CN104568261A - 一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，主要由扭力轴（1），设置在扭力轴（1）上的集流环（3），粘贴在扭力轴（1）上且与集流环（3）相连接的应变片（2），与集流环（3）相连接的振荡器（4）和多功能信号调理系统（5），以及与多功能信号调理系统（5）相连接的显示仪（6）组成；多功能信号调理系统（5）由信号放大电路（51），与信号放大电路（51）相连接的低通滤波电路（52），与低通滤波电路（52）相连接的信号调整电路（53）等组成。发明通过多功能信号调理系统对扭矩信号进行处理，从而使传感器的量测精度更高。

Description

一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体是指一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器。

背景技术

随着现代科学技术的迅猛发展，扭矩测量技术已经成为测试技术的新分支。扭矩测量的应用领域越来越广泛，大到飞机、般舶、钻井、发电设备和冶金矿山设备等，小到微电机、家用电器和钟表等。扭矩测量是各种机械新产品开发、质量检验、优化控制、工况监测和故障诊断等必不可少的内容。准确的扭矩测量对缩短现代机械设备的研制周期、提高设备性能、降低研制费用具有重要的作用。

随着经济实力和技术不平的大幅提升，在民用和国防方面的设备技术越来越先进，这对扭矩传感器的要求则更高。目前传统的应变式扭矩传感器其扭矩测量精度并不高，达不到生产需求。因此，提供一种高精度的应变式扭矩传感器则是当务之急。

发明内容

本发明的目的在于克服传统的应变式扭矩传感器扭矩测量精度并不高的缺陷，提供一种高精度的基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，主要由扭力轴，设置在扭力轴上的集流环，粘贴在扭力轴上且与集流环相连接的应变片，与集流环相连接的振荡器和多功能信号调理系统，以及与多功能信号调理系统相连接的显示仪组成；所述的多功能信号调理系统由信号放大电路，与信号放大电路相连接的低通滤波电路，与低通滤波电路相连接的信号调整电路，与信号调整电路相连接的比较电路，以及与比较电路相连接的信号转换电路组成。

进一步的，所述的信号放大电路由放大器P1，放大器P2，一端与放大器P1的正极相连接、另一端则作为系统一输入端的电阻R1，P极与放大器P1的输出极相连接、N极则作为系统的另一输入端的二极管D2，一端与二极管D2的N极相连接、另一端接地的电阻R2，N极与二极管D2的P极相连接、P极则经电阻R3后与二极管D2的N极相连接的二极管D1，一端与二极管D2的N极相连接、另一端则经电阻R5后与放大器P2的正极相连接的电阻R4，正极与电阻R4和电阻R5的连接点相连接、负极接地的极性电容C1，正极与放大器P2的正极相连接、负极接地的极性电容C2，一端与放大器P2的负极相连接、另一端接地的电阻R6，一端与放大器P2的输出端相连接、另一端与低通滤波电路相连接的电位器R7组成；放大器P1的负极接地、其输出极则与低通滤波电路相连接，电位器R7的滑动端与放大器P2的输出极相连接。

所述的低通滤波电路由三极管VT1，负极与三极管VT1的基极相连接、正极与放大器P1的输出极相连接的极性电容C4，正极同时与放大器P1的输出极以及信号调整电路相连接、负极接地的极性电容C3，负极与信号调整电路相连接、正极则顺次经电阻R10和电阻R9后与极性电容C3的正极相连接的极性电容C6，一端与极性电容C4的负极相连接、另一端与三极管VT1的集电极相连接的电阻R8，负极与三极管VT1的发射极相连接、正极经电阻R11后与信号调整电路相连接的极性电容C5组成；三极管VT1的集电极还与电阻R9和电阻R10的连接点相连接、其发射极则同时与电位器R7以及信号调整电路相连接。

所述的信号调整电路由放大器P3，三极管VT2，N极与极性电容C3的正极相连接、P极接地的稳压二极管D3，一端与极性电容C3的正极相连接、另一端与三极管VT2的基极相连接的电阻R13，一端与放大器P3的负极相连接、另一端与三极管VT2的发射极相连接的电阻R12，正极与极性电容C5的负极相连接、负极则与比较电路相连接的极性电容C7组成；所述放大器P3的正极与极性电容C6的负极相连接、负极与电阻R11相连接、输出极与比较电路相连接，三极管VT2的集电极与比较电路相连接。

所述的比较电路由比较芯片U，二极管D4，或非门Q组成；二极管D4的P极与或非门Q的反相输入端相连接、其N极则与比较芯片U的IN+管脚相连接，或非门Q的正相输入端与三极管VT2的集电极相连接、其输出端则与信号转换电路相连接，比较芯片U的IN+管脚还与放大器P3的输出极连接、其IN-管脚与极性电容C7的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚与信号转换电路相连接、VCC管脚与外部电源相连接。

所述的信号转换电路由转换芯片U1，二极管D5，电阻R14，极性电容C8组成；二极管D5的P极与或非门Q的输出端相连接、其N极与转换芯片U1的IN+管脚相连接，电阻R14的一端与转换芯片U1的CLK管脚相连接、另一端则作为系统的一输出端，极性电容C8的正极与转换芯片U1的DO管脚相连接、负极则作为系统的另一输出端，转换芯片U1的VCC管脚与比较芯片U的OUT管脚相连接、IN-管脚与其GND管脚相连接、GND管脚和REF管脚均接地、CS管脚与其CLK管脚相连接。

所述的比较芯片U为LM393型集成芯片，而转换芯片U1为TLC0831型集成芯片。

本发明较现有技术相比，具有以下优点及有益效果：

（1）本发明通过多功能信号调理系统对扭矩信号进行处理，从而使传感器的量测精度更高。

（2）本发明采用TLC0831型集成芯片作为转换芯片，使转换效率更高。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的多功能信号调理系统电路结构示意图。

以上附图中的附图标记名称为：

1—扭力轴，2—应变片，3—集流环，4—振荡器，5—多功能信号调理系统，6—显示仪，51—信号放大电路，52—低通滤波电路，53—信号调整电路，54—比较电路，55—信号转换电路。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步地详细说明，但本发明的实施方式并不限于此。

实施例

如图1所示，本发明主要由作为机械转换元件的扭力轴1，设置在扭力轴1上的集流环3，粘贴在扭力轴1上且与集流环3相连接的应变片2，与集流环3相连接的振荡器4和多功能信号调理系统5，以及与多功能信号调理系统5相连接的显示仪6组成。

工作时把扭力轴1安装在被测设备上，当被测设备转动时，扭力轴1则被带动，再通过应变片2的变形来测量扭力轴1的扭矩，并把信号输送给集流环3。集流环3的作用是将应变片2的引线从旋转着的扭力轴1上引出，即应变片2所采集到的扭矩信号由集流环3传输给振荡器4和多功能信号调理系统5。扭矩信号经多功能信号调理系统5处理后再输出给显示仪6，这样可以过滤干扰信号，使检测结果更加准确。

该多功能信号调理系统5是本发明的发明点所在，如图2所示，其由信号放大电路51，与信号放大电路51相连接的低通滤波电路52，与低通滤波电路52相连接的信号调整电路53，与信号调整电路53相连接的比较电路54，以及与比较电路54相连接的信号转换电路55组成。

当检测到的扭矩信号很微弱时，则可以通过信号放大电路51进行放大，使信号变得清晰。该信号放大电路51由放大器P1，放大器P2，一端与放大器P1的正极相连接、另一端则作为系统一输入端的电阻R1，P极与放大器P1的输出极相连接、N极则作为系统的另一输入端的二极管D2，一端与二极管D2的N极相连接、另一端接地的电阻R2，N极与二极管D2的P极相连接、P极则经电阻R3后与二极管D2的N极相连接的二极管D1，一端与二极管D2的N极相连接、另一端则经电阻R5后与放大器P2的正极相连接的电阻R4，正极与电阻R4和电阻R5的连接点相连接、负极接地的极性电容C1，正极与放大器P2的正极相连接、负极接地的极性电容C2，一端与放大器P2的负极相连接、另一端接地的电阻R6，一端与放大器P2的输出端相连接、另一端与低通滤波电路52相连接的电位器R7组成；放大器P1的负极接地、其输出极则与低通滤波电路52相连接，电位器R7的滑动端与放大器P2的输出极相连接。

而低通滤波电路52则可以对干扰信号进行过滤，其由三极管VT1，负极与三极管VT1的基极相连接、正极与放大器P1的输出极相连接的极性电容C4，正极同时与放大器P1的输出极以及信号调整电路53相连接、负极接地的极性电容C3，负极与信号调整电路53相连接、正极则顺次经电阻R10和电阻R9后与极性电容C3的正极相连接的极性电容C6，一端与极性电容C4的负极相连接、另一端与三极管VT1的集电极相连接的电阻R8，负极与三极管VT1的发射极相连接、正极经电阻R11后与信号调整电路53相连接的极性电容C5组成；三极管VT1的集电极还与电阻R9和电阻R10的连接点相连接、其发射极则同时与电位器R7以及信号调整电路53相连接。

所述的信号调整电路53由放大器P3，三极管VT2，N极与极性电容C3的正极相连接、P极接地的稳压二极管D3，一端与极性电容C3的正极相连接、另一端与三极管VT2的基极相连接的电阻R13，一端与放大器P3的负极相连接、另一端与三极管VT2的发射极相连接的电阻R12，正极与极性电容C5的负极相连接、负极则与比较电路54相连接的极性电容C7组成。所述放大器P3的正极与极性电容C6的负极相连接、负极与电阻R11相连接、输出极与比较电路54相连接，三极管VT2的集电极与比较电路54相连接。

所述的比较电路54由比较芯片U，二极管D4，或非门Q组成。连接时，二极管D4的P极与或非门Q的反相输入端相连接、其N极则与比较芯片U的IN+管脚相连接，或非门Q的正相输入端与三极管VT2的集电极相连接、其输出端则与信号转换电路55相连接，比较芯片U的IN+管脚还与放大器P3的输出极连接、其IN-管脚与极性电容C7的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚与信号转换电路55相连接、VCC管脚则接外部的5V电压。为了更好的实施本发明，该比较芯片U优选为LM393N集成芯片。

该信号转换电路55用于把模拟信号转换成数字信号，并输出给显示仪6，操作者则可以通过显示仪6直观的得出被测设备的扭矩。该信号转换电路55由转换芯片U1，二极管D5，电阻R14，极性电容C8组成。连接时，二极管D5的P极与或非门Q的输出端相连接、其N极与转换芯片U1的IN+管脚相连接，电阻R14的一端与转换芯片U1的CLK管脚相连接、另一端则作为系统的一输出端，极性电容C8的正极与转换芯片U1的DO管脚相连接、负极则作为系统的另一输出端，两输出端则与显示仪6相连接。同时，转换芯片U1的VCC管脚与比较芯片U的OUT管脚相连接、IN-管脚与其GND管脚相连接、GND管脚和REF管脚均接地、CS管脚与其CLK管脚相连接。为了提高转换效率，该转换芯片U1优选为TLC0831集成芯片。

如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (8)

1.一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：主要由扭力轴（1），设置在扭力轴（1）上的集流环（3），粘贴在扭力轴（1）上且与集流环（3）相连接的应变片（2），与集流环（3）相连接的振荡器（4）和多功能信号调理系统（5），以及与多功能信号调理系统（5）相连接的显示仪（6）组成；所述的多功能信号调理系统（5）由信号放大电路（51），与信号放大电路（51）相连接的低通滤波电路（52），与低通滤波电路（52）相连接的信号调整电路（53），与信号调整电路（53）相连接的比较电路（54），以及与比较电路（54）相连接的信号转换电路（55）组成。

2.根据权利要求1所述的一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的信号放大电路（51）由放大器P1，放大器P2，一端与放大器P1的正极相连接、另一端则作为系统一输入端的电阻R1，P极与放大器P1的输出极相连接、N极则作为系统的另一输入端的二极管D2，一端与二极管D2的N极相连接、另一端接地的电阻R2，N极与二极管D2的P极相连接、P极则经电阻R3后与二极管D2的N极相连接的二极管D1，一端与二极管D2的N极相连接、另一端则经电阻R5后与放大器P2的正极相连接的电阻R4，正极与电阻R4和电阻R5的连接点相连接、负极接地的极性电容C1，正极与放大器P2的正极相连接、负极接地的极性电容C2，一端与放大器P2的负极相连接、另一端接地的电阻R6，一端与放大器P2的输出端相连接、另一端与低通滤波电路（52）相连接的电位器R7组成；放大器P1的负极接地、其输出极则与低通滤波电路（52）相连接，电位器R7的滑动端与放大器P2的输出极相连接。

3.根据权利要求2所述的一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的低通滤波电路（52）由三极管VT1，负极与三极管VT1的基极相连接、正极与放大器P1的输出极相连接的极性电容C4，正极同时与放大器P1的输出极以及信号调整电路（53）相连接、负极接地的极性电容C3，负极与信号调整电路（53）相连接、正极则顺次经电阻R10和电阻R9后与极性电容C3的正极相连接的极性电容C6，一端与极性电容C4的负极相连接、另一端与三极管VT1的集电极相连接的电阻R8，负极与三极管VT1的发射极相连接、正极经电阻R11后与信号调整电路（53）相连接的极性电容C5组成；三极管VT1的集电极还与电阻R9和电阻R10的连接点相连接、其发射极则同时与电位器R7以及信号调整电路（53）相连接。

4.根据权利要求3所述的一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的信号调整电路（53）由放大器P3，三极管VT2，N极与极性电容C3的正极相连接、P极接地的稳压二极管D3，一端与极性电容C3的正极相连接、另一端与三极管VT2的基极相连接的电阻R13，一端与放大器P3的负极相连接、另一端与三极管VT2的发射极相连接的电阻R12，正极与极性电容C5的负极相连接、负极则与比较电路（54）相连接的极性电容C7组成；所述放大器P3的正极与极性电容C6的负极相连接、负极与电阻R11相连接、输出极与比较电路（54）相连接，三极管VT2的集电极与比较电路（54）相连接。

5.根据权利要求4所述的一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的比较电路（54）由比较芯片U，二极管D4，或非门Q组成；二极管D4的P极与或非门Q的反相输入端相连接、其N极则与比较芯片U的IN+管脚相连接，或非门Q的正相输入端与三极管VT2的集电极相连接、其输出端则与信号转换电路（55）相连接，比较芯片U的IN+管脚还与放大器P3的输出极连接、其IN-管脚与极性电容C7的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚与信号转换电路（55）相连接、VCC管脚与外部电源相连接。

6.根据权利要求5所述的一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的信号转换电路（55）由转换芯片U1，二极管D5，电阻R14，极性电容C8组成；二极管D5的P极与或非门Q的输出端相连接、其N极与转换芯片U1的IN+管脚相连接，电阻R14的一端与转换芯片U1的CLK管脚相连接、另一端则作为系统的一输出端，极性电容C8的正极与转换芯片U1的DO管脚相连接、负极则作为系统的另一输出端，转换芯片U1的VCC管脚与比较芯片U的OUT管脚相连接、IN-管脚与其GND管脚相连接、GND管脚和REF管脚均接地、CS管脚与其CLK管脚相连接。

7.根据权利要求5或6所述的一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的比较芯片U为LM393型集成芯片。

8.根据权利要求6所述的一种基于多功能信号调理系统的数字化应变式扭矩传感器，其特征在于：所述的转换芯片U1为TLC0831型集成芯片。