應變式扭矩傳感器原理

　　1 金屬應變計工作原理

　　電阻應變片的工作原理是基于金屬的應變效應。金屬絲的電阻隨著它所受的機械變形的大小而發生相應的變化的現象稱為金屬的電阻應變效應。

　　例如，一段金屬絲的電阻R與絲的長度L，橫截面A有如下關系：

　　因此在相當的范圍內，電阻的相對變化與金屬絲的縱向應變?成正比，也及金屬絲有著不錯的線性度。

　　2 扭矩測量原理

　　彈性體是扭矩傳感器的關鍵部件，它直接與被測對象接觸（例如電機轉軸）并引起應變片產生形變。彈性軸在受到扭轉時發生形變（如圖），軸上會有應力和應變產生。其橫截面會受到一個剪應力，該剪應力按照直線規律變化，在軸的中心處為零，軸的表面達到最大。

　　圖一彈性軸橫截面與表面手里分析

　　現在從彈性軸的徑向表面上取一個單元進行研究，如圖，在其與桿軸成45度與135度的斜面上，受到法向應力，此法向應力為主應力，其數值等于橫截面上的剪應力?

　　圖二傳統貼片方式示意圖

　　圖中，此應力在一個方向上受拉伸，另一個方向上受壓縮。

　　式中，v表示泊松比，E表示彈性模量易知應變片1R和應變片2R受到的應變數值一樣，符號相反。

　　根據材料力學原理，受純扭矩的軸，其橫截面上的剪應力與軸上扭矩的關系為：

　　式中M為軸上扭矩，Wp為軸截面的抗扭模數。

　　從上式知，圓軸的扭矩大小與應變片的電阻該變量呈正比，因此通過應變片測量扭矩理論可行。另外在圖。中在測點處與軸線呈45°和135°的兩個方向各貼一片應變片，形成一對應變花，如果采用半橋片和全橋四片測扭，能排除橫剪力的影響。但是由于兩片應變片花相互有重合的部分，會降低應變片的應變能力，因此實際中應變片可分開貼，例如每90°均勻分布。

　　圖三分布貼片方式立體圖

　　應變式扭矩傳感器應用

　　成品應變式扭矩傳感器是以圖所示結構為核心制造的。除此以外還有減震的基座，以及配套的聯軸器。并且為了減少帶來的額外負載，成品扭矩傳感器制造精度很高，內部摩擦力很小。

　　另外圖中給出了常見扭矩傳感器的安裝方式。顯然若使用剛性聯軸器，由于無減震作用，對兩軸的安裝要求比較高。若使用帶減震功能的聯軸器，則會抬高成本。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。

　　傳感器采集的信號需要通過一系列處理

　　圖4扭矩傳感器的兩種常見安裝方式

　　才能使用。經過學習與資料查找，一個典型的信號采集處理的電路部分如下圖

　　圖五扭矩傳感器系統設計圖