CN106124123A - 一种扭矩传感器定度实验装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种扭矩传感器定度实验装置，包括机架、轴承端盖、导轮支架、导轮、导轮轴、应变轴、联轴器一、联轴器二、扭矩传感器、砝码挂盘、砝码、钢丝绳、扭矩施加杆、吊环、钢杆、应变轴支架、传感器支架和电脑；传感器支架、应变轴支架和导轮支架分别依次安装在机架上；导轮安装在导轮支架上端；应变轴通过深沟球轴承一安装在应变轴支架顶部，应变轴两端分别连接固定扭矩施加杆和扭矩传感器；扭矩施加杆一端连接钢杆，另一端连接钢丝绳，钢杆下端设有砝码挂盘，钢丝绳向上绕过导轮并沿导轮另一侧下垂，下垂的钢丝绳末端设有砝码挂盘。本发明能使最大扭矩值增大到两倍，抵消对应变轴上造成的竖直方向力，使施加到应变轴上的力矩为纯扭矩。

Description

一种扭矩传感器定度实验装置

技术领域

本发明涉及本发明涉及测量校准技术领域，尤其涉及一种扭矩传感器定度实验装置。

背景技术

扭矩传感器的主要作用是用于检测轴在运转过程当中所受到的扭矩值得大小。而在使用扭矩传感器之前，对其进行校准和定度，是保证一个扭矩传感器是否能正常工作，是否能工作稳定的重要保障。所谓校准就是检测扭矩传感器自身所测的扭矩是否准确，定度就是指对传感器以及采集器整个系统进行标定，确定整个系统的线性工作范围。

校准就是确保传感器与采集系统连接后所测量值的准确性；定度就是为了确定传感器的灵敏度K，灵敏度就是传感器输出量△y与输入量△x之间的比值。对于静态的传感器，我们希望传感器的灵敏度K为一个常数，传感器的输入与输出呈线性关系，因为我们在做数据采集的时候是通过输出的量△y来确定输入的量△x，若K值不断变化，所测的值也将变得不宜测量。所以定度的关键在于确定K值，以及传感器的线性范围。其具体测试方式是在扭矩输入端输入一个固定的扭矩值，然后通过应变轴中的应变片阻值变化产生一个信号，采集器采集，输出到计算机上进行数据处理得出一个应变值，这就得到了一组数据，再测试多组数据，看其是否线性。这就是扭矩传感器的定度理论。

现有的各种扭矩定度传感器，有各种不同的定度方式，申请号为CN201510881387.0的中国专利《长轴组件扭矩标定装置及使用该装置的扭矩标定方法》、申请号为CN201120449770.6的中国专利《一种通用型精确扭矩测量标定装置》、申请号为CN201520234555.2的中国专利《一种扭矩传感器静态标定试验台》、申请号为US201314410446的美国专利《TORQUE WRENCH CALIBRATION》等文献都提出了一些办法，能在一定程度上对扭矩传感器进行标定。但上述实验装置大都采用单边施加力或两端向下施加力的方式进行测量，对应变轴会施加一个弯曲拉力，导致测量结果不准确；采用砝码对单侧施加力，无法对应变轴施加更大的应变力，测试范围较小。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于克服现有技术存在的不足，提供一种扭矩传感器定度实验装置。

本发明的技术方案是这样实现的：

一种扭矩传感器定度实验装置，包括机架、滑轨、滑轨车、轴承端盖、深沟球轴承一、导轮支架、导轮、导轮轴、锁紧螺母、深沟球轴承二、应变轴、联轴器一、联轴器二、铰制孔螺栓、沉孔螺钉、扭矩传感器、砝码挂盘、砝码、钢丝绳、扭矩施加杆、吊环、钢杆、导轮支架、传感器支架，以及电脑；所述传感器支架、应变轴支架和导轮支架分别依次安装在机架上；导轮轴两端安装在导轮支架上端，通过锁紧螺母轴向固定，导轮轴为阶梯轴，安装在导轮支架上，导轮轴上安装深沟球轴承二，深沟球轴承二外部安装导轮；所述应变轴为一根中部大两边小的阶梯变径长轴，两端通过深沟球轴承一安装在应变轴支架顶部，深沟球轴承一两端通过轴承端盖固定和密封；所述应变轴两端设有尺寸不一致的键槽，键槽内安装平键，应变轴一端连接固定扭矩施加杆，另一端连接联轴器一，联轴器一和联轴器二之间通过铰制孔螺栓连接固定，联轴器二连接扭矩传感器，扭矩传感器左端设有轴段，左端的轴段和扭矩传感器之间通过沉孔螺钉连接，轴段连接联轴器二，扭矩传感器右端连接传感器支架侧边突出部分，扭矩传感器下部的外壳安装于传感器支架上表面；扭矩施加杆一端连接钢杆，另一端连接钢丝绳，钢杆下端设有砝码挂盘，钢丝绳向上绕过导轮并沿导轮另一侧下垂，下垂的钢丝绳末端设有砝码挂盘；所述应变轴上贴有应变片。

所述电脑上有数据处理系统，分别连接扭矩传感器(显示扭矩值)和采集器，采集两者传输过来的信息，并进行数据分析比对。

进一步的，所述滑轨与导轮到应变轴的方向平行映照到机架上表面，滑轨车安装于导轮支架底部，滑轨车上带有驱动和刹车机构，并放置于滑轨上，由电脑控制其实时位置。

进一步的，所述扭矩施加杆采用硬度高质量轻的7075铝合金材料，其结构为两端尖中部宽形状，尖端设有挂销轴，中心部位设有开有键槽的轴孔。

进一步的，所述导轮支架上端采用盖型设计，既上部盖在下部上，下部和上部分别有半个圆孔，贴合在一起组成整圆孔，用螺栓连接到一起。

进一步的，所述应变片为电阻式应变片，其形状为长方形，边缘与水平面倾斜45°粘贴在应变轴侧面。

进一步的，所述应变片设有4个，粘贴在应变轴一侧，4个应变片围成正方形，上下沿轴线对称，4个应变片之间采用电路连接，构成全桥接法，4臂工作。

进一步的，所述应变轴直径小于扭矩传感器直径，所述应变轴直径优选为扭矩传感器直径的一半。

进一步的，所述砝码挂盘设有配套用的标准砝码，砝码上端设有凸起，下端设有凹陷，凸起和凹陷尺寸相配，在安放到砝码挂盘上时，上下相邻砝码之间的凸起和凹陷可轴向贴合固定。

本发明的优点在于：

1、可以使施加到应变轴上的最大扭矩值增大到原来的两倍；

2、两边加相同质量的砝码，可以抵消单边施加扭矩对应变轴上造成的竖直方向的力，使施加到应变轴上的力矩为纯扭矩；

3、采用滑轨结构，当扭矩施加杆发生旋转的时候，滑轨可带动导轮支架随之移动，确保钢丝绳始终与水平面垂直。

附图说明

图1是本发明的结构示意图右视图；

图2是本发明的结构示意图主视图；

图3是本发明的结构示意图俯视图；

图4是扭矩施加杆左半段结构示意图；

图5是导轮支架的结构示意图左视图；

图6是应变轴的受力情况示意图；

图7是砝码结构示意图主视图；

图8是砝码结构示意图俯视图；

图9是惠斯通电桥连接关系图；

图10是电阻式应变片在应变轴上的贴片示意图；

图11是数据采集流程示意图；

图12是扭矩施加杆转动前后的受力示意图；

图13是实施例中施加扭矩过程中输出(显示)扭矩值的变化图。

图中：1、机架；2、滑轨；3、滑轨车；4、轴承端盖；5、深沟球轴承一；6、导轮支架；7、导轮；8、导轮孔；9、导轮轴；10、锁紧螺母；11、深沟球轴承二；12、应变轴；13、联轴器一；14、联轴器二；15、铰制孔螺栓；16、沉孔螺钉；17、扭矩传感器；18、砝码挂盘；19、砝码；20、钢丝绳；21、扭矩施加杆；22、吊环；23、钢杆；24、应变轴支架；25、传感器支架。

具体实施方式

下面结合附图中的实施例对本发明作进一步的详细说明，但并不构成对本发明的任何限制。

如图1至图9所示，一种扭矩传感器定度实验装置，包括机架1、滑轨2、滑轨车3、轴承端盖4、深沟球轴承一5、导轮支架6、导轮7、导轮孔8、导轮轴9、锁紧螺母10、深沟球轴承二11、应变轴12、联轴器一13、联轴器二14、铰制孔螺栓15、沉孔螺钉16、扭矩传感器17、砝码挂盘18、砝码19、钢丝绳20、扭矩施加杆21、吊环22、钢杆23、应变轴支架24、传感器支架25，以及电脑；所述传感器支架25、应变轴支架24和导轮支架6分别依次安装在机架1上；导轮轴9两端安装在导轮支架6上端，通过锁紧螺母10轴向固定，导轮轴9中部安装在深沟球轴承二11中部，深沟球轴承二11外部安装导轮7；导轮7上设有导轮孔8；所述应变轴12为一根中部大两边小的阶梯变径长轴，两端通过深沟球轴承一5安装在应变轴支架24顶部，深沟球轴承一5两端通过轴承端盖4固定和密封；所述应变轴12两端设有尺寸不一致的键槽，键槽内安装平键，应变轴12一端连接并固定扭矩施加杆21，另一端连接联轴器一13，联轴器一13和联轴器二14之间通过铰制孔螺栓15连接固定，联轴器二14连接扭矩传感器17，扭矩传感器17右边连接传感器支架25侧边突出部分，扭矩传感器17下部的外壳安装于传感器支架25上表面，扭矩传感器17中部外壳为圆形，上下分别设有一段方形外壳；扭矩施加杆21一端连接钢杆23，另一端连接钢丝绳20，钢杆23下端设有砝码挂盘18，钢丝绳20向上绕过导轮7并沿导轮7另一侧下垂，下垂的钢丝绳23末端设有砝码挂盘18。所述滑轨2与导轮7到应变轴的方向平行映照到机架1上表面，滑轨车3安装于导轮支架6底部，滑轨车3上带有驱动和刹车机构，并放置于滑轨2上，由电脑控制其实时位置。

如图4所示，所述扭矩施加杆21采用硬度高质量轻的7075铝合金材料，其结构为两端尖中部宽形状，尖端设有挂销轴，中心部位设有开有键槽的轴孔。

如图5所示，所述导轮支架6上端采用盖型设计，下部和上部分别有半个圆孔，贴合在一起组成整圆孔，用螺栓连接到一起。

所述应变轴12直径小于扭矩传感器17直径，所述应变轴12直径优选为扭矩传感器17直径的一半。

所述应变片为电阻式应变片，其形状为长方形，边缘与水平面倾斜45°粘贴在应变轴12侧面。如图10所示，所述应变片设有4个，贴合在应变轴一侧，4个应变片围成正方形，上下沿轴线对称，4个应变片之间采用电路连接，构成惠斯通电桥。

如图7、图8所示，所述砝码挂盘18设有配套用的标准砝码19，每个砝码19为标准砝码，砝码19上端设有凸起，下端设有凹陷，凸起和凹陷尺寸相配，在安放到砝码挂盘18上时，上下相邻砝码19之间的凸起和凹陷可轴向贴合固定。

所述扭矩传感器定度实验装置的控制由电脑完成，电脑上采用LabVIEW软件，其数据采集流程如图11所示。

本发明的工作流程是，将扭矩传感器定度实验装置连接安装，应变片按照图9方式粘贴在应变轴12上，连接好应变片，由电桥调理电路连接到数据采集器上，再连接到电脑上，同时扭矩传感器17也连接到电脑上(图1的扭矩传感器17左上方有菱形插孔，为数据线插孔)；将滑轨滑动到适宜位置，一端连接钢杆23，另一端连接钢丝绳20到扭矩施加杆21上并将钢丝绳20绕过导轮7下垂到另一侧，调节扭矩施加杆21到水平位置；连接调整完成后启动测试程序，放入所需的砝码19到两边的砝码挂盘18上，开始进行测试，其施加力的过程如图12所示；当扭矩施加杆21发生倾斜的时候，滑轨车3在电脑控制下带动导轮支架6沿滑轨2移动，确保钢丝绳20与扭矩施加杆21垂直，保证施加力的方向垂直向上；将应变轴12施加定值扭矩，通过应变轴12上应变片，将扭转信号转变为对应的电信号；模拟电桥对应变片上的电信号进行处理并输出一个新的信号；通过接线端子将模拟电桥上的信号接入采集器，采集器进行处理后，该信号再输入至电脑中，用LabVIEW调用此信号进行显示，并通过图表的方式进行显示。

如图9所示，应变片测应变的基本电桥为惠斯通电桥，其中U_E为给定初始输入电压，测量的输出电压为U_L，R₁、R₂、R₃、R₄为4个应变片的阻值。

通过电学计算可以得到得到:

$U_L=U_E\×\frac{R_1{R}_4-R_2{R}_3}{(R_1+R_2)\×(R_3+R_4)}---\left(1\right)$

当R₁·R₄＝R₂·R₃时，U_L＝0，此时电桥处于平衡状态。而当弹性元件发生应变时，应变片敏感栅的阻值发生改变，其增量为△R₁，△R₂，△R₃，△R₄，带入式1可以得到：

$U_L=U_E\×\frac{R_1{R}_2}{{(R_1+R_2)}^2}(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})---\left(2\right)$

若采用4个相同的应变片，那么R₁＝R₂＝R₃＝R₄。带入式2，得到：

$U_L=\frac{U_E}{4}\×(\frac{{\mathrm{\ΔR}}_1}{R_1}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_2}{R_2}-\frac{{\mathrm{\ΔR}}_3}{R_3}+\frac{{\mathrm{\ΔR}}_4}{R_4})---\left(3\right)$

若4个应变片的灵敏度K均相同，有△R/R＝ε，带入式3可以得到：

$U_L=\frac{U_{E}K}{4}\×({\mathrm{\ϵ}}_1-{\mathrm{\ϵ}}_2-{\mathrm{\ϵ}}_3+{\mathrm{\ϵ}}_4)---\left(4\right)$

式中K应变片的灵敏度，

当应变信号输入电脑中，在电脑上输出的信号为ε_读，其值为：

ε_读＝(ε₁-ε₂-ε₃+ε₄)＝4U_L/U_EK (5)

其中ε_读为电脑所读出的应变数据。

以采用4个应变片来采集测扭矩为例，所粘贴的4个应变片，起到了给惠斯通电桥提供了R₁和R₂、R₃、R₄四个电阻的作用，将应变片R₁、R₂、R₃、R₄沿应变轴12轴线方向45°方向粘贴组成全桥接入仪器，由R₁＝R₂，可知ε₁＝-ε₂，同理ε₃＝-ε₄，把ε₁＝-ε₂带入式7中，可以得到：

4ε₁＝ε_读 (6)

则ε₁＝ε_读/4；

由此可通过读出的应变值计算得到应变R₁的应变值ε₁；

根据图9所示，

ε₁＝σ₁/E-μσ₂/E＝τ(1+μ)/E (7)

其中σ为正应力，τ为切应力，μ为泊松比，E为弹性模量。

圆轴扭转的切应力：

τ＝M/W_p (8)

其中M为圆轴所受扭矩，W_p为扭转截面系数。

对圆轴而言，其中W_p为圆轴扭转截面系数，计算公式为：

W_P＝πD³/16 (9)

其中D为圆轴的直径。

这样就可以求出该轴所受到的扭矩值为：

M＝τπD³/16 (10)

式6带入式7可以得到剪切应力τ的表达式为：

τ＝ε_读E/4(1+μ) (11)

把式11带入式10，可以得到：

M＝ε_读EπD³/64(1+μ) (12)

采用LabVIEW对上述方法采集到的数据进行分析，并导出扭矩值的图表，如图13所示。

以上所述仅是本发明的优选同时实施方式，应当指出，本发明并不局限于上述方式，在不脱离本发明原理的前提下，还能进一步改进，这些改进也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，包括机架、滑轨、滑轨车、轴承端盖、深沟球轴承一、导轮支架、导轮、导轮轴、锁紧螺母、深沟球轴承二、应变轴、联轴器一、联轴器二、铰制孔螺栓、沉孔螺钉、扭矩传感器、砝码挂盘、砝码、钢丝绳、扭矩施加杆、吊环、钢杆、导轮支架、传感器支架，以及电脑；所述传感器支架、应变轴支架和导轮支架分别依次安装在机架上；导轮轴两端安装在导轮支架上端，通过锁紧螺母轴向固定，导轮轴为阶梯轴，安装在导轮支架上，导轮轴上安装深沟球轴承二，深沟球轴承二外部安装导轮；所述应变轴为一根中部大两边小的阶梯变径长轴，两端通过深沟球轴承一安装在应变轴支架顶部，深沟球轴承一两端通过轴承端盖固定和密封；所述应变轴两端设有尺寸不一致的键槽，键槽内安装平键，应变轴一端连接固定扭矩施加杆，另一端连接联轴器一，联轴器一和联轴器二之间通过铰制孔螺栓连接固定，联轴器二连接扭矩传感器，扭矩传感器左端设有轴段，左端的轴段和扭矩传感器之间通过沉孔螺钉连接，轴段连接联轴器二，扭矩传感器右端连接传感器支架侧边突出部分，扭矩传感器下部的外壳安装于传感器支架上表面；扭矩施加杆一端连接钢杆，另一端连接钢丝绳，钢杆下端设有砝码挂盘，钢丝绳向上绕过导轮并沿导轮另一侧下垂，下垂的钢丝绳末端设有砝码挂盘；所述应变轴上贴有应变片。

2.根据权利要求1所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述滑轨与导轮到应变轴的方向平行映照到机架上表面，滑轨车安装于导轮支架底部，滑轨车上带有驱动和刹车机构，并放置于滑轨上，由电脑控制其实时位置。

3.根据权利要求1所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述扭矩施加杆采用硬度高质量轻的7075铝合金材料，其结构为两端尖中部宽形状，尖端设有挂销轴，中心部位设有开有键槽的轴孔。

4.根据权利要求1所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述导轮支架上端采用盖型设计，下部和上部分别有半个圆孔，贴合在一起组成整圆孔，用螺栓连接到一起。

5.根据权利要求1所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述应变片为电阻式应变片，其形状为长方形，边缘与水平面倾斜45°粘贴在应变轴侧面。

6.根据权利要求1或5所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述应变片设有4个，粘贴在应变轴一侧，4个应变片围成正方形，上下沿轴线对称，4个应变片之间采用电路连接，构成全桥接法。

7.根据权利要求1所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述应变轴直径小于扭矩传感器直径。

8.根据权利要求7所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述应变轴直径为扭矩传感器直径的一半。

9.根据权利要求1所述的一种扭矩传感器定度实验装置，其特征在于，所述砝码挂盘设有配套用的标准砝码，砝码上端设有凸起，下端设有凹陷，凸起和凹陷尺寸相配，在安放到砝码挂盘上时，上下相邻砝码之间的凸起和凹陷可轴向贴合固定。