CN108181038A - 数显扭力扳手及其扭矩测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及扭矩测量技术领域，具体的说是一种不受施力位置影响的数显扭力扳手及其扭矩测量方法，设有扳手主体，其特征在于扳手主体的两侧面设有电阻式应变传感器，扳手力臂的两侧面记为矩形测量区P面和P'面，电阻式应变传感器相对扳手纵轴线对称分布在P面和P'面上，本发明的测量精度不会受到施力位置影响，即在扳手手柄不同位置施力在拧头处产生相同扭矩时都可实现一致性准确测量。

Description

数显扭力扳手及其扭矩测量方法

技术领域：

本发明涉及扭矩测量技术领域，具体的说是一种不受施力位置影响的数显扭力扳手及其扭矩测量方法。

背景技术：

数显扭矩扳手广泛应用于机械、汽车、造船、冶金、桥梁、化工等行业，特别对于需要施加预警力矩或需要知道当前扭矩大小的情形。国外数显扳手应用已十分普遍，但价格昂贵；国内也有企业生产数显扳手，但测量精度与可靠性相比国外产品有差距。目前国内外数显扳手大多采用惠斯通电桥的测量原理，通过电阻式应变传感器将扭矩变化转换为电信号变化，利用信号调理电路对微弱的电信号进行放大、滤波，经A/D转换后送至单片机进行处理，结合补偿参数计算出相应扭矩值，最后通过LCD显示。电阻式应变传感器的粘贴位置会对扭矩测量精度造成重大影响，理论上电阻式应变传感器的粘贴位置与拧头重合时，拧头所受扭矩与电阻式应变传感器处所受弯矩相等，才能保证电阻式应变传感器所测扭矩为拧头所受扭矩，扭矩的测量不受施力点位置的影响；实际上，电阻式应变传感器粘贴位置不能与拧头重合，因此目前所采用的方法是在尽量靠近拧头的位置粘贴电阻式应变传感器，并通过扳手结构尺寸设计保证扳手扭矩测量误差在允许范围之内。

现阶段所采用的电阻应变式测量扳手扭矩的方法存在以下问题：(1)虽然通过其他手段保证测量误差在允许范围之内，但该方法从原理上决定了测量所得的扭矩只是真实扭矩的近似值，本身存在理论上的误差，且测量结果受施力位置的影响，即在手柄处不同位置施加不同的力在拧头处产生相同扭矩时现有方法并不能保证测量结果的一致性；(2)在拧头附近粘贴电阻式应变传感器时需要额外设计扳手套筒对电阻式应变传感器进行保护，且有时为了获得较高精度需要把扳手的长度设计得较长，会增加结构设计复杂度和成本；(3)在拧头附近粘贴电阻式应变传感器对扳手头部结构有所限制，且在使用过程中需保证电阻式应变传感器不能被外物压迫，因此具有一定的应用局限性。

发明内容：

本发明针对现有技术中存在的缺点和不足提出了一种不受施力位置影响的数显扭力扳手及其扭矩测量方法。

本发明可以通过以下措施达到：

一种数显扭力扳手，设有扳手主体，其特征在于扳手主体的两侧面设有电阻式应变传感器，扳手力臂的两侧面记为矩形测量区P面和P'面，电阻式应变传感器相对扳手纵轴线对称分布在P面和P'面上，电阻式应变传感器记为P₁、P₂、P₃…P_2n、P_2n+1和P'₁、P'₂、P'₃…P'_2n、P'_2n+1，其中n≥1，n为自然数；P₁/P'₁位置与拧头中心距离记为L₁，P₂/P'₂位置与P₁/P'₁位置距离为L₂，……P_2n+1/P'_2n+1位置与P_2n/P'_2n位置距离为L_2n+1，施力点距离拧头中心为L；

矩形测量区P面的P₁位置并列粘贴电阻式应变传感器B₁和C₁，P₂位置并列粘贴电阻式应变传感器B₂和C₂，P₃位置并列粘贴电阻式应变传感器A₃和D₃，依此类推，P_2n位置并列粘贴电阻式应变传感器B_2n和C_2n，P_2n+1位置并列粘贴电阻式应变传感器A_2n+1和D_2n+1；

矩形测量区P'面的P'₁位置并列粘贴电阻式应变传感器A₁和D₁，P'₂位置并列粘贴电阻式应变传感器A₂和D₂，P'₃位置并列粘贴电阻式应变传感器B₃和C₃，依此类推，P'_2n位置并列粘贴电阻式应变传感器A_2n和D_2n，P'_2n+1位置并列粘贴电阻式应变传感器B_2n+1和C_2n+1；

电阻式应变传感器沿扳手纵轴排列，且P面和P'面电阻式应变传感器位置对称；

电桥臂AB依次串联电阻式应变传感器A₁、A₂、A₂…A_2n、A_2n+1，电桥臂BD依次串联电阻式应变传感器B₁、B₂、B₂…B_2n、B_2n+1，电桥臂AC依次串联电阻式应变传感器C₁、C₂、C₂…C_2n、C_2n+1，电桥臂CD依次串联电阻式应变传感器D₁、D₂、D₂…D_2n、D_2n+1，A端和D端间为输入电源，电压为u；B端和C端间为输出，电压为u₀，电桥输出电压u₀是微弱电信号，需要利用信号调理电路对该电信号进行放大、滤波，经A/D转换后送至单片机进行计算处理获得测量扭矩。

本发明所述信号调理电路采用现成的成熟方案，不再赘述。

一种数显扭力扳手的扭矩测量方法，其特征在于所有电阻式应变传感器均为同规格同阻值同膨胀系数，则在公式1、2和3条件下，忽略高阶最小项可得电桥输出电压为：

式中，A_i、B_i、C_i、D_i(i＝1,2…2n+1)分别各电阻式应变传感器的电阻值，ΔA_i、ΔB_i、ΔC_i、ΔD_i(i＝1,2…2n+1)分别各电阻式应变传感器在扳手施加扭矩时对应的电阻值变化量；

因应变片阻值变化量与其所受到的应变成正比，即

式中，R和ΔR分别为应变片电阻值和电阻值变化量，ε为应变，K为电阻应变片的灵敏系数。结合式(1)和(2)，可得

考虑到P面和P'面的电阻式应变传感器的位置对称，则距拧头相同距离处的P面和P'面应变大小相等且方向相反，则式(3)变为

u₀＝Ku(ε₁+ε₂-ε₃+ε₄…+ε_2n-ε_2n+1) (4)

式中，ε_i为对应位置P_i(或P'_i)处因所施加的扭矩而产生的应变大小，i＝1,2,…,2n+1，而ε_i与对应位置的弯矩有关，为

式中，L_i为P_i(或P'_i)处对应的力臂，F为所时间的力，b为力臂横截面的宽度，h为力臂横截面的高度，E位弹性模量，则式(4)变换为

对于式(6)，当如下关系式成立时

式(6)转换为

从式(6)可以看出，当满足式(7)条件时，电桥所测量的电压信号与扳手拧头所受到的扭矩(FL)是成正比的，与扳手拧头所受到的扭矩(FL)是一一对应的，且随扭矩(FL)的变化而呈线性变化，因此可通过测量电桥输出电压u₀来测量拧头所受到的扭矩。

本发明的测量精度不会受到施力位置影响，即在扳手手柄不同位置施力在拧头处产生相同扭矩时都可实现一致性准确测量。

附图说明：

附图1是本发明的结构示意图。

附图2是本发明中电阻式应变传感器的安装方式示意图。

附图3是本发明中惠斯通电桥连接方式示意图。

具体实施方式：

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

本发明的方案如下：

1、确定电阻式应变传感器的粘贴位置：

如图1所示，以扳手纵轴线为对称在扳手力臂上做出矩形测量区P面和P'面，供粘贴电阻式应变传感器。P₁、P₂、P₃…P_2n、P_2n+1和P'₁、P'₂、P'₃…P'_2n、P'_2n+1为电阻式应变传感器的粘贴位置，其中n≥1，为自然数，根据用户需求选择。P₁(P'₁)位置与拧头中心距离为L₁，P₂(P'₂)位置与P₁(P'₁)位置距离为L₂，依此类推P_2n+1(P'_2n+1)位置与P_2n(P'_2n)位置距离为L_2n+1。施力点距离拧头中心为L。

2、电阻式应变传感器的粘贴方式：

如图2所示，矩形测量区P面的P₁位置并列粘贴电阻式应变传感器B₁和C₁，P₂位置并列粘贴电阻式应变传感器B₂和C₂，P₃位置并列粘贴电阻式应变传感器A₃和D₃，依此类推，P_2n位置并列粘贴电阻式应变传感器B_2n和C_2n，P_2n+1位置并列粘贴电阻式应变传感器A_2n+1和D_2n+1。矩形测量区P'面的P'₁位置并列粘贴电阻式应变传感器A₁和D₁，P'₂位置并列粘贴电阻式应变传感器A₂和D₂，P'₃位置并列粘贴电阻式应变传感器B₃和C₃，依此类推，P'_2n位置并列粘贴电阻式应变传感器A_2n和D_2n，P'_2n+1位置并列粘贴电阻式应变传感器B_2n+1和C_2n+1。电阻式应变传感器沿扳手纵轴排列，且P面和P'面电阻式应变传感器位置对称。

3、惠斯通电桥的连接方式：

如图3所示，电桥臂AB依次串联电阻式应变传感器

A₁、A₂、A₂…A_2n、A_2n+1，电桥臂BD依次串联电阻式应变传感器

B₁、B₂、B₂…B_2n、B_2n+1，电桥臂AC依次串联电阻式应变传感器

C₁、C₂、C₂…C_2n、C_2n+1，电桥臂CD依次串联电阻式应变传感器

D₁、D₂、D₂…D_2n、D_2n+1。A端和D端间为输入电源，电压为u；B端和C端间为输出，电压为u₀。电桥输出电压u₀是微弱电信号，需要利用信号调理电路对该电信号进行放大、滤波，经A/D转换后送至单片机进行计算处理获得测量扭矩。在此只介绍本发明的核心思想，对于信号调理电路，有现成的成熟方案可供选择，不再进行赘述。

4、数显扭矩扳手测量原理：

所有电阻式应变传感器均为同规格同阻值同膨胀系数，则在1、2和3条件下，忽略高阶最小项可得电桥输出电压为：

式中，A_i、B_i、C_i、D_i(i＝1,2…2n+1)分别各电阻式应变传感器的电阻值，ΔA_i、ΔB_i、ΔC_i、ΔD_i(i＝1,2…2n+1)分别各电阻式应变传感器在扳手施加扭矩时对应的电阻值变化量；

因应变片阻值变化量与其所受到的应变成正比，即

式中，R和ΔR分别为应变片电阻值和电阻值变化量，ε为应变，K为电阻应变片的灵敏系数。结合式(1)和(2)，可得

考虑到P面和P'面的电阻式应变传感器的位置对称，则距拧头相同距离处的P面和P'面应变大小相等且方向相反，则式(3)变为

u₀＝Ku(ε₁+ε₂-ε₃+ε₄…+ε_2n-ε_2n+1) (4)

式中，ε_i为对应位置P_i(或P'_i)处因所施加的扭矩而产生的应变大小，i＝1,2,…,2n+1。而ε_i与对应位置的弯矩有关，为

式中，L_i为P_i(或P'_i)处对应的力臂，F为所时间的力，b为力臂横截面的宽度，h为力臂横截面的高度，E位弹性模量，则式(4)变换为

对于式(6)，当如下关系式成立时

式(6)转换为

从式(6)可以看出，当满足式(7)条件时，电桥所测量的电压信号与扳手拧头所受到的扭矩(FL)是成正比的，与扳手拧头所受到的扭矩(FL)是一一对应的，且随扭矩(FL)的变化而呈线性变化，因此可通过测量电桥输出电压u₀来测量拧头所受到的扭矩，且本发明的测量精度不会受到施力位置影响，即在扳手手柄不同位置施力在拧头处产生相同扭矩时都可实现一致性准确测量。

本发明的技术关键点是：

1、需按照图1和图2所示方式粘贴电阻式应变传感器，粘贴方向沿扳手纵轴线方向，且P面和P'面对称，注意电阻式应变传感器的位置次序。

2、对于发明方案中第3点惠斯通电桥的连接方式，注意每个电桥臂中电阻式应变传感器的数量为2n+1个，所有桥臂的电阻式应变传感器的总数为8n+4个。n≥1且为自然数，由扳手结构设计者根据需求给定，最小可选择n＝1，此时每个电桥臂的电阻式应变传感器个数为3。各电桥臂的电阻式应变传感器连接顺序需与图2所示顺序一致，且各电阻式应变传感器均为同规格同电阻值同膨胀系数。

3、只有满足时，才能实现本发明的目的。这个条件在进行扳手结构尺寸设计时考虑，且很容易达到。

本发明具有如下优点：

1、在发明方案中，已经从理论上证明了本发明方案的电桥所测量的电压信号与扳手拧头所受到的扭矩(FL)成正比，且随扭矩(FL)的变化而呈线性变化，因此本发明不仅能准确测量扭矩(本发明在理论上是没有测量误差的，而传统数显扭矩扳手在理论上就存在一定测量误差，实际上会因为扳手的加工误差、电阻式应变传感器精度、信号处理精度等再引入其他误差)，而且测量精度不会受到施力位置影响，即在扳手手柄不同位置施力在拧头处产生相同扭矩时都可实现一致性测量。

2、电阻应变传感器的安装位置只需满足即可，而不必须按传统方法靠近拧头安装，本发明的安装位置灵活性大，能降低扳手结构设计复杂度和成本，也能扩展数显扭矩扳手的应用范围。

Claims (2)

1.一种数显扭力扳手，设有扳手主体，其特征在于扳手主体的两侧面设有电阻式应变传感器，扳手力臂的两侧面记为矩形测量区P面和P'面，电阻式应变传感器相对扳手纵轴线对称分布在P面和P'面上，电阻式应变传感器记为P₁、P₂、P₃…P_2n、P_2n+1和P′₁、P′₂、P′₃…P′_2n、P′_2n+1，其中n≥1，n为自然数；P₁/P′₁位置与拧头中心距离记为L₁，P₂/P′₂位置与P₁/P′₁位置距离为L₂，……P_2n+1/P′_2n+1位置与P_2n/P′_2n位置距离为L_2n+1，施力点距离拧头中心为L；

矩形测量区P面的P₁位置并列粘贴电阻式应变传感器B₁和C₁，P₂位置并列粘贴电阻式应变传感器B₂和C₂，P₃位置并列粘贴电阻式应变传感器A₃和D₃，依此类推，P_2n位置并列粘贴电阻式应变传感器B_2n和C_2n，P_2n+1位置并列粘贴电阻式应变传感器A_2n+1和D_2n+1；

矩形测量区P'面的P′₁位置并列粘贴电阻式应变传感器A₁和D₁，P′₂位置并列粘贴电阻式应变传感器A₂和D₂，P′₃位置并列粘贴电阻式应变传感器B₃和C₃，依此类推，P′_2n位置并列粘贴电阻式应变传感器A_2n和D_2n，P′_2n+1位置并列粘贴电阻式应变传感器B_2n+1和C_2n+1；

电阻式应变传感器沿扳手纵轴排列，且P面和P'面电阻式应变传感器位置对称；

电桥臂AB依次串联电阻式应变传感器A₁、A₂、A₂…A_2n、A_2n+1，电桥臂BD依次串联电阻式应变传感器B₁、B₂、B₂…B_2n、B_2n+1，电桥臂AC依次串联电阻式应变传感器C₁、C₂、C₂…C_2n、C_2n+1，电桥臂CD依次串联电阻式应变传感器D₁、D₂、D₂…D_2n、D_2n+1，A端和D端间为输入电源，电压为u；B端和C端间为输出，电压为u₀，电桥输出电压u₀是微弱电信号，需要利用信号调理电路对该电信号进行放大、滤波，经A/D转换后送至单片机进行计算处理获得测量扭矩。

2.一种如权利要求1所述的数显扭力扳手的扭矩测量方法，其特征在于所有电阻式应变传感器均为同规格同阻值同膨胀系数，则在公式1、2和3条件下，忽略高阶最小项可得电桥输出电压为：

式中，A_i、B_i、C_i、D_i(i＝1,2…2n+1)分别各电阻式应变传感器的电阻值，ΔA_i、ΔB_i、ΔC_i、ΔD_i(i＝1,2…2n+1)分别各电阻式应变传感器在扳手施加扭矩时对应的电阻值变化量；

因应变片阻值变化量与其所受到的应变成正比，即

式中，R和ΔR分别为应变片电阻值和电阻值变化量，ε为应变，K为电阻应变片的灵敏系数。结合式(1)和(2)，可得

考虑到P面和P'面的电阻式应变传感器的位置对称，则距拧头相同距离处的P面和P'面应变大小相等且方向相反，则式(3)变为

u₀＝Ku(ε₁+ε₂-ε₃+ε₄…+ε_2n-ε_2n+1) (4)

式中，ε_i为对应位置P_i(或P′_i)处因所施加的扭矩而产生的应变大小，i＝1,2,…,2n+1，而ε_i与对应位置的弯矩有关，为

式中，L_i为P_i(或P′_i)处对应的力臂，F为所时间的力，b为力臂横截面的宽度，h为力臂横截面的高度，E位弹性模量，则式(4)变换为

对于式(6)，当如下关系式成立时

式(6)转换为

从式(6)可以看出，当满足式(7)条件时，电桥所测量的电压信号与扳手拧头所受到的扭矩(FL)是成正比的，与扳手拧头所受到的扭矩(FL)是一一对应的，且随扭矩(FL)的变化而呈线性变化，因此可通过测量电桥输出电压u₀来测量拧头所受到的扭矩。