CN111855052A - 扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法 - Google Patents
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Abstract
公开了一种扭矩传感器，包括衬底；扭矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的扭矩形变，输出扭矩感测信号；弯矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的弯矩形变，输出弯矩感测信号。本发明的扭矩传感器通过额外设置弯矩敏感单元，同时获得扭矩感测信号和弯矩信号，采用弯矩信号对扭矩感测信号进行补偿，消除弯矩对扭矩感测信号的影响，可以提高测量的扭矩值的准确度。
Description
技术领域
本发明涉及传感技术领域，特别涉及一种扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法。
背景技术
基于MEMS(Micro-Electro-Mechanical System,微机电系统)的扭矩传感器得到广泛使用，例如助力式电动自行车采用扭矩传感器，人踩脚踏板产生的力矩通过电动自行车的转动轴转换成扭矩，扭矩的大小反馈到电动自行车的控制电机，从而达到助力的目的。压阻式扭矩传感器的原理是转动轴受到扭矩后，粘贴在转动轴上的传感器的电阻值发生变化，通过检测电阻形成的惠斯通电桥输出的差分信号，即可测得转动轴上的扭矩。
MEMS压阻式扭矩传感器可以采用单晶硅注入电阻的方式实现，且一般采用四个扩散电阻组成的惠斯通电桥输出差分信号实现扭矩感测信号的检测及输出。单晶硅上的电阻不仅仅会感应到纵向应变，即电流方向上的应变，也会感应到在横向和剪边方向上的部分应变，而这样会在硅应变计中产生大量的串扰。弯矩就是使转动轴弯曲所需要的力矩。实际在使用中，扭矩传感器一般以如图1所示的杆状结构为载体，其不仅会受到沿杆周向的使其扭曲的扭矩，杆状的载体受力中还会存在使其弯曲的力矩，即弯矩，可实际需要的只是扭矩，弯矩会对传感器的输出结果产生干扰，降低准确性。
发明内容
鉴于上述问题，本发明的目的在于提供一种扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法，消除弯矩、温度等对扭矩传感器输出的扭矩感测值的影响，提高扭矩传感器输出的扭矩感测值的准确性。
根据本发明的第一方面，提供一种扭矩传感器，包括：衬底；扭矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的扭矩形变，输出扭矩感测信号；弯矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的弯矩形变，输出弯矩感测信号。
优选地，所述扭矩敏感单元包括第一惠斯通电桥结构，所述弯矩敏感单元包括第二惠斯通电桥结构。
优选地，所述第一惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第一电阻、第四电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一电阻和第三电阻之间的节点与所述第二电阻和第四电阻之间的节点之间输出所述扭矩感测信号，所述第一电阻和第四电阻之间的节点与所述第二电阻和第三电阻之间的节点之间输入直流电压。
优选地，在无形变或无应力时，第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻的阻值相等。
优选地，所述第二惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第五电阻、第八电阻、第六电阻以及第七电阻，所述第六电阻和第七电阻之间的节点与所述第五电阻和第八电阻之间的节点之间输出所述弯矩感测信号，所述第五电阻和第七电阻之间的节点与所述第六电阻和第八电阻之间的节点之间输入直流电压。
优选地，在无形变或无应力时，第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第八电阻的阻值相等。
优选地，所述衬底为(100)晶面P型硅。
优选地，所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向平行，所述第三电阻和所述第四电阻的电流方向与所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向垂直。
优选地，所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向的夹角为23°～45°，所述第七电阻和所述第八电阻的电流方向与所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向垂直。
优选地，所述扭矩传感器还包括：温度敏感单元，位于所述衬底上，感测温度变化，输出温度感测信号。
优选地，所述温度敏感单元包括温敏二极管，所述温敏二极管与恒流源连接，所述温敏二极管两端的电压信号为所述温度感测信号。
优选地，所述衬底为可受扭矩力和弯矩力形变的衬底。
优选地，所述扭矩敏感单元和所述弯矩敏感单元共用同一电源，所述电源提供直流电压。
根据本发明的第二方面，提供一种扭矩传感装置，其特征在于，包括扭矩传感器，其中，所述扭矩传感器包括：衬底；扭矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的扭矩形变，输出扭矩感测信号；弯矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的弯矩形变，输出弯矩感测信号。
优选地，所述扭矩传感装置还包括：基板，位于转动轴的侧壁上，并与转动轴的侧壁表面贴合连接；
优选地，所述扭矩传感器位于所述基板上，且所述扭矩传感器与所述基板在所述基板的水平面上的夹角为45°。
优选地，所述扭矩传感装置还包括：处理单元，位于所述基板上，与所述扭矩传感器间隔设置并通过金丝键合连接。
优选地，所述处理单元与所述基板在所述基板的水平面上的夹角为45°。
优选地，所述处理单元对所述扭矩感测信号和所述弯矩感测信号进行模数转换处理。
优选地，所述处理单元根据所述弯矩感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿得到补偿后的扭矩感测信号，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。
优选地，所述扭矩敏感单元包括第一惠斯通电桥结构，所述弯矩敏感单元包括第二惠斯通电桥结构。
优选地，所述第一惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第一电阻、第四电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一电阻和第三电阻之间的节点与所述第二电阻和第四电阻之间的节点之间输出所述扭矩感测信号，所述第一电阻和第四电阻之间的节点与所述第二电阻和第三电阻之间的节点之间输入直流电压。
优选地，在无形变或无应力时，第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻的阻值相等。
优选地，所述第二惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第五电阻、第八电阻、第六电阻以及第七电阻，所述第六电阻和第七电阻之间的节点与所述第五电阻和第八电阻之间的节点之间输出所述弯矩感测信号，所述第五电阻和第七电阻之间的节点与所述第六电阻和第八电阻之间的节点之间输入直流电压。
优选地，在无形变或无应力时，第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第八电阻的阻值相等。
优选地，所述衬底为(100)晶面P型硅。
优选地，所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向平行，所述第三电阻和所述第四电阻的电流方向与所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向垂直。
优选地，所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向的夹角为45°，所述第七电阻和所述第八电阻的电流方向与所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向垂直。
优选地，所述扭矩传感器还包括：温度敏感单元，位于所述衬底上，感测温度变化，输出温度感测信号。
优选地，所述温度敏感单元包括温敏二极管，所述温敏二极管与恒流源连接，所述温敏二极管两端的电压信号为所述温度感测信号。
优选地，所述处理单元根据温度感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿。
优选地，所述衬底为可受扭矩力和弯矩力形变的衬底。
优选地，所述扭矩敏感单元和所述弯矩敏感单元共用同一电源，所述电源提供直流电压。
根据本发明的第三方面，提供一种扭矩传感系统，包括：上述所述的扭矩传感装置；微控制单元，与所述扭矩传感装置连接，输出补偿后的扭矩感测值。
根据本发明的第四方面，提供一种扭矩传感系统的测量方法，包括：包括：获取扭矩传感器输出的扭矩感测信号和弯矩感测信号；根据弯矩感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿。
优选地，所述测量方法还包括：获取扭矩传感器输出的温度感测信号；根据温度感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿。
优选地，所述测量方法还包括：对补偿后的扭矩感测信号进行处理输出补偿后的扭矩感测值。
本发明提供的扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法，扭矩传感器包括扭矩感测单元和弯矩感测单元，分别输出扭矩感测信号和弯矩感测信号，根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿，得到更加精确的扭矩感测值。
进一步地，扭矩传感器包括温度敏感单元，输出温度感测信号，可以根据温度感测信号对扭矩感测信号进行补偿，进一步地提高扭矩感测值的准确度。
采用微控制单元对扭矩感测信号和弯矩感测信号进行处理，可以降低扭矩传感器的大小，同时可以在保障一定的数据处理能力的同时降低成本。
附图说明
通过以下参照附图对本发明实施例的描述，本发明的上述以及其他目的、特征和优点将更为清楚，在附图中：
图1示出了根据现有技术的扭矩传感装置的安装简图；
图2示出了根据现有技术的扭矩传感装置的结构示意图；
图3示出了根据现有技术的扭矩传感器的等效电路示意图；
图4示出了根据现有技术的扭矩传感器的结构示意图；
图5示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的结构示意图；
图6示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的电路结构示意图；
图7示出了根据本发明实施例的扭矩传感装置的结构示意图；
图8示出了根据本发明实施例的扭矩传感系统的结构示意图。
具体实施方式
以下将参照附图更详细地描述本发明的各种实施例。在各个附图中，相同的元件采用相同或类似的附图标记来表示。为了清楚起见，附图中的各个部分没有按比例绘制。
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
图1示出了根据现有技术的扭矩传感装置的安装简图。如图1所示，现有技术的扭矩传感装置(图中未示出)通过贴片103安装在转动轴104上。转动轴104的第一端101固定，第二端105与施力方连接，例如与踏板相连接，工作时，踏板受力，经转动轴104的第二端105传导，使转动轴104受到扭矩或弯矩而转动或弯曲。
转动轴104的侧壁上具有一个平面102，平整地安装在该平面102上，具体的，扭矩传感装置可以采用绝缘胶或银浆黏贴在平面102上。扭矩传感装置受物理原理限制，一般设计为平面结构。平面102的平面尺寸大于等于扭矩传感装置的平面尺寸。
图2示出了根据现有技术的扭矩传感装置的结构示意图。如图2所示，该扭矩传感装置200包括基板201以及设置在该基板201上的扭矩传感器202和处理单元203，扭矩传感器202包括多个扭矩敏感件1，多个扭矩敏感件1构成扭矩敏感单元，扭矩敏感单元感测转动轴104的扭矩形变，输出扭矩感测信号。图2中箭头指示的方向从转动轴104的第二端105一侧观看的顺时针方向。基板201可以采用铁片，与图1中的103对应。
转动轴104在扭矩和弯矩的作用下发生形变，平面102跟随转动轴104发生形变，基板201跟随平面102发生形变，扭矩敏感件1对形变产生电学参数的变化，从而输出相应的扭矩感测信号至处理单元203，处理单元203可将该模拟的扭矩感测信号转换处理为数字信号，以供进行数字处理分析。
图3示出了图2中扭矩传感器的等效电路示意图。如图3所示，扭矩传感器202包括第一惠斯通电桥结构，第一惠斯通电桥结构包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，第一电阻至第四电阻(R1-R4)相当于图2中的扭矩敏感件1，构成扭矩敏感单元。第一电阻R1、第四电阻R4、第二电阻R2和第三电阻R3串联连接形成闭合环路。第一电阻R1和第四电阻R4之间的节点与第二电阻R2和第三电阻R3之间的节点之间输入直流电压Vs。第一电阻R1和第三电阻R3之间的节点与第二电阻R2和第四电阻R4之间的节点之间输出差分信号Vout，该差分信号Vout即为扭矩感测信号。差分信号Vout与直流输入电压Vs的比值与第一电阻至第四电阻(R1-R4)之间的关系表达式为：
图4示出了图2中扭矩传感器的结构示意图。如图所示，现有技术的扭矩传感器202为平面结构，其中，该扭矩传感器202的衬底为(100)晶面的P型硅衬底，在该衬底上制作有第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4，电阻的摆放决定了电流的方向，将电阻的摆放方向指代电阻的电流方向，第一电阻R1和第二电阻R2的电流方向与P型硅的[110]晶向方向平行，第三电阻R3和第四电阻R4的电流方向与与第一电阻R1和第二电阻R2的电流方向垂直，即与P型硅的[110]晶向方向垂直。
若以图4的方向为正向摆放，则扭矩传感器202在图2中为45°摆放。则[110]晶向压阻系数可以表示为：
其中，下标l表示纵向，对应应力方向与电流方向平行；下表t表示横向，对应应力方向与电流方向垂直，再结合电阻变化率公式：
则第一电阻R1和第二电阻R2的电阻变化率为：π44σ/2；第三电阻R3和第四电阻R4的电阻变化率为：-π44σ/2。π为压阻系数，压阻系数的物理含义是电阻变化率与单位压强的比例关系，即相同压强条件下，压阻系数越大，电阻率变化越大。单位1/Pa。
对(100)晶面P型硅，π44为1.38E-3Pa-1。如果转动轴104的第二端105受到来自右端的顺时针的力，转动轴104受到相应的扭转力，则第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4受到压应力，压应力为负值，第一电阻R1和第二电阻R2的阻值减小，第三电阻R3和第三电阻R4的阻值增加；如果转动轴104的第二端105受到来自右端的逆时针的扭转力，则第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4受到张应力，张应力为正值，此时第一电阻R1和第二电阻R2的阻值增加，第三电阻R3和第三电阻R4的阻值减小。45°角方向上的应力最大，相应的，电阻在受力后的变化最明显，可以确保最好的测量效果。
如果转动轴104受到弯矩力，而非扭矩力，以图1为参考，如果转动轴104的第二端105受到向下的压力，即转动轴104受到向下的弯矩力，则第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4受到张应力，同时因为扭矩传感器202为45°倾斜放置，第一电阻R1和第二电阻R2的电阻变化率为π44σ/2与45°余弦的乘积，第三电阻R3和第三电阻R4的电阻变化率为π44σ/2与45°正弦的乘积，也即第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4的阻值均减小；如果转动轴104的第二端105受到向上的压力，即转动轴104受到向上的弯矩力，分析如上，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4受到压应力，其阻值均减小。在弯矩力的影响下，其直接输出的扭矩感测信号具有误差。
图5示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的结构示意图。与图4所示的扭矩传感器相比，本实施例的扭矩传感器包括扭矩敏感单元和弯矩敏感单元。其中，扭矩敏感单元感测转动轴104的扭矩变化，输出扭矩感测信号。弯矩敏感单元感测转动轴104的弯矩形变，输出弯矩感测信号。
图6示出了根据本发明实施例的扭矩传感器的电路结构示意图。如图6所示，扭矩敏感单元包括第一惠斯通电桥结构，第一惠斯通电桥结构包括第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第四电阻R4。第一电阻R1、第四电阻R4、第二电阻R2和第三电阻R3串联连接形成闭合环路。第一电阻R1和第四电阻R4之间的节点与第二电阻R2和第三电阻R3之间的节点之间输入直流电压Vs。第一电阻R1和第三电阻R3之间的节点与第二电阻R2和第四电阻R4之间的节点之间输出第一差分信号Vout1，即扭矩感测信号。
在本实施例中，在无形变或者无应力时，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3以及第四电阻R4的阻值相等。
第一电阻R1和第二电阻R2的电流方向与P型硅的[110]晶向方向平行，第三电阻R3和第四电阻R4的电流方向与与第一电阻R1和第二电阻R2的电流方向垂直，即与P型硅的[110]晶向方向垂直。
弯矩敏感单元包括第二惠斯通电桥结构，第二惠斯通电桥结构包括第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7、第八电阻R8。第五电阻R5、第八电阻R8、第六电阻R6以及第七电阻R7串联连接形成闭合环路。第五电阻R5和第七电阻R7之间的节点与第六电阻R6和第八电阻R8之间的节点之间输入直流电压Vs，第六电阻R6和第七电阻R7之间的节点与第五电阻R5和第八电阻R8之间的节点之间输出第二差分信号Vout2，即弯矩感测信号。
在本实施例中，在无形变或者无应力时，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7以及第八电阻R8的阻值相等。
第七电阻R7和第八电阻R8的电流方向与P型硅的[110]晶向之间的夹角23°～45°，第五电阻R5和第六电阻R6的电流方向与第七电阻R7和第八电阻R8的电流方向垂直。
在本实施例中，扭矩敏感单元2021和弯矩敏感单元2022共用同一个电源，接收直流电压Vs。
在一个优选地实施例中，所述扭矩传感器202还包括温度敏感单元，感测温度变化，输出温度感测信号。
其中，温度敏感单元包括温敏二极管D1。所述温敏二极管D1与恒流源连接，恒流源产生电流id，所述温敏二极管两端的电压信号Vout3为所述温度感测信号。
图7示出了根据本发明实施例的扭矩传感装置的结构示意图。如图7所示，扭矩传感装置200包括基板201以及设置在基板201上的扭矩传感器202和处理单元203。
扭矩传感器202位于所述基板201上，且扭矩传感器202与基板201在所述基板201的水平面上的夹角为45°。
扭矩传感器202包括扭矩敏感单元和弯矩敏感单元，扭矩敏感单元包括第一惠斯通电桥结构，第一惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4；弯矩敏感单元包括第二惠斯通电桥结构，第二惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8，以及构成温度敏感单元的温敏二极管D1，图中箭头所指方向为感应外界力时转动轴104的扭转方向，例如顺时针脚蹬助力车脚踏板时使得转动轴104顺时针扭转。扭矩敏感单元的第一电阻和第四电阻(R1-R4)的电流方向与扭矩方向的夹角为45°，弯矩敏感单元的第五电阻R5和第六电阻R6的电流方向与扭转方向垂直，对应于弯矩方向，第七电阻R7和第八电阻R8与扭转方向平行。
处理单元203位于所述基板201上，与所述扭矩传感器202间隔设置并通过金丝键合连接。处理单元203与所述基板201在所述基板201的水平面上的夹角为45°。处理单元203对扭矩感测信号和弯矩感测信号进行模数转换处理。
在本实施例中，处理单元203为IC芯片。
在一个优选地实施例中，处理单元203根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿得到补偿后的扭矩感测信号，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。
处理单元203与扭矩传感器202的距离越近越好，可以降低信号在传输线路上受到的干扰，提高精度。
图7所示的扭矩传感器202的安装可以视作图5所示的扭矩传感器202在基板201的水平面上逆时针旋转45°即可达到要求，处理单元203在基板201的水平面上也逆时针旋转45°，可以降低不必要的可能干扰。在扭矩力和弯矩力同时存在的情况下，第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4对扭矩敏感度最高，在扭矩力作用下有两个电阻阻值增加，两个阻值减小，其构成的第一惠斯通电桥结构输出扭矩感测信号Vout1，但同时在弯矩力作用下电阻阻值会同时减小或增加同样的数值，如此会改变第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4之间的阻值比例关系，影响扭矩感测信号Vout1的值。第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8对弯矩敏感度最高，在弯矩力作用下两个电阻阻值增加，两个阻值减小，其构成的第二惠斯通电桥结构输出的弯矩感测信号Vout2受扭矩影响小。第一电阻R1、第二电阻R2、第三电阻R3和第三电阻R4在无应力下的阻值相同，第五电阻R5、第六电阻R6、第七电阻R7和第八电阻R8无应力下的阻值相同，实际在无外力作用下会存在一些偏差，偏差值可由处理单元进行初始校准。
第七电阻R7和第八电阻R8的电流方向与[110]晶向成23°～45°角，典型值为32°，第五电阻R5和第六电阻R6的电流方向与第七电阻R7和第八电阻R8的电流方向垂直，该设计方向上的弯矩最大，但相应的压敏系数也较小，折中考虑可以优选该设计。
温度是可影响电阻阻值的重要因素，在扭矩传感器202上设置温敏二极管D1，用于感测环境温度，温度升高时，温敏二极管D1的正向压降将减小，例如对某种温敏二极管施加10微安的恒定电流Id，温度每升高1℃，正向压降减小2毫伏，监测该温敏二极管D1两端的电压即可得到相应的温度值。在其他实施例中，温度敏感单元还可以采用温敏电阻实现，该温敏电阻与恒压源串联，检测流经该温敏电阻的电流值便可以获得相应的温度信息。
本发明实施例的原始扭矩感测信号和弯矩信号为电压信号，采用温敏二极管获得的原始温度感测信号也为电压信号，便于后期数据处理。
图8示出了根据本发明实施例的扭矩传感系统的结构示意图。如图8所示，扭矩传感系统包括扭矩传感装置200和微控制单元300，其中，扭矩传感装置200包括扭矩传感器202和处理单元203，扭矩传感器202包括扭矩敏感单元2021和弯矩敏感单元2022，扭矩敏感单元2021感测转动轴的扭矩输出扭矩敏感信号，弯矩敏感单元2022感测转动轴的弯矩输出弯矩感测信号；处理单元203对扭矩感测信号和弯矩感测信号进行模数转换处理，或者根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。
在本实施例中，处理单元203为IC芯片。
微控制单元300与处理单元203通过柔性电路板连接。
当处理单元203对扭矩感测信号和弯矩感测信号进行模数转换处理时，微控制单元300根据模数转换处理后的弯矩感测信号对模数转换处理后的扭矩感测信号进行补偿，输出补偿后的扭矩感测值，消除弯矩对扭矩的影响得到精确的扭矩数据。
当处理单元203根据弯矩感测信号对扭矩感测信号进行补偿，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。微控制单元300接收模数转换处理后的扭矩感测信号，输出补偿后的扭矩感测值，消除弯矩对扭矩的影响得到精确的扭矩数据。
在一个优选地实施例中，扭矩传感器202还包括温度敏感单元2023，该温度敏感单元感测温度变化，输出温度感测信号。处理单元203根据温度感测信号对扭矩感测信号进行补偿，然后再对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。微控制单元300接收模数转换处理后的扭矩感测信号，输出补偿后的扭矩感测值，消除温度和弯矩对扭矩的影响得到精确的扭矩数据。
根据扭矩感测信号、温度感测信号和弯矩感测信号，校准包括绘制不同温度下不同扭矩的函数fA扭(P扭，T)，再绘制不同温度下不同弯矩的函数fA弯(P弯，T)，然后绘制不同温度下不同扭矩和弯矩的函数fA(P扭，P弯，T)，最后根据3个函数的关系进行相应的算法处理，消除温度和弯矩的影响，由于IC处理数据不够灵活，且成本较高，而MCU(MicrocontrollerUnit，微控制单元)处理灵活，更有利于不同用户根据需求采用合适的处理方法，数字处理可以采用MCU(Microcontroller Unit，微控制单元)来实现，其中处理单元与MCU的连接可以采用柔性电路板连接。其中，P扭＝k1Vout1；P弯＝k2Vout2，处理单元作为数模转换器将Vout1、Vout2和Vout3转换为数字信号，MCU对转换为数字信号数据进行数字处理。由于本发明实施例的扭矩传感装置200的体积较小，数据量不多，采用MCU较为合适。处理单元和MCU构成数据处理单元，利用第二差分信号Vout2和第三差分信号Vout3对第一差分信号Vout1进行补偿，输出补偿后的扭矩感测值。
本发明的扭矩传感器包括对扭矩高敏感的扭矩敏感单元和对弯矩高敏感的弯矩敏感单元，可以同时提供扭矩敏感信号和弯矩敏感信号，可以根据弯矩敏感信号对扭矩敏感信号进行补偿，提供更加准确的扭矩感测值。
本发明的扭矩传感装置200通过设置扭矩敏感单元和弯矩敏感单元，并对扭矩数据和弯矩数据进行处理，可以消除弯矩对扭矩的影响，确保扭矩传感装置200输出准确扭矩数据。同时还包括温度敏感单元，用于测量温度对扭矩敏感单元的扭矩敏感器件的影响，以消除温度对扭矩传感器检测结果的影响，进一步地提高扭矩传感装置200的扭矩数据的准确度。采用MCU可以在低成本下保障数据处理精度。
依照本发明的实施例如上文所述，这些实施例并没有详尽叙述所有的细节，也不限制该发明仅为所述的具体实施例。显然，根据以上描述，可作很多的修改和变化。本说明书选取并具体描述这些实施例，是为了更好地解释本发明的原理和实际应用，从而使所属技术领域技术人员能很好地利用本发明以及在本发明基础上的修改使用。本发明仅受权利要求书及其全部范围和等效物的限制。
Claims (37)
1.一种扭矩传感器，其特征在于，包括：
衬底；
扭矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的扭矩形变，输出扭矩感测信号；
弯矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的弯矩形变，输出弯矩感测信号。
2.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述扭矩敏感单元包括第一惠斯通电桥结构，所述弯矩敏感单元包括第二惠斯通电桥结构。
3.根据权利要求2所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第一惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第一电阻、第四电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一电阻和第三电阻之间的节点与所述第二电阻和第四电阻之间的节点之间输出所述扭矩感测信号，所述第一电阻和第四电阻之间的节点与所述第二电阻和第三电阻之间的节点之间输入直流电压。
4.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，在无形变或无应力时，第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻的阻值相等。
5.根据权利要求3所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第二惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第五电阻、第八电阻、第六电阻以及第七电阻，所述第六电阻和第七电阻之间的节点与所述第五电阻和第八电阻之间的节点之间输出所述弯矩感测信号，所述第五电阻和第七电阻之间的节点与所述第六电阻和第八电阻之间的节点之间输入直流电压。
6.根据权利要求5所述的扭矩传感器，其特征在于，在无形变或无应力时，第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第八电阻的阻值相等。
7.根据权利要求3-6中任一项所述的扭矩传感器，其特征在于，所述衬底为(100)晶面P型硅。
8.根据权利要求7所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向平行，所述第三电阻和所述第四电阻的电流方向与所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向垂直。
9.根据权利要求7所述的扭矩传感器，其特征在于，所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向的夹角为23°～45°，所述第七电阻和所述第八电阻的电流方向与所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向垂直。
10.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，还包括：
温度敏感单元，位于所述衬底上，感测温度变化，输出温度感测信号。
11.根据权利要求10所述的扭矩传感器，其特征在于，所述温度敏感单元包括温敏二极管，所述温敏二极管与恒流源连接，所述温敏二极管两端的电压信号为所述温度感测信号。
12.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述衬底为可受扭矩力和弯矩力形变的衬底。
13.根据权利要求1所述的扭矩传感器，其特征在于，所述扭矩敏感单元和所述弯矩敏感单元共用同一电源，所述电源提供直流电压。
14.一种扭矩传感装置，其特征在于，包括扭矩传感器，
其中，所述扭矩传感器包括：
衬底；
扭矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的扭矩形变，输出扭矩感测信号；
弯矩敏感单元，位于所述衬底上，感测转动轴的弯矩形变，输出弯矩感测信号。
15.根据权利要求14所述的扭矩传感装置，其特征在于，还包括：
基板，位于转动轴的侧壁上，并与转动轴的侧壁表面贴合连接。
16.根据权利要求15所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述扭矩传感器位于所述基板上，且所述扭矩传感器与所述基板在所述基板的水平面上的夹角为45°。
17.根据权利要求15所述的扭矩传感装置，其特征在于，还包括：
处理单元，位于所述基板上，与所述扭矩传感器间隔设置并通过金丝键合连接。
18.根据权利要求17所述的扭矩传感装置，其特征在于，且所述处理单元与所述基板在所述基板的水平面上的夹角为45°。
19.根据权利要求17所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述处理单元对所述扭矩感测信号和所述弯矩感测信号进行模数转换处理。
20.根据权利要求17所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述处理单元根据所述弯矩感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿得到补偿后的扭矩感测信号，然后对补偿后的扭矩感测信号进行模数转换处理。
21.根据权利要求14所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述扭矩敏感单元包括第一惠斯通电桥结构，所述弯矩敏感单元包括第二惠斯通电桥结构。
22.根据权利要求21所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述第一惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第一电阻、第四电阻、第二电阻以及第三电阻，所述第一电阻和第三电阻之间的节点与所述第二电阻和第四电阻之间的节点之间输出所述扭矩感测信号，所述第一电阻和第四电阻之间的节点与所述第二电阻和第三电阻之间的节点之间输入直流电压。
23.根据权利要求22所述的扭矩传感装置，其特征在于，在无形变或无应力时，第一电阻、第二电阻、第三电阻以及第四电阻的阻值相等。
24.根据权利要求22所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述第二惠斯通电桥结构包括串联连接成闭合环路的第五电阻、第八电阻、第六电阻以及第七电阻，所述第六电阻和第七电阻之间的节点与所述第五电阻和第八电阻之间的节点之间输出所述弯矩感测信号，所述第五电阻和第七电阻之间的节点与所述第六电阻和第八电阻之间的节点之间输入直流电压。
25.根据权利要求24所述的扭矩传感装置，其特征在于，在无形变或无应力时，第五电阻、第六电阻、第七电阻以及第八电阻的阻值相等。
26.根据权利要求22-25中任一项所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述衬底为(100)晶面P型硅。
27.根据权利要求26所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向平行，所述第三电阻和所述第四电阻的电流方向与所述第一电阻和所述第二电阻的电流方向垂直。
28.根据权利要求26所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向与所述P型硅的[110]晶向的夹角为45°，所述第七电阻和所述第八电阻的电流方向与所述第五电阻和所述第六电阻的电流方向垂直。
29.根据权利要求17所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述扭矩传感器还包括：
温度敏感单元，位于所述衬底上，感测温度变化，输出温度感测信号。
30.根据权利要求29所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述温度敏感单元包括温敏二极管，所述温敏二极管与恒流源连接，所述温敏二极管两端的电压信号为所述温度感测信号。
31.根据权利要求29所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述处理单元根据温度感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿。
32.根据权利要求14所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述衬底为可受扭矩力和弯矩力形变的衬底。
33.根据权利要求14所述的扭矩传感装置，其特征在于，所述扭矩敏感单元和所述弯矩敏感单元共用同一电源，所述电源提供直流电压。
34.一种扭矩传感系统，其特征在于，包括：
如权利要求14-33中任一项所述的扭矩传感装置；
微控制单元，与所述扭矩传感装置连接，输出补偿后的扭矩感测值。
35.一种扭矩传感系统的测量方法，其特征在于，包括：
获取扭矩传感器输出的扭矩感测信号和弯矩感测信号；
根据弯矩感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿。
36.根据权利要求35所述的测量方法，其特征在于，还包括：
获取扭矩传感器输出的温度感测信号；
根据温度感测信号对所述扭矩感测信号进行补偿。
37.根据权利要求35所述的测量方法，其特征在于，还包括：
对补偿后的扭矩感测信号进行处理输出补偿后的扭矩感测值。
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| CN202010732002.5A CN111855052A (zh) | 2020-07-27 | 2020-07-27 | 扭矩传感器、扭矩传感装置、扭矩传感系统及其测量方法 |
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115144119A (zh) * | 2022-06-30 | 2022-10-04 | 东北电力大学 | 拉压检测组件、弯矩检测组件和扭矩检测组件 |
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2020
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