CN112050980B

CN112050980B - 一种基于应变片的扭矩测量仪

Info

Publication number: CN112050980B
Application number: CN202010849658.5A
Authority: CN
Inventors: 徐志望
Original assignee: Shaoxing University Yuanpei College
Current assignee: Shaoxing University Yuanpei College
Priority date: 2020-08-21
Filing date: 2020-08-21
Publication date: 2022-04-12
Anticipated expiration: 2040-08-21
Also published as: CN112050980A

Abstract

本发明提供一种基于应变片的扭矩测量仪，包括控制器、显示屏、A/D转换模块、调理放大模块、应变片检测模块、应变片以及电源模块。所述应变片检测模块、显示屏以及A/D转换模块均与所述控制器连接，所述调理放大模块与所述A/D转换模块连接，所述应变片与所述调理放大模块连接，所述应变片通过施胶安装在试品扭轴上，本发明的实质性效果是：通过对应变片表面进行超声清洗，保证应变片的绝缘性能满足实验需要，通过超声波在电机开启前就可以检测应变片与试品扭轴之间是否存在气泡，解决了浪费实验时间的技术问题。

Description

一种基于应变片的扭矩测量仪

技术领域

本发明涉及扭矩测量技术领域，尤其是指一种基于应变片的扭矩测量仪。

背景技术

随着生产和科学技术的迅速发展，测量和试验技术作为涉及多种学科的综合科学技术，正在形成独立的学科体系。扭矩是工业生产过程中的重要参数，为了保证生产正常进行，必须对扭矩进行检测和控制。扭矩的测量是各种机械产品的开发研究、测试分析、质量检验、型式鉴定和节能、安全或优化控制等工作中所必不可少的内容。其次，在各种电机的运行过程中往往需要设置一个扭矩的上限值，以确保电机的安全运行，通过对扭矩和的测量，当超过上限值时发出报警信号。以提醒用户进行相应的操作。

在现代化测量仪中，数字显示仪表得到了迅速发展。这种仪表有读数直观，不容易受到干扰；测量准确度高；测量结果便于自动纪录等优点。数字扭矩测量仪表在现代科学试验工作中的应用日益广泛。

应变式传感器是利用金属的电阻应变效应，将测量物体的变形转变成电阻变化的传感器。使用弹性元件，将扭矩的变化转换成弹性元件表面应变的变化。弹性元件的表面贴有应变片，其应变的变化使应变片的阻值产生变化。由应变片的阻值变化，可以很容易的计算出扭矩的大小。可现有采用应变片测量扭矩的技术中，存在应变片粘贴处容易产生气泡，导致测量结果不准的技术问题。现有技术一般通过多组实验去除多组结果中的异常值，但异常值的产生也经过了完整的实验过程，会浪费实验时间。

公开号CN104864993A公开了一种高效滤波处理的扭矩传感器，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，与集流环相连接的振荡器，与显示仪相连接的耦合电路，与耦合电路相连接的信号锁相处理系统组成；其特征在于：在信号锁相处理系统与集流环之间还设置有滤波电路；该发明可以过滤掉设备所产生的干扰信号，避免扭矩传器受到干扰信号的影响，提高其稳定性。该扭矩传感器可以滤除测量过程中的一些干扰信号，但该扭矩传感器仍不能解决应变片粘贴处容易产生气泡，导致测量结果不准的技术问题。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：现有采用应变片测量扭矩的技术中，存在应变片粘贴处容易产生气泡，导致测量结果不准的技术问题以及即使通过多组实验去除多组结果中的异常值，但异常值的产生也经过了完整的实验过程，会浪费实验时间的技术问题。

为解决上述技术问题，节省试品扭矩测量时间，本发明提供一种基于应变片的扭矩测量仪，包括控制器、显示屏、A/D转换模块、调理放大模块、应变片检测模块、应变片以及电源模块，所述应变片检测模块、显示屏以及A/D转换模块均与所述控制器连接，所述调理放大模块与所述A/D转换模块连接，所述应变片与所述调理放大模块连接，所述应变片通过施胶安装在试品扭轴上，所述控制器进行数据计算并将计算结果输出在所述显示屏上，所述电源模块为其余部分供电，所述应变片采集试品扭轴形变量。所述应变片检测模块检测应变片是否符合实验标准，通过测量应变片电阻检测应变片是否存在生锈、短路等问题，通过检测应变片与试品扭轴贴合处是否存在气泡决定是否进行扭矩检测实验。

作为优选，所述应变片检测模块包括超声波探头、伸缩装置以及旋转装置，所述超声波探头包括外壳、超声波发生器以及接收器所述超声波发生器以及接收器均安装在所述外壳内，所述伸缩装置以及旋转装置使所述超声波探头能够伸缩以及旋转，所述超声波发生器与所述接收器均与所述控制器连接，所述控制器通过控制所述伸缩装置以及旋转装置控制所述超声波探头的位置，所述控制器控制所述超声波发生器的输出功率，所述控制器分析所述接收器反馈的信号。所述超声波发生器有清洗模式以及检测模式两种工作模式，当所述超声波发生器处于清洗模式时，所述控制器控制所述超声波发生器发出高强度超声波清洗所述应变片；当所述超声波发生器处于检测模式时，所述控制器控制所述超声波发生器发出低强度超声波对所述应变片与试品扭轴之间的气泡进行检测。所述伸缩装置以及旋转装置在现有技术中存在多种实现方式，如利用电机以及伸缩杆实现，所述超声波发生器根据输入电流的大小改变产生的超声波的振幅，实现清洗功能与探测功能的复用。若检测到应变片与试品扭轴之间存在大量气泡，则更换应变片重新粘贴。所述应变片检测模块通过在应变片两端加固定电压，根据反馈的电流检测应变片的电阻。

作为优选，所述应变片包括基底、电阻丝以及引线，所述电阻丝被包裹在所述基底内，应变片按功能分为应变电阻R1、补偿电阻RB、固定电阻R3以及固定电阻R4，所述应变电阻R1、补偿电阻RB、固定电阻R3以及固定电阻R4以R1和R2为一臂、R3和R4为另一臂构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥向所述调理放大模块输出应变电阻R1和补偿电阻RB连接点A与固定电阻R3和固定电阻R4连接点B的电势差V0。所述应变片有输入引脚以及输出引脚，所述输入引脚接直流电压u，所述输出引脚接所述调理放大模块输入端。

作为优选，所述控制器根据计算式

进行计算，得试品扭轴上的扭矩

式中

V₀为所述惠斯通电桥的输出电压、E_e材料的弹性模量、D为以毫米为单位的试品扭轴直径、u为所述惠斯通电桥的输入电压、μ为金属材料泊松比。

作为优选，还包括键盘模块以及报警模块，所述键盘模块以及所述报警模块均与所述控制器连接，所述键盘模块设置所述扭矩测量仪的工作模式，所述测量仪的工作模式包括最大值模式以及限定值模式。当所述扭矩测量仪工作在最大值模式时，所述扭矩测量仪检测应变片上的最大形变量并通过数码管或其他显示元件显示根据上述应变片最大形变量计算得到的最大扭矩；当所述扭矩测量仪工作在限定值模式时，若某一时刻，扭矩测量仪根据应变片形变量计算得到的实时扭矩大于设定值，则所述控制器通过所述报警模块报警。

作为优选，所述控制器采用数字滤波算法消除系统误差。受实验过程中各种干扰的影响，采集到的数据会存在系统误差，为了尽量消除系统误差，可通过计算标准差将测得的异常数据剔除。

本发明的实质性效果是：通过对应变片表面进行超声清洗，保证应变片的绝缘性能满足实验需要，通过超声波在电机开启前就可以检测应变片与试品扭轴之间是否存在气泡，解决了浪费实验时间的技术问题。

附图说明

图1是实施例一的组成示意图。

图2是实施例一应变片检测模块示意图。

图3是实施例一应变片粘贴示意图。

图4是实施例一应变片惠斯通电桥结构示意图。

图中：1.试品扭轴、2.超声波探头、3.伸缩装置、4.旋转装置、100.控制器、200.A/D转换模块、300.调理放大模块、400.显示屏、500.应变片检测模块、600.应变片、700.键盘模块、800.报警模块。

具体实施方式

下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的具体实施方式作进一步具体说明。

如图1所示，实施例一包括控制器100、显示屏400、A/D转换模块200、调理放大模块300、应变片检测模块500、应变片600、键盘模块700、报警模块800以及电源模块，应变片检测模块500、显示屏400、A/D转换模块200、键盘模块700以及报警模块800均与控制器100连接，调理放大模块300与A/D转换模块200连接，应变片600与调理放大模块300连接。控制器100选用89C4051单片机，其内部含有4K的电可擦Flash程序存储器，可方便的装载或修改系统程序。根据设计的要求，其系统程序可以实现校准、数据采集、数字滤波、数制转换等功能。A/D转换模块200选用美国Burr-Brown公司出品的高速微功耗A/D转换器ADS7822。主程序的功能主要是一个不断测量显示的过程，大部分的设定以及其他功能都是在键盘扫描子程序中完成。键盘部分的程序包括一个主程序和三个子程序。实施例一扭矩测量仪的键盘只有三个键，键K1为主功能键，通过键K1实现不同设定之间的切换。K2，K3键为辅助键，除了可以单独完成部分功能外，还要配合Kl键共同完成一些设定。具体如下：

l、K1键不做任何动作。K2单独动作，此时无论扭矩测量仪工作在何模式，所进行的操作都是峰值清零，即将内存中的上一个测量周期结束后留下的峰值置零，并送LCD进行显示。K1单独动作，在工作模式为0(最大值模式)时，进行的操作是自校准零值，即测量零点，然后更新内存中相应存储位置的零点值。在工作模式为l(限定值模式)时，K1单独动作进行的操作是显示设定的扭矩上限值。

2、Kl键动作。在K1键动作时，情况稍复杂。Kl与K2、K3键的组合主要完成两种操作，一是扭矩测量仪工作模式的设定，二是扭矩测量仪处于第二种工作模式时扭矩上限值的设定。无论是处在何种设定状态，K3键的功能都是结束设定，返回主程序。Kl动作一次，进入扭矩测量仪工作模式设定。扭矩测量仪默认的工作模式是O，即处于最大值工作状态。K2每动作一次，工作模式切换一次。K1键动作两次，进入上限值的最低位的设定，K2的动作使相应的设定位实现0～9累加循环跳变，即K2每动作一次，相应位加一，当累加到九时，K2再动作将相应位置零，从而进入下一个0～9的循环。K1动作三次、四次和五次分别实现对峰值从低到高的剩下三位的值的设定，过程与最低位的设定相同。当K1继续动作时，即动作六次以上，实现对扭矩上限值各位的循环设定。

如图2所示，应变片检测模块500包括超声波探头2、伸缩装置3以及旋转装置4，超声波探头2包括外壳、超声波发生器以及接收器超声波发生器以及接收器均安装在外壳内，伸缩装置3以及旋转装置4使超声波探头2能够伸缩以及旋转，超声波发生器与接收器均与控制器100连接，控制器100通过控制伸缩装置3以及旋转装置4控制超声波探头2的位置，控制器100控制超声波发生器的输出功率，控制器100分析接收器反馈的信号。超声波发生器有清洗模式以及检测模式两种工作模式，当超声波发生器处于清洗模式时，控制器100控制超声波发生器发出高强度超声波清洗应变片600；当超声波发生器处于检测模式时，控制器100控制超声波发生器发出低强度超声波对应变片600与试品扭轴1之间的气泡进行检测。伸缩装置3以及旋转装置4利用电机以、伸缩杆以及滑轨实现，超声波发生器根据输入电流的大小改变产生的超声波的振幅，实现清洗功能与探测功能的复用。若检测到应变片600与试品扭轴1之间存在大量气泡，则更换应变片600重新粘贴。应变片检测模块500通过在应变片600两端加固定电压，根据反馈的电流检测应变片600的电阻。

如图3或图4所示，应变片600包括基底、电阻丝以及引线，电阻丝被包裹在基底内，应变片600按功能分为应变电阻R1、补偿电阻RB、固定电阻R3以及固定电阻R4，应变电阻R1、补偿电阻RB、固定电阻R3以及固定电阻R4以R1和R2为一臂、R3和R4为另一臂构成惠斯通电桥，惠斯通电桥向调理放大模块300输出应变电阻R1和补偿电阻RB连接点A与固定电阻R3和固定电阻R4连接点B的电势差V0。应变片600有输入引脚以及输出引脚，输入引脚接直流电压u，输出引脚接调理放大模块300输入端。

实施例一有两种工作模式，一种是最大值模式，一种是限定值模式。所谓最大值模式，就是扭矩测量仪在工作过程中，系统不断的对工作过程中的扭矩值进行测量，并进行对比，一个工作周期中的最大值保存并显示出来。限定值模式，则是首先用手工进行设定一扭矩上限，当扭矩测量仪在工作过程中某一时刻的扭矩值超过此上限值时，系统则通过蜂鸣器和发光二极管进行报警，以提示操作人员。

使用实施例一进行扭矩测量时，首先将4个应变片600应变电阻R1、补偿电阻RB、固定电阻R3以及固定电阻R4进行超声波清洗，去除基底外表面油污，然后将应变片600粘贴在试品扭轴1上45°/135°的位置上，粘贴完成后进行电阻检测以及气泡检测，测得应变电阻R1与补偿电阻RB的阻值差应不超过0.5欧姆，若检测到气泡体积大于应变片600与试品扭轴1之间空隙总体积的30％，则重新粘贴应变片600。检测完成后，通过键盘模块700选择扭矩测量仪的工作模式，即可开始测量，扭矩值通过显示屏400显示。所述试品扭轴1所受电机产生的转矩的大小应进行多次实验取平均值。

以上所述的实施例只是本发明的一种较佳的方案，并非对本发明作任何形式上的限制，在不超出权利要求所记载的技术方案的前提下还有其它的变体及改型。

Claims

1.一种基于应变片的扭矩测量仪，其特征在于：包括控制器、显示屏、A/D转换模块、调理放大模块、应变片检测模块、应变片以及电源模块，所述应变片检测模块、显示屏以及A/D转换模块均与所述控制器连接，所述调理放大模块与所述A/D转换模块连接，所述应变片与所述调理放大模块连接，所述应变片通过施胶安装在试品扭轴上，所述控制器进行数据计算并将计算结果输出在所述显示屏上，所述电源模块为其余部分供电，所述应变片采集试品扭轴形变量，所述应变片检测模块包括超声波探头、伸缩装置以及旋转装置，所述超声波探头包括外壳、超声波发生器以及接收器所述超声波发生器以及接收器均安装在所述外壳内，所述伸缩装置以及旋转装置使所述超声波探头能够伸缩以及旋转，所述超声波发生器与所述接收器均与所述控制器连接，所述控制器通过控制所述伸缩装置以及旋转装置控制所述超声波探头的位置，所述控制器控制所述超声波发生器的输出功率，所述控制器分析所述接收器反馈的信号，所述超声波发生器有清洗模式以及检测模式两种工作模式，当所述超声波发生器处于清洗模式时，所述控制器控制所述超声波发生器发出高强度超声波清洗所述应变片；当所述超声波发生器处于检测模式时，所述控制器控制所述超声波发生器发出低强度超声波对所述应变片与试品扭轴之间的气泡进行检测。

2.根据权利要求1任一项所述的一种基于应变片的扭矩测量仪，其特征在于：所述应变片包括基底、电阻丝以及引线，所述电阻丝被包裹在所述基底内，应变片按功能分为应变电阻R1、补偿电阻R2、固定电阻R3以及固定电阻R4，所述应变电阻R1、补偿电阻R2、固定电阻R3以及固定电阻R4以R1和R2为一臂、R3和R4为另一臂构成惠斯通电桥，所述惠斯通电桥向所述调理放大模块输出应变电阻R1和补偿电阻R2连接点A与固定电阻R3和固定电阻R4连接点B的电势差V₀。

3.根据权利要求2所述的一种基于应变片的扭矩测量仪，其特征在于：所述控制器根据计算式

进行计算，得试品扭轴上的扭矩

式中V₀为所述惠斯通电桥的输出电压、E_e材料的弹性模量、D为以毫米为单位的试品扭轴直径、u为所述惠斯通电桥的输入电压、μ为金属材料泊松比。

4.根据权利要求1所述的一种基于应变片的扭矩测量仪，其特征在于：还包括键盘模块以及报警模块，所述键盘模块以及所述报警模块均与所述控制器连接，所述键盘模块设置所述扭矩测量仪的工作模式，所述测量仪的工作模式包括最大值模式以及限定值模式，所谓最大值模式，就是扭矩测量仪在工作过程中，系统不断的对工作过程中的扭矩值进行测量，并进行对比，一个工作周期中的最大值保存并显示出来，限定值模式，则是首先用手工进行设定一扭矩上限，当扭矩测量仪在工作过程中某一时刻的扭矩值超过此上限值时，系统则通过蜂鸣器和发光二极管进行报警。

5.根据权利要求1所述的一种基于应变片的扭矩测量仪，其特征在于：所述控制器采用数字滤波算法消除系统误差。

6.一种扭矩测量方法，采用如权利要求1至5任一项所述的扭矩测量仪进行扭矩测量，其特征在于：粘贴应变片后，开启电机之前，进行气泡检测。