應(yīng)變式扭矩傳感器簡單設(shè)計(jì)報(bào)告

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1、基于電阻應(yīng)變式扭矩傳感器與MSP430的扭矩測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)2.應(yīng)變式扭矩傳感器2.1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)[4]。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：（2-1）若金屬絲受到拉力F作用伸長，伸長量設(shè)為，橫截面積相應(yīng)減少，電阻率的變化設(shè)為，則電阻的相對(duì)變化量為：（2-2）又因?yàn)閷?duì)金屬絲來說于是有：（2-3）由材料力學(xué)知，彈性限度內(nèi)材料的泊松系數(shù)為，則有（2-4）式中為金

2、屬絲的靈敏度系數(shù)，它越大表明單位應(yīng)變引起的電阻相對(duì)變化越大。若令為金屬絲的軸向相對(duì)應(yīng)變，則（2-5）從上式可知，靈敏度系數(shù)受兩個(gè)因素影響：一個(gè)是受力后材料的幾何尺寸的變化，即；另一個(gè)是受力后材料晶格畸變引起電阻率發(fā)生的變化及。對(duì)金屬材料電阻絲來說，靈敏度系數(shù)表達(dá)式中的值要比大得多。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16/16及金屬絲有著不錯(cuò)的線性度。2.2扭矩測(cè)量原理彈性體是扭矩傳感器的關(guān)鍵部件，它直接與被測(cè)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

3、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[4]。(1)彈性軸橫截面剪應(yīng)力（2）彈性走表面法向張力圖2.1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[4]。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。因此，圓軸扭轉(zhuǎn)時(shí)，表面受到最大拉應(yīng)力和壓應(yīng)力，且16/16。在測(cè)量彈性軸扭矩時(shí)，在與軸

4、線呈45°和135°的兩個(gè)方向（互相垂直）各貼一片應(yīng)變片，如圖。根據(jù)材料力學(xué)，沿方向和方向的應(yīng)變和分別為：（2-6）（2-7）式中，表示泊松比，E表示彈性模量易知應(yīng)變片和應(yīng)變片受到的應(yīng)變數(shù)值一樣，符號(hào)相反。圖2.2傳統(tǒng)貼片方式示意圖根據(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：（2-8）式中M為軸上扭矩，為軸截面的抗扭模數(shù)。16/16因此，對(duì)于應(yīng)變片，可以求出其應(yīng)變?yōu)檎淼玫剑海?-9）式中是個(gè)常數(shù)，其數(shù)值為。又由于，所以：（2-10）從上式知，圓軸的扭矩大小與應(yīng)變片的電阻該變量

5、呈正比，因此通過應(yīng)變片測(cè)量扭矩理論可行。另外在圖。中在測(cè)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(cè)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。16/16圖2.3分布貼片方式立體圖2.3扭矩傳感器成品應(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。

6、。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。（1）扭矩傳感器水平安裝方式（2）扭矩傳感器豎直安裝方式圖2.4扭矩傳感器的兩種常見安裝方式16/1616/163.電路設(shè)計(jì)3.1總體電路結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)傳感器采集的信號(hào)需要通過一系列處理才能使用。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3.1扭矩傳感器系統(tǒng)設(shè)計(jì)圖由于本次實(shí)

7、驗(yàn)設(shè)計(jì)中指定了單片機(jī)為MSP430，所以決定在單片機(jī)已定的情況下，逆向設(shè)計(jì)并決定各部分的芯片選型。3.2MSP430芯片在信號(hào)采集處理電路中，單片機(jī)對(duì)信號(hào)做各種算法處理后傳遞給后續(xù)電路，是很重要的部分，為了使其正常工作，其信號(hào)輸入必須符合規(guī)定。MSP430P325芯片（PG封裝）的管腳圖如下：16/16圖3.2MSP430P325PG芯片引腳圖內(nèi)部功能模塊圖如下：圖3.3MSP430內(nèi)部功能圖很顯然我們可以利用MSP430自帶的ADC模塊來簡化總的電路處理設(shè)計(jì)。實(shí)際上MSP430本身就是一款混合信號(hào)處理

8、芯片，所以實(shí)際上在圖…中可以省略AD模塊的設(shè)計(jì)，直接將濾波后得到的信號(hào)輸入A0至A5引腳中的一個(gè)。16/16查閱資料知MSP430的ADC采用模擬輸入時(shí)輸入范圍在VCC到GND之間，查閱后將AVCC，DVCC置為5v，AVSS，DVSS接地，這樣ADC模塊的模擬輸入范圍在0到5伏之間。3.3濾波電路由于在實(shí)際電路中，電路不可避免地會(huì)受到干擾，并且應(yīng)變片也可能受到擾動(dòng)，所以需要采用濾波電路來消除噪音的影響。通過查詢知，一般應(yīng)變式扭矩傳感器輸出