CN103471751A - 一种高精度应变式扭矩传感器 - Google Patents

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Abstract

一种高精度应变式扭矩传感器，包括：两个转接盘（1）、四根应变柱（2）、应变片（3）、动态应变仪（4）以及数据采集和处理系统（5）；四根应变柱（2）与上下两个转接盘（1）固定，应变柱（2）为方柱结构，且每根应变柱上均有两个半圆形凹槽，对称的两根应变柱（2）的半圆形凹槽上方的背面粘贴应变片（3），即共粘贴四个应变片（3）；测试时，一个转接盘（1）固定，另一个转接盘（1）中心位置安装振动源，四个应变片（2）产生的四个应变组成一个全桥；动态应变仪（4）将应变片（3）产生的应变转化成动态电压信号，数据采集和处理系统（5）采集所述的动态电压信号，根据该动态电压信号得到扭矩。

Description

一种高精度应变式扭矩传感器
技术领域
本发明涉及一种高精度应变式扭矩传感器，可用于对航天器内部微小扭转扰动的振动信号进行动态测量。
背景技术
目前的航天器大多都属于大型柔性展开式机构，且带有大量的光学元件，它们对指向精度和稳定度均提出了很高的要求。另外，在现代航天器姿态控制系统中，反作用轮、单框架力矩陀螺和太阳翼驱动机构等是其控制系统中的重要元件，它们在提供必要的控制动力的同时，也会引起一些有害振动(为简单起见，下面将上述三种系统统称为扰动源)。这些扰动主要由飞轮不平衡、轴承扰动、电机扰动、电机驱动误差等引起的，其中飞轮不平衡是导致飞轮振动的最主要原因，这些扰动力和扰动力矩会降低体太空中精密性仪器的性能指标，因此测量和分析航天器有效载荷扰动的动态特性，对于分析并消除扰动从而提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计有着非常重要的工程意义。
由于航天器扰动源的扰动很小，个别有效载荷如动量轮在空间三个方向只能产生几十毫牛顿甚至几毫牛顿的微弱扰动，要想在具有相对强烈干扰背景噪音的地面实验室中测量此类扰动十分困难，而其对应传感器的精度要求非常高。
目前，国内外尚未见有关此类微小振动测量系统的文献报导。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种高精度应变式扭矩传感器，该传感器能够测量并分析航天器运行过程中，扰动源扭转扰动动态特性，为提高航天器的姿态控制精度和加强航天器的安全设计提供可靠的测试数据。
本发明要解决其技术问题所采用的技术方案是：一种高精度应变式扭矩传感器，包括：两个转接盘、四根应变柱、应变片、动态应变仪以及数据采集和处理系统；四根应变柱与上下两个转接盘固定，应变柱为方柱结构，且每根应变柱上均有两个半圆形凹槽，对称的两根应变柱的半圆形凹槽上方的背面粘贴应变片，即共粘贴四个应变片；测试时，一个转接盘固定，另一个转接盘中心位置安装振动源，四个应变片产生的四个应变组成一个全桥；动态应变仪将应变片产生的应变转化成动态电压信号，数据采集和处理系统采集所述的动态电压信号，根据该动态电压信号得到扭矩。
所述的应变柱的材质为铝质材料。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
（1）本发明通过应变产生电压信号，对电压信号进行动态测量，提高了测试的精度，同时可以克服压电传感器低频信号不足的缺点。
（2）本发明所涉及的上下转接板的尺寸和形状可以根据实际测试工况决定，使测试范围扩大。
（3）本发明所涉及的应变柱为方柱结构,其上有两个半圆形凹槽,当应变柱受力时,由于圆弧效应使得半圆形凹槽对应的平面上产生的应变一个为正一个为负,因此两个应变柱的四个应变片可以组成一个全桥电路,将电压信号放大,因此可提高测试精度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
具体实施方式
本发明提供一种高精度应变式扭矩传感器，其特征在于包括：两个转接盘1、四根应变柱2、应变片3、动态应变仪4以及数据采集和处理系统5；
如图1所示，四根应变立柱2通过螺栓与上下两个转接板1进行连接固定，应变柱2为方柱结构，且每根应变柱同一侧面上均有两个半圆形凹槽，对称的两根应变柱2的半圆形凹槽上方的背面粘贴应变片3，即共粘贴四个应变片3；当将两个转接板1中的一个进行固定，在另一个转接板上施加一个扭矩时（振动源安装在该转接板的中心处），四根应变立柱均发生变形；由于圆弧效应每根立柱都会在半圆凹槽对应的位置（即图示应变片的粘贴位置）产生一正一负的应变；因此四个应变片有两个是正应变，两个是负应变；两个正应变和两个负应变刚好可以组成一个全桥；根据全桥的原理可将四片应变片进行合理布局，因此可以实现电压信号的放大；将应变片连接到动态应变仪，通过数据采集设备采集动态电压信号，经过处理即可得到相应的扭矩。将扰振源安装在负载盘1上后，在其几何中心处施加一个已知的扭矩M，此时动态应变仪4采集到1个电压信号，并通过信号线传输到数据采集和处理系统5，将这个电压信号记为ΔU。令M=WiΔU，其中W则为转换系数，由于M和ΔU已知，则可求得转换矩阵；当扰动源产生振动的时刻，动态应变仪4采集电压信号即ΔU，此时扰动源的扭矩则可求出，其表达式为：M=WΔU，其中W为已求得的转换系数。
需要注意的是：转接板的形状和尺寸可以根据具体的测试工况决定。应变片必须与应变立柱进行牢固粘贴。四根应变立柱的尺寸和形状尽量一致，以提高测试精度。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (2)

1.一种高精度应变式扭矩传感器，其特征在于包括：两个转接盘（1）、四根应变柱（2）、应变片（3）、动态应变仪（4）以及数据采集和处理系统（5）；四根应变柱（2）与上下两个转接盘（1）固定，应变柱（2）为方柱结构，且每根应变柱上均有两个半圆形凹槽，对称的两根应变柱（2）的半圆形凹槽上方的背面粘贴应变片（3），即共粘贴四个应变片（3）；测试时，一个转接盘（1）固定，另一个转接盘（1）中心位置安装振动源，四个应变片（2）产生的四个应变组成一个全桥；动态应变仪（4）将应变片（3）产生的应变转化成动态电压信号，数据采集和处理系统（5）采集所述的动态电压信号，根据该动态电压信号得到扭矩。
2.根据权利要求1所述的一种高精度应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的应变柱的材质为铝质材料。
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