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智能化微小扭矩传感器的研制


作者：admin 录入：admin 2008-08-06 17:10:03 减小字体增大字体

目前，在扭矩（力）测量传感器领域，测量较大扭矩以及中档扭矩的传感器比较普及，国内外都有厂家生产。但比较小扭矩（特别是微小扭矩）的测量传感器相对比较少。即使有大多数也无法合理解决传感器灵敏度与刚性及动态特性之间的矛盾。此外，就我们国家来说，一般传感器和后续电路是分离的；从国际上来看，好的传感器制造公司的传感器本身都自带微处理器，这样传感器自己就可以采集处理测量到的信号，最后通过标准通讯接口直接输出测量值到计算机，这种传感器实际上是一种具有简单“智能”的传感器。出于上述目的，我们研制开发了这类的扭矩传感器。 在应变式力传感器中，最核心的技术是弹性元件（也称为敏感元件）的结构，一般来讲，弹性元件的灵敏度和刚度及动态特性是两对矛盾，人们一直在协调这两对矛盾。我们采用了一种较简单的结构——薄壁圆筒，这种结构并不是我们的首创，它仍然存在着上述两对矛盾，但在此基础上我们进行了改革。薄壁圆筒有三个主要参数，即圆筒外径、圆筒的壁厚和圆筒的高度，传感器的主要参数（灵敏度、刚性、动态特性等）就决定于这三个参数。通过计算发现，在测量扭矩时薄壁圆筒的外径、壁厚越小，灵敏度越好。而薄壁圆筒的外径、壁厚越小，传感器的刚度和动态特性越差，但由于薄壁圆筒是一个封闭的结构，即使选用较小的外径和壁厚，弹性元件的刚性和固有频率仍然能够满足要求。所以选用了较小的外径和壁厚，这样保证了较高的灵敏度。 通过计算还发现，薄壁圆筒的高度和灵敏度没有关系，但高度越大，刚性和固有频率降低很快，所以希望选用较小的高度。然而，如果高度太小，刚度和固有频率是高了，但由于应变片具有一定的大小，圆筒高度太小，应变片无法贴上去，如果圆筒高度足够粘贴应变片，又会损失刚度和固有频率，这就是问题的结症。我们解决了这个问题，由于圆筒内壁不贴应变片，所以在圆筒的内壁开槽，使槽的宽度正好与应变片的变形区域相等，使应变片完全发生变形，而圆筒外壁的高度可以大一些，足够粘贴应变片，这样使圆筒的实际高度很小，传感器具有很好的刚度和固有频率，而又不至于影响应变片的粘贴。这就是本项目的创新点。 此外，我们在传感器的简单“智能化”方面进行了尝试，主要是将基于单片机的系统直接集成到传感器主体中，应变电桥感受的扭矩信号直接进入单片机，经单片机信号采集、处理后，将模拟信号直接转换成数字信号，然后通过标准通讯接口直接传输到计算机。这种经过集成的传感器不再需要后续仪器，可以直接向系统提供测量值，具有了简单的智能。

本文章来自于：北京中瑞能仪表技术有限公司



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