CN104483054B - 挠曲电型无源扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

挠曲电型无源扭矩传感器，包括带有夹持端和同心通孔的具有大挠曲电系数的传感单元，附着于传感单元通孔内壁以及传感单元外部的电极，与电极电连接的电荷放大器，与电荷放大器电连接的信号处理电路以及与信号处理电路电连接的储存显示模块；在传感单元夹持端加载扭矩时，传感单元通孔内壁沿径向产生应变梯度，由于挠曲电原理，传感单元上直接产生了相应的极化电荷，通过该电荷信号得到夹持端加载扭矩的值；本发明加载于传感单元的扭矩可通过转换为径向应变梯度的方法进行测量；同时，由于传感单元本身具有大的挠曲电特性，因而无需再行粘贴敏感元件、且传感单元测量方式为无源测量，增加了传感器的适用范围。

Description

挠曲电型无源扭矩传感器

技术领域

本发明涉及扭矩传感器技术领域，具体涉及挠曲电型无源扭矩传感器。

背景技术

目前的扭矩传感器多采用以下几种测量模式：电位计式、电阻应变计式、非接触式等。电位计式扭矩传感器是通过扭杆弹簧将扭矩线性地转化为转角，并通过机械结构将转角变为轴向位移，继而通过推动滑块来改变电阻的值，再通过电位计转化为相应的电压值；电阻应变计式扭矩传感器是通过在弹性轴上粘贴电阻应变片来实现对扭矩的间接测量；非接触式扭矩传感器是通过改变磁感应强度来改变相应的感应电压，从而间接测量扭矩。以上几种测量方式由于其精度高、工程实现难度小、适用范围广等优点，得到了极为广泛的应用。然而，以上几种测量扭矩的方式都未能够实现传感单元的无源测量、即在对变形结构表面不粘贴敏感元件、不对传感元件供电的情况下直接而准确地得到扭矩结果。而由材料力学可知，对薄壁或厚壁圆筒实施扭矩加载时，其沿径向产生了应变梯度。

挠曲电原理存在于所有电介质中，早在上世纪60年代就已被提出并在一定范围内得到了极大的发展，材料考虑挠曲电现象的电极化简化描述方程为：

其中P_i,e_ijk,σ_jk,ε_jk,μ_ijkl,x_l分别为极化程度，压电常数、应力、应变、挠曲电常数和梯度方向，等式右边第一项是因应力导致的压电效应，第二项是因应变梯度导致的梯度方向的挠曲电效应，由于在分子中心对称晶体中不存在压电效应，因此只有第二项存在，即

而此时电极化可描述为电荷与电荷分布面积的比，即

其中Q_i,A分别是电荷量和电荷所分布的面积。

由方程(1)-(3)可以看出，在材料、试件等条件一定的情况下，分子中心对称晶体的极化电荷输出与其应变梯度成正比。因此，本发明采用了通过径向应变梯度实现电荷输出的原理，从而对扭矩进行测量。

通常而言，挠曲电现象与尺寸的数量级密切相关，尺寸数量级越小，其挠曲电现象越在极化中起决定性作用。

已有实验表明，基于挠曲电现象电极化测量能够在较低频率范围实现较高信噪比输出。因此，若能利用挠曲电现象实现扭矩的测量，即将较小的扭矩转换为较大的应变梯度信号，则该传感器能够弥补现有传感器的不足，实现基于挠曲电原理的无源接触式的扭矩测量。

发明内容

为了弥补上述现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供挠曲电型无源扭矩传感器，加载于传感单元的扭矩可通过转换为径向应变梯度的方法进行测量；同时，由于传感单元本身具有大的挠曲电系数，因而无需再行粘贴敏感元件、且传感单元测量方式为无源测量，增加了传感器的适用范围。

为达到以上目的，本发明采用如下技术方案：

挠曲电型无源扭矩传感器，包括带有夹持端和同心通孔的具有大挠曲电系数的传感单元1，附着于传感单元1通孔内壁以及传感单元1外部的电极2，与电极2电连接的电荷放大器3，与电荷放大器3电连接的信号处理电路4以及与信号处理电路4电连接的储存显示模块5；在传感单元1夹持端加载扭矩时，传感单元1通孔内壁沿径向产生应变梯度，由于挠曲电原理，传感单元1上直接产生了相应的极化电荷，通过该电荷信号得到夹持端加载扭矩的值。

所述传感单元1的挠曲电系数大于10^-10C/m数量级。

所述传感单元1采用介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。

所述传感单元1的材料为PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡。

所述附着于传感单元1外部的电极2位于传感单元1轴向中间直径小于夹持端的位置。

所述传感单元1的壁厚与扭矩量程和测量精度相匹配。

所述电极2导电性能良好且具有较小的附着刚度，如导电银漆、喷金电极等。

所述电荷放大器3的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足传感单元1以及扭矩范围的要求。

所述电荷放大器3和信号处理电路4与传感单元1的阻抗、幅频特性及扭矩范围相匹配。

本发明和现有技术相比，具有如下优点：

1)相比于传统的需要稳定供电的测量手段，本发明采取了无源式的测量手段，减小了系统对电源的需求，扩展了传感器的应用范围。

2)相比于传统的应变式的测量手段，本发明无需在形变结构上再行粘贴灵敏元件，直接通过传感单元的形变进行电信号输出。

3)相比于传统传感器的扭矩-转角-直线位移-电阻-电压、扭矩-应变-电压和扭矩-磁感应强度-感应电压模式，本发明采用了扭矩-应变梯度-电荷-电压的测量模式，开拓了一种新型的测量模式。

总之，本发明能够实现基于挠曲电原理的无源扭矩测量功能，弥补了现有技术的空白。

附图说明

图1为本发明结构示意图。

图2为图1沿A-A向的剖视图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例，对本发明作进一步的详细描述。

如图1和图2所示，本发明挠曲电型无源扭矩传感器，包括带有夹持端和同心通孔的具有大挠曲电系数的传感单元1，附着于传感单元1通孔内壁以及传感单元1外部的电极2，与电极2电连接的电荷放大器3，与电荷放大器3电连接的信号处理电路4以及与信号处理电路4电连接的储存显示模块5。

作为本发明的优选实施方式，所述传感单元1的挠曲电系数大于10^-10C/m数量级。

作为本发明的优选实施方式，所述传感单元1采用介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。

作为本发明的优选实施方式，所述传感单元1的材料为PVDF、聚四氟乙烯、钛酸锶钡等。

作为本发明的优选实施方式，所述附着于传感单元1外部的电极2位于传感单元1轴向中间位置。

作为本发明的优选实施方式，所述传感单元1的壁厚与扭矩量程和测量精度相匹配。

作为本发明的优选实施方式，所述电极2导电性能良好且具有较小的附着刚度，如所述电极2的材料为如导电银漆、喷金电极等。

作为本发明的优选实施方式，所述电荷放大器3的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足传感单元1以及扭矩范围的要求。

作为本发明的优选实施方式，所述电荷放大器3和信号处理电路4与传感单元1的阻抗、幅频特性及扭矩范围相匹配。

如图1所示，本发明的工作原理为：当扭矩施加于传感单元1的夹持端时，传感单元1发生扭转变形，导致其通孔壁沿径向产生了应变梯度，即沿材料径向的应变不断变大，由于挠曲电原理，传感单元1上直接产生了相应的极化电荷，且通过有限元仿真和标定测试发现在传感单元的弹性范围内，扭矩与电极附着的区域上的平均应变梯度具有良好的线性关系。而由背景技术记载的等式(1)-(3)可知分子对称晶体材料的极化电荷只与应变梯度线性相关，因此该电荷信号可以准确地描述扭矩的大小。该电荷由电极2输出至电荷放大器3的输入端，再由电荷放大器对该电荷信号线性地转换为电压信号，并由电荷放大器3的输出端送至信号处理电路4的输入端，由信号处理电路4将该信号处理后，由信号处理电路4的输出端将数据送至储存和显示模块5，从储存和显示模块5中读出扭矩的值，从而实现扭矩无源接触式的测量。

Claims (8)

1.挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：包括带有夹持端和同心通孔的具有大挠曲电系数的传感单元(1)，附着于传感单元(1)通孔内壁以及传感单元(1)外部的电极(2)，与电极(2)电连接的电荷放大器(3)，与电荷放大器(3)电连接的信号处理电路(4)以及与信号处理电路(4)电连接的储存显示模块(5)；所述附着于传感单元(1)外部的电极(2)位于传感单元(1)轴向中间直径小于夹持端的位置。

2.根据权利要求1所述的挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：所述传感单元(1)的挠曲电系数大于10^-10C/m数量级。

3.根据权利要求1所述的挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：所述传感单元(1)的材料采用介电常数大于1的分子结构具有中心对称性的材料。

4.根据权利要求3所述的挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：所述传感单元(1)的材料为PVDF、聚四氟乙烯或钛酸锶钡。

5.根据权利要求1所述的挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：所述传感单元(1)的壁厚与扭矩量程和测量精度相匹配。

6.根据权利要求1所述的挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：所述电极(2)采用导电银漆或喷金电极。

7.根据权利要求1所述的挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：所述电荷放大器(3)的放大倍数、信噪比和下限截止频率满足传感单元(1)以及扭矩范围的要求。

8.根据权利要求1所述的挠曲电型无源扭矩传感器，其特征在于：所述电荷放大器(3)和信号处理电路(4)与传感单元(1)的阻抗、幅频特性及扭矩范围相匹配。