【文章內(nèi)容簡介】 % 課題研究方法扭矩會使傳動軸產(chǎn)生一定的應變，而且這種應變與扭矩的大小存在著比例關系，因此可以通過電阻應變片來檢測相應扭矩的大小 當傳動軸受到扭矩作用時會發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形，最大剪應變產(chǎn)生在與軸線成 角的方向上，在此方向上粘貼電阻應變片能夠檢測到傳動軸所受扭矩的大小。將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋,應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經(jīng)低通濾波送入 A/D 轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機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。第二章 檢測裝置的基本原理和總體方案 引言將專用的測扭應變片用應變膠粘貼在被測彈性軸上并組成應變橋,應變橋提供電源即可測得該彈性軸受扭的電信號。將該應變信號放大后，經(jīng)低通濾波送入 A/D 轉(zhuǎn)換，然后經(jīng)單片機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。 檢測裝置整體系統(tǒng)框圖檢測裝置整體系統(tǒng)框圖如圖 21 所示圖 21 檢測裝置整體系統(tǒng)框圖 電阻應變片及扭矩測量的基本原理： 電阻應變片的基本原理 電阻應變式傳感器的原理及特點電阻應變式傳感器的基本原理是將被測非電量轉(zhuǎn)換成與之有確定對應關系的電阻值，再通過測量此電阻值達到測量非電量的目的。這類傳感器的種類很多，在幾何量和機械量測量領域中應用廣泛，常用來測量力、壓力、位移、應變、扭矩、加速度等非電量變式傳感器具有以下特點：（1）結(jié)構(gòu)簡單，使用方便，性能穩(wěn)定、可靠；（2）易于實現(xiàn)測試過程中的自動化和多點同步測量、遠距離測量和遙測；信 號 采集電路測量放大電路低通濾波電路A/D轉(zhuǎn)換電路51 單片機液晶顯示（3）靈敏度高，測量速度快，適合靜態(tài)動態(tài)測量；（4）可以測量多種物理量，應用廣泛。 電阻應變效應電阻應變片的工作原理是基于金屬導體的電阻應變效應，即當金屬導體在外力作用下發(fā)生形變時，其電阻值將相應地發(fā)生變化。金屬導體的電阻應變效應用應變靈敏系數(shù) K 表示，他決定于導體電阻的相對變化△R/R 與其長度相對變化△l/l 之比值。由物理學可知，金屬絲酌電阻值 R 與其長度 L 和電阻率 ρ 成正比，與其截面積A 成正比。其公式表示為:R=ρL/A （22）從而當金屬絲受力變形改變其長度與橫截面積而改變電阻值，而引起電壓值變化。電阻應變計簡稱應變計，它主要由電阻敏感柵、基底和面膠(或覆蓋層)、粘結(jié)劑、引出線五部分組成?；资菍鞲衅鲝椥泽w表面的應變傳遞到電阻敏感柵上的中間介質(zhì)，并起到敏感棚和彈性體之間的絕緣作用，面膠起著保護敏感柵的作用，粘結(jié)劑是將敏感柵和基底粘接在一起，引出線是作為聯(lián)接測量導線之用。電阻敏感柵可以將應變量轉(zhuǎn)換成電阻變化。應變計的結(jié)構(gòu)如下：圖 22 電阻應變計結(jié)構(gòu)1覆蓋層；2基底；3引出線；4粘合劑；5敏感柵多數(shù)應變式傳感器都是將應變計粘貼于彈性元件表面彈性元件表面的變形通過基底和粘結(jié)列傳遞給應變計的敏感。由于基底和粘貼劑的彈性模量與敏感柵材料的彈性模量之間有差別等原因．彈性元件表面的應變不可能全部均勻地傳遞到敏感柵。 扭矩測量的基本原理如圖 23 所示，當彈性軸受到扭轉(zhuǎn)時，傳遞的扭矩是剪應力對橫截面扭心的合成力矩。圖 23 扭軸橫截面上的剪應力分布轉(zhuǎn)軸扭轉(zhuǎn)時切應力處在縱向軸的徑向平面上，在軸表面用兩個橫截面，兩個徑向縱截面及兩個軸向縱截面截取出一個單元平行六面體來研究，因邊長均為微量，故此六面體非常接近于正六面體。由圓軸扭轉(zhuǎn)時應力分析可知，此單元體處于純剪切應力狀態(tài)。所以軸表面任何單元平面的法向應力值都符合平面應力狀態(tài)理論?？蓪兤剞D(zhuǎn)軸軸線 45 和45 方向粘貼在轉(zhuǎn)軸表面，就會受到相應的最大拉應力和壓應力的作用，將應變片組成全橋電路。如圖 24 所示，初始條件應變片電阻R1=R2=R3=R4=R0，當彈性軸受力矩 M 作用時，工作應變片 RRRR4 分別產(chǎn)生最大正負應變。圖 24 電阻應變片全橋電路當彈性軸受到如圖所示的剪切力作用時，RR3 應變片受拉應力；RR4 受壓應力。其應變?yōu)椋海▽嵭模? （23）（空心） （24）式中：，D軸外徑（mm） ；d軸內(nèi)徑（mm） ；M扭矩（） ；軸材料泊松比；E軸材料彈性模量。當電橋的供電電壓是 Ui時，其輸出電壓 Uo為： （25）式中，K應變片的靈敏系數(shù)。根據(jù)式（23） ， （24） ， （25） ，可以得出： (實心) （26） (空心) （27）式中， E—軸材料彈性模量； M軸材料泊松比；D軸外徑（mm） ；d軸內(nèi)徑（mm） ； 圓周率；K應變片的靈敏系數(shù)；輸出電壓；輸入電壓。顯然，只要能確定輸出電壓，選取合適的彈性軸材料，就能確定所測彈性軸的扭矩。 各部分功能介紹測量電橋 測量放大電路 低通濾波電路A/D轉(zhuǎn)換51單片機 液晶顯示變壓器交流電源圖 25 系統(tǒng)總體框圖（1）測量電橋?qū)崿F(xiàn)扭矩信號到與之呈線性關系的電信號的轉(zhuǎn)換，電橋電路采用 LM 型硅擴散力敏全橋應變片搭成，具有良好的一致性和對稱性，很小的非線性和較高的靈敏度。(2)信號放大由于應變電橋輸出的電壓只有 mV 級，所以必須對其放大，放大電路由高性能運算放大器搭成差動放大電路，其放大倍數(shù)在 80～120 之間可調(diào)。（3）低通濾波電路：本系統(tǒng)選用的 ADC0809 的轉(zhuǎn)換測量精度及穩(wěn)定度的影響，本系統(tǒng)在電路，以濾去高頻噪聲。（4）A/D 轉(zhuǎn)換：將模擬信號轉(zhuǎn)化為數(shù)字信號。（5）單片機：單片機系統(tǒng)扭矩傳感器與單片機系統(tǒng)組合在一起就構(gòu)成了扭矩測量儀，這部分電路主要完成的功能是：將扭矩傳感器的輸出信號進行整形后用計數(shù)器對高頻脈沖計數(shù)，計算出相應的被測扭矩值，將數(shù)據(jù)直接傳送給驅(qū)動顯示器顯示。（6）液晶顯示：液晶顯示部分直觀地顯示出所測彈性軸的扭矩，是整個系統(tǒng)的作用完整顯現(xiàn)。（7）電源電路為應變電橋、運算放大器、A/D 轉(zhuǎn)換器、單片機提供穩(wěn)定的直流電源電壓。這里采用變壓器傳輸方式完成電源的傳輸。 方案論證本設計的扭矩傳感器采用應變型扭矩測量原理來實現(xiàn)扭矩信號的測量，從而克服了磁彈性型傳感器和相位差型傳感器可靠性低、結(jié)構(gòu)復雜、安裝調(diào)試困難、準確度低等諸多缺點。在動態(tài)扭矩測量中,其主要問題是旋轉(zhuǎn)工況下，電源如何可靠地輸入到應變橋路及信號如何可靠地輸出到顯示儀表，本設計采用滑環(huán)以及滑臂之間的電刷達到電源的輸入及輸出。從而實現(xiàn)了電信號在轉(zhuǎn)子和定子之間的傳輸，解決了動態(tài)扭矩測量中存在的信號傳輸問題，使得扭矩測量儀的準確度和可靠性大大的提高。綜上所述，本文所設計的方案是完全可行的。第三章 扭矩傳感器的設計 引言應變式扭矩傳感器可以分為旋轉(zhuǎn)部分和靜止部分，該傳感器的設計的重點以及難點在于如何在旋轉(zhuǎn)部分處于運動狀態(tài)下能夠準確的將電橋發(fā)生形變后產(chǎn)生的電壓信號準確、實時地傳輸出來。 應變片的選用電阻應變片的種類很多，有絲式應變片、箔式應變片、半導體應變片和薄膜應變片等。其主要參數(shù)有：應變片電阻值、幾何尺寸、靈敏度系數(shù)、絕緣電阻、允許電流、機械滯后等。電阻應變片除了能夠直接測量試件的應力、應變外，還可以和彈性敏感元件配合制成各種電阻應變式傳感器，用來測量力、壓力、扭矩、加速度等物理量。電阻應變式扭矩傳感器的工作原理是：直接將電阻應變片被測軸上，當被測軸受到純扭力時，其最大剪應力 f 不便于直接測量，但軸表面主應力與母線成45o角，而且在數(shù)值上等于最大剪應力，因而應變片沿與母線成 45 度角方向粘貼。本課題采用力敏全橋應變片。它具有良好的一致性和對稱性，很小的非線性和橫向效應。 ，此傳感器轉(zhuǎn)速采用旋轉(zhuǎn)編碼器的方式，它具有高頻響、分辨率能力高、抗振動、耗能低、性能穩(wěn)定可靠、使用壽命長等優(yōu)點，適合轉(zhuǎn)速低且要求轉(zhuǎn)速測量精度高和進行角度測量的場合使用，滿足課題設計要求，該傳感器的特點和技術(shù)參數(shù)如表 31。表 31 傳感器的特點和技術(shù)參數(shù)產(chǎn)品特點 技術(shù)參數(shù)可測量穩(wěn)態(tài)旋轉(zhuǎn)扭矩及動態(tài)過渡過程的旋轉(zhuǎn)扭矩轉(zhuǎn)矩準確度：≤% FS可測量正、反向扭矩且不需調(diào)整零點 過載能力： 150%FS信號檢測采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強重復性：≤%FS輸入電源極性、幅值保護，輸出轉(zhuǎn)矩、轉(zhuǎn)速信號保護線 性：≤%FS扭矩信號的提取方式為應變電測技術(shù) 應變計動態(tài)應變波的響應時間：106S扭矩測量精度與旋轉(zhuǎn)速度、方向無關 正向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：15KHz體積小、重量輕、安裝方便 反向轉(zhuǎn)矩滿量程頻率輸出：5 KHz可靠性高、壽命長 傳感器信號輸出：方波信號、幅值為5V、負載電流＜15mA此傳感器可測量正、反轉(zhuǎn)穩(wěn)態(tài)扭矩，設計要求中扭矩檢測范圍為2Nm ～ +2Nm，能滿足要求。傳感器信號檢測采用數(shù)字化處理技術(shù)，精度高、穩(wěn)定性好、抗干擾強，此特點適合傳感器在環(huán)境比較惡劣的情況下進行數(shù)據(jù)的測量。傳感器體積小、重量輕、安裝方便，便于傳感器機械安裝機構(gòu)的設計。 彈性敏感元件設計電阻應變式的彈性元件在傳感器中占據(jù)極其重要的的地位，它首先把力、扭矩信號等非物理量變換成相應的應變或位移，然后配合各種形式的傳感元件，將被測量變換成電量。彈性元件結(jié)構(gòu)設計的一般原則是：結(jié)構(gòu)簡單；剛性好；有效工作區(qū)具有最大應變值和良好的線性；抗干擾能力強；工藝性能好等。 扭矩傳感器的硬件結(jié)構(gòu)圖 31　 接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器硬件結(jié)構(gòu)如圖 31 所示，接觸式旋轉(zhuǎn)扭矩傳感器的硬件主要有應變橋，旋轉(zhuǎn)軸，滑環(huán)，刷臂，以及電源組成。 彈性軸材料的選擇和確定應變式扭矩傳感器主要是用于動力設備傳動扭矩的在線測量。在工程中，用于動力設備上的應變式扭矩傳感器軸材料通常選擇：45＃鋼、40Cr 鋼或是 38CrMoAlA合金鋼，特殊情況下也可采用電工鋼。（1)確定軸的直徑已知軸上所受最大扭矩為 200Nm，可根據(jù)軸的強度條件設計軸的直徑，從圓軸扭轉(zhuǎn)時各橫截面之間的距離不變，也即圓軸無軸向的伸長或縮短，說明圓軸橫截面上沒有正應力，只有垂直于半徑的剪應力。為保證受扭圓軸能正常工作，要求軸內(nèi)最大剪應力必須小于材料的許用扭轉(zhuǎn)剪應力 F。因此圓軸扭轉(zhuǎn)時的強度條件為F′= (31)式中, F′—扭軸橫截面上的最大剪應力(N/mm) —轉(zhuǎn)軸橫截面的抗扭極矩( )M─軸所受最大扭矩(N m)；D—實心扭軸直徑(mm)。經(jīng)查相關資料可以計算出 (32)式中， 。已知軸所受的最大扭矩值為 200Nm，則（1）當被測材料為 45鋼時，可查得 45鋼的極限應力為 294 N/，帶入式（31） ，得：D=（2）當被測材料為 40Cr 鋼時，可查得 785 N/，帶入式（31） ，得：D=（ 3） 當被測材料為 38CrMoAlA 合金鋼時，可查得 38CrMoAlA 合金鋼的極限應力為539N/，帶入式（31） ，得，D=（4） ，當被測材料為電工鋼時，可查得電工鋼的極限應力為 785 N/，帶入式（31） ，得，D=以上得到的分別以 4 種材料作為轉(zhuǎn)軸時，在滿足強度條件下得到的轉(zhuǎn)軸直徑，考慮到材料的成本，以及傳感器的靈敏度，加工的難易程度等方面的要素，選用45＃鋼作為軸的材料。由此可以確定軸的直徑為 20mm。 聯(lián)軸器的選用聯(lián)軸器是用來聯(lián)接不同機構(gòu)中的兩根軸（主動軸和從動軸）使之共同旋轉(zhuǎn)以傳遞扭矩的機械零件。在高速重載的動力傳動中，有些聯(lián)軸器還有緩沖、減振和提高軸系動態(tài)性能的作用。聯(lián)軸器由兩半部分組成，分別與主動軸和從動軸聯(lián)接。一般動力機大都借助于聯(lián)軸器與工作機相聯(lián)接。聯(lián) 軸 器 種 類 繁 多 ， 按 照 被 聯(lián) 接 兩 軸 的 相 對 位 置 和 位 置 的 變 動 情 況 ， 可 以 分 為 ：① 固 定 式 聯(lián) 軸 器 。 主 要 用 于 兩 軸 要 求 嚴 格 對 中 并 在 工 作 中 不 發(fā) 生 相 對 位 移 的 地 方 ，結(jié) 構(gòu) 一 般 較 簡 單 ， 容 易 制 造 ， 且 兩 軸 瞬 時 轉(zhuǎn) 速 相 同 ， 主 要 有 凸 緣 聯(lián) 軸 器 、 套 筒聯(lián) 軸 器 、 夾 殼 聯(lián) 軸 器 等 。 ② 可 移 式 聯(lián) 軸 器 。 主 要 用 于 兩 軸 有 偏 斜 或 在 工 作 中 有 相對 位 移 的 地 方 ， 根 據(jù) 補 償 位 移 的 方 法 又 可 分 為 剛 性 可 移 式 聯(lián) 軸 器 和 彈 性 可 移 式 聯(lián)軸 器 。 剛 性 可 移 式 聯(lián) 軸 器 利 用 聯(lián) 軸 器 工 作 零 件 間 構(gòu) 成 的 動 聯(lián) 接 具 有 某 一 方 向 或 幾個 方 向 的 活 動 度 來 補 償 ， 如 牙 嵌 聯(lián) 軸 器 （ 允 許 軸 向 位 移 ） 、 十 字 溝 槽 聯(lián) 軸 器 （ 用來 聯(lián) 接 平 行 位 移 或 角 位 移 很 小 的 兩 根 軸 ） 、 萬 向 聯(lián) 軸 器 （ 用 于 兩 軸 有 較 大 偏 斜