CN113267280A - 一种应变式扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种应变式扭矩传感器，以挠性枢轴作为扭转弹性元件，待测试样通过夹头夹持在与挠性枢轴连接的下支座上，当试样发生偏转时，施加在试样的扭矩通过夹头和下支座传递至挠性枢轴，使挠性枢轴发生偏转，即施加至试样的扭矩与挠性枢轴的扭矩相同；当挠性枢轴发生偏转时，其弹性薄片发生扭转变形，贴合在弹性薄片上的应变片也会发生相同的变形，从而引起应变片自身电阻值的变化，通过与弹性薄片贴合的应变片将弹性薄片变形的物理信号转化为电信号，因此，通过测量应变片自身电阻的变化，即可获得挠性枢轴弹性薄片的应变，从而得到试样的扭矩。与现有的扭矩传感器相比，结构简单、降低了制作工艺难度。

Description

一种应变式扭矩传感器
技术领域
本发明属于扭矩精密测量领域，更具体地，涉及一种应变式扭矩传感器。
背景技术
随着微机电***和人工肌肉等新兴学科领域的发展，扭矩传感器广泛应用于材料扭转力学性能、微马达的扭矩等测量中。然而，现有的扭矩传感器存在结构复杂、稳定性差、扭矩分辨率低、制作成本高等问题，其使用范围受到很大限制。例如，中国专利CN201110049785.8公开了一种低维材料微扭转力学性能测试装置，采用扭丝作为扭转弹性元件，作用在试样上的扭矩通过上夹头和矩形框直接传递给扭丝，从而实现对试样扭矩的测量。然而，采用扭丝作为扭转弹性元件，存在装配难度大、对中度差等缺点，且扭丝在测量过程中容易受到损伤，对测量精度造成影响。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种应变式扭矩传感器，由此解决现有的扭矩传感器测量精度低、制作工艺难度高的技术问题。
为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种应变式扭矩传感器，包括：上支座、下支座、挠性枢轴、夹头、应变片和测量单元；
所述上支座和下支座分别固定套设于挠性枢轴的上端和下端；
所述夹头与下支座固定连接，用于夹持试样；
所述应变片与挠性枢轴弹性薄片的表面贴合，所述测量单元用于在试样发生偏转时测量应变片的应变，以得到试样的扭矩。
优选地，所述测量单元包括惠斯通电桥。
优选地，所述应变式扭矩传感器还包括套设于挠性枢轴外侧的壳罩。
优选地，所述壳罩与上支座或下支座固定连接。
优选地，所述壳罩具有接线端，用于将应变片与测量单元连接。
优选地，所述应变片的应变与惠斯通电桥的输入电压、输出电压满足以下关系式：
Figure BDA0003134434440000021
其中，ε为应变片的应变，e为惠斯通电桥的输出电压，E为惠斯通电桥的输入电压。
优选地，所述应变片包括第一应变片和第二应变片，分别与挠性枢轴弹性薄片的上表面和下表面贴合；
惠斯通电桥用于测量第一应变片与第二应变片的应变。
优选地，所述第一应变片、第二应变片的应变与惠斯通电桥的输入电压、输出电压满足以下关系式：
Figure BDA0003134434440000022
其中，ε1为第一应变片的应变，ε2为第二应变片的应变，e为惠斯通电桥的输出电压，E为惠斯通电桥的输入电压。
优选地，所述应变片的应变与试样的扭矩满足以下关系式：
Q＝kε；
其中，
Figure BDA0003134434440000023
E为材料的弹性模量，Iz为弹性薄片对中性轴的惯性矩，t为弹性薄片的厚度，λ为修正系数。
优选地，所述应变式扭矩传感器还包括处理单元，用于根据应变片的应变得到试样的扭矩。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下有益效果：
1、本发明提供的应变式扭矩传感器，以挠性枢轴作为扭转弹性元件，待测试样通过夹头夹持在与挠性枢轴连接的下支座上，当试样发生偏转时，施加在试样的扭矩通过夹头和下支座传递至挠性枢轴，使挠性枢轴发生偏转，即施加至试样的扭矩与挠性枢轴的扭矩相同；当挠性枢轴发生偏转时，其弹性薄片发生扭转变形，贴合在弹性薄片上的应变片也会发生相同的变形，从而引起应变片自身电阻值的变化，通过与弹性薄片贴合的应变片将弹性薄片变形的物理信号转化为电信号，因此，通过测量应变片自身电阻的变化，即可获得挠性枢轴弹性薄片的应变，从而得到试样的扭矩。与现有的扭矩传感器相比，结构简单、降低了制作工艺难度。
2、本发明提供的应变式扭矩传感器，采用惠斯通电桥将应变片的电信号变化放大，能够精确地测量出应变片自身电阻值的变化情况，从而进一步提高待测试样扭矩测量结果的精度，扭矩的分辨率可高达10-8Nm。
3、本发明提供的应变式扭矩传感器，通过更换不同规格的挠性枢轴，可以制作出不同量程的扭矩传感器，从而实现对试样扭矩的宽量程测量。
4、本发明提供的应变式扭矩传感器，与现有的扭矩传感器相比，装配简单，结构的稳定性高、且受温、湿度等环境影响较小，能够多种场合下使用，通用性好。
5、本发明提供的应变式扭矩传感器，可通过贴合于挠性枢轴弹性薄片的上表面和下表面的第一应变片和第二应变片测量弹性薄片的应变以得到试样的扭矩，能够同时得到弹性薄片的两侧的拉应变与压应变，能够进一步提高测量精度。
附图说明
图1是本发明提供的应变式扭矩传感器结构示意图之一；
图2是本发明提供的应变式扭矩传感器结构示意图之二；
图3是本发明提供的应变式扭矩传感器结构示意图之三；
图4是本发明提供的应变式扭矩传感器中挠性枢轴的结构示意图；
图5是本发明提供的应变式扭矩传感器中挠性枢轴的弹性薄片在扭转状态下的示意图；
图6是本发明提供的应变式扭矩传感器测量原理示意图之一；
图7是本发明提供的应变式扭矩传感器结构示意图之四；
图8是本发明提供的应变式扭矩传感器结构示意图之五；
图9是本发明提供的应变式扭矩传感器测量原理示意图之二。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1-上支座；2-连接件；3-应变片；4-挠性枢轴；5-壳罩；6-下支座；7-夹头；3-1-第一应变片；3-2-第二应变片。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明实施例提供一种应变式扭矩传感器，如图1-3所示，包括：上支座1、下支座6、挠性枢轴4、夹头7、应变片3和测量单元；
所述上支座和下支座分别固定套设于挠性枢轴的上端和下端；
所述夹头与下支座固定连接，用于夹持试样；
所述应变片与挠性枢轴弹性薄片的表面贴合，所述测量单元用于在试样发生偏转时测量应变片的应变，以得到试样的扭矩。
具体地，如图4所示，挠性枢轴的两端均可在被施加扭矩时进行相对转动；其中一端可向左转动，另一端可向右转动；也可以一端不动，另一端发生转动。
夹头7用于夹持试样，当对试样施加扭矩时试样发生一定偏转后夹头会带动下支座6一同转动，由于挠性枢轴4的下端与下支座6固定，套设于挠性枢轴4的下端，因此，下支座6会将施加至试样的扭矩传递至挠性枢轴，使挠性枢轴4的下端发生一定转动，即施加至试样的扭矩依次通过夹头和下支座传递至挠性枢轴，使挠性枢轴4的下端发生一定转动；而由于上支座1与挠性枢轴4的上端固定，套设在挠性枢轴4的上端，因此，挠性枢轴4的上端不会发生旋转；此时，挠性枢轴4的上端与下端会相对转动，且作用在挠性枢轴上的扭矩与施加给试样的扭矩相同；当挠性枢轴4的下端转动时，挠性枢轴的弹性薄片发生扭转变形，相应地，贴合在弹性薄片上的应变片3也会发生相同的变形，从而引起应变片自身电阻值的变化，也即通过与弹性薄片贴合的应变片将弹性薄片应变的物理信号转化为电信号，因此，通过测量应变片自身电阻的变化，即可获得应变片的应变大小，从而表征挠性枢轴弹性薄片的应变。
当挠性枢轴4的弹性薄片发生扭转变形时，贴合在其表面的应变片3发生相同的变形，也即，应变片3的应变量与弹性薄片的应变量相同，应变片3的应变量ε为：
Figure BDA0003134434440000051
其中，如图5所示，t为弹性薄片的厚度，R为弹性薄片中性层的曲率半径，θ为两个截面间的相对转角。由弯曲变形公式知：
Figure BDA0003134434440000052
其中，M为弹性薄片所受弯矩，E为材料的弹性模量，Iz为弹性薄片对中性轴的惯性矩。
由于施加在挠性枢轴4的扭矩与弹性薄片所受弯矩成比例，故有
Figure BDA0003134434440000061
其中，系数
Figure BDA0003134434440000062
可以通过标定实验获得，E为材料的弹性模量，Iz为弹性薄片对中性轴的惯性矩，t为弹性薄片的厚度，λ为修正系数，与弹性薄片的加工工艺有关，可通过标定获得。
由式(3)可知，挠性枢轴4的扭矩与弹性薄片的应变成正比，通过应变片3的应变量可以准确的计算出挠性枢轴4的扭矩大小，进而获得被测试样的扭矩Q试样＝Q。
可以理解的是，所述应变片与挠性枢轴弹性薄片的表面可以采用任意一种贴合方式，例如：将应变片粘贴至挠性枢轴弹性薄片的表面。
优选地，所述测量单元包括惠斯通电桥。
具体地，将应变片接入惠斯通电桥，通过惠斯通电桥将应变片的电信号变化放大，从而精确地测量出应变片电阻值的变化情况。
如图6所示，惠斯通电桥由四个同等阻值的电阻组合而成，如果R1＝R2＝R3＝R4或者
Figure BDA0003134434440000063
则无论输入多大电压，输出电压总为0，这种状态称为平衡状态，如果平衡被破坏，就会产生与电阻变化相对应的输出电压。当四条边中有一条边的电阻发生变化，也就是说当联入应变片时，输出电压为：
Figure BDA0003134434440000064
即：
Figure BDA0003134434440000065
上式中，除了ε，均为已知量，所以测出电桥的输出电压就可以计算出应变片3的应变量的大小。
根据式(3)即可得到待测试样的扭矩Q试样＝Q。
进一步地，所述测量单元也可以为任意一种能够测量应变片电阻变化的检测电路。
优选地，如图1所示，所述应变式扭矩传感器还包括壳罩5，所述壳罩5套设于挠性枢轴外侧，将整个挠性枢轴4罩住，从而保证结构的稳定性。
优选地，所述壳罩与上支座或下支座固定连接。例如，所述壳罩通过连接件2固定在上支座处，所述连接件可以为固定螺栓等。
优选地，所述壳罩具有接线端，用于将应变片与测量单元连接。
具体地，所述应变片与测量单元可通过接线端进行连接，以将应变片的信号传输至外部的测量单元，例如：将应变片连接至惠斯通电桥。
优选地，如图7-8所示，所述应变片包括第一应变片3-1和第二应变片3-2，分别与挠性枢轴4的弹性薄片的上表面和下表面贴合；
惠斯通电桥用于测量第一应变片与第二应变片的应变。
具体地，如图9所示，将第一应变片与第二应变片均接入惠斯通电桥，通过电桥的输出电压计算第一应变片与第二应变片的应变量。四条边中有两条边的电阻发生变化，也就是说当联入两枚应变片时得到输出电压公式
Figure BDA0003134434440000071
即
Figure BDA0003134434440000072
上式中，除了ε1和ε2，均为已知量，所以如果测出电桥的输出电压就可以计算出第一应变片与第二应变片的应变量差值，其中，ε1为第一应变片的应变(拉应变，ε1为正)，ε2为第二应变片的应变(压应变，ε2为负)，从而能够更加准确地测量挠性枢轴弹性薄片实际应变的大小。
优选地，所述应变式扭矩传感器还包括处理单元，用于根据应变片的变形得到试样的扭矩。
可以理解的是，所述处理单元可以为任意一种具有数据处理功能的软件或硬件，例如处理器或控制器等。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种应变式扭矩传感器，其特征在于，包括：上支座、下支座、挠性枢轴、夹头、应变片和测量单元；
所述上支座和下支座分别固定套设于挠性枢轴的上端和下端；
所述夹头与下支座固定连接，用于夹持试样；
所述应变片与挠性枢轴弹性薄片的表面贴合，所述测量单元用于在试样发生偏转时测量应变片的应变，以得到试样的扭矩。
2.如权利要求1所述的应变式扭矩传感器，其特征在于，所述测量单元包括惠斯通电桥。
3.如权利要求1所述应变式扭矩传感器，其特征在于，所述应变式扭矩传感器还包括套设于挠性枢轴外侧的壳罩。
4.如权利要求3所述应变式扭矩传感器，其特征在于，所述壳罩与上支座或下支座固定连接。
5.如权利要求3所述应变式扭矩传感器，其特征在于，所述壳罩具有接线端，用于将应变片与测量单元连接。
6.如权利要求2所述的应变式扭矩传感器，其特征在于，所述应变片的应变与惠斯通电桥的输入电压、输出电压满足以下关系式：
Figure FDA0003134434430000011
其中，ε为应变片的应变，e为惠斯通电桥的输出电压，E为惠斯通电桥的输入电压。
7.如权利要求2所述应变式扭矩传感器，其特征在于，所述应变片包括第一应变片和第二应变片，分别与挠性枢轴弹性薄片的上表面和下表面贴合；
惠斯通电桥用于测量第一应变片与第二应变片的应变。
8.如权利要求7所述的应变式扭矩传感器，其特征在于，所述第一应变片、第二应变片的应变与惠斯通电桥的输入电压、输出电压满足以下关系式：
Figure FDA0003134434430000021
其中，ε1为第一应变片的应变，ε1为第二应变片的应变，e为惠斯通电桥的输出电压，E为惠斯通电桥的输入电压。
9.如权利要求1所述应变式扭矩传感器，其特征在于，所述应变片的应变与试样的扭矩满足以下关系式：
Q＝kε；
其中，
Figure FDA0003134434430000022
E为材料的弹性模量，Iz为弹性薄片对中性轴的惯性矩，t为弹性薄片的厚度，λ为修正系数。
10.如权利要求1所述的应变式扭矩传感器，其特征在于，所述应变式扭矩传感器还包括处理单元，用于根据应变片的应变得到试样的扭矩。
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