CN104819792A - 一种高精度扭矩传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度扭矩传感器，主要由扭力轴（1）、显示仪（6），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），以及与集流环（3）相连接的振荡器（4）和信号锁相处理系统（5）组成；其特征在于：在信号锁相处理系统（5）与显示仪（6）之间还设置有低通滤波电路（7）；本发明可以对信号进行滤波处理，使扭矩信号免受外界和系统自身的因素干扰，从而可以提高扭矩传感器的量测精度。

Description

一种高精度扭矩传感器

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体是指一种高精度扭矩传感器。

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扭矩传感器其扭矩测量精度低的缺陷，提供一种高精度扭矩传感器。

本发明的目的通过下述技术方案实现：一种高精度扭矩传感器，主要由扭力轴、显示仪，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，以及与集流环相连接的振荡器和信号锁相处理系统，在信号锁相处理系统与显示仪之间还设置有低通滤波电路；所述的低通滤波电路由处理芯片U1，三极管VT7，N极经极性电容C7后与处理芯片U1的IN-管脚相连接、P极则经极性电容C6后接地的二极管D7，一端经电阻R14后与处理芯片U1的IN-管脚相连接、另一端则与二极管D7的N极一起作为电路的输入端的电阻R13，一端与处理芯片U1的IN+管脚相连接、另一端接地的电阻R15，负极与处理芯片U1的VS-管脚相连接、正极接地的极性电容C8，与极性电容C8相并联的极性电容C9，P极与处理芯片U1的NC管脚相连接、N极经电阻R16后与三极管VT7的发射极一起作为电路输出端的二极管D8，正极与处理芯片U1的DIS管脚相连接、负极接地的极性电容C11，以及与极性电容C11相并联的极性电容C10组成；所述处理芯片U1的NC管脚接地，OUT管脚与三极管VT7的基极相连接；所述三极管VT7的集电极与二极管D8的N极相连接，而二极管D7的P极还与电阻R13和电阻R14的连接点相连接。

进一步的，所述信号锁相处理系统由前端输入电路，与前端输入电路相连接的锁相电路，与锁相电路相连接的信号放大电路，与信号放大电路相连接的转换电路组成。

所述的前端输入电路包括电阻R1，电阻R2，电感L1，电感L2，二极管D1，二极管D2，二极管D3以及电容C1；所述二极管D1的P极接地、N极则经极性电容C1后与二极管D2的N极相连接，电阻R1的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则作为电路的一个输入极，电阻R2的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则与锁相电路相连接，电感L2的一端经电阻R2后与二极管D1的N极相连接、另一端则与二极管D2的p极相连接，所述二极管D2的N极经电感L1后作为电路的另一输入极、P极与锁相电路相连接，二极管D3的N极与二极管D2的P极相连接、P极则与锁相电路相连接的同时接地。

所述的锁相电路由场效应管Q1，三极管VT1，三极管VT2，正极经电阻R3后与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的极性电容C2，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端经电感L4后与三极管VT2的集电极相连接的电阻R4，一端与三极管VT2的基极相连接、另一端与信号放大电路相连接的电阻R6，以及一端经电感L3后与三极管VT2的基极相连接、另一端接地的电阻R5组成；所述场效应管Q1的栅极与二极管D3的N极相连接、源极与三极管VT2的基极相连接、其漏极则与三极管VT1的集电极相连接，所述三极管VT1的集电极与电阻R2和电感L2的连接点相连接、其基极则与信号放大电路相连接，所述三极管VT2的集电极分别与二极管D3的P极以及信号放大电路相连接、其发射极接地。

所述的信号放大电路由放大器P1，三极管VT3，三极管VT4，正极经电阻R7后与三极管VT1的基极相连接、负极则与放大器P1的正极相连接的极性电容C4，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则经电阻R6后与三极管VT2的基极相连接的极性电容C3，正极与极性电容C3的负极相连接、负极与转换电路相连接的电极电容C5，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端与放大器P1的负极相连接的电阻R9，一端与三极管VT4的基极相连接、另一端与三极管VT1的基极相连接的电阻R10，以及N极与三极管VT1的基极相连接、P极接地的稳压二极管D4组成；所述三极管VT3的基极与三极管VT2的集电极相连接、其发射极与极性电容C3的负极相连接、集电极与三极管VT1的基极相连接，所述三极管VT4的集电极和放大器P1的输出端分别与转换电路相连接。

所述的转换电路由转换芯片U，场效应管Q2，三极管VT5，三极管VT6，或非门A，P极与或非门A的负极相连接、N极与转换芯片U的IN+管脚相连接的二极管D5，N极与场效应管Q2的漏极相连接、P极则经电阻R12后与转换芯片U的OUT管脚相连接的二极管D6，一端与三极管VT5的基极相连接、另一端则与场效应管Q2的源极相连接的电阻R11组成；所述或非门A的正极与三极管VT4的集电极相连接、输出端则与三极管VT5的发射极相连接，所述转换芯片U的IN+管脚与放大器P1的输出端相连接、其IN-管脚则与极性电容C5的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚还与场效应管Q2的栅极相连接、VCC管脚接15V电压，所述三极管VT5的基极与或非门A的输出端相连接、集电极与三极管VT6的基极相连接，三极管VT6的集电极与三极管VT5的发射极相连接、其发射极则与二极管D6的P极相连接。

所述的转换芯片U优选为LM393型集成芯片，而处理芯片U1则优选为OPA690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）本发明可以对扭矩的信号频率进行锁相处理，使输入的频率与输出的频率相等，使发动机扭矩在发生变化后还可以准确的测量出发动机的实时扭矩。

（2）本发明可以对信号进行滤波处理，使扭矩信号免受外界和系统自身的因素干扰，从而可以提高扭矩传感器的量测精度。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图；

图2为本发明的信号锁相处理系统电路结构示意图；

图3为本发明的低通滤波电路结构示意图。

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—信号锁相处理系统，6—显示仪，7—低通滤波电路，51—前端输入电路，52—锁相电路，53—信号放大电路，54—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，本发明主要由安装在被测设备转轴上且作为机械转换元件的扭力轴1，显示仪6，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和信号锁相处理系统5；为了实现本发明的目的，本发明在信号锁相处理系统5与显示仪6之间还设置有低通滤波电路7。

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的扭矩信号，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和信号锁相处理系统5；显示仪6用于显示被测设备的扭矩值。而信号锁相处理系统5用于对扭矩信号进行相位处理，而低通滤波电路7则用于过滤掉外界和系统自身的干扰信号。

其中，显示仪6、扭力轴1、应变片2、集流环3以及振荡器4均采用现有的技术即可实现。

如图2所示，该信号锁相处理系统5由前端输入电路51，与前端输入电路51相连接的锁相电路52，与锁相电路52相连接的信号放大电路53，与信号放大电路53相连接的转换电路54组成。

所述的前端输入电路51包括电阻R1，电阻R2，电感L1，电感L2，二极管D1，二极管D2，二极管D3以及电容C1。连接时，所述二极管D1的P极接地、N极则经极性电容C1后与二极管D2的N极相连接，电阻R1的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则作为电路的一个输入极，电阻R2的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则与锁相电路52相连接，电感L2的一端经电阻R2后与二极管D1的N极相连接、另一端则与二极管D2的p极相连接，所述二极管D2的N极经电感L1后作为电路的另一输入极、P极与锁相电路52相连接，二极管D3的N极与二极管D2的P极相连接、P极则与锁相电路52相连接的同时接地。

锁相电路52可以对扭矩信号进行相位处理，处理后的相位更加稳定，其由场效应管Q1，三极管VT1，三极管VT2，正极经电阻R3后与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的极性电容C2，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端经电感L4后与三极管VT2的集电极相连接的电阻R4，一端与三极管VT2的基极相连接、另一端与信号放大电路53相连接的电阻R6，以及一端经电感L3后与三极管VT2的基极相连接、另一端接地的电阻R5组成。所述场效应管Q1的栅极与二极管D3的N极相连接、源极与三极管VT2的基极相连接、其漏极则与三极管VT1的集电极相连接，所述三极管VT1的集电极与电阻R2和电感L2的连接点相连接、其基极则与信号放大电路53相连接，所述三极管VT2的集电极分别与二极管D3的P极以及信号放大电路53相连接、其发射极接地。

信号放大电路53由放大器P1，三极管VT3，三极管VT4，正极经电阻R7后与三极管VT1的基极相连接、负极则与放大器P1的正极相连接的极性电容C4，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则经电阻R6后与三极管VT2的基极相连接的极性电容C3，正极与极性电容C3的负极相连接、负极与转换电路54相连接的电极电容C5，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端与放大器P1的负极相连接的电阻R9，一端与三极管VT4的基极相连接、另一端与三极管VT1的基极相连接的电阻R10，以及N极与三极管VT1的基极相连接、P极接地的稳压二极管D4组成。所述三极管VT3的基极与三极管VT2的集电极相连接、其发射极与极性电容C3的负极相连接、集电极与三极管VT1的基极相连接，所述三极管VT4的集电极和放大器P1的输出端分别与转换电路54相连接。

所述的转换电路54由转换芯片U，场效应管Q2，三极管VT5，三极管VT6，或非门A，P极与或非门A的负极相连接、N极与转换芯片U的IN+管脚相连接的二极管D5，N极与场效应管Q2的漏极相连接、P极则经电阻R12后与转换芯片U的OUT管脚相连接的二极管D6，一端与三极管VT5的基极相连接、另一端则与场效应管Q2的源极相连接的电阻R11组成。所述或非门A的正极与三极管VT4的集电极相连接、输出端则与三极管VT5的发射极相连接，所述转换芯片U的IN+管脚与放大器P1的输出端相连接、其IN-管脚则与极性电容C5的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚还与场效应管Q2的栅极相连接、VCC管脚接15V电压，所述三极管VT5的基极与或非门A的输出端相连接、集电极与三极管VT6的基极相连接，三极管VT6的集电极与三极管VT5的发射极相连接、其发射极则与二极管D6的P极相连接。为了更好的实施本发明，所述的转换芯片U优选为LM393型集成芯片来实现。

低通滤波电路7则是本发明的发明点所在，如图3所示，其由处理芯片U1，三极管VT7，N极经极性电容C7后与处理芯片U1的IN-管脚相连接、P极则经极性电容C6后接地的二极管D7，一端经电阻R14后与处理芯片U1的IN-管脚相连接、另一端则与二极管D7的N极一起作为电路的输入端的电阻R13，一端与处理芯片U1的IN+管脚相连接、另一端接地的电阻R15，负极与处理芯片U1的VS-管脚相连接、正极接地的极性电容C8，与极性电容C8相并联的极性电容C9，P极与处理芯片U1的NC管脚相连接、N极经电阻R16后与三极管VT7的发射极一起作为电路输出端的二极管D8，正极与处理芯片U1的DIS管脚相连接、负极接地的极性电容C11，以及与极性电容C11相并联的极性电容C10组成。所述处理芯片U1的NC管脚接地，OUT管脚与三极管VT7的基极相连接，其VS-管脚和DIS管脚均与外部15V电压相连接；所述三极管VT7的集电极与二极管D8的N极相连接，而二极管D7的P极还与电阻R13和电阻R14的连接点相连接。为了更好的实施本发明，该处理芯片U1优先采用OPA690集成芯片来实现。

如上所述，便可很好的实现本发明。

Claims (8)

1.一种高精度扭矩传感器，主要由扭力轴（1）、显示仪（6），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），以及与集流环（3）相连接的振荡器（4）和信号锁相处理系统（5）组成；其特征在于：在信号锁相处理系统（5）与显示仪（6）之间还设置有低通滤波电路（7）；所述的低通滤波电路（7）由处理芯片U1，三极管VT7，N极经极性电容C7后与处理芯片U1的IN-管脚相连接、P极则经极性电容C6后接地的二极管D7，一端经电阻R14后与处理芯片U1的IN-管脚相连接、另一端则与二极管D7的N极一起作为电路的输入端的电阻R13，一端与处理芯片U1的IN+管脚相连接、另一端接地的电阻R15，负极与处理芯片U1的VS-管脚相连接、正极接地的极性电容C8，与极性电容C8相并联的极性电容C9，P极与处理芯片U1的NC管脚相连接、N极经电阻R16后与三极管VT7的发射极一起作为电路输出端的二极管D8，正极与处理芯片U1的DIS管脚相连接、负极接地的极性电容C11，以及与极性电容C11相并联的极性电容C10组成；所述处理芯片U1的NC管脚接地，OUT管脚与三极管VT7的基极相连接；所述三极管VT7的集电极与二极管D8的N极相连接，而二极管D7的P极还与电阻R13和电阻R14的连接点相连接。

2.根据权利要求1所述的一种高精度扭矩传感器，其特征在于：所述信号锁相处理系统（5）由前端输入电路（51），与前端输入电路（51）相连接的锁相电路（52），与锁相电路（52）相连接的信号放大电路（53），与信号放大电路（53）相连接的转换电路（54）组成。

3.根据权利要求2所述的一种高精度扭矩传感器，其特征在于：所述的前端输入电路（51）包括电阻R1，电阻R2，电感L1，电感L2，二极管D1，二极管D2，二极管D3以及电容C1；所述二极管D1的P极接地、N极则经极性电容C1后与二极管D2的N极相连接，电阻R1的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则作为电路的一个输入极，电阻R2的一端与二极管D1的N极相连接、另一端则与锁相电路（52）相连接，电感L2的一端经电阻R2后与二极管D1的N极相连接、另一端则与二极管D2的p极相连接，所述二极管D2的N极经电感L1后作为电路的另一输入极、P极与锁相电路（52）相连接，二极管D3的N极与二极管D2的P极相连接、P极则与锁相电路（52）相连接的同时接地。

4.根据权利要求3所述的一种高精度扭矩传感器，其特征在于：所述的锁相电路（52）由场效应管Q1，三极管VT1，三极管VT2，正极经电阻R3后与三极管VT1的发射极相连接、负极则与三极管VT1的基极相连接的极性电容C2，一端与三极管VT1的集电极相连接、另一端经电感L4后与三极管VT2的集电极相连接的电阻R4，一端与三极管VT2的基极相连接、另一端与信号放大电路（53）相连接的电阻R6，以及一端经电感L3后与三极管VT2的基极相连接、另一端接地的电阻R5组成；所述场效应管Q1的栅极与二极管D3的N极相连接、源极与三极管VT2的基极相连接、其漏极则与三极管VT1的集电极相连接，所述三极管VT1的集电极与电阻R2和电感L2的连接点相连接、其基极则与信号放大电路（53）相连接，所述三极管VT2的集电极分别与二极管D3的P极以及信号放大电路（53）相连接、其发射极接地。

5.根据权利要求4所述的一种高精度扭矩传感器，其特征在于：所述的信号放大电路（53）由放大器P1，三极管VT3，三极管VT4，正极经电阻R7后与三极管VT1的基极相连接、负极则与放大器P1的正极相连接的极性电容C4，正极经电阻R8后与放大器P1的负极相连接、负极则经电阻R6后与三极管VT2的基极相连接的极性电容C3，正极与极性电容C3的负极相连接、负极与转换电路（54）相连接的电极电容C5，一端与三极管VT4的发射极相连接、另一端与放大器P1的负极相连接的电阻R9，一端与三极管VT4的基极相连接、另一端与三极管VT1的基极相连接的电阻R10，以及N极与三极管VT1的基极相连接、P极接地的稳压二极管D4组成；所述三极管VT3的基极与三极管VT2的集电极相连接、其发射极与极性电容C3的负极相连接、集电极与三极管VT1的基极相连接，所述三极管VT4的集电极和放大器P1的输出端分别与转换电路（54）相连接。

6.根据权利要求5所述的一种高精度扭矩传感器，其特征在于：所述的转换电路（54）由转换芯片U，场效应管Q2，三极管VT5，三极管VT6，或非门A，P极与或非门A的负极相连接、N极与转换芯片U的IN+管脚相连接的二极管D5，N极与场效应管Q2的漏极相连接、P极则经电阻R12后与转换芯片U的OUT管脚相连接的二极管D6，一端与三极管VT5的基极相连接、另一端则与场效应管Q2的源极相连接的电阻R11组成；所述或非门A的正极与三极管VT4的集电极相连接、输出端则与三极管VT5的发射极相连接，所述转换芯片U的IN+管脚与放大器P1的输出端相连接、其IN-管脚则与极性电容C5的负极相连接、GND管脚接地、OUT管脚还与场效应管Q2的栅极相连接、VCC管脚接15V电压，所述三极管VT5的基极与或非门A的输出端相连接、集电极与三极管VT6的基极相连接，三极管VT6的集电极与三极管VT5的发射极相连接、其发射极则与二极管D6的P极相连接。

7.根据权利要求6所述的一种高精度扭矩传感器，其特征在于：所述的转换芯片U为LM393型集成芯片。

8.根据权利要求1～6任一项所述的一种高精度扭矩传感器，其特征在于：所述的处理芯片U1为OPA690集成芯片。