电压不能太低，否则信号变化围太小，影响测量效果。如果用 3

19、.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 完成

20、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。、 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

21、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，

22、其输出端只能接容值较小的电容实现对输出信 号的滤波。如上图、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，（ .us）、 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 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。、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（

23、 15uA）、工作频率围宽（ 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

24、 50uA,并可关断的 LCM103液晶显示器 . LCM103是10位8 段带小数点液晶显示模块 LCM103 为10 位多功能通用型 8段液晶显示模块含看门狗 （WDT）/时钟发生器 2 种频 率的蜂鸣驱 动电路置显示 RAM 可显示任意字段笔划 3-4 线串行接 口可与任何单片机接口 IC 接口低功耗特性显示状态 50A（典型值 ） 省电模式 <1A 工作电压 2.4 V 视角对比度可调显示清晰 ,稳定可靠 . 为保证系统的稳定测量，线路板须科学布局，除满足大面积辅铜、模 拟地与数字地分离、 电源总线分布式布线外， 对传感器的电源线及信 号线需做特殊的屏蔽处理。8、软件设计 系统软件由初始化程序和主程序两部分组成（主程序框图如图 五），初始化程序主要包括液晶显示器、存储器、 A/D 转换器的初始 化，此部分程序只需根据相应的产品手册按通常方法编写即可。 软件 设计的关键是如何使系统实现间歇式测量， 为此主程序通过采用条件 循环方式实现此功能。在复位或唤醒、复位判断、键处理、模拟电路 供电、采样、模拟电路断电、计算显示等模块执行完毕也既至上而下 执行一次完成一次测量后系统进入睡眠状态