应变式扭矩传感器简单设计报告

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1、基于电阻应变式扭矩传感器与MSP430的扭矩测量系统设计2.应变式扭矩传感器2.1金属应变计工作原理电阻应变片的工作原理是基于金属的应变效应[4]。金属丝的电阻随着它所受的机械变形的大小而发生相应的变化的现象称为金属的电阻应变效应。例如，一段金属丝的电阻R与丝的长度L，横截面A有如下关系：（2-1）若金属丝受到拉力F作用伸长，伸长量设为，横截面积相应减少，电阻率的变化设为，则电阻的相对变化量为：（2-2）又因为对金属丝来说于是有：（2-3）由材料力学知，弹性限度内材料的泊松系数为，则有（2-4）式中为金属丝的灵敏度系数，它越大表

2、明单位应变引起的电阻相对变化越大。若令为金属丝的轴向相对应变，则（2-5）从上式可知，灵敏度系数受两个因素影响：一个是受力后材料的几何尺寸的变化，即；另一个是受力后材料晶格畸变引起电阻率发生的变化及。对金属材料电阻丝来说，灵敏度系数表达式中的值要比大得多。因此在相当的范围内，电阻的相对变化与金属丝的纵向应变成正比，也16/16及金属丝有着不错的线性度。2.2扭矩测量原理弹性体是扭矩传感器的关键部件，它直接与被测对象接触（例如电机转轴）并引起应变片产生形变。弹性轴在受到扭转时发生形变（如图），轴上会有应力和应变产生。其横截面会受到

3、一个剪应力，该剪应力按照直线规律变化，在轴的中心处为零，轴的表面达到最大[4]。(1)弹性轴横截面剪应力（2）弹性走表面法向张力图2.1弹性轴横截面与表面手里分析现在从弹性轴的径向表面上取一个单元进行研究，如图，在其与杆轴成45度与135度的斜面上，受到法向应力，此法向应力为主应力，其数值等于横截面上的剪应力[4]。图中，此应力在一个方向上受拉伸，另一个方向上受压缩。因此，圆轴扭转时，表面受到最大拉应力和压应力，且16/16。在测量弹性轴扭矩时，在与轴线呈45°和135°的两个方向（互相垂直）各贴一片应变片，如图。根据材料力学，

4、沿方向和方向的应变和分别为：（2-6）（2-7）式中，表示泊松比，E表示弹性模量易知应变片和应变片受到的应变数值一样，符号相反。图2.2传统贴片方式示意图根据材料力学原理，受纯扭矩的轴，其横截面上的剪应力与轴上扭矩的关系为：（2-8）式中M为轴上扭矩，为轴截面的抗扭模数。16/16因此，对于应变片，可以求出其应变为整理得到：（2-9）式中是个常数，其数值为。又由于，所以：（2-10）从上式知，圆轴的扭矩大小与应变片的电阻该变量呈正比，因此通过应变片测量扭矩理论可行。另外在图。中在测点处与轴线呈45°和135°的两个方向各贴一片应

5、变片，形成一对应变花，如果采用半桥片和全桥四片测扭，能排除横剪力的影响。但是由于两片应变片花相互有重合的部分，会降低应变片的应变能力，因此实际中应变片可分开贴，例如每90°均匀分布。16/16图2.3分布贴片方式立体图2.3扭矩传感器成品应变式扭矩传感器是以图所示结构为核心制造的。除此以外还有减震的基座，以及配套的联轴器。并且为了减少带来的额外负载，成品扭矩传感器制造精度很高，内部摩擦力很小。另外图。。中给出了常见扭矩传感器的安装方式。显然若使用刚性联轴器，由于无减震作用，对两轴的安装要求比较高。若使用带减震功能的联轴器，则会抬

6、高成本。不过与声波表面力矩传感器等相比，扭矩传感器依然是在一般工况下最合适的扭矩传感器之选。（1）扭矩传感器水平安装方式（2）扭矩传感器竖直安装方式图2.4扭矩传感器的两种常见安装方式16/1616/163.电路设计3.1总体电路结构设计传感器采集的信号需要通过一系列处理才能使用。经过学习与资料查找，一个典型的信号采集处理的电路部分如下图图3.1扭矩传感器系统设计图由于本次实验设计中指定了单片机为MSP430，所以决定在单片机已定的情况下，逆向设计并决定各部分的芯片选型。3.2MSP430芯片在信号采集处理电路中，单片机对信号做

7、各种算法处理后传递给后续电路，是很重要的部分，为了使其正常工作，其信号输入必须符合规定。MSP430P325芯片（PG封装）的管脚图如下：16/16图3.2MSP430P325PG芯片引脚图内部功能模块图如下：图3.3MSP430内部功能图很显然我们可以利用MSP430自带的ADC模块来简化总的电路处理设计。实际上MSP430本身就是一款混合信号处理芯片，所以实际上在图…中可以省略AD模块的设计，直接将滤波后得到的信号输入A0至A5引脚中的一个。16/16查阅资料知MSP430的ADC采用模拟输入时输入范围在VCC到GND之间，

8、查阅后将AVCC，DVCC置为5v，AVSS，DVSS接地，这样ADC模块的模拟输入范围在0到5伏之间。3.3滤波电路由于在实际电路中，电路不可避免地会受到干扰，并且应变片也可能受到扰动，所以需要采用滤波电路来消除噪音的影响。通过查询知，一般应变式扭矩传感器输出